JP2024521927A - Spring wire rod, steel wire, spring with improved strength and fatigue limit, and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

【課題】強度および加工性に優れると同時に、高い温度でも窒化処理が容易であり、窒化処理特性と疲労限度が向上した線材、鋼線、バネおよびその製造方法を提供する。【解決手段】重量%で、C:0.6~0.7%、Si:2.0~2.5%、Mn:0.2~0.7%、Cr:0.9~1.5%、P:0.015%以下、S:0.01%以下、Al:0.01%以下、N:0.01%以下、Mo:0.25%以下、W:0.25%以下、V:0.05%~0.2%以下、Nb:0.05%以下、残りのFeおよびその他不可避不純物からなり、Mn+Cr≦1.8%を満たし、0.05at%≦Mo+W≦0.15at%を満たし、長さ方向に垂直な断面の中心部1mm2面積において、重量%で、C>0.85%、Si>3.0%、Mn>0.8%、Cr>2.0%のうち1つ以上を満たす面積の割合が10%以下であることを特徴とする。【選択図】なしThe present invention provides a wire rod, steel wire, and spring that are excellent in strength and processability, can be easily nitrided even at high temperatures, and have improved nitriding properties and fatigue limit, and a manufacturing method thereof. [Solution] The alloy consists of, by weight, C: 0.6-0.7%, Si: 2.0-2.5%, Mn: 0.2-0.7%, Cr: 0.9-1.5%, P: 0.015% or less, S: 0.01% or less, Al: 0.01% or less, N: 0.01% or less, Mo: 0.25% or less, W: 0.25% or less, V: 0.05%-0.2% or less, Nb: 0.05% or less, with the remainder being Fe and other unavoidable impurities, and is characterized in that Mn+Cr≦1.8%, 0.05at%≦Mo+W≦0.15at%, and in a central 1mm2 area of a cross section perpendicular to the length direction, the proportion of an area that satisfies one or more of C>0.85%, Si>3.0%, Mn>0.8%, and Cr>2.0% by weight is 10% or less. [Selected Figure] None

Description

本発明は、強度および疲労限度が向上したバネ用線材、鋼線、バネおよびその製造方法に係り、より詳しくは、2,200MPa級の超高強度バネ鋼であり、強度および加工性に優れると同時に、高い温度でも窒化処理が容易であり、窒化処理特性と疲労限度が向上した線材、鋼線、バネおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to spring wire rod, steel wire, springs, and methods for manufacturing the same, and more specifically to ultra-high strength spring steel of the 2,200 MPa class, which has excellent strength and workability, is easy to nitride even at high temperatures, and has improved nitriding properties and fatigue limit, and relates to methods for manufacturing the same.

車両の軽量化によって、自動車部品に対する持続的な軽量化の要求に伴い、自動車変速機とエンジンバルブに用いられるバネも、持続的な高強度化を要求されている。しかしながら、バネ素材の高強度化によって線径が細くなり、介在物に対する感度が上がることにより、疲労限度が低下する。すなわち、強度の向上を通した疲労限度の向上には、限界がある。これを克服するために、バネ製造会社は、窒化処理により強度を維持し、表面硬度を向上させることによって、バネ素材の疲労限度を増加させようとした。 As vehicle weight reductions lead to a continuous demand for lighter automotive parts, springs used in automotive transmissions and engine valves are also required to be continuously stronger. However, as the strength of spring materials increases, the wire diameter becomes thinner and the sensitivity to inclusions increases, lowering the fatigue limit. In other words, there is a limit to how much the fatigue limit can be improved by improving strength. To overcome this, spring manufacturers have attempted to increase the fatigue limit of spring materials by maintaining strength and improving surface hardness through nitriding treatment.

通常、窒化処理は、他の部品では500℃以上で行われるが、バネ鋼の場合、強度の低下を防止するために、420~460℃で窒化処理を行い、十分な窒素浸透の深さを確保するために、10時間以上の長時間熱処理を行う。
通常のバネ鋼のテンパリング熱処理温度は、450℃以下であるから、420~450℃で長時間熱処理を行う場合、多くのバネ鋼は、強度が大きく低下するので、炭化物を形成して軟化抵抗性を向上させることができる元素が添加された高合金系素材を活用しなければならない。しかしながら、炭化物形成元素であるMo、Vなどの成分を多量に添加する場合、窒化処理時に強度の低下を抑制することができるが、中心部の偏析による低温組織が形成されることがあり、断面減少率が低下する問題が発生する虞がある。
Normally, nitriding is carried out at 500°C or higher for other parts, but in the case of spring steel, nitriding is carried out at 420-460°C to prevent a decrease in strength, and a long heat treatment of 10 hours or more is carried out to ensure sufficient nitrogen penetration depth.
Since the tempering heat treatment temperature for normal spring steel is 450°C or less, many spring steels lose strength significantly when heat treated for a long time at 420 to 450°C, and therefore high alloy materials containing elements capable of forming carbides and improving softening resistance must be used. However, although the addition of large amounts of carbide-forming elements such as Mo and V can suppress the loss of strength during nitriding, it can also cause the formation of a low-temperature structure due to segregation in the center, which can cause a problem of a decrease in the reduction of area.

また、バネ素材は、工程過程で高温熱処理過程が繰り返されるので、旧オーステナイト結晶粒径(Prior Austenite Grain Size,PAGS)の制御が問題になり、熱処理過程中の炭化物制御技術も必要である。
なお、バネ製造会社は、窒化処理時間を短縮するために、できるだけ、高い温度で窒化処理を実施し、工程時間を短縮することを希望し、同時に現場の生産性に問題のない高強度線材を必要としている。
このため、強度および加工性などの品質に優れると同時に、窒化処理特性および疲労限度が向上した線材および鋼線の開発が要求されている。
In addition, since the spring material is repeatedly subjected to high-temperature heat treatment during the manufacturing process, control of the prior austenite grain size (PAGS) becomes an issue, and a technology for controlling carbides during the heat treatment process is also required.
In addition, spring manufacturers desire to perform the nitriding treatment at as high a temperature as possible in order to shorten the nitriding treatment time, and at the same time, they require high-strength wire rod that does not affect on-site productivity.
For this reason, there is a demand for the development of wire rods and steel wires which are excellent in quality such as strength and workability, and at the same time, have improved nitriding properties and fatigue limit.

韓国公開特許第10-2000-0043776号公報Korean Patent Publication No. 10-2000-0043776

本発明は上記問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、強度および加工性に優れると同時に、高い温度でも窒化処理が容易であり、窒化処理特性と疲労限度が向上した線材、鋼線、バネおよびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above problems, and its purpose is to provide wire rod, steel wire, and springs that are excellent in strength and workability, can be easily nitrided even at high temperatures, and have improved nitriding properties and fatigue limit, as well as a manufacturing method for the same.

上記目的を達成するための本発明による強度および疲労限度が向上したバネ用線材は、重量%で、C:0.6~0.7%、Si:2.0~2.5%、Mn:0.2~0.7%、Cr:0.9~1.5%、P:0.015%以下、S:0.01%以下、Al:0.01%以下、N:0.01%以下、Mo:0.25%以下、W:0.25%以下、V:0.05%~0.2%以下、Nb:0.05%以下、残りのFeおよびその他不可避不純物からなり、Mn+Cr≦1.8%を満たし、0.05at%≦Mo+W≦0.15at%を満たし、長さ方向に垂直な断面の中心部1mm面積において、重量%で、C>0.85%、Si>3.0%、Mn>0.8%、Cr>2.0%のうち1つ以上を満たす面積の割合が10%以下であることを特徴とする。 The present invention provides a spring wire rod having improved strength and fatigue limit, which comprises, by weight, C: 0.6-0.7%, Si: 2.0-2.5%, Mn: 0.2-0.7%, Cr: 0.9-1.5%, P: 0.015% or less, S: 0.01% or less, Al: 0.01% or less, N: 0.01% or less, Mo: 0.25% or less, W: 0.25% or less, V: 0.05% to 0.2% or less, Nb: 0.05% or less, with the balance being Fe and other unavoidable impurities, and satisfies Mn+Cr≦1.8%, 0.05at%≦Mo+W≦0.15at%, and has a thickness of 1mm at the center of a cross section perpendicular to the longitudinal direction. In the steel sheet, the proportion of the area that satisfies, by weight, one or more of C>0.85%, Si>3.0%, Mn>0.8%, and Cr>2.0% is 10% or less.

前記線材は、面積分率でパーライト組織80%以上、残りのベイナイト組織またはマルテンサイト組織を含むことがよい。
前記線材は、旧オーステナイト平均粒径が20μm以下であることができる。
前記線材は、表面深さ1mm以内の長さ方向と水平な断面で、最大直径が15μm以上の炭窒化物が2個/cm未満で分布することが好ましい。
前記線材は、引張強度が1,400MPa以下であり、断面減少率が35%以上であることがよい。
The wire rod preferably contains, in terms of area fraction, 80% or more of pearlite structure, with the remainder being bainite structure or martensite structure.
The wire may have an average prior austenite grain size of 20 μm or less.
The wire preferably has carbonitrides with a maximum diameter of 15 μm or more distributed at less than 2 particles/cm 2 in a cross section parallel to the length direction within a surface depth of 1 mm.
The wire preferably has a tensile strength of 1,400 MPa or less and a cross-sectional area reduction rate of 35% or more.

上記目的を達成するための本発明による強度および疲労限度が向上したバネ用線材の製造方法は、重量%で、C:0.6~0.7%、Si:2.0~2.5%、Mn:0.2~0.7%、Cr:0.9~1.5%、P:0.015%以下、S:0.01%以下、Al:0.01%以下、N:0.01%以下、Mo:0.25%以下、W:0.25%以下、V:0.05%~0.2%以下、Nb:0.05%以下、残りのFeおよびその他不可避不純物からなる溶鋼を連続鋳造し、ブルーム(bloom)を用意する段階;前記ブルームを1,200℃以上の温度で加熱した後、ビレットに圧延する段階;前記ビレットを1,030℃以上で熱処理した後、1,000℃以下の温度で線材に圧延する段階;前記線材を800~900℃の温度で巻き取る段階;および前記巻き取った線材を0.5~2℃/sの速度で冷却する段階;を含むことを特徴とする。 To achieve the above object, the manufacturing method of the present invention for spring wire with improved strength and fatigue limit comprises, by weight percentage, C: 0.6-0.7%, Si: 2.0-2.5%, Mn: 0.2-0.7%, Cr: 0.9-1.5%, P: 0.015% or less, S: 0.01% or less, Al: 0.01% or less, N: 0.01% or less, Mo: 0.25% or less, W: 0.25% or less, V: 0.05%-0.2% or less, Nb: 0.05% or less, the remainder being Fe and It is characterized by including the steps of: continuously casting molten steel consisting of copper and other unavoidable impurities to prepare a bloom; heating the bloom at a temperature of 1,200°C or higher and rolling it into a billet; heat treating the billet at a temperature of 1,030°C or higher and rolling it into a wire at a temperature of 1,000°C or lower; winding the wire at a temperature of 800 to 900°C; and cooling the wound wire at a rate of 0.5 to 2°C/s.

前記連続鋳造段階は、総圧下量20mm以上で軽圧下することを含むことが好ましい。
前記軽圧下は、各圧延ロール別に4mm以下に圧延し、凝固分率が0.6以上のとき、累積圧下量が60%以上であることができる。
Preferably, the continuous casting step includes soft reduction with a total reduction of 20 mm or more.
The soft reduction may be performed by rolling each roll to 4 mm or less, and when the solidification fraction is 0.6 or more, the cumulative reduction amount may be 60% or more.

