JP2013204069A - 線材及びこれを用いた鋼線 - Google Patents
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Abstract
【課題】主相がパーライト組織である線材において、高強度化に伴う耐遅れ破壊特性の低下を抑制し、建築基準に適合する耐遅れ破壊特性を有する高強度ＰＣ鋼線、ワイヤーロープ等に用いることのできる線材を提供する。
【解決手段】所定量のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｐ、Ｓを含み、残部が鉄及び不可避不純物であり、組織の主相がパーライトであるとともに、ＡｌＮ量が０．００５％以上であり、且つ、長さａと厚さｂの相乗平均（ａｂ）1/2で表されるＡｌＮの径ｄGMの最大値極値分布において、ｄGMが１０〜２０μｍであるＡｌＮの割合が、個数基準で５０％以上であることを特徴とする線材である。
【選択図】なし
【解決手段】所定量のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｐ、Ｓを含み、残部が鉄及び不可避不純物であり、組織の主相がパーライトであるとともに、ＡｌＮ量が０．００５％以上であり、且つ、長さａと厚さｂの相乗平均（ａｂ）1/2で表されるＡｌＮの径ｄGMの最大値極値分布において、ｄGMが１０〜２０μｍであるＡｌＮの割合が、個数基準で５０％以上であることを特徴とする線材である。
【選択図】なし
Description
本発明は、ＰＣ鋼線やワイヤーロープ等に用いられる線材及びこれを用いた鋼線に関する。
土木・建築分野では、コンクリート部材の高強度化及び軽量化のニーズが強く、コンクリート部材の強化方法として、鋼線を用いてコンクリートに圧縮応力を与えるプレストレストコンクリート（以下、ＰＣと呼ぶ）が良く知られている。ＰＣに用いられる鋼線、すなわちＰＣ鋼線は、高強度であるほどＰＣの高強度化及び軽量化に寄与でき、現状ではＪＩＳ Ｇ３５３６で規定されるように、例えばφ１５．２ｍｍの７本より線で、最大試験力２６１ｋＮ程度のものが知られている。
また、ＰＣ鋼線は、建築安全性等の観点からＪＩＳ規格以外にも種々の規格や推奨試験が定められている。特に、高強度ＰＣ鋼線を適用する上では、耐遅れ破壊特性を考慮することが重要である。遅れ破壊とは、応力が付加された状態で鋼材を長時間使用した場合に、鋼中に侵入した水素が鋼材表面の微細なキズ等に集中し、キズ周辺の組織を脆化させ、脆性破壊を引き起こす現象である。ＰＣ鋼線は、常に緊張された状態で使用されるため、遅れ破壊を起こす可能性があり、厳しい規格が設けられている。特に、強度の上昇に伴って遅れ破壊しやすくなることが良く知られており、高強度化しても遅れ破壊を抑制できる鋼材の開発が求められている。
例えば、特許文献１では炭素量が０．６〜１．１％のＰＣ鋼線において、伸線加工後に４５０℃以上の温度でのブルーイングを行うことによって線材表層の板状セメンタイトを球状化し、耐遅れ破壊特性を向上させる技術が開示されている。しかし、特許文献１では、板状セメンタイトの球状化によって鋼線強度が低下し、強度の向上には限界があるため、２０００ＭＰａ以上の素線強度が得られないという問題があった。
特許文献２は、炭素量が０．６〜１．３％のＰＣ鋼線において、表層部に圧縮残留応力を付与した加工パーライト組織とすることによって、耐遅れ破壊特性を向上させる技術を開示している。しかし、特許文献２は、素線強度が１６００ＭＰａ程度までを対象とした技術であり、この技術によって、素線強度が例えば２０００ＭＰａ以上のより高い領域での水素拡散による耐遅れ破壊特性を十分に確保することは困難であると考えられる。
ＰＣ鋼線ではないが、特許文献３は、炭素量が０．６５〜１．２０％の軸受鋼において、５０〜３００ｎｍのＴｉ系又はＡｌ系の窒化物等を所定以上分散させて水素をトラップし、焼戻しマルテンサイト組織における耐遅れ破壊性を向上させる技術が開示されている。しかし、組織が異なれば水素の拡散挙動も異なり、トラップサイトとして適切な析出物の大きさ、量などが異なるため、この技術を主相がパーライト組織であるＰＣ鋼線などにそのまま適用することはできない。また、伸線加工後に焼入れ焼戻し処理を行う軸受鋼の製造工程と、パテンティング処理後に伸線加工を行うＰＣ鋼線の製造工程は大きく異なっており、製造工程における窒化物等の析出制御方法も異なる。
本発明は、主相がパーライト組織である線材において、高強度化に伴う耐遅れ破壊特性の低下を抑制し、建築基準に適合する耐遅れ破壊特性を有する高強度ＰＣ鋼線、ワイヤーロープ等に用いることのできる線材を提供することを目的とする。
