JP2005029887A - 疲労特性に優れた高清浄ばね用鋼線 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 疲労特性に優れた高清浄ばね用鋼線は、C:0.50〜0.70%(質量%の意。以下、同じ)、Si:1.5〜3%、Mn:0.1〜1%、及びCr:0.5〜3%を含有する引張強度1900MPa以上の高強度鋼線であり、
鋼線中に存在する酸化物系介在物が、CaO:15〜55%、SiO2:20〜70%、Al2O3:40%以下、MgO:20%以下となっており、且つLi2O,Na2O,K2Oの1種以上をこれらLi2O,Na2O,K2Oの合計量で0.5〜20%の範囲で含有することを特徴とする。
Description
(社)日本鉄鋼協会編集・発行、「第126・127回西山記念技術講座」、昭和63年11月14日、第145〜167頁
鋼線中に存在する酸化物系介在物が、CaO:15〜55%、SiO2:20〜70%、Al2O3:40%以下、MgO:20%以下となっており、且つLi2O,Na2O,K2Oの1種以上をこれらLi2O,Na2O,K2Oの合計量で0.5〜20%の範囲で含有する点に要旨を有するものである。
CaOは、鋼片の熱延工程で酸化物系介在物を微細化し易い軟質のものにするうえで必須の成分であり、CaO含量が不足すると高SiO2系やSiO2・Al2O3系の硬質介在物となって熱延工程で微細化し難く、疲労特性を劣化させる大きな原因になる。従って、CaOは15%以上含有させねばならず、好ましくは20%以上、より好ましくは25%以上含有させることが望ましい。しかし、酸化物系介在物中のCaO含量が多くなり過ぎると、該介在物の熱間変形能が低下すると共に、硬質の高CaO系介在物が生成して破壊の起点になる恐れが生じてくるので、好ましくは50%以下、より好ましくは45%以下に抑えることが望ましい。
SiO2は、CaOやAl2O3等と共に低融点で軟質の酸化物系介在物を生成させる上で必須の成分であり、20%未満では、酸化物系介在物がCaOやAl2O3を主体とする大形もしくは硬質の介在物となり、破壊の起点となる。従って20%以上含有させることが必須であり、より好ましくは30%以上含有させることが望ましい。但し、SiO2含量が多過ぎると、酸化物系介在物がSiO2を主体とする高融点で且つ硬質の介在物になり、断線や破壊の起点になる可能性が高まる。こうした傾向は、SiO2含量が70%を超えると極めて顕著に表われてくるので、SiO2含量は70%以下に抑えることが極めて重要となる。より好ましくは65%以下、更に好ましくは45%未満、特に好ましくは42%以下に抑えるのがよい。
Al2O3は、軟質介在物の形成に必須の成分という訳ではなく、CaOやSiO2、更には本発明でその含有を必須とするLi2O,Na2O,K2O含量などを含めて、酸化物系介在物の適正な組成制御によっては、実質的にAl2O3を含まないものであっても構わない。しかし適量のAl2O3を含有させると、酸化物系介在物はより低融点で且つ軟質のものになり易くなるので、好ましくは5%程度以上、より好ましくは10%以上含有させることが望ましい。しかし、酸化物系介在物中のAl2O3が多過ぎると、硬質で微細化し難いアルミナ系介在物となり、やはり熱延工程で微細化し難いものになって破壊や折損の起点となるので、多くとも40%以下に抑えるべきであり、好ましくは35%以下、さらに好ましくは30%以下、特に20%以下に抑えるのがよい。
MgOは、MgO・SiO2系硬質介在物の生成源となって、破壊や折損の原因になり易く、こうした障害はMgO含量が20%を超えると顕著に表われてくる。よって、こうした障害を生じさせなくするには20%以下に抑える必要がある。好ましくは15%以下、より好ましくは10%以下、特に5%以下である。
Li2O,Na2O,K2Oは、本発明で最も特異的で且つ重要な成分であり、生成する複合酸化物系介在物の融点と粘性を低下させるうえで極めて重要な作用を発揮する。そして、酸化物系介在物の低融点化と低粘化を進めて介在物の微細化を増進し、本発明で意図するレベルの疲労特性向上効果を確保するには、Li2O,Na2O,K2Oの1種以上を、合計で少なくとも0.5%以上、より好ましくは1%以上、更に好ましくは2%以上含有させることが望ましい。しかし、Li2O,Na2O,K2Oの1種以上の合計が20%を超えると、酸化物系介在物が低融点化し過ぎて耐火物に耐する溶損性が顕著に高まり、使用されている内張り耐火物の溶出に由来する硬質介在物量が増大し、疲労特性を却って低下させる。従って、酸化物系介在物中のLi2O,Na2O,K2Oの1種以上の総和は20%以下に抑えねばならず、好ましくは15%以下に抑えるのがよい。
Cは高応力設計が求められるばね用鋼線として十分な強度を確保するために不可欠な元素である。Cが多くなるほど高強度となって欠陥感受性が高まるため、このようなばね用鋼線に本発明を適用すると疲労特性向上効果が最も顕著にあらわれる。従ってCは0.50%以上、好ましくは0.55%以上とする。しかしCが多すぎると靭延性が極端に悪くなり、表面疵や内部欠陥によって折損しやすくなるため、上限は0.70%、好ましくは0.68%とする。
