JP2001064752A - 鋼線およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パテンティング時間を短くして生産性に優れ
ると共に、高温における軟化抵抗に優れ、ばね用に最適
な鋼線とその製造方法とを提供する。 【解決手段】 鋼線の化学成分をwt％で、Ｃ：0.50〜0.
75、Si：1.20〜2.50、Mn：0.10〜0.90、Cr：0.01〜0.9
0、Mo：0.05〜1.50とし、残部をFeおよび不可避的不純
物とする。パテンティング温度を360〜450℃とすること
が望ましい。高温での軟化抵抗に優れるため後工程でば
ね加工してから高温で窒化処理ができ、疲労限に優れた
ばねが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、疲労特性に優れる
鋼線とその製造方法に関するもので、特にばね用に最適
な鋼線とその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】通常、ばね用鋼線は次の工程を経て製造
される。 溶解鋳造→圧延→パテンティング→（皮剥ぎ→焼鈍）→
伸線→オイルテンパー処理（OT処理） そして、OT処理後にコイリングを行い、さらに必要に応
じて窒化処理やショットピーニングを施している。

【０００３】また、従来の「（高強度）弁ばね用SiCr鋼
オイルテンパー線」は、Ｃ：0.50〜0.70、Si：1.20〜1.
60、Mn：0.50〜0.80、Cr：0.50〜0.80wt％を基本化学成
分としており、伸線加工前に550〜700℃程度でパテンテ
ィングしてパーライト変態させる工程を含んでいた。

【０００４】その他、疲労特性を向上させる目的でＣ、
Si、Cr、Mn等の添加量を多くしたり、Mo、V、Nb等の炭
化物形成元素を添加することが行われている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の弁ばね
用SiCr鋼オイルテンパー線では、今日高まりつつある耐
疲労特性に応えられないと言う問題がある。高い疲労限
を得るためにコイリング加工したばねに窒化処理を施す
ことが行われている。この窒化処理は、より高温で処理
できれば鋼線表面が硬くなって疲労限を向上できるが、
高温にさらされたことによる鋼線内部の強度低下の影響
の方が大きくなると全体として疲労限が低下してしま
う。そのため、上記の弁ばね用SiCr鋼オイルテンパー線
では高温での窒化処理が難しく、疲労限を向上させるこ
とができなかった。

【０００６】これに対して、Moを添加すると耐熱性が向
上し、高温での窒化処理後もマトリックスの硬度低下が
小さく、疲労限の向上が期待できる。しかし、Moを添加
すると製造工程の途中で伸線加工をするために、その前
工程で行うパーライト変態における変態時間がかかり過
ぎ、生産性が低下すると言う問題がある。具体的には、
Moの添加がなければ約３分以下で変態できるが、Moの添
加により10〜20分程度かかり、到底実用的な生産性とは
言えない。これは、Crが含有されていると特に顕著であ
る。また、十分にパーライト組織を有していないと加工
性が低く、後の伸線工程が行えない。

【０００７】従って、本発明の主目的は、パテンティン
グ時間を短縮することで製造性に優れ、かつ高温での窒
化処理が可能で耐疲労性を改善できる鋼線と、その製造
方法とを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、主にMoの添加
量を限定することで上記の目的を達成する。すなわち、
本発明ばね用オイルテンパー鋼線は、成分がwt％で、
Ｃ：0.50〜0.75、Si：1.20〜2.50、Mn：0.10〜0.90、C
r：0.01〜0.90、Mo：0.05〜1.50、残部がFeおよび不可
避的不純物であることを特徴とする。

【０００９】ここで、上記成分は次の組み合わせに限定
しても良い（単位は全てwt％）。特に、各組み合わせに
おいて、Mn:0.10〜0.40未満、Cr：0.01〜0.40未満、M
o：0.70超〜1.50が好適である。

