JP5327949B2

JP5327949B2 - 高炭素鋼線材のパテンティング方法

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Publication number: JP5327949B2
Application number: JP2008232553A
Authority: JP
Inventors: 純渡辺; 浩二郎鳥巣; 健太郎溝谷
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2008-09-10
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2028-09-10
Also published as: JP2010065274A

Description

本発明は、高炭素鋼線材のパテンティング方法に関し、詳しくは、恒温処理を施すことなく微細パーライト組織を得、後に続く伸線加工性の向上を図ることができる、生産性に優れた高炭素鋼線材のパテンティング方法に関する。

スチールコードに代表されるような伸線加工により高強度化される製品の製造においては、伸線加工性を確保し、製品ワイヤの強度を所望のものとするために、パテンティング処理が施されている。通常、パテンティング処理は、鋼線をＡｃ３またはＡｃｍ変態点以上に加熱し、組織をオーステナイト化した後、鉛浴や流動槽を用いて５００〜６００℃の温度域において恒温保持し、パーライト変態を起こさせる。

しかしながら、このパテンティング方法では、有害な鉛を使用することや流動砂の粉塵など、環境面で課題が多いことに加え、恒温保持処理という性質上、一定の処理時間を要するため、生産性を阻害する場合がある。

こうした課題を解決するために、従来より幾つかのパテンティング方法が提案されている。例えば、特許文献１では、鉛やソルトを使用せず衝風ガスによるパテンティング装置が開示されている。また、特許文献２および特許文献３においては、オーステナイト化加熱後の定められた温度範囲にて加工を加えることによりラメラ間隔の狭小化やパーライトブロックの微細化を図る方法が提案されている。特に、特許文献３では、温間による塑性加工後の冷却手段は空冷でもよいとしており、環境面の課題解決がなされている。
特開平５−２６３１５０号公報特開平１０−１１０２２０号公報特許第３３８７１４９号公報

しかしながら、従来のパテンティング方法は必ずしも十分に満足し得るものではなかった。例えば、特許文献１記載の衝風ガスによるパテンティング装置では、パーライト変態を起こさせるために装置構成を長くせざるを得ず、また、直径１．０ｍｍ以下の細径鋼線のみにしか適用できないという問題がある。

また、特許文献２記載の方法では、従来同様にパテンティング炉による恒温処理が必要であるため、環境上、および生産上の課題の解決には至っていないのが現状である。さらに、特許文献３記載の方法では、塑性加工の開始温度域と塑性加工の終了温度域をそれぞれ８５０〜７５０℃と、Ａｅ１変態点未満６５０℃以上としているため、生産性を上げるために高速化すると材料の加工発熱を無視できず、開始温度域と終了温度域を両立させることが不可能となる。

上述のように、従来の技術においては、環境上の課題と生産上の課題とを解決し、同時に品質の向上と安定化を図ることはできなかった。

そこで本発明の目的は、上記の課題を解決し、鉛浴や流動槽といった恒温保持処理を施すことなしに微細パーライト組織を得、後に続く伸線加工性を向上し得る高炭素鋼線材のパテンティング方法を提供することにある。また、本発明の更なる目的は、上述の目的に加え、実工程に適用する場合の経済性や実用性を考慮し、ラインスピードに代表される生産性をも向上させ得る高炭素鋼線材のパテンティング方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために種々の検討を行った結果、完全オーステナイト加熱域からの冷却速度やパーライト変態前の加工温度を適切な範囲に制御することにより、鉛浴や流動槽といった恒温保持処理を施すことなしに、微細パーライト組織を得、かつ生産性の向上と後に続く伸線加工性の向上とを満たす方法を見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の高炭素鋼線材のパテンティング方法は、炭素を０．５５〜１．１質量％含有する高炭素鋼線材を、８００℃以上の加熱で組織を完全オーステナイト化せしめた後、放冷および／またはガス冷による冷却手法にて６０〜２００℃／ｓｅｃで冷却し、Ａ１変態点以下６００℃以上の温度で加工を施し、Ａ１変態点以下６００℃以上の温度における加工終了時点から５００℃までの冷却速度を５０℃／ｓｅｃ以上２５０℃／ｓｅｃ以下とすることにより微細パーライト組織を得ることを特徴とするものである。これにより、鉛浴や流動槽といった恒温保持処理なしに、微細パーライト組織を得ることができる。

なお、ここでいう微細パーライト組織とは、平均のパーライトブロック径が１５μｍ以下であり、かつパーライト以外の組織、具体的には初析フェライトと初析セメンタイトの合計が体積率で５％以下となる組織を示す。

本発明のパテンティング方法においては、Ａ１変態点以下６００℃以上で施す加工による減面率が、２０％以上７５％以下であり、また、Ａ１変態点以下６００℃以上で施す加工の歪速度が、好ましくは１０ｓ^−１以上である。これにより、パーライトブロック径をより微細にし、伸線加工性をさらに向上させることが可能となる。

