JP2013231250A

JP2013231250A - スチールワイヤ、スチールワイヤの製造方法およびスチールワイヤの評価方法

Info

Publication number: JP2013231250A
Application number: JP2012103939A
Authority: JP
Inventors: Wataru Shimizu; 渉清水
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2013-11-14
Anticipated expiration: 2032-04-27
Also published as: JP5882827B2

Abstract

【課題】耐腐食疲労性に優れたスチールワイヤ、スチールワイヤの製造方法およびスチールワイヤの評価方法を提供する。
【解決手段】炭素含有量が０．５０〜１．１０質量％であるスチールワイヤであって、矯正加工前における前記スチールワイヤの長手方向の断面の表層部のビッカース硬度Ｈｖ_ＬＳと、長手方向の断面の中心部のビッカース硬度Ｈｖ_ＬＣとが、下記式、
０．９５＜Ｈｖ_ＬＳ／Ｈｖ_ＬＣ＜１．１０
で表される関係を満足し、かつ、３０００〜５０００ＭＰａの抗張力を有するスチールワイヤである。
【選択図】図１

Description

本発明は、スチールワイヤ、スチールワイヤの製造方法およびスチールワイヤの評価方法に関し、詳しくは、耐腐食疲労性に優れたスチールワイヤ、スチールワイヤの製造方法およびスチールワイヤの評価方法に関する。

空気入りタイヤや工業用ベルト等のゴム製品において、これらを軽量化し、耐久性を向上させるために、補強材として用いられるスチールコードに高い引張り強さと優れた耐疲労性が求められている。また、今日、使用するスチールコードの使用量を減らしつつ、現状と同等のタイヤ強度を実現するために、補強材としてのスチールコードの１本１本のスチールワイヤの抗張力を高めることが求められている。

かかる要請に応えるため、種々の観点から多くの研究、報告がなされており、高抗張力化を図る上で、鋼線材の延性を高めることが肝要であることが知られている。従って、高抗張力化を実現するために鋼線材の延性等の特性を評価することが行われ、例えば、炭素鋼線材の延性などの特性を硬度で評価する場合、従来法ではスチールワイヤの幅方向の断面（クロス断面）における硬度分布を用いて評価する手法が採られてきた。

例えば、特許文献１には、高炭素鋼線材の鋼線中の硬度分布が、Ｒ＝０、Ｒ＝０．８、Ｒ＝０．９５において、０．９６０≦Ｈｖ≦１．０３０の条件（Ｒは鋼線の半径をｒ_０、鋼線の任意の位置と中心との距離をｒとした場合、Ｒ＝ｒ／ｒ_０、ＨｖはＲ＝０．５の位置の硬度をＨｖ_０．５とし、位置Ｒの硬度をＨｖ_Ｒとした場合、Ｈｖ＝Ｈｖ_Ｒ／Ｈｖ_０．５）を満足することで高強度を実現し得る高強度のスチールワイヤが開示されている。また、特許文献２では、高炭素鋼線材のワイヤ断面におけるビッカース硬度分布が表面からワイヤ直径の４分の１以内の中心部を除いた内部まで実質的にフラットとすることで超高強度かつ高靭性が得られることが報告されている。

また、最終湿式伸線工程において高延性、高耐疲労性を実現するための製造方法も種々提案されている。例えば、特許文献３では、汎用のスチールコード用線材によっても高い品質の鋼線を得ることを目的として、スチールコードの原料線材に、加えられる加工歪によって最終伸線工程の各減面率をそれぞれ所定範囲内に調整することが提案されている。また、特許文献４では、高いねじり延性を持つ高抗張力スチールワイヤを得ることを目的として、最終湿式伸線工程において、個々のダイスの減面率を約１５％ないし約１８％の一定の減面率で伸線加工することが提案されている。

特開平８−１５６５１４号公報（特許請求の範囲等）特開平８−３１１７８８号公報（特許請求の範囲等）特開平７−３０５２８５号公報（特許請求の範囲等）特開平５−２００４２８号公報（特許請求の範囲等）

特許文献１および２によれば、高抗張力のスチールワイヤが得られるものの、スチールワイヤは高抗張力化すると耐腐食疲労性が低下してしまう場合がある。また、特許文献３や特許文献４のように、最終伸線工程で高延性、高耐疲労性などを得るためには、全体のダイスの減面率の調整だけでは不十分であり、高延性、高耐疲労性のスチールコードの製造方法としては、必ずしも十分とはいえなかった。すなわち、特にスチールワイヤの特性に影響しやすい最終伸線工程における最終ダイス付近の伸線条件を明確にする必要があるのである。

