DE112020000034T5

DE112020000034T5 - Stahldraht und Feder

Info

Publication number: DE112020000034T5
Application number: DE112020000034.6T
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Nakajima; Fuminori OKADA; Kazuaki Sugimura; Hiromu Izumida; Katsutoshi Iwamoto
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2019-07-01
Filing date: 2020-04-07
Publication date: 2022-03-24
Also published as: WO2021002074A1; US12091734B2; JP7388360B2; CN112449654B; CN112449654A; JPWO2021002074A1; US20220307115A1

Abstract

Ein Stahldraht wird aus einem Stahl gebildet, umfassend: nicht weniger als 0,6 Massen-% und nicht mehr als 0,7 Massen-% Kohlenstoff, nicht weniger als 1,2 Massen-% und nicht mehr als 2,1 Massen-% Silizium, nicht weniger als 0,2 Massen-% und nicht mehr als 0,6 Massen-% Mangan, nicht weniger als 1,4 Massen-% und nicht mehr als 2 Massen-% Chrom und nicht weniger als 0,15 Massen-% und nicht mehr als 0,3 Massen-% Vanadium, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen gebildet ist. Der Stahl enthält eine Matrix 13, die aus angelassenem Martensit gebildet ist, und einen nichtmetallischen Einschluss 20, der in der Matrix 13 vorhanden ist. Wenn die √Fläche des nichtmetallischen Einschlusses 20 als H1dargestellt wird und die √Fläche eines Bereichs, der sowohl den nichtmetallischen Einschluss 20 als auch einen Abschnitt 14 mit verringerter Härte enthält, als H2dargestellt wird, ist das Verhältnis von H2zu H1oder H2/H1mindestens 1 und weniger als 1,3.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stahldraht und eine Feder.
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität auf der Grundlage der am 1. Juli 2019 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2019-122842 , deren gesamter Inhalt hier durch Verweis aufgenommen ist.
Stand der Technik
Bei einer Feder, die durch Aufwickeln eines Stahldrahtes in eine Federform erhalten wird, ist eine verbesserte Dauerfestigkeit erwünscht. Es wurden Stahldrähte vorgeschlagen, die die Ermüdungsfestigkeit von Federn verbessern können (siehe z.B. Patentliteratur 1 und 2).
Zitationsliste
Patent-Literatur

Patentliteratur 1: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2000-169937
Patentliteratur 2: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2005-105363

Zusammenfassung der Erfindung
Ein Stahldraht gemäß der vorliegenden Erfindung wird aus einem Stahl gebildet, der enthält: nicht weniger als 0,6 Massen-% und nicht mehr als 0,7 Massen-% Kohlenstoff, nicht weniger als 1,2 Massen-% und nicht mehr als 2,1 Massen-% Silizium, nicht weniger als 0,2 Massen-% und nicht mehr als 0,6 Massen-% Mangan, nicht weniger als 1,4 Massen-% und nicht mehr als 2 Massen-% Chrom, und nicht weniger als 0,15 Massen-% und nicht mehr als 0,3 Massen-% Vanadium, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind. Der Stahldraht hat einen Drahtdurchmesser von nicht weniger als 1 mm und nicht mehr als 6 mm und eine Zugfestigkeit von 2000 MPa oder mehr. Der Stahl enthält eine Matrix aus angelassenem Martensit und einen in der Matrix vorhandenen nichtmetallischen Einschluss. Wenn die √Fläche des nichtmetallischen Einschlusses als H₁ dargestellt wird unddie √Fläche eines Bereiches, der sowohl den nichtmetallischen Einschluss als auch einen Teil mit verminderter Härte umfasst, der ein Bereich ist, der um den nichtmetallischen Einschluss in der Matrix gebildet ist und eine Härte durch eine Nanoindentierungsmethode von 70% oder weniger im Vergleich zum anderen Bereich der Matrix aufweist, als H₂ dargestellt wird, ist ein Verhältnis von H₂ zu H₁ oder H₂/H₁ mindestens 1 und weniger als 1,3.
Figurenliste

1 zeigt eine perspektivische Ansicht, die die Struktur eines Stahldrahtes zeigt;
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht, die die Struktur in einem Querschnitt eines Stahls zeigt, aus dem der Stahldraht besteht;
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht, die die Struktur in einem Querschnitt des Stahls zeigt, aus dem der Stahldraht besteht;
4 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Methode zur Messung einer Härte mit der Nanoindentationsmethode;
5 zeigt ein Histogramm, das die Härteverteilung in einer Matrix darstellt;
6 zeigt eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau einer Feder zeigt;
7 zeigt ein Flussdiagramm, das schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Stahldrahts und einer Feder gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht;
8 zeigt eine perspektivische Ansicht, die die Struktur eines Rohmaterialdrahtes zeigt; und
9 zeigt ein Diagramm, das einen Vergütungsschritt veranschaulicht.

