JP2018162524A - 鋼線用線材および鋼線 - Google Patents
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Abstract
【課題】低サイクル疲労特性に優れ、ワイヤロープやＰＣ鋼線等の高強度の鋼線の素材として有用な鋼線用線材、およびこのような特性を発揮できる鋼線を提供する。【解決手段】本発明の鋼線用線材は、質量％で、Ｃ：０．７０〜１．３％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｎ：０．００１〜０．００６％、Ａｌ：０．００１〜０．１０％、Ｔｉ：０．０２〜０．２０％、Ｂ：０．０００５〜０．０１０％、Ｐ：０％以上、０．０３０％以下、Ｓ：０％以上、０．０３０％以下、を夫々含有し、残部が鉄および不可避不純物であり、パーライトを主相とし、３００℃における鋼中の水素拡散係数Ｄが下記（１）式を満足する。Ｄ≦２．５×１０-7（ｃｍ2／秒） …（１）【選択図】なし
Description
本発明は、ワイヤロープやＰＣ鋼線等に用いられる高強度の鋼線の素材となる鋼線用線材、およびそのような鋼線に関する。
エレベータ用ロープやクレーンの巻上げロープなど、繰り返し曲げ応力が付加される鋼撚り線においては、素線の曲げ疲労特性がロープの設計強度や寿命を決定する重要因子である。近年では、エレベータの高速化やクレーンの小型化に伴うロープの軽量化ニーズが増大しており、それを実現する曲げ疲労特性に優れた高強度鋼線用線材が求められている。また曲げ疲労特性に優れた高強度鋼線用線材は、ＰＣ（Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ）鋼線の素材としても有用である。
線材の特性を改善するための技術として、これまでにも様々提案されている。例えば、特許文献１では、鋼中にＢＮ系介在物を微細析出させることによって疲労強度を向上させる技術が開示されている。しかしながら、この技術で問題にしている特性は、１０7回の疲労限近くで起こる高サイクル疲労であり、上記のような環境で要求されるような、１０4〜１０5回で起きる低サイクル疲労とはメカニズムが異なる。ワイヤロープの様な長期間外気に晒される製品では、表層部の酸化や素線同士の摩擦によって疲労亀裂が発生しやすく、かつ鋼中に侵入した水素によって亀裂進展が促進されるため、疲労限より遥かに低い寿命で材料が破壊する。したがって、水素に対する対策が必要になる。
特許文献２では、伸線加工パーライト組織を持った極細鋼線中の水素量を低減することで疲労特性を向上させる技術が公開されている。しかし、ワイヤロープやＰＣ鋼線の様に、外界からの水素侵入がある様な製品の場合には外部から侵入した水素で疲労特性が低下するため、単に鋼中の水素量を低減するだけでは不十分である。
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、低サイクル疲労特性に優れ、ワイヤロープやＰＣ鋼線等の高強度の鋼線の素材として有用な鋼線用線材、およびこのような特性を発揮できる鋼線を提供することにある。
上記課題を解決し得た本発明の鋼線用線材は、
質量％で、
Ｃ ：０．７０〜１．３％、
Ｓｉ：０．１〜１．５％、
Ｍｎ：０．１〜１．５％、
Ｎ ：０．００１〜０．００６％
Ａｌ：０．００１〜０．１０％、
Ｔｉ：０．０２〜０．２０％、
Ｂ ：０．０００５〜０．０１０％
Ｐ ：０％以上、０．０３０％以下、
Ｓ ：０％以上、０．０３０％以下、
を夫々含有し、残部が鉄および不可避不純物であり、
パーライトを主相とし、３００℃における鋼中の水素拡散係数Ｄが下記（１）式を満足することを特徴とする。
Ｄ≦２．５×１０-7（ｃｍ2／秒） …（１）
質量％で、
Ｃ ：０．７０〜１．３％、
Ｓｉ：０．１〜１．５％、
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Ｓ ：０％以上、０．０３０％以下、
を夫々含有し、残部が鉄および不可避不純物であり、
パーライトを主相とし、３００℃における鋼中の水素拡散係数Ｄが下記（１）式を満足することを特徴とする。
Ｄ≦２．５×１０-7（ｃｍ2／秒） …（１）
尚、「パーライトを主相とする」とは、金属組織の９５面積％以上がパーライト組織であることを意味する。
本発明の高強度鋼線用線材は、更に、（ａ）Ｃｒ：０％超、１．０％以下およびＶ：０％超、０．５％以下の少なくとも１種、（ｂ）Ｎｉ：０％超、０．５％以下およびＮｂ：０％超、０．５％以下の少なくとも１種、（ｃ）Ｃｏ：０％超、１．０％以下、（ｄ）Ｍｏ：０％超、０．５％以下およびＣｕ：０％超、０．５％以下の少なくとも１種、等を含有することも好ましい。
