(57)【要約】  この鋼線は、化学成分として、質量％で、Ｃ：０．８０％〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０％〜２．００％、Ｍｎ：０．２０％〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｏ：０．０１００％以下及びＮ：０．００１０％〜０．０１００％を含有し、任意に含有される成分が、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃａ及びＭｇであり、残部がＦｅ及び不純物であり、組織はパーライトを含み、パーライトの面積率が９０％以上であり、ラメラー状セメンタイト中において、円相当径で粒径が１０ｎｍ以下のセメンタイト粒の面積率が５０％以上であり、引張強さが１８００ＭＰａ以上、３０００ＭＰａ未満である。
2017170515.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学成分として、質量％で、
Ｃ  ：０．８０％〜１．２０％、
Ｓｉ：０．１０％〜２．００％、
Ｍｎ：０．２０％〜１．００％、
Ｐ  ：０．０３０％以下、
Ｓ  ：０．０３０％以下、
Ｏ  ：０．０１００％以下及び
Ｎ  ：０．００１０％〜０．０１００％
を含有し、任意に含有される成分が、
Ａｌ：０．１００％以下、
Ｃｒ：２．００％以下、
Ｍｏ：１．００％以下、
Ｖ  ：０．３０％以下、
Ｂ  ：０．００５０％以下、
Ｔｉ：０．０５０％以下、
Ｎｂ：０．０５０％以下、
Ｚｒ：０．０５０％以下、
Ｎｉ：２．００％以下、
Ｃｕ：１．００％以下、
Ｃａ：０．０１０％以下及び
Ｍｇ：０．０１０％以下であり、
残部がＦｅ及び不純物であり、
組織はパーライトを含み、
前記パーライトの面積率が９０％以上であり、
ラメラー状セメンタイト中において、円相当径で粒径が１０ｎｍ以下のセメンタイト粒の面積率が５０％以上であり、
引張強さが１８００ＭＰａ以上、３０００ＭＰａ未満であることを特徴とする、鋼線。
【請求項２】
化学成分として、質量％で、
Ａｌ：０．００５％〜０．１００％、
Ｃｒ：０．０１％〜２．００％、
Ｍｏ：０．０１％〜１．００％、
Ｖ  ：０．０１％〜０．３０％、
Ｂ  ：０．０００１％〜０．００５０％、
Ｔｉ：０．００１％〜０．０５０％、
Ｎｂ：０．００１％〜０．０５０％、
Ｚｒ：０．００１％〜０．０５０％、
Ｎｉ：０．０１％〜２．００％、
Ｃｕ：０．０１％〜１．００％、
Ｃａ：０．０００１％〜０．０１０％及び
Ｍｇ：０．０００１％〜０．０１０％
からなる群より選択される１種以上を含有することを特徴とする、請求項１に記載の鋼線。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プレストレストコンクリートなどに用いる鋼線に関するものであり、製造性を低下させることなく、伸線加工性及び捻回特性を劣化させることなく、引張強さが１８００ＭＰａ以上であり、かつ耐水素脆化特性を向上させた高強度な鋼線に関する。【０００２】
２０１６年３月２８日に出願された日本国特許出願第２０１６−０６３６６６号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が、具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
【背景技術】
【０００３】
主として土木・建築構造物に用いられるプレストレストコンクリートの緊張に用いられている鋼線は、ＰＣ鋼線と称される。従来、ピアノ線材をパテンティング処理して、その組織をパーライトにした後、伸線加工と撚り線加工とを行って得られたワイヤは、ストランドと呼ばれている。このストランドを最終工程にて時効熱処理することによって、ＰＣストランド用パーライト鋼線が製造されている。なお、以下、「ＰＣストランド用パーライト鋼線」を、単に「鋼線」または「パーライト鋼線」と記載する場合がある。【０００４】
近年は、施工コストの低減や構造物の軽量化を目的に、引張強さが１８００ＭＰａを超える高強度のＰＣストランド用パーライト鋼線が求められている。しかしながら、ＰＣストランド用パーライト鋼線の高強度化に伴って、鋼線の耐水素脆化特性が低下するという課題がある。【０００５】
鋼線の耐水素脆化特性を向上させる技術として、特許文献１には、ＰＣ鋼線の表面の少なくともＤ／１０（Ｄは鋼線の直径）の深さの領域において、パーライト中の板状セメンタイトの平均アスペクト比を３０以下とした高強度ＰＣ鋼線が提案されている。しかしながら、特許文献１に記載のＰＣ鋼線を得るためには、冷間伸線加工後の最終工程において、急速加熱して４５０℃以上に５秒以上保持するなどの処理が必要であり、製造方法が複雑となる。【０００６】
また、特許文献２では、ＰＣ鋼線の線径をＤとしたときに、表面から０．１Ｄの領域の硬さを、内部の硬さの１．１倍以下にした高強度ＰＣ鋼線が提案されている。ところが、特許文献２に記載のような硬さを得るためには、例えば、線材を９００℃〜１１００℃に加熱後、６００℃〜６５０℃の温度範囲に保定して部分的なパーライト変態処理を施した後、引き続き５４０℃〜６００℃未満の温度範囲に保持することや、熱間圧延により７００℃〜９５０℃で仕上げ圧延した後、５００℃〜６００℃の温度範囲に冷却することや、また、伸線加工後に４５０℃超〜６５０℃の温度範囲に２秒〜３０秒保持し、引き続き２５０℃〜４５０℃でのブルーイング処理を施すなど、複雑な製造方法が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３６０００５号公報
