JP3601388B2 - 鋼線材及び鋼線材用鋼の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼線材及び鋼線材用鋼の製造方法に関し、より詳しくは例えば、、ワイヤロープ、弁ばね、懸架ばね、ＰＣ鋼線、スチールコードなどの用途に好適な耐疲労特性及び伸線加工性に優れた鋼線材とその鋼線材の素材鋼となる鋼を製造する方法に関するものである。
【従来の技術】
ワイヤロープ、弁ばね、懸架ばね、ＰＣ鋼線などに用いられる鋼線材（以下、「鋼線材」を単に「線材」という）には、熱間圧延後伸線加工などの冷間加工、更に、焼入れ焼戻しの調質処理、あるいはブルーイング処理が施される。又、自動車のラジアルタイアの補強材として用いられるスチールコード用の線材は、線径（直径）約５．５ｍｍまで熱間圧延された後調整冷却され、１次伸線加工、パテンティング処理、２次伸線加工、最終パテンティング処理を受け、更にその後でブラスメッキ処理、続いて最終湿式伸線加工を受ける。このようにして得られた極細鋼線を更に撚り加工（撚線加工）して複数本撚り合わせ、スチールコードが成形されている。
したがって、上記技術分野に属する線材には、優れた伸線加工性と同時に優れた耐疲労特性が要求される。
近年、コスト合理化や地球環境問題などを背景に前記したワイヤロープ、弁ばね、懸架ばね、ＰＣ鋼線やスチールコードなど各種製品の軽量化に対する要望がますます高まっており、高強度化への取り組みが活発に行われている。しかし、一般に鋼材は強度が高くなるほど伸線加工性が劣化し、疲労破壊に対する感受性が大きくなるので、前記した各種製品の素材用線材としては、特にその内部性状の優れたものが要求されるようになっている。
このため、伸線加工性あるいは耐疲労特性を高める目的で、鋼の清浄性に着目した技術が開示されている。
例えば、第１２６回・第１２７回西山記念技術講座の第１４８〜１５０ページには、介在物を熱間圧延時に塑性変形しやすい三元系の低融点組成領域に制御することで、延性介在物として無害化を図る技術が示されている。
特開昭６２−９９４３６号公報には、介在物の長さ（ｌ）と幅（ｄ）の比がｌ／ｄ≦５の延伸性の小さいものに限定し、介在物の平均的組成をＳｉＯ2：２０〜６０％、ＭｎＯ：１０〜８０％で、更に、ＣａＯ：５０％以下、ＭｇＯ：１５％以下の一方又は両方を含むように制御した技術が開示されている。
特開昭６２−９９４３７号公報には、介在物の長さ（ｌ）と幅（ｄ）の比がｌ／ｄ≦５の延伸性の小さいものに限定し、介在物の平均的組成をＳｉＯ2：３５〜７５％、Ａｌ2Ｏ3：３０％以下、ＣａＯ：５０％以下、ＭｇＯ：２５％以下に制御した技術が開示されている。
上記２つの公報に開示された技術は、基本的に介在物の低融点化を図るという技術思想において前記の西山記念技術講座で報告された内容と同一であるが、介在物の組成制御を行うにあたり、ＭｎＯやＭｇＯを含めた多元系で低融点化を図り、熱間圧延で十分延伸させ、冷間圧延あるいは伸線で破砕させて微細に分散させることにより冷間加工性及び耐疲労特性の向上を図ろうとするものである。
しかしながら、介在物は界面エネルギ−が微小である。このため、介在物はガスバブリングやアーク式加熱方式を有するとりべ精錬などの二次精錬時から鋳造時において凝集肥大化しやすく、鋳片段階で巨大介在物として残存する傾向がある。いったん巨大介在物が生じると、仮に介在物としての平均組成は同じであっても、図１に示すように同一介在物内の凝固過程において不均一相を晶出する頻度が高くなる可能性がある。なお、図１において斜線をつけた部分が不均一相を示す。したがって、上記各公報で提案された介在物組成、つまり介在物の平均組成に制御した場合であっても、巨大で不均一組成の介在物が晶出すると、その巨大介在物のうちで公報で提案された組成内の領域は軟質なため熱間圧延及び冷間圧延や伸線で小型化するが、公報で提案された組成から外れる領域は大型のまま残存してしまうことがあって、伸線加工性及び耐疲労特性を向上させるには限界があった。
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記現状に鑑みなされたもので、その目的は、ワイヤロープ、弁ばね、懸架ばね、ＰＣ鋼線、スチールコードなどの用途に好適な耐疲労特性及び伸線加工性に優れた線材とその線材の素材鋼となる鋼を製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）〜（２）に示す耐疲労特性及び伸線加工性に優れた線材、及び（３）に示す耐疲労特性及び伸線加工性に優れた線材に用いる鋼の製造方法にある。
（１）鋼の化学成分が質量％で、Ｃ：０．４５〜１．１％、Ｓｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％で、且つ、Ｃｒ：０．０２〜１．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．１００％の１種以上を含み、更に、Ｃｕ：０〜０．５％、Ｎｉ：０〜１．５％、Ｍｏ：０〜０．５％、Ｗ：０〜０．５％、Ｃｏ：０〜２．０％、Ｂ：０〜０．００３０％、Ｖ：０〜０．５％、Ｔｉ：０〜０．１％、Ｚｒ：０〜０．１％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物中のＰは０．０２０％以下、Ｓは０．０２０％以下、Ａｌは０．００５％以下、Ｎは０．００５％以下、Ｏ（酸素）は０．００２５％以下であって、長手方向縦断面における幅２μｍ以上の酸化物が平均値として、質量％で、ＳｉＯ2：７０％以上、ＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3：２０％未満、Ｃｒ2Ｏ3＋ＮｂＯ：０．１〜１０％を含む耐疲労特性及び伸線加工性に優れた鋼線材。
（２）長手方向縦断面における幅２μｍ以上の酸化物がＳｉＯ2、ＣａＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＭｎＯ、Ｃｒ2Ｏ3、ＮｂＯで構成され、その含有量の平均値が質量％で、ＳｉＯ2：７０％以上、ＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3：２０％未満、Ｃｒ2Ｏ3＋ＮｂＯ：０．１〜１０％である上記（１）に記載の耐疲労特性及び伸線加工性に優れた鋼線材。
（３）転炉による一次精錬、転炉外での二次精錬の後、連続鋳造する上記（１）又は（２）に記載の耐疲労特性及び伸線加工性に優れた鋼線材に用いる鋼の製造方法。
なお、本発明でいう（線材の）「長手方向縦断面」（以下「Ｌ断面」という）とは、線材の圧延方向に平行に、その中心線を通って切断した面をいう。又、酸化物の「幅」とは、Ｌ断面における幅方向の最大長さのことを指す。酸化物形態が粒形であった場合も、同一定義とする。
「ＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3」は、ＣａＯとＡｌ2Ｏ3の合計量を指し、「Ｃｒ2Ｏ3＋ＮｂＯ」は、Ｃｒ2Ｏ3とＮｂＯの合計量を指す。
「線材」とは、棒状に熱間圧延された鋼で、コイル状に巻かれた鋼材を指し、所謂「バーインコイル」を含むものである。
「二次精錬」とは、ガスバブリングやアーク式加熱装置などを有するとりべ精錬法、真空処理装置を使用する精錬法といった「清浄化のための転炉外での精錬法」で通常「炉外精錬」と称されるものを指す。
以下、上記の（１）〜（３）に記載のものをそれぞれ（１）〜（３）の発明という。
【発明の実施の形態】
本発明者らは、優れた耐疲労特性や優れた伸線加工性が要求されるワイヤロープ、弁ばね、懸架ばね、ＰＣ鋼線、スチールコードなどの用途に好適な線材を得るために、種々の調査・研究を行った。すなわち、質量％で、Ｃ：０．４５〜１．１％、Ｓｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％で、且つ、Ｃｒ：０．０２〜１．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．１００％の１種以上を含み、更に、Ｃｕ：０〜０．５％、Ｎｉ：０〜１．５％、Ｍｏ：０〜０．５％、Ｗ：０〜０．５％、Ｃｏ：０〜２．０％、Ｂ：０〜０．００３０％、Ｖ：０〜０．５％、Ｔｉ：０〜０．１％、Ｚｒ：０〜０．１％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物中のＰは０．０２０％以下、Ｓは０．０２０％以下、Ａｌは０．００５％以下、Ｎは０．００５％以下、Ｏ（酸素）は０．００２５％以下の化学成分を有する線材中の酸化物と耐疲労特性及び伸線加工性との関係について調査・研究を重ねた。その結果、下記(1)〜(3)の知見を得た。
(1)従来、伸線加工性や耐疲労特性に悪影響を及ぼす「硬質介在物」として避けられてきた高融点のＳｉＯ2系介在物は、これに適正量のＣｒ2Ｏ3とＮｂＯが複合されると、溶鋼中でのＳｉＯ2系介在物の界面張力が上昇して微細分散化し、伸線加工性や耐疲労特性に影響を及ぼさなくなる。なお、上記の「ＳｉＯ2系介在物」とはＳｉＯ2だけではなくＳｉＯ2を含む複合介在物を指す。
(2)高清浄度化が進んだ状況下において、耐疲労特性及び伸線加工性を向上させるためには、線材のＬ断面における幅２μｍ以上の酸化物が平均値として、質量％で、ＳｉＯ2：７０％以上、ＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3：２０％未満、Ｃｒ2Ｏ3＋ＮｂＯ：０．１〜１０％を含むものであればよい。
(3)耐疲労特性及び伸線加工性を向上させるためには、線材のＬ断面における幅２μｍ以上の酸化物の構成を特定し、その含有量の平均値を、質量％で、ＳｉＯ2：７０％以上、ＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3：２０％未満、Ｃｒ2Ｏ3＋ＮｂＯ：０．１〜１０％に制御してもよい。
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素と酸化物の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
（Ａ）酸化物の幅
質量％で、Ｃ：０．４５〜１．１％、Ｓｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％で、且つ、Ｃｒ：０．０２〜１．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．１００％の１種以上を含み、更に、Ｃｕ：０〜０．５％、Ｎｉ：０〜１．５％、Ｍｏ：０〜０．５％、Ｗ：０〜０．５％、Ｃｏ：０〜２．０％、Ｂ：０〜０．００３０％、Ｖ：０〜０．５％、Ｔｉ：０〜０．１％、Ｚｒ：０〜０．１％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物中のＰは０．０２０％以下、Ｓは０．０２０％以下、Ａｌは０．００５％以下、Ｎは０．００５％以下、Ｏ（酸素）は０．００２５％以下の化学成分を有する線材のＬ断面における幅２μｍ未満の酸化物が耐疲労特性及び伸線加工性に及ぼす影響は小さい。更に、上記した幅２μｍ未満の酸化物は微小であるため、ＥＰＭＡ法など物理的な分析方法で組成分析を行うとマトリックス部（素地部）が含まれてしまう場合があり、精度よく測定を行うことが困難である。したがって、線材のＬ断面における酸化物の幅を２μｍ以上とした。