そこで、本発明の目的は、スチールワイヤの特性に影響しやすい最終伸線工程における最終ダイス付近の伸線条件を明確にして、耐腐食疲労性に優れたスチールワイヤ、スチールワイヤの製造方法およびスチールワイヤの評価方法を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解消するため鋭意検討した結果、スチールワイヤを高強度化すると腐食疲労性が悪化する場合があるが、その原因は、スチールワイヤの表層部と中心部におけるラメラー（パーライト中のフェライトとセメンタイトからなる層状組織）間隔の不均一化であるとの知見を得た。かかる知見を基にさらに鋭意検討した結果、ラメラー構造はナノオーダーの組織であるため、その組織の観察は困難であるが、スチールワイヤの長手方向の断面（ロング断面）におけるビッカース硬度はラメラー間隔と一定の相関があるため、矯正加工工程前のスチールワイヤのビッカース硬度を測定することでラメラー間隔を簡易に評価できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明のスチールワイヤは、炭素含有量が０．５０〜１．１０質量％であるスチールワイヤであって、矯正加工前における前記スチールワイヤの長手方向の断面（ロング断面）の表層部のビッカース硬度Ｈｖ_ＬＳと、ロング断面の中心部のビッカース硬度Ｈｖ_ＬＣとが、下記式（１）、
０．９５＜Ｈｖ_ＬＳ／Ｈｖ_ＬＣ＜１．１０（１）
で表される関係を満足し、かつ、３０００〜５０００ＭＰａの抗張力を有するものである。

本発明のスチールワイヤにおいては、矯正加工後における長手方向に直交する断面（クロス断面）の表層部における硬度Ｈｖ_ＣＳと、長手方向の断面（ロング断面）の表層部における硬度Ｈｖ_ＬＳとの比、係数Ｘ（Ｈｖ_ＣＳ／Ｈｖ_ＬＳ）、および前記クロス断面の中心部の硬度Ｈｖ_ＣＣと、前記ロング断面の中心部における硬度Ｈｖ_ＬＣとの比、係数Ｘ（Ｈｖ_ＣＣ／Ｈｖ_ＬＣ）がいずれも下記式（２）、
０．９＜係数Ｘ≦１．１０（２）
で表される関係を満足することが好ましい。

また、本発明のスチールワイヤの製造方法は、炭素含有量０．５０〜１．１０質量％であり、パーライト組織を有するスチールワイヤ材に湿式伸線を施す最終伸線工程を有するスチールワイヤの製造方法において、
前記最終伸線工程における最終ダイスより前１０個のダイスのうち、減面率が１０％以下のダイスを３個以下とし、かつ、最終ダイスから前１０個のダイスにおける加工歪を２．５以上とすることを特徴とするものである。

本発明のスチールワイヤの製造方法においては、前記最終伸線工程の各伸線パスにおけるダイス抗力（Ｎ）と、ダイスの出口線径（ｍｍ^２）と、により、下記式（３）、
係数Ａ＝ダイス抗力（Ｎ）／ダイス出口線径（ｍｍ^２）（３）
で表される係数Ａが９５を超えるダイスの個数が２個以下であることが好ましい。

さらに、本発明のスチールワイヤの評価方法は、スチールワイヤの耐腐食疲労性を評価するにあたり、矯正加工前における前記スチールワイヤの長手方向の断面の表層部のビッカース硬度Ｈｖ_ＬＳと、長手方向の断面の中心部のビッカース硬度Ｈｖ_ＬＣとが、下記式（１）、
０．９５＜Ｈｖ_ＬＳ／Ｈｖ_ＬＣ＜１．１０（１）
で表される関係を満足するか否かで耐腐食疲労性を評価することを特徴とするものである。

本発明によれば、耐腐食疲労性に優れたスチールワイヤ、その製造方法およびスチールワイヤの評価方法を提供することができる。

スチールワイヤのロング断面における硬度測定箇所を示す説明図である。スチールワイヤのロング断面における表層部と中心部のラメラー間隔の疎密分布を示す説明図である。スチールワイヤのクロス断面における硬度測定箇所を示す説明図である。実施例および比較例のＨｖ_ＬＳおよびＨｖ_ＬＣとの関係を示すグラフである。

