JP2006342400A - Steel for high strength spring, and heat treated steel wire for high strength spring - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat treated steel wire for a spring subjected to cold coiling, in which sufficient atmospheric strength and coiling workability can be made consistent, and having a tensile strength of ≥2,000 MPa, and to provide steel for a spring used for the steel wire. <P>SOLUTION: The heat treated steel sheet for a high strength spring has a composition comprising, by mass, 0.5 to 0.9% C, 1.0 to 3.0% Si, 0.1 to 1.5% Mn, 1.0 to 2.5% Cr, >0.15 to 1.0% V and ≤0.005% Al, and in which the content of N is limited to ≤0.007%, and further comprising one or two kinds selected from 0.001 to <0.01% Nb and 0.001 to <0.005% Ti, and has a tensile strength of ≥2,000 MPa. Further, regarding cementite based spheroidal carbide and alloy based spheroidal carbide occupying in a microscopic cross section, the occupancy area ratio of the ones having a diameter of the equivalent circle of ≥0.2 μm satisfies ≤7%, and the density of the ones having a diameter of the equivalent circle of ≥0.2 μm satisfies ≤1 piece/μm<SP>2</SP>, also, old austenite grain size number is ≥10, and the content of retained austenite is ≤15 mass%. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は冷間でコイリングされ、高強度かつ高靭性を有するばね用鋼、およびばね用熱処理鋼線に関するものである。   The present invention relates to a spring steel that is cold-coiled and has high strength and high toughness, and a heat-treated steel wire for springs.

自動車の軽量化、高性能化に伴い、ばねも高強度化され、熱処理後に引張強度1500MPaを超えるような高強度鋼がばねに供されている。近年では引張強度1900MPaをこえる鋼線も要求されている。それはばね製造時の歪取り焼鈍や窒化処理など、加熱によって少々軟化してもばねとして支障のない材料硬度を確保するためである。   With the reduction in weight and performance of automobiles, springs have also been strengthened, and high-strength steel having a tensile strength exceeding 1500 MPa after heat treatment is used for the springs. In recent years, steel wires having a tensile strength exceeding 1900 MPa are also required. This is to ensure a material hardness that does not hinder the spring even if it is slightly softened by heating, such as strain relief annealing or nitriding during the manufacture of the spring.

また、窒化処理やショットピーニングでは表層硬度が高まり、ばね疲労における耐久性が格段に向上することが知られているが、ばねのへたり特性については表層硬度で決まるものではなく、ばね素材内部の強度または硬度が大きく影響する。従って内部硬度を非常に高く維持できる成分にしあげることが重要である。   In addition, it is known that the surface layer hardness is increased by nitriding and shot peening, and the durability in spring fatigue is remarkably improved. However, the sag characteristics of the spring are not determined by the surface layer hardness. Strength or hardness is greatly affected. Therefore, it is important to make it a component that can maintain the internal hardness very high.

その手法としては、V、Nb、Mo等の元素を添加することで焼入れで固溶し、焼き戻しで析出する微細炭化物を生成させ、それによって転位の動きを制限し、耐へたり特性を向上させた発明がある(例えば、特許文献1参照)。   As a method, elements such as V, Nb, and Mo are added to form fine carbides that are dissolved by quenching and precipitated by tempering, thereby restricting the movement of dislocations and improving sag resistance. There is an invention (for example, see Patent Document 1).

一方、鋼のコイルばねの製造方法では鋼のオーステナイト域まで加熱してコイリングし、その後、焼入れ焼戻しを行う熱間コイリングとあらかじめ鋼に焼入れ焼戻しを施した高強度鋼線を冷間にてコイリングする冷間コイリングがある。冷間コイリングでは鋼線の製造時に急速加熱急速冷却が可能なオイルテンパー処理や高周波処理などを用いることができるため、ばね材の旧オーステナイト粒径を小さくすることが可能で、結果として破壊特性に優れたばねを製造できる。またばね製造ラインにおける加熱炉などの設備を簡略化できるため、ばねメーカーにとっても設備コストの低減につながるなどの利点があり、最近ではばねの冷間化が進められている。懸架ばねにおいても弁ばねに比べ線材は太い鋼線を使用するものの、上記の利点のために冷間コイリングが導入されている。   On the other hand, in the method of manufacturing a coil spring of steel, the coil is heated and coiled to the austenite region of the steel, and then hot coiling in which quenching and tempering is performed, and high-strength steel wire that has been previously quenched and tempered are coiled cold. There is cold coiling. Cold coiling can use oil tempering or high-frequency treatment, which can be rapidly heated and cooled at the time of steel wire production, making it possible to reduce the prior austenite grain size of the spring material, resulting in fracture characteristics. An excellent spring can be manufactured. In addition, since equipment such as a heating furnace in the spring production line can be simplified, there is an advantage for the spring manufacturer that the equipment cost is reduced, and in recent years, the springs have been coldened. Although the suspension spring uses a thick steel wire as compared with the valve spring, cold coiling is introduced for the above advantages.

しかし、冷間コイリングばね用鋼線の強度が大きくなると、冷間コイリング時に折損し、ばね形状に成形できない場合も多い。これまでは強度と加工性が両立しないために工業的には不利ともいえる加熱コイリングやコイリング後の焼入れ焼戻しなどの手法で強度と加工性を両立せざるを得なかった。   However, when the strength of the steel wire for cold coiling springs is increased, it is often broken during cold coiling and cannot be formed into a spring shape. Until now, since strength and workability are not compatible, it has been necessary to achieve both strength and workability by methods such as heating coiling and quenching and tempering after coiling, which are industrially disadvantageous.

また高強度の熱処理鋼線を冷間コイリング加工し、窒化して強度を確保する場合には、鋼中に微細な炭化物を析出するV、Nbなどいわゆる合金元素を多量に添加することが有効と考えられてきた。しかし多量に添加すると焼入れ時の加熱では固溶できず、粗大に成長し、いわゆる未溶解炭化物となり、冷間でのコイリング時の折損原因となる。そのため未溶解炭化物に注目した技術も見られる。   In addition, when cold-coiling a high-strength heat-treated steel wire and nitriding to ensure strength, it is effective to add a large amount of so-called alloy elements such as V and Nb that precipitate fine carbides in the steel. Has been considered. However, if it is added in a large amount, it cannot be dissolved by heating at the time of quenching, but grows coarsely and becomes a so-called undissolved carbide, which causes breakage during cold coiling. For this reason, there are also technologies that focus on undissolved carbides.

このような合金元素だけでなく、鋼中に多く存在するセメンタイトを中心とした炭化物も制御することで性能向上が図った発明がある(例えば、特許文献2参照)。   There is an invention in which performance is improved by controlling not only such alloy elements but also carbides centering on cementite, which are present in large amounts in steel (see, for example, Patent Document 2).

特開昭57−32353号公報JP-A-57-32353 特開2002−180198号公報JP 2002-180198 A

本発明は冷間でコイリングされ、十分な大気強度とコイリング加工性を両立できる引張強度2000MPa以上のばね用熱処理鋼線と該鋼線に供するばね用鋼を提供することを課題としている。   An object of the present invention is to provide a heat-treated steel wire for springs having a tensile strength of 2000 MPa or more that can be cold-coiled and achieve both sufficient atmospheric strength and coiling workability, and a spring steel for use in the steel wire.

発明者らはいままで注目されていなかったNを制御することによって、合金元素を添加しても未溶解炭化物の生成を抑制でき、靭性や加工性が確保できることを見出し、高強度とコイリング性を両立させたばね用熱処理鋼線を開発するに至った。   The inventors have found that by controlling N, which has not been attracting attention until now, the formation of undissolved carbides can be suppressed even when alloying elements are added, and toughness and workability can be ensured. We have developed a heat treated steel wire for springs.

すなわち本発明の要旨は以下のとおりである。   That is, the gist of the present invention is as follows.

(1) 質量%で、
C:0.5〜0.9%
Si:1.0〜3.0%
Mn:0.1〜1.5%
Cr:1.0〜2.5%
V:0.15超〜1.0%以下
Al:0.005%以下
を含有し、
N:0.007%以下に制限し、
さらに、Nb:0.001〜0.01%未満、Ti:0.001〜0.005%未満の内の1種または2種を含有し、
残部が鉄と不可避的不純物とからなることを特徴とする高強度ばね用鋼。
(1) In mass%,
C: 0.5 to 0.9%
Si: 1.0-3.0%
Mn: 0.1 to 1.5%
Cr: 1.0-2.5%
V: more than 0.15 to 1.0% or less Al: 0.005% or less,
N: limited to 0.007% or less,
Further, Nb: containing 0.001 to less than 0.01%, Ti: less than 0.001 to 0.005% of one or two,
A steel for high-strength springs, the balance being iron and inevitable impurities.

(2) さらに、質量%で、
W:0.05〜0.5%
Mo:0.05〜0.5%
の1種または2種を含有することを特徴とする(1)記載の高強度ばね用鋼。
(2) Furthermore, in mass%,
W: 0.05-0.5%
Mo: 0.05-0.5%
The steel for high strength springs according to (1), characterized by containing one or two of the following.

(3) さらに、質量%で、
Ni:0.05〜3.0%、
Cu:0.05〜0.5%
Co:0.05〜3.0%、
B:0.0005〜0.006%
の1種または2種以上を含有することを特徴とする(1)または(2)記載の高強度ばね用鋼。
(3) Furthermore, in mass%,
Ni: 0.05-3.0%,
Cu: 0.05 to 0.5%
Co: 0.05-3.0%
B: 0.0005 to 0.006%
The steel for high-strength springs according to (1) or (2), comprising one or more of the following.

(4) さらに、質量%で、
Te:0.0002〜0.01%、
Sb:0.0002〜0.01%
Mg:0.0001〜0.0005%:
Zr:0.0001〜0.0005%
Ca:0.0002〜0.01%
Hf: 0.0002〜0.01%
の1種または2種以上を含有することを特徴とする(1)乃至(3)のいずれかに記載の高強度ばね用鋼。
(4) Furthermore, in mass%,
Te: 0.0002 to 0.01%,
Sb: 0.0002 to 0.01%
Mg: 0.0001 to 0.0005%:
Zr: 0.0001 to 0.0005%
Ca: 0.0002 to 0.01%
Hf: 0.0002 to 0.01%
The steel for high-strength springs according to any one of (1) to (3), comprising one or more of the following.

(5) 上記(1)乃至(4)のいずれかに記載の鋼成分を有し、
引張強度2000MPa以上、かつ
検鏡面に占めるセメンタイト系球状炭化物および合金系球状炭化物に関して、
円相当径0.2μm以上の占有面積率が7%以下、
円相当径0.2μm以上の存在密度が1個/μm2以下、
を満たし、かつ旧オーステナイト粒度番号が10番以上、残留オーステナイトが15質量%以下、
であることを特徴とする高強度ばね用熱処理鋼線。
(5) having the steel component according to any one of (1) to (4) above,
Regarding the cementite-based spherical carbide and the alloy-based spherical carbide having a tensile strength of 2000 MPa or more and occupying the speculum surface,
Occupied area ratio of circle equivalent diameter 0.2μm or more is 7% or less,
The existence density of the circle equivalent diameter of 0.2 μm or more is 1 piece / μm 2 or less,
And the prior austenite grain size number is 10 or more, the residual austenite is 15% by mass or less,
A heat-treated steel wire for high-strength springs, characterized in that

本発明鋼は、冷間コイリングばね用鋼線中のセメンタイト系および合金系の球状炭化物の占有面積率、存在密度、オーステナイト粒径、残留オーステナイト量を小さくすることで、強度を2000MPa以上に高強度化するとともに、コイリング性を確保し高強度かつ破壊特性に優れたばねを製造可能になる。   The steel of the present invention has a high strength of 2000 MPa or more by reducing the occupied area ratio, abundance density, austenite grain size, and retained austenite amount of cementite-based and alloy-based spherical carbides in steel wires for cold coiling springs. In addition, it is possible to manufacture a spring having high strength and excellent fracture characteristics while ensuring coiling properties.

発明者は高強度を得るために化学成分を規定しつつ、熱処理によって鋼中炭化物形状を制御することで、ばねを製造するに十分なコイリング特性を確保した鋼線を発明するに至った。   The inventor has invented a steel wire that secures coiling characteristics sufficient for manufacturing a spring by controlling the shape of carbide in the steel by heat treatment while defining chemical components to obtain high strength.

その詳細を以下に示す。まず、高強度ばね用鋼の化学成分および成分範囲を限定した理由について説明する。   Details are shown below. First, the reason why the chemical components and component ranges of the high strength spring steel are limited will be described.

C:0.5〜0.9%
Cは鋼材の基本強度に大きな影響を及ぼす元素であり、従来より十分な強度を得られるように0.5〜0.9%とした。0.5%未満では十分な強度を得られない。特にばね性能向上のための窒化を省略した場合でも十分なばね強度を確保するには0.5%以上のCが必要である。0.9%超では実質過共析となり、粗大セメンタイトを多量に析出するため、靱性を著しく低下させる。このことは同時にコイリング特性を低下させる。
C: 0.5 to 0.9%
C is an element having a great influence on the basic strength of the steel material, and is set to 0.5 to 0.9% so that a sufficient strength can be obtained as compared with the conventional steel. If it is less than 0.5%, sufficient strength cannot be obtained. In particular, even when nitriding for improving the spring performance is omitted, 0.5% or more of C is necessary to ensure sufficient spring strength. If it exceeds 0.9%, substantial hypereutectoid precipitation occurs, and a large amount of coarse cementite is precipitated. This simultaneously reduces the coiling characteristics.