本発明者らは、主相がパーライト組織である線材において、水素トラップ効果を有する介在物について検討したところ、ＡｌＮ量を所定量以上確保するとともに、ＡｌＮの中でも１０〜２０μｍのサイズのＡｌＮを所定以上確保することが重要であることを見出した。すなわち、本発明の線材は、Ｃ：０．８〜１．２％（質量％の意味。以下、成分組成について同じ。）、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｎ：０．００２０〜０．０１３％、Ａｌ：０．０４〜０．１５％、Ｔｉ：０．０１〜０．３％、Ｐ：０．０２％以下（０％を含む）、Ｓ：０．０２％以下（０％を含む）を含み、残部が鉄及び不可避不純物であり、組織の主相がパーライトであるとともに、ＡｌＮ量が０．００５％以上であり、且つ、長さａと厚さｂの相乗平均（ａｂ）1/2で表されるＡｌＮの径ｄGMの最大値極値分布において、ｄGMが１０〜２０μｍであるＡｌＮの割合が、個数基準で５０％以上であることを特徴とする。上記線材は、固溶Ｎ量が０．００３％以下であることが好ましい。また、Ａｌ量とＴｉ量が下記式（１）の関係を満足することがより好ましい。
［Ａｌ］／[Ｔｉ]≧０．４６・・・（１）
（但し、式（１）において［Ａｌ］、［Ｔｉ］は、それぞれＡｌ、Ｔｉの含有量（質量％）である。）
［Ａｌ］／[Ｔｉ]≧０．４６・・・（１）
（但し、式（１）において［Ａｌ］、［Ｔｉ］は、それぞれＡｌ、Ｔｉの含有量（質量％）である。）
また、本発明は、更に（ａ）Ｃｒ：１．０％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：１．０％以下（０％を含まない）、Ｃｏ：１．０％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：１．０％以下（０％を含まない）、及びＣｕ：０．５％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくとも１種、（ｂ）Ｂ：０．００５％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．５％以下（０％を含まない）及びＶ：０．５％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくとも１種を含有することも好ましい。
本発明は、上記線材から得られる鋼線も包含する。
本発明によれば、Ａｌ量とＮ量を適切に調整し、さらにＡｌＮの総量と、所定サイズ（ｄGMが１０〜２０μｍ）のＡｌＮを適切に存在させているため、耐遅れ破壊特性に優れた線材を提供することができる。また、本発明の好ましい態様において、固溶Ｎ量を所定以下に調整することによって、鋼線の捻回特性を向上できる。
本発明者らが検討したところ、主相がパーライト組織である線材においては、水素のトラップサイトとしてＡｌＮを所定量確保し、且つサイズが１０〜２０μｍであるＡｌＮを所定以上確保することが有効であることを見出した。
ＡｌＮ量は、多いほど水素のトラップ効果が高まるため、０．００５％以上と定めた。ＡｌＮ量は、好ましくは０．００６％以上であり、より好ましくは０．００７％以上（特に０．０１％以上）である。ＡｌＮ量の上限は特に限定されないが、通常０．０４％程度である。
また、サイズが１０〜２０μｍであるＡｌＮの個数を確保する指標として、本発明では最大値極値分布を用いる。まず、ＡｌＮのサイズとしては、ＡｌＮの長さａと厚さｂの相乗平均（ａｂ）1/2を用い、これをｄGM（μｍ）と表す。本発明において、ＡｌＮの長さａとは、線材長手方向のＡｌＮの長さを意味し、ＡｌＮの厚さｂとは、線材長手方向に垂直な方向のＡｌＮの長さを意味する。
ｄGMの最大値極値分布とは、所定面積中に存在するＡｌＮのｄGMの最大値ｄGM（ｍａｘ）を測定し、これを複数視野について繰り返し、測定された複数のｄGM（ｍａｘ）について統計処理したものを意味する。本発明では、該極値分布において、ｄGM（ｍａｘ）が１０〜２０μｍであるＡｌＮの割合を、個数基準で５０％以上とする。ｄGMが２０μｍを超えるＡｌＮが多く存在すると、ＡｌＮの総個数が減少し、水素トラップ効果が十分に発揮できない。また、ｄGMが１０μｍ未満のＡｌＮは水素トラップ効果が少ない。従って、該極値分布において、ｄGM（ｍａｘ）が１０〜２０μｍであるＡｌＮの割合を、個数基準で５０％以上とすることによって、水素トラップに有効なＡｌＮを十分に確保できる。
なお本発明において、主相がパーライトであるとは、組織の９５面積％以上がパーライト組織であることを意味する。パーライト組織の面積率は、好ましくは９７％以上であり、より好ましくは１００％である。
次に、本発明の線材の化学成分について説明する。
Ｃ：０．８〜１．２％
Ｃは、強度の上昇に有効な元素であり、Ｃ含有量の増加に伴って、線材及び冷間加工後の鋼線の強度が向上する。そこでＣ量は０．８％以上と定めた。Ｃ量は、好ましくは０．８５％以上であり、より好ましくは０．９０％以上である。しかし、Ｃ量が過剰になりすぎると、冷間伸線中に時効脆化を引き起こすため、鋼線の靭性が低下し、より線加工時に割れが発生するという問題がある。そこでＣ量は１．２％以下と定めた。Ｃ量は、好ましくは１．１％以下であり、より好ましくは１．０５％以下である。
