JP2022056005A

JP2022056005A - 鋼線とその製造方法

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Publication number: JP2022056005A
Application number: JP2020163765A
Authority: JP
Inventors: 誠小坂; Makoto Kosaka; 照久宮▲崎▼; Teruhisa Miyazaki
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2040-09-29
Also published as: JP7513885B2

Abstract

【課題】高いヤング率の鋼線及びその製造方法を提案する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．４０～１．５０％、Ｓｉ：０．０２～２．５０％、Ｍｎ：０．１０～２．５０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不純物よりなり、金属組織はフェライトとセメンタイトとの層状組織が面積率で６０％以上占める鋼線であって、鋼線横断面の鋼線表面からＤ／４（Ｄ：線径）より深い中心部の任意の位置において、フェライトの＜１１１＞配向率が３５％以上であり、鋼線横断面の鋼線表面からＤ／８（Ｄ：線径）までの表層部の任意の位置において、結晶方位が鋼線半径方向に対してランダム方位であり、鋼線のヤング率が、２２０ＧＰａ以上である鋼線及びその製造方法である。【選択図】なし

Description

本発明は、鋼線及びその製造方法に関する。

従来、自動車のディーゼルエンジンでは、サイドに配置されたカムシャフトの動きを、プッシュロッドによりエンジン上方のロッカアームに伝えてバルブの開閉を行っている。そのため、プッシュロッドの撓みはできるだけすくないほうがよい。このプッシュロッドには、高ヤング率の鋼線が利用されている。

これらの鋼線を製造するための加工法として古くからもっぱらダイスによる伸線加工が用いられており、例えば、素材のパテンティング条件、ダイス角度、各段減面率、等の伸線の条件による調整が行われている。

特許文献１では、過共析鋼の成分調整をして、パテンティング処理時の初析セメンタイトの析出を抑えることで、共析鋼と同様のパーライト組織を形成し、デラミネーション発生限界が高められるとしている。
特許文献２では、高炭素鋼線材を冷間で圧延又はローラーダイス引抜きすることで、延性の劣化なしに超高張力鋼線が得られるとしている。

特公平２－１０２２０号公報特公平７－６５０９６号公報特開２０１６－１８３３５７号公報

本発明者らは、新たに検討を進め、特許文献３として、等方的なヤング率及び優れた加工性を有する鋼線及びその製造方法を提案した。そして、さらに、本発明者らが検討を重ねた結果、異なる技術的なアプローチによる、高ヤング率の鋼線及びその製造方法を見出した。
つまり、本発明の課題は、高いヤング率の鋼線及びその製造方法を提供することである。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その趣旨とするところは次の通りである。
＜１＞
質量％で、
Ｃ：０．４０～１．５０％、
Ｓｉ：０．０２～２．５０％、
Ｍｎ：０．１０～２．５０％、
Ｐ：０．０５％以下、および
Ｓ：０．０５％以下、
を含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなり、金属組織はフェライトとセメンタイトとの層状組織が面積率で６０％以上占める鋼線であって、
鋼線横断面の鋼線表面からＤ／４（Ｄ：線径）より深い中心部の任意の位置において、フェライトの＜１１１＞配向率が３５％以上であり、
鋼線横断面の鋼線表面からＤ／８（Ｄ：線径）までの表層部の任意の位置において、結晶方位が鋼線半径方向に対してランダム方位であり、
鋼線のヤング率が、２２０ＧＰａ以上である、
鋼線。
＜２＞
質量％で、
Ａｌ：０．１００％以下、
Ｃｒ：０．５０％以下、
Ｂ：０．００３０％以下、
Ｔｉ：０．０２０％以下、
Ｍｏ：０．０３０％以下、
Ｖ：０．５０％以下、
Ｃｕ：０．１０％以下、
Ｎｉ：０．１０％以下、および
Ｎｂ：０．１０％以下、
の１種又は２種以上を含有する＜１＞に記載の鋼線。
＜３＞
鋼線表面の周方向の中心線平均粗さ（Ｒａ）が、２０μｍ以下である＜１＞または＜２＞に記載の鋼線。
＜４＞
鋼線材を冷間伸長加工する工程であって、前記冷間伸長加工がロータリースエージング加工を含み、前記冷間伸長加工における鋼線材の全断面減少率の中の前記ロータリースエージング加工による鋼線材の断面減少率の占める割合が３０％以上で、かつ前記冷間伸長加工を前記ロータリースエージング加工で仕上げる工程を有する、
＜１＞～＜３＞のいずれか１項に記載の鋼線の製造方法。

本発明によれば、高いヤング率の鋼線及びその製造方法を提供できる。

実施例で使用するロータリースエージングダイスを示す概略図である。図１（Ａ）は、鋼線材の通材方向に平行な、ロータリースエージングダイスの平面図であり、図１（Ｂ）は、アプローチ部を示す図１（Ａ）のＢ－Ｂ断面図であり、図１（Ｃ）は、ベアリング部を示す図１（Ａ）のＣ－Ｃ断面図である。実施例で使用するロータリースエージングダイスにおけるアプローチ部及びベアリング部を示す断面図である。ロータリースエージング加工装置の一例を示す概略断面図である。ロータリースエージング加工中に、鋼線材の鋼線材横断面の形状が変化する様子を示す模式図である。

以下、本発明の一例である実施形態について説明する。
なお、本明細書において、「～」を用いて表される数値範囲は、特に指定しない限り、「～」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。よって、例えば、０．６５～１．５０％は０．６５％以上１．５０％以下の範囲を意味する。
成分組成における「％」は、特に断らない限り、質量％を意味するものとする。
成分組成の元素の含有量は、元素量（例えば、Ｃ量、Ｓｉ量等）と表記することがある。
「工程」との用語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。

