JP6497156B2

JP6497156B2 - 導電性に優れた鋼線材

Info

Publication number: JP6497156B2
Application number: JP2015060540A
Authority: JP
Inventors: 敏之真鍋; 大藤　善弘; 善弘大藤; 大輔平上
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2019-04-10
Anticipated expiration: 2035-03-24
Also published as: JP2016180147A

Description

本発明は、ＡＣＳＲや各種ロープに用いられる導電性に優れた鋼線材に関する。

鋼芯アルミニウムより線（ＡｌｕｍｉｎｕｍＣｏｎｄｕｃｔｏｒＳｔｅｅｌ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃａｂｌｅ、以下「ＡＣＳＲ」）用の線材は、従来アルミワイヤのテンションメンバとしての役割が強く、パーライト鋼を伸線し亜鉛めっきを施したワイヤや、ワイヤの耐食性を向上させるために表層にアルミを施したアルミクラッド線を伸線したワイヤが用いられている。

ＡＣＳＲの送電効率向上には、鋼芯部を軽量化し、アルミニウム断面積の増やすこと、鋼線自体の電気抵抗を低減させることなどがある。例えば、鋼芯部の軽量化の観点からは特許文献１において、芯線を炭素繊維とすることで比重を軽量化させる方法が開示されている。また、鋼線自体の電気抵抗の低減の観点からは特許文献２においては、Ｃ，Ｓｉ、Ｍｎの含有量を少量に規定し電気伝導性を向上させる方法が開示されている。

特開２００１−１７６３３３号公報特開２００３−２２６９３８号公報

前述の特許文献１で開示された技術は、炭素繊維であるため鋼に比べて単価が高い。また、特許文献２で開示された技術は、合金元素の含有量を低下させているため鋼芯部のテンションメンバとしての強度を担保することが難しい。

本発明は、上記事情に着目してなされたものであって、導電率が高く良好な強度を有する鋼線材を提供することを課題とする。

本発明者らは、ＡＣＳＲ用の鋼線材として良好な導電率を得るためのパーライト組織の因子を検討し、パーライト中での導電率は、パーライト組織のラメラーフェライト中の固溶元素を低減させること、パーライト中のラメラーセメンタイトを分断させるように制御することで、向上することを知見した。中でも有効であったフェライトに濃化するＳｉ含有量を低減させ、次いでＭｎ、Ｃｒの様なラメラーセメンタイトに濃化し易い元素を出来る限り濃化させ、更にＮの様な侵入型元素の含有量を低減させ、且つ前述のラメラーセメンタイトの分断状態を制御することで、ＡＣＳＲの鋼芯部として必要とされる強度範囲で導電率を向上させ、本発明を完成するに至った。本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は次のとおりである。

［１］鋼成分が質量％で、
Ｃ：０．４０〜０．７０％、
Ｓｉ：０．０２〜０．１５％、
Ｍｎ：０．１０〜０．６０％、
を含有すると共に、
Ｎ：０．０１０％以下、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０３％以下
に制限し、
Ａｌ：０．００１〜０．０７％またはＴｉ：０．００２〜０．０５％のいずれか一方を含有し、
残部はＦｅおよび不可避不純物から成り、
断面内の金属組織が８０％以上のパーライト組織で、且つ２０％以下のフェライト組織を含み、
前記パーライト組織の平均ラメラー間隔が１００〜１７０ｎｍであり、更に前記パーライト中のラメラーセメンタイトの平均長さが１．５μｍ以下であることを特徴とする、導電性に優れた鋼線材。

［２］更に、鋼成分が質量％で、
Ｃｒ：０．０１〜０．７％、
Ｖ：０超〜０．１％以下、
Ｎｂ：０超〜０．０５％以下、
Ｍｏ：０超〜０．２％以下、
Ｂ：０．０００３〜０．００３％
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、前記［１］に記載の導電性に優れた鋼線材。

［３］更に、引張強さＴＳが６５０ＭＰａ以上で、且つ引張強さＴＳと電気抵抗［μΩ・ｃｍ］との関係が、下式（１）を満たすことを特徴とする前記［１］、［２］に記載の導電性に優れた鋼線材。
電気抵抗［μΩ・ｃｍ］≦０．００３３×ＴＳ［ＭＰａ］＋１４．３・・・（１）

