JP2019178405A - 鋼線材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
汎用的なばね用鋼は、熱間圧延で所定の線材に加工され、その後、熱間成形ばねの場合は前記線材を加熱してばね状に成形してから焼入れ−焼戻し処理を行い、また、冷間成形ばねの場合は前記線材を引き抜き加工後に行う、ばね形状への成形処理の前または後に、焼入れ−焼戻し処理を行い、それぞればねになる。
ばね鋼用の線材では、鋼材の表層にフェライト脱炭層が生成し、フェライト脱炭層のさらに内側に実用脱炭層が生じるか、あるいは、成分系によっては、フェライト脱炭層は生成しないが、実用脱炭層が生じる。上述したように、このような脱炭が鋼線材の表面近傍に生じると、表層近傍に十分な硬度を確保することができず、その結果、ばねとしての特性、特に疲労特性に悪影響を与えることになる。
例えば、特許文献1には、C、Si、Mn、P、S、Cu、Ni、Cr、Mo、V、Nb、Ti、Al、NおよびBの添加量を制御し、As、SnおよびSbの合計の添加量、ならびにCuとNiの添加量を制御することにより低脱炭および優れた耐遅れ破壊特性を実現した、高強度ばね鋼が開示されている。また特許文献1には、As、SnおよびSbの合計の添加量と脱炭深さの関係が記載されているが、As、SnおよびSbの合計の添加量を適正化してもフェライト脱炭をゼロの水準まで抑制するには至っておらず、また、フェライト脱炭の内層側に生成する脱炭も抑制できるとは限らない。
1.質量%で、
C:0.40〜0.70%、
Si:0.80〜1.70%、
Mn:0.4〜1.0%、
Cr:0.30〜1.00%、
P:0.035%以下、
S:0.035%以下、
Al:0.04%以下、
N:0.0100%以下および
O:0.0030%以下
を含有し、残部Fe及び不可避的不純物の成分組成を有する鋼素材に、表面の脱炭層の除去処理を施し、該鋼素材を1000℃以下に加熱し、仕上温度が800〜930℃の熱間圧延を施して線材とした後、930℃未満で巻取りを行う鋼線材の製造方法。
V:0.5%以下、
Mo:0.5%以下、
Cu:0.5%以下、
Ni:0.5%以下、
W:0.5%以下、
Ti:0.10%以下、
Sb:0.050%以下、
Sn:0.050%以下、
B:0.003%以下および
Nb:0.10%以下
のうちから選ばれる1種もしくは2種以上を含有する前記1に記載の鋼線材の製造方法。
C:0.40〜0.70%、
Cは、必要な強度を確保するために必須の元素であり、0.40%未満では所定の強度確保が難しく、また所定強度を確保するためには、合金元素の多量添加が必要となって、合金コストの上昇を招くことから、0.40%以上とする。さらに、含有するC量が少ないと、脱炭を生成し易くなる。一方、0.70%を超える添加は、加工性や靭性の低下を招く。以上のことから、C量は0.40%以上0.70%以下とする。好ましくは、0.42%以上0.68%以下である。
Siは、脱酸剤として、また、固溶強化や焼戻し軟化抵抗を向上させることにより鋼の強度を高め、鋼の耐へたり性を向上する元素であり、0.80%未満では所定の強度確保が難しく、また所定強度を確保するためには、合金元素の多量添加が必要となって、合金コストの上昇を招くことから、0.80%以上とする。一方で、Siは脱炭を促進する元素である。このため、Siが1.70%を超えて添加されると脱炭が促進する。また、Siが1.70%を超えて添加されると、オーステナイト粒界にSiが偏析しやすくなり、焼入れ−焼戻し後のばねの靭性が低下する。よって、Siの上限は1.70%とする。以上のことから、Si量は0.80%以上1.70%以下とする。好ましくは、1.00〜1.65%である。
Mnは、鋼の焼入れ性を向上させて強度を高めるのに有効であるため、0.4%以上で添加する。しかし、1.0%を超える添加は、鋼を過度に高強度化するため、母材靭性の低下を招く。よって、Mnの上限は、1.0%とする。以上のことから、Mn量は、0.4%以上1.0%以下とする。好ましくは、0.55〜0.85%である。
