JP3539875B2

JP3539875B2 - 高耐熱鋼線およびその製造方法

Info

Publication number: JP3539875B2
Application number: JP24141498A
Authority: JP
Inventors: 望河部; 照幸村井; 浩司山口
Original assignee: Sumitomo SEI Steel Wire Corp
Current assignee: Sumitomo SEI Steel Wire Corp
Priority date: 1997-11-13
Filing date: 1998-08-27
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2018-08-27
Also published as: JPH11199981A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は耐熱性に優れた鋼線とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりパーライト鋼を伸線した鋼線（一般にピアノ線または硬鋼線：以下単にピアノ線という）は耐熱性が劣ることが知られている。通常のピアノ線はＳｉの含有量が０．１５〜０．３５wt％程度であり、このような含有量ではパーライトを構成するセメンタイトが高温で球状化してしまい、強度が低下する。そのため、高温環境で耐へたり性が要求される場合、焼入れ焼戻し鋼、例えばＳｉＣｒ鋼オイルテンパー線など（以下ＯＴ線という）が用いられていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＯＴ線は耐熱性に優れるがピアノ線に比べて高価であり、ピアノ線の耐熱性を向上できれば、その用途を大きく広げることができる。ピアノ線の耐熱性を向上させる手段としてはＳｉを添加することが知られている。例えば、耐熱性が要求される使用環境としては鋼線に溶融亜鉛メッキを施す（約４５０℃×３０秒）場合が挙げられ、その際の強度低下を抑制するためにＳｉを添加することが行われている。さらに、セメンタイトを微結晶化してナノオーダーの結晶とすると、強度と靱性に優れた鋼線が得られることが提案されている（特開平8-120407号）。
【０００４】
一方、異なる高温環境として自動車のエンジン周辺が挙げられる。特に弁ばね用鋼線としては２００℃程度までの耐へたり性が重要で、溶融亜鉛メッキにおけるような高温での耐へたり性は重要ではない。
【０００５】
従って、本発明の主目的は、２００℃前後においてＯＴ線と同レベルの耐熱性を具えるピアノ線とその製造方法とを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を解消するもので、その特徴は、Ｃ：０．７５〜１．０wt％，Ｓｉ：０．５〜１．５wt％を含み、パーライト組織を塑性加工した鋼線で、セメンタイトは幅が５〜２０ｎｍの大きさのものと幅が２０〜１００ｎｍの大きさのものとがほぼ交互に配列され、セメンタイトの厚さを５〜２０ｎｍとしたことにある。
【０００７】
この鋼線には、さらにＭｏおよびＶの少なくとも一方を添加し、これらの含有量の合計を０．０５〜０．２wt％としたり、Ａｌを０．０１〜０．０３wt％含有してもよい。
【０００８】
また、透過型電子顕微鏡写真において、フェライトとセメンタイトとの界面に半円状の歪みが観察されないことが好ましい。
【０００９】
さらに、セメンタイトにおける幅が２０〜１００ｎｍの大きさの粒子の厚さをＡ１、これと隣接する幅５〜２０ｎｍの大きさの粒子が前記２０〜１００ｎｍの大きさの粒子と接触している厚さ方向の長さをＡ２としたとき、
０．３＜Ａ２／Ａ１＜０．９５
であることが望ましい。
【００１０】
上記の鋼線を製造するのに最適な方法は、Ｃ：０．７５〜１．０wt％，Ｓｉ：０．５〜１．５wt％を含む材料に冷間で真歪が０．７以上の塑性加工を行い、この加工方法を伸線、圧延、ローラダイス伸線、スエージの１つ以上として、１回の加工での真歪を０．１〜０．２５の範囲とし、加工途中で鋼線の先端と後端とを入れ替えて加工を行い、この塑性加工後に２３０〜４５０℃の熱処理を施すことを特徴とする。上記冷間での塑性加工の際、その途中で鋼線の捻じれを鋼線１００mm当り１５°以内とするとより好ましい。
【００１１】
上記のように本発明を限定した理由を以下に述べる。
＜Ｃ：０．７５〜１．０wt％＞
０．７５％未満では鋼線の強度が低く、耐熱性も低くなる。逆に１％を越えるとＳｉの含有量を高めたときに塑性加工が困難になる。
【００１２】
＜Ｓｉ：０．５〜１．５wt％＞
０．５％未満では耐熱性が低く、１．５％を越えると塑性加工が困難になる。
【００１３】
＜セメンタイトの形態＞
セメンタイトの幅が５〜２０ｎｍの大きさのものと幅が２０〜１００ｎｍの大きさのものとがほぼ交互に配列され、セメンタイトの厚さが５〜２０ｎｍという範囲から外れると、２００℃程度までにおける耐熱性が低下する。
【００１４】
＜フェライトとセメンタイトとの界面の歪み＞
半円上の歪みが認められると耐熱性が著しく低下する。
【００１５】
＜隣接するセメンタイト同士の接触状態＞
セメンタイトの幅が２０〜１００ｎｍの大きさの粒子の厚さをＡ１、これと隣接する幅５〜２０ｎｍの大きさの粒子が前記２０〜１００ｎｍの大きさの粒子と接触している厚さ方向の長さをＡ２としたとき、０．３＜Ａ２／Ａ１＜０．９５の範囲から外れると耐熱性が低下する。
【００１６】
＜Ｍｏ，Ｖ：合計含有量が０．０５〜０．２wt％＞
この範囲を越えて添加すると、パーライト組織を得るのが困難になる。具体的には変態時間がかかり、生産性の低下が著しい。
【００１７】
＜Ａｌ：０．０１〜０．０３wt％＞
この範囲のＡｌの添加により靱性が向上する。
【００１８】
＜冷間での塑性加工＞
真歪が０．１〜０．２５の範囲を外れると靱性が低下する。また、途中で加工方向を逆転することにより靱性を一層向上させることができる。
【００１９】
＜加工途中での捻じれ＞
冷間での塑性加工を行う際、捻じれ量が１５°以内であれば、耐熱性の向上とセメンタイト形状の安定化を図ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
（試験例１）
表１に示す化学成分の材料に「圧延→パテンティング→伸線→熱処理（歪み取り焼鈍）」を施し、５mmφの鋼線を得た。この工程において、圧延における線材径は１２、３mmφ、パテンティング条件は加熱温度：９５０℃，変態温度：５６０℃、伸線における最終径は５mmφ、熱処理は３５０℃×２０分である。
【００２１】
【表１】