上記目的を達成するための本発明による強度および疲労限度が向上したバネ用鋼線は、重量%で、C:0.6~0.7%、Si:2.0~2.5%、Mn:0.2~0.7%、Cr:0.9~1.5%、P:0.015%以下、S:0.01%以下、Al:0.01%以下、N:0.01%以下、Mo:0.25%以下、W:0.25%以下、V:0.05%~0.2%以下、Nb:0.05%以下、残りのFeおよびその他不可避不純物からなり、Mn+Cr≦1.8%を満たし、0.05at%≦Mo+W≦0.15at%を満たし、面積分率で、焼き戻しマルテンサイト組織85%以上および残りのオーステナイト組織を含むことを特徴とする。 The spring steel wire according to the present invention, which has improved strength and fatigue limit and which is intended to achieve the above object, is characterized by comprising, by weight percentage, C: 0.6-0.7%, Si: 2.0-2.5%, Mn: 0.2-0.7%, Cr: 0.9-1.5%, P: 0.015% or less, S: 0.01% or less, Al: 0.01% or less, N: 0.01% or less, Mo: 0.25% or less, W: 0.25% or less, V: 0.05%-0.2% or less, Nb: 0.05% or less, the balance being Fe and other unavoidable impurities, satisfying Mn+Cr≦1.8%, and satisfying 0.05at%≦Mo+W≦0.15at%, and containing, by area fraction, 85% or more of tempered martensite structure and the balance being austenite structure.

前記鋼線は、旧オーステナイトの平均粒径が15μm以下であることがよい。
前記鋼線は、表面から深さ1mm以内の長さ方向と水平な断面で、最大直径が15μm以上の炭窒化物が2個/cm未満で分布することができる。
100μm面積において、炭化物の個数が10個~50個であり、前記炭化物は、最大直径が5~50nmであり、VまたはNbの含有量が10at%以上であることがよい。
前記鋼線は、引張強度が2,100MPa以上であり、断面減少率が45%以上であることができる。
The steel wire preferably has an average grain size of prior austenite of 15 μm or less.
The steel wire may have carbonitrides with a maximum diameter of 15 μm or more distributed at less than 2 particles/cm 2 in a cross section parallel to the length direction within a depth of 1 mm from the surface.
It is preferable that the number of carbides is 10 to 50 per 100 μm2 area, the maximum diameter of the carbides is 5 to 50 nm, and the content of V or Nb is 10 at % or more.
The steel wire may have a tensile strength of 2,100 MPa or more and a cross-sectional reduction rate of 45% or more.

上記目的を達成するための本発明による強度および疲労限度が向上したバネ用鋼線の製造方法は、前記線材をLP熱処理する段階;前記LP熱処理した線材を伸線し、鋼線を用意する段階;および前記鋼線をQT熱処理する段階;を含み、前記LP熱処理する段階は、3分以内に950~1100℃まで加熱した後、3分間以内で維持する第1オーステナイト化段階;および前記第1オーステナイト化した線材を650~700℃の鉛浴で3分以内に通過させる段階を含むことを特徴とする。 To achieve the above object, the method for manufacturing a spring steel wire with improved strength and fatigue limit according to the present invention includes the steps of subjecting the wire to LP heat treatment; drawing the LP heat-treated wire to prepare a steel wire; and subjecting the steel wire to QT heat treatment; the LP heat treatment step includes a first austenitizing step of heating the wire to 950-1100°C within 3 minutes and maintaining the temperature for 3 minutes or less; and passing the first austenitized wire through a lead bath at 650-700°C within 3 minutes.

前記LP熱処理する段階でパーライト変態完了時間は、130秒未満であることがよい。
前記LP熱処理する段階前に、前記線材をLA熱処理する段階をさらに含み、前記LA熱処理する段階は、650~750℃で熱処理する段階;および酸洗する段階;をさらに含んでもよい。
前記QT熱処理する段階は、3分以内に900~1000℃まで加熱した後3分間以内で維持する第2オーステナイト化段階;70℃以下で第1オイルクエンチする段階;3分以内に450~550℃まで加熱した後、3分間以内で維持するテンパリング段階;および70℃以下で第2オイルクエンチする段階;を含んでもよい。
The time required for completing pearlite transformation in the LP heat treatment step is preferably less than 130 seconds.
The method may further include a step of subjecting the wire to an LA heat treatment before the LP heat treatment, and the LA heat treatment may further include a step of heat treating at 650 to 750° C.; and a step of pickling.
The QT heat treatment step may include a second austenitizing step of heating to 900-1000°C within 3 minutes and maintaining for 3 minutes or less; a first oil quenching step at 70°C or less; a tempering step of heating to 450-550°C within 3 minutes and maintaining for 3 minutes or less; and a second oil quenching step at 70°C or less.

上記目的を達成するための本発明による強度および疲労限度が向上したバネは、重量%で、C:0.6~0.7%、Si:2.0~2.5%、Mn:0.2~0.7%、Cr:0.9~1.5%、P:0.015%以下、S:0.01%以下、Al:0.01%以下、N:0.01%以下、Mo:0.25%以下、W:0.25%以下、V:0.05%~0.2%以下、Nb:0.05%以下、残りのFeおよびその他不可避不純物からなり、Mn+Cr≦1.8%を満たし、0.05at%≦Mo+W≦0.15at%を満たし、千万回の繰り返し応力に耐えることができる疲労限度が700MPa以上であることを特徴とする。 The spring with improved strength and fatigue limit according to the present invention, which achieves the above objective, is characterized by being composed of, by weight percent, C: 0.6-0.7%, Si: 2.0-2.5%, Mn: 0.2-0.7%, Cr: 0.9-1.5%, P: 0.015% or less, S: 0.01% or less, Al: 0.01% or less, N: 0.01% or less, Mo: 0.25% or less, W: 0.25% or less, V: 0.05%-0.2% or less, Nb: 0.05% or less, with the remainder being Fe and other unavoidable impurities, satisfying Mn+Cr≦1.8%, 0.05at%≦Mo+W≦0.15at%, and having a fatigue limit of 700MPa or more that can withstand 10 million repeated stresses.

上記目的を達成するための本発明による強度および疲労限度が向上したバネの製造方法は、前記鋼線をバネの形状に冷間成形する段階;成形したバネを応力解消熱処理する段階;および420~450℃の温度で10時間以上窒化処理する段階;を含むことを特徴とする。
上記目的を達成するための本発明による強度および疲労限度が向上したバネの製造方法は、前記窒化処理後の疲労限度が10%以上増加することを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method for manufacturing a spring having improved strength and fatigue limit according to the present invention includes the steps of cold forming the steel wire into a spring shape; subjecting the formed spring to stress relief heat treatment; and nitriding the spring at a temperature of 420 to 450° C. for 10 hours or more.
In order to achieve the above object, the method of manufacturing a spring having improved strength and fatigue limit according to the present invention is characterized in that the fatigue limit after the nitriding treatment is increased by 10% or more.

本発明の一態様によれば、中心部偏析の低減により中心部の低温組織の発生を抑制し、優れた断面減少率を確保すると同時に、2,200MPa以上の引張強度を確保した線材、鋼線、バネおよびその製造方法を提供することができる。
本発明の他の態様によれば、結晶粒径および析出物の個数を制御することによって、窒化処理特性と疲労限度が向上した線材、鋼線、バネおよびその製造方法を提供することができる。
本発明の多様でかつ有益な利点及び効果は、上述した内容に限定されず、本発明の具体的な実施形態を説明する過程でより容易に理解することができる。
According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a wire rod, a steel wire, a spring, and a manufacturing method thereof, which suppress the generation of low-temperature structures in the center by reducing central segregation and ensure an excellent area reduction rate while at the same time ensuring a tensile strength of 2,200 MPa or more.
According to another aspect of the present invention, by controlling the crystal grain size and the number of precipitates, it is possible to provide a wire rod, a steel wire, and a spring having improved nitriding characteristics and fatigue limit, and a method for manufacturing the same.
The various and beneficial advantages and effects of the present invention are not limited to the above-mentioned contents, but can be more easily understood in the course of describing specific embodiments of the present invention.

本発明による強度および疲労限度が向上したバネ用線材は、重量%で、C:0.6~0.7%、Si:2.0~2.5%、Mn:0.2~0.7%、Cr:0.9~1.5%、P:0.015%以下、S:0.01%以下、Al:0.01%以下、N:0.01%以下、Mo:0.25%以下、W:0.25%以下、V:0.05%~0.2%以下、Nb:0.05%以下、残りのFeおよびその他不可避不純物からなり、Mn+Cr≦1.8%を満たし、0.05at%≦Mo+W≦0.15at%を満たし、長さ方向に垂直な断面の中心部1mm面積において、重量%で、C>0.85%、Si>3.0%、Mn>0.8%、Cr>2.0%のうち1つ以上を満たす面積の割合が10%以下である。 The spring wire rod according to the present invention, which has improved strength and fatigue limit, comprises, by weight, C: 0.6-0.7%, Si: 2.0-2.5%, Mn: 0.2-0.7%, Cr: 0.9-1.5%, P: 0.015% or less, S: 0.01% or less, Al: 0.01% or less, N: 0.01% or less, Mo: 0.25% or less, W: 0.25% or less, V: 0.05% to 0.2% or less, Nb: 0.05% or less, with the balance being Fe and other unavoidable impurities, and satisfies Mn+Cr≦1.8%, and 0.05at%≦Mo+W≦0.15at%, and has a central 1mm In the area 2 , the ratio of the area which satisfies, by weight percentage, one or more of C>0.85%, Si>3.0%, Mn>0.8%, and Cr>2.0% is 10% or less.

以下では、本発明の好ましい実施形態を説明する。しかしながら、本発明の実施形態は、様々な他の形態に変形されてもよく、本発明の技術思想が以下で説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野における平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。
本出願において使用する用語は、単に特定の例示を説明するために使用されるものである。したがって、単数の表現は、文脈上明らかに単数でなければならないものでない限り、複数の表現を含む。また、本出願において使用される「含む」または「具備する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、段階、機能、構成要素またはこれらを組み合わせたものが存在することを明確に指すために使用されるものであり、他の特徴や段階、機能、構成要素またはこれらを組み合わせたものの存在を予備的に排除するために使用されるものでないことに留意しなければならない。
In the following, preferred embodiments of the present invention will be described. However, the embodiments of the present invention may be modified into various other forms, and the technical concept of the present invention is not limited to the embodiments described below. Furthermore, the embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those having average knowledge in the art.
The terms used in this application are merely used to describe specific examples. Therefore, singular expressions include plural expressions unless the context clearly requires singularity. In addition, it should be noted that the terms "include" or "comprise" used in this application are used to clearly indicate the presence of features, steps, functions, components, or combinations thereof described in the specification, and are not used to preliminarily exclude the presence of other features, steps, functions, components, or combinations thereof.

なお、別段の定義がない限り、本明細書において使用されるすべての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者により一般的に理解されるのと同じ意味を有すると見なすべきである。したがって、本明細書において明確に定義しない限り、特定の用語が過度に理想的または形式的な意味で解釈されるべきではない。例えば、本明細書において単数の表現は、文脈上明らかに例外がない限り、複数の表現を含む。
また、本明細書の「約」、「実質的に」などは、言及した意味に固有の製造および物質許容誤差が提示されるとき、その数値またはその数値に近い意味で使用され、本発明の理解を助けるために正確または絶対的な数値が言及された開示内容を非良心的な侵害者が不当に利用することを防止するために使用される。
In addition, unless otherwise defined, all terms used in this specification should be considered to have the same meaning as that generally understood by a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs. Therefore, unless clearly defined in this specification, a specific term should not be interpreted in an overly ideal or formal sense. For example, in this specification, a singular expression includes a plural expression unless there is a clear exception in the context.
In addition, in this specification, the terms "about,""substantially," and the like are used to mean a numerical value or a approximation thereof when manufacturing and material tolerances inherent in the referred meaning are given, and are used to prevent unscrupulous infringers from unfairly taking advantage of the disclosure in which precise or absolute numerical values are referred to in order to aid in the understanding of the present invention.

