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技術 導電性に優れた鋼線材

出願人 日本製鉄株式会社
発明者 真鍋敏之大藤善弘平上大輔
出願日 2015年3月24日 (6年1ヶ月経過) 出願番号 2015-060540
公開日 2016年10月13日 (4年7ヶ月経過) 公開番号 2016-180147
状態 特許登録済
技術分野
  • -
主要キーワード 分断状態 クラッド線 電気抵抗率測定 熱間鍛造材 ラメラー セメンタイト分率 線分長 各線材
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この項目の情報は公開日時点(2016年10月13日)のものです。
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課題

ACSR用の素材となる強度を有し、かつ電気抵抗率の低い鋼線材を提供する。

解決手段

C:0.40〜0.70%、Si:0.02〜0.35%、Mn:0.10〜0.90%、を含有すると共に、N:0.010%以下、P:0.03%以下、S:0.03%以下に制限し、残部はFeおよび不可避不純物から成り、断面内の金属組織が80%以上のパーライト組織で、且つ20%以下のフェライト組織を含み、前記パーライト組織の平均ラメラー間隔が100〜170nmであり、更に前記パーライト中のラメラーセメンタイト平均長さが1.5μm以下であることを特徴とする、導電性に優れた鋼線材を採用する。

概要

背景

鋼芯アルミニウムより線(Aluminum Conductor Steel−Reinforced cable、以下「ACSR」)用の線材は、従来アルミワイヤテンションメンバとしての役割が強く、パーライト鋼伸線亜鉛めっきを施したワイヤや、ワイヤの耐食性を向上させるために表層アルミを施したアルミクラッド線を伸線したワイヤが用いられている。

ACSRの送電効率向上には、鋼芯部を軽量化し、アルミニウム断面積の増やすこと、鋼線自体の電気抵抗を低減させることなどがある。例えば、鋼芯部の軽量化の観点からは特許文献1において、芯線炭素繊維とすることで比重を軽量化させる方法が開示されている。また、鋼線自体の電気抵抗の低減の観点からは特許文献2においては、C,Si、Mnの含有量を少量に規定し電気伝導性を向上させる方法が開示されている。

概要

ACSR用の素材となる強度を有し、かつ電気抵抗率の低い鋼線材を提供する。C:0.40〜0.70%、Si:0.02〜0.35%、Mn:0.10〜0.90%、を含有すると共に、N:0.010%以下、P:0.03%以下、S:0.03%以下に制限し、残部はFeおよび不可避不純物から成り、断面内の金属組織が80%以上のパーライト組織で、且つ20%以下のフェライト組織を含み、前記パーライト組織の平均ラメラー間隔が100〜170nmであり、更に前記パーライト中のラメラーセメンタイト平均長さが1.5μm以下であることを特徴とする、導電性に優れた鋼線材を採用する。なし

目的

本発明は、上記事情に着目してなされたものであって、導電率が高く良好な強度を有する鋼線材を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

鋼成分が質量%で、C:0.40〜0.70%、Si:0.02〜0.35%、Mn:0.10〜0.90%、を含有すると共に、N:0.010%以下、P:0.03%以下、S:0.03%以下に制限し、残部はFeおよび不可避不純物から成り、断面内の金属組織が80%以上のパーライト組織で、且つ20%以下のフェライト組織を含み、前記パーライト組織の平均ラメラー間隔が100〜170nmであり、更に前記パーライト中のラメラーセメンタイト平均長さが1.5μm以下であることを特徴とする、導電性に優れた鋼線材

請求項2

更に、鋼成分が質量%で、Cr:0.01〜0.7%、Al:0.001〜0.07%、Ti:0.002〜0.05%、V:0超〜0.1%以下、Nb:0超〜0.05%以下、Mo:0超〜0.2%以下、B:0.0003〜0.003%よりなる群から選択される少なくとも1種類以上を含有する、請求項1に記載の導電性に優れた鋼線材。

請求項3

更に、引張強さTSが650MPa以上で、且つ引張強さTSと電気抵抗[μΩ・cm]との関係が、下式(1)を満たすことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の導電性に優れた鋼線材。電気抵抗[μΩ・cm]≦0.0033×TS[MPa]+14.3・・・(1)

技術分野

0001

本発明は、ACSRや各種ロープに用いられる導電性に優れた鋼線材に関する。

背景技術

0002

鋼芯アルミニウムより線(Aluminum Conductor Steel−Reinforced cable、以下「ACSR」)用の線材は、従来アルミワイヤテンションメンバとしての役割が強く、パーライト鋼伸線亜鉛めっきを施したワイヤや、ワイヤの耐食性を向上させるために表層アルミを施したアルミクラッド線を伸線したワイヤが用いられている。

