JP6006620B2

JP6006620B2 - 鋼線、及び鋼線の製造方法

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Publication number: JP6006620B2
Application number: JP2012249584A
Authority: JP
Inventors: 寛泉田; 伸栄高村; 理桃澤
Original assignee: Sumitomo SEI Steel Wire Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo SEI Steel Wire Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2032-11-13
Also published as: JP2014098177A

Description

本発明は、鋼線及びその製造方法に関するものである。特に、強度に優れる上に、溶接を良好に行える鋼線、及びこのような鋼線を生産性よく製造できる鋼線の製造方法に関するものである。

種々の分野で鋼線が利用されている。なかでも、鋼種SWP-A,SWP-Bなどに代表されるピアノ線や硬鋼線といった炭素の含有量が多い高炭素鋼線、焼き入れ焼き戻しを行ったオイルテンパー線などは、強度、靭性、耐疲労性に優れており、自動車や家庭用電気製品などの部品に利用されている。

鋼線同士を溶接したり、鋼線と別の部材とを溶接したりして利用することがある。この場合、溶接時の熱によって鋼線がなまされる上に、炭化物球状化が起こり、溶接部分近傍の強度が低下することがある。特許文献1は、熱間圧延材同士を溶接した後、焼き入れ焼き戻しを行うことで、溶接部分も高い引張強さを有する高強度鋼線を開示している。

特許第2957471号公報

溶接を良好に行える上に、溶接後にも高い強度を維持し、生産性にも優れる鋼線の開発が望まれている。

上述の高炭素鋼線やオイルテンパー線などは、高強度であるものの、炭素の含有量が多いことで焼き入れ性が高く、溶接を行うと、溶接時の加熱冷却によって焼入組織(マルテンサイト相)が生成されて靭性が低下し、割れが生じ得る。いわゆる焼割れが発生して、使用に耐えない。仮に溶接できても、上記焼入組織の靭性を向上させるために焼なましなどの熱処理が必要であり、生産性の低下を招く。また、仮に溶接できても、上述のように溶接時の熱によって溶接部分近傍の強度が、溶接部分以外の箇所よりも低下し得る。

炭素の含有量を低減すれば、上述の焼入組織の生成を抑制できる。しかし、鋼線自体の強度が低くなる。また、単に炭素を低減した鋼線を溶接した場合、溶接部分近傍の強度が更に低くなり、使用に耐えない。

炭素の含有量を低減した場合に強度を向上するために、例えば、Al,Ti,Vなどの添加元素を添加することが考えられる。しかし、添加元素の増加は、線材の加工性の低下を招く。そのため、太径の熱間圧延材では問題ないが、熱間圧延材に例えば伸線加工を施して細径の線材を製造しようとすると、断線が生じ易く、細径の線材の生産性に劣る、又は細径の線材が実質的に製造できない。また、添加元素の増加は、材料コストの増大を招く。

特許文献1に記載されるように溶接後に焼き入れ焼き戻しを行えば、溶接部分の強度を高められる。しかし、焼き入れ焼き戻しは、一般に、製造コストの増大を招き、ひいては生産性の低下を招く。

そこで、本発明の目的の一つは、溶接を良好に行えて、溶接後にも強度に優れる鋼線を提供することにある。また、本発明の他の目的は、溶接を良好に行えて、溶接後にも強度に優れる鋼線を生産性よく製造することができる鋼線の製造方法を提供することにある。

本発明者らは、溶接時の焼入れに起因する靭性の低下が実質的に生じず、かつ溶接後の強度の低下が少ない高強度な鋼線を製造することを検討した。その結果、炭素の含有量を少なくすると共に、特定の炭化物生成元素を特定の範囲で含有し、かつ母相をベイナイト組織とすることが好ましい、との知見を得た。また、この特定の組成及び特定の組織から構成される鋼線は、特定の組織を形成するための特定の熱処理を施すことで製造できる、との知見を得た。特に、上記特定の熱処理後に伸線加工を施すことで、更に高強度な鋼線を製造できる、との知見を得た。本発明は、上記知見に基づくものである。

本発明の鋼線は、質量％で、Cを0.10％以上0.30％以下、Siを0.20％以上2.00％以下、Mnを0.30％以上2.50％以下、Crを0.20％以上2.00％以下、Moを0.01％以上0.30％以下含有し、残部がFe及び不可避不純物から構成され、ベイナイト組織が95体積％以上である。