【特許文献２】特開２００９−２８０８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように、伸線加工性と捻回特性とを有し、高強度な鋼線の耐水素脆化特性を向上させるための従来技術は、製造方法が複雑になり製造性が低下し、鋼線の引張強さと耐水素脆化特性とを両立させることが難しかった。【０００９】
そこで、本発明は、このような実情に鑑み、製造性を低下させることなく、伸線加工性及び捻回特性を劣化させることなく、高強度でかつ耐水素脆化特性に優れたパーライト鋼線を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
まず、鋼線の組織は、伸線時に高強度化しやすいパーライトとする必要がある。本発明者らは、引張強さが１８００ＭＰａ以上の高強度な鋼線の耐水素脆化特性に及ぼす化学成分と、組織との関係を詳細に調査した。その結果、本発明者らは、高強度な鋼線の耐水素脆化特性を向上させるとともに、生産性を向上させて安価に製造することが可能なパーライト鋼線について、次の知見を見出した。【００１１】
一般に、高強度なパーライト鋼線は、以下の方法で製造されている。線材をＰｂ浴、あるいは熱間圧延ラインに設置した溶融塩槽に浸漬して、パーライト変態を完了させるためのパテンティング処理を行い、その後、パテンティング処理した線材を伸線加工する。そして、伸線加工後の線材に対して、時効熱処理や、張力を付与しながら加熱処理を行うヒートストレッチ処理を行う。【００１２】
本発明者らは、パーライト鋼線の耐水素脆化特性を向上させるためには、下記の方法が有効であることを見出した。それは、伸線加工の条件を工夫することによってパーライト組織中のラメラーセメンタイトを適正に微細粒化させる方法である。なお、ラメラーセメンタイトとは、熱処理後の板状のフェライトとセメンタイトが交互に配置されたもの（パーライト組織）の内、単結晶の板状セメンタイトであり、このラメラーセメンタイトは、伸線加工によって微細化される。本明細書では、この伸線加工によって微細化されたラメラーセメンタイトを、「ラメラー状セメンタイト」と呼ぶ。【００１３】
ここで、図１は、ラメラー状セメンタイトを説明するための概念図であり、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に拡大した組織を模式的に示している。図１（ａ）に示すように、旧オーステナイト粒（オーステナイト粒境界（Ａｕｓｔｅｎｉｔｅ  ｇｒａｉｎ  ｂｏｕｎｄａｒｙ）で囲まれた領域）の内部には、フェライトの結晶方位が揃った複数のパーライトブロック（Ｐｅａｒｌｉｔｅ  ｂｌｏｃｋ）が存在する。なお、パーライトブロックは、フェライトの結晶方位は同じであるが、セメンタイト（ラメラー状セメンタイト）の向きが互いに異なる複数のパーライトコロニ―（Ｐｅａｒｌｉｔｅ  ｃｏｌｏｎｙ）からなっている。【００１４】
図１（ｂ）に示すように、外観では、ラメラー状セメンタイトは、伸線加工前のラメラーセメンタイト同様に、板状のフェライトに挟まれた板状のセメンタイトに見える。このラメラー状セメンタイトをさらに拡大すると、図１（ｃ）に示すように、ラメラー状セメンタイトは、伸線加工によって分断された多数の微細なセメンタイト粒で構成されている。本発明者らは、パーライト組織中のラメラーセメンタイトを適正に微細粒化させることにより、パーライト鋼線の耐水素脆化特性を向上させることが可能であることを見出した。このように伸線加工によってパーライト組織中のラメラーセメンタイトを微細粒化させる方法が耐水素脆化特性の向上に有効である理由は必ずしも明らかではないが、線材での組織造り込みと伸線加工により、耐水素脆化特性の向上効果が得られるものと推測される。【００１５】
即ち、パーライト鋼線の組織中の脆化組織であるラメラーセメンタイトは、定常的な引張応力下で水素が侵入してくると、水素脆化が発生する。一方、この脆化組織であるラメラーセメンタイトを、線材圧延時もしくは線材をパテンティングすることによる組織作り込みに加えて、伸線加工によって適正に微細粒化させたラメラー状セメンタイトにすることによって、パーライト組織の延性を改善でき、鋼線の耐水素脆化特性を向上させることが可能となる。【００１６】
本発明者らは、鋼線のラメラーセメンタイトを適正に微細粒化させたラメラー状セメンタイトにすることにより、従来技術と比べて高強度なパーライト鋼線の耐水素脆化特性を向上させることが可能となることを見出した。【００１７】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
（１）
本発明の一態様に係る鋼線は、化学成分として、質量％で、Ｃ：０．８０％〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０％〜２．００％、Ｍｎ：０．２０％〜１．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｏ：０．０１００％以下及びＮ：０．００１０％〜０．０１００％を含有し、任意に含有される成分が、Ａｌ：０．１００％以下、Ｃｒ：２．００％以下、Ｍｏ：１．００％以下、Ｖ：０．３０％以下、Ｂ：０．００５０％以下、Ｔｉ：０．０５０％以下、Ｎｂ：０．０５０％以下、Ｚｒ：０．０５０％以下、Ｎｉ：２．００％以下、Ｃｕ：１．００％以下、Ｃａ：０．０１０％以下及びＭｇ：０．０１０％以下であり、残部がＦｅ及び不純物であり、組織はパーライトを含み、前記パーライトの面積率が９０％以上であり、ラメラー状セメンタイト中において、円相当径で粒径が１０ｎｍ以下のセメンタイト粒の面積率が５０％以上であり、引張強さが１８００ＭＰａ以上、３０００ＭＰａ未満である。