本発明によれば、導電率が高く、良好な強度を有する鋼線材を提供できる。

以下、本発明について説明する。

まず、本発明に係る鋼線材の化学成分について説明する。化学成分の単位は質量％である。

（Ｃ：０．４０〜０．７０％）
Ｃはセメンタイト分率を増加させると共に、パーライト組織のラメラー間隔を微細化させて強度を増す効果がある。０．４０％未満では、本発明で規定する強度を満足するパーライト組織を作りこむことが困難となる。０．７０％を超えると導電率が低下するため、上限を０．７％とする。

（Ｓｉ：０．０２〜０．３５％）
Ｓｉは、固溶強化によって鋼材の強度を高めるのに有効な成分であり、また脱酸剤としても必要な成分である。しかし、Ｓｉの含有量が０．０２％未満ではＳｉの添加効果が十分でない。一方、Ｓｉはパーライト組織中において、フェライト中に分配することで電気抵抗率を高める効果が大きく、０．３５％を超えて含有させると電気抵抗率を顕著に低下させる。よってＳｉの含有量は０．０２〜０．３５％と定める。より低い電気抵抗率を得るためには、Ｓｉ含有量を０．２５％以下にすることが好ましい。より好ましくは０．１５％以下である。また、Ｓｉの含有量が少ない場合は亜鉛めっき時の合金層の成長が助長され、ワイヤの疲労特性が低下するため、亜鉛めっきを前提とする場合、Ｓｉ含有量の下限値を、好ましくは０．０５％以上とする。

（Ｍｎ：０．１０〜０．９０％）
Ｍｎは脱酸元素であるとともに、鋼中のＳをＭｎＳとして固定し熱間脆性を防止する作用を有する成分である。しかし、Ｍｎ含有量が０．１０％未満では前記作用による効果が十分でない。また、Ｍｎは、パテンティング時の焼入れ性を向上させフェライト組織率を低減させると共に強度を増す効果があるが、鋼の導電率を低下させる。従って、Ｍｎの上限を０．９０％とする。また、鋼の焼入れ性を十分担保すると共に、導電率も確保するためには、Ｍｎの含有量の上限を、好ましくは０．７５％以下、更に好ましくは０．６０％以下とする。

本発明においては、更に、不純物であるＮ、Ｐ、Ｓの含有量を下記の通りに規制する。

（Ｎ：０．０１０％以下）
Ｎは、冷間加工時のひずみ時効により延性を低下させると共に、特に０．０１０％を超えると線材段階での延性も低下させると共に導電率も低下する。したがって、Ｎ含有量を０．０１０％以下に規制する。より好ましくは０．００８％以下、更に好ましくは０．００５％以下とする。

（Ｐ：０．０３％以下）
Ｐは、フェライトの固溶強化に寄与するが、同時に延性を大幅に低下させる。特に、Ｐ含有量が０．０３％を超えると伸線加工性の低下が著しくなる。したがって、Ｐ含有量は０．０２％以下に規制する。より好ましくは０．０１２％以下である。

（Ｓ：０．０３％以下）
Ｓは、赤熱脆性を引き起こす元素であると共に、延性を低下させる元素である。Ｓ含有量が０．０３％を超えるとワイヤの延性の低下が著しくなることから、Ｓの含有量を０．０２％以下に規制する。より好ましくは０．０１％以下である。

本発明線材は、上記元素の他、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ及び、Ｂの１種または２種以上の元素を、本発明に係る鋼線材の特性を阻害しない範囲で適宜の量を含有してもよい。

（Ｃｒ：０．０１％〜０．７％以下）
Ｃｒは、焼入れ性向上元素であるとともに、パ−ライトのラメラ間隔を小さくして線材の引張強さを高める元素である。この効果を得るためには、０．０１％以上の含有量が必要である。より好ましくは０．０２％以上である。一方で、Ｃｒの分配が起こり難いパテンティング条件では、導電率が低下するため、その上限を０．７％とする。

（Ａｌ：０．００１〜０．０７％）
Ａｌは脱酸元素であるとともに、窒化物として窒素の固定とオーステナイト粒径の制御に有効な元素である。０．００１％未満ではこの効果が得難い。また、フェライト中で窒化物として固定されずフリーＡｌとして存在すると、導電率を低下させる。そのため、その上限値を０．０７％とする。より好ましくは０．０５％以下である。

