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

【課題】疲労特性に一層優れたSiキルド鋼線材およびばねを提供する。
【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−Al23−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−Al23−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+Al23+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、MnO+Al23+SiO2≧80%、MnO>CaO
(3B)CaO+Al23+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、MnO:10〜70%、Al23:3〜50%、SiO2:20〜75%
【選択図】なし

Description

本発明は、疲労特性に優れたSiキルド鋼線材および当該Siキルド鋼線材から得られたばねに関するものである。本発明のSiキルド鋼線材は、高い疲労特性が要求される加工品、例えば、自動車のエンジンやサスペンションなどに用いられる弁ばね、クラッチばね、ブレーキばね、懸架ばねなどのばね類;スチールコードなどの鋼線類などの素材として有用であり、特にばね用鋼として極めて有用である。
自動車などの軽量化や高出力化の要望が高まるにつれ、弁ばねや懸架ばねなどのばね類には高い疲労特性が益々要求されており、その素材となるばね用鋼においても、疲労特性の更なる向上が求められている。とりわけ、弁ばね用鋼では疲労特性向上の要請は非常に強いものである。
高い疲労強度が要求されるばね用鋼では、鋼線材に存在して破壊起点となる非金属介在物を極力低減することが必要であり、当該非金属介在物の組成を適切に制御することにより、非金属介在物に起因する断線や疲労折損の発生を低減する技術が種々提案されている。
Al23系介在物は疲労特性に有害であるため、Siを用いて脱酸する所謂「Siキルド鋼」を用いて疲労特性を高める技術が提案されている。
例えば非特許文献1には、弁ばね用鋼では、介在物の組成をCaO−Al23−SiO2系やMnO−Al23−SiO2系の非晶質安定組成に制御することで熱間加工時の変形が促進され、疲労破壊の起点とはならず疲労特性が向上することが記載されている。
また、特許文献1には、Ca、Mg、La+Ceの少なくとも一種を20ppm以下の範囲で添加し、また非金属介在物の平均組成について、Al23−SiO2−MnO系に、MgOまたはCaOの少なくとも一種を含有させた技術が記載されている。
また、特許文献2および特許文献3には、長さ(l)と幅(d)の比(l/d)が5以下の非金属介在物の平均組成を適切に制御した高清浄度鋼が開示されている。このうち特許文献2には、所定量のSiO2およびMnOにCaOおよびMgOの少なくとも一種を含む介在物組成とすることによって有害な介在物を低減すると共に、介在物を低融点化することで熱延時の介在物断面積を低減(細長く伸ばす)する技術が開示されている。また、特許文献3には、CaO、MgO、Al23を、一定範囲のSiO2と共存させた介在物組成とすることによって介在物を低融点化し、熱延時の介在物断面積を低減すると共に、更に冷間加工時にそれらを破壊する技術が開示されている。
一方、特許文献4〜7は、本願出願人によって提案されたものである。このうち特許文献4には、酸化物を低融点組成に制御し、更に、これまで殆ど問題とされていなかった炭化物系、窒化物系および炭窒化物の析出物を起点とする疲労破壊の発生を抑えることを目的として、これら析出物の大きさを特定した技術が記載されている。特許文献5には、硬質で圧延時に変形しにくく、最終製品中に残存して折損の原因となり得るSiO2について、理論的にSiO2の生成しない組成に制御することで、圧延条件によらずSiO2の生成を格段に抑制できる技術が記載されている。特許文献6は、熱間圧延を受けた後の介在物の形態について検討したものであり、上記介在物中に微細な結晶を多数存在させることで、圧延時の介在物の分断が促進され、熱延時に従来以上に介在物を小型化させる技術が記載されている。また、特許文献7には、SiO2、Al23、CaO、MgO系介在物に、更に適量のLiO2、K2Oの1種以上を積極的に含む酸化物系介在物とすることによって高い延性を確保し、疲労特性や伸線加工性が飛躍的に改善された技術が記載されている。
特公平7−6037号公報 特公平6−74484号公報 特公平6−74485号公報 特許2898472号公報 特許4134204号公報 特許4347786号公報 特許4423050号公報
三村毅、182・183回西山記念講座「介在物制御と高清浄度鋼製造技術」、日本鉄鋼協会編、東京、2004年、p125
前述したように、弁ばねなどのばね類や、スチールコードなどに代表される極細鋼線などの分野では、疲労特性向上に対する要求特性は益々高くなっており、Siキルド鋼線材においても、更なる疲労特性の改善が求められている。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、疲労特性に一層優れたSiキルド鋼線材およびばねを提供することにある。
