JP2002194496A - ばね用鋼線、ばね及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 母相マルテンサイトの結晶粒強化を行うこと
によって高い耐疲労性、耐腐食疲労性を得ることができ
るばね用鋼線とその製造方法ならびにばねを提供する。 【解決手段】 化学成分として、質量％でC：0.4〜1.
0、Si：0.1〜2.5、Mn：0.2〜1.2、Cr：0.5〜1.2を含有
し、残部がFe及び不可避不純物からなる成分を持つ。主
に焼入れ焼戻しを行って得られる焼戻しマルテンサイト
組織を有する。そして、このマルテンサイト結晶内の炭
化物形状が平均アスペクト比で3.0以上である。結晶粒
内の炭化物を針状に析出させることで、炭化物は強化繊
維の役割を果たして、その結晶粒を非常に強固で靭性を
持ったものとし、耐疲労性の向上を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に家庭電化製品
や自動車部品に用いられる耐疲労性に優れた圧縮、引張
コイルばね、ならびに線ばねなどに使用される焼戻しマ
ルテンサイト組織を有するばね用鋼線およびその製造方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車エンジンの排気系に用いられるば
ね部品素材として、Si-Cr鋼を主体とする高強度オイル
テンパー線が用いられてきた。近年、地球環境問題の高
まりに対応した、エンジンの低燃費化、高効率化への要
望に応えるため、動弁系機構や縣架ばねユニットの省重
量化、省スペース化が行われている。その結果として、
ばねの小型化、即ちばね用鋼線の高強度化が進む傾向に
ある。オイルテンパー線は耐疲労性も高く、ばね用鋼線
として優秀なものであるが、更に耐疲労性や耐腐食疲労
性を高める必要がある。

【０００３】そこで、耐疲労性を向上させる方法とし
て、例えば特開平5-320826号や特開平5-331597号公報の
ように、V，Nb，Wなどの炭化物生成元素を添加させるこ
とで、焼入れ加熱時の炭化物析出による結晶粒粗大化抑
制が行われている。しかしながら、これらの炭化物は旧
オーステナイト結晶粒の結晶粒界に析出し、焼戻し時に
マルテンサイト結晶粒内に析出する炭化物量を減少さ
せ、結晶の強度を低下させるため、当初期待するほどの
効果は得られない。また、結晶粒界に存在することで、
耐腐食疲労性に悪影響を及ぼす。

【０００４】同様に特公平9-6981号公報において、添加
V量と焼入れ条件を特定することで、結晶粒度(JIS)を10
以上(結晶粒径は平均で12μm)とすることで、耐疲労性
を向上させるとあるが、結晶粒径を小さくするだけで、
飛躍的な強度と靭性の向上は期待できない。なお、「結
晶粒径(n)」は１mm^２内にb個の結晶粒(本発明の場合に
は旧オーステナイト粒)が存在するという下式の規定に
より、「結晶粒径(ｄ＝単位μm)」とは下記の関係が成
り立つ。

【０００５】

【数１】

【０００６】さらに、特開平9-71843号公報では、金属
組織中の残留オーステナイト相の体積率を低減し、焼入
れ時の未固溶炭化物の組織内密度を均一に低減させるこ
とで、靭性低下抑制効果を実現しているが、材料そのも
のの母相を強化するものではなく、耐疲労性向上効果は
少ない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術は、いずれも結晶粒微細化や組織に散在する残
留オーステナイト相や未固溶炭化物の低減を行うことで
目的とする耐疲労性向上を図ったものであり、母相マル
テンサイトの結晶粒の強化を積極的に図ったものではな
い。

【０００８】従って、本発明の主目的は、母相マルテン
サイトの結晶粒強化を行うことによって高い耐疲労性、
耐腐食疲労性を得ることができるばね用鋼線とその製造
方法ならびにばねを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、マルテンサイ
ト結晶内の炭化物形状を所定の針状に特定することで上
記の目的を達成する。

【００１０】すなわち、本発明ばね用鋼線は、化学成分
として、質量％でC：0.4〜1.0、Si：0.1〜2.5、Mn：0.2
〜1.2、Cr：0.5〜1.2を含有し、残部がFe及び不可避不
純物からなる成分を持ち、主に焼入れ焼戻しを行って得
られる焼戻しマルテンサイト組織を有し、マルテンサイ
ト結晶内の炭化物形状が平均アスペクト比で3.0以上で
あることを特徴とする。

