JP2007138259A - 酸洗い性に優れたばね用鋼線材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】C:0.35〜0.7%(質量%の意味。以下、同じ)、Si:1.5〜2.50%、Mn:0.05〜1.0%、Cr:0.05〜1.9%、Cu:0.05〜0.7%、Ni:0.15〜0.8%、P:0.02%以下(0%を含まない)、S:0.02%以下(0%を含まない)、残部:Feおよび不可避不純物を満足するばね用鋼線材であって、SiとCuとの比(Si/Cu)は、4以上の範囲内であり、表層のCu濃度と鋼中のCu濃度との差が0.50%以下、および表層のNi濃度と鋼中のNi濃度との差が1.00%以下であるばね用鋼線材である。
【選択図】なし
Description
Cは、焼入れ焼戻し後の強度(硬さ)の向上に寄与し、大気耐久性を高める元素である。C量が0.35%未満では、上記作用を有効に発揮させることができず、一方、0.7%を超えると、靱延性が劣化し、亀裂が伝播し易くなって耐久性が低下し、耐食性にも悪影響をもたらす。C量は、0.39%以上0.54%以下であることが好ましい。
Siは、固溶強化元素として強度向上に寄与し、耐力も向上し得る元素である。Siが1.5%未満では、マトリックス強度が不充分である。ただし、Siが2.50%を超えて過剰になると、スケール中に占めるファイヤライトの比率が増加し、酸洗い性が低下する。Siは、1.70%以上2.1%以下であることが好ましい。
Mnは、鋼中の焼入れ性を高める元素である。このような作用を有効に発揮させるため、Mnの添加量は、0.05%以上とする。しかし、Mn量が1.0%を超えて過剰に添加されると、焼入れ性が増大して過冷組織が生成し易くなり、引き抜き加工性が劣化する。また、後述する「ばね工程(c)」のように、熱間圧延後酸洗い処理前に、線材の軟化を目的として焼鈍工程を場合、コスト高が避けられなくなる。Mnは、0.12%以上0.8%以下であることが好ましい。本発明では、破壊の起点となるMnSの形成を防止するため、後記するように、Sの含有量を低減したり、Cuなどの他の硫化物形成元素を添加したりするなどして、MnSを極力生成させない様にしている。
Crは、腐食条件下で表層部に生成する錆を非晶質で緻密なものとし、耐食性の向上に寄与する他、Mnと同様、焼入れ性向上にも有効に作用する元素である。このような作用を有効に発揮させるため、Crを0.05%以上添加する。しかし、Crが1.9%を超えると、圧延後冷却時に過冷組織が生成し易くなり、引き抜き加工性が低下する。後述する「ばね工程(c)」のように、熱間圧延後酸洗い処理前に、線材の軟化を目的として焼鈍工程を場合、コスト高が避けられなくなる。Crは、0.15%以上1.75%以下であることが好ましい。
Cuは、電気化学的に鉄より貴な元素であり、耐食性を高める作用がある。このような作用を有効に発揮させるため、Cuを0.05%以上添加する。ただし、Cuが0.7%を超えると、地鉄表層、地鉄と圧延スケールとの界面、およびファイヤライト中へのCuの濃化量が増加し、酸洗い性を阻害するようになる。Cuは、0.20%以上0.5%以下であることが好ましい。
Niは、焼入れ焼戻し後の靱性を高めると共に、腐食条件下で表層部に生成する錆を非晶質で緻密なものとして耐食性を高める作用がある。また、圧延前および圧延中に生じるフェライト脱炭を抑制する作用も有する。このような作用を有効に発揮させるため、Niを0.15%以上添加する。しかし、Niが0.8%を超えると焼入れ性が増大し、圧延後に過冷組織が生成し易くなる。また、残留オーステナイト量も増大し、ばね硬さが低下する。Niは、0.25%以上0.55%以下であることが好ましい。
Pは、旧オーステナイト粒界に偏析して粒界を脆化させ、耐遅れ破壊特性を低下させるため、できるだけ少ない方が良い。本発明では、工業生産上、上限を0.02%とする。