本発明は、上記した鋼の化学成分組成からなり、３００℃における鋼中の水素拡散係数Ｄが下記（１）式を満足する鋼線も包含する。
Ｄ≦２．５×１０-7（ｃｍ2／秒） …（１）
Ｄ≦２．５×１０-7（ｃｍ2／秒） …（１）
本発明によれば、微細分散させたＴｉＣ等のＴｉ系介在物による水素トラップ効果によって鋼中での水素拡散を阻害し、その拡散係数を低減することで疲労特性に優れた鋼線材を得ることができる。特に、１０4〜１０5回程度の繰り返し応力負荷で生じる低サイクル疲労に対して、優れた特性を発揮する。
本発明者らは、パーライトを主相とする金属組織である鋼線材において、低サイクル疲労特性を左右する因子を鋭意調査した。水素による疲労特性の低下は、繰り返し応力が負荷されることによって鋼中の水素が鋼材に生じた微小なクラックに向かって拡散し、クラック周辺の組織を脆化させることで生じる。製造工程で鋼中に吸蔵された水素に加えて、外界から侵入した水素も同様に疲労特性を低下させる。従って、鋼中の水素拡散を阻害し、クラック周辺に集積する水素の量を低減することで疲労特性を向上させることができる。具体的には、３００℃における鋼中の水素拡散係数Ｄを２．５×１０-7 （ｃｍ2／秒）以下にすることで疲労特性が向上する。
水素拡散係数Ｄは温度に依存する物性値であるが、本発明では３００℃における鋼中の水素拡散係数Ｄを指標とする。この理由は水素拡散係数の計測方法に由来する。水素拡散係数Ｄの測定に当たっては、試料を測定器中で昇温して得られた水素ガスの放出曲線を解析する方法を採用しているが、放出曲線の低温部分は外乱による影響を受けやすく、正確な評価に適さない。これは、低温で放出される水素は拡散性水素と呼ばれ、室温での拡散が無視できないため、測定に供する試料の保管状態によって影響を受けるためである。尚、水素拡散係数Ｄは、好ましくは２．３×１０-7 （ｃｍ2／秒）以下であり、より好ましくは２．０×１０-7（ｃｍ2／秒）以下である。
水素の拡散を阻害する手段としては、水素を吸着する効果のあるＴｉＣ等のＴｉ系介在物を鋼中に微細分散させることが有効である。
本発明に係る鋼線用線材は、ワイヤなどに適用したときにその基本的な特性を発揮させる上からも、その化学成分組成も適切に調整する必要がある。その化学成分組成は以下の通りである。尚、化学成分組成における「％」は、いずれも「質量％」である。
（Ｃ：０．７０〜１．３％）
Ｃは、強度の上昇に有効な元素であり、Ｃ量の増加に伴って、冷間加工前の線材（鋼線材）、および冷間加工後の鋼線の強度が向上する。そこで、Ｃ量は０．７０％以上と定めた。Ｃ量は、好ましくは０．７４％以上であり、より好ましくは０．７８％以上である。
しかし、Ｃ量が過剰になり過ぎると、初析セメンタイト（以下、「初析θ」と略記することがある）が析出し、伸線加工中に断線を引き起こす。そこで、Ｃ量は１．３％以下と定めた。Ｃ量は、好ましくは１．２％以下であり、より好ましくは１．１％以下である。
Ｃは、強度の上昇に有効な元素であり、Ｃ量の増加に伴って、冷間加工前の線材（鋼線材）、および冷間加工後の鋼線の強度が向上する。そこで、Ｃ量は０．７０％以上と定めた。Ｃ量は、好ましくは０．７４％以上であり、より好ましくは０．７８％以上である。
しかし、Ｃ量が過剰になり過ぎると、初析セメンタイト（以下、「初析θ」と略記することがある）が析出し、伸線加工中に断線を引き起こす。そこで、Ｃ量は１．３％以下と定めた。Ｃ量は、好ましくは１．２％以下であり、より好ましくは１．１％以下である。
（Ｓｉ：０．１〜１．５％）
Ｓｉは、脱酸剤としての作用を有し、また線材の強度を向上させる作用も有する。これらの作用を有効に発揮させるために、Ｓｉ量を０．１％以上と定めた。Ｓｉ量は、好ましくは０．１５％以上であり、より好ましくは０．１８％以上である。一方、Ｓｉ量が過剰になり過ぎると、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１．５％以下と定めた。Ｓｉ量は好ましくは１．４％以下であり、より好ましくは１．３％以下である。
Ｓｉは、脱酸剤としての作用を有し、また線材の強度を向上させる作用も有する。これらの作用を有効に発揮させるために、Ｓｉ量を０．１％以上と定めた。Ｓｉ量は、好ましくは０．１５％以上であり、より好ましくは０．１８％以上である。一方、Ｓｉ量が過剰になり過ぎると、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１．５％以下と定めた。Ｓｉ量は好ましくは１．４％以下であり、より好ましくは１．３％以下である。
（Ｍｎ：０．１〜１．５％）
