JPH06306540A - 耐遅れ破壊特性の優れた鋼線材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、コンクリート補強用ＰＣ鋼棒や各
種螺合部材の製造に使用される耐遅れ破壊特性の優れた
鋼材を提供する。特に、表層フェライト層の耐遅れ破壊
特性を安定化するように改善する。 【構成】 Ｃ：０．２〜０．６％、Ｍｎ：０．３〜２．
０％、Ｓｉ１．０〜３．０％：、Ｎｉ：０．３〜２．５
％、Ａｌ：０．０１〜０．０６％を含み、残部がＦｅお
よび不可避的不純物からなり、表層部に０．１２ｍｍ以
上の厚みのフェライト相を有し、内層部がフェライト・
パーライト組織あるいは球状化セメンタイト組織である
ことを特徴とする鋼線材。さらに前記鋼に、Ｍｏ、Ｗの
１種または２種を合計で０．１０〜０．５０％含むよう
に添加することによって、鋼材の耐遅れ破壊特性を一層
改善することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はコンクリート補強用鋼棒
や各種螺合部品の製造に用いられる鋼線材に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】コンクリート補強用鋼棒や高張力ボルト
等焼入れ焼戻し熱処理された高強度部材に対して、耐遅
れ破壊特性が要求されている。一般に鋼材強度が高くな
るほど、また鋼材の含有炭素量が多くなるほど、耐遅れ
破壊特性は劣化する傾向にある。遅れ破壊の感受性を改
善するために、種々の合金元素の添加効果が報告されて
いる（例えば、特開昭６２−２６７４２０号公報等）。
同時に表層部の低炭素化効果も従来から検討されてい
る。

【０００３】本出願人は既に特願平４−９５６９５号に
おいて、重量％でＳｉを１％以上含有する鋼を、オー
ステナイト域に加熱した後に冷却するに際して、８３０
〜９００℃の温度範囲を、 ［Ｓｉ％］×［ｌｏｇ（ｔ）−ｌｏｇ（３０）］＞２．
１ の条件で冷却することによって、０．１２ｍｍの表層フ
ェライト相を得る方法、 線材の熱間圧延機の下流に緩速冷却設備を設置して、
上記熱処理を線材の熱間圧延工程で行うことによって、
鋼材の表面が０．１２ｍｍ以上のフェライト相であり、
内部がパーライトあるいはフェライト・パーライト組織
である線材を得るための熱処理方法、上記の熱処理に
引き続いて、Ａｒ₁ 直下の温度に長時間保持することに
よって、鋼材の表面が０．１２ｍｍ以上のフェライト相
であり、内部が球状化セメンタイト組織である線材を得
るための熱処理方法を出願している。ここで、［Ｓｉ］
は鋼材のＳｉ含有量（％）、ｔは８３０〜９００℃の温
度範囲に保持する時間（秒）を示す。

【０００４】前記技術によって鋼材の耐遅れ破壊特性は
顕著に改善されるものの、工業的な生産においては表層
フェライト相厚みの変動によって耐遅れ破壊特性がばら
つくという欠点があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は表層フェライ
ト層の耐遅れ破壊特性を安定化するように改善すること
によって、表層フェライト層形成の効果を一層明確化し
て耐遅れ破壊特性に優れた鋼線材を提供することを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】詳細は後述するが、本発
明者らは多くの実験結果より、Ｓｉを１．０％以上含有
する鋼材をオーステナイト域に加熱後に徐冷する焼きな
まし処理によって、鋼材表層部に０．１２ｍｍ以上の低
炭素領域を導入すると同時に、表層フェライト層に固溶
しているＳｉ、Ｎｉの相乗効果によって遅れ破壊特性が
一層向上するという知見を得るに至った。さらに、Ｍ
ｏ、Ｗを添加することによって、水素吸収量が一層低減
するという知見を得るに至った。すなわち、本発明の要
旨とするところは、Ｃ：０．２〜０．６％、Ｍｏ：０．
３〜２．０％、Ｓｉ：１．０〜３．０％、Ｎｉ：０．３
〜２．５％、Ａｌ：０．０１〜０．０６％を含み、残部
がＦｅおよび不可避的不純物からなり、かつ鋼材表層部
に０．１２ｍｍ以上の厚みのフェライト相を有し、内部
がフェライト・パーライト組織あるいは球状化セメンタ
イト組織であることを特徴とする耐遅れ破壊特性の優れ
た鋼線材にある。

【０００７】さらに本発明に従い、前記鋼に、Ｍｏ、Ｗ
の１種または２種を合計で０．１０〜０．５０％含むよ
うに添加することによって、鋼材の耐遅れ破壊特性を一
層顕著に改善することができる。

【０００８】

【作用】Ｓｉを１％以上含有する鋼をオーステナイト域
に加熱した後に徐冷する焼きなまし処理あるいは球状化
焼きなましによって、熱処理条件を適切に選択すること
にり、０．１２ｍｍ以上の表層フェライト相厚みが得ら
れる。焼きなまし処理は通常の焼鈍炉を用いて行うこと
ができるが、必要な温度履歴が得られるならば、鋼材の
熱間圧延に引き続いてインラインで行っても差し支えな
い。

