JP2022030019A - 鉄合金、鉄合金線、及び鉄合金撚線 - Google Patents
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- C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
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Abstract
Description
上述の架空送電線の芯線には、架空送電線の重量及び張力に耐えるために、室温での強度に優れることが望まれる。また、上記芯線には、通電時の温度上昇に伴って熱膨張した架空送電線が垂れ下がることを低減するために、使用時の温度範囲において熱膨張係数が低いことが望まれる。上述の特許文献1,2は、鋼の組成を調整することで、これらの要求に対応している。
質量%で、
Cを0.1%以上0.4%以下、
Siを0.2%以上2.0%以下、
Mnを0.05%以上2.0%以下、
Niを25%以上42%以下、
Crを0.1%以上3.0%以下、
Vを0.2%以上3.0%以下、
Ca,Ti,Al,及びMgからなる群より選択される1種以上の元素を合計で0%以上0.1%以下、
Zr,Hf,Mo,Cu,Nb,Ta,W,及びBからなる群より選択される1種以上の元素を合計で0%以上0.1%以下、
Coを0%以上5%以下含み、残部がFe及び不可避不純物からなる組成と、
酸化物が母相に分散された組織とを備え、
断面において、2mm×20mmの領域に含まれる前記酸化物の最大径が150μm未満である。
本開示の鉄合金から構成される。
複数の素線が撚り合わされてなる鉄合金撚線であって、
前記複数の素線のうち、少なくとも一つの素線は、本開示の鉄合金線である。
特許文献2に記載されるように、酸素の含有量を調整することで、酸化物に起因する延性の低下を抑制することができる。しかし、後述する試験例に示すように、酸素の含有量を調整するだけでは、鉄合金の高温強度の向上が難しい。本発明者らは、酸化物の大きさを制御することで、鉄合金の高温強度を向上できる、との知見を得た。また、本発明者らは、酸化物の大きさが制御された鉄合金は捻回特性にも優れる、との知見を得た。更に、本発明者らは、特定の条件で合金溶湯を凝固させることで、酸化物の大きさを制御できる、との知見を得た。本開示の鉄合金は、これらの知見に基づくものである。最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
質量%で、
Cを0.1%以上0.4%以下、
Siを0.2%以上2.0%以下、
Mnを0.05%以上2.0%以下、
Niを25%以上42%以下、
Crを0.1%以上3.0%以下、
Vを0.2%以上3.0%以下、
Ca,Ti,Al,及びMgからなる群より選択される1種以上の元素を合計で0%以上0.1%以下、
Zr,Hf,Mo,Cu,Nb,Ta,W,及びBからなる群より選択される1種以上の元素を合計で0%以上0.1%以下、
Coを0%以上5%以下含み、残部がFe及び不可避不純物からなる組成と、
酸化物が母相に分散された組織とを備え、
断面において、2mm×20mmの領域に含まれる前記酸化物の最大径が150μm未満である。
前記断面において、2mm×3mmの領域に含まれる前記酸化物の個数が500個以下である形態が挙げられる。
前記組成における酸素の含有量は、0.003質量%以下である形態が挙げられる。
室温での引張強さσRTに対する300℃での引張強さσ300の比σ300/σRTが0.8以上である形態が挙げられる。
直径の100倍の長さを有する線状の試験片を10本とり、片端固定された各試験片を60rpmの回転速度で捻回して、各試験片が破断するまでの回数の平均値が30回以上である形態が挙げられる。
室温での引張強さσRTが1250MPa以上である形態が挙げられる。
30℃から230℃における平均線膨張係数が4ppm/℃以下である形態が挙げられる。
室温での破断伸びが0.8%以上である形態が挙げられる。
室温での加工硬化指数が0.7以上である形態が挙げられる。
上記(1)から(9)のいずれか一つの鉄合金から構成される。
前記鉄合金から構成される線材と、更に、前記線材の外周を覆う被覆層とを備え、
前記被覆層は、Al又はZnを含む形態が挙げられる。
線径が2mm以上5mm以下である形態が挙げられる。
複数の素線が撚り合わされてなる鉄合金撚線であって、
前記複数の素線のうち、少なくとも一つの素線は、上記(10)から(12)のいずれか一つの鉄合金線である。