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、鋼の靭性およ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、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０．２０％以上である。しかしながら、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１．５％以下と定めた。Ｍｎ量は、好ましくは１．４％以下であり、より好ましくは１．３％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、鋼の靭性およ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、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０．２０％以上である。しかしながら、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１．５％以下と定めた。Ｍｎ量は、好ましくは１．４％以下であり、より好ましくは１．３％以下である。
（Ｎ：０．００１〜０．００６％）
Ｎは、鋼中のＢと化合してＢＮを形成し、Ｂによる効果を失わせる。また、固溶状態のＮは伸線時に歪み時効による捻回特性の低下を引き起こし、著しい場合には縦割れを招く。これらの弊害を防ぐために、Ｎ量は０．００６％以下とする。好ましくは０．００５％以下であり、より好ましくは０．００４％以下である。一方、少量であればＴｉＮやＡｌＮなどの窒化物によって結晶粒を微細化し、線材の延性を高める効果がある。そのような効果を発揮させるために、Ｎ量は０．００１％以上とする。好ましくは０．００１５％以上、より好ましくは０．００２０％以上である。
Ｎは、鋼中のＢと化合してＢＮを形成し、Ｂによる効果を失わせる。また、固溶状態のＮは伸線時に歪み時効による捻回特性の低下を引き起こし、著しい場合には縦割れを招く。これらの弊害を防ぐために、Ｎ量は０．００６％以下とする。好ましくは０．００５％以下であり、より好ましくは０．００４％以下である。一方、少量であればＴｉＮやＡｌＮなどの窒化物によって結晶粒を微細化し、線材の延性を高める効果がある。そのような効果を発揮させるために、Ｎ量は０．００１％以上とする。好ましくは０．００１５％以上、より好ましくは０．００２０％以上である。
（Ａｌ：０．００１〜０．１０％）
Ａｌは、有効な脱酸元素である。また、ＡｌＮの様な窒化物を形成し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させるために、Ａｌ量は０．００１％以上とする。Ａｌ量は、好ましくは０．００２％以上であり、より好ましくは０．００３％以上である。一方、Ａｌを過剰に添加するとＡｌ2Ｏ3の様な酸化物を形成し、伸線時の断線を増加させる。こうした観点から、Ａｌ量は０．１０％以下とする。好ましくは０．０９％以下であり、より好ましくは０．０８％以下である。
Ａｌは、有効な脱酸元素である。また、ＡｌＮの様な窒化物を形成し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させるために、Ａｌ量は０．００１％以上とする。Ａｌ量は、好ましくは０．００２％以上であり、より好ましくは０．００３％以上である。一方、Ａｌを過剰に添加するとＡｌ2Ｏ3の様な酸化物を形成し、伸線時の断線を増加させる。こうした観点から、Ａｌ量は０．１０％以下とする。好ましくは０．０９％以下であり、より好ましくは０．０８％以下である。
（Ｔｉ：０．０２〜０．２０％）
Ｔｉは、ＴｉＣの様な炭化物を形成し、水素の拡散係数を低下させて鋼線の疲労特性を向上させる働きがある。また、鋼中のＮと化合してＴｉＮの様な窒化物を形成し、Ｎによる捻回特性の低下を防ぐ働きもある。それらの効果を有効に発揮させるために、Ｔｉ量は０．０２％以上とする。好ましくは０．０３％以上、より好ましくは０．０４％以上である。一方、Ｔｉ量が過剰になると、ＴｉＣやＴｉＮ等のＴｉ系介在物が多量に析出し、伸線時の断線を増加させる。したがって、Ｔｉ量は０．２０％以下とする。好ましくは０．１５％以下であり、さらに好ましくは０．１０％以下である。
Ｔｉは、ＴｉＣの様な炭化物を形成し、水素の拡散係数を低下させて鋼線の疲労特性を向上させる働きがある。また、鋼中のＮと化合してＴｉＮの様な窒化物を形成し、Ｎによる捻回特性の低下を防ぐ働きもある。それらの効果を有効に発揮させるために、Ｔｉ量は０．０２％以上とする。好ましくは０．０３％以上、より好ましくは０．０４％以上である。一方、Ｔｉ量が過剰になると、ＴｉＣやＴｉＮ等のＴｉ系介在物が多量に析出し、伸線時の断線を増加させる。したがって、Ｔｉ量は０．２０％以下とする。好ましくは０．１５％以下であり、さらに好ましくは０．１０％以下である。