【０００９】このフェライト層の耐遅れ破壊特性を、Ｓ
ｉ、Ｎｉ、Ａｌの添加によって改善できることがわかっ
た。各元素の添加効果について充分に解明されているわ
けではないが、次のように考えられる。Ｓｉの効果は拡
散性水素の侵入を抑えることおよび結晶粒界を安定化さ
せることによる。Ｎｉの効果は拡散性水素の侵入を顕著
に低減させることによる。Ａｌの効果は結晶粒度を微細
化することによって、Ｓｉによる結晶粒界の安定化効果
を増長させることによる。さらに、Ｍｏ、Ｗは、フェラ
イト固溶元素ではないが、Ｎｉと同様に熱処理鋼材の拡
散性水素の吸収放出を低減する作用を有することによ
る。

【００１０】ここで拡散性水素とは結晶粒界や非金属介
在物等にトラップされていない比較的自由に動き得る水
素のことを言う。拡散性水素量は図１に示すように、水
素を予め吸収させた鋼材を一定速度で加熱し、各温度に
おける水素放出速度を求め、２２０℃以下の加熱で放出
される水素の総量を拡散性水素と定義して求めている。
次に本発明の構成要件の限定理由について述べる。

【００１１】鋼材が高強度化するほど、遅れ破壊が発生
し易くなることは良く知られている。本発明におけるＣ
およびＭｎ含有量は鋼材の熱処理後の強度を確保するた
めに規制した。Ｃが０．２％未満、あるいはＭｎが０．
３％未満の場合には熱処理後の強度が不足する。一方、
Ｃが０．６％超の場合は熱処理時に焼割れが発生し易
い。また、Ｍｎを２％超添加しても、強度改善効果が飽
和する。

【００１２】Ｓｉの下限は鋼材表層部に均一なフェライ
ト層を形成するために必要な値であり、０．１２ｍｍ以
上の表層フェライト層を得るには１．０％以上の添加が
必要である。一方、Ｓｉが３．０％を超えると鋼材製造
が難しくなる。さらに、Ｓｉは水素の侵入を抑制すると
共に結晶粒界を安定化する。この効果も１．０％以上の
添加で顕著である。

【００１３】Ｎｉの下限は耐遅れ破壊特性を改善するに
必要な値、すなわち水素侵入を抑制するのに必要な値で
ある。本発明者らは数多くの熱処理鋼材を用いて鋼材中
に吸収される拡散性水素量を測定した結果、図２に示す
ように、３［％Ｎｉ］＋［％Ｍｏ］＋［％Ｗ］に比例し
て拡散性水素量が減少することを突き止めた。Ｎｉ添加
のみで拡散性水素量を１．８ｐｐｍ以下まで低下させる
には、０．３％以上の添加が必要である。図２に示すよ
うに、Ｎｉの添加量の増加と共に水素吸収量が低下する
が、高価な元素であることから、上限を２．５％に限定
した。

【００１４】Ａｌの添加は結晶粒度の微細化に必要であ
るが、一方、Ａｌ添加の増加は非金属介在物の増加や表
面疵の発生をもたらすため、０．０１〜０．０６％の範
囲に限定した。図２に示すように、Ｍｏ、Ｗの１種また
は２種を合計で０．１０％以上添加することにより、拡
散性水素量を０．１ｐｐｍ以上低減することができる。
Ｍｏ、Ｗを使用することによって、高価なＮｉをその分
節約することができる。またＭｏ、Ｗの１種または２種
の添加量の上限は線材の製造のし易さ、熱処理のし易さ
等を考慮して合計で０．５０％とした。

【００１５】遅れ破壊は鋼材の高強度化と共に顕著にな
る。また、遅れ破壊クラックは鋼材の表層部に発生し、
伝播の後に破断に至るものであるから、鋼材表層部を低
強度化、すなわち低硬度化しておくことが重要である。
かかる見地からフェライト層厚みを変えて耐遅れ破壊特
性の変化を試験して、表層部フェライト層厚みが０．１
２ｍｍ以上の場合に耐遅れ破壊特性が顕著に改善される
という知見を得た。

【００１６】前記表層フェライト層は１％以上のＳｉを
含有する鋼材をオーステナイトあるいはオーステナイト
−フェライト２相共存温度に加熱した後、フェライト−
オーステナイトの２相温度範囲を徐冷することによっ
て、形成させることができる。徐冷速度によって内部組
織が異なり、冷却速度が比較的大きい場合はフェライト
−パーライト組織が得られ、冷却速度が小さい場合は球
状化セメンタイト組織が得られる。

【００１７】本発明鋼材からコンクリート補強用ＰＣ鋼
棒を得る場合には、再度オーステナイト化するために、
再溶解し易いセメンタイト形状、すなわちフェライト−
パーライト組織が望ましい。また、本発明鋼材から各種
螺合部品を製造する場合には、冷間鍛造加工が行われる
ために球状化セメンタイト組織が望ましい。すなわち、
鋼材の使用目的に応じて、内部組織を選択する必要があ
る。