（２）
上記（１）に記載の鋼線は、化学成分として、質量％で、Ａｌ：０．００５％〜０．１００％、Ｃｒ：０．０１％〜２．００％、Ｍｏ：０．０１％〜１．００％、Ｖ：０．０１％〜０．３０％、Ｂ：０．０００１％〜０．００５０％、Ｔｉ：０．００１％〜０．０５０％、Ｎｂ：０．００１％〜０．０５０％、Ｚｒ：０．００１％〜０．０５０％、Ｎｉ：０．０１％〜２．００％、Ｃｕ：０．０１％〜１．００％、Ｃａ：０．０００１％〜０．０１０％及びＭｇ：０．０００１％〜０．０１０％からなる群より選択される１種以上を含有してもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、耐水素脆化特性に優れ、かつ引張強さ１８００ＭＰａ以上の高強度なパーライト鋼線の提供が可能になる。そして、この高強度なパーライト鋼線は、土木・建築物の施工コストの低減や軽量化に寄与し、産業上の効果は極めて顕著である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ラメラー状セメンタイトを説明するための概念図であり、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に拡大した組織を模式的に示している。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
上述したように、一般に、高強度なパーライト鋼線は、次のように製造されている。まず、熱間圧延により製造された線材に対し、Ｐｂ浴あるいは熱間圧延ラインに設置した溶融塩槽にて、パテンティング処理が行われる。引き続き、この線材は伸線加工される。その後、この線材に対し、時効熱処理や張力を付与しながら加熱処理を行う「ヒートストレッチ処理」が行われる。
【００２１】
高強度なパーライト鋼線の耐水素脆化特性を向上させるためには、上述したように、パーライト鋼線の脆化組織であるラメラーセメンタイトにおいて、線材圧延後、もしくは再加熱パテンティング処理にて平均ラメラーセメンタイト厚さを小さくし、伸線加工時の発熱を抑制することで、微細粒になったラメラー状セメンタイト中のセメンタイト粒の粒成長を抑制することが有効である。つまり、伸線前のラメラーセメンタイト厚さおよび伸線時の粒成長を抑制し、セメンタイトを微細化することでラメラー状セメンタイトの延性を向上させ、水素割れのき裂の発生を抑制することができる。したがって、高強度であっても耐水素脆化特性の劣化を抑制することが可能となる。
【００２２】
即ち、鋼線において、パーライトの面積率が９０％以上であり、ラメラー状セメンタイト中において、円相当径で粒径が１０ｎｍ以下のセメンタイト粒の面積率（以下、単に「１０ｎｍ以下のセメンタイト粒の面積率」と記す場合がある。）を５０％以上とすることで、伸線加工及びヒートストレッチ処理後の鋼線の強度を１８００ＭＰａ以上にすることができ、かつ、鋼線の耐水素脆化特性を劣化させないことが可能である。
【００２３】
まず、本実施形態における鋼線が含有する化学成分の範囲を限定した理由を説明する。なお、以下の説明における各成分の含有量を表す「％」は、質量％を意味する。
【００２４】
Ｃ：０．８０％〜１．２０％
Ｃは、鋼線の組織をパーライトとし、伸線加工後の鋼線の引張強さを確保するために必要な元素である。Ｃ含有量が０．８０％未満では、線材中に初析フェライトが生成し、例えば１８００ＭＰａという所定の引張強さを確保することが困難となる。そのため、Ｃ含有量の下限を０．８０％とする。より安定して引張強さを高めるためには、Ｃ含有量は、好ましくは０．８５％以上であり、より好ましくは０．９０％以上である。一方、Ｃ含有量が１．２０％を超えると、線材中に初析セメンタイトが増加して、線材の伸線加工性が劣化する。そのため、Ｃ含有量の上限を１．２０％とする。バラツキを無くし、より安定して伸線加工性を得るためには、Ｃ含有量は、好ましくは１．１５％以下であり、より好ましくは１．１０％以下である。
【００２５】
Ｓｉ：０．１０％〜２．００％
Ｓｉは、リラクセーション特性を高めるとともに、固溶強化により引張強さを高めるために必要な元素である。Ｓｉ含有量が０．１０％未満では、これらの効果が不十分である。そのため、Ｓｉ含有量の下限を０．１０％とする。より高いリラクセーション特性を得るためには、Ｓｉ含有量は、好ましくは０．３０％以上であり、より好ましくは０．５０％以上である。一方、Ｓｉ含有量が２．００％を超えると、これらの効果が飽和するとともに、線材の伸線加工性が劣化して、鋼線の製造性が低下する。そのため、Ｓｉ含有量の上限を２．００％とする。より安定して熱間圧延中に割れを発生させないためには、Ｓｉ含有量は、好ましくは１．８０％以下であり、より好ましくは１．５０％以下である。
【００２６】
Ｍｎ：０．２０％〜１．００％
