JP2017218659A - 斜め巻きばね用線材、斜め巻きばねおよびそれらの製造方法 - Google Patents

斜め巻きばね用線材、斜め巻きばねおよびそれらの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を得ることが可能な斜め巻きばね用線材、斜め巻きばねおよびそれらの製造方法を提供する。【解決手段】斜め巻きばね用線材１は、パーライト組織を有する鋼からなる芯線１０と、芯線１０の表面１１を覆い、銅または銅合金からなるめっき層２０と、を備える。芯線１０を構成する鋼は、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。【選択図】図１

Description

本発明は、斜め巻きばね用線材、斜め巻きばねおよびそれらの製造方法に関するものである。
軸方向に垂直な面に対して傾斜して線材（金属線）が巻かれた構造を有するつる巻きばねである斜め巻きばねが知られている（たとえば、特許文献１参照）。斜め巻きばねは、軸方向に垂直な方向の一定範囲の変位に対してばね荷重がほぼ一定になる性質（非線形性）を有する。斜め巻きばねは、導電性を有する材料を用いて作製されることにより、たとえば接点部品として使用することができる。斜め巻きばねを構成する材料としては、ベリリウム銅が採用されるのが一般的である。ベリリウム銅は、強度および導電性を高いレベルで両立する観点から、斜め巻きばねを構成する材料として好適である。
しかし、ベリリウム銅に含まれるベリリウムは高価な材料である。また、ベリリウムは、環境負荷が大きい材料である。そのため、斜め巻きばねを構成する材料として、ベリリウム銅に代わる材料の開発が望まれている。
これに対し、オーステナイト系ステンレス鋼からなる芯線と、別途準備した銅、銅合金などの材料からなる外側層となるべき部材とを一体化してクラッド線とした斜め巻きばね用線材、および当該線材をばね加工して得られる斜め巻きばねが提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
特開平４−１０７３３１号公報 特開２０１２−２４８４９５号公報
しかし、本発明者の検討によれば、上記特許文献２に記載の斜め巻きばねにおいては、軸方向に垂直な方向の変位に対してばね荷重がほぼ一定になる変位の範囲、すなわち非線形領域が狭いという問題がある。そこで、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を得ることが可能な斜め巻きばね用線材、斜め巻きばねおよびそれらの製造方法を提供することを目的の１つとする。
本発明に従った斜め巻きばね用線材は、パーライト組織を有する鋼からなる芯線と、芯線の表面を覆い、銅または銅合金からなるめっき層と、を備える。上記鋼は、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。
本発明に従った斜め巻きばね用線材の製造方法は、パーライト組織を有する鋼からなる芯線を準備する工程と、芯線の表面を覆うように銅または銅合金からなるめっき層を形成する工程と、めっき層が形成された芯線を伸線加工する工程と、を備える。上記鋼は、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。
上記斜め巻きばね用線材および斜め巻きばね用線材の製造方法によれば、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を得ることが可能な斜め巻きばね用線材を提供することができる。
斜め巻きばね用線材の長手方向に垂直な断面を示す概略断面図である。 斜め巻きばねの構造を示す概略図である。 斜め巻きばね用線材および斜め巻きばねの製造方法の概略を示すフローチャートである。 斜め巻きばね用線材および斜め巻きばねの製造方法を説明するための概略断面図である。 斜め巻きばね用線材および斜め巻きばねの製造方法を説明するための概略断面図である。
［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。本願の斜め巻きばね用線材は、パーライト組織を有する鋼からなる芯線と、芯線の表面を覆い、銅または銅合金からなるめっき層と、を備える。上記鋼は、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。
本願の斜め巻きばね用線材においては、パーライト組織を有し、適切な成分組成の鋼からなる高強度な芯線が採用される。これにより、広い非線形領域を確保することができる。また、芯線の表面は、導電性に優れた銅または銅合金からなるめっき層により覆われる。これにより、高い導電性が確保される。
さらに、本願の斜め巻きばね用線材は、芯線と別途準備した外側層となるべき部材とを一体化してクラッド線としたものではなく、芯線の表面にめっき層が形成された構造を有する。本発明者の検討によれば、クラッド線から得られる斜め巻きばねにおいては、荷重が負荷された際に芯線に対して外側層がずれる現象が生じる。そして、この現象が、非線形領域が狭くなる大きな要因となっている。これに対し、芯線の表面にめっき層が形成された本願の斜め巻きばね用線材においては、このような現象の発生が抑制され、広い非線形領域を確保することが可能となる。以上のように、本願の斜め巻きばね用線材によれば、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を得ることが可能な斜め巻きばね用線材を提供することができる。