【００１１】ここで、マルテンサイト結晶内の炭化物の
長径が0.1μm以上であることが好ましい。

【００１２】さらに化学成分として、質量％でMo：0.05
〜0.50、V：0.05〜0.50、W：0.05〜0.15、Nb：0.05〜0.
15、Ti：0.01〜0.20のうち1種以上を含有することが好
適である。その他の化学成分として、質量％で、Ni：0.
02〜1.00、Co：0.02〜1.00、Cu：0.02〜1.00を含有する
ことも望ましい。

【００１３】また、鋼線横断面の焼入れ後におけるオー
ステナイト結晶粒（旧オーステナイト結晶粒）の平均結
晶粒径が1.0〜18.0μmとすることが好ましい。さらに好
ましい平均結晶粒径の範囲は1.0〜7.0μmである。この
結晶粒径は、焼入れ後の粒径であるが、焼戻し後もほぼ
同じ粒径のまま残る。

【００１４】鋼線の引張強さは、1300MPa以上2800MPa以
下であることが好適である。

【００１５】さらに、本発明のばねは、上記の鋼線を用
いて作製されたことを特徴とする。

【００１６】一方、本発明ばね用鋼線の製造方法は、焼
入れ時および焼戻し時の加熱を昇温速度50〜2000℃/s
（℃/秒）で行い、保持時間を0.5〜30s（秒）で行うこ
とを特徴とする。

【００１７】マルテンサイト中に焼戻し時析出する結晶
粒内炭化物は、非常に硬いため、結晶粒を強化するのに
有効である。しかし、これが球状あるいは粒状であると
き、圧縮応力あるいは引張応力またはせん断応力が繰り
返しかかると、その弾性限やヤング率の違いから炭化物
/母相の境界にクラックを生じ、破壊の原因となる。ま
た、疲労によって生じたすべり帯が容易に結晶粒内に発
生し、結果としてすべり帯の集中が起きやすく、疲労破
壊の起点となり易い。

【００１８】そこで本発明では、結晶粒内の炭化物を前
述のように、マルテンサイトラス内に針状に析出させる
ことで、炭化物は強化繊維の役割を果たし、その結晶粒
を非常に強固で靭性を持ったものとし、耐疲労性の向上
を図った。

【００１９】以下に本発明における構成元素の選定およ
び成分範囲を限定する理由並びに製造条件の特定理由を
述べる。

【００２０】（C：0.4〜1.0質量％）Cは鋼の機械的特性
を決定する重要な元素であるが、0.4％未満では十分な
強度が得られず、逆に1.0％を越えると靭性が低下し、
更に鋼線の疵感受性が高くなり信頼性が低下するため、
C含有量を0.4〜1.0％とした。

【００２１】（Si：0.1〜2.5質量％）Siは溶解精錬時の
脱酸剤として使用される。またフェライト中に固溶し、
強化する効果も合わせ持つ。但し、過度の添加は靭性の
欠如を招き、熱間加工性の低下や熱処理による脱炭の助
長、そして、ばね加工時の折損の原因となり易いため、
脱酸効果を持たせるために0.1％以上、靭性欠如を防止
するために2.5％以下とした。

【００２２】（Mn：0.2〜1.2質量％）MnもSi同様、溶解
精錬時の脱酸剤として使用され、鋼の焼入性を向上さ
せ、鋼中のSを固定してその害を阻止する。但しMnは線
材の中心偏析を生じ易くする元素でもあり、熱間圧延後
のパテンティング処理時に中心偏析箇所にマルテンサイ
トを生じ、著しく線引き加工時の断線率を増加させる。
そこで脱酸作用を持つ下限として0.2％以上、靭性劣化
を招かない範囲として上限を1.2％とした。

【００２３】（Cr：0.5〜1.2質量％）CrはMn同様に鋼の
焼入性を向上させ、かつ熱間圧延後のパテンティング処
理により靭性を付与し、焼入れ後、焼戻し時の軟化抵抗
を高め、高強度化に有効な元素である。0.5％未満では
その効果が少なく、逆に、1.2％を越えると炭化物の固
溶を抑制し、強度の低下を招くとともに、焼入性の過度
の増加となって靭性の低下をもたらすためである。

【００２４】（Mo：0.05〜0.50質量％）Moは焼戻し時に
炭化物を形成し、軟化抵抗を増大させる元素であるが、
0.05％未満ではその効果が少なく、0.50％を越えると伸
線加工性を低下させるため、含有量をMo：0.05〜0.50％
とした。

