CN105121680B

CN105121680B - 耐疲劳特性优异的弹簧钢及其制造方法

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Publication number: CN105121680B
Application number: CN201380075822.XA
Authority: CN
Inventors: 宫嵜雅文; 山村英明; 桥村雅之; 藤田崇史
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2013-04-23
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2033-04-23
Also published as: CN105121680A; US10350676B2; KR20150133850A; EP2990496B1; EP2990496A1; EP2990496A4; WO2014174587A1; KR101742902B1; JP6036997B2; US20160151832A1; JPWO2014174587A1

Abstract

本发明的弹簧钢具有规定的化学组成，以0.004个/mm²～10个/mm²含有在含REM、O及Al的夹杂物上附着有TiN的、最大直径为2μm以上的复合夹杂物，所述复合夹杂物的最大直径为40μm以下，最大直径为10μm以上的氧化铝簇状物、最大长度为10μm以上的MnS及最大直径为1μm以上的TiN的总个数密度为10个/mm²以下。

Description

耐疲劳特性优异的弹簧钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及在汽车的悬挂装置等中使用的弹簧用钢及其制造方法。

本法明特别地涉及控制REM夹杂物的生成、消除氧化铝、TiN、MnS等有害夹杂物的不良影响、具有优异的耐疲劳特性的弹簧钢及其制造方法。

背景技术

弹簧钢被用在汽车悬挂装置的悬挂弹簧等中，要求高的疲劳强度。

特别是，近年来以减少废气或改善耗油量为目的，汽车的轻量化或高功率化的需求增加，发动机或悬吊等中使用的悬挂弹簧期待高应力设计。

因此，预想到：弹簧钢处于逐渐高强度化及细径化的方向上、负荷应力会日益增大。

因而，需要疲劳强度更高、耐弹性减弱性格外优异的高性能的弹簧钢。

损害弹簧钢的耐疲劳特性或耐弹性减弱性的原因之一是存在于钢材中的氧化铝、TiN等硬质的非金属夹杂物及MnS等粗大夹杂物(以下将它们称作夹杂物)。

这些夹杂物易于变成应力的集中起点。

另外还有下述情况：悬挂弹簧的表面涂饰剥离、露出的原材料表面发生腐蚀、氢从所附着的水分中侵入到钢中，疲劳强度降低。

此时，夹杂物变成氢的捕捉位点、氢易于在钢中聚集。

因此，夹杂物自身与氢的影响叠加在一起，成为降低疲劳强度的原因。

由这种观点出发，为了改善弹簧钢的耐疲劳特性或耐弹性减弱性，需要尽量地减少钢材中存在的氧化铝、MnS及TiN。

对于氧化铝夹杂物来说，由于在转炉或真空处理容器中进行了精炼的钢水中含有大量的溶存氧，因此该过剩氧通过与氧的亲和力强的Al被脱氧，从而生成。

另外，浇包等多由氧化铝系耐火物来构筑。

因此，即便并非是Al脱氧、而是通过Si或Mn进行脱氧时，通过钢水与耐火物的反应，作为耐火物的氧化铝发生解离、在钢水中作为Al溶出。

而且，该溶出的Al被再氧化，在钢水中生成氧化铝。

钢水中的氧化铝夹杂物发生凝集、合体，易于簇状物化。

该发生了簇状物化的氧化铝夹杂物残留在制品中，对疲劳强度造成重大的不良影响。

因此，为了减少、除去氧化铝夹杂物，以适用RH真空脱气装置或粉体吹入装置等二次精炼装置所带来的脱氧生成物减少为中心，通过以下组合来减少夹杂物、实现高清洁化：

(1)利用隔绝空气、熔渣改性等防止再氧化；

(2)通过去渣(slag cut)减少混入氧化物系夹杂物等。

另一方面，作为对氧化铝系夹杂物进行改性、微细化、无害化的技术，已知如专利文献1公开所示，通过在钢水中添加Mg合金，将氧化铝改性成尖晶石(MgO·Al₂O₃)或MgO的方法。

通过该方法，可以防止因氧化铝的凝集所导致的粗大化、避免氧化铝对钢材品质的不良影响。

但是，该方法中由于氧化物系夹杂物的结晶相存在，热轧时的软质化或拉丝加工时的夹杂物的粉碎性不足。

因此，夹杂物的小型化变得不充分。

与此相对，专利文献2中提出了，使钢线材的长度方向纵截面的厚度为2μm以上的SiO₂-Al₂O₃-CaO系氧化物的平均组成为SiO₂：30～60％、Al₂O₃：1～30％、CaO：10～50％，使复合系氧化物的熔点控制为1400℃以下、优选为1350℃以下，进而在这些氧化物中含有B₂O₃：0.1～10％，从而使氧化物系夹杂物微细地分散，显著地提高拉丝加工性或疲劳强度。