本発明の鋼線は、C(炭素)の含有量が0.30質量％以下と少ないことで、溶接時の熱によって焼入組織(マルテンサイト相)が実質的に生じない。そのため、本発明の鋼線は、溶接時の熱による靭性の低下を抑制でき、溶接後にも良好に使用できる。即ち、本発明の鋼線は、溶接性に優れる。かつ、本発明の鋼線は、Si,Mnという固溶強化元素を含有すると共に、Crという炭化物生成元素を特定の範囲で含有することで、固溶強化と析出強化とによる高強度化を図ることができる。特に、Crを特定の範囲で含有することで、析出強化による高強度化の効果が大きい。更に、本発明の鋼線は、Moを特定の範囲で含有することで、炭化物の生成による強度の向上効果を安定して得ることができる。

加えて、本発明の鋼線は、実質的にベイナイト組織で構成されることで、パーライト組織で構成される鋼線と同程度の強度や疲労限を有する。また、実質的にベイナイト組織から構成される本発明の鋼線は、溶接時の加熱によって変態せず、ベイナイト組織を維持することができる(再結晶組織もベイナイト組織となっている)。このように本発明の鋼線は、溶接前も高強度である上に、溶接前後で組織が実質的に変化しないことで、溶接後も高強度である。

本発明の鋼線は、多種の添加元素を多く含有してなくても強度に優れ、溶接後でも高い強度を維持できる。そのため、本発明の鋼線を用いることで、溶接部分及びその近傍も高強度である溶接部分を具える部材を構築できる。また、本発明の鋼線を用いることで、溶接後に強度を高めるための熱処理を別途施す必要もない。従って、本発明の鋼線は、溶接部分を具える任意の部材の素材に好適に利用できると期待される。

また、本発明者らが調べた結果、上述の特定の組成とすることで、ベイナイト相の変態に要する時間がパーライト相に変態する場合に比較して非常に短かった。従って、本発明の鋼線は、強度や疲労限に優れていながらも、特定の組織を得るための製造時間(熱処理時間)が短くてよく、生産性にも優れる。

本発明の鋼線として、特に伸線加工が施されたものを製造する場合、上述の特定の熱処理を行った後、伸線加工を行うとよい。具体的な製造方法として、例えば、以下の本発明の鋼線の製造方法が挙げられる。本発明の鋼線の製造方法は、以下の準備工程と、熱処理工程と、伸線工程とを具える。
準備工程質量％で、Cを0.10％以上0.30％以下、Siを0.20％以上2.00％以下、Mnを0.30％以上2.50％以下、Crを0.20％以上2.00％以下、Moを0.01％以上0.30％以下含有し、残部がFe及び不可避不純物から構成された熱間圧延材を準備する工程。
熱処理工程上記熱間圧延材に熱処理を施して、ベイナイト組織が95体積％以上である熱処理材を得る工程。
伸線工程上記熱処理材に伸線加工を施し、伸線材を得る工程。
上記熱処理は、温度を850℃以上1100℃以下、保持時間を10秒以上10分以下としてオーステナイト化を行った後、恒温変態温度を400℃以上500℃以下、保持時間を10秒以上10分以下としてベイナイト組織を形成する。

上記熱処理工程を行うことで、過度の添加元素を加えることなく、上述の特定の組成及び特定の組織を有し、溶接を良好に行えて、かつ溶接後の強度にも優れる本発明の鋼線を製造できる。また、この熱処理は、保持時間が比較的短く、製造時間が短い。従って、上記熱処理工程を具える製造方法は、本発明の鋼線を生産性よく製造することができる。特に、上記熱処理工程後に伸線工程を具える本発明の鋼線の製造方法を利用することで、溶接を良好に行える上に、強度により優れる本発明の鋼線を製造できる。この理由は、ベイナイト相に変態した後、伸線加工などの塑性加工を施した場合、加工硬化による強度の向上度合いが大きく、強度をより高められるためである。そして、伸線加工後もベイナイト相を維持する。従って、本発明の鋼線の製造方法は、溶接を良好に行える上に、強度がより高い細径の鋼線や異形の鋼線を生産性よく製造できる。

本発明の鋼線の一形態として、上記鋼線の短径に対する長径の比が1.5以上10以下の異形線である形態が挙げられる。

本発明者らは、せん断方向に加工歪みを付与する加工を行った場合、加工硬化による強度向上効果がより大きい、との知見を得た。上記異形線は、上記せん断方向に加工歪みを付与する加工を行うことで形成される。従って、上記形態は、強度により優れる。

本発明の鋼線の一形態として、上記鋼線の横断面積が30mm²以下である形態が挙げられる。

上記形態は、代表的には、線径が6.0mmφ以下の比較的細い鋼線である。このような細い鋼線は、例えば、伸線加工を施すことで得られ、伸線加工の加工硬化による強度向上効果が期待できる。このことから、上記形態は、加工硬化による強度向上効果によって強度により優れる。

