JP2002508443A - 冷間引抜き線及びそのような線の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
、本発明は、冷間引抜き線、及びこの冷間引抜き線から製造した析出硬化ばねに
関する。典型的には、ばねにおいてステンレス鋼は、いわゆる17−7PH鋼か
らなる。
有する析出ステンレス鋼は、1940年代に開発された。これは、Iron A
ge、1950年3月、第79〜83頁に記載の論文に開示された。この論文に
おいて既に、この鋼が、ばね用材料として適当であることが示唆された。良好な
ばねの特徴と良好な耐食性とを併せ持つことから、上記鋼は、腐食環境における
ばね材料として広く使用されてきた。この種の環境には、ディーゼルエンジン用
、より詳細にはターボディーゼルエンジン用インジェクションポンプがある。こ
の目的に使用されるばねは、17−7PH鋼が有する良好な耐食性と、ばねの極
めて高い耐疲労性とを併せ持たなければならない。しかしながら、後者の条件は
、達成するのが困難である。長年、高度の耐疲労性は、ばね線の表面に依存する
ことが知られている。ばねが高耐疲労性を有するためには、線は、疲労破壊を起
こすことがある可視欠陥を有していてはいけない。また、表層は、破壊を生じる
ことのある、大きなスラグ介在物又はより小さなスラグ介在物の大きな蓄積物を
含有する大きな帯域を含んでいてはならない。これらの条件は、スラグの顕微鏡
観察からみる限り、満足するのが困難であり、規定の品質要件を満たさない線の
不合格品が顕著に生じた。このため、綿密な品質管理で合格した線材がどうして
も極めて高価となる。それであっても、この材料が、耐疲労性に関する限り、最
も高い要求を満足するとは言えない。
スラグ精錬、すなわち、略称ESR(=Electro Slag Refin
ing;「エレクトロスラグ再溶融」とも称する)で知られている処理に附する
ことにより、圧延線の表層における上記した型の大きなスラグ介在物及び帯域が
回避又は顕著に減少できるという考察に基づくものである。このESR処理では
、公知の方法で使用されている通常のスラグ混合物を使用でき、ESR再溶融プ
ロセスで溶融体を形成し、再溶融される電極が滴状溶融して、形成された溶融滴
がスラグ溶融体を介して、その下の溶湯溜に沈んで順次凝固して新たなインゴッ
トを形成する。例えば、それ自体公知であり、CaF2、CaO及びAl2O3 を各々約30%、通常ライムフラクションにおいて一定量のMgO、及びSi O21%又は少量含有するスラグ混合物を使用できる。本発明によれば、溶融電
極が種々のサイズのスラグ介在物を含有する17−7PHステンレス鋼からなる
場合には、再溶融インゴットは、スラグの顕微鏡観察結果が、再溶融操作前とは
異なるものとなる。ESRスラグが、再溶融操作前に鋼中に存在するより大きな
スラグ粒子のスクリーンとして機能すると思われる。少なくともこれは、ばね用
線の疲労強度に悪影響を及ぼすことが判明したスラグ、すなわち、CaO、Al 2 O3及びMgO 型スラグについて言えると思われる。より小さなスラグ介在 物はより均一に分布し、形成することのあるスラグ蓄積物の帯域がより小さくな
り、したがって、有害性が低下するとともに、再溶融材におけるこの種のより小
さなスラグ介在物の量の影響は、小さくなる。従来の材料及び本発明の材料につ
いて実施した疲労試験から、臨界スラグサイズが、20〜30μmであることが
分かった。したがって、30μmよりも大きなスラグ介在物は、回避されなけれ
ばならない。好ましくは、線は、25μmより大きなスラグ粒子を含有していて
はならない。
長年標準化されている化学組成を有することができる(SIS2388)。
、鉄の他に、重量%で C:0.065〜0.11%、 Si:微量〜1.2%以下、 Mn:0.2〜1.3%、 Cr:15.8〜18.2%、 Ni:6.0〜7.9%、 Al:0.5〜1.5%、 他の存在する可能性がある合金元素:合計2%以下、 を含有する溶融体を準備する工程と、 準備した溶融体を鋳造してインゴットを形成するか、又は、好ましくはストラ