さらにミクロ組織への関係も密接であり、0.5%未満では炭化物数が少ないため、炭化物分布が局部的に他の部分よりも少ない領域(以後、炭化物希薄域と記す)の面積率が増加しやすく、十分な強度と靭性あるいはコイリング性(延性)が得られにくい。そこで好ましくは0.55%以上、強度−コイリングのバランス観点からさらに好ましくは0.6%以上とするのがよい。   In addition, the relationship with the microstructure is also closely related, and since the number of carbides is less than 0.5%, the area ratio of the area where the carbide distribution is locally smaller than other parts (hereinafter referred to as the carbide dilute area) increases. It is difficult to obtain sufficient strength and toughness or coiling property (ductility). Therefore, it is preferably 0.55% or more, and more preferably 0.6% or more from the viewpoint of balance between strength and coiling.

一方、C量が多い場合には合金系やセメンタイト系の炭化物が焼入れ時の加熱で固溶が困難になる傾向にあり、熱処理における加熱温度が高い場合や加熱時間が短い場合には強度やコイリング性が不足する場合も多い。   On the other hand, when the amount of C is large, alloy-type and cementite-type carbides tend to be difficult to dissolve by heating during quenching. When the heating temperature in heat treatment is high or the heating time is short, strength and coiling There are many cases where sex is insufficient.

また、未溶解炭化物は炭化物希薄域にも影響し、鋼中Cが未溶解炭化物を形成していると、マトリックス中の実質Cが減少するために、前述のごとく炭化物希薄域面積率が増加する事もある。   Further, the undissolved carbide also affects the carbide lean region. When C in the steel forms an undissolved carbide, the substantial C in the matrix decreases, so that the carbide lean region area ratio increases as described above. There is also a thing.

さらにC量が増加すると、焼戻し時のマルテンサイト形態が中炭素鋼では一般的なラスマルテンサイトであるのに対して、C量が多い場合にはレンズマルテンサイトにその形態を変化させることが知られている。研究開発の結果、レンズマルテンサイトを焼戻して生成させた焼戻しマルテンサイト組織の炭化物分布はラスマルテンサイトを焼戻した場合のそれと比較して、炭化物密度が低いことを見出した。したがってC量を増加することでレンズマルテンサイトや未溶解炭化物の増加により、炭化物希薄域が増加する場合もある。   It is known that when the amount of C increases, the martensite form during tempering is a typical lath martensite in medium carbon steel, whereas when the amount of C is large, the form changes to lens martensite. It has been. As a result of research and development, it was found that the carbide distribution in the tempered martensite structure formed by tempering lenticular martensite is lower than that in the case of tempering lath martensite. Therefore, by increasing the amount of C, the carbide lean region may increase due to an increase in lens martensite and undissolved carbide.

そのため、そのため好ましくは0.7%以下。さらに好ましくは0.65%以下とすることで、比較的容易に炭化物希薄域を減少させることができる。   Therefore, preferably 0.7% or less. More preferably, by setting it to 0.65% or less, it is possible to reduce the carbide lean region relatively easily.

Si:1.0〜3.0%
Siはばねの強度、硬度と耐へたり性を確保するために必要な元素であり、少ない場合、必要な強度、耐へたり性が不足するため、1.0%を下限とした。またSiは粒界の炭化物系析出物を球状化、微細化する効果があり、積極的に添加することで粒界析出物の粒界占有面積率を小さくする効果がある。しかし多量に添加しすぎると、材料を硬化させるだけでなく、脆化する。そこで焼入れ焼き戻し後の脆化を防ぐために3.0%を上限とした。
Si: 1.0-3.0%
Si is an element necessary for ensuring the strength, hardness and sag resistance of the spring, and when it is small, the necessary strength and sag resistance are insufficient, so 1.0% was made the lower limit. Si also has the effect of spheroidizing and refining the carbide-based precipitates at the grain boundaries, and positively adding it has the effect of reducing the grain boundary occupation area ratio of the grain boundary precipitates. However, adding too much will not only cure the material, but will also embrittle. Therefore, in order to prevent embrittlement after quenching and tempering, the upper limit was made 3.0%.

さらにSiは焼戻し軟化抵抗にも寄与する元素であり、高強度線材を作成するにはある程度多量に添加することが好ましい。具体的には2%以上添加することが好ましい。一方、安定的なコイリング性を得るためには好ましくは2.6%以下とすることが好ましい。   Furthermore, Si is an element that contributes to temper softening resistance, and is preferably added in a certain amount in order to produce a high-strength wire. Specifically, it is preferable to add 2% or more. On the other hand, in order to obtain stable coiling properties, the content is preferably 2.6% or less.

Mn:0.1〜1.5%
Mnは脱酸や鋼中SをMnSとして固定するとともに、焼入れ性を高めて熱処理後の硬度を十分に得るため、多用される。この安定性を確保するために0.1%を下限とする。またMnによる脆化を防止するために上限を2.0%とした。さらに強度とコイリング性を両立させるには、好ましくは0.3〜1%が好ましい。またコイリングを優先させる場合には1.0%以下にすることが有効である。
Mn: 0.1 to 1.5%
Mn is frequently used because it deoxidizes and fixes S in steel as MnS, and also enhances hardenability and sufficiently obtains the hardness after heat treatment. In order to ensure this stability, 0.1% is made the lower limit. In order to prevent embrittlement due to Mn, the upper limit was made 2.0%. Further, in order to achieve both strength and coiling properties, 0.3 to 1% is preferable. In the case where priority is given to coiling, it is effective to make it 1.0% or less.

Cr:1.0〜2.5%
Crは焼入れ性および焼戻し軟化抵抗を向上させるために有効な元素である。さらに最近の高強度弁ばねで見られるような窒化処理において、焼戻し硬度を確保するだけでなく、窒化後の表層硬度とその硬化層深さを大きくするのに有効な元素である。しかし添加量が多いとコスト増を招くだけでなく、焼入れ焼戻し後に見られるセメンタイトを粗大化させる。また合金系炭化物を安定化させ、粗大化させる効果もある。結果として線材は脆化するためにコイリング時に折損を生じやすくするという弊害もある。したがってCrを添加する場合、0.1%以上でなければその効果が明確ではない。また脆化が顕著となる2.5%を上限とした。
Cr: 1.0-2.5%
Cr is an effective element for improving hardenability and temper softening resistance. Furthermore, it is an element effective not only for ensuring the tempering hardness but also for increasing the surface hardness after nitriding and the depth of the hardened layer in the nitriding treatment as found in recent high-strength valve springs. However, if the amount added is large, not only the cost is increased, but cementite that is found after quenching and tempering is coarsened. It also has the effect of stabilizing and coarsening the alloy carbide. As a result, since the wire becomes brittle, there is also an adverse effect that breakage easily occurs during coiling. Therefore, when Cr is added, the effect is not clear unless it is 0.1% or more. Further, the upper limit is set to 2.5% at which embrittlement becomes remarkable.

しかし本発明ではNを規定することにより炭化物を微細に制御することから、多量のCrを添加可能であるため、高強度を容易に得る添加量とした。   However, in the present invention, carbide is finely controlled by defining N, so that a large amount of Cr can be added, so the addition amount is set to easily obtain high strength.

また窒化処理を行う場合にはCrが添加されている方が窒化による硬化層を深くできる。そのため1.1%以上の添加が好ましく、さらに従来にない高強度ばね向けの窒化に適するようにするには1.2%以上の添加が好ましい。   When nitriding is performed, the hardened layer by nitriding can be deepened by adding Cr. Therefore, addition of 1.1% or more is preferable, and addition of 1.2% or more is preferable in order to make it suitable for nitriding for a high-strength spring which is not conventional.

Crはセメンタイトの加熱による溶解を阻害するため、特にC>0.55%とC量が多くなるとCr量を抑制した方が粗大炭化物生成を抑制でき、強度とコイリング性を両立しやすい。従って、好ましくはその添加量を2.0%以下にすることがこのましい。さらに好ましくは1.7%以下程度である。   Since Cr inhibits the dissolution of cementite by heating, especially when C> 0.55% and the amount of C increases, suppressing the amount of Cr can suppress the formation of coarse carbides, and it is easy to achieve both strength and coiling properties. Therefore, it is preferable that the amount added is 2.0% or less. More preferably, it is about 1.7% or less.

V:0.15超〜1.0%
Vは焼戻し時の炭化物を析出して硬化する2次析出硬化などのため、焼戻し温度での鋼線の硬化や窒化時の表層の硬化に利用することができる。さらに窒化物、炭化物、炭窒化物の生成によるオーステナイト粒径の粗大化抑制に効果があり、添加することが好ましい。しかし、これまではVの窒化物、炭化物、炭窒化物は鋼のオーステナイト化温度A3点以上でも生成しているため、その固溶が不十分な場合には未溶解炭化物(窒化物)として残留しやすくなっていた。この未溶解炭化物がばねコイリング時の折損原因になるだけでなく、”Vを無駄に消費”することになり、添加したVによる焼き戻し軟化抵抗や2次析出硬化の改善効果を低減させ、ばねの性能を低減させてしまう。従ってこれまで工業的には0.15%以下とすることが好ましいとされていた。
V: More than 0.15 to 1.0%
V can be used for hardening of the steel wire at the tempering temperature or hardening of the surface layer at the time of nitriding because of secondary precipitation hardening in which carbides are precipitated and hardened during tempering. Further, it is effective in suppressing the coarsening of the austenite grain size due to the formation of nitrides, carbides, and carbonitrides, and it is preferable to add them. However, until now, nitrides, carbides and carbonitrides of V have been generated even at austenitizing temperature A3 or higher of steel, so if the solid solution is insufficient, they remain as undissolved carbides (nitrides). It was easy to do. This undissolved carbide not only causes breakage during spring coiling, but also consumes “V”, reducing the effect of improving the temper softening resistance and secondary precipitation hardening due to the added V. Will reduce the performance. Therefore, it has been considered preferable to be 0.15% or less industrially.

しかし、本発明ではN量を制御することでオーステナイト化温度A3点以上でのV系の窒化物、炭化物、炭窒化物の生成を抑制できるため、その分、Vを多量に添加することが可能になり、V添加量を0.15%を超え、1.0%以下とした。その添加量が0.15%以下では窒化層の硬さ向上や窒化層の深さ増加をするなどのVを添加した効果が少なく、従来鋼以上の十分な疲労耐久性を確保できない。またその添加量が1.0%を超えると粗大な未固溶介在物を生成し、靱性を低下させるとともに、Moと同様、過冷組織を生じ易く、割れや伸線時の断線の原因となりやすい。そのため工業的に安定した取り扱いが容易な1.0%を上限とした。   However, in the present invention, by controlling the amount of N, the formation of V-based nitrides, carbides and carbonitrides at the austenitizing temperature A3 or higher can be suppressed, so that a large amount of V can be added accordingly. Thus, the amount of V added was set to exceed 0.15% and not more than 1.0%. If the added amount is 0.15% or less, the effect of adding V, such as improving the hardness of the nitrided layer and increasing the depth of the nitrided layer, is small, and sufficient fatigue durability over conventional steel cannot be ensured. Moreover, when the added amount exceeds 1.0%, coarse undissolved inclusions are generated, and the toughness is reduced. Like Mo, an overcooled structure is likely to be formed, which causes breakage at the time of cracking or wire drawing. Cheap. For this reason, the upper limit was set to 1.0%, which is industrially stable and easy to handle.

Vの窒化物、炭化物、炭窒化物は鋼のオーステナイト化温度A3点以上でも生成しているため、その固溶が不十分な場合には未溶解炭化物(窒化物)として残留しやすい。従って現状の工業的窒素量制御能力を考慮すると工業的には0.5%以下にすることが好ましく、さらに0.4%以下とすることが好ましい。   Since nitrides, carbides, and carbonitrides of V are generated even at an austenitizing temperature A3 or higher of the steel, they tend to remain as undissolved carbides (nitrides) when the solid solution is insufficient. Therefore, considering the current industrial nitrogen amount control capability, it is industrially preferably 0.5% or less, and more preferably 0.4% or less.

一方、窒化による表面硬化処理では300℃以上の温度に最加熱されるため、窒化による最表層の硬化や内部硬度の軟化を抑制するためには0.15%を超える添加が必要であり、好ましくは0.2%以上の添加が好ましい。   On the other hand, since the surface hardening treatment by nitriding is most heated to a temperature of 300 ° C. or higher, it is necessary to add more than 0.15% in order to suppress hardening of the outermost layer and softening of internal hardness by nitriding, Is preferably added at 0.2% or more.

Al:0.005%以下
Alは脱酸元素であり酸化物生成に影響する。特に高強度弁ばねではAl23を中心とする硬質酸化物は破壊起点になりやすいため、これを避ける必要がある。そのためにはAl量を厳密に制御することが重要である。特に熱処理鋼線として引張強度が2100MPaを超えるような場合には疲労強度ばらつきを低減させるためにも厳密な酸化物生成元素の制御が必須である。
Al: 0.005% or less Al is a deoxidizing element and affects oxide formation. In particular, in a high-strength valve spring, a hard oxide centering on Al 2 O 3 tends to be a starting point of fracture, so this must be avoided. For that purpose, it is important to strictly control the amount of Al. In particular, when the tensile strength of the heat-treated steel wire exceeds 2100 MPa, strict control of the oxide-forming element is essential in order to reduce the fatigue strength variation.