上記課題を解決し得た本発明のSiキルド鋼線材は、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−Al23−SiO2系介在物を含むSiキルド鋼において、
(1A)CaO+Al23+SiO2+MgO+MnO≧85%
(1B)CaO+Al23+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、MgO+MnO≦15%、CaO>MnO
前記CaO−Al23−SiO2系介在物の平均組成が下記(2)を満足し、
(2)CaO+Al23+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、CaO:10〜60%、Al23:3〜40%、SiO2:30%以上、85%未満
且つ、
下記(3A)を満足するMnO−Al23−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+Al23+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、MnO+Al23+SiO2≧80%、MnO>CaO
(3B)CaO+Al23+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、MnO:10〜70%、Al23:3〜50%、SiO2:20〜75%
上記鋼中成分は、更に、Cr:3%以下(0%を含まない)を含有することもできる。
上記鋼中成分は、更に、Ni:0.5%以下(0%を含まない)を含有することもできる。
上記鋼中成分は、更に、V:0.5%以下(0%を含まない)を含有することもできる。
上記鋼中成分は、更に、Ti:0.1%以下(0%を含まない)を含有することもできる。
上記鋼中成分は、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種以上を含有することもできる。
本発明には、上記のいずれかに記載のSiキルド鋼線材から得られたばねも包含される。
本発明では、溶鋼中に稀に残留するMnO−SiO2系、MnO−Al23−SiO2系の介在物が破壊起点となり得るとの知見に基づき、これらの介在物を、予め比較的無害な組成に制御しているため、より高い疲労特性を得ることができた。
本発明の特徴部分は、大部分の酸化物系介在物がCaO−Al23−SiO2系の適切な組成に制御されているSiキルド鋼線材において、脱酸工程の初期に生成する、MnO−SiO2系介在物についても、疲労特性向上に適した組成のMnO−Al23−SiO2系介在物となるように制御したところにある。本発明によれば、脱酸生成物であるMnO−SiO2系またはMnO−Al23−SiO2系の介在物を、従来のようなCaO−Al23−SiO2系介在物に制御するのみならず、その前の段階で、熱間加工時に延伸され易い組成のMnO−Al23−SiO2系介在物に制御しているため、CaO−Al23−SiO2に制御できない介在物が残留した場合にも、疲労特性の低下が抑制される。その結果、一層優れたSiキルド鋼線材が得られる(後記する実施例を参照)。
以下、本発明に到達した経緯を説明する。
前述した特許文献を含め従来では、脱酸生成物であるMnO−SiO2系およびMnO−Al23−SiO2系の介在物をCaO−Al23−SiO2、CaO−MgO−Al23−SiO2などの適切な組成に制御すること;更には、上記の介在物をより厳格に制御する、或いは、より適切な組成、形態に制御すること;更には、より適切な特性を持つ成分を添加することなどにより、上記介在物の延伸を促進し、疲労特性に優れたばね用鋼を提供する方法が提案されてきた。
これまでにも本発明者らは、数多くの疲労特性改善技術を提案してきたが、本発明では、これまで留意されなかった、CaO−Al23−SiO2に制御する前の脱酸生成物(MnO−SiO2系およびMnO−Al23−SiO2系)の組成制御に着目した。
疲労破壊は、鋼材のなかで最も弱い部分を起点として発生するため、極く稀にでも有害な介在物が存在すると疲労特性は著しく低下する。よって、CaO−Al23−SiO2系に制御し切れないMnO−Al23−SiO2系介在物が残留した場合に、それらが有害な組成であると、破壊起点となる場合がある。
本発明は、このような事情に鑑み検討して完成されたものであり、脱酸生成物として生成するMnO−SiO2系介在物あるいはMnO−Al23−SiO2系介在物を、CaO−Al23−SiO2系介在物に制御するだけではなく、予め熱間加工時に延伸し微細化し易い組成に制御することで、破壊起点となる介在物が鋼中に残留する可能性をさらに低減し、疲労特性の更なる向上を図ったところに技術的意義を有するものである。
すなわち、本発明は、脱酸生成物(MnO−SiO2系介在物、MnO−Al23−SiO2系介在物)をCaO−Al23−SiO2系介在物に制御して疲労特性を改善する技術において、MnO−SiO2系またはMnO−Al23−SiO2系の介在物が残留する場合を想定して開発された技術である。よって、本発明は、上記の介在物が残留する可能性がある全ての態様に適用され得るが、上記の介在物が残留せず鋼材中に上記の介在物を全く含まない態様には適用されない。また、MnO−Al23−SiO2系介在物が残留する場合、その個数はCaO−Al23−SiO2系介在物よりも遥かに少なく、おおむね、CaO−Al23−SiO2系介在物の3%以下である。