但是，这种B₂O₃的添加对于抑制CaO-Al₂O₃-SiO₂或CaO-Al₂O₃-SiO₂-MgO₂系复合氧化物的结晶化是有效的，但对于成为弹簧钢的疲劳蓄积源、变为破坏起点的氧化铝簇状物或TiN、MnS的抑制或无害化并不能说是有用的。

另外已知下述没有簇状物的Al镇静钢的制造方法：在利用酸可溶Al制造含有0.005质量％以上的Al镇静钢时，在钢水中投入由Ca、Mg及REM中的2种以上和Al构成的合金、将所生成的夹杂物中的Al₂O₃调整为30～85质量％。

例如，如专利文献3公开所示，在添加REM时，为了防止氧化铝簇状物的生成，通过添加选自REM、Mg、Ca中的2种以上，制成低熔点的复合夹杂物。

该技术可能对防止长条缺陷是有效的，但无法将夹杂物减少至弹簧钢中所要求水平的大小。

这是由于，当制成低熔点夹杂物时，这些夹杂物发生凝集、合体，进一步粗大化。

还已知，REM的超过0.010质量％的添加会增加夹杂物、反而降低疲劳寿命，因此例如如专利文献4公开所示，需要使REM添加量为0.010质量％以下。

但是，专利文献4对其机制或者夹杂物的组成及存在状态并未公开。

另外，MnS等硫化物通过轧制等加工进行拉伸、成为疲劳蓄积源、变成破坏起点，使耐疲劳特性劣化。

因此，为了改善耐疲劳特性，需要抑制进行拉伸的硫化物。

作为防止硫化物的生成的方法，已知添加Ca进行脱硫的方法。

但是，通过Ca的添加而形成的Al-Ca-O具有易于拉伸、易于变成疲劳蓄积源或破坏起点的问题。

另外，由于TiN非常硬质、且以尖尖的形状析出，因此成为疲劳蓄积源、变成破坏起点，对耐疲劳特性的影响大。

例如，如专利文献5公开所示，当Ti超过0.001质量％时，耐疲劳特性恶化。

作为其对策，重要的是将Ti调整为0.001质量％以下，Ti含有在Si合金中，作为杂质无法避免混入。

另外，还需要在钢水阶段不要混入N，但制钢成本会提高、是不现实的。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平05-311225号公报

专利文献2：日本特开2009-263704号公报

专利文献3：日本特开平09-263820号公报

专利文献4：日本特开平11-279695号公报

专利文献5：日本特开2004-277777号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

本发明的目的在于提供将损害弹簧钢的耐疲劳特性的氧化铝、TiN及MnS无害化、耐疲劳特性优异的弹簧钢及其制造方法。

用于解决技术问题的方法

本发明的主旨如下所述。

(1)本发明的第一方式为一种弹簧钢，其化学组成以质量％计为C：0.4％～小于0.9％、Si：1.0％～3.0％、Mn：0.1％～2.0％、Al：0.01％～0.05％、REM：0.0001％～0.005％、T.O：0.0001％～0.003％、Ti：小于0.005％、N：0.015％以下、P：0.03％以下、S：0.03％以下、Cr：0％～2.0％、Cu：0％～0.5％、Ni：0％～3.5％、Mo：0％～1.0％、W：0％～1.0％、B：0％～0.005％、V：0％～0.7％、Nb：0％～0.05％、Ca：0％～0.0020％、剩余部分：铁及杂质，以0.004个/mm²～10个/mm²含有在含REM、O及Al的夹杂物上附着有TiN的、最大直径为2μm以上的复合夹杂物，上述复合夹杂物的最大直径为40μm以下，最大直径为10μm以上的氧化铝簇状物、最大长度为10μm以上的MnS及最大直径为1μm以上的TiN的总个数密度为10个/mm²以下。

(2)上述(1)所述的弹簧钢，其可以含有选自由Cr：0.05％以上且2.0％以下、Cu：0.1％以上且0.5％以下、Ni：0.1％以上且3.5％以下、Mo：0.05％以上且1.0％以下、W：0.05％以上且1.0％以下、B：0.0005％以上且0.005％以下、V：0.05％以上且0.7％以下、Nb：0.005％以上且0.05％以下、及Ca：0.0001％以上且0.0020％以下构成的组中的1种以上的元素。

(3)本发明的第二方式为上述(1)所述的弹簧钢的制造方法，其具备以下工序：在通过包含真空脱气的浇包精炼制造上述(1)所述的化学组成的钢水时，首先使用Al进行脱氧，接着使用REM进行5分钟以上的脱氧的工序；在铸型内对上述钢水进行铸造时，在上述铸型内使上述钢水在水平方向上以0.1m/分钟以上进行旋转的工序；以及通过均热化处理将通过上述铸造获得的铸坯在1250～1200℃的温度区域内保持60秒以上，之后进行开坯轧制的工序。