（Ｂ：０．０００５〜０．０１０％）
Ｂは、粒界に析出する初析フェライト（以下、「初析α」と略記することがある）を抑制する働きがあり、疲労特性の向上に有効である。また、ＢＮを形成することで、鋼中の固溶Ｎを固定し、捻回特性を向上させる効果も期待できる。Ｂの効果を有効に発揮させるために、Ｂ量は０．０００５％以上が必要である。好ましいＢ量の下限は０．０００７％以上であり、より好ましくは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０．０１０％以下にする必要がある。好ましくは０．００８％以下であり、より好ましくは０．００６％以下である。
Ｂは、粒界に析出する初析フェライト（以下、「初析α」と略記することがある）を抑制する働きがあり、疲労特性の向上に有効である。また、ＢＮを形成することで、鋼中の固溶Ｎを固定し、捻回特性を向上させる効果も期待できる。Ｂの効果を有効に発揮させるために、Ｂ量は０．０００５％以上が必要である。好ましいＢ量の下限は０．０００７％以上であり、より好ましくは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０．０１０％以下にする必要がある。好ましくは０．００８％以下であり、より好ましくは０．００６％以下である。
（Ｐ：０％以上、０．０３０％以下）
Ｐは、旧オーステナイト粒界に偏析して粒界を脆化させ、疲労強度を低下させるため、その含有量は少なければ少ないほど好ましい。したがって、Ｐ量は０．０３０％以下とする。Ｐ量は、好ましくは０．０２５％以下であり、より好ましくは０．０２０％以下である。Ｐ量は０％であってもよいが、通常０．００１％以上で含まれる。
Ｐは、旧オーステナイト粒界に偏析して粒界を脆化させ、疲労強度を低下させるため、その含有量は少なければ少ないほど好ましい。したがって、Ｐ量は０．０３０％以下とする。Ｐ量は、好ましくは０．０２５％以下であり、より好ましくは０．０２０％以下である。Ｐ量は０％であってもよいが、通常０．００１％以上で含まれる。
（Ｓ：０％以上、０．０３０％以下）
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、疲労強度を低下させるため、その含有量は少なければ少ないほど好ましい。したがって、Ｓ量は０．０３０％以下とする。Ｓ量は、好ましくは０．０２５％以下であり、より好ましくは０．０２０％以下である。Ｓ量は０％であってもよいが、通常０．００１％以上で含まれる。
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、疲労強度を低下させるため、その含有量は少なければ少ないほど好ましい。したがって、Ｓ量は０．０３０％以下とする。Ｓ量は、好ましくは０．０２５％以下であり、より好ましくは０．０２０％以下である。Ｓ量は０％であってもよいが、通常０．００１％以上で含まれる。
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。また本発明の線材は、強度、靭性、延性等の特性を更に向上させるため、必要に応じて、更に（ａ）Ｃｒ：０％超、１．０％以下およびＶ：０％超、０．５％以下の少なくとも１種、（ｂ）Ｎｉ：０％超、０．５％以下およびＮｂ：０％超、０．５％以下の少なくとも１種、（ｃ）Ｃｏ：０％超、１．０％以下、（ｄ）Ｍｏ：０％超、０．５％以下およびＣｕ：０％超、０．５％以下の少なくとも１種、等を含有することも好ましい。
（Ｃｒ：０％超、１．０％以下およびＶ：０％超、０．５％以下の少なくとも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に、Ｃｒ量は０．０５％以上が好ましい。Ｃｒ量は、より好ましくは０．１０％以上であり、更に好ましくは０．１５％以上である。一方、Ｃｒ量が過剰になり過ぎると、焼入れ性が向上して熱間圧延中に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０．８％以下であり、更に好ましくは０．６％以下である。
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に、Ｃｒ量は０．０５％以上が好ましい。Ｃｒ量は、より好ましくは０．１０％以上であり、更に好ましくは０．１５％以上である。一方、Ｃｒ量が過剰になり過ぎると、焼入れ性が向上して熱間圧延中に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０．８％以下であり、更に好ましくは０．６％以下である。