（Ｂ）線材のＬ断面における幅２μｍ以上の酸化物の平均組成
本発明においては、上記線材のＬ断面における幅２μｍ以上の酸化物の平均組成（以下、単に「平均組成」という）が、７０％以上のＳｉＯ2、２０％未満のＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3、０．１〜１０％のＣｒ2Ｏ3＋ＮｂＯを含んでいることが重要である。これは、「平均組成」において、ＳｉＯ2、ＣａＯ、Ａｌ2Ｏ3を一定範囲のＣｒ2Ｏ3＋ＮｂＯと共存させれば、酸化物の大きさが微細になるとともに介在物組成（酸化物の組成）が均一化し、従来提案されている技術のように低融点化を図らなくとも、伸線時や撚り加工時の断線起点となったり、疲労破壊の起点となる酸化物を極めて小さくすることができるからである。
Ｃｒ2Ｏ3やＮｂＯはこれが単独で存在すると、硬質な介在物として伸線時や撚り加工時の断線起点となったり疲労破壊の起点となる。しかし、「平均組成」において、０．１〜１０％の量のＣｒ2Ｏ3＋ＮｂＯを前記した量のＳｉＯ2及びＣａＯ、Ａｌ2Ｏ3と複合して存在させると、硬質のＳｉＯ2が微細に分散することに加えてＣｒ2Ｏ3、ＮｂＯも微細に分散するので、伸線加工性や耐疲労特性に影響を及ぼさなくなる。換言すれば、「平均組成」に含まれるＣｒ2Ｏ3＋ＮｂＯの量が１０％を超える場合には、Ｃｒ2Ｏ3、ＮｂＯ系介在物が粗大且つ硬質な介在物となるので伸線時や撚り加工時の断線の起点となったり疲労破壊の起点となってしまう。一方、「平均組成」に含まれるＣｒ2Ｏ3＋ＮｂＯの量が０．１％を下回る場合には、Ｃｒ2Ｏ3、ＮｂＯのＳｉＯ2系介在物を微細分散化させる効果が得難いので、ＳｉＯ2系介在物は従来指摘されてきたように硬質な介在物となり、伸線時や撚り加工時の断線起点や疲労破壊の起点となってしまう。
したがって、「平均組成」に含まれるＣｒ2Ｏ3＋ＮｂＯを０．１〜１０％とした。なお、「平均組成」に含まれるＣｒ2Ｏ3＋ＮｂＯは、０．５％以上であることが好ましく、１．０％以上であれば一層好ましい。
「平均組成」に含まれるＳｉＯ2が７０％未満で、且つＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3が２０％以上であると、鋼の凝固過程において不均一相が晶出する頻度が高くなるので、伸線加工性、撚り加工性や耐疲労特性が劣化する。したがって、「平均組成」に含まれるＳｉＯ2を７０％以上で、且つ、ＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3を２０％未満とした。
なお、「平均組成」に含まれる、ＳｉＯ2が７５％を超え、且つ、ＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3が１５％未満であることが好ましい。
（１）の発明に係る耐疲労特性及び伸線加工性に優れた線材は、「平均組成」を上記のように規定するものである。
本発明においては、前記「平均組成」がＳｉＯ2：７０％以上、ＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3：２０％未満、Ｃｒ2Ｏ3＋ＮｂＯ：０．１〜１０％を含むものでありさえすればよい。したがって、ＳｉＯ2、ＣａＯ、Ａｌ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3、ＮｂＯ以外の酸化物（例えばＭｇＯ、ＭｎＯ、ＴｉＯ2など）が「平均組成」に含まれる割合は特に規定する必要はない。
しかし、後述の実施例で述べるように、例えば、線材のＬ断面における幅２μｍ以上の酸化物を、ＳｉＯ2、ＣａＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＭｎＯ、Ｃｒ2Ｏ3、ＮｂＯに特定して、つまり、上記７元系の酸化物の「平均組成」の総和を１００％として、その「平均組成」において０．１〜１０％の量のＣｒ2Ｏ3＋ＮｂＯを７０％以上の量のＳｉＯ2及び２０％未満の量のＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3と複合して存在させることとしてもよい。このように規定することによって（２）の発明に係る耐疲労特性及び伸線加工性に優れた線材が得られる。
なお、例えば、転炉から連続鋳造の工程までに溶鋼中に投入又は混入する金属Ａｌ量を５ｇ／トン以下に調整するとともに、溶鋼と接触する耐火物及びフラックス中のＡｌ2Ｏ3量を１０％以下とし、且つ、転炉から連続鋳造の工程までにＣｒ：０．０３〜２．００％程度、Ｎｂ：０．００３〜０．１２５％程度の１種以上を添加し、更に、二次精錬及びそれ以降の工程での溶鋼表面におけるとりべ中スラグの最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．８〜２．０の範囲にすることによって、平均組成におけるＳｉＯ2を７０％以上、ＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3を２０％未満、Ｃｒ2Ｏ3＋ＮｂＯを０．１〜１０％の範囲にすることができる。
酸化物の組成を精度よく短時間で容易に測定するためには、例えば、線材から採取した試験片を鏡面研磨し、その研磨面を被検面としてＥＰＭＡ装置で３０個程度の酸化物系介在物を分析し、その算術平均を求めればよい。
（１）の発明と（２）の発明に係る耐疲労特性及び伸線加工性に優れた線材においては、線材の素材となる鋼の化学成分を下記のとおり規定する。
（Ｃ）線材の素材となる鋼の化学成分
Ｃ：０．４５〜１．１％
Ｃは、強度を確保するのに有効な元素である。しかし、その含有量が０．４５％未満の場合には、ばねやスチールコードなどの最終製品に高い強度を付与させることが困難である。一方、その含有量が１．１％を超えると熱間圧延後の冷却過程中に初析セメンタイトが生成して、伸線加工性が著しく劣化する。したがって、Ｃの含有量を０．４５〜１．１％とした。
Ｓｉ：０．１〜２．５％
Ｓｉは、脱酸に有効な元素であり、その含有量が０．１％未満ではその効果を発揮させることができない。一方、２．５％を超えて過剰に含有させると、パーライト中のフェライト相の延性が低下してしまう。なお、ばねにおいては、「耐へたり特性」が重要で、Ｓｉには「耐へたり特性」を高める作用もあるが、２．５％を超えて含有させてもその効果は飽和してコストが嵩むし、脱炭を助長してしまう。したがって、Ｓｉ含有量を０．１〜２．５％とした。
Ｍｎ：０．１〜１．０％
Ｍｎは、脱酸に有効な元素であり、その含有量が０．１％未満ではこの効果を発揮させることができない。一方、１．０％を超えて過多に含有させると、偏析を生じやすくなり伸線加工性及び耐疲労特性が劣化してしまう。したがって、Ｍｎの含有量を０．１〜１．０％とした。
本発明の線材は、Ｃｒ：０．０２〜１．５０％及びＮｂ：０．００２〜０．１００％の１種以上を含む必要がある。以下、ＣｒとＮｂについて説明する。
Ｃｒ：０．０２〜１．５０％
Ｃｒは、既に述べた酸化物の平均組成を比較的容易に所望の範囲に調整する作用を有する。Ｃｒは、パーライトのラメラ間隔を小さくして熱間圧延後及びパテンティング後の強度を高める作用を有するし、更に、伸線加工時における加工硬化率を高める作用も有しているので、Ｃｒの添加によって比較的低い加工率でも高い強度を得ることができる。Ｃｒには耐食性を高める作用もある。しかし、１．５０％を超えて含有させても前記の効果が飽和するばかりか、前記した酸化物の平均組成におけるＣｒ2Ｏ3＋ＮｂＯの範囲を超えて伸線加工性や耐疲労特性の劣化を招く場合がある。したがって、添加する場合のＣｒの含有量は、１．５０％以下とする必要がある。なお、Ｃｒ含有量の下限は、線材の幅２μｍ以上の酸化物系介在物中にＮｂＯを含まない場合には、酸化物系介在物の平均組成においてＣｒ2Ｏ3の量が０．１％となる場合の値である。そして、線材の幅２μｍ以上の酸化物系介在物中にＮｂＯを少なくとも０．１％含む場合には、Ｃｒ含有量の下限は０であってもよいことは勿論である。
Ｎｂ：０．００２〜０．１００％
Ｎｂは、既に述べた酸化物の平均組成を比較的容易に所望の範囲に調整する作用を有する。Ｎｂは、オーステナイト結晶粒を微細化させ、延性及び靱性を高める作用も有する。しかし、０．１％を超えて含有させても前記の効果が飽和するばかりか、前記した酸化物の平均組成におけるＣｒ2Ｏ3＋ＮｂＯの範囲を超えて伸線加工性や耐疲労特性の劣化を招く場合がある。したがって、添加する場合のＮｂの含有量は、０．１％以下とする必要がある。なお、Ｎｂ含有量の下限は、線材の幅２μｍ以上の酸化物系介在物中にＣｒ2Ｏ3を含まない場合には、酸化物系介在物の平均組成においてＮｂＯの量が０．１％となる場合の値である。そして、線材の幅２μｍ以上の酸化物系介在物中にＣｒ2Ｏ3を少なくとも０．１％含む場合には、Ｎｂ含有量の下限は０であってもよいことは勿論である。
上述のようにＣｒとＮｂはいずれも酸化物の平均組成を比較的容易に所望の範囲に調整する作用を有するので、本発明に係る線材の素材となる鋼には、上記のＣｒ：０．０２〜１．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．１００％の範囲内で１種以上を含有させることとした。つまり、ＣｒとＮｂは、上記の範囲内でそれぞれを単独で含有させるか、２種を複合して含有させることとした。
本発明の線材の素材鋼となる鋼は、更に下記の元素を含有してもよい。
Ｃｕ：０〜０．５％
Ｃｕは添加しなくてもよい。添加すれば、耐食性を高める効果を発揮する。この効果を確実に得るには、Ｃｕは０．１％以上の含有量とすることが望ましい。しかし、Ｃｕを０．５％を超えて含有させると、結晶粒界に偏析し、鋼塊の分塊圧延時や線材の熱間圧延時における割れや疵の発生が顕著になる。したがって、Ｃｕの含有量を０〜０．５％とした。
Ｎｉ：０〜１．５％
Ｎｉは添加しなくてもよい。添加すれば、フェライト中に固溶してフェライトの靱性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｎｉは０．０５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が１．５％を超えると、焼入れ性が高くなりすぎてマルテンサイトが生成しやすくなり伸線加工性が劣化する。したがって、Ｎｉの含有量を０〜１．５％とした。
Ｍｏ：０〜０．５％
Ｍｏは添加しなくてもよい。添加すれば、熱処理で微細な炭化物として析出し強度と耐疲労特性を高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｍｏは０．１％以上の含有量とすることが好ましい。一方、０．５％を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｍｏの含有量を０〜０．５％とした。
Ｗ：０〜０．５％
Ｗは添加しなくてもよい。添加すれば、Ｃｒと同様に伸線加工時の加工硬化率を顕著に高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｗは０．１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．５％を超えると鋼の焼入れ性が高くなりすぎて、パテンティング処理が困難になる。したがって、Ｗの含有量を０〜０．５％とした。
Ｃｏ：０〜２．０％
