JP2007169688A - 冷間切断性と疲労特性に優れた冷間成形ばね用鋼線とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】規定の成分組成を満たすものであって、金属組織が、アスペクト比[炭化物の長径をa、短径をbとしたときのa/b]が2以下である球状炭化物の平均粒径[√(ab)]:1.0μm以下、上記球状炭化物の鋼中に占める割合(面積%):(0.1〜3)×鋼中C量(質量%)、及び上記球状炭化物を形成するCr量(質量%):[0.4×鋼中Cr量(質量%)]以下を満たすと共に、規定の式(1)〜(3)に示す焼入れ性倍数(Dic)が110mm以上450mm以下であり、かつ引張強度が2000MPa以上であることを特徴とする冷間成形ばね用鋼線。
【選択図】図1
Description
(A)軟化焼鈍を施さずに直接、所定の線径まで引き抜き加工する、
(B)軟化焼鈍した後に引き抜き加工をする、
(C)軟化焼鈍した後に表面の皮削りを施し、次に、熱処理してから引き抜き加工を行う、等の工程により引き抜き加工を終了し、その後、焼入れ焼戻しを行って所定の引張強さを有するばね用鋼線とし、冷間成形コイリング機でばね巻きを行った後、各個ごとに一般にシャーで冷間切断する。引き続いてばね巻き後の歪みを除去するために低温焼鈍を施し、ショットピーニングや窒化処理等の表面処理を適宜実施して表面を強化する。
質量%で、
C :0.45〜0.70%、
Si:1.9〜2.5%、
Mn:0.15〜1.0%、
Cr:0.7〜2.0%、
P :0.015%以下(0%を含まない)、
S :0.015%以下(0%を含まない)、
Cr+Si:3.0%以上、
Cr/Si:0.95以下
を満たし、残部が鉄及び不可避不純物からなるものであって、
金属組織が、
アスペクト比[炭化物の長径をa、短径をbとしたときのa/b]が2以下である球状炭化物の平均粒径[√(ab)]:1.0μm以下、
上記球状炭化物の鋼中に占める割合(面積%):(0.1〜3)×鋼中C量(質量%)、及び
上記球状炭化物を形成するCr量(質量%):[0.4×鋼中Cr量(質量%)]以下を満たすと共に、
下記式(1)〜(3)に示す焼入れ性倍数(Dic)が110mm以上450mm以下であり、かつ引張強度が2000MPa以上であるところに特徴を有する。
〈C:0.45%以上0.55%以下の場合〉
Dic=25.4×(0.171+0.001[C]+0.265[C]2)×(3.3333[Mn]+1.0)×(1.0+0.7[Si])×(1.0+0.363[Ni])×(1.0+2.16[Cr])×(1.0+0.365[Cu])×(1.0+1.73[V])…(1)
〈C:0.55%超0.65%以下の場合〉
Dic=25.4×(0.115+0.268[C]−0.038[C]2)×(3.3333[Mn]+1.0)×(1.0+0.7[Si])×(1.0+0.363[Ni])×(1.0+2.16[Cr])×(1.0+0.365[Cu])×(1.0+1.73[V])…(2)
〈C:0.65%超0.70%以下の場合〉
Dic=25.4×(0.143+0.2[C])×(3.3333[Mn]+1.0)×(1.0+0.7[Si]) ×(1.0+0.363[Ni])×(1.0+2.16[Cr])×(1.0+0.365[Cu])×(1.0+1.73[V]) …(3)
{上記式中、[C]、[Mn]、[Si]、[Ni]、[Cr]、[Cu]、[V]は、それぞれの元素の含有量(質量%)を示す}
上記ばね用鋼線は、更に、質量%で、
(a)V:0.4%以下、Ti:0.1%以下、及びNb:0.1%以下よりなる群から選択される1種以上や、
(b)Cu:0.70%以下、及び/又はNi:0.80%以下
を含んでいてもよい。
(1)鋼中のアスペクト比[炭化物の長径をa、短径をbとしたときのa/b]が2以下である球状炭化物の平均粒径[√(ab)]を低減することにより切欠き感受性が向上する。
(2)鋼中に占める上記球状炭化物の割合(面積率)を一定範囲に制御することにより、冷間切断性(冷間シャー切断性)が向上する。
(3)上記球状炭化物を形成するCr量を一定範囲に制御することにより、冷間切断性と強度を併せて向上させることができる。