【００２２】
さらに、この伸線は真歪０．１〜０．２５の範囲とし、加工中の線材の捻じれは鋼線１００mm当り１０°以内で、７mmφまで伸線したところで伸線方向を入れ替えて加工を行った。
【００２３】
捻じれ量の測定は、例えば伸線ダイスの直前に取り付けられた捻じれセンサを用いる。この捻じれセンサは鋼線のねじれに合わせて回転する球状のコロを具え、コロの回転から走行線と直角方向の単位時間当りの変位を検出し、そこから鋼線１００mm当りの変位を求めてねじれ量を算出する。
【００２４】
そして、得られた鋼線について、１５０，２００，２５０℃の各々の温度で６００ＭＰａの応力を２４時間負荷し、へたり特性として残留せん断歪を求めた。なお、比較のため一般的なＯＴ線の評価も同様に行った。その結果を図１に示す。
【００２５】
グラフから明らかなように、実施例１は２５０℃までにおいてＯＴ線とほぼ同等の耐熱性を有していることがわかる。これに対してＳｉ量の少ない比較例１は残留せん断歪が大きく、高温における耐へたり性が劣っている。
【００２６】
（試験例２）
上記「実施例１」について、伸線および熱処理条件を試験例１の条件から外して行い、得られた鋼線（比較例２）と前記実施例１についてＴＥＭによる組織観察（倍率２０万倍）を行った。実施例１の組織写真を図２に、比較例２の組織写真を図３に示す。図において、幅の広い白っぽい層がフェライトで、幅の狭い黒っぽい層がセメンタイト層であり、各層が交互に並んでいる。ここで、比較例２には、主にフェライトとセメンタイトとの界面に円弧状の歪みが見られるが、実施例１にはこのような歪みがないことがわかる。また、実施例１におけるセメンタイト層の厚さは５〜２０ｎｍ程度であった。なお、ＴＥＭ観察用の試料は数百μｍの厚さにスライスして研磨した後、最終的に電解研磨して薄膜化したものを用いた。イオンスパッタリング残さの抽出などは組織の変化の心配があるため行わなかった。
【００２７】
次に、実施例１，比較例２，ＯＴ線の耐熱性を評価した結果を図４に示す。耐熱性は３００ＭＰａの捻じり応力を２４時間負荷したときの残留せん断歪を求めることで評価した。図４に示すように、実施例１はＯＴ線と同等の耐熱性を有しているのに対し、伸線条件が異なる比較例２は耐熱性が劣っている。
【００２８】
（試験例３）
さらに、前記実施例１のセメンタイトの形態を表す模式図を図５に、顕微鏡写真（倍率５００万倍）を図６に示す。図５に示すように、この鋼線はフェライト１とセメンタイト２が交互に積層された組織を持ち、このセメンタイト層の断面を拡大して示すと、楕円形の大きい粒子３と、ほぼ円形の小さい粒子４とがほぼ交互に配列されている。図６でも、上下層にフェライトがあり、その間に位置するセメンタイトは楕円形の粒子と円形の粒子がほぼ交互に並んで構成されていることがわかる。この写真では長さが約６０ｎｍと５０ｎｍの楕円形の組織の間に外径約１５ｎｍの円形の組織が観察された。また、「実施例１」について、伸線および熱処理条件を試験例１の条件から外した比較例３のセメンタイトの組織形態も同様に調べてみたが、１０〜５０ｎｍの大きさのセメンタイトがランダムに並んでおり、実施例１のような組織配列の規則性は見いだされなかった。
【００２９】
次に、実施例１，比較例３，OT線の耐熱性を評価した結果を図７に示す。耐熱性は700MPaの捻じり応力を24時間負荷したときの残留せん断歪を求めることで評価した。図７に示すように、実施例１はOT線と同等の耐熱性を有しているのに対し、伸線条件が異なる比較例３は耐熱性が劣っている。
【００３０】
（試験例４）
表２に示す化学成分の材料から試験例１と同様の工程により鋼線を得た。ただし、熱処理条件は４００℃×２０分とした。また、ここでの比較対象は試験例１における比較例１とした。得られた鋼線に２００℃で７００ＭＰａの捻じり応力を２４時間負荷したときの残留せん断応力を求めて耐熱性評価を行った。試験結果を図８に示す。このグラフに示すように、実施例１〜５はいずれも残留せん断歪が少なく、耐熱性に優れていることがわかる。特に、Ｖ，Ｍｏ，Ａｌを添加した実施例２〜５はこれらを添加しないものに比べてより耐熱性に優れている。
【００３１】
【表２】