Ｃｏは添加しなくてもよい。添加すれば、初析セメンタイトの析出を抑制する効果を有する。この効果を確実に得るには、Ｃｏは０．１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、２．０％を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｃｏの含有量を０〜２．０％とした。
Ｂ：０〜０．００３０％
Ｂは添加しなくてもよい。添加すれば、パーライト中のセメンタイトの成長を促進させて、線材の延性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｂは０．０００５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．００３０％を超えると、温間や熱間での加工時に割れが生じやすくなる。したがって、Ｂの含有量を０〜０．００３０％とした。
Ｖ：０〜０．５％
Ｖは添加しなくてもよい。添加すれば、オーステナイト結晶粒を微細化させ、延性及び靱性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｖは０．０５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、０．５％を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｖの含有量を０〜０．５％とした。
Ｔｉ：０〜０．１％
Ｔｉは添加しなくてもよい。添加すれば、オーステナイト結晶粒を微細化させ、延性及び靱性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｔｉは０．００５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、０．１％を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｔｉの含有量を０〜０．１％とした。
Ｚｒ：０〜０．１％
Ｚｒは添加しなくてもよい。添加すれば、オーステナイト結晶粒を微細化させ、延性及び靱性を高める作用を有する。しかし、０．１％を超えて含有させても前記の効果が飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｚｒの含有量を０．１％以下とした。
不純物元素としてのＰ、Ｓ、Ａｌ、Ｎ及びＯ（酸素）はその含有量を下記のとおりにする必要がある。
Ｐ：０．０２０％以下
Ｐは伸線加工時における断線を誘発する。特に、その含有量が０．０２０％を超えると伸線加工時に断線が多くなる。したがって、不純物としてのＰの含有量を０．０２０％以下とした。
Ｓ：０．０２０％以下
Ｓは伸線加工時における断線を誘発する。特に、その含有量が０．０２０％を超えると伸線加工時に断線が多くなる。したがって、不純物としてのＳの含有量を０．０２０％以下とした。
Ａｌ：０．００５％以下
Ａｌは、Ａｌ系酸化物の生成の原因となる元素で、Ａｌ系酸化物は耐疲労特性及び伸線加工性を劣化させる。特に、その含有量が０．００５％を超えると耐疲労特性の劣化が大きくなる。したがって、不純物としてのＡｌの含有量を０．００５％以下とした。Ａｌの含有量は、０．００４％以下とすることが好ましい。
Ｎ：０．００５％以下
Ｎは、窒化物となる元素であり、又、歪時効によって延性及び靱性に悪影響を及ぼす。特に、その含有量が０．００５％を超えると弊害が顕著になる。したがって、不純物としてのＮの含有量を０．００５％以下とした。Ｎの含有量は、０．００３５％以下とすることが好ましい。
Ｏ（酸素）：０．００２５％以下
Ｏの含有量が０．００２５％を超えると酸化物の数と幅が増大し、耐疲労特性が著しく劣化する。このため、不純物としてのＯの含有量を０．００２５％以下とした。Ｏの含有量は、０．００２０％以下とすることが好ましい。
なお、本発明のうちでも、特に、ばね及びスチールコードの用途に好適な素材鋼の化学成分は次に示すものである。
ばねの用途に対しては、鋼の化学組成が質量％で、Ｃ：０．４５〜０．７０％、Ｓｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％で、且つ、Ｃｒ：０．０２〜１．５％、Ｎｂ：０．００２〜０．１００％の１種以上を含み、更に、Ｃｕ：０〜０．５％、Ｎｉ：０〜１．５％、Ｍｏ：０〜０．５％、Ｗ：０〜０．５％、Ｃｏ：０〜１．０％、Ｂ：０〜０．００３０％、Ｖ：０〜０．５％、Ｔｉ：０〜０．１％、Ｚｒ：０〜０．１％を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、不純物中のＰは０．０２０％以下、Ｓは０．０２０％以下、Ａｌは０．００５％以下、Ｎは０．００５％以下、Ｏは０．００２５％以下のものがよい。
上記した鋼の化学成分の場合、熱処理後のばねに容易に１６００ＭＰａ以上の引張強度を付与できる。
スチールコードの用途に対しては、鋼の化学成分が質量％で、Ｃ：０．６０〜１．１％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜０．７％で、且つ、Ｃｒ：０．０２〜１．５％、Ｎｂ：０．００２〜０．１００％の１種以上を含み、更に、Ｃｕ：０〜０．５％、Ｎｉ：０〜１．５％、Ｍｏ：０〜０．２％、Ｗ：０〜０．５％、Ｃｏ：０〜２．０％、Ｂ：０〜０．００３０％、Ｖ：０〜０．５％、Ｔｉ：０〜０．１％、Ｚｒ：０〜０．１％以下を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、不純物中のＰは０．０２０％以下、Ｓは０．０２０％以下、Ａｌは０．００５％以下、Ｎは０．００５％以下、Ｏは０．００２５％以下のものがよい。
上記した鋼の化学成分の場合、直径で０．１５〜０．３５ｍｍまで湿式伸線された鋼線に３２００ＭＰａ以上の大きな引張強度を付与できる。
前記した耐疲労特性及び伸線加工性に優れた線材の素材鋼となる鋼の具体的な製造方法は特に限定する必要はない。しかし、鋼の溶製方法及び鋳造方法によって鋼の化学成分、特に不純物の含有量が変化するし、鋳造方法によって鋼塊の製造コストも変化する。このため、（３）の発明においては、線材の素材鋼となる鋼の製造方法、なかでも溶製方法及び鋳造方法を下記のとおり規定する。なお、ここでいう「鋼塊」とはＪＩＳ用語として規定されているように「鋳片」を含むものである。
（Ｄ）鋼の精錬と鋳造の工程
線材の素材鋼となる鋼は、「転炉による一次精錬」、「転炉外での二次精錬」、「連続鋳造」の工程を順に経て鋼塊にするのがよい。転炉精錬、転炉外での二次精錬の工程は、鋼中の不純物元素の低減に極めて有効で、更に、連続鋳造して鋼塊にすることによって製造コストを比較的低く抑えることができるからである。
なお、既に述べたように「二次精錬」とは、ガスバブリングやアーク式加熱装置を有するとりべ精錬法、真空処理装置を使用する精錬法といった「清浄化のための転炉外での精錬法」で通常「炉外精錬」と称されるものを指す。
以下、実施例により本発明を詳しく説明する。なお、実施例において「本発明」又は「本発明例」は、（１）の発明の規定を満たすものを意味し、「比較例」は（１）の発明の規定から外れるものを意味する。
【実施例】
（実施例１）
表１に示す化学組成を有する鋼を試験炉で溶製し、Ｓｉ、Ｍｎで脱酸した後に二次精錬し、試験炉から連続鋳造の工程までに溶鋼中に投入する金属Ａｌ量又は不可避的に不純物として混入する金属Ａｌ量（以下、これらのＡｌ量を単に「混入Ａｌ量」という）、溶鋼と接触する耐火物及びフラックス中のＡｌ2Ｏ3量（以下、単に「フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量」という）、試験炉から連続鋳造の工程までに添加するＣｒ量、更に、二次精錬及びそれ以降の工程での溶鋼表面におけるとりべ中スラグの最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比（以下、単に「最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比」という）を変化させて、酸化物の組成が種々変わるようにし、次いで、連続鋳造を行った。
表１における鋼１〜１１は本発明例に係るもので、混入Ａｌ量を５ｇ／トン以下に調整するとともに、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１０％以下、Ｃｒ添加量を０．０３〜２．００％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．８〜２．０の範囲に調整し、その後連続鋳造した。一方、鋼１２〜２２は比較例に係るもので、混入Ａｌ量、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量、Ｃｒ添加量、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比のいずれか１つ以上を変化させたものである。具体的には、鋼１２と鋼１３はそれぞれ最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．７と２．１とした。鋼１４と鋼１５はそれぞれＣｒ添加量を２．０５％と０．０２％とした。鋼１６はＣｒ添加量を０．０２％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．６とした。鋼１７はＣｒ添加量を２．００％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．７とした。鋼１８はＣｒ添加量を０．０２％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を２．１とした。鋼１９はＣｒ添加量を２．０５％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を２．２とした。鋼２０は混入Ａｌ量を６ｇ／トンとし、更に、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１２％とした。鋼２１は混入Ａｌ量を７ｇ／トン、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１１％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．７とした。鋼２２は混入Ａｌ量を７ｇ／トン、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１１％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を２．１とした。なお、鋼１と鋼１２、鋼２と鋼１３、鋼３と鋼１４、鋼４と鋼１５、鋼５と鋼１６、鋼６と鋼１７、鋼７と鋼１８、鋼８と鋼１９、鋼９と鋼２０、鋼１０と鋼２１、鋼１１と鋼２２はそれぞれほぼ同一の化学組成になるように調整した。
【表１】
上記のようにして各鋼を連続鋳造した後、通常の方法で直径５．５ｍｍの線材に、圧延温度及び冷却速度を調整しつつ熱間圧延した。これらの線材に一次伸線加工（仕上がり径（直径）２．８ｍｍ）、一次パテンティング処理、二次伸線加工（仕上がり径（直径）１．２ｍｍ）を施した。この後更に、最終パテンティング処理（９５０〜１０５０℃のオーステナイト化温度、５６０〜６１０℃の鉛浴温度）を施し、引き続きブラスめっき処理を行ってから伸線速度５５０ｍ／分の条件で湿式伸線加工（仕上がり径０．２ｍｍ）を行った。