0003

ACSRの送電効率向上には、鋼芯部を軽量化し、アルミニウム断面積の増やすこと、鋼線自体の電気抵抗を低減させることなどがある。例えば、鋼芯部の軽量化の観点からは特許文献1において、芯線炭素繊維とすることで比重を軽量化させる方法が開示されている。また、鋼線自体の電気抵抗の低減の観点からは特許文献2においては、C,Si、Mnの含有量を少量に規定し電気伝導性を向上させる方法が開示されている。

先行技術

0004

特開2001−176333号公報
特開2003−226938号公報

発明が解決しようとする課題

0005

前述の特許文献1で開示された技術は、炭素繊維であるため鋼に比べて単価が高い。また、特許文献2で開示された技術は、合金元素の含有量を低下させているため鋼芯部のテンションメンバとしての強度を担保することが難しい。

0006

本発明は、上記事情に着目してなされたものであって、導電率が高く良好な強度を有する鋼線材を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0007

本発明者らは、ACSR用の鋼線材として良好な導電率を得るためのパーライト組織因子を検討し、パーライト中での導電率は、パーライト組織のラメラーフェライト中の固溶元素を低減させること、パーライト中のラメラーセメンタイト分断させるように制御することで、向上することを知見した。中でも有効であったフェライト濃化するSi含有量を低減させ、次いでMn、Crの様なラメラーセメンタイトに濃化し易い元素を出来る限り濃化させ、更にNの様な侵入型元素の含有量を低減させ、且つ前述のラメラーセメンタイトの分断状態を制御することで、ACSRの鋼芯部として必要とされる強度範囲で導電率を向上させ、本発明を完成するに至った。本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は次のとおりである。

0008

[1]鋼成分が質量%で、
C:0.40〜0.70%、
Si:0.02〜0.35%、
Mn:0.10〜0.90%、
を含有すると共に、
N:0.010%以下、
P:0.03%以下、
S:0.03%以下
に制限し、残部はFeおよび不可避不純物から成り、
断面内の金属組織が80%以上のパーライト組織で、且つ20%以下のフェライト組織を含み、
前記パーライト組織の平均ラメラー間隔が100〜170nmであり、更に前記パーライト中のラメラーセメンタイトの平均長さが1.5μm以下であることを特徴とする、導電性に優れた鋼線材。

0009

[2]更に、鋼成分が質量%で、
Cr:0.01〜0.7%、
Al:0.001〜0.07%、
Ti:0.002〜0.05%、
V:0超〜0.1%以下、
Nb:0超〜0.05%以下、
Mo:0超〜0.2%以下、
B:0.0003〜0.003%
よりなる群から選択される少なくとも1種類以上を含有する、前記[1]に記載の導電性に優れた鋼線材。

0010

[3]更に、引張強さTSが650MPa以上で、且つ引張強さTSと電気抵抗[μΩ・cm]との関係が、下式(1)を満たすことを特徴とする前記[1]、[2]に記載の導電性に優れた鋼線材。
電気抵抗[μΩ・cm]≦0.0033×TS[MPa]+14.3・・・(1)

発明の効果

0011

本発明によれば、導電率が高く、良好な強度を有する鋼線材を提供できる。

0012

以下、本発明について説明する。

0013

まず、本発明に係る鋼線材の化学成分について説明する。化学成分の単位は質量%である。

0014

(C:0.40〜0.70%)
Cはセメンタイト分率を増加させると共に、パーライト組織のラメラー間隔微細化させて強度を増す効果がある。0.40%未満では、本発明で規定する強度を満足するパーライト組織を作りこむことが困難となる。0.70%を超えると導電率が低下するため、上限を0.7%とする。

0015

(Si:0.02〜0.35%)
Siは、固溶強化によって鋼材の強度を高めるのに有効な成分であり、また脱酸剤としても必要な成分である。しかし、Siの含有量が0.02%未満ではSiの添加効果が十分でない。一方、Siはパーライト組織中において、フェライト中分配することで電気抵抗率を高める効果が大きく、0.35%を超えて含有させると電気抵抗率を顕著に低下させる。よってSiの含有量は0.02〜0.35%と定める。より低い電気抵抗率を得るためには、Si含有量を0.25%以下にすることが好ましい。より好ましくは0.15%以下である。 また、Siの含有量が少ない場合は亜鉛めっき時の合金層成長が助長され、ワイヤの疲労特性が低下するため、亜鉛めっきを前提とする場合、Si含有量の下限値を、好ましくは0.05%以上とする。

