(57)【要約】【課題】靭性を犠牲にすることなしに高剛性化を達成した金属線材を提供する。【解決手段】金属マトリックス中に、TiB2が存在する組織を有するヤング率が250GPa以上の金属線材において、金属マトリックスの結晶粒径を500ｎｍ以下とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶粒径が500ｎｍ以下の金属マトリックス中に、TiB2が存在する組織を有し、ヤング率が250GPa以上であることを特徴とする高剛性かつ高靭性の金属線材。
【請求項２】
線材表面のCr濃度が５mass％以上であることを特徴とする請求項１に記載の高剛性かつ高靭性の金属線材。
【請求項３】
軸方向と直交する断面におけるTiB2の面積率が15％以上50％以下であり、かつTiB2の平均径が10μm以上100μm以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の高剛性かつ高靭性の金属線材。
【請求項４】
軸方向と直交する断面における集合組織が（111）±５°以内に60％以上の集積度を有することを特徴とする請求項１、２または３に記載の高剛性かつ高靭性の金属線材。
【請求項５】
前記マトリックスが鋼であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の高剛性かつ高靭性の金属線材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高剛性かつ高靭性を有する、特に構造物用の金属線材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属線材は、その優れた機械的性質から、構造用線材として幅広く用いられている。とりわけ近年では、橋やその他の構造物を軽量化するために、高強度線材が開発されている。この高強度線材は、高強度である分、線径を小さくできるため、より軽い使用量で従来と同等の性能を得ることが可能である。
【０００３】
しかしながら、線材を細くすると剛性が不足するところから、高強度化に併せて剛性を確保することが重要になる。
そこで、従来は変化しないと考えられていた線材のヤング率を上昇する試みとして、粉末冶金においてTiB2などの高剛性粉と鉄基盤とを組み合わせる技術が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、鉄合金をマトリックスとして、４Ａ族元素の硼化物を分散させた高剛性鋼が開示されている。しかしながら、この鋼は、粉体を原料として、粉体の焼結とその後の加工（熱間）を行って得られることから、マトリックス結晶粒が粗大化しやすく脆性的であった。さらに、線材に加工する場合は、線材を得るための高加工に焼結体が耐えられずに破壊する。なお、密度をあげるために高温で焼結した場合においても、金属間化合物が生成し、やはり伸線に耐えられない。ちなみに、加工度を低めて伸線すると、結晶粒は粗大で靭性が不十分になる。
【０００５】
また、特許文献２には、４Ａ族元素の硼化物の粒径を制御することによって、硼化物の安定性を向上し、高剛性鉄基合金を得る技術が開示されている。しかし、この技術においても、粉末の焼結過程が必須であり、線材の高加工に焼結体が耐えられず破壊してしまう。
【０００６】
さらに、特許文献３には、混合粉末を所定形状のケースに充填後、ケースを加熱して焼結体を得る方法が開示されている。しかしながら、ケースに混合粉末を充填しても、やはり線材の高加工率には耐えられず破壊してしまう。また、加工度が低いと破断はしないが、結晶粒が粗大になって靭性が不十分になる。
【特許文献１】特開２００１−５９１４６号公報
【特許文献２】特開２００２−２８５３０３号公報
【特許文献３】特開２００２−４７５２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明の目的は、靭性を犠牲にすることなしに高剛性化を達成した金属線材を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明者らは、上記の課題の解決するための手段について鋭意究明したところ、TiB2を分散配置する金属マトリックスにおける結晶粒径および機械的特性を制御することによって、高剛性かつ高靭性の線材が得られることを知見し、本発明を完成するに到った。
【０００９】
すなわち、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１）結晶粒径が500ｎｍ以下の金属マトリックス中に、TiB2が存在する組織を有し、ヤング率が250GPa以上であることを特徴とする高剛性かつ高靭性の金属線材。