表１に、直径５．５ｍｍの線材のＬ断面を鏡面研磨し、その研磨面を被検面としてＥＰＭＡ装置で分析して幅が２μｍ以上の酸化物約３０個の組成を測定し、その平均値を求めた結果及び０．２ｍｍ鋼線における引張強度と疲労強度を併せて示す。なお、疲労強度は、温度が２０〜２５℃、湿度が５０〜６０％の条件下でハンター式回転曲げ疲労試験機を用いて１０6サイクル試験した場合の結果である。
表１から、本発明例に係る鋼１〜１１の場合には、比較例に係る鋼１２〜２２に比べて高い疲労強度を有していることが明らかである。
表２に、上記の各鋼について、直径１．２ｍｍの鋼線を直径０．２ｍｍの鋼線に湿式伸線した場合の断線指数（鋼線１トン当たりの断線回数（回／トン））を示す。
【表２】
表２から、本発明例に係る鋼１〜１１の場合には、比較例に係る鋼１２〜２２に比べて断線指数が低く、優れた伸線加工性を有していることが明らかである。
（実施例２）
表３に示す化学組成を有する鋼を試験炉で溶製し、Ｓｉ、Ｍｎで脱酸した後に二次精錬し、「混入Ａｌ量」、「フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量」、試験炉から連続鋳造の工程までに添加するＣｒとＮｂの量、更に、「最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比」を変化させて、酸化物の組成が種々変わるようにし、次いで、連続鋳造を行った。
表３における鋼２３、鋼２４、鋼２６、鋼２７及び鋼２９〜３３は本発明例に係るもので、混入Ａｌ量を５ｇ／トン以下に調整するとともに、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１０％以下、且つ、Ｃｒ添加量を０．０３〜２．００％、Ｎｂ添加量を０．００３〜０．１２０％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．８〜２．０の範囲に調整し、その後連続鋳造した。一方、鋼３４〜４４は比較例に係るもので、混入Ａｌ量、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量、Ｃｒ添加量、Ｎｂ添加量、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比のいずれか１つ以上を変化させたものである。具体的には、鋼３４は最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．７とした。鋼３５は、Ｃｒ添加量を２．０５％、Ｎｂ添加量を０．００２％とした。鋼３６は、Ｃｒ添加量を２．００％、Ｎｂ添加量を０．００２％とした。鋼３７は、Ｃｒ量を２．０５％、Ｎｂ量を０．００２％とした。鋼３８は、Ｃｒ添加量を０．０２％、Ｎｂ添加量を０．００２％とした。鋼３９は、Ｃｒ添加量２．００％、Ｎｂ添加量を０．１３５％とした。鋼４０は、Ｃｒ添加量を０．０２％、Ｎｂ添加量を０．１３０％とした。鋼４１は、Ｃｒ添加量を２．００％、Ｎｂ添加量を０．００２％とした。鋼４２は、混入Ａｌ量を６ｇ／トンとし、更に、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１２％とした。鋼４３は混入Ａｌ量を７ｇ／トン、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１１％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．７とした。鋼４４は混入Ａｌ量を７ｇ／トン、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１１％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を２．１とした。なお、鋼２３と鋼３４、鋼２４と鋼３５、鋼２６と鋼３７、鋼２７と鋼３８、鋼２９と鋼４０、鋼３０と鋼４１、鋼３１と鋼４２、鋼３２と鋼４３、鋼３３と鋼４４はそれぞれほぼ同一の化学組成になるように調整した。
【表３】
上記のようにして各鋼を連続鋳造した後、通常の方法で直径５．５ｍｍの線材に、圧延温度及び冷却速度を調整しつつ熱間圧延した。これらの線材に一次伸線加工（仕上がり径（直径）２．８ｍｍ）、一次パテンティング処理、二次伸線加工（仕上がり径（直径）１．２ｍｍ）を施した。この後更に、最終パテンティング処理（９５０〜１０５０℃のオーステナイト化温度、５６０〜６１０℃の鉛浴温度）を施し、引き続きブラスめっき処理を行ってから伸線速度５５０ｍ／分の条件で湿式伸線加工（仕上がり径０．２ｍｍ）を行った。
表３に、直径５．５ｍｍの線材のＬ断面を鏡面研磨し、その研磨面を被検面としてＥＰＭＡ装置で分析して幅が２μｍ以上の酸化物約３０個の組成を測定し、その平均値を求めた結果及び０．２ｍｍ鋼線における引張強度と疲労強度を併せて示す。なお、疲労強度は、温度が２０〜２５℃、湿度が５０〜６０％の条件下でハンター式回転曲げ疲労試験機を用いて１０6サイクル試験した場合の結果である。
表３から、本発明例に係る鋼２３、鋼２４、鋼２６、鋼２７及び鋼２９〜３３の場合には、比較例に係る鋼３４〜４４に比べて高い疲労強度を有していることが明らかである。
表４に、上記の各鋼について、直径１．２ｍｍの鋼線を直径０．２ｍｍの鋼線に湿式伸線した場合の断線指数（鋼線１トン当たりの断線回数（回／トン））を示す。
【表４】
表４から、本発明例に係る鋼２３、鋼２４、鋼２６、鋼２７及び鋼２９〜３３の場合には、比較例に係る鋼３４〜４４に比べて断線指数が低く、優れた伸線加工性を有していることが明らかである。
（実施例３）
表５に示す化学組成を有する鋼を転炉による一次精錬、炉外精錬による二次精錬、連続鋳造のプロセスで製造した。すなわち、転炉で溶製し、出鋼時にＳｉ、Ｍｎで脱酸してから二次精錬し、転炉から連続鋳造の工程までに溶鋼中に投入する金属Ａｌ量又は不可避的に不純物として混入する金属Ａｌ量（以下、これらのＡｌ量も単に「混入Ａｌ量」という）、溶鋼と接触する耐火物及びフラックス中のＡｌ2Ｏ3量（以下、このＡｌ2Ｏ3量も単に「フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量」という）、転炉から連続鋳造の工程までに添加するＣｒとＮｂの量、更に、「最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比」（つまり、二次精錬及びそれ以降の工程での溶鋼表面におけるとりべ中スラグの最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比）を変化させて、酸化物の組成が種々変わるようにし、次いで、連続鋳造を行った。
表５における鋼４５、鋼４６、鋼４８、鋼４９及び鋼５１〜５５は本発明例に係るもので、混入Ａｌ量を５ｇ／トン以下に調整するとともに、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１０％以下、且つ、Ｃｒ添加量を０．０３〜２．００％、Ｎｂ添加量を０．００３〜０．１２５％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．８〜２．０の範囲に調整し、その後連続鋳造した。一方、鋼５６〜６６は比較例に係るもので、混入Ａｌ量、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量、Ｃｒ添加量、Ｎｂ添加量、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比のいずれか１つ以上を変化させたものである。具体的には、鋼５６は最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．７とした。鋼５７は、Ｃｒ添加量を２．０５％、Ｎｂ添加量を０．００２％とした。鋼５８は、Ｃｒ添加量を２．００％、Ｎｂ添加量を０．００２％とした。鋼５９は、Ｃｒ添加量を２．００％、Ｎｂ添加量を０．００２％とした。鋼６０は、Ｃｒ添加量を０．０２％、Ｎｂ添加量を０．００２％とした。鋼６１は、Ｃｒ添加量を２．０５％、Ｎｂ添加量を０．１４０％とした。鋼６２は、Ｃｒ添加量を０．０２％、Ｎｂ添加量を０．１３５％とした。鋼６３は、Ｃｒ添加量を２．０５％、Ｎｂ添加量を０．００２％とした。鋼６４は、混入Ａｌ量を６ｇ／トンとし、更に、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１２％とした。鋼６５は混入Ａｌ量を７ｇ／トン、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１１％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．７とした。鋼６６は混入Ａｌ量を７ｇ／トン、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１１％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を２．１とした。なお、鋼４５と鋼５６、鋼４６と鋼５７、鋼４８と鋼５９、鋼４９と鋼６０、鋼５１と鋼６２、鋼５２と鋼６３、鋼５３と鋼６４、鋼５４と鋼６５、鋼５５と鋼６６はそれぞれほぼ同一の化学組成になるように調整した。
【表５】
上記のようにして各鋼を連続鋳造した後、通常の方法で直径５．５ｍｍの線材に、圧延温度及び冷却速度を調整しつつ熱間圧延した。これらの線材に一次伸線加工（仕上がり径（直径）２．８ｍｍ）、一次パテンティング処理、二次伸線加工（仕上がり径（直径）１．２ｍｍ）を施した。この後更に、最終パテンティング処理（９５０〜１０５０℃のオーステナイト化温度、５６０〜６１０℃の鉛浴温度）を施し、引き続きブラスめっき処理を行ってから伸線速度５５０ｍ／分の条件で湿式伸線加工（仕上がり径０．２ｍｍ）を行った。
表５に、直径５．５ｍｍの線材のＬ断面を鏡面研磨し、その研磨面を被検面としてＥＰＭＡ装置で分析して幅が２μｍ以上の酸化物系介在物約３０個の組成を測定し、その平均値を求めた結果及び０．２ｍｍ鋼線における引張強度と疲労強度を併せて示す。なお、疲労強度は、温度が２０〜２５℃、湿度が５０〜６０％の条件下でハンター式回転曲げ疲労試験機を用いて１０6サイクル試験した場合の結果である。
表５から、本発明例に係る鋼４５、鋼４６、鋼４８、鋼４９及び鋼５１〜５５の場合には、比較例に係る鋼５６〜６６に比べて高い疲労強度を有していることが明らかである。
表６に、上記の各鋼について、直径１．２ｍｍの鋼線を直径０．２ｍｍの鋼線に湿式伸線した場合の断線指数（鋼線１トン当たりの断線回数（回／トン））を示す。
【表６】
表６から、本発明例に係る鋼４５、鋼４６、鋼４８、鋼４９及び鋼５１〜５５の場合には、比較例に係る鋼５６〜６６に比べて断線指数が低く、優れた伸線加工性を有していることが明らかである。
【発明の効果】
