JP2012518723A - 特にバネ部材用の、圧延により集合組織形成された帯鋼としてのマイクロ合金化された炭素鋼 - Google Patents

Abstract

本発明は、Ｃ ０．６３〜０．８５％、Ｓｉ 最大０．４０％、Ｍｎ ０．２０〜０．９０％、Ｐ 最大０．０３５％、Ｓ 最大０．０３５％、Ａｌ 最大０．０６０％、Ｃｒ 最大０．４０％、Ｎ ０．００３〜０．０１０％、好ましくは０．００５〜０．００８％、最大０．１２％の含有量を有する、少なくとも１つのマイクロ合金化元素、鉄及び製錬による不純物（質量％で示す）からなる残部を有する、冷間圧延された炭素鋼に関する。マイクロ合金化元素として、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ及び場合によりＺｒを使用することができる。この種の炭素鋼は、高い冷間圧延比で、冷間圧延して、圧延により集合組織形成された帯鋼にされ、この種の炭素鋼は、特に巻き上げバネ又はバネ特性を有するその他の部材のための材料として使用される。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の、特にバネ用の、圧延により集合組織形成された帯鋼としての炭素鋼に関する。

帯鋼は、工業的使用範囲においてバネ材料の製造のために、特に巻き上げ可能なバネの製造のために頻繁に使用される。この種のバネは、例えば、自動車安全ベルトにおいて、巻き取り可能な巻き尺用の材料として、ケーブル巻き上げ機又は犬用リードの巻き上げ部材として及び多くの他の用途で使用される。

先行技術において、この種の巻き上げバネの製造は、ワイヤ又は帯材の製品から出発して、マルテンサイトベースの帯鋼の慣用の熱処理によるか又は等温変態により微細な縞状のパーライト構造にし、引き続き冷間加工することにより行われる（いわゆる圧延による集合組織形成された帯鋼）。このためには、一般的な合金化されていない鋼が使用される。圧延により集合組織形成された帯鋼（texturgewalztem Bandstahl）とは、この場合に、最終状態で明らかに特徴的な集合組織、つまり結晶方位を有する全ての帯鋼及び特にバネ用帯鋼であると解釈される。この結晶方位は、バネ特性の改善に作用し、かつ腐食による破壊の危険性又は結晶方位に対して横方向の機械的損傷による破壊の危険性の低減に作用する。通常では、この種の集合組織は、中間焼き鈍しなしでの圧延又は引き抜きによる材料の著しい冷間加工によって製造される。

予備圧延された帯材（例えば１．５ｍｍの厚さ）を、連続的に作業する熱処理装置中でまず約８５０℃でオーステナイト化（炭素は溶液の形でもたらす）し、次いで鉛浴中で約４５０〜５００℃で焼き入れし、等温変態が完全に行われるまでそこで保持する。この場合に生じる微細層状パーライト構造は、英国の発明者によると、ソルバイト又はパテンティング構造（Patentiergefuege）といわれる。良好なパテンティング構造は、約０．１μｍの層間隔を有する。このパテンティング強度は、ソルバイトがより微小の縞状になりかつセメンタイト層の間隔が小さくなればそれだけ、高くなる。

引き続き、主に逆方向に実施される冷間圧延の際に、パーライトのフェライト層中でも、セメンタイト層中でも、かなりの変形が生じる。これらの層が圧延方向に対して平行に配置されている組織領域では、この変形の結果として、層間隔が減少する。それに対して、圧延方向に対して垂直方向にある組織領域中では、この層はまず波状に曲がり、より高い形状変化の際にヘアピン状に湾曲する。この方法では、屈曲箇所を除いて、全ての構造領域が圧延方向に対して平行に配置する限り、純粋な繊維構造が存在する。