Beschreibung der Ausführungsformen
[Die durch die vorliegende Erfindung zu lösenden Problem]
Zum Beispiel kann die Ermüdungsfestigkeit einer Feder verbessert werden, indem Nickel als einer der Legierungsbestandteile eines Stahls verwendet wird, aus dem der Stahldraht besteht. Die Verwendung von Nickel erhöht jedoch die Produktionskosten. In Patentliteratur 1 heißt es, dass die Ermüdungsfestigkeit einer Feder verbessert werden kann, indem die Größe der nichtmetallischen Einschlüsse angepasst wird. Es ist jedoch sehr schwierig, die nichtmetallischen Einschlüsse mit einer Partikelgröße von 15 µm oder weniger zu beseitigen. In Patentliteratur 2 heißt es, dass die Ermüdungsfestigkeit einer Feder durch bestimmtes Ausformen verbessert werden kann. Die Durchführung des Ausformens, wie oben beschrieben, erhöht jedoch die Produktionskosten.
In Anbetracht der vorstehenden Ausführungen ist e seine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stahldraht und eine Feder zur Verfügung zu stellen, mit denen eine verbesserte Dauerfestigkeit der Feder erreicht und gleichzeitig eine Zunahme der Kosten unterdrückt werden kann.
[Vorteilhafte Auswirkungen der vorliegenden Erfindung]
Der Stahldraht und die Feder können gemäß der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit der Feder erreichen und gleichzeitig eine Zunahme der Kosten unterdrücken.
[Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung]
Zunächst werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufgelistet und beschrieben. Ein Stahldraht gemäß der vorliegenden Erfindung wird aus einem Stahl gebildet, umfassend: nicht weniger als 0,6 Massen-% und nicht mehr als 0,7 Massen-% Kohlenstoff, nicht weniger als 1,2 Massen-% und nicht mehr als 2,1 Massen-% Silizium, nicht weniger als 0,2 Massen-% und nicht mehr als 0,6 Massen-% Mangan, nicht weniger als 1,4 Massen-% und nicht mehr als 2 Massen-% Chrom, und nicht weniger als 0,15 Massen-% und nicht mehr als 0,3 Massen-% Vanadium, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind. Der Stahldraht hat einen Drahtdurchmesser von nicht weniger als 1 mm und nicht mehr als 6 mm und eine Zugfestigkeit von 2000 MPa oder mehr. Der Stahl enthält eine Matrix aus angelassenem Martensit und einen in der Matrix vorhandenen nichtmetallischen Einschluss. Wenn die √Fläche des nichtmetallischen Einschlusses als H₁ dargestellt wird und die √Fläche eines Bereiches, der sowohl den nichtmetallischen Einschluss als auch einen Teil mit verminderter Härte umfasst, der ein Bereich ist, der um den nichtmetallischen Einschluss in der Matrix gebildet ist und eine Härte durch eine Nanoindentierung von 70% oder weniger im Vergleich zum anderen Bereich der Matrix aufweist, als H₂ dargestellt wird, ist ein Verhältnis von H₂ zu H₁ oder H₂/H₁ mindestens 1 und weniger als 1,3.
Es sollte beachtet warden, dass sich die √Fläche auf eine Quadratwurzel des Produkts aus einem größeren Durchmesser a und einem kleineren Durchmesser b einer Ellipse bezieht, die eine kleinste Fläche unter den Ellipsen aufweist, die den nichtmetallischen Einschluss umschreibt, der im Querschnitt des Stahldrahts senkrecht zur Längsrichtung auftritt. Obwohl er technisch wie im folgenden Ausdruck (1) ausgedrückt wird, wird er in der vorliegenden Erfindung der Einfachheit halber als √Fläche dargestellt. $\sqrt{F l \ddot{a} c h e} = {(a \times b)}^{1 / 2}$
Die Erfinder untersuchten Maßnahmen zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit einer Feder. Eine Verbesserung der Festigkeit des Stahldrahtes kann auch die Dauerfestigkeit der Feder verbessern. Aber selbst wenn der Stahldraht in seiner Festigkeit verbessert wird, kann die Dauerfestigkeit der Feder nicht ausreichend verbessert werden, wenn die Häufigkeit von Federbrüchen, die von im Stahl enthaltenen nichtmetallischen Einschlüssen herrühren (d.h. die Anfälligkeit für Einschlüsse), zunimmt.
Der Stahldraht der vorliegenden Erfindung besteht aus einem Stahl mit einer angelassenen Martensitstruktur mit der oben beschriebenen Komponentenzusammensetzung. Der Stahldraht der vorliegenden Erfindung hat somit eine hohe Festigkeit. Ferner wird im Stahldraht der vorliegenden Erfindung kein teures Nickel als Zusatzelement verwendet. Dadurch wird der Kostenanstieg unterdrückt. Im Stahl kann sich in der Nähe des nichtmetallischen Einschlusses ein Teil mit verminderter Härte bilden, d.h. ein Bereich, in dem die Härte im Vergleich zur Matrix des Stahls abnimmt. Gemäß den Untersuchungen der Erfinder erhöht ein solcher Bereich die Anfälligkeit für Einschlüsse. In Bezug auf H₁, das die √Fläche des nichtmetallischen Einschlusses darstellt, und H₂, das die √Fläche eines Bereichs, der sowohl den Teil mit verringerter Härte als auch den nichtmetallischen Einschluss umfasst, darstellt, ist das Verhältnis von H₂ zu H₁ oder H₂/H₁ ein Indikator für die Anfälligkeit für Einschlüsse. Gemäß den Untersuchungen der Erfinder kann eine Beschränkung von H₂/H₁ auf weniger als 1,3 die Anfälligkeit für Einschlüsse ausreichend unterdrücken. Damit hat der Stahldraht gemäß der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Festigkeit, wobei eine Erhöhung der Kosten sowie die Einschlussanfälligkeit unterdrückt werden, und damit eine verbesserte Dauerfestigkeit der Feder erreicht wird.
