JP5284842B2

JP5284842B2 - 高強度平鋼線

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Publication number: JP5284842B2
Application number: JP2009077086A
Authority: JP
Inventors: 聡杉丸; 浩一細川; 尚志疋田; 浩大羽; 敏之真鍋; 雅嗣村尾; 耕一村尾; 俊也池端; 充則尾崎; 圭一村上
Original assignee: Nippon Steel Corp; Namitei Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Namitei Co Ltd
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: JP2010229468A

Description

本発明は、例えばスナップリングなどに加工される平鋼線や、電力・通信線、パイプ・ホースなどの張力補強に使用される高強度平鋼線に関する。

高強度平鋼線に関しては、下記特許文献１の「高強度異形鋼線の製造方法」に開示されている０．９０％以上の炭素を含有する鋼線がある。従来の高強度平鋼線は、長手方向の引張強度は満足するものの、既に加工限界に達しており、曲げ加工などの二次加工に供することが困難であった。特に、厚み方向に垂直な面内での曲げ加工のように延性を必要とされる加工においては外周から割れが入り裂けてしまう問題があった。

特許第３２９８６８８号公報

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、二次加工性に優れた高強度平鋼線を提供することを目的とする。

本発明者らの検討によると、従来の高強度平鋼線では、加工時に４方向圧延のような端部整形を行うと、局所的な加工不均一が発生し、二次加工時の変形に局所的に耐えられずに破断してしまうことが判明した。特に、Ｃの含有量が質量分率で０．９％を超えると、セメンタイト分率が高くなるために、局所的な不均一加工部分が破壊の起点になることが判明した。

そこで、本発明においては、断面内不均一変形を回避するため、その形状を幅／厚み比で１以上４以下に制限すること、さらに加工後の断面内硬さのばらつきを抑えることが有効であることを見出した。

また、Ｃの含有量を質量分率で０．９％以下に制限することにより、実生産可能な熱処理条件にて均一な微細パーライト組織が形成され、さらに、鋼中のＮを固定することにより、時効硬化が抑制され、局所的な不均一変形部分の硬化がさらに進むことが抑制され、局所的な不均一変形部分においても破壊の起点にならないことを見出した。

その結果、本発明者らは、厚み方向に垂直な平面内において、幅の１．５倍以上の曲率半径を有する曲げ部を割れなしで折り曲げ形成することが可能となることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、上記課題を解決することを目的とした本発明の要旨は、以下のとおりである。
〔１〕鋼成分が、質量％で、
Ｃ：０．８５％以上０．９０％以下、
Ｓｉ：０．８０％以上１．００％以下、
Ｍｎ：０．６０％以上０．９０％以下、
Ｐ：０．０２５％以下、
Ｓ：０．０２５％以下
Ｃｕ：０．２０％以下であり、
残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、長手方向に垂直な断面において、矩形状を為すと共に各角部が円弧状を為す平鋼線であって、
厚みが１．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下、幅が１．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下、幅／厚み比が１以上４以下であり、
引張試験における降伏強度又は０．２％耐力が１６００ＭＰａ以上、破断強度が１９００ＭＰａ以上、破断伸びが２％以上であり、
厚み方向に垂直な平面内において、幅の１．５倍以上の曲率半径を有する曲げ部を割れなしで折り曲げ形成することが可能であることを特徴とする高強度平鋼線。
〔２〕長手方向に垂直な断面内の硬度測定が可能な任意の位置において、ビッカース硬度が何れも４５０以上であり、且つ当該ビッカース硬度の最大値と最小値との差が８０以下であることを特徴とする前記〔１〕に記載の高強度平鋼線。
〔３〕更に、質量％で、
Ａｌ：０．００５％以上０．１０％以下、
Ｔｉ：０．００３％以上０．０５％以下、
Ｂ：０．０００５％以上０．００４０％以下、
Ｎ：０．００１５％%以上０．００６０％以下を含有することを特徴とする前記〔１〕または〔２〕に記載の高強度平鋼線。
〔４〕更に、質量％で、
Ｃｒ：０．１％以上０．５％以下、
Ｖ：０．００５％以上０．５０％以下を含有することを特徴とする前記〔１〕〜〔３〕の何れか一項に記載の高強度平鋼線。
〔５〕Ｚｎ又はＮｉを含む厚みが１０μｍ以下のめっき層を表面に有することを特徴とする前記〔１〕〜〔４〕の何れか一項に記載の高強度平鋼線。

