JP5870852B2

JP5870852B2 - 捻回特性に優れる溶融亜鉛めっき鋼線の製造方法

Info

Publication number: JP5870852B2
Application number: JP2012123297A
Authority: JP
Inventors: 敏之真鍋; 真吾山崎; 大輔平上
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2032-05-30
Also published as: JP2013249492A

Description

本発明は、橋梁や、繋留索、送配電用電線用などに用いる引張強さが１９６０ＭＰａ以上の高強度亜鉛めっき鋼線に関する。

ワイヤーロープなどの構造用部材は、パーライト鋼線材を伸線して亜鉛めっき処理を施した、亜鉛めっき鋼線を撚り加工または結束して製造される。これら自重による死荷重低減、工期短縮の観点から、高強度化が求められている。しかしながら、亜鉛めっき鋼線を高強度化するほど、製造過程でねじり変形が加わった際に縦ワレ（デラミネーション）が発生し易くなり、一度縦ワレが発生すると部材としての疲労強度や遅れ破壊特性が顕著に劣化することが知られているため、高強度で且つデラミネーションが発生しない亜鉛めっき鋼線の開発が求められている。

鋼線の耐デラミネーション特性を向上させる技術としては、鋼材の脆化因子である鋼中の窒素量を低減することが有効であることが知られており、例えば特許文献１では、鋼線中の固溶N量を１０ｐｐｍ以下に制御することでデラミネーションの発生しない高強度亜鉛めっき鋼線が製造できることが開示されている。しかしながら、実施例では鋼線をめっきせずにブルーイングを行うことで線径が４．９ｍｍで強度が２１６ｋｇｆ／ｍｍ^２の鋼線が出来ることを開示しており、実際の亜鉛めっき鋼線とは製造条件が異なる。

上記のデラミネーションに関する評価では、一般的に１００ｄ（ｄ：外径［ｍｍ］）の標点長さのワイヤで、２０〜６０ｒｐｍの捻り速度で試験を行う。図１に溶融亜鉛めっきワイヤの捻回試験時のトルクカーブの挙動の一例を示す。めっきワイヤの捻回試験では、捻りの初期段階で発生した縦ワレが伝播する過程が起こることは少なく、縦ワレ発生と同時に破断に至ることが多い。更に、溶融亜鉛めっき処理を施したワイヤの場合、ねじり初期でトルクカーブ上では縦ワレが発生せず、規定回数まで捻れていても、ねじり回数の少ないワイヤでは、捻り試験後の破面に縦ワレを伴うことが多い。当該縦ワレは破断直前に発生したものと推測される。ワイヤの捻回特性向上および構造物の安全性確保のためには、ねじり初期に起こるデラミネーション以外にも、これらの製造上では比較的起こり難いと考えられる上記縦ワレに対しても注意を払う必要がある。

特開平９−８７８０３号公報

本発明は、上記の事情に着目してなされたものであって、線径が４．０ｍｍ〜７．０ｍｍで１９６０ＭＰａ以上の高強度の溶融亜鉛めっきワイヤでも、デラミネーションの発生を抑制可能なワイヤを提供することを目的とする。

本発明者らは、高強度亜鉛めっき鋼線の捻回特性に及ぼす影響因子について種々検討を重ねた。その結果、鋼材中の水素に着目して水素が捻回特性に及ぼす影響について研究し、図３に示す引張強さ（ＭＰａ）と拡散性水素量（ｍａｓｓｐｐｍ）の関係から以下の結論を得た。

（１）線材の鋼中には、鋳造時、加熱時に水素が残存していることがある。これらは室温から２５０℃の温度域に保持することで放出される水素であり、一般的に機械的性質に悪影響をあたえる拡散性水素と呼ばれる。この水素は、伸線加工を施されることで、強固に鋼中にトラップされ、室温から２５０℃に保持を行っても抜けにくい非拡散性水素と呼ばれる状態に変化する。

（２）鋼線中にトラップされた非拡散性水素は、溶融亜鉛めっきを施されることで、特に表層部ではめっき処理の熱影響によりトラップサイトが消失することで拡散性の水素へと再度変化する。この拡散性水素が捻回試験時のねじり変形の集中に作用し、縦割れが助長されると考えられた。更に、めっきに使用される亜鉛中では、水素の拡散が非常に遅いため、鋼材中に長時間とどまることになるため、長期間ワイヤの捻回特性を低下させることになる。

すなわち、めっき鋼線中に水素が存在していると、捻回特性が劣化し、捻回特性を向上させるためには線材段階での水素量を低減させることが重要であることを見出した。

本発明は、以上の知見に基づいたものであり、その要旨とするところは、以下のとおりである。
（１）質量％で、
Ｃ：０．８〜１．０５％、
Ｓｉ：０．１５〜１．３％、
Ｍｎ：０．２５〜０．９％、
Ａｌ：０．０１〜０．０８％、
Ｎ：０．００２〜０．００６％
を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼成分である溶融亜鉛めっき鋼線の製造方法において、
前記鋼成分を有する鋼の線材をパテンティングし、２００℃以下の温度で脱水素し、伸線加工し、亜鉛めっき処理を施すことにより、鋼材部分が伸線加工されたパーライト組織を有し、拡散性水素量が０．１５質量ｐｐｍ以下である溶融亜鉛めっき鋼線とすることを特徴とする捻回特性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼線の製造方法。
（２）更に、質量％で、
Ｃｒ：０．５％以下、
Ｖ：０．１％以下、
Ｎｂ：０．１％以下、
Ｍｏ：０．３％、
Ｗ：０．５％以下、
Ｂ：０．００２５％以下
よりなる群から選択される少なくとも１種類以上を含有することを特徴とする上記（１）に記載の高強度溶融亜鉛めっき鋼線の製造方法。

