JP2014136810A - 疲労特性に優れたSiキルド鋼線材、およびそれを用いたばね - Google Patents
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Abstract
【解決手段】所定の化学成分を含み、個数にして80%以上が所定のCaO−Al2O3−SiO2系介在物を含むSiキルド鋼において、下記(3A)を満足するMnO−Al2O3−SiO2系介在物の平均組成が下記(3B)を満足するものである。
(3A)CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、MnO+Al2O3+SiO2≧80%、MnO>CaO
(3B)CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、MnO:10〜70%、Al2O3:3〜50%、SiO2:20〜75%
【選択図】なし
Description
鋼線材中に存在する酸化物系介在物について、個数にして80%以上が、下記(1A)及び(1B)の組成を満足するCaO−Al2O3−SiO2系介在物を含むSiキルド鋼において、
(1A)CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO≧85%
(1B)CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、MgO+MnO≦15%、CaO>MnO
前記CaO−Al2O3−SiO2系介在物の平均組成が下記(2)を満足し、
(2)CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、CaO:10〜60%、Al2O3:3〜40%、SiO2:30%以上、85%未満
且つ、
下記(3A)を満足するMnO−Al2O3−SiO2系介在物の平均組成が下記(3B)を満足するところに要旨を有するものである。
(3A)CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、MnO+Al2O3+SiO2≧80%、MnO>CaO
(3B)CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、MnO:10〜70%、Al2O3:3〜50%、SiO2:20〜75%
本発明では、鋼線材に存在する酸化物系介在物を後記する方法で測定し、測定領域中の全酸化物系介在物の個数を測定したとき、個数にして80%以上(個数割合)が、下記(1A)及び(1B)を満足するCaO−Al2O3−SiO2系介在物であって、当該CaO−Al2O3−SiO2系介在物の平均組成が下記(2)を満足することを前提としている。
(1A)CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO≧85%
(1B)CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、MgO+MnO≦15%、CaO>MnO
(2)[CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO]を100%として規格化した場合、CaO:10〜60%、Al2O3:3〜40%、SiO2:30%以上、85%未満
(2)[CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO]を100%として規格化した場合、CaO:10〜60%、Al2O3:3〜40%、SiO2:30%以上、85%未満
CaOは、酸化物系介在物を鋼線材の熱延工程で微細化し易い軟質のものにするうえで必須の成分である。CaO−Al2O3−SiO2系介在物中のCaO含量が不足すると、高SiO2系やSiO2・Al2O3系の硬質介在物となって熱延工程で微細化し難く、疲労特性や伸線加工性を劣化させる大きな原因になる。従って、CaO−Al2O3−SiO2系介在物中のCaO含量は少なくとも10%以上であり、好ましくは20%以上、より好ましくは25%以上である。しかし、CaO−Al2O3−SiO2系介在物中のCaO含量が多くなり過ぎると、該介在物の熱間変形能が低下すると共に、硬質の高CaO系介在物が生成して破壊の起点になる恐れが生じてくるので、CaO含量の上限を60%以下とする。好ましくは55%以下、より好ましくは50%以下である。
Al2O3は、酸化物系介在物を、より低融点で且つ軟質のものにするのに有用な成分である。上記作用を有効に発揮させるため、CaO−Al2O3−SiO2系介在物中のAl2O3含量を3%以上とする。好ましくは5%以上、より好ましくは15%以上である。しかし、CaO−Al2O3−SiO2系介在物中のAl2O3含量が多過ぎると、硬質で微細化し難いアルミナ系介在物となり、やはり熱延工程で微細化し難いものになって破壊や折損の起点となるので、その上限を40%以下とする。好ましくは35%以下、より好ましくは30%以下である。
