CN106232849A

CN106232849A - 弹簧钢及其制造方法

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Publication number: CN106232849A
Application number: CN201580021115.1A
Authority: CN
Inventors: 桥村雅之; 山本隼也; 水上和实; 吉田直嗣; 宫嵜雅文; 宫本健郎; 宫本健一郎
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2014-04-23
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2035-04-22
Also published as: WO2015162928A1; JPWO2015162928A1; US10202665B2; EP3135785A4; CN106232849B; BR112016023912A2; EP3135785A1; JP6179667B2; KR20160145763A; KR101830023B1; EP3135785B1; BR112016023912B1; US20170044633A1

Abstract

对于弹簧钢要求疲劳强度、韧性、冷加工时的延展性。对于本实施方式的弹簧钢，具有如下的化学组成：以质量％计含有C：0.4～0.7％、Si：1.1～3.0％、Mn：0.3～1.5％、P：0.03％以下、S：0.05％以下、Al：0.01～0.05％、稀土元素：0.0001～0.002％、N：0.015％以下、O：0.0030％以下、Ti：0.02～0.1％，作为任意元素含有Ca、Cr、Mo、W、V、Nb、Ni、Cu、及B，余量为Fe及杂质。弹簧钢中，等效圆直径为5μm以上的氧化物系夹杂物的个数为0.2个/mm²以下，所述氧化物系夹杂物为：Al系氧化物，含有REM、O及Al的复合氧化物，及含有REM、O、S及Al的复合氧硫化物中的任意氧化物系夹杂物。进而，氧化物系夹杂物的等效圆直径的最大值为40μm以下。

Description

弹簧钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及弹簧钢及其制造方法。

背景技术

弹簧钢被用于汽车或一般机械。例如，作为汽车的悬架弹簧而使用弹簧钢的情况下，对于弹簧钢要求高的疲劳强度。最近，要求出于燃油消耗改善目的的、汽车的轻量化、高输出化。因此，对于发动机或悬架中使用的弹簧钢要求更高的疲劳强度。

钢材中有时存在以氧化铝为代表的氧化物系夹杂物。若氧化物系夹杂物粗大，则疲劳强度降低。

氧化铝在精炼工序中使钢水脱氧时生成。铁水包等包含氧化铝系耐火物的情况较多。因此，不仅是进行Al脱氧的情况下，用Al以外的元素(例如Si、Mn等)进行脱氧的情况下，也有时在钢水中生成氧化铝。钢水中的氧化铝容易聚集、容易集束(clustering)。即，氧化铝容易粗大化。

使以氧化铝为代表的氧化物系夹杂物微细化的技术被公开于日本特开平5-311225号公报(专利文献1)、日本特开2009-263704号公报(专利文献2)、日本特开平9-263820号公报(专利文献3)、及日本特开平11-279695号公报(专利文献4)。

专利文献1记载了以下事项。向钢水中添加Mg合金。由此，氧化铝减少，取而代之的是生成尖晶石(MgO·Al₂O₃)或MgO。因此，抑制由氧化铝的聚集而导致的氧化铝的粗大化。

但是，专利文献1的制造方法的情况下，在连续铸造装置中有时喷嘴会阻塞。此时，钢水中容易混入粗大夹杂物。此时，钢的疲劳强度变低。

专利文献2记载了以下事项。在钢丝材料的长度方向截面中的SiO₂-Al₂O₃-CaO系氧化物的平均化学组成设为SiO₂：30～60％、Al₂O₃：1～30％、CaO：10～50％，将上述氧化物的熔点控制在1400℃以下。进而，这些氧化物中含有0.1～10％的B₂O₃。由此，氧化物系夹杂物微细分散。

但是，B₂O₃虽然对上述的氧化物是有效的，但有时难以抑制氧化铝的集束。此时，疲劳强度变低。

专利文献3记载了以下事项。Al镇静钢的制造中，向钢水中投入由选自由Ca、Mg及稀土元素(REM)组成的组中的2种以上和Al形成的合金进行脱氧。

但是，即使向弹簧钢中投入上述合金，也存在氧化物系夹杂物未微细化的情况。此时，弹簧钢的疲劳强度变低。

专利文献4记载了以下事项。轴承用钢丝材料中，通过含有0.010％以下的REM(实施例中为0.003％)，使夹杂物球状化。

但是，即使弹簧钢中含有上述含量的REM，也存在氧化物系夹杂物未微细化的情况。此时，弹簧钢的疲劳强度变低。

进而，悬架弹簧具有吸收行驶中的由于路面的凹凸导致的车体振动的功能。因此，弹簧钢不仅要求疲劳强度、还要求高韧性。

另外，弹簧的制造方法有热成形和冷成形。冷成形中，采用冷加工卷绕制造弹簧。因此，对于弹簧钢也要求冷加工时的高延展性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平5-311225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9-263820号公报

专利文献4：日本特开平11-279695号公报

发明内容

发明要解决的问题

本发明的目的在于提供疲劳强度、韧性、及延展性优异的弹簧钢。

对于本实施方式的弹簧钢，具有以质量％计含有C：0.4～0.7％、Si：1.1～3.0％、Mn：0.3～1.5％、P：0.03％以下、S：0.05％以下、Al：0.01～0.05％、稀土元素：0.0001～0.002％、N：0.015％以下、O：0.0030％以下、Ti：0.02～0.1％、Ca：0～0.0030％、Cr：0～2.0％、Mo：0～1.0％、W：0～1.0％、V：0～0.70％、Nb：0～不足0.050％、Ni：0～3.5％、Cu：0～0.5％、及B：0～0.0050％，余量为Fe及杂质的化学组成。弹簧钢中，等效圆直径为5μm以上的氧化物系夹杂物的个数为0.2个/mm²以下，所述氧化物系夹杂物为：Al系氧化物；含有REM、O及Al的复合氧化物；及含有REM、O、S及Al的复合氧硫化物中的任意氧化物系夹杂物。进而，氧化物系夹杂物的等效圆直径的最大值为40μm以下。