Ｃは、強度の上昇に有効な元素であり、Ｃ含有量の増加に伴って、線材及び冷間加工後の鋼線の強度が向上する。そこでＣ量は０．８％以上と定めた。Ｃ量は、好ましくは０．８５％以上であり、より好ましくは０．９０％以上である。しかし、Ｃ量が過剰になりすぎると、冷間伸線中に時効脆化を引き起こすため、鋼線の靭性が低下し、より線加工時に割れが発生するという問題がある。そこでＣ量は１．２％以下と定めた。Ｃ量は、好ましくは１．１％以下であり、より好ましくは１．０５％以下である。
Ｓｉ：０．１〜２．０％
Ｓｉは、脱酸剤の作用も有するが、特に線材の強度を向上させる作用及びリラクセーション特性を改善する作用を有するため有効な元素である。また、溶融亜鉛めっきを用いる場合には、Ｓｉはめっき時に生じる強度低下を抑える作用も有する。これら作用を有効に発揮させるため、Ｓｉ量を０．１％以上と定めた。Ｓｉ量は、好ましくは０．２％以上であり、より好ましくは０．４％以上である。一方、Ｓｉ量が過剰になりすぎると、冷間伸線性を悪化させ、断線率の増加を引き起こす。そこで、Ｓｉ量を２．０％以下と定めた。Ｓｉ量は好ましくは１．８％以下であり、より好ましくは１．５％以下である。
Ｓｉは、脱酸剤の作用も有するが、特に線材の強度を向上させる作用及びリラクセーション特性を改善する作用を有するため有効な元素である。また、溶融亜鉛めっきを用いる場合には、Ｓｉはめっき時に生じる強度低下を抑える作用も有する。これら作用を有効に発揮させるため、Ｓｉ量を０．１％以上と定めた。Ｓｉ量は、好ましくは０．２％以上であり、より好ましくは０．４％以上である。一方、Ｓｉ量が過剰になりすぎると、冷間伸線性を悪化させ、断線率の増加を引き起こす。そこで、Ｓｉ量を２．０％以下と定めた。Ｓｉ量は好ましくは１．８％以下であり、より好ましくは１．５％以下である。
Ｍｎ：０．１〜２．０％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用も有しているが、特に鋼中のＳをＭｎＳとして固定して、鋼の靭性及び延性を高める作用を有している。これらの作用を有効に発揮させるためにはＭｎ量は０．１％以上とする。Ｍｎ量は、好ましくは０．１５％以上であり、より好ましくは０．２％以上である。しかし、Ｍｎは偏析し易い元素であり、過剰に添加すると、Ｍｎ偏析部の焼入れ性が過剰に増大し、マルテンサイト等の過冷組織を生成させる恐れがある。そこで、Ｍｎ量は２．０％以下と定めた。Ｍｎ量は、好ましくは１．８％以下であり、より好ましくは１．５％以下である。
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用も有しているが、特に鋼中のＳをＭｎＳとして固定して、鋼の靭性及び延性を高める作用を有している。これらの作用を有効に発揮させるためにはＭｎ量は０．１％以上とする。Ｍｎ量は、好ましくは０．１５％以上であり、より好ましくは０．２％以上である。しかし、Ｍｎは偏析し易い元素であり、過剰に添加すると、Ｍｎ偏析部の焼入れ性が過剰に増大し、マルテンサイト等の過冷組織を生成させる恐れがある。そこで、Ｍｎ量は２．０％以下と定めた。Ｍｎ量は、好ましくは１．８％以下であり、より好ましくは１．５％以下である。
Ｎ：０．００２０〜０．０１３％
Ｎは、本発明の特徴であるＡｌＮを形成するために重要な元素であり、０．００２０％以上含有することが必要である。Ｎ量は、好ましくは０．００２５％以上であり、より好ましくは０．００３０％以上（特に０．００４０％以上）である。しかし、ＮはＣと同様に侵入型元素として鋼中に固溶し、歪み時効による脆化を引き起こすため、過剰に添加すると固溶Ｎ量が増大することによる捻回特性の低下を引き起こす。そこで、Ｎ量は０．０１３％以下と定めた。Ｎ量は、好ましくは０．０１％以下であり、より好ましくは０．００９０％以下、さらに好ましくは０．００８０％以下である。
Ｎは、本発明の特徴であるＡｌＮを形成するために重要な元素であり、０．００２０％以上含有することが必要である。Ｎ量は、好ましくは０．００２５％以上であり、より好ましくは０．００３０％以上（特に０．００４０％以上）である。しかし、ＮはＣと同様に侵入型元素として鋼中に固溶し、歪み時効による脆化を引き起こすため、過剰に添加すると固溶Ｎ量が増大することによる捻回特性の低下を引き起こす。そこで、Ｎ量は０．０１３％以下と定めた。Ｎ量は、好ましくは０．０１％以下であり、より好ましくは０．００９０％以下、さらに好ましくは０．００８０％以下である。
固溶Ｎ量：０．００３％以下
上述した通り、固溶Ｎは捻回特性の低下を引き起こすため、少ないほど好ましい。従って、固溶Ｎ量は０．００３％以下が好ましい。固溶Ｎ量は、より好ましくは０．００２％以下であり、さらに好ましくは０．００１％以下である。固溶Ｎ量は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｂ、Ｎｂなどの窒化物形成元素の量と、Ｎ量を調整することなどによって、制御できる。
上述した通り、固溶Ｎは捻回特性の低下を引き起こすため、少ないほど好ましい。従って、固溶Ｎ量は０．００３％以下が好ましい。固溶Ｎ量は、より好ましくは０．００２％以下であり、さらに好ましくは０．００１％以下である。固溶Ｎ量は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｂ、Ｎｂなどの窒化物形成元素の量と、Ｎ量を調整することなどによって、制御できる。