Crは、鋼の焼入れ性を向上させ強度を増加させる元素である。そのため、0.30%以上は添加する。一方で、1.00%超の添加は、鋼を過度に高強度化するため、母材靭性の低下を招く。以上のことから、Cr量は0.30%以上1.00%以下とする。好ましくは、0.56〜0.85%である。
S:0.035%以下
PおよびSは、粒界に偏析して鋼の母材靭性の低下を招く。以上のことから、これらの元素はできるかぎり低減するのが好ましいが、PおよびSはいずれも0.035%以下を許容する。なお、下限は特に限定しないが、0.0002%未満とするには高いコストを要することから、工業的には0.0002%以上とすることが好ましい。
Alは、脱酸剤として添加することができ、さらに、焼入れ時のオーステナイト粒成長を抑制することによって、強度の維持に有効な元素であるため、好ましくは0.01%以上で添加する。しかしながら、0.04%を超えて添加しても、その効果は飽和してコスト上昇を招く不利が生じる。また、本発明で得られる鋼線材を用いて冷間でばね形状への成形を行う場合には、Al含有量が高いと成形性が低下する。よって、Alは0.04%を上限として添加することが好ましい。
Nは、AlおよびTiと窒化物あるいは炭窒化物を形成し、焼入れのための加熱時に、オーステナイトの成長を抑制する効果があり、そのためには0.0040%以上で添加することが好ましい。一方で、N量が0.0100%を超えると、粗大な窒化物あるいは炭窒化物が生成して疲労寿命の低下を招くため、0.0100%以下とする。好ましくは0.0060%以下とする。
Oは、SiやAlと結合し、硬質な酸化物系非金属介在物を形成して、ばね特性の低下を招くため、可能な限り低い方が良く、0.0030%以下とする。好ましくは、0.0015%以下である。なお、下限は特に限定しないが、0.0002%未満とするには高いコストを要することから、工業的には0.0002%以上とすることが好ましい。
上記した成分元素以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。
V:0.5%以下
Mo:0.5%以下
Nb:0.10%以下
W:0.5%以下
Ti:0.10%以下
V、Mo、Nb、WおよびTiは、いずれも焼入れ性や焼戻し後の鋼の強度を高める元素であり、必要とする強度に応じて、いずれか1種または2種以上を選択して添加することができる。このような効果を得るためには、Mo、W、NbおよびTiは、それぞれ0.001%以上、Vは0.002%以上添加することが好ましい。しかし、V、MoおよびWは0.5%、NbおよびTiは0.10%、を超えて添加すると、鋼中に炭化物が多量に生成し、過剰に高強度化して靭性の低下を招く。従って、V、Mo、Nb、WおよびTiは、それぞれ上記の値を上限として添加するのが好ましい。
Ni:0.5%以下
Cuは焼入性を向上させる元素であるため添加しても良いが、0.1%を超えて添加すると熱間加工性を阻害する可能性があるため0.5%以下の添加とする。Niも焼入性を向上させる元素であるので、焼入性を調整する場合に用いることができる。Niは高価な元素であるので添加量が多くなると鋼材価格が高くなるため、0.5%以下の添加とする。
Sn:0.050%以下
SbおよびSnは、素材を加熱した際に表層に濃化して、加熱時に表層のC量が低下することを抑制する作用並びにばねの引張強さを上昇させる作用を有する。この作用を発現させるために、SbおよびSnはそれぞれ0.005%以上で添加することが望ましい。しかし、SbおよびSnは、0.050%を超えて添加すると、素材加熱時に液体金属となり、旧オーステナイト粒界に侵食し、焼入れ−焼戻し後のばねの靭性を低下させる。以上のことから、SbおよびSnは0.050%以下とすることが好ましい。
