JP2010222630A

JP2010222630A - 伸線性に優れた高炭素鋼線材の製造方法

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Publication number: JP2010222630A
Application number: JP2009070140A
Authority: JP
Inventors: Takashi Onishi; 隆大西; Mikako Takeda; 実佳子武田; Shohei Nakakubo; 昌平中久保; Kazuhiko Kirihara; 和彦桐原; Masayuki Endo; 雅之遠藤; Sunao Yoshihara; 直吉原
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2029-03-23
Also published as: JP5297849B2

Abstract

【課題】二次スケールとして鋼線材の表面に被覆されている黒皮スケールに対して、ＭＤによる剥離性を向上させることによりＭＤ後のスケール取れ残りを防止し、伸線工程におけるスケール（酸化物）のダイスへの噛込み防止し、且つＭＤ後の地鉄表面粗度を小さくすることにより、ダイス寿命の低下や傷ついたダイスによる表面性状の低下等を抑制できるような、伸線性に優れる鋼線材を製造するための方法な方法を提供する。
【解決手段】本発明方法は、化学成分組成を適切に調整した鋼ビレットを、熱間圧延により線材形状にした後、巻き取り工程を含んで線材を製造する方法において、鋼ビレットにおける熱間圧延時の加熱温度を９５０〜１０５０℃に設定すると共に、巻取り温度を８９０〜９９０℃に設定して操業する。
【選択図】なし

Description

本発明は、タイヤの補強用鋼線、ＰＣ鋼線、ロープ用鋼線等に使用される高炭素鋼線材を製造する方法に関するものであり、特に二次スケールとして鋼線材表面に被覆されている黒皮スケールがメカニカルデスケーリング（以下、「ＭＤ」と略称することがある）による剥離性に優れ、伸線性に優れる鋼線材を製造するための有用な方法に関するものである。

タイヤの補強用鋼線、ＰＣ鋼線、ロープ用鋼線等に使用される高炭素鋼線材は、ＭＤにより表面スケールを除去した後、所定の線径まで伸線される。そして該鋼線材は、ＭＤで容易に剥離する黒皮スケール（二次スケール）を被覆した後、コイル状に巻取った状態で製品としている。

製品として出荷された鋼線材はユーザーによってＭＤが行われ、その後所定の線径まで伸線されることになる。このときの伸線は、湿式伸線方式または乾式伸線方式、或は両方式を併用して行われ、線径の異なる複数のダイスに線材を通過させながら、複数段階の伸線工程を経て伸線される。

鋼線材の表面に付着されている黒皮スケールは、ＭＤ工程での剥離性を確保するために、所定の厚み、性状に制御されている。具体的には、スケール厚：１０μｍ程度、スケール中のウスタイト（ＦｅＯ）比率：７０％程度、等に制御されているのが通常である。

従って、黒皮スケールが薄い場合やＭＤで除去しにくいスケール性状を有する場合にはＭＤ工程後においてもその一部が取れ残り、（１）ダイス寿命の低下、（２）傷ついたダイスによる断線、等の不都合を招くことになる。また、黒皮スケールがＭＤ工程で完全に除去できた場合であっても、地鉄／黒皮スケール界面の粗度が大きいときには、ＭＤ後の地鉄表面粗度が大きくなり、同様に上記した（１）、（２）の不都合を招くことになる。

上記のような不都合を防止するためには、ＭＤによって黒皮スケールが容易に剥離する特性（本発明では、こうした特性を「ＭＤ性」と呼んでいる）を向上させることが重要である。しかしながら、上記のような不都合が発生する要因としては、黒皮スケールの他にも、（ａ）三次スケール（ブルースケール）の生成や、（ｂ）自然錆の生成等も考えられており、これまではむしろこれらの要因の解明に重点をおいて検討されてきた。

上記ブルースケールは、線材の製造過程において黒皮スケールが剥離した後に形成されるスケールであり、１μｍ以下の厚みを有している。このブルースケールは、薄スケールであり、且つウスタイトを含まないことから、地鉄との密着性が強く、ＭＤによっては除去できないため取れ残り、上記（１）、（２）のような不都合を招くことになる。