Ａｌ：０．０４〜０．１５％
Ａｌは、脱酸作用に加えて、本発明においてはＮと結合してＡｌＮを形成し、水素をトラップして耐遅れ破壊特性を向上させるために重要な元素である。また、前記ＡｌＮはピンニング効果によって結晶粒を微細化する効果も有する。このような効果を有効に発揮するため、Ａｌ量は０．０４％以上とする。Ａｌ量は、好ましくは０．０５％以上であり、より好ましくは０．０５５％以上である。一方、Ａｌ量が過剰になると粗大なＡｌＮが生成し、ＡｌＮによる水素トラップ効果が低減する。従って、Ａｌ量の上限は０．１５％に定める。Ａｌ量の上限は、好ましくは０．１３％以下であり、より好ましくは０．１０％以下である。
Ａｌは、脱酸作用に加えて、本発明においてはＮと結合してＡｌＮを形成し、水素をトラップして耐遅れ破壊特性を向上させるために重要な元素である。また、前記ＡｌＮはピンニング効果によって結晶粒を微細化する効果も有する。このような効果を有効に発揮するため、Ａｌ量は０．０４％以上とする。Ａｌ量は、好ましくは０．０５％以上であり、より好ましくは０．０５５％以上である。一方、Ａｌ量が過剰になると粗大なＡｌＮが生成し、ＡｌＮによる水素トラップ効果が低減する。従って、Ａｌ量の上限は０．１５％に定める。Ａｌ量の上限は、好ましくは０．１３％以下であり、より好ましくは０．１０％以下である。
Ｔｉ：０．０１〜０．３％
ＴｉはＮと結合してＴｉＮを形成し、固溶Ｎを低減するために重要な元素であり、その他にも結晶粒を微細化し、延性を向上させる効果がある。そのような効果を発揮するため、Ｔｉ量は０．０１％以上とする。好ましくは０．０２％以上、より好ましくは０．０３％以上である。一方、ＡｌとＴｉが鋼中に共存する場合は、ＴｉＮがＡｌＮよりも優先的に析出し、Ｔｉ量が過剰になるとＡｌＮの析出を妨げる。そこで、Ｔｉ量は０．３％以下と定めた。Ｔｉ量は、好ましくは０．２％以下であり、より好ましくは０．１５％以下である。
ＴｉはＮと結合してＴｉＮを形成し、固溶Ｎを低減するために重要な元素であり、その他にも結晶粒を微細化し、延性を向上させる効果がある。そのような効果を発揮するため、Ｔｉ量は０．０１％以上とする。好ましくは０．０２％以上、より好ましくは０．０３％以上である。一方、ＡｌとＴｉが鋼中に共存する場合は、ＴｉＮがＡｌＮよりも優先的に析出し、Ｔｉ量が過剰になるとＡｌＮの析出を妨げる。そこで、Ｔｉ量は０．３％以下と定めた。Ｔｉ量は、好ましくは０．２％以下であり、より好ましくは０．１５％以下である。
［Ａｌ］／[Ｔｉ]≧０．４６
上述した通り、ＡｌとＴｉが鋼中に共存する場合は、ＴｉＮがＡｌＮよりも優先的に析出し、Ｔｉ量が過剰になるとＡｌＮの生成を妨げてしまう。そこで、[Ａｌ]／[Ｔｉ]を下記式（１）のように調整することが好ましく、ＡｌとＴｉの活量バランスを調整することでＡｌＮを十分に析出させることができる。
［Ａｌ］／[Ｔｉ]≧０．４６ ・・・（１）
上記式（１）中、［Ａｌ］、[Ｔｉ]は、それぞれＡｌ、Ｔｉの含有量（質量％）を表している。式（１）は、Ｔｉ、Ａｌ量を様々に変化させた際のＡｌＮ析出量を調べた数多くの実験例から導き出された式である。
上述した通り、ＡｌとＴｉが鋼中に共存する場合は、ＴｉＮがＡｌＮよりも優先的に析出し、Ｔｉ量が過剰になるとＡｌＮの生成を妨げてしまう。そこで、[Ａｌ]／[Ｔｉ]を下記式（１）のように調整することが好ましく、ＡｌとＴｉの活量バランスを調整することでＡｌＮを十分に析出させることができる。
［Ａｌ］／[Ｔｉ]≧０．４６ ・・・（１）
上記式（１）中、［Ａｌ］、[Ｔｉ]は、それぞれＡｌ、Ｔｉの含有量（質量％）を表している。式（１）は、Ｔｉ、Ａｌ量を様々に変化させた際のＡｌＮ析出量を調べた数多くの実験例から導き出された式である。
Ｐ：０．０２％以下（０％を含む）
Ｐは、旧オーステナイト粒界に偏析して粒界を脆化させ、疲労特性を低下させるため、その含有量は少なければ少ないほど好ましい。従って、Ｐ量は０．０２％以下とする。Ｐ量は、好ましくは０．０１５％以下であり、より好ましくは０．０１０％以下である。
Ｐは、旧オーステナイト粒界に偏析して粒界を脆化させ、疲労特性を低下させるため、その含有量は少なければ少ないほど好ましい。従って、Ｐ量は０．０２％以下とする。Ｐ量は、好ましくは０．０１５％以下であり、より好ましくは０．０１０％以下である。
Ｓ：０．０２％以下（０％を含む）
Ｓは、Ｐと同様に旧オーステナイト粒界に偏析して粒界を脆化させ、疲労特性を低下させるため、その含有量は少なければ少ないほど好ましい。従って、Ｓ量は０．０２％以下とする。Ｓ量は、好ましくは０．０１５％以下であり、より好ましくは０．０１０％以下である。
Ｓは、Ｐと同様に旧オーステナイト粒界に偏析して粒界を脆化させ、疲労特性を低下させるため、その含有量は少なければ少ないほど好ましい。従って、Ｓ量は０．０２％以下とする。Ｓ量は、好ましくは０．０１５％以下であり、より好ましくは０．０１０％以下である。