Ｍｎは、パーライト変態後の鋼の引張強さを高めるために必要な元素である。Ｍｎ含有量が０．２０％未満では、この効果が不十分である。そのため、Ｍｎ含有量の下限を０．２０％とする。より安定して引張強さを高めるためには、Ｍｎ含有量は、好ましくは０．３０％以上であり、より好ましくは０．５０％以上である。一方、Ｍｎ含有量が１．００％を超えると、偏析により局所的な強度が高くなるため捻回特性が低下する。そのため、Ｍｎ含有量の上限を１．００％とする。合金コストの観点より、Ｍｎ含有量は、好ましくは０．９０％以下であり、より好ましくは０．８０％以下である。
【００２７】
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、不純物として鋼線中に含有され、粒界に偏析して耐水素脆化特性を劣化させる元素である。特に、Ｐ含有量が０．０３０％を超えると、耐水素脆化特性の劣化が著しくなる。したがって、Ｐ含有量は０．０３０％以下に制限する。Ｐ含有量は好ましくは０．０１５％以下であり、より好ましくは０．０１０％以下である。なお、Ｐ含有量の下限は０％を含む。しかしながら、現状の精錬技術と製造コストとを考慮すると、Ｐ含有量の下限は０．０００１％が好ましい。
【００２８】
Ｓ：０．０３０％以下
Ｓも、Ｐと同様に、不純物として鋼線中に含有され、粒界に偏析して耐水素脆化特性を劣化させる元素である。特に、Ｓ含有量が０．０３０％を超えると、耐水素脆化特性の劣化が著しくなる。したがって、Ｓ含有量は０．０３０％以下に制限する。Ｓ含有量は好ましくは０．０１５％以下であり、より好ましくは０．０１０％以下である。なお、Ｓ含有量の下限は０％を含む。しかしながら、現状の精錬技術と製造コストとを考慮すると、Ｓ含有量の下限は０．０００１％が好ましい。
【００２９】
Ｏ：０．０１００％以下
Ｏは、鋼線中に不可避的に含有され、Ａｌ、ＴｉまたはＭｎなどの酸化物として存在する元素である。特に、Ｏ含有量が０．０１００％を超えると、粗大な酸化物を形成し、伸線加工時に断線の原因となる。したがって、Ｏ含有量は０．０１００％以下に制限する。Ｏ含有量は好ましくは０．００８０％以下であり、より好ましくは０．００５０％以下である。なお、Ｏ含有量の下限は０％を含む。しかしながら、現状の精錬技術と製造コストとを考慮すると、Ｏ含有量の下限は０．０００１％が好ましい。
【００３０】
Ｎ：０．００１０％〜０．０１００％
Ｎは、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖと窒化物／炭窒化物を形成し、結晶粒径を細粒化し、鋼線の延性を向上させるために必要な元素である。Ｎ含有量が０．００１０％未満では、この効果が得られない。そのため、Ｎ含有量の下限を０．００１０％とする。より安定して延性を向上させるためには、Ｎ含有量は、好ましくは０．００１５％以上であり、より好ましくは０．００２５％以上である。一方、Ｎ含有量が０．０１００％を超えると、微細析出物が増加して鋼線の延性を低下させる。そのため、Ｎ含有量の上限を０．０１００％とする。より安定して鋼線の延性を得るため、Ｎ含有量は、好ましくは０．００７０％以下であり、より好ましくは０．００５０％以下である。
【００３１】
以上が、本実施形態に係る鋼線の基本的な成分組成であり、残部は、鉄及び不純物である。なお、「残部がＦｅ及び不純物である」における「不純物」とは、鋼を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、または製造環境などから不可避的に混入するものを指す。
【００３２】
上記した基本成分及び不純物の他に、本実施形態に係る鋼線には、さらに、選択的に、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃａ及びＭｇからなる群より選択される１種以上を含有してもよい。
【００３３】
以下に、これら任意に含有される成分の数値限定範囲とその限定理由とについて説明する。
【００３４】
Ａｌ：０．１００％以下
Ａｌは脱酸元素として機能するとともに、ＡｌＮを形成することによって、結晶粒を細粒化する。その結果、鋼線の延性を向上させる効果を有する。また、結晶粒を微細化して、鋼線の耐水素脆化特性を向上させる効果を有する。このような効果を得たい場合には、Ａｌ含有量を０．００５％以上とすることが好ましい。一方で、Ａｌ含有量が０．１００％を超えると、これらの効果が飽和するとともに製造性を劣化させる虞がある。そのため、Ａｌ含有量は０．１００％以下が好ましい。Ａｌ含有量は、より好ましくは０．００８％〜０．０７０％であり、さらに好ましくは０．０１０％〜０．０５０％である。
【００３５】
Ｃｒ：２．００％以下
Ｃｒはパーライト変態後の鋼の引張強さを高める効果を有する。このような効果を得たい場合には、Ｃｒ含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。一方で、Ｃｒ含有量が２．００％を超えると、合金コストが上がるだけでなく、本実施形態に係る鋼線には不必要なマルテンサイト組織が生じ易くなって、伸線加工性や鋼線の耐水素脆化特性を劣化させる虞がある。そのため、Ｃｒ含有量は２．００％以下が好ましい。Ｃｒ含有量は、より好ましくは０．０５％〜１．００％であり、さらに好ましくは０．１０％〜０．５０％である。
【００３６】
Ｍｏ：１．００％以下
