JP5232432B2

JP5232432B2 - 炭素鋼線の製造方法

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Publication number: JP5232432B2
Application number: JP2007263615A
Authority: JP
Inventors: 章弘金田
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2007-10-09
Filing date: 2007-10-09
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2027-10-09
Also published as: JP2009091625A

Description

本発明は、タイヤやベルト等のゴム物品の補強材として用いられるスチールコード等の構成要素となる炭素鋼線の製造方法に関する。

スチールコードの素線等に用いられる炭素鋼線は、一般に、0.70〜0.95mass％の炭素を含有し、パテンティング処理、例えばステルモア処理によりパーライト組織とされた、直径が約5.5mm程度の炭素鋼線材を素材とし、乾式伸線により所定の中間線径まで伸線してからパテンティング処理を施す伸線―熱処理を少なくとも1回行い、最終熱処理されてパーライト組織に調整された鋼線材を、湿式伸線して所望の線径とする、一連の工程により製造されている。

例えば、スチールコードを補強材として適用するタイヤでは、その軽量化を所期して、より比強度の高いスチールコードが求められている。従ってこのスチールコードの素線として用いられる炭素鋼線には、より引張り強さの高いものが求められている。

さて、スチールコードの素線として用いられる炭素鋼線の直径は0.10〜0.40mm程度であるのが一般的である。この鋼線の直径を一定とした場合、引張り強さを高めるには炭素含有量がより高い素材を用いること、最終熱処理に供する中間線材の直径を大きくして、最終伸線工程の伸線加工量を大きく設定すること、等の手段が適用されている。

かような引張り強さの高い炭素鋼線の製造における問題は強度化に伴う延性劣化であり、炭素鋼線を撚り合わせてスチールコードを製造する際の断線の増加や、耐疲労性の低下等をもたらす。該高強度化に伴う延性劣化を抑制するために、炭素鋼線の成分の改良（特許文献１および特許文献２参照）、最終伸線工程における湿式伸線条件の改良（特許文献３および特許文献４参照）等が行われている。
特開平５−１９５４５５号公報特開平６−３１２２０９号公報特開平７−１９７３９０号公報特開平７−２５８９８４号公報

上記のように、高強度化に伴う延性劣化を抑制するための改良は、炭素鋼線の成分の改良、最終伸線工程における伸線条件の改良に注目して行われてきた。

特許文献１および特許文献２では、炭素鋼線の組織である初析フェライト、初析セメンタイトが伸線後の延性低下の原因となることが指摘されている。その対策として特許文献１では、炭素鋼線の成分、パテンティング処理での引張り強さを調整している。一方、特許文献２では、炭素鋼線の成分、パテンティング処理での引張り強さと温度を調整している。

また、特許文献３および特許文献４では、最終伸線工程での伸線加工度を大きくして、引張り強さを高めることで、延性劣化を抑制する方策がとられている。
しかしながら、特許文献１〜４のいずれも十分な効果を得るに至っていないため、特に延性の劣化を抑制することが難しいものであった。

そこで、本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解消し、炭素鋼線の高強度化を良好な延性の下に達成する方途を与えることにある。

発明者は、炭素鋼線を作製する一連の製造工程において、前段伸線加工の加工条件とパテンティング処理による処理条件が炭素鋼線の延性に大きく影響することを見出した。
すなわち、素材であるステルモア処理された炭素鋼線材は基本的にパーライト組織が主体であるが、中心偏析、表面脱炭等に起因したマクロ的な成分不均一や、初析セメンタイトおよび初析フェライト等のミクロ的な成分不均一を多かれ少なかれ抱えているのが一般的である。

これらの成分不均一は後段伸線加工までの工程によりある程度緩和されるが、最終的に得られる炭素鋼線に金属組織的な不均一として残留し、延性破壊の要因となって作用する場合がある。特に炭素鋼線の引張り強さが高いほど、金属組織的な不均一に対して敏感に反応する。