【００２５】（W,Nb：0.05〜0.15質量％、V：0.05〜0.5
0質量％）W，Nb，Vも焼戻し時に鋼中に炭化物を形成
し、軟化抵抗を増大させる効果がある。但し、いずれも
0.05％未満ではその効果を発揮し得ない。逆に、Vでは
0.50％、W，Nbでは0.15％を越えるといずれも焼入れ加
熱時に炭化物を多く形成し、靭性の低下を招くため、含
有量をそれぞれV：0.05〜0.50％、W：0.05〜0.15％、N
b：0.05〜0.15％と定めた。

【００２６】（Ti：0.01〜0.20質量％）Tiも焼戻し時に
鋼中に炭化物を形成し、軟化抵抗を増大させる効果があ
る。但しTiは高融点非金属介在物であるTiOを生成す
る。故に精錬時の条件設定などが重要である。軟化抵抗
向上効果が期待できる量として0.01％以上、炭化物、介
在物の過度の増加による靭性劣化を考慮して0.20％以下
とした。

【００２７】 （Ni,Co,Cu：0.02〜1.00質量％）Ni，C
o，Cuはオーステナイト生成元素であり、Ni，Co，Cu添
加によってMs点を大きく低下させ、残留オーステナイト
を生じ易くする材料である。残留オーステナイトの増加
は、鋼線の硬度を低下させる作用を持つが、逆にSiによ
る固溶強化やMo，W，Nb，V，Tiといった炭化物析出元素
で強化された鋼線に靭性を持たせる効果を持つ。またNi
は塩水腐食環境において、Cl元素の侵入を阻止する役割
も持つ。靭性向上効果を持つ最低限度として0.02％、硬
度低下を招かない上限として1.00％とした。

【００２８】（アスペクト比：３以上、炭化物の長径：
0.1μm以上）アスペクト比が３以上である細長い針状の
炭化物を形成することで、炭化物は強化繊維の役割を果
たし、非常に強固で靭性を持った材料とできるからであ
る。また、炭化物の長径が0.1μm以上のものであれば、
強化繊維の役割を効果的に果たしやすいからである。

【００２９】（旧オーステナイト結晶粒径：1.0〜18.0
μｍ）上記の粒内炭化物を有する鋼線は、旧オーステナ
イト結晶粒径が1.0〜18.0μｍであるとき、さらに耐疲
労性に優れる。これは結晶粒の強化を行い、金属組織を
微細化することで高強度と高靭性を両立させた材料がは
じめて得られることに起因する。結晶粒径は18.0μm以
下としたとき微細化効果が現れるが、更に7.0μm以下と
するとき、その微細化による強化の効果は著しい。但
し、結晶粒径1.0μm未満の時、熱処理による未固溶炭化
物の除去が非常に困難となるため、下限を1.0μm以下と
した。18.0μmを越える場合は、疲労限が低く、かつ靭
性も低下しやすいという問題がある。

【００３０】（引張強さ：1300MPa以上2800MPa以下）引
張り強さは、1300MPa以上2800MPa以下であるとき、ばね
用鋼線として特に優れた性能を発揮する。この値は、ば
ねとしてコイリングするときに最低限必要な引張り強さ
として1300MPa以上、コイリング時に折損しない靭性を
持たせるために2800MPa以下とした。

【００３１】（製造条件）前述した針状粒内炭化物を持
つ本発明鋼線を得るには、極めて短時間の焼入れ・焼戻
し加熱が有効で、中でも短時間の焼戻し加熱が有効であ
る。長時間の加熱は粒内炭化物の球状化、粗大化を引き
起こす。また、この製造条件は、所定の旧オーステナイ
ト結晶粒径を実現するためにも必要である。そこで、鋼
線のサイズにもよるが、焼入れおよび焼戻し時の昇温速
度を50〜2000℃/sとし、保持時間を0.5〜30ｓとしたと
き、粒内炭化物を効果的に針状化、微細化することがで
きる。焼入れの好ましい加熱温度は800〜1150℃程度、
焼戻しの好ましい加熱温度は250〜550℃程度である。さ
らに、焼入れ時の昇温速度を50〜2000℃/sとすること
で、酸化スケールを低減することができ、それに伴って
高い疲労強度を得ることができる。