またブルースケールは、主に線材をタブ（集束機）に入れて結束する際の機械的衝撃により黒皮スケールが剥離し、三次スケールが生成することにより生じる。この三次スケールは２００℃以下の加熱では生成しないことから、ブルースケール抑制対策として、「線材のタブ（集束機）入り温度を２００℃以下にすること」等が提案されている。

一方、鋼線材表面の黒皮スケールが２００℃以下で剥離すると、鋼線材の新生面が大気に露出され、湿潤雰囲気により酸化され、自然錆を生成することになる。この自然錆も１μｍ以下の薄スケールであり、ＭＤで剥離しにくいことからＭＤ後も残留することになり、その後の伸線過程でダイスを傷つけ、ダイス寿命の低下の他、傷ついたダイスによる鋼線材の表面性状の低下（表面疵の増加）を招くことになる。こうした問題を回避するために、輸送時の保護性によって自然錆抑制を目的とした技術も提案されている（例えば、特許文献１）。

これらの技術に対し、上記のような不都合の要因であるとされる黒皮スケールをＭＤで容易に除去する技術については、これまで検討されていないのが実情である。

特開平０２−２１３４４８号公報

本発明はこうした従来技術における課題を解決する為になされたものであって、その目的は、二次スケールとして鋼線材の表面に被覆されている黒皮スケールに対して、ＭＤによる剥離性を向上させることによりＭＤ後のスケール取れ残りを防止し、伸線工程におけるスケール（酸化物）のダイスへの噛込みを防止し、且つＭＤ後の地鉄表面粗度を小さくすることにより、ダイス寿命の低下や傷ついたダイスによる表面性状の低下等を抑制できるような、伸線性に優れる鋼線材を製造するための有用な方法を提供することにある。

上記課題を解決することのできた本発明方法とは、Ｃ：０．７〜１．２％（「質量％」の意味、化学成分について以下同じ）、Ｓｉ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：０．３〜０．６％およびＣｒ：０．０１〜０．３％を夫々含有する鋼ビレットを、熱間圧延により線材形状にした後、巻き取り工程を含んで鋼線材を製造する方法において、鋼ビレットにおける熱間圧延時の加熱温度を９５０〜１０５０℃に設定すると共に、巻取り温度を８９０〜９９０℃に設定して操業する点に要旨を有するものである。

本発明では、化学成分組成を適切に調整すると共に、鋼ビレットにおける熱間圧延時の加熱温度やその後の巻取り温度を適切に調整することによって、ＭＤによる剥離性に優れる黒皮スケールを有すると共に、地鉄／黒皮スケール界面が平滑な鋼線材が作製できるため、ダイス寿命の低下や、傷ついたダイスによる表面性状の低下（表面疵の増加）等を抑制できる高炭素鋼線材を実現できた。

実施例１における各鋼線材のスケール付着量とスケール残留量の関係を示すグラフである。実施例１における各鋼線材のスケール厚みとスケール残留量の関係を示すグラフである。実施例２における各鋼線材の巻取り温度とサブスケール中のＣｒ濃度の関係を示すグラフである。実施例２における各鋼線材のサブスケール中のＣｒ濃度とスケール残留量の関係を示すグラフである。

本発明者らは、表面に黒皮スケールが被覆されている鋼線材における伸線過程でのダイスの傷つきの原因を解明するべく、様々な角度から検討した。その結果、次のような知見が得られた。