本発明においてはAl:0.005%以下と規定した。これは0.005%を超えるとAl23主体の酸化物を生成しやすいため、酸化物起因の折損を生じて十分な疲労強度や品質安定性を確保できないからである。さらに高疲労強度を要求する場合には0.003%以下にすることが好ましい。 In the present invention, Al is defined as 0.005% or less. This is because if it exceeds 0.005%, an oxide mainly composed of Al 2 O 3 is likely to be formed, so that breakage caused by the oxide occurs and sufficient fatigue strength and quality stability cannot be ensured. Further, when a high fatigue strength is required, the content is preferably 0.003% or less.

N:0.007%以下に制限
本発明ではNの制御が大きなポイントである。本発明ではN≦0.007%と、厳密な制限値を規定している。これはばね鋼において新たにNの役割に注目したためであり、N制御の効果と本発明における規定理由を以下に述べる。
N: Limiting to 0.007% or less In the present invention, control of N is a major point. In the present invention, a strict limit value is defined as N ≦ 0.007%. This is because the role of N is newly noticed in the spring steel, and the effect of N control and the reason for the definition in the present invention will be described below.

鋼中ではNの影響は(1)フェライト中に固溶Nとして存在し、フェライト中の転位の動きを抑制することでフェライトを硬化させる、(2)Ti、Nb、V、Al、Bなどの合金元素と窒化物を生成し、鋼材性能に影響を及ぼす。そのメカニズムなどは後述する。(3)セメンタイトなどの鉄系炭化物の析出挙動に影響し、鋼材性能に影響を及ぼす。   In steel, the influence of N is (1) exists as solid solution N in ferrite, and hardens ferrite by suppressing the movement of dislocation in ferrite. (2) Ti, Nb, V, Al, B, etc. Alloy elements and nitrides are produced, affecting steel performance. The mechanism will be described later. (3) It affects the precipitation behavior of iron-based carbides such as cementite and affects the steel material performance.

ばね鋼ではCおよびSi、Vのような合金元素により強度を確保しているため、固溶Nの硬化の効果は大きくない。一方、ばねの冷間加工(コイリング加工)を考慮した場合には転位の動きを抑制することで、加工部の変形を抑制し、加工部を脆化させることになるので、コイリング加工特性を低下させる。   In spring steel, since the strength is secured by alloy elements such as C, Si, and V, the effect of hardening solute N is not large. On the other hand, when cold working (coiling) of the spring is considered, the movement of the dislocation is suppressed, so that deformation of the processed part is suppressed and the processed part becomes brittle. Let

また、請求項1での規定元素の中でVは鋼中において高温で析出物を生成する。その化学成分は高温では窒化物主体であり、冷却とともに炭窒化物、炭化物へとその形態を変化さる。したがって高温で生成した窒化物はV炭化物の析出核になりやすい。このことはパテンチングや焼き入れ過程での加熱時に未溶解炭化物を生成しやすく、さらにそれが核になるため、その大きさを成長させやすい。   Further, among the specified elements in claim 1, V generates precipitates at a high temperature in the steel. The chemical component is mainly nitride at high temperature, and changes its form into carbonitride and carbide with cooling. Therefore, the nitride formed at high temperature tends to be a precipitation nucleus of V carbide. This tends to generate undissolved carbide during heating in the patenting or quenching process, and further, because it becomes a nucleus, it is easy to grow its size.

さらにセメンタイトの観点からでみると、今回のような高強度ばねではその要求強度から焼戻し温度は300〜500℃で焼戻する。ばね鋼ではその特徴的な成分系から焼戻し時に生成する鉄系炭化物はε−炭化物やθ−炭化物(いわゆるセメンタイトFe3C)とその形態を複雑に変化させる。そのため鋼の延性など機械的性質に影響を与える。Nはその炭化物生成にも影響し、N量が少ないほうが350〜500℃における延性および靭性を向上させる。 Further, from the viewpoint of cementite, the tempering temperature is tempered at 300 to 500 ° C. from the required strength in the high-strength spring like this time. In spring steel, iron-based carbides produced during tempering due to its characteristic component system change in a complex manner to ε-carbides and θ-carbides (so-called cementite Fe 3 C). Therefore, it affects the mechanical properties such as ductility of steel. N also affects the carbide formation, and the smaller the amount of N, the better the ductility and toughness at 350 to 500 ° C.

本発明ではそのようなNを有害性を減じるためにN量をN≦0.007%に制限した。さらに後述するようにTiとNbのいずれか1種または2種を微量添加する。   In the present invention, the amount of N is limited to N ≦ 0.007% in order to reduce the harmfulness of such N. Further, as will be described later, any one or two of Ti and Nb are added in a small amount.

本来N量を0.003%以下に抑制できれば、TiとNbのいずれか1種または2種を添加することなく、良好な性能を得られるが、工業的に安定して0.003%以下とするには製造コストの点で不利になる。そこであえてTiとNbのいずれか1種または2種を微量添加する。   Originally, if the N amount can be suppressed to 0.003% or less, good performance can be obtained without adding any one or two of Ti and Nb, but industrially stable to 0.003% or less. This is disadvantageous in terms of manufacturing costs. Therefore, a trace amount of either one or two of Ti and Nb is added.

TiまたはNbを添加すると、これらの元素が高温で窒化物を生成するために実質上の固溶窒素を低減させるため、N添加量を低減させたものと同様の効果を得ることができる。そのためN量の添加量の上限を増加させても良い。ただし、N量が0.007%を超えると、V、NbまたはTiの窒化物生成量が多くなり、結果的に未溶解炭化物が多くなったり、TiNなどの硬質介在物が増加するために靭性が低下して、疲労耐久特性やコイリング特性が低下するため、N量の上限を0.007%に制限した。   When Ti or Nb is added, these elements generate nitrides at a high temperature, so that the substantial solute nitrogen is reduced. Therefore, the same effect as that obtained by reducing the N addition amount can be obtained. Therefore, you may increase the upper limit of the addition amount of N amount. However, if the amount of N exceeds 0.007%, the amount of nitrides of V, Nb or Ti increases, resulting in an increase in undissolved carbides and an increase in hard inclusions such as TiN. Since the fatigue endurance characteristics and coiling characteristics are reduced, the upper limit of the N amount is limited to 0.007%.

すなわちTiとNbのいずれか1種または2種を添加する場合でも、N量が多すぎたり、TiまたはNbが多すぎたりすると、やはりTiまたはNbの窒化物を生成して逆に有害になるため、TiまたはNb添加量はあえて微量にする必要がある。   That is, even when either one or two of Ti and Nb are added, too much N amount or too much Ti or Nb will produce Ti or Nb nitrides and become harmful. Therefore, the addition amount of Ti or Nb needs to be made very small.

そのためN量の上限は好ましくは0.005%以下、さらには0.004%以下であることが好ましい。   Therefore, the upper limit of the N amount is preferably 0.005% or less, and more preferably 0.004% or less.

このような精密なN制御により、フェライトの脆化を抑制すると共に、V系窒化物の生成を抑制することで未溶解炭化物の生成と成長を抑制する。また鉄系炭化物の形態を制御することで靭性を向上できる。   Such precise N control suppresses the embrittlement of ferrite and suppresses the formation and growth of undissolved carbides by suppressing the formation of V-based nitrides. Moreover, toughness can be improved by controlling the form of the iron-based carbide.

すなわち、Nが0.007%を超えると、V系窒化物が生成しやすく、未溶解炭化物が多く生成したり、フェライトや炭化物の形態により鋼が脆化する。   That is, when N exceeds 0.007%, V-based nitrides are easily generated, a large amount of undissolved carbides are generated, and the steel becomes brittle depending on the form of ferrite and carbides.

このようにTiまたはNbを添加する場合でも熱処理などの容易性を考慮すると0.005%以下が好ましい。またN量の下限いついても少ない方が好ましいとはいうものの、製鋼工程など大気中からの混入しやすいことから、製造コストや脱窒工程での容易性を考慮すると0.0015%以上が好ましい。   Even when Ti or Nb is added in this way, it is preferably 0.005% or less in view of the ease of heat treatment and the like. In addition, although the lower limit of the N amount is preferably smaller, 0.0015% or more is preferable in consideration of the manufacturing cost and the ease in the denitrification step because it is likely to be mixed from the atmosphere such as a steelmaking step. .

Nb:0.001〜0.01%未満
Nbは窒化物、炭化物、炭窒化物を生成し、窒化物はVよりも高温で生じる。そのため、冷却時にNb窒化物を生成することで鋼中Nを消費し、V系窒化物生成を抑制できる。その結果、V系未溶解炭化物の生成を抑制できるため、焼戻し軟化抵抗や加工性を確保できる。
Nb: 0.001 to less than 0.01% Nb generates nitrides, carbides, and carbonitrides, and nitrides are generated at a higher temperature than V. Therefore, N in the steel is consumed by generating Nb nitride during cooling, and V-based nitride generation can be suppressed. As a result, since generation of V-based undissolved carbide can be suppressed, temper softening resistance and workability can be ensured.

さらにNb系炭窒化物によるオーステナイト粒径の粗大化抑制のほかに焼戻し温度での鋼線の硬化や窒化時の表層の硬化に利用できる。しかしその添加量が多すぎると、Nb系窒化物を核とした未溶解炭化物が残留しやすくするため、多量の添加は避けるべきである。具体的にはNb添加量は0.001%未満では添加した効果がほとんど認められない。また0.01%以上では多量添加は粗大な未固溶介在物を生成し、靱性を低下させるとともに、Moと同様、過冷組織を生じ易く、割れや伸線時の断線の原因となりやすい。そのため工業的に安定した取り扱いが容易な0.01%未満とした。   Further, it can be used for hardening of the steel wire at the tempering temperature and hardening of the surface layer during nitriding in addition to suppressing the coarsening of the austenite grain size by the Nb-based carbonitride. However, if the amount added is too large, undissolved carbides with Nb-based nitrides as the core tend to remain, so a large amount should be avoided. Specifically, when the Nb addition amount is less than 0.001%, the added effect is hardly recognized. On the other hand, if it is 0.01% or more, the addition of a large amount generates coarse undissolved inclusions and lowers the toughness, and like Mo, it tends to cause a supercooled structure and easily causes breakage during cracking or wire drawing. Therefore, it was made less than 0.01% which is easy to handle industrially and stably.

図1は表1に示す化学成分の材料の衝撃値を測定した結果であり、後述する実施例の方法で熱処理したサンプルAおよびBの衝撃値を測定した結果を示す図である。図1に示すように、Nbをわずかに添加してNを制御した鋼の方が、全体的に高い衝撃値が得られていることがわかる。   FIG. 1 shows the results of measuring the impact values of the materials having chemical components shown in Table 1, and shows the results of measuring the impact values of samples A and B heat-treated by the method of Examples described later. As shown in FIG. 1, it can be seen that the steel with Nb added slightly to control N has a higher impact value overall.

Figure 2006342400
Figure 2006342400

Ti:0.001〜0.005%未満
本発明ではTiを添加する場合には、その添加量は0.001%以上、0.005%未満である。Tiは脱酸元素であるとともに窒化物、硫化物生成元素であるため、酸化物および窒化物、硫化物生成に影響する。したがって多量の添加は硬質酸化物、窒化物を生成しやすいために不用意に添加すると硬質炭化物を生成し、疲労耐久性を低下させる。Alと同様に特に高強度ばねにおいてはばねの疲労限度そのものよりも疲労強度のばらつき安定性を低下させ、Ti量が多いと介在物起因の破断発生率が多くなるため、その量を制御する必要があり、0.005%未満とした。
Ti: 0.001 to less than 0.005% In the present invention, when Ti is added, the addition amount is 0.001% or more and less than 0.005%. Since Ti is a deoxidizing element and a nitride and sulfide-forming element, it affects the generation of oxides, nitrides and sulfides. Accordingly, since a large amount of addition tends to generate hard oxides and nitrides, if added inadvertently, hard carbides are generated and fatigue durability is reduced. Like Al, especially in high-strength springs, the stability of variation in fatigue strength is lowered than the fatigue limit of the spring itself, and if the Ti content is large, the incidence of fracture due to inclusions increases, so it is necessary to control the amount. And less than 0.005%.

一方、Tiは溶鋼中の高温でTiNを生成するため、溶鋼中のsol.Nを低減させる働きがある。本発明ではNを制限することで、V系窒化物の生成を抑制し、さらにV系未溶解炭化物の成長を抑制することが技術のポイントである。そのため、V系窒化物生成温度以上の温度でNを消費しておけばV系窒化物およびそれを核に冷却時に成長するV系炭窒化物の成長を抑制できる。すなわちTiを添加することで実質的にVと結合するN量を低減させるため、V系窒化物の生成温度を低下し、さらにはV系未溶解炭化物を抑制できる。   On the other hand, since Ti produces TiN at a high temperature in the molten steel, sol. N works to reduce N. In the present invention, by limiting N, it is a technical point to suppress the generation of V-based nitrides and further suppress the growth of V-based undissolved carbides. Therefore, if N is consumed at a temperature equal to or higher than the V-based nitride formation temperature, the growth of the V-based nitride and the V-based carbonitride that grows at the time of cooling with the core can be suppressed. That is, by adding Ti, the amount of N that substantially binds to V is reduced, so that the temperature at which V-based nitrides are formed can be lowered, and further V-based undissolved carbides can be suppressed.