Siは製鋼時の脱酸剤と使用するため高清浄度鋼線を製造するには必須の元素である。また高強度化にも寄与し、本発明の疲労特性向上効果が顕著にあらわれる点で、上記Cと同様、重要な元素である。さらには軟化抵抗性を高め耐へたり性を向上させるのにも有効な元素である。従ってSiは1.5%以上、好ましくは1.6%以上とする。しかしSiが多すぎると、介在物中のSiO2濃度が高くなって大型介在物が生成し易くなり、また靭延性が極端に悪くなり、表面脱炭や表面疵が増加するため疲労特性が却って悪くなる。従ってSiは3%以下、好ましくは2.5%以下、さらに好ましくは2.3%以下とする。
Mnも製鋼時の脱酸剤として有効であり、また焼入性を高めて強度向上に寄与するため、上記Siと同様、重要な元素である。従ってMnは0.1%以上、好ましくは0.3%以上、さらに好ましくは0.5%以上とする。しかしMnが多すぎると、熱間圧延時やパテンティング処理時にベイナイト等の過冷組織が生成し易くなり、伸線性が著しく悪化する。従ってMnは1%以下、好ましくは0.9%以下とする。
Crは鋼線の靭延性を向上させるとともに耐へたり性を向上させる元素である。このためCrは0.5%以上、好ましくは0.55%以上、さらに好ましくは0.6%以上とする。しかしCrが多すぎるとパテンティング時間が長くなり過ぎ、また靭延性が低下する。従ってCrは3%以下、好ましくは2.5%以下、さらに好ましくは2.0%以下とする。
90トン転炉において鋼を溶解し、下記表1に示す化学組成に成分調整した。得られた溶鋼に、Li源(30%Li−70%Si合金、Li2CO3など)、Na源(Na2CO3)、K源(K2CO3)、Ca源(Ca−Siワイヤ、Caワイヤなど)、Mg源(Mgワイヤ)などを適宜添加して介在物組成を調整した後、鋳造し、次いで熱間圧延して直径8mmの鋼線材(ロッド)とした。さらに皮削り(SV)→鉛パテンティング(LP)→冷間線引加工(直径4.0mm)→オイルテンパー[油焼入れと鉛浴(約400℃)焼戻し連続工程]の順に処理することによって、オイルテンパー鋼線(ワイヤ)とした。
長さ80mmの鋼線(直径4.0mm)のL断面を研磨し、幅5μm以上の介在物の組成を分析した。LiについてはSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry;2次イオン質量分析)によって分析することとし、他の元素についてはEPMA(Electron Probe Micro−Analyzer;電子線プローブマイクロアナライザー)によって分析することとし、具体的には下記の手順で測定した。
(i)Li2Oを除く介在物組成をカバーする範囲の合成酸化物と、これらにLi2Oを加えた合成酸化物を多数作製し、それらのLi2O濃度を化学分析によって定量分析し、標準試料を作製する。
(iv)測定時の環境補正用として、別途Siウェハー上にLiをイオン注入した標準試料を作製し、Siに対するLiの相対2次イオン強度を測定し、上記(ii)を実施する際に補正する。
(v)まず、鋼中介在物のCaO,MgO,Al2O3,MnO,SiO2,Na2O,K2Oなどの各濃度をEPMAによって分析する。
ばね製造工程における熱履歴を模擬するため、オイルテンパー鋼線(ワイヤ)から長さ600mm分を採取し、温度400℃で20分間加熱(コイリング後の歪取焼鈍に相当)した後、2段階のショットピーニングを施し、次いで温度220℃で20分間加熱(歪取り焼鈍に相当)した。中村式回転曲げ疲労試験機を用いて、公称応力886MPa、回転数:4500〜5000rpm、中止回数:2×107回の条件で試験した。そして破断したもののうち介在物折損したものについて、下記式により折損率をもとめ、また破断面に現れた介在物のサイズ(面積が同じ円に換算したときの直径)を測定した。
折損率=[介在物折損本数/(介在物折損+所定回数に達し中止した本数)]
×100(%)
Claims (6)
- C:0.50〜0.70%(質量%の意。以下、同じ)、Si:1.5〜3%、Mn:0.1〜1%、及びCr:0.5〜3%を含有する引張強度1900MPa以上の高強度鋼線であって、
鋼線中に存在する酸化物系介在物が、CaO:15〜55%、SiO2:20〜70%、Al2O3:40%以下、MgO:20%以下となっており、且つLi2O,Na2O,K2Oの1種以上をこれらLi2O,Na2O,K2Oの合計量で0.5〜20%の範囲で含有することを特徴とする疲労特性に優れた高清浄ばね用鋼線。 - 前記酸化物系介在物はLi2O/SiO2(質量比)が0.01〜0.5となるものである請求項1に記載の高清浄ばね用鋼線。
- 前記酸化物系介在物中のSiO2含量が30%以上45%未満である請求項1又は2に記載の高清浄ばね用鋼線。
- 前記高清浄ばね用鋼線は、さらにV:0.5%以下、及びNb:0.1%以下から選択された少なくとも1種を含有する請求項1〜3のいずれかに記載の高清浄ばね用鋼線。
- 前記高清浄ばね用鋼線は、さらにNi:0.5%以下を含有する請求項1〜4のいずれかに記載の高清浄ばね用鋼線。
- 前記高清浄ばね用鋼線は、さらにMo:0.5%以下を含有する請求項1〜5のいずれかに記載の高清浄ばね用鋼線。
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