以下、図面を参照して、本開示の実施形態を具体的に説明する。図中、同一符号は同一名称物を意味する。
図1を参照して、実施形態の鉄合金を説明する。
実施形態の鉄合金1は、以下の第一群の元素を後述する特定の範囲で含み、残部がFe及び不可避不純物からなる組成を備える。上記組成は、以下の第二群及び以下の第三群からなる群より選択される1種以上の元素を後述する特定の範囲で含んでもよい。又は、上記組成は、第二群及び第三群からなる群の元素を含まなくてもよい。
第一群を構成する元素は、C(炭素),Si(ケイ素),Mn(マンガン),Ni(ニッケル),Cr(クロム),V(バナジウム)である。
第二群を構成する元素は、Ca(カルシウム),Ti(チタン),Al(アルミニウム),Mg(マグネシウム)である。
第三群を構成する元素は、Zr(ジルコニウム),Hf(ハフニウム),Mo(モリブデン),Cu(銅),Nb(ニオブ),Ta(タンタル),W(タングステン),B(ホウ素)である。
その他、上記組成は、Co(コバルト)を含んでもよい。
以下、鉄合金1の組成、組織、特性を順に説明する。なお、図1は、図2に示す実施形態の鉄合金1から構成される鉄合金線2をI-I切断線で切断した断面を示す。図1の断面は、上記鉄合金線2を鉄合金線2の軸方向に平行な平面で切断した断面の一例である。
以下の説明では、各元素の含有量は、鉄合金1を100質量%とするときの質量割合であり、質量%で示す。また、以下の説明では、単に強度という場合、主として、室温での強度を意味する。ここでの強度は、主として、引張強さによって示される機械的特性である。
《C》
Cの含有量は、0.1%以上0.4%以下である。
Cの含有量が0.1%以上であれば、固溶による強化効果と、炭化物の析出に伴う析出硬化による強化効果とから、鉄合金1の強度が高められる。Cの含有量が0.1%超、0.13%以上、0.15%以上、0.18%以上であれば、強度が向上し易い。
Siの含有量は、0.2%以上2.0%以下である。
Siの含有量が0.2%以上であれば、固溶による強化効果から、鉄合金1の強度が高められる。Siの含有量が0.3%以上、0.4%以上であれば、強度が向上し易い。Siの含有量が0.5%以上であれば、固溶による強化に加えて、Siを含む化合物等の析出による強化効果が得られる。
Mnの含有量は、0.05%以上2.0%以下である。
Mnの含有量が0.05%以上であれば、脱酸剤としての効果と、固溶による強化効果とが良好に得られる。Mnの含有量が0.1%以上、0.13%以上であれば、これらの効果がより得られ易い。
Niの含有量は、25%以上42%以下である。
Niの含有量が25%以上42%以下であれば、鉄合金1の線膨張係数が小さくなり易い。Niの含有量が28%以上41%以下、30%以上40%以下、更には33%以上40%以下であれば、線膨張係数がより小さくなり易い。
Crの含有量は、0.1%以上3.0%以下である。
Crの含有量が0.1%以上であれば、固溶による強化効果から、室温での強度の向上に加えて、高温強度の向上も期待できる。Crの含有量が0.2%以上、0.3%以上、更には0.5%以上であれば、室温での強度及び高温強度が高くなり易い。Crの含有量がある程度多い場合、Crの一部は炭化物となって析出する。この炭化物の析出硬化による強化効果が得られる。
Vの含有量は、0.2%以上3.0%以下である。
Vの含有量が0.2%以上であれば、炭化物の析出に伴う析出硬化による強化効果から、鉄合金1の強度が高められる。Vの含有量が0.3%以上、0.4%以上、更には0.5%以上あれば、強度が向上し易い。
実施形態の鉄合金1において、Cの含有量に対するVの含有量の比(V/C)が2以上9以下であることが挙げられる。比(V/C)が2以上9以下であれば、Vが炭化物として析出し易い。そのため、炭化物の析出に伴う析出硬化による強化効果が良好に得られ易い。また、Vを含む炭化物の析出によって、Cの含有及びVの含有に起因する線膨張係数の増大が小さくなり易い。更に、比(V/C)が9以下であれば、粗大な炭化物が形成され難い。この点から、上述の理由により、鉄合金1は、強度、伸び、捻回特性にも優れる。比(V/C)が2.5以上8.5以下、2.7以上8以下、更には3以上5以下であれば、これらの効果がより得られ易い。
実施形態の鉄合金1において、Cの含有量に対するCrの含有量の比(Cr/C)が0.3以上10以下であることが挙げられる。比(Cr/C)が0.3以上10以下であれば、Crが炭化物として析出し易い。そのため、Crの含有に起因する線膨張係数の増大が小さくなり易い。また、析出硬化による強度の向上が期待できる。また、比(Cr/C)が10以下であれば、粗大な炭化物が形成され難い。この点から、上述の理由により、鉄合金1は、強度、伸び、捻回特性にも優れる。比(Cr/C)が0.5以上10以下、2以上10以下、更には2以上7.5以下であれば、これらの効果がより得られ易い。