Im Folgenden werden die Gründe für die Beschränkung der Komponentenzusammensetzung des Stahls, aus dem der Stahldraht besteht, auf die oben beschriebenen Bereiche beschrieben werden.
Kohlenstoff: nicht weniger als 0,6 Massen-% und nicht mehr als 0,7 Massen-%
Kohlenstoff ist ein Element, das die Festigkeit des Stahldrahts mit einer angelassenen Martensitstruktur stark beeinflusst. Um dem Stahldraht eine ausreichende Festigkeit für eine Feder zu verleihen, sollte der Kohlenstoffgehalt nicht weniger als 0,6 Massen-% betragen. Auf der anderen Seite führt ein erhöhter Kohlenstoffgehalt beim Aufwickeln des Drahtes in eine Federform oder beim Ziehen des Drahtes zu einer verminderten Zähigkeit und verminderter Verarbeitbarkeit. Um eine ausreichende Verarbeitbarkeit zu gewährleisten, sollte der Kohlenstoffgehalt nicht mehr als 0,7 Massen-% betragen. Zur weiteren Verbesserung der Festigkeit sollte der Kohlenstoffgehalt vorzugsweise nicht weniger als 0,62 Massen-% betragen. Zur Verbesserung der Zähigkeit und zur Erleichterung der Umformbarkeit sollte der Kohlenstoffgehalt vorzugsweise nicht mehr als 0,68 Massen-% betragen.
Silizium: nicht weniger als 1,2 Massen-% und nicht mehr als 2,1 Massen-%.
Silizium ist ein Element, das als Desoxidationsmittel zur Zeit der Stahlerzeugung notwendig ist. Silizium hat eine Beständigkeit gegen Erweichung, d.h. die Eigenschaft, die Erweichung durch Erwärmung zu unterdrücken. Zur Unterdrückung der Erweichung bei einer Wärmebehandlung, wie z.B. einer Nitrierbehandlung, die nach dem Wickeln des Stahldrahtes in eine Federform durchgeführt wird, ist ein Siliziumgehalt von nicht weniger als 1,2 Massen-% erforderlich. Um den Erweichungswiderstand gegen Erwärmung weiter zu verbessern, sollte der Siliziumgehalt vorzugsweise nicht weniger als 1,5 Massen-% betragen. Andererseits entstehen bei einer übermäßigen Zugabe von Silizium wahrscheinlich Einschlüsse, und ein Teil des Siliziums, der im festen Zustand nicht gelöst werden kann, würde zur Versprödung führen. Aus diesen Gründen ist ein Siliziumgehalt von nicht mehr als 2,1 Massen-%, vorzugsweise nicht mehr als 2,0 Massen-%, erforderlich.
Mangan: nicht weniger als 0,2 Massen-% und nicht mehr als 0,6 Massen-%.
Mangan ist ein nützliches Element zur Fixierung von Schwefel im Stahl in Form von Mangansulfid. Es erhöht auch die Härtbarkeit während des Abschreckens des Stahldrahtes und trägt so zu einer verbesserten Festigkeit des Stahldrahtes bei. Um sicherzustellen, dass Mangan diese Funktionen ausreichend ausübt, sollte der Mangangehalt nicht weniger als 0,2 Massen-% betragen. Wird Mangan hingegen in einer übermäßigen Menge zugegeben, so kann beim Patentieren vor dem Drahtziehschritt beim Abkühlen nach dem Erhitzen eine Martensitstruktur entstehen. Die so erzeugte Martensitstruktur würde die Verarbeitbarkeit zum Zeitpunkt des Drahtziehens verschlechtern. Daher sollte der Mangangehalt nicht mehr als 0,6 Massen-% betragen. Um sicherzustellen, dass Mangan die oben genannten Funktionen zuverlässiger ausübt, sollte der Mangangehalt vorzugsweise nicht weniger als 0,3 Massen-% betragen. Um die Erzeugung der Martensitstruktur weiter zuverlässig zu unterdrücken, sollte der Mangangehalt vorzugsweise nicht mehr als 0,5 Massen-% betragen.
Chrom: nicht weniger als 1,4 Massen-% und nicht mehr als 2,0 Massen-%
Chrom ist ein Element, das die Härtbarkeit beim Abschrecken des Stahldrahts erhöht und so zu einer verbesserten Festigkeit des Stahldrahts beiträgt. Darüber hinaus unterdrückt Chrom die Erweichung durch Wärmebehandlung, wie z.B. eine Nitrierbehandlung, die durchgeführt wird, nachdem der Stahldraht zu einer Federform gewickelt wurde. Um sicherzustellen, dass Chrom solche Auswirkungen hat, sollte der Chromgehalt nicht weniger als 1,4 Massen-% und vorzugsweise nicht weniger als 1,6 Massen-% betragen. Wird andererseits Chrom in einer zu hohen Menge zugesetzt, kann beim Patentieren vor dem Drahtziehschritt beim Abkühlen nach dem Erwärmen eine Martensitstruktur entstehen. Das so erzeugte Martensitgefüge würde die Verarbeitbarkeit zum Zeitpunkt des Drahtziehens verschlechtern. Daher sollte der Chromgehalt nicht mehr als 2,0 Massen-% betragen. Um die Erzeugung des Martensitgefüges zuverlässiger zu unterdrücken, sollte der Chromgehalt vorzugsweise nicht mehr als 1,8 Massen-% betragen.
Vanadium: nicht weniger als 0,15 Massen-% und nicht mehr als 0,3 Massen-%.
