JPH11199981A - 高耐熱鋼線およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２００℃前後においてオイルテンパー線と同
レベルの耐熱性を具えるピアノ線とその製造方法とを提
供する 【解決手段】 Ｃ：０．７５〜１．０wt％，Ｓｉ：０．
５〜１．５wt％を含み、パーライト組織を塑性加工した
鋼線で、セメンタイトは幅が５〜２０ｎｍの大きさのも
のと幅が２０〜１００ｎｍの大きさのものとがほぼ交互
に配列され、セメンタイトの厚さを５〜２０ｎｍとした
ことにある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は耐熱性に優れた鋼線
とその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来よりパーライト鋼を伸線した鋼線
（一般にピアノ線または硬鋼線：以下単にピアノ線とい
う）は耐熱性が劣ることが知られている。通常のピアノ
線はＳｉの含有量が０．１５〜０．３５wt％程度であ
り、このような含有量ではパーライトを構成するセメン
タイトが高温で球状化してしまい、強度が低下する。そ
のため、高温環境で耐へたり性が要求される場合、焼入
れ焼戻し鋼、例えばＳｉＣｒ鋼オイルテンパー線など
（以下ＯＴ線という）が用いられていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ＯＴ線は耐熱
性に優れるがピアノ線に比べて高価であり、ピアノ線の
耐熱性を向上できれば、その用途を大きく広げることが
できる。ピアノ線の耐熱性を向上させる手段としてはＳ
ｉを添加することが知られている。例えば、耐熱性が要
求される使用環境としては鋼線に溶融亜鉛メッキを施す
（約４５０℃×３０秒）場合が挙げられ、その際の強度
低下を抑制するためにＳｉを添加することが行われてい
る。さらに、セメンタイトを微結晶化してナノオーダー
の結晶とすると、強度と靱性に優れた鋼線が得られるこ
とが提案されている（特開平8-120407号）。

【０００４】一方、異なる高温環境として自動車のエン
ジン周辺が挙げられる。特に弁ばね用鋼線としては２０
０℃程度までの耐へたり性が重要で、溶融亜鉛メッキに
おけるような高温での耐へたり性は重要ではない。

【０００５】従って、本発明の主目的は、２００℃前後
においてＯＴ線と同レベルの耐熱性を具えるピアノ線と
その製造方法とを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
消するもので、その特徴は、Ｃ：０．７５〜１．０wt
％，Ｓｉ：０．５〜１．５wt％を含み、パーライト組織
を塑性加工した鋼線で、セメンタイトは幅が５〜２０ｎ
ｍの大きさのものと幅が２０〜１００ｎｍの大きさのも
のとがほぼ交互に配列され、セメンタイトの厚さを５〜
２０ｎｍとしたことにある。

【０００７】この鋼線には、さらにＭｏおよびＶの少な
くとも一方を添加し、これらの含有量の合計を０．０５
〜０．２wt％としたり、Ａｌを０．０１〜０．０３wt％
含有してもよい。

【０００８】また、透過型電子顕微鏡写真において、フ
ェライトとセメンタイトとの界面に半円状の歪みが観察
されないことが好ましい。

【０００９】さらに、セメンタイトにおける幅が２０〜
１００ｎｍの大きさの粒子の厚さをＡ１、これと隣接す
る幅５〜２０ｎｍの大きさの粒子が前記２０〜１００ｎ
ｍの大きさの粒子と接触している厚さ方向の長さをＡ２
としたとき、 ０．３＜Ａ２／Ａ１＜０．９５ であることが望ましい。

【００１０】上記の鋼線を製造するのに最適な方法は、
Ｃ：０．７５〜１．０wt％，Ｓｉ：０．５〜１．５wt％
を含む材料に冷間で真歪が０．７以上の塑性加工を行
い、この加工方法を伸線、圧延、ローラダイス伸線、ス
エージの１つ以上として、１回の加工での真歪を０．１
〜０．２５の範囲とし、加工途中で鋼線の先端と後端と
を入れ替えて加工を行い、この塑性加工後に２３０〜４
５０℃の熱処理を施すことを特徴とする。上記冷間での
塑性加工の際、その途中で鋼線の捻じれを鋼線１００mm
当り１５°以内とするとより好ましい。