実施形態の鉄合金1において、Vの含有量とCrの含有量との合計量(V+Cr)が0.5%以上5%以下であることが挙げられる。合計量(V+Cr)が0.5%以上5%以下であれば、Vを含む炭化物に基づく析出硬化による強化効果又はVの含有による強化効果と、Crを含む炭化物に基づく析出硬化による強化効果又はCrの含有による強化効果とが良好に得られ易い。この点から、鉄合金1は強度に優れる。また、炭化物の析出によって、上述のように線膨張係数の増大が小さくなり易い上に、V,Crが固溶している場合に比較して、靭性の低下が低減される。更に、合計量(V+Cr)が5%以下であれば、粗大な炭化物が形成され難い。この点から、上述の理由により、鉄合金1は、強度、伸び、捻回特性にも優れる。合計量(V+Cr)が0.8%以上5%以下、1%以上5%以下、更には1%以上4%以下であれば、これらの効果がより得られ易い。
実施形態の鉄合金1において、Cの含有量に対するVの含有量とCrの含有量との合計量(V+Cr)の比((V+Cr)/C)が4以上15以下であることが挙げられる。比((V+Cr)/C)が4以上15以下であれば、比(V/C)及び比(Cr/C)の項で説明した効果が良好に得られる。比((V+Cr)/C)が4.2以上14.8以下、4.5以上14.5以下、更には5以上12以下であれば、強化効果、線膨張係数の増大抑制、良好な捻回特性の保持等の効果がより得られ易い。
実施形態の鉄合金1において、Ca,Ti,Al,及びMgからなる第二群より選択される1種以上の元素の含有量は、合計で0%以上0.1%以下である。第二群の元素は、代表的には、脱酸剤として添加される。第二群の含有量が合計で0.1%以下であれば、第二群の元素を含む酸化物12が少なくなり易い。この点から、酸化物12に起因する強度の低下、高温強度の低下、及び捻回特性の低下が低減され易い。第二群の含有量が合計で0%超0.08%以下、0.01%以上0.06%以下であれば、酸化物12を低減しつつ、脱酸効果が得られ易い。
実施形態の鉄合金1において、Zr,Hf,Mo,Cu,Nb,Ta,W,及びBからなる第三群より選択される1種以上の元素の含有量は、合計で0%以上0.1%以下である。第三群の元素は、強化効果を有する。第三群の含有量が合計で0.1%以下であれば、延性の低下が小さくなり易い。高い伸びを有し易いため、鉄合金1は、捻回特性にも優れる。また、第三群の含有量が合計で0.1%以下であれば、第三群の元素の含有に起因する線膨張係数の増大が小さくなり易い。第三群の含有量が合計で0%超0.09%以下、0.01%以上0.08%以下であれば、強化効果と、良好な捻回特性の保持及び線膨張係数の増大抑制という効果とがバランスよく得られ易い。
実施形態の鉄合金1は、Coを含んでもよい。Coの含有量は、例えば0%以上5%以下が挙げられる。Coの含有量は4%以下、3%以下、更には2%以下、1%以下でもよい。Coを0%超5%以下の範囲で含む場合には、Niと同様に、鉄合金1の線膨張係数が小さくなり易い。
ここでの不可避不純物は、上述の第一群の元素、第二群の元素、第三群の元素、及びCo以外の元素である。な不可避不純物としては、例えばO(酸素)が挙げられる。
実施形態の鉄合金1に含まれるOは、代表的には酸化物12として存在する。酸化物12の詳細は後述する。Oの含有量は、例えば0.003%以下が挙げられる。Oの含有量が0.003%以下であれば、鉄合金1に含まれる酸化物12の総量が少なくなり易い。この点から、酸化物12に起因する強度の低下、高温強度の低下、及び捻回特性の低下が低減され易い。Oの含有量が少ないほど、酸化物12の総量が少なくなることから、Oの含有量は、0.002%以下、更に0.001%以下でもよい。なお、実施形態の鉄合金1は酸化物12を含むため、Oの含有量は0%超である。
実施形態の鉄合金1は、母相10中に酸化物12を含む。母相10は、主として、上述の特定の組成を備える鋼から構成される。酸化物12は、酸素と、酸素以外の元素との化合物である。上記の酸素以外の元素は、上述の組成の項で説明した元素、例えば脱酸効果を有する元素が挙げられる。以下の説明では、鉄合金1の断面における「2mm×20mmの領域」を第一観察領域と呼ぶ。
《最大径D》