本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上したバネ用線材は、重量%で、C:0.6~0.7%、Si:2.0~2.5%、Mn:0.2~0.7%、Cr:0.9~1.5%、P:0.015%以下、S:0.01%以下、Al:0.01%以下、N:0.01%以下、Mo:0.25%以下、W:0.25%以下、V:0.05%~0.2%以下、Nb:0.05%以下、残りのFeおよびその他不可避不純物からなる。
以下、各合金元素の成分範囲を限定した理由について説明する。以下では、特別な言及がない限り、単位は、重量%である。
The spring wire rod having improved strength and fatigue limit according to one embodiment of the present invention is composed, by weight, of C: 0.6-0.7%, Si: 2.0-2.5%, Mn: 0.2-0.7%, Cr: 0.9-1.5%, P: 0.015% or less, S: 0.01% or less, Al: 0.01% or less, N: 0.01% or less, Mo: 0.25% or less, W: 0.25% or less, V: 0.05% to 0.2% or less, Nb: 0.05% or less, with the remainder being Fe and other unavoidable impurities.
The reasons for limiting the range of each alloy element will be explained below. In the following, unless otherwise specified, the unit is weight percent.

Cの含有量は、0.6~0.7%である。
Cは、素材の強度を向上させる元素であり、素材の十分な強度を確保するために0.6%以上添加することができる。ただし、C含有量が過多の場合、QT(Quenching & Tempering)熱処理後に衝撃特性が大きく低下し、線材の生産時に低温組織の発生可能性が大きく増加し、線材の品質が劣化することがある。また、C含有量が過多の場合、鋼線の製造工程中の1つであるLP熱処理時間が大きく増加し、生産性が低下する。これを考慮して、C含有量の上限は、0.7%に限定することがよい。
The C content is 0.6 to 0.7%.
C is an element that improves the strength of a material, and can be added in an amount of 0.6% or more to ensure sufficient strength of the material. However, if the C content is excessive, the impact properties are significantly reduced after QT (Quenching & Tempering) heat treatment, and the possibility of low-temperature structures occurring during wire production is significantly increased, which may result in deterioration of the quality of the wire. In addition, if the C content is excessive, the time required for LP heat treatment, which is one of the manufacturing processes for steel wire, is significantly increased, resulting in reduced productivity. In consideration of this, it is preferable to limit the upper limit of the C content to 0.7%.

Siの含有量は、2.0~2.5%である。
Siは、鋼の脱酸のために用いられるだけでなく、固溶強化を通した強度の確保に有利な元素であり、窒化処理時に強度の低下を抑制し、バネの変形抵抗性を向上させるために、2.0%以上添加することができる。ただし、Si含有量が過多の場合、表面脱炭を誘発することがあり、材料の加工性が劣化する虞がある。これを考慮して、Si含有量の上限は、2.5%に限定することがよい。
The Si content is 2.0 to 2.5%.
Silicon is not only used for deoxidizing steel, but is also an element advantageous in ensuring strength through solid solution strengthening, and can be added in an amount of 2.0% or more to suppress the decrease in strength during nitriding and improve the deformation resistance of the spring. However, if the silicon content is excessive, it may induce surface decarburization, which may deteriorate the workability of the material. In consideration of this, it is preferable to limit the upper limit of the silicon content to 2.5%.

Mnの含有量は、0.2~0.7%である。
Mnは、硬化能向上元素であり、素材の硬化能と高強度焼き戻しマルテンサイト組織を確保し、SをMn化合物として固定して無害化するために0.2%以上添加することができる。ただし、Mn含有量が過多の場合、偏析によって品質が劣化する虞がある。これを考慮して、Mn含有量の上限を、0.7%に限定することがよい。
The Mn content is 0.2 to 0.7%.
Mn is an element that improves hardenability, and can be added in an amount of 0.2% or more to ensure the hardenability and high-strength tempered martensite structure of the material and to fix S as a Mn compound to render it harmless. However, if the Mn content is excessive, there is a risk of quality deterioration due to segregation. Taking this into consideration, it is preferable to limit the upper limit of the Mn content to 0.7%.

Crの含有量は、0.9~1.5%である。
Crは、Mnと共に硬化能向上元素であり、窒化処理時に鋼の軟化抵抗性を向上させるために0.9%以上添加することができる。ただし、Cr含有量が過多の場合、鋼線の靭性を大きく低下させ、線材を冷却中に低温組織の発生を助長する。これを考慮して、Cr含有量の上限は、1.5%に限定することがよい。
The Cr content is 0.9 to 1.5%.
Cr, together with Mn, is an element that improves hardening ability, and can be added in an amount of 0.9% or more to improve the softening resistance of steel during nitriding. However, if the Cr content is excessive, it significantly reduces the toughness of the steel wire and promotes the generation of low-temperature structures during cooling of the wire rod. In consideration of this, it is preferable to limit the upper limit of the Cr content to 1.5%.

Pの含有量は、0.015%以下である。
Pは、結晶粒界に偏析して素材の靭性を低下させ、水素遅延破壊抵抗性を低下させる元素であるから、最大限鉄鋼材料から除去することが好ましい。これを考慮して、P含有量の上限は、0.015%に限定することがよい。
The P content is 0.015% or less.
Since P is an element that segregates at grain boundaries and reduces the toughness of the material and the resistance to hydrogen-induced delayed fracture, it is preferable to remove it from the steel material as much as possible. Taking this into consideration, it is preferable to limit the upper limit of the P content to 0.015%.

Sの含有量は、0.01%以下である。
Sは、Pと同様に、結晶粒界に偏析して靭性を低下させるだけでなく、MnSを形成して、水素遅延破壊抵抗性を低下させる虞がある。これを考慮して、S含有量の上限は、0.01%に限定することがよい。
The S content is 0.01% or less.
Like P, S not only segregates at grain boundaries to reduce toughness, but also forms MnS, which may reduce hydrogen-delayed fracture resistance. In consideration of this, it is preferable to limit the upper limit of the S content to 0.01%.

Alの含有量は、0.01%以下である。
Alは、強力な脱酸元素であり、鋼中の酸素を除去して、清浄度を高めることができるが、Al介在物を形成し、疲労抵抗性を低下させる虞がある。これを考慮して、Al含有量の上限は、0.01%に限定することがよい。
The Al content is 0.01% or less.
Al is a strong deoxidizing element and can remove oxygen from steel to increase cleanliness, but it may form Al2O3 inclusions and reduce fatigue resistance. In consideration of this, it is preferable to limit the upper limit of the Al content to 0.01 %.

Nの含有量は、0.01%以下である。
Nは、不純物や、AlまたはVと結合し、熱処理時に溶解しない粗大なAlNまたはVN析出物を形成する。これを考慮して、N含有量の上限は、0.01%に限定することがよい。
The N content is 0.01% or less.
N combines with impurities, Al, or V to form coarse AlN or VN precipitates that do not dissolve during heat treatment. Taking this into consideration, it is preferable to set the upper limit of the N content to 0.01%.

Moの含有量は、0.25%以下である。
Moは、窒化処理用素材で軟化抵抗性を向上させ、Vと共に炭化物を形成し、テンパリング時に強度を高める元素である。また、Moは、MC炭化物を形成し、長時間熱処理にも素材の強度を維持する元素である。しかしながら、Mo含有量が過多の場合、パーライト組織の形成を抑制し、線材の圧延後に低温組織の形成により線材の品質が劣化する虞がある。また、Mo含有量が過多の場合、伸線加工前にLP熱処理時にも、パーライト変態を抑制し、パーライト変態時間が増加した結果、生産性を大きく低下させる。これを考慮して、Moの含有量の上限は、0.25%に限定することがよい。
The Mo content is 0.25% or less.
Mo is an element that improves the softening resistance of the nitriding material, forms carbides together with V, and increases the strength during tempering. Mo also forms MC carbides and maintains the strength of the material even during long-term heat treatment. However, if the Mo content is excessive, the formation of pearlite structure is suppressed, and there is a risk that the quality of the wire will deteriorate due to the formation of a low-temperature structure after rolling the wire. In addition, if the Mo content is excessive, pearlite transformation is suppressed even during LP heat treatment before wire drawing, and the pearlite transformation time is increased, resulting in a significant decrease in productivity. In consideration of this, it is preferable to limit the upper limit of the Mo content to 0.25%.

Wの含有量は、0.25%以下である。
Wは、Moと共に、窒化処理用素材として軟化抵抗性を向上させることができる元素であり、Moと同様に、MC炭化物を形成し、長時間熱処理時にも素材の強度を維持させることができる。しかしながら、W含有量が過多の場合、パーライト形成を抑制し、線材に低温組織の形成を助長させる虞がある。これを考慮して、W含有量の上限は、0.25%に限定することよい。
The W content is 0.25% or less.
W, together with Mo, is an element that can improve the softening resistance of a nitriding material, and like Mo, it forms MC carbides and can maintain the strength of the material even during long-term heat treatment. However, if the W content is excessive, there is a risk that the formation of pearlite will be suppressed and the formation of low-temperature structures will be promoted in the wire rod. In consideration of this, it is preferable to limit the upper limit of the W content to 0.25%.

Vの含有量は、0.05~0.2%である。
Vは、Moと共に、窒化処理用素材において軟化抵抗性を向上させる元素であり、炭化物を形成し、テンパリング時に強度を高め、長時間の窒化処理でも強度を維持させることができる。また、Vは、MoとWとは異なり、炭化物の固溶温度が高いため、旧オーステナイト結晶粒径を維持させる役割をする。Vは、パーライト変態を加速化させるので、線材の生産時に低温組織を抑制することができる。Vは、LP熱処理中に恒温変態時間をも短縮させるので、鋼線の製造工程時に生産性を向上させることができるため、0.05%以上添加することができる。ただし、Vの含有量が過多の場合、線材の生産過程で粗大な炭窒化物を形成させる虞があり、線材の圧延時に加熱炉の温度を高くしなければならない。これを考慮して、V含有量の上限は、0.2%に限定することがよい。
The V content is 0.05 to 0.2%.
V, together with Mo, is an element that improves the softening resistance of materials for nitriding, and can form carbides to increase strength during tempering and maintain strength even during long-term nitriding. In addition, unlike Mo and W, V has a high carbide solid solution temperature, so it plays a role in maintaining the prior austenite grain size. V accelerates pearlite transformation, so it can suppress low-temperature structures during wire production. V also shortens the isothermal transformation time during LP heat treatment, so it can improve productivity during the steel wire manufacturing process, and can be added in an amount of 0.05% or more. However, if the V content is excessive, there is a risk of forming coarse carbonitrides during the wire production process, so the temperature of the heating furnace must be increased during the rolling of the wire. In consideration of this, it is preferable to limit the upper limit of the V content to 0.2%.

Nbの含有量は、0.05%以下である。
Nbは、炭窒化物形成元素であり、Vより固溶温度がさらに高いため、Vに比べて旧オーステナイト結晶粒径の制御効果に優れている。ただし、Nbの含有量が過多の場合、旧オーステナイト結晶粒径が粗大化する問題が発生する虞がある。これを考慮して、Nb含有量の上限は、0.05%に限定することがよく、旧オーステナイト結晶粒径を製造工程を通じて制御する場合には、Nbの添加を省略することができる。
The Nb content is 0.05% or less.
Nb is a carbonitride forming element and has a higher solid solution temperature than V, and therefore has a better effect of controlling the prior austenite grain size than V. However, if the Nb content is excessive, there is a risk of the prior austenite grain size becoming coarse. In consideration of this, the upper limit of the Nb content is preferably set to 0.05%, and when the prior austenite grain size is controlled through the manufacturing process, the addition of Nb can be omitted.