したがって、Tiの多量添加はTi系未溶解炭窒化物と酸化物生成の観点から避けるべきであるが、微量の添加はV系窒化物生成温度を低めることができるため、むしろ未溶解炭化物を低減できる。その添加量は0.001%以上であり、0.001%未満ではN消費の効果が無く、V系未溶解炭化物抑制効果がなく、加工性改善効果が見られない。ただしTi添加量は0.003%以下が好ましい。
本発明鋼は上記した成分を基本成分とし、さらに鋼の性質を改善するための成分を添加することができる。即ち、さらに、W、Moの内の1種または2種を、焼戻し軟化抵抗を強化する場合に添加する。
Therefore, the addition of a large amount of Ti should be avoided from the viewpoint of Ti-based undissolved carbonitride and oxide formation, but a small amount of addition can lower the V-based nitride formation temperature, rather reducing undissolved carbide. it can. The amount added is 0.001% or more, and if it is less than 0.001%, there is no effect of N consumption, there is no V-based undissolved carbide suppressing effect, and no workability improving effect is seen. However, the amount of Ti added is preferably 0.003% or less.
The steel of the present invention has the above-described components as basic components, and can further contain components for improving the properties of the steel. That is, one or two of W and Mo are further added to enhance the temper softening resistance.

W:0.05〜0.5%
Wは焼入れ性を向上させるだけでなく、鋼中で炭化物を生成し、強度を高める働きがあり、焼戻し軟化抵抗の付与に有効である。従って極力添加する方が好ましい。
W: 0.05-0.5%
W not only improves hardenability, but also generates carbides in the steel and increases strength, and is effective for imparting temper softening resistance. Therefore, it is preferable to add as much as possible.

Wは炭化物をTi、Nbなどにくらべて低温で生成するため、未溶解炭化物を生成しにくい。   W produces carbides at a lower temperature than Ti, Nb, etc., and thus hardly produces undissolved carbides.

また析出硬化により焼戻し軟化抵抗を付与できる。すなわち窒化やひずみ取り焼鈍においても大きく内部硬度を低下させることが無い。   Moreover, temper softening resistance can be provided by precipitation hardening. That is, the internal hardness is not greatly reduced even in nitriding or strain relief annealing.

その添加量が0.05%以下では効果は見られず、0.5%以上では粗大な炭化物を生じ、かえって延性などの機械的性質を損なう恐れがあるのでWの添加量を0.05〜0.5%とした。さらに熱処理の容易性などを考慮すると0.1〜0.4%が好ましい。特に圧延直後の過冷組織などの弊害を避けつつ、最大限の焼戻し軟化抵抗を得るためには0.15%以上の添加がさらに好ましい。   If the addition amount is 0.05% or less, no effect is seen. If the addition amount is 0.5% or more, coarse carbides are formed. On the other hand, mechanical properties such as ductility may be impaired. 0.5%. Furthermore, if considering the ease of heat treatment, 0.1 to 0.4% is preferable. In particular, addition of 0.15% or more is more preferable in order to obtain maximum temper softening resistance while avoiding adverse effects such as a supercooled structure immediately after rolling.

Mo:0.05〜0.5%
Moは焼入れ性を向上させるとともに、焼戻しや窒化温度程度の温度で炭化物として析出するため、焼戻し軟化抵抗を与えることができる。従って高温での焼戻しや工程で入れられるひずみ取り焼鈍や窒化などの熱処理を経ても軟化せず高強度を発揮させることができる。この事は窒化後のばね内部硬度の低下を抑制したり、ホットセッチングやひずみ取り焼鈍を容易にするため、最終的なばねの疲労特性を向上させることとなる。すなわち強度を制御する際の焼戻し温度を高温化させることがきる。この焼戻し温度の高温化は粒界炭化物の粒界占有面積率を低下させるのに有利である。すなわちフィルム状に析出する粒界炭化物を高温で焼き戻すことで球状化させ、粒界面積率を低減することに効果がある。またMoは鋼中ではセメンタイトとは別にMo系炭化物を生成する。特にV等に比べその析出温度が低いので炭化物の粗大化を抑制する効果がある。その添加量は0.05%以下では効果が認められない。ただしその添加量が多いと、圧延や伸線前の軟化熱処理などで過冷組織を生じ易く、割れや伸線時の断線の原因となりやすい。すなわち、伸線時にはあらかじめ鋼材をパテンチング処理によってフェライト−パーライト組織としてから伸線することが好ましい。
Mo: 0.05-0.5%
Mo improves hardenability and precipitates as carbides at a temperature about the tempering or nitriding temperature, so that it can provide temper softening resistance. Therefore, even after tempering at a high temperature or heat treatment such as strain relief annealing or nitriding that is performed in the process, high strength can be exhibited without being softened. This suppresses a decrease in the internal hardness of the spring after nitriding and facilitates hot setting and strain relief annealing, so that the fatigue characteristics of the final spring are improved. That is, the tempering temperature when controlling the strength can be increased. This increase in the tempering temperature is advantageous in reducing the grain boundary occupation area ratio of the grain boundary carbide. That is, the grain boundary carbide precipitated in a film shape is spheroidized by tempering at a high temperature, and the grain boundary area ratio is reduced. Mo produces Mo-based carbides separately from cementite in steel. In particular, since the precipitation temperature is lower than V or the like, there is an effect of suppressing the coarsening of the carbide. If the amount added is 0.05% or less, no effect is observed. However, if the addition amount is large, an overcooled structure is likely to be generated by softening heat treatment before rolling or wire drawing, and it is liable to cause breakage or breakage during wire drawing. That is, at the time of wire drawing, it is preferable to draw the steel material in advance after forming a ferrite-pearlite structure by a patenting treatment.

ただしMoは焼入れ性を大きく付与する元素であるため、添加量が多くなるとパーライト変態終了までの時間が長くなり、圧延後の冷却時やパテンチング工程では過冷組織が生じやすく、伸線時に断線の原因になったり、断線せず、内部クラックとして存在した場合には、最終製品の特性を大きく劣化させる。Moが0.5%を超えると、焼入れ性が大きくなり、工業的にフェライト−パーライト組織にすることが困難になるので、これを上限とする。圧延や伸線などの製造工程で製造性を低下させるマルテンサイト組織の生成を抑制し、工業的に安定して圧延、伸線を容易にするには0.4%以下とすることが好ましく、さらに好ましくは0.2%程度である。   However, Mo is an element that greatly imparts hardenability, so if the addition amount increases, the time until the end of the pearlite transformation becomes longer, and a supercooled structure is likely to occur during cooling after rolling or in the patenting process, and disconnection occurs during wire drawing. If it does not cause or break, and exists as an internal crack, the properties of the final product are greatly degraded. If Mo exceeds 0.5%, the hardenability increases and it becomes difficult to make a ferrite-pearlite structure industrially, so this is the upper limit. In order to suppress the production of a martensite structure that lowers manufacturability in a manufacturing process such as rolling or wire drawing, and to facilitate rolling and wire drawing stably industrially, it is preferably 0.4% or less. More preferably, it is about 0.2%.

さらにWおよびMoを同じく焼戻し軟化抵抗を強化する効果をもつV、Nb、Tiと比較すると、V、Nb、Tiは前述のように窒化物を生成し、さらにそれを核として炭化物を成長させやすいのに対して、WおよびMoは窒化物をほとんど生成しないため、N量の影響を受けることなく、添加して軟化抵抗を強化することが出来る。つまり、V、Nb、Tiでも軟化抵抗の強化は可能であるが、未溶解炭化物を避けつつ軟化抵抗を強化するために添加するにはおのずと添加量が制限されてしまう。従って未溶解炭化物を生成せず、さらに高い軟化抵抗を必要とする場合には窒化物を生成せず、比較的低温で炭化物を析出して、析出強化元素として機能するWまたはMoの添加が極めて有効である。
さらに、Ni、Cu、Co、Bの内の1種または2種以上を、強度と加工性を両立させる上で、炭化物制御による軟化抵抗と加工性の最適バランスが得られない場合にはマトリックス強化によって強度確保するために添加する。
Furthermore, when W and Mo are compared with V, Nb, and Ti, which also have the effect of strengthening the temper softening resistance, V, Nb, and Ti generate nitrides as described above, and it is easy to grow carbide using them as nuclei. On the other hand, since W and Mo hardly generate nitrides, they can be added without being affected by the amount of N to enhance the softening resistance. That is, although the softening resistance can be strengthened even with V, Nb, and Ti, the addition amount is naturally limited in order to strengthen the softening resistance while avoiding undissolved carbides. Therefore, it does not generate undissolved carbides, and when higher softening resistance is required, it does not generate nitrides, precipitates carbides at a relatively low temperature, and the addition of W or Mo that functions as a precipitation strengthening element is extremely It is valid.
In addition, when one or more of Ni, Cu, Co, and B are used to achieve both strength and workability, matrix reinforcement is required when the optimum balance between softening resistance and workability by carbide control cannot be obtained. To ensure strength.

Ni:0.05〜3.0%
Niは焼入れ性を向上させ、熱処理によって安定して高強度化することができる。またマトリックスの延性を向上させてコイリング性を向上させる。しかし焼入れ焼戻しでは残留オーステナイトを増加させるので、ばね成形後にへたりや材質の均一性の点で劣る。その添加量は0.05%以下では高強度化や延性向上に効果が認められない。一方、Niの多量添加は好ましくなく、3.0%以上では残留オーステナイトが多くなる弊害が顕著になるとともに、焼入れ性や延性向上効果が飽和し、コスト等の点で不利になる。
Ni: 0.05-3.0%
Ni improves the hardenability and can increase the strength stably by heat treatment. In addition, the ductility of the matrix is improved to improve the coilability. However, quenching and tempering increase the retained austenite, which is inferior in terms of sag and material uniformity after spring forming. If the added amount is 0.05% or less, no effect is observed in increasing strength and improving ductility. On the other hand, the addition of a large amount of Ni is not preferable, and if it is 3.0% or more, the adverse effect of increasing the retained austenite becomes remarkable, and the effect of improving hardenability and ductility is saturated, which is disadvantageous in terms of cost and the like.

Cu:0.05〜0.5%
Cuについては、Cuを添加することで脱炭を防止することもできる。脱炭層はばね加工後に疲労寿命を低下させるため、極力少なくする努力が成されている。また脱炭層が深くなった場合にはピーリングとよばれる皮むき加工によって表層を除去する。またNiと同様に耐食性を向上させる効果もある。脱炭層を抑制することでばねの疲労寿命向上やピーリング工程の省略することができる。Cuの脱炭抑制効果や耐食性向上効果は0.05%以上で発揮することができ、後述するようにNiを添加したとしても0.5%を越えると脆化により圧延きずの原因となりやすい。そこで下限を0.05%、上限を0.5%とした。Cu添加によって室温における機械的性質を損なうことはほとんどないが、Cuを0.3%を越えて添加する場合には熱間延性を劣化させるために圧延時にビレット表面に割れを生じる場合がある。そのため圧延時の割れを防止するNi添加量をCuの添加量に応じて[Cu%]<[Ni%]とすることが好ましい。Cu0.3%以下の範囲では圧延きずが生じないことから、圧延きず防止を目的としてNi添加量を規制する必要がない。
Cu: 0.05 to 0.5%
About Cu, decarburization can also be prevented by adding Cu. In order to reduce the fatigue life of the decarburized layer after spring processing, efforts have been made to reduce it as much as possible. When the decarburized layer becomes deep, the surface layer is removed by a peeling process called peeling. Moreover, it has the effect of improving corrosion resistance like Ni. By suppressing the decarburized layer, the fatigue life of the spring and the peeling process can be omitted. The decarburization suppressing effect and corrosion resistance improving effect of Cu can be exhibited at 0.05% or more, and even if Ni is added as described later, if it exceeds 0.5%, it tends to cause rolling flaws due to embrittlement. Therefore, the lower limit is set to 0.05% and the upper limit is set to 0.5%. Although the mechanical properties at room temperature are hardly impaired by the addition of Cu, when adding Cu exceeding 0.3%, the billet surface may be cracked during rolling in order to deteriorate the hot ductility. Therefore, it is preferable that the amount of Ni added to prevent cracking during rolling is [Cu%] <[Ni%] according to the amount of Cu added. In the range of Cu 0.3% or less, no rolling flaws occur, so there is no need to regulate the amount of Ni added for the purpose of preventing rolling flaws.

Co:0.05〜3.0%
Coは焼入れ性を低下させる場合もあるが、高温強度を向上させることができる。また炭化物の生成を阻害するため、本発明で問題となる粗大な炭化物の生成を抑制する働きがある。したがってセメンタイトを含む炭化物の粗大化を抑制できる。従って、添加することが好ましい。添加する場合、0.05%以下ではその効果が小さい。しかし多量に添加するとフェライト相の硬度が増大し延性を低下させるので、その上限を3.0%とした。この工業的には0.5%以下で安定した性能を得られる。
Co: 0.05-3.0%
Although Co may reduce the hardenability, it can improve the high temperature strength. Moreover, in order to inhibit the production | generation of a carbide | carbonized_material, it has the effect | action which suppresses the production | generation of the coarse carbide | carbonized_material which becomes a problem by this invention. Therefore, the coarsening of the carbide containing cementite can be suppressed. Therefore, it is preferable to add. When added, the effect is small at 0.05% or less. However, if added in a large amount, the hardness of the ferrite phase increases and the ductility is lowered, so the upper limit was made 3.0%. Industrially, stable performance can be obtained at 0.5% or less.