本実施形態の鋼線は、所定の成分組成を有し、下記（１）～（４）の構成を有する。
（１）フェライトとセメンタイトとの層状組織が面積率で６０％以上占める。
（２）鋼線横断面の鋼線表面からＤ／４（Ｄ：線径）より深い中心部の任意の位置において、フェライトの〈１１１〉配向率が３５％以上である。
（３）鋼線横断面の鋼線表面からＤ／８（Ｄ：線径）までの表層部の任意の位置において、結晶方位が鋼線半径方向に対してランダム方位である。
（４）鋼線のヤング率が、２２０ＧＰａ以上である。

本実施形態の鋼線は、上記構成により、高いヤング率の鋼線となる。

ここで、自動車のディーゼルエンジンにおいて、サイドに配置されたカムシャフトの動きをエンジン上方のロッカアームに伝えてバルブの開閉するプッシュロッドは、ヤング率が高くなれば、その分撓みが少なくなる。そのため、高いヤング率を有する本実施形態の鋼線を適用するのが有効である。
また、プッシュロッドは、エンジンのシリンダの横に設置されるため高温環境下に曝されるかたちとなる。一方、本実施形態の鋼線は、発現した高ヤング率が再結晶しない限り低下しない。この点でも、本実施形態の鋼線を適用するのが有効である。

また、本実施形態の鋼線は、従来の鋼線よりも高いヤング率を有するため、ピアノ線として同じ張力でフレームに張られていたとしても、ヤング率の変化によって、従来のピアノ線とは「高次倍音」の成分が異なる。それにより、音色に根本的な変化がもたらされると推測される。

このように、本実施形態の鋼線は、高いヤング率を有するため、ディーゼルエンジン用プッシュロッド、ピアノ線（ミュージックワイヤ）などへの適用に有用である。

以下、本実施形態の鋼線について詳細に説明する。

まず、最初に、本実施形態の鋼線の成分組成について述べる。
本実施形態に係る鋼線は、次の（Ａ）又は（Ｂ）の鋼線が好ましい。
（Ａ）Ｃ：０．４０～１．５０％、Ｓｉ：０．０２～２．５０％、Ｍｎ：０．１０～２．５０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下を含む鋼線。
（Ｂ）Ｃ：０．４０～１．５０％、Ｓｉ：０．０２～２．５０％、Ｍｎ：０．１０～２．５０％、Ｐ：０．０５％以下、およびＳ：０．０５％以下と、Ａｌ：０．１００％以下、Ｃｒ：０．５０％以下、Ｂ：０．００３０％以下、Ｔｉ：０．０２０％以下、Ｍｏ：０．０３０％以下、Ｖ：０．５０％以下、Ｃｕ：０．１０％以下、Ｎｉ：０．１０％以下、およびＮｂ：０．１０％以下の１種又は２種以上と、を含む鋼線。

なお、本実施形態に係る鋼線は、（１）所定量で、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、およびＳを含み、残部がＦｅおよび不純物からなる鋼線、又は、（２）所定量で、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、およびＳと、Ａｌ、Ｃｒ、Ｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕ、Ｎｉ、およびＮｂ：０．１０％以下の１種又は２種以上とを含み、Ｆｅおよび不純物からなる鋼線であってもよい。
ただし、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕ、Ｎｉ、およびＮｂは、任意元素である。つまり、これら任意元素は、添加しなくてもよい。そして、これら任意元素の１種又は２種以上を含有させる場合、元素の含有量の上限値は、０％超え後述する範囲の上限値以下が好ましく、後述する範囲がより好ましい。

Ｃ(炭素)：０．４０～１．５０％
Ｃは、０．４０％未満又は１．５０％を超えると、ロータリースエージング加工による塑性流動の調整効果が発揮されず、高ヤング率の源である高いフェライトの＜１１１＞配向率を得ることができず、鋼線全体としてのヤング率も高められないため、除外する。よって、Ｃ量は、０．４０～１．５０％の範囲に制限する。Ｃ量は、より好ましくは０．６５～１．１０％、さらに好ましくは０．７０～０．９５％である。

Ｓｉ（珪素）：０．０２～２．５０％
Ｓｉは、パーライト中のフェライトを強化させ、鋼の脱酸に有効な元素である。また、パーライト変態時に整ったラメラ構造を形成させる効果がある。しかしながら、Ｓｉ量が０．０２％未満では上記の効果が期待できず、Ｓｉ量が２．５０％を越えるとその効果が飽和する。よって、Ｓｉ量を０．０２～２．５０％の範囲に制限することが好ましい。Ｓｉ量は、より好ましくは０．０５～２．００％、さらに好ましくは０．１０～１．２０％、もっとも好ましくは０．２０～０．５０％である。

Ｍｎ（マンガン）：０．１０～２．５０％
Ｍｎは、脱酸、脱硫のために必要であるばかりでなく、鋼の焼入性を向上させ、熱処理後の鋼線の引張強度を高めるために有効な元素である。しかしながら、Ｍｎ量が０．１０％未満では上記の効果が得られない。一方、Ｍｎ量が２．５０％を超えるとＭｎ偏析が生じ易く、鋼材の加工性が劣化し、伸長加工中の破断原因となるだけでなく、延性を劣化させてしまう。このため、Ｍｎ量を０．１０～２．５０％の範囲に限定することが好ましい。Ｍｎ量は、より好ましくは０．２０～２．００％、さらに好ましくは０．３０～１．４０％、もっとも好ましくは０．５０～１．２０％である。

Ｐ：０．０５％以下
Ｐは、鋼中に偏析しやすい元素であり、フェライト中にＰが濃化して鋼を脆化させるので、０．０５％以下とすることが好ましい。
なお、Ｐ量の下限は、０％がよいが（つまり含まないことがよいが）、脱Ｐコストを低減する観点から、０％超え（又は０．０００１％以上）であることがよい。