SiO2は、上述したCaOおよびAl2O3と共に、低融点で軟質の酸化物系介在物を生成させる上で必須の成分である。CaO−Al2O3−SiO2系介在物中のSiO2含量が30%未満では、当該介在物がCaOやAl2O3を主体とする硬質の介在物となり、破壊の起点となるため、その下限を30%以上とする。好ましくは35%以上、より好ましくは40%以上である。しかし、CaO−Al2O3−SiO2系介在物中のSiO2含量が多過ぎると、酸化物系介在物がSiO2を主体とする高融点で且つ硬質の介在物になり、断線や破壊の起点になる可能性が高まる。このような傾向は、SiO2含量が85%以上になると極めて顕著に表われるので、CaO−Al2O3−SiO2系介在物中のSiO2含量は85%未満とする。好ましくは70%以下、より好ましくは65%以下である。
次に、本発明を特徴付けるMnO−Al2O3−SiO2系介在物について説明する。前述したように、MnO−Al2O3−SiO2系介在物は、溶鋼をMn、Siなどで脱酸する際に生成する介在物(脱酸工程の初期に生成する介在物)であり、従来は、これらをCaO−Al2O3−SiO2系に制御することに主眼が置かれていたため、それ以前のMnO−Al2O3−SiO2系介在物の組成に関する検討は、殆どなされていなかった。結局のところ、CaO−Al2O3−SiO2系に制御すればよいと考えられていたためである。これに対し、本発明では、適切な溶鋼処理によって、CaO−Al2O3−SiO2系に制御する前の段階で、MnO−Al2O3−SiO2系介在物の平均組成も適切に制御しているため、その結果、熱間圧延中に延伸しにくい介在物の存在確率がより低くなり、疲労特性が格段に向上するようになった(後記する実施例を参照)。
(3A)CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、MnO+Al2O3+SiO2≧80%、MnO>CaO
(3B)MnO−Al2O3−SiO2系介在物の平均組成は、CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、MnO:10〜70%、Al2O3:3〜50%、SiO2:20〜75%
Cは、所定の強度を確保するために必要な元素であり、このような特性を有効に発揮させるためには、Cの含有量は0.2%以上とすることが好ましい。より好ましくは0.4%以上である。但し、C含有量が過剰になると鋼材が脆化し、実用的でなくなるので、その上限を1.2%以下とする。C量の好ましい上限は0.8%以下である。
Siは、鋼線材の高強度化、および疲労特性の向上に寄与する重要な元素である。更に、軟化抵抗を高め、耐へたり性の向上にも有用な元素である。さらに、MnO−SiO2系介在物組成を、疲労特性向上に適したMnO−Al2O3−SiO2系介在物に制御するためにも必須の元素である。このような作用を有効に発揮させるため、Si含有量を0.2%以上とする。好ましいSi含有量は、1.2%以上であり、より好ましくは1.8%以上である。しかしながら、Si含有量が過剰になると、凝固中に純粋なSiO2が生成する恐れがあり、表面脱炭や表面疵が増加して疲労特性が低下する場合があるため、Si量の上限を3%以下とする。好ましくは2.5%以下であり、より好ましくは2.3%以下である。
Mnは、脱酸剤として作用するほか、焼入れ性を高めて強度向上にも寄与する元素である。このような作用を有効に発揮させるため、Mn含有量の下限を0.1%以上とする。好ましくは0.4%以上であり、より好ましくは0.45%以上である。但し、Mn量が過剰になると、靭性や延性が悪くなるため、その上限を2%以下とする。好ましくは1.3%以下であり、より好ましくは1%以下である。
Crは、固溶強化により鋼材のマトリックス強度を向上させる元素である。さらにCrは、Mnと同様に、焼入性向上にも有効に作用する。しかしCrが過剰であると鋼材が脆化しやすくなって介在物の感受性が増大するため、疲労特性が劣化する。そこでCr量の上限を3%とすることが好ましい。Crは0.1%以上含有させることがより好ましく、更に好ましくは0.5%以上、更により好ましくは0.9%以上である。またCr量の、より好ましい上限は2%以下、更に好ましくは1.8%以下、更により好ましくは1.5%以下である。
Niは、線材製造時の熱間圧延やばね製造時の熱処理の際に生ずるフェライト脱炭を抑制するのに有効な元素であり、必要に応じて線材中に含有させても良い。またNiは、焼入・焼戻し後のばねの靱性を高める作用を有する。好ましいNi量の下限は、0.05%以上、より好ましくは0.1%以上、更に好ましくは0.25%以上である。一方、Ni量が過剰になると、焼入・焼戻し処理で残留オーステナイト量が増大し、引張強さが低下する。そこでNi量の好ましい上限を0.5%以下(より好ましくは0.4%以下、更に好ましくは0.3%以下)とする。
Vは、炭素や窒素等と結合して微細な炭化物や窒化物等を形成し、耐水素脆性や疲労特性を高めるだけでなく、さらには結晶粒微細化効果を発揮して、靱性、耐力、耐へたり性の向上にも寄与する元素であり、必要に応じて線材中に含有させても良い。好ましいV量の下限は、0.07%以上、より好ましくは0.10%以上である。しかし、V量が過剰になると、焼入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、充分な強度や硬さが得られ難くなるだけでなく、窒化物の粗大化を招き、疲労折損が生じ易くなる。またV量が過剰になると、残留オーステナイト量が増加し、得られるばねの硬さが低下する。そこで、V量の好ましい上限を0.5%以下(より好ましくは0.4%以下)とする。