(4)本发明的第三方式是由上述(1)所述的弹簧钢形成的弹簧。

发明效果

根据上述方式，在弹簧钢中将氧化铝改性成REM-Al-O夹杂物、可以防止粗大化，且将S作为REM-Al-O-S夹杂物进行固定化而抑制粗大MnS，进而通过使TiN复合在REM-Al-O夹杂物或REM-Al-O-S的夹杂物上、可以减少有害的单独的TiN的个数密度，因此可以提供耐疲劳特性优异的弹簧钢。

附图说明

图1为表示本发明的弹簧钢中观察到的TiN复合析出到REM-Al-O夹杂物的复合夹杂物上的例子的图。

具体实施方式

本发明人们为了解决以往技术的问题，进行了反复深入实验、研究。

结果发现，为了抑制弹簧钢中的有害夹杂物和控制形态，通过在调整REM的含量的同时、控制脱氧工艺及弹簧钢制造工艺，可以将氧化铝改性成含有REM、O及Al的氧化物(以下有时称作“REM-Al-O”)，防止氧化物的粗大化，且将S作为含有REM、O、S及Al的氧硫化物(以下有时称作“REM-Al-O-S”)进行固定化，抑制粗大MnS，进而通过使TiN复合在REM-Al-O夹杂物或REM-Al-O-S的夹杂物上，可以减少有害的TiN的个数密度。

以下详细地说明基于上述发现而成的本发明实施方式的耐疲劳特性优异的弹簧钢及其制造方法。

首先，对本实施方式的弹簧钢的成分组成及其限定理由进行说明。

另外，下述与元素的含量有关的％是指质量％。

C：0.4％以上且小于0.9％

C是对于确保强度有效的元素。

但是，当C含量小于0.4％时，难以对最终弹簧制品赋予高的强度。

另一方面，当C含量为0.9％以上时，在热轧后的冷却过程中会过剩地产生初析渗碳体、加工性显著劣化。

因此，C含量为0.4％以上且小于0.9％。

C含量优选为0.45％以上，更优选为0.5％以上。

另外，C含量优选为0.7％以下，更优选为0.6％以下。

Si：1.0％以上且3.0％以下

Si是对提高淬火性、提高疲劳寿命有效的元素，需要含有1.0％以上。

另一方面，当Si含量超过3.0％时，珠光体中的铁素体相的延展性降低。

Si在弹簧中还具有提高重要的耐弹性减弱特性的作用，当Si含量超过3.0％时，其效果饱和、成本增大，还会促进脱碳。

因此，Si含量为1.0％以上且3.0％以下。

Si含量优选为1.2％以上，更优选为1.3％以上。

另外，Si含量优选为2.0％以下，更优选为1.9％以下。

Mn：0.1％以上且2.0％以下

Mn是对于脱氧及确保强度有效的元素，在小于0.1％的含量时，其效果不会显现。

另一方面，当Mn含量超过2.0％时，易于发生偏析、在偏析部中形成微型马氏体、加工性及耐疲劳特性发生劣化。

因此，Mn含量为0.1％以上且2.0％以下。

Mn含量优选为0.2％以上，更优选为0.3％以上。

另外，Mn含量优选为1.5％以下，更优选为1.4％以下。

REM：0.0001％以上且0.005％以下

REM是强大的脱硫、脱氧元素，在本实施方式的弹簧钢中发挥极为重要的作用。

这里，REM是指原子序号为57的镧～71的镥的15个元素加上原子序号为21的钪和原子序号为39的钇的共计17个元素的总称。

REM首先与钢中的氧化铝反应，夺取氧化铝中的O，生成REM-Al-O夹杂物。接着，将钢中的S吸收，生成REM-Al-O-S夹杂物。

本实施方式的弹簧钢的REM的功能如下所述。

将氧化铝改性成含有REM、O及Al的REM-Al-O，防止氧化物的粗大化。

通过形成含有Al、REM、O及S的REM-Al-O-S，将S固定化，抑制粗大MnS的生成。

另外，将REM-Al-O或REM-Al-O-S作为核生成位点，TiN复合析出，形成以REM-Al-O-(TiN)或REM-Al-O-S-(TiN)为主要结构的大致球状的复合夹杂物，减少硬质且尖尖的方型形状的单独的TiN的析出量。

这里，(TiN)表示TiN附着在REM-Al-O或REM-Al-O-S的表面上发生复合化。

该以REM-Al-O-(TiN)或REM-Al-O-S-(TiN)为主要结构的复合夹杂物与TiN的单独析出物不同，例如如图1所示，变为大致球状、在复合夹杂物的周围难以应力集中。