Bは、焼入れ性の増大により焼戻し後の鋼の強度を高める元素であり、必要に応じて添加することができる。上記効果を得るためには、0.0002%以上で添加することが好ましい。しかし、0.005%を超えて添加すると、冷間での加工性が劣化する。よって、Bは0.0002〜0.005%の範囲で添加することが好ましい。
[脱炭層の除去処理]
まず、熱間圧延前の鋼素材の表面を研磨や研削などにより脱炭層を完全に除去する必要がある。ここで、鋼素材とは、連続鋳造鋳片、分塊造塊法による鋼片および、これらを予備的に熱間圧延(粗圧延)することで得られる、線材製造の加熱圧延用の素材ある。かような鋼素材は、連続鋳造や粗圧延など、鋼素材の製造過程において表層の脱炭を回避し得ない工程にて作製されるため、脱炭層が生成されることになる。
熱間圧延前の鋼素材の加熱温度が1000℃を超えると、以下の熱間圧延の制御による脱炭抑制が困難となることから、1000℃以下とする。なお、鋼素材の加熱温度は、鋼素材の温度低下に伴う変形抵抗の上昇により熱間圧延が困難となることを避ける観点から、880℃以上とすることが好ましい。
熱間圧延の仕上温度が800℃未満になると、被圧延材の表層近傍のC濃度によってはフェライトを生成し、フェライト脱炭の抑制が困難となる。一方、仕上温度が930℃を超えると、仕上圧延以降の鋼線材の表面に加工が加わらないことと関連して、主にオーステナイト域における脱炭が促進され、全脱炭量の抑制が困難となる。なお、脱炭は被圧延材の表面から進行することから、上記の仕上温度とは仕上圧延終了時の表面温度を意味する。
熱間圧延後の鋼線材はコイル状に巻取られるが、巻取り開始温度が930℃以上の場合、冷却中の脱炭進行を十分に抑制することができず、所望とする脱炭量制御が出来ない。熱間圧延後に巻取りを開始するまでの間に鋼線材の表面温度が復熱により上昇することもあるが、巻取り開始までには表面温度が930℃未満となっている必要がある。なお、熱間圧延後に巻取りを開始するまでの間は、衝風冷却や水冷などの加速冷却を行わずに放冷とすることが好ましい。なぜなら、加速冷却により巻取り温度を930℃未満とすると、巻取り後に復熱が大きくなり、巻取り開始温度を930℃未満としたことによる脱炭抑制効果が減じるからである。
表1に示す成分組成の鋼を溶製し、連続鋳造により鋼スラブとした。この鋼スラブを、ブレークダウン工程にて150mm角ビレットに圧延して鋼素材を得た。この角ビレットの鋼素材に対して、研削および研磨処理によって脱炭層を除去した。次いで、脱炭層除去後の鋼素材を、Φ13mmの線材とする熱間圧延に供した。この熱間圧延における加熱温度、熱間圧延仕上げ温度、仕上げ後巻取までの加速冷却の有無、巻取ってステルモアコンベア上での冷却を開始する時の温度(巻取り温度)を表2に示す。また、これら工程を経て得られた鋼線材の表面脱炭量を調査するとともに、靭性および疲労強度を測定した。それらの結果を表2に併記する。
Claims (2)
- 質量%で、
C:0.40〜0.70%、
Si:0.80〜1.70%、
Mn:0.4〜1.0%、
Cr:0.30〜1.00%、
P:0.035%以下、
S:0.035%以下、
Al:0.04%以下、
N:0.0100%以下および
O:0.0030%以下
を含有し、残部Fe及び不可避的不純物の成分組成を有する鋼素材に、表面の脱炭層の除去処理を施し、該鋼素材を1000℃以下に加熱し、仕上温度が800〜930℃の熱間圧延を施して線材とした後、930℃未満で巻取りを行う鋼線材の製造方法。 - 前記成分組成が、さらに質量%で、
V:0.5%以下、
Mo:0.5%以下、
Cu:0.5%以下、
Ni:0.5%以下、
W:0.5%以下、
Ti:0.10%以下、
Sb:0.050%以下、
Sn:0.050%以下、
B:0.003%以下および
Nb:0.10%以下
のうちから選ばれる1種もしくは2種以上を含有する請求項1に記載の鋼線材の製造方法。
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