【００１０】

【表１】

【００１１】上記化学成分に加えてNiを0.01〜0.20wt％
含んでも良い。また、V：0.05〜0.50wt％およびNb：0.0
5〜0.50wt％の少なくとも一方を含んでも良い。さら
に、500℃×120分の高温下に保持した後の鋼線表面の硬
度を480Hmv以上で、OT後の硬度に対する500℃×120分後
の硬度の比が0.83以上とすることが好適である。特に、
520Hmv以上、さらに好ましくは580Hmv以上では非常に高
い疲労限が期待される。

【００１２】また、本発明ばね用オイルテンパー鋼線の
製造方法は、wt％で、Ｃ：0.50〜0.75、Si：1.20〜2.5
0、Mn：0.10〜0.90、Cr：0.01〜0.90、Mo：0.05〜1.50
を含有する鋼線のパテンティング温度を360〜450℃とし
たことを特徴とする。パテンティング温度をこのように
限定することでベイナイト変態させ、パテンティング時
間を短くすることができる。この製造方法においても、
化学成分を前記表１の組み合わせに限定してもよい。

【００１３】上記製造方法も、基本的な製造手順は「溶
解鋳造→圧延→パテンティング→伸線→オイルテンパー
処理（OT処理）」である。ここで、パテンティング工程
と伸線工程との間に皮剥ぎ工程および焼鈍工程を行うこ
とが一般的である。この焼鈍工程は、500〜600℃×10〜
30分程度が好適である。上記のパテンティング処理によ
り、靭性も十分な鋼線とできるため、伸線工程における
減面率は10〜50％程度が選択できる。

【００１４】以下に本発明構成における限定理由を述べ
る。 パテンティング温度360〜450℃：パーライト変態よりも
短い時間でベイナイト変態でき、かつマルテンサイトが
生じない温度範囲を選択した。特に、10分未満で変態で
きることが好ましい。また、この温度範囲内により、パ
ーライト組織の含有量も5vol％以下とできる。特に、40
0℃前後が望ましい。約400℃を中心として、温度が上が
っても下がってもパテンティングに要する時間が長くな
る傾向が見られる。なお、オーステナイト化する加熱温
度は900〜1000℃程度である。そして、この加熱温度か
らパテンティング温度までの冷却速度は２〜100℃／sec
程度が好適である。

【００１５】Ｃ：0.50〜0.75wt％：鋼線の基本強度の維
持に有効な元素である。特に0.60〜0.70wt％が好まし
い。

【００１６】Si：1.20〜2.50wt％：耐熱性を向上させる
ために必要な元素である。すなわち、フェライト中に固
溶し、鋼の強度を高めると共に、焼戻し軟化抵抗を高め
ることに有効である。下限値未満ではこの効果が得られ
ず、上限値を超えてもその効果が飽和するからである。
特に1.60〜2.20wt％の範囲が好ましい。

【００１７】Mn：0.10〜0.90wt％：0.10〜0.50 wt％未
満（さらに好ましくは0.40wt％未満）であればベイナイ
ト変態が短時間にできて生産性に優れ、0.50〜0.90 wt
％であれば強度に優れるからである。

【００１８】Cr：0.01〜0.90wt％：耐熱性、焼入れ性を
向上させ、窒化深さを大きくするために有効な元素であ
るが、添加量が多いとコスト高を招くだけである。この
範囲内であればCrの含有量を極力少なくでき、かつ短時
間でのベイナイト変態が可能である。特に、生産性を重
視したときは0.01〜0.50wt％未満（さらに好ましくは0.
40wt％未満）が好ましく、高強度化を重視したときは0.
50〜0.90wt％が好ましい。

【００１９】Mo：0.05〜1.50wt％：耐熱性を向上させる
ために必要な元素である。すなわち、炭化物を析出して
焼戻し軟化抵抗を高め、鋼線の強度、靭性、耐熱性を向
上させる。特に0.50〜1.50wt％、さらに好ましくは0.70
超〜1.50wt％の範囲が好ましい。