Ｓ：０．０５％以下
Ｓは、多量に添加すると鋼中に多数のＭｎＳを形成し、鋼中に固溶状態で効果を発揮する上記Ｍｎの濃度を低下させることにより、その効果を阻害することから、０．０５％以下とすることが好ましい。
なお、Ｓ量の下限は、０％がよいが（つまり含まないことがよいが）、脱Ｓコストを低減する観点から、０％超え（又は０．０００１％以上）であることがよい。

Ａｌ（アルミニウム）：０．１００％以下
Ａｌは、フェライト素地を微細強化する効果がある。０．１０％を超えて過剰に含有すると、鋼を逆に脆化させる可能性が高くなる。従って、適切なＡｌの含有量は０．１０以下とすることが好ましい。Ａｌ量は、より好ましくは０．０１５％～０．０４０％、さらに好ましくは０．０２０％～０．０３０％である。

Ｃｒ（クロム）：０．５０％以下
Ｃｒは、変態温度を低下させることにより、パーライトラメラ間隔を微細化させる効果のある元素である。Ｃｒ量が０．５０％超えでは鋼線の延性を劣化させる可能性がある。したがって、Ｃｒ量は０．５０％以下が好ましい。Ｃｒ量は、より好ましくは０．０２～０．５０％、さらに好ましくは０．２０％～０．３０％である。

Ｂ（ホウ素）：０．００３０％以下
Ｂは、適量の微量添加で結晶粒界の強度を強化するもので、ロータリースエージング加工による高ヤング率形成に有効な結晶方位を鋼線伸長方向に配向させるために有利な塑性流動を促進する効果がある。Ｂ量が０．００３０％超では逆に粒界の結合を阻害し、欠陥の発生を助長するする要因にもなり易い。したがって、Ｂ量は、０．００３０％以下が好ましい。Ｂ量は、より好ましくは０．０００５～０．００３０％、さらに好ましくは０．００１０～０．００２０％、もっとも好ましくは０．００１５～０．００１８％である。

Ｔｉ（チタン）：０．０２０％以下
フェライト素地中にＮ（窒素）が多く固溶していると、ひずみ時効を発現し、高ヤング率を発現するための塑性流動を阻害する。Ｔｉはこれを軽減するもので、鋼線中でＴｉＮを形成して塑性流動の阻害を緩和する効果がある。Ｔｉ量が０．０２０％超では鋼線中に粗大なＴｉＮを形成し易く、材質に悪影響を及ぼすおそれがある。したがって、Ｔｉ量は、０．０２０％以下が好ましい。Ｔｉ量は、より好ましくは０．００１～０．０２０％、さらに好ましくは０．００２～０．０１０％である。

Ｍｏ（モリブデン）：０．０３０％以下
Ｍｏは、適量の微量添加で、上述のＢの粒界強化を促進する効果があるとされている。Ｍｏ量が０．０３０％超では粗大な炭窒化物として析出し、材質に悪影響を与える傾向にある。したがって、Ｍｏ量は０．０３０％以下が好ましい。Ｍｏ量は、より好ましくは０．００２～０．０３０％、さらに好ましくは０．００５～０．０２０％、もっとも好ましくは０．００８～０．０１５％である。

Ｖ（バナジウム）：０．５０％以下
Ｖは、フェライト素地の強度を上げる効果がある。Ｖ量が０．５０％を超えると、鋼線が脆化する可能性が高くなる。したがって、Ｖ量は、０．５０％以下が好ましい。Ｖ量は、より好ましくは０．０５～０．３０％、さらに好ましくは０．０７～０．１５％である。

Ｃｕ（銅）：０．１０％以下
Ｃｕは、フェライト素地に固溶してフェライト素地を強化する効果がある。Ｃｕ量が０．１０％を超えると、鋳片加熱時に粒界に濃化して脆化する可能性が高くなる。したがって、Ｃｕ量は、０．１０％以下が好ましい。Ｃｕ量は、より好ましくは０．０２～０．０８％、さらに好ましくは０．０３～０．０５％である。

Ｎｉ（ニッケル）：０．１０％以下
Ｎｉは、フェライト素地に固溶して強化する効果がある。Ｎｉ量が０．１０％を超えると、その効果が飽和する傾向がある。したがって、Ｎｉ量は、０．１０％以下が好ましい。Ｎｉ量は、より好ましくは０．０１～０．０８％、さらに好ましくは０．０３～０．０５％である。

Ｎｂ（ニオブ）：０．１０％以下
Ｎｂは、フェライト素地に微細な炭化物として析出し、フェライト素地を強化する効果がある。Ｎｂ量が０．１０％を超えると、鋼線を脆化させる可能性が高くなる。したがって、Ｎｂ量は、０．１０％以下が好ましい。Ｎｂ量は、より好ましくは０．０２～０．０７％、さらに好ましくは０．０３～０．０５％である。

なお、本実施形態に係る鋼線の化学組成は、残部がＦｅおよび不純物であることがよいが、不純物は、原材料に含まれる成分、または、製造の工程で混入する成分であって、意図的に含有させたものではない成分を指す。

次に、本実施形態に係る鋼線における組織について説明する。
本実施形態に係る鋼線は、フェライトとセメンタイトとの層状組織が面積率で６０％以上占める組織を有する。
フェライトとセメンタイトとの層状組織とは、フェライトとセメンタイトとが層状に交互に繰り返し重なったパーライト組織であり、ラメラ構造が崩れた疑似パーライトは非パーライト組織として取り扱う。

フェライトとセメンタイトとの層状組織は、鋼線の高ヤング率化に寄与する。そのため、フェライトとセメンタイトとの層状組織の面積率は、６０％とする。フェライトとセメンタイトとの層状組織は、好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％以上、さらに好ましくは９５％以上である。なお、理想的には１００％である。

フェライトとセメンタイトとの層状組織以外の残部組織（非パーライト組織）としては、疑似パーライト、マルテンサイト、ベイナイト、初析フェライト、初析セメンタイト等が挙げられる。