Vanadium erzeugt feine Karbide im Stahl und unterdrückt so die Vergröberung der vormaligen Austenitkörner im Stahldraht, während es die Erweichung bei der Wärmebehandlung wie der Nitrierbehandlung, die nach dem Wickeln des Stahldrahts in eine Federform durchgeführt wird, unterdrückt. Um sicherzustellen, dass Vanadium zuverlässig solche Funktionen ausübt, sollte der Vanadiumgehalt nicht weniger als 0,15 Massen-% und vorzugsweise nicht weniger als 0,18 Massen-% betragen. Andererseits werden die Karbide grobkörnig, wenn Vanadium in zu großer Menge hinzugefügt wird. Solche groben Karbide führen zum Bruch der Feder. Aus diesen Gründen sollte der Vanadiumgehalt nicht mehr als 0,3 Massen-% und vorzugsweise nicht mehr als 0,22 Massen-% betragen.
Unvermeidbare Verunreinigungen
Während des Herstellungsprozesses eines Stahldrahts werden dem Stahl, aus dem der Stahldraht besteht, zwangsläufig Phosphor, Schwefel, Kupfer usw. beigemischt. Phosphor und Schwefel, die in einer übermäßigen Menge enthalten sind, führen zu Korngrenzensegregation und erzeugen Einschlüsse, wodurch die Eigenschaften des Stahldrahts verschlechtert werden. Daher betragen der Phosphorgehalt und der Schwefelgehalt jeweils vorzugsweise nicht mehr als 0,035 Massen-% und noch bevorzugter nicht mehr als 0,025 Massen-%. Darüber hinaus verschlechtert Kupfer die Warmumformbarkeit des Stahls. Daher beträgt der Kupfergehalt vorzugsweise nicht mehr als 0,2 Massen-%. Der Gesamtgehalt der unvermeidbaren Verunreinigungen beträgt vorzugsweise nicht mehr als 1 Massen-%.
Bei dem oben beschriebenen Stahldraht können die vormaligen Austenitkörner im Stahl die Korngrößenzahl 11 oder mehr haben. Eine solch kleine Korngröße der vormaligenAustenitkörner im Stahl kann die Zähigkeit des Stahldrahts verbessern.
Eine Feder gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst den oben beschriebenen Stahldraht. Bei der Feder kann die Ermüdungsfestigkeit verbessert werden, indem die Anfälligkeit für Einschlüsse in einem Bereich des Stahldrahts, der die Feder bildet, verringert wird, in dem der Abstand von der Außenumfangsfläche des Stahldrahts z.B. nicht kleiner als 100 µm und nicht größer als 300 µm ist. Infolgedessen bietet die Feder der vorliegenden Erfindung, die den Stahldraht der vorliegenden Erfindung umfasst, eine Feder, die eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit erreichen und gleichzeitig den Kostenanstieg unterdrücken kann.
In der oben beschriebenen Feder kann der Stahldraht eine Nitridschicht enthalten, die die Außenumfangsfläche des Stahldrahtes bildet. Die so enthaltene Nitridschicht kann die Ermüdungsfestigkeit der Feder verbessern.
[Einzelheiten der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung]
Die Ausführungsformen des Stahldrahts und der Feder gemäß der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den folgenden Zeichnungen werden die gleichen oder entsprechende Elemente durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht, die die Struktur eines Stahldrahtes zeigt. 1 zeigt auch einen Querschnitt des Stahldrahts senkrecht zu seiner Längsrichtung. Zunächst ist ein Stahldraht 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Stahldraht, der einen Querschnitt 10 von kreisförmiger Form senkrecht zur Längsrichtung und eine Außenumfangsfläche 11 von zylindrischer Oberflächenform aufweist. Der Stahldraht 1 hat einen Durchmesser von nicht weniger als 1 mm und nicht mehr als 6 mm.
Der Stahldraht 1 besteht aus einem Stahl, der enthält: mindestens 0,6 Masse-% und höchstens 0,7 Masse-% Kohlenstoff, mindestens 1,2 Masse-% und höchstens 2,1 Masse-% Silizium, mindestens 0,2 Masse-% und höchstens 0,6 Masse-% Mangan, mindestens 1,4 Masse-% und höchstens 2 Masse-% Chrom, sowie mindestens 0,15 Masse-% und höchstens 0,3 Masse-% Vanadium, und der Rest besteht aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen.
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht, die einen Querschnitt des Stahldrahtes 1 senkrecht zur Längsrichtung zeigt. Unter Bezugnahme auf 1 und 2 enthält der Stahl, aus dem der Stahldraht 1 besteht, eine Matrix 13, die aus vergütetem Martensit besteht, und einen nichtmetallischen Einschluss 20, der in der Matrix 13 vorhanden ist. Die Matrix 13 in der vorliegenden Ausführungsform ist aus angelassenem Martensit mit der oben beschriebenen Komponentenzusammensetzung gebildet, die in der Lage ist, die erforderliche Festigkeit für die Feder zu gewährleisten. In der vorliegenden Ausführungsform ist der nichtmetallische Einschluss 20 beispielsweise ein Oxid wie Aluminiumoxid. In der vorliegenden Ausführungsform ist H₁, die √Fläche des nichtmetallischen Einschlusses 20, (L₁ × L₂)^1/2. Es sollte beachtet werden, dass L₁ und L₂ jeweils ein größerer Durchmesser bzw. ein kleinerer Durchmesser einer Ellipse sind, die die kleinste Fläche unter den Ellipsen aufweist, die den nichtmetallischen Einschluss 20 umschreiben.