Sは、旧オーステナイト粒界に偏析して粒界を脆化させ、耐遅れ破壊特性を低下させるため、できるだけ少ない方が良い。本発明では、工業生産上、上限を0.02%とする。
本発明では、SiおよびCuの量を、それぞれ、定めるほか、(Si/Cu)の下限を更に定めている。これにより、Si添加によって生成するファイヤライトと、Cu添加によって地鉄とスケールとの界面に濃化するCu量とが、適切に制御されるため、ファイヤライト中へのCuの濃化が抑えられ、ΔCuが小さくなる。その結果、酸洗い性が高められる(後記する実施例を参照)。(Si/Cu)の上限は、前述したSiおよびCuの含有量により、50と定められる。(Si/Cu)は、4.5以上35以下であることが好ましい。
Vは、微細な炭化物や窒化物を形成して耐水素脆性の向上に寄与する元素である。また、疲労特性も高められる。更に、結晶粒微細化効果によって靱性や耐力が向上し、耐食性や耐へたり性の向上にも寄与する。このような作用を有効に発揮させるためには、Vを0.07%以上添加することが好ましい。ただし、Vを0.4%を超えて過剰に添加すると、焼入れ加熱時に、オーステナイト中に固溶されない炭化物量が増大し、充分な強度と硬さが得られなくなるほか、残留オーステナイト量も増加してばね硬さが低下する。Vは、0.1%以上0.2%以下であることがより好ましい。
Tiは、焼入れ焼戻し後の旧オーステナイト結晶粒を微細化し、耐水素脆性の向上に有効な元素である。また、大気耐久作用も有している。このような作用を有効に発揮させるためには、Tiを0.01%以上添加することが好ましい。ただし、Tiを過剰に添加すると、粗大な窒化物が析出し易くなり、大気耐久性が低下するため、上限を0.1%とすることが好ましい。Tiは、0.04%以上0.09%以下であることがより好ましい。
Nbは、炭化物、窒化物、硫化物、およびこれらの複合化合物よりなる微細な析出物を形成して耐水素脆性の向上に寄与する元素である。また、結晶粒微細化効果によって靱性や耐力も向上する。このような作用を有効に発揮させるためには、Nbを0.01%以上添加することが好ましい。ただし、Nbを0.1%を超えて過剰に添加すると、焼入れ加熱時に、オーステナイト中に固溶されない炭化物量が増大し、所定の引張強さが得られない。Nbは、0.02%以上0.05%以下であることがより好ましい。
本発明では、ΔCuが0.50%以下と、低く抑えられている。前述したように、加熱によって生成したスケール(一次スケール)は、熱間圧延前に施される通常の脱スケール処理により、その殆どが除去され得るが、熱間圧延中および熱間圧延後の冷却中に生成するスケール(二次スケール)は、特に、本発明のように高SiおよびCuを含む鋼の場合、通常の脱スケール処理では容易に除去されず、スケール中にFeが拡散することによって、スケール(ファイヤライト)と地鉄との界面またはファイヤライト中にCuが析出する。その結果、酸洗い性が低下する。本発明では、後に詳しく説明するように、熱間圧延前の脱スケール工程だけでなく、仕上圧延工程を適切に制御しているため、ΔCuを低く抑えられる。ΔCuは、少なければ少ないほど良く、例えば、0.45%以下であることが好ましく、0.40%以下であることがより好ましい。
EPMA測定装置:日本電子製X線マイクロアナライザー「JXA−8800 RL」を使用
供試材:スケールが付着したままの鋼材を樹脂に埋め込み、圧延方向に垂直な断面を研磨剤で鏡面仕上げした後、電導性を保持するため、オスミウムを用いて蒸着を行った。
加速電圧:15kV
照射電流:0.3μA
定量ライン分析:分布の間隔1μm、合計300点を測定
本発明では、ΔNiも1.00%と、低く抑えられている。前述したように、Niは、Cuと同様、耐食性向上に寄与する元素であり、加熱工程および熱間圧延工程において、スケール(ファイヤライト)と地鉄との界面またはファイヤライト中にNiが析出する点でも、Cuと同じである。その結果、酸洗い性が低下する。従って、本発明では、Cuと同様に、Niの濃化を抑えることも必要である。ΔNiは、少なければ少ないほど良く、例えば、0.90%以下であることが好ましく、0.85%以下であることがより好ましい。