【００２０】V：0.05〜0.50,Nb：0.05〜0.50wt％：結晶
粒の微細化を促進し、靭性や耐へたり性を向上できるか
らである。下限値を下回ると、この効果が期待できず、
上限値を上回ると靭性が低下する。

【００２１】Ni：0.01〜0.20wt％：靭性を向上させるた
めに有効な元素だからである。下限値未満では、靭性向
上効果があまり期待できず、上限値を超えてもコスト高
を招くだけで一層の靭性向上が期待できないからであ
る。

【００２２】500℃×120分保持後の表面硬度480Hmv以
上、かつOT後の硬度に対して0.83以上：このような高温
下に保持されても480Hmv以上の表面硬度を有し、OT後の
硬度に対して0.83以上であれば高温（500℃程度）で窒
化処理が可能で、鋼線の強度を向上できるからである。
特に、520Hmv以上では非常に高い疲労限が期待できる。
520Hmv以上の表面硬度を得るには、Cr+Moを1.0wt％以上
とすれば良い。さらに好ましくは、Cr+Moを1.4wt％以上
とすることで、580Hmv以上の表面硬度を得ることができ
る。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。 （試験例１）表２、３の化学成分（単位は全てwt％）を
持つ鋼材を次の工程で鋼線に加工し、パテンティング時
間を調べてみた。 溶解鋳造→鍛造→圧延→パテンティング→皮剥ぎ・焼鈍
→伸線→OT処理

【００２４】

【表２】

【００２５】

【表３】

【００２６】パテンティングにおける加熱温度は950℃
とし、そこから600℃または400℃に保持して変態させ
る。その際のパテンティングに要する時間を比較した。
その結果を表４に示す。なお、表４には「400℃におけ
るパテンティング時間／600℃におけるパテンティング
時間」の比率も示した。

【００２７】

【表４】

【００２８】表４に示すように、実施例１〜28ではパテ
ンティング温度を400℃とした場合、600℃とした場合の
10〜70％の時間でベイナイト変態を完了できることがわ
かる。特に、MnおよびCrが共に少ない実施例2〜13、Mn
は多いがCrが少ない実施例14〜21はパテンティング時間
が短くなっている。また、Moの添加のない比較例１〜３
は600℃、400℃のいずれの場合でも変態時間が短いが、
後述するように十分な耐疲労特性を得ることができな
い。従来は、一般に600℃にてパーライト変態させてい
た。しかし、Moが多く（0.50wt％以上）添加された鋼で
は、生産性が低すぎる。これを400℃でベイナイト変態
させることによって生産性を向上することができる。そ
して、得られた鋼線を伸線加工したところ、いずれの実
施例も50％以上の減面率で伸線加工が可能であった。な
お、パテンティング後の組織はいずれの実施例もほぼベ
イナイトを主体としており、わずかにパーライトが含ま
れるものの、その含有率は５vol％以下であった。

【００２９】（試験例２）次に、ＯＴ処理後の軟化抵抗
を調べてみた。疲労限の高いばねを得るには、いかに高
温で鋼線内部を強度低下させることなく窒化処理できる
かが重要なポイントになる。そのため、高温窒化処理が
可能かどうかは、窒化処理しなくても高温下に保持し、
その鋼線の強度低下が十分に小さいかを測定することで
判断できる。鋼線の強度低下は、鋼線の表面硬度からほ
ぼ推定できるため、ここでは高温保持後の表面硬度で評
価した。保持温度は500℃とし、保持時間を20、60、120
分とした。

【００３０】試験材は、表２、３の各成分を持つ鋼線を
400℃でパテンティングし、皮剥ぎした後、550℃×20分
の焼鈍を行い、5.5mm→4.0mm（減面率：約47％）の伸線
加工を行って、ＯＴ処理を施す。ＯＴ処理後はコイリン
グ加工がし易いように、鋼線の表面硬度がほぼ550〜610
HmvとなるようにＯＴ条件を決めた。すなわち、950℃に
鋼線を加熱した後、400〜500℃に数秒から1分以内保持
してＯＴ処理を行った。ＯＴ処理後の硬度および高温保
持後の硬度ならびに両硬度の比率を表５、６に示す。

