JP5523332B2 - 高強度で延性および耐疲労性に優れた炭素鋼線材、その製造方法および評価方法 - Google Patents

高強度で延性および耐疲労性に優れた炭素鋼線材、その製造方法および評価方法 Download PDF

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Description

本発明は、高強度で延性および耐疲労性に優れた炭素鋼線材、その製造方法および評価方法に関する。
空気入りタイヤや工業用ベルト等のゴム製品においてこれらを軽量化し、耐久性を向上させるために、補強材として用いられるスチールコードに高い引張り強さと優れた耐疲労性が求められている。また、今日、使用するスチールコードの使用量を減らしつつ、現状と同等のタイヤ強度を実現するために、補強材としてのスチールコードの１本１本のスチールフィラメントの抗張力を高めることが求められている。
かかる要請に応えるため、種々の観点から多くの研究、報告がなされており、高抗張力化を図る上で、鋼線材の延性を高めることが肝要であることが知られている。従って、高抗張力化を実現するために鋼線材の延性などの特性を評価することが行われ、例えば、炭素鋼線材の延性などの特性を硬度で評価する場合、従来法ではクロス断面での硬度分布を用いて評価する手法が採られてきた。
例えば、特許文献１には、高炭素鋼線材の鋼線中の硬度分布が、Ｒ＝０、Ｒ＝０．８、Ｒ＝０．９５において、０．９６０≦ＨＶ≦１．０３０の条件（Ｒは鋼線の半径をｒ０、鋼線の任意の位置と中心との距離をｒとした場合、Ｒ＝ｒ／ｒ０、ＨＶはＲ＝０．５の位置の硬度をＨＶ０．５とし、位置Ｒの硬度をＨＶＲとした場合、ＨＶ＝ＨＶＲ／ＨＶ０．５）を満足することで高強度を実現し得る高強度鋼線が開示されている。また、特許文献２では、高炭素鋼線材のワイヤ断面におけるビッカース硬度分布が表面からワイヤ直径の４分の１以内の中心部を除いた内部まで実質的にフラットとすることで超高強度かつ高靭性が得られることが報告されている。
また、最終湿式伸線工程において高延性、高耐疲労性を実現するための製造方法も種々提案されている。例えば、特許文献３では、汎用のスチールコード用線材によっても高い品質の鋼線を得ることを目的として、スチールコードの原料線材に、加えられる加工歪によって最終伸線工程の各減面率をそれぞれ所定範囲内に調整することが報告されている。また、特許文献４では、高いねじり延性を持つ高抗張力スチールワイヤを得ることを目的として、最終湿式伸線工程において、個々のダイスの減面率を約１５％ないし約１８％の一定の減面率で伸線加工することが報告されている。
特開平８−１５６５１４号公報（特許請求の範囲等） 特開平８−３１１７８８号公報（特許請求の範囲等） 特開平７−３０５２８５号公報（特許請求の範囲等） 特開平５−２００４２８号公報（特許請求の範囲等）
しかしながら、従来の方法は、高炭素鋼線材の高抗張力化を図る上で必ずしも十分とはいえなかった。例えば、クロス断面の硬度は、カールドグレイン（パーライト組織が伸線によって潰された組織）の影響を受けるため、測定箇所によって違いが生じやすく、バラツキが大きくなり、特性を評価するには信頼性に欠けると考えられる。よって、特許文献１や特許文献２においても、伸線加工された金属線材のクロス断面のみの硬度分布を評価しているため、カールドグレイン組織のバラツキを考慮しないまま評価していることとなり、その特性を評価するには必ずしも十分とはいえなかった。
また、特許文献３や特許文献４のように、最終伸線工程で高延性、高耐疲労性などを得るために、ダイスの減面率（加工量）のみを調整しても、実際の加工時の伸線条件は減面率だけでなく、ダイス／ワイヤ間での摩擦の状態や鋼材の抗張力なども影響するため、高延性、高耐疲労性のスチールコードの製造方法としては、やはり必ずしも十分とはいえなかった。
そこで本発明の目的は、これまでになく高強度で延性および耐疲労性に優れた炭素鋼線材、その製造方法および評価方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の炭素鋼線材は、炭素含有量が０．５０〜１．１０質量％である炭素鋼線材の長手方向に直交する断面（クロス断面）の表層部における硬度と、長手方向の断面（ロング断面）の表層部における硬度との比を表す係数Ｘ（クロス断面表層部硬度／ロング断面表層部硬度）、および前記クロス断面の中心部における硬度と、前記ロング断面の中心部における硬度との比を表す係数Ｘ（クロス断面中心部硬度／ロング断面中心部硬度）が次式、