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht, die einen Querschnitt des Stahldrahtes 1 senkrecht zur Längsrichtung zeigt. Unter Bezugnahme auf 3 kann in der Matrix 13 ein Abschnitt 14 mit verringerter Härte gebildet werden, bei dem es sich um einen Bereich handelt, der um den nichtmetallischen Einschluss 20 herum gebildet wird und eine Härte von 70% oder weniger im Vergleich zu dem anderen Bereich in der Matrix 13 aufweist. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt H₂, d.h. die √Fläche des Bereichs, der sowohl den nichtmetallischen Einschluss 20 als auch den Teil 14 mit verringerter Härte umfasst, (L₅ × L₆)^1/2. H₂/H₁ beträgt mindestens 1 und weniger als 1,3. Es sollte beachtet werden, dass L₅ und L₆ ein größerer Durchmesser bzw. ein kleinerer Durchmesser einer Ellipse sind, die von den Ellipsen, die den Bereich mit dem nichtmetallischen Einschluss 20 und den Abschnitt mit verringerter Härte 14 umschreiben, den kleinsten Flächeninhalt aufweist.
Die oben beschriebenen Werte H₁ und H₂ werden z.B. wie folgt berechnet. Zuerst wird eine Probe aus dem Stahldraht 1 entnommen. Dann wird ein Querschnitt der erhaltenen Probe senkrecht zur Längsrichtung poliert. Mit einem Lichtmikroskop o.ä. wird die polierte Oberfläche auf das Vorhandensein oder Fehlen von nichtmetallischen Einschlüssen 20 untersucht. Wenn ein nichtmetallischer Einschluss 20 vorhanden ist, wird H₁ als √Fläche des nichtmetallischen Einschlusses 20 berechnet.
Unter Bezugnahme auf 4 wird, wenn der nichtmetallische Einschluss 20 vorhanden ist, die Härte mit der Nanoindentierungsmethode in einem Bereich U einer quadratischen Form mit einer Seitenlänge L₃ gemessen, so dass der nichtmetallische Einschluss 20 darin enthalten ist. Hier bezieht sich die Härte durch die Nano-Eindringmethode auf einen Druck, wenn ein Berkovich-Eindringkörper gepresst wird, um eine maximale Eindringtiefe von 100 nm zu erreichen. Die Messung der Härte mit der Nanoindentierungsmethode im Bereich U wird z.B. an 484 Punkten durchgeführt, die in gleichen Abständen in Form einer Matrix angeordnet sind. Für die Härtemessung mit der Nanoindentierungsmethode wird zum Beispiel der von Bruker Nano Inc. hergestellte „TriboIndenter TI980“ verwendet. Als Messbedingung kann eine maximale Last von 1 mN angenommen werden.
5 zeigt ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel für ein Histogramm der Härte durch die Nanoindentierungsmethode in der Matrix 13 zeigt. Die horizontale Achse stellt die Härte nach der Nanoindentierungsmethode dar, und die vertikale Achse die Häufigkeit der Härte. 5 zeigt nur die Ergebnisse der Härte durch die Nanoindentierungsmethode für die Matrix 13, ohne die Ergebnisse für den nichtmetallischen Einschluss 20. Unter Bezugnahme auf 3 bis 5 wird in dem in 10 GPa-Schritten gezeichneten Histogramm beispielsweise eine Härte T mit der höchsten Frequenz als Härte der Matrix 13 angesehen, und jeder Punkt mit einer Härte von 70% oder weniger der Härte T wird extrahiert. Wenn es mehr als eine Härte der höchsten Frequenz gibt, wird ihr Mittelwert als die Härte der Matrix 13 betrachtet. Dann werden die Ergebnisse im Histogramm der Härte durch die Nanoindentierungsmethode in der Matrix 13 auf den Bereich U abgebildet, um dadurch einen Abschnitt 14 mit verringerter Härte zu bestimmen, d.h. den Bereich, in dem die Härte durch die Nanoindentierungsmethode 70% oder weniger der Härte im Vergleich zum anderen Bereich in der Matrix 13 beträgt. Auf der Grundlage des auf diese Weise bestimmten Abschnitts 14 mit verringerter Härte wird H₂ berechnet, d.h. die √Fläche des Bereichs, der sowohl den nichtmetallischen Einschluss 20 als auch den Abschnitt 14 mit verringerter Härte umfasst. Zum Beispiel wird H₂ auf der Grundlage der Abschnitte 14 14 mit verringerter Härte berechnet, die jeweils zehn nichtmetallischen Einschlüssen 20 entsprechen, die gemäß den obigen Ausführungen beobachtet wurden. Dann wird H₂/H₁ für jeden der nichtmetallischen Einschlüsse 20 berechnet und daraus ein Mittelwert gebildet.
Hier hat der Stahldraht 1 eine Zugfestigkeit σ_b von 2000 MPa oder mehr. σ_b des Stahldrahtes 1 beträgt vorzugsweise 2100 MPa oder mehr.σ _b wird z.B. auf der Grundlage von JIS Z 2241 gemessen.
σ_b des Stahldrahtes 1 in dem Fall, dass eine der Nitrierbehandlung entsprechende Wärmebehandlung durchgeführt wurde, beträgt vorzugsweise 2000 MPa oder mehr. Es sollte beachtet werden, dass als Wärmebehandlung, die der Nitrierbehandlung entspricht, z.B. eine Wärmebehandlung durch Erhitzen einer Probe an der Luft bei einer Temperatur von 430°C für 3,5 Stunden durchgeführt wird. Als nächstes wird ein 0,3 mm Stahlkugelstrahlmittel verwendet, um das Kugelstrahlen durchzuführen. Die Bearbeitungszeit für das Kugelstrahlen beträgt 30 Minuten. Als nächstes wird eine zugentlastende Wärmebehandlung durch Erwärmung bei einer Temperatur von 230°C für 30 Minuten durchgeführt.
Der Stahl, aus dem der Stahldraht 1 in der vorliegenden Ausführungsform gebildet ist, weist die früheren Austenitkörner mit der Korngrößenzahl 11 oder mehr auf. Die Korngrößenzahl der vormaligen Austenitkörner wird auf der Grundlage des JIS G 0551 gemessen. Eine derartig kleine Korngröße der vormaligen Austenitkörner im Stahl wie oben beschrieben kann die Zähigkeit des Stahldrahtes 1 verbessern.