本实施方式的弹簧钢的疲劳强度、韧性、及延展性优异。

附图说明

图1为本实施方式的弹簧钢中的含有Al、O(氧)、REM(本例为Ce)、和S的复合氧硫化物的SEM图像。

图2为用于说明铸造工序中的铸坯的冷却速度的测定方法的铸坯的横截面图。

图3A为超声波疲劳试验片的侧面图。

图3B为示出为图3A中示出的超声波疲劳试验片的原材料的粗试验片的采取位置的示意图。

具体实施方式

对于本实施方式的弹簧钢，Al系氧化物、复合氧化物(含有REM、且含有Al、O的夹杂物)、及复合氧硫化物(含有REM、且含有Al、O、S的夹杂物)中的任意氧化物系夹杂物被微细分散。因此，疲劳强度高。进而，本实施方式的弹簧钢含有Ti，因此具有高韧性。因此，本实施方式的弹簧钢的延展性优异。

上述弹簧钢的化学组成也可以含有Ca：0.0001～0.0030％。上述弹簧钢的化学组成也可以含有选自由Cr：0.05～2.0％、Mo：0.05～1.0％、W：0.05～1.0％、V：0.05～0.70％、Nb：0.002～不足0.050％、Ni：0.1～3.5％、Cu：0.1～0.5％、及B：0.0003～0.0050％组成的组中的1种或2种以上。

本实施方式的弹簧钢的制造方法具备：对具有上述化学组成的钢水进行精炼的工序、使用精炼后的钢水利用连续铸造法制造铸坯的工序、和对铸坯进行热加工的工序。对钢水进行精炼的工序包含：在钢包精炼时使用Al使钢水脱氧的工序，和使用Al的脱氧后，使用REM进行5分钟以上使钢水脱氧的工序。制造铸坯的工序包含：在铸模内搅拌钢水，使其在水平方向以0.1m/分钟以上的流速进行旋转的工序，和以1～100℃/分钟的冷却速度对浇铸中的铸坯进行冷却的工序。

精炼工序中，在钢包精炼时依次实施Al脱氧、REM脱氧，且实施5分钟以上REM脱氧。进而，连续铸造工序中以上述的流速进行旋转、以上述的冷却速度进行冷却。通过该制造方法，能够制造满足上述的粗大氧化物系夹杂物的个数及粗大氧化物系夹杂物的等效圆直径的最大值的弹簧钢。

以下，针对本实施方式的弹簧钢详细地进行说明。各元素的含量的“％”是指“质量％”。

[化学组成]

本实施方式的弹簧钢的化学组成含有以下的元素。

C：0.4～0.7％

碳(C)提高钢的强度。C含量过低时，得不到该效果。另一方面，C含量过高时，热轧后的冷却过程中先共析渗碳体(pro-eutectoid cementite)过量地生成。此时，钢的拉丝时的加工性降低。因此，C含量为0.4～0.7％。C含量的优选下限为高于0.4％、进一步优选为0.45％、进一步优选为0.5％。C含量的优选上限为不足0.7％、进一步优选为0.65％、进一步优选为0.6％。

Si：1.1～3.0％

硅(Si)提高钢的淬透性、提高钢的疲劳强度。Si还提高抗弹力衰减性(耐へたり性)。Si含量过低时，得不到该效果。另一方面，Si含量过高时，珠光体中的铁素体的延展性降低。Si含量过高时还助长轧制、淬火及回火工序的脱碳，钢的强度降低。因此，Si含量为1.1～3.0％。Si含量的优选下限为高于1.1％、进一步优选为1.2％、进一步优选为1.3％。Si含量的优选上限为不足3.0％、进一步优选为2.5％、进一步优选为2.0％。

Mn：0.3～1.5％

锰(Mn)使钢脱氧。Mn还提高钢的强度。Mn含量过低时，得不到这些效果。另一方面，Mn含量过高时，产生偏析。偏析部生成微小马氏体。微小马氏体是轧制工序中产生瑕疵的主要原因。微小马氏体还降低钢的拉丝时的加工性。因此，Mn含量为0.3～1.5％。Mn含量的优选下限为高于0.3％、进一步优选为0.4％、进一步优选为0.5％。Mn含量的优选上限为不足1.5％、进一步优选为1.4％、进一步优选为1.2％。

P：0.03％以下

磷(P)为杂质。P在晶界发生偏析，降低钢的疲劳强度。因此，P含量优选尽可能低。P含量为0.03％以下。P含量的优选上限为不足0.03％、进一步优选为0.02％。

S：0.05％以下

硫(S)为杂质。S形成粗大的MnS，降低钢的疲劳强度。因此，S含量优选尽可能低。S含量为0.05％以下。S含量的优选上限为不足0.05％、进一步优选为0.03％、进一步优选为0.01％。

Al：0.01～0.05％

铝(Al)使钢脱氧。Al还调节钢的晶粒。Al含量过低时，得不到该效果。另一方面，Al含量过高时，上述效果饱和。Al含量过高时，大量残留氧化铝。因此，Al含量为0.01～0.05％。Al含量的优选下限为高于0.01％。Al含量的优选上限为不足0.05％、进一步优选为0.035％。本说明书所说的Al含量是指所谓的总Al(Total Al)的含量。

