JP4646850B2 - 耐カッピー断線性に優れた高炭素鋼線材 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用タイヤの補強材であるスチールコードやビードワイヤー等の素材として用いられる高炭素鋼線材に関するものであり、殊に、カッピー断線が生じないような高炭素鋼線材に関するものである。

高炭素鋼線材は、熱間圧延によって製造され、所定の線径にまで伸線加工することによって、スチールコードやビードワイヤーの素材とされることになる。特に、スチールコードにおいては、伸線の途中でパテンティング処理を１〜２回程度施し、極細鋼線にまで伸線されるので、高い伸線加工性を有することが要求される。

近年、自動車生産台数の増加から、スチールコードやビードワイヤの生産性向上が要求されるようになっており、乾式伸線途中で行なう中間パテンティング工程を省略できる高炭素鋼線材の開発が進められている。しかしながら、こうした工程では、乾式伸線工程でダイレクトに高加工度まで引抜くため、線材長手方向にＶ字状に亀裂（シェブロンクラック）による断線（カッピー断線）がより発生しやすい状況になっている。

カッピー断線を防止するために、線材中の偏析を改善する技術が様々提案されている。こうした技術として、例えば特許文献１には、線材の横断面内の中心から半径の１／２の位置以内に存在するところの線材の平均組成の１．３倍を超えるＣやＭｎの偏析帯の最大値を、線材の直径の０．０１以下とすることによって、中心偏析に起因する加工性低下を防止した高炭素鋼線線材の製造方法が提案されている。また特許文献２には、縦断面内に、Ｃ濃度が平均炭素濃度の１．３倍以上となる偏析部分が存在する偏析帯が観察されるサンプルの総和を１３％以下とする技術について提案されている。

これらの技術は、ＣやＭｎ等の偏析を低減することによって伸線性を良好にして、カッピー断線等が発生しないようにしたものであるが、ＣやＭｎの偏析を防止しただけでは、カッピー断線の発生が効果的に低減されるとは限らず、これらの元素の偏析を十分に低減した場合であっても、上記の断線が発生することがある。

一方、線材中のＣ，Ｓｉ，Ｍｎ等の基本成分や不純物としてのＰやＳの拡散を図るために、熱間圧延工程とパテンティング工程の間で、不活性ガス内で所定の温度でソーキング処理を行う技術について開始されている（特許文献３）。

この技術では、結果的に元素を偏析の改善を図ったものであるが、伸線後の捻回特性を改善するためのものであって、伸線段階でカッピー断線の発生を防止するものではない。

こうしたことから、乾式伸線工程でダイレクトに高加工度まで引抜くような工程であっても、カッピー断線が発生しにくいような高炭素鋼線材の実現が望まれているのが実情である。
特許第２１３０６７２号公報 特許請求の範囲等 特許第３４２７７４０号公報 特許請求の範囲等 特開２０００−２９７３２３号公報 特許請求の範囲等

本発明はこの様な事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、乾式伸線途中で中間パテンティング処理を省略してもカッピー断線を発生することなく高加工度まで伸線できるような耐カッピー断線性に優れた高炭素鋼線材を提供することにある。

上記目的を達成することのできた本発明の高炭素鋼線材とは、Ｃ：０．７０〜０．９０％（質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：０．０５〜１．２０％、Ｍｎ：０．１０〜１．０％、Ａｌ：０．０５％以下（０％を含まない）を夫々含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、線材の横断面の中心から半径の１／２の位置以内に存在するＳｉ最大濃度［Ｓｉ_ｍａｘ］と、線材の平均のＳｉ濃度［Ｓｉ₀］が下記（１）式の関係を満足する点に要旨を有するものである。尚、本発明の「鋼線材」とは、熱間圧延後であって伸線加工前のものをいい、伸線加工により得られる「鋼線」とは区別される。
［Ｓｉ_ｍａｘ］／［Ｓｉ₀］≦２．０ …（１）