【００１１】上記のように本発明を限定した理由を以下
に述べる。 ＜Ｃ：０．７５〜１．０wt％＞０．７５％未満では鋼線
の強度が低く、耐熱性も低くなる。逆に１％を越えると
Ｓｉの含有量を高めたときに塑性加工が困難になる。

【００１２】＜Ｓｉ：０．５〜１．５wt％＞０．５％未
満では耐熱性が低く、１．５％を越えると塑性加工が困
難になる。

【００１３】＜セメンタイトの形態＞セメンタイトの幅
が５〜２０ｎｍの大きさのものと幅が２０〜１００ｎｍ
の大きさのものとがほぼ交互に配列され、セメンタイト
の厚さが５〜２０ｎｍという範囲から外れると、２００
℃程度までにおける耐熱性が低下する。

【００１４】＜フェライトとセメンタイトとの界面の歪
み＞半円上の歪みが認められると耐熱性が著しく低下す
る。

【００１５】＜隣接するセメンタイト同士の接触状態＞
セメンタイトの幅が２０〜１００ｎｍの大きさの粒子の
厚さをＡ１、これと隣接する幅５〜２０ｎｍの大きさの
粒子が前記２０〜１００ｎｍの大きさの粒子と接触して
いる厚さ方向の長さをＡ２としたとき、０．３＜Ａ２／
Ａ１＜０．９５の範囲から外れると耐熱性が低下する。

【００１６】＜Ｍｏ，Ｖ：合計含有量が０．０５〜０．
２wt％＞この範囲を越えて添加すると、パーライト組織
を得るのが困難になる。具体的には変態時間がかかり、
生産性の低下が著しい。

【００１７】＜Ａｌ：０．０１〜０．０３wt％＞この範
囲のＡｌの添加により靱性が向上する。

【００１８】＜冷間での塑性加工＞真歪が０．１〜０．
２５の範囲を外れると靱性が低下する。また、途中で加
工方向を逆転することにより靱性を一層向上させること
ができる。

【００１９】＜加工途中での捻じれ＞冷間での塑性加工
を行う際、捻じれ量が１５°以内であれば、耐熱性の向
上とセメンタイト形状の安定化を図ることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。 （試験例１）表１に示す化学成分の材料に「圧延→パテ
ンティング→伸線→熱処理（歪み取り焼鈍）」を施し、
５mmφの鋼線を得た。この工程において、圧延における
線材径は１２、３mmφ、パテンティング条件は加熱温
度：９５０℃，変態温度：５６０℃、伸線における最終
径は５mmφ、熱処理は３５０℃×２０分である。

【００２１】

【表１】

【００２２】さらに、この伸線は真歪０．１〜０．２５
の範囲とし、加工中の線材の捻じれは鋼線１００mm当り
１０°以内で、７mmφまで伸線したところで伸線方向を
入れ替えて加工を行った。

【００２３】捻じれ量の測定は、例えば伸線ダイスの直
前に取り付けられた捻じれセンサを用いる。この捻じれ
センサは鋼線のねじれに合わせて回転する球状のコロを
具え、コロの回転から走行線と直角方向の単位時間当り
の変位を検出し、そこから鋼線１００mm当りの変位を求
めてねじれ量を算出する。

【００２４】そして、得られた鋼線について、１５０，
２００，２５０℃の各々の温度で６００ＭＰａの応力を
２４時間負荷し、へたり特性として残留せん断歪を求め
た。なお、比較のため一般的なＯＴ線の評価も同様に行
った。その結果を図１に示す。

【００２５】グラフから明らかなように、実施例１は２
５０℃までにおいてＯＴ線とほぼ同等の耐熱性を有して
いることがわかる。これに対してＳｉ量の少ない比較例
１は残留せん断歪が大きく、高温における耐へたり性が
劣っている。

