JP4319840B2 - 高強度、高靭性高炭素鋼線材とその製造方法 - Google Patents

高強度、高靭性高炭素鋼線材とその製造方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、PC鋼線、亜鉛めっき鋼撚線、ばね用鋼線、吊り橋用ケーブルなどとして使用される、ピアノ線材もしくは硬鋼線材に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
高炭素硬鋼線を製造するに当たっては、通常熱延線材にパテンティング処理と伸線加工を1回もしくは数回繰り返して所定の線径に仕上げて製造されるが、この高炭素硬鋼線は、所定の強度を確保すると共に、破断絞りなどによって評価される靭延性についても十分な性能を確保する必要がある。
【0003】
高炭素鋼線の高強度化には、鋼材成分中のC量を増大するのが最も経済的で且つ有効な手段であることが確認されている。しかし、C量の増加によって鋼材が過共析組成になると、圧延やパテンティング処理を行う際に、オーステナイト域から冷却する時にオーステナイト粒界に初析セメンタイトが網目状に析出する傾向があり、こうした傾向は、線材の中心部にCの中心偏析が存在する場合はより顕著に現れてくる。 さらに、焼入れ性が高い中心偏析部においてミクロマルテンサイトが生成する傾向がある。その結果、伸線加工中の断線頻度も高くなって生産性や歩留低下を招き、また伸線加工後の線材の靭延性も悪くなる。
【0004】
そこで、特許文献1では凝固初晶がγ−Feである溶鋼に1〜10μmの介在物を1〜500個/mm2 含有させることにより微細な凝固組織を有する鋳片を得、この鋳片をもとに高炭素硬鋼線を製造する方法を提案している。
【0005】
【特許文献1】
特開2002−129223号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情に着目してなされたものであって、その目的は、γ−Feと整合性の良い介在物を溶鋼中に存在させることによって、鋳片の凝固時の等軸晶率を向上させ、中心偏析を低減することによって、圧延後の線材中心部の初析セメンタイトの析出を制限し、それにより伸線加工時の断線を防止することを可能とする硬鋼線材を提供するものである。即ち、本発明者らは、上記特許文献1に開示された技術では依然として微細な凝固組織を得ることはできず、この目的のためには1μm以下の微細な介在物が有効であり、その数密度も500個/mm2以上必要であることを知見した。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は次の通りである。
【0008】
(1)質量%で、C:0.69〜0.86%、Si:0.15〜0.35%、Mn:0.30〜0.90%、P:0.30%以下、S:0.30%以下、Zr:10ppm以上、500ppm以下、N:0.003〜0.015%を基本成分とし、更に、Al:0.01〜0.2%、Ti:0.01〜0.2%、Cr:0.05〜1.0%、Ni:0.05〜1.0%、Co:0.05〜1.0%、W:0.05〜1.0%、V:0.05〜0.5%、Nb:0.01〜0.2%の1種又は2種以上を含有し、残部が鉄および不可避不純物の高炭素鋼線材であって、
該線材中に大きさが0.1〜10μmで、該線材組成成分におけるZrのモル分率が0.2以上、数密度が500〜3000個/mm である介在物を含有し、更に、該線材がパーライトを主体とする鋼組織を有し、かつ該線材中心から線材半径に対して20%未満の中心領域における初析セメンタイト面積率の平均値が5%以下、該線材C断面におけるミクロマルテンサイト粒のサイズ(最大長さ)が100μmであることを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材。
【0009】
(2)質量%で、C:0.70〜0.95%、Si:0.12〜0.32%、Mn:0.30〜0.90%、P:0.025%以下、S:0.025%以下、Cu:0.20%以下、Zr:10ppm以上、500ppm以下、N:0.003〜0.015%を基本成分とし、更に、Al:0.01〜0.2%、Ti:0.01〜0.2%、Cr:0.05〜1.0%、Ni:0.05〜1.0%、Co:0.05〜1.0%、W:0.05〜1.0%、V:0.05〜0.5%、Nb:0.01〜0.2%の1種又は2種以上を含有し、残部鉄および不可避不純物の高炭素鋼線材であって、