ンドを形成してそれを切断して断片とする工程と、 前記インゴット又は切断ストランドを、好ましくは鍛造及び/又は圧延してエ
レクトロスラグ精錬に適当な電極形状とした後、エレクトロスラグ精錬してES
Rインゴットを形成する工程と、 前記ESRインゴットを熱間加工するが、その際前記熱間加工を線圧延で仕上
げ、その後酸洗いをして酸洗い圧延線を形成するが、前記線を介した縦中央断面
における表面から1mmの深さまでの表層において、30μmを超えるスラグ介
在物、好ましくは25μmを超えるスラグ介在物を含まない圧延線を形成する工
程と、 前記線を減面率少なくとも30%に冷間引抜きする工程と、 を含んでなる、方法が提供される。
り溶湯がその意図する基本組成となったら、続いての操作で、Alを添加する。
失われることがある。したがって、ESR再溶融操作では、より多くのアルミニ
ウムを溶融溜に供給して損失分を補充して、ESR再溶融操作後に得られるES
Rインゴットが0.5〜1.5Alを含有するようにしなければならない。
て形成される。ばねを、450〜500℃の温度で0.5〜2時間、好適には約
480℃で1時間熱処理して析出硬化した後、空気中で冷却する。最終ばねにお
ける材料の構造は、マルテンサイトにおいてアルミニウムとニッケルからなる析
出相(好ましくはAlNi3)を含有する焼き戻しマルテンサイト50〜70容
積%と、残部がオーステナイト及び5%以下のδフェライトから構成されている
。
、取瓶で合金組成を最終調整することを含んでなる通常の金属溶融法において、
前記最終調整はアルミニウムとチタンを添加することを含み、重量%で以下の組
成を有する一定容積の溶湯(熱番No.370326)を得た。
のストランドを、切断してブルームとした。多数のこれらのブルームを、265
〜300mmのサイズに圧延し、続いてのESR再溶融で電極として使用した。
残りのブルームを、熱間圧延して断面150mm角のロッドを形成した。ロッド
を、表面研磨し、熱間圧延して5.5mmφの線の形状とし、酸洗いした。
グ溶融体中で通常の方法により実施した。また。ライムフラクションに一定量の
MgO も存在した。さらに、このスラグは、少量のSiO2を含有するもので あった。このスラグ中で電極を再溶融することにより、重量%で以下の組成を有
するESRインゴット(ESR熱番14484)が得られた。
ム含量について言え、顕著に減少した。これは、ESR再溶融でアルミニウムを
添加して損失を補充しなければならないことを示している。この補充は、アルミ
ニウム線により実施でき、これはスラグ層下の溶融溜に溶融する。
造した。これらのロッドを、研磨し、熱間圧延して5.5mmφのサイズの線と
した。圧延線を酸洗いし、試料を採取してスラグを検査した。
ら製造した圧延線から、長さ500mmの切断材を採取した。これらの試料を切
断してより小さい長さ20mm片とし、成型・硬化したプラスチックのボディ中
に配置した。これらのボディ中で、試料片を、それらの厚さの半分まで研磨する
ことにより、試料片の縦方向において、試料片の中央面と一致する切断面を得た
。縦端帯域を、線の最初の表面から1mmの深さまで、光学顕微鏡により調査し
た。全ての試料片を、このようにして調査した。総長さが500mmである各試
料長さについて調査した総表面は、1000mm2であった。光学顕微鏡では、
酸化物スラグ介在物(粒子)が観察されただけでなく、スラグ介在物からなるよ
り大きな蓄積物を含有するバンド又は帯域の存在が観察された。スラグ介在物を
、3つのサイズグループA、B及びC、小サイズスラグ介在物(5〜10μm)
、中サイズスラグ介在物(>10〜15μm)及び大サイズスラグ介在物(>1
5μm)に分類した。さらに、スラグ介在物からなる帯域の数、このような帯域
の長さ、これらの帯域におけるスラグ介在物のサイズの型についても調査した。
結果を、表1に示す。表1において、材料1aw及び1bwは、ESR再溶融な