本発明の鋼線の一形態として、上記鋼線同士を溶接したとき、溶接された線材の引張強さが1300MPa以上である形態が挙げられる。

上述のように本発明の鋼線は、溶接後にも強度に優れており、上記形態のように1300MPa以上といった高い強度を有することができる。従って、上記形態の鋼線を利用することで、溶接部分を有し、かつ引張強さが1300MPa以上の部材を構築することができる。

本発明の鋼線の製造方法の一形態として、上記伸線加工は、総伸線加工度を50％以上とし、上記伸線材のせん断方向に加工歪みを加える塑性加工を上記伸線材に施し、短径に対する長径の比が1.5以上15以下の異形線を得る工程を具える形態が挙げられる。

上記形態は、総加工度が高い伸線加工を施すことで、加工硬化によって強度が高められた鋼線を製造できる。更に、上記形態は、伸線加工に加えてせん断方向に加工歪みを付加する塑性加工をも施していることで、加工硬化による強度向上効果を更に得られ、非常に高強度な鋼線(異形線)を製造できる。

本発明の鋼線は、溶接を良好に行えて、溶接後にも強度に優れる。本発明の鋼線の製造方法は、溶接を良好に行えて、溶接後にも強度に優れる鋼線を生産性よく製造できる。

異形線の断面形状を説明する断面説明図であり、(A)は平角線、(B)は断面台形状の角線を示す。

以下、本発明をより詳細に説明する。なお、以下の説明において「組成」の含有量は全て「質量％」である。

[組成]
本発明の鋼線は、C,Si,Mn,Cr,Moを必須元素とし、残部がFe及び不可避不純物からなる鋼によって構成される。不可避不純物は、P(りん)、S(硫黄)などが挙げられる。

(C:0.10％以上0.30％以下)
C(炭素)は、鋼の強化元素である。Cの含有量が0.10％以上であることで、強度の向上効果が得られる。Cが多いほど、強度が高められる。しかし、Cが多過ぎると、溶接時に焼入組織が形成されて、焼割れが発生し得る。そこで、本発明では、特に溶接時の不具合(焼割れなど)を防止するために、Cの含有量を0.30％以下とする。本発明の鋼線は、このように低炭素である点を特徴の一つとする。より好ましいCの含有量は0.10％以上0.20％以下である。

(Cr:0.20％以上2.00％以下)
本発明では、炭化物生成元素として、Cr(クロム)を含有する。その他、Crは、組織の微細化に寄与する元素である。Crの含有量が0.20％以上であることで、析出強化の効果、組織の微細化が得られる。Crが多いほど、炭化物を析出し易くなり、強度が高められる。しかし、Crが多過ぎると、溶接時にマルテンサイト相が生成され、マルテンサイト相に起因する靭性の低下が生じ得る。溶接後の靭性の低下の抑制を考慮して、Crの含有量を2.00％以下とする。より好ましいCrの含有量は0.50％以上1.50％以下である。

(Si:0.20％以上2.00％以下)
Si(ケイ素)は、固溶強化や耐熱性の向上に寄与する元素である。また、Siは、溶解精錬時の脱酸剤に使用される。Siの含有量が0.20％以上であることで、固溶強化効果、耐熱性の向上効果、脱酸効果が得られる。Siが多いほど、これらの効果が高められるものの、多過ぎると靭性が低下する。靭性の低下の抑制を考慮して、Siの含有量を2.00％以下とする。より好ましいSiの含有量は1.00％以上2.00％以下である。

(Mn:0.30％以上2.50％以下)
Mn(マンガン)は、Siと同様に溶解精錬時に脱酸剤として利用される。また、Mnは、強度の向上効果もある。Mnの含有量が0.30％以上であることで、脱酸効果、強度向上の効果が得られる。Mnが多いほど、これらの効果が高められるものの、多過ぎると、溶接時にマルテンサイト相が生成され、マルテンサイト相に起因する靭性の低下が生じ得る。溶接後の靭性の低下の抑制を考慮して、Mnの含有量を2.50％以下とする。より好ましいMnの含有量は0.30％以上1.50％以下である。

(Mo:0.01％以上0.30％以下)
本発明では、炭化物生成元素として、Moも含有することを特徴の一つとする。Moの含有量が0.01％以上であることで、炭化物の析出強化の効果を安定して得られ、Moが多いほど、この効果が得られる。また、Moを含有することで、耐熱性も向上することができる。しかし、Moが多過ぎると、工業的にベイナイト組織を得難くなり、生産性の低下を招く。工業的生産性を考慮して、Moの含有量を0.30％以下とする。より好ましいMoの含有量は0.03％以上0.10％以下である。

