JP4375149B2 - 高強度低合金鋼線材 - Google Patents

Description

本発明は、伸線加工性に優れた高強度低合金鋼線材に関する。詳しくは、メカニカルデスケーリング時に容易に剥離する酸化スケールを有する伸線加工性に優れた高強度低合金鋼線材に関する。

コードワイヤ用線材は、直径５．５ｍｍ程度に熱間圧延された後、直径１〜２ｍｍ程度まで強冷間加工が施されるため優れた伸線加工性が要求される。このため、スケール性状、ミクロ組織、清浄度及び中心偏析などに充分に配慮して製造されており、特に、スケール性状に関しては、注意が必要である。

ここで、伸線加工前に表面に生成したスケールを除去する目的で、ベンディングロールなどで冷間曲げ加工が加えられるのであるが、この際、スケール性状が悪いとスケールが剥離若しくは脱落しにくく、伸線加工時に残存スケール起因のダイス焼付（ダイス寿命低下）や断線を引き起こし、伸線加工性が劣化してしまう。

ところで、近年、自動車の高燃費化のニーズにより、タイヤ内部に装着されるコードワイヤの軽量化及び高強度化に対する要望が益々高まっており、これらの要望を満足するために、高炭素鋼化され、さらにＳｉやＣｒ等の合金元素が添加された線材が使用されることがある。

ところが、高炭素低合金鋼（高強度低合金）線材を製造する際、高炭素だと初析セメンタイトが原因となって断線が生じ、ＳｉやＣｒ等の合金元素を添加するとマルテンサイト変態を促進してしまい、かかる線材が所定のスケール性状や所定のミクロ組織を有するように制御することが非常に困難になる。したがって、高強度低合金線材であっても、優れた伸線加工性を有する線材が強く望まれていた。

これに対して、線材を７００℃以上で保温または加熱し、スケール厚みを厚くし、かつスケール中のＦｅＯの比率を高め、その後、急速冷却を施し、ＦｅＯのＦｅ_３Ｏ_４への共析変態を抑制し、ＦｅＯリッチにすることで、線材の残存スケール量を低減する技術（例えば、特許文献１参照。）、０．６％以上のＣを含有する線材を対象に、ミクロ組織をベイナイトあるいはベイナイト及び擬似パーライト組織とし、線材スケールに占めるＦｅ_３Ｏ_４組成の比率を３０％未満とすることで、伸線加工性を向上させる技術（例えば、特許文献２参照。）、並びに上部ベイナイト組織の面積率が高い線材を対象に、スケール中に１〜３μｍの空孔が面積率で１〜５％存在することでコイル運搬時のスケール密着性を高めると共に、メカニカルデスケーリング時のスケール剥離を向上させる技術（例えば、特許文献３参照。）が提案されている。

特開昭５２−１０８２９号公報 特開平８−２９５９９１号公報 特開平１０−３２４９２３号公報

しかしながら、ＦｅＯリッチなスケールが厚いと、メカニカルデスケーリング時に歩留まり低下を引き起こし、また、線材の表面全体に対し均一にかつ、安定的にスケールを除去することが困難であり、さらに高温で線材を保温することにより著しく生産性を悪化させ、製造コストを増大させていた。

また、ベイナイトあるいはベイナイト及び擬似パーライトといったミクロ組織を得るためには、熱間圧延工程においてミストパテンティング等の雰囲気制御などを行なうための特殊な設備が必要で、製造コストを増大させていた。また、Ｆｅ_３Ｏ_４組成の比率を３０％未満に制御したとしても、つまり、ポーラスな構造を有するＦｅＯリッチにしたとしても、その外層に生成する緻密なＦｅ_３Ｏ_４により、メカニカルデスケーリング時に、線材の表面全体に対し均一にかつ、安定的にスケールを除去することが困難であった。

更に、スケール中に微小な空孔を数％存在させるためには、線材圧延後のソルト冷却で使用するソルトバス中に装入するバブリングガス中の酸素濃度を調整する必要がある。つまり、一般的なステルモア冷却法を使用すると大気雰囲気となるため、実質制御できないことになる。また、発明者による調査によれば、ソルトバス中のバブリングガス中の酸素を制御し、微小空孔を数％に制御できたとしても、粗大な空孔が同時に存在してしまい、結果的に全長にわたって安定的にスケールを除去することが困難であった。

