(57)【要約】【課題】従来に増して高い引張強度を有してソーワイヤのより一層の細径化が可能であり、且つ靭延性に優れた高強度高疲労強度ソーワイヤ用鋼を提供する。【解決手段】ソーワイヤ用鋼の組成を、質量％でＣ：0.18〜0.30％，Ni：6.0〜9.0％，Co：8〜20％，Mo：1.0〜6.0％，Cr：1.0〜6.0％，Al：0.5〜1.3％，Ti：≦0.1％，Ｎ：≦0.010％，Ｏ：≦0.010％，残部Fe及び不可避的不純物の組成を有するものとする。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で
Ｃ：0.18〜0.30％
Ni：6.0〜9.0％
Co：8〜20％
Mo：1.0〜6.0％
Cr：1.0〜6.0％
Al：0.5〜1.3％
Ti：≦0.1％
Ｎ：≦0.010％
Ｏ：≦0.010％
残部Fe及び不可避的不純物の組成を有する靭延性に優れた高強度高疲労強度ソーワイヤ用鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は単結晶シリコンインゴットやセラミックスその他の硬質素材の切断に用いられるソーワイヤ用の鋼に関し、特にマルエージング鋼から成る靭延性に優れた高強度，高疲労強度のソーワイヤ用鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、単結晶シリコンインゴットを切断（スライス加工）して太陽電池や半導体等に用いられるシリコンウエハを作製したり、ＬＥＤに用いられるサファイアを切断したり、モータに用いられるネオジウム磁石を切断したりするなど、硬質の素材を切断する際に能率良く素材を切断できる方法としてソーワイヤを用いた切断が行われている。
【０００３】
近年、太陽電池や半導体，ＬＥＤ，モータ等の生産増加に伴って、これら単結晶シリコンインゴットその他の素材に対する切断時の歩留り改善が強く求められている。
ソーワイヤによる切断では、ソーワイヤによる切代分即ちソーワイヤの線径分の肉が素材から削り取られ、これがカットロスとなって失われる。
従って歩留りを改善するにはソーワイヤの線径をできるだけ細径化する必要がある。
【０００４】
硬質素材の切断に用いられるソーワイヤに求められる最も重要な特性は引張強度であり、従来かかるソーワイヤ材として引張強度の強いピアノ線が用いられてきた。
ところでソーワイヤを用いた切断では、ソーワイヤに繰返し大きな引張りの力が加わるとともに、ねじり方向にも断続的に負荷（ねじりの力）が加わる。
その際にソーワイヤが早期に破断してしまわないようにソーワイヤには疲労強度、靭延性も求められる。
【０００５】
ピアノ線を用いた従来のソーワイヤでは、引張強度を考慮すると更なる線径の細径化を図ることは難しく、また靭延性，疲労強度の点でも不十分であり、歩留りの改善要求に対して更なる線径の細径化が可能で疲労強度，靭延性にも優れた材料の開発が求められていた。
更にソーワイヤは細径であるために介在物の影響が大きく、ワイヤ材には高い清浄度が求められる。
【０００６】
下記特許文献１には、ソーワイヤとして18Niマルエージング鋼を用いる点が開示されている。
18Niマルエージング鋼は高強度を有し、またピアノ線に比べて靭延性も良好である。
但しこの18Niマルエージング鋼はTiを必須成分として含有し、時効処理によってTiを金属間化合物として析出させることで高強度を発現するもので、鋼に含有されたTiは、ＣやＮ等と結合して鋼中に粗大なTiＣ，TiＮ等の介在物を生成し、これが破壊起点になることによってソーワイヤの疲労強度を低下せしめる問題がある。
更にこの18Niマルエージング鋼は引張強度の点でもなお十分とは言えず、ソーワイヤのより一層の細径化を図ることは難しい。
【０００７】
下記特許文献２には、Tiを非添加とし、Ｃを0.05〜0.15％と多く含有させたマルエージング鋼が開示されている。
