JP3318435B2 - 遅れ破壊しにくい鋼線 - Google Patents

遅れ破壊しにくい鋼線

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は遅れ破壊しにくいPC鋼
線、ボルト、バネ用線材等(以下「PC鋼線等」)に使
用される鋼線に関するものである。
【0002】
【従来の技術】PC鋼線等は主として腐食に起因する水
素脆化によって遅れ破壊を起こすことがある。従来、鋼
線の組織が焼き戻しマルテンサイトのものは遅れ破壊を
起こしやすいことが知られており、反対に冷間伸線加工
ままの鋼線は遅れ破壊を起こしにくいと考えられてはい
るが、冷間伸線加工ままの鋼線であっても実際には遅れ
破壊を起こすことがある。この原因はさまざまな観点か
ら検討されているが未だ有効な解決の指針は与えられて
いない。
【0003】焼き戻しマルテンサイト組織の好ましくな
いのはオーステナイト粒界等に粒界炭化物の析出や、
P,S等の粒界脆化元素が偏析しやすいことによると考
えられている。これに対して焼き戻し温度を高めて粒界
炭化物を粗大な形状にして無害化することや、P,S等
の不純物元素を低減することが行われている。また、冷
間伸線鋼線の場合の対策は鋼線そのものの耐食性を高め
ることが有効であるが、このためにはNi,Cr等の添
加量を数パーセント以上のオーダーとしなければならず
コストが高くなり過ぎて実用化できない用途が多い。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は従来のパーラ
イト組織や焼き戻されたマルテンサイト組織の鋼線の遅
れ破壊を画期的に改善したPC鋼線に関するものであ
る。冷間伸線した焼き戻し下部ベイナイト組織の鋼線は
従来のパーライト組織や焼き戻されたマルテンサイト組
織の鋼線に比べれば遅れ破壊を起こしにくいが、時とし
て酸化物系の介在物に起因とする遅れ破壊を起こすこと
がある。
【0005】本発明者はパーライト組織、焼き戻しマル
テンサイト組織等、従来のPC鋼線の冷間伸線したPC
鋼線等の遅れ破壊を防止するための方策を種々検討した
ところ、従来のパーライト鋼では冷間伸線されたパーラ
イト組織の鋼線で起こる遅れ破壊は鋼在中に存在してい
るアルミナ系の酸化物が起点となっていることを突き止
めた。この種の酸化物は冷間伸線加工中に塑性変形を伴
うことなく破砕され、この介在物との界面近傍の鋼マト
リックスの水素に対する感受性が高まり遅れ破壊が起こ
りやすくなる。一方パーライト組織の鋼は冷間伸線加工
を施すとセメンタイト層が脆性的に破断するので、フェ
ライトが塑性変形して破断したセメンタイト間の空隙を
充填していくのであるが、上記の酸化物系の介在物の周
辺では、このような空隙の充填が不完全となり、遅れ破
壊亀裂の伝播を助長しやすい。
【0006】本発明は冷間伸線加工によって塑性変形を
伴うことなく破砕され、鋼マトリックス中に分散して介
在するアルミナ系酸化物を生成させないようにするとと
もに、鋼マトリックス自体を冷間伸線加工における塑性
変形能の高い組織として遅れ破壊亀裂の伝播しにくい組
織とするとともに、PC鋼線等の用途において必要とさ
れる強度を有する新しい鋼線を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明は二つの技術要件から構成される。まず、ア
ルミナ系酸化物を除去あるいは形成させないことが必要
であるが、現在の製鋼法による限りは溶鋼中の溶存O量
は溶製終了時点で、通常、およそ20wtPPM より低くは
できない。この溶存Oは最終的に凝固するまでに溶鋼中
に溶存するAlやSiと結合してアルミナシリケートあ
るいは単にアルミナと呼ばれている延性の乏しい酸化物
となる。このような酸化物は冷間伸線によって破砕され
多角形状の介在物として鋼線マトリックス中に多数の酸
化物粒子として分散、鋼マトリックスとの界面を腐食に
よって侵入した水素に対して敏感な界面とし、水素脆化
しやすくする。ところがCaを適量添加すると上記のよ
うな酸化物ではなく、球状の形状であり冷間伸線しても
破砕されることなく、鋼マトリックスとの界面が水素の
アタックに対して鈍感な強靭な界面を形成することを見
い出したことが本発明の重要な構成要件の一つとなって
いる。
【0008】しかしながらアルミナ系酸化物をなくして