Tiは、焼入・焼戻し後の旧オーステナイト結晶粒を微細化し、大気耐久性および耐水素脆性を向上させる元素である。しかしTi量が過剰になると、粗大な窒化物が析出しやすくなり、疲労特性に悪影響を及ぼす。そこでTi量の好ましい上限を、0.1%以下とする。より好ましいTi量は0.01%以下であり、更に好ましくは0.005%以下である。
転炉から出鋼される溶鋼を模擬して溶製した500kgの溶鋼中に、表1に示す種々の合金成分を添加した後、CaO含有スラグを添加して溶鋼処理(スラグ精錬)を実施した。このとき、脱酸生成物(MnO−SiO2系、MnO−Al2O3−SiO2系の介在物)の組成は、全ての合金成分を添加した後、スラグ精錬開始までの時間を変化させることによって変化させた(表2を参照)。また、CaO−Al2O3−SiO2系介在物の組成は、表2に示すようにスラグ塩基度を制御することによって変化させた(表2を参照)。
以下の成分については、下記方法で測定した。
C:燃焼赤外線吸収法
Si、Mn、Ni、Cr、V、Ti:ICP発光分光分析法(島津製作所製のICPV−1017)
Al、Mg、Zr、REM、Mo、Co、Nb、Cu、W、Ba、Li:ICP質量分析法(セイコーインスツルメント社製の型式 SPQ8000のICP質量分析装置)
Ca:フレームレス原子吸光分析法
O:不活性ガス融解法
各線材の縦断面(=L断面;軸心を含む断面であり、観察面積は約50000mm2)に存在する短径1.5μm以上の介在物の組成を、以下の方法で測定した。
EPMA装置:JXA−8621MX(日本電子株式会社製)
分析装置(EDS):TN−5500(Tracor Northern社製)
加速電圧:20kV
走査電流:5nA
測定方法:エネルギー分散分析で定量分析(粒子全域を測定)
各線材(直径:8.0mm)について、皮削り(直径:7.4mm)→パテンティング→冷間線引き加工(直径:4mm)→オイルテンパー[油焼入れと鉛浴(約450℃)焼戻しの連続工程]にて直径4.0mm×650mmのワイヤを作製した。
折損率(%)
=[介在物折損数/(介在物折損数+所定回数に達して中止した数)]×100
Claims (7)
- C:1.2%以下(0%を含まない、「%」は特に断らない限り、質量%を意味する。以下同じ)、
Si:0.2〜3%、
Mn:0.1〜2%
を含有し、
残部:鉄および不可避不純物であり、
鋼線材中に存在する酸化物系介在物について、個数にして80%以上が、下記(1A)及び(1B)の組成を満足するCaO−Al2O3−SiO2系介在物を含むSiキルド鋼において、
(1A)CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO≧85%
(1B)CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、MgO+MnO≦15%、CaO>MnO
前記CaO−Al2O3−SiO2系介在物の平均組成が下記(2)を満足し、
(2)CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、CaO:10〜60%、Al2O3:3〜40%、SiO2:30%以上、85%未満
且つ、
下記(3A)を満足するMnO−Al2O3−SiO2系介在物の平均組成が下記(3B)を満足することを特徴とする疲労特性に優れたSiキルド鋼線材。
(3A)CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、MnO+Al2O3+SiO2≧80%、MnO>CaO
(3B)CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、MnO:10〜70%、Al2O3:3〜50%、SiO2:20〜75% - 鋼中成分について、更に、Cr:3%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1に記載のSiキルド鋼線材。
- 鋼中成分について、更に、Ni:0.5%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1または2に記載のSiキルド鋼線材。
- 鋼中成分について、更に、V:0.5%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1〜3のいずれかに記載のSiキルド鋼線材。
- 鋼中成分について、更に、Ti:0.1%以下(0%を含まない)を含有するものである請求項1〜4のいずれかに記載のSiキルド鋼線材。
- 鋼中成分について、更に、Zr:0.1%以下(0%を含まない)、Cu:0.7%以下(0%を含まない)、Nb:0.5%以下(0%を含まない)、Mo:0.5%以下(0%を含まない)、Co:0.5%以下(0%を含まない)、W:0.5%以下(0%を含まない)、B:0.005%以下(0%を含まない)、アルカリ金属:0.002%以下(0%を含まない)、REM:0.01%以下(0%を含まない)、Ba:0.01%以下(0%を含まない)、Sr:0.01%以下(0%を含まない)よりなる群から選択される1種以上を含有するものである請求項1〜5のいずれかに記載のSiキルド鋼線材。
- 請求項1〜6のいずれかに記載のSiキルド鋼線材から得られたばね。
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