本発明の線材の基本成分は上記の通りであり、残部は実質的に鉄である。但し、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる不可避不純物が鋼中に含まれることは当然に許容される。さらに本発明の線材は、強度、靭性、延性等の特性をさらに向上させるため、必要に応じて下記の元素を含有していても良い。
Ｃｒ：１．０％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：１．０％以下（０％を含まない）、
Ｃｏ：１．０％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：１．０％以下（０％を含まない）、及びＣｕ：０．５％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくとも１種
Ｃｒは、パーライトのラメラ間隔を微細化し、線材の強度や靭性を高める作用を有する。このような作用を有効に発揮させるため、Ｃｒ量は０．０５％以上が好ましい。Ｃｒ量は、より好ましくは０．１％以上であり、さらに好ましくは０．２％以上である。一方、Ｃｒ量が過剰になりすぎると、焼入れ性が向上して熱間圧延中の過冷組織を発生させる危険性が高まるため、Ｃｒ量は１．０％以下とすることが好ましい。Ｃｒ量は、より好ましくは０．６％以下であり、さらに好ましくは０．５％以下である。
Ｃｏ：１．０％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：１．０％以下（０％を含まない）、及びＣｕ：０．５％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくとも１種
Ｃｒは、パーライトのラメラ間隔を微細化し、線材の強度や靭性を高める作用を有する。このような作用を有効に発揮させるため、Ｃｒ量は０．０５％以上が好ましい。Ｃｒ量は、より好ましくは０．１％以上であり、さらに好ましくは０．２％以上である。一方、Ｃｒ量が過剰になりすぎると、焼入れ性が向上して熱間圧延中の過冷組織を発生させる危険性が高まるため、Ｃｒ量は１．０％以下とすることが好ましい。Ｃｒ量は、より好ましくは０．６％以下であり、さらに好ましくは０．５％以下である。
Ｎｉは、伸線後の鋼線の靭性を高める元素である。このような作用を有効に発揮させるため、Ｎｉ量は０．０５％以上が好ましく、より好ましくは０．１％以上であり、さらに好ましくは０．２％以上である。しかし、Ｎｉは過剰に添加してもその効果が飽和し、経済的に無駄である。従って、Ｎｉ量は１．０％以下が好ましく、より好ましくは０．７％以下、さらに好ましくは０．６％以下である。
Ｃｏは、初析セメンタイトを低減し（特にＣ量が高い場合）、組織を均一なパーライト組織に制御しやすくするという作用を有する。この作用を有効に発揮するため、Ｃｏ量は０．０５％以上が好ましく、より好ましくは０．１％以上、さらに好ましくは０．２％以上である。しかし、Ｃｏは過剰に添加してもその効果が飽和し、経済的に無駄である。従って、Ｃｏ量は１．０％以下が好ましく、より好ましくは０．８％以下であり、さらに好ましくは０．６％以下である。
Ｍｏは、鋼線の耐食性を向上させる元素である。このような作用を有効に発揮するため、Ｍｏ量は０．０５％以上が好ましく、より好ましくは０．１％以上である。しかし、Ｍｏ量が過剰になると、熱間圧延時に過冷組織が発生しやすくなり、また延性も劣化する。そこでＭｏ量は１．０％以下が好ましく、より好ましくは０．５％以下であり、さらに好ましくは０．３％以下である。
Ｃｕは、鋼線の耐食性を向上させる元素である。このような作用を有効に発揮するため、Ｃｕ量は０．０５％以上が好ましく、より好ましくは０．０７％以上である。一方、Ｃｕ量が過剰になると、Ｓと反応して粒界部にＣｕＳを偏析させ、線材製造過程で疵を発生させる。このような影響を避けるため、Ｃｕ量は０．５％以下が好ましく、より好ましくは０．２％以下であり、さらに好ましくは０．１８％以下である。
Ｂ：０．００５％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．５％以下（０％を含まない）及びＶ：０．５％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくとも１種
Ｂは、初析フェライトや初析セメンタイトの生成を妨げ、組織を均一なパーライト組織に制御しやすくする作用を有する。また、ＡｌＮが析出した後の余剰の固溶ＮをＢＮで固定することにより、固溶Ｎによる歪み時効を抑制して靭性を向上できる他、固溶Ｂ自体も靭性を向上させる作用がある。このような作用を有効に発揮させるため、Ｂ量は０．０００３％以上が好ましく、より好ましくは０．０００５％以上、さらに好ましくは０．００１％以上である。一方、Ｂ量が過剰になると、Ｆｅとの化合物であるＦｅ−Ｂ系化合物（例えばＦｅＢ2）が析出し、熱間圧延時の割れを引き起こすため、Ｂ量は０．００５％以下が好ましい。Ｂ量は、より好ましくは０．００４％以下であり、さらに好ましくは０．００３％以下である。