6 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau einer Feder zeigt. 6 zeigt auch einen Querschnitt des Stahldrahtes 1 senkrecht zu dessen Längsrichtung. Unter Bezugnahme auf 6 umfasst eine Feder 2 in der vorliegenden Ausführungsform den Stahldraht 1. In der vorliegenden Ausführungsform enthält der Stahldraht 1, aus dem die Feder 2 gebildet ist, eine Nitridschicht 12, die eine Außenumfangsfläche 11 des Stahldrahtes 1 bildet. Die so eingebrachte Nitridschicht 12 verbessert die Festigkeit der Feder 2.
Im Nachfolgenden wird ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines Stahldrahtes 1 und einer Feder 2 beschrieben. Unter Bezugnahme auf 7 wird bei dem Verfahren zur Herstellung des Stahldrahtes 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zunächst ein Rohmaterialdraht-Herstellungsschritt S10 durchgeführt. 8 ist eine perspektivische Ansicht, die die Struktur eines Rohmaterialdrahtes zeigt. 8 zeigt auch einen Querschnitt des Rohmaterialdrahtes senkrecht zur Längsrichtung. In S10 wird unter Bezugnahme auf 8 ein Rohmaterial draht 5 hergestellt, der Folgendes enthält: nicht weniger als 0,6 Massen-% und nicht mehr als 0,7 Massen-% Kohlenstoff, nicht weniger als 1,2 Massen-% und nicht mehr als 2,1 Massen-% Silizium, nicht weniger als 0.2 Masse-% und nicht mehr als 0,6 Masse-% Mangan, nicht weniger als 1,4 Masse-% und nicht mehr als 2 Masse-% Chrom, und nicht weniger als 0,15 Masse-% und nicht mehr als 0,3 Masse-% Vanadium, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen gebildet ist. Konkret wird ein Stahlmaterial einem Walz-, Patentierungs- und anderen Verarbeitungsverfahren unterzogen, so dass der Rohmaterialdraht 5 hergestellt wird. Der Rohmaterialdraht 5 ist ein aus Stahl gebildetes Drahtmaterial mit einem kreisförmigen Querschnitt 50 senkrecht zur Längsrichtung und einer zylindrischen Außenumfangsfläche 51.
Als nächstes wird ein Drahtziehschritt S20 durchgeführt. In S20 wird der Rohmaterialdraht 5 als Ziehprozess dem Drahtziehen unterzogen. Konkret wird der in S10 vorbereitete Rohmaterialdraht 5 verarbeitet. In S20 wird der Rohmaterialdraht 5 beispielsweise auf einen Durchmesser von nicht weniger als 1 mm und nicht mehr als 6 mm gezogen. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Flächenreduktion als Ziehungsgrad z.B. 70% oder weniger, vorzugsweise 68% oder weniger, und noch bevorzugter 66% oder weniger. Die Einstellung der Flächenverkleinerung auf 70% oder weniger kann das Auftreten eines Abschnitts 14 mit verringerter Härte in der Nähe des nichtmetallischen Einschlusses 20 in der Matrix 13 unterdrücken. Darüber hinaus liegt die untere Grenze für die Reduzierung der Fläche vorzugsweise bei 40% und noch bevorzugter bei 50%. Die Einstellung der Flächenverkleinerung auf 40% oder mehr ermöglicht die Bildung einer faserigen Struktur zum Zeitpunkt des Drahtziehens, wodurch eine hohe Zähigkeit nach dem Drahtziehen gewährleistet wird.
Als nächstes wird ein Vergütungsschritt S30 durchgeführt. In S30 wird der in S20 gezogene Rohmaterialdraht 5 einer Vergütungsbearbeitung unterzogen. Unter Bezugnahme auf 9 wird die Erwärmung des Rohmaterialdrahtes 5 zum Zeitpunkt t₀ begonnen, und der Rohmaterialdraht 5 erreicht zum Zeitpunkt t₁ eine Temperatur T₁. Danach wird der Rohmaterialdraht 5 bis zum Zeitpunkt t₂ auf der Abschrecktemperatur T₁ gehalten. Die Abschrecktemperatur T₁ ist eine Temperatur, die nicht niedriger ist als der Umwandlungspunkt A₁, der die Austenitumwandlungstemperatur ist. Die Abschrecktemperatur T₁ ist z.B. nicht niedriger als 900°C und nicht höher als 1050°C. Die Abschrecktemperatur T₁ ist eine Temperatur, die nicht niedriger ist als der Umwandlungspunkt A₁. Die Haltezeit bei der Abschrecktemperatur T₁ ist z.B. nicht kürzer als 0,3 Sekunden und nicht länger als 10 Sekunden. Das Rohmaterial Draht 5 wird in einem Zeitraum von der Zeit t₂ bis zur Zeit t₃ schnell abgekühlt. Insbesondere wird der Rohmaterialdraht 5 von einer Temperatur, die nicht niedriger als der Umwandlungspunkt A₁ ist, auf eine Temperatur abgekühlt, die nicht höher als der Punkt M_s ist. Für die Kühlung kann z.B. der Rohmaterialdraht 5 in Abschrecköl eingetaucht werden. Die Abkühlgeschwindigkeit ist z.B. nicht niedriger als 100°C/s und nicht höher als 130°C/s. Dadurch kann der Stahl, aus dem der Rohmaterialdraht 5 gebildet ist, eine Martensitstruktur aufweisen. Der Abschreckvorgang wird durch das obige Verfahren abgeschlossen. Es sollte beachtet werden, dass eine Verkürzung der Haltezeit bei der Abschrecktemperatur T₁, wie oben beschrieben, die vormalige Austenit-Korngröße im Stahldraht 1 verringern kann. Ferner kann durch die Einstellung der Abkühlgeschwindigkeit im oben beschriebenen Bereich die Größe des Abschnitts 14 mit verringerter Härte, der sich in der Nähe des nichtmetallischen Einschlusses 20 in der Matrix 13 bildet, gesteuert werden.