スケールの厚さは、40μm以下であることが好ましい。以下に詳しく説明するように、スケール内に発生した亀裂(クラック)によるスケール剥離を考慮すると、スケールの厚さは、おおむね、5μm以上35μm以下であることがより好ましい。
スケールの組成は、体積比率で、おおむね、ファイヤライト:2〜10%(より好ましくは3〜7%)、ウスタイト:2〜20%(より好ましくは10〜18%)、マグネタイト:35〜70%(より好ましくは37〜50%)、およびヘマタイト:20〜60%(より好ましくは30〜55%)を満足することが好ましい。このように、本発明によれば、難剥離性のファイヤライトの比率が少なく、スケール剥離性に優れたウスタイトやマグネタイトの比率が多くなるようにスケール組成が制御されているため、酸洗い性が一層高められる。
次に、上記のばね用鋼線材を製造する方法を説明する。
加熱条件は、特に限定されないが、おおむね、10℃/分以上の昇温速度で、700℃〜1000℃(750℃〜900℃)の温度に加熱する。昇温速度が10℃/分未満の場合、表層部へのCrの濃化を有効に防止することができない。昇温速度は、できるだけ、速い方が良く、15℃/分以上であることが好ましい。また、加熱温度が上記範囲を超えると、CuやNiの濃化が進み、表層のCu量、Ni量が多くなる。一方、加熱温度が上記範囲を下回ると、充分に加熱が行われないため、粗圧延が出来ない。
ここでは、おおむね、1050℃〜1250℃(好ましくは1100℃〜1200℃)の温度で、20分間〜60分間(より好ましくは、30分間〜50分間)均熱することが好ましい。この均熱条件は、表層へのCuやNiの濃化を防止し、粒界酸化の進行を抑えるために決定されたものであり、例えば、均熱温度や均熱時間が上記範囲を超えると、CuやNiの濃化が進み易く、一方、均熱温度や均熱時間が上記範囲を下回ると、Cuのオーステナイト結晶粒界への濃化が進むようになる。
ここでは、ファイヤライト含有スケールを速やかに除去するため、約80kgf/mm2(≒785MPa)〜160kgf/mm2(≒1569MPa)、より好ましくは、約100kgf/mm2(≒981MPa)〜120kgf/mm2(≒1176MPa)の水圧下で、約1秒間〜10秒間(より好ましくは、3秒間〜7秒間)、高水圧シャワーを行うことが好ましい。これにより、後続の熱間圧延工程を速やかに実施することができる。シャワーの水圧が80kgf/mm2未満の場合、スケールが厚くなり、熱間圧延中の噛み込みによる表面疵の発生や、表層Cu濃度の増加を招く恐れがある。一方、シャワーの水圧が160kgf/mm2を超えると、熱間圧延前のビレットの温度が低下し、圧延が困難になる。
ここでは、熱間圧延中に生成したファイヤライトへのCuの濃化を防止し、更に、スケールの組成を適切に制御するため、所定の水冷シャワーを施している。
(a)酸洗い→表面皮膜処理→引き抜き→焼入れ焼戻し(オイルテンパー)
(b)鉛パテンティング(LP)→酸洗い→表面皮膜処理→引き抜き→オイルテンパー
(c)焼鈍→酸洗い→表面皮膜処理→皮削り(SV)→LP→酸洗い→表面皮膜処理→
引き抜き→オイルテンパー
15℃/分の加熱速度で約900℃まで加熱した後、約1150℃で50分間均熱し、100kgf/mm2(≒981MPa)の水圧下で約5秒間、高水圧シャワーを行って脱スケールを実施した。次に、粗圧延を行った後、150t/hrのシャワー冷却を行いながら、仕上圧延を行った(仕上圧延温度920℃)後、仕上圧延終了後、約700℃までの範囲を7℃/secの冷却速度で冷却した。巻取温度は、875℃とした。
