JP3533196B2 - 高疲労強度ばね用鋼線とその製法 - Google Patents
高疲労強度ばね用鋼線とその製法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば自動車用エ
ンジンなどの弁ばね等として使用される疲労強度の改善
されたばね用鋼線とその製法に関するものである。
ンジンなどの弁ばね等として使用される疲労強度の改善
されたばね用鋼線とその製法に関するものである。
【０００２】最近、エンジンの軽量化および高出力化の
観点から弁ばね等はますます小型化する傾向にあり、よ
り過酷な条件、即ちより高い応力負荷のかかる状態で使
用されるようになってきている。本発明はこうした状況
に対処するもので、過酷な使用条件にも耐え得るよう、
鋼中に存在する酸化物系介在物の小径化と個数低減を図
ることによって、より高レベルの疲労特性を有するばね
用鋼線を提供すると共に、その様な高性能のばね用鋼線
を確実に得ることのできる製法を提供するものである。
観点から弁ばね等はますます小型化する傾向にあり、よ
り過酷な条件、即ちより高い応力負荷のかかる状態で使
用されるようになってきている。本発明はこうした状況
に対処するもので、過酷な使用条件にも耐え得るよう、
鋼中に存在する酸化物系介在物の小径化と個数低減を図
ることによって、より高レベルの疲労特性を有するばね
用鋼線を提供すると共に、その様な高性能のばね用鋼線
を確実に得ることのできる製法を提供するものである。
【０００３】
【従来の技術】ばね用途に用いる鋼材の一般的な製法と
しては、転炉精練や電気炉精錬を行なった後、炉外精
錬、例えば溶鋼搬送容器内でのスラグ精錬を行い、得ら
れる溶鋼を連続鋳造工程や造塊工程へ送って鋳造する方
法が採用される。この場合、優れた疲労特性を得るに
は、疲労破壊の起点となる酸化物系介在物を可及的に低
減することが望ましい。
しては、転炉精練や電気炉精錬を行なった後、炉外精
錬、例えば溶鋼搬送容器内でのスラグ精錬を行い、得ら
れる溶鋼を連続鋳造工程や造塊工程へ送って鋳造する方
法が採用される。この場合、優れた疲労特性を得るに
は、疲労破壊の起点となる酸化物系介在物を可及的に低
減することが望ましい。
【０００４】ところで、特に疲労破壊の起点となり易い
アルミナ系介在物の抑制については、例えば特公平６−
１０４８４４号、特公平７−１０３４１６号、特開平６
−２１２２３７号公報などに見られる如く、Ａ１添加量
を一定量以下に抑え、Ａ１の混入を極力低減することに
よってアルミナ系介在物を少なくする方法が知られてい
る。この方法を採用する場合は、Ａｌの混入を抑えるた
め溶鋼の脱酸にＡｌを使用せず、ＳｉやＭｎで脱酸を行
なうのが一般的である。この脱酸処理で溶鋼中に生じる
シリカ系介在物については、ＣａＯ含有スラグを用いた
スラグ精錬によってＣａＯ−ＳｉＯ2系介在物に改質
し、介在物を圧延中に展伸し易い組成とすることにより
その害を可及的に抑えている。
アルミナ系介在物の抑制については、例えば特公平６−
１０４８４４号、特公平７−１０３４１６号、特開平６
−２１２２３７号公報などに見られる如く、Ａ１添加量
を一定量以下に抑え、Ａ１の混入を極力低減することに
よってアルミナ系介在物を少なくする方法が知られてい
る。この方法を採用する場合は、Ａｌの混入を抑えるた
め溶鋼の脱酸にＡｌを使用せず、ＳｉやＭｎで脱酸を行
なうのが一般的である。この脱酸処理で溶鋼中に生じる
シリカ系介在物については、ＣａＯ含有スラグを用いた
スラグ精錬によってＣａＯ−ＳｉＯ2系介在物に改質
し、介在物を圧延中に展伸し易い組成とすることにより
その害を可及的に抑えている。
【０００５】また特開平１１−１９９９８２号公報に
は、鋼中に含まれる酸化物系介在物の個数を２０個／１
０００ｍｍ2以下に抑制することによって、疲労特性を
高めた高清浄度圧延鋼材が開示されている。しかし、一
般的な転炉／電気炉→炉外スラグ精錬→鋳造を経る方法
では、処理炉の耐火物や副生スラグから鋼内への酸化物
の混入が避けられず、安定して酸化物系介在物の個数を