最終的に得られる鋼線に残留する金属組織的な不均一は、前段伸線工程における伸線加工量の大きさと熱処理の条件の組み合わせにより緩和される。ところが、同じ素材を用いて同じ直径の下に、より引張り強さの高い炭素鋼線を得るためには、最終伸線工程における伸線加工量を増加する必要があり、このためにはパテンティング処理に供する中間線材の直径を大きくして前段伸線工程における伸線加工量を小さくすることが必要となる。つまり、高強度化するほど金属組織的な不均一が炭素鋼線に残留しやすいことになる。

また、パテンティング処理で金属組織的な不均一を緩和するためには、加熱温度を上昇させたり処理速度を低下させて加熱炉内の滞在時間を増やすという対策が必要となる。しかし、長時間の加熱は炭素鋼線の表層部の炭素減少という問題を招き、また熱の非効率的な使い方となるため、環境問題や経済政策においても最適な条件とはならない。さらに、パテンティング処理での対策として急速な冷却も有効となるが、過冷却よるベイナイトの発生や設備能力上の制約もあり、パテンティング処理のみによる対策は充分であるとはいえない。

発明者は上記の知見に基づいて、特に、前段伸線加工とパテンティング処理とを組み合わせた際の最適な条件を鋭意究明し、本発明を完成するに到った。
本発明の要旨は次の通りである。
（１）炭素鋼線材に、下記式（１）にて定義される伸線加工量εが3.04以上となる前段伸線加工を施し、該前段伸線加工を経た中間線材に、910℃以上940℃以下の温度域で５秒以下保持するパテンティング処理を施して該中間線材の引張り強さを1186〜1568MPaの範囲に調整し、その後、最終伸線を含む後段伸線加工を施すことを特徴とする炭素鋼線の製造方法。
記
ε＝２・ｌｎ(Ｄ０／Ｄ１) ----（１）
但し、Ｄ０：前段伸線加工入側の鋼線材の直径（ｍｍ）
Ｄ１：前段伸線加工出側の中間線材の直径（ｍｍ）

（２）前記炭素鋼線材は、炭素含有量が0.70〜1.00mass％でありパーライト組織を有することを特徴とする上記（１）に記載の炭素鋼線の製造方法。

（３）前記パテンティング処理は、引張り強さを1421MPa以下に調整することを特徴とする上記（１）または（２）のいずれかに記載の炭素鋼線の製造方法。

（４）前記パテンティング処理を施した熱処理線材は、絞りが40〜60％の範囲であることを特徴とする上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の炭素鋼線の製造方法。ただし、絞りはJIS Z 2241に規定の引張試験に準拠して行うものとする。

（５）前記後段伸線加工は直径Dfが0.10〜0.60mmであり、かつ引張り強さZ（MPa）が下記式（２）を満足するすることを特徴とする上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の炭素鋼線の製造方法。
記
Z≧2250―1450logDf ----（２）

（６）前記後段伸線加工は直径Dfが0.10〜0.40mmであり、かつ引張り強さZ（MPa）が下記式（３）を満足することを特徴とする請求項（１）ないし（５）のいずれかに記載の炭素鋼線の製造方法。
記
Z≧2843―1450logDf ----（３）

本発明によれば、前段伸線工程での伸線加工量εを2.5以上とし、かつ910℃以上の温度域で5秒以下保持するパテンティング処理を施すことによって、炭素鋼線材の表層部の炭素減少を抑制し、金属組織的な不均一が緩和する。したがって、内部から表層までの均一なパーライト組織の生成が実現するため、延性破壊の要因が減少し、耐疲労性に優れた炭素鋼線の提供が可能となる。

本発明の炭素鋼線の製造方法について詳しく説明する。
すなわち、炭素鋼線は上述の通り、前段伸線加工、パテンティング処理および後段伸線加工を基本工程として製造されるが、本発明では、前段伸線加工およびパテンティング処理の条件を改良することで耐疲労性に優れた高強度化した炭素鋼線を製造する。
まず、炭素鋼線材に下記式（１）にて定義される伸線加工量εが3.04以上となる前段伸線加工を施すことが肝要である。
記
ε＝２・ｌｎ(Ｄ０／Ｄ１) ----（１）
但し、Ｄ０：前段伸線加工入側の鋼線材の直径（ｍｍ）
Ｄ１：前段伸線加工出側の中間線材の直径（ｍｍ）

