(57)【要約】【課題】ＰＣ鋼線、亜鉛めっき鋼撚線、ばね用鋼線、吊り橋用ケーブルなどとして有用な高強度高靱性鋼線を提供する。【解決手段】鋼材の化学成分および含有介在物の化学組成、サイズ、数密度が特定された硬鋼線材を、熱間圧延後直接パテンティング処理し、もくしは再オーステナイト化後パテンティング処理することにより、パーライトを主体とする組織を有し且つ線材中心から線材半径に対して２０％未満の中心領域における初析セメンタイト面積率の平均値が５％以下である、もしくはＣ断面内のミクロマルテンサイトサイズが１００μｍ以下である引張強さが１７０ｋｇｆ／ｍｍ２  級以上で、３０％以上の破断絞りを有するピアノ線材または硬鋼線材を得る。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｒ：１０ｐｐｍ以上、５００ｐｐｍ以下を含むＣ：０．９５％以下の高炭素鋼線材であって、該線材中に大きさが０．１〜１０μｍで、該線材組成成分におけるＺｒのモル分率が０．２以上、数密度が５００〜３０００個／ｍｍ２  である介在物を含有することを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材。
【請求項２】
Ｚｒ：１０ｐｐｍ以上、５００ｐｐｍ以下を含むＣ：０．９５％以下の高炭素鋼線材であって、該線材がパーライトを主体とする鋼組織を有し、かつ該線材中心から線材半径に対して２０％未満の中心領域における初析セメンタイト面積率の平均値が５％以下であることを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材。
【請求項３】
Ｚｒ：１０ｐｐｍ以上、５００ｐｐｍ以下を含むＣ：０．９５％以下の高炭素鋼線材であって、該線材がパーライトを主体とする鋼組織を有し、かつ該線材Ｃ断面におけるミクロマルテンサイト粒のサイズ（最大長さ）が１００μｍであることを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材。
【請求項４】
Ｚｒ：１０ｐｐｍ以上、５００ｐｐｍ以下を含むＣ：０．９５％以下の高炭素鋼線材であって、該線材中に大きさが０．１〜１０μｍで、該線材組成成分におけるＺｒのモル分率が０．２以上、数密度が５００〜３０００個／ｍｍ２  である介在物を含有し、更に、該線材がパーライトを主体とする鋼組織を有し、かつ該線材中心から線材半径に対して２０％未満の中心領域における初析セメンタイト面積率の平均値が５％以下、該線材Ｃ断面におけるミクロマルテンサイト粒のサイズ（最大長さ）が１００μｍであることを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかの項に記載した高炭素鋼線材がＪＩＳ  Ｇ  ３５０６に規定されたＳＷＲＨ  ７２、ＳＷＲＨ  ７７、ＳＷＲＨ  ８２のいずれかの線材であることを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかの項に記載した高炭素鋼線材がＪＩＳ  Ｇ  ３５０２に規定されたＳＷＲＳ  ７２、ＳＷＲＳ  ７５、ＳＷＲＳ  ７７、ＳＷＲＳ  ８０、ＳＷＲＳ  ８２、ＳＷＲＳ  ８７、ＳＷＲＳ  ９２のいずれかの線材であることを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材。
【請求項７】
請求項５に規定した高炭素鋼線材が、質量％で、Ｃ：０．６９〜０．８６％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．３０〜０．９０％、Ｐ：０．３０％以下、Ｓ：０．３０％以下を基本成分とし、更に、Ｎ：０．００３〜０．０１５％、Ａｌ：０．０１〜０．２％、Ｔｉ：０．０１〜０．２％、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Ｎｉ：０．０５〜１．０％、Ｃｏ：０．０５〜１．０％、Ｗ：０．０５〜１．０％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｎｂ：０．０１〜０．２％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材。
【請求項８】