本発明の高炭素鋼線材には、必要によって更に他の元素として、（ａ）Ｃｕ：１％以下（０％を含まない）、（ｂ）Ｎｉ：１％（０％を含まない）、（ｃ）Ｃｒ：２％以下（０％を含まない）、（ｄ）Ｔｉ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．３％以下（０％を含まない）およびＢ：０．００２０％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上、等を含有させることも有効であり含有させる元素の種類に応じて鋼材の特性が更に改善されることになる。

また必要によって、不可避不純物中のＰ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ｏ：０．００３％以下（０％を含まない）およびＮ：０．００６％以下（０％を含まない）に夫々抑制することも有用である。

本発明によれば、鋼線材の化学成分組成を特定すると共に、線材の横断面の中心から半径の１／２の位置以内に存在するＳｉ最大濃度［Ｓｉ_ｍａｘ］と、線材の平均のＳｉ濃度［Ｓｉ₀］が所定の関係を満足する様にすることによって、耐カッピー断線が生じないような高炭素鋼線材が実現でき、こうした鋼線材はスチールコードやビードワイヤーの素材として極めて有用である。

本発明者らは、乾式伸線途中で中間パテンティング処理を省略してもカッピー断線を発生しないような高炭素鋼線材を実現するべく、様々な角度から検討した。その結果、これまで焼入れ性には影響を及ぼすが、偏析しにくいとされていたＳｉの偏析度合いが耐カッピー断線性と相関関係があるとの着想が得られた。

そして、本発明者らが、上記試験に基づいて更に検討を重ねたところ、線材の横断面の中心から半径の１／２の位置以内に存在するＳｉ最大濃度［Ｓｉ_ｍａｘ］と、線材の平均のＳｉ濃度［Ｓｉ₀］が下記（１）式の関係を満足するように制御されていれば、上記目的に適う高炭素鋼線材が実現できることを見出し、本発明を完成した。
［Ｓｉ_ｍａｘ］／［Ｓｉ₀］≦２．０ …（１）

本発明の高炭素鋼線材では、その化学成分組成も適切に制御する必要があるが、基本的な成分の範囲限定理由は下記の通りである。

［Ｃ：０．７０〜０．９０％］
Ｃは、強度の向上に有用な元素であり、Ｃ含有量が増加するにつれて伸線時の加工硬化量、伸線後の強度が増大することになる。本発明では、近年要求される高強度化に対応できるだけの強度を確保するべく、Ｃ含有量の下限を０．７０％とした。しかしながら、Ｃ含有量が過剰になると、Ｃによる中心偏析が発生し易くなって、圧延線材のオーステナイト粒界に初析セメンタイトが生成して伸線加工時に断線が発生し易くなり、しかも湿式伸線後における極細線の靭性や延性を著しく劣化させることになる。こうしたことから、Ｃ含有量は０．９０％以下とする必要がある。

［Ｓｉ：０．０５〜１．２０％］
Ｓｉは、脱酸作用と、固溶強化による強度向上作用に加え、焼入れ性を高める作用をも発揮する。これらの作用を発揮させるには、０．０５％以上含有させる必要がある。好ましくは０．１５％以上含有させるのが良い。但し、Ｓｉ含有量が過剰になると、フェライトを固溶強化し過ぎて加工性を阻害するので、１．２０％以下（好ましくは１．８０％以下）にするのが良い。

［Ｍｎ：０．１０〜１．０％］
Ｍｎは、Ｓｉと同様に、脱酸作用と固溶強化による強度向上作用を有する。これらの作用を有効に発揮させるには、０．１０％以上（好ましくは０．１５％以上）含有させる。一方、Ｍｎ含有量が過剰になると、フェライトを固溶強化し過ぎて加工性を阻害することになる。また、Ｍｎは偏析が生じ易い元素であり、含有量が多くなると偏析によって組織が不均一になり、伸線性が阻害されることになる。こうしたことから、Ｍｎ含有量は１．０％以下（好ましくは０．９０％以下）にするのが良い。