Ｍｏは時効熱処理後の鋼線の引張強さを高める効果を有する。このような効果を得たい場合には、Ｍｏ含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。一方で、Ｍｏ含有量が１．００％を超えると、合金コストが上がるだけでなく、本実施形態に係る鋼線には不必要なマルテンサイト組織が生じ易くなって、伸線加工性や鋼線の耐水素脆化特性を劣化させる虞がある。そのため、Ｍｏ含有量は１．００％以下が好ましい。Ｍｏ含有量は、より好ましくは０．０３％〜０．５０％であり、さらに好ましくは０．０５％〜０．３０％である。
【００３７】
Ｖ：０．３０％以下
Ｖは炭化物ＶＣとして析出して、引張強さを高めるとともに、鋼線の耐水素脆化特性を向上させる効果を有する。このような効果を得たい場合には、Ｖ含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。一方で、Ｖ含有量が０．３０％を超えると、合金コストが増加し、製造性が低下する。そのため、Ｖ含有量は０．３０％以下が好ましい。Ｖ含有量は、より好ましくは０．０３％〜０．２０％であり、さらに好ましくは０．０５％〜０．１５％である。
【００３８】
Ｂ：０．００５０％以下
Ｂは時効熱処理後の鋼線の引張強さを高める効果や鋼線の耐水素脆化特性を向上させる効果を有する。このような効果を得たい場合には、Ｂ含有量を０．０００１％以上とすることが好ましい。一方で、Ｂ含有量が０．００５０％を超えると、これらの効果が飽和し、製造性が低下する。そのため、Ｂ含有量は０．００５０％以下が好ましい。Ｂ含有量は、より好ましくは０．０００３％〜０．００４０％であり、さらに好ましくは０．０００５％〜０．００２０％である。
【００３９】
Ｔｉ：０．０５０％以下
Ｔｉは脱酸元素として機能するとともに、炭化物や窒化物を析出させて鋼線の引張強さを高める効果や、結晶粒を細粒化して鋼線の延性を向上させる効果を有する。このような効果を得たい場合には、Ｔｉ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。一方で、Ｔｉ含有量が０．０５０％を超えると、これらの効果が飽和するとともに、粗大な酸化物を生成して鋼線の伸線加工性を劣化させる虞がある。そのため、Ｔｉ含有量は０．０５０％以下が好ましい。Ｔｉ含有量は、より好ましくは０．００３％〜０．０４０％であり、さらに好ましくは０．００５％〜０．０３０％である。
【００４０】
Ｎｂ：０．０５０％以下
Ｎｂは炭化物や窒化物を析出させて鋼線の引張強さを高める効果や、結晶粒を細粒化して鋼線の延性を向上させる効果を有する。このような効果を得たい場合には、Ｎｂ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。一方で、Ｎｂ含有量が０．０５０％を超えると、これらの効果が飽和するとともに鋼線の捻回特性を劣化させる虞がある。そのため、Ｎｂ含有量は０．０５０％以下が好ましい。Ｎｂ含有量は、より好ましくは０．００３％〜０．０４０％であり、さらに好ましくは０．００５％〜０．０３０％である。
【００４１】
Ｚｒ：０．０５０％以下
Ｚｒは脱酸元素として機能するとともに、硫化物を形成することで固溶Ｓを低減し、鋼線の耐水素脆化特性を向上させる効果を有する。このような効果を得たい場合には、Ｚｒ含有量を０．００１％以上とすることが好ましい。一方で、Ｚｒ含有量が０．０５０％を超えると、これらの効果が飽和するとともに、粗大な酸化物を生成して、鋼線の伸線加工性を劣化させる虞がある。そのため、Ｚｒ含有量は０．０５０％以下が好ましい。Ｚｒ含有量は、より好ましくは０．００３％〜０．０４０％であり、さらに好ましくは０．００５％〜０．０３０％である。
【００４２】
Ｎｉ：２．００％以下
Ｎｉは水素の侵入を抑制する効果を有する。このような効果を得たい場合には、Ｎｉ含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。一方で、Ｎｉ含有量が２．００％を超えると、合金コストが上がるだけでなく、本実施形態に係る鋼線には不必要なマルテンサイト組織が生じ易くなって、鋼線の伸線加工性や耐水素脆化特性を劣化させる虞がある。そのため、Ｎｉ含有量は２．００％以下が好ましい。Ｎｉ含有量は、より好ましくは０．０４％〜１．００％であり、さらに好ましくは０．０６％〜０．６０％である。
【００４３】
Ｃｕ：１．００％以下
Ｃｕは水素の侵入を抑制する効果を有する。このような効果を得たい場合には、Ｃｕ含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。一方で、Ｃｕ含有量が１．００％を超えると、熱間延性を阻害し製造性が劣化するとともに、本実施形態に係る鋼線には不必要なマルテンサイト組織が生じ易くなって、鋼線の伸線加工性や耐水素脆化特性を劣化させる虞がある。そのため、Ｃｕ含有量は１．００％以下が好ましい。Ｃｕ含有量は、より好ましくは０．０２％〜０．５０％であり、さらに好ましくは０．０３％〜０．３０％である。
【００４４】
Ｃａ：０．０１０％以下
Ｃａは脱酸元素として機能するとともに、硫化物を形成することで固溶Ｓを低減し、耐水素脆化特性を向上させる効果を有する。このような効果を得たい場合には、Ｃａ含有量を０．０００１％以上とすることが好ましい。一方で、Ｃａ含有量が０．０１０％を超えると、これらの効果が飽和するとともに粗大な酸化物を生成し、伸線加工性を劣化させる虞がある。そのため、Ｃａ含有量は０．０１０％以下が好ましい。Ｃａ含有量は、より好ましくは０．０００３％〜０．００５０％であり、さらに好ましくは０．００１０％〜０．００３０％である。
【００４５】
Ｍｇ：０．０１０％以下