Ｂは、初析フェライトや初析セメンタイトの生成を妨げ、組織を均一なパーライト組織に制御しやすくする作用を有する。また、ＡｌＮが析出した後の余剰の固溶ＮをＢＮで固定することにより、固溶Ｎによる歪み時効を抑制して靭性を向上できる他、固溶Ｂ自体も靭性を向上させる作用がある。このような作用を有効に発揮させるため、Ｂ量は０．０００３％以上が好ましく、より好ましくは０．０００５％以上、さらに好ましくは０．００１％以上である。一方、Ｂ量が過剰になると、Ｆｅとの化合物であるＦｅ−Ｂ系化合物（例えばＦｅＢ2）が析出し、熱間圧延時の割れを引き起こすため、Ｂ量は０．００５％以下が好ましい。Ｂ量は、より好ましくは０．００４％以下であり、さらに好ましくは０．００３％以下である。
Ｎｂは、ＡｌＮが析出した後の余剰の固溶Ｎと窒化物を形成し、結晶粒微細化に寄与する他、固溶Ｎを固定することによる時効脆化の抑制効果も有する。このような作用を有効に発揮するため、Ｎｂ量は０．０１％以上が好ましく、より好ましくは０．０３％以上、さらに好ましくは０．０５％以上である。しかし、Ｎｂ量が過剰になってもその効果は飽和し、経済的に無駄であるため、Ｎｂ量は０．５％以下が好ましく、より好ましくは０．４％以下、さらに好ましくは０．２％以下である。
ＶはＮｂと同様にＡｌＮが析出した後の余剰の固溶Ｎと窒化物を形成し、結晶粒微細化に寄与する他、固溶Ｎを固定することによる時効脆化の抑制効果も有する。このような作用を有効に発揮するため、Ｖ量は０．０１％以上が好ましく、より好ましくは０．０２％以上、さらに好ましくは０．０３％以上である。しかし、Ｖ量が過剰になってもその効果は飽和し、経済的に無駄であるため、Ｖ量は０．５％以下が好ましく、より好ましくは０．４％以下、さらに好ましくは０．２％以下である。
線材（冷間伸線前のものを意味する）は、通常、化学成分を適切に制御した鋼を溶製、分塊圧延、熱間圧延する（さらに必要に応じてパテンティング処理する）ことにより製造できるが、本発明の線材においてＡｌＮの量と粒度分布（ＡｌＮのｄGMの最大値極値分布において、ｄGMが１０〜２０μｍであるＡｌＮの割合が、個数基準で５０％以上）を適切に制御するためには、Ａｌ及びＮの含有量を上述した範囲に適切に制御した上で、ＡｌＮが析出する温度範囲での熱履歴を適切に制御することが重要である。
ＡｌＮは、鋼中では約１３００℃以下で析出を開始し、温度が低下するにつれて析出量が増大し、約９００℃で完全に析出する。したがって、製造工程において鋼がこれらの温度範囲に曝され、ＡｌＮの析出挙動に大きく影響する分塊圧延及び熱間圧延の条件を適切に制御する必要がある。通常、分塊圧延後の冷却速度は遅いため、析出したＡｌＮが粗大化しやすく、これに対して熱間圧延後の冷却速度は相対的に速いので、析出したＡｌＮを微細にできる。
具体的には、分塊圧延での加熱温度を１２３０〜１２８０℃、冷却速度を０．２℃／秒以上とする。分塊圧延時に高温で加熱し、且つ冷却速度を速めることでＡｌＮの析出及び粗大化を防ぐことができる。そこで分塊圧延温度は１２３０℃以上が好ましく、より好ましくは１２４０℃以上である。一方、分塊圧延温度が高すぎると焼き割れが生じるため、上限は１２８０℃以下とすることが好ましく、より好ましくは１２７０℃以下である。また冷却速度は０．２℃／秒以上が好ましく、より好ましくは０．４℃／秒以上、さらに好ましくは０．５℃／秒以上である。冷却速度の上限は特に限定されないが、例えば１．５℃／秒以下（好ましくは１．２℃／秒以下）である。
さらに、分塊圧延により得られたビレットを熱間圧延した後、水冷等によって８５０〜９５０℃に冷却し、コイル状に載置する。前記したコイル状の線材の載置温度を低めにすることによって、微細（ｄGMが１０〜２０μｍ）なＡｌＮを析出できる。そこで、載置温度は９５０℃以下が好ましく、より好ましくは９４０℃以下、さらに好ましくは９２０℃以下である。一方、載置温度が低すぎると、水素トラップに寄与しない非常に微細なＡｌＮが数多く析出する。そこで、載置温度は８５０℃以上が好ましく、より好ましくは８７０℃以上、さらに好ましくは８９０℃以上である。
また、前記した分塊圧延や熱間圧延の条件の少なくとも一部が外れるなどして、ＡｌＮの量や分布状態が適切に制御できない場合には、熱間圧延後に、適切な温度範囲でのパテンティング処理を行うことも有効である。パテンティング処理時の再加熱温度は８８０〜１０００℃、パテンティング温度は５３０〜６２０℃が好ましい。熱間圧延後のＡｌＮ量が少ない場合は、上記した再加熱温度を低め（例えば８８０〜９４０℃程度）に設定すれば、析出量を増加できる。また、熱間圧延後のＡｌＮが粗大化している場合には、再加熱温度を高め（例えば９４０〜１０００℃）に設定し、粗大化したＡｌＮを鋼中に一旦固溶させてから再度析出させれば良い。