本発明のようにCaO−Al23−SiO2系介在物のみならずMnO−Al23−SiO2系介在物の平均組成をも適切に制御された鋼線材を得るためには、例えば、熱間加工時に延伸され難い有害なMnO−SiO2系介在物などがすべて、熱間加工時に延伸し微細化し易いMnO−Al23−SiO2系の介在物に変化するまでの時間を確保する方法が有効である。具体的には例えば、後記する実施例に示すように、Mn、Siなどの合金成分投入後、CaO含有スラグを用いたスラグ精錬開始までの時間(MnO−Al23−SiO2系介在物に変化するまでの保持時間)を充分確保する方法が挙げられる。その後、CaO含有スラグを用いたスラグ精錬を行なうことにより、疲労特性向上に有用な組成のCaO−Al23−SiO2系介在物が得られ、CaO−Al23−SiO2系に制御されずに残留する介在物が存在した場合にも、残留する介在物は熱延時に延伸しやすく比較的有害度の低いものとなり、疲労特性に一層優れたSiキルド鋼線材が得られる。
以下、本発明のSiキルド鋼線材を構成する各介在物について詳しく説明する。
本明細書において、酸化物系介在物とは、当該介在物中に含まれるSおよびNの濃度がそれぞれ2%以下である介在物を意味する。また、上記の各介在物を構成する酸化物の各含有量[以下に詳述する(1B)、(2)、(3A)、(3B)]、または2種若しくは3種の酸化物の合計量[以下に詳述する(1B)、(3A)]の算出に当たっては、いずれの場合も、CaO+Al23+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合の数値を意味する。
これに対し、CaO−Al23−SiO2系介在物を定義する(1A)の含有率の算出に当たっては、介在物中に存在する上記5種の酸化物(CaO、Al23、SiO2、MgO、MnO)の他、不可避的に存在するTiO2などの他の酸化物種も含めた全酸化物質量に対する比率を意味する。
また、本明細書において、「鋼線材」とは、熱間圧延後の鋼線材だけでなく、その後に伸線(冷間引き抜き)を施した鋼線をも含む趣旨である。すなわち、熱間圧延後、伸線を施した鋼線であって、本発明の上記要件を満足するものも本発明の鋼線材に包含される。
まず、本発明を特徴付ける酸化物系介在物について説明する。
本発明のSiキルド鋼線材は、鋼線材中に、(1A)及び(1B)を満足するCaO−Al23−SiO2系介在物が個数にして80%以上存在し、当該CaO−Al23−SiO2系介在物の平均組成が(2)の要件を満たすと共に、(3A)を満足するMnO−Al23−SiO2系介在物の平均組成が(3B)を満たすものである。
詳細には、本発明のSiキルド鋼線材は、疲労特性向上に適するように、まずCaO−Al23−SiO2系介在物が適切に制御されていることを前提にしている。そして本発明では、その前提の下、(3A)を満足するMnO−Al23−SiO2系介在物の平均組成が(3B)の要件を満足するように構成されているところに特徴がある。
[CaO−Al23−SiO2系介在物について]
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−Al23−SiO2系介在物であって、当該CaO−Al23−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+Al23+SiO2+MgO+MnO≧85%
(1B)CaO+Al23+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、MgO+MnO≦15%、CaO>MnO
(2)[CaO+Al23+SiO2+MgO+MnO]を100%として規格化した場合、CaO:10〜60%、Al23:3〜40%、SiO2:30%以上、85%未満
このような組成とすることによって疲労特性が向上することは既に知られているが、以下、各要件について説明する。
まず、上記(1A)について説明する。上記(1A)の左辺:CaO+Al23+SiO2+MgO+MnOは、介在物中に存在する上記5種の酸化物(CaOなど)の他、不可避的に存在するTiO2などの他の酸化物種も含めた全酸化物質量に対する含有率を意味する。
更に上記(1B)では、[CaO+Al23+SiO2+MgO+MnO]を100%として規格化した場合における、[MgO+MnO]の含有率を15%以下とする。なお、上記(1B)において「CaO>MnO」を規定したのは、後記するMnO−Al23−SiO2系介在物と明確に区別するためである。
上記(1A)および(1B)で定義されるCaO−Al23−SiO2系介在物は、鋼線材の測定領域中に存在する全酸化物のうち、個数にして(個数割合)80%以上を占めるものである。
更に、上記の要件を満足するCaO−Al23−SiO2系介在物の平均組成は下記(2)の要件を満足する。これにより、疲労特性向上に適した組成のCaO−Al23−SiO2系介在物となる。
(2)[CaO+Al23+SiO2+MgO+MnO]を100%として規格化した場合、CaO:10〜60%、Al23:3〜40%、SiO2:30%以上、85%未満