（Ｔｉ：０．００２〜０．０５％）
Ｔｉは脱酸元素であるとともに、炭窒化物としてオーステナイト粒径の制御に有効な元素である。この効果を得るためには、０．００２％以上の添加が必要である。一方で、０．０５％を超えて添加すると、製鋼段階で粗大な窒化物が混入する可能性があると共に、パテンティング処理中に炭化物が析出し延性を低下させるため、含有量の上限を０．０５％とする。好ましくは０．０３％未満である。

（Ｖ：０．１％以下）
Ｖは焼入れ性向上元素であると共に、炭窒化物として析出し鋼材の強化向上に寄与する。過剰な添加は変態終了時間が長くなると共に、粗大な炭窒化物析出により延靭性が低下するため、その上限を１．０％とする。

（Ｎｂ：０．０５％以下）
Ｎｂは焼入れ性向上元素であるとともに、炭化物としてオーステナイト粒径の制御に寄与する元素である。一方で、含有量が０．０５％を超えると、パテンティング時の変態終了時間が長くなるため、含有量を０．０５％以下とした。より好ましくは０．００２〜０．０２％以下である。

（Ｍｏ：０．２％以下）
Ｍｏは焼入れ性を向上させフェライト組織率を低減させる元素である。過剰な添加は変態終了時間が長くなるため、０．２％を上限とする。

（Ｂ：０．０００３〜０．００３％）
Ｂは焼入れ性向上元素であるとともに、フェライト相の生成を抑制しパーライト組織率を向上させる。この効果を得るためには、Ｂを０．０００３％以上の含有量とする必要がある。一方で、含有量が０．００３％を超えると、パテンティング段階での過冷オーステナイト状態でオーステナイト粒界上にＭ_２３（Ｃ，Ｂ）_６を析出させ、ワイヤの延性を阻害する。以上のことから、Ｂの含有量を０．０００３〜０．００３％とする。より好ましくは０．００２％以下である。

本発明における金属組織は、パーライトを主体とするが、その鋼線材の引張強さとして、６５０ＭＰａ以上、好ましくは７００ＭＰａ以上にすることを目標とする。当該強度を得るため、フェライト組織率が２０％以下であると共に、パーライトの平均ラメラー間隔は１７０ｎｍ以下である必要がある。また、パーライト組織が８０％未満、パーライトの平均ラメラー間隔が１００ｎｍ未満となる様な金属組織では、フェライトおよびパーライト以外の残部組織である軟質なベイナイト組織が混在して目標強度が得られなくなるため、パーライト組織率を８０％以上、平均ラメラー間隔の下限を１００ｎｍとする。

また、本発明では、鋼線材の導電率と強度の両立がその特徴であり、従来よりも導電率を向上させるためには、パーライトのセメンタイトの平均長さを１．５μｍ以下に分断させることが必要であるため、パーライト中のラメラーセメンタイトの平均長さを１．５μｍ以下とする。

本発明においては、ＡＣＳＲとしての鋼線材の強度と導電率とを両立させるという観点で、線材の引張強さ（ＭＰａ）と、電気抵抗率(μΩ・ｃｍ)の関係を、（１）式の範囲とする。

電気抵抗ρ［μΩ・ｃｍ］≦０．００３３×ＴＳ［ＭＰａ］＋１４．３・・・（１）

以下に、上記のパーライトの平均ラメラー間隔、及びラメラーセメンタイトの平均長さを得る方法の一例を示す。なお、本発明の鋼線材の製造方法は、この製造条件に限られるものではない。

鋼を溶製した後、連続鋳造によって鋼片を製造し、熱間圧延を行う。鋳造後、分塊圧延を行ってもよい。鋼片を熱間圧延する際には、鋼片の中心部が１０００〜１１００℃になるように加熱し、仕上げ温度を９００〜１０００℃として熱間圧延する。仕上げ圧延後は水冷にて平均冷却速度を２０℃／秒以上で８００〜９２０℃に冷却し、次いで８００〜６００℃までの冷却速度を５〜１０℃／ｓでパーライト変態させ、次いで６００〜４００℃までの冷却速度を５℃／ｓ以下とする。水冷後の冷却方法は、６００〜４００℃の滞留時間が長ければ、８００〜６００℃までの平均冷却速度が１０℃／以上でも良く、例えば鉛浴やソルト浴、流動層炉を用いて変態完了させた後、再度６００〜４００℃の温度域まで加熱してもよい。なお本明細書における圧延仕上げ温度とは、仕上げ圧延直後の鋼線材の表面温度を指し、仕上げ圧延後の冷却速度は、鋼線材の中心部の冷却速度を指す。