以上のように、本発明では、断面内不均一変形を回避するため、その形状を幅／厚み比で１以上４以下に制限すること、加工後の断面内硬さのばらつきを抑えること、並びに、Ｃの含有量を０．９質量％以下に制限することにより、実生産可能な熱処理条件にて均一な微細パーライト組織が形成され、加えて鋼中のＮを固定することにより、時効硬化が抑制され、局所的な不均一変形部分の硬化がさらに進むことが抑制され、従来の高強度平鋼線と比較して高い二次加工性を有する高強度平鋼線を得ることが可能である。したがって、この高強度平鋼線は、厚み方向に垂直な平面内において、幅の１．５倍以上の曲率半径を有する曲げ部を割れなしで折り曲げ形成することが可能である。

図１は、厚み方向に垂直な平面内で曲げ加工を行った平鋼線の例を示す斜視図である。図２は、本発明例及び比較例の平鋼線について硬さ分布を測定した結果を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
本発明は、例えば図１に示すように、長手方向に垂直な断面において、矩形状を為すと共に各角部が円弧状を為す平鋼線１であって、厚み（Ｔ）が１．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下、幅（Ｗ）が１．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下、幅／厚み比（Ｗ／Ｔ）が１以上４以下であり、引張試験における降伏強度又は０．２％耐力が１６００ＭＰａ以上、破断強度が１９００ＭＰａ以上、破断伸びが２％以上であり、厚み方向に垂直な平面内において、幅（Ｗ）の１．５倍以上の曲率半径（Ｒ）を有する曲げ部２を割れなしで折り曲げ形成することが可能であることを特徴とする高強度平鋼線である。なお、本発明では、平鋼線１の長手方向に垂直な断面において、寸法の短い方を「厚み」、長い方を「幅」と称する（以下、同様。）。また、曲げ部２は、幅Ｗの３倍以上の直径（２Ｒ）を有する円筒の外周面に沿って幅方向に曲げ加工を行うことで形成可能である。したがって、曲率半径Ｒは、曲げ部２の内側に形成される円弧に基づくものとする。
以下、本発明の高強度平鋼線において各条件を規定した理由について説明する。

（厚みが１．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下）
平鋼線の用途として様々な厚みや幅があるが、本発明が対象とする高強度平鋼線は、長手方向に垂直な断面において、矩形状を為すと共に各角部が円弧状を為すものである。また、その製造上、圧延ロールの表面安定性や圧延時の反力から、平鋼線の厚みは５．０ｍｍが上限である。また、厚み方向に垂直な面内での曲げ加工を安定的に行うには、平鋼線の厚みは１．５ｍｍ以上必要である。

（幅／厚み比が１以上４以下）
（幅が１．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下）
本発明者らは、鋭意検討を行った結果、高強度平鋼線の断面内硬さ分布を均一にするためには幅／厚み比が４以下とすることが好ましいことを見出した。平鋼線において、幅が厚みに対して広いほど、圧延による均一性確保が困難となる。一方、幅／厚み比が１となる場合、すなわち厚みと幅が同一の場合が下限となる。これは、幅／厚み比が１未満となる場合は、幅と厚みが表現上入れ替り、結果として同じとなるためである。その結果、幅／厚み比の好ましい数値範囲は１以上４以下となり、上記厚みの好ましい数値範囲から、幅の好ましい数値範囲は１．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下となる。

（降伏強度又は０．２％耐力が１６００ＭＰａ以上、破断強度が１９００ＭＰａ以上、破断伸びが２％以上）
本発明の高強度平鋼線は、１９００ＭＰａ以上の破断強度を有することを特徴としており、従来の平鋼線において１９００ＭＰａで延性を有するものは現時点で確認されていない。また、本発明の高強度平鋼線では、延性を確保するために、破断伸びを２％以上とする。さらに、本発明の高強度平鋼線では、降伏後の延びを確保するために、降伏強度又は０．２％耐力を１６００ＭＰａ以上とする。

（厚み方向に垂直な平面内において、幅の１．５倍以上の曲率半径を有する曲げ部を割れなしで折り曲げ形成すること）
本発明の高強度平鋼線は、厚み方向に垂直な平面内において、幅の１．５倍以上の曲率半径を有する曲げ部を割れなしで折り曲げ形成することが可能であり、引張試験において、降伏強度が１６００ＭＰａ以上、破断強度が１９００ＭＰａ以上という高強度にもかかわらず、延性が十分にあり、高い二次加工性が確保されていることが保証された。

また、本発明の高強度平鋼線は、長手方向に垂直な断面内の硬度測定が可能な任意の位置において、ビッカース硬度が何れも４５０以上であり、且つ当該ビッカース硬度の最大値と最小値との差が８０以下であることが好ましい。