(2−1)CaO:10〜60%
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−Al23−SiO2系介在物中のCaO含量が不足すると、高SiO2系やSiO2・Al23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−Al23−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−Al23−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。
(2−2)Al23:3〜40%
Al23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−Al23−SiO2系介在物中のAl23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−Al23−SiO2系介在物中のAl23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。
(2−3)SiO2:30%以上、85%未満
SiO2は、上述したCaOおよびAl23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−Al23−SiO2系介在物中のSiO2含量が30%未満では、当該介在物がCaOやAl23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−Al23−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−Al23−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。
[MnO−Al23−SiO2系介在物について]
次に、本発明を特徴付けるMnO−Al23−SiO2系介在物について説明する。前述したように、MnO−Al23−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−Al23−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−Al23−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−Al23−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−Al23−SiO2系に制御する前の段階で、MnO−Al23−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)。
詳細には、本明細書におけるMnO−Al23−SiO2系介在物は、下記(3A)で定義されるものであるが、本発明では、当該MnO−Al23−SiO2系介在物の平均組成が、下記(3B)の要件を満足するものである。ここで、(3A)中の「MnO>CaO」は、前述したCaO−Al23−SiO2系介在物と区別するため、規定したものである。
(3A)CaO+Al23+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、MnO+Al23+SiO2≧80%、MnO>CaO
(3B)MnO−Al23−SiO2系介在物の平均組成は、CaO+Al23+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、MnO:10〜70%、Al23:3〜50%、SiO2:20〜75%
上記(3B)において規定されているMnO−Al23−SiO2系介在物の組成は、熱間加工時の延伸性が得られる組成を規定したものであり、この組成に制御することにより、熱間加工時に疲労破壊とならない大きさまで延伸される。上記範囲を外れた場合、熱間加工において十分に延伸されず粗大なまま残留し、破壊起点となって疲労特性を低下させる恐れがある。なお、MnO−Al23−SiO2系介在物には、更にCaO、MgOなどが含まれていても構わない。
具体的には、SiO2は、介在物を非晶質にするために必須の成分である。さらに、MnOおよびAl23を適切に含ませることによって、熱間加工時に延伸されやすい組成となる。このような効果を発揮させるため、SiO2含有量は20%以上、75%以下、MnOの含有量は10%以上、70%以下、Al23の含有量は3%以上、50%以下とする。これらの組成範囲を外れると、いずれかの成分濃度が高くなり、熱間加工時に延伸されにくくなって破壊の起点になる恐れが高まる。SiO2含有量について、好ましい下限は30%以上、より好ましくは35%以上であり、好ましい上限は70%以下、より好ましくは65%以下である。また、Al23含有量について、好ましい下限は5%以上、より好ましくは10%以上であり、好ましい上限は30%以下である。また、MnO含有量について、好ましい下限は20%以上、好ましい上限は60%以下である。
なお、本発明では、上記要件を満足する限り、MnO−Al23−SiO2系介在物を構成する上記以外の酸化物(MgO、CaO)の含有量は何ら、限定するものではない。すなわち、上記要件を満足する限り、MnO−Al23−SiO2系介在物を構成するMgO、CaOの含有率は特に限定されないが、MgOについては、おおむね、10%以下であることが好ましい。