【００３２】
前記実施例１〜５について、高分解能ＴＥＭにてセメンタイトの形態を確認したところ、いずれも厚さが５〜２０ｎｍで、幅５〜２０ｎｍと幅２０〜１００ｎｍのものがほぼ交互に並んでいることが確認された。ただし、幅５〜２０ｎｍのセメンタイト又は幅２０〜１００ｎｍのセメンタイトのいずれかが３個連続して配列されている場合も認められた。従って、同じサイズのセメンタイトが３個程度までなら連続して配列されていても耐熱性の改善効果が認められることがわかる。
【００３３】
ただし、鋼線として耐熱性に優れても靱性が劣っては実際の使用条件に耐えられない。また、靱性は生産性にとっても重要な要素である。この点、ＶやＭｏの添加は合計で０．１５wt％をこえると必要な靱性を得るのにパテンティングの時間が非常に長くなり、実生産には困難であった。また、Ａｌを添加すると耐熱特性を維持しながら靱性も維持できることがわかった。例えば、Ａｌの添加がないときには高速伸線すると靱性が低下してしまうが、Ａｌを添加すると伸線速度を５０％上げても伸線速度を上げない場合と同等の靱性を得ることができる。
【００３４】
（試験例５）
表３に示すように伸線条件を変えて試験例１と同様の工程により鋼線を得た。ただし、この場合の熱処理は３８０℃×２０分である。また、加工中の捻じれは試験例１と同様に鋼線１００mm当りの捻じれ量を示している。各方法により得られた鋼線の耐熱性を評価した。評価は２００℃で５００ＭＰａの捻じり応力を２４時間負荷して残留せん断歪を測定することで行った。また、比較としてＯＴ線(SWOSC) も同様に評価した。各方法による試料数を５とし、求められた残留せん断歪の平均とばらつきとを図９のグラフに示す。いずれの方法でも良好な結果が得られているが、方法１，５による試験材がばらつきが少なく、かつ結果が特に良好である。
【００３５】
【表３】

【００３６】
（試験例６）
表４に示す化学成分の材料に対し、試験例１と同様の工程で処理を行った。その結果、供試材14と24においては鋼線を製造する工程、特に鋳造後において歩留りが低く、実用的な生産に向いていないことが判明した。そのため、残りの供試材10〜13,21〜23 について耐熱性の評価を行った。評価は１９０℃で６００ＭＰａの捻じり応力を２４時間負荷して残留せん断歪を測定することで行った。比較のためＯＴ線(SWOSC) についても同様の評価を行った。その結果を図１０に示す。Ｓｉの含有量の少ない供試材21以外は好結果を示していることがわかる。
【００３７】
【表４】