［Ａｌ：０．０５％以下（０％を含まない）］
Ａｌは、微量に含有させることによってＡｌＮを析出させ、圧延線材におけるパーライトのノジュールサイズをより微細に維持することができ、伸線加工性（耐カッピ断線性）を向上する上で有用な元素である。こうした効果は、その含有量が増加するにつれて増大するが、過剰に含有されると、ＡｌＮが析出しすぎて、却って伸線性が劣化するので、０．０５％以下とする。より好ましくは、０．０３％以下にするのが良い。

本発明で規定する含有元素は上記の通りであって、残部はＦｅおよび不可避不純物（Ｐ，Ｓ，Ｏ，Ｎ等）であるが、必要によって、下記元素を積極的に含有させて特性を一段と高めることも有効である。

［Ｃｕ：１％以下（０％を含まない）］
Ｃｕは、極細鋼線の耐食性を高めると共に、脱スケール時のスケール剥離性を向上させ、ダイスの焼付け等のトラブルを防止するのに有用な元素である。しかしながら、Ｃｕを過剰に含有させると、Ｓと反応して粒界中にＣｕＳを偏析させるので、線材製造過程で鋼塊や線材等に疵を発生させることになる。こうしたことから、Ｃｕを含有させるときには、その含有量が１％以下（より好ましくは０．２％以下）とすることが好ましい。

［Ｎｉ：１％以下（０％を含まない）］
Ｎｉは、線材の強度や延性にあまり寄与しないが、伸線材の靭性を高める効果を発揮する元素であるが、Ｎｉを過剰に含有させても上記効果は飽和するだけであるので、１％以下（より好ましくは０．９％以下）とすることが好ましい。尚、上記効果を発揮させるための好ましい下限は０．０２％程度である。

［Ｃｒ：２％以下（０％を含まない）］
Ｃｒは、パーライトのラメラ間隔を微細化し、線材の強度や伸線加工性を向上させるのに有効な元素である。しかしながら、Ｃｒ含有量が過剰になると、変態終了時間が長くなり、熱間圧延線材中にマルテンサイトやベイナイト等の過冷組織が生じる恐れがある他、脱スケール性（メカニカルデスケーリング性）が悪くなるので、２％以下とすることが好ましく、より好ましくは１．０％以下である。尚、上記効果を発揮させるための好ましい下限は０．０５％程度である。

［Ｔｉ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．３％以下（０％を含まない）およびＢ：０．００２０％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上］
これらの元素は、伸線加工性を向上するのに有用な元素である。このうちＴｉは、鋼中に固溶したＮと結合してＴｉＮとしてフリーＮを無くし、伸線加工性を向上させる。しかしながら、Ｔｉ含有量が０．１％を超えると、ＴｉＮが粗大となって、断線起点材となるので伸線加工性を却って劣化させることになる。

Ｎｂの添加は、オーステナイトの回復、再結晶、粒成長を抑制するのに有効であり、パーライト変態が促進されて引張強さの低下、ノジュールサイズの微細化を促進することによって伸線性が向上する。しかしながら、Ｎｂ含有量が０．１％を超えると、伸線加工性を却って劣化させることになる。

ＶもＮｂと同様に、オーステナイトの回復、再結晶、粒成長を抑制するのに有効であり、パーライト変態が促進されて引張強さの低下、ノジュールサイズの微細化を促進することによって伸線性が向上する。しかしながら、Ｖ含有量が０．３％を超えると、伸線加工性を却って劣化させることになる。

Ｂは、鋼中に固溶したＮと結合してＢＮを形成し、固溶Ｎを低減して伸線加工性を向上させる。しかしながら、Ｂ含有量が０．００２０％を超えると、粗大なＢＮが生成して伸線加工性を却って劣化させることになる。

本発明の高炭素鋼線材には、上記の成分の他、ＭｇやＣａ等を含有したものであっても良い。これらの元素は、介在物の形態を制御して熱間加工性を高める作用を発揮させるが、過剰に含有させてもその効果が飽和するので、いずれも５ｐｐｍまでとするのが良い。