另外，REM-Al-O-(TiN)或REM-Al-O-S-(TiN)复合夹杂物的大小是直径为1～5μm，不会拉伸粗大化或簇状物化。

因此，不会成为破坏起点，因而是无害夹杂物。

这里，大致球状是指例如如图1所示，夹杂物表面的最大凹凸为0.5μm以下、且夹杂物的长径除以短径所得的值为3以下。

其中，TiN复合析出的理由推测是由于REM-Al-O或REM-Al-O-S的晶格结构与TiN的晶格结构类似的方面多。

本实施方式的弹簧钢的REM-Al-O或REM-Al-O-S中Ti不会以氧化物的形式被含有。

认为这是由于本实施方式的弹簧钢的T.O(总氧量)低、Ti氧化物的生成极少。

另外，由于在夹杂物中Ti不会以氧化物的形式被含有，因此认为REM-Al-O或REM-Al-O-S的晶格结构与TiN的晶格结构成为类似的关系。

进而，通过将氧化铝改性成REM-Al-O、抑制凝集合体，REM具有防止粗大的氧化铝簇状物的功能。

为了显现以上的效果，需要在钢中含有一定量以上的REM以将氧化铝改性成REM-Al-O。

另外，需要根据S量在钢中含有一定量以上的REM以形成REM-Al-O-S夹杂物、将S固定。

由这些观点探讨的结果是，实验上发现REM小于0.0001％时是不充分的。

因此，REM含量为0.0001％以上，优选为0.0002％以上，更优选为0.001％以上，进一步优选为0.002％以上。

另一方面，REM含量超过0.005％时，不稳定的附着物从耐火物上脱落，因此粗大的夹杂物易于混入到制品中、制品的疲劳强度降低。

因此，REM含量为0.005％以下，优选为0.004％以下，更优选为0.003％以下。

Al：0.01％以上且0.05％以下

Al作为降低总的氧的脱氧元素，另外作为调整钢的晶粒的元素，需要为0.01％以上、优选为0.02％以上。

但是，当超过0.05％时，不仅晶粒调整效果饱和，而且氧化铝大量残留，因而不优选。

T.O(总氧量)：0.003％以下

O是通过脱氧从钢中被除去的杂质元素，无法避免残留。O使以REM-Al-O-(TiN)或REM-Al-O-S-(TiN)为主要结构的复合夹杂物生成。

但是，当T.O增多、特别是超过0.003％时，氧化铝等氧化物大量生成、疲劳寿命降低。

本实施方式的弹簧钢中，Ti、N、P及S为杂质、如下进行限制。

Ti：小于0.005％

Ti是从Si合金等中混入的杂质、形成TiN等方型形状的粗大夹杂物。

该粗大夹杂物易于变为破坏起点、另外易于变成氢的捕捉位点，因此会使耐疲劳特性劣化。

因而，抑制上述方型形状的粗大夹杂物的生成是非常重要的。

本实施方式的弹簧钢中，可以使TiN复合化在REM-Al-O或REM-Al-O-S上，难以生成有害的单独的TiN。

实验上探讨的结果为，为了防止单独TiN的生成，Ti含量限制为小于0.005％。

Ti含量优选为0.003％以下。

Ti含量的下限包含0％，但难以工业上稳定地减少，0.0005％为工业的下限。

N：0.015％以下

N是杂质，形成氮化物使耐疲劳特性劣化，另外由于应变时效，对延展性及韧性会造成不良影响。

N含量超过0.015％时，弊病变得显著，因此限制为0.015％以下、优选限制为0.010％以下、更优选限制为0.008％以下。

N含量的下限包含0％，但难以工业上稳定地减少，0.002％为工业的下限。

P：0.03％以下

P是杂质、是偏析至晶界而损害疲劳寿命的元素。

P含量超过0.03％时，疲劳寿命的降低显著，因此限制为0.03％以下、优选限制为0.02％以下。

P含量的下限包含0％，但难以工业上稳定地减少，0.001％为工业的下限。

S：0.03％以下

S是杂质、是形成硫化物的元素。

S含量超过0.03％时，生成粗大的MnS、损害疲劳寿命，因此限制为0.03％以下、优选限制为0.01％以下。

S含量的下限包含0％，但难以工业上稳定地减少，0.001％为工业的下限。

以上是本实施方式的弹簧钢的基本成分组成、剩余部分仅包含铁及杂质。

另外“剩余部分仅包含铁及杂质构成”中的“杂质”是指在工业制造钢时，从作为原料的矿石、废料或制造环境等中混入的的物质。

但是，除了上述元素之外，还可选择地含有以下的元素。

以下对选择元素进行说明。

本实施方式的弹簧钢还可以含有Cr：2.0％以下、Cu：0.5％以下、Ni：3.5％以下、Mo：1.0％以下、W：1.0％以下及B：0.005％以下中的1种以上。

Cr：2.0％以下

Cr是对提高强度、而且提高淬火性、提高疲劳寿命有效的元素。