[組織]
本発明の鋼線は、実質的にベイナイト組織から構成されることを特徴の一つとする。定量的には、ベイナイトを95体積％以上含有する組織から構成される。ベイナイトは、パーライトと同等の高い硬度を有することから、実質的にベイナイト組織から構成されることで、パーライト組織と同程度の強度や疲労限を有することができ、本発明の鋼線は、強度に優れる。また、ベイナイト組織を主体とすることで、パーライト組織を主体とする場合に比較して、変態時間が短くてよく、生産性に優れる。ベイナイトの含有量は、後述する熱処理条件によって調整することができ、例えば、97体積％以上、更に99体積％以上とすることができる。残部の組織は、残留オーステナイト、マルテンサイト、フェライト、セメンタイトなどが挙げられる。5体積％以下の範囲であれば、一般に脆い相であるマルテンサイトを含有することを許容する。

[断面形状]
本発明の鋼線は、種々の形状を取り得る。代表的には、横断面形状が円形状の丸線が挙げられる。その他、種々の異形線とすることができる。例えば、図1(A)に示す鋼線10のように、横断面形状が長方形状の平角線、図1(B)に示す鋼線20のように横断面形状が台形状の角線が挙げられる。その他、横断面形状が、平角線の表裏に凸部を具える線材、断面形状が楕円状、レーストラック状などの線材が挙げられる。特に、線材の軸方向に直交する方向(せん断方向)に加工歪みが加えられる加工(代表的には異形加工)が施されて形成された異形線は、線引きダイスを用いた伸線加工が施されて形成された丸線よりも、加工硬化による強度の向上度合いが大きく、強度が更に高い傾向にある。つまり、本発明の鋼線が平角線などの異形線の場合、強度により優れる。

[アスペクト比]
本発明の鋼線の横断面をとり、短径に対する長径の比「長径/短径」をアスペクト比(長径×短径比と示すことがある)と呼ぶとき、アスペクト比が1.5以上であると強度がより高い。この理由は、アスペクト比が大きい鋼線は、代表的には、上述のせん断方向の加工歪みが加えられる加工が施されて形成されるためである。アスペクト比が大きいほど、上記加工の加工度が大きくなり、強度に更に優れる鋼線となる。加工限界を考慮すると、アスペクト比は15以下が好ましい。なお、短径と長径とは、鋼線の横断面における直交する二つの長さとする。横断面が円形である丸線では、短径＝長径＝直径であり、アスペクト比は、長径/短径＝1.0である。図1(A)に示す鋼線10(平角線)では、幅w₁₀を長径、厚さt₁₀を短径とする。図1(B)に示す鋼線20(台形状の角線)では、幅w₂₀(台形の高さ)を長径、最小厚さt₂₀(台形の短辺)を短径とする。

[断面積]
本発明の鋼線の断面積は、種々の大きさを取り得る。上述のように特定の熱処理を施した後、伸線加工や異形加工を施すことで、断面積をより小さくできる。所望の断面積となるように加工度(伸線加工度など)を調整するとよい。例えば、断面積が30mm²以下(丸線の場合、線径6mmφ以下)、更に断面積が7mm²以下(丸線の場合、線径3mmφ以下)、特に1mm²以下(丸線の場合、線径1.1mmφ以下)とすることができる。平角線の場合、幅が0.5mm以上20mm以下程度、厚さが0.3mm以上5mm以下程度、が挙げられる。断面積が小さいほど、伸線加工や異形加工の加工硬化による強度向上効果が得られ、強度に優れる傾向にある。

[引張強さ]
本発明の鋼線は、強度に優れるため、引張強さが高く、例えば、1300MPa以上、更に1500MPa以上、1800MPa以上を満たすものが挙げられる。上述のように断面積が小さいほど、引張強さが高い傾向にある。また、本発明の鋼線は、溶接(代表的にはアーク溶接やスポット溶接)を行った場合でも、溶接部分の強度の低下度合いが小さいことから、溶接部分を具える部材を構築した場合でも高い強度を有する。例えば、本発明の鋼線同士を溶接したとき、溶接された線材(溶接部分を具える部材)の引張強さが1300MPa以上を満たすものが挙げられる。鋼線の断面積の大きさや形状などによっては、溶接された線材の引張強さが1500MPa以上、更に1800MPa以上を満たすものとすることができる。