前記組成以外の残りの成分は、鉄(Fe)である。ただし、通常の製造過程では、原料または周囲環境から意図しない不純物が不可避的に混入することがあり、これを排除することはできない。これらの不純物は、通常の製造過程の技術者なら誰でも知ることができるので、そのすべての内容について本明細書では特に言及しない。 The remaining component other than the above composition is iron (Fe). However, in normal manufacturing processes, unintended impurities may be unavoidably mixed in from the raw materials or the surrounding environment, and these cannot be eliminated. These impurities are known to any engineer of normal manufacturing processes, so all of their contents will not be mentioned in this specification.

本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上した線材は、重量%で、Mn+Cr≦1.8%を満たすことができる。
MnとCrの和が1.8%を超過する場合には、線材の冷却過程でベイナイトまたはマルテンサイトのような低温組織を生成することになり、LP熱処理時にパーライト変態完了時間が長くなる虞がある。また、MnとCrの和が1.8%を超過する場合には、炭素当量(Carbon Equivalent,Ceq)が大きく増加し、WとMoの添加量が制限されることにより、窒化処理時に素材の強度低下を防止することができない。また、炭素当量が増加する場合、パーライト変態時間が長くなり、線材の冷却過程中に完全なパーライト組織を確保せず、LP熱処理時間が長くなり、生産性が低下する問題が発生する。
また、本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上した線材は、0.05at%≦Mo+W≦0.15at%を満たすことができる。ここで、at%は、原子量%を意味する。
MoとWのat%の和が0.05at%未満の場合には、窒化処理時に強度低下を抑制せず、窒化処理鋼として使用しにくい。一方、MoとWのat%の和が0.15at%を超過する場合には、炭素当量が増加し、パーライト変態時間が遅れることにより、生産性が低下する問題が発生する。
なお、at%に制御する理由は、MoとWは、MC(M=MoまたはW、C=炭素)形態の炭化物を形成し、強度の向上に寄与するので、MoとWを炭化物と1:1で対応させるためである。
The wire rod having improved strength and fatigue limit according to an embodiment of the present invention can satisfy, in weight percent, Mn+Cr≦1.8%.
If the sum of Mn and Cr exceeds 1.8%, a low-temperature structure such as bainite or martensite is generated during the cooling process of the wire rod, and the time to complete pearlite transformation during LP heat treatment may be extended. In addition, if the sum of Mn and Cr exceeds 1.8%, the carbon equivalent (Ceq) increases significantly, and the amount of W and Mo added is limited, so that it is not possible to prevent the strength of the material from decreasing during nitriding. In addition, if the carbon equivalent increases, the pearlite transformation time increases, and a complete pearlite structure is not secured during the cooling process of the wire rod, which results in a problem of increased LP heat treatment time and reduced productivity.
In addition, the wire having improved strength and fatigue limit according to an embodiment of the present invention may satisfy 0.05 at%≦Mo+W≦0.15 at%, where at% means atomic weight%.
If the sum of the atomic percentages of Mo and W is less than 0.05 atomic percent, the strength loss during nitriding is not suppressed, making it difficult to use as a nitrided steel. On the other hand, if the sum of the atomic percentages of Mo and W exceeds 0.15 atomic percent, the carbon equivalent increases, and the pearlite transformation time is delayed, resulting in a problem of reduced productivity.
The reason for controlling the content to atomic % is that Mo and W form carbides in the form of MC (M=Mo or W, C=carbon) and contribute to improving strength, so that Mo and W correspond to the carbides in a 1:1 ratio.

本発明の一実施形態による線材は、LP(Lead Patenting)熱処理時にパーライト変態完了時間を130秒未満で確保することができる。ここで、LP熱処理工程は、950~1100℃で加熱した後、650~750℃に急冷する段階を含む。LP熱処理時にパーライト変態完了時間が130秒を超過する場合、生産性が低下する問題が発生する。
また、本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上した線材は、面積分率で80%以上のパーライト組織を含んでもよい。
本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上した線材は、旧オーステナイト平均粒径が20μm以下であることがよい。旧オーステナイト平均粒径が20μmを超過する場合には、LP熱処理工程の時間が増加し、線材の加工性が劣化する問題が発生する。
The wire rod according to an embodiment of the present invention can ensure that the pearlite transformation completion time during LP (Lead Patenting) heat treatment is less than 130 seconds. Here, the LP heat treatment process includes heating at 950 to 1100° C. and then quenching to 650 to 750° C. If the pearlite transformation completion time during LP heat treatment exceeds 130 seconds, a problem of reduced productivity occurs.
Furthermore, the wire rod having improved strength and fatigue limit according to an embodiment of the present invention may include a pearlite structure having an area fraction of 80% or more.
In the wire rod having improved strength and fatigue limit according to an embodiment of the present invention, the prior austenite average grain size is preferably 20 μm or less. If the prior austenite average grain size exceeds 20 μm, the time of the LP heat treatment process increases, and the workability of the wire rod deteriorates.

本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上した線材は、長さ方向に垂直な断面の中心部1mm面積において、重量%で、C>0.85%、Si>3.0%、Mn>0.8%、Cr>2.0%のうち1つ以上を満たす面積の割合が10%以下であることがよい。
上記面積割合が10%を超過すると、中心部偏析によって低温組織が発生するなど素材の品質が劣化し、鋼線の製造後に断面減少率(Reduction of Area,RA)が劣化し、これにより、加工性が低下し、バネ加工時に破損頻度が高くなる問題が発生する。また、上記面積が10%を超過する場合、中心部に炭化物形成元素の集中によって、炭化物効果が減少する虞がある。
本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上した線材は、表面深さ1mm以内の長さ方向と水平な断面で、最大直径が15μm以上の炭窒化物が2個/cm未満で分布してもよい。
線材の表面に15μm以上の炭窒化物が存在する場合には、素材に疲労破損が発生する虞がある。したがって、表面深さ1mm以内の長さ方向と水平な断面で、最大直径が15μm以上の炭窒化物が2個/cm未満で存在することが好ましい。
本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上した線材は、引張強度が1,400MPa以下であり、断面減少率(RA)が35%以上であることがよい。
In the wire rod having improved strength and fatigue limit according to an embodiment of the present invention, the percentage of an area of 1 mm2 at the center of a cross section perpendicular to the longitudinal direction that satisfies one or more of C>0.85%, Si>3.0%, Mn>0.8%, and Cr>2.0% by weight is preferably 10% or less.
If the area ratio exceeds 10%, the quality of the material is degraded, such as the generation of low-temperature structures due to central segregation, and the reduction of area (RA) is degraded after the steel wire is manufactured, which leads to problems of reduced workability and increased frequency of breakage during spring processing. Also, if the area ratio exceeds 10%, there is a risk of the carbide effect being reduced due to the concentration of carbide-forming elements in the central area.
In the wire having improved strength and fatigue limit according to an embodiment of the present invention, carbonitrides having a maximum diameter of 15 μm or more may be distributed at less than 2 particles/ cm2 in a cross section parallel to the length direction within a surface depth of 1 mm.
If carbonitrides of 15 μm or more exist on the surface of the wire, there is a risk of fatigue damage occurring in the material. Therefore, it is preferable that carbonitrides of 15 μm or more with a maximum diameter are present in a number of less than 2 pieces/ cm2 in a cross section parallel to the longitudinal direction within a surface depth of 1 mm.
The wire rod having improved strength and fatigue limit according to one embodiment of the present invention may have a tensile strength of 1,400 MPa or less and a reduction in area (RA) of 35% or more.

次に、本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上したバネ用線材の製造方法について説明する。
本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上したバネ用線材の製造方法は、重量%で、C:0.6~0.7%、Si:2.0~2.5%、Mn:0.2~0.7%、Cr:0.9~1.5%、P:0.015%以下、S:0.01%以下、Al:0.01%以下、N:0.01%以下、Mo:0.25%以下、W:0.25%以下、V:0.05%~0.2%以下、Nb:0.05%以下、残りのFeおよびその他不可避不純物からなる溶鋼を連続鋳造し、ブルーム(bloom)を用意する段階;前記ブルームを1,200℃以上の温度で加熱した後、ビレットに圧延する段階;前記ビレットを1,030℃以上で熱処理した後、1,000℃以下の温度で線材に圧延する段階;前記圧延した線材を800~900℃の温度で巻き取る段階;および前記巻き取った線材を0.5~2℃/secの速度で冷却する段階;を含む。
各合金元素の成分範囲を限定した理由は、上述したとおりりであり、以下、各製造段階についてより詳細に説明する。
Next, a method for producing a spring wire having improved strength and fatigue limit according to an embodiment of the present invention will be described.
According to one embodiment of the present invention, a method for producing a spring wire having improved strength and fatigue limit comprises the following components by weight: C: 0.6-0.7%, Si: 2.0-2.5%, Mn: 0.2-0.7%, Cr: 0.9-1.5%, P: 0.015% or less, S: 0.01% or less, Al: 0.01% or less, N: 0.01% or less, Mo: 0.25% or less, W: 0.25% or less, V: 0.05% to 0.2% or less, Nb: 0.05% or less, the remainder being Fe and the like. The method includes the steps of: continuously casting molten steel containing the above-mentioned components and inevitable impurities to prepare a bloom; heating the bloom at a temperature of 1,200°C or higher and then rolling it into a billet; heat-treating the billet at a temperature of 1,030°C or higher and then rolling it into a wire at a temperature of 1,000°C or lower; coiling the rolled wire at a temperature of 800 to 900°C; and cooling the coiled wire at a rate of 0.5 to 2°C/sec.
The reasons for limiting the component ranges of each alloying element are as described above, and each manufacturing step will be described in more detail below.

本発明の一実施形態によれば、前記連続鋳造段階は、総圧下量20mm以上で軽圧下することを含む。
連続鋳造機内において、未凝固層を有する凝固末期の鋳片を凝固収縮量と熱収縮量との和に相当するような総圧下量および圧下速度で、圧下ロール群(collection of reduction rolls)により徐々に圧下しつつ鋳造する方法を軽圧下という。ここで、総圧下量とは、圧下の開始から圧下の終了までの圧下量である。総圧下量が20mm未満の場合には、軽圧下による偏析除去効果を確保しにくい問題があるため、線材の偏析を最小化するために、軽圧下の総圧下量を20mm以上に制御することが好ましい。
また、本発明の一実施形態によれば、前記軽圧下は、各圧延ロール別に4mm以下で圧延し、凝固分率が0.6以上のとき、累積圧下量が60%以上となるように行われることがよい。凝固分率とは、全体溶鋼の重量に対して固相(solid phase)となった溶鋼の重量の比を意味する。
鋳造速度が遅すぎると、軽圧下前に凝固が完了し、固相に比べて液相の割合が極めて少ないため、軽圧下による偏析除去効果を確保しにくい。一方、鋳造速度が速すぎると、固相に比べて液相の割合が極めて多くなり、凝固収縮による偏析が生成し、好ましくない。したがって、凝固分率が0.6以上のとき、圧下量を60%以上となるように鋳造速度を制御する必要がある。
According to one embodiment of the present invention, the continuous casting step includes soft reduction with a total reduction of 20 mm or more.
Soft reduction refers to a method of casting a slab having an unsolidified layer at the final stage of solidification in a continuous casting machine while gradually reducing it with a collection of reduction rolls at a total reduction amount and reduction speed equivalent to the sum of the solidification shrinkage amount and the thermal shrinkage amount. Here, the total reduction amount is the reduction amount from the start of reduction to the end of reduction. If the total reduction amount is less than 20 mm, it is difficult to ensure the effect of removing segregation by soft reduction, so in order to minimize segregation of the wire rod, it is preferable to control the total reduction amount of soft reduction to 20 mm or more.
According to an embodiment of the present invention, the soft reduction is preferably performed by rolling each roll to 4 mm or less, and when the solidification fraction is 0.6 or more, the cumulative reduction amount is 60% or more. The solidification fraction means the ratio of the weight of the molten steel that has become a solid phase to the weight of the entire molten steel.
If the casting speed is too slow, solidification is completed before soft reduction, and the ratio of the liquid phase to the solid phase is extremely small, making it difficult to ensure the effect of removing segregation by soft reduction. On the other hand, if the casting speed is too fast, the ratio of the liquid phase to the solid phase becomes extremely high, which is undesirable because segregation occurs due to solidification shrinkage. Therefore, when the solidification fraction is 0.6 or more, it is necessary to control the casting speed so that the reduction amount is 60% or more.