上記斜め巻きばね用線材において、上記鋼は、０．１質量％以上０．４質量％以下のニッケル、０．１質量％以上１．８質量％以下のクロム、０．１質量％以上０．４質量％以下のモリブデンおよび０．０５質量％以上０．３質量％以下のバナジウムからなる群から選択される一種以上の元素をさらに含有していてもよい。このような成分組成の鋼からなる芯線が採用された場合でも、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を得ることが可能な斜め巻きばね用線材を提供することができる。
ここで、芯線を構成する鋼の成分組成を上記範囲に限定した理由について説明する。
炭素（Ｃ）：０．５質量％以上１．０質量％以下
炭素は、パーライト組織を有する鋼の強度および弾性限に大きな影響を与える元素である。斜め巻きばね用線材の芯線として十分な強度および弾性限を得る観点から、炭素含有量は０．５質量％以上とする必要がある。一方、炭素含有量が多くなると靱性が低下し、加工が困難になるおそれがある。十分な靱性を確保する観点から、炭素含有量は１．０質量％以下とする必要がある。強度および弾性限をさらに向上させる観点から、炭素含有量は０．６質量％以上とすることが好ましく、０．８質量％以上とすることがより好ましい。靱性を向上させて加工を容易とする観点から、炭素含有量は０．９５質量％以下とすることが好ましい。
珪素（Ｓｉ）：０．１質量％以上２．５質量％以下
珪素は、鋼の精錬において脱酸剤として添加される元素である。脱酸剤としての機能を果たすため、珪素の含有量は０．１質量％以上とする必要があり、０．１２質量％以上とすることが好ましい。また、珪素は、鋼中において炭化物生成元素として機能し、加熱による軟化を抑制する性質（軟化抵抗性）を有する。線材がばね加工された後に実施される歪みとり熱処理において軟化を抑制する観点から、珪素含有量は０．８質量％以上とすることが好ましく、１．８質量％以上としてもよい。一方、珪素は過度に添加すると靱性を低下させる。十分な靱性を確保する観点から、珪素含有量は２．５質量％以下とする必要があり、２．３質量％以下とすることが好ましく、さらには２．２質量％以下としてもよい。靱性を重視する観点からは、珪素含有量は１．０質量％以下としてもよい。
マンガン（Ｍｎ）：０．３質量％以上０．９質量％以下
マンガンは、珪素と同様に鋼の精錬において脱酸剤として添加される元素である。脱酸剤としての機能を果たすため、マンガンの含有量は０．３質量％以上とする必要がある。一方、マンガンは過度に添加すると、靱性や熱間加工における加工性を低下させる。そのため、マンガン含有量は０．９質量％以下とする必要がある。
不可避的不純物
芯線の製造工程において、リン（Ｐ）および硫黄（Ｓ）が不可避的に芯線を構成する鋼中に混入する。リンおよび硫黄は、過度に存在すると粒界偏析を生じたり、介在物を生成したりして、鋼の特性を悪化させる。そのため、リンおよび硫黄の含有量は、それぞれ０．０２５質量％以下とすることが好ましい。また、不可避的不純物の含有量は、合計で０．３質量％以下とすることが好ましい。
ニッケル（Ｎｉ）：０．１質量％以上０．４質量％以下
ニッケルを添加することにより、芯線の伸線加工時や線材のばね加工時における断線の発生が抑制される。この機能を確実に発揮させる観点から、ニッケルは０．１質量％以上添加されてもよい。一方、０．４質量％を超えて添加してもニッケルの上記効果は飽和する。また、高価な元素であるニッケルを０．４質量％を超えて添加すると、芯線の製造コストが上昇する。そのため、ニッケルの添加量は０．４質量％以下とすることが好ましい。
クロム（Ｃｒ）：０．１質量％以上１．８質量％以下
クロムは、鋼中において炭化物生成元素として機能し、微細な炭化物の生成による金属組織の微細化や加熱時の軟化抑制に寄与する。このような効果を確実に発揮させる観点から、クロムは０．１質量％以上添加されてもよく、０．２質量％以上、さらには０．５質量％以上添加されてもよい。一方、クロムの過度の添加は靱性低下の原因となる。そのため、クロムの添加量は１．８質量％以下とすることが好ましい。クロムの添加による上記効果は、珪素、バナジウムとの共存によって、特に顕著となる。そのため、クロムは、これらの元素とともに添加されることが好ましい。
モリブデン（Ｍｏ）：０．１質量％以上０．４質量％以下
モリブデンを添加することにより、弾性限を上昇させることができる。この機能を確実に発揮させる観点から、モリブデンは０．１質量％以上添加されてもよい。一方、０．４質量％を超えて添加してもモリブデンの上記効果は飽和する。また、高価な元素であるモリブデンを０．４質量％を超えて添加すると、芯線の製造コストが上昇する。そのため、モリブデンの添加量は０．４質量％以下とすることが好ましい。
バナジウム（Ｖ）：０．０５質量％以上０．３質量％以下
バナジウムは、鋼中において炭化物生成元素として機能し、微細な炭化物の生成による金属組織の微細化や加熱時の軟化抑制に寄与する。このような効果を確実に発揮させる観点から、バナジウムは０．０５質量％以上添加されてもよい。一方、バナジウムの過剰な添加は、靱性を低下させる。十分な靱性を確保する観点から、バナジウムの添加量は０．３質量％以下とすることが好ましい。バナジウムの添加による上記効果は、珪素、クロムとの共存によって、特に顕著となる。そのため、バナジウムは、これらの元素とともに添加されることが好ましい。
上記斜め巻きばね用線材において、上記鋼の珪素の含有量は１．３５質量％以上２．３質量％以下であってもよい。珪素の含有量を１．３５質量％以上とすることにより、歪みとり熱処理における軟化を抑制することができる。珪素の含有量を２．３質量％以下とすることにより、靭性の低下を抑制することができる。
上記斜め巻きばね用線材において、上記鋼は、０．６質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１２質量％以上０．３２質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