フェライトとセメンタイトとの層状組織の面積率は、次の通りである。
鋼線から、鋼線横断面（つまり、鋼線長手方向に垂直な断面）を有する試料を採取する。
次に、試料の鋼線横断面を鏡面研磨した後、ピクラールで腐食する。腐食した鋼線横断面における、鋼線表面からＤ／４（Ｄ：線径＝鋼線直径）より深い中心部の任意の５個所を、電界放射型走査型電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）を用いて倍率２０００倍で観察し、写真撮影する。１視野あたりの面積は、２．７×１０^－３ｍｍ^２（縦０．０４５ｍｍ、横０．０６０ｍｍ）とする。

次に、撮影された各写真について、セメンタイトとフェライトとの層状組織と判断される、パーライト組織に相当する部分を塗り潰し、画像解析によって塗り潰し領域の面積値を測定して、１視野の面積に対する塗り潰し領域の面積率（パーライト面積率）を算出する。
得られた各測定値の算術平均値を「フェライトとセメンタイトとの層状組織の面積率」とする。

次に、本実施形態に係る鋼線における、結晶方位分布（つまり集合組織）について説明する。

本実施形態に係る鋼線は、鋼線横断面（つまり、鋼線長手方向に垂直な断面）の鋼線表面からＤ／４（Ｄ：線径＝鋼線直径）より深い中心部の任意の位置において、フェライトの＜１１１＞配向率が高く、＜１１１＞配向率が３５％以上である。

ここで、フェライトの＜１１１＞配向とは、フェライトの＜１１１＞方向が鋼線長手方向と１０°以内の角度をなすことを示す。そして、フェライトの＜１１１＞配向率とは、フェライトの結晶方位を測定した全測定点の中で＜１１１＞配向している割合を示す。以下、フェライトの＜１１１＞配向率は、単に＜１１１＞配向率と表す。

中心部の任意の位置における＜１１１＞配向率は、鋼線のヤング率向上に寄与する。＜１１１＞配向率が３５％未満である場合、鋼線のヤング率が２２０ＧＰａを下回る。よって、＜１１１＞配向率は３５％以上とする。＜１１１＞配向率は、好ましくは４０％以上、より好ましくは５０％以上である。さらに好ましくは６５％以上である。
ただし、鋼線が縦に割れやすくなるのを防止する観点から、＜１１１＞配向率は、例えば、９２％以下とする。

一方、鋼線横断面の鋼線表面からＤ／８（Ｄ：線径）までの表層部は、ヤング率の向上に寄与するものではない。よって、鋼線横断面の鋼線表面からＤ／８（Ｄ：線径）までの表層部の任意の位置において、結晶方位が鋼線半径方向に対してランダム方位である。

ここで、結晶方位が鋼線半径方向に対してランダム方位であるとは、フェライトの｛１１１｝集積度、｛１１０｝集積度、｛１００｝集積度、および｛１００｝集積度の４つの集積度の最大値が１．５以下であることを示す。
なお、「集積度」は、材料座標系上での結晶の方向および面の極点の分布の集中の度合いを示す指標で、完全にランダムな結晶方位分布を持つ材料の場合、最小値である１．０をとる指標である。

本実施形態に係る鋼線において、ヤング率向上の効果が得られる集合組織の一例を示すと、次の通りである。

なお、結晶方位の測定方法（ＥＢＳＤ法の詳細）は、次の通りである。
結晶方位は、日本電子社製走査形電子顕微鏡ＪＳＭ７１００Ｆのチャンバー内に設置した、ＴＳＬ社のＤｉｇｉｖｉｅｗ IV カメラ、ＥＢＳＤ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置と、それを制御するソフトウエアである、ＯＩＭ－ＤＣ（ＤａｔａＣｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）を使用して取得する。

ＥＢＳＤは、観察試料面上にステップ毎に電子プローブを照射して、回折図形を取得し、そのパターンを基に鉄立方晶の結晶方位を取得するものである。そして、これらをつなぎ合わせることにより、先ずはスキャン領域の結晶方位マップを取得する。マップ取得は、５０μｍ×５０μｍで０．３μｍの測定間隔で、解析点（ピクセル数）が３００００点となるように採取する。なお、マップを効率的に得るための走査形電子顕微鏡側の電子ビーム照射条件として、１５ｋＶ、照射電流として３．５×１０^－８Ａ、ワーキングディスタンスは１５ｍｍで行う。

取得された方位マップから、「鋼線横断面の鋼線表面からＤ／４（Ｄ：線径）より深い中心部の任意の位置」で、全点の方位をもとめ、そのなかで＜１１１＞配向を示す測定点が全測定点中何点を占めるか、という情報をＴＳＬ社ＯＩＭ－Ａｎａｌｙｓｉｓ（方位解析ソフトウエア）を用いてもとめる。それにより、＜１１１＞配向率を求める。
また、「鋼線横断面の鋼線表面からＤ／８（Ｄ：線径）までの表層部の任意の位置」で、フェライトの｛１１１｝集積度、｛１１０｝集積度、｛１００｝集積度、および｛１００｝集積度を測定し、結晶方位が鋼線半径方向に対してランダム方位か否かを判別する。
結晶方位の測定方法は、鋼線の長手方向両端部から長手方向に５０ｍｍ離れた個所から採取した３つの試料に対して実施する。
そして、＜１１１＞配向率は、得られた各測定値の算術平均値とする。
また、すべての測定個所で、鋼線横断面の鋼線表面からＤ／８（Ｄ：線径）までの表層部の任意の位置における「結晶方位が鋼線半径方向に対してランダム方位」である場合、当該位置における結晶方位が「鋼線半径方向に対してランダム方位」であると判断する。

なお、結晶方位の測定方法の詳細は、後述の実施例で説明する方法により測定する。

次に、本実施形態に係る鋼線のヤング率について説明する。
本実施形態に係る鋼線のヤング率が２２０ＧＰａを下回ると、例えば、鋼線を撚り合わせて集積した部材が横方向（つまり、鋼線の径方向）から力を受けて曲がった際に、元の形に復帰する能力（復元能力）が低下する。