しの上記熱番No.370326を出発材料として通常の方法で製造した圧延線
材料、及び本発明によりESR再溶融した(熱番14484−ESR)圧延線材
料である。材料1aw及び1bwのいずれも、表層には大きなスラグ介在物を含
有していなかった。しかしながら、材料1awは、125〜450μmの異なる
長さを有するスラグ帯域を17も有していた。これらの帯域は、小サイズスラグ
介在物と中サイズスラグ介在物を含有していた。本発明により製造した材料1b w は、長さが63μmであって、小サイズのスラグ介在物しか含有しないスラグ
帯域が一つしか観察されなかった。この材料は、スラグ介在物の観点から、許容
できるものと考えられる。
査は、上記と同様にしておこなった。これらの試験材料を用いた場合に得られた
結果を、表1にあわせて示す。表1において、材料2aw及び3awは、ESR
再溶融をしなかった材料から製造した圧延線からなり、一方、材料2bw及び3
bwは、本発明によるESR再溶融に附したものである。これらの材料2aw及
び3awは、大きなスラグ粒子を含有するとともに、スラグ介在物の蓄積物を含
有するかなりの長さのスラグバンド又は帯域も含有していた。材料3awは、小
サイズスラグ介在物だけでなく中サイズスラグ介在物をも有するスラグ帯域を含
んでいた。したがって、材料2aw及び3awは、ディーゼルエンジン用インジ
ェクションポンプ用ばねの材料としては不合格であった。これに対して、材料2
bw及び3bwは、表層に大きなスラグ介在物を含有せず、且つ小スラグ介在物
の小さな蓄積物を含有する小さな帯域が多少存在するか、あるいはそのような帯
域が全く存在しなかった。
成されていた。また、Ti窒化物が観察されたが、スラグプロトコルには入れら
れなかった。これらのTi窒化物は、チタニウムを添加して大きな酸化物介在物
の形成を防止する、鋼製造プロセス中のプラクチスから生じる。このプラクチス
のために形成される小サイズのTi窒化物は、無害であるとみなされてきた。し
かしながら、これらは、著しく角張った形状をしており、したがって、疲労破壊
を生じさせる恐れがある。したがって、とりわけESR精錬により大きなスラグ
介在物が効果的に除去されることが判明されたことから、チタンは、溶融体に添
加する必要がある。したがって、好ましくは、不純物レベルを超える量でチタン
を含有しない一定容積溶湯を調製しなければならない。
、次にサイズ約3.3mmφに冷間引抜きした。変形硬化により、実質的にオー
ステナイト構造である圧延線が、マルテンサイト50〜70%と、主に多少のδ
フェライト部分を有するオーステナイトからなる残部とから構成される混合構造
体に変態した。通常のらせん形状のばねを、冷間引抜き材料からスピニングによ
り形成した。次に、ばねを、480℃で1時間処理後空気中で冷却することによ
り、析出硬化した。加熱操作中、アルミニウムとニッケルの金属間相、典型的に
はAlNi3が、17−7PH鋼について典型的であるようにしてマルテンサイ
トで析出して、引張強さが380〜400MPaだけ増加した。
ダーテンションで張った後、それらを900MPaのテンションで圧縮すること
により実施した。この圧縮と解放を、各ばねごとに、2000万回の高頻度で反
復するか、破断が生じるまで反復した。各材料で作製したばね20個を、試験し
た。結果を、表2に示す。表2において、ばね1as、2as及び3asは、通
常法で製造した線から作製したものであり、一方、ばね1bs、2bs及び3b s は、本発明により製造した冷間引抜き線から作製したものである。表から、本
発明のばねは、一つも疲労破壊しなかったのに対して、基準ばねのそれぞれ20
%、90%及び75%が、2000万回の振動をおこなう前に疲労破壊したこと
が明らかである。
で示した実験は、円形断面を有する冷間引抜きばね線の製造に関する。しかしな
がら、本発明は、このような断面の線にのみ限定されず、他の形状の線、すなわ
ち、らせん形にスピニングした完成品のばねにおいて張力がより好ましく分布で