（ビッカース硬度が４５０以上、ビッカース硬度の最大値と最小値との差が８０以下）
本発明の高強度平鋼線に関して、断面内に局所的に強度が低いところがあると破壊の起点となるため、本発明者らは、断面内の強度を確認するため、断面内のビッカース硬度を測定した。その結果、ビッカース硬度が４５０未満になると、そこを起点として破断することを見出した。

また、平鋼線の加工後の断面内には硬さのばらつきがある。したがって、平鋼線の長手方向に垂直な断面内の任意の位置（表層直下の硬度測定可能な位置より中心側）については、全ての位置についてビッカース硬度が４５０以上であることが好ましい。さらに、ビッカース硬度の最大と最小との差が８０を超えると、均一変形しにくくなり平鋼線が裂けるように割れることを見出した。したがって、ビッカース硬度の最大値と最小値との差は８０以下とする。

本発明の平鋼線は、加工量が大きいほど強度上昇が大きくなるが、断面内に均一な歪みを与え、曲げ加工可能な延性を確保するために、断面減少率（＝１００−（加工後の断面積）／（熱処理後の断面積）×１００％）を９０％以下とすることが好ましい。

また、本発明の高強度平鋼線は、鋼成分が、質量％で、Ｃ：０．８５％以上０．９０％以下、Ｓｉ：０．８０％以上１．００％以下、Ｍｎ：０．６０％以上０．９０％以下、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ｃｕ：０．２０％以下であり、残部がＦｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする。
以下、本発明の鋼成分を限定した理由について説明する。なお、％の表記は特に断りがない場合は質量％を意味する。

（Ｃ：０．８５％以上０．９０％以下）
Ｃは、セメンタイト分率を上げ、パーライト鋼の強度を上げる作用がある。ここで、パテンティング条件によってパーライトのラメラ間隔を制御し、加工によって強度を上げることは可能であるが、Ｃの含有量が質量分率で０．８５％を下回ると、加工後に延性を持った状態で到達強度を１９００ＭＰａ以上にすることは困難である。したがって、本発明では、Ｃの含有量を０．８５％以上とする。また、Ｃの含有量が０．９０％を超えると、局所的な偏析により、加工時に割れが生じるため、その上限を０．９０％とした。

（Ｓｉ：０．８０％以上１．００％以下）
Ｓｉは、精錬時の脱酸元素として０．８０％以上添加することが好ましい。さらに、Ｓｉは、フェライトの固溶強化を行うが、熱処理時の恒温変態のノーズを上げる作用があるため、その上限を１．００％とする。

（Ｍｎ：０．６０％以上０．９０％以下）
Ｍｎは、固溶強化元素であり、鋼の靭性を向上させると共に、焼入れ性を向上させる元素であり、靭性を確保するためには、０．６０％以上が必要である。一方、Ｍｎが０．９０％を超えると、中心部の変態遅れが発生するため、その上限を０．９０％とする。

（Ｐ：０．０２５％以下）
Ｐは、鋼を脆化させる作用があり、平鋼線加工時に割れを防止するためには、０．０２５％以下とする必要がある。

（Ｓ：０．０２５％以下）
Ｓは、鋼中の、Ｍｎと結合しＭｎＳを形成する。また、Ｓは、鋼を精錬−凝固させる過程で中心部に偏析するため、中心部にＭｎＳが集積するが、Ｓの含有量が０．０２５％を超えると、平圧加工後に曲げ加工を行なった場合、中心部を起点とした破断が起こる。したがって、Ｓの含有量は、０．０２５％以下とする必要がある。

（Ｃｕ：０．２０％以下）
Ｃｕは、主にスクラップなどから混入する不純物であり、固溶強化によって鋼を硬化させる作用がある。しかしながら、Ｃｕの含有量が０．２０％を越えると、加工性を著しく低下させるため、Ｃｕの含有量は、０．２０％以下とする必要がある。

また、本発明の高強度平鋼線は、上記成分の他に、更に、質量％で、Ａｌ：０．００５％以上０．１０％以下、Ｔｉ：０．００３％以上０．０５％以下、Ｂ：０．０００５％以上０．００４０％以下、Ｎ：０．００１５％%以上０．００６０％以下の何れか１種又は２種以上を含有させてもよい。