冷却水は、軽圧下が完了する地点まで凝固が完了できるように使用量を適切に調節する。Mold-EMS(Mold Electro Magnetic Stirrer)とStrand-EMSは、設備によって従来のバネ鋼の条件に従ったり、任意に設定することができる。
通常のバネ用線材とは異なり、窒化処理用バネ鋼は、高合金成分が多く添加されるので、内部の炭窒化物を制御する必要がある。これにより、本発明の一実施形態によれば、上記で用意したブルームを1,200℃以上の温度で加熱した後、ビレットに圧延し、内部の炭窒化物を最小化することができる。
その後、前記ビレットを1,030℃以上で熱処理した後、1,000℃以下の温度で線材に圧延することができる。
The amount of cooling water used is appropriately adjusted so that solidification is completed until the point where soft reduction is completed. Mold-EMS (Mold Electro Magnetic Stirrer) and Strand-EMS can be set according to the conventional spring steel conditions or arbitrarily depending on the equipment.
Unlike ordinary spring wires, spring steel for nitriding treatment contains a large amount of high alloying elements, and therefore, it is necessary to control the carbonitrides inside. Therefore, according to one embodiment of the present invention, the bloom prepared as described above is heated at a temperature of 1,200° C. or more, and then rolled into a billet, thereby minimizing the carbonitrides inside.
The billet may then be heat treated at a temperature of at least 1,030°C and then rolled into wire at a temperature of at most 1,000°C.

ビレットの熱処理温度が1030℃未満の場合には、素材内V成分が十分に溶解しないので、炭化物を固溶させることができず、最終製品で軟化抵抗性が低下する問題が発生する。線材に圧延する段階は、巻き取り温度を900℃以下で行うことができるように、1000℃以下の温度で行うことがよい。
その後、前記圧延した線材を800~900℃の温度で巻き取ることができる。
線材に圧延する段階の温度と巻き取る段階の温度との差が大きい場合、局部的な過多冷却によるF脱炭がひどく発生する虞がある。これを考慮して、圧延した線材を巻き取る段階は、800~900℃の温度で行われることがよい。
これにより、前記巻き取った線材を0.5~2℃/sの速度で冷却することができる。
If the heat treatment temperature of the billet is less than 1030°C, the V component in the material does not dissolve sufficiently, and the carbide cannot be solid-dissolved, resulting in a problem of reduced softening resistance in the final product. The step of rolling into a wire rod is preferably performed at a temperature of 1000°C or less so that the coiling temperature can be 900°C or less.
The rolled wire can then be coiled at a temperature of 800-900°C.
If the temperature difference between the rolling step and the coiling step is large, there is a risk of F decarburization occurring severely due to localized excessive cooling. In consideration of this, it is preferable that the coiling step of the rolled wire is performed at a temperature of 800 to 900°C.
This allows the wound wire to be cooled at a rate of 0.5 to 2° C./s.

通常、バネ用線材とは異なって、窒化処理用バネ鋼は、高合金成分が多く添加されるので、低温組織を抑制する必要がある。巻き取った線材を0.5℃/s未満の速度で冷却する場合には、脱炭が発生することがある。一方、冷却速度が2℃/sを超過する場合には、低温組織によって素材に破断が発生することがある。
次に、本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上したバネ用鋼線について説明する。
Unlike ordinary spring wires, spring steel for nitriding treatment contains many high alloying elements, so it is necessary to suppress the low-temperature structure. If the wound wire is cooled at a rate of less than 0.5°C/s, decarburization may occur. On the other hand, if the cooling rate exceeds 2°C/s, the low-temperature structure may cause the material to break.
Next, a spring steel wire having improved strength and fatigue limit according to one embodiment of the present invention will be described.

本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上したバネ用鋼線は、重量%で、C:0.6~0.7%、Si:2.0~2.5%、Mn:0.2~0.7%、Cr:0.9~1.5%、P:0.015%以下、S:0.01%以下、Al:0.01%以下、N:0.01%以下、Mo:0.25%以下、W:0.25%以下、V:0.05%~0.2%以下、Nb:0.05%以下、残りのFeおよびその他不可避不純物からなる。
本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上したバネ用鋼線は、Mn+Cr≦1.8%を満たすことが好ましい。
本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上したバネ用鋼線は、0.05at%≦Mo+W≦0.15at%を満たすことができる。
各合金元素の成分範囲を限定した理由は、上述したとおりである。
A spring steel wire with improved strength and fatigue limit according to one embodiment of the present invention contains, by weight, C: 0.6-0.7%, Si: 2.0-2.5%, Mn: 0.2-0.7%, Cr: 0.9-1.5%, P: 0.015% or less, S: 0.01% or less, Al: 0.01% or less, N: 0.01% or less, Mo: 0.25% or less, W: 0.25% or less, V: 0.05% to 0.2% or less, Nb: 0.05% or less, with the remainder being Fe and other unavoidable impurities.
The spring steel wire having improved strength and fatigue limit according to one embodiment of the present invention preferably satisfies Mn+Cr≦1.8%.
The spring steel wire having improved strength and fatigue limit according to an embodiment of the present invention can satisfy 0.05 at %≦Mo+W≦0.15 at %.
The reason for limiting the component range of each alloying element is as described above.

また、本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上したバネ用鋼線は、面積分率で、焼き戻しマルテンサイト組織85%以上および残りのオーステナイト組織を含むことができる。
本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上したバネ用鋼線は、旧オーステナイト平均粒径が15μm以下であることがよい。
本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上したバネ用鋼線は、長さ方向に垂直な断面の中心部1mm面積において、重量%で、C>0.85%、Si>3.0%、Mn>0.8%、Cr>2.0%のうち1つ以上を満たす面積の割合が10%以下であることが好ましい。
In addition, the spring steel wire having improved strength and fatigue limit according to an embodiment of the present invention may include, in terms of area fraction, 85% or more of a tempered martensite structure and the remaining austenite structure.
In the spring steel wire having improved strength and fatigue limit according to one embodiment of the present invention, the average prior austenite grain size may be 15 μm or less.
In the spring steel wire having improved strength and fatigue limit according to one embodiment of the present invention, it is preferable that the percentage of an area satisfying one or more of C>0.85%, Si>3.0%, Mn>0.8%, and Cr>2.0%, by weight, is 10% or less in a central 1 mm2 area of a cross section perpendicular to the longitudinal direction.

前述の面積割合が10%を超過すると、中心部の偏析によって低温組織が発生するなど素材の品質が劣化し、加工性が低下し、鋼線をバネ加工時の破損頻度が高くなる問題が発生する。前述の面積が10%を超過する場合、中心部に炭化物形成元素の集中によって、炭化物効果が低下することになる。
本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上したバネ用鋼線は、表面深さ1mm以内の長さ方向と水平な断面で、最大直径が15μm以上の炭窒化物の個数が100mm長さ当たり2個未満であることがよい。
鋼線の表面に15μm以上の炭窒化物がある場合には、素材に疲労破損が発生する虞がある。表面深さ1mm以内の長さ方向と水平な断面で、100mm長さ当たり2個未満で存在することが好ましい。
If the area ratio exceeds 10%, the quality of the material deteriorates due to the generation of low-temperature structures due to segregation in the center, and the workability decreases, resulting in problems such as an increase in the frequency of breakage during processing of the steel wire into springs. If the area ratio exceeds 10%, the carbide effect decreases due to the concentration of carbide-forming elements in the center.
In the spring steel wire having improved strength and fatigue limit according to an embodiment of the present invention, the number of carbonitrides having a maximum diameter of 15 μm or more in a cross section parallel to the longitudinal direction within a surface depth of 1 mm is preferably less than 2 per 100 mm length.
If carbonitrides of 15 μm or more are present on the surface of the steel wire, there is a risk of fatigue failure in the material. It is preferable that the number of carbonitrides present per 100 mm length is less than 2 in a cross section parallel to the longitudinal direction within a surface depth of 1 mm.

本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上したバネ用鋼線は、100μm面積において、炭化物の個数が10個~50個であり、前記炭化物は、最大直径が5~50nmであり、VまたはNbの含有量が10at%以上であることがよい。
VまたはNbを含む炭化物の場合、10nm以上に大きくなり始めると、Vだけでなく、Cr、Moなど他の炭化物形成元素も共に含んで成長するので、旧オーステナイト結晶粒の成長抑制と析出硬化に活用される炭化物形成元素の配分が適切に行われなければならない。
最大直径が5~50nmの炭化物の個数が10個未満の場合には、旧オーステナイト結晶粒径を制御しにくい問題がある。一方、最大直径が5~50nmである炭化物の個数が50個を超過する場合には、5nm以下の析出硬化に活用される量が少なくなり、鋼線の引張強度が低下する虞がある。
本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上したバネ用鋼線は、引張強度が2,100MPa以上であり、断面減少率(RA)が45%以上である。
In the spring steel wire having improved strength and fatigue limit according to one embodiment of the present invention, the number of carbides is 10 to 50 per 100 μm2 area, the maximum diameter of the carbides is 5 to 50 nm, and the content of V or Nb is 10 at% or more.
In the case of carbides containing V or Nb, when they start to grow to 10 nm or more, they grow containing not only V but also other carbide-forming elements such as Cr and Mo. Therefore, it is necessary to appropriately allocate the carbide-forming elements that are utilized for suppressing the growth of prior austenite grains and for precipitation hardening.
When the number of carbides having a maximum diameter of 5 to 50 nm is less than 10, it is difficult to control the prior austenite grain size. On the other hand, when the number of carbides having a maximum diameter of 5 to 50 nm exceeds 50, the amount of carbides having a diameter of 5 nm or less available for precipitation hardening is reduced, and the tensile strength of the steel wire may be reduced.
The spring steel wire having improved strength and fatigue limit according to one embodiment of the present invention has a tensile strength of 2,100 MPa or more and a reduction in area (RA) of 45% or more.

次に、本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上したバネ用鋼線を製造する方法について説明する。
本発明の一実施形態によるバネ用鋼線の製造方法は、本発明の一実施形態による線材をLA熱処理する段階;LP熱処理する段階;および前記線材を伸線し、鋼線を用意する段階;および前記鋼線をQT熱処理する段階;を含む。
Next, a method for producing a spring steel wire having improved strength and fatigue limit according to an embodiment of the present invention will be described.
A method for manufacturing a spring steel wire according to an embodiment of the present invention includes the steps of: subjecting a wire rod according to an embodiment of the present invention to an LA heat treatment; subjecting the wire rod to an LP heat treatment; drawing the wire rod to prepare a steel wire; and subjecting the steel wire to a QT heat treatment.