B:0.0005〜0.006%
Bは焼入れ性向上元素とオーステナイト粒界の清浄化に効果がある。粒界に偏析して靱性を低下させるP、S等の元素をBを添加することで無害化し、破壊特性を向上させる。その際、BがNと結合してBNを生成するとその効果は失われる。添加量はその効果が明確になる0.0005%を下限とし、効果が飽和する0.0060%を上限とした。ただしわずかでもBNが生成すると脆化させるためBNを生成しないよう十分な配慮が必要である。したがって好ましくは0.003以下であり、さらに好ましくはTi、Nb等の窒化物生成元素によってフリーのNを固定して、B:0.0010〜0.0020%にすることが有効である。
B: 0.0005 to 0.006%
B is effective for cleaning hardenability improving elements and austenite grain boundaries. By adding B, elements such as P and S that segregate at the grain boundaries to reduce toughness, and destructive properties are improved. At that time, if B is combined with N to generate BN, the effect is lost. The lower limit of the amount added is 0.0005% at which the effect becomes clear, and the upper limit is 0.0060% at which the effect is saturated. However, since even a slight amount of BN is embrittled, it is necessary to give sufficient consideration not to generate BN. Therefore, it is preferably 0.003 or less, and more preferably, it is effective to fix free N with a nitride-forming element such as Ti or Nb to obtain B: 0.0010 to 0.0020%.

これらNi、Cu、CoおよびBは主にマトリックスのフェライト相の強化に有効である。強度と加工性を両立させる上で、炭化物制御による軟化抵抗と加工性の最適バランスが得られない場合にはマトリックス強化によって強度確保するばあいに有効な元素である。   These Ni, Cu, Co and B are mainly effective for strengthening the ferrite phase of the matrix. In order to achieve both strength and workability, it is an effective element for securing strength by matrix strengthening when the optimum balance between softening resistance and workability by carbide control cannot be obtained.

さらに、Te、Sb、Mg、Zr、Ca、Hfの内の1種または2種以上を、さらなる高性能化、性能の安定化が求められた場合に酸化物および硫化物の形態を制御する元素として添加する。   Furthermore, one or more of Te, Sb, Mg, Zr, Ca, and Hf is an element that controls the form of oxides and sulfides when further higher performance and stability of performance are required. Add as

Te: 0.0002〜0.01%
TeはMnSを球状化させる効果がある。0.0002%未満ではその効果が明確ではなく、0.01%を超えるとマトリックスの靭性を低下させ、熱間割れを生じた入り、疲労耐久性を低下させたりする弊害が顕著となるため、0.01%を上限とする。
Te: 0.0002 to 0.01%
Te has the effect of spheroidizing MnS. If it is less than 0.0002%, the effect is not clear, and if it exceeds 0.01%, the toughness of the matrix is reduced, hot cracking occurs, and the adverse effect of reducing fatigue durability becomes significant. The upper limit is 0.01%.

Sb: 0.0002〜0.01%
SbはMnSを球状化する効果があり、0.0002%未満ではその効果が明確ではなく、0.01%を超えるとマトリックスの靭性を低下させ、熱間割れを生じた入り、疲労耐久性を低下させたりする弊害が顕著となるため、0.01%を上限とする。
Sb: 0.0002 to 0.01%
Sb has the effect of spheroidizing MnS, and if it is less than 0.0002%, the effect is not clear. If it exceeds 0.01%, the toughness of the matrix is reduced, hot cracking occurs, and fatigue durability is increased. Since the harmful effect of lowering becomes significant, the upper limit is made 0.01%.

Mg:0.0001〜0.0005%
MgはMnS生成温度よりも高い溶鋼中で酸化物を生成し、MnS生成時には既に溶鋼中に存在している。従ってMnSの析出核として用いることができ、これによりMnSの分布を制御できる。またその個数分布もMg系酸化物は従来鋼に多く見られるSi、Al系酸化物より微細に溶鋼中に分散するため、Mg系酸化物を核としたMnSは鋼中に微細に分散することとなる。従って同じS含有量であってもMgの有無によってMnS分布が異なり、それらを添加する方がMnS粒径はより微細になる。その効果は微量でも十分得られ、Mgを添加すればMnSは微細化する。しかし0.0005%を超えると硬質酸化物を生じやすくするほか、MgSなどの硫化物も生じ始め、疲労強度の低下やコイリング性の低下を招く。そこでMg添加量を0.0001〜0.0005%とした。高強度ばねに用いある場合には0.0003%以下とすることが好ましい。これらの元素は微量ではあるが、Mg系耐火物を多用することで0.0001%程度添加できる。また副原料を厳選し、Mg含有量の少ない副原料を用いることでMg添加量を制御できる。
Mg: 0.0001 to 0.0005%
Mg forms an oxide in the molten steel having a temperature higher than the MnS formation temperature, and already exists in the molten steel when MnS is formed. Therefore, it can be used as MnS precipitation nuclei, whereby the distribution of MnS can be controlled. Also, the number distribution of Mg-based oxides is more finely dispersed in molten steel than Si and Al-based oxides often found in conventional steels. Therefore, MnS with Mg-based oxides as the core must be finely dispersed in steel. It becomes. Therefore, even if the S content is the same, the MnS distribution differs depending on the presence or absence of Mg, and the addition of them makes the MnS particle size finer. The effect is sufficiently obtained even in a minute amount, and if Mg is added, MnS is refined. However, if it exceeds 0.0005%, hard oxides are easily generated, and sulfides such as MgS also start to be generated, leading to a decrease in fatigue strength and a decrease in coiling properties. Therefore, the amount of Mg added is set to 0.0001 to 0.0005%. When used for a high-strength spring, the content is preferably 0.0003% or less. Although these elements are trace amounts, about 0.0001% can be added by using a large amount of Mg-based refractories. Moreover, the amount of Mg added can be controlled by carefully selecting an auxiliary material and using an auxiliary material having a low Mg content.

Zr:0.0001〜0.0005%
Zrは酸化物および硫化物生成元素である。ばね鋼においては酸化物を微細に分散するため、Mgと同様、MnSの析出核となる。それにより疲労耐久性を向上させたり、延性を増すことでコイリング性を向上させる。0.0001%未満ではその効果は見られず、また0.0005%を超えて添加しても硬質酸化物生成を助長するため、硫化物が微細分散しても酸化物起因のトラブルを生じやすくなる。また多量添加では酸化物以外にもZrN、ZrSなどの窒化物、硫化物を生成し、製造上のトラブルやばねの疲労耐久特性を低下させるので0.0005%以下とした。さらに高強度ばねに用いる場合にはこの添加量を0.0003%以下にすることが好ましい。これらの元素は微量ではあるが、副原料を厳選し、耐火物などを精密に制御することで制御可能である。
Zr: 0.0001 to 0.0005%
Zr is an oxide and sulfide generating element. In spring steel, oxides are finely dispersed, so that it becomes MnS precipitation nuclei as in Mg. As a result, the fatigue durability is improved and the coilability is improved by increasing the ductility. If less than 0.0001%, the effect is not seen, and even if added over 0.0005%, the formation of hard oxide is promoted. Become. In addition, addition of a large amount generates nitrides and sulfides such as ZrN and ZrS in addition to oxides, and decreases manufacturing troubles and fatigue durability characteristics of the spring. Further, when used for a high-strength spring, the amount added is preferably 0.0003% or less. Although these elements are in trace amounts, they can be controlled by carefully selecting auxiliary materials and precisely controlling refractories.

たとえば取鍋、タンディッシュ、ノズルなど溶鋼と長時間接する場合ような場所にZr耐火物が多用することにより200t程度の溶鋼に対して1ppm程度添加することができる。さらにそれを考慮しつつ規定範囲を超えないように副原料を添加すれば良い。   For example, when Zr refractories are frequently used in places such as ladle, tundish, nozzle, etc. where they are in contact with molten steel for a long time, about 1 ppm can be added to about 200 t of molten steel. Furthermore, it is only necessary to add auxiliary materials so as not to exceed the specified range while taking this into consideration.

鋼中Zrの分析方法は測定対象鋼材の表層スケールの影響を受けない部分から2gを採取し、JIS G 1237−1997付属書3と同様の方法でサンプルを処理した後、ICPによって測定できる。その際、ICPにおける検量線は微量Zrに適するように設定する。   The analysis method of Zr in steel can be measured by ICP after collecting 2 g from a portion not affected by the surface scale of the steel material to be measured and processing the sample in the same manner as in JIS G 1237-1997 Annex 3. At this time, the calibration curve in ICP is set so as to be suitable for a very small amount of Zr.

Ca:0.0002〜0.01%
Caは酸化物および硫化物生成元素である。ばね鋼においてはMnSを球状化させることで、疲労等の破壊起点としてのMnSの長さを抑制し、無害化することができる。その効果は0.0002%未満では明確ではなく、また0.01%を超えて添加しても歩留まりが悪いばかりか、酸化物やCaSなどの硫化物を生成し、製造上のトラブルやばねの疲労耐久特性を低下させるので0.01%以下とした。この添加量は好ましくは0.001%以下であることが好ましい。
Ca: 0.0002 to 0.01%
Ca is an oxide and sulfide-forming element. In spring steel, by making MnS spherical, the length of MnS as a fracture starting point such as fatigue can be suppressed and rendered harmless. The effect is not clear if it is less than 0.0002%, and even if added over 0.01%, not only the yield is bad, but also sulfides such as oxides and CaS are produced, manufacturing troubles and springs The fatigue endurance characteristics are deteriorated, so the content is made 0.01% or less. This addition amount is preferably 0.001% or less.

Hf:0.0002〜0.01%
Hfは酸化物生成元素であり、MnSの析出核となる。そのため微細分散することでZrは酸化物および硫化物生成元素である。ばね鋼においては酸化物を微細に分散するため、Mgと同様、MnSの析出核となる。それにより疲労耐久性を向上させたり、延性を増すことでコイリング性を向上させる。その効果は0.0002%未満では明確ではなく、また0.01%を超えて添加しても歩留まりが悪いばかりか、酸化物やZrN、ZrSなどの窒化物、硫化物を生成し、製造上のトラブルやばねの疲労耐久特性を低下させるので0.01%以下とした。この添加量は好ましくは0.003%以下であることが好ましい。
Hf: 0.0002 to 0.01%
Hf is an oxide-generating element and serves as a precipitation nucleus of MnS. Therefore, Zr is an oxide and sulfide generating element by fine dispersion. In spring steel, oxides are finely dispersed, so that it becomes MnS precipitation nuclei as in Mg. As a result, the fatigue durability is improved and the coilability is improved by increasing the ductility. The effect is not clear if it is less than 0.0002%, and even if added over 0.01%, not only the yield is low, but also oxides, nitrides such as ZrN, ZrS, and sulfides are produced, and in production. Of 0.01% or less, because the trouble and the fatigue endurance characteristics of the spring are reduced. This addition amount is preferably 0.003% or less.

以下に、その他の成分の好ましい含有範囲を説明する。   Below, the preferable content range of another component is demonstrated.

P:0.015%以下
P、Sについては請求項の規定には加えていないものの、制限は必要である。Pは鋼を硬化させるが、さらに偏析を生じ、材料を脆化させる。特にオーステナイト粒界に偏析したPは衝撃値の低下や水素の侵入により遅れ破壊などを引き起こす。そのため少ない方がよい。そこで脆化傾向が顕著となるP:0.015%以下とするのが好ましい。さらに熱処理鋼線の引張強度が2150MPaを超えるような高強度の場合には0.01%未満にすることが好ましい。
P: 0.015% or less Although P and S are not included in the claims, restrictions are necessary. P hardens the steel but further segregates and embrittles the material. In particular, P segregated at the austenite grain boundaries causes a delayed fracture or the like due to a drop in impact value or hydrogen penetration. Therefore, it is better to have less. Therefore, P: 0.015% or less is preferable because the embrittlement tendency becomes significant. Furthermore, when the tensile strength of the heat-treated steel wire is high such that it exceeds 2150 MPa, it is preferably less than 0.01%.

S:0.015%以下
SもPと同様に鋼中に存在すると鋼を脆化させる。Mnによって極力その影響を小さくするが、MnSも介在物の形態をとるため、破壊特性は低下する。特に高強度鋼のでは微量のMnSから破壊を生じることもあり、Sも極力少なくすることが望ましい。その悪影響が顕著となる0.015%以下とするのが好ましい。
S: 0.015% or less If S is present in the steel as in the case of P, the steel is embrittled. Although the effect is reduced as much as possible by Mn, since MnS also takes the form of inclusions, the fracture characteristics are lowered. Particularly in the case of high-strength steel, it may break down from a small amount of MnS, and it is desirable to reduce S as much as possible. It is preferable to set it as 0.015% or less from which the bad influence becomes remarkable.

さらに、熱処理鋼線の引張強度が2150MPaを超えるような高強度の場合には0.01%未満にすることが好ましい。   Furthermore, when the tensile strength of the heat-treated steel wire is high such that it exceeds 2150 MPa, the content is preferably less than 0.01%.

t−O:0.0002〜0.01
鋼中には脱酸工程を経て生じた酸化物や固溶したOが存在している。しかし、この合計酸素量(t−O)が多い場合には酸化物系介在物が多いことを意味する。酸化物系介在物の大きさが小さければばね性能に影響しないが、大きい酸化物が大量に存在しているとばね性能に大きな影響を及ぼす。
t-O: 0.0002 to 0.01
In the steel, there are oxides and solid solution O generated through the deoxidation step. However, when this total oxygen amount (t-O) is large, it means that there are many oxide inclusions. If the size of the oxide inclusions is small, the spring performance is not affected, but if a large amount of large oxide is present, the spring performance is greatly affected.

酸素量が0.01%を超えて存在するとばね性能を著しく低下させるので、その上限を0.01%とするのが好ましい。また酸素が少なければ良いが0.0002%未満にしても、その効果が飽和するので、これを下限とするのが好ましい。   If the oxygen content exceeds 0.01%, the spring performance is remarkably lowered, so the upper limit is preferably made 0.01%. Further, it is sufficient if the amount of oxygen is small, but even if it is less than 0.0002%, the effect is saturated, so it is preferable to set this as the lower limit.