（Ａｌ：０．００５％以上０．１０％以下）
Ａｌは、鋼の精錬時に脱酸材として使用され、さらに鋼中のＮと化合物を形成し、Ｎを固定する作用がある。また、Ａｌは、Ｎを固定することによって鋼の時効硬化を防止するほかに、Ｂを同時に添加する場合には、Ｎを固定することで固溶Ｂ増加させる効果がある。しかしながら、Ａｌの添加量が０．００５％未満であると、上述したＡｌによるＮ固定の効果が十分に得られず、一方、Ａｌの添加量が０．１０％を超えると、鋼中の酸素と結合して生成するＡｌ_２Ｏ_３の量が増加し、平圧加工時に割れの起点となる。したがって、Ａｌの含有量は、０．００５％以上０．１０％以下とすることが好ましい。なお、同様の効果はＴｉにもあるため、Ｔｉの添加によってＡｌの添加量を削減することができる。

（Ｔｉ：０．００３％以上０．０５％以下）
Ｔｉは、Ａｌと同様に、鋼の脱酸材として使用されるほかに、鋼中のＮと化合物を形成し、Ｎを固定する作用がある。また、Ｔｉは、Ｎを固定することによって鋼の時効硬化を防止するほかに、Ｂを同時に添加する場合には、Ｎを固定することで固溶Ｂを増加させる効果がある。しかしながら、Ｔｉの添加量が０．００３％未満であると、上述したＴｉによるＮ固定の効果が十分に得られず、一方、Ｔｉの添加量が０．０５％を超えると、鋼中炭素と結合して生成するＴｉＣが増加し、平圧加工時に割れの起点となる。したがって、Ｔｉの含有量は、０．００３％以上０．０５％以下とする。

（Ｂ：０．０００５％以上０．００４０％以下）
Ｂは、オーステナイト中に固溶Ｂとして存在し、焼入れ性を向上させる効果があるが、０．０００５％未満であると、焼入れ性の効果が十分に得られない。一方、Ｂが０．００４０％を超えて存在すると、Ｆｅ、Ｃと化合物を形成し、Ｆｅ_２３（Ｃ，Ｂ）_６などの析出物になり加工時の割れの起点となる。したがって、Ｂの含有量は、０．０００５％以上０．００４０％以下とする。

（Ｎ：０．００１５％%以上０．００６０％以下）
Ｎは、Ａｌ、Ｔｉ、Ｂと窒化物を形成し、加熱時にオーステナイト粒径を制御する。しかしながら、Ｎが０．００１５％未満であると、窒化物を十分に形成しないため、粒径抑制効果が十分に得られない。一方、Ｎが０．００６０％を超えると、Ａｌ、Ｔｉ、Ｂと結合しない過剰なＮが時効硬化を起こし、平鋼線の延性を低下させる。したがって、Ｎの含有量は、０．００１５％%以上０．００６０％以下とする。

また、本発明の高強度平鋼線は、上記成分の他に、更に、質量％で、Ｃｒ：０．１％以上０．５％以下、Ｖ：０．００５％以上０．５０％以下の何れか１種又は２種を含有させてもよい。

（Ｃｒ：０．１％以上０．５％以下）
Ｃｒは、パーライトのラメラ間隔を小さくすることによって強度を上げる作用があり、伸線加工時の強度上昇を大きくする効果がある。この効果はＣｒの０．１％以上の添加で得られるが、Ｃｒが０．５％を超えると、パーライト変態終了時間が長くなり、生産性が大きく低下するため、その上限を０．５％とする。

（Ｖ：０．００５％以上０．５０％以下）
Ｖは、Ｃと結合し、フェライト中に炭化物を析出する。この析出物によってフェライトを硬化させる作用は、Ｖの０．００５％以上の添加で得られるが、Ｖが０．５０％を超えて存在すると、粗大な炭化物が生成されて加工時の割れの起点になる。したがって、Ｖの含有量は、０．００５％以上０．５０％以下とする。

（厚さ１０μｍ以下のＺｎ又はＮｉめっき層）
また、本発明の高強度平鋼線は、Ｚｎ又はＮｉを含む厚みが１０μｍ以下のめっき層を表面に有する構成であってもよい。本発明では、腐食による水素侵入や環境からの水素侵入などによる遅れ破壊を防ぐ目的で、平鋼線の表面にＺｎ又はＮｉめっき層を有することは、この平鋼線の腐食を防止するのみならず、遅れ破壊の防止にも大変有効である。一方、めっき層は、厚みが１０μｍを超えると、平圧後の二次加工において剥離してしまうため、厚みを１０μｍ以下とすることが好ましい。また、防食効果が得られる樹脂等の被覆が施されれば、めっき層と同様の効果を有する。