[鋼線の製造方法]
本発明の鋼線は、例えば、一般的なピアノ線などの製造工程と同様な工程を具える製造方法によって製造できる。具体的には、原料の準備→溶解・鋳造→熱間圧延→熱処理(→適宜、伸線→適宜、異形線への加工)という工程を経て製造できる。本発明の鋼線は、特に、上記熱処理を特定の条件とし、この熱処理工程を具えることで、従来の製造工程を踏襲することができる。つまり、少なくとも特定の組成からなる素材を準備する工程と、この素材に特定の熱処理を施す工程とを行えばよい。

(素材の準備)
熱処理に供する素材は、代表的には、上述の工程を経て作製した熱間圧延材が挙げられる。具体的には、C,Si,Mn,Cr,Moを特定の範囲で含有する鋼を用意し、この原料鋼に、従来の製造条件や公知の製造条件に基づいて、溶解・鋳造を行った後、熱間圧延線材を作製する。熱間圧延線材の大きさは適宜選択することでき、直径5.5mmφ以上13mmφ以下程度が挙げられる。

(熱処理)
得られた素材(代表的には熱間圧延線材)には、まず、金属組織の均質化処理を施す必要がある。この処理によって、塑性加工性を高められ、伸線加工を行い易くすることができる。特に、加工度が大きな伸線加工を施す場合(例えば、総伸線加工度が50％以上、更に75％以上である場合)でも、伸線加工を良好に行える。又は、熱処理後に形状を補正するための軽微な伸線加工を施す場合(例えば、総伸線加工度が5％以上25％以下程度)でも、寸法精度や形状精度に優れる線材を得易い。

一般に、低炭素含有鋼(Cの含有量が0.10％〜0.40％程度)の金属組織の均質化とは、オーステナイト化の後、徐冷することにより、焼入組織(マルテンサイト)の発生を抑制し、フェライト(ベイナイト)とパーライトとの混相組織を得ることとされる。この混相組織を得る均質化処理には、通常、熱間圧延の直後、直接熱処理として、ステルモア(空冷)、ソルト浴冷却、沸騰水冷却などの方法が採られる。

そして、上述の直接熱処理や、この直接熱処理後に伸線加工を行った線材に、ベイナイト化を行うことで、主としてベイナイト組織から構成される線材(本発明の鋼線の一形態)が得られる。又は、直接熱処理時にベイナイト化を図ることでも、主としてベイナイト組織から構成される線材(本発明の鋼線の一形態)が得られる。この場合、オーステナイト化に連続してベイナイト化を行える。このように熱間圧延後、適宜な時期にオーステナイト化とベイナイト化とを施すこと(連続していなくてもよい)で主としてベイナイト組織から構成される線材が得られる。ここで、ベイナイト組織は、上述の混相組織と比較して加工性に劣る。そのため、例えば、熱間圧延線材に上記均質化処理を施した後、所定の大きさや形状の近くにまで加工(例えば、伸線加工)を施した後、最終熱処理としてベイナイト化を行い、その後に最終製品の大きさや形状までに加工(例えば、伸線加工)を施すことができる。この場合、鋼線の強度の調整や、大きさ、形状の調整を行い易い製造方法であると考えられる。

オーステナイト化の条件は、温度を850℃以上1100℃以下、保持時間を10秒以上10分以下とし、ベイナイト化の条件は、恒温変態温度を400℃以上500℃以下、保持時間を10秒以上10分以下とする。つまり、上部ベイナイトの温度範囲での恒温変態とする。本発明で規定する鋼成分の範囲では、特に恒温変態温度が400℃以上500℃以下、好ましくは450℃以下の範囲において、保持時間を短くすることができ、生産性を高められる。この温度範囲を外れる場合は、保持時間を長めにする必要があり、生産性の低下を招く。オーステナイト化の温度は900℃以上950℃以下、ベイナイト化の恒温変態温度は420℃以上450℃以下、保持時間はいずれも10秒以上3分以下がより好ましい。

なお、上述の特定の組成からなる鋼は、後述する試験例に示すように、熱処理条件を調整することで、実質的にパーライト組織を形成することもできる。しかし、実質的にパーライト組織からなる鋼は、溶接時の熱影響に起因する強度の低下度合いが大きい。そこで、本発明の鋼線では、実質的にベイナイト組織とし、本発明の鋼線の製造方法では、実質的にベイナイト組織を形成するように熱処理条件を調整する。