また、上記斜め巻きばね用線材において、上記鋼は、０．６質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．７質量％以上１．０質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
また、上記斜め巻きばね用線材において、上記鋼は、０．５５質量％以上０．７質量％以下の炭素と、１．３５質量％以上２．３質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、０．２質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．０５質量％以上０．３０質量％以下のバナジウムと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
芯線を構成する鋼としてこのような成分組成の鋼を採用することにより、より確実に広い非線形領域を得ることができる。
上記斜め巻きばね用線材において、芯線とめっき層との界面における酸素濃度は１０質量％以下であってもよい。このようにすることにより、より確実に広い非線形領域を得ることができる。
上記斜め巻きばね用線材の引張強さは１８００ＭＰａ以上２５００ＭＰａ以下であってもよい。引張強さを１８００ＭＰａ以上することにより、広い非線形領域を得ることが容易となる。引張強さを２５００ＭＰａ以下とすることにより、十分な加工性を確保することが容易となる。
上記斜め巻きばね用線材の導電率は１５％ＩＡＣＳ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ａｎｎｅａｌｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ Ｓｔａｎｄａｒｄ）以上５０％ＩＡＣＳ以下であってもよい。このようにすることにより、接点部品に適した斜め巻きばねを作製可能な斜め巻きばね用線材を得ることができる。
上記斜め巻きばね用線材において、上記めっき層の厚みは１０μｍ以上６５μｍ以下であってもよい。めっき層の厚みを１０μｍ以上とすることにより、十分な導電性を得ることが容易となる。めっき層の厚みを６５μｍ以下とすることにより、高い強度および弾性限を得ることが容易となる。その結果、広い非線形領域を得ることが容易となる。より広い非線形領域を得る観点から、めっき層の厚みは５０μｍ以下としてもよい。
上記斜め巻きばね用線材において、芯線の直径は０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であってもよい。このようにすることにより、斜め巻きばねの製造に特に適した斜め巻きばね用線材を得ることができる。
上記斜め巻きばね用線材は、表面を覆うスズ（Ｓｎ）めっき層および銀（Ａｇ）めっき層の少なくともいずれか一方を有していてもよい。このようにすることにより、上記斜め巻きばね用線材からなる斜め巻きばねを電線や電子機器を電気的に接続する導電性コネクタ等の接点部品に使用した場合に、接触抵抗を低減することができる。
本願の斜め巻きばねは、上記斜め巻きばね用線材からなる。上記本願の斜め巻きばね用線材からなることにより、本願の斜め巻きばねによれば、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を得ることが可能な斜め巻きばねを提供することができる。
上記斜め巻きばねは、表面を覆うスズめっき層および銀めっき層の少なくともいずれか一方を有していてもよい。このようにすることにより、上記斜め巻きばねを接点部品に使用した場合に、接触抵抗を低減することができる。
本願の斜め巻きばね用線材の製造方法は、パーライト組織を有する鋼からなる芯線を準備する工程と、芯線の表面を覆うように銅または銅合金からなるめっき層を形成する工程と、めっき層が形成された芯線を伸線加工する工程と、を備える。上記鋼は、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。
本願の斜め巻きばね用線材の製造方法によれば、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を得ることが可能な上記本願の斜め巻きばね用線材を容易に製造することができる。
上記斜め巻きばね用線材の製造方法において、上記鋼は、０．１質量％以上０．４質量％以下のニッケル、０．１質量％以上１．８質量％以下のクロム、０．１質量％以上０．４質量％以下のモリブデンおよび０．０５質量％以上０．３質量％以下のバナジウムからなる群から選択される一種以上の元素をさらに含有していてもよい。このような成分組成の鋼からなる芯線が採用された場合でも、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を得ることが可能な斜め巻きばね用線材を製造することができる。
上記斜め巻きばね用線材の製造方法において、上記鋼の珪素の含有量は１．３５質量％以上２．３質量％以下であってもよい。珪素の含有量を１．３５質量％以上とすることにより、ばね加工後に実施される歪みとり熱処理における軟化を抑制することができる。珪素の含有量を２．３質量％以下とすることにより、靭性の低下を抑制することができる。
上記斜め巻きばね用線材の製造方法において、上記鋼は、０．６質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１２質量％以上０．３２質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