本発明の線材は耐疲労特性及び伸線加工性に優れるので、この線材を素材としてワイヤロープ、弁ばね、懸架ばね、ＰＣ鋼線、スチールコードなどを高い生産性の下に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】巨大で不均一組成の介在物が晶出すると、その巨大介在物のうちで軟質な部分は熱間圧延及び冷間圧延や伸線で小型化するが、硬質の部分は大型のまま残存してしまうことを示す概念図である。なお、斜線をつけた部分が不均一相を示す。又、図１において（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ鋳片中、線材中及び鋼線中の介在物を示す。
本発明は、鋼線材及び鋼線材用鋼の製造方法に関し、より詳しくは例えば、、ワイヤロープ、弁ばね、懸架ばね、ＰＣ鋼線、スチールコードなどの用途に好適な耐疲労特性及び伸線加工性に優れた鋼線材とその鋼線材の素材鋼となる鋼を製造する方法に関するものである。
【従来の技術】
ワイヤロープ、弁ばね、懸架ばね、ＰＣ鋼線などに用いられる鋼線材（以下、「鋼線材」を単に「線材」という）には、熱間圧延後伸線加工などの冷間加工、更に、焼入れ焼戻しの調質処理、あるいはブルーイング処理が施される。又、自動車のラジアルタイアの補強材として用いられるスチールコード用の線材は、線径（直径）約５．５ｍｍまで熱間圧延された後調整冷却され、１次伸線加工、パテンティング処理、２次伸線加工、最終パテンティング処理を受け、更にその後でブラスメッキ処理、続いて最終湿式伸線加工を受ける。このようにして得られた極細鋼線を更に撚り加工（撚線加工）して複数本撚り合わせ、スチールコードが成形されている。
したがって、上記技術分野に属する線材には、優れた伸線加工性と同時に優れた耐疲労特性が要求される。
近年、コスト合理化や地球環境問題などを背景に前記したワイヤロープ、弁ばね、懸架ばね、ＰＣ鋼線やスチールコードなど各種製品の軽量化に対する要望がますます高まっており、高強度化への取り組みが活発に行われている。しかし、一般に鋼材は強度が高くなるほど伸線加工性が劣化し、疲労破壊に対する感受性が大きくなるので、前記した各種製品の素材用線材としては、特にその内部性状の優れたものが要求されるようになっている。
このため、伸線加工性あるいは耐疲労特性を高める目的で、鋼の清浄性に着目した技術が開示されている。
例えば、第１２６回・第１２７回西山記念技術講座の第１４８〜１５０ページには、介在物を熱間圧延時に塑性変形しやすい三元系の低融点組成領域に制御することで、延性介在物として無害化を図る技術が示されている。
特開昭６２−９９４３６号公報には、介在物の長さ（ｌ）と幅（ｄ）の比がｌ／ｄ≦５の延伸性の小さいものに限定し、介在物の平均的組成をＳｉＯ2：２０〜６０％、ＭｎＯ：１０〜８０％で、更に、ＣａＯ：５０％以下、ＭｇＯ：１５％以下の一方又は両方を含むように制御した技術が開示されている。
特開昭６２−９９４３７号公報には、介在物の長さ（ｌ）と幅（ｄ）の比がｌ／ｄ≦５の延伸性の小さいものに限定し、介在物の平均的組成をＳｉＯ2：３５〜７５％、Ａｌ2Ｏ3：３０％以下、ＣａＯ：５０％以下、ＭｇＯ：２５％以下に制御した技術が開示されている。
上記２つの公報に開示された技術は、基本的に介在物の低融点化を図るという技術思想において前記の西山記念技術講座で報告された内容と同一であるが、介在物の組成制御を行うにあたり、ＭｎＯやＭｇＯを含めた多元系で低融点化を図り、熱間圧延で十分延伸させ、冷間圧延あるいは伸線で破砕させて微細に分散させることにより冷間加工性及び耐疲労特性の向上を図ろうとするものである。
しかしながら、介在物は界面エネルギ−が微小である。このため、介在物はガスバブリングやアーク式加熱方式を有するとりべ精錬などの二次精錬時から鋳造時において凝集肥大化しやすく、鋳片段階で巨大介在物として残存する傾向がある。いったん巨大介在物が生じると、仮に介在物としての平均組成は同じであっても、図１に示すように同一介在物内の凝固過程において不均一相を晶出する頻度が高くなる可能性がある。なお、図１において斜線をつけた部分が不均一相を示す。したがって、上記各公報で提案された介在物組成、つまり介在物の平均組成に制御した場合であっても、巨大で不均一組成の介在物が晶出すると、その巨大介在物のうちで公報で提案された組成内の領域は軟質なため熱間圧延及び冷間圧延や伸線で小型化するが、公報で提案された組成から外れる領域は大型のまま残存してしまうことがあって、伸線加工性及び耐疲労特性を向上させるには限界があった。
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記現状に鑑みなされたもので、その目的は、ワイヤロープ、弁ばね、懸架ばね、ＰＣ鋼線、スチールコードなどの用途に好適な耐疲労特性及び伸線加工性に優れた線材とその線材の素材鋼となる鋼を製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）〜（２）に示す耐疲労特性及び伸線加工性に優れた線材、及び（３）に示す耐疲労特性及び伸線加工性に優れた線材に用いる鋼の製造方法にある。
（１）鋼の化学成分が質量％で、Ｃ：０．４５〜１．１％、Ｓｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％で、且つ、Ｃｒ：０．０２〜１．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．１００％の１種以上を含み、更に、Ｃｕ：０〜０．５％、Ｎｉ：０〜１．５％、Ｍｏ：０〜０．５％、Ｗ：０〜０．５％、Ｃｏ：０〜２．０％、Ｂ：０〜０．００３０％、Ｖ：０〜０．５％、Ｔｉ：０〜０．１％、Ｚｒ：０〜０．１％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物中のＰは０．０２０％以下、Ｓは０．０２０％以下、Ａｌは０．００５％以下、Ｎは０．００５％以下、Ｏ（酸素）は０．００２５％以下であって、長手方向縦断面における幅２μｍ以上の酸化物が平均値として、質量％で、ＳｉＯ2：７０％以上、ＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3：２０％未満、Ｃｒ2Ｏ3＋ＮｂＯ：０．１〜１０％を含む耐疲労特性及び伸線加工性に優れた鋼線材。
（２）長手方向縦断面における幅２μｍ以上の酸化物がＳｉＯ2、ＣａＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＭｎＯ、Ｃｒ2Ｏ3、ＮｂＯで構成され、その含有量の平均値が質量％で、ＳｉＯ2：７０％以上、ＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3：２０％未満、Ｃｒ2Ｏ3＋ＮｂＯ：０．１〜１０％である上記（１）に記載の耐疲労特性及び伸線加工性に優れた鋼線材。
（３）転炉による一次精錬、転炉外での二次精錬の後、連続鋳造する上記（１）又は（２）に記載の耐疲労特性及び伸線加工性に優れた鋼線材に用いる鋼の製造方法。
なお、本発明でいう（線材の）「長手方向縦断面」（以下「Ｌ断面」という）とは、線材の圧延方向に平行に、その中心線を通って切断した面をいう。又、酸化物の「幅」とは、Ｌ断面における幅方向の最大長さのことを指す。酸化物形態が粒形であった場合も、同一定義とする。
「ＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3」は、ＣａＯとＡｌ2Ｏ3の合計量を指し、「Ｃｒ2Ｏ3＋ＮｂＯ」は、Ｃｒ2Ｏ3とＮｂＯの合計量を指す。
「線材」とは、棒状に熱間圧延された鋼で、コイル状に巻かれた鋼材を指し、所謂「バーインコイル」を含むものである。
「二次精錬」とは、ガスバブリングやアーク式加熱装置などを有するとりべ精錬法、真空処理装置を使用する精錬法といった「清浄化のための転炉外での精錬法」で通常「炉外精錬」と称されるものを指す。
以下、上記の（１）〜（３）に記載のものをそれぞれ（１）〜（３）の発明という。
【発明の実施の形態】
本発明者らは、優れた耐疲労特性や優れた伸線加工性が要求されるワイヤロープ、弁ばね、懸架ばね、ＰＣ鋼線、スチールコードなどの用途に好適な線材を得るために、種々の調査・研究を行った。すなわち、質量％で、Ｃ：０．４５〜１．１％、Ｓｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％で、且つ、Ｃｒ：０．０２〜１．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．１００％の１種以上を含み、更に、Ｃｕ：０〜０．５％、Ｎｉ：０〜１．５％、Ｍｏ：０〜０．５％、Ｗ：０〜０．５％、Ｃｏ：０〜２．０％、Ｂ：０〜０．００３０％、Ｖ：０〜０．５％、Ｔｉ：０〜０．１％、Ｚｒ：０〜０．１％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物中のＰは０．０２０％以下、Ｓは０．０２０％以下、Ａｌは０．００５％以下、Ｎは０．００５％以下、Ｏ（酸素）は０．００２５％以下の化学成分を有する線材中の酸化物と耐疲労特性及び伸線加工性との関係について調査・研究を重ねた。その結果、下記(1)〜(3)の知見を得た。
(1)従来、伸線加工性や耐疲労特性に悪影響を及ぼす「硬質介在物」として避けられてきた高融点のＳｉＯ2系介在物は、これに適正量のＣｒ2Ｏ3とＮｂＯが複合されると、溶鋼中でのＳｉＯ2系介在物の界面張力が上昇して微細分散化し、伸線加工性や耐疲労特性に影響を及ぼさなくなる。なお、上記の「ＳｉＯ2系介在物」とはＳｉＯ2だけではなくＳｉＯ2を含む複合介在物を指す。
(2)高清浄度化が進んだ状況下において、耐疲労特性及び伸線加工性を向上させるためには、線材のＬ断面における幅２μｍ以上の酸化物が平均値として、質量％で、ＳｉＯ2：７０％以上、ＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3：２０％未満、Ｃｒ2Ｏ3＋ＮｂＯ：０．１〜１０％を含むものであればよい。
(3)耐疲労特性及び伸線加工性を向上させるためには、線材のＬ断面における幅２μｍ以上の酸化物の構成を特定し、その含有量の平均値を、質量％で、ＳｉＯ2：７０％以上、ＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3：２０％未満、Ｃｒ2Ｏ3＋ＮｂＯ：０．１〜１０％に制御してもよい。
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、各元素と酸化物の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。
（Ａ）酸化物の幅
質量％で、Ｃ：０．４５〜１．１％、Ｓｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％で、且つ、Ｃｒ：０．０２〜１．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．１００％の１種以上を含み、更に、Ｃｕ：０〜０．５％、Ｎｉ：０〜１．５％、Ｍｏ：０〜０．５％、Ｗ：０〜０．５％、Ｃｏ：０〜２．０％、Ｂ：０〜０．００３０％、Ｖ：０〜０．５％、Ｔｉ：０〜０．１％、Ｚｒ：０〜０．１％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物中のＰは０．０２０％以下、Ｓは０．０２０％以下、Ａｌは０．００５％以下、Ｎは０．００５％以下、Ｏ（酸素）は０．００２５％以下の化学成分を有する線材のＬ断面における幅２μｍ未満の酸化物が耐疲労特性及び伸線加工性に及ぼす影響は小さい。更に、上記した幅２μｍ未満の酸化物は微小であるため、ＥＰＭＡ法など物理的な分析方法で組成分析を行うとマトリックス部（素地部）が含まれてしまう場合があり、精度よく測定を行うことが困難である。したがって、線材のＬ断面における酸化物の幅を２μｍ以上とした。