また、本発明のパテンティング方法においては、Ａ１変態点以下６００℃以上の温度における加工終了時点から５００℃までの冷却速度を５０℃／ｓｅｃ以上２５０℃／ｓｅｃ以下とすることにより微細パーライト組織を獲得しながら、より好ましい生産性を付与することができる。

本発明によれば、環境に影響を及ぼす物質である鉛浴や流動槽といった恒温保持処理を施すことなしに微細パーライト組織を得ることができ、後に続く伸線加工性を向上させることができる。また、ラインスピードに代表される生産性をも向上させることができ、実用上極めて有益である。よって、本発明により、優れた特性の伸線用ワイヤを経済的に製造することが可能である。

以下に、本発明の実施の形態につき具体的に説明する。
（炭素含有量）
スチールコード、ビードワイヤなどの用途に要求される高強度を有する本発明に係る高炭素鋼線材の炭素含有量は０．５５〜１．１質量％である。

炭素は、鋼線材の強度を確保し、微細パーライト組織を生成せしめ、伸線加工性の良否を左右する元素である。本発明において鋼線材をスチールコードやビードワイヤ、ホースワイヤに適用するためには、強度確保の面から０．５５質量％以上必要であり、これより少ないと初析フェライトが生成しやすくなるため、伸線性も確保できなくなる。一方、炭素含有量が１．１質量％を超えると、初析セメンタイトの生成が避けられず、やはり伸線性を著しく劣化させることになる。

次に、環境面、生産面の課題を解決し、かつ良好な伸線加工性を具備するために必要な金属組織を得るためのパテンティング方法について以下に詳述する。

（完全オーステナイト化加熱温度）
まず、オーステナイト中に炭素を完全固溶させるために、炭素を０．５５〜１．１質量％含有する高炭素鋼線材を、８００℃以上で加熱し、組織を完全オーステナイト化せしめる。この加熱温度の上限に関しては、融点以下の温度であれば特に制限はされないが、１０００℃を超えると結晶粒の成長が著しくなり、伸線加工性を確保する上で重要となるパーライトブロック径に影響を及ぼすので、オーステナイト化加熱温度のより好ましい範囲は、８５０〜９５０℃である。

（完全オーステナイト加熱域からの冷却速度）
オーステナイト化後、加工までの冷却速度は、微細パーライト組織を生成させるための極めて重要な条件となる。すなわち、冷却速度が３０℃／ｓｅｃ未満では初析フェライトが生成しやすくなり、伸線加工性に悪影響を及ぼす。加えて、生産性をも阻害するので、冷却速度の下限は３０℃／ｓｅｃとすることが肝要である。

初析フェライトの生成に関しては、加工までの冷却速度に加え、後述する加工温度の制御が極めて重要となる。図１は、初析フェライトの生成に及ぼす加工までの冷却速度と加工温度の影響を示す図である。図１から、広い加工温度域において、初析フェライトの生成量を５体積％以下とするには、冷却速度の下限を３０℃／ｓｅｃとすることが必要であることが分かる。また、冷却速度の制御上の課題から、安定した制御を可能にする上で、上限は２００℃／ｓｅｃとすることが必要である。この上限を超える冷却速度とすると制御が困難となり、規定される加工温度範囲の下限以下まで線温が下がる場合があり、安定した品質を確保することができなくなる。

（加工温度）
加工温度も微細パーライト組織を生成させるための極めて重要な条件のひとつである。図１に示す通り、加工温度が６００℃を下回ると初析フェライトの生成が顕著となるため下限値を６００℃とする必要がる。一方、Ａ１変態点（７２７℃）を上回る温度であると、オーステナイトの回復、再結晶が生じ、素早いパーライト変態を起こさせるために必要となる歪みが解放されてしまうこととなる。結果として、パーライト変態を生じさせるための鉛浴や流動槽が必要となり、本発明の目的を達成することができない。

次に、実工程適用に際しての好適実施形態について以下に詳述する。
（加工による減面率）
減面率の増加は、パーライトブロック径を微細化させ、伸線加工性を向上させると共に、パーライト変態を極めて高速に生じさせる効果がある。これら効果は、減面率２０％以上でより顕著となって現れるため、下限値を２０％とすることが好ましい。また、減面率は高いほどパーライトブロック径の微細化に効果があるが、減面率が高すぎると多段加工にせざるを得ず、段数が多くなるに従い温度制御が極めて困難となり、実用に耐えられなくなる。したがって、上限値を７５％とすることが好ましい。この加工は、多段であっても全く問題はないが、パス間時間が長くなるとパス間中に歪が解放してしまい、充分な効果が得られなくなるため、多段加工とする場合はパス間時間を１ｓｅｃ未満とする必要がある。

（加工歪速度）
加工歪速度は、パーライト変態の高速化に影響を及ぼすため、下限値を１０ｓ^−１に限定することが好ましい。１０ｓ^−１を下回ると加工中にも歪の一部が解放してしまい所望の効果を得られ難くなる。なお、加工は、ロール伸線でも温間ダイス引抜きでもよく、その手段は問われない。