タイヤの補強用鋼線、ＰＣ鋼線、ロープ用鋼線などに使用される高炭素鋼線材（スチールコード）には、その表面に黒皮スケールが被覆された状態で製品として出荷されている。そして、黒皮スケールは所定の厚み、性状に制御されている（例えば、スケール厚：１０μｍ程度、スケール中のウスタイト（ＦｅＯ）比率：７０％程度）が、黒皮スケールが薄い場合やＭＤで除去しにくいスケール性状を有する場合は、ＭＤ工程で黒皮スケールの一部が取れ残り、取れ残った黒皮スケールはダイスに噛込み、ダイスの傷つきの原因となる。また、黒皮スケールがＭＤ工程で完全に除去できた場合であっても、地鉄（鋼線線）／黒皮スケール界面の粗度が大きい場合には、ＭＤ後の地鉄表面粗度が大きくなり、同様にダイスの傷つきの原因となる。

そこで、黒皮スケールのＭＤ性向上を図るためには、高炭素鋼線材の製造工程において、巻取り温度を８９０℃以上、９９０℃以下とすることが有効であることが判明したのである。尚、従来では巻取り温度は、機械的特性の確保（鋼線材の引張強度低減）という観点から８５０〜８８０℃程度に設定されている。

黒皮スケールのＭＤ性は黒皮スケール厚と相関関係があり（後記図２参照）、黒皮スケールの厚みが厚いほどＭＤ後のスケール取れ残り量は減少し、ＭＤ性は向上する。そして、巻取り温度を８９０℃以上とすることにより、ＭＤ性に優れる黒皮スケール厚さを確保することができる。この巻取り温度は好ましくは、９５０℃以上とするのが良い。

また、黒皮スケールのＭＤ性は黒皮スケール下部（地鉄との界面）に形成されるサブスケール中のＣｒ濃度と相関関係があり、該Ｃｒ濃度が低いほど（具体的にはサブスケール中のＣｒ濃度が１％程度以下）、ＭＤ後のスケール取れ残り量は減少し、ＭＤ性は向上することが判明している。こうした観点から、巻取り温度を８９０℃以上とすることにより、ＭＤ性に優れるサブスケール中の低Ｃｒ化を確保することができる。

しかしながら、巻取り温度を９９０℃よりも高くすると、ＭＤ後に黒皮スケールが剥離した表面に極薄ＦｅＯ層の形成が認められる。ＭＤ後に取れ残ったＦｅＯ層は、ダイスに噛込み「ダイス傷つき」を招くことから、巻取り温度は９９０℃以下とする必要がある。

一方、地鉄／黒皮スケール界面（ＭＤ後の地鉄表面）を平滑にするためには、鋼ビレットの加熱温度（熱間圧延前の加熱温度）を９５０℃〜１０５０℃の範囲にすることが有効である。鋼ビレットの加熱温度を前記温度範囲に設定することにより、サブスケールであるファイヤライト（Ｆｅ₂ＳｉＯ₄）の生成を抑制し、またファイヤライトが生成された場合でもノジュール化による不均一形成を防止することができる。これにより、地鉄／黒皮スケール界面にファイヤライト(Ｆｅ₂ＳｉＯ₄）は生成しないか、極薄均一層として生成されるため、地鉄／黒皮スケール界面（ＭＤ後の地鉄表面）は平滑になる。

鋼ビレットの加熱温度が９５０℃未満では、熱間加工性が低下するため、鋼ビレットを熱間圧延により所定の線径（例えば、φ５．５ｍｍ）の線材形状にするのが困難となる。従って、このときの加熱温度は９５０℃以上とする必要がある。

また鋼ビレットの加熱温度が１０５０℃よりも高くなると、地鉄／黒皮スケール界面にファイヤライト（Ｆｅ₂ＳｉＯ₄）が不均一生成し、地鉄／黒皮スケール界面粗度（ＭＤ後の地鉄表面粗度）を増大させることになる。またファイヤライト（Ｆｅ₂ＳｉＯ₄）はＭＤでは取れにくく、ＭＤ後に取れ残ったファイヤライト（Ｆｅ₂ＳｉＯ₄）は、ダイスに噛込み、「ダイス傷つき」を招くことから、加熱温度は１０５０℃以下にする必要がある。この加熱温度は好ましくは１０００℃以下とするのが良い。