Ｖは炭窒化物を形成して線材の強度を向上させる効果がある。また、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させるために、Ｖ量は０．０１％以上が好ましく、より好ましくは０．０２％以上、更に好ましくは０．０３％以上である。しかし、Ｖは高価な元素であり、過剰に添加し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、更に好ましくは０．２％以下である。
ＣｒおよびＶは、線材の強度（引張強度）を高める上で有用な元素であり、これらは１種または２種を併用して含有させてもよい。
（Ｎｉ：０％超、０．５％以下およびＮｂ：０％超、０．５％以下の少なくとも１種） 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に、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、更に好ましくは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。したがって、Ｎｉ量は０．５％以下が好ましく、より好ましくは０．４％以下、更に好ましくは０．３％以下である。
Ｎｂは、ＴｉやＡｌと同様に窒化物を形成し、結晶粒を微細化して鋼線の靭性向上に寄与する他、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させるために、Ｎｂ量は０．０１％以上が好ましく、より好ましくは０．０３％以上、更に好ましくは０．０５％以上である。しかし、Ｎｂは高価な元素であり、過剰に添加し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、更に好ましくは０．３％以下である。
ＮｉおよびＮｂは、鋼線の靭性を高める上で有用な元素であり、これらは１種または２種を併用して含有させてもよい。
（Ｃｏ：０％超、１．０％以下）
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させるために、Ｃｏ量は０．０５％以上が好ましく、より好ましくは０．１％以上、更に好ましくは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。
したがって、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、更に好ましくは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させるために、Ｃｏ量は０．０５％以上が好ましく、より好ましくは０．１％以上、更に好ましくは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。
したがって、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、更に好ましくは０．６％以下である。
（Ｍｏ：０％超、０．５％以下およびＣｕ：０％超、０．５％以下の少なくとも１種） 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させるために、Ｍｏ量は０．０５％以上が好ましく、より好ましくは０．１％以上であり、更に好ましくは０．２％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０．５％以下が好ましく、より好ましくは０．４％以下であり、更に好ましくは０．３％以下である。
Ｃｕは、Ｍｏと同様に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させるために、Ｃｕ量は０．０５％以上が好ましく、より好ましくは０．０８％以上であり、更に好ましくは０．１０％以上である。しかし、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に、Ｃｕ量は０．５％以下が好ましく、より好ましくは０．４％以下であり、更に好ましくは０．３％以下である。
冷間伸線前の線材は、通常、化学成分を適切に制御した鋼を溶製、分塊圧延および熱間圧延し、更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される。本発明で規定する要件（金属組織、水素の拡散係数）を満足させつつ本発明の線材を製造するにあたっては、Ｔｉの含有量を上記の範囲に適正に制御した上で、ＴｉＣ等のＴｉ系介在物の析出挙動を適切にコントロールすることが重要である。