在需要淬火性或回火软化抗力的情况下，当含有0.05％以上的Cr时，可以稳定地发挥其效果。

特别是，为了获得优异的回火软化抗力，含有0.5％以上、优选为0.7％以上的Cr。

另一方面，Cr的含量超过2.0％时，钢材的硬度提高、冷加工性劣化，因此为2.0％以下的含量。

特别是在进行冷卷绕时，为了提高其加工中的稳定性，优选为1.5％以下的Cr含量。

Cu：0.5％以下

Cu是影响淬火性、但具有耐腐蚀性或脱碳抑制的效果的元素。

Cu含量为0.1％以上、优选为0.2％以上时，显现抑制腐蚀或脱碳的效果。

但是，当大量含有Cu时，会导致热延展性的降低，成为铸造、轧制或锻造等制造工序中的断裂或瑕疵的原因，因此Cu含量为0.5％以下、优选为0.3％以下。

因Cu导致的热延展性的降低如后所述，通过含有Ni，可以得以缓和，当为Cu含量≤Ni含量时，可以抑制热延展性的降低、维持优良品质。

Ni：3.5％以下

Ni是对于提高钢的强度及淬火性有效的元素。通过使Ni含量为0.1％以上，其效果得以显现。

Ni对淬火后的残留奥氏体量也有影响，当Ni含量超过3.5％时，残留奥氏体量增大、淬火后也是软质的原状态，作为弹簧的性能有时不足。

如此，当Ni含量超过3.5％时，会导致制品材质的不稳定，因此Ni含量为3.5％以下。

而且，Ni是昂贵的元素，从制造成本的观点出发优选进行抑制。

从残留奥氏体或淬火性的观点出发，Ni含量更优选为2.5％以下、进一步优选为1.0％以下。

含有Cu时，Ni具有抑制其弊病的效果。

即，Cu是降低钢的热延展性的元素，经常是在热轧或热锻造中导致断裂或瑕疵的原因。

但是，当含有Ni时，形成与Cu的合金相、抑制热延展性的降低。

当Cu混入时，Ni含量优选为0.1％以上、更优选为0.2％以上。

另外，在与Cu的关系中优选为Cu含量≤Ni含量。

Mo：1.0％以下

Mo是提高淬火性的元素，另外也是对提高回火软化抗力有效的元素。

特别是为了提高回火软化抗力，使Mo含量为0.05％以上。Mo还是在钢中生成Mo系碳化物的元素。

Mo系碳化物进行析出的温度与V等碳化物进行比较时低，是对于在较低温度下进行回火的高强度弹簧钢有效的元素。

该效果在0.05％以上的Mo含量时得以显现。Mo含量优选为0.1％以上。

另一方面，当Mo含量超过1.0％时，在热轧或加工前热处理中的冷却时易产生过冷组织。

为了抑制成为应变时效断裂或加工时断裂的原因的过冷组织的生成，Mo含量为1.0％以下、优选为0.75％以下。

另外，当重视抑制弹簧制造时的品质不均、确保制造稳定性时，优选Mo含量为0.5％以下。

进而，为了精密地控制冷却时的温度不均-相变应变、使形状精度稳定，优选Mo含量为0.3％以下。

W：1.0％以下

W与Mo同样，是对提高淬火性及回火软化抗力有效的元素、且是在钢中作为碳化物析出的元素。

特别是为了获得高的回火软化抗力，使W含量为0.05％以上、优选为0.1％以上。

另一方面，当W含量超过1.0％时，在热轧或加工前的热处理的冷却时易于产生过冷组织。

为了抑制成为应变时效断裂或加工时断裂的原因的过冷组织的生成，W含量为1.0％以下、优选为0.75％以下，

B：0.005％以下

B是以微量的含量提高钢材的淬火性的元素。

另外，当母材为高C材时，B在热轧后的冷却过程中生成硼铁碳化物、增加铁素体的成长速度、促进软质化。

进而，对于B来说，通过含有0.0005％以上，偏析至奥氏体粒界、抑制P的偏析，因此提高粒界强度，由此也有助于提高疲劳强度、冲击强度。

但是，当B含量超过0.005％时，其效果达到饱和，在铸造、轧制及锻造等的制造时，马氏体或贝氏体等所谓的过冷组织易于生成、会使制品的制造性或冲击强度劣化，因此为0.005％以下、优选为0.003％以下。

本实施方式的弹簧钢还可以进一步以质量％计含有V：0.7％以下及Nb：0.05％以下中的1种以上。

V：0.7％以下

V是与钢中的C、N相结合生成氮化物、碳化物、碳氮化物的元素，通常成为当量圆直径小于0.2μm的微细的V的氮化物、碳化物、碳氮化物，对于回火软化抗力的提高、屈服点的提高及旧奥氏体的微细化是有效的。

V在通过回火使其充分地析出至钢材中时，可以提高硬度或抗拉强度，因此是根据需要含有的选择元素。

为了获得这些效果，使V含量为0.05％以上、优选为0.06％以上。

另一方面，当V含量超过0.7％时，碳化物或碳氮化物即便是淬火前的加热也不会充分地溶解，作为粗大的球状碳化物、所谓的未溶解碳化物残留，损害加工性或耐疲劳特性，因此为0.7％以下。