きる楕円形の断面を有する線にも適用できる。
Claims (8)
- 【請求項1】 析出硬化性ステンレス鋼の冷間引抜き線の製造方法であって
、 鉄の他に、重量%で C:0.065〜0.11%、 Si:微量〜1.2%以下、 Mn:0.2〜1.3%、 Cr:15.8〜18.2%、 Ni:6.0〜7.9%、 Al:0.5〜1.5%、 他の存在する可能性がある合金元素:合計2.0%以下、 を含有する適当容積の溶湯を準備する工程と、 準備した溶湯を鋳造してインゴット形状とするか、又は、好ましくはストラン
ドにして切断する工程と、 前記インゴット又は切断ストランドを、好ましくは熱間加工して電極形状とし
た後、エレクトロスラグ精錬、いわゆるESR再溶融、に附してESRインゴッ
トを形成する工程と、 前記ESRインゴットを熱間加工するが、その際前記熱間加工を線圧延で仕上
げ、その後酸洗いをして酸洗い圧延線を得るが、前記線を介した縦中央断面にお
ける表面から1mmの深さまでの表層において、30μmを超えるスラグ介在物
、好ましくは20μmを超えるスラグ介在物を含まない圧延線を得る工程と、 前記線を減面率少なくとも30%に冷間引抜きする工程と、 を含んでなる、方法。 - 【請求項2】 前記溶湯の溜にアルミニウムを供給してESR再溶融操作中
のアルミニウムの損失分を補充することにより、ESR再溶融後に得られるES
RインゴットがAl0.5〜1.5%を含有するようにすることを特徴とする、
請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 前記析出硬化性ステンレス鋼が、鉄の他に、重量%で C:0.03〜0.1、好ましくは0.075〜0.09 Si:0.1〜0.8、好ましくは0.2〜0.7、 Mn:0.5〜1.1、好ましくは0.7〜1.0、 P:0.05以下、好ましくは0.03以下、 S:0.04以下、好ましくは0.02以下、 Cr:16.0〜17.4、好ましくは16.5〜17.0、 Ni:6.8〜7.8、好ましくは7.0〜7.75、 Al:0.3〜1.3、好ましくは0.75〜1.0、 Mo:0.5以下、 Co:0.5以下、 Cu:0.5以下、 N:0.1以下、好ましくは0.50以下、 Ti:0.2以下、好ましくは0.01以下、 を含有することを特徴とする、請求項1又は2に記載の方法。
- 【請求項4】 前記エレクトロスラグ精錬に使用されるスラグが、CaF2 、CaO、Al2O3及びMgOのうちの2種以上を主成分とするスラグの溶融
混合物からなることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。 - 【請求項5】 前記ESR再溶融に使用されるスラグが、CaF2、CaO
及びAl2O3 を各々約30%と、少なくともより少量のMgOとを含有する
ことを特徴とする、請求項4に記載の方法。 - 【請求項6】 析出硬化性ステンレス鋼の冷間引抜き線であって、 鉄の他に、重量%で C:0.065〜0.11%、 Si:微量〜1.2%以下、 Mn:0.2〜1.3%、 Cr:15.8〜18.2%、 Ni:6.0〜7.9%、 Al:0.5〜1.5%、 他の存在する可能性がある合金元素:合計2.0%以下、 を含有する化学組成を有し、前記冷間引抜き線が、1mmの深さの表層において
、線形状に熱間圧延及び冷間圧延する前の前記鋼材のESR再溶融により得られ
る、30μmを超えるCaO型、Al2O3型及びMgO型スラグ介在物、好ま
しくは25μmを超える前記介在物が存在しない、冷間引抜き線。 - 【請求項7】 前記表層において、小スラグ介在物の濃縮物が100μmを
超える帯域を形成していないことを特徴とする、請求項6に記載の冷間引抜き線
。 - 【請求項8】 請求項6及び7のいずれかに記載の冷間引抜き線をスピニン
グした後、450〜500℃の温度で0.5〜2時間処理して析出硬化させるこ
とにより製造された、ばね。
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