(4)鋼中Cr量と鋼中Si量の和を一定値以上とすることで高強度化を達成できる。
(5)鋼中Si量に対する鋼中Cr量の比率を一定値以下とすることにより、冷間切断性と強度を併せて向上させることができる。
(6)鋼材の焼入れ性倍数(Dic)をある一定範囲に制御することにより、上記(2)を容易に達成することができる。
鋼線の組織を後述する様にマルテンサイト主体とした場合、該組織中に大きな炭化物が存在すると切欠き感受性が増加し、冷間切断性が低下し易くなる。図1は、球状炭化物の平均粒径と冷間シャー切断割れ発生率の関係を示したグラフであり、後述する実施例の結果を整理したものであるが、この図1より、上記球状炭化物の平均粒径を1.0μm以下とすれば、冷間シャー切断割れ発生率を皆無にできることがわかる。尚、上記球状炭化物の平均粒径は、後述する実施例に示す通り、倍率:2000倍でSEM観察して求めたものであり、測定対象は、該倍率で観察し得る粒径[√(ab)]:0.05μm以上の球状炭化物である。
鋼中に占める球状炭化物の割合が増加した場合も、上記粗大な球状炭化物が存在する場合と同様に該炭化物による切欠き効果が増大し易く、冷間シャー切断割れが生じやすくなる。また鋼中に占める球状炭化物の割合が多いと、鋼線の靱性が劣化し、シャー切断時の端面割れといったシャー切断割れ以外の不具合を生じさせる。この端面割れとは、切断端部から鋼線の軸方向に走る割れのことであり、この様な割れが生じると、ばねの使用中に端部から疲労折損を生じる場合がある。
Crを含む炭化物は硬く、鋼材のマトリックス組織の硬さとの差が大きく、冷間シャー切断時にき裂の伝播経路となるため、冷間切断時に軸線方向に対し垂直に切断し難くなる。また端面割れを生じさせる原因ともなる。更に、焼入れ焼戻しにおいて焼戻し硬化による高強度化を達成するには、固溶Crの確保が必要であるが、球状炭化物を形成するCr量が多すぎると上記高強度化を達成することも困難となる。そこで本発明では、球状炭化物を形成するCr量の上限を(0.4×鋼中Cr量)質量%とした。好ましくは(0.3×鋼中Cr量)質量%以下である。
〈Cr/Si:0.95以下〉
Crは、上記の通り鋼中にて炭化物を形成し易い元素であり、かつ炭化物の微細化にも有効な元素であるが、Ac1変態点以下で再結晶温度以上(500℃程度)の焼鈍を施すと、炭化物の球状化・粗大化が促進される。炭化物が粗大となると、炭化物起点による冷間シャー切断割れが生じ易くなるばかりでなく、焼入れ時のオーステナイト域まで加熱時に溶け込み難く、所望の引張強さを得ることができない。よってCrのみによる高強度化には限界がある。
C量の範囲別に示した下記式(1)〜(3)の焼入れ性倍数(Dic)は、熱間圧延時のマルテンサイトやベイナイトといった過冷組織の生じ易さの指標であり、鋼線を高強度化させる高合金成分系では高くなる傾向にある。
〈C:0.45%以上0.55%以下の場合〉
Dic=25.4×(0.171+0.001[C]+0.265[C]2)×(3.3333[Mn]+1.0)×(1.0+0.7[Si])×(1.0+0.363[Ni])×(1.0+2.16[Cr])×(1.0+0.365[Cu])×(1.0+1.73[V])…(1)
〈C:0.55%超0.65%以下の場合〉
Dic=25.4×(0.115+0.268[C]−0.038[C]2)×(3.3333[Mn]+1.0)×(1.0+0.7[Si])×(1.0+0.363[Ni])×(1.0+2.16[Cr])×(1.0+0.365[Cu])×(1.0+1.73[V])…(2)
〈C:0.65%超0.70%以下の場合〉
Dic=25.4×(0.143+0.2[C])×(3.3333[Mn]+1.0)×(1.0+0.7[Si]) ×(1.0+0.363[Ni])×(1.0+2.16[Cr])×(1.0+0.365[Cu])×(1.0+1.73[V]) …(3)
{上記式中、[C]、[Mn]、[Si]、[Ni]、[Cr]、[Cu]、[V]は、それぞれの元素の含有量(質量%)を示す}