実施形態の鉄合金1では、第一観察領域における酸化物12の最大径Dが150μm未満である。ここで、第一観察領域は、鉄合金1の任意の断面からとる。そのため、実施形態の鉄合金1では、鉄合金1の任意の位置に存在する酸化物12の最大径Dが150μm未満である。最大径Dが150μm未満であれば、200℃以上といった高温時に引張力が鉄合金1に加えられた場合に、酸化物12が割れの起点になり難い。この点から、鉄合金1は、高温強度に優れる。また、最大径Dが150μm未満であれば、撚り合わせ等による捻回が鉄合金1に加えられた場合に、酸化物12が割れの起点になり難い。この点から、鉄合金1は、捻回特性に優れる。最大径Dが140μm以下、120μm以下、更には100μm以下、90μm以下、70μm以下、更には30μm以下であれば、酸化物12が割れの起点になり難く好ましい。
鉄合金1中の酸化物12は、最大径Dが小さいことに加えて、少ないことが好ましい。定量的には、鉄合金1の断面において、2mm×3mmの領域に含まれる酸化物12の個数が500個以下であることが挙げられる。以下の説明では、鉄合金1の断面における「2mm×3mmの領域」を第二観察領域と呼ぶ。また、第二観察領域に含まれる酸化物12の個数を個数密度と呼ぶ。個数密度の測定方法の詳細は後述する。
《最大径D》
酸化物12の最大径Dは、以下のように測定する。
(1)鉄合金1から任意の断面をとる。断面は、2mm×20mmの第一観察領域を採取可能なようにとる。例えば、鉄合金1が線材である場合、線材の軸方向に平行な平面で、線材を切断した断面、いわゆる縦断面をとることが挙げられる。例えば、鉄合金1が板材である場合、板材の表面に平行な平面で板材を切断した断面をとることが挙げられる。
第一観察領域に存在する酸化物12を抽出する。抽出した各酸化物12の断面積を求める。各酸化物12の断面積と同じ面積を有する円の直径を各酸化物12の直径とする。酸化物12の直径のうち、最大値を酸化物12の最大径Dとする。ここでは、複数の断面をとり、各断面から第一観察領域を採取する。各第一観察領域について酸化物12の最大径Dを求める。求めた複数の最大径Dの平均を鉄合金1における酸化物12の最大径Dとする。
酸化物12の個数密度は、以下のように測定する。
上述の第一観察領域から、2mm×3mmの第二観察領域をとる。第二観察領域に存在する酸化物12の総数を求める。求めた酸化物12の総数を個数密度とする。ここでは、複数の第一観察領域からそれぞれ、第二観察領域をとる。各第二観察領域について酸化物12の個数密度を求める。求めた複数の個数密度の平均を鉄合金1における個数密度とする。酸化物12の総数の評価も、最大径Dの評価と同様に、上記直径が1μm以上の酸化物12を利用し、上記直径が1μm未満の酸化物12を利用しない。
〈室温での特性〉
ここでの室温は、20℃±15℃である。この温度範囲、即ち5℃以上35℃以下の温度範囲では、以下の特性は実質的に変化しない。例えば、5℃での引張強さと35℃での引張強さとは実質的に同じである。
《引張強さ》
実施形態の鉄合金1は、上述の特定の組成を備えることで、室温での強度に優れる。定量的には、室温での引張強さσRTが1250MPa以上であることが挙げられる。引張強さσRTが1250MPa以上であれば、鉄合金1は強度に優れる。例えば、鉄合金1が架空送電線5の芯線部50(図2)を構成する場合、この芯線部50は、架空送電線5の重量及び張力に耐える。また、引張強さσRTが高い鉄合金1は、温度上昇に伴って引張強さがある程度低下しても、ある程度高い引張強さを有し易い。例えば、鉄合金1が上記芯線部50を構成する場合、この芯線部50は、200℃以上といった高温になっても高い引張強さを有し易い。これらの点から、鉄合金1は、上記芯線部50の素材に好適である。引張強さσRTが1300MPa以上、1350MPa以上であれば、鉄合金1は、強度により優れる。
実施形態の鉄合金1において、室温での破断伸びが0.8%以上であることが挙げられる。室温での破断伸びが0.8%以上であれば、鉄合金1は伸びに優れる。例えば、鉄合金1が鉄合金撚線3の素線30(図2)を構成する場合、各素線30は、製造過程において撚り合わせ時に捻じられても破断し難い。また、例えば、鉄合金1が架空送電線5の芯線部50を構成する場合、架線後に強風、積雪、振動等を受けても破断し難い。この点から、鉄合金1は、上記芯線部50等に利用される鉄合金撚線の素線30の素材に好適である。室温での破断伸びが0.9%以上、1.0%以上であれば、鉄合金1は、伸びにより優れる。