Ｍｇは脱酸元素として機能するとともに、硫化物を形成することで固溶Ｓを低減し、耐水素脆化特性を向上させる効果を有する。このような効果を得たい場合には、Ｍｇ含有量を０．０００１％以上とすることが好ましい。一方で、Ｍｇ含有量が０．０１０％を超えると、これらの効果が飽和するとともに粗大な酸化物を生成し、伸線加工性を劣化させる虞がある。そのため、Ｍｇ含有量は０．０１０％以下が好ましい。Ｍｇ含有量は、より好ましくは０．０００３％〜０．００５０％であり、さらに好ましくは０．００１０％〜０．００３０％である。
【００４６】
次に、本実施形態に係る鋼線の組織について説明する。
【００４７】
本実施形態に係る鋼線の組織は、パーライトを含む。このパーライトの面積率が９０％未満では、伸線加工及び時効熱処理後の鋼線の引張強さが低下したり、捻回特性が劣化する。したがって、このパーライトの面積率を９０％以上とする。好ましくは、パーライトの面積率は９５％以上である。なお、パーライトの面積率は、１００％でもよい。一方、本実施形態に係る鋼線の組織の残部は、すなわちパーライト以外の組織は、フェライト、ベイナイト、擬似パーライト、初析セメンタイト及びマルテンサイトの非パーライト組織である。これらの非パーライト組織は、伸線加工の際に割れの発生や、伸線加工と時効熱処理後の鋼線の耐水素脆化特性を劣化させる。そのため、非パーライト組織の面積率を１０％以下とする。なお、パーライトの面積率は、１００％から非パーライト組織の面積率を減じて求めることができる。
【００４８】
具体的には、パーライトの面積率は次の方法で求めることが出来る。なお、Ｄは鋼線の直径（単位ｍｍ）を示す。鋼線の試料（サンプル）において、鋼線の長手方向に平行なＬ断面を鏡面研磨した後、ピクラールエッチングする。そして、エッチングしたＬ断面の表面から５０μｍ深さ、Ｄ／４、Ｄ／２の３か所の位置において、それぞれＳＥＭを用いて、倍率２０００倍で、５視野撮影する。なお、１視野あたりの面積は、６０μｍ×４０μｍである。得られた各視野のＳＥＭ写真を用いて、マルテンサイト、ベイナイト、フェライトなどの非パーライト組織の領域をマーキングし、画像解析ソフトで二値化して面積率を求め、それらを全体から除いたもの、即ち、１００％から非パーライト組織の面積率を減じたものをパーライトの面積率として得ることができる。
【００４９】
パーライト鋼線を線材圧延後もしくは再加熱によるパテンティングを行い、その後の伸線加工により得られる微細なラメラー状セメンタイト中に存在する微細なセメンタイト粒の粒径は、円相当径で１０ｎｍ以下となる。伸線加工時の発熱により鋼線の温度が高くなると、微細化したセメンタイト粒が粒成長してしまい、１０ｎｍ以下のセメンタイト粒の面積率が全ラメラー状セメンタイトの５０％未満となり延性が低下することで耐水素脆化特性が低下する。そのため、１０ｎｍ以下のセメンタイト粒の面積率を全ラメラー状セメンタイトの面積に対して５０％以上とする。ただし、１０ｎｍ以下のセメンタイト粒の面積率を９０％超とするには、伸線加工ひずみを大きくするか、伸線時の発熱および伸線後の冷却を強化する必要がありコストが高くなるため、１０ｎｍ以下のセメンタイト粒の面積率は９０％以下が好ましい。
【００５０】
なお、ラメラー状セメンタイト中のセメンタイト粒の大きさは、鋼線の直径（線径）を、単位ｍｍでＤとしたとき、鋼線のＬ断面を研磨して表面からの深さが０．０１×Ｄ、０．２５×Ｄにて、透過型電子顕微鏡を用いて２００ｋＶの加速電圧にてＴＥＭでのセメンタイト回折スポットに制限視野絞りを入れて結像する暗視野を写真撮影し、これを画像解析することにより得られる。まず、ＴＥＭ暗視野像の撮影では、５００ｎｍ×５００ｎｍの領域を各表面からの深さにおいて１０視野ずつ撮影する。次に、撮影された写真を画像解析することで、ラメラー状セメンタイトの全面積および円相当径（セメンタイト粒の面積と同じ面積の円の直径）で粒径が１０ｎｍ以下のセメンタイト粒の面積を算出する。各視野で得られたラメラー状セメンタイトの全面積と粒径が１０ｎｍ以下のセメンタイト粒の面積をそれぞれ合計して、下記式により、１０ｎｍ以下のセメンタイト粒の面積率を算出することによって、本実施形態に係る鋼線のラメラー状セメンタイトにおける１０ｎｍ以下のセメンタイト粒の面積率を得ることができる。
１０ｎｍ以下のセメンタイト粒の面積率（％）＝(円相当径が１０ｎｍ以下のセメンタイト粒の合計面積／ラメラー状セメンタイトの合計面積）×１００
【００５１】
上述した化学組成と組織とを満足することで、１８００ＭＰａ以上の引張強さを有し、耐水素脆化特性に優れるＰＣ鋼線として好適な鋼線を得ることができる。引張強さが１８００ＭＰａ未満では、ＰＣストランド用パーライト鋼線として、施工コストの低減や構造物の軽量化の目的を達成することができない。また、引っ張り強さが３０００ＭＰａ以上になると、水素脆化が顕著になる。そのため、本実施形態に係る鋼線の引張強さは１８００ＭＰａ以上、３０００ＭＰａ未満とする。なお、本実施形態に係る鋼線の引張強さは、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４１：２０１１に準拠した試験方法によって測定し、試験片形状は伸線ままの鋼線を３００ｍｍ長さに切断し、チャック間距離２５０ｍｍで引張試験した際の破断強度の値である。上述した鋼線を得るためには、後述する製造方法により鋼線を製造すればよい。
【００５２】
次に、本実施形態に係る鋼線の好ましい製造方法について説明する。