以上、本発明の鋼線材に存在する酸化物系介在物について説明した。
次に、本発明の鋼中成分について説明する。
本発明は、ばねなどの素材として有用なSiキルド鋼線材を想定してなされたものであり、当該Siキルド鋼線材に通常含まれる元素を含有することができるが、以下、各元素について説明する。
C:1.2%以下(0%を含まない)
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:0.2〜3%
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−Al23−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:0.1〜2%
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。
更に、SiおよびMnの含有量は、Mn/Si≧0.1の関係を満足することが好ましく、これにより、MnO−Al23−SiO2系介在物を所望の組成に制御することが容易になる。
本発明は、上記成分を基本成分として含み、残部は鉄および不可避的不純物である。不可避的不純物としては、例えばP、Sなどが挙げられる。このうちPは、靭性や延性を低下させる元素であり、P量が多くなると、伸線工程やその後の撚り工程で断線が発生する恐れがあるため、その上限を0.03%以下(より好ましくは0.02%以下)とすることが好ましい。また、Sも、上記Pと同様、靭性や延性を劣化させる元素であり、Mnと結合してMnSを生成し、伸線時における断線の起点となるため、その上限を0.03%以下(より好ましくは0.02%以下)とすることが好ましい。
なお、本発明で規定する介在物(CaO−Al23−SiO2系およびMnO−Al23−SiO2系の介在物)を構成する元素であって、上記に記載していない元素(Al、Ca、Mg)の含有量は、上記介在物の量(厳密には酸素の量)に応じて決定されるものである。これらの元素は、一般的なスラグ精錬や合金投入により制御するものであり、具体的な各元素の含有量(酸化物系介在物を含む鋼線全体の含有量)は、上述したように酸素量、すなわち介在物の含有量によっても大きく異なるが、おおむね、Alは0.0001〜0.003%、Caは0.0001〜0.002%、Mgは0.001%以下(0%を含む)の範囲内に制御されていることが好ましい。
本発明では、更に以下の元素を選択成分として含有することができる。
Cr:3%以下(0%を含まない)
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:0.5%以下(0%を含まない)
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:0.5%以下(0%を含まない)
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:0.1%以下(0%を含まない)
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。
上記の選択成分(Cr、Ni、V、Ti)のほか、更にZr、Cu、Nb、Mo、Co、W、B、アルカリ金属、REM(希土類元素)、Ba、およびSrよりなる群から選択される少なくとも一種以上の元素を添加することもできる。これらの元素は、単独で添加しても良いし、2種以上を併用しても良い。これら元素の推奨される含有量は以下の通りである。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、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)。
これらのうち、Zrは、炭窒化物の形成により微細組織が得られ、靭性向上に有効な元素である。しかしながら、Zrの過剰添加は炭窒化物が粗大化し、靭性を劣化させる。そこでZr量の上限を好ましくは0.1%以下(より好ましくは0.0005%以下)とする。
Cuは、Niと同様、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。この作用に加えて、Cuは耐食性を高める作用を有する。しかしCu量が過剰になると、熱間圧延割れが生ずる恐れがある。そこでCu量の好ましい上限を0.7%以下(より好ましくは0.6%以下、更に好ましくは0.5%以下)とする。
Nbは、Vと同様、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Nb量は、0.01%以上(より好ましくは0.02%以上)である。しかし、Nb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。そこでNb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0.3%以下)とする。