当过剩地含有V时，在加工前易于产生成为断裂或拉丝时的断线的原因的过冷组织，因此优选V含量为0.5％以下。

当重视抑制弹簧制造时的品质不均、确保制造稳定性时，优选V含量为0.3％以下。

另外，由于V是对残留奥氏体的生成造成大影响的元素，因此需要精密地进行控制。

即，当含有其他的淬火性提高元素、例如Mn、Ni、Mo及W的1种以上时，优选V含量为0.25％以下。

Nb：0.05％以下

Nb与钢中的C、N结合，生成氮化物、碳氮化物、碳化物。

Nb即便是微量，与不含Nb的情况相比，对于抑制粗大粒的生成也是极为有效的。

这种效果在使Nb含量为0.005％以上得以显现。

另一方面，Nb是降低热延展性的元素，当过剩地含有时，会导致铸造、轧制、锻造的断裂、大大损害制造性。

因此，Nb含量为0.05％以下。

进而，当重视冷卷绕性等加工性时，优选使Nb含量小于0.03％、进而小于0.02％。

本实施方式的弹簧钢进一步还可以以质量％含有Ca：0.0020％以下。

Ca：0.0020％以下

对于Ca来说，由于具有强大的脱硫作用、对抑制MnS生成有效，因此以脱硫为目的还可以含有0.0001％以上。

但是，对于Ca来说，钢中的REM-Al-O夹杂物或REM-Al-O-S夹杂物会将Ca吸收、形成REM-Ca-Al-O或REM-Ca-Al-O-S。

与REM-Al-O及REM-Al-O-S相比，REM-Ca-Al-O及REM-Ca-Al-O-S在为氧含量多的氧化物主体时，其尺寸有增大的倾向。进而，由于REM-Ca-Al-O及REM-Ca-Al-O-S使TiN复合析出的能力差，因此从TiN的无害化的观点出发，优选Ca少。

推测其原因在于，REM-Ca-Al-O及REM-Ca-Al-O-S与REM-Al-O及REM-Al-O-S相比，与TiN的晶格结构的类似性差。

另外，当钢中的Ca含量超过0.0020％时，大量生成低熔点的Al-Ca-O氧化物、通过轧制等进行拉伸、变成粗大的夹杂物，成为疲劳蓄积源或破坏起点。

因此，Ca为选择元素，为0.0001％以上且0.0020％以下。

接着，说明夹杂物对疲劳寿命的影响。

本发明人们进行深入研究的结果，实验性地发现：

(1)如图1所示，通过以0.004个/mm²以上含有在含REM、O及Al的夹杂物或含REM、O、S及Al的夹杂物上附着有TiN的、最大直径为2μm以上的复合夹杂物，可抑制单独析出的TiN的生成、实现提高疲劳寿命；

(2)但是即便是上述的复合夹杂物，当观察到其当量圆直径超过40μm的尺寸者时，疲劳强度有降低的倾向；及

(3)与上述复合夹杂物分别单独存在的、对疲劳寿命造成不良影响等价的下述夹杂物(a)、(b)、(c)的总数为10个/mm²以下时，可获得良好的疲劳寿命。

(a)最大长度为10μm以上的MnS(拉伸的MnS)

(b)最大直径为10μm以上的氧化铝簇状物

(c)最大直径为1μm以上的TiN(单独的TiN)

本实施方式的弹簧钢中，将氧化铝改性成REM-Al-O，因此抑制对耐疲劳特性等有害的氧化铝簇状物的生成。

另外，由于S作为REM-Al-O-S被固定，因此抑制进行拉伸、使耐疲劳特性等劣化的MnS的生成。

进而，例如如图1所示，由于TiN复合化在REM-Al-O-S上，生成以REM-Al-O-S-(TiN)为主要结构的大致球状的复合夹杂物，因此可抑制对疲劳寿命造成不良影响的、单独析出的TiN的生成。

结果，将(a)最大长度为10μm以上的MnS(拉伸的MnS)、(b)最大直径为10μm以上的氧化铝簇状物及(c)最大直径为1μm以上的TiN(单独的TiN)的总个数密度抑制为10个/mm²以下，可改善疲劳寿命。

接着，对本实施方式的弹簧钢的制造方法进行说明。

对本实施方式的弹簧钢用的钢水进行精炼时，脱氧剂的投入顺序和脱氧时间是重要的。

本制造方法中，首先使用Al进行脱氧，使T.O(总氧量)为0.003％以下。

接着，使用REM进行5分钟以上的脱氧，进行包含真空脱气的浇包精炼。

在利用REM的脱氧之前，使用Al以外的元素进行脱氧时，无法稳定地降低氧量。另外，在使用了Al的脱氧后，通过使用REM进行脱氧，易于生成在REM-Al-O或REM-Al-O-S上附着有TiN的复合夹杂物。