本発明によれば、線径が４．０ｍｍ〜７．０ｍｍで１９６０ＭＰａ以上の高強度の溶融亜鉛めっきワイヤでも、デラミネーションの発生を抑制することができるという顕著な効果を奏する。

溶融亜鉛めっき鋼線の捻回試験時のトルクカーブの挙動の一例を示す図である。線材を鋼線、めっき鋼線とした際の鋼材中の昇温脱離分析法による温度（℃）と水素放出速度（ｍａｓｓｐｐｍ／ｍｉｎ）との関係による水素放出プロファイルの変化を示す図である。実施例で作成しためっき鋼線の水素量とデラミネーション発生率の関係を示す図である。

以下に本発明に係る捻回特性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼線の限定理由について詳細に説明する。まず本発明の鋼線の成分組成の限定理由を以下に述べる。なお、成分組成の含有量の「％」は「質量％」を意味している。

Ｃ：０．８０〜１．０５％
Ｃはラメラー間隔の微細化とθ厚みの増加により強度を増す効果がある。０．８０％Ｃ未満では線材強度が低くなる。１．０５％を超えると、伸線加工性とワイヤの延性を悪化させるため、Ｃの含有量を０．８〜１．０５％とした。

Ｓｉ：０．１５〜１．３％
Ｓｉは脱酸元素であるとともに、パーライト中のフェライトの固溶強化元素であるとともに、熱処理時のラメラーセメンタイトの球状化を抑制するため、溶融亜鉛めっき処理時の強度低下を抑制する効果がある。脱酸材として必要量の下限を０．１５％と規定した。また、１．３％以上では本発明における表層の伸線パーライト組織のセメンタイトの粒状化が阻害されるため、Ｓｉの含有量を０．１５％〜１．３％とした。

Ｍｎ：０．２５〜０．９％
Ｍｎは鋼の焼入れ性を増し、パテンティング時のパーライトの変態開始時間を遅くすることでラメラー間隔を微細化する強化元素である。線材強度を高める効果を得るために０．２５％以上とし、０．９％を超えると変態が遅延し、中心偏析部ではマルテンサイトが生成し、延性が低下する可能性が高まる。そのため、Ｍｎの含有量を０．２５〜０．９％とした。

Ａｌ：０．０１〜０．０８％
Ａｌは脱酸元素として有効である。また窒化物を形成し、オーステナイト粒の粗大化を抑制する。Ａｌの含有量が０．０１％未満では、加熱時にオーステナイト粒が粗大化し、０．０８％を超えるとＡｌ_２Ｏ_３介在物による冷間加工性が低下するため、０．０８％以下とした。Ａｌは０．０１〜０．０８％としたが、０．０２〜０．０７％とすることが望ましい。

Ｎ：０．００２〜０．００６％
Ｎは、鋼中でＡｌＮを形成し、加熱時のオーステナイトの粗粒化を抑制する。この効果を得るためには０．００２％必要であり、また、添加量が多いと伸線時のひずみ時効により、伸線特性に悪影響を及ぼすため、上限を０．００６％に限定した。

以上は、本発明の効果を得るために必須の元素であるが、更に以下の元素を適量添加することにより更に所定の効果を得るものである。

Ｃｒ：０．５％以下
Ｃｒはパーライトのラメラー間隔を微細化させると共に伸線時の加工硬化率を向上させる。上記作用を活用するためには０．１％以上の添加が好ましいが、過剰な添加はパーライト変態終了時間が長くなり、マルテンサイトが生成し、伸線特性が低下するため０．５％以下とした。

Ｖ：０．１％以下
Ｖは微細な炭窒化物をフェライト中に形成し、強度上昇に寄与する。上記効果は０．０２％以上の添加が好ましい。過剰な添加は粗大な炭窒化物を形成してワイヤの延性を低下させるため、０．１％以下とした。

Ｍｏ：０．３％以下
Ｍｏは高温でのパーライト変態を抑制するため、高強度化に寄与する。上記作用を有効に発揮させるには０．０５％以上の添加が好ましい。一方、Ｍｏを過剰に添加すると変態終了時間が長くなるので、その上限値を０．３％とした。

Ｗ：０．５％以下
Ｗはパーライト変態を抑制するため、高強度化に寄与する上記作用を有効に発揮させるには０．１％以上の添加が好ましい。一方、Ｗを過剰に添加すると変態終了時間が長くなるので、その上限値を０．５％とした。