(伸線加工)
上記熱処理が施された熱処理材に適宜伸線加工(引き抜き加工)を施すことで、断面積がより小さい鋼線(本発明の鋼線の一形態)を製造できる。所望の断面積(又は線径)となるように、伸線加工度(伸線減面率)を選択することができる。上述のように特定の組成から構成されることで、上記熱処理後に伸線加工を施すと、加工硬化による強度向上効果が得られ、強度がより高い鋼線を製造できる。しかも、この加工硬化による強度向上効果は、一般的な高炭素鋼線(ピアノ線)と同等程度であり、伸線加工度が大きくなるにつれ、強度を急激に高められる。従って、強度の更なる向上を望む場合、総伸線加工度を50％以上、更に75％以上とすることが好ましい。伸線加工には、代表的には穴ダイス(線引きダイス)を用いる。

(異形加工)
更に、伸線材に異形加工を施して、上述の適宜な異形線を製造できる。異形加工は、穴ダイスやローラダイスなど公知の塑性加工手段を利用できる。

[試験例1]
種々の組成の鋼線を作製して、引張強さを測定した。また、得られた鋼線同士を溶接して、溶接後の引張強さを測定し、溶接前後の強度の低下度合いを調べた。

ここでは、表1に示す種々の組成(各元素の含有量は質量％、残部はFe、CeqはJIS G 0203(2009)に規定される炭素当量)の鋼を真空溶解炉で溶製して、熱間鍛造、熱間圧延を順に行って、熱間圧延材(線径7mmφの丸線)を作製した。得られた熱間圧延材に熱処理を施した。熱処理は、まずオーステナイト化を行い(加熱温度:900℃)、オーステナイト化の加熱温度からの冷却工程で、パテンティング(560℃×20秒)、又はベイナイト化(420℃×20秒)を行った。熱処理後、得られた熱処理材の断面をとり、この断面を研磨した後、研磨面に対してX線回折を行って組織を調べた。ここでは、各試料について、熱処理材(線材)の表面近傍の領域(表面から100μm以内の領域)、D/4の領域(Dは線径であり、D/4の領域は、線材の表面と線材の中心との中間地点の領域。後述する平角線や試験例2の線材(異形線)では、Dが長径の場合と、短径の場合との2つについて実施)、線材の中心領域、という複数の領域の組織をそれぞれ調べる。各領域の組織が観察できるように断面をとり、それぞれの断面について組織を調べた。そして、試料ごとにn≧3の断面視野について、全ての領域のベイナイトの体積割合が95体積％以上の場合、実質的にベイナイト組織から構成されていると評価し、表2に「B」と示す。同様に、パーライトの体積割合が95体積％以上の場合、実質的にパーライト組織から構成されていると評価して、表2に「P」と示す。ここでは、試料No.1-141を除き各組成の試料のいずれも、ベイナイト化の熱処理を施した場合、変態を完了して焼入組織が生じることは無かった。従って、各組成は、ベイナイト組織を良好に得られるといえる。一方、パーライト化の熱処理(パテンティング)を施した場合、変態が不十分のため、焼入組織が生じることが多かった。この理由は、これらの試料は、炭化物生成元素を多く含む(ここでは特にCrを0.2質量％以上、更に0.5質量％以上含む)ことから、変態の開始時間の遅延と変態時間の長時間化とが起こったためと考えられる。試料No.1-11,No.1-12と同じ組成の試料No.1-111,No.1-112に関してはパーライト変態を完了している。

得られた各熱処理材に伸線加工を施して、伸線材を作製した。伸線加工は、複数パスの加工を行い、総伸線加工度を50％とした。得られた伸線材(線径4.95mmφの丸線)の引張強さTS(50％)(MPa)を調べた。その結果を表2に示す。引張強さは、JIS Z 2241(1998)の金属材料引張試験方法に基づく引張試験を行って、室温(ここでは20℃程度)で測定した。

表2に示すように、いずれの添加元素も含有量が多いほど、強度が高くなることが分かる。しかし、Moが非常に多い試料No.1-141は、上述の熱処理条件でベイナイト化の熱処理を施しても、ベイナイト組織を形成できなかった。このことから、Moの含有量は、0.50質量％未満、特に0.30質量％が好ましいといえる。

溶接後の組織を評価した。ここでは、実際に溶接を行うのではなく、溶接時の加熱を模擬した加熱試験を行い、加熱後の組織を調べた。具体的には、得られた伸線材に圧延加工を施して厚さ1mmの平角線とし、この平角線を1000℃程度に加熱した後、自然放冷した。そして、各平角線が室温程度になってから、表面を研磨した後、研磨面に対してX線回折を行い、マルテンサイト(α’)の生成量を調べた。マルテンサイトの生成量が多いほど、溶接時にマルテンサイトが生成され易く、焼割れが生じ易いといえる。マルテンサイトの生成量が1体積％以下の場合を○、1体積％超5体積％以下の場合を△、5体積％超の場合を×と評価し、表2に評価結果を示す。なお、圧延加工前の伸線材の組織観察、圧延後の平角線の組織観察を上述のように行ったところ、熱処理材の組織と実質的に同じであった(ベイナイト組織又はパーライト組織)。