まず、分塊圧延では、鋳片を１２００℃以上に加熱し、鋳造時に析出した粗大なＴｉＣを分解することが好ましい。加熱温度が１２００℃よりも低いと、線材に粗大なＴｉＣが残存し、水素拡散係数を十分に小さくすることができないので、疲労強度が低下する。この加熱温度はより好ましくは１２５０℃以上であり、更に好ましくは１３００℃以上であるが、あまり高くなり過ぎると、線材の溶融が生じるので、通常は１４００℃程度までに設定される。
続いて熱間圧延を行なうにあたっては、１０００℃以上に加熱した上で、圧延の最終４パスにおける歪み速度を０．５秒-1以上とし、動的再結晶によって結晶粒を微細化すると共に、微細なＴｉＣを析出させることが好ましい。歪み速度が０．５秒-1よりも小さくなると、ＴｉＣを十分に微細化することができず、水素拡散係数Ｄを十分に小さくできない。このときの歪み速度は、より好ましくは０．８秒-1以上、更に好ましくは１．０秒-1以上であるが、設備負荷の問題から、通常は５秒-1以下とすることが好ましい。尚、歪み速度をＶεとすると、一つ目のロール（最終パスから４パス手前のロール）に入線する前の断面積Ｓ0（ｍ2）と、最終パス通過後の断面積Ｓ4（ｍ2）と、４パスの合計通過時間(圧延時間)ｔ（秒）を用いて、下記（２）式で表わせる。
Ｖε＝{ｌｎ（Ｓ0／Ｓ4）}／ｔ …（２）
Ｖε＝{ｌｎ（Ｓ0／Ｓ4）}／ｔ …（２）
熱間圧延後は、水冷で十分に冷却して、圧延材（線材）のレイングヘッドでの載置温度を８００〜１０００℃に制御することが好ましい。載置温度が１０００℃を超えると、載置後のコンベヤ上での冷却中に、ＴｉＣが粗大化してしまう恐れがある。より好ましくは９８０℃以下であり、更に好ましくは９５０℃以下である。また、載置温度が８００℃未満の場合は線材の変形抵抗が増大し、レイングヘッドでの載置不良（例えば、コイリングできない）が生じる可能性があるので、８００℃以上とすることが好ましい。より好ましくは８２０℃以上であり、更に好ましくは８５０℃以上である。
載置後、冷却コンベア上で線材を冷却し、この冷却中にパーライト変態を起こさせるが、パーライト変態開始までの平均冷速度を５℃／秒以上として急冷することが好ましい。
このときの冷却速度が遅くなると、ＴｉＣが粗大化しやすくなり、水素拡散係数が大きくなる恐れがある。また、平均冷却速度が５℃／秒より小さくなると、局所的にコーズパーライトと呼ばれるラメラ間隔が極端に粗い組織が析出し、伸線性を低下させることもある。尚、パーライト変態の開始については、線材の温度を測定し、変態発熱によって冷却曲線が変化する点（変曲点）を求めれば良い。この平均冷却速度は、より好ましくは１０℃／秒以上であり、更に好ましくは１５℃／秒以上である。平均冷却速度の好ましい上限は１００℃／秒以下であり、より好ましくは５０℃／秒以下である。
このときの冷却速度が遅くなると、ＴｉＣが粗大化しやすくなり、水素拡散係数が大きくなる恐れがある。また、平均冷却速度が５℃／秒より小さくなると、局所的にコーズパーライトと呼ばれるラメラ間隔が極端に粗い組織が析出し、伸線性を低下させることもある。尚、パーライト変態の開始については、線材の温度を測定し、変態発熱によって冷却曲線が変化する点（変曲点）を求めれば良い。この平均冷却速度は、より好ましくは１０℃／秒以上であり、更に好ましくは１５℃／秒以上である。平均冷却速度の好ましい上限は１００℃／秒以下であり、より好ましくは５０℃／秒以下である。
上記のようにして得られた線材は、そのまま伸線加工（冷間加工）して鋼線として使用することができるが、伸線加工前にパテンティング処理を施しても良い。こうした伸線加工前のパテンティング処理を施すことによって、線材の強度を高め、且つ強度ばらつきを低減することができる。
また細径の鋼線を製造する場合のように、伸線加工度が大きくなることが予想されるときには、圧延材からある程度伸線した後にパテンティング処理を施し、線材組織を未加工のパーライト組織に戻した上で、更に伸線加工を行なうことも有用である。このとき、再加熱処理によっても微細析出したＴｉＣが保たれていれば、一般的なパテンティング処理によっても水素拡散係数Ｄが低い状態を保つことができる。
パテンティング処理を施すときの加熱温度（この温度を「再加熱温度」と呼ぶことがある）は、９００〜１０００℃程度が好ましく、より好ましくは９２０℃以上、９８０℃以下である。また、保持温度は５３０〜６００℃程度が好ましく、より好ましくは５５０℃以上、５８０℃以下である。再加熱温度は、未固溶炭化物の残存を防ぎ、組織を完全にオーステナイト化する観点から、９００℃以上であることが好ましいが、あまり高温になると、ＴｉＣが粗大化して水素拡散係数Ｄが増大する。
本発明の線材は、鋼中の水素拡散係数Ｄが十分に低減されているため、これを冷間加工した鋼線や、その鋼線を全部または一部に用いたワイヤロープやＰＣ鋼線などの製品は、通常品よりも疲労特性に優れている。