該線材中に大きさが0.1〜10μmで、該線材組成成分におけるZrのモル分率が0.2以上、数密度が500〜3000個/mm である介在物を含有し、更に、該線材がパーライトを主体とする鋼組織を有し、かつ該線材中心から線材半径に対して20%未満の中心領域における初析セメンタイト面積率の平均値が5%以下、該線材C断面におけるミクロマルテンサイト粒のサイズ(最大長さ)が100μmであることを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材。
【0010】
(1)または(2)記載の高炭素鋼線材の製造に際し、溶鋼をAl脱酸後にZrを添加して鋳片を得、この鋳片を熱間圧延後、直接パテンティング処理するか、或いは再度オーステナイト域の加熱後に直接パテンティング処理することを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材の製造方法。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明は、使用する硬鋼線材の化学成分を特定すると共に、線材に含有される介在物の化学組成、結晶構造、サイズ、数密度を特定することによって、鋳片の凝固時の等軸晶率を向上させ、中心偏析を低減することによって、圧延後の線材中心部の初析セメンタイトおよびミクロマルテンサイトの析出を制限し、それにより伸線加工時の断線を防止することを可能とする硬鋼線材を提供しようとするものである。
【0019】
これらの構成要件を定めた理由を詳細に説明する。先ず硬鋼線材の成分組成を定めた理由は下記の通りである。
【0020】
C、Si、Mn、P、S、Cuに関してはJIS G 3506、またはJIS G 3502に規定されたSWRH、SWRSの鋼種に準拠した。
【0021】
Zrは本発明において必須となる元素であり、溶鋼に添加されることによって、凝固時の初晶組織であるγ−Feと整合性の良い介在物であるZrO2 を形成するため、本発明に必須の元素であるが、10ppm未満では十分な数のZrO2 を得ることが出来ず、500ppm以上では粗大なZrO2 のクラスターを形成し、機械的性質劣化の原因となるため上限を500ppmと定めた。
【0022】
更に、本発明においては、上記成分以外に、N、Al、Ti、Cr、Ni、Co、W、VまたはNbの1種又は2種以上を添加することができる。以下に各成分の添加理由について説明する。
【0023】
Nは、鋼中でAlあるいはTiと窒化物を生成し、加熱時におけるオーステナイト粒度の粗大化を防止する作用があり、その効果は0.003%以上含有させることによって有効に発揮される。しかし、含有量が多くなり過ぎると、Al窒化物量が増大し過ぎて伸線性に悪影響が現れてくるだけでなく、固溶Nが伸線中の時効を促進する恐れが生じてくるので、上限を0.015%とする。
【0024】
Alは脱酸剤として、またオーステナイト粒度の粗大化防止のために有効な必要な元素である。しかし、過剰に含有させると、Al23の粗大なクラスターを生じて伸線性に悪影響を及ぼす様になるので、上限を0.05%と定めた。
【0025】
Tiは脱酸剤として、またオーステナイト粒度の粗大化防止のために有効な必要な元素である。しかし、過剰に含有させると、多量のTiNを生じて伸線性に悪影響を及ぼす様になるので、上限を0.2%と定めた。
【0026】
Crは、パーライトのラメラ間隔を微細化し、線材の強度と伸線加工性を高める作用があり、それらの効果は0.05%以上で有効に発揮される。しかし、1.0%を超えると、変態終了時間が長くなり過ぎて設備の大型化や生産性の低下を招くので、1.0%を上限とする。
【0027】
Niは、線材強度の上昇には余り寄与しないが、伸線材の靭性を高める作用があり、その効果はNiを0.05%以上含有させることによって有効に発揮される。しかし、Ni量が過剰になると、変態終了時間が長くなり過ぎて設備の大型化や生産性の低下を招くので、1.0%を上限とする。
【0028】
Coは、初析セメンタイトの析出を抑制するのに有効であり、その効果は0.05%以上含有させることによって有効に発揮される。しかし、その効果は約1.0%で飽和するので、それ以上の添加は経済的にメリットがない。
【0029】
Wも線材強度を高める作用を有しており、その効果は0.05%以上の含有で有効に発揮される。しかし、含有量が多くなり過ぎると、強度向上効果が飽和するばかりでなく、靭延性に悪影響を及ぼす様になるので、1.0%以下に抑えなければならない。
【0030】