まず、本発明の一実施形態による線材を650~750℃で低温焼鈍熱処理(Low Temperature Annealing,LA)を行う。
これに限定されるものではないが、LA熱処理段階は、工程時間が長くなることにより、炭化物が粗大化し、後続工程で炭化物の制御が難しくなるので、2時間以内に行うことが好ましい。LA熱処理によって線材の強度は、1,200MPa以下に低くなり、必要に応じてLA熱処理段階を省略することができる。
First, the wire according to the embodiment of the present invention is subjected to low temperature annealing (LA) at 650 to 750°C.
Although not limited thereto, the LA heat treatment step is preferably performed within 2 hours since the carbide becomes coarse as the process time increases, making it difficult to control the carbide in the subsequent process. The strength of the wire rod is reduced to 1,200 MPa or less by the LA heat treatment, and the LA heat treatment step can be omitted as necessary.

その後、LA熱処理した線材を酸洗した後、LP(Lead Patenting,LP)熱処理を行う。
前記LP熱処理は、3分以内に950~1100℃まで加熱した後、3分間以内で維持する第1オーステナイト化段階および前記第1オーステナイト化した線材を650~700℃の鉛浴で3分以内に通過させる段階を含むことができる。
3分以内に950~1100℃までの加熱した後、3分間以内に維持するオーステナイト化(Austenitizing)工程を行うことによって、オーステナイト組織を確保すると同時に、LA工程で粗大化した炭化物をさらに固溶させることができる。
Thereafter, the wire that has been subjected to the LA heat treatment is pickled and then subjected to an LP (Lead Patenting, LP) heat treatment.
The LP heat treatment may include a first austenitizing step of heating to 950-1100°C within 3 minutes and maintaining the temperature for 3 minutes or less, and a step of passing the first austenitized wire through a lead bath at 650-700°C within 3 minutes.
By performing an austenitizing process in which the material is heated to 950 to 1100°C within 3 minutes and then maintained at that temperature for 3 minutes or less, it is possible to secure an austenitic structure and at the same time further dissolve the carbides that have become coarse in the LA process.

次に、前記第1オーステナイト化した線材を650~750℃の鉛浴に3分間以内で通過させて急冷し、恒温変態させてパーライト組織を確保することができる。鉛浴の温度が650℃未満の場合には、低温組織を形成することができる。一方、鉛浴の温度が750℃を超過する場合には、炭化物が粗大化し、強度が低下する。
その後、LP熱処理した線材を伸線し、鋼線を用意することができる。この際、用意した鋼線の線径は、5mmであることができ、鋼線の線径を2mm以下に確保するために、LP熱処理をさらに行う。
その後、焼き戻しマルテンサイト組織を確保するために、前記用意した鋼線にQT熱処理工程を行うことができる。
Next, the first austenitized wire is quenched in a lead bath at 650 to 750°C for 3 minutes or less, and isothermally transformed to obtain a pearlite structure. When the temperature of the lead bath is less than 650°C, a low-temperature structure can be formed. On the other hand, when the temperature of the lead bath exceeds 750°C, carbides become coarse and strength decreases.
Thereafter, the LP heat-treated wire is drawn to prepare a steel wire. At this time, the prepared steel wire may have a wire diameter of 5 mm, and in order to ensure that the wire diameter of the steel wire is 2 mm or less, the LP heat treatment is further performed.
Thereafter, the prepared steel wire may be subjected to a QT heat treatment process to ensure a tempered martensite structure.

本発明の一実施形態によれば、前記QT熱処理する段階は、3分間以内に900~1000℃まで加熱した後、3分間以内で維持する第2オーステナイト化段階;70℃以下に第1オイルクエンチする段階;3分間以内に450~550℃まで加熱した後、3分間以内で維持するテンパリング段階;および70℃以下で第2オイルクエンチする段階;を含んでもよい。
QT熱処理段階でオーステナイト化温度は、LP熱処理時に析出した微細な炭化物を維持できるように、900~1000℃で行うことができる。これに限定するものではないが、QT熱処理する段階でオーステナイト化工程は、6分間以内に行うことが好ましい。
QT熱処理する段階でテンパリング温度が450℃未満の場合には、窒化処理温度が低くなり、さらなる炭化物の形成を誘導できず、靭性が低下する問題が発生する。一方、QT熱処理する段階でテンパリング温度が550℃を超過する場合には、十分な強度を確保することができない。
According to an embodiment of the present invention, the QT heat treatment step may include a second austenitizing step of heating to 900-1000°C within 3 minutes and maintaining the temperature for 3 minutes or less; a first oil quenching step of heating to 450-550°C within 3 minutes and maintaining the temperature for 3 minutes or less; and a second oil quenching step of heating to 70°C or less.
In the QT heat treatment step, the austenitizing temperature can be 900 to 1000° C. so as to maintain the fine carbides precipitated during the LP heat treatment. Although not limited thereto, it is preferable that the austenitizing process in the QT heat treatment step is performed within 6 minutes.
If the tempering temperature in the QT heat treatment step is less than 450°C, the nitriding temperature is low, and further carbide formation cannot be induced, resulting in a problem of reduced toughness. On the other hand, if the tempering temperature in the QT heat treatment step is more than 550°C, sufficient strength cannot be secured.

次に、本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上したバネについて説明する。
本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上したバネは、重量%で、C:0.6~0.7%、Si:2.0~2.5%、Mn:0.2~0.7%、Cr:0.9~1.5%、P:0.015%以下、S:0.01%以下、Al:0.01%以下、N:0.01%以下、Mo:0.25%以下、W:0.25%以下、V:0.05%~0.2%以下、Nb:0.05%以下、残りのFeおよびその他不可避不純物からなり、Mn+Cr≦1.8%を満たし、0.05at%≦Mo+W≦0.15at%を満たす。
各合金元素の成分範囲を限定した理由は、上述した通りである。
Next, a spring having improved strength and fatigue limit according to an embodiment of the present invention will be described.
A spring with improved strength and fatigue limit according to one embodiment of the present invention consists, by weight, of C: 0.6-0.7%, Si: 2.0-2.5%, Mn: 0.2-0.7%, Cr: 0.9-1.5%, P: 0.015% or less, S: 0.01% or less, Al: 0.01% or less, N: 0.01% or less, Mo: 0.25% or less, W: 0.25% or less, V: 0.05% to 0.2% or less, Nb: 0.05% or less, with the remainder being Fe and other unavoidable impurities, and satisfies Mn+Cr≦1.8% and 0.05at%≦Mo+W≦0.15at%.
The reason for limiting the component range of each alloying element is as described above.

本発明の一実施形態によるバネは、窒化処理後、疲労限度が10%以上増加する。ここで、疲労限度(Fatigue Limit)は、バネの設計後、疲労テスト時に千万回以上の繰り返し荷重に耐えることができる限度を意味する。
本発明の一実施形態によるバネは、千万回の繰り返し応力に耐えることができる疲労限度が700MPa以上であることがよい。
本発明の一実施形態によるバネは、窒化処理の前後に、強度変化が15%以下であり、窒化処理温度が430℃以上であることがよい。
次に、本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上したバネを製造する方法について説明する。
本発明の一実施形態による強度および疲労限度が向上したバネ製造方法は、本発明の一実施形態による鋼線をバネの形成で冷間成形する段階;成形したバネを応力解消熱処理する段階;および窒化処理する段階;を含む。
The spring according to an embodiment of the present invention has a fatigue limit increased by 10% or more after nitriding. Here, the fatigue limit means a limit at which a spring can withstand repeated loads of 10 million times or more during a fatigue test after designing the spring.
The spring according to an embodiment of the present invention may have a fatigue limit of 700 MPa or more, which is sufficient to withstand repeated stresses of 10 million times.
In the spring according to one embodiment of the present invention, the change in strength before and after nitriding is preferably 15% or less, and the nitriding temperature is preferably 430° C. or more.
A method for manufacturing a spring with improved strength and fatigue limit according to an embodiment of the present invention will now be described.
A method for manufacturing a spring having improved strength and fatigue limit according to an embodiment of the present invention includes the steps of cold forming a steel wire according to an embodiment of the present invention into a spring; subjecting the formed spring to a stress relieving heat treatment; and subjecting the formed spring to a nitriding treatment.

本発明の一実施形態による鋼線は、バネの製造工程中にショットピーニング段階前に窒化処理によって疲労限度を向上させることができる。この際、窒化処理温度があまり低い場合には、窒素が表面に正確に浸透できず、一方、窒化処理温度があまり高い場合には、素材の中心部硬度が低下し、所望の素材強度を確保することができない。これを考慮して、窒化処理工程は、420~450℃の温度で10時間以上で行われることがよい。
以下、本発明を実施例に基づいてより詳細に説明する。しかしながら、このような実施例の記載は、本発明の実施を例示するためのものに過ぎず、このような実施例の記載によって本発明が制限されるわけではない。本発明の権利範囲は、特許請求範囲に記載された事項とこれから合理的に類推される事項によって決定される。
{実施例}
The steel wire according to an embodiment of the present invention can be improved in fatigue limit by nitriding before the shot peening step in the spring manufacturing process. If the nitriding temperature is too low, nitrogen cannot penetrate the surface accurately, while if the nitriding temperature is too high, the core hardness of the material decreases and the desired material strength cannot be ensured. In consideration of this, the nitriding process is preferably performed at a temperature of 420 to 450°C for 10 hours or more.
The present invention will be described in more detail below based on examples. However, the description of such examples is merely for illustrating the implementation of the present invention, and the present invention is not limited by the description of such examples. The scope of the present invention is determined by the matters described in the claims and matters that can be reasonably inferred from them.
{Example}

下記表1に示した多様な合金成分の範囲について、総軽圧下量10~25mmで連続鋳造工程を行って、ブルームを製造した。製造したブルームを1,200℃で均質化熱処理し、1050℃で熱処理した後、850℃まで温度を下げながら、最終線径6.5mmで熱間圧延し、最終線径6.5mmの線材を製造した。その後、圧延した線材を800~900℃で巻き取った後、1℃/sの速度で冷却した。 Blooms were produced by continuous casting with a total reduction of 10-25 mm for the various alloy composition ranges shown in Table 1 below. The produced blooms were homogenized at 1,200°C, heat treated at 1,050°C, and then hot rolled to a final wire diameter of 6.5 mm while lowering the temperature to 850°C to produce wire with a final diameter of 6.5 mm. The rolled wire was then coiled at 800-900°C and cooled at a rate of 1°C/s.

Figure 2024521927000001
Figure 2024521927000001

下記表2には、実施例および比較例のW+Moのat%含有量および総軽圧下量を示した。下記表2の偏析面積は、製造した線材の長さ方向に垂直な断面の中心部1mmを分析して導き出した。表2の「C偏析面積」は、長さ方向に垂直な断面の中心部1mm面積において、C>0.85重量%を満たす面積の割合を意味する。「Si偏析面積」は、長さ方向に垂直な断面の中心部1mm面積において、Si>3.0重量%を満たす面積の割合を意味する。「Mn偏析面積」は、長さ方向に垂直な断面の中心部1mm面積において、Mn>0.8重量%を満たす面積の割合を意味する。「Cr偏析面積」は、長さ方向に垂直な断面の中心部1mm面積において、Cr>2.0重量%を満たす面積の割合を意味する。偏析面積は、モデル名がEMPA-1600の電子マイクロアナライザー(Electron Probe X-ray Micro Analyzer,EPMA)を用いて測定した。 Table 2 below shows the at% contents of W+Mo and the total soft reduction amount of the examples and comparative examples. The segregation areas in Table 2 below were derived by analyzing the central 1 mm2 area of the cross section perpendicular to the length direction of the manufactured wire rod. "C segregation area" in Table 2 means the percentage of the area satisfying C>0.85 wt% in the central 1 mm2 area of the cross section perpendicular to the length direction. "Si segregation area" means the percentage of the area satisfying Si>3.0 wt% in the central 1 mm2 area of the cross section perpendicular to the length direction. "Mn segregation area" means the percentage of the area satisfying Mn>0.8 wt% in the central 1 mm2 area of the cross section perpendicular to the length direction. "Cr segregation area" means the percentage of the area satisfying Cr>2.0 wt% in the central 1 mm2 area of the cross section perpendicular to the length direction. The segregation area was measured using an electron microanalyzer (Electron Probe X-ray Micro Analyzer, EPMA) with a model name of EMPA-1600.