但しこの特許文献２に開示のマルエージング鋼はＣＶＴリング用の薄板鋼として用いるもので、ソーワイヤ材とは求められる引張強度のレベルが異なっており、このマルエージング鋼をソーワイヤとして用いるには引張強度の点で、また靭延性等の点で不十分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−５５７４２号公報
【特許文献２】特開２０１１−１９５９２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は以上のような事情を背景とし、従来に増して高い引張強度を有してソーワイヤのより一層の細径化が可能であり、且つ靭延性に優れた高強度高疲労強度ソーワイヤ用鋼を提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
而して請求項１のソーワイヤ用鋼は、質量％でＣ：0.18〜0.30％，Ni：6.0〜9.0％，Co：8〜20％，Mo：1.0〜6.0％，Cr：1.0〜6.0％，Al：0.5〜1.3％，Ti：≦0.1％，Ｎ：≦0.010％，Ｏ：≦0.010％，残部Fe及び不可避的不純物の組成を有することを特徴とする。
【発明の作用・効果】
【００１１】
本発明では、ソーワイヤ用の材料としてマルエージング鋼を用い且つその組成を、Ti非添加，Ｃを0.18〜0.30％と多く含有した組成とする。
そしてTiを非添加とすることで鋼中に粗大なTiＮ介在物等が生じるのを抑制し、疲労強度を向上させる。
またＣを多く含有させることで、母相のマルテンサイトへのＣの固溶による強化に加えて、時効処理の際にMo等との炭化物を析出させて母材強度を高める。
【００１２】
かかる本発明によれば、引張強度２４００ＭＰａ以上，伸び５％以上の高強度，高靭延性を有する高疲労強度のソーワイヤ用鋼を得ることができる。
これによってソーワイヤの線径を従来に増して細径化することができ、そしてその細径化によってソーワイヤによる素材切断時の材料の歩留りを改善し、高めることができる。
【００１３】
次に本発明における各化学成分の限定理由を以下に説明する。
Ｃ：0.18〜0.30％
従来のマルエージング鋼、例えば特許文献１の18Niマルエージング鋼ではＣが0.02％以下の極低Ｃとされているが、本発明ではＣを0.18％以上多く含有させる。
本発明において、Ｃは母相のマルテンサイトの素地に固溶して母材強度を強くする。また時効処理によって炭化物（Mo２Ｃ）を析出し母材強度を高める。
Ｃはまた、固溶化熱処理のために鋼を加熱し昇温させる過程で（例えば５００〜６００℃程度の温度領域で）炭化物（Mo２Ｃ）を析出する。
【００１４】
このとき生じた炭化物は、固溶化熱処理温度でのγ（オーステナイト）粒の粗大化をピンニング効果によって抑制するように作用する。
但しこの過程で生じた炭化物は固溶化温度でその大部分が固溶により消失し、炭化物析出による硬化は、主として固溶化熱処理後の時効処理によって行われる。
本発明では、これらの働きのためにＣを0.18％以上多く含有させる。好ましくは0.20％以上含有させる。
【００１５】
一方、Ｃを0.30％を超えて多量に含有させると、Mo２Ｃ析出により消費されるMoが多くなって、金属間化合物形成のためのMoが不足するため、その上限を0.30％とする。
その他に、Ｃ含有量を0.30％を超えて多くすると、固溶化熱処理のための昇温過程で一時的に生じる炭化物（Mo２Ｃ）の析出量が過剰となる。
【００１６】
この過程で生じた炭化物は上記のようにピンニング効果によってγ粒が粗大化するのを抑制する働きをするが、ここで一時的に析出した炭化物は固溶化熱処理によって大部分をオーステナイトに固溶化させる必要がある。
ところがその析出量が多くなると固溶化のための温度を高くする必要が生じる。しかし固溶化のための温度を高温化させると、炭化物が固溶したところでオーステナイト粒が一挙に粗大化することに繋がる。