REM：0.0001～0.002％

稀土元素(REM)使钢脱硫及脱氧。REM还与Al系氧化物键合，使氧化物系夹杂物微细化。以下，针对该点进行说明。

本说明书中，氧化物系夹杂物为以氧化铝为代表的Al系氧化物、复合氧化物、及复合氧硫化物中的任意1种以上。Al系氧化物、复合氧化物、复合氧硫化物定义如下。

Al系氧化物含有30％以上的O(氧)、和5％以上的Al。Al系氧化物还可以含有Mn、Si、Ca、Mg等脱氧元素中的至少1种以上。Al系氧化物中的REM含量不足1％。

复合氧化物含有30％以上的O(氧)、5％以上的Al、和1％以上的REM。复合氧化物还可以含有Mn、Si、Ca、Mg等脱氧元素中的至少1种以上。

复合氧硫化物含有30％以上的O(氧)、5％以上的Al、1％以上的REM、和S。复合氧硫化物还可以含有Mn、Si、Ca、Mg等脱氧元素中的至少1种以上。

REM与钢中的Al系氧化物反应形成复合氧化物。复合氧化物有时还与S反应形成复合氧硫化物。如此，REM使Al系氧化物变为复合氧化物或复合氧硫化物。此时，能够抑制Al系氧化物在钢水中聚集成束，能够将微细的氧化物系夹杂物分散于钢中。

图1为示出本实施方式的弹簧钢中的复合氧硫化物的一例的SEM图像。图1中的复合氧硫化物的等效圆直径不足5μm。图1中的复合氧硫化物的化学组成含有64.4％的O(氧)、18.4％的Al、5.5％的Mn、4.6％的S、和3.8％的Ce(REM)。

图1所代表的复合氧化物及复合氧硫化物的等效圆直径为1～5μm左右，是微细的。进而，不发生复合氧化物及复合氧硫化物延伸而粗大化、或集束。因此，复合氧化物及复合氧硫化物不易成为疲劳破坏的起点。因此，弹簧钢的疲劳强度提高。

对于本实施方式的弹簧钢，优选的是，氧化物系夹杂物中至少含有复合氧硫化物。此时，S被固定于复合氧硫化物。因此，抑制MnS的析出、也抑制TiS在晶界析出。其结果，弹簧钢的延展性提高。

REM含量过低时，得不到这些效果。另一方面，REM含量过高时，存在在连续铸造中含有REM的夹杂物阻塞喷嘴的情况。即使含有REM的夹杂物不阻塞喷嘴的情况下，含有REM的粗大的夹杂物也含在钢中，钢的疲劳强度降低。因此，REM含量为0.0001～0.002％。REM含量的优选下限为高于0.0001％、进一步优选为0.0002％、进一步优选为高于0.0003％。REM含量的优选上限为不足0.002％、进一步优选为0.0015％、进一步优选为0.0010％、进一步优选为0.0005％。

本说明书所说的REM是从原子序号57的镧(La)到原子序号71的镥(Lu)的镧系元素、原子序号21的钪(Sc)、及原子序号39的钇(Y)的总称。

N：0.015％以下

氮(N)为杂质。N形成氮化物、降低钢的疲劳强度。N还引起应变时效，钢的延展性及韧性降低。因此，N含量优选尽可能低。N含量为0.015％以下。N含量的优选上限为不足0.015％、进一步优选为0.010％、进一步优选为0.008％、进一步优选为0.006％。

O：0.0030％以下

氧(O)为杂质。O形成Al系氧化物、复合氧化物及复合氧硫化物。氧含量过高时，产生较多粗大的Al系氧化物，钢的疲劳寿命降低。因此，O含量为0.0030％以下。O含量的优选上限为不足0.0030％、进一步优选为0.0020％、进一步优选为0.0015％。本说明书所说的O含量为所谓的总氧量(T.O)。

Ti：0.02～0.1％

钛(Ti)在A₃点以上的奥氏体温度区域形成微细的Ti碳化物及Ti碳氮化物。在淬火所需的加热时，Ti碳化物及Ti碳氮化物对奥氏体粒发挥钉扎效应、使晶粒微细且均匀。因此，Ti提高钢的韧性。

一般而言，含有Ti的情况下，形成Ti碳化物、Ti碳氮化物，此外TiS在晶界析出。TiS与MnS同样地使钢的延展性降低。

但是，如上所述，本实施方式的弹簧钢中，S与REM键合形成复合氧硫化物。因此，S不在晶界发生偏析，不易生成TiS及MnS。因此，本实施方式中，通过含有Ti，提高韧性、也可以得到高延展性。Ti含量过低时，得不到该效果。

另一方面，Ti含量过高时，生成粗大的TiN。TiN容易成为破坏起点、也容易成为氢的捕获位点(trapping site)。因此，钢的疲劳强度降低。因此，Ti含量为0.02～0.1％。Ti含量的优选下限为高于0.02％、进一步优选为0.04％。Ti含量的优选上限为不足0.1％、进一步优选为0.08％、进一步优选为0.06％。

本实施方式的弹簧钢的化学组成的余量为Fe及杂质。此处，杂质是指，工业地制造钢材时，从作为原料的矿石、废屑或从制造环境等中混入的，在对本实施方式的弹簧钢的效果不造成不良影响的范围内所允许的物质。