（Ｂ）線材のＬ断面における幅２μｍ以上の酸化物の平均組成
本発明においては、上記線材のＬ断面における幅２μｍ以上の酸化物の平均組成（以下、単に「平均組成」という）が、７０％以上のＳｉＯ2、２０％未満のＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3、０．１〜１０％のＣｒ2Ｏ3＋ＮｂＯを含んでいることが重要である。これは、「平均組成」において、ＳｉＯ2、ＣａＯ、Ａｌ2Ｏ3を一定範囲のＣｒ2Ｏ3＋ＮｂＯと共存させれば、酸化物の大きさが微細になるとともに介在物組成（酸化物の組成）が均一化し、従来提案されている技術のように低融点化を図らなくとも、伸線時や撚り加工時の断線起点となったり、疲労破壊の起点となる酸化物を極めて小さくすることができるからである。
Ｃｒ2Ｏ3やＮｂＯはこれが単独で存在すると、硬質な介在物として伸線時や撚り加工時の断線起点となったり疲労破壊の起点となる。しかし、「平均組成」において、０．１〜１０％の量のＣｒ2Ｏ3＋ＮｂＯを前記した量のＳｉＯ2及びＣａＯ、Ａｌ2Ｏ3と複合して存在させると、硬質のＳｉＯ2が微細に分散することに加えてＣｒ2Ｏ3、ＮｂＯも微細に分散するので、伸線加工性や耐疲労特性に影響を及ぼさなくなる。換言すれば、「平均組成」に含まれるＣｒ2Ｏ3＋ＮｂＯの量が１０％を超える場合には、Ｃｒ2Ｏ3、ＮｂＯ系介在物が粗大且つ硬質な介在物となるので伸線時や撚り加工時の断線の起点となったり疲労破壊の起点となってしまう。一方、「平均組成」に含まれるＣｒ2Ｏ3＋ＮｂＯの量が０．１％を下回る場合には、Ｃｒ2Ｏ3、ＮｂＯのＳｉＯ2系介在物を微細分散化させる効果が得難いので、ＳｉＯ2系介在物は従来指摘されてきたように硬質な介在物となり、伸線時や撚り加工時の断線起点や疲労破壊の起点となってしまう。
したがって、「平均組成」に含まれるＣｒ2Ｏ3＋ＮｂＯを０．１〜１０％とした。なお、「平均組成」に含まれるＣｒ2Ｏ3＋ＮｂＯは、０．５％以上であることが好ましく、１．０％以上であれば一層好ましい。
「平均組成」に含まれるＳｉＯ2が７０％未満で、且つＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3が２０％以上であると、鋼の凝固過程において不均一相が晶出する頻度が高くなるので、伸線加工性、撚り加工性や耐疲労特性が劣化する。したがって、「平均組成」に含まれるＳｉＯ2を７０％以上で、且つ、ＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3を２０％未満とした。
なお、「平均組成」に含まれる、ＳｉＯ2が７５％を超え、且つ、ＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3が１５％未満であることが好ましい。
（１）の発明に係る耐疲労特性及び伸線加工性に優れた線材は、「平均組成」を上記のように規定するものである。
本発明においては、前記「平均組成」がＳｉＯ2：７０％以上、ＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3：２０％未満、Ｃｒ2Ｏ3＋ＮｂＯ：０．１〜１０％を含むものでありさえすればよい。したがって、ＳｉＯ2、ＣａＯ、Ａｌ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3、ＮｂＯ以外の酸化物（例えばＭｇＯ、ＭｎＯ、ＴｉＯ2など）が「平均組成」に含まれる割合は特に規定する必要はない。
しかし、後述の実施例で述べるように、例えば、線材のＬ断面における幅２μｍ以上の酸化物を、ＳｉＯ2、ＣａＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＭｎＯ、Ｃｒ2Ｏ3、ＮｂＯに特定して、つまり、上記７元系の酸化物の「平均組成」の総和を１００％として、その「平均組成」において０．１〜１０％の量のＣｒ2Ｏ3＋ＮｂＯを７０％以上の量のＳｉＯ2及び２０％未満の量のＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3と複合して存在させることとしてもよい。このように規定することによって（２）の発明に係る耐疲労特性及び伸線加工性に優れた線材が得られる。
なお、例えば、転炉から連続鋳造の工程までに溶鋼中に投入又は混入する金属Ａｌ量を５ｇ／トン以下に調整するとともに、溶鋼と接触する耐火物及びフラックス中のＡｌ2Ｏ3量を１０％以下とし、且つ、転炉から連続鋳造の工程までにＣｒ：０．０３〜２．００％程度、Ｎｂ：０．００３〜０．１２５％程度の１種以上を添加し、更に、二次精錬及びそれ以降の工程での溶鋼表面におけるとりべ中スラグの最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．８〜２．０の範囲にすることによって、平均組成におけるＳｉＯ2を７０％以上、ＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3を２０％未満、Ｃｒ2Ｏ3＋ＮｂＯを０．１〜１０％の範囲にすることができる。
酸化物の組成を精度よく短時間で容易に測定するためには、例えば、線材から採取した試験片を鏡面研磨し、その研磨面を被検面としてＥＰＭＡ装置で３０個程度の酸化物系介在物を分析し、その算術平均を求めればよい。
（１）の発明と（２）の発明に係る耐疲労特性及び伸線加工性に優れた線材においては、線材の素材となる鋼の化学成分を下記のとおり規定する。
（Ｃ）線材の素材となる鋼の化学成分
Ｃ：０．４５〜１．１％
Ｃは、強度を確保するのに有効な元素である。しかし、その含有量が０．４５％未満の場合には、ばねやスチールコードなどの最終製品に高い強度を付与させることが困難である。一方、その含有量が１．１％を超えると熱間圧延後の冷却過程中に初析セメンタイトが生成して、伸線加工性が著しく劣化する。したがって、Ｃの含有量を０．４５〜１．１％とした。
Ｓｉ：０．１〜２．５％
Ｓｉは、脱酸に有効な元素であり、その含有量が０．１％未満ではその効果を発揮させることができない。一方、２．５％を超えて過剰に含有させると、パーライト中のフェライト相の延性が低下してしまう。なお、ばねにおいては、「耐へたり特性」が重要で、Ｓｉには「耐へたり特性」を高める作用もあるが、２．５％を超えて含有させてもその効果は飽和してコストが嵩むし、脱炭を助長してしまう。したがって、Ｓｉ含有量を０．１〜２．５％とした。
Ｍｎ：０．１〜１．０％
Ｍｎは、脱酸に有効な元素であり、その含有量が０．１％未満ではこの効果を発揮させることができない。一方、１．０％を超えて過多に含有させると、偏析を生じやすくなり伸線加工性及び耐疲労特性が劣化してしまう。したがって、Ｍｎの含有量を０．１〜１．０％とした。
本発明の線材は、Ｃｒ：０．０２〜１．５０％及びＮｂ：０．００２〜０．１００％の１種以上を含む必要がある。以下、ＣｒとＮｂについて説明する。
Ｃｒ：０．０２〜１．５０％
Ｃｒは、既に述べた酸化物の平均組成を比較的容易に所望の範囲に調整する作用を有する。Ｃｒは、パーライトのラメラ間隔を小さくして熱間圧延後及びパテンティング後の強度を高める作用を有するし、更に、伸線加工時における加工硬化率を高める作用も有しているので、Ｃｒの添加によって比較的低い加工率でも高い強度を得ることができる。Ｃｒには耐食性を高める作用もある。しかし、１．５０％を超えて含有させても前記の効果が飽和するばかりか、前記した酸化物の平均組成におけるＣｒ2Ｏ3＋ＮｂＯの範囲を超えて伸線加工性や耐疲労特性の劣化を招く場合がある。したがって、添加する場合のＣｒの含有量は、１．５０％以下とする必要がある。なお、Ｃｒ含有量の下限は、線材の幅２μｍ以上の酸化物系介在物中にＮｂＯを含まない場合には、酸化物系介在物の平均組成においてＣｒ2Ｏ3の量が０．１％となる場合の値である。そして、線材の幅２μｍ以上の酸化物系介在物中にＮｂＯを少なくとも０．１％含む場合には、Ｃｒ含有量の下限は０であってもよいことは勿論である。
Ｎｂ：０．００２〜０．１００％
Ｎｂは、既に述べた酸化物の平均組成を比較的容易に所望の範囲に調整する作用を有する。Ｎｂは、オーステナイト結晶粒を微細化させ、延性及び靱性を高める作用も有する。しかし、０．１％を超えて含有させても前記の効果が飽和するばかりか、前記した酸化物の平均組成におけるＣｒ2Ｏ3＋ＮｂＯの範囲を超えて伸線加工性や耐疲労特性の劣化を招く場合がある。したがって、添加する場合のＮｂの含有量は、０．１％以下とする必要がある。なお、Ｎｂ含有量の下限は、線材の幅２μｍ以上の酸化物系介在物中にＣｒ2Ｏ3を含まない場合には、酸化物系介在物の平均組成においてＮｂＯの量が０．１％となる場合の値である。そして、線材の幅２μｍ以上の酸化物系介在物中にＣｒ2Ｏ3を少なくとも０．１％含む場合には、Ｎｂ含有量の下限は０であってもよいことは勿論である。
上述のようにＣｒとＮｂはいずれも酸化物の平均組成を比較的容易に所望の範囲に調整する作用を有するので、本発明に係る線材の素材となる鋼には、上記のＣｒ：０．０２〜１．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．１００％の範囲内で１種以上を含有させることとした。つまり、ＣｒとＮｂは、上記の範囲内でそれぞれを単独で含有させるか、２種を複合して含有させることとした。
本発明の線材の素材鋼となる鋼は、更に下記の元素を含有してもよい。
Ｃｕ：０〜０．５％
Ｃｕは添加しなくてもよい。添加すれば、耐食性を高める効果を発揮する。この効果を確実に得るには、Ｃｕは０．１％以上の含有量とすることが望ましい。しかし、Ｃｕを０．５％を超えて含有させると、結晶粒界に偏析し、鋼塊の分塊圧延時や線材の熱間圧延時における割れや疵の発生が顕著になる。したがって、Ｃｕの含有量を０〜０．５％とした。
Ｎｉ：０〜１．５％
Ｎｉは添加しなくてもよい。添加すれば、フェライト中に固溶してフェライトの靱性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｎｉは０．０５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が１．５％を超えると、焼入れ性が高くなりすぎてマルテンサイトが生成しやすくなり伸線加工性が劣化する。したがって、Ｎｉの含有量を０〜１．５％とした。
Ｍｏ：０〜０．５％
Ｍｏは添加しなくてもよい。添加すれば、熱処理で微細な炭化物として析出し強度と耐疲労特性を高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｍｏは０．１％以上の含有量とすることが好ましい。一方、０．５％を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｍｏの含有量を０〜０．５％とした。
Ｗ：０〜０．５％
Ｗは添加しなくてもよい。添加すれば、Ｃｒと同様に伸線加工時の加工硬化率を顕著に高める作用がある。この効果を確実に得るには、Ｗは０．１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．５％を超えると鋼の焼入れ性が高くなりすぎて、パテンティング処理が困難になる。したがって、Ｗの含有量を０〜０．５％とした。
