JP6687112B2 - 鋼線 - Google Patents
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Description
本願は、2016年07月14日に、日本に出願された特願2016−139744号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
しかしながら、一般に、高強度の鋼線ほど鋼線のねじり試験においてデラミネーションと呼ばれる縦割れが発生しやすくなる。すなわち、高強度の鋼線ほど優れたねじり特性を満足することが困難となる。
しかしながら、デラミネーションは、鋼線の長手方向のうち、最も弱い点から発生すると考えられる。そのため、特定の横断面の表層硬度を制御するだけでは、確実にデラミネーションを抑制することは困難である。
しかしながら、特許文献3では、デラミネーションについては検討されているものの、捻回値については検討されていない。
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。
σHV < (−9500×ln(D)+30000)×exp(−0.003×Rp0.2)・・・(a)
先ず本実施形態に係る鋼線における化学組成(成分組成)の限定理由について説明する。以下、各化学成分について用いられる%は、全て質量%を意味する。
Cは、セメンタイト分率を増加させるとともに、パーライトのラメラー間隔を微細化させることによって、鋼線の高強度化に寄与する元素である。C含有量が0.75%未満では、主要な組織としてパーライトを作りこむことが困難となる。そのため、C含有量は0.75%以上とする。好ましくは0.77%以上、より好ましくは0.80%以上である。一方、C含有量が1.10%を超えると、鋼線の素材となる線材に初析セメンタイトが析出して、線材の延性が悪化する。この場合、線材から鋼線を製造する際の伸線加工が困難となると共に、鋼線の延性も劣化する。そのため、C含有量を1.10%以下とする。好ましくは1.05%以下、より好ましくは1.00%以下である。
Siは、脱酸元素であるとともに、フェライトの固溶強化元素である。Si含有量が0.10%未満では熱処理時の十分な焼入れ性が確保出来なくなる。また、鋼線に亜鉛めっきを行う場合には、合金層の制御が困難となる。そのため、Si含有量を0.10%以上とする。好ましくは0.12%以上、より好ましくは0.15%以上である。一方、Si含有量が過剰になると、加熱時の脱炭が促進され、メカニカルデスケーリング性が悪化する。また、パテンティング時に非パーライト組織が増加する。そのため、Si含有量を、1.40%以下とする。好ましくは1.30%以下、より好ましくは1.25%以下である。
Mnは脱酸元素であって、かつ鋼の焼入れ性を向上させる元素である。Mn含有量が0.10%未満であると熱処理時の十分な焼入れ性が確保出来ない。そのため、Mn含有量を0.10%以上とする。好ましくは0.20%以上であり、より好ましくは0.30%以上である。一方、Mn含有量が1.0%を超えると、パーライト変態が遅延し、所望のミクロ組織を得ることが困難となる。そのため、Mn含有量を1.0%以下とする。好ましくは0.90%以下、より好ましくは0.80%以下である。
また、不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石若しくはスクラップ等のような原料から、又は製造工程の種々の環境から混入する成分であって、鋼の特性に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
Alは脱酸元素として有効な元素である。この作用を得る場合、Al含有量を0.001%以上とすることが好ましい。より好ましくは0.005%以上、さらに好ましくは0.010%以上である。一方、Al含有量が過剰になると、粗大な硬質介在物が生成する。この場合、伸線加工性が低下する上、連続鋳造での安定性が低下する。そのため、含有させる場合でも、Al含有量を0.10%以下とする。好ましくは0.080%以下、より好ましくは0.070%以下である。