実施形態の鉄合金1において、室温での加工硬化指数が0.7以上であることが挙げられる。ここでの加工硬化指数は、0.2%耐力を引張強さで除した値、即ち(0.2%耐力/引張強さ)である。引張強さ及び伸びが同じ鉄合金では、加工硬化指数が0.7以上である鉄合金は、加工硬化指数が0.7未満である鉄合金に比較して、引張試験時の応力-歪み曲線を示すグラフにおける以下の面積が大きい。上記面積は、応力-歪み曲線と、横軸と、縦軸に平行な直線であって鉄合金が破断する時の歪み値を通る直線とで囲まれる面積である。なお、上記グラフにおいて横軸は歪みを示し、縦軸は応力を示す。上記面積が大きい鉄合金1は、衝撃エネルギーを吸収する能力が高い、即ち耐衝撃性に優れるといえる。そのため、例えば、鉄合金1が架空送電線5の芯線部50を構成する場合、突風等によって急な負荷が加えられる等の衝撃を架空送電線5が受けても、芯線部50は破断し難い。また、引張強さが同じ鉄合金では、0.2%耐力が大きいほど、換言すれば加工硬化指数が大きいほど、芯線部50と端子部との固着性に優れる傾向がある。これらの点から、鉄合金1は、架空送電線5の芯線部50等に利用される鉄合金撚線3の素線30の素材に好適である。加工硬化指数が0.8以上、0.9以上であれば、鉄合金1は、上述のように衝撃を受けても破断し難い。なお、ここでの加工硬化指数の最大値は1である。
実施形態の鉄合金1では、上述のように酸化物12の最大径Dが小さいことから、捻じられても、酸化物12を起点とする割れが生じ難い。実施形態の鉄合金1は、上述の特定の組成を備えることからも、捻回によって破断し難い。定量的には、以下の平均回数が30回以上であることが挙げられる。鉄合金1から、直径の100倍の長さを有する線状の試験片を10本とる。片端固定された各試験片を60rpmの回転速度で捻回して、各試験片が破断するまでの回数を測定する。平均回数は、上記回数の平均値である。上記平均回数が30回以上であれば、鉄合金1は捻回特性に優れるといえる。例えば、鉄合金1が鉄合金撚線3の素線30を構成する場合、上述のように、各素線30は撚り合わせ時の捻回によって破断し難い。また、上記の平均回数が30回以上であれば、撚り合わせ条件の設定の自由度が高くなることで、鉄合金撚線3の製造が行い易い。これらの点から、鉄合金1は、架空送電線5の芯線部50等に利用される鉄合金撚線3の素線30の素材に好適である。上記平均回数が35回以上、更には40回以上であれば、鉄合金1は、捻回特性により優れる。
試験片を試験片の軸方向に直交する平面で切断した断面をとる。試験片の直径は、上記断面において試験片の断面積と同じ面積を有する円の直径とする。試験片が丸線であれば、試験片の直径は丸線の外径に相当する。
《高温強度》
実施形態の鉄合金1では、上述のように酸化物12の最大径Dが小さいことから、200℃以上という高温時でも、酸化物12を起点とする割れが生じ難い。実施形態の鉄合金1は、上述の特定の組成を備えることからも、上記の高温時に高い引張強さを有し易い。定量的には、室温での引張強さσRTに対する300℃での引張強さσ300の比σ300/σRTが0.8以上であることが挙げられる。以下、比σ300/σRTを高温強度比と呼ぶことがある。高温強度比が0.8以上であれば、300℃という高温時でも高い引張強さσ300を有するといえる。即ち、鉄合金1は高温強度に優れるといえる。高温強度比が0.82以上、0.85以上、更には0.90以上であれば、鉄合金1は、高温強度により優れる。なお、高温強度比は1未満である。
《線膨張係数》
実施形態の鉄合金1では、上述の特定の組成を備えることで、室温から200℃以上といった高温までの範囲において、線膨張係数が小さい。定量的には、30℃から230℃における平均線膨張係数が4ppm/℃以下であることが挙げられる。上記平均線膨張係数が4ppm/℃以下(4×10-6/℃以下)であれば、使用温度が200℃程度となり得る場合でも、鉄合金1の熱膨張量が少ないといえる。上記平均線膨張係数が3.9ppm/℃以下、3.8ppm/℃以下、更には3.5ppm/℃以下であれば、上述の高温時でも、鉄合金1の熱膨張量がより少ない。上記平均線膨張係数の測定方法は、後述する。
実施形態の鉄合金1は、種々の鉄合金製品の素材に利用できる。鉄合金1の代表的な形態として、線材、板材が挙げられる。特に、鉄合金1は、高温強度に優れること、更には捻回特性に優れることが望まれる用途の素材に好適に利用できる。上記用途として、例えば、図2に示す架空送電線5の芯線部50が挙げられる。
図2を参照して、実施形態の鉄合金線、実施形態の鉄合金撚線を説明する。
実施形態の鉄合金線2は、代表的には、実施形態の鉄合金1から構成される線材である。実施形態の鉄合金線2は、上記線材に加えて、更に、被覆層22を備えてもよい。図2は、被覆層22を備える鉄合金線2を例示する。実施形態の鉄合金撚線3は、複数の素線30が撚り合わされてなる。複数の素線30のうち、少なくとも一つの素線30が実施形態の鉄合金線2である。図2は、鉄合金撚線3を構成する全ての素線30が実施形態の鉄合金線2である場合を例示する。