本实施方式的弹簧钢的化学组成也可以进一步含有Ca来代替Fe的一部分。

Ca：0～0.0030％

钙(Ca)为任意元素，也可以不含有。含有Ca的情况下，Ca使钢脱硫。另一方面，Ca含量过高时，低熔点下形成粗大的Al-Ca-O氧化物。Ca含量过高时，复合氧硫化物还吸收Ca。吸收了Ca的复合氧硫化物容易粗大化。这些粗大的氧化物容易成为钢的破坏起点。因此，Ca含量为0～0.0030％。Ca含量的优选下限为0.0001％以上、进一步优选为0.0003％、进一步优选为0.0005％。Ca含量的优选上限为不足0.0030％、进一步优选为0.0020％、进一步优选为0.0015％。

本实施方式的弹簧钢的化学组成还可以含有Cr、Mo、W、V、Nb、Ni、Cu、及B组成的组中的1种或2种以上来代替Fe的一部分。这些元素均提高钢的强度。

Cr：0～2.0％

铬(Cr)为任意元素，也可以不含有。含有的情况下，Cr提高钢的强度。Cr还提高钢的淬透性、提高钢的疲劳强度。Cr还提高抗回火软化。另一方面，Cr含量过高时，钢的硬度变得过高、延展性降低。因此，Cr含量为0～2.0％。Cr含量的优选下限为0.05％。提高抗回火软化的情况下，Cr含量的优选下限为0.5％、进一步优选为0.7％。Cr含量的优选上限为不足2.0％。采用冷加工进行卷绕制造弹簧钢材的情况下，Cr含量的进一步优选上限为1.5％。

Mo：0～1.0％

钼(Mo)为任意元素，也可以不含有。含有的情况下，Mo提高钢的淬透性，提高钢的强度。Mo还提高钢的抗回火软化。Mo还形成微细的碳化物、使晶粒微细化。Mo碳化物与V碳化物相比，在低温下析出。因此，Mo对于低温下回火的高强度的弹簧钢的晶粒微细化是有效的。

另一方面，Mo含量过高时，变得在热轧后的冷却过程中容易生成过冷组织。过冷组织成为季裂及加工时的裂纹的原因。因此，Mo含量为0～1.0％。Mo含量的优选下限为0.05％、进一步优选为0.10％。Mo含量的优选上限为不足1.0％、进一步优选为0.75％、进一步优选为0.50％。

W：0～1.0％

钨(W)为任意元素，也可以不含有。含有的情况下，W与Mo同样地提高钢的淬透性、提高钢的强度。W还提高钢的抗回火软化。另一方面，W含量过高时，与Mo同样地生成过冷组织。因此，W含量为0～1.0％。得到高抗回火软化的情况下，W含量的优选下限为0.05％、进一步优选为0.1％。W含量的优选上限为不足1.0％、进一步优选为0.75％、进一步优选为0.50％。

V：0～0.70％

钒(V)为任意元素，也可以不含有。含有的情况下，V形成微细的氮化物、碳化物及碳氮化物。这些析出物提高钢的抗回火软化、提高钢的强度。这些析出物还使晶粒微细化。另一方面，V含量过高时，V氮化物、V碳化物及V碳氮化物即使在淬火时的加热下也未充分地熔解。未熔解的V氮化物、V碳化物及V碳氮化物粗大化并残留于钢中，降低钢的延展性及疲劳强度。V含量过高时还生成过冷组织。因此，V含量为0～0.70％。V含量的优选下限为0.05％、进一步优选为0.06％、进一步优选为0.08％。V含量的优选上限为不足0.70％、进一步优选为0.50％、进一步优选为0.30％、最优选上限为0.25％。

Nb：0～不足0.050％

铌(Nb)为任意元素，也可以不含有。含有的情况下，与V同样地形成氮化物、碳化物及碳氮化物，提高钢的强度、抗回火软化，使晶粒微细化。另一方面，Nb含量过高时，钢的延展性降低。因此，Nb含量为0～不足0.050％。Nb含量的优选下限为0.002％、进一步优选为0.005％、进一步优选为0.008％。通过冷卷绕制造弹簧的情况下，Nb含量的优选上限为不足0.030％、进一步优选为不足0.020％。

Ni：0～3.5％

镍(Ni)为任意元素，也可以不含有。含有的情况下，Ni与Mo同样地提高钢的强度及淬透性。在含有Cu的情况下，Ni还与Cu形成合金相，抑制钢的热加工性的降低。另一方面，Ni含量过高时，残留奥氏体量过量增加，因此淬火后的钢的强度降低。残留奥氏体还会随着使用而发生马氏体相变而膨胀。因此，制品形状的精度降低。因此，Ni含量为0～3.5％。Ni含量的优选下限为0.1％、进一步优选为0.2％、进一步优选为0.3％。Ni含量的优选上限为不足3.5％、进一步优选为2.5％、进一步优选为1.0％。含有Cu的情况下，优选Ni含量为Cu含量以上。

Cu：0～0.5％

铜(Cu)为任意元素，也可以不含有。含有的情况下，Cu提高钢的淬透性，提高钢的强度。Cu还提高钢的耐腐蚀性，抑制钢的脱碳。另一方面，Cu含量过高时热加工性降低。此时，铸造、轧制及锻造等的制造过程中变得容易产生瑕疵。因此，Cu含量为0～0.5％。Cu含量的优选下限为0.1％、进一步优选为0.2％。Cu含量的优选上限为不足0.5％、进一步优选为0.4％、进一步优选为0.3％。