本発明の高炭素鋼には、不可避的に不純物が含まれることになるが、この不可避不純物のうちＰ，Ｓ，Ｏ，Ｎ等については、下記のように抑制することが好ましい。また、製鋼原料としにスクラップを用いた場合には、これらの他にＳｂ，Ｓｎ，Ａｓ，Ｌａ等も不純物として混入してくるが、伸線性を良好にするという観点からこれらの元素はいずれも５ｐｐｍ以下に抑制されることが好ましい。

［Ｐ：０．０２％以下（０％を含まない）］
Ｐは、不可避的に混入する不純物元素であり、できるだけ低減することが好ましい。特に、フェライトを固溶強化して伸線性を低下させるので０．０２％以下に抑制することが好ましい。より好ましくは、０．０１５％以下とするのが良い。

［Ｓ：０．０２％以下（０％を含まない）］
Ｓも、不可避的に混入する不純物元素であり、ＭｎＳ系介在物を生成して伸線性を阻害するので、できるだけ低減することが好ましい。こうした観点から、Ｓ含有量は０．０２％以下に抑制することが好ましい。より好ましくは、０．０１５％以下とするのが良い。

［Ｏ：０．００３％以下（０％を含まない）］
Ｏは、酸化物系介在物を形成して伸線加工性を低下させる。特に、Ｏ含有量が０．００３％を超えると、酸化物系介在物が粗大化して伸線加工性が低下するので、Ｏ含有量は０．００３％以下に抑制することが好ましい。より好ましくは、０．００２％以下にするのが良い。

［Ｎ：０．００６％以下（０％を含まない）
Ｎも、不可避的に混入してくる不純物であり、フェライトに固溶して伸線時の発熱により時効させ、伸線性の低下への影響が大きいので、少なくとも０．００６％以下に抑制することが好ましい。より好ましくは０．００４％以下にするのが良い。

本発明の高炭素鋼線材では、上記のような化学成分組成を有すると共に、所定位置におけるＳｉ最大濃度［Ｓｉ_ｍａｘ］と、線材の平均のＳｉ濃度［Ｓｉ₀］が前記（１）式の関係を満足するように偏析が制御されているものであるが、次にこうした鋼線材を製造する条件に説明する。

高炭素鋼の基本的な製造手順としては、高炭素鋼を溶製後、鋳型内に注入し、鋳型表面からゆっくりと凝固させた鋳片を連続的に下方に引き抜き（連続鋳造）、鋳型から出た鋳片を、複数のロール対によって少なくとも鋳片厚み方向の両端面から挟み込んで支持しつつ、鋳片中心まで凝固を完了させ、鉄鋼半製品であるブルーム鋳片を製造し、その後分塊圧延によりビレットを作製し、これに必要に応じて加熱後、熱間圧延することになる。

本発明の高炭素鋼線材を製造するには、上記の手順において、鋳造時の鋳造速度を０．５０〜０．６５ｍ／ｍｉｎ、溶鋼が凝固する温度と溶鋼の温度差ΔＴを１０〜４５℃、連続鋳造機を鋳片が通過する間にかける水の量（鋼材１ｋｇ当りの水量：比水量）：０．２５〜０．６５Ｌ（リットル）／ｋｇの範囲に制御すると共に、隣接するロールの面間距離をそのロール間距離（鋳片厚み方向の両端面距離）で割った値（各ロール面間勾配）が、鋳型内メニスカスからの距離に応じて下記表１のように制御されていることが重要である。

上記製造条件の範囲の設定理由は下記の通りである。これらの範囲を外れると、下記の理由によって、最終的に高炭素鋼線材のおける伸線加工性が劣化してカッピー断線が発生することになる。

［鋳造時の鋳造速度：０．５０〜０．６５ｍ／ｍｉｎ］
鋳造時の鋳造速度が０．５０ｍ／ｍｉｎ未満では、鋳片中心部がＶ字状偏析となり、０．６５ｍ／ｍｉｎを超えると鋳片中心部が逆Ｖ字状偏析となる。