本発明の線材は、水素トラップサイトとして有効に作用できるＡｌＮを十分に確保しているため、これを用いたワイヤロープやＰＣ鋼線などの鋼線は、耐遅れ破壊特性に優れており、有用である。また、本発明はこのような鋼線も包含する。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前記、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。
表１に示す成分の鋼塊を、表２に示した条件で分塊圧延、熱間圧延して線材コイルに加工し、場合によっては更にパテンティング処理を行った。採取したサンプルの抽出残渣測定からＡｌＮの総量を、そして断面積の観察からＡｌＮの分布状態を評価した。
１．ＡｌＮの総量、及び固溶Ｎ量の測定
抽出残渣測定では、１０％アセチルアセトン溶液を用いた電解抽出残渣測定を行い、メッシュは０．１μｍのものを用い、残渣中のＡｌＮ量をブロムエステル法で測定した。また、インドフェノール吸収分光光度法を用いて、ＡｌＮを含めた窒素化合物の量を測定し、鋼中の全Ｎ量から差し引くことによって固溶Ｎ量を求めた。ブロムエステル法に用いた試料重量は３g、吸収分光法に用いた試料重量は０．５gとした。
抽出残渣測定では、１０％アセチルアセトン溶液を用いた電解抽出残渣測定を行い、メッシュは０．１μｍのものを用い、残渣中のＡｌＮ量をブロムエステル法で測定した。また、インドフェノール吸収分光光度法を用いて、ＡｌＮを含めた窒素化合物の量を測定し、鋼中の全Ｎ量から差し引くことによって固溶Ｎ量を求めた。ブロムエステル法に用いた試料重量は３g、吸収分光法に用いた試料重量は０．５gとした。
２．ＡｌＮの分布状態の測定
本測定では、線材の軸線を含み、且つ長手方向に平行な断面において、表層からＤ／４（Ｄは線材の直径）までの領域（２箇所）の合計が１４０ｍｍ2となるようにサンプルを切り出し（すなわち、サンプルの長さＬはＬ×Ｄ／４＋Ｌ×Ｄ／４＝Ｌ×Ｄ／２が１４０ｍｍ2となるように定められる）、前記断面において、ＪＩＳ Ｇ０５５５に従って、観察視野内で最大のＡｌＮの大きさを測定し、これを任意の２０視野について行った。なお、測定に際しては、ＪＩＳ Ｇ０５５１に規定されるＤ系及びＤＳ系介在物をＡｌＮとみなし、ＡｌＮの大きさとしてはＡｌＮの長さ（ａ）と厚さ（ｂ）の相乗平均（ａｂ）1/2を採用した。
本測定では、線材の軸線を含み、且つ長手方向に平行な断面において、表層からＤ／４（Ｄは線材の直径）までの領域（２箇所）の合計が１４０ｍｍ2となるようにサンプルを切り出し（すなわち、サンプルの長さＬはＬ×Ｄ／４＋Ｌ×Ｄ／４＝Ｌ×Ｄ／２が１４０ｍｍ2となるように定められる）、前記断面において、ＪＩＳ Ｇ０５５５に従って、観察視野内で最大のＡｌＮの大きさを測定し、これを任意の２０視野について行った。なお、測定に際しては、ＪＩＳ Ｇ０５５１に規定されるＤ系及びＤＳ系介在物をＡｌＮとみなし、ＡｌＮの大きさとしてはＡｌＮの長さ（ａ）と厚さ（ｂ）の相乗平均（ａｂ）1/2を採用した。
次に、得られた線材コイルを伸線加工して鋼線を作製し、鋼線の引張強度（素線強度）を測定するとともに、より線加工及びホットストレッチ処理を行って、ロープ強度、耐遅れ破壊特性、及び捻回特性を測定した。
３．鋼線の引張強度（素線強度）の測定
鋼線の引張強度を、ＪＩＳ Ｚ２２４１に従って測定した。
鋼線の引張強度を、ＪＩＳ Ｚ２２４１に従って測定した。
４．ロープ強度の測定
ロープ強度の測定は、ＪＩＳ Ｇ３５３６に従い、引張試験の最大試験力を測定した。
ロープ強度の測定は、ＪＩＳ Ｇ３５３６に従い、引張試験の最大試験力を測定した。
５．耐遅れ破壊特性の測定
遅れ破壊特性は、文献１（fib bullten 30: Acceptance of stay cable systems using prestressing steels, January.2005）の記載に基づき、０．８ｐ．ｕ（０．８ｐ．ｕとは破断荷重の８０％を意味する）の荷重下で、２０質量％、５０℃のチオシアン酸アンモニウム溶液に浸漬し、１２サンプルについて破断するまでの時間を測定した。最小破断時間が２時間以上であり、かつ中央値破断時間が５時間以上である場合を合格とした。
遅れ破壊特性は、文献１（fib bullten 30: Acceptance of stay cable systems using prestressing steels, January.2005）の記載に基づき、０．８ｐ．ｕ（０．８ｐ．ｕとは破断荷重の８０％を意味する）の荷重下で、２０質量％、５０℃のチオシアン酸アンモニウム溶液に浸漬し、１２サンプルについて破断するまでの時間を測定した。最小破断時間が２時間以上であり、かつ中央値破断時間が５時間以上である場合を合格とした。
６．捻回特性の測定
捻回特性は、ＦＫＫフレネシー工法のＦＫＫ ＨＴＳ−２６規格に基づき、捻回値３回以上を達成している場合を合格とした。
捻回特性は、ＦＫＫフレネシー工法のＦＫＫ ＨＴＳ−２６規格に基づき、捻回値３回以上を達成している場合を合格とした。