以下、本発明のスチールワイヤについて、図面を用いて詳細に説明する。
本発明のスチールワイヤは、０．５０〜１．１０質量％、好適には０．８０〜１．１０質量％の炭素を含有する。炭素含有量が０．５０質量％未満であると、初析フェライトが析出し易くなって金属組織的不均一を招き、また高強度を得るためのトータルでの伸線加工量が大きくなる。一方、炭素含有量が１．１０質量％を超えると、結晶粒界に初析セメンタイトが析出し易くなり、金属組織的不均一を招くこととなる。

図１は、スチールワイヤのロング断面の硬度測定箇所を示す説明図である。本発明のスチールワイヤ１は、矯正加工工程前におけるロング断面２の表層部３における硬度Ｈｖ_ＬＳと、ロング断面２の中心部４における硬度Ｈｖ_ＬＣとが、下記式（１）、
０．９５＜Ｈｖ_ＬＳ／Ｈｖ_ＬＣ＜１．１０（１）
で表される関係を満足するものである。一般に、スチールワイヤ材に伸線加工を施すと、表層部と中心部には、異なる加工歪が加わることになる。この加工差によってスチールワイヤ１のロング断面２における表層部３と中心部４との間にラメラー間隔の疎密分布が生じる。

図２は、スチールワイヤ１のロング断面２における表層部３と中心部４のラメラー５間隔の疎密分布を示す説明図である。パーライト中のフェライトとセメンタイトは局部電池を形成しているが、図２に示すように、スチールワイヤ１のロング断面２の表層部３と中心部４のラメラー５間隔が不均一になると、局部電池の状態が変化し、腐食の進行速度が変化すると考えられる。したがって、スチールワイヤの耐腐食疲労性を向上させるには、スチールワイヤ１のロング断面２におけるラメラー間隔の疎密分布を少なくすることが重要である。

上述の通り、スチールフィラメントのロング断面における硬度（Ｈｖ_ＬＳおよびＨｖ_ＬＣ）とラメラー間隔には一定の相関があるため、スチールワイヤ１の表層部３と中心部４の硬度（Ｈｖ_ＬＳおよびＨｖ_ＬＣ）を用いて、ラメラー間隔を評価することができる。本発明のスチールワイヤは、上記式（１）で表される関係を満足するものであるが、かかるスチールワイヤは、そのロング断面におけるラメラー間隔はほぼ均一であり、耐腐食疲労性に優れていることになる。好適には
０．９５＜Ｈｖ_ＬＳ／Ｈｖ_ＬＣ＜１．０５
で表される関係を満足する。

また、本発明のスチールワイヤにおいては、矯正加工後における長手方向に直交する断面（クロス断面）の表層部における硬度Ｈｖ_ＣＳと、長手方向の断面（ロング断面）の表層部における硬度Ｈｖ_ＬＳとの比、係数Ｘ（Ｈｖ_ＣＳ／Ｈｖ_ＬＳ）、および前記クロス断面の中心部の硬度Ｈｖ_ＣＣと、前記ロング断面の中心部における硬度Ｈｖ_ＬＣとの比、係数Ｘ（Ｈｖ_ＣＣ／Ｈｖ_ＬＣ）がいずれも下記式（２）、
０．９＜係数Ｘ≦１．１０（２）
で表される関係を満足することが好ましい。ここで、クロス断面硬度は、図３に示すスチールワイヤ１のクロス断面２において、表層部３と中心部４にて測定される。

伸線されたスチールワイヤにおいて、ロング断面硬度はカールドグレインに影響されず、ラメラーの配列によって硬度が決まるため、バラツキがなく評価することができる。よって、ロング断面の硬度を基準とし、クロス断面硬度との比、係数Ｘを評価することで、より妥当性のある特性値評価ができると考え、評価試験を実施したところ、スチールワイヤ中心部の硬度比、係数Ｘが０．９０よりも大きいとき、延性が良いものが得られることが確かめられ、よって、下限を０．９０とした。一方、上限値については、評価試験の結果、スチールワイヤ表層部の硬度比、係数Ｘが１．０４のとき、延性が最も良いものが得られ、係数Ｘが１．１０においても良好な延性が得られたことから、１．１０を上限値とした。