【００３８】
（試験例７）
試験例６における供試材31を用いて試験例１と同様の工程で伸線条件を変えた処理を行って鋼線を得た。得られた鋼線のセメンタイトは、図５に示したように、楕円状の長い粒子とほぼ円形の短い粒子とがほぼ交互に配列した形態をしていたが、各粒子の長さは様々であったため、これら長さの相違と耐熱性との関係について分析した。図５における楕円状の長い粒子の長さをＢＬ，ほぼ円形の短い粒子の長さをＢＳとし、２００℃で７００ＭＰａの捻じり応力を２４時間負荷して残留せん断歪を測定することで、各粒子の長さと耐熱性との関係を調べた。その結果を図１１のグラフに示す。ここで、「良好」とは残留せん断歪がＯＴ線(SWOSC) 並の０．０６％以下であることとした。このグラフに見られるように概ね２０≦ＢＬ≦１００ｎｍ，５≦ＢＳ≦２０ｎｍの範囲が良好な結果であることがわかる。
【００３９】
ただし、２０≦ＢＬ≦１００ｎｍ，５≦ＢＳ≦２０ｎｍの範囲内であっても結果が「やや不良」のものも存在したため、さらに詳細にセメンタイト組織の分析を行った。分析は、図１２に示すように、セメンタイトの幅が２０〜１００ｎｍの大きさの粒子３の厚さをＡ１とし、隣接する小さいセメンタイト粒子４が接触する厚さ方向の長さＡ２としたときに、これらの比率がどのような関係にあるかで評価した。その結果、０．３＜Ａ２／Ａ１＜０．９５の場合に結果が「良好」で、それ以外の場合に結果が「やや不良」であることがわかった。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明鋼線によれば、ピアノ線であっても２００℃前後における耐熱性がＯＴ線に相当する線材を安価に得ることができ、自動車エンジンの弁ばねなどに利用することができる。また、本発明製造方法は、耐熱性に優れた本発明鋼線を製造するのに最適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】温度環境と残留せん断歪との関係を示すグラフである。
【図２】本発明鋼線の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図３】従来の鋼線の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図４】各実施例と比較例の残留せん断歪を示すグラフである。
【図５】本発明鋼線の金属組織を示す模式図である。
【図６】本発明鋼線の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図７】温度環境と残留せん断歪との関係を示すグラフである。
【図８】Ｖ，Ｍｏ，Ａｌの添加に伴う耐熱性の違いを示すグラフである。
【図９】伸線方法の異なる鋼線について耐熱性の評価を示すグラフである。
【図１０】化学成分の異なる材料について温度環境と残留せん断歪との関係を示すグラフである。
【図１１】セメンタイト組織の長さと耐熱性との関係を示すグラフである。
【図１２】セメンタイト組織の形態を示す模式図である。
【符号の説明】
１フェライト２セメンタイト３楕円形の大きい粒子
４ほぼ円形の小さい粒子

Claims

C:0.75〜1.0wt％，Si:0.5〜1.5wt％、 Mn ： 0.76 〜 0.83wt ％を含み、残部が Fe および不可避的不純物からなるパーライト組織を塑性加工した鋼線で、セメンタイトは幅が5〜20nmの大きさの第一粒子と幅が20〜100nmで第一粒子より大きい第二粒子とがほぼ交互に配列され、セメンタイトの厚さが5〜20nmであることを特徴とする高耐熱鋼線。
透過型電子顕微鏡写真において、フェライトとセメンタイトとの界面に半円状の歪みが観察されないことを特徴とする請求項１記載の高耐熱鋼線。
セメンタイトにおける幅が20〜100nmの大きさの第二粒子の厚さをA1、これと隣接する幅5〜20nmの大きさの第一粒子が前記20〜100nmの大きさの第二粒子と接触している厚さ方向の長さをA2としたとき、0.3＜A2／A1＜0.95であることを特徴とする請求項１記載の高耐熱鋼線。
MoおよびVの少なくとも一方を含み、これらの含有量が合計で0.05〜0.2wt％であることを特徴とする請求項１記載の高耐熱鋼線。
Alを0.01〜0.03wt％含有することを特徴とする請求項１記載の高耐熱鋼線。
C：0.75〜1.0wt％，Si：0.5〜1.5wt％、 Mn ： 0.76 〜 0.83wt ％を含み、残部が Fe および不可避的不純物からなる材料にパテンティングを行って、パテンティング後の材料に冷間で真歪が0.7以上の塑性加工を行い、この加工方法を伸線、圧延、ローラダイス伸線、スエージの１つ以上とし、１回の加工での真歪を0.1〜0.25の範囲として、加工途中で鋼線の先端と後端とを入れ替えて加工を行い、この塑性加工後に230〜450℃の熱処理を施して、セメンタイトの幅が 5 〜 20nm の大きさの第一粒子とセメンタイトの幅が 20 〜 100nm で第一粒子より大きい第二粒子とがほぼ交互に配列され、セメンタイトの厚さが 5 〜 20nm である鋼線を得ることを特徴とする高耐熱鋼線の製造方法。
冷間での塑性加工の際、その途中で鋼線の捻じれを鋼線100mm当り15°以内とすることを特徴とする請求項６記載の高耐熱鋼線の製造方法。