Moは、焼入性向上に有効であることに加えて、軟化抵抗を向上させて耐へたり性の向上に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Mo量は、0.01%以上(より好ましくは0.05%以上)である。しかし、Mo量が過剰になると、熱間圧延時に過冷組織が発生し易くなり、また延性も劣化する。そこでMoを含有させる場合、その上限を好ましくは0.5%以下(より好ましくは0.4%以下)とする。
Coは、延靱性を確保して疲労特性の向上に寄与する元素である。しかし、Coを過剰に添加しても上記効果が飽和するので、Co量の上限を好ましくは0.5%以下(より好ましくは0.1%以下)とする。
Wは、鋼線の耐食性を向上させるのに有効に作用する元素である。しかし、Wを過剰に添加しても上記効果が飽和するので、W量の上限を好ましくは0.5%以下とする。
Bは、Pの粒界偏析を防止して粒界を清浄化し、耐水素脆性や靱延性を向上させ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。好ましいB量は、0.0003%以上(より好ましくは0.0005%以上)である。しかし、B量が過剰になると、Fe23(CB)6等のB化合物を形成してフリーBが減少するため、Pの粒界偏析の防止効果が飽和する。更に、このB化合物は粗大な場合が多いため、疲労折損の起点となって疲労特性を低下させる。そこでBを含有させる場合、その上限を好ましくは0.005%以下(より好ましくは0.004%以下)とする。
アルカリ金属成分、REM(希土類元素)、Ba、およびSrは、本発明で規定する介在物の組成制御に有効な元素であるが、多量に添加すると、逆に上記介在物の組成制御に悪影響を及ぼすため、その含有量を適切に制御することが好ましい。
ここでアルカリ金属成分はLi、Na、Kを意味し、単独で含有しても良いし、2種以上を併用しても良い。アルカリ金属成分の好ましい含有量は、0.00001〜0.002%(より好ましくは0.00003〜0.0008%)である。上記含有量は、アルカリ金属成分を単独で含むときは単独の量であり、2種以上を併用するときは合計量である。
REM(希土類元素)とは、ランタノイド元素(周期表において、原子番号57のLaから原子番号71のLuまでの15元素)に、Sc(スカンジウム)とY(イットリウム)とを加えた元素群であり、これらを単独で、または2種以上を併用することができる。好ましい希土類元素はCe、La、Yである。REMの添加形態は特に限定されず、CeおよびLaを主として含むミッシュメタル(例えばCe:約70%程度、La:約20〜30%程度)の形態で添加しても良いし、或いは、Ce、Laなどの単体で添加して良い。REMの好ましい含有量は、0.001〜0.01%である。上記含有量は、REMを単独で含むときは単独の量であり、2種以上を併用するときは合計量である。
BaおよびSrの好ましい範囲は、いずれも、0.0003〜0.01%である。
以上、本発明の鋼中成分について説明した。
次に、本発明のSiキルド鋼線材を製造するための方法の一例について説明する。上述したように、MnO−Al23−SiO2系介在物の組成制御のためには、MnO−SiO2系介在物などが所望とするMnO−Al23−SiO2系介在物に変化するまでの時間を確保する方法が有効である。このための手段として、例えば、後記する実施例に示すようにMn、Siなどの合金成分投入後、CaO−Al23−SiO2系への制御を開始するまでの時間(MnO−Al−SiO系介在物に変化するまでの待ち時間)を充分確保する方法が挙げられる。
従来は、例えばCaO−Al23−SiO2系介在物の制御をCaOを含むスラグによる精錬で行う場合、溶鋼中にSi、Mnなどの合金成分を投入した後、速やかに(例えば、後記する実施例のような条件では、おおむね10分程度に)スラグを用いた精錬を開始していた。しかし、この方法では、スラグ精錬によりCaO−Al23−SiO2系に制御されない介在物が残存した場合に、MnO−Al23−SiO2系介在物が熱間加工時に延伸しにくい組成のまま残留する可能性がある。
そこで本発明では、従来のようにMn、Siなどの合金成分を溶鋼中に投入後、速やかにCaO含有スラグを用いた精錬を開始するのではなく、合金成分投入後、当該精錬を開始するまでの時間を充分に確保することとした。これにより、SiやMnなどの合金成分を添加したときに生成する有害な初期脱酸生成物を、比較的熱間加工時に延伸され易い組成への変化を促進することができる。
上記の保持時間は、使用する取鍋のサイズや撹拌条件などによっても相違するが、後記する実施例のような条件下では約90分間で効果が認められる。
その後、CaO含有スラグを用いた精錬を行なうと、疲労特性向上に有用な組成のCaO−Al23−SiO2系介在物が得られる。CaO−Al23−SiO2系介在物の組成は、このときのスラグ塩基度[CaO/SiO2(質量比)など]によって変化するが、上記要件を満足するCaO−Al23−SiO2系介在物を得るための好ましい塩基度は、おおむね、0.5〜1.5である。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
実施例
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−Al23−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−Al23−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)。