Figure 2024521927000002
Figure 2024521927000002

前記表2を参照すると、実施例1および2は、本願発明が提示した合金組成および総軽圧下量を満たした結果、C、Si、Mn、Cr偏析面積の和を10%以下で形成することができた。これに対し、比較例1は、総軽圧下量が20mm未満の10mmである結果、C、Si、Mn、Cr偏析面積の和が30%に達した。 Referring to Table 2 above, Examples 1 and 2 satisfied the alloy composition and total soft reduction amount proposed by the present invention, and as a result, the sum of the C, Si, Mn, and Cr segregation areas was able to be formed at 10% or less. In contrast, in Comparative Example 1, the total soft reduction amount was 10 mm, which is less than 20 mm, and as a result, the sum of the C, Si, Mn, and Cr segregation areas reached 30%.

下記表3には、前記製造された線材の引張強度、断面減少率(RA)、中心部低温組織、旧オーステナイト平均粒径、パーライト組織および炭窒化物個数を示した。旧オーステナイト平均粒径、パーライト組織および炭窒化物個数は、モデル名がJEOL、JSM-6610LVの走査電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)を用いて測定した。
下記表3の「○」は、低温組織が面積分率で20%を超過する場合を意味し、「×」は、低温組織が面積分率で20%以下の場合、「×」を意味する。
下記表3のパーライト組織は、3mの線材を8等分し、8個の試験片を製造した後、それぞれの試験片を長さ方向に垂直な断面の微細組織を測定したとき、面積分率でパーライト組織が80%以上検出された試験片の個数を意味する。
下記表3の炭窒化物の個数は、10cm長さの線材を10等分し、長さが1cmの10個の試験片を製造した後、表面深さ1mm以内に長さ方向と水平な断面の微細組織を測定したとき、最大直径が15μm以上の炭窒化物の個数である。
The tensile strength, area reduction (RA), central low-temperature structure, average prior austenite grain size, pearlite structure, and number of carbonitrides of the manufactured wire rod are shown in Table 3. The average prior austenite grain size, pearlite structure, and number of carbonitrides were measured using a scanning electron microscope (SEM) of model JEOL, JSM-6610LV.
In Table 3 below, "◯" means that the low temperature structure exceeds 20% in terms of area fraction, and "×" means that the low temperature structure is 20% or less in terms of area fraction.
The pearlite structure in Table 3 below means the number of test specimens in which pearlite structure was detected in 80% or more of area fraction when a 3 m wire rod was divided into 8 equal parts to prepare 8 test specimens, and the microstructure of each test specimen was measured in a cross section perpendicular to the length direction.
The number of carbonitrides in Table 3 below is the number of carbonitrides having a maximum diameter of 15 μm or more when a wire rod having a length of 10 cm is divided into 10 equal parts to prepare 10 test pieces having a length of 1 cm, and the microstructure of a cross section parallel to the length direction is measured within a surface depth of 1 mm.

Figure 2024521927000003
Figure 2024521927000003

前記表3を参照すると、実施例1および2は、中心部に低温組織が形成されず、旧オーステナイト平均粒径が20μm以下で形成された。また、実施例1および2は、8個の試験片のうちパーライト組織が80%以上の試験片が6個以上であり、引張強度が1400MPa以下と加工性に優れていた。また、実施例1および2は、表面に炭窒化物が形成されなかった。
これに対し、比較例1は、引張強度が1400MPaを超過し、35%以下の断面減少率を有し、加工性が劣化し、中心部に低温組織が形成された。また、比較例1は、8個の試験片のうちパーライト組織が80%以上の試験片が5個に過ぎず、均一に80%以上のパーライト組織が形成されなかった。
Referring to Table 3, in Examples 1 and 2, low-temperature structures were not formed in the center, and prior austenite was formed with an average grain size of 20 μm or less. In addition, in Examples 1 and 2, of the eight test pieces, six or more test pieces had pearlite structures of 80% or more, and the tensile strength was 1400 MPa or less, which showed excellent workability. In addition, in Examples 1 and 2, no carbonitrides were formed on the surface.
In contrast, Comparative Example 1 had a tensile strength exceeding 1400 MPa, a cross-sectional area reduction rate of 35% or less, deteriorated workability, and a low-temperature structure was formed in the center. In addition, in Comparative Example 1, only five of the eight test pieces had a pearlite structure of 80% or more, and a pearlite structure of 80% or more was not uniformly formed.

比較例2は、表1の合金成分を参照すると、Vが0.05%未満で添加されることにより、旧オーステナイト平均粒径が20μmを超過した24μmで粗大化した。
比較例3は、引張強度が1510MPaであり、断面減少率が10%に過ぎず、加工性が劣化するだけでなく、中心部に低温組織が形成された。また、比較例3は、8個の試験片のうちパーライト組織が80%以上の試験片が2個に過ぎず、パーライト組織が十分に形成されなかった。
次に、実施例と比較例を720℃で2時間LA熱処理後、酸洗し、LP熱処理を行った。LP熱処理は、3分以内に第1オーステナイト化温度まで加熱し、残りは、下記表4の条件によって進めた。また、下記表4には、LP熱処理時に実施例と比較例のパーライト変態時間を示した。パーライト変態時間は、膨張計(dilatometry)実験を通じてTTT(Time-Temperature-Transformation)曲線を導き出して測定した。
In Comparative Example 2, referring to the alloy composition in Table 1, V was added in an amount of less than 0.05%, so that the average prior austenite grain size was coarsened to 24 μm, exceeding 20 μm.
In Comparative Example 3, the tensile strength was 1510 MPa, and the area reduction rate was only 10%, which not only deteriorated the workability but also formed a low-temperature structure in the center. In addition, in Comparative Example 3, only two of the eight test pieces had a pearlite structure of 80% or more, which means that the pearlite structure was not sufficiently formed.
Next, the examples and comparative examples were subjected to LA heat treatment at 720°C for 2 hours, pickled, and then subjected to LP heat treatment. The LP heat treatment was performed by heating to the first austenitizing temperature within 3 minutes, and the remaining time was performed according to the conditions in Table 4 below. Table 4 below also shows the pearlite transformation time of the examples and comparative examples during the LP heat treatment. The pearlite transformation time was measured by deriving a TTT (Time-Temperature-Transformation) curve through a dilatometry experiment.

Figure 2024521927000004
Figure 2024521927000004

実施例1および2は、パーライト変態時間がそれぞれ130秒未満の110秒、105秒と測定され、生産性に優れていた。これに対し、比較例3は、パーライト変態時間が130秒と測定され、現場生産が難しい程生産性が低下した。
次に、LP熱処理した実施例および比較例を伸線加工し、線径3mmの鋼線を製造した。製造した鋼線を第2オーステナイト化および第1クエンチした後、テンパリングおよび第2クエンチし、QT鋼線を得た。3分間以内に第2オーステナイト化温度まで加熱し、第1クエンチおよび第2クエンチは、60℃のオイル(Oil)で行われた。残りは、下記表5の条件によって進めた。
In Examples 1 and 2, the pearlite transformation times were measured as 110 seconds and 105 seconds, respectively, which were less than 130 seconds, and the productivity was excellent. In contrast, in Comparative Example 3, the pearlite transformation time was measured as 130 seconds, and the productivity was so low that on-site production was difficult.
Next, the LP heat-treated examples and comparative examples were wire-drawn to produce steel wires with a wire diameter of 3 mm. The produced steel wires were subjected to a second austenitization and a first quenching, and then tempered and a second quenching to obtain QT steel wires. The steel wires were heated to the second austenitization temperature within 3 minutes, and the first and second quenching were performed in oil at 60°C. The remaining conditions were as shown in Table 5 below.

Figure 2024521927000005
Figure 2024521927000005

下記表6は、製造したQT鋼線の引張強度、断面減少率(RA)および炭化物個数を示した。ここで、炭化物個数は、100μmの面積において、最大直径が5~50nmでVまたはNbの含有量が10at%以上の炭化物の数を意味する。炭化物個数は、FEI Tecnai OSIRIS透過電子顕微鏡(Transmission electron microscope,TEM)を用いて線材表面に任意の100μm面積の8ヶ所を測定した後、8ヶ所の測定値を平均した値である。 Table 6 below shows the tensile strength, area reduction (RA) and number of carbides of the manufactured QT steel wire. Here, the number of carbides means the number of carbides with a maximum diameter of 5-50 nm and a V or Nb content of 10 at% or more in an area of 100 μm2. The number of carbides is the average value of the measurements taken at eight arbitrary points of an area of 100 μm2 on the wire surface using a FEI Tecnai OSIRIS transmission electron microscope (TEM).

Figure 2024521927000006
Figure 2024521927000006

前記表6を参照すると、実施例1および2は、2200MPa以上の優れた引張強度を確保すると同時に、45%以上の断面減少率を確保した。また、実施例1および2は、炭化物数が10~50個で形成された。
これに対し、比較例1は、断面減少率が32%に過ぎず、炭化物数が50個を超過した。比較例2は、引張強度が2200MPa以下と劣化し、炭化物数が10個未満で形成され、旧オーステナイト平均粒径を制御しにくい問題が発生した。比較例4は、引張強度が2200MPa以下と劣化し、炭化物数が50個を超過した。
次に、前記QT鋼線をバネの形状に冷間成形した後、成形したバネを熱処理した後、420~450℃で窒化処理した。
Referring to Table 6, Examples 1 and 2 have excellent tensile strength of 2200 MPa or more and at the same time, have a cross-sectional area reduction rate of 45% or more. Also, Examples 1 and 2 have 10 to 50 carbides.
In contrast, in Comparative Example 1, the cross-sectional area reduction rate was only 32%, and the number of carbides exceeded 50. In Comparative Example 2, the tensile strength was degraded to 2200 MPa or less, and the number of carbides was less than 10, resulting in a problem of difficulty in controlling the average grain size of prior austenite. In Comparative Example 4, the tensile strength was degraded to 2200 MPa or less, and the number of carbides exceeded 50.
Next, the QT steel wire was cold-formed into a spring shape, and the formed spring was then heat-treated and then nitrided at 420 to 450°C.

下記表7は、バネの成形中に破損の有無、疲労限度および窒化処理後の疲労限度値を示した。
窒化処理の前および後の疲労限度は、応力比R(引張能力/圧縮能力)=-1および試験速度30~60Hzの条件で測定した。
下記表7で、「×」は、バネの成形中に破損していないことを意味し、「○」は、バネの成形中に破損したことを意味する。
Table 7 below shows the occurrence of breakage during the formation of the springs, their fatigue limits, and the fatigue limits after the nitriding treatment.
The fatigue limits before and after the nitriding treatment were measured under the conditions of a stress ratio R (tensile capacity/compressive capacity)=-1 and a test speed of 30 to 60 Hz.
In Table 7 below, "x" means that the spring was not damaged during molding, and "o" means that the spring was damaged during molding.