B：0～0.0050％

硼(B)为任意元素，也可以不含有。含有的情况下，B提高钢的淬透性，提高钢的强度。

B还固溶在钢中、在晶界发生偏析。该固溶B抑制P、N、S等使晶界脆化的元素在晶界发生偏析。因此，B使晶界强化。本实施方式的弹簧钢中，与Ti、REM一同含有B时，晶界的S偏析显著地被抑制。因此，钢的疲劳强度及韧性提高。

另一方面，B含量过高时，马氏体或贝氏体等过冷组织生成。因此，B含量为0～0.0050％。B含量的优选下限为0.0003％以上、进一步优选为0.0005％、进一步优选为0.0008％。B含量的优选上限为不足0.0050％、进一步优选为0.0030％、进一步优选为0.0020％。

[显微组织]

[粗大氧化物系夹杂物的个数TN]

具有上述的化学组成的弹簧钢中，等效圆直径为5μm以上的氧化物系夹杂物的个数TN为0.2个/mm²，所述氧化物系夹杂物为Al系氧化物、复合氧化物、及复合氧硫化物中的任意氧化物系夹杂物。

等效圆直径是指将氧化物系夹杂物(Al系氧化物、复合氧化物、及复合氧硫化物)的面积换算成相同面积的圆时的圆的直径。以下，将等效圆直径为5μm以上的氧化物系夹杂物定义为“粗大氧化物系夹杂物”。粗大氧化物系夹杂物的个数TN按以下方法求出。

将棒状或线状弹簧钢沿轴向切断。对截面进行镜面研磨。对研磨后的截面实施选择性恒电位电解蚀刻法(selective potentiostatic etching by electrolyticdissolution method)(SPEED法)。在蚀刻后的截面上，以距弹簧钢的表面R/2深度(R为弹簧钢的半径)的位置作为中心，选择5处半径方向为2mm宽、轴向为5mm宽的长方形区域的任意视野。

使用具备能量色散型X射线显微分析仪(EDX)的扫描型电子显微镜(SEM)对各视野以2000倍进行观察，得到视野的图像。鉴定视野中的夹杂物。使用EDX，分析所鉴定的各夹杂物的化学组成(夹杂物中的Al含量、O含量、REM含量、S含量等)。基于分析结果，夹杂物中鉴定氧化物系夹杂物(Al系氧化物、复合氧化物、复合氧硫化物)。

通过图像处理求出所鉴定的各氧化物系夹杂物(Al系氧化物、复合氧化物、复合氧硫化物)的等效圆直径，鉴定等效圆直径为5μm以上的氧化物系夹杂物(粗大氧化物系夹杂物)。

求出5个视野的粗大氧化物系夹杂物的总数，通过以下公式求出粗大氧化物系夹杂物的个数TN(个/mm²)。

TN＝5个视野的粗大氧化物系夹杂物的总数/5个视野的总面积

本实施方式的弹簧钢中，粗大氧化物系夹杂物的个数TN为0.2个/mm²以下。通过适宜的制造条件下含有适量的REM，能将Al系氧化物变为微细的复合氧化物或复合氧硫化物。由此，能够将个数TN抑制得较低。因此，可以得到高的疲劳强度。

[氧化物系夹杂物的等效圆直径的最大值Dmax]

进而，本实施方式的弹簧钢中，氧化物系夹杂物的等效圆直径的最大值Dmax为40μm以下。

最大值Dmax按以下方法求出。求出上述的个数TN的测定时5个视野中的氧化物系夹杂物的等效圆直径。将求出的等效圆直径中的最大值定义为氧化物系夹杂物的等效圆直径的最大值Dmax。

本实施方式的弹簧钢中，最大值Dmax为40μm以下。通过含有适量的REM，能将Al系氧化物变为微细的复合氧化物或复合氧硫化物，由此能够将最大值Dmax抑制得较低。因此，可以得到高的疲劳强度。

[制造方法]

对上述的弹簧钢的制造方法的一例进行说明。本实施方式的弹簧钢的制造方法具备：对钢水进行精炼的工序(精炼工序)、使用精炼后的钢水通过连续铸造法制造铸坯的工序(铸造工序)、对铸坯进行热加工制造弹簧钢的工序(热加工工序)。

[精炼工序]

精炼工序中，对钢水进行精炼。首先对钢水实施钢包精炼。钢包精炼按公知的钢包精炼来实施即可。钢包精炼为例如使用RH(Ruhrstahl-Heraeus)的真空脱气处理。

钢包精炼的实施中，向钢水投入Al，对钢水进行Al脱氧。优选的是使Al脱氧后的钢水中的O含量(总氧量)为0.0030％以下。

Al脱氧后，将REM投入钢水，对于REM脱氧进行5分钟以上脱氧。

REM脱氧后，也可以进一步实施包含真空脱气处理的钢包精炼。通过以上的精炼工序制造上述化学组成的钢水。

上述精炼工序中，Al脱氧之后实施5分钟以上的REM脱氧。此时，Al系氧化物变为复合氧化物及复合氧硫化物、且微细化。因此，以往的Al系氧化物的粗大化(集束)被抑制。

REM脱氧不足5分钟时，Al系氧化物未充分地变为复合氧化物及复合氧硫化物。因此，个数TN超过0.2个/mm²、或氧化物系夹杂物的等效圆直径的最大值Dmax超过40μm。

另外，REM脱氧之前用除Al以外的其它元素进行脱氧时，Al系氧化物未充分地变为复合氧化物及复合氧硫化物。因此，个数TN超过0.2个/mm²、或氧化物系夹杂物的等效圆直径的最大值Dmax超过40μm。

对于REM脱氧，例如，可以使用混合稀土合金(REM的混合物)。此时，可以将块状的混合稀土合金添加至钢水。精炼末期可以将Ca-Si合金、或CaO-CaF₂熔剂等添加至钢水实施脱硫。