Als nächstes wird die Erwärmung des Rohmaterialdrahts 5 zum Zeitpunkt t₄ begonnen, und der Rohmaterialdraht 5 erreicht zum Zeitpunkt t₅ eine Anlasstemperatur T₂. Danach wird der Rohmaterial draht 5 bis zum Zeitpunkt t₆ auf der Anlasstemperatur T₂ gehalten. Die Anlasstemperatur T₂ ist eine Temperatur, die niedriger als der Umwandlungspunkt A₁ ist. Die Anlasstemperatur T₂ ist z.B. nicht niedriger als 450°C und nicht höher als 600°C. Die Anlasstemperatur T₂ ist eine Temperatur, die niedriger als der Umwandlungspunkt A₁ ist. Danach wird der Rohmaterialdraht 5 während eines Zeitraums von der Zeit t₆ bis zur Zeit t₇ abgekühlt. Die Abkühlung kann z.B. durch Luftkühlung erfolgen. Dadurch kann der Stahl, aus dem der Rohmaterialdraht 5 gebildet ist, ein angelassenes Martensitgefüge aufweisen. Die Anlassbehandlung wird durch das oben beschriebene Verfahren abgeschlossen, und es entsteht der Stahldraht 1 der vorliegenden Ausführungsform.
Im Nachfolgenden wird ein Verfahren zur Herstellung einer Feder 2 aus dem in S30 erhaltenen Stahldraht 1 beschrieben. Kontinuierlich ausgehend von S30 wird ein Wickelschritt S40 durchgeführt, bei dem der Stahldraht zu einer Federform aufgewickelt wird. In S40 wird der Stahldraht 1 unter Bezugnahme auf 1 und 6 plastisch in eine Schraubenform, wie z.B. in 6 gezeigt, eingearbeitet und so in die Form einer Feder gebracht.
Als nächstes wird ein Glühschritt S50 durchgeführt. In S50 wird der in S40 zur Federform geformte Stahldraht 1 einer Glühbehandlung unterzogen. Konkret wird der in die Federform gebogene Stahldraht 1 erwärmt, so dass die in S40 verursachte Dehnung im Stahldraht 1 reduziert wird.
Als nächstes wird eine Nitrierbehandlungsschritt S60 durchgeführt. In S60 wird der Stahldraht 1, der eine Glühbehandlung in S50 durchlaufen hat, einer Nitrierbehandlung unterzogen. Obwohl S60 kein unentbehrlicher Schritt des Verfahrens zur Herstellung der Feder der vorliegenden Ausführungsform ist, wird beim Ausführen dieses Schrittes eine Nitridschicht 12 gebildet, die die Außenumfangsfläche 11 des Stahldrahtes 1 ausweist. Auf diese Weise kann die Festigkeit der Feder 2 verbessert werden. Als nächstes wird ein Kugelstrahlschritt S70 durchgeführt. In S70 wird der Stahldraht 1, der einer Nitrierbehandlung in S60 unterzogen wurde, kugelgestrahlt. Obwohl S70 kein unentbehrlicher Schritt des Verfahrens zur Herstellung der Feder der vorliegenden Ausführungsform ist, wird beim Ausführen dieses Schrittes Druckspannung auf den Bereich einschließlich der Oberfläche der Feder 2 ausgeübt, was zu einer verbesserten Dauerfestigkeit beiträgt. Die Feder 2 der vorliegenden Ausführungsform wird durch die obigen Schritte fertiggestellt.
Hier wird beim Stahldraht 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die oben beschriebene Komponentenzusammensetzung übernommen, so dass der Stahldraht 1 mit hoher Festigkeit erhalten wird. Ferner wird beim Stahldraht 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kein teures Nickel als Zusatzelement eingesetzt. Dadurch kann der Kostenanstieg unterdrückt werden. Die Ermüdungsfestigkeit der Feder 2 kann verbessert werden, indem die Anfälligkeit für Einschlüsse in einem Bereich des Stahldrahtes 1, der die Feder 2 bildet, verringert wird, in dem der Abstand von der Außenumfangsfläche 11 des Stahldrahtes 1 z.B. nicht kleiner als 100 µm und nicht größer als 300 µm ist. Die Anfälligkeit für Einschlüsse kann ausreichend unterdrückt werden, indem H₂/H₁ im Stahldraht 1 auf weniger als 1,3 eingestellt wird. Im Stahldraht 1 wird die Einschlussanfälligkeit über den gesamten Bereich einschließlich des oben beschriebenen Bereichs unterdrückt. Dementsprechend kann die Feder 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die den oben beschriebenen Stahldraht 1 aufweist, eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit erreichen und gleichzeitig den Kostenanstieg unterdrücken.
Beispiele
Es wurden Proben des oben beschriebenen Stahldrahts 1 der vorliegenden Erfindung hergestellt und einer Bewertung unterzogen, um die Wirkung der Verbesserung der Dauerfestigkeit zu bestätigen. Das Bewertungsverfahren war wie folgt.
Eine Probe 1 wurde in einem ähnlichen Verfahren hergestellt wie das in der obigen Ausführungsform erläuterte Verfahren zur Herstellung des Stahldrahts 1. Die Probe 1 hat eine Komponentenzusammensetzung, die einem in Tabelle 1 gezeigten Stahltyp A entspricht. Die Abkühlgeschwindigkeit beim Abschrecken betrug 123°C/s, und die Flächenreduzierung betrug 66%. Zum Vergleich wurde eine Probe 2 auf ähnliche Weise wie die Probe 1 hergestellt, außer dass die Abkühlgeschwindigkeit beim Abschrecken 500°C/s betrug. Ferner wurde eine Probe 3 auf ähnliche Weise wie die Probe 1 hergestellt, außer dass sie den in Tabelle 1 gezeigten Stahltyp B hatte. Eine Probe 4 wurde auf ähnliche Weise wie die Probe 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass sie den in Tabelle 1 gezeigten Stahltyp C hatte. [Tabelle 1]