本発明は、以上の点に鑑みて創案されたものであり、表面全体に対し均一かつ安定的にスケールを除去でき、伸線加工性に優れた、高強度低合金鋼線材を提供することを目的とする。

（ａ）一般的にはＦｅ_３Ｏ_４はスケール剥離性が乏しいと言われ、Ｆｅ_３Ｏ_４やＦｅ_２Ｏ_３に比べポーラス構造でかつ軟質なＦｅＯの比率を増大させると、メカニカルデスケーリング性が向上すると考えられていた。しかし、表面全体に対し均一にかつ、安定的にスケールを除去するための手段としては、必ずしも充分ではなかった。

（ｂ）一方、硬質で緻密なＦｅ_３Ｏ_４は、メカニカルデスケーリング時に、熱収縮時に発生したき裂の進展を止めてしまうことがあり、残存スケールを増大させてしまう。しかし、Ｆｅ_３Ｏ_４の中に空孔を適量存在させることができれば、空孔がき裂の伝播経路となり、き裂の進展を促進することができ、剥離しやすくなることに気付いた。

（ｃ）そこで、Ｆｅ_３Ｏ_４のスケール剥離性について調べた結果、Ｆｅ_３Ｏ_４の体積比率を一定値以上とし、かつ、Ｆｅ_３Ｏ_４中の空孔面積率をある範囲内に制御すれば、表面全体に対し均一に、かつ、安定的にスケールを除去できることが判明したものの、このようなスケール性状を得ようとすると、内部組織が伸線加工性を悪化させるものとなりやすいことが判明した。

（ｄ）すなわち、このようなスケール性状を得るためには線材圧延後の冷却速度を制御する必要があるものの、０．８％以上のＣを含有する高強度低合金鋼の場合、線材圧延後の冷却速度が速すぎると線材の内部組織はマルテンサイトやベイナイト主体となり、逆に冷却速度が遅すぎると簡単に初析セメンタイトが大量に発生してしまい、伸線加工を行うには共に硬すぎる内部組織となる。

（ｅ）さらに、検討を重ねた結果、Ｆｅ_３Ｏ_４の体積比率を３０％以上、かつ、Ｆｅ_３Ｏ_４中の空孔面積率を２０〜８０％、内部組織に占めるパーライト面積率を９０％以上とすれば、均一かつ安定的にスケールを除去することができ、伸線加工性に優れる高強度低合金鋼線材を得られることが明らかとなった。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。

本発明の高強度低合金鋼線材は、線材内部の組成が、質量％で、Ｃ：０．８０〜１．１０％、Ｓｉ：０．１０〜０．７０％、Ｍｎ：０．１０〜０．８０％、Ｃｒ：０．０２〜０．７０％、Ｂ：０．００５％以下、Ｐ：０．０１２％以下、Ｓ：０．０１２％以下、Ａｌ：０．００２％以下、Ｎ：０．００３％以下、Ｏ：０．００２％以下、残部がＦｅ及び不純物であり、線材内部の組織に占めるパーライト面積率が９０％以上であると共に、線材表面のスケール中に占めるＦｅ_３Ｏ_４の体積比率が３０％以上で、該Ｆｅ_３Ｏ_４中の空孔面積率が２０％以上８０％以下である。

本発明に係る高強度低合金鋼線材によれば、表面全体に対し均一かつ安定的にスケールを除去できて、ダイス焼付や断線が生じず、伸線加工性に優れる。

以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、線材内部とは、線材表面のスケールを除いたメタル部分を指し、線材内部の組成の「％」は、「質量％」を意味する。

（Ａ）線材内部の組成
Ｃ：０．８０〜１．１０％
Ｃは、鋼線の強度を高めるのに有効な元素である。しかし、その含有量が０．８０％未満の場合には、例えばＴＳ（引張強さ）で４０００ＭＰａといった高い強度を最終製品に付与させることが困難である。一方、Ｃの含有量が多すぎると、鋼材が硬質化して伸線加工性の低下を招く。特に、Ｃの含有量が１．１０％を超えると、初析セメンタイト（つまり、旧オーステナイト粒界に沿うセメンタイト）の生成を防止することが困難になり、伸線加工性が大きく低下し、後述のスケール性状を規定範囲にしても、伸線加工限界が真歪で２．６以上とならず、断線が頻発する。したがって、Ｃの含有量を０．８０〜１．１０％とした。