実用上の脱酸工程などの容易性を考慮すると0.0005〜0.005%に調整することが望ましい。   In consideration of the ease of practical deoxidation process and the like, it is desirable to adjust to 0.0005 to 0.005%.

引張強度2000MPa以上
引張強度が高ければばねの疲労特性が向上する傾向にある。また窒化などの表面硬化処理を施す場合でも、鋼線の基本強度が高ければさらに高い疲労特性やへたり特性を得ることができる。一方、強度が高いとコイリング性が低下し、ばね製造が困難になる。そのため単に強度を向上させるだけでなく、同時にコイリング可能な延性を付与することが重要である。
Tensile strength 2000 MPa or more If the tensile strength is high, the fatigue characteristics of the spring tend to be improved. Even when a surface hardening treatment such as nitriding is performed, higher fatigue characteristics and sag characteristics can be obtained if the basic strength of the steel wire is high. On the other hand, if the strength is high, the coiling property is lowered, and the spring manufacturing becomes difficult. Therefore, it is important not only to improve the strength but also to impart ductility that can be coiled at the same time.

疲労、へたり等の観点から、鋼線の強度が必要となるが、引張強度TS≧2000MPaを下限とする。さらに高強度のばねに適用する場合にはさらに高強度が望ましく、好ましくは2200MPa以上、さらに高強度ばねへの適用には2250、2300MPa以上とコイリング性を損なわない範囲で高強度化することが好ましい。   The strength of the steel wire is required from the viewpoints of fatigue, sag, etc., but the tensile strength TS ≧ 2000 MPa is the lower limit. Further, when applied to a high-strength spring, higher strength is desirable, preferably 2200 MPa or more, and for application to a high-strength spring, it is preferable to increase the strength within a range that does not impair the coiling property. .

未溶解炭化物
高強度を得るためにCおよびその他MnTi、V、Nbなどいわゆる合金元素を添加するが、それらのうち窒化物、炭化物、炭窒化物を形成する元素を多量に添加した場合、未溶解炭化物が残留しやすくなる。未溶解炭化物は一般に球状であり、合金元素主体のものとセメンタイト主体のものがある。
Undissolved carbide C and other so-called alloy elements such as MnTi, V, and Nb are added to obtain high strength, but when a large amount of elements that form nitrides, carbides, and carbonitrides are added, they are not dissolved. Carbide tends to remain. Undissolved carbide is generally spherical, and is mainly composed of alloy elements and cementite.

図2に典型的な観察例を示す。図2(a)は、走査型電子顕微鏡による未溶解炭化物観察例例で、(b)は合金系未溶解炭化物XのX線による元素解析例で、(c)はセメンタイト系未溶解炭化物YのX線による元素解析例を示している。これによると鋼にはマトリックスの針状組織と球状組織の2種が認められる。一般に鋼は焼入れによって、マルテンサイトの針状組織を形成し、焼戻しによって炭化物を生成させることで強度と靭性を両立させることが知られている。しかし、本発明では図2(a)X、Yのように必ずしも針状組織だけではなく、球状組織も多く残留している場合がある。この球状組織が未溶解の炭化物であり、その分布がばね用鋼線の性能に大きく影響する。従ってここでいう未溶解炭化物とは上記の合金が窒化物、炭化物、炭窒化物を生成したいわゆる合金系球状炭化物(X)だけではなく、Fe炭化物(セメンタイト)を主成分とするセメンタイト系球状炭化物(Y)を含む。   FIG. 2 shows a typical observation example. 2A is an example of observation of undissolved carbide by a scanning electron microscope, FIG. 2B is an example of elemental analysis by X-ray of alloy-based insoluble carbide X, and FIG. 2C is an example of cementite-based insoluble carbide Y. An example of elemental analysis by X-ray is shown. According to this, the steel has two types of matrix needle-like structure and spherical structure. In general, it is known that steel forms a martensitic needle-like structure by quenching and generates carbides by tempering to achieve both strength and toughness. However, in the present invention, as shown in FIGS. 2 (a) X and Y, not only the needle-like structure but also a lot of spherical structures may remain. This spherical structure is undissolved carbide, and its distribution greatly affects the performance of the spring steel wire. Therefore, the undissolved carbide here means not only the so-called alloy-based spherical carbide (X) in which the above alloy forms nitrides, carbides, carbonitrides, but also cementite-based spherical carbides mainly composed of Fe carbide (cementite). (Y) is included.

図2(b)、(c)にSEMに取り付けたEDXによる解析例を示す。従来の発明はV、Nb等の合金元素系の炭化物だけに注目しており、その一例が図2(b)であり、炭化物中にFeピークが比較的小さく、合金ピーク(本例の場合、V)が大きいことが特徴である。この合金系炭化物(X)は厳密には窒化物との複合炭化物(いわゆる炭窒化物)になるものが多いため、ここではこれら合金系の炭化物、窒化物およびその複合した合金系球状析出物を総称して合金系球状炭化物と記す。   FIGS. 2B and 2C show examples of analysis by EDX attached to the SEM. The conventional invention focuses only on carbides of alloy elements such as V and Nb, an example of which is shown in FIG. 2B, in which the Fe peak is relatively small in the carbide, and the alloy peak (in this example, V) is large. Strictly speaking, many of these alloy-based carbides (X) become composite carbides with nitrides (so-called carbonitrides), so here, these alloy-based carbides and nitrides and their composite alloy-based spherical precipitates are used. Collectively referred to as alloy-based spherical carbide.

本発明では従来の合金元素系球状炭化物だけでなく、図2(c)に示すように、円相当径3μm以下のFe3Cとそれに合金元素がわずかに固溶した、いわゆるセメンタイト系炭化物の析出形態も重要であることを見出した。本発明のように従来鋼線以上の高強度と加工性の両立を達成する場合には3μm以下のセメンタイト系球状炭化物が多いと、加工性が大きく損なわれる。以後、このように球状かつ図2(c)に示したようなFeとCを主成分とする炭化物をセメンタイト系球状炭化物と記す。 In the present invention, not only conventional alloy element-based spherical carbides but also precipitation of so-called cementite-based carbides in which Fe 3 C having an equivalent circle diameter of 3 μm or less and an alloy element are slightly dissolved as shown in FIG. I found that the form was also important. When achieving both high strength and workability higher than those of conventional steel wires as in the present invention, if there are many cementite-based spherical carbides of 3 μm or less, the workability is greatly impaired. Hereinafter, such a spherical carbide having Fe and C as main components as shown in FIG. 2C will be referred to as a cementite-based spherical carbide.

なお、これらの結果は透過電子顕微鏡でのレプリカ法でも同様の解析結果が得られる。   Note that these results can be obtained by the replica method using a transmission electron microscope.

これらの球状の炭化物はオイルテンパー処理や高周波処理による焼入れ焼戻しにおいて、十分に固溶されず、焼入れ焼戻し工程で球状化かつ成長または縮小した炭化物と考えられる。この寸法の炭化物は焼入れ焼戻しによる強度と靭性には全く寄与しないどころか、逆に劣化させる。すなわち鋼中Cを固定して強度の源となるべき添加Cを単に浪費し、さらに粗大化することで応力集中源にもなるため、鋼線の機械的性質を低下させる。   These spherical carbides are considered to be carbides that are not sufficiently dissolved in quenching and tempering by oil tempering or induction treatment, and are spheroidized and grown or reduced in the quenching and tempering step. Carbide of this size does not contribute to the strength and toughness due to quenching and tempering, but rather deteriorates. That is, the addition of C, which should be a source of strength by fixing C in the steel, is simply wasted and becomes a stress concentration source by further coarsening, thus lowering the mechanical properties of the steel wire.

そこで、この検鏡面に占める合金系球状炭化物およびセメンタイト系球状炭化物に関して以下の規定を加え、これらによる弊害を排除するためには下記の規制が重要である。   Therefore, the following regulations are important in order to eliminate the adverse effects caused by the following provisions regarding the alloy-based spherical carbide and cementite-based spherical carbide occupying the mirror surface.

円相当径0.2μm以上の占有面積率が7%以下、
円相当径0.2μm以上の存在密度が1個/μm2以下、
鋼を焼入れ焼戻ししてから冷間コイリングする場合、未溶解球状炭化物がそのコイリング特性、すなわち破断までの曲げ特性に影響する。これまで高強度を得るためにCだけでなく、Cr、V等の合金元素を多量に添加することが一般的であったが、強度が高すぎて、変形能が不足してコイリング特性を劣化させる弊害があった。その原因に鋼中に析出している粗大な炭化物が考えられる。
Occupied area ratio of circle equivalent diameter 0.2μm or more is 7% or less,
The existence density of the circle equivalent diameter of 0.2 μm or more is 1 piece / μm 2 or less,
When steel is cold-coiled after quenching and tempering, undissolved spherical carbide affects its coiling characteristics, that is, bending characteristics up to fracture. In order to obtain high strength, it has been common to add not only C but also a large amount of alloy elements such as Cr and V. However, the strength is too high and the deformability is insufficient to deteriorate the coiling characteristics. There was a harmful effect. The cause may be coarse carbides precipitated in the steel.

これらの鋼中合金系およびセメンタイト系炭化物は鏡面研磨したサンプルにピクラールや電解エッチングなどのエッチングを施すことで観察可能であるが、その寸法などの詳細な観察評価には走査型電子顕微鏡により3000倍以上の高倍率で観察する必要があり、ここで対象とする合金系球状炭化物およびセメンタイト系球状炭化物は円相当径0.2μm以上である。通常、鋼中炭化物は鋼の強度、焼戻し軟化抵抗を確保する上で不可欠ではあるが、その有効な粒径は0.1μm以下で、逆に1μmを超えるとむしろ強度やオーステナイト粒径微細化への貢献はなく、単に変形特性を劣化させるだけである。しかし従来技術ではこの重要性がそれほど認識されず、V、Nbなどの合金系炭化物にのみ注目し、円相当径3μm以下の炭化物、特にセメンタイト系球状炭化物は無害と考えられている模様である。   These steel-in-steel and cementite carbides can be observed by subjecting a mirror-polished sample to etching such as picral or electrolytic etching, but the detailed observation and evaluation of the dimensions and the like is 3000 times using a scanning electron microscope. It is necessary to observe at the above high magnification, and the alloy-based spherical carbide and cementite-based spherical carbide used here have an equivalent circle diameter of 0.2 μm or more. Normally, carbide in steel is indispensable for securing the strength and resistance to temper softening of steel, but its effective particle size is 0.1 μm or less, and conversely, if it exceeds 1 μm, the strength and austenite particle size are reduced. Does not contribute, but merely deteriorates the deformation characteristics. However, this importance is not recognized so much in the prior art, and attention is paid only to alloy type carbides such as V and Nb, and carbides having an equivalent circle diameter of 3 μm or less, particularly cementite type spherical carbides, are considered to be harmless.

この合金系およびセメンタイト系炭化物は鏡面研磨したサンプルに電解エッチングし、走査型電子顕微鏡で10000倍で10視野以上を観察し、球状炭化物の占有面積率が7%を越えると加工性が極端に劣るため、これを上限とした。   These alloy-based and cementite-based carbides are electrolytically etched into a mirror-polished sample, and 10 or more fields are observed at 10,000 times with a scanning electron microscope. If the area ratio of spherical carbide exceeds 7%, the workability is extremely poor. Therefore, this is the upper limit.

また、本発明で対象としている円相当径0.2μm以上の合金系およびセメンタイト系球状炭化物の場合には寸法だけでなく、数も大きな要因となる。したがってその両者を考慮して本発明範囲を規定した。すなわち円相当径径で0.2μm以上の球状炭化物の数が非常に多く、検鏡面における存在密度が1個/μm2をこえるとコイリング特性の劣化が顕著になるのでこれを上限とする。 In addition, in the case of an alloy system and cementite-based spherical carbide having an equivalent circle diameter of 0.2 μm or more, which is a subject of the present invention, not only the size but also the number is a major factor. Therefore, the scope of the present invention is defined in consideration of both. In other words, the number of spherical carbides having an equivalent circle diameter of 0.2 μm or more is very large, and if the density of presence on the microscopic surface exceeds 1 piece / μm 2 , the coiling characteristics deteriorate significantly, so this is the upper limit.

炭化物の寸法が3μmを超えると寸法の影響がより大きくなるため、これを超えるものはないことが望ましい。   Since the influence of a dimension will become large when the dimension of a carbide | carbonized_material exceeds 3 micrometers, it is desirable that there is no thing exceeding this.

旧オーステナイト粒度番号が10番以上
焼戻しマルテンサイト組織を基本とする鋼線では旧オーステナイト粒径は炭化物と並んで鋼線の基本的性質に大きな影響をもつ。すなわち旧オーステナイト粒径が小さい方が疲労特性やコイリング性に優れる。しかし、いくらオーステナイト粒径が小さくとも上記炭化物が規定以上に多く含まれていると、その効果は少ない。一般にオーステナイト粒径を小さくするには焼入れ時の加熱温度を低くすることが有効であるが、そのことは逆に上記の未溶解球状炭化物を増加させることになる。従って炭化物量と旧オーステナイト粒径のバランスのとれた鋼線に仕上げることが重要である。ここで炭化物が上記規定を満たしている場合について旧オーステナイト粒径番号が10番未満であると十分な疲労特性やコイリング性を得られれないので旧オーステナイト粒径番号10番以上と規定した。
Old austenite grain size number 10 or more In steel wires based on a tempered martensite structure, the prior austenite grain size has a great influence on the basic properties of steel wires along with carbides. That is, the smaller the prior austenite grain size, the better the fatigue characteristics and coiling properties. However, even if the austenite grain size is small, the effect is small if the carbide is contained more than specified. In general, to reduce the austenite particle size, it is effective to lower the heating temperature during quenching, but this increases the undissolved spherical carbide. Therefore, it is important to finish the steel wire with a good balance between the carbide content and the prior austenite grain size. Here, when the carbide satisfies the above-mentioned regulations, if the prior austenite grain size number is less than 10, sufficient fatigue properties and coiling properties cannot be obtained, so the previous austenite grain size number is defined as 10 or more.