次いで、得られた溶鋼を鋳造して鋼塊とした後、1200℃で鍛造し、150mm×150mmの形状とした後、約900℃の温度で熱間圧延し、直径:8.0mmの熱間圧延線材を得た。
このようにして得られた各線材について、以下の条件で成分を分析すると共に、酸化物系介在物の組成、および疲労特性(折損率)を以下の方法で測定し、評価した。
(1)線材中の成分分析
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
(2)酸化物系介在物の組成
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。
まず、各線材について、上記のL断面を研磨し、該研磨断面に存在する全ての酸化物系介在物(1断面あたり、約300個)について、EPMA(Electron Probe Microanalyzer)で組成分析を行い、酸化物に換算し、その平均値を求めた。なお、前記の通り、介在物中のS濃度およびN濃度がそれぞれ、2%以下のものを酸化物系介在物とした。このときの、EPMAの測定条件は下記の通りである。
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)
(3)疲労強度試験(折損率)
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。
このようにして得られたワイヤについて、歪取焼鈍相当処理(400℃)→ショットピーニング→低温焼鈍(400℃×20min)を行った後、中村式回転曲げ試験機を用いて、公称応力:880MPa、回転数:4000〜5000rpm、中止回数:2×107回で疲労強度試験を行った。破断したワイヤのうち介在物が起因して折損したもの(介在物折損数)について、下記式により折損率(破断率)を求めた。
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
なお、介在物が原因で折損したものは、破断面に介在物が残っているため、介在物に因らずに折損したもの(表面から折れたものなど)とは、例えば顕微鏡観察や破面形状などから、容易に判別することができる。
表1に、本実施例で用いた各線材の化学成分組成(鋼種)を、表2に、各線材の介在物組成および疲労試験(折損率)の結果を、夫々示す。なお、表1中、Al、Ca、Mgの量は、Al:0.0001〜0.002%、Ca:0.002%以下、Mg:0.0005%以下であった。また、表2において、CaO−Al23−SiO2系介在物は、本発明で規定する(1A)および(1B)の要件を満足するものであり、MnO−Al23−SiO2系介在物は、本発明で規定する(3A)の要件を満足するものである。
Figure 2014136810
Figure 2014136810
これらの表より、所定のCaO−Al23−SiO2系介在物およびMnO−Al23−SiO2系介在物を含む本発明例(表2のNo.1〜13)は、MnO−Al23−SiO2系介在物の組成が本発明者の要件を満足しない比較例(No.14〜22)に比べ、疲労特性が向上することが判明した。上記比較例では、いずれも、合金成分投入後、スラグ精錬開始までの時間が充分でなく、本発明例に比べて短かったため、MnO−Al23−SiO2系介在物が所望の組成とならなかったと考えられる。

Claims (7)

  1. 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−Al23−SiO2系介在物を含むSiキルド鋼において、
    (1A)CaO+Al23+SiO2+MgO+MnO≧85%
    (1B)CaO+Al23+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、MgO+MnO≦15%、CaO>MnO
    前記CaO−Al23−SiO2系介在物の平均組成が下記(2)を満足し、
    (2)CaO+Al23+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、CaO:10〜60%、Al23:3〜40%、SiO2:30%以上、85%未満
    且つ、
    下記(3A)を満足するMnO−Al23−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+Al23+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、MnO+Al23+SiO2≧80%、MnO>CaO
    (3B)CaO+Al23+SiO2+MgO+MnOを100%として規格化した場合、MnO:10〜70%、Al23:3〜50%、SiO2:20〜75%
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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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