20℃/分の加熱速度で約800℃まで加熱した後、約1100℃で30分間均熱し、150kgf/mm2(≒1471MPa)の水圧下で約7秒間、高水圧シャワーを行って脱スケールを実施した。次に、粗圧延を行った後、130t/hrのシャワー冷却を行いながら、仕上圧延を行った(仕上圧延温度950℃)後、仕上圧延終了後、約700℃までの範囲を6℃/secの冷却速度で冷却した。巻取温度は、925℃とした。
15℃/分の加熱速度で約1050℃まで加熱した後、約1280℃で60分間均熱し、50kgf/mm2(≒4901MPa)の水圧下で約10秒間、高水圧シャワーを行って脱スケールを実施した。次に、粗圧延を行った後、50t/hrのシャワー冷却を行いながら、仕上圧延を行った(仕上圧延温度1000℃)後、仕上圧延終了後、約700℃までの範囲を2℃/secの冷却速度で冷却した。巻取温度は、980℃とした。
前述した線材工程3と同様に加熱、均熱、および圧延前の脱スケールを実施した。次に、前述した線材工程2と同様に仕上圧延、冷却、および巻取を行った。
前述した線材工程1と同様に加熱、均熱、および圧延前の脱スケールを実施した。次に、前述した線材工程3と同様に仕上圧延、冷却、および巻取を行った。
前述した線材工程3と同様に加熱、均熱、および圧延前の脱スケールを実施した。次に、前述した線材工程2と同様に仕上圧延、冷却、および巻取を行った。
上記の鋼線材を100mm長さに切断し、サンプル数(n)を3として、以下の酸洗いテスト(ビーカテスト)を実施した。ここでは、実操業における酸洗い処理と同様の条件下で実験を行った。
酸溶液:15%の硫酸
地鉄の溶解防止用としてインヒビター(カチオン性アミン誘導体)を
0.5%
鉄分として2価鉄を20g/L
浸漬条件:60℃で10分間
(1)A(%)=[(W0−W1)/W0]×100
式中、
Aは、もともとのスケール付着率(鋼線材のスケール付着率)であり、
W0は、浸漬前の鋼線材(圧延まま、スケール付着あり)の重量(g)、
W1は、上記の浸漬条件で浸漬した後の鋼線材の重量(g)を意味する。
(2)B(%)=[(W01−W2)/(W01)]
Bは、上記条件での酸洗後のスケール剥離率であり、
W01は、浸漬前の鋼線材(圧延まま)の重量(g)、
W2は、酸洗い実験後の重量(g)を意味する。
上記の鋼線材について、Fe−SEM装置(日立製作所製のS−4500電界放射型走査電子顕微鏡)を用いて観察された写真(倍率:3000倍)に基づき、スケールの厚さ(最大厚さ)を測定した。
次に、上記の各鋼線材を用い、下記の条件(前述したばね工程(a)に相当する)の条件で直径4.0mmのばね用鋼線(オイルテンパー線)を製造した。
表面皮膜処理→引き抜き(乾式伸線)→オイルテンパー(加熱温度:930℃、
焼入油温度:70℃、焼戻温度:450℃、焼戻し後の冷却:水冷)
次に、このようにして得られたばねの表面性状を評価するため、表面粗さ(Ry、最大粗さ)をJIS B 0601 1994に基づいて測定した。
Claims (3)
- C :0.35〜0.7%(質量%の意味。以下、特に断らない限り、同じ)、
Si:1.5〜2.50%、
Mn:0.05〜1.0%、
Cr:0.05〜1.9%、
Cu:0.05〜0.7%、
Ni:0.15〜0.8%、
P :0.02%以下(0%を含まない)、
S :0.02%以下(0%を含まない)、
残部:Feおよび不可避不純物
を満足するばね用鋼線材であって、
SiとCuとの比(Si/Cu)は、4.0以上の範囲内であり、
表層のCu濃度と鋼中のCu濃度との差が0.50%以下、および表層のNi濃度と鋼中のNi濃度との差が1.00%以下であることを特徴とする酸洗い性に優れたばね用鋼線材。 - V :0.07〜0.4%、
Ti:0.01〜0.1%、および
Nb:0.01〜0.1%
よりなる群から選択される少なくとも一種を更に含有する請求項1に記載のばね用鋼線材。 - 請求項1または2に記載のばね用鋼線材を用いて得られるばね。
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