実施形態の鉄合金1、実施形態の鉄合金線2、実施形態の鉄合金撚線3は、高温強度に優れる。また、実施形態の鉄合金1、実施形態の鉄合金線2、実施形態の鉄合金撚線3は、捻回特性に優れる。これら効果を後述する試験例で具体的に説明する。
実施形態の鉄合金1は、例えば、以下の工程を備える鉄合金の製造方法によって製造することが挙げられる。
(第一工程)上述の組成を有する鉄合金から構成される鋳造材を製造する。
鋳造工程において、1450℃から1400℃までの平均冷却速度が10℃/min以下である。
(第二工程)上記鋳造材に塑性加工を施して、所定の形状の加工材を製造する。
(第三工程)上記加工材に熱処理を施す。
鉄合金は、一般に、鉄合金中に含まれる元素の酸化物を含む。上記酸化物は、例えば、酸化ケイ素(SiO)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化マグネシウム(MgO)等が挙げられる。酸化物の最大径Dが150μm未満であれば、酸化物が割れの起点になり難い。酸化物の最大径Dが150μm未満になるためには、鋳造工程において、固相から液相に変化する温度域、具体的には1450℃から1400℃までの温度域での冷却速度が比較的遅いことが好ましい。以下、ストークスの式及び図3を用いて、鋳造工程における冷却速度と、酸化物の大きさとの関係を説明する。
Vsは、介在物の粒子の浮上速度(cm/s)である。
Dpは、介在物の粒径(cm)である。
ρpは、介在物の密度(g/cm3)である。
ρfは、流体の密度(g/cm3)である。
ηは、流体の粘度(g/(cm・s))である。
gは、重力加速度(cm/s2)である。
図3は、介在物の粒子の粒径Dpと、上記粒子の浮上速度Vsとの関係を示すグラフである。上記グラフの横軸は粒径Dpである。上記グラフの縦軸は浮上速度Vsである。
ここでの介在物は、酸化物である。ここでの流体は、合金溶湯である溶鋼である。
図4A,図4Bは、連続鋳造の鋳型周辺の概念図である。図4A,図4Bの紙面上方から下方に向かって、溶鋼100が鋳型6に連続的に供給される。溶鋼100は鋳型6に接することで凝固する。即ち、溶鋼100は、液相から固相に変化して、鋳造材110となる。鋳造材110は、図4A,図4Bの紙面下方に向かって進行する。このように鋳型6の上方から溶鋼100を供給して、鋳型6の下方から鋳造材110を引き出す連続鋳造法は、鋼の連続鋳造法として代表的な方法である。この連続鋳造法では、粒径Dp0より大きい粒径Dp2を有する酸化物12は、鋳型6内の上方に位置する液相領域に浮上すると共に、液相領域に留まる。粒径Dp0より小さい粒径Dp1を有する酸化物12は、鋳型6内の下方に位置する固相領域に含まれる。固相領域に含まれる酸化物12は、鋳型6の下方から引き出される鋳造材110に含まれる。結果として、鋳造材110は、大きい粒径Dp2を有する酸化物12を実質的に含まず、小さい粒径Dp1を有する酸化物12を含む。
以下、各工程を説明する。
第一工程は、鋳造を行う。鋳造法は、例えば、連続鋳造法、インゴット鋳造法が挙げられる。鋳造工程では、1450℃から1400℃までの平均冷却速度が10℃/min以下に調整される。上記平均冷却速度が10℃/min以下であれば、鋳造材中に含まれる酸化物の最大径Dが150μm未満になる。また、鋳造以降の製造過程において、酸化物の最大径Dが150μm以上に大きくならない。即ち、酸化物の最大径Dが150μm未満である鋳造材を用いれば、最終製品においても、酸化物の最大径Dは150μm未満である。上記平均冷却速度が8℃/min以下、更には6℃/min以下であれば、最大径Dがより小さくなり易い。
第二工程は、上述の鋳造材に1種の塑性加工又は複数種の塑性加工を施すことで、加工材を製造する。多パスの塑性加工を行ってもよい。塑性加工の種類は、例えば、圧延、鍛造、伸線等が挙げられる。塑性加工は、熱間でも冷間でもよい。
第三工程は、上述の加工材に熱処理を施すことで、主として炭化物を析出させて、析出硬化による強化効果を得る。この目的から、熱処理は、時効処理を含む。時効処理の条件は、例えば、熱処理温度が450℃以上750℃以下の範囲から選択される温度であり、熱処理時間が3時間以上15時間以下から選択される時間であることが挙げられる。熱処理温度が450℃以上であると共に熱処理時間が3時間以上であれば、炭化物が析出される。熱処理温度が750℃以下であると共に熱処理時間が15時間以下であれば、炭化物が粗大になり難い。熱処理によって、加工材に導入された歪みを除去して、伸びを向上する効果も期待できる。