[铸造工序]

使用钢包精炼后的钢水通过连续铸造法制造铸坯。

钢包精炼后，在钢水中REM与Al系氧化物反应形成复合氧硫化物及复合氧化物。因此，使钢水在铸模内旋转时，REM与Al系氧化物变得更容易反应。

因此，铸造工序中，将铸模内的钢水在水平方向以0.1m/分钟以上的流速进行搅拌使其旋转。此时，促进REM与Al系氧化物的反应，生成复合氧化物及复合氧硫化物。因此，粗大氧化物系夹杂物的个数TN变为0.2个/mm²以下、氧化物系夹杂物的最大值Dmax变为40μm以下。另一方面，流速不足0.1m/分钟的情况下，难以促进REM与Al系氧化物的反应。因此，个数TN超过0.2个/mm²、或最大值Dmax超过40μm。钢水的搅拌例如通过电磁搅拌来实施。

进而，浇铸中的铸坯的冷却速度RC也影响氧化物系夹杂物的粗大化。本实施方式中将冷却速度RC设为1～100℃/分钟。冷却速度是指距铸坯的上表面或下表面T/4深度位置(T为铸坯的厚度)的，从液相线温度至固相线温度为止的冷却时的速度。冷却速度过低时，氧化物系夹杂物容易粗大化。因此，冷却速度RC不足1℃/分钟时，粗大氧化物系夹杂物的个数TN超过0.2个/mm²、或氧化物系夹杂物的等效圆直径的最大值Dmax超过40μm。

另一方面，冷却速度RC超过100℃/分钟时，浇铸中，粗大氧化物系夹杂物在浮上之前就被困于钢中。因此，粗大氧化物系夹杂物的个数TN超过0.2个/mm²、或氧化物系夹杂物的等效圆直径的最大值Dmax超过40μm。

冷却速度RC为1～100℃/分钟时，粗大氧化物系夹杂物的个数TN变为0.2个/mm²以下、且氧化物系夹杂物的等效圆直径的最大值Dmax变为40μm以下。

冷却速度能按以下方法求出。图2为铸造后的铸坯的横截面(与铸坯的轴向垂直的截面)图。参照图2，铸坯的横截面之中，选择浇铸时距铸坯的上表面或下表面T/4深度的任意的点P。T为铸坯的厚度(mm)。点P的凝固组织之中，测定厚度T方向的2次枝晶臂的间隔λ(μm)。具体而言，测定10处厚度T方向的2次枝晶臂间隔，将其平均值定义为间隔λ。

求出的间隔λ代入式(1)，求出冷却速度RC(℃/分钟)。

RC＝(λ/770)^-(1/0.41) (1)

冷却速度RC的优选下限为5℃/分钟。冷却速度RC的优选上限为不足60℃/分钟、进一步优选为不足30℃/分钟。通过以上的制造条件，制造铸坯。

[热加工工序]

对所制造的铸坯进行热加工，制造线材。例如，对铸坯进行初轧来制造中小型坯(billet)。对中小型坯进行热轧来制造线材。通过以上的制造方法制造线材。

使用线材制造弹簧的情况下，可以利用热成形法、也可以利用冷成形法。热成形法例如如下实施。对线材进行拉丝来制成弹簧钢丝。将弹簧钢丝加热至A₃点以上。将加热后的弹簧钢丝(奥氏体组织)缠绕于芯棒而成形为线圈(弹簧)。对成形后的弹簧实施淬火回火，调节弹簧的强度。淬火温度例如为850～950℃、进行油冷。回火温度例如为420～500℃。通过以上的工序，制造弹簧。

冷成形法如下实施。对线材进行拉丝来制成弹簧钢丝。对弹簧钢丝实施淬火回火，制造调节了强度的钢丝。淬火温度例如为850～950℃、回火温度例如为420～500℃。使用冷卷绕机在冷加工下实施线圈成形，制造弹簧。

本实施方式的弹簧钢具有优异的疲劳强度、并且具有优异的韧性及延展性。因此，即便通过冷成形法使弹簧成形的情况下，在成形中弹簧钢也容易塑性变形而不断裂。

实施例

实施钢包精炼，制造表1及表2所示的化学组成的钢水。

[表1]

[表2]

[表3]

对于表1及表2所示的试验编号1～47的钢水，以表3所示的条件实施精炼。具体而言，试验编号1～33、35～47中，首先对钢水实施钢包精炼。另一方面，对试验编号34的钢水未实施钢包精炼。表3中的“钢包精炼”栏中的“C”表示对于对应的试验编号的钢水实施了钢包精炼，“NC”表示未实施钢包精炼。钢包精炼的实施条件在各试验编号中设为相同。

具体而言，钢包精炼中，使用RH装置，使钢水回流10分钟。实施钢包精炼后，实施脱氧处理。表3的“添加顺序”栏中，表示使用的脱氧剂及脱氧剂的添加顺序。“Al→REM”是指添加Al进行脱氧后，进一步添加REM进行脱氧。“Al”是指仅实施Al脱氧，未用其它脱氧剂(REM等)实施脱氧处理。“REM→Al”是指实施REM脱氧，之后实施Al脱氧。“Al→REM→Ca”是指实施Al脱氧、接着实施REM脱氧、最后实施Ca脱氧。对于Al脱氧使用Al金属、对于REM脱氧使用混合稀土合金、对于Ca脱氧使用Ca-Si合金及CaO:CaF₂＝50:50(质量比)的熔剂。表3中的回流时间为从添加最终的脱氧剂起算的回流时间，即最终添加的脱氧剂下的脱氧时间。最终添加的脱氧剂为REM时，表示REM脱氧时间。