［溶鋼が凝固する温度と溶鋼の温度差ΔＴ：１０〜４５℃］
この温度差ΔＴが１０℃未満では、Ｖ字状偏析となり、４５℃を超えると逆Ｖ字状偏析となる。

［比水量：０．２５〜０．６５Ｌ（リットル）／ｋｇ］
比水量が０．２５Ｌ未満では鋳片の内部割れが発生し、０．６５Ｌを越えると鋳片の表面割れが発生する。

［（Ａ）の領域：各ロール面間勾配０〜５．０ｍｍ／ｍ］
（Ａ）の領域においては、各ロール面間勾配が５．０ｍｍ／ｍを超えると逆Ｖ字状偏析となる。

［（Ｂ）の領域：各ロール面間勾配２．０〜３．０ｍｍ／ｍ］
（Ｂ）の領域においては、各ロール面間勾配が２．０ｍｍ／ｍ未満では、Ｖ字状偏析となり、３．０ｍｍ／ｍを超えると逆Ｖ字状偏析となる。

［（Ｃ）の領域：各ロール面間勾配０．６〜２．６ｍｍ／ｍ］
（Ｃ）の領域においては、各ロール面間勾配が０．６ｍｍ／ｍ未満では、Ｖ字状偏析となり、２．６ｍｍ／ｍを超えると逆Ｖ字状偏析となる。

［（Ｄ）の領域：各ロール面間勾配０．５〜１．５ｍｍ／ｍ］
（Ｄ）の領域においては、各ロール面間勾配が０．５ｍｍ／ｍ未満では、Ｖ字状偏析態となり、１．５ｍｍ／ｍを超えると逆Ｖ字状偏析となる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・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２に示す化学成分組成に調整した各溶鋼を転炉で溶製し、鋳型内に注入し、鋳型表面からゆっくりと凝固させた鋳片を連続的に下方に引き抜き、鋳型から出た鋳片を、複数のロール対によって少なくとも鋳片厚み方向の両端面から挟み込んで支持しつつ、鋳片中心まで凝固を完了させ、鉄鋼半製品であるブルーム鋳片（断面形状６００ｍｍ×３８０ｍｍ）を、鋳造速度、温度差ΔＴ、比水量を変化させつつ製造した。

得られたブルーム鋳片を、３時間加熱した後、分塊圧延によって断面形状が１５５ｍｍ×１５５ｍｍのビレットを作製した。これを必要に応じて、１１５０℃に加熱した後、熱間圧延を行なって直径：５．５ｍｍまたは５．０ｍｍの線材を得た。巻き取った線材をステルモア冷却装置にかけ、ステルモアコンベア上での冷却速度を調整すると共に、圧延速度およびステルモアコンベアの搬送速度を調整して線材を冷却した後、一束２ｔ（トン）のコイルを圧延した。

次いで、直径：５．５ｍｍの線材について、その端部を廃却した後、最底部から１００リング目を１０００ｍｍ程度採取し、横断面をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ−Ａｎａｌｙｓｉｓ：電子線マイクロアナリシス）を用いて元素の濃化度を調査した。このときのＥＰＭＡ測定条件は、加速電圧：１５ｅＶ、照射電流：０．５μＡ、積分時間：３０ｍｓｅｃ，ビーム径：１０μｍとした。また、測定方法は、サンプルステージをＸ−Ｙ方向でスキャンするステージスキャンを用い、電子線を照射して発生したＸ線（Ｋα線）を取り込んで、成分濃度化を測定し、平均組成に対する測定成分濃度の最大値を、Ｃ、ＳｉおよびＭｎの夫々について算出した。そして、各元素の最大値［Ｃ_ｍａｘ］、［Ｓｉ_ｍａｘ］および［Ｍｎ_ｍａｘ］（線材の横断面中心から半径の１／２の位置以内）と，夫々の元素の平均濃度［Ｃ₀］、［Ｓｉ₀］および［Ｍｎ₀］に基づき、各元素の偏析度（［Ｃ_ｍａｘ］／［Ｃ₀］、［Ｓｉ_ｍａｘ］／［Ｓｉ₀］および［Ｍｎ_ｍａｘ］／［Ｍｎ₀］を評価した。