この煩雑でかつ複雑な仕上げプロセスは、金属学的に次のように説明することができる。鋼は変形の際に制限を受ける、それというのもこの鋼は個々の結晶粒において破壊されずに全体として変形しなければならないためである。それにより、結晶粒界に沿った結束を可能にするために、各結晶粒はこの変形に関与しなければならず、各結晶粒はこの変形を、隣接する結晶粒と合わせなければならない。帯鋼の結晶粒は、もちろん、多様な方位を有している。この結晶粒は圧延プロセスによって外部応力にさらされる場合に、好ましい方位のすべり系、つまりいわゆる高いシュミット因子（Schmidfaktor）（外部からかけられた引っ張り応力及び圧縮応力σとすべり面中で作用する剪断応力τとの間の換算係数）を有する結晶粒は既に変形されるが、他の、あまり好ましくない方位の結晶粒は臨界剪断応力にまだ達成しない。個々の結晶粒の変形は、つまり、塑性変形しない周囲と区別されない形状変化を生じる。この形状変形は弾性的に抑え付けられ、このことは高い内部応力を生じることができ、それにより最終的に隣接する結晶粒中での臨界剪断応力に到達する。帯鋼の全ての結晶粒が塑性変形されると初めて、この材料の圧延限界が到達される。

冷間圧延による上述の強度を向上させるメカニズムの他に、さらにいわゆる固溶体強化による強度の向上を利用することができる。これは合金原子と転位との相乗効果の結果であり、この転位は相乗効果の抑制を引き起こす。異種原子の転位への作用は、この場合に３通りで生じることができる：
・ 一次相互作用（Parelastische Wechselwirkung）：この格子パラメータ効果は、異種原子の、母体原子と比べて異なる原子の大きさにより生じ、この異種原子の組込が結晶格子中で応力を引き起こす。

・ 二次相互作用（Dielastische Wechselwirkung）：この剪断弾性係数効果は、この相互作用を、転位のエネルギーが剪断弾性係数Ｇに比例することに根拠付けられる。

・ 化学的相互作用：このスズキ効果とも言われるメカニズムは、積層欠陥のエネルギーが組成に依存するという事実に基づいている。

組織工学的な影響の大きさの他に、ここで重要な薄壁の圧延鋼の特性は、表面トポグラフィーからも重大な影響を受ける。幾何学的に理想的な、つまり完全に平坦な表面は、慣用の工業的手段により達成することはできず、むしろ個々の形が異なる特定の重なり（ラフネス及び波状深さ）を有する工業的表面が生じる。冷間圧延は、（平らな形状変化状態の）拘束変形である。この場合、スケール除去され、酸洗いした熱い帯材の配向されていない表面は、通過数の増加と共に、ロールと被加工物との相対運動により、集合組織を有する帯材に配向される。

特別な構造でのロール通過が鋼の表面を平らにする。この粗さの低減率は、製品に依存して６０〜９０％である。この低減率は、出口の粗さ、ロールの粗さ、並びに材料の変形抵抗に依存する。通過数の増加と共に、表面粗さは、限界値に近づく。要求されるトポグラフィーの調節のための変化パラメータは、特にロール間隔形状、圧力分布、圧延速度、帯材テンションしに依存する。変形工具としての作業ロールは、この場合、帯材表面に決定的に影響を及ぼす。この表面プロフィールは、ロール再研磨により変化する。新たに取り付けられるロールの研磨輪郭は、円滑に処理され、特に始めは平坦化に集中され、次いで漸近的に所定の限界値に達する。

上記に述べた製造パラメータを留意しながら製造したバネ用帯鋼は、極めて高い負荷サイクル数でも優れたバネ特性を達成することができる。この材料は、従って、上述の特別な適用のために、広く普及している。

しかしながら、巻き取りバネ用のバネ材料の場合には、最も高い負荷領域で極めて僅かな帯材厚さでなければならず、例えば犬用リードの巻き取りバネの製造の場合には、典型的に０．１０〜０．１９ｍｍの帯材厚さの厚さ範囲で、生じる組織において生成される組織成分は、約２０μｍ以下で、従ってバネ用帯鋼の帯材厚さの約１／５未満でなければならないことが判明した。比較的大きな成分又は含有物の場合に、この含有物又は組織成分に関してノッチ効果が生じることがあり、このノッチ効果はこの帯鋼の破壊を引き起こしかねない。この種の微細粒の組織の保証は、相応するバネ材料の上記の慣用の製造の場合に、要求される帯材の厚さで問題含みで保証しなければならない。