【００１０】
（２）線材表面のCr濃度が５mass％以上であることを特徴とする上記（１）に記載の高剛性かつ高靭性の金属線材。
【００１１】
（３）軸方向と直交する断面におけるTiB2の面積率が15％以上50％以下であり、かつTiB2の平均径が10μm以上100μm以下であることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の高剛性かつ高靭性の金属線材。
【００１２】
（４）軸方向と直交する断面における集合組織が（111）±５°以内に60％以上の集積度を有することを特徴とする上記（１）、（２）または（３）に記載の高剛性かつ高靭性の金属線材。
【００１３】
（５）前記マトリックスが鋼であることを特徴とする上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の高剛性かつ高靭性の金属線材。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、靭性を犠牲にすることなしに高剛性化が達成されるため、高剛性でありながら高靭性の金属線材を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の金属線材は、金属マトリックス中にTiB2が分散して存在する組織を有するヤング率が250GPa以上の線材であり、特に金属マトリックスの結晶粒径が500ｎｍ以下であること、かつこのマトリックス部分の−100℃における脆性破面率が10％以下であることが好ましい。
以下に、本発明の構成要件毎に詳しく説明する。
【００１６】
［金属母相］
本発明が対象とする線材は、切断、溶融および曲げなどの加工を加えて、各種構造物の構造材として適用される。かような用途においては加工に適していることが大前提となることから、金属線材に限定した。従って、線材は金属をマトリックスとして、そこにTiB2を分散配置したものとする。この金属の中では、とりわけ加工性および経済性に優れた鋼を用いることが好ましい。
【００１７】
［金属マトリックスの結晶粒径：500ｎｍ以下］
線材を構成するマトリックスの結晶粒径が500ｎｍを超えると、低温での靱性が乏しく脆性破壊をまねき易くなる。ここで、上記用途の線材は、−100℃での脆性破面率が10％を超えると、実際の加工または施工後に脆性破壊が生じやすくなることから、特に金属マトリックスにおける−100℃での脆性破面率を10％以下とすることが必要になる。そして、この−100℃での脆性破面率を10％以下にするには、金属マトリックスの結晶粒径を500ｎｍ以下とすることが肝要である。
【００１８】
［金属マトリックス中にTiB2が存在］
TiB2は、ヤング率が高く、また金属中での安定度が高いために、線材中に分散させて高剛性の線材を得るのに最も適したものである。そこで、TiB2を金属マトリックスに分散存在させることを必須とした。
【００１９】
以上の条件を満足する金属マトリックス中にTiB2を存在させることによって、高剛性でかつ高靭性の金属線材とすることができる。また、この金属線材について、以下の限定を加えることによって、さらなる性能の向上を図ることができる。
【００２０】
［線材表面のCr濃度：５mass％以上］
線材の高剛性化は、線材の径を細くして軽量化するために行う。しかしながら、ある程度まで線径を小さくすると軽量化よりも腐食代の確保が優先され、線径を小さくすることができなくなる。すなわち、腐食代の確保が、高剛性化に見合うだけの細径化の実現を阻んでいる。そこで、線材表面のCr濃度を５mass％以上として耐食性を向上させることによって、さらなる細径化が可能となる。この高剛性かつ高靭性の線材の耐食性を向上させる目的から、線材表面のCr濃度を５mass％以上とすることが好ましい。
【００２１】
ここで、Cr濃度を５mass％以上とする線材表面とは、表層50μｍの深さまでの範囲を意味し、腐食は表面から生じるため、この表層部分のみCr濃度が５mass％以上となっていれば十分であるが、線材中心部までCr濃度：５mass％以上とすれば、線材切断面にも耐食効果が期待できるのでより好ましい。なお、Cr濃度の上限は、加工や溶接を行うことから、特に規制するものでないが、50mass％以下が好ましい。
【００２２】
［軸方向と直交する断面におけるTiB2の面積率：15％以上50％以下］
本発明では、高剛性をTiB2により実現するため、TiB2の面積率が高ければ高い程剛性は増加する。しかし、TiB2の面積率が50％を超えると、TiB2同士の接触面積が増え、線材の延性が著しく低下する。そのため、TiB2の面積率50％以下とすることが好ましい。一方、面積率が15％を下回ると、所望の剛性が得られなくなるため、TiB2の面積率の下限を15％とすることが好ましい。