Ｓｉ：０．１０〜０．７０％
Ｓｉは、強度を高めるのに有効な元素である。更に、脱酸剤として必要な元素でもある。しかし、その含有量が０．１％未満では添加効果に乏しく、一方、０．７０％を超えると、地鉄とスケール界面に硬質なＦｅＯ・ＳｉＯ_２が生成し、後述のスケール性状を規定範囲にしても、伸線加工限界が真歪で２．６以上とすることができない。したがって、Ｓｉの含有量を０．１０〜０．７０％とした。

Ｍｎ：０．１０〜０．８０％
Ｍｎは、鋼の焼入性を確保するために必要な元素である。しかし、その含有量が０．１％未満では前記の効果が得難い。一方、Ｍｎは偏析しやすい元素であり、その含有量が０．８０％を超えると特に線材の中心部に偏析し、その偏析部にマルテンサイトやベイナイトが生成するので、伸線加工性が低下してしまう。したがって、Ｍｎの含有量を０．１０〜０．８０％とした。

Ｃｒ：０．０２〜０．７０％
Ｃｒは、パーライトのラメラ間隔を小さくして圧延後及びパテンティング後の強度を高める作用を有する。また、伸線加工をはじめとする冷間加工時の加工硬化率を高める働きがある。こうした効果を確実に得るには、Ｃｒの含有量は０．０２％以上とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．７０％を超えると、パーライト変態が終了するまでの時間が長くなり、熱間圧延後の線材の中心部にマルテンサイトやベイナイトが生成するため、また、地鉄とスケール界面に硬質なＦｅＯ・Ｃｒ_２Ｏ_３が残存し、伸線加工中の断線頻度が増加する。したがって、Ｃｒの含有量を０．０２〜０．７０％とした。

本発明において、Ｂ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｎ、Ｏ（酸素）の含有量を下記のとおりに制限する。

Ｂ：０．００５％以下
Ｂは不純物元素としても混入する元素であるが、さらに添加しなくてもよい。添加すれば、鋼中に固溶したＮと結合してＢＮを形成し、固溶Ｎを低減して、伸線加工性を向上させ、更に最終伸線後の捻回試験での縦割れ発生を抑制する効果がある。この効果を確実に得るには、０．０００３％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、Ｂを、０．００５％を超えて含有させると、粗大なＢＮが生成して、伸線加工性が低下する。したがって、Ｂの含有量を０．００５％以下とした。

Ｐ：０．０１２％以下
Ｐは粒界に偏析して伸線加工性を低下させてしまう。特に、その含有量が０．０１２％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の含有量を０．０１２％以下とした。

Ｓ：０．０１２％以下
Ｓは伸線加工性を低下させてしまう。特にその含有量が０．０１２％を超えると伸線加工性の低下が著しくなる。したがって、Ｓの含有量を０．０１２％以下とした。

Ａｌ：０．００２％以下
ＡｌはＡｌ_２Ｏ_３を主成分とする酸化物系介在物を形成して伸線加工性を低下させてしまう。特にその含有量が０．００２％を超えると、前記酸化物系介在物が粗大化して、伸線加工中に断線が多発し、伸線加工性の低下が著しくなる。したがって、Ａｌの含有量を０．００２％以下とした。

Ｎ：０．００３％以下
Ｎは冷間での伸線加工中に転位に固着して鋼線の強度を上昇させる反面、伸線加工性を低下させてしまう。特に、その含有量が０．００３％を超えると伸線加工性の低下が著しくなる。したがって、Ｎの含有量を０．００３％以下とした。

Ｏ（酸素）：０．００２％以下
Ｏは、酸化物系介在物を形成して伸線加工性を低下させてしまう。特に、Ｏの含有量が０．００２％を超えると、酸化物系介在物が粗大化するので伸線加工性の低下が著しくなって、伸線加工中に断線が多発する。したがって、Ｏの含有量を０．００２％以下とした。

なお、Ｂ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｎ及びＯ（酸素）の、前記含有量への低減は、多くの場合、耐火物の溶損による上記元素の混入が起こらないよう耐火物の徹底管理、製鋼原料の精選、溶銑の低Ｐ若しくは低Ｓ化及び溶銑予備処理での脱Ｓ若しくは脱Ｐの充分な実施、並びに溶鋼段階での介在物浮上と除去の徹底によって行なうことができる。