特に、鋼線のヤング率が２２０ＧＰａ以上であると、後述する復元能力の評価法で、復元までに１．０ｓｅｃ以内となり、部材としての復元能力が低下し、鋼線をプッシュロッドに適用したバルブの開閉応答性等の向上が図られる。また、鋼線をピアノ線に適用した場合、従来のピアノ線に対する音色に根本的な変化が期待できるようになる。
そのため、鋼線のヤング率は２２０ＧＰａ以上であるとした。
ただし、鋼線の径方向の靭性確保の観点から、鋼線のヤング率は、例えば、２６０ＧＰａ以下とする。

なお、鋼線のヤング率は、後述の実施例で説明する方法により測定する。

次に、本実施形態に係る鋼線の粗度Ｒａについて説明する。
本実施形態に係る鋼線の鋼線表面の周方向の中心線平均粗さ（Ｒａ）（以下、本明細書内では「粗度Ｒａ」と呼称）は、２０μｍ以下が好ましい。
粗度Ｒａを２０μｍ以下にすると、鋼線をより合わせる、又は並列に束ねる際に、隣接する鋼線との間に擦過疵が生じる等して製造工程に支障をきたすことが抑制される。そのため、鋼線の粗度Ｒａは２０μｍ以下が好ましい。鋼線の粗度Ｒａは、より好ましくは１０μｍ以下である。
ただし、あまりにも平滑なものを作ろうとするとコストが上がってしまうため、鋼線の粗度Ｒａは、例えば、１μｍ以上とする。

なお、鋼線の粗度Ｒａは、後述の実施例で説明する方法により測定する。

次に、本実施形態に係る鋼線の製造方法の一例について説明する。
本実施形態に係る鋼線の製造方法は、例えば、上記本実施形態に係る鋼線の成分組成と同じ成分組成の鋼線材を冷間伸長加工する工程（以下、本明細書内では「伸長工程」と呼称）を有する。そして、伸長工程は、冷間伸長加工がロータリースエージング加工を含み、冷間伸長加工における鋼線材の全断面減少率の中のロータリースエージング加工による鋼線材の断面減少率の占める割合が３０％以上で、かつ冷間伸長加工をロータリースエージング加工で仕上げる工程とする。
なお、冷間伸長加工をロータリースエージング加工で仕上げるとは、冷間伸長加工の最終加工にロータリースエージング加工を実施することを意味する。

具体的な本実施形態に係る鋼線の製造方法は、次の通りである。
まず、鋼の成分組成を上述した成分組成に調整した鋼を鋼片とし、これを熱間圧延して熱間圧延線材とする。この熱間圧延線材は、公知の製造方法を用いることで得ることができる一般的なものである。
そして、この熱間圧延材を鋼線材として用いて、冷間で、伸線加工などの冷間加工により、鋼線材を長手方向に伸長させる塑性加工を施す。そして最終的仕上げの段階で必ずロータリースエージング加工による伸長加工を行うことが重要である。

ロータリースエージング加工は、アプローチ部とベアリング部を有するロータリースエージングダイスで、ワークである鋼線材を挟み込み、鋼線材の径方向にハンマーで打撃を加え、逐次周方向に打撃の位置を変えながら鋼線材を伸長加工するものである。

ここで、図３に、ロータリースエージング加工装置の一例を示す。
図３に示すロータリースエージング加工装置は、鋼線材Ａの径方向にスエージングダイスを介してハンマー２で打撃を与える機構を有する装置である。本装置としては、株式会社吉田記念社のロータリースエージングマシン（ＳＷ１５００）、Ｙｏｓｈｉｄａｋｉｎｅｎ（ヨシダキネン）社製ロータリースエージャー１５００型などが採用できる。

図３に示すロータリースエージング加工装置では、鋼線Ａをスエージングダイス１１で上下方向に引き抜き自在に挟接し、ハンマー１２を介してスエージングダイス１１をローラー１５で径方向に打撃することによって加工が行われる。
そして、スエージングダイス１１及びハンマー１２を挟持しているガイド１３は、ローラ－１５を保持する回転体１４の回転につれて、自然に矢印の方向に回転し、鋼線材Ａの周方向に回転しながら、スエージングダイス１１及びハンマー１２に対して鋼線材Ａの径方向に逐次押し込みを加える動作をなす。
それにより、スエージングダイス１１が回転しながら、鋼線材Ａに対してスエージング加工を実施する。

ロータリースエージング加工では、図４に示すように、鋼線材Ａは、鋼線材横断面の形状が、一旦、楕円形から円形、円形から楕円形、楕円形から円形に繰り返し変化しながら、加工が施される。なお、鋼線材Ａの横断面形状が楕円形につぶれる方向は加工の度合い従って変化する。

ここで、スエージングダイスは、例えば、片側約４°で長さが約１３ｍｍ程度のテーパー（半漏斗状）のついたアプローチ部と、それに続く長さ１３ｍｍ程度の半円筒状のベアリング部からなる溝（孔型）を有するＳＫＤ（工具鋼）製半割ダイス（図１～図２参照）を例示することができる。
なお、スエージングダイスのベアリング径は、入線する鋼線材の断面積に対して約２０％小さい断面積となる径のものを使用することができる。

例えば、スエージングダイスにより、鋼線材の径方向に１打撃あたり５００Ｎ・ｍ／ｓの力積で打撃を加えながら、鋼線を５ｍｍ／ｍｉｎの速度で引き抜く。これに対して、スエージングダイスの打撃方向は、周方向に２０回／分で回転しており、この引き抜き速度とスエージングダイスの周方向の回転の割合により、ロータリースエージングによって均一な線径を得ることが可能となる。このようにして、入線時の鋼線材の線径に対して約２０％断面積の小さい鋼線を得ることができる。