Tiは脱酸元素として有効であるとともに、鋼中のNを固定して伸線加工性を向上させる作用がある元素である。さらに、Tiは、Ti(C,N)として析出して、ピニング粒子として機能し、オーステナイト粒の微細化に寄与する元素である。これらの作用を得る場合、Ti含有量を0.001%以上とすることが好ましい。より好ましくは0.005%以上、さらに好ましくは0.010%以上である。一方、Ti含有量が過剰になると、鋳造段階で粗大なTiNが生成し、伸線加工性が低下する。そのため、含有させる場合でもTi含有量を0.10%以下とする。好ましくは0.03%以下、より好ましくは0.025%以下とする。
Crは焼入れ性向上元素である。またCrはパーライトのラメラー間隔を微細化することによって鋼線の強度を向上させる元素である。これらの効果を得る場合、Cr含有量を0%超とすることが好ましい。より好ましくは、0.05%以上である。一方、Crはセメンタイトの安定化元素である。そのため、Cr含有量が過剰になると、パーライト変態が終了するまでの時間が長くなるばかりでなく、初析セメンタイトが生成され易くなる。また、メカニカルデスケーリング性が悪化する。そのため、含有させる場合でも、Cr含有量を0.60%以下とする。好ましくは0.50%以下、より好ましくは0.40%以下とする。
Vは焼入れ性向上元素であるとともに、オーステナイト域で炭窒化物として析出すればオーステナイト粒微細化に寄与し、フェライト域で析出すれば鋼線の強化向上に寄与する元素である。これらの効果を得る場合、V含有量を0%超とすることが好ましい。より好ましくは、0.05%以上である。
一方、V含有量が過剰になるとパーライト変態終了までの時間が長くなり、求められる金属組織の作りこみが困難となるだけではなく、炭窒化物の析出強化により鋼線のねじり特性が低下する。そのため、含有させる場合でもV含有量を0.10%以下とする。好ましくは0.085%以下、より好ましくは0.070%以下とする。
Nbは焼入れ性向上元素であるとともに、その炭窒化物がピニング粒子として作用することによって、オーステナイト粒径の微細化に寄与する元素である。これらの効果を得る場合、Nb含有量を0%超とすることが好ましい。より好ましくは、0.003%以上である。
一方、Nb含有量が過剰になると、パーライト変態終了までの時間が長くなり、求められる金属組織の作りこみが困難となる。そのため、含有させる場合でもNb含有量を0.10%以下とする。好ましくは0.04%以下、より好ましくは0.03%以下とする。
Moは鋼の焼入れ性を向上させる元素であるとともに、ソリュートドラッグによりオーステナイト粒径の微細化に寄与する元素である。これらの効果を得る場合、Mo含有量を0%超とすることが好ましい。より好ましくは、0.03%以上である。
一方、Mo含有量が過剰になると、パーライト変態終了までの時間が長くなり、求められる金属組織の作りこみが困難となる。そのため、含有させる場合でも、Mo含有量を0.20%以下とする。好ましくは0.10%以下、より好ましくは0.07%以下とする。
Wは鋼の焼入れ性を向上させる元素である。この効果を得る場合、W含有量を0%超とすることが好ましい。より好ましくは、0.06%以上である。
一方、W含有量が過剰になると、パーライト変態終了までの時間が長くなり、求められる金属組織の作りこみが困難となる。そのため、含有させる場合でも、W含有量を0.50%以下とする。好ましくは0.20%以下、より好ましくは0.10%以下とする。
Bは、固溶状態で粒界に偏析してフェライトの生成を抑制することによって伸線加工性を向上させる元素である。また、Bは、BNとして析出することによって固溶N量を低下させる作用を有する元素である。これらの効果を得る場合、B含有量を0%超とすることが好ましい。より好ましくは、0.0003%以上である。
一方、B含有量が過剰になると、粒界にM23(C,B)6の炭化物が析出し、伸線加工性が低下する。そのため、含有させる場合でも、B含有量を0.0030%以下とする。好ましくは0.0025%以下である。
Nは、鋼中に固溶状態で存在すれば、鋼線のねじり特性を劣化させる上、伸線加工中のひずみ時効により伸線加工性を低下させる元素である。そのため、Nは出来るだけ低減させるべき元素である。N含有量が0.0060%を超えると、鋼線表面の硬度ばらつきが大きくなり、本実施形態で規定する範囲を満たせなくなる。そのため、N含有量を0.0060%以下に制限する。好ましくは0.0040%以下である。N含有量は少ない方が好ましいが、0.0010%未満にN含有量を制御することは、実製造ではコストが著しく増加し、かつその他の不純物の制御に影響を及ぼす。そのため、実製造を考慮すると、N含有量を0.0010%以上としてもよい。