实施REM脱氧时，REM添加后的回流时间(脱氧时间)如表3所示。通过以上的工序制造试验编号1～47的钢水。

使用制造的钢水通过连续铸造法制造具有300mm×300mm的横截面的方坯(铸坯)。此时，通过电磁搅拌来搅拌铸模内的钢水。搅拌时的铸模内的钢水的水平方向的旋转流速(m/分钟)如表3所示。利用制造的各试验编号的方坯之一，通过上述的方法求出各试验编号的方坯的冷却速度RC(℃/分钟)。求出的冷却速度RC示于表3。

将方坯加热至1200～1250℃。对加热后的方坯实施初轧，制造具有160mm×160mm的横截面积的中小型坯。将中小型坯加热至1100℃以上。加热后，制造具有15mm的直径的线材(弹簧钢)。

[评价试验]

[超声波疲劳试验片的制作]

对于各试验编号，分别以下述方法制作图3A所示的超声波疲劳试验片。图3A中的数值表示各位置的尺寸(单位为mm)。“φ3”表示直径为3mm。

图3B为具有15mm的直径的线材10的横截面图(线材的相对于轴线垂直的截面)。图3B中的虚线表示超声波疲劳试验片的粗试验片11(比图3所示的形状粗1mm的试验片)的采取位置。粗试验片11的长度方向设为线材10的长度方向。以超声波疲劳试验片的承担负载部分不含线材的中心偏析的方式，从图3B所示的采取位置采取粗试验片11。

对从各试验编号的线材采取的粗试验片实施淬火回火，粗试验片的维氏硬度(HV)调节为500～540。各试验编号的淬火温度为900℃，保持时间为20分钟。C含量高于0.50％的试验编号的回火温度为430℃，保持时间为20分钟。C含量为0.50％以下的试验编号的回火温度为410℃，保持时间为20分钟。

通过以上的热处理，粗试验片变为与卷绕后的弹簧基本相同的材质。因此，这些粗试验片供于弹簧性能的评价。

热处理后，对粗试验片实施精加工，各试验编号分别制作多个图3所示的尺寸的超声波疲劳试验片。

[粗大氧化物系夹杂物个数TN及最大值Dmax的测定]

将制作的超声波疲劳试验片，沿轴向切断以形成包含中心轴的截面。对超声波疲劳试验片的截面进行镜面研磨。对研磨后的截面实施选择性恒电位电解蚀刻法(SPEED法)。实施SPEED法后的截面之中，选择直径10mm的部位的任意5个视野。各视野为以距超声波疲劳试验片的表面R/2深度(R为半径、本例为5mm)为中心，半径方向为2mm宽、轴向为5mm宽的长方形。

使用具备能量色散型X射线显微分析仪(EDX)的扫描型电子显微镜(SEM)观察各视野。观察以倍率1000倍进行。鉴定视野中的夹杂物。其次，使用EDX，分析所鉴定的夹杂物的化学组成，鉴定Al系氧化物、含REM复合氧化物、及含REM复合氧硫化物。进而，通过图像分析求出所鉴定的各夹杂物的等效圆直径。基于夹杂物的化学组成的分析结果及各夹杂物的等效圆直径，求出粗大氧化物系夹杂物的个数TN及氧化物系夹杂物的最大值Dmax。

[超声波疲劳试验]

使用制作的超声波疲劳试验片实施超声波疲劳试验。试验装置使用岛津制作所制的超声波疲劳试验机USF-2000。频率设为20kHz、试验应力设为850MPa～1000MPa。对于各试验编号各用6个试验片实施超声波疲劳试验。将可以进行10⁷以上振动的最大负载定义为该试验编号的疲劳强度(MPa)。

[维氏硬度试验]

使用制作的超声波疲劳试验片，基于JIS Z2244实施维氏硬度试验。试验力设为10kgf＝98.07N。在超声波疲劳试验片的直径10mm的部位的任意3点测定硬度，将其平均值定义为该试验编号的维氏硬度(HV)。

[夏比冲击试验]

从各试验编号的线材出发，制作横截面为11mm×11mm的四边形的粗试验片。对粗试验片以与超声波疲劳试验片相同的条件实施淬火回火。之后，进行精加工制作JIS4号试验片。精加工时形成U切口。U切口的深度为2mm。使用制作的试验片，基于JIS Z2242实施夏比冲击试验。试验温度为常温(25℃)。

[拉伸试验]

从各试验编号的线材出发，制作比具有直径6mm的平坦部的圆棒试验片(相当于JIS Z2201中规定的14A号试验片)的形状粗1mm的粗试验片。对粗试验片以与超声波疲劳试验片相同的条件实施淬火回火。之后，进行精加工制作圆棒试验片。基于JIS Z2241在常温(25℃)下实施拉伸试验，求出断裂伸长率(％)及拉深(％)。

[试验结果]

将试验结果示于表4。

[表4]

表4中的“铸造结果”栏的“S”是指完成铸造而喷嘴不阻塞。“F”是指铸造途中喷嘴阻塞。“主要夹杂物”栏中记载了SEM观察中5个视野中面积率为5％以上的氧化物系夹杂物。“REM-Al-O-S”是指复合氧硫化物。“Al-O”是指Al系氧化物。“MnS“是指MnS。需要说明的是，试验编号1～32、34～54中，面积率虽不足5％，但钢中也存在复合氧化物。