得られた各組成の伸線材の端面を突き合わせて溶接を行い、溶接部分を有する部材を作製し、得られた部材の引張強さ(溶接後TS、MPa)を調べた。引張強さは、上述の伸線材の場合と同様にして行った。また、溶接前後の引張強さの低下度合いを調べた。低下度合いは、{1-溶接後TS/TS(50％)}×100＝TS低下率(％)を求めて評価した。これらの結果を表2に示す。なお、溶接時にマルテンサイトが多く生成された試料(表2において溶接時α’の評価が×である試料)については、この溶接を行わなかった。

表2に示すように、質量％でCを0.10％以上0.30％以下、Siを0.20％以上2.00％以下、Mnを0.30％以上2.50％以下、Crを0.20％以上2.00％以下、Moを0.01％以上0.30％以下含有し、実質的にベイナイト組織から構成される鋼線は、高強度である上に、溶接後の引張強さも高く、溶接前後における強度の低下が小さいことが分かる(溶接性の判定が○である)。具体的には、溶接後の引張強さが1300MPa以上、TS低下率が5.5％以下を満たす。なかには、溶接後の引張強さが1350MPa以上、1400MPa以上を満たす試料や、TS低下率が5％以下、4.5％以下、更に4％以下を満たす試料もある。この理由は、溶接時にマルテンサイトが実質的に生成されず、焼割れなどが実質的に生ず、溶接部分を有していても破断し難かったためと考えられる。

また、C,Si,Mn,Cr,Moを上述の特定の範囲で含有し、実質的にベイナイト組織から構成される鋼線は、伸線加工が施されることで、高強度であることが分かる。具体的には、TS(50％)が1400MPa以上、更に1500MPa以上、なかには1600MPa以上を満たす試料がある。このことから、C,Si,Mn,Cr,Moを上述の特定の範囲で含有する鋼に、特定の条件で熱処理を施した後、更に伸線加工といった塑性加工を施すことで、加工硬化による強度向上効果をより大きく得ることができるといえる。つまり、C,Si,Mn,Cr,Moを上述の特定の範囲で含有し、実質的にベイナイト組織から構成される鋼線は、特に伸線加工を経たもの(代表的には伸線材)とすると、溶接を良好に行える上に、強度により優れるといえる。

なお、上述の溶接後の組織観察について、マルテンサイトの生成量が少なかった試料(評価が○の試料)は、実質的にベイナイト組織から構成されていた。このことから、溶接前後において組織が実質的に維持されている(ベイナイト組織のままである)といえる。このように溶接前後において組織が実質的に変化しないことから、ベイナイト組織自体の強度を維持でき、溶接後においても高い強度を維持していたと考えられる。

更に、一般に塑性加工性に劣るベイナイト組織から構成されていても、上述のように特定の熱処理を行って組織の制御を行うことで、加工度(ここでは総伸線加工度)が50％以上といった加工を良好に行えることが分かる。なお、加工後の組織も、ベイナイト組織であることを確認している。

一方、添加元素が上述の特定の範囲外である場合(多過ぎる場合)、溶接時にマルテンサイトを形成し易いことが分かる。このことから、添加元素の増加は、強度の向上に効果があるものの、溶接を良好に行えないといえる(溶接性の判定が×である)。

以上説明したように、試験例1から、C,Si,Mn,Cr,Moを上述の特定の範囲で含有し、実質的にベイナイト組織から構成される鋼線は、溶接を良好に行える上に、溶接後の強度にも優れることが確認された。また、特定の熱処理を施してベイナイト化を行うことで、加工性にも優れる上に、加工硬化による強度向上効果が大きいことが確認された。なお、この加工硬化率は、ピアノ線B種と同等以上であることも確認している。

[試験例2]
アスペクト比(長径×短径比)が異なる異形線を作製し、試験例1と同様にして、TS(50％)(MPa)、溶接後TS(MPa)、TS低下率(％)を調べた。