【００１７】
そこで、生成した炭化物（析出物）の大部分を固溶させつつ、炭化物の固溶完了と同時にオーステナイト粒が一気に粗大化してしまわないような、最適の温度範囲で固溶化熱処理を行うことが必要となるが、炭化物が多く析出すればその最適温度範囲が狭くなり、操業が困難となる。この意味においても本発明ではＣ含有量を0.30％以下とする。好ましくは0.25％以下とする。
【００１８】
Ni：6.0〜9.0％
Niは時効硬化処理によってMo，Al等と結合してNi３Mo，NiAl等の金属間化合物を析出し、母材の引張強度及び疲労強度を向上させる。その働きを確保する上で本発明ではNiを6.0％以上含有させる。好ましくは7.0％以上含有させる。
一方9.0％を超えて過剰に含有させると、Ｍｓ点（マルテンサイト変態開始温度）の低下によってマルテンサイト変態が抑制され、固溶化熱処理後の残留オーステナイト量が多くなって強度低下を招いてしまう。
そこで本発明ではNi含有量の上限を9.0％とする。
【００１９】
Co：8〜20％
Coはマルテンサイトへの固溶によって金属間化合物形成元素であるNiやMoのマルテンサイトへの固溶限界を低下させ（固溶量を減少させ）、NiとMoの結合によるNi３Mo金属間化合物，NiとAlの結合によるNiAl金属間化合物の析出を促進させて、母材の引張強度及び疲労強度を高める働きを有する。
その働きのために本発明では8％以上含有させる。好ましくは10％以上、より好ましくは12％以上含有させる。
一方20％を超えて多量に含有させると、Ｍｓ点の低下によりマルテンサイト変態が抑制され、固溶化熱処理後の残留オーステナイト量が増加し強度低下を招くため、上限を20％とする。好ましい上限は18％であり、より好ましい上限は16％である。
【００２０】
Mo：1.0〜6.0％
Moは時効処理によって金属間化合物Ni３Moを析出するのに加えて、炭化物Mo２Ｃを析出し、析出硬化によって母材の引張強度及び疲労強度を高める働きを有する。その働きのため本発明ではMoを1.0％以上含有させる。好ましい含有量は2.0％以上である。
一方6.0％を超えて多量に含有させると、固溶化熱処理のための昇温過程で一時的に生じたMo２Ｃの固溶温度を上昇させ、γ粒の粗大化を防ぎつつMo２Ｃ析出物を固溶させるための最適温度範囲が狭くなり、操業を困難化する。
そこで本発明ではMoの含有量の上限を6.0％とする。好ましい含有量の上限は5.0％である。
【００２１】
Cr：1.0〜6.0％
Crは靭延性を高めるとともに、マトリックスに固溶して耐食性を向上させる。その効果を得るため、本発明ではCrを1.0％以上含有させる。好ましい含有量は2.5％以上であり、より好ましい含有量は3.5％以上である。
一方6.0％を超えて多量に含有させると強度特性を低下させるため、上限を6.0％とする。好ましい上限は5.0％であり、より好ましい含有量の上限は4.5％である。
【００２２】
Al：0.5〜1.3％
Alは鋼溶製時の脱酸剤として働くとともに、時効処理によりNiと結合して金属間化合物NiAlを析出し、母材強度を高める働きを有する。その働きのために本発明ではAlを0.5％以上含有させる。好ましくは0.6％以上含有させる。
一方1.3％を超えて多量に含有させると、酸化物を形成して鋼の清浄度を低下させ、疲労寿命を低下させるため、本発明ではその上限を1.3％とする。好ましい上限は1.2％である。
【００２３】
Ti：≦0.1％
一般のマルエージング鋼において、Tiは強度向上に寄与するNi-Ti金属間化合物を析出するための必須元素として添加されるが、本発明では、TiがTiＣ，TiＮ等の非金属介在物を形成して清浄度を低下させ、疲労寿命を低下させるためにこれを不純物として非添加とする。詳しくはその含有量を0.1％以下に規制する。