上記方法で得られた線材のスケールを除去し、皮膜処理を行なった後、金属石鹸を主成分とする潤滑材を巻き込みながら伸線を行なった。メカニカルデスケラーによりスケールを除去後、ホウ砂皮膜（ボラックス）を添加させる方法により伸線前処理を行い、９ブロックのストレート式連続伸線機を用いて、９ブロックまで中間線径：１．９８ｍｍまで伸線した後、一度巻き取り、再度９ブロックで線径：０．９５ｍｍまで伸線を行なった。このとき（最終伸線時）、１０００ｍ／ｍｉｎで一束２ｔの伸線を行ない、シェブロンクラッの発生による断線（カッピー断線）について調査した。その結果を、線材製造条件（鋳造速度、ΔＴ、比水量、各領域（Ａ)〜（Ｄ）における各ロール間勾配）、およびＣ、Ｓｉ、Ｍｎの各偏析度と共に、下記表３、４に示す。また、これらの結果の代表的な値に基づき、偏析度（［Ｃ_ｍａｘ］／［Ｃ₀］）が断線に与える影響を図１に、偏析度［Ｓｉ_ｍａｘ］／［Ｓｉ₀］が断線に与える影響を図２に、および偏析度［Ｍｎ_ｍａｘ］／［Ｍｎ₀］が断線に与える影響を図３に夫々示す。

これらの結果から明らかなように、製造条件を適切にして偏析度［Ｓｉ_ｍａｘ］／［Ｓｉ₀］を２．０以下にしたものでは、カッピー断線が発生することなく、良好な伸線加工性が得られていることが分かる。また、Ｃの偏析度（［Ｃ_ｍａｘ］／［Ｃ₀］）やＭｎの偏析度（［Ｍｎ_ｍａｘ］／［Ｍｎ₀］）は、カッピー断線には直接影響がないことも分かる。

偏析度（［Ｃ_ｍａｘ］／［Ｃ₀］）が断線に与える影響を示したグラフである。 偏析度［Ｓｉ_ｍａｘ］／［Ｓｉ₀］が断線に与える影響を示したグラフである。 偏析度［Ｍｎ_ｍａｘ］／［Ｍｎ₀］が断線に与える影響を示したグラフである。

Claims (6)

1. Ｃ：０．７０〜０．９０％（質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：０．０５〜１．２０％、Ｍｎ：０．１０〜１．０％、Ａｌ：０．０５％以下（０％を含まない）を夫々含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、線材の横断面の中心から半径の１／２の位置以内に存在するＳｉ最大濃度［Ｓｉ_ｍａｘ］と、線材の平均のＳｉ濃度［Ｓｉ₀］が下記（１）式の関係を満足することを特徴とする高炭素鋼線材。
   ［Ｓｉ_ｍａｘ］／［Ｓｉ₀］≦２．０ …（１）
2. 更に他の元素として、Ｃｕ：１％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１に記載の鋼線材。
3. 更に他の元素として、Ｎｉ：１％（０％を含まない）を含有するものである請求項１または２に記載の鋼線材。
4. 更に他の元素として、Ｃｒ：２％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１〜３のいずれかに記載の鋼線材。
5. 更に他の元素として、Ｔｉ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．３％以下（０％を含まない）およびＢ：０．００２０％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上を含む請求項１〜４のいずれかに記載の鋼線材。
6. 不可避不純物中のＰ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ｏ：０．００３％以下（０％を含まない）およびＮ：０．００６％以下（０％を含まない）に夫々抑制したものである請求項１〜５のいずれかに記載の鋼線材。
   

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