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含まれる。
下記表１に示す化学成分組成の鋼塊を、下記表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、一部のものは更にパテンティング処理を行った（表３）。表２、３において圧延線径とパテンティング線径が異なるものは、中間伸線を挟んで熱処理したことを示している。
仕上げ伸線前の線材からサンプルを採取し、引張試験、金属組織の評価、水素拡散係数Ｄの測定を、下記の方法によって実施した。
（引張試験）
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ＴＳ（Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ；素線強度）および降伏点ＹＰ（Ｙｉｅｌｄ Ｐｏｉｎｔ）を、ＪＩＳ Ｚ ２２４１（２０１１）に準拠して測定すると共に（Ｎ＝８本の平均値）、捻回特性、疲労特性を、下記の方法で評価した。
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ＴＳ（Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ；素線強度）および降伏点ＹＰ（Ｙｉｅｌｄ Ｐｏｉｎｔ）を、ＪＩＳ Ｚ ２２４１（２０１１）に準拠して測定すると共に（Ｎ＝８本の平均値）、捻回特性、疲労特性を、下記の方法で評価した。
（組織評価）
金属組織は、試料の横断面を光学顕微鏡にて観察し、パーライト組織の面積率が９５％以上のものを表中に「Ｐ」と示した。
金属組織は、試料の横断面を光学顕微鏡にて観察し、パーライト組織の面積率が９５％以上のものを表中に「Ｐ」と示した。
（水素拡散係数Ｄの評価）
採取した試料に対して飽和状態まで水素チャージを行ない、昇温分析によって水素放出曲線を得た。昇温速度は１２℃／秒とし、大気圧イオン化質量分析計にて水素の放出量を測定した。水素チャージ条件は、電解液にＨ2ＳＯ4水溶液（ｐＨ３）＋ＫＳＣＮ０．０１ｍｏｌ／Ｌを用い、電流密度５ｍＡ／ｃｍ2で４８時間チャージを行なった。尚、チャージ後の試料は、水素の離散を極力防止するため、測定まで液体窒素中に保管した。
採取した試料に対して飽和状態まで水素チャージを行ない、昇温分析によって水素放出曲線を得た。昇温速度は１２℃／秒とし、大気圧イオン化質量分析計にて水素の放出量を測定した。水素チャージ条件は、電解液にＨ2ＳＯ4水溶液（ｐＨ３）＋ＫＳＣＮ０．０１ｍｏｌ／Ｌを用い、電流密度５ｍＡ／ｃｍ2で４８時間チャージを行なった。尚、チャージ後の試料は、水素の離散を極力防止するため、測定まで液体窒素中に保管した。
得られた水素放出曲線に対して、水素が試料内に均一に分布しているものと近似し、試料形状を無限円柱と仮定して、拡散係数数をパラメータとして数値計算で得られる水素放出曲線でフィッティングすることによって水素拡散係数Ｄを求めた。尚、無限円柱近似を有効にするため、試料長は直径の５倍以上とした。またこのとき、フィッティングに使用する水素の放出ピークは、ピーク温度２００℃以上のピークを使用した。２００℃以下に現れる低温のピークは拡散性水素と呼ばれ、室温での拡散でも放出されるなど、外乱の影響が考えられるため、拡散係数の評価には用いなかった。こうして得た温度と、拡散係数の相関曲線から、３００℃における拡散係数を水素拡散係数Ｄとして求めた。
（捻回特性の評価）
捻回特性は、捻回試験を行ない、破断までに要した捻回値（破断捻回数）を求めた。下記表５中の捻回値は、Ｎ＝５本の平均値である。このとき、捻り速度は５２回／分、張力は５００ｇｆ（４．９Ｎ）とした。尚、捻回値は、チャック間距離（試験線長）を、線径ｄの１００倍（１００ｄ）に換算して規格化した。また、破面観察によって正常破面と縦割れを判別し、５本中１本でも縦割れしたものは、後記表５において「縦割れあり」と記載した。
捻回特性は、捻回試験を行ない、破断までに要した捻回値（破断捻回数）を求めた。下記表５中の捻回値は、Ｎ＝５本の平均値である。このとき、捻り速度は５２回／分、張力は５００ｇｆ（４．９Ｎ）とした。尚、捻回値は、チャック間距離（試験線長）を、線径ｄの１００倍（１００ｄ）に換算して規格化した。また、破面観察によって正常破面と縦割れを判別し、５本中１本でも縦割れしたものは、後記表５において「縦割れあり」と記載した。
（疲労特性の評価）
疲労特性は、４点支持となる治具によって、繰り返し４点曲げ疲労試験を実施して評価した（図１：支持点を○で示す）。試験は片曲げで行ない、最大応力と最小応力の差を応力振幅と定義した。種々の応力振幅で１０万回の繰り返し曲げを行ない、Ｎ＝３本の試験で全て破断（断線）しなかったものを合格、１本でも破断したものは不合格と判定した。