スエージングダイスの周方向への回転は、引き抜き速度に比例して変更することができる。例えば、鋼線を１０ｍｍ／ｍｉｎの速度で引き抜く際には、スエージングダイスの周方向への回転は４０回／分で回転させる等して変更することが可能である。

そして、上記と相似形の更に細い孔型を持つスエージングダイスに鋼線材を一段、又は複数段通過させることにより、任意の線径のスエージング材を得ることが可能である。スエージングダイスの段数自体に特に制約はない。また、２０％の断面減少率と異なる断面減少率で加工する場合は、入線する鋼線材の径と断面減少率に合わせて、スエージングダイスアプローチ部のテーパー角度を変更すればよい。好ましいロータリースエージング加工の１ダイス当りの断面減少率は、５～３５％の範囲内に分配されるようにするのがよい。各断の断面減少率が５％を下回ると、鋼線断面内に均一な加工を付与することができなくなり、３５％を超えると、発熱量が大きくなり、鋼線の温度が上昇し時効する等して鋼線を脆くする等して悪影響を与える可能性が高くなるからである。

最終仕上げ段階でのロータリースエージング加工は、全断面減少率に占めるロータリースエージング加工による鋼線材の断面減少率の割合が３０％以上となるように行う。ロータリースエージング加工が、冷間伸長加工における鋼線材の全断面減少率の３０％未満の場合、鋼線のヤング率が２２０ＧＰａを下回るため、除外する。
ただし、ロータリースエージング加工が、冷間伸長加工における鋼線材の全断面減少率の７５％を超える場合は、表面の鋼線周方向の凹凸が大きくなり、ＪＩＳＢ０６０１：２０１３に規定する粗度Ｒａ（中心線平均粗さＲａ）が２０μｍを超えることがある。過度にロータリースエージングを行うと粗度Ｒａが２０μｍを超えてしまう理由は、鋼線の表層部が加工限界となり、折れ込み等の疵を生成してしまうことがあるためである。
そのため、最終仕上げ段階でのロータリースエージング加工は、全断面減少率に占めるロータリースエージング加工による鋼線材の断面減少率の割合の上限は、７５％以下が好ましい。

最終加工にロータリースエージング加工を適用することで、結晶方位分布が特定方向に集積して、ヤング率が向上するメカニズムは、以下のようなものと推定している。ダイス伸線では、中心部で単調に引っ張りを受けるのみで、逐次ではなく一気に加工されるのに対し、ロータリースエージング加工は、前述したような、鋼線材の周方向に打撃方向を変えて、鋼線材の径方向に少量ずつ押し込むことによる逐次加工であることにより、鉄立方晶のすべり系の選択の自由度が大きいこと、又は、隣接するパーライトラメラが相互にずれる変形が促進されることが関与しているからであると推定される。
また、一般的な引き抜きダイスによる伸線とは異なり、ロータリースエージングによる加工は鋼線中心部に加工を集中させることができるため、本発明で提案しているように、中心部の塑性流動を主に変化させることから、鋼線表面からＤ／４（Ｄ：線径）より深い中心部の任意の位置において＜１１１＞配向率が高く、かつ鋼線横断面の鋼線表面からＤ／８（Ｄ：線径）までの表層部の任意の位置において、結晶方位が鋼線半径方向に対してランダム方位である組織を形成することになる。

以下に、本発明の一例である実施例を示す。但し、以下に記載の実施例は、具体的な例に沿って説明を行うものであり、本発明の請求項の内容を限定するものではない。

（実施例）
表２に示す鋼組成を有する鋼片（ビレット）を熱間圧延して得られた、φ５．５ｍｍの熱間圧延線材（鋼線材）を使用した。熱間圧延工程は、１２２ｍｍ角断面で１８ｍ長さのビレットを約１１００℃まで加熱してオーステナイト組織とし、仕上げ圧延速度にして８０ｍ／ｓｅｃとなるように圧延した。圧延後の組織が粗大化しないよう中間で水冷を行い、仕上げ圧延中の最高到達温度が１０５０℃程度となるように調整した。

次に、熱間圧延スケールをベンディング法等の物理的な方法、又は酸洗等による化学的な方法で除去した後、冷間伸長加工を実施した。
冷間伸長加工（冷間の伸線）は、次の通り実施した。ダイスアプローチアングル７°（半角）の単独ダイス又は複数のダイスを組み合わせで、始めに表２に記載の線径（表中、「加工前半のダイス仕上げ径」と表記）までダイスで引き抜き加工を行った。その後、最終段の伸長加工を線径がφ３．９ｍｍとなるようにロータリースエージング加工を行った。そして、表２に示すように、冷間伸長加工における鋼線材の全断面減少率に対するスエージング加工鋼線材の断面減少率の割合（表中「スエージング加工の占める割合」と表記）が３０～７５％の範囲になるように調整した。

実際の伸線加工は、単釜伸線機のダイスボックスに乾式潤滑材を供給し、熱間圧延線材の引き抜きを行った。引抜加工後のロータリースエージング加工は、Ｙｏｓｈｉｄａｋｉｎｅｎ（ヨシダキネン）社製ロータリースエージャー１５００型に、最初は手動で線材をアプローチ部に押し込み、ベアリング部から加工された線材の先端部が出てからはチャッキングして、５ｍ／ｍｉｎで引き抜きを行った。

具体的には、図１及び図２のような孔型形状のスエージングダイスを用い、鋼線材の周方向に少しずつ位置を変化させながら、回転ハンマーで鋼線材の径方向に塑性変形を付与し、引き抜くことにより、最終的に円形になるまで行った。５ｍ／ｍｉｎの引き抜き速度に対して適切なスエージングダイスの周方向の移動速度は２０回転/分である。１回あたりに鋼線横方向から付与する打撃力は５００Ｎ・ｍ／ｓの力積で行った。

