JP3840376B2 - 疲労強度および延性に優れた硬引き線用鋼材および硬引き伸線材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ばね用鋼線、ＰＣ鋼線、亜鉛めっき鋼線、吊り橋用ケーブル用鋼線の素材として有用な硬引き線用鋼材およびその伸線材に関するものであり、殊に疲労強度および延性のいずれにも優れた硬引き線用鋼材およびその伸線材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼線材は上記の各種用途で幅広く使用されているが、こうした鋼線材にはより一層の高強度化が指向されているのが実状である。例えば、ばね用として用いられる鋼線材を高強度化しようとする場合には、疲労強度向上策として、伸線加工後にオイルテンパー処理を行なって疲労強度の向上を図っているのが一般的である。また、ＰＣ鋼線や撚り線等の高強度化を図る為に、圧延材の初析セメンタイト量を抑制することによって高強度で且つ良好な加工性も確保する方法や（例えば、特開平６−２７１９３７号）、パテンティング処理条件を規定して微細パーライト組織とすることで高強度化を達成するという方法（例えば、特許第１８２０６７号）等が採用されている。しかしながら、これらの方法では、多大なコストがかかると共に、作業も煩雑になるという問題がある。
【０００３】
一方、負荷応力が比較的低い設計された一部の弁ばねには、フェライト・パーライト組織またはパーライト組織の炭素鋼を伸線加工して強度を高めた線材（「硬引き線」と呼ばれている）を、常温でばね巻き加工したものが使用されている。この様な硬引き線は、熱処理を必要としないので低コストになるという利点がある。
【０００４】
しかしながら、フェライト・パーライト組織またはパーライト組織を伸線した線材では、疲労特性が低いという欠点があり、こうした線材を素材として用いても、近年要望の高まっている様な高応力は実現できない。また、こうした線材においては、高強度であると共により高い延性も要求されるが、高強度になるにつれて延性も低下し易く、両特性を兼ね備えることは困難であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした状況の下になされたものであって、その目的は、疲労強度および延性のいずれにも優れ、ばね用鋼線、ＰＣ鋼線、亜鉛めっき鋼線、吊り橋用ケーブル用鋼線の素材として有用な硬引き線用鋼材およびその伸線材を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成し得た本発明の硬引き線用鋼材とは、Ｃ：０．５〜０．８２％（質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：０．２〜２．２％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｎｉ：０．１０〜１．５％、Ｃｒ：０．０５〜１．０％を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるものであって、圧延後またはパテンティング処理後、伸線加工されてそのまま使用されるものである点に要旨を有するものである。尚、この鋼材において、「そのまま使用される」とは、伸線加工された後にはオーステナイト化される様な熱処理が施されることなく使用されることを意味する。
上記硬引き線用鋼材は、更に、Ｖ：０．０５〜０．５０％や、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％を含んでいてもよい。
【０００７】
また、上記目的を達成し得た本発明の硬引き伸線材とは、上記の様な鋼材を伸線した伸線材であって、線径が１．５ｍｍ以上、引張強さが１７００ＭＰａ以上、および平均パーライトラメラ間隔が２００ｎｍ以下のものである点に要旨を有するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、上記目的を達成することのできる硬引き線用鋼材の実現を目指して様々な角度から検討した。その結果、所定量のＮｉを含有させた鋼材では、上記目的が見事に達成されることを見出した。
【０００９】
本発明者らが検討したところによれば、Ｎｉは伸線加工に伴う加工硬化を抑制することを見出した。これにより目標とする強度を達成するための伸線加工歪を大きくすることができ、伸線後にラメラフェライトの幅を小さくできることが判明したのである。そして、ラメラフェライトの幅を小さくすることによって、せん断疲労亀裂の発生単位が小さくなり、疲労寿命が改善できるのである。また、フェライトの幅が小さくなることによって、フェライト中への転位の集積が起こりにくくなるので、疲労強度が向上すると共に、延性も改善されることも分かったのである。
【００１０】