上記の球形の酸化物にするだけではなく、鋼の組織を冷
間伸線において塑性変形しやすいものにすると、鋼線の
冷間伸線後の遅れ破壊特性は飛躍的に向上するのであ
る。すなわち鋼マトリックス自体を塑性変形しやすいも
のにすることが本発明のもう一つの要件である。
【0009】PC鋼線等の用途に供される鋼は高炭素鋼
が普通であり、一般に冷間伸線における塑性変形能は高
くない。これは、これらの鋼の組織がパーライト組織で
あることに起因している。パーライト組織を構成するセ
メンタイト層は単体では塑性変形能のほとんどない、極
めて薄い層であるが、同様程度まで薄くなったフェライ
ト層と積層構造を作ることによって、あまり大きくない
冷間伸線の加工ならば塑性変形に耐えられるが、それで
あっても先に述べたようにミクロな空隙を残留させやす
くする。これはセメンタイト炭化物が層状に存在する限
り避けられないことであって、冷間伸線の塑性変形をさ
れても空隙が残らないようにするには炭化物の形態をで
きる限り微細で均一な分散状態にすることが必要であ
る。
【0010】公知のように鋼中で炭化物が最も微細かつ
均一に分散しているのはマルテンサイトであるが、マル
テンサイトは変態ままではフェライトが硬化し過ぎてお
り冷間伸線には耐えられない。マルテンサイトを焼き戻
せばフェライトは軟化して冷間伸線できるようになるが
炭化物が粗大化してしまうので、冷間伸線すると粗大化
した炭化物が割れミクロな空隙を残存させるようにな
る。これに対して下部ベイナイト組織の鋼は炭化物が通
常の焼き戻し温度では分解したり球状化することはな
く、本発明が目的とする炭化物形状として最も望まし
い。
【0011】そこで通常下部ベイナイトと呼ばれている
各種の組織の中で最も望ましい形態を実験的に追求して
得られた知見と、そのような鋼において、さきに述べた
ようにアルミナ系の酸化物を生成させないための条件を
種々検討して本発明を完成させた。すなわち、 (1)C :0.3wt%以上、1.2wt%以下、Si:
2wt%以下、Mn:1wt%以下、S :0.0025wt
%以下、O :0.0025wt%以下であり、Caをwt
%で下記(1)式で限定される範囲で含む、焼き戻され
た下部ベイナイト組織の素材を冷間伸線して得られる、
送れ破壊しにくい鋼線。
【数2】
【0012】(2)Cu:1wt%以下、Cr:1wt%以
下、Ni:1wt%以下、Ti:0.2wt%以下、Nb:
0.3wt%以下、V :0.3wt%以下、Mo:0.3
wt%以下、B :0.005wt%以下の一種あるいは二
種以上を複合して含有した(1)記載の鋼線。である。
【0013】本発明の成分の限定理由を説明する。まず
最も基本的な成分であるCについては、下部ベイナイト
変態において必要な炭化物量を得るためには少なくとも
0.3wt%以上が必要である。一方、1.2wt%を超え
ると炭化物量が多量に過ぎて冷間での伸線加工性を害す
る。Siについては下部ベイナイト変態完了を早め、併
せてフェライトを強化するために2wt%以下で添加する
ものである。Mn添加は熱間圧延後の急冷におけるパー
ライト/上部ベイナイトノーズを長時間側に押しとどめ
るので、とくに太径の線材の場合に重要な添加元素であ
るが、添加量が過多であると前工程の鋳造を困難にする
ため2wt%を上限値とした。
【0014】OとSおよびCaは本発明に該当する鋼の
組成においてアルミナ系の酸化物を抑制するための条件
である。本発明者はPC鋼線等に使われる、Cが0.3
wt%以上のアルミキルド鋼にCaを添加したときの溶鋼
中のCa,O,S濃度と生成する酸化物の組成との関係
詳細に検討した結果、酸化物の組成は(2)式で与えら
れる値によって決まることを見い出だした。
【数3】
【0015】すなわち、(2)式の値が0.5前後の値
をとるときアルミナ系介在物は存在しなくなり球状の形
状を有する12CaO・7Al2 3 だけになるのであ
る。しかるに(2)式によって与えられる値が1を超え
ると生成する12CaO・7Al2 3 が、たとえば1
00μm以上の径の球状となり冷間伸線によって破砕さ
れ、周囲の鋼マトリックスを水素に対して敏感になり遅
れ破壊の起点となりやすくなる。しかもこの傾向はO濃
度が0.0025wt%、S濃度が0.0025wt%を超
えると顕著になることを見い出した。したがってO濃度
の上限を0.0025wt%、S濃度の上限を0.002
