JP2002180201A - 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

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 Ｎｉを０．１０〜１．５％を含有すると
共に、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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、Ｎｉを０．１０〜１．５
％を含有すると共に、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。

【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、Ｎ
ｉ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：０．５〜１．１％未満 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含有量は、より好ましくは０．５５％以上と
するのが良いが、１．１％以上に過剰に含有なると、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２００ｎ
ｍ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７５０〜８
５０℃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、９０
０℃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１８００〜２００
０ＭＰａ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（ＳＥ
Ｍ）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、３
５０℃×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、１０
⁷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、Ｎ
ｏ．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 (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｎｉを０．１０〜１．５％（質量％の意
   味、以下同じ）を含有すると共に、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. 【請求項２】 請求項１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１７００
   ＭＰａ以上、および平均パーライトラメラ間隔が２００
   ｎｍ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。