0016

(Mn:0.10〜0.90%)
Mnは脱酸元素であるとともに、鋼中のSをMnSとして固定し熱間脆性を防止する作用を有する成分である。しかし、Mn含有量が0.10%未満では前記作用による効果が十分でない。また、Mnは、パテンティング時の焼入れ性を向上させフェライト組織率を低減させると共に強度を増す効果があるが、鋼の導電率を低下させる。従って、Mnの上限を0.90%とする。また、鋼の焼入れ性を十分担保すると共に、導電率も確保するためには、Mnの含有量の上限を、好ましくは0.75%以下、更に好ましくは0.60%以下とする。

0017

本発明においては、更に、不純物であるN、P、Sの含有量を下記の通りに規制する。

0018

(N:0.010%以下)
Nは、冷間加工時のひずみ時効により延性を低下させると共に、特に0.010%を超えると線材段階での延性も低下させると共に導電率も低下する。したがって、N含有量を0.010%以下に規制する。より好ましくは0.008%以下、更に好ましくは0.005%以下とする。

0019

(P:0.03%以下)
Pは、フェライトの固溶強化に寄与するが、同時に延性を大幅に低下させる。特に、P含有量が0.03%を超えると伸線加工性の低下が著しくなる。したがって、P含有量は0.02%以下に規制する。より好ましくは0.012%以下である。

0020

(S:0.03%以下)
Sは、赤熱脆性を引き起こす元素であると共に、延性を低下させる元素である。S含有量が0.03%を超えるとワイヤの延性の低下が著しくなることから、Sの含有量を0.02%以下に規制する。より好ましくは0.01%以下である。

0021

本発明線材は、上記元素の他、Cr、Al、Ti、V、Nb、Mo及び、Bの1種または2種以上の元素を、本発明に係る鋼線材の特性を阻害しない範囲で適宜の量を含有してもよい。

0022

(Cr:0.01%〜0.7%以下)
Crは、焼入れ性向上元素であるとともに、パ−ライトラメラ間隔を小さくして線材の引張強さを高める元素である。この効果を得るためには、0.01%以上の含有量が必要である。より好ましくは0.02%以上である。一方で、Crの分配が起こり難いパテンティング条件では、導電率が低下するため、その上限を0.7%とする。

0023

(Al:0.001〜0.07%)
Alは脱酸元素であるとともに、窒化物として窒素の固定とオーステナイト粒径の制御に有効な元素である。0.001%未満ではこの効果が得難い。また、フェライト中で窒化物として固定されずフリーAlとして存在すると、導電率を低下させる。そのため、その上限値を0.07%とする。より好ましくは0.05%以下である。

0024

(Ti:0.002〜0.05%)
Tiは脱酸元素であるとともに、炭窒化物としてオーステナイト粒径の制御に有効な元素である。この効果を得るためには、0.002%以上の添加が必要である。一方で、0.05%を超えて添加すると、製鋼段階で粗大な窒化物が混入する可能性があると共に、パテンティング処理中に炭化物析出し延性を低下させるため、含有量の上限を0.05%とする。好ましくは0.03%未満である。

0025

(V:0.1%以下)
Vは焼入れ性向上元素であると共に、炭窒化物として析出し鋼材の強化向上に寄与する。過剰な添加は変態終了時間が長くなると共に、粗大な炭窒化物析出により延靭性が低下するため、その上限を1.0%とする。

0026

(Nb:0.05%以下)
Nbは焼入れ性向上元素であるとともに、炭化物としてオーステナイト粒径の制御に寄与する元素である。一方で、含有量が0.05%を超えると、パテンティング時の変態終了時間が長くなるため、含有量を0.05%以下とした。より好ましくは0.002〜0.02%以下である。

0027

(Mo:0.2%以下)
Moは焼入れ性を向上させフェライト組織率を低減させる元素である。過剰な添加は変態終了時間が長くなるため、0.2%を上限とする。

0028

(B:0.0003〜0.003%)
Bは焼入れ性向上元素であるとともに、フェライト相の生成を抑制しパーライト組織率を向上させる。この効果を得るためには、Bを0.0003%以上の含有量とする必要がある。一方で、含有量が0.003%を超えると、パテンティング段階での過冷オーステナイト状態オーステナイト粒界上にM23(C,B)6を析出させ、ワイヤの延性を阻害する。以上のことから、Bの含有量を0.0003〜0.003%とする。より好ましくは0.002%以下である。

0029

本発明における金属組織は、パーライトを主体とするが、その鋼線材の引張強さとして、650MPa以上、好ましくは700MPa以上にすることを目標とする。当該強度を得るため、フェライト組織率が20%以下であると共に、パーライトの平均ラメラー間隔は170nm以下である必要がある。また、パーライト組織が80%未満、パーライトの平均ラメラー間隔が100nm未満となる様な金属組織では、フェライトおよびパーライト以外の残部組織である軟質ベイナイト組織が混在して目標強度が得られなくなるため、パーライト組織率を80%以上、平均ラメラー間隔の下限を100nmとする。