従って、本発明の課題は、極めて僅かな帯材の厚さでも、粗すぎる組織成分に基づくノッチ効果による亀裂形成の確実な回避を保証し、かつ公知の圧延により集合組織形成された帯鋼と比較して材料特性を悪化させることなく、それどころか場合により改善される、冷間圧延により集合組織形成された帯鋼を開発することである。

この本発明による課題の解決は、上位概念の特徴との相互作用で請求項１の特徴から生じる。本発明の他の有利な実施態様は従属請求項から生じる。

本発明は、
Ｃ ０．６３〜０．８５％
Ｓｉ 最大０．４０％
Ｍｎ ０．２０〜０．９０％
Ｐ 最大０．０３５％
Ｓ 最大０．０３５％
Ａｌ 最大０．０６０％
Ｃｒ 最大０．４０％
Ｎ ０．００３〜０．０１０％、好ましくは０．００５〜０．００８％
最大０．１２％の含有量を有する、少なくとも１つのマイクロ合金化元素
残部 鉄及び製錬による不純物
（質量％で示す）を有する、冷間圧延された炭素鋼に関する。

帯材の厚さに依存する硬化曲線が、一方で冷間圧延された帯鋼について、他方では冷間圧延されかつ焼き戻した帯鋼について、定性的にプロットされている図を表す。

少なくとも１種のマイクロ合金化元素により、組織の微細化が達成され、この微細化は組織中の欠陥の発生を確実に抑制し、この微細化は、特に薄いバネ用帯材のために使用する場合にノッチ効果を抑制し、同時に強度の向上及び達成可能な伸び率の改善、ひいてはこの材料の変形性が達成される。マイクロ合金化元素として、チタンＴｉ、ニオブＮｂ又はバナジウムＶ、場合によりジルコニウムＺｒを単独で又はこれらの組合せを挙げることができ、この場合この合金割合の上限は、微細に分配された炭化物及び窒化物の結合の必要性から生じ、この合金割合の下限は、設定される時効硬化から生じる。上記の好ましい組織形成を達成するために、このマイクロ合金化元素の全体割合は、炭素鋼の０．０２〜０．１２質量％にあるのが好ましいことを、試験が明らかにした。

熱間圧延された鋼の製造の場合に、生じる構造の結晶粒度の低減を生じさせる合金成分を添加することは、既に公知である。ここでは、熱間圧延及び引き続き冷却される鋼に微細粒構造を形成させるマイクロ合金化元素が添加される。この熱間圧延は、それに対して、より大きな板材の厚さのための加工法であり、例えば２５０ｍｍから約１ｍｍに至るまでの板材の厚さの範囲内の加工法である。より薄い板材の厚さは、一般に熱間圧延を用いて製造することはできない、それというのもより薄い板材は、個々のロール出口の間で、一般に７２０℃を上回る熱間圧延温度に確実には保持できないためである。この種のマイクロ合金化される熱間圧延鋼を使用することは、従って比較的大きな厚さ寸法を有する鋼製品に限定される。冷間圧延された鋼の組織に対して、熱間圧延された鋼の組織の広範囲で異なる変形特性により、及び熱間圧延された鋼の加熱及び冷却の際により高い熱活性化に基づき生じる組織変化により、熱間圧延のためのこの種のマイクロ合金化された鋼は、この本発明による要求のために、特に上記の要求されたノッチ効果に関して並びに必要とされた表面特性に関して、利用することはできない。その代わりに、意外にも、本発明により構成された鋼は、生じる微細層状のパーライト組織（ソルバイト）で、特に冷間圧延について、強度の向上並びに達成可能な伸び率の改善及びそれによる材料の変形性に関する要求を満たし、かつこの鋼から製造されたバネ部材の達成可能な負荷サイクル数に関する使用特性及び必要とされる表面品質を模範的に満たすことが判明した。必要とされる厚さ寸法でのこの特性は正に、本発明による組織の微細化により、品質的にも特に良好でかつ経済的な方法で達成することができる。

この圧延により集合組織形成された鋼の最終強度は、熱処理強度及び変形硬化の和から定義される。最大０．１２質量％までの含有量のマイクロ合金化元素の合金含有量は、この場合、析出及び結晶粒微細化により、強度及び剛性を向上させ、ひいてはこれから製造されたバネの機能様式及び寿命を改善するか、又は向上させ、特に負荷サイクルの向上を可能にする。