また、上記斜め巻きばね用線材の製造方法において、上記鋼は、０．６質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．７質量％以上１．０質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
また、上記斜め巻きばね用線材の製造方法において、上記鋼は、０．５５質量％以上０．７質量％以下の炭素と、１．３５質量％以上２．３質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、０．２質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．０５質量％以上０．３０質量％以下のバナジウムと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
芯線を構成する鋼としてこのような成分組成の鋼を採用することにより、より確実に広い非線形領域を得ることができる。
また、上記斜め巻きばね用線材の製造方法は、上記めっき層上にスズめっき層および銀めっき層の少なくともいずれか一方を形成する工程をさらに備えていてもよい。このようにすることにより、製造される上記斜め巻きばね用線材からなる斜め巻きばねを電線や電子機器を電気的に接続する導電性コネクタ等の接点部品に使用した場合に、接触抵抗を低減することができる。
本願の斜め巻きばねの製造方法は、上記本願の斜め巻きばね用線材の製造方法により製造された斜め巻きばね用線材を準備する工程と、斜め巻きばね用線材に対してばね加工を実施する工程と、を備える。
本願の斜め巻きばね用線材の製造方法により製造された斜め巻きばね用線材対してばね加工を実施して斜め巻きばねを製造することにより、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を得ることが可能な斜め巻きばねを容易に製造することができる。
上記斜め巻きばねの製造方法は、ばね加工された上記斜め巻きばね用線材を２５０℃以上４００℃以下の温度域に加熱する工程をさらに備えていてもよい。このようにすることにより、一層広い非線形領域を得ることが可能となる。
上記斜め巻きばねの製造方法は、上記めっき層上にスズめっき層および銀めっき層の少なくともいずれか一方を形成する工程をさらに備えていてもよい。このようにすることにより、製造される斜め巻きばねを接点部品に使用した場合に、接触抵抗を低減することができる。
［本願発明の実施形態の詳細］
次に、本発明にかかる斜め巻きばね用線材および斜め巻きばねの実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
図１を参照して、本実施の形態における斜め巻きばね用線材１は、芯線１０と、めっき層２０とを備える。芯線１０は、パーライト組織を有する鋼からなる。めっき層２０は、芯線１０の表面１１を覆う。めっき層２０は、銅または銅合金からなる。斜め巻きばね用線材１の長手方向に垂直な断面は円形である。
芯線１０を構成する鋼は、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。
図２を参照して、本実施の形態における斜め巻きばね２は、本実施の形態における斜め巻きばね用線材１からなっている。斜め巻きばね２は、つる巻きばねであって、軸方向に垂直な面に対して傾斜して斜め巻きばね用線材１が巻かれた構造を有する。斜め巻きばね２は、軸方向に垂直な方向に荷重が負荷されるように使用される。
本実施の形態の斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２においては、パーライト組織を有し、適切な成分組成の鋼からなる高強度な芯線１０が採用される。これにより、広い非線形領域を確保することができる。また、芯線１０の表面１１は、導電性に優れた銅または銅合金からなるめっき層２０により覆われる。これにより、高い導電性が確保される。
さらに、斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２は、芯線と別途準備した外側層となるべき部材とを一体化してクラッド線としたものではなく、芯線１０の表面１１にめっき層２０が形成された構造を有する。そのため、荷重が負荷された際に芯線１０に対して外側層であるめっき層２０がずれる現象の発生が抑制される。その結果、広い非線形領域を確保することが可能となっている。このように、本実施の形態の斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２は、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を得ることが可能な斜め巻きばね用線材および斜め巻きばねとなっている。
斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、芯線１０を構成する鋼は、０．１質量％以上０．４質量％以下のニッケル、０．１質量％以上１．８質量％以下のクロム、０．１質量％以上０．４質量％以下のモリブデンおよび０．０５質量％以上０．３質量％以下のバナジウムからなる群から選択される一種以上の元素をさらに含有していてもよい。このような成分組成の鋼からなる芯線１０が採用された場合でも、斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２は、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を得ることができる。
斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、芯線１０を構成する鋼の珪素の含有量は１．３５質量％以上２．３質量％以下であってもよい。珪素の含有量を１．３５質量％以上とすることにより、歪みとり熱処理における軟化を抑制することができる。珪素の含有量を２．３質量％以下とすることにより、靭性の低下を抑制することができる。
斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、芯線１０を構成する鋼は、０．６質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１２質量％以上０．３２質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
また、斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、芯線１０を構成する鋼は、０．６質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．７質量％以上１．０質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
また、斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、芯線１０を構成する鋼は、０．５５質量％以上０．７質量％以下の炭素と、１．３５質量％以上２．３質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、０．２質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．０５質量％以上０．３０質量％以下のバナジウムと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
芯線１０を構成する鋼としてこのような成分組成の鋼を採用することにより、より確実に広い非線形領域を得ることができる。
斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、芯線１０とめっき層２０との界面における酸素濃度は１０質量％以下であることが好ましい。これにより、より確実に広い非線形領域を得ることができる。なお、芯線１０とめっき層２０との界面における酸素濃度は、たとえば斜め巻きばね用線材１の長手方向に垂直な断面において芯線１０とめっき層２０との界面を含む一辺３００μｍの正方形領域に対してＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）による定量分析を実施することにより測定することができる。
斜め巻きばね用線材１の引張強さは１８００ＭＰａ以上２５００ＭＰａ以下であることが好ましい。引張強さを１８００ＭＰａ以上することにより、広い非線形領域を得ることが容易となる。引張強さを２５００ＭＰａ以下とすることにより、十分な加工性を確保することが容易となる。
斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２の導電率は１５％ＩＡＣＳ以上５０％ＩＡＣＳ以下であることが好ましい。これにより、接点部品に適した斜め巻きばねおよび斜め巻きばね用線材を得ることができる。
斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、めっき層２０の厚みは１０μｍ以上６５μｍ以下であることが好ましい。めっき層２０の厚みを１０μｍ以上とすることにより、十分な導電性を得ることが容易となる。めっき層２０の厚みを６５μｍ以下とすることにより、高い強度および弾性限を得ることが容易となる。その結果、広い非線形領域を得ることが容易となる。
斜め巻きばね用線材１において、芯線１０の直径は０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とすることが好ましい。これにより、斜め巻きばねの製造に特に適した斜め巻きばね用線材を得ることができる。
次に、斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２の製造方法の一例について説明する。図３を参照して、本実施の形態の斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２の製造方法においては、まず工程（Ｓ１０）として原料鋼線準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、芯線１０となるべき鋼線が準備される。具体的には、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼からなる鋼線が準備される。鋼線を構成する鋼は、０．１質量％以上０．４質量％以下のニッケル、０．１質量％以上１．８質量％以下のクロム、０．１質量％以上０．４質量％以下のモリブデンおよび０．０５質量％以上０．３質量％以下のバナジウムからなる群から選択される一種以上の元素をさらに含有していてもよい。
次に、工程（Ｓ２０）としてパテンティング工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、工程（Ｓ１０）において準備された原料鋼線に対してパテンティングが実施される。具体的には、原料鋼線がオーステナイト化温度（Ａ１点）以上の温度域に加熱された後、Ｍｓ点よりも高い温度域まで急冷され、当該温度域で保持される熱処理が実施される。これにより、原料鋼線の金属組織がラメラ間隔の小さい微細パーライト組織となる。ここで、上記パテンティング処理において、原料鋼線をＡ１点以上の温度域に加熱する処理は、脱炭の発生を抑制する観点から不活性ガス雰囲気中で実施される。