ここで、図１及び図２に示すスエージングダイス１０１は、鋼線材の入口部の開口径９ｍｍで、片側約４°で長さが約１３ｍｍ程度のテーパー（半漏斗状）のついたアプローチ部１０１Ａと、それに続く、鋼線材の出口部の開口径７．５ｍｍで、長さ１３ｍｍ程度の半円筒状のベアリング部１０１Ｂからなる、溝（孔型）を有するＳＫＤ（工具鋼）製半割ダイスである（図１（Ａ）参照）。なお、図１及び図２は、半割ダイスの一方のダイスのみを示している。

鋼線材の通材方向に垂直な面の、アプローチ部１０１Ａの断面形状は、ダイス幅方向中央部に円弧形状の溝部１０２Ａと、ダイス幅方向両端部に直線状の平坦部１０３Ａと、を有している（図１（Ｂ）及び図２参照）。
ただし、鋼線材の通材方向に向かって、鋼線材の入口部１０１ＡＡの端から２ｍｍまでの長さの部分は、溝部１０２Ａの円弧形状の曲率半径が急激に小さくなり、ベアリング部１０１Ｂ側の１３ｍｍの長さの部分は、溝部１０２Ａの円弧形状の曲率半径が漸次小さくなっている（図１（Ａ）参照）。

鋼線材の通材方向に垂直な面の、ベアリング部１０１Ｂの断面形状は、図２に示すように、ダイス幅方向中央部に円弧形状の溝部１０２Ｂと、ダイス幅方向両端部に直線状の平坦部１０３Ｂと、を有している（図１（Ｃ）及び図２参照）。
ただし、鋼線材の通材方向に向かって、アプローチ部１０１Ａ側の１３ｍｍの長さの部分は、溝部１０２Ｂの円弧形状の曲率半径が略一定であり、鋼線材の出口部１０１ＢＢの端から２ｍｍまでの長さの部分は、溝部１０２Ｂの円弧形状の曲率半径が急激に大きくなっている（図１（Ａ）参照）。

使用したスエージングダイスの寸法（図１及び図２参照）は、次の通りである。
－アプローチ部１０１Ａ（図１（Ａ）のＢ－Ｂ断面図（図１（Ｂ）及び図２）－
・曲率半径Ｒ＝３．５ｍｍ
・セットバックＢ＝０．５ｍｍ
・半割ダイス間ギャップＧ＝１ｍｍ
－ベアリング部１０１Ｂ（図１（Ａ）のＣ－Ｃ断面図（図１（Ｃ）及び図２））－
・曲率半径Ｒ＝２．５ｍｍ
・セットバックＢ＝０．５ｍｍ
・半割ダイス間ギャップＧ＝１ｍｍ

図２において、溝部１０２Ａ（１０２Ｂ）の円弧と平坦部１０３Ａ（１０３Ｂ）の直線との遷移位置は、θが１０°の位置である。

なお、図１及び図２に示したスエージングダイスのベアリング部１０２Ｂは曲率半径Ｒを２．５ｍｍとしているが、Ｇ（ギャップ）が１ｍｍであり、さらにセットバックＢを０．５ｍｍとしているため、このスエージングダイスの天地で鋼線材をφ３．９ｍｍまで押し込むことができ、実施例で記載の鋼線を製造することが可能である。

（評価）
次に、得られた鋼線の評価方法について説明する。

－フェライトとセメンタイトとの層状組織の面積率－
得られた鋼線における「フェライトとセメンタイトとの層状組織の面積率」を既述の方法に従って測定した。

－＜１１１＞配向率－
得られた鋼線におけるフェライトの＜１１１＞配向率を次の通り測定した。
測定は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）と結晶方位解析装置（ＥＢＳＤ）を組み合わせて行った。また、評価する位置は、鋼線横断面（鋼線長手方向に垂直な断面）で、線径（鋼線直径）をＤとしたときの鋼線表面からの深さがＤ／４より深い任意の位置で行った。また、結晶方位の情報は、ＴＳＬ社のＯＩＭ－ＤＣ (ＤａｔａＣｏｌｌｅｃｔｉｏｎ) を使用して取得する。取得面積は上記の領域から５０μｍ×５０μｍで解析点（ピクセル数）が３００００点となるように採取した。

結晶方位解析は、以下の方法に従う。

湿式カッターで十分水を供給しながら、試験片への熱流を極力抑制して、得られた鋼線から観察用試験片を切り出した。試験片の観察面を段階的に目の細かいエメリーペーパーで湿式研磨し、ダイヤモンドペーストでラッピング（バフ研磨）し、最終的にコロイダルシリカ分散液で研磨した。その後、試験片の観察面側をアノード（陽極）、Ｐｔ板をカソード（陰極）として、硝酸、硫酸水素ナトリウム、界面活性剤、及び平滑剤を含有する水溶液中で、５分溶解する条件で電解研磨を行って観察面を鏡面に仕上げる。得られた試験片の観察・解析はＳＥＭで行う。

なお、上記と異なる観察用試験片の観察面作製方法で観察・評価を行い、大きく異なる評価結果が出てきたとすると、それは研磨した試料表面の加工影響層の除去が不十分で、本発明の方法で作り込んだ組織とは関係のない加工、研磨で生成したアーティファクト（人造物）を見ていることになるので、注意が必要である。

次に、日本電子ＦＥ－ＳＥＭ（ＪＥＯＬ－７１００Ｆ）等の汎用のＳＥＭを用いて、二次電子像観察を行う。結晶方位情報は同ＳＥＭ内に設置のＥＢＳＤ装置を用いる。ＥＢＳＤ測定は、ＴＳＬ社製Ｄｉｇｉｖｉｅｗ－IV ＣＣＤカメラで加速電圧１５ｋＶ、電子線入射方向に対して試料面を７０°傾斜させて、ＥＢＳＤパターンを取得する。パターン同定においては、付属のデータベース中からフェライト（立方晶）とセメンタイト（直方晶）を選択して、５０μｍ×５０μｍの領域で０．３μｍの測定間隔で採取する。