０．９＜係数Ｘ（クロス断面表層部硬度／ロング断面表層部硬度）≦１．１０
０．９＜係数Ｘ（クロス断面中心部硬度／ロング断面中心部硬度）≦１．１０
で表される関係を満足し、かつ４０００ＭＰａ以上の抗張力を有することを特徴とするものである。
また、本発明の炭素鋼線材の製造方法は、上記本発明の炭素鋼線材を製造するにあたり、最終湿式伸線工程において、炭素含有量が０．５０〜１．１０質量％で、かつパーライト組織を有する炭素鋼線材を各ダイスで伸線加工する際、ダイス抗力とダイスの出口線径とからなる次式、
係数Ａ＝（ダイス抗力（ｋｇｆ）／ダイス出口線径（ｍｍ）２）
で表される係数Ａが９５を超えるダイスの個数が２個以下であり、最終湿式伸線工程にて２．５より大なる加工歪εを加えることを特徴とするものである。
本発明の製造方法においては、最終湿式伸線工程において、すべてのダイスについて係数Ａが９０以下であることが好ましい。
さらに、本発明の炭素鋼線材の延性評価方法は、炭素鋼線材の延性を評価するにあたり、該炭素鋼線材の長手方向に直交する断面（クロス断面）の表層部における硬度と、長手方向の断面（ロング断面）の表層部における硬度との比を表す係数Ｘ（クロス断面表層部硬度／ロング断面表層部硬度）、および前記クロス断面の中心部における硬度と、前記ロング断面の中心部における硬度との比を表す係数Ｘ（クロス断面中心部硬度／ロング断面中心部硬度）が次式、
０．９＜係数Ｘ（クロス断面表層部硬度／ロング断面表層部硬度）≦１．１０
０．９＜係数Ｘ（クロス断面中心部硬度／ロング断面中心部硬度）≦１．１０
で表される関係を満足するか否かで延性を評価することを特徴とするものである。
本発明によれば、これまでになく高強度で延性および耐疲労性に優れた炭素鋼線材を得ることができる。また、炭素鋼線材の延性を適性に評価することができ、延性が良いものを確実に得ることができる。
（Ａ）は鋼線材のロング断面の硬度測定箇所を示す説明図である。（Ｂ）は鋼線材のクロス断面の硬度測定箇所を示す説明図である。 引掛け強さ保持率を測定するための説明図である。 実施例１〜３および比較例１、２のクロス断面硬度／ロング断面硬度、係数Ｘ（中心部）およびクロス断面硬度／ロング断面硬度、係数Ｘ（表層部）の関係を示すグラフである。 パススケジュールとして、各パスと係数Ａとの関係を示すグラフである。
以下、本発明の実施の形態につき具体的に説明する。
本発明の炭素鋼線材は、炭素含有量が０．５０〜１．１０質量％、好ましくは０．８５〜１．１０質量％の高炭素鋼線材である。炭素含有量が０．５０質量％未満であると、初析フェライトが析出し易くなって金属組織的不均一を招き、また高強度を得るためのトータルでの伸線加工量が大きくなる。一方、炭素含有量が１．１０質量％を超えると、結晶粒界に初析セメンタイトが析出し易くなり、金属組織的不均一を招くこととなる。
また、本発明の炭素鋼線材は、炭素鋼線材の長手方向に直交する断面（クロス断面）の表層部における硬度と、長手方向の断面（ロング断面）の表層部における硬度との比、係数Ｘ（クロス断面硬度／ロング断面硬度）、および前記クロス断面の中心部における硬度と、前記ロング断面の中心部における硬度との比、係数Ｘ（クロス断面硬度／ロング断面硬度）がいずれも次式、
０．９＜係数Ｘ≦１．１０
で表される関係を満足することが肝要である。
伸線された炭素鋼線材において、ロング断面硬度はカールドグレインに影響されず、ラメラの配列によって硬度が決まるため、バラツキがなく評価することができる。よって、ロング断面の硬度を基準とし、クロス断面硬度との比、係数Ｘを評価することで、より妥当性のある特性値評価ができると考え、評価試験を実施したところ、線材中心部の硬度比、係数Ｘが０．９０よりも大きいとき、延性が良いものが得られることが確かめられた。よって、下限を０．９０とした。一方、上限値については、評価試験の結果、線材表層部の硬度比、係数Ｘが１．０４のとき、延性が最も良いものが得られ、係数Ｘが１．１０においても良好な延性が得られたことから、１．１０とした。