請求項６に規定した高炭素鋼線材が、質量％で、Ｃ：０．７０〜０．９５％、Ｓｉ：０．１２〜０．３２％、Ｍｎ：０．３０〜０．９０％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ｃｕ：０．２０％以下を基本成分とし、更に、Ｎ：０．００３〜０．０１５％、Ａｌ：０．０１〜０．２％、Ｔｉ：０．０１〜０．２％、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Ｎｉ：０．０５〜１．０％、Ｃｏ：０．０５〜１．０％、Ｗ：０．０５〜１．０％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｎｂ：０．０１〜０．２％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかの項に記載の高炭素鋼線材を得るに際し、溶鋼をＡｌ膜酸液にＺｒを添加して鋳片を得ることを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかの項に記載の高炭素鋼線材を熱間圧延後、直接パテンティング処理するか、或いは再度オーステナイト域の加熱後に直接パテンティング処理することを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＰＣ鋼線、亜鉛めっき鋼撚線、ばね用鋼線、吊り橋用ケーブルなどとして使用される、ピアノ線材もしくは硬鋼線材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高炭素硬鋼線を製造するに当たっては、通常熱延線材にパテンティング処理と伸線加工を１回もしくは数回繰り返して所定の線径に仕上げて製造されるが、この高炭素硬鋼線は、所定の強度を確保すると共に、破断絞りなどによって評価される靭延性についても十分な性能を確保する必要がある。
【０００３】
高炭素鋼線の高強度化には、鋼材成分中のＣ量を増大するのが最も経済的で且つ有効な手段であることが確認されている。しかし、Ｃ量の増加によって鋼材が過共析組成になると、圧延やパテンティング処理を行う際に、オーステナイト域から冷却する時にオーステナイト粒界に初析セメンタイトが網目状に析出する傾向があり、こうした傾向は、線材の中心部にＣの中心偏析が存在する場合はより顕著に現れてくる。  さらに、焼入れ性が高い中心偏析部においてミクロマルテンサイトが生成する傾向がある。その結果、伸線加工中の断線頻度も高くなって生産性や歩留低下を招き、また伸線加工後の線材の靭延性も悪くなる。
【０００４】
そこで、特許文献１では凝固初晶がγ−Ｆｅである溶鋼に１〜１０μｍの介在物を１〜５００個／ｍｍ２  含有させることにより微細な凝固組織を有する鋳片を得、この鋳片をもとに高炭素硬鋼線を製造する方法を提案している。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１２９２２３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情に着目してなされたものであって、その目的は、γ−Ｆｅと整合性の良い介在物を溶鋼中に存在させることによって、鋳片の凝固時の等軸晶率を向上させ、中心偏析を低減することによって、圧延後の線材中心部の初析セメンタイトの析出を制限し、それにより伸線加工時の断線を防止することを可能とする硬鋼線材を提供するものである。即ち、本発明者らは、上記特許文献１に開示された技術では依然として微細な凝固組織を得ることはできず、この目的のためには１μｍ以下の微細な介在物が有効であり、その数密度も５００個／ｍｍ２以上必要であることを知見した。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は次の通りである。
【０００８】
（１）Ｚｒ：１０ｐｐｍ以上、５００ｐｐｍ以下を含むＣ：０．９５％以下の高炭素鋼線材であって、該線材中に大きさが０．１〜１０μｍで、該線材組成成分におけるＺｒのモル分率が０．２以上、数密度が５００〜３０００個／ｍｍ２  である介在物を含有することを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材。
【０００９】
（２）Ｚｒ：１０ｐｐｍ以上、５００ｐｐｍ以下を含むＣ：０．９５％以下の高炭素鋼線材であって、該線材がパーライトを主体とする鋼組織を有し、かつ該線材中心から線材半径に対して２０％未満の中心領域における初析セメンタイト面積率の平均値が５％以下であることを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材。
【００１０】
（３）Ｚｒ：１０ｐｐｍ以上、５００ｐｐｍ以下を含むＣ：０．９５％以下の高炭素鋼線材であって、該線材がパーライトを主体とする鋼組織を有し、かつ該線材Ｃ断面におけるミクロマルテンサイト粒のサイズ（最大長さ）が１００μｍであることを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材。
【００１１】