（Ｂ）線材内部の組織
初析セメンタイトは、旧オーステナイト粒界に析出するネットワーク状の炭化物で、伸線加工性に非常に悪影響を及ぼす。マルテンサイトや下部ベイナイト組織も同様である。上部ベイナイト単相にすると伸線加工性が向上することが知られているが、当該組織を得るためには、熱間圧延工程において雰囲気制御などを行なうための特殊な設備が必要で、製造コストを増大させてしまう。したがって、本発明の線材のミクロ組織は、雰囲気制御などを行なうための特殊な設備を用いなくても生成できるパーライトを主体にする。ここで、パーライト主体の組織とは、パーライト面積率が９０％以上のミクロ組織であると定義する。

（Ｃ）線材表面のスケール
線材表面のスケールに占めるＦｅ_３Ｏ_４の体積比率を３０％以上に限定する理由は、３０％未満だとメカニカルデスケーリング時に、空孔を亀裂の伝播経路とすることが困難となり、線材表面全体に対し均一にかつ、安定的にスケールを除去することができなくなるからである。また、Ｆｅ_３Ｏ_４中の空孔面積率を２０〜８０％に限定する理由は、２０％未満では残存スケール量が増し、その後の伸線加工時にダイスの焼付きや断線を生じるからであり、８０％を超えるとメカニカルデスケーリングラインに搬送する途中で、スケールが容易に除去され、その後の保管状況によっては、錆びを発生させてしまうからである。

本発明の線材は、前述の化学組成を有する鋼を溶製し、そして連続鋳造や分塊圧延の後、線材圧延し、室温まで冷却するという方法で製造できるが、上記の線材表面のスケールと線材内部の組織を同時に達成するためには、線材圧延の仕上げ圧延温度を８００〜１０００℃、捲取温度を８００〜９５０℃とし、捲取温度から６００℃までの平均冷却速度を６〜１８℃／ｓとし、６００℃から３００℃までの平均冷却速度を４〜１５℃／ｓとし、さらに捲取温度から２００℃までの平均冷却速度を７〜１３℃／ｓとする。

捲取温度から６００℃までの平均冷却速度が６℃／ｓ未満では、初析セメンタイトが析出してしまい、１８℃／ｓを超えるとマルテンサイトやベイナイトが生成してしまう。よって内部組織のパーライトの面積率は９０％未満となる。６００℃から３００℃までの平均冷却速度が４℃／ｓ未満では、線材圧延時の生産性が著しく悪化してしまい、１５℃／ｓを超えると線材表面のスケール中に占めるＦｅ_３Ｏ_４の体積比率が３０％未満となってしまう。さらに、捲取温度から２００℃までの平均冷却速度が７℃／ｓ未満では、Ｆｅ_３Ｏ_４中の空孔面積率が２０％未満となり、１３℃／ｓを超えるとＦｅ_３Ｏ_４中の空孔面積率が８０％を超えてしまう。

こうして得られる本発明の高強度低合金鋼線材の引張強度は１１５０ＭＰａ以上であり、絞りは２５％以上である。さらに、このような線材を最終伸線した後のフィラメントの引張強度は４０００ＭＰａ以上となる。

以下、実施例を挙げて本発明を説明する。
表１に示す化学組成を有する３種類の鋼を、７０トン転炉で溶製し、炉外精錬を施した後、連続鋳造を行なった。得られた鋳造物を通常の方法で熱間鍛造して１４０ｍｍ角のビレットに成形し、次いで、仕上げ圧延温度を８８０〜１０００℃に、捲取温度を８２０〜９００℃の範囲に調整し、線径５．５ｍｍまで熱間圧延した。捲取後、線材をステルモア冷却によって室温まで冷却して線材を得た。冷却する際の各温度帯の平均冷却速度を表２に示す。

スケール組成の分析は、得られた線材に歪を与え、スケールを完全に剥離させた後、これらスケールを粉末化させ、Ｘ線回折によりＦｅＯ、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｆｅ_２Ｏ_３のピーク強度比からＦｅ_３Ｏ_４の比率を算出することによって行なった。結果を表２に示す。

Ｆｅ_３Ｏ_４中の空孔面積率は、得られた線材の横断面（つまり、長さ方向に直角な切断面）を鏡面研磨した後、光学顕微鏡を用いて、倍率５００倍で横断面をミクロ撮影し、撮影した画像を画像解析して算出した。撮影した横断面は、得られた２トンの線材コイルの先端部、中間部及び末端部の各１巻きより、均等に８箇所サンプルを採取し、そのうちの１箇所につき円周方向に８等分されたものである。算出した値の平均値を表２に示す。