合格と判定した試料における最大の応力振幅を、疲労強度と定義した。尚、応力波形は正弦波、周波数は１０Ｈｚとした。
疲労特性は、４点支持となる治具によって、繰り返し４点曲げ疲労試験を実施して評価した（図１：支持点を○で示す）。試験は片曲げで行ない、最大応力と最小応力の差を応力振幅と定義した。種々の応力振幅で１０万回の繰り返し曲げを行ない、Ｎ＝３本の試験で全て破断（断線）しなかったものを合格、１本でも破断したものは不合格と判定した。
合格と判定した試料における最大の応力振幅を、疲労強度と定義した。尚、応力波形は正弦波、周波数は１０Ｈｚとした。
これらの結果を、下記表４、５に示す。尚、表４において、金属組織の項目において、「Ｐ」と示したものは、前述の如くパーライト組織が９５面積％以上であったこと、即ちパーライトが主相であることを示している。また、「Ｐ＋α」や「Ｐ＋θ」と示したものは、パーライト組織の他に、５面積％よりも多いフェライト（α）やセメンタイト（θ）が混合した組織となっており、パーライト組織が９５面積％未満であったことを示している。
これらの結果から、次のように考察できる。まず試験Ｎｏ．１〜３、９〜２０は、化学成分組成、金属組織（パーライトの面積率）、水素拡散係数Ｄがいずれも本発明で規定する範囲内にあるため、ＪＩＳ Ｇ ３５２２（１９９１） に記載されている「ピアノ線Ｂ種」を上回る引張強度（規格では、例えば線径が７．０ｍｍで１６２０〜１７７０ＭＰａ）を得た上で、引張強度の０．４５倍を超える疲労強度を達成する鋼線（ワイヤ）が得られている。
これに対し、試験Ｎｏ．４〜８、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。このうち試験Ｎｏ．４は、分塊圧延時の加熱温度が低かったため、粗大なＴｉＣが析出し、水素拡散係数Ｄが大きくなり、疲労強度が低下した。
試験Ｎｏ．５は、熱間圧延時の最終４パスの歪み速度が小さかったため、粗大なＴｉＣが析出し、水素拡散係数Ｄが大きくなり、疲労強度が低下した。試験Ｎｏ．６は、熱間圧延後の載置温度が低かったので、載置不良が起きて試料が得られなかった。
試験Ｎｏ．７は、熱間圧延後の載置温度が高く、また試験Ｎｏ．８は、圧延後の冷却速度が遅かったので、ＴｉＣが粗大化して水素拡散係数Ｄが大きくなり、疲労強度が低下した。
試験Ｎｏ．２１は、Ｃ量が少なかった例であり（鋼種Ｐ）、フェライトとパーライトの混相組織となり、引張強度や捻回特性が低く、疲労強度も低下した。試験Ｎｏ．２２は、Ｃ量が多かった例であり、多量の初析セメンタイトが析出したために伸線中に断線した。
試験Ｎｏ．２３は、Ｔｉ量が少なかった例であり（鋼種Ｒ）、ＴｉＣ量が少なく、水素拡散係数Ｄが大きくなって疲労強度が低下した。試験Ｎｏ．２４は、Ｔｉ量が多かった例であり（鋼種Ｓ）、多量のＴｉ系介在物が析出して伸線中に断線した。
試験Ｎｏ．２５は、Ｂ量が多かった例であり（鋼種Ｔ）、熱間圧延時に断線して試料が得られなかった。Ｎｏ．２６は、Ｂ量が少なかった例であり（鋼種Ｕ）、捻回特性と疲労強度が低下した。また水素拡散係数Ｄも大きくなっている。
Claims (6)
- 質量％で、
Ｃ ：０．７０〜１．３％、
Ｓｉ：０．１〜１．５％、
Ｍｎ：０．１〜１．５％、
Ｎ ：０．００１〜０．００６％、
Ａｌ：０．００１〜０．１０％、
Ｔｉ：０．０２〜０．２０％、
Ｂ ：０．０００５〜０．０１０％、
Ｐ ：０％以上、０．０３０％以下、
Ｓ ：０％以上、０．０３０％以下、
を夫々含有し、残部が鉄および不可避不純物であり、
パーライトを主相とし、３００℃における鋼中の水素拡散係数Ｄが下記（１）式を満足する鋼線用線材。
Ｄ≦２．５×１０-7（ｃｍ2／秒） …（１） - 更に、Ｃｒ：０％超、１．０％以下およびＶ：０％超、０．５％以下の少なくとも１種を含有する請求項１に記載の鋼線用線材。
- 更に、Ｎｉ：０％超、０．５％以下およびＮｂ：０％超、０．５％以下の少なくとも１種を含有する請求項１または２に記載の鋼線用線材。
- 更に、Ｃｏ：０％超、１．０％以下を含有する請求項１〜３のいずれかに記載の鋼線用線材。
- 更に、Ｍｏ：０％超、０．５％以下およびＣｕ：０％超、０．５％以下の少なくとも１種を含有する請求項１〜４のいずれかに記載の鋼線用線材。
- 請求項１〜５のいずれかに記載の鋼の化学成分組成からなり、３００℃における鋼中の水素拡散係数Ｄが下記（１）式を満足する鋼線。
Ｄ≦２．５×１０-7（ｃｍ2／秒） …（１）
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