Cは、鋼中に必然的に含まれる元素であり、焼入れ焼戻し後の強度(硬さ)を確保するのに必要な元素である。焼入れ焼戻し後の高強度と該高強度域での優れた疲労特性を達成させるには、C量を0.45%以上とする必要がある。また、球状炭化物の鋼中に占める割合を規定の範囲内とするにも上記C量とする必要がある。好ましくは0.48%以上である。一方、C量が過剰であると、冷間シャー切断時の切欠き感受性が高まり、鋼線の表面に存在する搬送疵や伸線疵といった疲労特性を落とさない小さな疵が起点となって冷間シャー切断時に割れが生じ易くなる。よって本発明では、C量を0.70%以下に抑える。好ましくは0.63%以下である。
Siは固溶強化元素として強度向上に寄与し、また耐力の向上にも寄与する元素であり、少なすぎると所望の強度が得られ難いだけでなく、上記Cr量とSi量のバランスを本発明で規定する範囲内とすることも難しくなる。よって本発明ではSi量を1.9%以上(好ましくは2.0%以上)とする。一方、Si量が過剰になると、A3変態点を超える熱処理を施したときに鋼材表面にフェライト脱炭が生じやすく、また鋼材内部へ固溶し難くなる。よってSi量を2.5%以下とした。好ましくは2.2%以下である。
Mnは、鋼中の焼入れ性を積極的に高めるのに必要な元素であり、0.15%以上含有させる。好ましくは0.20%以上である。しかしMn量が多過ぎると、焼入れ性が高まりすぎて、上記Dicを規定範囲内とすることが難しくなる。よって本発明では、Mn量の上限を1.0%とする。好ましくは0.95%以下である。
Crは、固溶強化により鋼材のマトリックスを強化する作用を発揮する元素であり、ばね鋼の高強度化には不可欠である。また、Mnと同様に焼入れ性向上にも有効に作用する元素である。これらの作用を有効に発揮させ、かつCr量とSi量のバランスを上記規定範囲内とするには、0.7%以上含有させる必要がある。好ましくは1.0%以上である。一方、Cr量が過剰になると、球状炭化物が必要以上に増加し、伸線加工性の劣化を招く。よって本発明ではCr量の上限を2.0%とする。好ましくは1.75%以下である。
Pは、旧オーステナイト粒界に偏析して粒界を脆化させ、疲労特性を低下させるため、極力低減する必要があるが、工業生産上、その上限を0.015%とする。
Sも、上記Pと同様に旧オーステナイト粒界に偏析して粒界を脆化させ、疲労特性を低下させるため、極力低減する必要がある。また、上述の通りMnとMnSを形成して疲労破壊の起点となり得る。よって本発明では、工業生産性も考慮して、その上限を0.015%とする。
これらの元素はいずれも耐水素脆性や疲労特性を高めるのに有用な元素である。Vは、微細な炭化物や窒化物を形成して耐水素脆性および疲労特性を一段と高める作用を発揮するばかりでなく、結晶粒微細化効果を発揮して靱性や耐力、更には耐へたり性の向上に寄与する。該効果を発揮させるには、Vを0.07%以上含有させることが好ましい。しかし多すぎると、焼入れ加熱時にオーステナイト中に固溶しない炭化物が増大し、所定の強度が得られ難くなる。また、残留オーステナイト量も増加してばね硬さが低下する。更には窒化物の粗大化を招き、ばね使用中に該窒化物を起点とする疲労折損が生じ得る。よってVを含有させる場合でも、その上限は0.4%とするのがよい。より好ましくは0.3%以下である。
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。また熱間圧延時やばね加工での熱処理時に生じるフェライト脱炭を抑制する効果がある。該効果を発揮させるには、Cuを0.05%以上含有させるのがよい。より好ましくは0.20%以上である。一方、Cuが過剰に含まれていると、熱間圧延割れが生じる可能性があるため0.70%以下に抑えるのがよい。より好ましくは0.50%以下である。
工程1:焼鈍→酸洗い→表面皮膜処理→引き抜き加工→焼入焼戻し
工程2:焼鈍→酸洗い→石灰皮膜処理→皮削り→引き抜き加工前熱処理(鉛パテンティングなど)→塩酸による酸洗い→表面皮膜処理→引き抜き加工→焼入焼戻し
〈球状炭化物の割合の測定〉
鋼線の軸方向に垂直な断面が観察できるよう樹脂に埋め込み、その表層(0.1mm内部)、D/8(Dは線材の直径)およびD/4において、それぞれ任意の10視野をSEM観察した。その際に、倍率:2000倍で写真撮影し、合計30視野における球状炭化物(炭化物の長径をa、短径をbとしたときのa/bが2以下である球状炭化物)を、コンピュータにより画像解析してマトリックス組織と相別し、鋼中に占める上記球状炭化物の割合(面積%)を求めた。