Pは、フェライトの固溶強化に寄与する元素である。しかしながら、同時に、Pは鋼の延性を大幅に低下させる元素でもある。特に、P含有量が0.030%を超えると、延性の低下に伴って線材から鋼線に伸線加工する際の伸線加工性の低下が著しくなる。したがってP含有量は、0.030%以下に制限する。好ましくは0.020%以下、より好ましくは0.012%以下に制限する。
P含有量は少ない方が好ましいが、0.003%未満にP含有量を制御すると、コストが著しく上昇する。そのため、実製造を考慮すると、P含有量を0.003%以上としてもよい。
Sは、赤熱脆性を引き起こす元素であるとともに、鋼の延性を低下させる元素である。S含有量が0.030%を超えれば、延性の低下が著しくなる。そのため、Sの含有量は0.030%以下に制限する。好ましくは0.020%以下、より好ましくは0.010%以下に制限する。
S含有量は少ない方が好ましいが、0.003%未満にS含有量を制御すると、コストが著しく上昇する。そのため、実製造を考慮すると、S含有量を0.003%以上としてもよい。
本実施形態に係る鋼線においては、化学組成を前述のように調整すると同時に、金属組織を適切な組織とすることが、ねじり特性向上のために有効である。
しかしながら、これらの組織の面積率が高くなると、鋼線の硬度ばらつきが増大し、ねじり特性が低下する。そのため、前記のように鋼線のL断面の内部領域で伸線パーライトを90%以上に確保した上で、鋼線の表層領域の金属組織における伸線パーライトを、面積率で70%以上、好ましくは85%以上とする。本実施形態において、鋼線の表層領域とは、鋼線の表面から深さが100μmまでの領域を意味する。すなわち、鋼線のL断面において、鋼線の表面から深さ100μmまでの領域が表層領域、それよりも軸線側(中心側)の領域が内部領域である。
また、表層領域の伸線パーライトの面積率は、前記L断面の、表面から深さが100μmまでの領域内の伸線パーライトの平均面積率とする
L断面の表層領域(表面から深さ50μmの位置)、1/4×D(表面から鋼線の直径Dの1/4深さの位置)、1/2×D(表面から鋼線の直径Dの1/2深さの位置)において、光学顕微鏡を用いて倍率2000倍で各5視野観察し、観察した視野の組織写真を撮影する。撮影された写真の非パーライト組織をマーキングして画像解析を行い、パーライト面積率を測定する。ここで、フェライトのみの領域、フェライト地にセメンタイトが粗大に散乱しているような組織は非パーライト組織であると判断する。また、パーライト粒の軸方向の最大長さとその垂直方向の最大厚みとの比率(軸方向最大長さ/軸に垂直方向の最大厚み)、すなわちアスペクト比が1.05以上のパーライトを伸線パーライトであると判断する。
表層領域(表面から50μmの位置)の組織写真から得られた伸線パーライトの面積率を平均した値を、表層領域における伸線パーライトの面積率とする。
また、1/4×D、1/2×Dの組織写真から得られた伸線パーライトの面積率を平均した値を、L断面の内部領域での伸線パーライトの面積率とする。
鋼線表面の硬度は、ねじり変形時の流動応力(flow stress)に影響すると考えられる。すなわち、鋼線表面の硬度にばらつきが生じれば、ねじり変形を加えた際に加わるひずみが不均一となる。この不均一さが、デラミネーションが発生したり、少ないねじり回数で破断が生じる(捻回値が低下する)原因となると考えられる。本発明者等が実験及び検討を重ねた結果、鋼線表面のビッカース硬さHVのばらつきとして標準偏差(σHV)を用いた場合、鋼線の直径(D[mm])及び降伏強度(Rp0.2)に応じて、σHVが下記(1)式を満たせば、ねじり変形が加えられた際のデラミネーションの発生及び捻回値の低下を確実に抑制し得ることを見出した。
σHV <(−9500×ln(D)+30000)×exp(−0.003×Rp0.2)・・・(1)