尚、鋼ビレットの加熱時の雰囲気は、一般的にはＯ₂：０．５〜３．０容量％、ＣＯ₂：５〜１５容量％、Ｈ₂Ｏ：１５〜２５容量％を夫々含むＮ₂雰囲気である。

本発明の鋼線材は、その化学成分組成については、最終製品としての特性を発揮させるために、その化学成分組成を適切に調整する必要がある。その化学成分組成における各成分（元素）による範囲限定理由は次の通りである。

［Ｃ：０．７〜１．２％］
Ｃは鋼線材の強度を高めるために必要な元素であり、そのためには０．７％以上含有させる必要があるが、Ｃ含有量が過剰になると、伸線性が劣化（引張強度の増加）するので、１．２％以下とする必要がある。

［Ｓｉ：０．１〜０．３％］
Ｓｉは、鋼の脱酸のために必要な元素であり、鋼線材に最低限必要な量として、その下限をＳｉ：０．１％と規定した。しかしながら、Ｓｉ含有量が過剰になると、表面脱酸層を生成するため、その上限を０．３％と規定した。

［Ｍｎ：０．３〜０．６％］
Ｍｎは、鋼の焼入れ性を確保し、機械的強度を高めるために有効な元素であり、その下限を０．３％と規定した。しかしながら、Ｍｎ含有量が過剰になると、熱間圧延後の冷却過程で偏析を起こし、マルテンサイト等の過冷組織が発生しやすくなり、伸線加工性を必要とする条鋼材の場合が加工性の低下を招くので、その上限を０．６％と規定した。

［Ｃｒ：０．０１〜０．３％］
Ｃｒは、焼入れ性を高めて強度向上に寄与する元素であり、その効果を発揮させるためには０．０１％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｃｒの含有量が過剰になるとマルテンサイトを発生しやすくなるので、その含有量は０．３％以下とする必要がある。

本発明に係る高炭素鋼線材における基本成分は上記の通りであり、残部は鉄および不可避的不純物（例えば、Ｐ，Ｓ等）、である。また、鋼材には、場合によって、ＮｉやＣｕ等の元素が混入することがあるが、これらの元素はいずれも０．０５％以下であれば、スケール剥離性や表面粗度に悪影響を及ぼすことがない。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

（実施例１）
下記表１に示す化学成分組成の鋼塊を転炉で溶製した後、この鋼塊を分塊圧延して断面が１５５ｍｍ×１５５ｍｍの鋼ビレットを作製し、１１００℃で加熱した後（加熱雰囲気：Ｎ₂−０．５〜３．０容量％Ｏ₂−５〜１５容量％ＣＯ₂−１５〜２５容量％Ｈ₂Ｏ）、線径：５．５ｍｍの鋼線材に熱間圧延した。この鋼線材を、８００〜１０００℃の温度範囲で巻き取り、スチルモアコンベア上を搬送させ、３００℃まで冷却した。続いて、３００℃の鋼線材を集束機に入れ、コイル状に結束し、放冷した。この段階で、鋼線材表面には、「黒皮スケール」が被覆された状態となっている。

各条件によって得られた各鋼線材のＭＤ性を調べる目的で、黒皮スケール（以下、単に「スケール」と呼ぶ）の残留量（スケール残留量）を測定した。各鋼線材を長さ２５０ｍｍに切断し、これにチャック間距離：２００ｍｍとして、クロスヘッドの変位が１２ｍｍ（４％）まで引張荷重を与えた。そして、チャックから取り外した各サンプル表面のスケールを衝風力により機械的に除去（ＭＤ）した後、２００ｍｍの長さに切断し、次いで各サンプルを重量測定（Ｗ１）してから、塩酸中に浸漬して残留スケールを完全に剥離し、再度サンプルを重量測定(Ｗ２)した。

スケール残留量は下記（１）式により計算にて求めた。
スケール残留量（質量％）＝（Ｗ１−Ｗ２）／Ｗ１×１００ …（１）

また各鋼線材のスケール付着量を測定した。各線材を長さ：２５０ｍｍに切断し、各サンプルを重量測定（Ｗ３）してから、塩酸中に浸漬して残留スケールを完全に剥離し、再度サンプルを重量測定（Ｗ４）した。