（加工終了後５００℃までの冷却速度）
加工終了後の冷却速度は、パーライト変態を安定的に、かつワイヤ内で均一に生じさせるため、その上限を２５０℃／ｓｅｃとすることが好ましい。２５０℃／ｓｅｃは充分速い冷却速度であり、空冷およびガスによる強制冷却でもこの上限冷却速度を超えることはない。一方、加工終了後の冷却速度が遅すぎると生産性を阻害し、装置構成も長く取らざるを得なくなるため、実用面より冷却速度の下限を５０℃／ｓｅｃとすることが、より好ましい。

以下、本発明を実施例に基づき説明する。
下記の表１に示す種々炭素含有量を有する直径５．５ｍｍのワイヤを乾式伸線により直径３．２ｍｍまで引抜き加工を行い、これを素線として様々なパテンティング条件による試験に供した。

種々パテンティング条件は、下記の表１に示す通りであり、オーステナイト化加熱温度、冷却速度、加工温度、減面率および歪速度をパラメータとして変動させた。材料の冷却においては、鉛浴または流動槽を使用せず、いずれの条件においても自然空冷やエアブロー、もしくはＨｅ、Ｈ_２ガスによるガス吹付けによって行った。

パテンティング後ワイヤの評価は、組織特性として、パーライトブロック径とフェライト＋セメンタイトの体積率を測定した。さらに、パテンティングワイヤを酸洗、めっき処理し、その後湿式伸線を行って、デラミネーションが発生する伸線歪ε（ε＝２＊ｌｎ（ｄ０／ｄ１）、ｄ０：加工前、ｄ１：加工後）を加工限界値として評価した。加工限界値εは、４以上のものを良好と判断した。

また、湿式伸線後のワイヤ評価は、伸線歪ε＝３．５の条件のもと、引張り強度と捻り回数により評価した。引張り強度は３０００ＭＰａ以上、捻り回数は２０回以上を目標とした。得られた結果を下記の表２に示す。

（＊）Ｃ．Ｒ．−１は、オーステナイト化加熱から加工までの、Ｃ．Ｒ．−２は、加工終了から５００℃までの、夫々平均冷却速度を表す。

表２に示す評価結果より、全ての条件が本発明で限定する範囲内にある実施例では、鉛浴または流動槽を使用せずとも、良好な伸線加工性と物性（強度、延性）を示すことがわかる。

一方、炭素含有量が少ないもの（比較例１）や多いもの（比較例２）は、それぞれ過剰なフェライト、セメンタイトが析出し、伸線加工性が損なわれた。また、オーステナイト化加熱温度が低いもの（比較例３）は、そもそもパーライト変態が起こらず、加工限界が低い結果となった。さらに、加工までの冷却速度が遅いもの（比較例４）や加工温度が低いもの（比較例６）については、初析フェライトの生成量が多く、やはり伸線加工性が損なわれた。

減面率、歪速度および加工後５００℃までの冷却速度についても、同様の傾向があり、ブロック径の粗大化やワイヤ内の不均一な熱分布等により、加工性の確保が困難となる。このような評価結果より、本発明の方法においてのみ、恒温保持処理なしのパテンティング処理が可能となり、環境面、生産面および品質面のいずれにおいても良好で安定した高炭素鋼線材を製造することができること分かる。

総減面率とブロック径、フェライト＋セメンタイト量との関係を示す図２のグラフから、減面率が２０％に満たないと、所望の結晶粒微細化効果を得ることができず、伸線加工限界が４以上とならないことが分かる。また、減面率が７５％を超えると、フェライト＋セメンタイト量が５％を超えてしまい、やはり伸線加工限界が４以上とならないことが分かる。

また、歪速度と伸線加工限界（歪み量ε）との関係を示す図３のグラフから、歪速度が１０ｓ^−１に満たないと、伸線加工限界が４以上とならないことが分かる。この場合は、パス間歪み解放により、結晶粒微細化の阻害およびファインパーライト生成の阻害が生じ得ることになる。

初析フェライトの生成に及ぼす加工までの冷却速度と加工温度の影響を示すグラフである。総減面率とブロック径、フェライト＋セメンタイト量との関係を示すグラフである。歪速度と伸線加工限界（歪み量ε）との関係を示すグラフである。

Claims

炭素を０．５５〜１．１質量％含有する高炭素鋼線材を、８００℃以上の加熱で組織を完全オーステナイト化せしめた後、放冷および／またはガス冷による冷却手法にて６０〜２００℃／ｓｅｃで冷却し、Ａ１変態点以下６００℃以上の温度で加工を施し、Ａ１変態点以下６００℃以上の温度における加工終了時点から５００℃までの冷却速度を５０℃／ｓｅｃ以上２５０℃／ｓｅｃ以下とすることにより微細パーライト組織を得ることを特徴とする高炭素鋼線材のパテンティング方法。
Ａ１変態点以下６００℃以上で施す加工による減面率が、２０％以上７５％以下である請求項１記載のパテンティング方法。
Ａ１変態点以下６００℃以上で施す加工の歪速度が１０ｓ^−１以上である請求項１または２記載のパテンティング方法。