実施形態の鉄合金線2は、上述の鉄合金の製造方法によって製造することが挙げられる。この場合、第二工程の塑性加工は、伸線を含むとよい。又は、上述の鉄合金の製造方法の一例として、第三工程の後に、更に、伸線加工を行う第四工程を備えることが挙げられる。上記第四工程を備える製造方法は、線径が5mm以下である鉄合金線2を製造する場合に好適に利用できる。
実施形態の鉄合金撚線3は、例えば、複数の鉄合金線2を撚り合わせることで製造することが挙げられる。
表1,表2に示す元素を含有する各試料の鋼線について、組織及び特性を表5,表6に示す。各試料の鋼線において、元素の含有量は、各種の成分分析法によって測定することができる。各試料の鋼線において、成分の残部はFe及び不可避不純物である。各試料の鋼線における酸素の含有量は、0.003質量%以下である。鋼線中の酸素の含有量は、例えば、不活性ガス融解-赤外線吸収法によって測定することが挙げられる。酸素の含有量の測定には、市販の装置が利用できる。
試料No.25及びNo.201の鋼線の製造において、第一工程では連続鋳造ではなく、インゴット鋳造を利用する。試料No.25及びNo.201の鋼線の製造において、第二工程から第四工程は、その他の試料と同様に行う。
試料No.201からNo.203における上記冷却速度はいずれも、15℃/min以上である。
各試料の鋼線について、各鋼線の軸方向に平行な平面で切断した縦断面をとり、縦断面におけるSEMの観察像を利用して、酸化物の最大径D及び個数密度を評価する。観察倍率は200倍である。
各試料の鋼線について、JIS Z 2241:2011に準拠して、室温で引張試験を行って、引張強さσRT、加工硬化指数、破断伸びを評価する。ここでの加工硬化指数は、各試料の鋼線から採った試験片の0.2%耐力を上記試験片の引張強さで除した値とする。
各試料の鋼線について、高温強度比を評価する。高温強度比は、室温での引張強さσRTに対する300℃での引張強さσ300の比σ300/σRTである。300℃での引張強さσ300は、300℃で上述のように引張試験を行うことによって求める。
各試料の鋼線について、市販の捻回試験機を用いて、室温で捻回試験を行って、捻回特性を評価する。各試料の鋼線から、表3,表4に示す評価線径の100倍の長さ(100D)を有する試験片を10本とる。例えば、試料No.1では、各試験片は、2.4mm×100=240mmの長さを有する線材である。各試験片の両端部のうち、一方の端部を固定し、他方の端部を捻回試験機に接続する。即ち、各試験片を片端固定する。片端固定された各試験片を捻回する。捻回は、捻回試験機によって、60rpmの回転速度で行う。各試験片が破断するまでの回数を測定する。各試料において、10本の試験片の回数を平均する。この平均値を各試料の平均回数とする。試料No.24の鋼線及び試料No.201の鋼線については、回転速度を30rpmとした場合についても、平均回数を評価する。
各試料の鋼線について、線膨張係数(ppm/℃)を評価する。ここでは、各試料の鋼線から試験片をとり、各試験片について、30℃での長さL30と、230℃での長さL230とを測定する。(230℃での長さL230-30℃での長さL30)÷(230℃-30℃)÷(30℃での長さL30)を求める。求めた値を30℃から230℃における平均線膨張係数とする。表5,表6に示す線膨張係数は、上記平均線膨張係数である。
表5,表6に示すように、特定試料群の鋼線は、高温強度に優れることがわかる。定量的には、特定試料群の鋼線の高温強度比は、0.8以上であり、試料No.201からNo.203の鋼線の高温強度比より高い。特定試料群のうち、多くの試料の高温強度比は、0.82以上である。このような結果が得られた理由の一つとして、特定試料群の鋼線では、酸化物の最大径Dが150μm未満と小さいことで、高温時に酸化物が割れの起点になり難かったことが考えられる。特定試料群のうち、多くの試料において酸化物の最大径Dが145μm以下である。これに対し、試料No.201からNo.203の鋼線では、酸化物の最大径Dが150μm以上、ここでは170μm以上である。試料No.202,No.203の鋼線では、酸化物の最大径Dが240μm以上であり、より大きい。このように最大径Dが大きいことで、試料No.201の鋼線では、同じ組成である試料No.24及びNo.25に比較して、高温強度が低下している。試料No.202の鋼線では、同じ組成である試料No.3に比較して、高温強度が大きく低下している。試料No.203の鋼線では、同じ組成である試料No.23に比較して、高温強度が大きく低下している。ここでは、試料No.202の鋼線の高温強度は、試料の中で最も低い。