C (Massen%) Si (Massen%) Mn (Massen%) Cr (Massen%) V (Massen%)

Stahlart A 0,65 1,9 0,37 1,77 0,19

Stahlart B 0,72 2,29 0,71 2,21 0,33

Stahlart C 0,5 1,8 0,7 1,2 0,15
Für die Stahldrähte der Proben 1 und 2 wurde das Verhältnis H₂/H₁ berechnet. Für die Stahldrähte der Proben 1 bis 4 wurde σ_b gemessen. Für die Stahldrähte der Proben 1 bis 4 wurde die Korngröße der vormaligen Austenitkörner gemessen.

Die auf die oben beschriebene Weise hergestellten Proben 1 bis 4 wurden einer der Nitrierbehandlung entsprechenden Wärmebehandlung unterzogen. Es wurde der Wert σ_b nach der der Nitrierbehandlung entsprechenden Wärmebehandlung gemessen. Ferner wurden die Proben 1 bis 4 nach der der Nitrierbehandlung entsprechenden Wärmebehandlung einem Umlaufbiegelasttest (Ermüdungstest) zur Messung der Dauerfestigkeit unterzogen. Das Ende desTests wurde auf 10⁷ Mal festgelegt. Der Umlaufbiegelasttest wurde mit der Umlaufbiegelast-Prüfmaschine vom Typ Nakamura Typ 3 der Firma Shimadzu Corporation durchgeführt. Zur Bestimmung der S-N-Kurve wurden 10 oder mehr Proben zur Durchführung des Ermüdungstests und weitere 10 oder mehr Proben zur Durchführung eines Treppentests verwendet. Der Treppentest wurde bei der Spannung begonnen, die der Ermüdungsfestigkeit der Probe entsprach, und wenn die Probe nicht brach, wurde die Spannung um 10 MPa erhöht, während beim Bruch der Probe die Spannung um 10 MPa verringert wurde. Indem die Belastungsspannung durch die Umlaufbiegelast-Prüfmaschine auf diese Weise eingestellt wurde, wurde der Umlaufbiegelasttest durchgeführt, um 20 oder mehr gebrochene Proben zu erhalten. Für jede der 20 oder mehr gebrochenen Proben wurde die Bruchfläche im Bereich von radial nicht weniger als 100 µm und nicht mehr als 300 µm von der Außenumfangsfläche der Probe beobachtet, um das Vorhandensein oder Fehlen eines nichtmetallischen Einschlusses am Bruchursprung zu bestätigen. Wenn ein nichtmetallischer Einschluss am Bruchursprung vorhanden war, wurde die Probe als eine Probe bestimmt, die aufgrund des nichtmetallischen Einschlusses gebrochen war. Die Gesamtzahl der Proben, die aufgrund der nichtmetallischen Einschlüsse gebrochen waren, wurde durch die Gesamtzahl der gebrochenen Proben geteilt, um die Anfälligkeit für Einschlüsse zu berechnen (%). Die Testergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. [Tabelle 2]

	Stahltyp	Kühlungsrate (°C/sec)	H₂/H₁	σ_b (MPa)	Korngrößenzahl	σ_b nach einer Wärmebehandlung entsprechend der Nitrierbehandlung (MPa)	Anfälligkeit für Einschlüsse (%)	Ermüdungsfestigkeit (MPa)
Probe 1	Stahltyp A	123	1	2158	12,1	2071	0	1090
Probe 2	Stahltyp A	500	1,75	2141	12,2	2082	44	1060
Probe 3	Stahltyp B	123	-	2146	12,1	2080	50	1080
Probe 4	Stahltyp C	123	-	2119	12,1	1855	8	1020

Wie aus den Auswertungsergebnissen in Tabelle 2 hervorgeht, hat die Probe 1 des Stahltyps A im Vergleich zu den Proben 3 und 4 der Stahltypen B und C eine verbesserte Festigkeit und eine deutlich verringerte Anfälligkeit für Einschlüsse. Außerdem wird selbst bei einer Wärmebehandlung, die einer Nitrierbehandlung entspricht, der Festigkeitsabfall in der Probe 1 im Vergleich zur Probe 4 unterdrückt. In der Probe 1 mit der niedrigen Abkühlgeschwindigkeit wird die Festigkeit verbessert und die Anfälligkeit für Einschlüsse im Vergleich zur Probe 2 mit der hohen Abkühlgeschwindigkeit deutlich verringert. Infolgedessen weist die Probe 1 eine verbesserte Dauerfestigkeit auf. Damit hat der Stahldraht gemäß der vorliegenden Erfindung seine Festigkeit verbessert und seine Anfälligkeit für Einschlüsse unterdrückt und erreicht somit eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit der Feder.
Es sollte verstanden werden, dass die hier offenbarten Ausführungsformen und Beispiele in jeder Hinsicht der Veranschaulichung diene und nicht als einschränkend zu erachten sind. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Begriffe der Ansprüche und nicht durch die obige Beschreibung definiert und soll alle Änderungen innerhalb des Umfangs und der Bedeutung umfassen, die den Begriffen der Ansprüche entsprechen.
Bezugszeichenliste

1: Stahldraht;
2: Feder;
5: Rohstoffdraht;
10, 50: Querschnitt;
11, 51: Außenumfangsfläche;
12: Nitridschicht;
13: Matrix;
14: Abschnitt mit verringerter Härte;
20: nichtmetallische Einschlüsse;
A, B, C: Stahltyp;
T: Härte;
T1, T2: Temperatur;
U: Bereich;
a: großer Durchmesser;
b: kleiner Durchmesser; und
t0, t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7: Zeit.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2019122842 [0002]
JP 2000169937 [0003]
JP 2005105363 [0003]

Claims

Stahldraht, der aus einem Stahl gebildet ist, umfassend: nicht weniger als 0,6 Massen-% und nicht mehr als 0,7 Massen-% Kohlenstoff, nicht weniger als 1,2 Massen-% und nicht mehr als 2,1 Massen-% Silizium, nicht weniger als 0,2 Massen-% und nicht mehr als 0,6 Massen-% Mangan, nicht weniger als 1,4 Massen-% und nicht mehr als 2 Massen-% Chrom und nicht weniger als 0,15 Massen-% und nicht mehr als 0,3 Massen-% Vanadium, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen gebildet ist, wobei der Stahldraht umfasst: einen Drahtdurchmesser von nicht weniger als 1 mm und nicht mehr als 6 mm, und eine Zugfestigkeit von 2000 MPa oder mehr, wobei der Stahl umfasst: eine Matrix, die aus angelassenem Martensit gebildet ist, und einen in der Matrix vorhandenen nichtmetallischen Einschluss, wobei, wenn die √Fläche des nichtmetallischen Einschlusses als H₁ dargestellt wird und die √ Fläche eines Bereichs, der sowohl den nichtmetallischen Einschluss als auch einen Abschnitt mit verringerter Härte umfasst, der ein Bereich ist, der um den nichtmetallischen Einschluss in der Matrix gebildet ist und eine Härte durch eine Nanoindentierungsmethode von 70% oder weniger im Vergleich zu dem anderen Bereich der Matrix aufweist, als H₂ dargestellt wird, ein Verhältnis von H₂ zu H₁ oder H₂/H₁ mindestens 1 und weniger als 1,3 beträgt.
Stahldraht nach Anspruch 1, wobei der Stahl vormalige Austenitkörner mit der Korngrößenzahl 11 oder größer aufweist
Feder, die den Stahldraht nach Anspruch 1 oder 2 umfasst.
Feder nach Anspruch 3, wobei der Stahldraht eine Nitridschicht enthält, die eine Außenumfangsfläche des Stahldrahtes bildet.