另外，在REM的添加后小于5分钟的脱氧中，无法充分地对氧化铝进行改性。

本制造方法中，通过以上述顺序添加脱氧剂，生成REM-Al-O夹杂物、抑制有害的氧化铝的生成。

REM的添加可以使用混合稀土合金(稀土类元素的混合物)等，例如将块状的混合稀土合金添加在钢水中即可。

另外，在精炼末期通过添加Ca-Si合金或CaO-CaF₂焊剂等，还可以适当地进行利用Ca的脱硫。

经浇包精炼的钢水中通过脱氧生成的REM-Al-O或REM-Al-O-S的比重约为6，接近钢的比重的7，因此在钢水中难以浮起分离。

因此，在将钢水注入到铸型内时，由于下降流侵入到铸坯未凝固层深处，易于偏析至铸坯的中心部。

当REM-Al-O或REM-Al-O-S偏析至铸坯的中心部时，铸坯的表层部中REM-Al-O或REM-Al-O-S不足，因此难以生成在REM-Al-O或REM-Al-O-S上附着有TiN的复合夹杂物。因此，TiN的无害化效果在制品的表层部受损。

因此为了防止REM-Al-O及REM-Al-O-S的偏析，本制造方法中在水平方向上搅拌铸型内的钢水使其旋转，实现夹杂物的均匀分散。

本制造方法中，以0.1m/分钟以上的流速进行铸型内旋转，实现REM-Al-O及REM-Al-O-S的均匀分散。

当铸型内旋转的速度小于0.1m/分钟时，REM-Al-O及REM-Al-O-S均匀分散的效果小。

作为搅拌方法，例如应用电磁力等即可。

接着对经铸造的钢实施均热化处理，之后进行开坯轧制。

在均热化处理中，在1250～1200℃的温度区域内保持60秒以上，可以获得上述的复合夹杂物。

该温度区域是TiN开始向REM-Al-O及REM-Al-O-S复合析出的范围，该温度区域内，使TiN在REM-Al-O或REM-Al-O-S的表面上充分地成长。为了抑制单独析出的TiN，需要在1250～1200℃的温度区域内保持60秒以上。

本发明人们在实验上发现了该情况。

另外，通常当在1250～1200℃的温度下进行加热时，TiN发生固溶。

但是，本实施方式的弹簧钢中，由于C高达0.4％以上且小于0.9％，因此存在大量渗碳体，渗碳体中的N的溶解度低，由于该关系，认为TiN在REM-Al-O或REM-Al-O-S上析出成长。

作为弹簧的成型法，使用热成型法及冷成型法这两种。

热成型法是通过开坯轧制和线材轧制制造线材之后，为了调整圆度，进行稍微的拉丝加工，制成钢丝。进而，对钢丝进行加热，在900～1050℃的热度下成型为弹簧形状之后，通过850～950℃下的淬火和420～500℃下的回火的热处理，调整强度。

另一方面，冷成型法是进行开坯轧制和线材轧制之后，为了调整圆度，进行稍微的拉丝加工，制成钢丝。进而，在成型为弹簧形状之前，对钢丝进行加热，通过850～950℃下的淬火和420～500℃下的回火的热处理，调整钢丝的强度。之后，在室温下成型为弹簧形状。

之后，根据需要进行喷丸固化，另外在表面实施镀覆或者树脂涂布等，制成制品。

实施例

接着，对本发明的实施例进行说明，但实施例的条件是用于确认本发明实施可能性及效果所采用的一个条件例，本发明并非限定于该一个条件例。

本发明只要不脱离本发明的要旨、达成本发明的目的，则可以采用各种条件。

在利用浇包精炼的真空脱气中，使用金属Al、混合稀土合金、Ca-Si合金、CaO：CaF₂＝50：50(质量比)的焊剂，在表1所示的条件下进行精炼，获得由表2、表3所示成分组成构成的钢水，利用连续铸造装置铸造成300mm见方的铸坯。

此时，在表1所示的条件下进行利用电磁搅拌的铸型内旋转，进行铸造，制造了钢锭。

在1200～1250℃下对钢锭加热表1所示的时间，进行开坯轧制，制成160mm×160mm的钢坯。将钢坯再次加热至1100℃，进行棒钢轧制，制成直径为15mm的棒钢。

进而，对从该棒钢切出的样品实施900℃×20分钟的淬火和450℃×20分钟的回火热处理，之后进行水冷，将线材的硬度调整至维氏硬度为480～520。

之后，通过精加工制作JIS Z2274(1978)金属材料的旋转弯曲疲劳试验方法1号试验片(全长为80mm、夹持部长度为20mm、夹持部直径D₀＝12mm、平行部直径d＝6mm、平行部长度L＝10mm)。

进而，在3％NaCl+0.3％硫氰酸铵水溶液中以试验片为阴极进行电解充电，使钢中含有0.2～0.5ppm的氢。

在充电后，实施镀Zn、将氢密封在试验片中。使用小野式旋转弯曲疲劳试验机将该试验片供至基于JIS Z2273(1978)的利用对称应力重复应力的旋转弯曲疲劳试验，评价了至5×10⁵的疲劳限下的负荷应力。