そこで、本実施形態に係る鋼線では、鋼線表面のビッカース硬さHVの標準偏差σHVが、(1)式を満たすことを規定した。ここで、鋼線表面のビッカース硬さの標準偏差は、1点/mm2以上の密度で500mm2以上の面積に対して得られた硬度分布から算出することが好ましい。
すなわち、ポータブルロックウェル硬さ試験機を用いて鋼線の表面に対し荷重5kgfで垂直に圧子を打ち込み、硬度を測定する。その際、鋼線の周方向、長手方向に対し1mm以内の間隔で、800点以上の打痕を行う。得られた硬度をビッカース硬さに換算し、換算した値に基づいて標準偏差(σHV)を求める。
本実施形態では、硬度がロックウェル硬度のままであると、ばらつきの数値の分解能が低いので、換算表からビッカース硬さに換算した値を用いる。
鋼線が亜鉛めっきを施されているものについては、インヒビターを入れた塩酸に浸漬することによって亜鉛めっき層を剥離した後、前述と同様に硬度ばらつきを測定すればよい。
引張強度TSが1770MPa以上の高強度鋼線では、デラミネーションが発生し易い。そのため、本実施形態では引張強度TSが1770MPa以上の高強度鋼線を対象とする。本実施形態に係る鋼線の引張強度の上限は特に限定されないが、製造容易性の観点から、引張強度の上限は2450MPa程度であってもよい。
本実施形態に係る鋼線では、ねじり特性として、デラミネーションが発生せずかつ捻回値が20回以上であることを目標とする。
鋼線のねじり特性は、鋼線の両端をチャッキングして片側を回転させるねじり試験を行い、そのねじり回数とトルクとを測定することで求める。ねじり試験においてチャッキングの間隔は100×D(Dは線径[mm])とし、ねじり速度は20rpmとする。
図3に示すように、デラミネーションと呼ばれる縦割れが発生すると、トルクが低下する。そのため、トルクを測定することでデラミネーションの発生の有無が判断できる。また、破面の形態からデラミネーションの発生が確認できる。
本実施形態では、デラミネーションが発生するまでのねじり回数、あるいはデラミネーションが発生せずに破断に至った場合には破断までのねじり回数を捻回値とする。
橋梁ケーブル、PC鋼線等に用いられる鋼線は、表面に亜鉛めっきを施して使用されることが多く、またACSR(Aluminium Conductors Steel Reinforced)等の電力用途などに用いられる鋼線は、表面にAlやCuなどが被覆された状態で使用されることが多い。
本実施形態に係る鋼線を製造するためには、前述の成分組成条件を満たす鋼材を素材として、例えば以下の工程を含む製造方法を適用すればよい。
鋼線の化学組成や金属組織、鋼線表面の硬度ばらつきの各条件が上記で規定する範囲内であれば、製造方法によらず効果が得られる。したがって、下記に例示するプロセス以外のプロセスを適用して、化学組成、金属組織、鋼線表面の硬度ばらつきの各条件が上記で規定する範囲内である鋼線が得られた場合、その鋼線は本実施形態に係る鋼線に相当することはいうまでもない。
次いで、保定後の熱延鋼材を480℃以上、580℃以下の温度に保持された溶融ソルトに直接浸漬を行う。あるいは、熱延鋼材を衝風冷却により室温程度まで冷却した後、A3点以上(オーステナイト領域)の温度まで加熱を行った後、480℃以上、600℃以下の溶融鉛に浸漬する。鋼材のA3点は公知の文献、例えば「講座・現代の金属学 材料編4 鉄鋼材料」,p.43等に記載されている回帰式から求めることができる。
伸線速度が、30m/min超であると、摩擦発熱が大きくなり、鋼線の温度が上昇する。その結果、σHVが大きくなることが懸念される。一方、伸線速度が5m/min未満であると潤滑剤の引き込み量が低下する。潤滑剤の引き込み量が低下すると、焼付きが発生したり、加工発熱量が増加して線材の温度が上昇し、σHVが大きくなることが懸念される。
また、最終パス(スキンパス伸線)の減面率が、10.0%超では硬度ばらつきを抑制する効果が十分に得られない。一方、減面率が2.0%未満では均一に表面を加工することが難しくなる。
鋼線の引張試験は、JIS G3521に記載の方法に準拠し、チャック間距離200mm、評点間距離50mm、引張速度10mm/minの条件で行い、引張強度TS、降伏強さYS(0.2%耐力Rp0.2)を測定した。