0030

また、本発明では、鋼線材の導電率と強度の両立がその特徴であり、従来よりも導電率を向上させるためには、パーライトのセメンタイトの平均長さを1.5μm以下に分断させることが必要であるため、パーライト中のラメラーセメンタイトの平均長さを1.5μm以下とする。

0031

本発明においては、ACSRとしての鋼線材の強度と導電率とを両立させるという観点で、線材の引張強さ(MPa)と、電気抵抗率(μΩ・cm)の関係を、(1)式の範囲とする。

0032

電気抵抗ρ[μΩ・cm]≦0.0033×TS[MPa]+14.3・・・(1)

0033

以下に、上記のパーライトの平均ラメラー間隔、及びラメラーセメンタイトの平均長さを得る方法の一例を示す。なお、本発明の鋼線材の製造方法は、この製造条件に限られるものではない。

0034

鋼を溶製した後、連続鋳造によって鋼片を製造し、熱間圧延を行う。鋳造後、分塊圧延を行ってもよい。鋼片を熱間圧延する際には、鋼片の中心部が1000〜1100℃になるように加熱し、仕上げ温度を900〜1000℃として熱間圧延する。仕上げ圧延後水冷にて平均冷却速度を20℃/秒以上で800〜920℃に冷却し、次いで800〜600℃までの冷却速度を5〜10℃/sでパーライト変態させ、次いで600〜400℃までの冷却速度を5℃/s以下とする。水冷後の冷却方法は、600〜400℃の滞留時間が長ければ、800〜600℃までの平均冷却速度が10℃/以上でも良く、例えば鉛浴ソルト浴流動層炉を用いて変態完了させた後、再度600〜400℃の温度域まで加熱してもよい。なお本明細書における圧延仕上げ温度とは、仕上げ圧延直後の鋼線材の表面温度を指し、仕上げ圧延後の冷却速度は、鋼線材の中心部の冷却速度を指す。

0035

次に、本発明の実施例について説明する。実施例での条件は、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、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、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、種々の条件を採用し得るものである。

0036

表1に示す化学成分の鋼線材を、50kg真空溶解炉で溶解した後、インゴットに鋳造した。当該各インゴットを1250℃で1時間加熱した後、仕上げ温度が950℃以上となるように直径15mmまで熱間鍛造した後、室温まで放冷した。この熱間鍛造材切削加工によって直径10mm、切断によって長さ1500mmにした。この切削加工材を窒素雰囲気中で1050℃、15分加熱した後、仕上げ温度が900℃以上になるように直径7mmに熱間圧延した後、10秒以内に低温で加熱した加熱炉内に封入し、600℃までの平均冷却速度を6℃/s、400℃までの平均冷却速度を1℃/sで炉冷し、更に400℃まで冷却後に取り出して室温まで放冷して、鋼線材を得た。

0037

引張試験片は、鋼線材から350mm長さで3本サンプリングを行い、10mm/minの引張速度で、常温での引張試験を行い、引張強さ(TS)を測定して、その平均値をその試験材の引張強さとした。

0038

各条件で製造した鋼線材について、パーライトの平均ラメラー間隔を測定した。上述の各線材について、L断面を樹脂に埋め込み、鏡面に研磨をしたのち、ピクラールで腐食を行い、FE−SEMを用いて5000〜10000倍でパーライトノジュールが5か所以上含まれる任意の領域を10視野分、デジタル画像撮影した。各写真について、画像解析装置を用いて、平均ラメラー間隔を測定した。写真において、セメンタイトの部位を2値化し、水平方向・垂直方向に其々ピクセル数分の線分を引き、2値化したセメンタイトのよって区切られる線分の長さの平均を、2で除した値をパーライトの平均ラメラー間隔とした。また、2値化したセメンタイトの線分長さの平均を平均セメンタイト長さとした。

0039

電気抵抗率測定用の試験片は、鋼線材の中心部から、3.0mm×4.0mm×60mmの直方体の試験片を採取し、温度20℃で通常の4端子法によって、電気抵抗率を測定した。

0040

表2から、本発明で規定する条件から外れ試験番号O〜Sの場合には、前記した少なくとも1つの特性が目標とする値に達していない。それに対し、本発明で規定する条件をすべて満たす試験番号A〜Nは、前記したすべての特性が目標とする値に達している。

0041

試験番号Oは、Cの成分範囲が外れたことにより鋼線材の強度が目的の範囲を外れ、試験番号P〜SはSi、Mn、Cr、Nの成分範囲がそれぞれ外れたことにより、電気抵抗率が目的の範囲を外れた。

0042

実施例

0043

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