（４）Ｚｒ：１０ｐｐｍ以上、５００ｐｐｍ以下を含むＣ：０．９５％以下の高炭素鋼線材であって、該線材中に大きさが０．１〜１０μｍで、該線材組成成分におけるＺｒのモル分率が０．２以上、数密度が５００〜３０００個／ｍｍ２  である介在物を含有し、更に、該線材がパーライトを主体とする鋼組織を有し、かつ該線材中心から線材半径に対して２０％未満の中心領域における初析セメンタイト面積率の平均値が５％以下、該線材Ｃ断面におけるミクロマルテンサイト粒のサイズ（最大長さ）が１００μｍであることを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材。
【００１２】
（５）（１）〜（４）のいずれかの項に記載した高炭素鋼線材がＪＩＳ  Ｇ  ３５０６に規定されたＳＷＲＨ  ７２、ＳＷＲＨ  ７７、ＳＷＲＨ  ８２のいずれかの線材であることを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材。
【００１３】
（６）（１）〜（４）のいずれかの項に記載した高炭素鋼線材がＪＩＳ  Ｇ  ３５０２に規定されたＳＷＲＳ  ７２、ＳＷＲＳ  ７５、ＳＷＲＳ  ７７、ＳＷＲＳ  ８０、ＳＷＲＳ  ８２、ＳＷＲＳ  ８７、ＳＷＲＳ  ９２のいずれかの線材であることを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材。
【００１４】
（７）（５）に規定した高炭素鋼線材が、質量％で、Ｃ：０．６９〜０．８６％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．３０〜０．９０％、Ｐ：０．３０％以下、Ｓ：０．３０％以下を基本成分とし、更に、Ｎ：０．００３〜０．０１５％、Ａｌ：０．０１〜０．２％、Ｔｉ：０．０１〜０．２％、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Ｎｉ：０．０５〜１．０％、Ｃｏ：０．０５〜１．０％、Ｗ：０．０５〜１．０％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｎｂ：０．０１〜０．２％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材。
【００１５】
（８）（６）に規定した高炭素鋼線材が、質量％で、Ｃ：０．７０〜０．９５％、Ｓｉ：０．１２〜０．３２％、Ｍｎ：０．３０〜０．９０％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ｃｕ：０．２０％以下を基本成分とし、更に、Ｎ：０．００３〜０．０１５％、Ａｌ：０．０１〜０．２％、Ｔｉ：０．０１〜０．２％、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Ｎｉ：０．０５〜１．０％、Ｃｏ：０．０５〜１．０％、Ｗ：０．０５〜１．０％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｎｂ：０．０１〜０．２％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材。
【００１６】
（９）（１）〜（８）のいずれかの項に記載の高炭素鋼線材を得るに際し、溶鋼をＡｌ膜酸液にＺｒを添加して鋳片を得ることを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材の製造方法。
【００１７】
（１０）（１）〜（９）のいずれかの項に記載の高炭素鋼線材を熱間圧延後、直接パテンティング処理するか、或いは再度オーステナイト域の加熱後に直接パテンティング処理することを特徴とする高強度、高靭性高炭素鋼線材の製造方法。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明は、使用する硬鋼線材の化学成分を特定すると共に、線材に含有される介在物の化学組成、結晶構造、サイズ、数密度を特定することによって、鋳片の凝固時の等軸晶率を向上させ、中心偏析を低減することによって、圧延後の線材中心部の初析セメンタイトおよびミクロマルテンサイトの析出を制限し、それにより伸線加工時の断線を防止することを可能とする硬鋼線材を提供しようとするものである。
【００１９】
これらの構成要件を定めた理由を詳細に説明する。先ず硬鋼線材の成分組成を定めた理由は下記の通りである。
【００２０】
Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕに関してはＪＩＳ  Ｇ  ３５０６、またはＪＩＳ  Ｇ  ３５０２に規定されたＳＷＲＨ、ＳＷＲＳの鋼種に準拠した。
【００２１】