また、本発明のスチールワイヤにおいては、抗張力を３０００〜５０００ＭＰａ、好適には４０００ＭＰａ以上とする。スチールワイヤの抗張力を３０００〜５０００ＭＰａの範囲とすることで、使用するスチールコードの使用量を減らしつつ、現状と同等のタイヤ強度を実現することが可能となる。

次に、本発明のスチールワイヤの製造方法について説明する。
本発明のスチールワイヤの製造方法においては、最終湿式伸線工程において、炭素含有量が０．５０〜１．１０質量％、好適には０．８０〜１．１０質量％であり、かつパーライト組織を有するスチールワイヤ材を最終伸線加工する際、最終ダイスの前１０個のダイスのうち、減面率が１０％以下のダイスを３個以下、好適には０個にする。この際、最終ダイスの前１０個のダイスにおける加工歪を２．５以上とする。かかる条件を満足することにより、スチールワイヤの表層部と中心部の加工差を小さくすることができる。その結果、矯正加工前におけるスチールワイヤのロング断面の表層部のビッカース硬度Ｈｖ_ＬＳと、ロング断面の中心部のビッカース硬度Ｈｖ_ＬＣとを、上記式（１）で表される関係を満足させることができる。ここで、加工歪とは、ε＝２・ｌｎ（ｄ_０／ｄ_１）（ｄ_０は加工前のスチールワイヤ材の直径（ｍｍ）であり、ｄ_１は加工後のスチールワイヤの直径（ｍｍ）であり、ｌｎは自然対数である）で表わされる。

本発明のスチールワイヤの製造方法においては、最終伸線工程の各伸線パスにおけるダイス抗力（Ｎ）と、ダイスの出口線径（ｍｍ^２）と、により、下記式（３）、
係数Ａ＝ダイス抗力（Ｎ）／ダイス出口線径（ｍｍ^２）（３）
で表される係数Ａが９５を超えるダイスの個数が２個以下であることが好ましく、好ましくは全てのダイスの係数Ａが９０以下である。かかる要件を満足することで、スチールワイヤの金属組織が破壊されることを防止することができる。その結果、最終伸線工程後にスチールワイヤに対して施される矯正加工後において、スチールワイヤが上記（２）式を満足することになり、スチールワイヤに耐腐食性だけではなく、さらに、優れた延性をも付与することができる。

本発明のスチールワイヤの製造方法においては、上記要件を満足させることのみが重要であり、それ以外の条件については特に制限はない。例えば、ダイスの形状としては、スチールワイヤ材の伸線に一般的に使用されている形状が適用でき、例えばアプローチ角が８°から１２°、ベアリング長さが０．３Ｄから０．６Ｄ程度のものが使用できる。また、ダイスの材質についても焼結ダイヤモンドダイス等に制限されるものではなく、安価な超硬合金ダイスも使用できる。また、最終伸線後の矯正加工についても特に制限はなく、例えば、千鳥状に配置された複数のローラ間にスチールワイヤを通過させることにより行うことができる。

次に、本発明のスチールワイヤの耐腐食疲労性の評価方法について説明する。
本発明のスチールワイヤの耐腐食疲労性の評価方法は、評価の対象となるスチールワイヤの矯正加工前の状態における、ロング断面の表層部のビッカース硬度Ｈｖ_ＬＳと、ロング断面の中心部のビッカース硬度Ｈｖ_ＬＣとが、下記式、
０．９５＜Ｈｖ_ＬＳ／Ｈｖ_ＬＣ＜１．１０（１）
で表される関係を満足するか否かで評価を行う。評価の対象となるスチールワイヤのＨｖ_ＬＣおよびＨｖ_ＬＳが上記関係を満足するものを選定することで、耐腐食疲労性に優れたスチールワイヤを確実に得ることができる。

以下、本発明のスチールワイヤについて、実施例を用いてより詳細に説明する。
＜実施例および比較例＞
下記の表１に示す種類のスチールワイヤ材を、それぞれ同表に示す直径となるまで乾式伸線を施した。得られたスチールワイヤ材にパテンティング熱処理とブラスめっきを施し、ブラスめっきスチールワイヤ材を製造した。得られたブラスめっきスチールワイヤ材を、表１に示すパススケジュールで湿式伸線を施し、それぞれ同表に示す直径のスチールワイヤを製造した。