すなわち、前段伸線加工での伸線加工量εを3.04以上とすることにより、特に金属組織的な不均一が緩和される。なぜなら、伸線加工量εが3.04以上ではラメラがほぼ縦方向にそろい、金属組織のクロス断面の大きさも伸線前の約1/3となることで組織の不均一性を小さくすることができるからである。この前段伸線加工での伸線加工量が大きいほど不均一性は緩和されるが、大きすぎると前段伸線加工が困難になることから、3.5以下とすることが好ましい。

次に、前段伸線加工を経た中間線材に、910℃以上の温度域で5秒以下保持するパテンティング処理を施す。パテンティング処理を910℃以上の温度域で5秒以下保持とすることで、炭素鋼線材の表層部の炭素含有量の減少を抑制することができる。ここで、910℃未満の温度域で5秒を超えたパテンティング処理、すなわち、オーステナイト化後の余分な加熱処理は、金属組織の粗大化や表層からの炭素の放出を促すだけとなってしまう。好ましくは、910℃以上の温度域での保持時間を4秒以下とすることが良い。

なお、パテンティング処理における温度域の上限としては、表層部からの炭素放出の抑制、結晶粒粗大化の防止の理由から、940℃とする。同様に、保持時間の下限は、オーステナイト化を完全に完了し、表層部の炭素放出を最小限に抑制するためには、1秒とすることが好ましい。

また、パテンティング処理は、前段伸線工程を経た中間線材の引張り強さを1186〜1568MPaの範囲に調整するものである。すなわち、後述するように、後段伸線加工後の炭素鋼線の引張り強さZ（MPa）がZ≧2250―1450logDfを満足するには、パテンティング処理後の線材の引張り強さを1186MPa以上とする。なぜなら、パテンティング処理を施した熱処理線材の引張り強さについて、得ようとする炭素鋼線の引張り強さが同じ場合、引張り強さが高いほど最終伸線工程の加工量を小さく、つまり前段伸線加工量を大きくできることから、上式を満足する高強度鋼線を得るには中間線材の引張り強さを1186MPa以上に調整することとし、より好ましくは1323MPa以上とする。
また、パテンティング処理後の熱処理線材の引張り強さを1568MPaよりも大きくすると、パーライト変態温度を下げることになり、ベイナイトが析出しやすくなって金属組織的な不均一を招くため、引張り強さを1568MPa以下、より好ましくは1421MPa以下とする。

本発明において素材として用いる炭素鋼線材の炭素含有量は0.70〜1.00mass％であることが好ましい。すなわち、炭素含有量が0.70mass％未満では、本来求めているパーライト組織以外に初析フェライト等が析出し易くなり、結果的に不均質な組織の材料となってしまう。一方、炭素含有量が多すぎると結晶粒界に初析セメンタイトが析出し易くなるので、1.00mass％以下とすることが好ましい。

さらに、上記パテンティング処理を施した熱処理線材は、絞りが40〜60％の範囲であることが好ましい。ここで、絞りは、JIS Z 2241に規定された絞りと同義であり、下記式（４）にて定義される。
記
φ={(A₀―A)/ A₀}×100・（４）
但し、φ：絞り（％）
A：試験片の破断面を注意して突き合わせ、JIS Z 2241の６の（１）
の（a）、（b）、（c）、（d）に準じて測定した最小断面積（mm²）
A₀：原断面積（mm²）

すなわち、絞りを40〜60％に調整するのは、オーステナイト化の条件であり、この範囲に入っていることは、問題なくオーステナイト化されたことを意味する。好ましくは45〜55％とする。

その後、パテンティング処理を施した線材は、最終伸線を含む後段伸線加工を施して所望の炭素鋼線にする。この後段伸線加工においては特に規制を設ける必要はないが、炭素鋼線の直径Dfが0.10〜0.60mmであり、かつ引張り強さZ（MPa）が下記式（２）を満たす製品にする事が好ましい。
記
Z≧2250―1450logDf ----（２）