Ｚｒは本発明において必須となる元素であり、溶鋼に添加されることによって、凝固時の初晶組織であるγ−Ｆｅと整合性の良い介在物であるＺｒＯ２  を形成するため、本発明に必須の元素であるが、１０ｐｐｍ未満では十分な数のＺｒＯ２  を得ることが出来ず、５００ｐｐｍ以上では粗大なＺｒＯ２  のクラスターを形成し、機械的性質劣化の原因となるため上限を５００ｐｐｍと定めた。
【００２２】
更に、本発明においては、上記成分以外に、Ｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ、ＶまたはＮｂの１種又は２種以上を添加することができる。以下に各成分の添加理由について説明する。
【００２３】
Ｎは、鋼中でＡｌあるいはＴｉと窒化物を生成し、加熱時におけるオーステナイト粒度の粗大化を防止する作用があり、その効果は０．００３％以上含有させることによって有効に発揮される。しかし、含有量が多くなり過ぎると、Ａｌ窒化物量が増大し過ぎて伸線性に悪影響が現れてくるだけでなく、固溶Ｎが伸線中の時効を促進する恐れが生じてくるので、上限を０．０１５％とする。
【００２４】
Ａｌは脱酸剤として、またオーステナイト粒度の粗大化防止のために有効な必要な元素である。しかし、過剰に含有させると、Ａｌ２Ｏ３の粗大なクラスターを生じて伸線性に悪影響を及ぼす様になるので、上限を０．０５％と定めた。
【００２５】
Ｔｉは脱酸剤として、またオーステナイト粒度の粗大化防止のために有効な必要な元素である。しかし、過剰に含有させると、多量のＴｉＮを生じて伸線性に悪影響を及ぼす様になるので、上限を０．２％と定めた。
【００２６】
Ｃｒは、パーライトのラメラ間隔を微細化し、線材の強度と伸線加工性を高める作用があり、それらの効果は０．０５％以上で有効に発揮される。しかし、１．０％を超えると、変態終了時間が長くなり過ぎて設備の大型化や生産性の低下を招くので、１．０％を上限とする。
【００２７】
Ｎｉは、線材強度の上昇には余り寄与しないが、伸線材の靭性を高める作用があり、その効果はＮｉを０．０５％以上含有させることによって有効に発揮される。しかし、Ｎｉ量が過剰になると、変態終了時間が長くなり過ぎて設備の大型化や生産性の低下を招くので、１．０％を上限とする。
【００２８】
Ｃｏは、初析セメンタイトの析出を抑制するのに有効であり、その効果は０．０５％以上含有させることによって有効に発揮される。しかし、その効果は約１．０％で飽和するので、それ以上の添加は経済的にメリットがない。
【００２９】
Ｗも線材強度を高める作用を有しており、その効果は０．０５％以上の含有で有効に発揮される。しかし、含有量が多くなり過ぎると、強度向上効果が飽和するばかりでなく、靭延性に悪影響を及ぼす様になるので、１．０％以下に抑えなければならない。
【００３０】
ＶおよびＮｂは、鋼中で微細な炭窒化物を形成し、析出強化により強度向上に寄与すると共に、加熱時におけるオーステナイト粒の粗大化を防止する作用があり、それらの効果は、それぞれ上記下限値以上含有させることによって有効に発揮される。しかし、それぞれ上限値を超えて含有させると、炭窒化物量が増大し過ぎるばかりでなく、該炭窒化物の粒子径も大きくなって靭性を悪化させるので、０．０５〜０．５％、０．０１〜０．２％をそれぞれの添加量の範囲とした。
【００３１】
本発明では、上記成分組成を満たす硬鋼線材を使用し、これを熱間圧延した後直接パテンティング処理し、あるいは再オーステナイト化した後でパテンティング処理することにより、主たる組織が微細パーライトよりなり、かつ図１に示すように線材の中心（ｐ）からの長さ（ｒ）が線材半径（ｄ）の２０％未満である中心領域（ｒ＜０．２ｄ）における初析セメンタイト面積率の平均値が５％以下の鋼線を得るものである。
【００３２】
即ち、上述したようにＣ量の多い過共析組成の鋼材では、パテンティング処理工程でオーステナイト域から冷却する際にオーステナイト粒界に沿って初析セメンタイトが網目状に析出し、この初析セメンタイトは鋼の焼入性を低下させて強度向上を阻害するばかりでなく、伸線加工性にも悪影響を及ぼす。ところが、本発明者らが種々研究を行ったところによると、伸線加工性に特に影響を及ぼすのは、該線材の中心部に析出した初析セメンタイトとミクロマルテンサイトである。初析セメンタイトに関しては、上述したように、ｒ＜０．２ｄの中心領域における初析セメンタイトの面積率の平均値を５％以下に抑えたものは、その後の伸線加工率を７０〜９０％の範囲に設定した場合でも断線などを生じることがなく、しかも焼入性の低下も最小限に抑えられることが確認された。またミクロマルテンサイトに関しては、Ｃ断面におけるミクロマルテンサイト粒のサイズ（最大長さ）が１００μｍ以下であるものは、その後の伸線加工率を７０〜９０％の範囲に設定した場合でも断線などを生じることがなく、しかも焼入性の低下も最小限に抑えられることが確認された。
【００３３】