【００２６】（試験例２）上記「実施例１」について、
伸線および熱処理条件を試験例１の条件から外して行
い、得られた鋼線（比較例２）と前記実施例１について
ＴＥＭによる組織観察（倍率２０万倍）を行った。実施
例１の組織写真を図２に、比較例２の組織写真を図３に
示す。図において、幅の広い白っぽい層がフェライト
で、幅の狭い黒っぽい層がセメンタイト層であり、各層
が交互に並んでいる。ここで、比較例２には、主にフェ
ライトとセメンタイトとの界面に円弧状の歪みが見られ
るが、実施例１にはこのような歪みがないことがわか
る。また、実施例１におけるセメンタイト層の厚さは５
〜２０ｎｍ程度であった。なお、ＴＥＭ観察用の試料は
数百μｍの厚さにスライスして研磨した後、最終的に電
解研磨して薄膜化したものを用いた。イオンスパッタリ
ング残さの抽出などは組織の変化の心配があるため行わ
なかった。

【００２７】次に、実施例１，比較例２，ＯＴ線の耐熱
性を評価した結果を図４に示す。耐熱性は３００ＭＰａ
の捻じり応力を２４時間負荷したときの残留せん断歪を
求めることで評価した。図４に示すように、実施例１は
ＯＴ線と同等の耐熱性を有しているのに対し、伸線条件
が異なる比較例２は耐熱性が劣っている。

【００２８】（試験例３）さらに、前記実施例１のセメ
ンタイトの形態を表す模式図を図５に、顕微鏡写真（倍
率５００万倍）を図６に示す。図５に示すように、この
鋼線はフェライト１とセメンタイト２が交互に積層され
た組織を持ち、このセメンタイト層の断面を拡大して示
すと、楕円形の大きい粒子３と、ほぼ円形の小さい粒子
４とがほぼ交互に配列されている。図６でも、上下層に
フェライトがあり、その間に位置するセメンタイトは楕
円形の粒子と円形の粒子がほぼ交互に並んで構成されて
いることがわかる。この写真では長さが約６０ｎｍと５
０ｎｍの楕円形の組織の間に外径約１５ｎｍの円形の組
織が観察された。また、「実施例１」について、伸線お
よび熱処理条件を試験例１の条件から外した比較例３の
セメンタイトの組織形態も同様に調べてみたが、１０〜
５０ｎｍの大きさのセメンタイトがランダムに並んでお
り、実施例１のような組織配列の規則性は見いだされな
かった。

【００２９】次に、実施例１，比較例３，ＯＴ線の耐熱
性を評価した結果を図７に示す。耐熱性は７００ＭＰａ
の捻じり応力を２４時間負荷したときの残留せん断歪を
求めることで評価した。図６に示すように、実施例１は
ＯＴ線と同等の耐熱性を有しているのに対し、伸線条件
が異なる比較例２は耐熱性が劣っている。

【００３０】（試験例４）表２に示す化学成分の材料か
ら試験例１と同様の工程により鋼線を得た。ただし、熱
処理条件は４００℃×２０分とした。また、ここでの比
較対象は試験例１における比較例１とした。得られた鋼
線に２００℃で７００ＭＰａの捻じり応力を２４時間負
荷したときの残留せん断応力を求めて耐熱性評価を行っ
た。試験結果を図８に示す。このグラフに示すように、
実施例１〜５はいずれも残留せん断歪が少なく、耐熱性
に優れていることがわかる。特に、Ｖ，Ｍｏ，Ａｌを添
加した実施例２〜５はこれらを添加しないものに比べて
より耐熱性に優れている。

【００３１】

【表２】

【００３２】前記実施例１〜５について、高分解能ＴＥ
Ｍにてセメンタイトの形態を確認したところ、いずれも
厚さが５〜２０ｎｍで、幅５〜２０ｎｍと幅２０〜１０
０ｎｍのものがほぼ交互に並んでいることが確認され
た。ただし、幅５〜２０ｎｍのセメンタイト又は幅２０
〜１００ｎｍのセメンタイトのいずれかが３個連続して
配列されている場合も認められた。従って、同じサイズ
のセメンタイトが３個程度までなら連続して配列されて
いても耐熱性の改善効果が認められることがわかる。