【００１８】これらの表層フェライトの形成処理および
内部組織の制御処理は、通常の焼鈍炉を用いて、軟化焼
きなまし処理（軟化焼鈍）あるいは球状化焼きなまし処
理（球状化焼鈍）によって行い得る。もちろん、前述の
ように、必要な温度履歴が得られるならば、鋼材の熱間
圧延に引き続いてインラインで行っても差し支えない。

【００１９】

【実施例】以下、実施例により本発明の効果をさらに具
体的に説明する。表１に示す中炭素鋼１０ｍｍ線材を用
いて軟化焼きなましおよび球状化焼きなまし処理を行
い、全周均一な表層フェライト相を得た。線材コイルの
軟化焼きなまし条件は、７８０℃まで４時間で昇熱後、
２時間保持し、その後毎時５０℃の速度で６５０℃まで
冷却し、その後放冷することからなる。また、球状化焼
きなまし条件は、８５０℃まで６時間で昇熱後６時間保
持し、その後毎時５０℃の速度で７４０℃まで冷却し、
さらに毎時１０℃の速度で６６０℃まで冷却し、その後
放冷することからなる。

【００２０】この線材を９．２ｍｍに伸線加工した後、
焼入れ焼戻し処理を行い、ＪＩＳＧ３１０９ ＳＢＰＤ
１３０／１４５に相当するＰＣ鋼棒を製造した。このＰ
Ｃ鋼棒を用いて水素吸収放出量およびＦＩＰ遅れ破壊時
間の測定を行った。水素吸収放出量の測定は、５０℃の
２０％チオシアン酸アンモニウム溶液に５時間浸漬して
試料に水素を吸収させた後に、３０分経過後より試料を
毎分１．７℃の速度で加熱して放出水素量を測定し、２
２０℃以下で発生する全水素量を求めた。ＦＩＰ遅れ破
壊試験は、５０℃の２０％チオシアン酸アンモニウム溶
液に浸漬した状態で、試料に規格降伏荷重の８０％の荷
重を付加して放置し、破断までの時間を測定した。測定
結果も併せて表１に示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】表１において、記号Ｌ１からＬ５は軟化焼
きなまし処理によって表層フェライト層を形成させた試
料であり、記号Ｋ１からＫ１５は球状化焼きまなし処理
によって表層フェライト層を形成させた試料である。記
号Ｋ１１において耐遅れ破壊特性が劣化する理由は、結
晶粒粗大化によって鋼材の延性が低下したことに起因
し、記号Ｋ１２においては鋼材に表面疵が発生したため
に、異常に低い値になった。表１から明らかなように、
本発明によって耐遅れ破壊特性が極めて優れているコン
クリート補強用ＰＣ鋼棒が得られた。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように本発明は、合金元素を
添加した鋼材において、簡便な熱処理を付加することに
よって工業的に問題となっている耐遅れ破壊特性を顕著
に改善するものであり、土木建築業界で大量に用いられ
ているコンクリート補強用の鉄筋部材の耐遅れ破壊性能
を大幅に改善するものである。さらに本発明線材は焼入
れ焼戻し処理による熱処理ボルト等の螺合部材の耐遅れ
破壊性能を同様に改善するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋼材中の拡散性水素量の測定方法と定義を示す
図である。

【図２】鋼材のＮｉ、Ｍｏ、Ｗ含有量と拡散性水素量の
相関を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上野 隆 北海道室蘭市仲町12番地 新日本製鐵株式 会社室蘭製鐵所内 (72)発明者 金須 貴之 北海道室蘭市仲町12番地 新日本製鐵株式 会社室蘭製鐵所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で Ｃ ：０．２〜０．６％ Ｍｎ：０．３〜２．０％ Ｓｉ：１．０〜３．０％ Ｎｉ：０．３〜２．５％ Ａｌ：０．０１〜０．０６％ を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、か
   つ鋼材表層部に０．１２ｍｍ以上の厚みのフェライト相
   を有し、内部がフェライト・パーライト組織あるいは球
   状化セメンタイト組織であることを特徴とする耐遅れ破
   壊特性の優れた鋼線材。
2. 【請求項２】 重量％で Ｃ ：０．２〜０．６％ Ｍｎ：０．３〜２．０％ Ｓｉ：１．０〜３．０％ Ｎｉ：０．３〜２．５％ Ａｌ：０．０１〜０．０６％ を含み、、さらに、Ｍｏ、Ｗの１種または２種を合計で
   ０．１０〜０．５０％含み、残部がＦｅおよび不可避的
   不純物からなり、かつ鋼材表層部に０．１２ｍｍ以上の
   厚みのフェライト相を有し、内部がフェライト・パーラ
   イト組織あるいは球状化セメンタイト組織であることを
   特徴とする耐遅れ破壊特性の優れた鋼線材。