スケール付着量は下記（２）式により計算にて求めた。
スケール付着量（質量％）＝（Ｗ３−Ｗ４）／Ｗ４×１００ …（２）

各鋼線材におけるスケール付着量とスケール残留量の関係を図１に示す。この結果から明らかなように、スケール付着量の増大に伴って、スケール残留量は減少していき、剥離性（ＭＤ性）が向上していることが分かる。スケール残留量が０．０４％以下の場合にＭＤ性が良好と判断でき、良好な剥離性（ＭＤ性）を確保するためにはスケール付着量を０．３７％以上にすることが望ましいことが分かる。

各鋼線材のＭＤ性を調べる目的で、スケールの付着厚みを測定した。各線材を長さ２０ｍｍに切断し、樹脂埋込後、断面研磨を行い、試料断面を露出させた。この断面露出試料を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察し、そのスケール断面観察からスケールの付着厚み（スケール厚み）を計測した。

各鋼線材におけるスケール厚みとスケール残留量の関係を図２に示す。この結果から明らかなように、スケール厚みの増加に伴い、スケール残留量は減少していき、剥離性（ＭＤ性）が向上していることが分かる。残留スケール量が０．０４％以下の場合は、ＭＤ性は良好と判断でき、良好な剥離性（ＭＤ性）を確保するためにはスケール付着厚みを８．０μｍ以上にすることが望ましいことが分かる。

（実施例２）
前記表１に示した化学成分の鋼塊から、実施例１に示した方法と同様にして、鋼線材を作製した。

各鋼線材のＭＤ性を調べる目的で、サブスケール中のＣｒ濃度を測定した。各鋼線材を長さ２０ｍｍに切断し、樹脂埋込後、断面研磨を行い、試料断面を露出させた。この断面露出試料をＳＥＭにて観察し、そのスケール断面観察からサブスケール層を特定すると共に、該サブスケール層をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｐｒｏｂｅｍｉｃｒｏａｎａｌｙｚｅｒ）により定量分析し、該サブスケール中の平均Ｃｒ濃度を求めた。

各鋼線材の巻取り温度とサブスケール中のＣｒ濃度の関係を図３に示す。この結果から明らかなように、巻取り温度の増大に伴い、サブスケール中のＣｒ濃度は減少していることが分かる。またサブスケール中のＣｒ濃度を１．０％以下にするためには、巻取り温度を８９０℃以上にする必要があることが分かる。

また各鋼線材のＭＤ性を調べる目的で、実施例１に記載した方法と同様の方法によりスケール残留量を測定し、サブスケール中のＣｒ濃度の関係を調査した。

各鋼線材のサブスケール中のＣｒ濃度とスケール残留量の関係を図４に示す。この結果から明らかなように、サブスケール中のＣｒ濃度とスケール残留量には正の相関が認められ、サブスケール中のＣｒ濃度が高いとスケール残留量は増加する傾向が認められる。またスケール残留量が０．０４％以下の場合にＭＤ性は良好と判断でき、良好な剥離性（ＭＤ性）を確保するためには、サブスケール中のＣｒ濃度を１．０％以下にすることが望ましいことが分かる。

（実施例３）
前記表１に示した化学成分の鋼塊を転炉で溶製した後、この鋼塊を分塊圧延して断面が１５５ｍｍ×１５５ｍｍの鋼ビレットを作製し、９５０〜１１００℃で加熱した後（加熱雰囲気：Ｎ₂−０．５〜３．０容量％Ｏ₂−５〜１５容量％ＣＯ₂−１５〜２５容量％Ｈ₂Ｏ）、線径：５．５ｍｍの鋼線材に熱間圧延した。この鋼線材を、８００〜１０００℃の温度範囲で巻き取り、ステルモアコンベア上を搬送させ、３００℃まで冷却した。続いて、３００℃の鋼線材を集束機に入れ、コイル状に結束し、放冷した。