さらに高強度ばねに適用するにはさらに細粒の方が好ましく、11番、さらには12番以上とすることで高強度とコイリング性を両立させることが可能になる。   Further, for application to a high-strength spring, finer particles are more preferable. By setting the number 11 or even 12 or more, both high strength and coiling can be achieved.

残留オーステナイトが15質量%以下
残留オーステナイトは偏析部や旧オーステナイト粒界やサブグレインに挟まれた領域付近に残留することが多い。残留オーステナイトは加工誘起変態によってマルテンサイトとなり、ばね成形時に誘起変態すると材料に局部的な高硬度部が生成され、むしろばねとしてのコイリング特性を低下させる。また最近のばねはショットピーニングやセッチングなど塑性変形による表面強化をおこうが、このように塑性変形を加える工程を複数含む製造工程を有する場合、早い段階で生じた加工誘起マルテンサイトが破壊ひずみを低下させ、加工性や使用中のばねの破壊特性を低下させる。また打ちきず等の工業的に不可避の変形が導入された場合にもコイリング中に容易に折損する。
Residual austenite is 15 mass% or less. Residual austenite often remains in the vicinity of segregated portions, old austenite grain boundaries, and regions sandwiched between subgrains. Residual austenite becomes martensite due to work-induced transformation, and when it is transformed during spring forming, a local high hardness portion is generated in the material, and rather, the coiling characteristics as a spring are lowered. Also, recent springs will try to strengthen the surface by plastic deformation such as shot peening and setting. However, if there is a manufacturing process that includes multiple processes that apply plastic deformation in this way, the work-induced martensite that occurs at an early stage will cause fracture strain. Reduce the workability and the breaking characteristics of the spring in use. In addition, even when industrially unavoidable deformations such as cracks are introduced, they are easily broken during coiling.

さらには窒化やひずみ取り焼鈍などの熱処理においても徐々に分解することで機械的性質を変化させ、強度を低下させたりコイリング性が低下するなどの弊害をもたらす。   Furthermore, in the heat treatment such as nitriding and strain relief annealing, the mechanical properties are changed by gradually decomposing, resulting in problems such as lowering the strength and lowering the coiling property.

従って、残留オーステナイトを極力低減し、加工誘起マルテンサイトの生成を抑制することで、加工性を向上させる。具体的には残留オーステナイト量が15%(質量%)を超えると、打ち疵などの感受性が高くなり、コイリングやその他取り扱いにおいて容易に折損するため、15%以下に制限した。   Therefore, the workability is improved by reducing the retained austenite as much as possible and suppressing the formation of work-induced martensite. Specifically, when the amount of retained austenite exceeds 15% (mass%), the sensitivity to hammering and the like becomes high and breaks easily in coiling and other handling, so the amount is limited to 15% or less.

C、Mnなどの合金元素添加量や熱処理条件によって残留オーステナイト量は変化する。そのため、成分設計だけでなく熱処理条件の充実が重要である。   The amount of retained austenite varies depending on the amount of alloying elements such as C and Mn added and the heat treatment conditions. Therefore, it is important to enhance not only the component design but also the heat treatment conditions.

マルテンサイト生成温度(開始温度Ms点、終了温度Mf点)が低温になると、焼入れ時にかなりの低温にしなければマルテンサイトを生成せず、残留オーステナイトが残留しやすい。工業的な焼入れでは水またはオイルが用いられるが、残留オーステナイトの抑制は高度な熱処理制御が必要となる。具体的には冷却冷媒を低温に維持したり、冷却後も極力低温を維持し、マルテンサイトへの変態時間を長く確保するなどの制御が必要となる。工業的には連続ラインで処理されるため、冷却冷媒の温度は容易に100℃近くまで上昇するが、60℃以下に維持することが好ましく、さらには40℃以下と低温がより好ましい。さらにマルテンサイト変態を十分に促進するために1s以上冷却媒体内に保持する必要があり、冷却後の保持時間を確保することも重要である。   When the martensite generation temperature (start temperature Ms point, end temperature Mf point) is low, martensite is not generated and retained austenite is likely to remain unless the temperature is sufficiently low during quenching. Water or oil is used in industrial quenching, but the suppression of retained austenite requires advanced heat treatment control. Specifically, it is necessary to maintain the cooling refrigerant at a low temperature, maintain a low temperature as much as possible after cooling, and ensure a long transformation time to martensite. Since it is processed in a continuous line industrially, the temperature of the cooling refrigerant easily rises to near 100 ° C., but is preferably maintained at 60 ° C. or lower, and more preferably at 40 ° C. or lower. Furthermore, in order to sufficiently promote martensitic transformation, it is necessary to hold in the cooling medium for 1 s or more, and it is important to secure a holding time after cooling.

さらにこれらの炭化物等の規定に加え、炭化物の分布が他の部分に比べ、少なくなった組織を避けるべきである。具体的にはレンズマルテンサイトおよびその焼戻し組織では炭化物分布が他の部分に比べて少なく、ミクロ組織の不均質を生じるため、疲労強度および加工性に悪影響を及ぼす。   Furthermore, in addition to the definition of these carbides and the like, a structure in which the distribution of carbides is smaller than other parts should be avoided. Specifically, in the lens martensite and its tempered structure, the distribution of carbides is smaller than in other parts and the microstructure is inhomogeneous, which adversely affects fatigue strength and workability.

評価項目
本発明のばねへの適用性を評価するために、評価項目として引張強度、焼鈍後の硬さ、衝撃値および引張試験で測定された絞りを示す。引張強度はばねの耐久性に直結しており、強度が高いほど、その耐久性が高いことを示している。
Evaluation Items In order to evaluate the applicability to the spring of the present invention, the tensile strength, the hardness after annealing, the impact value, and the drawing measured by a tensile test are shown as evaluation items. The tensile strength is directly related to the durability of the spring, and the higher the strength, the higher the durability.

また、引張強度測定時に同時に測定される絞りは材料の塑性変形挙動を示すものであり、ばねへの加工性(コイリング特性)の評価指標である。この絞りが大きなほど容易に加工できることを示しているが、一般に強度が高くなれば絞りは小さくなる。従来鋼の例から、この線径における評価では絞りが30%を超えると他の線径においても工業的な大量生産において障害を生じにくいことが分かっている。作成した試験片はφ13mmの素材をほぼ2200MPaを超えるように焼入れ焼戻し処理を行った後、JIS Z 2201 9号試験片により作成し、JIS Z 2241に準拠して試験を行い、その破断荷重から引張強度を算出した。   In addition, the diaphragm simultaneously measured at the time of measuring the tensile strength indicates the plastic deformation behavior of the material, and is an evaluation index of workability (coiling characteristics) to the spring. This indicates that the larger the aperture, the easier it can be processed, but generally the aperture decreases as the strength increases. From the example of the conventional steel, it is known from the evaluation in this wire diameter that when the restriction exceeds 30%, it is difficult to cause a failure in industrial mass production even in other wire diameters. The prepared specimen was quenched and tempered to a material of φ13 mm so as to exceed approximately 2200 MPa, then prepared with a JIS Z 2201 No. 9 specimen, tested in accordance with JIS Z 2241, and tensioned from its breaking load. Intensity was calculated.

また、近年、ばねの高強度化のために表層に窒化による硬化処理を施すことが多い。窒化は窒化雰囲気ガス中でばねを400〜500℃に加熱し、数分〜1時間程度保持することで表層を硬化させる。その際、窒素が侵入しない内部は加熱されているために焼鈍されて軟化する。この軟化を抑制することが重要であるため、窒化をシミュレートした焼鈍後の硬さを軟化抵抗の評価項目とした。   In recent years, the surface layer is often subjected to a hardening treatment by nitriding to increase the strength of the spring. In nitriding, the spring is heated to 400 to 500 ° C. in a nitriding atmosphere gas, and the surface layer is cured by holding for about several minutes to 1 hour. At that time, since the inside into which nitrogen does not enter is heated, it is annealed and softened. Since it is important to suppress this softening, the hardness after annealing simulating nitriding was set as an evaluation item of the softening resistance.

さらに、素材の加工性と耐破壊特性を評価するために、シャルピー衝撃値を評価項目とした。一般に衝撃値が良好な材料は疲労特性も含む耐破壊特性も良好と考えられる。また脆い材料は加工性にも劣ることから、靭性の高い材料は加工性にも優れると考えられる。本実施例では焼入れ焼戻し後の引張強度を測定したものと同様の熱処理を施した材料のシャルピー衝撃値を測定した。シャルピー衝撃値はオーステナイト粒径の影響も受けるため、同一素材のオーステナイト粒径も測定した。   Furthermore, Charpy impact value was used as an evaluation item in order to evaluate the workability and fracture resistance of the material. In general, a material having a good impact value is considered to have good fracture resistance including fatigue characteristics. Further, since a brittle material is also inferior in workability, a material having high toughness is considered to be excellent in workability. In this example, the Charpy impact value of a material subjected to the same heat treatment as that for measuring the tensile strength after quenching and tempering was measured. Since the Charpy impact value is also affected by the austenite grain size, the austenite grain size of the same material was also measured.

なお、シャルピー衝撃試験片はφ13mmの熱処理素材からいわゆるハーフサイズ(5×10mm断面)の素材に2mmのUノッチ加工した。   The Charpy impact test piece was U-notched to 2 mm from a heat-treated material having a diameter of 13 mm to a so-called half-size (5 × 10 mm cross section) material.

また、ばねはより細径のφ4mm程度で比較的短時間で熱処理を終了する。そのため未溶解炭化物が残留しやすく、加工性が低下させることが知られている。したがって本発明例でもパテンチングー伸線して、φ4mmとし、その伸線材を熱処理してその炭化物の分布とオーステナイト粒径を測定した。一般に、加熱温度が低く、時間が短ければオーステナイト粒径は小さくなるが、未溶解炭化物が増加する傾向にあり、両者のバランスで総合的に評価すべきである。その結果は引張強度と伸びに現れるため、この両者を評価対象とした。φ5mm以下の細径材では断面積が小さいため、塑性変形挙動は絞りよりも伸びに明確に差異が現れる。   The spring has a smaller diameter of about 4 mm and finishes heat treatment in a relatively short time. Therefore, it is known that undissolved carbides are likely to remain and workability is reduced. Therefore, in the examples of the present invention, patenting-drawing was performed to obtain a diameter of 4 mm, the wire-drawn material was heat-treated, and the carbide distribution and austenite grain size were measured. In general, if the heating temperature is low and the time is short, the austenite grain size becomes small, but undissolved carbides tend to increase. Since the result appears in the tensile strength and elongation, both of them were evaluated. Since the cross-sectional area is small in a small diameter material of φ5 mm or less, the plastic deformation behavior clearly shows a difference in elongation than the drawing.

評価材の熱処理条件などの詳細は以下に述べる。   Details of the heat treatment conditions of the evaluation material will be described below.

引張試験はJISに準拠して平行部φ6mmの試験片を作成し、その引張強度と伸びを測定した。   In the tensile test, a test piece having a parallel part φ6 mm was prepared in accordance with JIS, and the tensile strength and elongation were measured.

残留オーステナイト量は焼入れ焼戻し後に鏡面研磨行い、X線により測定した。
さらに焼鈍後の硬さは熱処理後に鏡面研磨し、表面から半径の1/2の位置におけるビッカース硬さを3点測定し、その平均値を焼鈍後の硬度とした。
The amount of retained austenite was mirror polished after quenching and tempering and measured by X-ray.
Furthermore, the hardness after annealing was mirror-polished after the heat treatment, the Vickers hardness at a position of 1/2 the radius from the surface was measured at three points, and the average value was taken as the hardness after annealing.

素材製造方法(Wire−rod)
本願発明の発明例16は2t−真空溶解炉で溶製後、圧延によってビレットを作成した。その際、発明例では1200℃以上の高温に一定時間保定した。その後いずれの場合もビレットからφ13mmに圧延した。
Material production method (Wire-rod)
Invention Example 16 of the present invention produced billets by rolling after melting in a 2 t-vacuum melting furnace. At that time, in the invention example, it was held at a high temperature of 1200 ° C. or higher for a certain time. Thereafter, in each case, the billet was rolled to φ13 mm.

その他の実施例では16kg真空溶解炉で溶解後、鍛造によりφ13mm×600mmに鍛造し、その後熱処理した。その際にも同様に1200℃以上の高温に一定時間保定した後、所定の強度になるように熱処理した。   In other examples, after melting in a 16 kg vacuum melting furnace, forging to φ13 mm × 600 mm by forging and then heat treatment. In this case as well, after being kept at a high temperature of 1200 ° C. or higher for a certain time, heat treatment was performed so as to obtain a predetermined strength.

熱処理方法
評価試験片の作成には特に記述が無い場合には1200℃×15min→空冷後、950℃で10分加熱後、650℃に熱した鉛槽に投入し、さらに950℃×10min加熱後、60℃の油槽に投入して焼入れし、その後、発明例では引張強度が2200MPaを超えるように焼戻し温度を調節した。この熱処理での引張強度、絞りおよびシャルピー衝撃値を測定した。
Heat treatment method When there is no description in the preparation of the evaluation test piece, after 1200 ° C. × 15 min → air cooling, after heating at 950 ° C. for 10 minutes, put into a lead bath heated to 650 ° C., and further after heating at 950 ° C. × 10 min In an example of the invention, the tempering temperature was adjusted so that the tensile strength exceeded 2200 MPa. Tensile strength, drawing, and Charpy impact value were measured in this heat treatment.