鋼線長手方向のフェライトの＜１１１＞配向については、ＴＳＬ社製のソフトウエアであるＯＩＭ－Ａｎａｌｙｓｉｓを用いて行う。ソフトウエア上、各測定点が＜１１１＞配向であるか、そうでないかは、閾値を設定することで判別できる。より具体的な解析項目としては、”ＣｒｙｓｔａｌＤｉｒｅｃｔｉｏｎ”の表示メニューで、結晶側にフェライトの＜１１１＞を指定し、材料側に鋼線長手方向、Ｔｏｌｅｒａｎｃｅ（許容差）として１０°を指定する。すると、全体のピクセル数（これは領域寸法とステップサイズによって自ずと決まる）に対して、＜１１１＞測定点に対応するピクセルの数が表示される。それにより全測定点数に対する＜１１１＞測定点の数の割合（つまり、＜１１１＞配向率）を算出することができる。
また、ＯＩＭ－Ａｎａｌｙｓｉｓ上でフェライトの｛１１１｝集積度、｛１１０｝集積度、｛１００｝集積度、｛１００｝集積度の極点図上をそれぞれ描画し、それらのマップ上での最大値をもとめ、「ランダム方位」の基準とした。４つの集積度の最大値が１．５以下であったとき、「ランダム方位」と判定した。

－ヤング率－
ＪＩＳＺ２２４１（２０１１）の引張試験に準拠し、引張試験の変位－荷重曲線において、直線的な関係を示す弾性変形領域の傾きから、得られた鋼線のヤング率を算出した。なお、鋼線のヤング率は、鋼線長手方向（伸長方向）のヤング率である。

－中心線平均粗さ（Ｒａ）－
ＪＩＳＢ０６０１（２０１３）に準拠し、評価長さＬｎ＝１０００μｍ、カットオフ値（触子径）＝２０μｍの条件で、得られた鋼線表面の周方向の中心線平均粗さ（Ｒａ）を測定した。
具体的には、鋼線表面の周方向に沿って、鋼線の長手方向に５ｍｍ以上離れた１０箇所の位置における周方向の粗さ曲線を取得し、鋼線表面の周方向の中心線平均粗さ（Ｒａ）を測定した。

鋼線を集積した部材としての復元能力を評価する方法について述べる。
まずは評価試験体の作成方法について述べる。はじめに鋼線直径３．９ｍｍ、長さ３ｍの鋼線の一端を約１００ｍｍの保持長さで下垂するように評価装置（剛体）の天井面に剛固定する。そして、下端に横方向に５０ｍｍの変位を与えて静かに離した際、何秒で振れの振幅が５ｍｍ以内に収まるかにより、復元能力を評価した。鋼線の振れが５ｍｍ以内に収まる時間が１．０ｓｅｃ以内である場合、本発明では十分なヤング率を有しており、復元力に優れた鋼線とみなし、合格判定した。

実施例１～３０は、本発明に規定の構成要件を全て満足しているため、請求項に規定する目的の組織が得られ、本発明で規定する高いヤング率の鋼線が得られる。それにより、構成される部材で高い復元能力が発現される例である。
それに対し、比較例１０１～１０２は、Ｃ含有量の上下限が外れているため、規定のフェライト＜１１１＞配向率を満足せず、復元力が低い例である。
比較例１０３～１０６は、全減面率に占めるスエージングの割合が低いため、鋼線の高ヤング率が発現せず、復元力が発揮されない例である。
実施例３１～３６は、本発明に規定の構成要件を全て満足しているため、請求項に規定する目的の組織が得られ、本発明で規定する高いヤング率の鋼線が得られる。それにより、構成される部材で高い復元能力が発現される例である。
ただし、実施例３１～３６は、スエージング加工の割合が高過ぎるために、疵の発生等による表面の凹凸を有し、本発明において、好ましい範囲として規定する粗度Ｒａの値を満足することが出来ず、製品としての部材の品質が、他の実施例に比べ低い例である。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．４０～１．５０％、
Ｓｉ：０．０２～２．５０％、
Ｍｎ：０．１０～２．５０％、
Ｐ：０．０５％以下、および
Ｓ：０．０５％以下、
を含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなり、金属組織はフェライトとセメンタイトとの層状組織が面積率で６０％以上占める鋼線であって、
鋼線横断面の鋼線表面からＤ／４（Ｄ：線径）より深い中心部の任意の位置において、フェライトの＜１１１＞配向率が３５％以上であり、
鋼線横断面の鋼線表面からＤ／８（Ｄ：線径）までの表層部の任意の位置において、結晶方位が鋼線半径方向に対してランダム方位であり、
鋼線のヤング率が、２２０ＧＰａ以上である、
鋼線。
質量％で、
Ａｌ：０．１００％以下、
Ｃｒ：０．５０％以下、
Ｂ：０．００３０％以下、
Ｔｉ：０．０２０％以下、
Ｍｏ：０．０３０％以下、
Ｖ：０．５０％以下、
Ｃｕ：０．１０％以下、
Ｎｉ：０．１０％以下、および
Ｎｂ：０．１０％以下、
の１種又は２種以上を含有する請求項１に記載の鋼線。
鋼線表面の周方向の中心線平均粗さ（Ｒａ）が、２０μｍ以下である請求項１または請求項２に記載の鋼線。
鋼線材を冷間伸長加工する工程であって、前記冷間伸長加工がロータリースエージング加工を含み、前記冷間伸長加工における鋼線材の全断面減少率の中の前記ロータリースエージング加工による鋼線材の断面減少率の占める割合が３０％以上で、かつ前記冷間伸長加工を前記ロータリースエージング加工で仕上げる工程を有する、
請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の鋼線の製造方法。