【００３３】ただし、鋼線として耐熱性に優れても靱性
が劣っては実際の使用条件に耐えられない。また、靱性
は生産性にとっても重要な要素である。この点、ＶやＭ
ｏの添加は合計で０．１５wt％をこえると必要な靱性を
得るのにパテンティングの時間が非常に長くなり、実生
産には困難であった。また、Ａｌを添加すると耐熱特性
を維持しながら靱性も維持できることがわかった。例え
ば、Ａｌの添加がないときには高速伸線すると靱性が低
下してしまうが、Ａｌを添加すると伸線速度を５０％上
げても伸線速度を上げない場合と同等の靱性を得ること
ができる。

【００３４】（試験例５）表３に示すように伸線条件を
変えて試験例１と同様の工程により鋼線を得た。ただ
し、この場合の熱処理は３８０℃×２０分である。ま
た、加工中の捻じれは試験例１と同様に鋼線１００mm当
りの捻じれ量を示している。各方法により得られた鋼線
の耐熱性を評価した。評価は２００℃で５００ＭＰａの
捻じり応力を２４時間負荷して残留せん断歪を測定する
ことで行った。また、比較としてＯＴ線(SWOSC) も同様
に評価した。各方法による試料数を５とし、求められた
残留せん断歪の平均とばらつきとを図９のグラフに示
す。いずれの方法でも良好な結果が得られているが、方
法１，５による試験材がばらつきが少なく、かつ結果が
特に良好である。

【００３５】

【表３】

【００３６】（試験例６）表４に示す化学成分の材料に
対し、試験例１と同様の工程で処理を行った。その結
果、供試材14と24においては鋼線を製造する工程、特に
鋳造後において歩留りが低く、実用的な生産に向いてい
ないことが判明した。そのため、残りの供試材10〜13,2
1〜23 について耐熱性の評価を行った。評価は１９０℃
で６００ＭＰａの捻じり応力を２４時間負荷して残留せ
ん断歪を測定することで行った。比較のためＯＴ線(SWO
SC) についても同様の評価を行った。その結果を図１０
に示す。Ｓｉの含有量の少ない供試材21以外は好結果を
示していることがわかる。

【００３７】

【表４】

【００３８】（試験例７）試験例６における供試材31を
用いて試験例１と同様の工程で伸線条件を変えた処理を
行って鋼線を得た。得られた鋼線のセメンタイトは、図
５に示したように、楕円状の長い粒子とほぼ円形の短い
粒子とがほぼ交互に配列した形態をしていたが、各粒子
の長さは様々であったため、これら長さの相違と耐熱性
との関係について分析した。図５における楕円状の長い
粒子の長さをＢＬ，ほぼ円形の短い粒子の長さをＢＳと
し、２００℃で７００ＭＰａの捻じり応力を２４時間負
荷して残留せん断歪を測定することで、各粒子の長さと
耐熱性との関係を調べた。その結果を図１１のグラフに
示す。ここで、「良好」とは残留せん断歪がＯＴ線(SWO
SC) 並の０．０６％以下であることとした。このグラフ
に見られるように概ね２０≦ＢＬ≦１００ｎｍ，５≦Ｂ
Ｓ≦２０ｎｍの範囲が良好な結果であることがわかる。