本発明の硬引き線用鋼材は、上記の様に所定量のＮｉを含有させることによって、上記の効果を達成するものであるが、こうした効果を発揮させる為には、Ｎｉは０．１０％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｎｉ含有量が過剰になると、圧延においてベイナイト組織やマルテンサイト組織が生成し、伸線加工性が著しく悪化すると共に、靭性や延性が却って下するので１．５％以下とする必要がある。
【００１１】
本発明の鋼材は上記した各種用途に適用できるものであり、その用途に応じて鋼材としての基本成分であるＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，ＣｒおよびＶ等を調整する必要があるが、例えばＰＣ鋼の場合におけるこれらの化学成分の好ましい範囲およびその理由は下記の通りである。
【００１２】
Ｃ：０．５〜０．８２％
Ｃは、十分な強度を確保するために不可欠の元素であり、その為には少なくとも０．５％以上含有させる必要がある。Ｃ含有量が好ましくは０．５５％以上とするのが良いが、０．８２％を超えて過剰に含有すると、靭性および延性が極端に悪くなる。
【００１３】
Ｓｉ：０．２〜２．２％
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤として必要な元素であり、またフェライト中に固溶して、焼戻し軟化抵抗を上げ、疲労強度を向上させるために有効な元素な元素である。こうした効果を発揮させる為には、Ｓｉは０．２％以上含有させる必要があるが、その含有量が２．２％を超えて過剰になると、靭性や延性が悪くなるばかりか、表面の脱酸や疵等が増加して疲労強度が劣化する。尚、Ｓｉ含有量のより好ましい下限は０．５％程度であり、より好ましい上限は２．０％程度である。
【００１４】
Ｍｎ：０．５〜１．５％
Ｍｎは、製鋼時の脱酸に有効な元素であり、また焼入れ性を高めて強度向上にも寄与する元素である。こうした効果を発揮させる為には、Ｍｎは少なくとも０．５％含有させる必要があるが、過剰に含有させると熱間圧延時やパテンティング処理時にベイナイト等の過冷組織が生成し易くなり、伸線性が著しく劣化するので、１．５％以下とすべきである。尚、Ｍｎ含有量のより好ましい下限は０．７％であり、より好ましい上限は１．０％である。
【００１５】
Ｃｒ：０．０５〜１．０％
Ｃｒは、パーライトラメラ間隔を小さくして、圧延後、または熱処理後の強度を上昇させ、線材の強度を上昇させるのに有用な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Ｃｒ含有量は０．０５％以上とするのが良い。しかしながら、Ｃｒ含有量が過剰になると、パテンティング時間が長くなり過ぎ、また靭性や延性が劣化するので、１．５％以下とするのが良い。
【００１６】
Ｖ：０．０５〜０．５０％
Ｖは、パーライト組織中のフェライトに、炭化物や炭窒化物を析出させるのに有用な元素である。こうした効果を発揮させる為には、Ｖは０．０５％以上含有させる必要があり、好ましくは０．１０％以上含有させるのが良い。しかしながら、０．５０％を超えて過剰に含有させても、マルテンサイトやベイナイト組織が生成し、加工性が悪くなる。
【００１７】
本発明の鋼材をＰＣ鋼に適用する場合における基本的な化学成分組成は上記の通りであり、残部は実質的にＦｅからなるものであるが、発明の鋼材には、必要によって０．０５〜０．５０％程度のＭｏを含有させて焼入れ性を向上することも有効である。また本発明の鋼材には、上記の各種成分以外にその特性を阻害しない程度の微量成分を含み得るものであり、こうした鋼線材も本発明の範囲に含まれものである。上記微量成分としては不純物、特にＰ，Ｓ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｓｎ等の不可避不純物が挙げられる。
【００１８】
上記の様な鋼材を伸線加工することによって、目標とする疲労強度が達成されるのであるが、この疲労強度は伸線加工度を上げて引張強度を上げることによって増大する。こうした観点から、本発明の硬引き伸線材においては、その引張強度が１７００ＭＰａ以上であることが必要である。但し、線径が小さくなると、非金属介在物を起点とした破壊が多くなり、疲労強度が却って低くなるので、伸線材の線径は１．５ｍｍ以上とする必要がある。
【００１９】
また上述の如く、疲労強度および延性を向上させるためには、パーライトラメラ間隔を小さくし、フェライトの幅を小さくすることが有効である。そして、本発明者らが検討したところによれば、伸線材のパーライトラメラ間隔を２００ｎｍ以下にすることによって、特に優れた疲労強度と延性が得られることが判明したのである。
【００２０】