以上のような本発明のソーワイヤ用鋼は、JIS Z 2241に準拠した引張試験において２４００ＭＰａ以上の引張強度，５％以上の伸びを実現でき、優れた靭延性，高強度を有する。また疲労強度においても優れる。
【００２４】
Ｎ：≦0.010％
ＮはTiＮ等を形成し清浄度を低下させ、疲労寿命を低下させるため、本発明ではこれを不純物としてその含有量を0.010％以下に規制する。
【００２５】
Ｏ：≦0.010％
Ｏは酸化物を形成し清浄度を低下させ、疲労寿命を低下させるため、本発明ではこれを不純物としてその含有量を0.010％以下に規制する。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明のソーワイヤ用鋼は以下のようにして製造することができる。
詳しくは、(1)不純物の少ない原料を真空誘導炉で溶解し、鋳造してインゴットを得るか、又は(2)スクラップおよび合金元素などの溶解原料をアーク炉で溶解及び精錬し、得られた溶鋼を加熱装置及び真空装置の付いた取鍋精錬炉に移して真空精錬し、鋳造してインゴットを得る。
【００２７】
このようにして得たインゴットを、エレクトロスラグ再溶解法又は真空アーク再溶解法により再溶解し、凝固させて再溶解インゴットとする。その再溶解に際して、更に清浄度を改善することを目的としてエレクトロスラグ再溶解法又は真空アーク再溶解法を個別若しくは組み合せて複数回行っても良い。
【００２８】
上記のようにして製造したインゴットを、約１０００〜１３００℃の範囲の温度に５〜７２時間程度熱するソーキングを行い、空冷した後、熱間鍛造，ペンシル加工，熱間圧延，そして９００〜１１５０℃の温度にて約１〜６０分間保持する固溶化熱処理を行って空冷し、その後冷間圧延により直径１ｍｍ以下の線材を作製する。
【００２９】
その後、真空中、不活性雰囲気中又は弱還元雰囲気中にて９００〜１１５０℃，約１〜６０分間の条件で固溶化熱処理し、空冷し、その後線材の強度を得るために４００〜６００℃の温度にて１〜３６時間の時効処理を施し空冷することによってソーワイヤ用途に適した状態とする。
【実施例】
【００３０】
上記(2)の方法に従い、スクラップ及び合金原料のアーク炉による溶解−精錬，取鍋精錬炉による真空精錬，及び真空アーク再溶解を行って、直径５１０ｍｍのインゴットを得た。合金組成は表１に示した通りである。
これらのインゴットを１１５０〜１２００℃で２４時間加熱するソーキングを行って均質化し、熱間鍛造，ペンシル加工，熱間圧延，大気中での１０００℃×１時間の固溶化熱処理を行って空冷し、直径２０ｍｍの線材に加工した。その後線材を５００℃にて５時間加熱する時効処理を施して空冷し、その後に線材から引張試験，回転曲げ疲労試験，清浄度測定，結晶粒度測定用の試料を切り出し、各測定を下記の方法で実施した。
【００３１】
また一部線材に関しては、直径２０ｍｍの線材を用いた上記の各種評価に加え、線材を冷間圧延により直径１ｍｍの線材にした後に、１０００℃に１時間加熱する固溶化熱処理（雰囲気は弱還元雰囲気中）−空冷及び５００℃に５時間加熱する時効処理−空冷を施し、その後長さ１００ｍｍの線材を切り出した、その線材を使って、簡易的な引張試験及びソーワイヤの特性評価として何周３６０°捻じることができるかを評価する捻回試験を実施した。
これらの結果が表２に示してある。
【００３２】
【表１】
2014005493.tif 000002
【００３３】
【表２】
2014005493.tif 000003
【００３４】
＜試験および評価方法＞
（１）結晶粒度          JIS G 0551
圧延方向にて試料採取し、10％クロム酸電解腐食により旧γ粒界の腐食を行った。その後JIS G 0551に準拠して結晶粒度を粒度番号により導出した。
【００３５】
（２）清浄度            JIS G 0555