【００３２】

【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1に示す実施例であるサンプルA，B，
C，D，E，F，L，M，N，O，P，Q，Rと、比較例であるサ
ンプルG，H，I，J，Kについて鋼を真空溶解炉にて溶製
し、熱間鍛造、熱間圧延により直径6.5mmの線材を作製
した。 この線材を熱処理、皮剥、冷間伸線により直径
4.0mmに加工した。さらにこれらに焼入れ加熱温度を100
0℃として焼入れ、450℃で焼戻し処理を施してオイルテ
ンパー線を得た。 表1に得られた試料の化学成分、粒
内炭化物平均アスペクト比、旧γ粒結晶粒径および室温
での引張り強さを示す。

【００３３】アスペクト比は、前記の試料から電解研磨
で薄膜を作り、更にエッチングを行ってTEM（Transmiss
ion Electron Microscope）で観察し、TEM写真からマ
ルテンサイト結晶粒内に析出した粒内炭化物のアスペク
ト比を実際に測定した。アスペクト比は粒内炭化物の長
径／短径で求める。参考までに、本発明実施例であるサ
ンプルAのTEM観察写真を図１に、比較例であるサンプル
GのTEM観察写真を図２に示す。

【００３４】図１、２中の黒く見える個所が炭化物を示
している。図１、２からわかるように、サンプルAのマル
テンサイト結晶粒内炭化物の長径は平均で0.1μm以上あ
った。これに対して、サンプルGのマルテンサイト結晶
粒内炭化物は平均で0.1μm未満であり、形状もほぼ球状
であった。なお、他の実施例であるサンプルB〜Fも同様
にマルテンサイト結晶粒内炭化物の長径は平均で0.1μm
以上であり、他の比較例H〜Kのマルテンサイト結晶粒内
炭化物も平均で0.1μm未満であり、形状もほぼ球状であ
った。

【００３５】実施例と比較例では、マルテンサイト結晶
粒内に析出した粒内炭化物の平均アスペクト比が異な
る。実施例では平均5.0〜7.0としたのに対し、比較例で
は1.0〜4.0としている。アスペクト比を変える方法とし
ては、焼き入れおよび焼戻し加熱の昇温速度と保持時間
とを制御することが挙げられる。保持時間とは、焼入れ
又は焼戻しの加熱を開始してから冷却を開始するまでの
時間である。

【００３６】実施例は、焼戻し加熱を、加熱温度450
℃、昇温速度1000℃/s、保持時間を1.0sとした。これに
対し、比較例では、焼戻し加熱を、加熱温度450℃、昇
温速度30℃/s、保持時間を40sで行った。

【００３７】また、結晶粒微細化の影響を調べるため、
鋼線横断面における旧オーステナイト平均結晶粒径が3
μm程度のもの（サンプルE）、5μm程度のもの（サンプ
ルD,F,J）、10μm程度のもの（サンプルA,B,C,G,H,I,L
〜R）並びに20μm程度のもの（サンプルK）の4種類を得
た。各種類ごとの焼入れ時の加熱温度、昇温速度および
保持時間は次のとおりである。 粒径３μm程度：加熱温度870℃、昇温速度500℃/s、保
持時間2s 粒径５μm程度：加熱温度900℃、昇温速度500℃/s、保
持時間2s 粒径10μm程度：加熱温度1000℃、昇温速度500℃/s、保
持時間2s 粒径20μm程度：加熱温度1100℃、昇温速度500℃/s、保
持時間2s

【００３８】得られた線材について酸化スケールの量を
調べてみた。その結果、いずれの実施例も酸化スケール
量が10g/m²以下と少なくなっていることがわかった。ま
た、いずれのサンプルも室温での引張り強さは2000MPa
程度であり、ほぼ同一の強度の材料を得た。そこで、ば
ね加工後のひずみ取りテンパーを想定して、400℃×30
分のテンパーを行った。

【００３９】いずれの試料も、光学顕微鏡観察やSEM（S
canning Electron Microscope）で観察の結果、線表
面の脱炭、酸化皮膜、金属組織内の未固溶炭化物は存在
しないことを確認して評価に移った。

【００４０】

【表１】

【００４１】次に、以上のサンプルを中村式回転曲げ疲
労試験機にかけた結果を表２に示す。試験はひずみ一定
で試料に応力をかけ、繰り返し回数１×10^７回で折損の
なかった振幅応力をとった(n数＝８)。

【００４２】

【表２】

【００４３】いずれの実施例も比較例に比べて疲れ強さ
が向上することがわかった。特に、C、Si、Mn、Cr、V以
外の化学成分の含有に伴う疲れ強さについて考察して見
ると、サンプルC,F,IおよびM〜Rの比較から明らかなよ
うに、Mo，V，W，Nb，Tiといった炭化物生成元素添加に
より析出強化が行われ、Ni，Co，Cuといったオーステナ
イト生成元素添加により靭性向上が図られていることが
わかる。