ここで、ロング断面硬度は、図１（Ａ）に示す炭素鋼線材１の断面２において、表層部３と中心部４にて測定され、また、クロス断面硬度は、図１（Ｂ）に示す炭素鋼線材１の断面１２において、表層部１３と中心部１４にて測定される。かかる硬度として、例えば、ビッカース硬度を好適に採用することができる。
また、本発明の炭素鋼線材においては、４０００ＭＰａ以上の抗張力を実現可能としたことにより、使用するスチールコードの使用量を減らしつつ、現状と同等のタイヤ強度を実現することが可能となる。
次に、上述の本発明の炭素鋼線材の製造方法について説明する。本発明の製造方法では、最終湿式伸線工程において、炭素含有量が０．５０〜１．１０質量％で、かつパーライト組織を有する炭素鋼線材を各ダイスで伸線加工する際、ダイス抗力とダイスの出口線径からなる次式、
係数Ａ＝（ダイス抗力（ｋｇｆ）／ダイス出口線径（ｍｍ）２）
で表される係数Ａが９５を超えるダイスの個数を２個以下とし、最終湿式伸線工程にて２．５を超える加工歪εを加えることが肝要であり、好ましくは、すべてのダイスについて係数Ａが９０以下となるようにする。
本発明のように、最終湿式伸線工程において減面率だけではなく、上記係数Ａを評価することで、鋼材種、抗張力、線径、摩擦係数など、あらゆる伸線条件を網羅した評価が可能となる。その結果、スチールコードの品質、物性に影響するあらゆる因子を含んだ条件を表すことが可能となり、これまでの減面率だけの条件よりも、より具体的な伸線条件を表すことができる。
本発明において、この係数Ａが９５を超えるダイスの個数を２個以下とするのは、これ以上の伸線条件で伸線加工を行うと加工量、摩擦の関係から鋼材の組織が脆くなり、延性および耐疲労性が低下するからである。一方、係数Ａの下限は、あまり低すぎるとダイスでの伸線加工が不均一になるため、頭ダイス３個以降では３０以上とすることが好ましい。
また、前記比、係数Ｘ（クロス断面硬度／ロング断面硬度）が次式、
０．９＜係数Ｘ≦１．１０
で表される関係を満足させるのは、特に最終湿式伸線工程にてパーライト組織が伸線方向に配向し、クロス方向組織でカールドグレインが緻密に形成される加工歪２．５以降で満足させることが好ましい。なお、加工歪εは、次式、
ε＝２・ｌｎ（Ｄ０／Ｄ１）
（式中、Ｄ０は、伸線加工入側の鋼線材の直径（ｍｍ）、Ｄ１は伸線加工出側の鋼線材の直径（ｍｍ）を示す）により求められる。
また、本発明の炭素鋼線材の延性評価方法は、炭素鋼線材の延性を評価するにあたり、該炭素鋼線材の長手方向に直交する断面（クロス断面）の表層部おける硬度と、長手方向の断面（ロング断面）の表層部における硬度との比、係数Ｘ（クロス断面硬度／ロング断面硬度）、および前記クロス断面の中心部における硬度と、前記ロング断面の中心部における硬度との比、係数Ｘ（クロス断面硬度／ロング断面硬度）がいずれも次式、
０．９＜係数Ｘ≦１．１０
で表される関係を満足するか否かで延性を評価する。
上述のように、硬度比、係数Ｘ（クロス断面硬度／ロング断面硬度）を評価し、上記範囲内の値を有するものを選定することで、延性が良いものを確実に得ることができる。
なお、ダイスの形状としては、鋼線材の伸線に一般的に使用されている形状が適用でき、例えばアプローチ角が８°から１２°、ベアリング長さが０．３Ｄから０．６Ｄ程度のものが使用できる。また、ダイスの材質についても焼結ダイヤモンドダイス等に制限されるものではなく、安価な超硬合金ダイスも使用できる。
また、伸線加工に供する鋼線材としては、均一性が良好な高炭素鋼線材を用いることが好ましく、鋼線材表層部の脱炭を抑制しつつ、初析セメンタイト、初析フェライトあるいはベイナイト等の混在量が少ない均一なパーライト組織を形成するように熱処理することが好ましい。
以下、本発明を実施例に基づき説明する。
下記の表１および２に示す種類の高炭素鋼線材を、夫々同様に示す直径となるまで乾式伸線した。得られた鋼線材にパテンティング熱処理と黄銅めっきを施し、黄銅めっき鋼線材を製造した。得られた黄銅めっき鋼線材を、表１および２に示す各パススケジュールで伸線し、夫々同表に示す直径の鋼線を製造した。
なお、伸線にあたり、アプローチ角が約１２°でベアリング長さが約０．５Ｄの超硬合金ダイスと、スリップ式の湿式連続伸線機を使用した。