Figure 2024521927000007
Figure 2024521927000007

実施例1および実施例2は、加工性に優れており、破損せず、窒化処理前に疲労限度が650MPa以上と測定され、疲労限度に優れていた。また、実施例1および2は、窒化処理後に疲労限度が750MPa以上であり、窒化処理後に、窒化処理前に比べて疲労限度が10%以上増加し、窒化処理特性に優れていた。
これに対し、比較例1および2は、加工性が低下して破損し、窒化処理後に、窒化処理前に比べて疲労限度が10%未満の増加であった。
比較例4は、バネの加工中に破損こそ発生しなかったものの、窒化処理後に、窒化処理前に比べて疲労限度が10%以上増加せず、窒化処理特性が劣化していた。
Examples 1 and 2 were excellent in workability, did not break, and had a fatigue limit of 650 MPa or more before nitriding, indicating that they had excellent fatigue limits. Furthermore, Examples 1 and 2 had a fatigue limit of 750 MPa or more after nitriding, indicating that the fatigue limit increased by 10% or more after nitriding compared to before nitriding, indicating that they had excellent nitriding characteristics.
In contrast, in Comparative Examples 1 and 2, the workability decreased and breakage occurred, and the fatigue limit after the nitriding treatment increased by less than 10% compared to before the nitriding treatment.
In Comparative Example 4, although no breakage occurred during processing of the spring, the fatigue limit after the nitriding treatment did not increase by 10% or more compared to before the nitriding treatment, and the nitriding characteristics were deteriorated.

開示された実施例によれば、合金組成および製造条件を最適化することによって、優れた引張強度と断面減少率を確保すると同時に、窒化処理特性および疲労限度が向上し、自動車変速ギアおよびエンジンバルブなどの素材に適用が可能である。 According to the disclosed embodiment, by optimizing the alloy composition and manufacturing conditions, excellent tensile strength and area reduction rate are ensured while improving nitriding characteristics and fatigue limit, making it applicable to materials such as automobile transmission gears and engine valves.

本発明の一例によれば、強度および疲労限度が向上したバネ用線材、鋼線、バネおよびその製造方法を提供することができる。 According to one example of the present invention, it is possible to provide spring wire, steel wire, springs, and manufacturing methods thereof that have improved strength and fatigue limit.

Claims (15)

重量%で、C:0.6~0.7%、Si:2.0~2.5%、Mn:0.2~0.7%、Cr:0.9~1.5%、P:0.015%以下、S:0.01%以下、Al:0.01%以下、N:0.01%以下、Mo:0.25%以下、W:0.25%以下、V:0.05%~0.2%以下、Nb:0.05%以下、残りのFeおよびその他不可避不純物からなり、
Mn+Cr≦1.8%を満たし、
0.05at%≦Mo+W≦0.15at%を満たし、
長さ方向に垂直な断面の中心部1mm面積において、重量%で、C>0.85%、Si>3.0%、Mn>0.8%、Cr>2.0%のうち1つ以上を満たす面積の割合が10%以下であることを特徴とする強度および疲労限度が向上したバネ用線材。
In weight percent, it is composed of C: 0.6 to 0.7%, Si: 2.0 to 2.5%, Mn: 0.2 to 0.7%, Cr: 0.9 to 1.5%, P: 0.015% or less, S: 0.01% or less, Al: 0.01% or less, N: 0.01% or less, Mo: 0.25% or less, W: 0.25% or less, V: 0.05% to 0.2% or less, Nb: 0.05% or less, with the remainder being Fe and other unavoidable impurities.
Mn + Cr ≦ 1.8%,
0.05 at%≦Mo+W≦0.15 at% is satisfied;
A spring wire having improved strength and fatigue limit, characterized in that in a central 1 mm2 area of a cross section perpendicular to the longitudinal direction, the proportion of an area which satisfies one or more of C>0.85%, Si>3.0%, Mn>0.8%, and Cr>2.0%, by weight, is 10% or less.
面積分率でパーライト組織80%以上、残りのベイナイト組織またはマルテンサイト組織を含むことを特徴とする請求項1に記載の強度および疲労限度が向上したバネ用線材。 A spring wire rod with improved strength and fatigue limit as described in claim 1, characterized in that it contains 80% or more pearlite structure by area fraction, with the remainder being bainite structure or martensite structure. 旧オーステナイト平均粒径が20μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の強度および疲労限度が向上したバネ用線材。 A spring wire having improved strength and fatigue limit as described in claim 1, characterized in that the average prior austenite grain size is 20 μm or less. 表面深さ1mm以内の長さ方向と水平な断面で、最大直径が15μm以上の炭窒化物が2個/cm未満で分布することを特徴とする請求項1に記載の強度および疲労限度が向上したバネ用線材。 2. The spring wire having improved strength and fatigue limit according to claim 1, characterized in that carbonitrides having a maximum diameter of 15 μm or more are distributed at less than 2 particles/ cm2 in a cross section horizontal to the length direction within a surface depth of 1 mm. 引張強度が1,400MPa以下であり、断面減少率が35%以上であることを特徴とする請求項1に記載の強度および疲労限度が向上したバネ用線材。 The spring wire with improved strength and fatigue limit described in claim 1, characterized in that the tensile strength is 1,400 MPa or less and the cross-sectional reduction rate is 35% or more. 重量%で、C:0.6~0.7%、Si:2.0~2.5%、Mn:0.2~0.7%、Cr:0.9~1.5%、P:0.015%以下、S:0.01%以下、Al:0.01%以下、N:0.01%以下、Mo:0.25%以下、W:0.25%以下、V:0.05%~0.2%以下、Nb:0.05%以下、残りのFeおよびその他不可避不純物からなる溶鋼を連続鋳造し、ブルーム(bloom)を用意する段階;
前記ブルームを1,200℃以上の温度で加熱した後、ビレットに圧延する段階;
前記ビレットを1,030℃以上で熱処理した後、1,000℃以下の温度で線材に圧延する段階;
前記線材を800~900℃の温度で巻き取る段階;および
前記巻き取った線材を0.5~2℃/sの速度で冷却する段階;を含むことを特徴とする強度および疲労限度が向上したバネ用線材の製造方法。
a step of continuously casting a molten steel containing, by weight, 0.6-0.7% C, 2.0-2.5% Si, 0.2-0.7% Mn, 0.9-1.5% Cr, 0.015% or less P, 0.01% or less S, 0.01% or less Al, 0.01% or less N, 0.01% or less Mo, 0.25% or less W, 0.05%-0.2% or less V, 0.05% or less Nb, the remainder being Fe and other unavoidable impurities, to prepare a bloom;
heating the bloom to a temperature of at least 1,200° C. and then rolling the bloom into a billet;
heat treating the billet at a temperature of 1,030° C. or more and then rolling the billet into a wire at a temperature of 1,000° C. or less;
A method for manufacturing a spring wire having improved strength and fatigue limit, comprising: winding the wire at a temperature of 800 to 900° C.; and cooling the wound wire at a rate of 0.5 to 2° C./s.
前記連続鋳造段階は、総圧下量20mm以上で軽圧下することを含むことを特徴とする請求項6に記載のバネ用線材の製造方法。 The method for manufacturing spring wire rod according to claim 6, characterized in that the continuous casting step includes soft reduction with a total reduction of 20 mm or more. 前記軽圧下は、
各圧延ロール別に4mm以下で圧延し、凝固分率が0.6以上のとき、累積圧下量が60%以上であることを特徴とする請求項7に記載の強度および疲労限度が向上したバネ用線材の製造方法。
The soft reduction is
8. The method for manufacturing a spring wire rod having improved strength and fatigue limit according to claim 7, wherein each rolling roll is rolled to 4 mm or less, and when the solidification fraction is 0.6 or more, the cumulative reduction is 60% or more.
重量%で、C:0.6~0.7%、Si:2.0~2.5%、Mn:0.2~0.7%、Cr:0.9~1.5%、P:0.015%以下、S:0.01%以下、Al:0.01%以下、N:0.01%以下、Mo:0.25%以下、W:0.25%以下、V:0.05%~0.2%以下、Nb:0.05%以下、残りのFeおよびその他不可避不純物からなり、
Mn+Cr≦1.8%を満たし、
0.05at%≦Mo+W≦0.15at%を満たし、
面積分率で、焼き戻しマルテンサイト組織85%以上および残りのオーステナイト組織を含むことを特徴とする強度および疲労限度が向上したバネ用鋼線。
In weight percent, it is composed of C: 0.6 to 0.7%, Si: 2.0 to 2.5%, Mn: 0.2 to 0.7%, Cr: 0.9 to 1.5%, P: 0.015% or less, S: 0.01% or less, Al: 0.01% or less, N: 0.01% or less, Mo: 0.25% or less, W: 0.25% or less, V: 0.05% to 0.2% or less, Nb: 0.05% or less, with the remainder being Fe and other unavoidable impurities.
Mn + Cr ≦ 1.8%,
0.05 at%≦Mo+W≦0.15 at% is satisfied;
A spring steel wire having improved strength and fatigue limit, characterized in that it contains, in terms of area fraction, 85% or more of a tempered martensite structure and the remainder of an austenite structure.
旧オーステナイト平均粒径が15μm以下であることを特徴とする請求項9に記載の強度および疲労限度が向上したバネ用鋼線。 A spring steel wire with improved strength and fatigue limit as described in claim 9, characterized in that the average prior austenite grain size is 15 μm or less. 表面深さ1mm以内の長さ方向と水平な断面で、最大直径が15μm以上の炭窒化物が2個/cm未満で分布することを特徴とする請求項9に記載の強度および疲労限度が向上したバネ用鋼線。 10. A spring steel wire having improved strength and fatigue limit according to claim 9, characterized in that carbonitrides having a maximum diameter of 15 μm or more are distributed at less than 2 particles/ cm2 in a cross section horizontal to the length direction within a surface depth of 1 mm. 100μm面積において、炭化物の個数が10個~50個であり、
前記炭化物は、最大直径が5~50nmであり、VまたはNbの含有量が10at%以上であることを特徴とする請求項9に記載の強度および疲労限度が向上したバネ用鋼線。
The number of carbides is 10 to 50 per 100 μm2 area,
10. The spring steel wire having improved strength and fatigue limit according to claim 9, wherein the carbide has a maximum diameter of 5 to 50 nm and a V or Nb content of 10 at % or more.
引張強度が2,100MPa以上であり、断面減少率が45%以上であることを特徴とする請求項9に記載の強度および疲労限度が向上したバネ用鋼線。 A spring steel wire with improved strength and fatigue limit as described in claim 9, characterized in that the tensile strength is 2,100 MPa or more and the area reduction rate is 45% or more. 請求項1から5のいずれか一項に記載の線材をLP熱処理する段階;
前記LP熱処理した線材を伸線し、鋼線を用意する段階;および
前記鋼線をQT熱処理する段階;を含み、
前記LP熱処理する段階は、
3分間以内に950~1100℃まで加熱した後、3分間以内に維持する第1オーステナイト化段階;および
前記第1オーステナイト化した線材を650~700℃の鉛浴で3分間以内に通過させる段階を含むことを特徴とする強度および疲労限度が向上したバネ用鋼線の製造方法。
LP heat treatment of the wire according to any one of claims 1 to 5;
The LP heat-treated wire is drawn to prepare a steel wire; and the steel wire is subjected to a QT heat treatment.
The LP heat treatment step includes:
A method for producing a spring steel wire having improved strength and fatigue limit, comprising: a first austenitizing step of heating the wire to 950 to 1100°C within 3 minutes and maintaining the temperature for 3 minutes; and a step of passing the first austenitized wire through a lead bath at 650 to 700°C within 3 minutes.
前記LP熱処理する段階で、
パーライト変態完了時間は、130秒未満であることを特徴とする請求項14に記載の強度および疲労限度が向上したバネ用鋼線の製造方法。



In the LP heat treatment step,
15. The method for producing a spring steel wire having improved strength and fatigue limit according to claim 14, characterized in that a pearlite transformation completion time is less than 130 seconds.



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