次に、本発明の実施例について説明する。実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

表１に示す化学成分の鋼線材を、５０ｋｇ真空溶解炉で溶解した後、インゴットに鋳造した。当該各インゴットを１２５０℃で１時間加熱した後、仕上げ温度が９５０℃以上となるように直径１５ｍｍまで熱間鍛造した後、室温まで放冷した。この熱間鍛造材を切削加工によって直径１０ｍｍ、切断によって長さ１５００ｍｍにした。この切削加工材を窒素雰囲気中で１０５０℃、１５分加熱した後、仕上げ温度が９００℃以上になるように直径７ｍｍに熱間圧延した後、１０秒以内に低温で加熱した加熱炉内に封入し、６００℃までの平均冷却速度を６℃／ｓ、４００℃までの平均冷却速度を１℃／ｓで炉冷し、更に４００℃まで冷却後に取り出して室温まで放冷して、鋼線材を得た。

引張試験片は、鋼線材から３５０ｍｍ長さで３本サンプリングを行い、１０ｍｍ／ｍｉｎの引張速度で、常温での引張試験を行い、引張強さ（ＴＳ）を測定して、その平均値をその試験材の引張強さとした。

各条件で製造した鋼線材について、パーライトの平均ラメラー間隔を測定した。上述の各線材について、Ｌ断面を樹脂に埋め込み、鏡面に研磨をしたのち、ピクラールで腐食を行い、ＦＥ−ＳＥＭを用いて５０００〜１００００倍でパーライトノジュールが５か所以上含まれる任意の領域を１０視野分、デジタル画像を撮影した。各写真について、画像解析装置を用いて、平均ラメラー間隔を測定した。写真において、セメンタイトの部位を２値化し、水平方向・垂直方向に其々ピクセル数分の線分を引き、２値化したセメンタイトのよって区切られる線分の長さの平均を、２で除した値をパーライトの平均ラメラー間隔とした。また、２値化したセメンタイトの線分長さの平均を平均セメンタイト長さとした。

電気抵抗率測定用の試験片は、鋼線材の中心部から、３．０ｍｍ×４．０ｍｍ×６０ｍｍの直方体の試験片を採取し、温度２０℃で通常の４端子法によって、電気抵抗率を測定した。

表２から、本発明で規定する条件から外れた試験番号Ｏ〜Ｓの場合には、前記した少なくとも１つの特性が目標とする値に達していない。それに対し、本発明で規定する条件をすべて満たす試験番号Ａ〜Ｎは、前記したすべての特性が目標とする値に達している。なお、試験番号Ｃ、Ｄ及びＭは参考例である。

試験番号Ｏは、Ｃの成分範囲が外れたことにより鋼線材の強度が目的の範囲を外れ、試験番号Ｐ〜ＳはＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎの成分範囲がそれぞれ外れたことにより、電気抵抗率が目的の範囲を外れた。

Claims

鋼成分が質量％で、
Ｃ：０．４０〜０．７０％、
Ｓｉ：０．０２〜０．１５％、
Ｍｎ：０．１０〜０．６０％、
を含有すると共に、
Ｎ：０．０１０％以下、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０３％以下
に制限し、
Ａｌ：０．００１〜０．０７％またはＴｉ：０．００２〜０．０５％のいずれか一方を含有し、
残部はＦｅおよび不可避不純物から成り、
断面内の金属組織が８０％以上のパーライト組織で、且つ２０％以下のフェライト組織を含み、
前記パーライト組織の平均ラメラー間隔が１００〜１７０ｎｍであり、更に前記パーライト中のラメラーセメンタイトの平均長さが１．５μｍ以下であることを特徴とする、導電性に優れた鋼線材。
更に、鋼成分が質量％で、
Ｃｒ：０．０１〜０．７％、
Ｖ：０超〜０．１％以下、
Ｎｂ：０超〜０．０５％以下、
Ｍｏ：０超〜０．２％以下、
Ｂ：０．０００３〜０．００３％
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、請求項１に記載の導電性に優れた鋼線材。
更に、引張強さＴＳが６５０ＭＰａ以上で、且つ引張強さＴＳと電気抵抗［μΩ・ｃｍ］との関係が、下式（１）を満たすことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の導電性に優れた鋼線材。
電気抵抗［μΩ・ｃｍ］≦０．００３３×ＴＳ［ＭＰａ］＋１４．３・・・（１）