Ｎｂ：０．１％以下
Ｎｂは炭窒化物を生成することで加熱時のオーステナイト粒の粗大化を抑制する効果がある。上記作用を有効に発揮させるには０．０３％以上の添加が好ましい。一方、Ｎｂを過剰に添加すると変態終了時間が長くなるので、その上限値を０．１％とした。

Ｂ：０．００２５％以下
Ｂは固溶Ｂとしてオーステナイト中に存在する場合、粒界に偏析して初析フェライトの生成を抑制する。Ｂ添加量が多いと粒界にＦｅ_２３(Ｃ,Ｂ)_６の炭化物が析出し、延性を低下させるため含有量の上限を０.００２５％に限定した。Ｂ添加の効果を効果的に発揮させるためには０．０００４％以上とすることが望ましい。

なお、不純物であるＰとＳは特に限定しないが、各々０．０２％以下とすることが望ましい。

次に本発明で目的とする高強度亜鉛めっき鋼線の捻回特性を向上させる上で重要な鋼中の水素量の限定理由について述べる。

鋼線中の拡散性水素量：０．１５ｐｐｍ以下（０を含む）
本発明では、鋼線中の水素量は、ガスクロマトグラフを用いた昇温脱離分析法（ＴＤＳ法）によって測定される水素量と定義する。図２に示したプロファイルは、昇温脱離分析法によって昇温速度１００℃／ｈｒで加熱した際の各温度での放出量を示し、プロファイルの面積が放出された全体の水素量である。拡散性水素量とは、上述の通り、室温から２５０℃以下で放出される水素量を指す。拡散性水素量が０．１５ｍａｓｓｐｐｍを超えると、１９６０ＭＰａ以上の高強度めっき鋼線ではデラミネーション発生の危険性が高まるため、０．１５ｐｐｍを上限値とした。好ましくは０．１２ｐｐｍ以下、より好ましくは０．１０ｐｐｍ以下とする。

また、ワイヤの強度を効率良く向上させるためには、一般的にパーライト組織を伸線加工することが有効であり、本発明はこのような伸線加工されたパーライト組織の延性を改善するものである。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
表１に実施例（発明鋼）と比較鋼の化学成分を示す。表１に示した鋼種を、１３．５〜１０．５ｍｍに熱間圧延を行い、線材を製造した。表２中、ＤＬＰは熱間圧延後直接溶融塩にてパテンティングを行ったもの、ＬＰは９５０℃で１０分間加熱を行い、５６０〜５８０℃の温度で鉛パテンティングを行ったものを表す。

その後、線材に対し、室温保持若しくは加熱炉に保持処理を行うことで線材の脱水素を行った後、４．９ｍｍまで伸線を行った。その後、４５０℃の亜鉛浴に３０秒間程度浸漬を行い、１９６０〜２０６０ＭＰａの強度を有する溶融亜鉛めっきワイヤを製造した。

また、水素濃度については別途４．９ｍｍの伸線材に対し、４５０℃の鉛浴に３０秒間浸漬を行い、熱処理直後または、直後に液体窒素中に保管後、水素分析を行った。これはめっき鋼線中の水素分析はめっき剥離させることが容易でなく、昇温脱離分析により測定された水素量、プロファイルがめっき剥離後の鋼線とほぼ等しいため、簡易的に行ったものである。

捻回値は、１００ｄ（ｄ：直径［ｍｍ］）長さの評点間距離での、捻り試験時の破断までの回数とし、２０本分のサンプルの平均値とした。なお、捻り速度は２０ｒｐｍで行った。表２に製造条件、水素濃度、機械的性質を示した。

表２に示すように、サンプルＮｏ．1〜１６は本発明に係る捻回特性にすぐれた高強度亜鉛めっき鋼線であり、サンプルＮｏ．１７〜３２は比較鋼線である。サンプルＮｏ．１７〜３２の比較鋼線は何れも本発明の化学成分範囲内ではあるが、拡散性水素量が高かったため、１９６０ＭＰａの強度レベルでは捻り試験にてデラミネーションが発生した。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．８〜１．０５％、
Ｓｉ：０．１５〜１．３％、
Ｍｎ：０．２５〜０．９％、
Ａｌ：０．０１〜０．０８％、
Ｎ：０．００２〜０．００６％
を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼成分である溶融亜鉛めっき鋼線の製造方法において、
前記鋼成分を有する鋼の線材をパテンティングし、２００℃以下の温度で脱水素し、伸線加工し、亜鉛めっき処理を施すことにより、鋼材部分が伸線加工されたパーライト組織を有し、拡散性水素量が０．１５質量ｐｐｍ以下である溶融亜鉛めっき鋼線とすることを特徴とする捻回特性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼線の製造方法。
更に、前記鋼線が、質量％で、
Ｃｒ：０．５％以下、
Ｖ：０．１％以下、
Ｎｂ：０．１％以下、
Ｍｏ：０．３％、
Ｗ：０．５％以下、
Ｂ：０．００２５％以下
よりなる群から選択される少なくとも１種類以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の高強度溶融亜鉛めっき鋼線の製造方法。