【００３１】

【表５】

【００３２】

【表６】

【００３３】これらの表に示すように、各実施例は500
℃×120分の高温下に保持されても、表面硬度が480Hmv
以上、かつOT後の硬度に対する500℃×120分後の硬度の
比が0.83以上となっており、優れた軟化抵抗を有してい
ることがわかる。特に、Mnは少ないがCrが多い実施例22
〜26や、Mn、Cr共に多い実施例27、28は高温保持後の硬
度低下が少ないことがわかる。

【００３４】表１における組合せAの組成（実施例5〜1
3）において、Cr＋Moが1.0wt％以上の実施例7〜10、1
2、13は520Hmv以上の表面硬度が得られている。なお、C
が0.60wt％未満またはSiが1.60wt％未満のもの（実施例
1〜4）は500℃×120分後の表面硬度が480Hmv以上である
が、他の実施例に比べて低硬度である。

【００３５】また、組合せBの組成（実施例15〜21）に
おいて、Cr＋Moが1.0wt％以上の実施例15〜19、21は520
Hmv以上の表面硬度が得られている。なお、Cが0.60wt％
未満でSiが1.60wt％未満の実施例14は表面硬度が480Hmv
以上であるが、他の実施例に比べて低硬度である。

【００３６】さらに、組合せC（実施例22〜26）および
組合せD（実施例28）ではCr＋Moが1.4wt％以上であり、
いずれも580Hmv以上の硬度が得られている。

【００３７】（試験例３）OT処理後の上記実施例７，
９，10、22、24について曲げ加工性を評価した。評価
は、割れなどが生じることなく、いかに細い丸棒に巻き
付けできるかどうかにより行う。実施例７は直径７mm以
上の丸棒に巻き付けることができたのに対し、実施例９
は直径６mmの丸棒に、実施例10は直径５mmの丸棒に巻き
付けることができた。また、実施例22は直径７mm以上の
丸棒に巻き付けることができたのに対し、実施例24は直
径6mmの丸棒に巻き付けることができた。これらのこと
より、Ni添加で靭性の向上が確認された。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高温での影響を少なくして疲労限を向上し、高温での窒
化処理が可能なばね用オイルテンパー線を得ることがで
きる。また、パテンティング温度を限定することでパテ
ンティング時間を短くすることができ、製造性にも優れ
ている。特に、Moを多く添加しても短時間でパテンティ
ングが行え、かつ高い軟化抵抗を有する鋼線を得ること
ができる。

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Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 成分がwt％で、Ｃ：0.50〜0.75、Si：1.
   20〜2.50、Mn：0.10〜0.90、Cr：0.01〜0.90、Mo：0.05
   〜1.50、残部がFeおよび不可避的不純物であることを特
   徴とする鋼線。
2. 【請求項２】 さらにNiを0.01〜0.20wt％含むことを特
   徴とする請求項１記載の鋼線。
3. 【請求項３】 さらにV：0.05〜0.50wt％およびNb：0.0
   5〜0.50wt％の少なくとも一方を含むことを特徴とする
   請求項１または２記載の鋼線。
4. 【請求項４】 （500℃×120分保持後の硬度）/（OT後
   の硬度）が0.83以上で、かつ500℃×120分の高温下に保
   持した後の鋼線表面の硬度が480Hmv以上であることを特
   徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鋼線。
5. 【請求項５】 成分がwt％で、Ｃ：0.50〜0.75、Si：1.
   20〜2.50、Mn：0.10〜0.90、Cr：0.01〜0.90、Mo：0.05
   〜1.50を含有する鋼線のパテンティング温度を360〜450
   ℃としたことを特徴とする鋼線の製造方法。