上記合計30視野における上記球状炭化物の個々について、粒径[炭化物の長径をa、短径をbとしたときの√(ab)]を求め、合計30視野における全球状炭化物の平均値を、上記球状炭化物の平均粒径として算出した。
上記鋼線から質量0.4〜0.5gのサンプルを切り出し、電解残渣抽出法によって炭化物を採取した。詳細には、上記サンプルを電解液(アセチルアセトンを10質量%含有するエタノール溶液)中に浸漬させ、100mAの電流を5時間流して母相の金属Feを電気分解し、電解液に存在する鋼中析出物を残渣として採取した。尚、残渣を採取するためのフィルターとして、メッシュ直径0.1μmのものを使用した。
上記鋼線(長さ400mm)(JIS Z 2201の3号試験片)を用いて、JISZ 2241の要領で引張試験を行ない、引張強度を測定した。
650mm長さ程度の間隔で、上記鋼線に対し冷間シャー切断を2000回実施し、シャー切断割れ、端面割れ、バリの発生率をそれぞれ調べた。
650mm長さ程度の上記鋼線を用いて中村式回転曲げ疲労試験を実施した。負荷応力を変えて1,000万回までの疲労強度を求め、該疲労強度が800MPa以上の場合を疲労特性に優れると評価した。
Claims (4)
- 質量%で、
C :0.45〜0.70%、
Si:1.9〜2.5%、
Mn:0.15〜1.0%、
Cr:0.7〜2.0%、
P :0.015%以下(0%を含まない)、
S :0.015%以下(0%を含まない)、
Cr+Si:3.0%以上、
Cr/Si:0.95以下
を満たし、残部が鉄及び不可避不純物からなるものであって、
金属組織が、
アスペクト比[炭化物の長径をa、短径をbとしたときのa/b]が2以下である球状炭化物の平均粒径[√(ab)]:1.0μm以下、
上記球状炭化物の鋼中に占める割合(面積%):(0.1〜3)×鋼中C量(質量%)、及び
上記球状炭化物を形成するCr量(質量%):[0.4×鋼中Cr量(質量%)]以下を満たすと共に、
下記式(1)〜(3)に示す焼入れ性倍数(Dic)が110mm以上450mm以下であり、かつ引張強度が2000MPa以上であることを特徴とする冷間切断性と疲労特性に優れた冷間成形ばね用鋼線。
〈C:0.45%以上0.55%以下の場合〉
Dic=25.4×(0.171+0.001[C]+0.265[C]2)×(3.3333[Mn]+1.0)×(1.0+0.7[Si])×(1.0+0.363[Ni])×(1.0+2.16[Cr])×(1.0+0.365[Cu])×(1.0+1.73[V])…(1)
〈C:0.55%超0.65%以下の場合〉
Dic=25.4×(0.115+0.268[C]−0.038[C]2)×(3.3333[Mn]+1.0)×(1.0+0.7[Si])×(1.0+0.363[Ni])×(1.0+2.16[Cr])×(1.0+0.365[Cu])×(1.0+1.73[V])…(2)
〈C:0.65%超0.70%以下の場合〉
Dic=25.4×(0.143+0.2[C])×(3.3333[Mn]+1.0)×(1.0+0.7[Si]) ×(1.0+0.363[Ni])×(1.0+2.16[Cr])×(1.0+0.365[Cu])×(1.0+1.73[V]) …(3)
{上記式中、[C]、[Mn]、[Si]、[Ni]、[Cr]、[Cu]、[V]は、それぞれの元素の含有量(質量%)を示す} - 更に、質量%で、
V :0.4%以下、
Ti:0.1%以下、及び
Nb:0.1%以下
よりなる群から選択される1種以上を含む請求項1に記載のばね用鋼線。 - 更に、質量%で、
Cu:0.70%以下、及び/又は
Ni:0.80%以下を含む請求項1または2に記載のばね用鋼線。 - 前記請求項1〜3のいずれかに規定のばね用鋼線を製造する方法であって、前記請求項1〜3のいずれかに規定の成分組成を満たす鋼材を用いて熱間圧延し、冷却後に焼鈍を行うに際し、熱間圧延後冷却開始までの温度を900℃以上とし、冷却開始温度から700℃までを10℃/秒以上の速度で冷却し、その後、550〜700℃で焼鈍することを特徴とする冷間切断性と疲労特性に優れた冷間成形ばね用鋼線の製造方法。
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