このような初析セメンタイト面積率およびミクロマルテンサイト率を得るための手段として、溶鋼をＡｌを添加して脱酸を行った後にＺｒを添加してＡｌ２Ｏ３をＺｒＯ２  に置換することによって、溶鋼中に、凝固時の初晶組織であるγ−Ｆｅの析出核となり得る、Ｚｒを含有するような微細介在物を微細に分散させ、凝固時のγ−Ｆｅの等軸晶率を高め、中心部のＭｎ，Ｃの偏析を抑制することができる。
【００３４】
なお、介在物がγ−Ｆｅの析出核として機能するには、モル分率で０．２以上のＺｒを含有する必要がある。
【００３５】
また、本発明に規定した条件については、図２に０．１〜１０μｍのＺｒ含有介在物の数密度と初析セメンタイト面積率の関係、図３にＺｒ添加量とミクロマルテンサイトサイズの関係、図４に０．１〜１０μｍのＺｒ含有介在物の数密度とミクロマルテンサイトサイズの関係、図５にＺｒ添加量と０．１〜１０μｍのＺｒ含有介在物の数密度の関係を示した。
【００３６】
【実施例】
次に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００３７】
表１に示す化学成分の硬鋼線材を使用し、連続鋳造後熱間圧延して直径１１ｍｍの鋼線とした後、種々の条件で直接パテンティング処理あるいは再加熱−パテンティング処理を施した。（鉛パテンティング条件：再加熱９５０℃×５分→恒温変態５４０℃×４分）。
【００３８】
このパテンティング材の埋め込み研磨とドデシルスルホン酸を用いた化学腐食を実施し、ＳＥＭ観察によって、中心（ｐ）からの長さ（ｒ）が線材半径（ｄ）の２０％未満である中心領域（ｒ＜０．２ｄ）における初析セメンタイト率を決定した。また、埋め込み研磨とナイタール液を用いた化学腐食を実施し、ＳＥＭ観察によって、Ｃ断面におけるミクロマルテンサイト粒のサイズを決定した。さらに、カーボンレプリカサンプルのＴＥＭ観察およびＸＥＤＳ分析によって、介在物の数密度、サイズ分布、化学組成を分析した。今回評価に用いた鋼材の化学成分を表１に示す。これら鋼材の介在物データ、中心部の初析セメンタイト面積率、Ｃ断面内のミクロマルテンサイト率を表２に示す。ここで、介在物の数密度は、抽出カーボンレプリカサンプルのＴＥＭ観察にてカウントした。サンプル作製条件は、サンプル表面をダイヤモンド研磨を行い、スピードエッチ法で表層を５〜１０μｍエッチングさせ、露出した介在物を２段ステージカーボンレプリカ法で抽出した。これをＴＥＭで観察し、カーボン膜の単位面積当たりの介在物数をカウントすることによって測定した。
【００３９】
【表１】
2004263204.tif 000003
【００４０】
【表２】
2004263204.tif 000004
【００４１】
表１、２において、ＳからＹは比較鋼である。Ｕ，Ｗ，ＸはＺｒを含有しているものの、添加量が１０ｐｐｍ以下と少なかったためＺｒ含有介在物の数密度が小さい、あるいは介在物中のＺｒ含有量が少ないことにより、十分な等軸度が得られなかったため、炭素の中心偏析を抑制できず、結果として粗大なミクロマルテンサイトあるいは初析セメンタイトの生成を抑制できなかったと考えられる。
【００４２】
Ｓ，Ｔ，Ｖ，ＹはＺｒを含有していない鋼材であり、Ｚｒを含有する介在物が存在せず、十分な等軸度が得られなかったと考えられる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は、使用する鋼材の成分組成を特定し、Ｚｒを含有し初晶γと整合性の良好な介在物を分散させることにより、凝固組織の等軸粒度を向上させ、中心偏析を抑制することによって、圧延線材の中心付近の初析セメンタイト平均面積率が５％以下およびＣ断面内のミクロマルテンサイトサイズが１００μｍ以下の硬鋼線材あるいはピアノ線材を得ることができ、ＰＣ鋼線、亜鉛めっき鋼線、ばね用鋼線、吊り橋用ケーブル等としての性能を改善し得ることになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｚｒ添加量と初析セメンタイト面積率の関係を示すグラフである。
【図２】０．１〜１０μｍのＺｒ含有介在物の数密度と初析セメンタイト面積率の関係を示すグラフである。
【図３】Ｚｒ添加量とミクロマルテンサイトサイズの関係を示すグラフである。
【図４】０．１〜１０μｍのＺｒ含有介在物の数密度とミクロマルテンサイトサイズの関係を示すグラフである。
【図５】Ｚｒ添加量と０．１〜１０μｍのＺｒ含有介在物の数密度の関係を示すグラフである。
【図１】
2004263204.tif 000005
【図２】
2004263204.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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