参照表4，试验编号1～32的化学组成是适宜的。进而，粗大氧化物系夹杂物的个数TN均为0.2个/mm²以下、氧化物系夹杂物的最大的等效圆直径的最大值Dmax为40μm以下。因此，试验编号1～32的疲劳强度均高达950MPa以上。

进而，试验编号5～10化学组成含有B。因此，与试验编号1～4、11～32相比，夏比冲击值高，显示优异的韧性。

另一方面，试验编号33的化学组成不含REM。因此，不生成复合氧化物及复合氧硫化物，粗大氧化物系夹杂物的个数TN超过0.2个/mm²、进而氧化物系夹杂物的最大值Dmax也超过40μm。因此，疲劳强度低至不足950MPa。试验编号33的化学组成还不含Ti。因此，夏比冲击值不足40×10⁴J/m²、韧性低。进而，断裂伸长率不足9.5％、拉深不足50％。

试验编号34的O含量过高。因此，个数TN过高、最大值Dmax也过大。因此，疲劳强度低至不足950MPa。

试验编号35的化学组成是适宜的。但是，REM脱氧中的回流时间过短。因此，最大值Dmax超过40μm。其结果，疲劳强度低至不足950MPa。

试验编号36的化学组成是适宜的。但是，铸模内的电磁搅拌不足、铸模内的流速不足0.1m/分钟。因此，个数TN过高。其结果，疲劳强度低至不足950MPa。

试验编号37的REM含量严重过高。因此，连续铸造中喷嘴阻塞，不能制造铸坯。

试验编号38的REM含量过高。因此，钢中的粗大的氧化物系夹杂物增加、个数TN过高。其结果，疲劳强度低至不足950MPa。

试验编号39的REM含量过低。因此，不生成复合氧化物及复合氧硫化物、Al系氧化物粗大化、个数TN过高。其结果，疲劳强度低至不足950MPa。进而，REM含量过低，因此断裂伸长率低至不足9.5％、拉深也低至不足50％。认为由于REM含量过低，因此在晶界生成TiS、延展性降低。

试验编号40及41的Ti含量过高。因此，疲劳强度低至不足950MPa。可以认为形成粗大的TiN，疲劳强度降低。

试验编号42的化学组成是适宜的，但连续铸造时的冷却速度RC过快。因此，个数TN过高、最大值Dmax也过大。其结果，疲劳强度低至不足950MPa。

试验编号43的化学组成是适宜的，但冷却速度RC过慢。因此，个数TN过高、最大值Dmax也过大。其结果，疲劳强度低至不足950MPa。

试验编号44～46的化学组成均不含REM。因此，个数TN过高、最大值Dmax也过大。其结果，疲劳强度低至不足950MPa。

试验编号45的化学组成中，Ti含量也过低。因此，夏比冲击值为40×10⁴J/m²左右、韧性低。进而，断裂伸长率不足9.5％、拉深不足50％。

试验编号46的化学组成的Ti含量过低。因此，夏比冲击值不足40×10⁴J/m²、韧性低。进而，断裂伸长率不足9.5％、拉深不足50％。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，上述的实施方式不过是用于实施本发明的例示。因此，本发明不限定于上述的实施方式、可以在不超出其主旨的范围内适宜变更上述的实施方式来实施。

Claims

1.一种弹簧钢，其具有以质量％计含有

C：0.4～0.7％、

Si：1.1～3.0％、

Mn：0.3～1.5％、

P：0.03％以下、

S：0.05％以下、

Al：0.01～0.05％、

稀土元素：0.0001～0.002％、

N：0.015％以下、

O：0.0030％以下、

Ti：0.02～0.1％

Ca：0～0.0030％、

Cr：0～2.0％、

Mo：0～1.0％、

W：0～1.0％、

V：0～0.70％、

Nb：0～不足0.050％、

Ni：0～3.5％、

Cu：0～0.5％、及

B：0～0.0050％，余量为Fe及杂质的化学组成，

所述弹簧钢中，

等效圆直径为5μm以上的氧化物系夹杂物的个数为0.2个/mm²以下，所述氧化物系夹杂物为：

Al系氧化物；

含有REM、O及Al的复合氧化物；及

含有REM、O、S及Al的复合氧硫化物中的任意氧化物系夹杂物，

所述氧化物系夹杂物的等效圆直径的最大值为40μm以下。

2.根据权利要求1所述的弹簧钢，其中，

所述化学组成含有

Ca：0.0001～0.0030％。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的弹簧钢，其中，

所述化学组成含有选自由

Cr：0.05～2.0％、

Mo：0.05～1.0％、

W：0.05～1.0％、

V：0.05～0.70％、

Nb：0.002～不足0.050％、

Ni：0.1～3.5％、

Cu：0.1～0.5％、及

B：0.0003～0.0050％组成的组中的1种或2种以上。

4.一种弹簧钢的制造方法，其具备：对具有权利要求1～权利要求3中任一项所述的化学组成的钢水进行精炼的工序，

由经过精炼的所述钢水利用连续铸造法制造铸坯的工序，和

对所述铸坯进行热加工的工序；

所述对钢水进行精炼的工序包含：

对所述钢水实施钢包精炼的工序，

钢包精炼后，使用Al使所述钢水脱氧的工序，和

使用Al的脱氧后，使用REM进行5分钟以上使所述钢水脱氧的工序；

所述制造铸坯的工序：

在铸模内搅拌所述钢水，使其在水平方向上以0.1m/分钟以上的流速进行旋转的工序，和

以1～100℃/分钟的冷却速度对浇铸中的所述铸坯进行冷却。