【００５３】
本実施形態に係る鋼線は以下のようにして製造することができる。なお、以下に説明する鋼線の製造方法は、本実施形態に係る鋼線を得るための一例であり、以下の手順及び方法で限定するものではなく、本発明の構成を実現できる方法であれば、如何なる方法をも採用することが可能である。
【００５４】
まず、上記の化学成分となるよう鋼を溶製した後、連続鋳造によって鋼片を製造する。なお、連続鋳造後、鋼片に分塊圧延を行ってもよい。次に、得られた鋼片を１０５０℃以上になるように加熱し、仕上げ圧延温度を８５０℃以上として熱間圧延し、線材を得る。その後、仕上げ圧延後に得られた線材を、リング状に巻取る。この時、巻取り温度を９５０℃以下とする。巻取り温度は７４０℃未満になると焼入れ性が著しく低下するため、７４０℃以上にすることが好ましい。
【００５５】
鋼線のラメラー状セメンタイトのサイズ（円相当径）が１０ｎｍ以下のセメンタイト粒の面積率を５０％以上とするためには、パテンティング処理後の平均ラメラーセメンタイト厚さを１２０ｎｍ以下とする必要がある。このパテンティング後の平均ラメラーセメンタイト厚さにするためには、巻取り後の線材を、４５０℃〜５７０℃以下の溶融塩槽に浸漬して、８５０℃〜６５０℃までの冷却速度を１５℃／ｓ以上の冷却速度で冷却し、５００℃〜６００℃の温度でパーライト変態処理を行う。この処理は、一般的にパテンティング処理と呼ばれる。この時、溶融塩槽の温度が低すぎると、鋼線の組織がベイナイトになってしまうので、溶融塩槽温度は４５０℃以上とする必要がある。
【００５６】
平均ラメラーセメンタイト厚さを小さくするためには、溶融塩槽温度の低温化が有効であり、溶融塩槽温度を５５０℃以下にすることが好ましい。また、パーライト変態処理は、熱間圧延後、室温まで冷却速度５℃／ｓ〜３０℃／ｓで冷却した線材を、９５０℃以上の温度域に再加熱した後、Ｐｂ浴や塩浴に浸漬して８５０℃〜６５０℃までの冷却速度を１５℃／ｓ以上の冷却速度で冷却し、５００℃〜６００℃に保持してもよい。
【００５７】
そして、これらの線材を、総減面率７５％〜９０％で４ｍｍφ〜６ｍｍφの鋼線に乾式伸線加工して引張強さを付与する。鋼線のラメラー状セメンタイト中のサイズが１０ｎｍ以下のセメンタイト粒の面積率を５０％以上とするためには、伸線時の発熱を抑制する必要がある。この発熱を抑制するためには、プレッシャーダイス等を用いた潤滑性を上げた伸線加工をすることによる伸線時の発熱を抑制する。加えて、伸線後に強制水冷を行い伸線後５秒以内に鋼線の温度を１７０℃以下にする。伸線後の鋼線が１７０℃超で５秒以上になると、微細になったセメンタイト粒が粒成長し、粒径が１０ｎｍ以下のセメンタイト粒の面積率が５０％未満になり、耐水素脆化特性が低下する。
【００５８】
上述の製造方法により、製造性を低下させることなく、伸線加工性及び捻回特性を劣化させることなく、耐水素脆化特性に優れた、引張強さが１８００ＭＰａ以上の高強度鋼線を製造することができる。
【実施例】
【００５９】
以下、本発明の鋼線の実施例を挙げ、本実施形態に係る鋼線の効果をより具体的に説明する。ただし、実施例における条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、下記実施例に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能である。よって、本発明は、種々の条件を採用し得、それらは何れも本発明の技術的特徴に含まれるものである。【００６０】
以下に、実施例により、本発明の効果をさらに具体的に説明する。【００６１】
表１及び表２に示す化学成分（単位：質量％）からなる鋼材を用いて、表３及び表４に示す加熱温度に加熱して熱間圧延を行い、表３及び表４に示す巻取り温度にて巻取りをした。【００６２】
次いで、熱間圧延ライン後方の溶融塩槽に浸漬してパテンティング処理を行い、得られた線材を伸線加工して、鋼線を作製した。なお、伸線加工時にはプレシャーダイス等を用いて発熱を抑制し、伸線後に水冷することによって鋼線を冷却した。なお、伸線後の鋼線の温度は、接触式温度計によって測定した。【００６３】
表３及び表４に、鋼線の技術的特徴、すなわち、パーライトの面積率、ラメラー状セメンタイト中の１０ｎｍ以下のセメンタイト粒の面積率、及び鋼線の引張強さを示す。これらの値は、それぞれ前述した方法によって測定した値である。【００６４】
【表１】
2017170515.tif 000003
【００６５】
【表２】
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【００６６】
【表３】
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【００６７】
【表４】
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【００６８】