次に、工程（Ｓ３０）として第１伸線工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、工程（Ｓ２０）においてパテンティングが実施された原料鋼線が伸線加工（引抜き加工）される。これにより、図４を参照して、パーライト組織を有し、長手方向に垂直な断面が円形である芯線１０が得られる。
次に、工程（Ｓ４０）としてめっき工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、図４および図５を参照して、工程（Ｓ３０）において得られた芯線１０の表面１１を覆うように、銅または銅合金からなるめっき層２０が形成される。工程（Ｓ４０）において形成されるめっき層２０の厚みは、たとえば３０μｍ以上９０μｍ以下である。
次に、工程（Ｓ５０）として第２伸線工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、図５および図１を参照して、工程（Ｓ４０）においてめっき層２０が形成された芯線１０が伸線加工される。これにより、所望の斜め巻きばね２に適した線径を有する斜め巻きばね用線材１が得られる。以上の手順により、本実施の形態における斜め巻きばね用線材１の製造が完了する。以下、斜め巻きばね用線材１を用いた斜め巻きばね２の製造方法を説明する。
次に、工程（Ｓ６０）としてばね加工工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、図１および図２を参照して、工程（Ｓ５０）において得られた斜め巻きばね用線材１が斜め巻きばね２の形状に加工される。具体的には、斜め巻きばね用線材１がらせん状に加工されて、斜め巻きばね２の形状に成形される。
次に、工程（Ｓ７０）として歪みとり工程が実施される。この工程（Ｓ７０）では、工程（Ｓ６０）において斜め巻きばね２の形状に成形された斜め巻きばね用線材１に対して、２５０℃以上４００℃以下の温度域に加熱する熱処理が実施される。これにより、工程（Ｓ６０）における加工により斜め巻きばね用線材１に導入された歪みが低減される。その結果、広い非線形領域を得ることが可能となる。以上の手順により、本実施の形態の斜め巻きばね２の製造が完了する。
本実施の形態の斜め巻きばね用線材および斜め巻きばねの製造方法によれば、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を得ることが可能な本実施の形態の斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２を容易に製造することができる。
工程（Ｓ１０）において準備される原料鋼線を構成する鋼の珪素の含有量は１．３５質量％以上２．３質量％以下であってもよい。
また、工程（Ｓ１０）において準備される原料鋼線を構成する鋼は、０．６質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１２質量％以上０．３２質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
また、工程（Ｓ１０）において準備される原料鋼線を構成する鋼は、０．６質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．７質量％以上１．０質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
また、工程（Ｓ１０）において準備される原料鋼線を構成する鋼は、０．５５質量％以上０．７質量％以下の炭素と、１．３５質量％以上２．３質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、０．２質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．０５質量％以上０．３０質量％以下のバナジウムと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
芯線を構成する鋼としてこのような成分組成の鋼を採用することにより、より確実に広い非線形領域を得ることができる。
（実施例１）
本願の斜め巻きばね用線材を用いて実際に斜め巻きばねを作製し、導電率および非線形領域の広さを確認する実験を行った。実験の手順は以下の通りである。
上記実施の形態において説明した斜め巻きばね２の製造方法と同様の手順で斜め巻きばねを作製した。芯線１０として用いた鋼線の成分組成（鋼種）を表１に示す。
Figure 2017218659
 表１を参照して、芯線１０としてピアノ線（表１の鋼種Ａ）、ピアノ線において珪素含有量を増加させたもの（表１の鋼種Ｂ）およびピアノ線において炭素含有量を減少させるとともに珪素含有量を増加させ、さらにクロムおよびバナジウムを添加したもの（表１の鋼種Ｃ）を採用した。芯線１０の表面１１を覆うように、厚み３０μｍの銅からなるめっき層２０を形成した。斜め巻きばね用線材１の線径は０．６０ｍｍとした。この斜め巻きばね用線材１を斜め巻きばね２に加工した。斜め巻きばね２は、端面側から軸方向に見た平面形状が長径５．４ｍｍ、短径５．０ｍｍの楕円形状、軸方向の長さ（ばねの自然長）が４５ｍｍ、総巻数が５０の構造を有するものとした（実施例Ａ、ＢおよびＣ）。一方、比較のため、オーステナイト系ステンレスを芯線とし、銅からなる外側層を形成したクラッド線を用いて同構造の斜め巻きばねに加工したもの（比較例Ａ）、およびベリリウム銅からなる線材を用いて同構造の斜め巻きばねに加工したもの（比較例Ｂ）についても準備した。いずれの斜め巻きばねについても、ばね形状に加工後、２５０℃に加熱して３０分間保持する熱処理である歪みとり熱処理を実施した。