【００２３】
［TiB2の平均径：10μm以上100μm以下］
TiB2の平均径は、線材の機械的性質を大きく変化させる。TiB2の平均径が10μｍを下回ると、TiB2間にあるマトリックスが変形しやすくなり、結果としてTiB2による高剛性化の効果が弱まってしまう。そこで、TiB2の平均径の下限を10μｍ以上とすることが好ましい。一方、TiB2の平均径が100μｍを超えると、TiB2およびマトリックス間にボイドが発生しやすくなり、延性が著しく低下する。このため、TiB2の平均径の上限を100μｍ以下とすることが好ましい。
【００２４】
［軸方向と直交する断面における集合組織の（111）±５°以内の集積度：60％以上］
一般に、線材の集合組織は（110）である（例えば、金属学会セミナー「集合組織テキスト」第47頁参照）。本発明の線材の好適製造法によれば、TiB2を分散させた線材を伸線するため、通常の伸線とは異なる集合組織が発達する。すなわち、（111）集合組織が発達しやすくなるが、これは線材の剛性を向上させる。この集合組織の集積度を高めれば、TiB2の含有量を低減することも可能である。かように（111）±５°に集合組織の60％以上が集積することでTiB2の量を減じても高剛性が得られることから、集合組織の（111）±５°への集積度を60％以上とすることが望ましい。この集合組織の集積によるTiB2量の低減により高延性化も可能となる。
【００２５】
なお、本発明の金属線材は、例えば図１に示す製造工程を経て有利に製造することができる。
すなわち、金属マトリックス、例えば鋼からなる線材１の周面にTiB2粉をたとえば静電塗装などによって塗布し、この線材１の複数本、例えば３〜200本を、大小の鏡板2aおよび2bを介して、図2に詳細を示す、集束ロール３に導いて線材１群を引き揃えたのち、この線材１群を、図３に断面を示す、スウェージングロール４において、同様に集束ロール３からスウェージングロール４へ案内される金属マトリックス例えば鋼による被覆材５で包む。この際、スウェージングロール４の入側において、フィーダー６からセラミックス粉末を被覆材５の内側に供給するとよい。また、被覆材５に替えて予め成形したパイプの内部に線材１群を導いて、その後パイプをスウェージングロール４に導くことも可能である。
【００２６】
次いで、ローラーダイスまたはダイス７の複数列、好ましくは３スタンド以上に通して伸線加工を施す。ここでの減面率、すなわちダイス７列の入側での被覆材５を含む、線材束の断面積A1と同出側での伸線材の断面積A2とから、（A1−A2）／A1×100 で求められる比率を、60％以上、好ましくは80％以上とする伸線加工を行う。その後、得られた伸線材８をテイクアップロール９に巻き取る。以上を基本工程とする。
【００２７】
さらに、上記基本工程で得られた伸線材８を、複数本用意し、これを上記した線材１として使用し、上記基本工程を同様に繰り返す。この基本工程の繰り返しを、少なくとも３回行うことによって、最終的に得られた金属線は、上記の組織を有するものとなる。
【００２８】
なお、TiB2粉を原料となる線材に塗布する際に用いる静電塗装は、圧縮エアーにてTiB2粉をスプレーして行うが、その粉体は15000〜30000V程度の電圧が与えられた電極中を通過する時点で陰極の電位が付加される。原料線材はアースされているため、粉体を効率よく原料線材に均一に付着することができる。
ここで、電着塗装以外の方法、例えばエアースプレーやホッパーなどの方法でもよい。均一に原料線材にTiB2を塗布するには、静電塗装が適している。
【実施例】
【００２９】
図１に示したところに従って、肉厚が１mmで内径が８mmの金属パイプに、TiB2粉末を静電塗装した径0.6mmの金属パイプと同素材の線材を100本挿入し、このパイプをスウェージング加工した後に、0.6mmφまで引き抜き加工した。引き抜き加工では、黒鉛粉末で潤滑し、さらに線材にひねり加工を施した。かくして得られた線材の100本を、上記のパイプに挿入し、以下同様にスウェージング加工ついで引き抜き加工を繰り返し行って、最終的に径が1.0mmの線材を作製した。なお、表１に、金属パイプおよび線材の素材を金属マトリックスとして示すとともに、静電塗装量および伸線時の減面率を併記する。
【００３０】
次いで、作製した線材について、その金属マトリックスの結晶粒径、ヤング率、−100℃で引張破断させたときの脆性破面率、TiB2の面積率、TiB2の平均径および金属マトリックスの集積度を測定した。これらの測定結果を表２に示す。