Ｃｏ：０〜２．０％
Ｃｏは添加しなくてもよい。添加すれば、初析セメンタイトの析出を抑制する効果を有する。この効果を確実に得るには、Ｃｏは０．１％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、２．０％を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｃｏの含有量を０〜２．０％とした。
Ｂ：０〜０．００３０％
Ｂは添加しなくてもよい。添加すれば、パーライト中のセメンタイトの成長を促進させて、線材の延性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｂは０．０００５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、その含有量が０．００３０％を超えると、温間や熱間での加工時に割れが生じやすくなる。したがって、Ｂの含有量を０〜０．００３０％とした。
Ｖ：０〜０．５％
Ｖは添加しなくてもよい。添加すれば、オーステナイト結晶粒を微細化させ、延性及び靱性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｖは０．０５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、０．５％を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｖの含有量を０〜０．５％とした。
Ｔｉ：０〜０．１％
Ｔｉは添加しなくてもよい。添加すれば、オーステナイト結晶粒を微細化させ、延性及び靱性を高める作用を有する。この効果を確実に得るには、Ｔｉは０．００５％以上の含有量とすることが好ましい。しかし、０．１％を超えて含有させても前記の効果は飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｔｉの含有量を０〜０．１％とした。
Ｚｒ：０〜０．１％
Ｚｒは添加しなくてもよい。添加すれば、オーステナイト結晶粒を微細化させ、延性及び靱性を高める作用を有する。しかし、０．１％を超えて含有させても前記の効果が飽和し、コストが嵩むばかりである。したがって、Ｚｒの含有量を０．１％以下とした。
不純物元素としてのＰ、Ｓ、Ａｌ、Ｎ及びＯ（酸素）はその含有量を下記のとおりにする必要がある。
Ｐ：０．０２０％以下
Ｐは伸線加工時における断線を誘発する。特に、その含有量が０．０２０％を超えると伸線加工時に断線が多くなる。したがって、不純物としてのＰの含有量を０．０２０％以下とした。
Ｓ：０．０２０％以下
Ｓは伸線加工時における断線を誘発する。特に、その含有量が０．０２０％を超えると伸線加工時に断線が多くなる。したがって、不純物としてのＳの含有量を０．０２０％以下とした。
Ａｌ：０．００５％以下
Ａｌは、Ａｌ系酸化物の生成の原因となる元素で、Ａｌ系酸化物は耐疲労特性及び伸線加工性を劣化させる。特に、その含有量が０．００５％を超えると耐疲労特性の劣化が大きくなる。したがって、不純物としてのＡｌの含有量を０．００５％以下とした。Ａｌの含有量は、０．００４％以下とすることが好ましい。
Ｎ：０．００５％以下
Ｎは、窒化物となる元素であり、又、歪時効によって延性及び靱性に悪影響を及ぼす。特に、その含有量が０．００５％を超えると弊害が顕著になる。したがって、不純物としてのＮの含有量を０．００５％以下とした。Ｎの含有量は、０．００３５％以下とすることが好ましい。
Ｏ（酸素）：０．００２５％以下
Ｏの含有量が０．００２５％を超えると酸化物の数と幅が増大し、耐疲労特性が著しく劣化する。このため、不純物としてのＯの含有量を０．００２５％以下とした。Ｏの含有量は、０．００２０％以下とすることが好ましい。
なお、本発明のうちでも、特に、ばね及びスチールコードの用途に好適な素材鋼の化学成分は次に示すものである。
ばねの用途に対しては、鋼の化学組成が質量％で、Ｃ：０．４５〜０．７０％、Ｓｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％で、且つ、Ｃｒ：０．０２〜１．５％、Ｎｂ：０．００２〜０．１００％の１種以上を含み、更に、Ｃｕ：０〜０．５％、Ｎｉ：０〜１．５％、Ｍｏ：０〜０．５％、Ｗ：０〜０．５％、Ｃｏ：０〜１．０％、Ｂ：０〜０．００３０％、Ｖ：０〜０．５％、Ｔｉ：０〜０．１％、Ｚｒ：０〜０．１％を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、不純物中のＰは０．０２０％以下、Ｓは０．０２０％以下、Ａｌは０．００５％以下、Ｎは０．００５％以下、Ｏは０．００２５％以下のものがよい。
上記した鋼の化学成分の場合、熱処理後のばねに容易に１６００ＭＰａ以上の引張強度を付与できる。
スチールコードの用途に対しては、鋼の化学成分が質量％で、Ｃ：０．６０〜１．１％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜０．７％で、且つ、Ｃｒ：０．０２〜１．５％、Ｎｂ：０．００２〜０．１００％の１種以上を含み、更に、Ｃｕ：０〜０．５％、Ｎｉ：０〜１．５％、Ｍｏ：０〜０．２％、Ｗ：０〜０．５％、Ｃｏ：０〜２．０％、Ｂ：０〜０．００３０％、Ｖ：０〜０．５％、Ｔｉ：０〜０．１％、Ｚｒ：０〜０．１％以下を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなり、不純物中のＰは０．０２０％以下、Ｓは０．０２０％以下、Ａｌは０．００５％以下、Ｎは０．００５％以下、Ｏは０．００２５％以下のものがよい。
上記した鋼の化学成分の場合、直径で０．１５〜０．３５ｍｍまで湿式伸線された鋼線に３２００ＭＰａ以上の大きな引張強度を付与できる。
前記した耐疲労特性及び伸線加工性に優れた線材の素材鋼となる鋼の具体的な製造方法は特に限定する必要はない。しかし、鋼の溶製方法及び鋳造方法によって鋼の化学成分、特に不純物の含有量が変化するし、鋳造方法によって鋼塊の製造コストも変化する。このため、（３）の発明においては、線材の素材鋼となる鋼の製造方法、なかでも溶製方法及び鋳造方法を下記のとおり規定する。なお、ここでいう「鋼塊」とはＪＩＳ用語として規定されているように「鋳片」を含むものである。
（Ｄ）鋼の精錬と鋳造の工程
線材の素材鋼となる鋼は、「転炉による一次精錬」、「転炉外での二次精錬」、「連続鋳造」の工程を順に経て鋼塊にするのがよい。転炉精錬、転炉外での二次精錬の工程は、鋼中の不純物元素の低減に極めて有効で、更に、連続鋳造して鋼塊にすることによって製造コストを比較的低く抑えることができるからである。
なお、既に述べたように「二次精錬」とは、ガスバブリングやアーク式加熱装置を有するとりべ精錬法、真空処理装置を使用する精錬法といった「清浄化のための転炉外での精錬法」で通常「炉外精錬」と称されるものを指す。
以下、実施例により本発明を詳しく説明する。なお、実施例において「本発明」又は「本発明例」は、（１）の発明の規定を満たすものを意味し、「比較例」は（１）の発明の規定から外れるものを意味する。
【実施例】
（実施例１）
表１に示す化学組成を有する鋼を試験炉で溶製し、Ｓｉ、Ｍｎで脱酸した後に二次精錬し、試験炉から連続鋳造の工程までに溶鋼中に投入する金属Ａｌ量又は不可避的に不純物として混入する金属Ａｌ量（以下、これらのＡｌ量を単に「混入Ａｌ量」という）、溶鋼と接触する耐火物及びフラックス中のＡｌ2Ｏ3量（以下、単に「フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量」という）、試験炉から連続鋳造の工程までに添加するＣｒ量、更に、二次精錬及びそれ以降の工程での溶鋼表面におけるとりべ中スラグの最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比（以下、単に「最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比」という）を変化させて、酸化物の組成が種々変わるようにし、次いで、連続鋳造を行った。
表１における鋼１〜１１は本発明例に係るもので、混入Ａｌ量を５ｇ／トン以下に調整するとともに、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１０％以下、Ｃｒ添加量を０．０３〜２．００％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．８〜２．０の範囲に調整し、その後連続鋳造した。一方、鋼１２〜２２は比較例に係るもので、混入Ａｌ量、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量、Ｃｒ添加量、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比のいずれか１つ以上を変化させたものである。具体的には、鋼１２と鋼１３はそれぞれ最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．７と２．１とした。鋼１４と鋼１５はそれぞれＣｒ添加量を２．０５％と０．０２％とした。鋼１６はＣｒ添加量を０．０２％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．６とした。鋼１７はＣｒ添加量を２．００％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．７とした。鋼１８はＣｒ添加量を０．０２％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を２．１とした。鋼１９はＣｒ添加量を２．０５％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を２．２とした。鋼２０は混入Ａｌ量を６ｇ／トンとし、更に、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１２％とした。鋼２１は混入Ａｌ量を７ｇ／トン、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１１％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．７とした。鋼２２は混入Ａｌ量を７ｇ／トン、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１１％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を２．１とした。なお、鋼１と鋼１２、鋼２と鋼１３、鋼３と鋼１４、鋼４と鋼１５、鋼５と鋼１６、鋼６と鋼１７、鋼７と鋼１８、鋼８と鋼１９、鋼９と鋼２０、鋼１０と鋼２１、鋼１１と鋼２２はそれぞれほぼ同一の化学組成になるように調整した。
【表１】
表１に、直径５．５ｍｍの線材のＬ断面を鏡面研磨し、その研磨面を被検面としてＥＰＭＡ装置で分析して幅が２μｍ以上の酸化物約３０個の組成を測定し、その平均値を求めた結果及び０．２ｍｍ鋼線における引張強度と疲労強度を併せて示す。なお、疲労強度は、温度が２０〜２５℃、湿度が５０〜６０％の条件下でハンター式回転曲げ疲労試験機を用いて１０6サイクル試験した場合の結果である。