そして、実施例Ａ〜Ｃおよび比較例Ａ〜Ｂについて、導電率、および軸方向に垂直な方向に荷重を負荷した場合の荷重変化が２０Ｎ以内となる変位量の最大値（非線形領域長さ）を測定した。実験結果を表２に示す。
Figure 2017218659
 表２を参照して、本願の斜め巻きばねである実施例Ａ〜Ｃにおいては、いずれも比較例Ａと同等以上、比較例Ｂよりも高い導電率を確保しつつ、比較例ＡおよびＢよりも広い非線形領域が達成されている。このことから、本願の斜め巻きばね用線材および斜め巻きばねによれば、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を得ることが可能であることが確認される。特に、芯線を構成する鋼の珪素含有量が高い実施例Ｂ、およびクロムおよびバナジウムがさらに添加された実施例Ｃにおいては、一層広い非線形領域が得られている。これは、鋼の加熱に対する軟化抵抗性を向上させる珪素、クロムなどが添加されることにより、高い弾性限を維持しつつ歪みとり熱処理により転位の低減が可能であったためであると考えられる。
（実施例２）
斜め巻きばねの特性に及ぼす芯線を構成する鋼の組成（鋼種）の影響を調査する実験を行った。具体的には、表１を参照して、上記実施例１と同様の構造の斜め巻きばねであって、芯線を構成する鋼種として鋼種Ｃを採用したもの（実施例Ｃ）、鋼種Ｃにおいてクロム含有量を増加させた鋼種Ｄを採用したもの（実施例Ｄ）、鋼種Ｃにおいてクロム含有量およびバナジウム含有量を増加させた鋼種Ｅを採用したもの（実施例Ｅ）、鋼種Ｃにおいてニッケルを添加した鋼種Ｆを採用したもの（実施例Ｆ）、および鋼種Ｃにおいてモリブデンを添加した鋼種Ｇを採用したもの（実施例Ｇ）を準備した。そして、実施例１の場合と同様に特性を評価する実験を行った。実験結果を表３に示す。
Figure 2017218659
 表３を参照して、鋼の加熱に対する軟化抵抗を向上させるクロムやバナジウムを増加させることにより（実施例ＤおよびＥ）、一層広い非線形領域が得られることが分かる。これは、高い弾性限を維持しつつ歪みとり熱処理により転位の低減が可能であったためであると考えられる。また、ニッケルを添加した場合でも（実施例Ｆ）、ニッケルを添加しない実施例Ｃと遜色ない特性が得られている。ニッケルを添加することにより、芯線の伸線加工時や線材のばね加工時における断線の発生が抑制される。すなわち、ニッケルを添加することにより、特性に大きな影響を与えることなく、加工性を向上させることができる。また、モリブデンを添加することにより（実施例Ｇ）、一層広い非線形領域が得られることが分かる。これは、モリブデンの添加により、高い弾性限が得られるためであると考えられる。
（実施例３）
斜め巻きばねの特性に及ぼす歪みとり熱処理の温度の影響を調査する実験を行った。具体的には、上記実施例１の実施例Ａ、ＢおよびＣにおいて、歪みとり熱処理における加熱温度を３００℃に変更したもの（実施例Ａ１、Ｂ１およびＣ１）、３５０℃に変更したもの（実施例Ａ２、Ｂ２およびＣ２）および４００℃に変更したもの（実施例Ａ３、Ｂ３およびＣ３）について、上記実施例１の場合と同様に特性を評価する実験を行った。歪みとり熱処理における加熱時間は、実施例１の場合と同様に３０分間である。実験結果を表４に示す。
Figure 2017218659
 表４を参照して、いずれの成分組成の芯線を採用した場合も、２５０℃以上４００℃以下の温度範囲に、非線形領域の広さが極大となる熱処理温度が存在することが分かる。このことから、歪みとり熱処理の加熱温度は、２５０℃以上４００℃以下とすることが好ましいことが確認される。なお、歪みとり熱処理における加熱時の保持時間は、２０分間以上６０分間以下が好ましい。
（実施例４）
斜め巻きばねの特性に及ぼす、材料の機械的性質と導電率の影響を調査する実験を行った。具体的には、表１を参照して、上記実施例１と同様の構造の斜め巻きばねであって、芯線を構成する鋼種として鋼種Ａを採用したもの（実施例Ａ）、鋼種Ａからなる芯線を用いて、銅めっきの厚さ調整と引抜きの加工減面率を調整し、導電率を１５％程度としたもの(実施例Ｈ)、鋼種Ａからなる芯線を用いて、同様に銅めっきの厚さ調整と引抜きの加工減面率を調整し、導電率を５０％程度としたもの(実施例Ｉ)を準備した。そして、実施例１の場合と同様に特性を評価する実験を行った。実験結果を表５に示す。
Figure 2017218659
 表５を参照して、ばね用線材の引張強さが同等のとき、導電率が１５〜５０％の範囲で変化しているにもかかわらず、そのばね特性(非線形領域長さ)は変化しないことが分かる。これは銅合金では、強度と導電性のトレードオフの関係から、決して得られない本願の斜め巻きばね用線材の特長であり、芯線と外側層とがめっきによって強固に繋がっているとき、長い非線形領域長さを得ることが出来ることを示している。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって規定され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本願の斜め巻きばね用線材、斜め巻きばねおよびそれらの製造方法は、広い非線形領域を得ることが求められる斜め巻きばね用線材、斜め巻きばねおよびそれらの製造方法に、特に有利に適用され得る。
１ 斜め巻きばね用線材
２ 斜め巻きばね
１０ 芯線
１１ 表面
２０ めっき層

Claims (20)

  1. パーライト組織を有する鋼からなる芯線と、
    前記芯線の表面を覆い、銅または銅合金からなるめっき層と、を備え、
    前記鋼は、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる、斜め巻きばね用線材。