試験番号２（水準２）は、熱間圧延後に溶融塩槽でパテンティング処理を行わずに、ステルモアを用いて衝風冷却し、その後伸線加工及び時効熱処理を行って得られた鋼線である。この試験番号２は、冷却速度が１５℃／ｓよりも遅く、パーライトの面積率が本発明の範囲を外れており、伸線加工と時効熱処理後の鋼線の引張強さが１８００ＭＰａを満たさなかった比較例である。試験番号７（水準７）は、溶融塩温度が高く、パーライトの面積率が本発明の範囲を外れており、伸線加工と時効熱処理後の鋼線の引張強さが１８００ＭＰａを満たさなかった比較例である。試験番号１０（水準１０）は、伸線加工後の時効熱処理時間が長かったため、１０ｎｍ以下のセメンタイト粒の面積率が本発明の範囲を満たさなかった比較例である。試験番号１２（水準１２）は、圧延後の溶融塩温度が低かったため、パーライトの面積率が本発明の範囲を外れており、伸線加工と時効熱処理後の鋼線の引張強さが１８００ＭＰａを満たさなかった比較例である。試験番号４３（水準４３）は、Ｃ含有量が本発明の範囲を下回ったため、時効熱処理後の鋼線の引張強さが１８００ＭＰａ未満となった比較例である。試験番号４６（水準４６）は、Ｓｉ含有量が本発明の範囲を下回ったため、時効熱処理後の鋼線の引張強さが１８００ＭＰａ未満となった比較例である。試験番号５３（水準５３）は、Ｍｎ含有量が本発明の範囲を下回ったため、時効熱処理後の鋼線の引張強さが１８００ＭＰａ未満となった比較例である。【００６９】
次に、表３、表４に記載した各試験番号の鋼線を用いて耐水素脆化特性を評価した。なお、引張強さが１８００ＭＰａ未満の鋼線については、必要な強度を満たしていないため、耐水素脆化特性を評価しなかった。また、鋼線の特性として、伸線加工性及び捻回特性のうちの１つ、または両方を満たさなかった鋼線については、試験番号５０、５１、６４（水準５０、５１、６４）を除いて、耐水素脆化特性の評価をしなかった。また、伸線加工性及び捻回特性の両方を満たしていた鋼線について、合金コストが増加するなど製造性が低下した鋼線については、耐水素脆化特性の評価をしなかった。【００７０】
耐水素脆化特性はＦＩＰ試験により評価した。５０℃の２０％のＮＨ４ＳＣＮ溶液中に各試験番号の鋼線を浸漬して、破断荷重の０．８倍の荷重を負荷し破断時間を評価した。なお、比液量は１２ｃｃ／ｃｍ２とした。ＦＩＰ試験は各試験番号につき１２本評価し、その平均値を水素脆化破断時間とした。耐水素脆化特性は鋼線の引張強さに依存するため、引張強さが１８００ＭＰａ以上の鋼線では、２０ｈｒ以上を耐水素脆化特性が良好と判定し、表５中に「良」として表示した。また、伸線加工性については、伸線時加工時に目的の線径まで断線若しくは長手方向表面に割れが発生する縦割れが発生しない場合を「伸線加工性が良好である」と判定し、表５中に「良」として表示した。捻回特性については、チャック間距離を直径の１００倍、ねじり回転速度を５〜６０ｒｐｍの条件下で、ねじり試験により評価し、デラミネーションが発生しない場合を「捻回特性が良好である」と判定し、表５中に「良」として表示した。【００７１】
また、製造コスト評価は、合金コストを含む製鋼コストおよび圧延コストを基準とし、選択元素を含む元素の成分範囲の中心値で計算した合金コスト以下および通常の圧延条件で計算した製造コスト以下となるものを「製造コストが低い」とし、表５中に「低」として表示した。一方、表５において、合金コストなど製造コストが増加した場合は、「高」として表示し、鋼線の製造性が低下したと判定した。これらの結果を表５に示す。【００７２】
【表５】
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【００７３】
試験番号４４（水準４４）は、Ｐ含有量が本発明の範囲を上回ったため、耐水素脆化特性が不良となった比較例である。試験番号４８（水準４８）は、Ｃｒ含有量が本発明の範囲を上回ったため、耐水素脆化特性が不良となった比較例である。試験番号４９（水準４９）は、Ｎ含有量が本発明の範囲を上回ったため、耐水素脆化特性が不良となった比較例である。試験番号５２（水準５２）は、Ｓ含有量が本発明の範囲を上回ったため、耐水素脆化特性が不良となった比較例である。試験番号５４（水準５４）は、Ｍｏ含有量が本発明の範囲を上回ったため、耐水素脆化特性が不良となった比較例である。試験番号６０（水準６０）は、Ｎｉ含有量が本発明の範囲を上回ったため、耐水素脆化特性が不良となった比較例である。試験番号６１（水準６１）は、Ｃｕ含有量が本発明の範囲を上回ったため、耐水素脆化特性が不良となった比較例である。試験番号４７、５０、５１、５６、５７、５８、５９、６２、６３（水準４７、５０、５１、５６、５７、５８、５９、６２、６３）は、それぞれＭｎ含有量、Ｏ含有量、Ｓｉ含有量、Ｃ含有量およびＢ含有量、Ｔｉ含有量、Ｎｂ含有量、Ｚｒ含有量、Ｃａ含有量、Ｍｇ含有量が、本発明の範囲を上回ったため、伸線加工性及び捻回特性のうちの１つ、または両方を満たさなかった。そのため、耐水素脆化特性の評価が出来なかった。また、試験番号４５、５５及び５６（水準４５、５５及び５６）は、それぞれ、Ａｌ含有量、Ｖ含有量、Ｃ含有量及びＢ含有量が、本発明の範囲を上回ったため、鋼線の製造性が低下していた。試験番号６４（水準６４）は、強度が３０００ＭＰａ以上であるため、耐水素脆化特性が低下した例である。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明によれば、引張強さが１８００ＭＰａ以上であり、かつ伸線加工性及び捻回特性を低下させることなく、耐水素脆化特性を向上させたプレストレストコンクリートなどに用いる高強度な鋼線を、製造性を低下させることなく得ることができ、産業上の貢献が極めて顕著である。
【図１】
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【国際調査報告】
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