このようして作製した鋼線材に対して、スケール性状として、「ＦｅＯ比率」を下記の方法により測定・評価すると共に、「スケール厚み」、「サブスケール中のＣｒ濃度」を実施例２に示した方法により測定した。またＭＤ性として、「ＦｅＯ層の残留の有無」および「地鉄／黒皮スケール界面の粗度」を下記の各方法により測定・評価すると共に、「スケール残留量」を実施例１に示した方法により測定した。

（ＦｅＯ比率の測定）
各鋼線材を長さ２０ｍｍに切断し、樹脂埋込後、断面研磨を行い、試料断面を露出させた。この断面露出試料をＳＥＭにて観察し、そのスケール断面観察から「Ｆｅ₂Ｏ₃層」、「Ｆｅ₃Ｏ₄層」、「ＦｅＯ層」および「サブスケール層」の各スケール層の厚みを計測した。このときＦｅＯ比率は、ＦｅＯ層の厚み（Ｌ１）と全スケール層の厚み（Ｌ２)から下記（３）式により計算にて求めた。
ＦｅＯ比率（体積％）＝（Ｌ１／Ｌ２）×１００ …（３）

（ＦｅＯ層の残留の有無の測定・評価）
各鋼線材を長さ２５０ｍｍに切断し、これにチャック間距離：２００ｍｍとして、クロスヘッドの変位が１２ｍｍ（４％）まで引張荷重を与えた。そして、チャックから取り外した各サンプル表面のスケールを、衝風力により機械的に除去（ＭＤ）した後、２０ｍｍの長さに切断した。つぎに各サンプルの表面の色調を目視にて観察し、スケールフリーの金属光沢面との色調に比較から、ＦｅＯ層の残留の有無を判断した。また各サンプルの表面に対して微小部ＸＲＤ（Ｘ線回折）測定を行い、Ｘ線回折チャートにおけるＦｅＯの回折ピークの有無からＦｅＯ層の残留の有無を判断した。

（地鉄／黒皮スケール界面粗度の測定）
各鋼線材を長さ２５０ｍｍに切断し、これにチャック間距離：２００ｍｍとして、クロスヘッドの変位が１２ｍｍ（４％）まで引張荷重を与えた。そして、チャックから取り外した各サンプル表面のスケールを、衝風力により機械的に除去（ＭＤ）した後、２０ｍｍの長さに切断した。次に、各サンプルの表面に対して円周方向の表面粗度を表面粗さ計で測定した。表面粗さ計にはＴａｙｌｏｒ−Ｈｏｂｓｏｎ社製の「タリサーフ」（商品名）を用い、各サンプルあたりｎ＝３で算術平均粗さ（Ｒａ）を求め、その平均値で界面粗度を評価した。

ビレット加熱温度と巻取り温度を変化させて作製した各鋼線材におけるスケール性状（スケール厚み、ＦｅＯ比率、Ｃｒ濃度）、ＭＤ性（スケール残留量、ＦｅＯ層の残留の有無）、ＭＤ後の地鉄／黒皮スケール界面粗度を下記表２に示す。この結果から明らかなように、本発明で規定する要件を満足する鋼線材（実験Ｎｏ．３〜６，８〜１０）で良好なＭＤ性、平滑な地鉄／黒皮スケール界面粗度が得られていることが分かる。

Claims

Ｃ：０．７〜１．２％（「質量％」の意味、化学成分組成について以下同じ）、Ｓｉ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：０．３〜０．６％およびＣｒ：０．０１〜０．３％を夫々含有する鋼ビレットを、熱間圧延により線材形状にした後、巻き取り工程を含んで線材を製造する方法において、鋼ビレットにおける熱間圧延時の加熱温度を９５０〜１０５０℃に設定すると共に、巻取り温度を８９０〜９９０℃に設定して操業することを特徴とする伸線性に優れた高炭素鋼線材の製造方法。