ここで、炭素鋼線の直径Dfを0.10〜0.60mmの範囲とするのは、0.10mm未満になると、細すぎて撚り合わせてコードとなっても必要とする強力が得難いためであり、一方、製品径が0.60mm超では、後段伸線加工前の熱処理線材の直径を太くする必要があり、すなわち前段伸線加工の乾式伸線における伸線加工量εを大きくすることが難しくなる。さらに、同じ曲げ変形の下では、炭素鋼線の直径が太いほど歪が大きくなり実用的でない。

また、引張り強さZ（MPa）を上記式（２）を満足する範囲としたのは、タイヤの補強材として必要な強力を確保するためであり、線径が太いほど破断強力は高くなり、強度の高い炭素鋼線は線径が太くなるほど製造難易度が増すため、上記式（２）を満足することとした。さらには、Z≧2843―1450logDfであることが好ましい。

表１に示す炭素含有量および径を有する炭素鋼線材に、表１に示す条件の前段伸線加工を施し、表１に示す熱処理条件のもとで、パテンティング処理を施し、次いで、表層部の炭素含有量を算出し最終伸線を含む後段伸線加工を施し、表1に記載の炭素鋼線を製造した。

さらに、パテンティング処理後の熱処理線材の表層部の炭素含有量について、LECO社製C、S／分析器（CS-400）によって炭素鋼線そのものの炭素含有量と、体積で10％分を溶解した炭素鋼線の炭素含有量を測定し、その測定結果に基づいて、下記式（５）に従って表層部の炭素含有量を算出した。なお、表層部の炭素含有量とは、表層から体積全体の10%に相当する部分の炭素鋼線材中の炭素含有量であり、パテンティング時の炭素の放出により、内部よりも炭素含有量は少なくなる傾向がある。内部との差が小さいほど好ましい。
記
表層（10vol％）のC（mass％）＝
[｛鋼線材全体のC（mass％）｝―0.9｛表層10vol％溶解後のC（mass％）｝]/0.1
----（５）

かくして得られた高強力高炭素鋼線について、その引張り強さおよび捻り特性を評価した。その評価結果を、表１に併記する。
なお、引張り強さは、JIS Z 2241に準拠して引張り試験を行うことによって測定した。
また、捻り特性は、鋼線材の断面積に応じた重りで196MPaのテンションを負荷し100mm長を捻り、破断までの回数を100d（d：直径）相当の長さでの捻り回数に換算し、その算出値について従来例を100として指数化した。

Claims

炭素鋼線材に、下記式（１）にて定義される伸線加工量εが3.04以上となる前段伸線加工を施し、該前段伸線加工を経た中間線材に、910℃以上940℃以下の温度域で５秒以下保持するパテンティング処理を施して該中間線材の引張り強さを1186〜1568MPaの範囲に調整し、その後、最終伸線を含む後段伸線加工を施すことを特徴とする炭素鋼線の製造方法。
記
ε＝２・ｌｎ(Ｄ０／Ｄ１) ----（１）
但し、Ｄ０：前段伸線加工入側の鋼線材の直径（ｍｍ）
Ｄ１：前段伸線加工出側の中間線材の直径（ｍｍ）
前記炭素鋼線材は、炭素含有量が0.70〜1.00mass％で、かつパーライト組織を有することを特徴とする請求項１に記載の炭素鋼線の製造方法。
前記パテンティング処理は、中間線材の引張り強さを1421MPa以下に調整することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の炭素鋼線の製造方法。
前記パテンティング処理を施した熱処理線材は、絞りが40〜60％の範囲であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の炭素鋼線の製造方法。
前記後段伸線加工後の炭素鋼線は、直径Dfが0.10〜0.60mmであり、かつ引張り強さZ（MPa）が下記式（２）を満足することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の炭素鋼線の製造方法。
記
Z≧2250―1450logDf ----（２）
前記後段伸線加工後の炭素鋼線は、直径Dfが0.10〜0.40mmであり、かつ引張り強さZ（MPa）が下記式（３）を満足することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の炭素鋼線の製造方法。
記
Z≧2843―1450logDf ----（３）