【００３１】
ここで、金属マトリックスの結晶粒径は、線材の軸方向と直交する断面の透過型電子顕微鏡（TEM）像を用いて切断寸法に基づいて求めた。すなわち、長さ２cmの線10本をTEM写真の異なる視野で引き、粒界で切断させる線分の長さを求めて、この長さに平均結晶粒切片長さと平均結晶粒面積から求めた粒径とを結びつける定数である1.13を乗じて粒径とした。
なお、一部の線材には500℃〜1100℃の加熱処理を施して、マトリックスの結晶粒を粗大化させた。
【００３２】
また、ヤング率は、JIS  Ｚ2241の引張試験に準拠して測定した。同様に、−100℃で引張破断させたときの脆性破面率も、JIS  Ｚ2241の引張試験（引張速度：10mm／ｓ）に準拠して測定した。
【００３３】
さらに、TiB2の面積率は、軸方向と直交する断面の走査型電子顕微鏡写真を画像解析することで測定した。
【００３４】
TiB2の平均径は、軸方向に直交する断面の走査型電子顕微鏡写真を画像解析することで、1つ当たりの面積を算出し、その面積と等しい円の直径として求めた。
【００３５】
金属マトリックスの集積度は、微小部Ｘ線回折装置（Ｘ線径：100μｍ）を用いて測定した。すなわち、線材の軸方向と直交する断面において、（110）（200）（211）（310）（222）（321）および（332）の反射強度をそれぞれ測定し、各反射強度をランダム方位の試料の反射強度で割り、その合計を100として、それぞれの反射強度の割合を算出する。これを集積度とする。なお、マトリックスの集合組織の集積度は、伸線工程における黒鉛潤滑材の量を変えることにより変化させた。
【００３６】
表１に、金属マトリクス、TiB2の静電塗装量（100mm長さ10本当りの塗装重量）および集束伸線時の減面率を示す。No.1からNo.11は、SUS430(17mass%Cr鋼)をマトリックスとして集束伸線した例である。No.1は、TiB2を塗装せず集束伸線した例である。No.2からNo.11は、TiB2の塗装量を増加させた例である。No.12からNo.23は、SUS409(12mass%Cr鋼)をマトリックスとして集束伸線した例である。静電塗装量をほぼ一定とし、減面率を変化させた例である。No.24からNo.29は、0.05mass％Ｃ-0.01mass%Si-0.25mass%Mnを含む低炭素鋼をマトリックスとした集束伸線の例である。黒鉛潤滑で集積度を変化させると同時にTiB2の静電塗装量を減じた例である。
【００３７】
【表１】
2006144108.tif 000002
【００３８】
表２に、作成した線材のマトリックスの結晶粒径、ヤング率と脆性破面率、軸に垂直な断面でのTiB2面積率、TiB2平均径および集積度を示す。No.1からNo.11は、TiB2の静電塗装量を変化させた例である。TiB2を塗装していないNo.1、TiB2塗装量の少ないNo.2とNo.3では、TiB2面積率が小さくヤング率が低い。No.4からNo.9は、発明例で優れたヤング率が得られている。No.10とNo.11は、TiB2の静電塗装量が本発明の範囲を超えており、TiB2面積率が高く、マトリックスの結晶粒が微細化できなかった。このため脆性破面率が10％を超えた。No.12からNo.23は、減面率を変化させマトリックスの結晶粒径を変化させた例である。本発明例であるNo.12からNo.19では、優れたヤング率および10％以下の脆性破面率が得られているが、マトリックスの結晶粒径が本発明範囲を超えるNo.20からNo.23では、脆性破面率が10％を超えており、靭性が劣化しているのがわかる。No.24からNo.29は、黒鉛潤滑を用いてマトリックスの集積度を変化させた例である。マトリックスの集積度の上昇により、TiB2面積率が小さくても同等のヤング率を得ることができる。
【００３９】
【表２】
2006144108.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の金属線材を製造する手順を示す説明図である。
【図２】集束ロールの詳細を示す図である。
【図３】スウェージングロールの断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  線材
2a，2b  鏡板
３  集束ロール
４  スウェージングロール
５  被覆材
６  フィーダー
７  ダイス
８  伸線材
９  テイクアップロール
【図１】
2006144108.tif 000004
【図２】
2006144108.tif 000005
【図３】
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