以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

先ず、表１及び表２に示す種々の化学成分を有する鋼材を用いて、様々な厚み及び幅を有する本発明例（Ｎｏ．１〜１６）及び比較例（Ｎｏ．１７〜２７）の平鋼線を作製した。

鋼材は、線材圧延後の熱処理により微細なパーライト組織に調整されている。また、強度を上げるため、丸断面ダイス又は長方形断面ダイスによる伸線加工、若しくは平圧延を単独又は組み合わせることによって、成形加工を行った。

そして、これら本発明例（Ｎｏ．１〜１６）及び比較例（Ｎｏ．１７〜２７）の平鋼線について、厚み方向に垂直な平面内で曲げ加工を行い、その加工性の評価を行った。

その結果、表１に示す本発明例（Ｎｏ．１〜１６）の平鋼線では、幅の３倍以上の直径を有する円筒の外周面に沿って幅方向に曲げ加工を行うことで、何れも厚み方向に垂直な平面内において、幅の１．５倍以上の曲率半径を有する曲げ部を割れなしで形成することができた。

一方、表２に示す比較例（Ｎｏ．１７〜２７）の平鋼線では、何れも成形加工時に割れが発生したり、曲げ加工時に割れが発生したりすることによって、良好な結果が得られなかった。

次に、Ｎｏ．５の平鋼線（本発明例）について、長手方向に垂直な断面内における硬度分布を測定した結果を表３に示す。

なお、本測定では、ビッカース硬度を荷重１ｋｇで表層直下０．０５ｍｍ位置から０．５ｍｍピッチで、幅方向に１１箇所、厚み方向に５箇所、升目状に計５５箇所の点で測定を行った。その結果、表３に示すように、全て箇所でビッカース硬度が４５０以上を示し、なお且つ、その最大値と最小値との差が８０以下（本測定では５６）を示した。

また、Ｎｏ．５の平鋼線（本発明例）とＮｏ．２２の平鋼線（比較例）について、長手方向に垂直な断面内における硬度分布を幅方向（水平分布）に１１箇所、厚み方向（垂直分布）に５箇所の点で測定した結果を図２に示す。

図２に示すように、本発明例の平鋼線は、比較例の平鋼線よりも断面内における硬度のばらつきが抑制されていることがわかる。

次に、本発明例の平鋼線に亜鉛めっきを種々の厚みで施した。その結果、厚み１０μｍ以下では割れや剥離が発生しなかったが、１２μｍ以上では割れが確認され、１６μｍ以上では剥離が発生した。また、めっき種をニッケルめっきに変えた結果も、ほぼ同様であった。

本発明は、例えばスナップリングなどに加工される平鋼線や、電力・通信線、パイプ・ホースなどの張力補強に使用される高強度平鋼線に幅広く適用することが可能である。

１…平鋼線Ｗ…幅Ｔ…厚みＲ…曲率半径

Claims

鋼成分が、質量％で、
Ｃ：０．８５％以上０．９０％以下、
Ｓｉ：０．８０％以上１．００％以下、
Ｍｎ：０．６０％以上０．９０％以下、
Ｐ：０．０２５％以下、
Ｓ：０．０２５％以下
Ｃｕ：０．２０％以下であり、
残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、長手方向に垂直な断面において、矩形状を為すと共に各角部が円弧状を為す平鋼線であって、
厚みが１．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下、幅が１．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下、幅／厚み比が１以上４以下であり、
引張試験における降伏強度又は０．２％耐力が１６００ＭＰａ以上、破断強度が１９００ＭＰａ以上、破断伸びが２％以上であり、
厚み方向に垂直な平面内において、幅の１．５倍以上の曲率半径を有する曲げ部を割れなしで形成することが可能であることを特徴とする高強度平鋼線。
長手方向に垂直な断面内の硬度測定が可能な任意の位置において、ビッカース硬度が何れも４５０以上であり、且つ当該ビッカース硬度の最大値と最小値との差が８０以下であることを特徴とする請求項１に記載の高強度平鋼線。
更に、質量％で、
Ａｌ：０．００５％以上０．１０％以下、
Ｔｉ：０．００３％以上０．０５％以下、
Ｂ：０．０００５％以上０．００４０％以下、
Ｎ：０．００１５％%以上０．００６０％以下の何れか１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の高強度平鋼線。
更に、質量％で、
Ｃｒ：０．１％以上０．５％以下、
Ｖ：０．００５％以上０．５０％以下の何れか１種又は２種を含有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の高強度平鋼線。
Ｚｎ又はＮｉを含む厚さ１０μｍ以下のめっき層を表面に有することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の高強度平鋼線。