得られたスチールワイヤにつき、下記手順に従い、抗張力、Ｈｖ_ＬＳ、Ｈｖ_ＬＣ、および耐腐食疲労性を評価した。得られた結果を表２に示す。また、図４は、実施例および比較例のＨｖ_ＬＳおよびＨｖ_ＬＣとの関係を示すグラフである。なお、湿式伸線にあたり、スリップ式の湿式連続伸線機を用い、伸線機のダイスとして、アプローチ角が約１２°でベアリング長さが約０．５Ｄの超硬合金ダイスを使用した。

＜抗張力＞
ＪＩＳＧ３５１０の引張り試験に基づき、各スチールワイヤの抗張力を測定した。

＜ビッカース硬度＞
株式会社ミツトヨ製ビッカース硬度測定器（型式：ＨＭ−２１１）を用いて各スチールワイヤのロング断面の表層部および中央部の硬度を測定した。

＜耐腐食疲労性＞
耐腐食疲労性の評価は、１００ｍｍに切断したスチールワイヤを、少量の硝酸イオンおよび硫酸イオンを含む中性の水溶液に浸し、毎分１０００回転の速度で３００Ｎ／ｍｍ^２の繰り返し曲げ応力を与えてスチールワイヤが破断に至るまでの回転数を求めた。表２において体腐食疲労性は、比較例の破断に至るまでの回転数を１００として指数にて表示した。この数値が大きい程、耐腐食疲労性に優れていることを示す。

※１：最終ダイスより前１０個のダイスのうち減面率１０％以下のダイスの個数
※２：最終ダイスより前１０個のダイスにおける加工歪

表２および図４より、本発明のスチールワイヤは、耐腐食疲労性に優れていることがわかる。

１スチールワイヤ
２ロング断面
３表層部
４中心部
５ラメラー
６クロス断面
２１スチールワイヤ
２２グリップ

Claims

炭素含有量が０．５０〜１．１０質量％であるスチールワイヤであって、矯正加工前における前記スチールワイヤの長手方向の断面（ロング断面）の表層部のビッカース硬度Ｈｖ_ＬＳと、ロング断面の中心部のビッカース硬度Ｈｖ_ＬＣとが、下記式（１）、
０．９５＜Ｈｖ_ＬＳ／Ｈｖ_ＬＣ＜１．１０（１）
で表される関係を満足し、かつ、３０００〜５０００ＭＰａの抗張力を有することを特徴とするスチールワイヤ。
矯正加工後における長手方向に直交する断面（クロス断面）の表層部における硬度Ｈｖ_ＣＳと、長手方向の断面（ロング断面）の表層部における硬度Ｈｖ_ＬＳとの比、係数Ｘ（Ｈｖ_ＣＳ／Ｈｖ_ＬＳ）、および前記クロス断面の中心部の硬度Ｈｖ_ＣＣと、前記ロング断面の中心部における硬度Ｈｖ_ＬＣとの比、係数Ｘ（Ｈｖ_ＣＣ／Ｈｖ_ＬＣ）がいずれも下記式（２）、
０．９＜係数Ｘ≦１．１０（２）
で表される関係を満足する請求項１記載のスチールワイヤ。
炭素含有量０．５０〜１．１０質量％であり、パーライト組織を有するスチールワイヤ材に湿式伸線を施す最終伸線工程を有するスチールワイヤの製造方法において、
前記最終伸線工程における最終ダイスより前１０個のダイスのうち、減面率が１０％以下のダイスを３個以下とし、かつ、最終ダイスから前１０個のダイスにおける加工歪を２．５以上とすることを特徴とするスチールワーヤの製造方法。
前記最終伸線工程の各伸線パスにおけるダイス抗力（Ｎ）と、ダイスの出口線径（ｍｍ^２）と、により、下記式（３）、
係数Ａ＝ダイス抗力（Ｎ）／ダイス出口線径（ｍｍ^２）（３）
で表される係数Ａが９５を超えるダイスの個数が２個以下である請求項３記載のスチールワイヤの製造方法。
スチールワイヤの耐腐食疲労性を評価するにあたり、矯正加工前における前記スチールワイヤの長手方向の断面の表層部のビッカース硬度Ｈｖ_ＬＳと、長手方向の断面の中心部のビッカース硬度Ｈｖ_ＬＣとが、下記式（１）、
０．９５＜Ｈｖ_ＬＳ／Ｈｖ_ＬＣ＜１．１０（１）
で表される関係を満足するか否かで耐腐食疲労性を評価することを特徴とするスチールワイヤの耐腐食疲労性の評価方法。