ここでは、試料No.1-2と同様の組成(質量％、C:0.20％、Si:1.00％、Mn:0.30％、Cr:1.00％、Mo:0.03％、Ceq：0.4992)の鋼を用意し、試験例1と同様にして熱間圧延線材(線径7mmφの丸線)を作製し、試験例1と同様の条件で熱処理を施した(オーステナイト化→ベイナイト化:420℃×20秒)。この熱処理材に伸線加工を施し(総伸線加工度:50％、線径4.95mmφの丸線)、更に、圧延加工を施して平角線を作製した。平角線とするための圧延加工では、加工の前後で断面積が殆ど変っていないため、見掛け上の断面減少率の変化は無い。平角線の幅を長径、厚さを短径とするとき、短径に対する長径の比(長径/短径)をアスペクト比とし、アスペクト比が表3の値となるように圧延条件を調整した。アスペクト比が大きいほど、伸線材に対してせん断方向(伸線材の軸方向に直交する方向)の加工歪みが加わったことを意味する。

作製した平角線の引張強さ(TS(50％)、MPa)を表3に示す。また、作製した平角線の端面を突き合わせて溶接して、溶接部分を有する部材を作製し、得られた部材の引張強さ(溶接後TS、MPa)を調べた。その結果も表3に示す。いずれの引張強さも、試験例1と同様にして求めた。更に、試験例1と同様にして求めたTS低下率(％)も表3に示す。

表2の試料No.1-2と、表3の試料No.2-1とを比較することで、伸線加工に加えて、更に、せん断方向に加工歪みが加えられる加工(ここでは平角線を形成するための圧延加工)を施すことで、加工後の強度を更に高められることが分かる。また、溶接後の強度の低下も更に抑制できることが分かる。特に、アスペクト比を大きくすることで、加工後の強度を非常に高められることが分かる。ここでは、加工後の引張強さが1700MPa以上、更に1800MPa以上、更には2000MPa以上を満たす試料が得られた。また、表3に示すように加工後の引張強度が高い上に、溶接後の強度の低下も小さく、溶接後においても高い強度を維持していることが分かる。ここでは、溶接後TSが1650MPa以上、更に1750MPa以上、更には1900MPa以上を満たし、TS低下率が4.0％以下、更に3.0％以下を満たす試料が得られた。このことから、せん断方向に加工歪みが加えられる加工を行うことで、加工硬化による強度向上効果をより大きく得られるといえる。なお、圧延加工後の各試料について組織観察を試験例1と同様にして行ったところ、実質的にベイナイト組織から構成されていることを確認している。

また、試験例2から、C,Si,Mn,Cr,Moを上述の特定の範囲で含有し、実質的にベイナイト組織から構成される鋼線は、アスペクト比が1.5以上、更に2以上といったアスペクト比が大きい異形線とすると、溶接を良好に行える上に、強度に更に優れることが確認された。

なお、本発明は、上述した実施の形態の限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、線径、断面形状などを変更することができる。

本発明の鋼線は、各種の部材、例えば、自動車部品(例えば、シートフレームなど)、家庭用電気製品の部品などに好適に利用することができる。また、本発明の鋼線は、溶接することで環状体を形成可能であるため、従来、打ち抜き加工で製造されていた各種の環状部材の素材に利用することで、材料歩留りの向上に寄与することができると期待される。本発明の鋼線の製造方法は、上記本発明の鋼線の製造に好適に利用することができる。

10,20 鋼線

Claims

質量％で、
Cを0.10％以上0.30％以下、
Siを0.20％以上2.00％以下、
Mnを0.30％以上2.50％以下、
Crを0.20％以上2.00％以下、
Moを0.01％以上0.30％以下含有し、残部がFe及び不可避不純物から構成され、
ベイナイト組織が95体積％以上であり、
短径に対する長径の比が1.5以上15以下の異形線である鋼線。
前記鋼線の横断面積が30mm²以下である請求項1に記載の鋼線。
前記鋼線同士を溶接したとき、溶接された線材の引張強さが1300MPa以上である請求項1又は請求項2に記載の鋼線。
質量％で、Cを0.10％以上0.30％以下、Siを0.20％以上2.00％以下、Mnを0.30％以上2.50％以下、Crを0.20％以上2.00％以下、Moを0.01％以上0.30％以下含有し、残部がFe及び不可避不純物から構成された熱間圧延材を準備する準備工程と、
前記熱間圧延材に熱処理を施して、ベイナイト組織が95体積％以上である熱処理材を得る熱処理工程と、
前記熱処理材に総伸線加工度が50％以上の伸線加工を施し、伸線材を得る伸線工程と、
前記伸線材のせん断方向に加工歪みを加える塑性加工を前記伸線材に施し、短径に対する長径の比が1.5以上15以下の異形線を得る工程とを具え、
前記熱処理工程では、温度を850℃以上1100℃以下、保持時間を10秒以上10分以下としてオーステナイト化を行った後、恒温変態温度を400℃以上500℃以下、保持時間を10秒以上10分以下としてベイナイト組織を形成する鋼線の製造方法。