【００４４】（試験例２）次に、サンプルA，C，G，Iを
用いて腐食疲労試験を行った。図３は腐食疲労試験の概
略説明図である。この図に示すように、まず塩水噴霧を
行い、続いて回転曲げ疲労試験を行って、さらに恒温恒
湿槽放置を行う。これら一連の試験を１日当たり1サイ
クル行い、折損するまで繰り返した。いずれも試験前に
ばね加工後のひずみ取りテンパーを想定して、400℃×3
0分のテンパー処理を行っている。

【００４５】

【表３】

【００４６】表３からわかるように、粒内析出炭化物形
状を制御することで、耐腐食疲労性も大きく向上するこ
とが確認できた。さらにNiのような耐腐食疲労性向上に
寄与するといわれる元素を添加するとき、粒内析出炭化
物形状を制御することで、相乗効果を持つことが確認で
きる。これは金属組織内の炭化物が球状化粗大化させな
いことで、粒界への余分な炭化物析出を制御した結果、
高い耐腐食性を示したものと考えられる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のばね用鋼
線およびばねは、母相マルテンサイトの結晶粒強化を粒
内析出炭化物の形状制御を行うことによって高い耐疲労
性、耐腐食疲労性を得ることが可能である。更にMo，
V，W，Nb，Tiといった炭化物生成元素添加による析出強
化を行い、Ni，Co，Cuといったオーステナイト生成元素
添加による靭性向上や耐食性向上を行うことで、従来鋼
線では得られない高い靭性と耐食性を得ることができ
る。本発明の鋼線を用いることで、弁ばね、縣架ばねな
どに要求される高疲労強度ばね、もしくは耐腐食疲労ば
ねを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例であるサンプルAのTEM写真である。

【図２】比較例であるサンプルGのTEM写真である。

【図３】腐食試験方法の概略説明図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ１６Ｆ 1/02 Ｆ１６Ｆ 1/02 Ｂ (72)発明者 山尾 憲人 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 村井 照幸 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 Ｆターム(参考） 3J059 AB11 AD04 BC02 GA01 GA21

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 化学成分として、質量％でC：0.4〜1.
   0、Si：0.1〜2.5、Mn：0.2〜1.2、Cr：0.5〜1.2を含有
   し、残部がFe及び不可避不純物からなる成分を持ち、 主に焼入れ焼戻しを行って得られる焼戻しマルテンサイ
   ト組織を有し、 このマルテンサイト結晶内の炭化物形状が平均アスペク
   ト比で3.0以上であることを特徴とするばね用鋼線。
2. 【請求項２】 マルテンサイト結晶内の炭化物の長径が
   0.1μm以上であることを特徴とする請求項1に記載のば
   ね用鋼線。
3. 【請求項３】 さらに化学成分として、質量％でMo：0.
   05〜0.50、V：0.05〜0.50、W：0.05〜0.15、Nb：0.05〜
   0.15およびTi：0.01〜0.20よりなる群から選択される1
   種以上を含有する請求項1または請求項2に記載のばね用
   鋼線。
4. 【請求項４】 さらに化学成分として、質量％でNi：0.
   02〜1.00、Co：0.02〜1.00およびCu：0.02〜1.00よりな
   る群から選択される1種以上を含有する請求項1〜3のい
   ずれかに記載のばね用鋼線。
5. 【請求項５】 鋼線横断面の焼入れ後におけるオーステ
   ナイト結晶粒（旧オーステナイト結晶粒）の平均結晶粒
   径が1.0〜18.0μmであることを特徴とする請求項1〜4の
   いずれかに記載のばね用鋼線。
6. 【請求項６】 鋼線横断面の焼入れ後におけるオーステ
   ナイト結晶粒(旧オーステナイト結晶粒）の平均結晶粒
   径が1.0〜7.0μmであることを特徴とする請求項5に記載
   のばね用鋼線。
7. 【請求項７】 引張強さが1300MPa以上2800MPa以下であ
   ることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のばね
   用鋼線。
8. 【請求項８】 焼入れ時および焼戻し時の加熱を昇温速
   度50〜2000℃/sで行い、保持時間を0.5〜30sで行うこと
   を特徴とするばね用鋼線の製造方法。
9. 【請求項９】 請求項1から7のいずれかに該当する鋼線
   を用いて作製したことを特徴とするばね。