  2. 前記鋼は、０．１質量％以上０．４質量％以下のニッケル、０．１質量％以上１．８質量％以下のクロム、０．１質量％以上０．４質量％以下のモリブデンおよび０．０５質量％以上０．３質量％以下のバナジウムからなる群から選択される一種以上の元素をさらに含有する、請求項１に記載の斜め巻きばね用線材。
  3. 前記鋼の珪素の含有量が１．３５質量％以上２．３質量％以下である、請求項１または２に記載の斜め巻きばね用線材。
  4. 前記鋼は、０．６質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１２質量％以上０．３２質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる、請求項１に記載の斜め巻きばね用線材。
  5. 前記鋼は、０．６質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．７質量％以上１．０質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる、請求項１に記載の斜め巻きばね用線材。
  6. 前記鋼は、０．５５質量％以上０．７質量％以下の炭素と、１．３５質量％以上２．３質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、０．２質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．０５質量％以上０．３０質量％以下のバナジウムと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる、請求項２に記載の斜め巻きばね用線材。
  7. 前記芯線と前記めっき層との界面における酸素濃度は１０質量％以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材。
  8. 引張強さが１８００ＭＰａ以上２５００ＭＰａ以下である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材。
  9. 導電率が１５％ＩＡＣＳ以上５０％ＩＡＣＳ以下である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材。
  10. 前記めっき層の厚みは１０μｍ以上６５μｍ以下である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材。
  11. 前記芯線の直径は０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材。
  12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材からなる、斜め巻きばね。
  13. パーライト組織を有する鋼からなる芯線を準備する工程と、
    前記芯線の表面を覆うように銅または銅合金からなるめっき層を形成する工程と、
    前記めっき層が形成された前記芯線を伸線加工する工程と、を備え、
    前記鋼は、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる、斜め巻きばね用線材の製造方法。
  14. 前記鋼は、０．１質量％以上０．４質量％以下のニッケル、０．１質量％以上１．８質量％以下のクロム、０．１質量％以上０．４質量％以下のモリブデンおよび０．０５質量％以上０．３質量％以下のバナジウムからなる群から選択される一種以上の元素をさらに含有する、請求項１３に記載の斜め巻きばね用線材の製造方法。
  15. 上記鋼の珪素の含有量が１．３５質量％以上２．３質量％以下である、請求項１３または１４に記載の斜め巻きばね用線材の製造方法。
  16. 前記鋼は、０．６質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１２質量％以上０．３２質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる、請求項１３に記載の斜め巻きばね用線材の製造方法。
  17. 前記鋼は、０．６質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．７質量％以上１．０質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる、請求項１３に記載の斜め巻きばね用線材の製造方法。
  18. 前記鋼は、０．５５質量％以上０．７質量％以下の炭素と、１．３５質量％以上２．３質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、０．２質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．０５質量％以上０．３０質量％以下のバナジウムと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる、請求項１４に記載の斜め巻きばね用線材の製造方法。
  19. 請求項１３〜１８のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材の製造方法により製造された斜め巻きばね用線材を準備する工程と、
    前記斜め巻きばね用線材に対してばね加工を実施する工程と、を備える斜め巻きばねの製造方法。
  20. ばね加工された前記斜め巻きばね用線材を２５０℃以上４００℃以下の温度域に加熱する工程をさらに備える、請求項１９に記載の斜め巻きばねの製造方法。
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