VおよびNbは、鋼中で微細な炭窒化物を形成し、析出強化により強度向上に寄与すると共に、加熱時におけるオーステナイト粒の粗大化を防止する作用があり、それらの効果は、それぞれ上記下限値以上含有させることによって有効に発揮される。しかし、それぞれ上限値を超えて含有させると、炭窒化物量が増大し過ぎるばかりでなく、該炭窒化物の粒子径も大きくなって靭性を悪化させるので、0.05〜0.5%、0.01〜0.2%をそれぞれの添加量の範囲とした。
【0031】
本発明では、上記成分組成を満たす硬鋼線材を使用し、これを熱間圧延した後直接パテンティング処理し、あるいは再オーステナイト化した後でパテンティング処理することにより、主たる組織が微細パーライトよりなり、かつ図1に示すように線材の中心(p)からの長さ(r)が線材半径(d)の20%未満である中心領域(r<0.2d)における初析セメンタイト面積率の平均値が5%以下の鋼線を得るものである。
【0032】
即ち、上述したようにC量の多い過共析組成の鋼材では、パテンティング処理工程でオーステナイト域から冷却する際にオーステナイト粒界に沿って初析セメンタイトが網目状に析出し、この初析セメンタイトは鋼の焼入性を低下させて強度向上を阻害するばかりでなく、伸線加工性にも悪影響を及ぼす。ところが、本発明者らが種々研究を行ったところによると、伸線加工性に特に影響を及ぼすのは、該線材の中心部に析出した初析セメンタイトとミクロマルテンサイトである。初析セメンタイトに関しては、上述したように、r<0.2dの中心領域における初析セメンタイトの面積率の平均値を5%以下に抑えたものは、その後の伸線加工率を70〜90%の範囲に設定した場合でも断線などを生じることがなく、しかも焼入性の低下も最小限に抑えられることが確認された。またミクロマルテンサイトに関しては、C断面におけるミクロマルテンサイト粒のサイズ(最大長さ)が100μm以下であるものは、その後の伸線加工率を70〜90%の範囲に設定した場合でも断線などを生じることがなく、しかも焼入性の低下も最小限に抑えられることが確認された。
【0033】
このような初析セメンタイト面積率およびミクロマルテンサイト率を得るための手段として、溶鋼をAlを添加して脱酸を行った後にZrを添加してAl23をZrO2 に置換することによって、溶鋼中に、凝固時の初晶組織であるγ−Feの析出核となり得る、Zrを含有するような微細介在物を微細に分散させ、凝固時のγ−Feの等軸晶率を高め、中心部のMn,Cの偏析を抑制することができる。
【0034】
なお、介在物がγ−Feの析出核として機能するには、モル分率で0.2以上のZrを含有する必要がある。
【0035】
また、本発明に規定した条件については、図2に0.1〜10μmのZr含有介在物の数密度と初析セメンタイト面積率の関係、図3にZr添加量とミクロマルテンサイトサイズの関係、図4に0.1〜10μmのZr含有介在物の数密度とミクロマルテンサイトサイズの関係、図5にZr添加量と0.1〜10μmのZr含有介在物の数密度の関係を示した。
【0036】
【実施例】
次に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【0037】
表1に示す化学成分の硬鋼線材を使用し、連続鋳造後熱間圧延して直径11mmの鋼線とした後、種々の条件で直接パテンティング処理あるいは再加熱−パテンティング処理を施した。(鉛パテンティング条件:再加熱950℃×5分→恒温変態540℃×4分)。
【0038】
このパテンティング材の埋め込み研磨とドデシルスルホン酸を用いた化学腐食を実施し、SEM観察によって、中心(p)からの長さ(r)が線材半径(d)の20%未満である中心領域(r<0.2d)における初析セメンタイト率を決定した。また、埋め込み研磨とナイタール液を用いた化学腐食を実施し、SEM観察によって、C断面におけるミクロマルテンサイト粒のサイズを決定した。さらに、カーボンレプリカサンプルのTEM観察およびXEDS分析によって、介在物の数密度、サイズ分布、化学組成を分析した。今回評価に用いた鋼材の化学成分を表1に示す。これら鋼材の介在物データ、中心部の初析セメンタイト面積率、C断面内のミクロマルテンサイト率を表2に示す。ここで、介在物の数密度は、抽出カーボンレプリカサンプルのTEM観察にてカウントした。サンプル作製条件は、サンプル表面をダイヤモンド研磨を行い、スピードエッチ法で表層を5〜10μmエッチングさせ、露出した介在物を2段ステージカーボンレプリカ法で抽出した。これをTEMで観察し、カーボン膜の単位面積当たりの介在物数をカウントすることによって測定した。
【0039】
【表1】
Figure 0004319840
【0040】
【表2】