另外，对试验片的拉伸方向的截面进行镜面研磨，利用选择性恒电位电解蚀刻法(SPEED法)进行处理之后，以距离表面为半径1/2的深度为中心，利用扫描型电子显微镜观察在半径方向为2mm的宽度、轧制方向长度为5mm的范围的钢中的夹杂物，使用EDX分析夹杂物的组成，计数试样的10mm²内的夹杂物，测定了个数密度。

表1

※：表示吹入了含CaO的焊剂

表2

表3

将其结果示于表4。

实施例1～28的氧化物夹杂物变成图1所示的在REM-Al-O或REM-Al-O-S上附着有TiN的复合夹杂物，不含最大直径为10μm以上的氧化铝簇状物。最大长度为10μm以上的MnS及最大直径为1μm以上的TiN的总个数如表4所示，为10个/mm²以下。

另外，实施例1～28中，由旋转弯曲疲劳试验获得的疲劳强度与比较例1～7相比，高达数十MPa以上，获得了良好的耐疲劳特性。

比较例1中，由于仅添加Al、未添加REM，因此存在大量氧化铝簇状物、MnS及TiN。

比较例2中，由于REM含量少，因此存在大量氧化铝簇状物、MnS及TiN。

比较例3中，由于S含量多，因此存在大量MnS。

比较例4中，由于REM添加后的回流时间短，因此存在大量氧化铝簇状物、MnS及TiN。

比较例5中，由于铸型内的旋转流速低，因此REM-Al-O或REM-Al-O-S析出至铸坯的中心附近，在表层部存在大量TiN。

比较例6中，由于1250～1200℃区域的保持时间短，因此存在大量TiN。

比较例7中，由于REM含量多，因此附着有TiN的复合夹杂物的最大直径增大。

以上的比较例中，由于上述夹杂物的影响，制品的疲劳强度均不良。

表4

产业上的利用可能性

根据本发明，在弹簧钢中将氧化铝改性成REM-Al-O，可以防止氧化物的粗大化，另外将S作为REM-Al-O-S进行固定化，可以抑制粗大MnS，进而通过使TiN复合在REM-Al-O-S的夹杂物中，可以减少单独析出的TiN的个数密度，因此可以提供耐疲劳特性优异的弹簧钢。

因此，本发明的产业上的利用可能性高。

符号说明

A REM-Al-O-S

B 复合析出在REM-Al-O-S表面上的TiN

C 初析渗碳体

Claims

1.一种弹簧钢，其特征在于，其化学组成以质量％计为：

C：0.4％～小于0.9％、

Si：1.0％～3.0％、

Mn：0.1％～2.0％、

Al：0.01％～0.05％、

REM：0.0001％～0.005％、

T.O：0.0001％～0.003％、

Ti：小于0.005％、

N：0.015％以下、

P：0.03％以下、

S：0.03％以下、

Cr：0％～2.0％、

Cu：0％～0.5％、

Ni：0％～3.5％、

Mo：0％～1.0％、

W：0％～1.0％、

B：0％～0.005％、

V：0％～0.7％、

Nb：0％～0.05％、

Ca：0％～0.0020％、

剩余部分：铁及杂质，

所述T.O为氧总量，

以0.004个/mm²～10个/mm²含有在含REM、O及Al的夹杂物上附着有TiN的、最大直径为2μm以上的复合夹杂物，所述复合夹杂物的最大直径为40μm以下，

最大直径为10μm以上的氧化铝簇状物、最大长度为10μm以上的MnS及最大直径为1μm以上的TiN的总个数密度为10个/mm²以下。

2.根据权利要求1所述的弹簧钢，其特征在于，其含有选自由

Cr：0.05％以上且2.0％以下、

Cu：0.1％以上且0.5％以下、

Ni：0.1％以上且3.5％以下、

Mo：0.05％以上且1.0％以下、

W：0.05％以上且1.0％以下、

B：0.0005％以上且0.005％以下、

V：0.05％以上且0.7％以下、

Nb：0.005％以上且0.05％以下、

及Ca：0.0001％以上且0.0020％以下构成的组中的1种以上的元素。

3.权利要求1所述的弹簧钢的制造方法，其特征在于，其具备以下工序：

在通过包含真空脱气的浇包精炼制造权利要求1所述的化学组成的钢水时，首先使用Al进行脱氧，接着使用REM进行5分钟以上的脱氧的工序；

在铸型内对所述钢水进行铸造时，在所述铸型内使所述钢水在水平方向上以0.1m/分钟以上进行旋转的工序；以及

通过均热化处理将通过所述铸造获得的铸坯在1250～1200℃的温度区域内保持60秒以上，之后进行开坯轧制的工序。

4.一种弹簧，其特征在于，其由权利要求1所述的弹簧钢形成。