L断面の表層領域(表面から深さ50μmの位置)、1/4×D(表面から鋼線の直径Dの1/4深さの位置)、1/2×D(表面から鋼線の直径Dの1/2深さの位置)において、光学顕微鏡を用いて倍率2000倍で各5視野観察し、観察した視野の組織写真を撮影した。撮影された写真の非パーライト組織をマーキングして画像解析を行い、伸線パーライト面積率を測定した。その際、フェライトのみの領域、フェライト地にセメンタイトが粗大に散乱しているような組織は非パーライト組織であると判断した。また、パーライト粒の軸方向の最大長さとその垂直方向の最大厚みとの比率(軸方向最大長さ/軸に垂直方向の最大厚み)、すなわちアスペクト比が1.05以上のパーライトを伸線パーライトであると判断した。
表層領域の組織写真から得られた各視野の伸線パーライト面積率を平均した値を、L断面の表層領域における伸線パーライトの面積率とした。
また、1/4×D、1/2×Dの組織写真から得られたパーライト面積率を平均した値を、L断面の内部領域での伸線パーライトの面積率とした。
鋼線表面の硬度の測定は、ポータブルロックウェル硬さ試験機で行った。鋼線の表面に対し荷重5kgfで垂直に圧子を打ち込み、硬度を測定した。硬度は、鋼線の周方向、長手方向に対し1mm以内の間隔で、800点以上の打痕を行って求めた。図1に、圧子を打ち終えた鋼線の鋼線表面の外観写真の一例を示す。
得られた各硬度をビッカース硬さに換算し、換算した値から標準偏差(σHV)を求めた。
また引張試験で得られた降伏強さの値と線径(鋼線の直径)とから、前記(1)式の右辺に相当する標準偏差の閾値をもとめた。そして、これらの値を比較することにより鋼線表面の硬度のばらつきを評価した。
また、鋼線が亜鉛めっきを施されているものについては、インヒビターを入れた塩酸に浸漬することによってめっき層を剥離し、前述と同様に硬度ばらつきを測定した。
各鋼線のねじり特性の評価は、JIS G 3521のねじり試験方法に準拠して鋼線の両端をチャッキングして片側を回転させるねじり試験を行い、そのねじり回数とトルクとを測定することによって行った。また、破面の形態についても確認した。ねじり試験においてチャッキングの間隔は100×D(Dは線径[mm])とし、ねじり速度は20rpmとした。
デラミネーションが発生するまでのねじり回数、あるいはデラミネーションが発生せずに破断に至った場合には、破断までのねじり回数を捻回値とし、デラミネーションが発生せずかつ捻回値が20回以上である場合に、ねじり特性に優れると判断した。
Claims (3)
- 鋼線であって、
化学組成が、質量%で、
C:0.75〜1.10%、
Si:0.10〜1.40%、
Mn:0.10〜1.0%、
Al:0〜0.10%、
Ti:0〜0.10%、
Cr:0〜0.60%、
V:0〜0.10%、
Nb:0〜0.10%、
Mo:0〜0.20%、
W:0〜0.50%、
B:0〜0.0030%、
を含有し、
N:0.0060%以下、
P:0.030%以下、
S:0.030%以下、
に制限され、
残部はFe及び不純物からなり、
前記鋼線の軸線を含む軸方向に沿ったL断面の前記鋼線の表面から100μmの深さよりも軸線側の領域において、金属組織が、面積率で、90%以上の伸線パーライトを含み、
前記L断面の前記鋼線の前記表面から100μmの深さまでの領域において、金属組織が、面積率で、70%以上の前記伸線パーライトを含み、
前記鋼線の直径を単位mmでD、前記鋼線の前記表面のビッカース硬さの標準偏差をσHV、前記鋼線の降伏強度を単位MPaでRp0.2と定義した場合に、下記の(1)式を満たし、
引張強度が1770MPa以上である
ことを特徴とする鋼線。
σHV < (−9500×ln(D)+30000)×exp(−0.003×Rp0.2)・・・(1) - 前記化学組成が、質量%で、
Al:0.001〜0.10%、
Ti:0.001〜0.10%、
Cr:0%超、0.60%以下、
V:0%超、0.10%以下、
Nb:0%超、0.10%以下、
Mo:0%超、0.20%以下、
W:0%超、0.50%以下、
B:0%超、0.0030%以下、
からなる群から選択される一種以上を含有する
ことを特徴とする請求項1に記載の鋼線。 - 前記鋼線の表面上に、Zn、Al、Cu、Sn、Mg、Siのいずれか一種以上を含む被覆層を有することを特徴とする請求項1または2に記載の鋼線。
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