5wt%とし、(2)式で与えられる値を0.5以上1以
下とした。
【0016】任意添加元素であるCuとNiは鋼線の耐
食性を高めるとともに、下部ベイナイト変態組織の緻密
化に寄与させる目的で、それぞれ、1wt%を上限値とし
て添加するものである。同じく任意添加元素であるC
r,Ti,Nb,V,Moはいずれも下部ベイナイトの
炭化物を安定化させることに寄与するので望ましい添加
元素であるが、同時にフェライトの加工硬化性を強める
ので過度の添加は冷間伸線性を困難にする。したがって
各元素の添加上限値をCr:1wt%、Ti:0.2wt
%、Nb:0.3wt%、V:0.3wt%およびMo:
0.3wt%とした。また、Bは下部ベイナイト組織を冷
間伸線したときに高度の集合組織化したフェライトと炭
化物相との界面を強化させる目的で上限値を0.005
wt%とする量以下で添加するものである。なお、冷間伸
線の方法は特別な制限をする必要はなく、従来当該の製
品分野で行われている冷間伸線をすればよい。
【0017】
【作用】本発明法の鋼線はアルミナ系介在物がないこと
と、焼き戻し下部ベイナイトの微細かつ均一な炭化物分
散形態とによって冷間伸線加工しても水素アタックに対
して感受性の低い鋼マトリックスを有する。その結果、
冷間伸線後の線材は高い引張強度を有するにもかかわら
ず遅れ破壊を起こしにくい。
【0018】
【実施例】本発明による硬鋼線材の特性値を以下に示
す。表1に示した成分の鋼は、本発明に規定するように
組織を焼き戻し下部ベイナイト組織として冷間伸線すれ
ば、表2に示すように遅れ破壊しにくい鋼線となるもの
である。鋼a,b,dは熱間圧延によって、それぞれ、
12mmφ,10mmφ,13mmφとしたのち、硝酸ナトリ
ウムと硝酸カリウムからなる溶融塩によって下部ベイナ
イト組織としたのち、引き続き焼き戻して焼き戻し下部
ベイナイト組織とし、冷間伸線していずれも5mmφの鋼
線とした。また、表1のcとeは熱間圧延によって15
mmφとしたのち、油焼き入れによって下部ベイナイト組
織として冷間伸線して、焼き戻して焼き戻し下部ベイナ
イト組織としたものを冷間伸線して、それぞれ、3.8
mmφと7mmφの鋼線とした。これらの鋼線は表2に示す
ように、いずれも勝れた耐遅れ破壊特性を示す。
【0019】これに対して以上に述べた5種類の鋼線
を、熱間圧延後に上記のような下部ベイナイト化とその
焼き戻しの処理を施さずに、一般に行われているように
空冷によってパーライトあるいはその一部に上部ベイナ
イト組織を含有する場合には、これを冷間伸線した鋼線
は、表2に示す通り遅れ破壊しやすい。
【0020】なお、表2に示したFIP試験はチオシア
ン酸アンモニウム溶液の中で腐食を加速させながら行わ
れる応力腐食試験法の一種であり、通常は仕様最低引張
強度の70%程度の負荷応力で、10本程度のサンプル
を用いて破断までの時間で遅れ破壊特性を評価するもの
である。判定の基準としては使用したサンプルの50%
が破断を起こす時間を持って判定する。
【0021】
【表1】
【0022】
【表2】
【0023】
【発明の効果】本発明法によって製造された鋼線は、冷
間伸線によって高い引張強度を有するにもかかわらず遅
れ破壊を起こしにくい。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 38/00 - 38/60

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】C :0.3wt%以上、1.2wt%以下、 Si:2wt%以下、 Mn:1wt%以下、 S :0.0025wt%以下、 O :0.0025wt%以下であり、Caをwt%で下記
    (1)式で限定される範囲で含む、焼き戻された下部ベ
    イナイト組織の素材を冷間伸線して得られる、遅れ破壊
    しにくい鋼線。 【数1】
  2. 【請求項2】Cu:1wt%以下、 Cr:1wt%以下、 Ni:1wt%以下、 Ti:0.2wt%以下、 Nb:0.3wt%以下、 V :0.3wt%以下、 Mo:0.3wt%以下、 B :0.005wt%以下の一種あるいは二種以上を複
    合して含有した請求項1記載の鋼線。
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