この化学的分析は、基本的に、既に今日でも基準化されかつ信頼されている鋼品質、例えばＣ６０Ｓ〜Ｃ８０Ｓ等の鋼品質に相当することができるが、マイクロ合金化成分としてバナジウム、ニオブ又はチタンの添加下で、場合によりジルコニウムも、個別に又は合計で添加されている。

バナジウムは、ニオブ及びチタンと同じように、微細に分配された窒化物、炭化物又は炭窒化物を結晶粒中で又は結晶粒界（最も効果的な粒子間隔：５〜１０ｎｍ）で形成する。バナジウムはγ−領域で溶解可能であり、時効硬化及び結晶粒微細化に有効である。

さらに、組織成分の望ましい方位を達成するために、６０％〜９０％の冷間圧延比で炭素鋼を冷間圧延工程にかける場合が有利である。

この種の炭素鋼は、好ましくは、圧延により集合組織形成されたバネ用の帯鋼のための材料として、自動車安全ベルトのための巻き上げ部材、巻き取り可能な巻き尺のための巻き上げ部材、ケーブル巻き上げ機のための巻き上げ部材、又は犬用リードの巻き上げ部材の製造のため、並びに多様な他の半製品及び完成品の製造のために利用することができる。

図１には、本発明による炭素鋼の例示的な組成について、帯材の厚さに依存する硬化曲線が、一方で冷間圧延された帯鋼について、他方では冷間圧延されかつ焼き戻した帯鋼について、定性的にプロットされている。認識できるように、この材料の強度は、冷間圧延度が増大すると共に向上し、０．１ｍｍの帯材の厚さの範囲内で、約２４５０Ｎ／ｍｍ²の範囲にある。

Claims (9)

1. Ｃ ０．６３〜０．８５％
   Ｓｉ 最大０．４０％
   Ｍｎ ０．２０〜０．９０％
   Ｐ 最大０．０３５％
   Ｓ 最大０．０３５％
   Ａｌ 最大０．０６０％
   Ｃｒ 最大０．４０％
   Ｎ ０．００３〜０．０１０％、好ましくは０．００５〜０．００８％
   最大０．１２％の含有量を有する、少なくとも１つのマイクロ合金化元素
   残部 鉄及び製錬による不純物
   （質量％で示す）を有する、冷間圧延された炭素鋼、特に炭素鋼Ｃ８０又はＣ８０Ｓ。
2. マイクロ合金化元素として（質量％で示して）、チタンＴｉ ０．０２〜０．１２％、好ましくは０．０５〜０．１０％を含有することを特徴とする、請求項１記載の炭素鋼。
3. マイクロ合金化元素として（質量％で示して）、ニオブＮｂ ０．０２〜０．１２％、好ましくは０．０５〜０．１０％を含有することを特徴とする、請求項１記載の炭素鋼。
4. マイクロ合金化元素として（質量％で示して）、バナジウムＶ ０．０２〜０．１２％、好ましくは０．０８〜０．１０％を含有することを特徴とする、請求項１記載の炭素鋼。
5. マイクロ合金化元素として（質量％で示して）、ジルコニウムＺｒ ０．０２〜０．１２％、好ましくは０．０８〜０．１０％を含有することを特徴とする、請求項１記載の炭素鋼。
6. 前記マイクロ合金化元素のＴｉ、Ｎｂ、Ｖ又はＺｒの１つより多くを、０．０２〜０．１２％の全体割合で含有していることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の炭素鋼。
7. 前記炭素鋼は、冷間圧延後に、２４００〜３０００ＭＰａの範囲内の引っ張り強度を有することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の炭素鋼。
8. 請求項１から７までのいずれか１項記載の圧延により集合組織形成されたバネ用帯鋼の製造方法において、６０％〜９９％の冷間圧延比での冷間圧延工程を特徴とする、バネ用帯鋼の製造方法。
9. 自動車安全ベルト用の、巻き取り可能な巻き尺のための、ケーブル巻き上げ機の巻き上げ部材の製造のため、又は犬用リードの巻き上げ部材の製造のための、集合組織形成されたバネ用帯鋼用の材料としての、請求項１から７までのいずれか１項記載の炭素鋼の使用。

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