【００３９】ただし、２０≦ＢＬ≦１００ｎｍ，５≦Ｂ
Ｓ≦２０ｎｍの範囲内であっても結果が「やや不良」の
ものも存在したため、さらに詳細にセメンタイト組織の
分析を行った。分析は、図１２に示すように、セメンタ
イトの幅が２０〜１００ｎｍの大きさの粒子３の厚さを
Ａ１とし、隣接する小さいセメンタイト粒子４が接触す
る厚さ方向の長さＡ２としたときに、これらの比率がど
のような関係にあるかで評価した。その結果、０．３＜
Ａ２／Ａ１＜０．９５の場合に結果が「良好」で、それ
以外の場合に結果が「やや不良」であることがわかっ
た。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明鋼線によれ
ば、ピアノ線であっても２００℃前後における耐熱性が
ＯＴ線に相当する線材を安価に得ることができ、自動車
エンジンの弁ばねなどに利用することができる。また、
本発明製造方法は、耐熱性に優れた本発明鋼線を製造す
るのに最適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】温度環境と残留せん断歪との関係を示すグラフ
である。

【図２】本発明鋼線の金属組織を示す顕微鏡写真であ
る。

【図３】従来の鋼線の金属組織を示す顕微鏡写真であ
る。

【図４】各実施例と比較例の残留せん断歪を示すグラフ
である。

【図５】本発明鋼線の金属組織を示す模式図である。

【図６】本発明鋼線の金属組織を示す顕微鏡写真であ
る。

【図７】温度環境と残留せん断歪との関係を示すグラフ
である。

【図８】Ｖ，Ｍｏ，Ａｌの添加に伴う耐熱性の違いを示
すグラフである。

【図９】伸線方法の異なる鋼線について耐熱性の評価を
示すグラフである。

【図１０】化学成分の異なる材料について温度環境と残
留せん断歪との関係を示すグラフである。

【図１１】セメンタイト組織の長さと耐熱性との関係を
示すグラフである。

【図１２】セメンタイト組織の形態を示す模式図であ
る。

【符号の説明】

１ フェライト ２ セメンタイト ３ 楕円形の大き
い粒子 ４ ほぼ円形の小さい粒子

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃ：０．７５〜１．０wt％，Ｓｉ：０．
   ５〜１．５wt％を含み、パーライト組織を塑性加工した
   鋼線で、セメンタイトは幅が５〜２０ｎｍの大きさのも
   のと幅が２０〜１００ｎｍの大きさのものとがほぼ交互
   に配列され、セメンタイトの厚さが５〜２０ｎｍである
   ことを特徴とする高耐熱鋼線。
2. 【請求項２】 透過型電子顕微鏡写真において、フェラ
   イトとセメンタイトとの界面に半円状の歪みが観察され
   ないことを特徴とする請求項１記載の高耐熱鋼線。
3. 【請求項３】 セメンタイトにおける幅が２０〜１００
   ｎｍの大きさの粒子の厚さをＡ１、これと隣接する幅５
   〜２０ｎｍの大きさの粒子が前記２０〜１００ｎｍの大
   きさの粒子と接触している厚さ方向の長さをＡ２とした
   とき、 ０．３＜Ａ２／Ａ１＜０．９５ であることを特徴とする請求項１記載の高耐熱鋼線。
4. 【請求項４】 ＭｏおよびＶの少なくとも一方を含み、
   これらの含有量が合計で０．０５〜０．２wt％であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の高耐熱鋼線。
5. 【請求項５】 Ａｌを０．０１〜０．０３wt％含有する
   ことを特徴とする請求項１記載の高耐熱鋼線。
6. 【請求項６】 Ｃ：０．７５〜１．０wt％，Ｓｉ：０．
   ５〜１．５wt％を含む材料に冷間で真歪が０．７以上の
   塑性加工を行い、 この加工方法を伸線、圧延、ローラダイス伸線、スエー
   ジの１つ以上とし、１回の加工での真歪を０．１〜０．
   ２５の範囲として、加工途中で鋼線の先端と後端とを入
   れ替えて加工を行い、 この塑性加工後に２３０〜４５０℃の熱処理を施すこと
   を特徴とする高耐熱鋼線の製造方法。
7. 【請求項７】 冷間での塑性加工の際、その途中で鋼線
   の捻じれを鋼線１００mm当り１５°以内とすることを特
   徴とする請求項６記載の高耐熱鋼線の製造方法。