伸線材のパーライトラメラ間隔を２００ｎｍ以下にする為には、圧延条件やパテンティング処理条件等も適切に制御するのが良いが、これらの好ましい製造条件は下記の通りである。例えば、圧延に際しては、９００〜９５０℃で圧延を終了し、高温でコーズパーライトが生成せず、また過冷組織（マルテンサイトやベイナイト）が生成することのないように、巻取り開始までを１０〜２０℃／ｓで冷却し、巻取り温度を７５０〜８５０℃程度とし、その後パーライトノーズ付近で変態を終了させる様に、４５０℃までの冷却速度を０．５〜３℃／ｓ程度で冷却する方法が挙げられる。
【００２１】
一方、パーライトラメラ間隔を２００ｎｍ以下にする為のパテンティング処理条件としては、９００℃以上に加熱し、コーズパーライトを生成させない様に、１０〜１５℃／ｓ程度の冷却速度で６００℃付近まで冷却し、その温度で変態を完了させた後、平均減面率を２０％以上、合計減面率が８０％以上となる伸線加工を行なう様にすれば良い。
【００２２】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００２３】
【実施例】
下記表１に示す化学成分組成の鋼（鋼種Ａ〜Ｆ）を溶製し、熱間圧延して直径：９．０ｍｍの鋼線材を作製した。引き続き、９１０℃でオーステナイト化させた後、６４０℃で変態完了させるパテンティング処理、および伸線処理を行なって伸線材とした。このとき、伸線加工は、伸線後の引張強度が１８００〜２０００ＭＰａとなる様に最終線径を調節した。
【００２４】
【表１】

【００２５】
得られた各線材について、引張試験を行ない、引張強度および伸びを測定した。また、下記の各方法によって、パーライトラメラ間隔および疲労限を測定した。
【００２６】
（パーライトラメラ間隔）
線材の縦断面を埋込み、研磨後、５％のピクリン酸アルコール液に１５〜３０秒浸漬して腐食させた後、走査型顕微鏡（ＳＥＭ）によって、線材の４／Ｄ（Ｄ：線材の直径）位置を観察した。その位置で５０００〜１００００倍で写真撮影し、任意のラメラー１０個に対して垂直に横切る線を夫々引き、その長さからラメラ間隔を測定し、その１０点の平均値を平均パーライトラメラ間隔とした。
【００２７】
（疲労限）
伸線加工によって得られた鋼材を用い、サンプル長さ６５０ｍｍの試験片について、３５０℃×２０分のブルーイング処理を行ない、次にインペラー式ショットピーニングマシーンによって、２段のショットピーニングを行ない、表層に圧縮残留応力を付与した。その後、２２０℃×２０分の歪取り焼鈍を行ない、試験に供した。そして、中村式回転曲げ疲労試験を行ない、ＪＩＳ Ｚ２２７４の試験方法に準じて、１０⁷回で中止となる試験応力を疲労限界とした。
【００２８】
その結果を、伸線加工率（減面率）と共に、下記表２に示すが、これらの結果から、次の様に考察できる。まず、Ｎｏ．１〜５のものは、いずれも本発明で規定する要件を満足する実施例のものであるが、優れた疲労強度と延性が発揮されていることが分かる。
【００２９】
これに対して、Ｎｏ．６、７のものは、本発明で規定する要件のいずれかを欠く比較例であり、いずれかの特性が劣化していることが分かる。即ち、Ｎｏ．６のものでは、Ｎｉを含有していないものであるので、伸線加工度が小さくなり、パーライトラメラ間隔が広くなり、疲労強度が低下している。また、加工歪が大きいので、伸びも低下している。一方、Ｎｏ．７のものでは、Ｎｉ含有量が多過ぎるので、圧延時に過冷マルテンサイトやベイナイトが生成し、伸線中に断線していた。
【００３０】
【表２】

【００３１】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、疲労強度および延性のいずれにも優れ、ばね用鋼線、ＰＣ鋼線、亜鉛めっき鋼線、吊り橋用ケーブル用鋼線の素材として有用な硬引き線用鋼材およびその伸線材が実現できた。

Claims (4)

1. Ｃ：０．５〜０．８２％（質量％の意味、以下同じ）、
   Ｓｉ：０．２〜２．２％、
   Ｍｎ：０．５〜１．５％、
   Ｎｉ：０．１０〜１．５％、
   Ｃｒ：０．０５〜１．０％
   を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるものであって、圧延後またはパテンティング処理後、伸線加工されてそのまま使用されるものであることを特徴とする疲労強度および延性に優れた硬引き線用鋼材。
2. 更に、Ｖ：０．０５〜０．５０％を含むものである請求項１に記載の硬引き線用鋼材。
3. 更に、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％を含むものである請求項１または２に記載の硬引き線用鋼材。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の鋼材を伸線した伸線材であって、線径が１．５ｍｍ以上、引張強さが１７００ＭＰａ以上、および平均パーライトラメラ間隔が２００ｎｍ以下のものであることを特徴とする疲労強度および延性に優れた硬引き伸線材。