上記の空孔面積率の算出で用いられたサンプルと同様のサンプルを採取し、それぞれのサンプルを鏡面研磨した後、ナイタールで腐食し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、倍率２５００倍で、線材コイルの表面部４箇所、Ｒ／２部（半径方向の表面と中心の中間点）４箇所、そして中心部１箇所を撮影し、得られた画像を画像解析して各箇所のパーライト面積率から平均値を算出し、パーライト面積率とした。結果を表２に示す。

残留スケール量は、引張試験機にて、チャック間距離２００ｍｍとして、クロスヘッドの変位が１２ｍｍまで（６％）線材に引張荷重を与え、線材を取り出した後、線材表面のスケールを吹き飛ばして、１００ｍｍ長さに切断して線材重量を測定し（Ｗ１）、この線材サンプルを塩酸中に浸漬して線材表面に付着しているスケールを完全に剥離させ、再度、線材重量を測定した（Ｗ２）。この重量測定結果より、下記式（１）により残留スケール量を算出した。結果を表２に示す。

残留スケール量（重量％）＝（Ｗ１−Ｗ２）／Ｗ２×１００ （１）

表２に示す条件で製造した各２トンの熱間圧延線材を、メカニカルデスケーリング後、各ダイスでの減面率が１５〜２５％のパススケジュールで、乾式伸線加工した。この際、直径１．５ｍｍ以下まで伸線加工を行なっても１回も断線しない場合に、伸線加工性が良好であると評価した。また、５回断線した場合には、その線材の伸線作業を中止した。表２中、伸線加工限界歪は、真歪（ε）の値で表されており、真歪（ε）は下記式（２）で表される。ここで、ｄ_０は伸線前の線材の直径を、ｄは伸線後の線材の直径をそれぞれ示す。なお、直径で５．５ｍｍから１．５ｍｍまで伸線したときの真歪（ε）は２．６であり、さらに細く伸線した場合は、この真歪（ε）値は大きくなる。

ε＝２ｌｎ（ｄ_０／ｄ） （２）

表２から明らかなように、本発明で規定する、スケールに占めるＦｅ_３Ｏ_４の特定の体積比率範囲、該Ｆｅ_３Ｏ_４中の特定の空孔面積率範囲、及び線材内部組織の特定のパーライト面積率範囲のいずれかから外れた線材は、直径５．５ｍｍから直径１．５ｍｍまで伸線できず（伸線加工限界歪の値が２．６未満）、伸線加工性が悪いことは明らかである。なお、比較例４及び比較例５、比較例１０及び比較例１１、並びに比較例１６及び比較例１７の各線材は、Ｆｅ_３Ｏ_４中の空孔面積率が、本発明で規定する上限値（８０％）を超えているため、線材コイルの搬送中にスケールが剥離し、錆びの発生が激しいため、不良品として、はねた（リジェクトした）ものである。

これに対し本発明の線材は、直径５．５ｍｍから直径１．５ｍｍまで伸線しても断線が生じず（伸線加工限界歪の値が２．６以上）、良好な伸線加工性を有することが判る。また、本発明の線材は、残存スケール量が少なく、線材の表面全体に対し均一にかつ安定的にスケールが除去されていることが判る。さらに、特殊な冷却方法を用いなくても、ステルモア冷却によって本発明のような伸線加工性に優れた線材が得られることが判る。

Claims (1)

1. 線材内部の組成が、質量％で、Ｃ：０．８０〜１．１０％、Ｓｉ：０．１０〜０．７０％、Ｍｎ：０．１０〜０．８０％、Ｃｒ：０．０２〜０．７０％、Ｂ：０．００５％以下、Ｐ：０．０１２％以下、Ｓ：０．０１２％以下、Ａｌ：０．００２％以下、Ｎ：０．００３％以下、Ｏ：０．００２％以下、残部がＦｅ及び不純物であり、線材内部の組織に占めるパーライト面積率が９０％以上であると共に、
   線材表面のスケール中に占めるＦｅ_３Ｏ_４の体積比率が３０％以上で、該Ｆｅ_３Ｏ_４中の空孔面積率が２０％以上８０％以下である
   ことを特徴とする高強度低合金鋼線材。