最終伸線工程における伸線条件として、下記の表１および２に示すように、上述の係数Ａが９５を超えるダイス個数が０個のもの（実施例１〜３）、８個のもの（比較例１）、および３個のもの（比較例２）と、条件を変えて伸線を行い、下記の物性評価を行った。
（抗張力）
ＪＩＳ Ｇ３５１０の引張り試験に基づき、供試鋼線材の抗張力を測定した。
（硬度）
株式会社ミツトヨ製ビッカース硬度測定器（型式：ＨＭ−２１１）を用いて供試鋼線材のロング断面およびクロス断面の表層部および中央部における硬度を測定し、各比、係数Ｘ（クロス断面硬度／ロング断面硬度）を求めた。
（引掛け強さ保持率）
供試鋼線材の引掛強さ保持率を、図２に示すようにして、グリップ２２に装着した供試鋼線材２１の引張り強さと引掛強さを測定することにより、引掛強さ保持率＝（（引掛強さ）／（引張り強さ）×１００）として求めた。この測定は１０回繰り返して行った。
得られた結果を下記の表３に示す。
Figure 0005523332
Figure 0005523332
Figure 0005523332
図３に、実施例１〜３および比較例１、２のクロス断面硬度／ロング断面硬度、係数Ｘ（中心部）およびクロス断面硬度／ロング断面硬度、係数Ｘ（表層部）の関係をグラフにて表す。このグラフから、明らかなように、実施例１〜３では表層部と中心部とで硬度比が小さいことが分かる。
また、図４に、パススケジュールとして、各パスと係数Ａとの関係をグラフにて示す。このグラフから、実施例１では係数Ａが９０を超えたパスが３個だけで９５を超えたものがなく、また、実施例２および３は係数Ａが９０を超えたパスが存在せず、比較例１および２とは明らかにパススケジュールが異なることが分かる。
１ 鋼線材
２ ロング断面
１２ クロス断面
３、１３ 表層部
４、１４ 中心部
２１ 鋼線材
２２ グリップ

Claims (4)

  1. 炭素含有量が０．５０〜１．１０質量％である炭素鋼線材の長手方向に直交する断面（クロス断面）の表層部における硬度と、長手方向の断面（ロング断面）の表層部における硬度との比を表す係数Ｘ（クロス断面表層部硬度／ロング断面表層部硬度）、および前記クロス断面の中心部における硬度と、前記ロング断面の中心部における硬度との比を表す係数Ｘ（クロス断面中心部硬度／ロング断面中心部硬度）が次式、
    ０．９＜係数Ｘ（クロス断面表層部硬度／ロング断面表層部硬度）≦１．１０
    ０．９＜係数Ｘ（クロス断面中心部硬度／ロング断面中心部硬度）≦１．１０
    で表される関係を満足し、かつ４０００ＭＰａ以上の抗張力を有することを特徴とする炭素鋼線材。
  2. 請求項１記載の炭素鋼線材を製造するにあたり、最終湿式伸線工程において、炭素含有量が０．５０〜１．１０質量％で、かつパーライト組織を有する炭素鋼線材を各ダイスで伸線加工する際、ダイス抗力とダイスの出口線径とからなる次式、
    係数Ａ＝（ダイス抗力（ｋｇｆ）／ダイス出口線径（ｍｍ）２）
    で表される係数Ａが９５を超えるダイスの個数が２個以下であり、最終湿式伸線工程にて２．５を超える加工歪εを加えることを特徴とする炭素鋼線材の製造方法。
  3. 最終湿式伸線工程において、すべてのダイスについて係数Ａが９０以下である請求項２記載の製造方法。
  4. 炭素鋼線材の延性を評価するにあたり、該炭素鋼線材の長手方向に直交する断面（クロス断面）の表層部における硬度と、長手方向の断面（ロング断面）の表層部における硬度との比を表す係数Ｘ（クロス断面表層部硬度／ロング断面表層部硬度）、および前記クロス断面の中心部における硬度と、前記ロング断面の中心部における硬度との比を表す係数Ｘ（クロス断面中心部硬度／ロング断面中心部硬度）が次式、
    ０．９＜係数Ｘ（クロス断面表層部硬度／ロング断面表層部硬度）≦１．１０
    ０．９＜係数Ｘ（クロス断面中心部硬度／ロング断面中心部硬度）≦１．１０
    で表される関係を満足するか否かで延性を評価することを特徴とする炭素鋼線材の延性評価方法。
JP2010535856A 2008-10-30 2009-10-30 高強度で延性および耐疲労性に優れた炭素鋼線材、その製造方法および評価方法 Active JP5523332B2 (ja)

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