(1)室温での引張強さσRTが1250MPa以上である。多くの試料の引張強さσRTが1300MPa以上である。引張強さσRTが1350MPa以上、更には1400MPa以上である試料も複数ある。このように室温での強度が高いことからも、特定試料群は、高温になっても高い引張強さを有し易いと考えられる。
試料No.102,試料No.103の鋼線は、上述の特定の組成を有していない。
C及び第二群の元素を多く含む試料No.102の鋼線は、特定試料群の鋼線に比較して、伸びが低く、捻回特性に劣る上に、平均熱膨張係数が大きい。
Cが少ない試料No.103の鋼線は、強度が低い。
2 鉄合金線、20 線材、22 被覆層
3 鉄合金撚線、30 素線
5 架空送電線、50 芯線部、52 電線部、55 素線
6 鋳型、100 溶鋼、110 鋳造材
ここでの不可避不純物は、上述の第一群の元素、第二群の元素、第三群の元素、及びCo以外の元素である。不可避不純物としては、例えばO(酸素)が挙げられる。
試料No.102,試料No.103の鋼線は、上述の特定の組成を有していない。
C及び第二群の元素を多く含む試料No.102の鋼線は、特定試料群の鋼線に比較して、伸びが低く、捻回特性に劣る上に、平均線膨張係数が大きい。
Cが少ない試料No.103の鋼線は、強度が低い。
Claims (13)
- 質量%で、
Cを0.1%以上0.4%以下、
Siを0.2%以上2.0%以下、
Mnを0.05%以上2.0%以下、
Niを25%以上42%以下、
Crを0.1%以上3.0%以下、
Vを0.2%以上3.0%以下、
Ca,Ti,Al,及びMgからなる群より選択される1種以上の元素を合計で0%以上0.1%以下、
Zr,Hf,Mo,Cu,Nb,Ta,W,及びBからなる群より選択される1種以上の元素を合計で0%以上0.1%以下、
Coを0%以上5%以下含み、残部がFe及び不可避不純物からなる組成と、
酸化物が母相に分散された組織とを備え、
断面において、2mm×20mmの領域に含まれる前記酸化物の最大径が150μm未満である、
鉄合金。 - 前記断面において、2mm×3mmの領域に含まれる前記酸化物の個数が500個以下である、請求項1に記載の鉄合金。
- 前記組成における酸素の含有量は、0.003質量%以下である、請求項1又は請求項2に記載の鉄合金。
- 室温での引張強さσRTに対する300℃での引張強さσ300の比σ300/σRTが0.8以上である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の鉄合金。
- 直径の100倍の長さを有する線状の試験片を10本とり、片端固定された各試験片を60rpmの回転速度で捻回して、各試験片が破断するまでの回数の平均値が30回以上である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の鉄合金。
- 室温での引張強さσRTが1250MPa以上である、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の鉄合金。
- 30℃から230℃における平均線膨張係数が4ppm/℃以下である、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の鉄合金。
- 室温での破断伸びが0.8%以上である、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の鉄合金。
- 室温での加工硬化指数が0.7以上である、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の鉄合金。
- 請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の鉄合金から構成される、
鉄合金線。 - 前記鉄合金から構成される線材と、更に、前記線材の外周を覆う被覆層とを備え、
前記被覆層は、Al又はZnを含む、請求項10に記載の鉄合金線。 - 線径が2mm以上5mm以下である、請求項10又は請求項11に記載の鉄合金線。
- 複数の素線が撚り合わされてなる鉄合金撚線であって、
前記複数の素線のうち、少なくとも一つの素線は、請求項10から請求項12のいずれか1項に記載の鉄合金線である、
鉄合金撚線。
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