この焼戻し温度は化学成分によって異なってくるが、本発明については引張強度2200MPa以上となるように化学成分にあわせて熱処理した。一方、比較例に関しては単に引張強度をあわせるように熱処理した。   Although the tempering temperature varies depending on the chemical component, the present invention was heat-treated according to the chemical component so that the tensile strength was 2200 MPa or more. On the other hand, the comparative example was heat-treated so as to match the tensile strength.

さらに窒化を模した400℃×20minの焼鈍し、その硬度を測定することで軟化抵抗を評価した。   Furthermore, the softening resistance was evaluated by annealing at 400 ° C. for 20 minutes imitating nitriding and measuring the hardness.

また、炭化物評価用のφ4mm線材では特に記述が無い場合には1200℃×15min→空冷後、切削加工によりφ10mmとし、950℃で10分加熱後、650℃に熱した鉛槽に投入した。さらにそれをφ4mmまで伸線で細径化した上で、950℃×5min加熱後、60℃の油槽に投入して焼入れし、その後、引張強度が2200MPaを超えるように焼戻し温度を調節した。また中村式回転曲げ試験で負荷サイクル数107を超えることのできる応力を疲労強度とした。 Further, in the case of φ4 mm wire for carbide evaluation, unless otherwise specified, after 1200 ° C. × 15 min → air cooling, φ10 mm was obtained by cutting, heated at 950 ° C. for 10 minutes, and then put into a lead bath heated to 650 ° C. Further, the diameter was reduced by drawing to φ4 mm, and after heating at 950 ° C. × 5 min, it was put into a 60 ° C. oil bath and quenched, and then the tempering temperature was adjusted so that the tensile strength exceeded 2200 MPa. In addition, the stress that could exceed the number of load cycles of 10 7 in the Nakamura rotary bending test was defined as fatigue strength.

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表2〜9にφ4mmで処理した場合の本発明と比較鋼の化学成分、セメンタイト系炭化物希薄域面積率、合金系/セメンタイト系球状炭化物の占有面積率、円相当径0.2〜3μmのセメンタイト系球状炭化物存在密度、円相当径3μm超のセメンタイト系球状炭化物存在密度、最大酸化物径、旧オーステナイト粒度番号、残留オーステナイト量(質量%)、その結果得られた引張強度、焼鈍後の硬さ、衝撃値および引張試験で測定された絞りを示す。即ち、表2、3に発明例No.1〜25の化学成分を、表4、5に発明例No.26〜51の化学成分を示している。表6に比較例No.52〜77の化学成分を示している。そして、表7に発明例No.1〜25、表8に発明例26〜51のそれぞれの伸線ありと伸線なしの特性を示した。また、表9に比較例No.52〜77の伸線ありと伸線なしの特性を示した。   Tables 2 to 9 show the chemical composition of the present invention and comparative steel when processed at φ4 mm, the cementite-based carbide dilute area ratio, the alloy / cementite-based spherical carbide occupation area ratio, and the cementite with an equivalent circle diameter of 0.2 to 3 μm. Spherical carbide abundance density, cementite spherical carbide abundance density greater than 3μm equivalent circle diameter, maximum oxide diameter, prior austenite grain size number, retained austenite amount (% by mass), resulting tensile strength, hardness after annealing Figure 2 shows the aperture measured by impact value and tensile test. That is, Tables 2 and 3 show chemical components of Invention Examples Nos. 1 to 25, and Tables 4 and 5 show chemical components of Invention Examples Nos. 26 to 51. Table 6 shows chemical components of Comparative Examples Nos. 52 to 77. Table 7 shows the characteristics of Invention Examples Nos. 1 to 25 and Table 8 of Invention Examples 26 to 51 with and without drawing. Table 9 shows the characteristics of Comparative Examples No. 52 to 77 with and without drawing.

比較例の解説
発明例では伸線なしの熱処理材でも衝撃値や焼鈍後の軟化抵抗、引張特性などで良好な性能を発揮し、さらに伸線後の熱処理材でも引張特性や炭化物分布などで規定内に含まれているため、良好な性能が得られているが、以下の実施例では規定から外れるために十分な性能を発揮していない。
Explanation of Comparative Example In the invention example, even heat treated material without wire drawing shows good performance in impact value, softening resistance after annealing, tensile properties, etc., and even heat treated material after wire drawing is specified by tensile properties, carbide distribution, etc. However, in the following examples, it does not exhibit sufficient performance because it falls outside the specification.

実施例52、53ではTiおよびNbのいずれも含まない場合であり、VやCrが多量に添加されているため、窒化物を核とした未溶解炭化物が生成するため、引張試験における絞りや伸線後の伸びが低く、加工性を低下させる。   Examples 52 and 53 are cases in which neither Ti nor Nb is contained. Since a large amount of V and Cr is added, undissolved carbides having nitrides as nuclei are formed. Elongation after wire is low and processability is reduced.

実施例54、55ではTiおよびNbを添加しているものの、Nが過多であり、窒化物を核とした未溶解炭化物が生成するため、引張試験における絞りや伸線後の伸びが低く、加工性を低下させる。   In Examples 54 and 55, Ti and Nb are added, but N is excessive, and undissolved carbides with nitrides as nuclei are formed. Therefore, elongation after drawing and drawing in a tensile test is low, and processing is performed. Reduce sex.

実施例56〜59ではTiを添加し、NをTiNとして固定したもの、Ti添加量が過多であり、TiNによる弊害が健在化した例である。そのため介在物分布が多くなり、その結果引張試験における絞りや伸線後の伸びが低く、加工性を低下させる。   Examples 56 to 59 are examples in which Ti is added and N is fixed as TiN, and the amount of Ti added is excessive, so that the adverse effects caused by TiN become healthy. Therefore, the inclusion distribution increases, and as a result, the elongation after drawing or drawing in the tensile test is low, and the workability is lowered.

特に実施例57は焼入れ時の加熱温度を低くすることで、数多くの未溶解炭化物を生成した場合である。   Especially Example 57 is a case where many undissolved carbide | carbonized_materials were produced | generated by making the heating temperature at the time of hardening low.

実施例60〜62ではNbを添加した例であるが、その添加量が過多であるため、未溶解炭化物が多く認められ、引張試験における絞りや伸線後の伸びが低く、加工性を低下させる。   In Examples 60 to 62, Nb was added, but since the addition amount was excessive, a large amount of undissolved carbide was observed, and elongation after drawing or wire drawing in a tensile test was low, thereby reducing workability. .

実施例63、64ではAlが過多であるため酸化物が大きくなり、疲労特性が低下した。   In Examples 63 and 64, since Al is excessive, the oxide becomes large, and the fatigue characteristics are deteriorated.

実施例65、66ではV添加量が過少な場合であり、その場合には窒化を模した焼鈍後の硬度が低く、さらに旧オーステナイト粒径が粗大になる傾向があり、疲労特性が低下する。さらに実際の窒化においてはVを規定量添加した発明例に比べ、表層硬度が低かったり、同一時間の窒化時間でも窒化深さが浅くなるなど、窒化処理後の性能に差が生じた。   In Examples 65 and 66, the amount of V added is too small. In this case, the hardness after annealing simulating nitriding is low, and the prior austenite grain size tends to be coarse, and the fatigue characteristics are deteriorated. Furthermore, in actual nitridation, compared with the invention example in which a prescribed amount of V was added, the surface layer hardness was low and the nitridation depth was shallow even in the same nitridation time.

実施例67、68ではCr添加量が過少であり、窒化を模した焼鈍後の硬度が低かったり、窒化処理時の表面硬化層が薄くなり、疲労特性を低下させる。   In Examples 67 and 68, the amount of Cr added is too small, and the hardness after annealing simulating nitriding is low, or the surface hardened layer at the time of nitriding treatment becomes thin, resulting in deterioration of fatigue characteristics.

実施例69〜71では焼入れ時の冷却温度が高く、かつ冷却時間も短時間の場合であり、残留オーステナイト量が多くなり、そのため、焼鈍後の硬度が不足すると共に、実用的にはわずかな取扱疵まわりが応力誘起変態によって脆化するため、加工性を低下する。   In Examples 69 to 71, the cooling temperature at the time of quenching is high and the cooling time is short, and the amount of retained austenite increases. Therefore, the hardness after annealing is insufficient, and the handling is practically slight. Since the periphery of the heel is embrittled by stress-induced transformation, workability is reduced.

実施例72、73は焼入れ時の加熱温度を高くしすぎた例であり、旧オーステナイト粒径が大きくなり、衝撃値が低くなり、疲労特性が低下した。   Examples 72 and 73 are examples in which the heating temperature at the time of quenching was too high, the prior austenite grain size was increased, the impact value was lowered, and the fatigue characteristics were lowered.

実施例74〜77ではCまたはSiが規定よりも少ない場合であり、焼鈍後の引張強度を低下するため、疲労強度を確保できない例である。   Examples 74 to 77 are cases where C or Si is less than specified, and the tensile strength after annealing is lowered, so that fatigue strength cannot be ensured.

Nを低減したときのNb添加の効果(焼戻し温度とシャルピー衝撃値との関係)を説明する図である。It is a figure explaining the effect (relationship between tempering temperature and Charpy impact value) of Nb addition when N is reduced. (a)は図面代用写真で走査型電子顕微鏡による未溶解炭化物の観察例を示す写真である。(b)は合金系未溶解炭化物XのX線による元素解析例、(c)はセメントタイト系未溶解炭化物YのX線による元素解析例を示す図である。(A) is a photograph which substitutes for a drawing and shows an example of observation of undissolved carbide by a scanning electron microscope. (B) is an X-ray elemental analysis example of an alloy-based undissolved carbide X, and (c) is an X-ray elemental analysis example of a cementite-based undissolved carbide Y.

符号の説明Explanation of symbols

X 合金系未溶解炭化物
Y セメンタイト系未溶解炭化物
X Alloy-based undissolved carbide Y Cementite-based undissolved carbide

Claims (5)

質量%で、
C:0.5〜0.9%、
Si:1.0〜3.0%、
Mn:0.1〜1.5%、
Cr:1.0〜2.5%、
V:0.15超〜1.0%以下、
Al:0.005%以下
を含有し、
N:0.007%以下に制限し、
さらに、Nb:0.001〜0.01%未満、Ti:0.001〜0.005%未満の内の1種または2種を含有し、
残部が鉄と不可避的不純物とからなることを特徴とする高強度ばね用鋼。
% By mass
C: 0.5-0.9%
Si: 1.0-3.0%,
Mn: 0.1 to 1.5%
Cr: 1.0-2.5%,
V: more than 0.15 to 1.0% or less,
Al: containing 0.005% or less,
N: limited to 0.007% or less,
Further, Nb: containing 0.001 to less than 0.01%, Ti: less than 0.001 to 0.005% of one or two,
A steel for high-strength springs, the balance being iron and inevitable impurities.
さらに、質量%で、
W:0.05〜0.5%、
Mo:0.05〜0.5%
の内の1種または2種を含有することを特徴とする請求項1記載の高強度ばね用鋼。
Furthermore, in mass%,
W: 0.05-0.5%
Mo: 0.05-0.5%
The high strength spring steel according to claim 1, comprising one or two of the above.
さらに、質量%で、
Ni:0.05〜3.0%、
Cu:0.05〜0.5%、
Co:0.05〜3.0%、
B:0.0005〜0.006%
の内の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1また2記載の高強度ばね用鋼。
Furthermore, in mass%,
Ni: 0.05-3.0%,
Cu: 0.05 to 0.5%,
Co: 0.05-3.0%
B: 0.0005 to 0.006%
The high strength spring steel according to claim 1 or 2, characterized by containing one or more of the above.
さらに、質量%で、
Te:0.0002〜0.01%、
Sb:0.0002〜0.01%、
Mg:0.0001〜0.0005%、
Zr:0.0001〜0.0005%、
Ca:0.0002〜0.01%、
Hf:0.0002〜0.01%
の内の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の高強度ばね用鋼。
Furthermore, in mass%,
Te: 0.0002 to 0.01%,
Sb: 0.0002 to 0.01%,
Mg: 0.0001 to 0.0005%,
Zr: 0.0001 to 0.0005%,
Ca: 0.0002 to 0.01%,
Hf: 0.0002 to 0.01%
The steel for high-strength springs according to any one of claims 1 to 3, wherein one or more of them are contained.
請求項1乃至4のいずれかに記載の鋼成分を有し
引張強度2000MPa以上、かつ
検鏡面に占めるセメンタイト系球状炭化物および合金系球状炭化物に関して、
円相当径0.2μm以上の占有面積率が7%以下、
円相当径0.2μm以上の存在密度が1個/μm2以下、
を満たし、かつ旧オーステナイト粒度番号が10番以上、残留オーステナイトが15質量%以下、
であることを特徴とする高強度ばね用熱処理鋼線。
Regarding the cementite-based spherical carbide and the alloy-based spherical carbide having the steel component according to any one of claims 1 to 4 and having a tensile strength of 2000 MPa or more and occupying a specular surface,
Occupied area ratio of circle equivalent diameter 0.2μm or more is 7% or less,
The existence density of the circle equivalent diameter of 0.2 μm or more is 1 piece / μm 2 or less,
And the prior austenite grain size number is 10 or more, the residual austenite is 15% by mass or less,
A heat-treated steel wire for high-strength springs, characterized in that
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