鋼中の非金属介在物の点算法による顕微鏡試験方法に準じて、全介在物の面積率(％)を測定し、その鋼の清浄度(d％)とした。
試験片は、圧延方向を長手方向とし、中心線を通る切断面を被検面とするように厚さ１ｍｍ×幅２０ｍｍ×長さ１５ｍｍで採取した。
圧延方向に平行な面(幅２０ｍｍ×長さ幅１５ｍｍの面)を被検面として樹脂に埋め込み、鏡面研磨することにより製作した。
【００３６】
（３）引張特性          JIS Z 2241
金属引張り試験方法に準じて、引張り強度(ＭＰａ)を測定した。
試験片は、JIS Z 2201によるJIS 14号A試験片とした。試験温度は室温である。
【００３７】
（４）回転曲げ疲労特性    JIS Z 2274
JIS Z 2274に定める、金属材料の回転曲げ疲れ試験方法に準じて調査した。
試験片は１号試験片とした。
試験片を荷重負荷により曲げ変形させ、その状態で回転速度３６００ｒｐｍの条件下で繰り返し回転曲げ変形させ、破断にいたるまでの繰り返し数を測定した。
試験片に加わる応力の最大値を変化させて、破断までの繰り返し数が１×１０７回以上になる強度を疲労強度(ＭＰａ)とした。
表２では、負荷応力１５００(ＭＰａ)としたときの、破断までの繰返し数が１０７回以上であるか否かによって評価を行った。
【００３８】
表１及び表２において、比較例１及び比較例２はＣ量が本発明の下限値よりも少なく、引張強度が目標値に達していない。また疲労強度も不十分である。
比較例３は、Ｃ量が本発明の上限値を超えて過剰であり、伸びの値が低く、また結晶粒度も粗い。
【００３９】
比較例４は、Ni量が本発明の下限値よりも低く、引張強度が目標値である２４００ＭＰａ以上に達しておらず、また疲労強度も不十分である。
比較例５は、Ni量が本発明の上限値を超えて過剰であり、引張強度が目標値に達していないとともに、疲労強度も不十分である。
【００４０】
比較例６は、Co量が本発明の下限値よりも低く、引張強度が目標値に達していないとともに、疲労強度も不十分である。
比較例７は、Co量が本発明の上限値を超えて過剰であり、引張強度が目標値に達していないとともに、疲労強度も不十分である。
【００４１】
比較例８は、Mo量が本発明の下限値よりも低く、引張強度が目標値に達していないとともに、疲労強度も不十分である。
比較例９は、Mo量が本発明の上限値を超えて過剰であり、γ粒の粗大化によって結晶粒度が粗い。
【００４２】
比較例１０は、Cr量が本発明の下限値よりも低く、伸びの値が目標値である５％に達していない。
比較例１１は、Cr量が本発明の上限値を超えて過剰であり、引張強度が目標値に達していないとともに、疲労強度も不十分である。
【００４３】
比較例１２は、Al量が本発明の下限値よりも低く、引張強度が目標値に達していないとともに、疲労強度も不十分である。
比較例１３は、Al量が本発明の上限値を超えて過剰であり、鋼の清浄度が低下することによって疲労強度が不十分である。
【００４４】
比較例１４は、Ti量が本発明の上限値を超えて過剰であり、同じく鋼の清浄度が低下することにより疲労強度が不十分である。
比較例１５は、Ｎ，Ｏの含有量が多く、鋼の清浄度が低下し疲労強度が不十分である。
【００４５】
これに対して本発明例は何れも引張強度，伸び，結晶粒度，清浄度，疲労強度の各特性に優れている。
尚、表３は発明例１，発明例２５と比較例２について、直径１ｍｍ線材での引張強度，伸びの測定及び捻回試験を行った結果を示しており、この表３の結果に見られるように、発明例１，発明例２５は比較例２に比べて１ｍｍ線材状態での引張強度，伸びの特性に優れ、また捻回数も大きな値となっている。
【００４６】
【表３】
2014005493.tif 000004
【００４７】
以上本発明の実施例を詳述したがこれはあくまで一例示であり、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。