Figure 0004319840
【0041】
表1、2において、SからYは比較鋼である。U,W,XはZrを含有しているものの、添加量が10ppm以下と少なかったためZr含有介在物の数密度が小さい、あるいは介在物中のZr含有量が少ないことにより、十分な等軸度が得られなかったため、炭素の中心偏析を抑制できず、結果として粗大なミクロマルテンサイトあるいは初析セメンタイトの生成を抑制できなかったと考えられる。
【0042】
S,T,V,YはZrを含有していない鋼材であり、Zrを含有する介在物が存在せず、十分な等軸度が得られなかったと考えられる。
【0043】
【発明の効果】
本発明は、使用する鋼材の成分組成を特定し、Zrを含有し初晶γと整合性の良好な介在物を分散させることにより、凝固組織の等軸粒度を向上させ、中心偏析を抑制することによって、圧延線材の中心付近の初析セメンタイト平均面積率が5%以下およびC断面内のミクロマルテンサイトサイズが100μm以下の硬鋼線材あるいはピアノ線材を得ることができ、PC鋼線、亜鉛めっき鋼線、ばね用鋼線、吊り橋用ケーブル等としての性能を改善し得ることになった。
【図面の簡単な説明】
【図1】Zr添加量と初析セメンタイト面積率の関係を示すグラフである。
【図2】0.1〜10μmのZr含有介在物の数密度と初析セメンタイト面積率の関係を示すグラフである。
【図3】Zr添加量とミクロマルテンサイトサイズの関係を示すグラフである。
【図4】0.1〜10μmのZr含有介在物の数密度とミクロマルテンサイトサイズの関係を示すグラフである。
【図5】Zr添加量と0.1〜10μmのZr含有介在物の数密度の関係を示すグラフである。

Claims (3)

  1. 質量%で、C:0.69〜0.86%、Si:0.15〜0.35%、Mn:0.30〜0.90%、P:0.30%以下、S:0.30%以下、Zr:10ppm以上、500ppm以下、N:0.003〜0.015%を基本成分とし、更に、Al:0.01〜0.2%、Ti:0.01〜0.2%、Cr:0.05〜1.0%、Ni:0.05〜1.0%、Co:0.05〜1.0%、W:0.05〜1.0%、V:0.05〜0.5%、Nb:0.01〜0.2%の1種又は2種以上を含有し、残部が鉄および不可避不純物の高炭素鋼線材であって、
    該線材中に大きさが0.1〜10μmで、該線材組成成分におけるZrのモル分率が0.2以上、数密度が500〜3000個/mm である介在物を含有し、更に、該線材がパーライトを主体とする鋼組織を有し、かつ該線材中心から線材半径に対して20%未満の中心領域における初析セメンタイト面積率の平均値が5%以下、該線材C断面におけるミクロマルテンサイト粒のサイズ(最大長さ)が100μmであることを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材。
  2. 質量%で、C:0.70〜0.95%、Si:0.12〜0.32%、Mn:0.30〜0.90%、P:0.025%以下、S:0.025%以下、Cu:0.20%以下、Zr:10ppm以上、500ppm以下、N:0.003〜0.015%を基本成分とし、更に、Al:0.01〜0.2%、Ti:0.01〜0.2%、Cr:0.05〜1.0%、Ni:0.05〜1.0%、Co:0.05〜1.0%、W:0.05〜1.0%、V:0.05〜0.5%、Nb:0.01〜0.2%の1種又は2種以上を含有し、残部鉄および不可避不純物の高炭素鋼線材であって、
    該線材中に大きさが0.1〜10μmで、該線材組成成分におけるZrのモル分率が0.2以上、数密度が500〜3000個/mm である介在物を含有し、更に、該線材がパーライトを主体とする鋼組織を有し、かつ該線材中心から線材半径に対して20%未満の中心領域における初析セメンタイト面積率の平均値が5%以下、該線材C断面におけるミクロマルテンサイト粒のサイズ(最大長さ)が100μmであることを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材。
  3. 請求項1または2記載の高炭素鋼線材の製造に際し、溶鋼をAl脱酸後にZrを添加して鋳片を得、この鋳片を熱間圧延後、直接パテンティング処理するか、或いは再度オーステナイト域の加熱後に直接パテンティング処理することを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材の製造方法。
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