試験Ｎｏ．１〜３、５、９、１０、１３〜２０、２７は、成分、組織、ＡｌＮの量、及びＡｌＮの分布状態がいずれも本発明の要件を満たしていたため、素線強度で２０００ＭＰａ以上（好ましくは２１００ＭＰａ以上）を達成でき、ＪＩＳ Ｇ３５３６に規定の基準を満たす高いより線強度を満たしつつ、耐遅れ破壊特性も良好であり、実用に耐える高強度より線が得られた。さらに、Ｎｏ．１〜３、５、１０、１３〜２０、２７は、好ましい要件である固溶Ｎ量の要件も満たしているため、捻回特性にも優れている。なお、例えば試験Ｎｏ．１５〜１８は、発明例中でも特に固溶Ｎ量が低減された例であり、その結果、捻回特性も非常に優れており、一方、発明例中で最も固溶Ｎ量が多かった試験Ｎｏ．９は、発明例中で捻回値が最も小さかった。また、Ｎｏ．２７は、［Ａｌ］／[Ｔｉ]が好ましい範囲を満たしていないために、分塊圧延後の冷却速度を速めに設定し、ＴｉＮの析出を抑制することでＡｌＮの析出量を確保した。ただし、冷却速度が速すぎる場合は過冷組織の発生や偏析の増加などの悪影響が懸念される。［Ａｌ］／[Ｔｉ]が好ましい範囲にある方が製造条件の制約が緩く、操業上の観点から好ましい。
また、試験Ｎｏ．１０、１３、１５、１７については、熱間圧延の載置温度が好ましい要件を外れているが、その後に適切なパテンティング処理を行っているため、本発明の要件を満たす線材が得られている。
一方、試験Ｎｏ．４、６〜８、１１、１２、２１〜２６は、本発明の要件のいずれかが満たされていなかった例である。
Ｎｏ．４は、分塊圧延時の加熱温度が低かったため、またＮｏ．６は分塊圧延後の冷却速度が遅かったため、いずれも粗大なＡｌＮが析出し、ＡｌＮの粒度分布が本発明の要件を満足せず、耐遅れ破壊特性が劣化した。
Ｎｏ．７は、熱間圧延後の載置温度が高く、載置中のＡｌＮの析出が不十分となり、ＡｌＮ量及びＡｌＮの粒度分布がいずれも本発明の要件を満足せず、耐遅れ破壊性が劣化した。Ｎｏ．８は、熱間圧延後の載置温度が低く、ＡｌＮが過度に微細化したため、ＡｌＮの粒度分布が本発明の要件を満足せず、耐遅れ破壊性が劣化した。
Ｎｏ．１１は、分塊圧延時の加熱温度が高すぎたために焼き割れを起こした。
Ｎｏ．１２は、パテンティング処理温度が低すぎたため、ベイナイトとパーライトの混合組織となり、伸線性が低下した。なお、ベイナイトの分率は、およそ２０面積％であった。
Ｎｏ．２１は、Ｃ量が多かった例であり、伸線中の時効脆化が顕著で、断線が多発した。Ｎｏ．２２は、Ｃ量が少なかった例であり、ＪＩＳ Ｇ３５３６で規定のより線Ｂ種の強度を達成できなかった。
Ｎｏ．２３は、Ａｌ量が少なかった例であり、ＡｌＮ量が十分確保できなかったために、耐遅れ破壊特性が劣化した。Ｎｏ．２４は、Ｎ量が本発明の範囲内ではあるが少なめであり、且つＡｌ量が多かった例であり、多量のＡｌ系酸化物が生成して、伸線時の断線が多発した。
Ｎｏ．２５は、Ｎ量が少なかった例であり、十分な量のＡｌＮ量が確保できないとともに、ＡｌＮの粒度分布も本発明の要件を満足できず、耐遅れ破壊特性が劣化した。Ｎｏ．２６はＮ量が多かった例であり、粗大なＡｌＮが析出したために耐遅れ破壊特性が劣化した。またＮｏ．２６は、固溶Ｎ量が本発明の好ましい要件を満たしていないため、捻回値が他の試験例に比べて最も小さい。
Claims (6)
- Ｃ ：０．８〜１．２％（質量％の意味。以下、成分組成について同じ。）、
Ｓｉ：０．１〜２．０％、
Ｍｎ：０．１〜２．０％、
Ｎ ：０．００２０〜０．０１３％、
Ａｌ：０．０４〜０．１５％、
Ｔｉ：０．０１〜０．３％、
Ｐ ：０．０２％以下（０％を含む）、
Ｓ ：０．０２％以下（０％を含む）を含み、残部が鉄及び不可避不純物であり、
組織の主相がパーライトであるとともに、
ＡｌＮ量が０．００５％以上であり、且つ、長さａと厚さｂの相乗平均（ａｂ）1/2で表されるＡｌＮの径ｄGMの最大値極値分布において、ｄGMが１０〜２０μｍであるＡｌＮの割合が、個数基準で５０％以上であることを特徴とする線材。 - 固溶Ｎ量が０．００３％以下である請求項１に記載の線材。
- Ａｌ量とＴｉ量が下記式（１）の関係を満足する請求項１または２に記載の線材。
［Ａｌ］／[Ｔｉ]≧０．４６・・・（１）
（但し、式（１）において［Ａｌ］、［Ｔｉ］は、それぞれＡｌ、Ｔｉの含有量（質量％）である。） - 更に、
Ｃｒ：１．０％以下（０％を含まない）、
Ｎｉ：１．０％以下（０％を含まない）、
Ｃｏ：１．０％以下（０％を含まない）、
Ｍｏ：１．０％以下（０％を含まない）、及び
Ｃｕ：０．５％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくとも１種を含有する請求項１〜３のいずれかに記載の線材。 - 更に、
Ｂ ：０．００５％以下（０％を含まない）、
Ｎｂ：０．５％以下（０％を含まない）、及び
Ｖ：０．５％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される少なくとも１種を含有する請求項１〜４のいずれかに記載の線材。 - 請求項１〜５のいずれかに記載の線材から得られる鋼線。
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