表１から、本発明例に係る鋼１〜１１の場合には、比較例に係る鋼１２〜２２に比べて高い疲労強度を有していることが明らかである。
表２に、上記の各鋼について、直径１．２ｍｍの鋼線を直径０．２ｍｍの鋼線に湿式伸線した場合の断線指数（鋼線１トン当たりの断線回数（回／トン））を示す。
【表２】
（実施例２）
表３に示す化学組成を有する鋼を試験炉で溶製し、Ｓｉ、Ｍｎで脱酸した後に二次精錬し、「混入Ａｌ量」、「フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量」、試験炉から連続鋳造の工程までに添加するＣｒとＮｂの量、更に、「最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比」を変化させて、酸化物の組成が種々変わるようにし、次いで、連続鋳造を行った。
表３における鋼２３、鋼２４、鋼２６、鋼２７及び鋼２９〜３３は本発明例に係るもので、混入Ａｌ量を５ｇ／トン以下に調整するとともに、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１０％以下、且つ、Ｃｒ添加量を０．０３〜２．００％、Ｎｂ添加量を０．００３〜０．１２０％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．８〜２．０の範囲に調整し、その後連続鋳造した。一方、鋼３４〜４４は比較例に係るもので、混入Ａｌ量、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量、Ｃｒ添加量、Ｎｂ添加量、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比のいずれか１つ以上を変化させたものである。具体的には、鋼３４は最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．７とした。鋼３５は、Ｃｒ添加量を２．０５％、Ｎｂ添加量を０．００２％とした。鋼３６は、Ｃｒ添加量を２．００％、Ｎｂ添加量を０．００２％とした。鋼３７は、Ｃｒ量を２．０５％、Ｎｂ量を０．００２％とした。鋼３８は、Ｃｒ添加量を０．０２％、Ｎｂ添加量を０．００２％とした。鋼３９は、Ｃｒ添加量２．００％、Ｎｂ添加量を０．１３５％とした。鋼４０は、Ｃｒ添加量を０．０２％、Ｎｂ添加量を０．１３０％とした。鋼４１は、Ｃｒ添加量を２．００％、Ｎｂ添加量を０．００２％とした。鋼４２は、混入Ａｌ量を６ｇ／トンとし、更に、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１２％とした。鋼４３は混入Ａｌ量を７ｇ／トン、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１１％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．７とした。鋼４４は混入Ａｌ量を７ｇ／トン、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１１％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を２．１とした。なお、鋼２３と鋼３４、鋼２４と鋼３５、鋼２６と鋼３７、鋼２７と鋼３８、鋼２９と鋼４０、鋼３０と鋼４１、鋼３１と鋼４２、鋼３２と鋼４３、鋼３３と鋼４４はそれぞれほぼ同一の化学組成になるように調整した。
【表３】
表３に、直径５．５ｍｍの線材のＬ断面を鏡面研磨し、その研磨面を被検面としてＥＰＭＡ装置で分析して幅が２μｍ以上の酸化物約３０個の組成を測定し、その平均値を求めた結果及び０．２ｍｍ鋼線における引張強度と疲労強度を併せて示す。なお、疲労強度は、温度が２０〜２５℃、湿度が５０〜６０％の条件下でハンター式回転曲げ疲労試験機を用いて１０6サイクル試験した場合の結果である。
表３から、本発明例に係る鋼２３、鋼２４、鋼２６、鋼２７及び鋼２９〜３３の場合には、比較例に係る鋼３４〜４４に比べて高い疲労強度を有していることが明らかである。
表４に、上記の各鋼について、直径１．２ｍｍの鋼線を直径０．２ｍｍの鋼線に湿式伸線した場合の断線指数（鋼線１トン当たりの断線回数（回／トン））を示す。
【表４】
（実施例３）
表５に示す化学組成を有する鋼を転炉による一次精錬、炉外精錬による二次精錬、連続鋳造のプロセスで製造した。すなわち、転炉で溶製し、出鋼時にＳｉ、Ｍｎで脱酸してから二次精錬し、転炉から連続鋳造の工程までに溶鋼中に投入する金属Ａｌ量又は不可避的に不純物として混入する金属Ａｌ量（以下、これらのＡｌ量も単に「混入Ａｌ量」という）、溶鋼と接触する耐火物及びフラックス中のＡｌ2Ｏ3量（以下、このＡｌ2Ｏ3量も単に「フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量」という）、転炉から連続鋳造の工程までに添加するＣｒとＮｂの量、更に、「最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比」（つまり、二次精錬及びそれ以降の工程での溶鋼表面におけるとりべ中スラグの最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比）を変化させて、酸化物の組成が種々変わるようにし、次いで、連続鋳造を行った。
表５における鋼４５、鋼４６、鋼４８、鋼４９及び鋼５１〜５５は本発明例に係るもので、混入Ａｌ量を５ｇ／トン以下に調整するとともに、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１０％以下、且つ、Ｃｒ添加量を０．０３〜２．００％、Ｎｂ添加量を０．００３〜０．１２５％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．８〜２．０の範囲に調整し、その後連続鋳造した。一方、鋼５６〜６６は比較例に係るもので、混入Ａｌ量、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量、Ｃｒ添加量、Ｎｂ添加量、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比のいずれか１つ以上を変化させたものである。具体的には、鋼５６は最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．７とした。鋼５７は、Ｃｒ添加量を２．０５％、Ｎｂ添加量を０．００２％とした。鋼５８は、Ｃｒ添加量を２．００％、Ｎｂ添加量を０．００２％とした。鋼５９は、Ｃｒ添加量を２．００％、Ｎｂ添加量を０．００２％とした。鋼６０は、Ｃｒ添加量を０．０２％、Ｎｂ添加量を０．００２％とした。鋼６１は、Ｃｒ添加量を２．０５％、Ｎｂ添加量を０．１４０％とした。鋼６２は、Ｃｒ添加量を０．０２％、Ｎｂ添加量を０．１３５％とした。鋼６３は、Ｃｒ添加量を２．０５％、Ｎｂ添加量を０．００２％とした。鋼６４は、混入Ａｌ量を６ｇ／トンとし、更に、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１２％とした。鋼６５は混入Ａｌ量を７ｇ／トン、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１１％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を０．７とした。鋼６６は混入Ａｌ量を７ｇ／トン、フラックスなどのＡｌ2Ｏ3量を１１％とし、更に、最終ＣａＯ／ＳｉＯ2比を２．１とした。なお、鋼４５と鋼５６、鋼４６と鋼５７、鋼４８と鋼５９、鋼４９と鋼６０、鋼５１と鋼６２、鋼５２と鋼６３、鋼５３と鋼６４、鋼５４と鋼６５、鋼５５と鋼６６はそれぞれほぼ同一の化学組成になるように調整した。
【表５】
表５に、直径５．５ｍｍの線材のＬ断面を鏡面研磨し、その研磨面を被検面としてＥＰＭＡ装置で分析して幅が２μｍ以上の酸化物系介在物約３０個の組成を測定し、その平均値を求めた結果及び０．２ｍｍ鋼線における引張強度と疲労強度を併せて示す。なお、疲労強度は、温度が２０〜２５℃、湿度が５０〜６０％の条件下でハンター式回転曲げ疲労試験機を用いて１０6サイクル試験した場合の結果である。
表５から、本発明例に係る鋼４５、鋼４６、鋼４８、鋼４９及び鋼５１〜５５の場合には、比較例に係る鋼５６〜６６に比べて高い疲労強度を有していることが明らかである。
表６に、上記の各鋼について、直径１．２ｍｍの鋼線を直径０．２ｍｍの鋼線に湿式伸線した場合の断線指数（鋼線１トン当たりの断線回数（回／トン））を示す。
【表６】
【発明の効果】
本発明の線材は耐疲労特性及び伸線加工性に優れるので、この線材を素材としてワイヤロープ、弁ばね、懸架ばね、ＰＣ鋼線、スチールコードなどを高い生産性の下に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】巨大で不均一組成の介在物が晶出すると、その巨大介在物のうちで軟質な部分は熱間圧延及び冷間圧延や伸線で小型化するが、硬質の部分は大型のまま残存してしまうことを示す概念図である。なお、斜線をつけた部分が不均一相を示す。又、図１において（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ鋳片中、線材中及び鋼線中の介在物を示す。
Claims (3)
- 鋼の化学成分が質量％で、Ｃ：０．４５〜１．１％、Ｓｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％で、且つ、Ｃｒ：０．０２〜１．５０％、Ｎｂ：０．００２〜０．１００％の１種以上を含み、更に、Ｃｕ：０〜０．５％、Ｎｉ：０〜１．５％、Ｍｏ：０〜０．５％、Ｗ：０〜０．５％、Ｃｏ：０〜２．０％、Ｂ：０〜０．００３０％、Ｖ：０〜０．５％、Ｔｉ：０〜０．１％、Ｚｒ：０〜０．１％を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物中のＰは０．０２０％以下、Ｓは０．０２０％以下、Ａｌは０．００５％以下、Ｎは０．００５％以下、Ｏ（酸素）は０．００２５％以下であって、長手方向縦断面における幅２μｍ以上の酸化物が平均値として、質量％で、ＳｉＯ2：７０％以上、ＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3：２０％未満、Ｃｒ2Ｏ3＋ＮｂＯ：０．１〜１０％を含む耐疲労特性及び伸線加工性に優れた鋼線材。
- 長手方向縦断面における幅２μｍ以上の酸化物がＳｉＯ2、ＣａＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＭｎＯ、Ｃｒ2Ｏ3、ＮｂＯで構成され、その含有量の平均値が質量％で、ＳｉＯ2：７０％以上、ＣａＯ＋Ａｌ2Ｏ3：２０％未満、Ｃｒ2Ｏ3＋ＮｂＯ：０．１〜１０％である請求項１に記載の耐疲労特性及び伸線加工性に優れた鋼線材。
- 転炉による一次精錬、転炉外での二次精錬の後、連続鋳造する請求項１又は２に記載の耐疲労特性及び伸線加工性に優れた鋼線材に用いる鋼の製造方法。
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