抑制することは難かしい。
は、鋼中に含まれる酸化物系介在物の個数を２０個／１
０００ｍｍ2以下に抑制することによって、疲労特性を
高めた高清浄度圧延鋼材が開示されている。しかし、一
般的な転炉／電気炉→炉外スラグ精錬→鋳造を経る方法
では、処理炉の耐火物や副生スラグから鋼内への酸化物
の混入が避けられず、安定して酸化物系介在物の個数を
抑制することは難かしい。
【０００６】更に他の介在物低減技術として特開昭６０
−１７７１３９号公報には、Ａ１およびＡ１2Ｏ3規制の
下で、真空誘導炉溶解（以下、「ＶＩＭ」という）やア
ルゴン−酸素脱炭（以下、「ＡＯＤ」という）によって
精錬し、引き続いてエレクトロスラグ再溶解精錬（以
下、「ＥＳＲ」という）を行なった後、真空アーク再溶
解（以下、「ＶＡＲ」という）処理を施すことにより、
アルミナ系介在物を極度に低減する方法が開示されてい
る。
−１７７１３９号公報には、Ａ１およびＡ１2Ｏ3規制の
下で、真空誘導炉溶解（以下、「ＶＩＭ」という）やア
ルゴン−酸素脱炭（以下、「ＡＯＤ」という）によって
精錬し、引き続いてエレクトロスラグ再溶解精錬（以
下、「ＥＳＲ」という）を行なった後、真空アーク再溶
解（以下、「ＶＡＲ」という）処理を施すことにより、
アルミナ系介在物を極度に低減する方法が開示されてい
る。
【０００７】これらＥＳＲ法やＶＡＲ法は耐火物を使用
しない精錬法であるため、確かにアルミナ系介在物を極
限まで低減することができる。しかしＥＳＲ法では、通
常ＣａＯ−ＣａＦ2系スラグが使用されるため、該スラ
グの一部が鋼中に混入する。しかもＣａＯは、ＶＡＲ法
によっても還元分解され難く最後まで鋼中に酸化物系介
在物として残存するため、より高レベルの疲労強度が要
求されるばね用鋼では、該介在物が疲労折損の起点にな
ることがあり、高い応力負荷環境下で使用される自動車
用弁ばね鋼に供するには問題がある。
しない精錬法であるため、確かにアルミナ系介在物を極
限まで低減することができる。しかしＥＳＲ法では、通
常ＣａＯ−ＣａＦ2系スラグが使用されるため、該スラ
グの一部が鋼中に混入する。しかもＣａＯは、ＶＡＲ法
によっても還元分解され難く最後まで鋼中に酸化物系介
在物として残存するため、より高レベルの疲労強度が要
求されるばね用鋼では、該介在物が疲労折損の起点にな
ることがあり、高い応力負荷環境下で使用される自動車
用弁ばね鋼に供するには問題がある。
【０００８】これに対しＶＡＲ法は、耐火物もスラグも
使用しない精錬法であり、例えば特願平１１−１６４２
０５号公報には、ＶＡＲ法のみで疲労特性に優れた高清
浄度鋼を得る方法が開示されている。しかし該公報に開
示された方法では、ＶＡＲ精錬後における鋼塊中のＡ１
含有量を２．３〜６ｐｐｍに限定しているため、ＶＡＲ
に供する鋼材の選択自由度が非常に狭められるという問
題が指摘される。
使用しない精錬法であり、例えば特願平１１−１６４２
０５号公報には、ＶＡＲ法のみで疲労特性に優れた高清
浄度鋼を得る方法が開示されている。しかし該公報に開
示された方法では、ＶＡＲ精錬後における鋼塊中のＡ１
含有量を２．３〜６ｐｐｍに限定しているため、ＶＡＲ
に供する鋼材の選択自由度が非常に狭められるという問
題が指摘される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、疲労強
度低下の起因となる酸化物系介在物の鋼中存在量を可及
的に低減し、高レベルの疲労特性を有するばね用鋼を提
供すると共に、その様な高品質のばね用鋼を確実に得る
ことのできる製法を提供することにある。
事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、疲労強
度低下の起因となる酸化物系介在物の鋼中存在量を可及
的に低減し、高レベルの疲労特性を有するばね用鋼を提
供すると共に、その様な高品質のばね用鋼を確実に得る
ことのできる製法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決した本発
明に係る高疲労強度ばね用鋼線とは、Ｃ：０．４〜１．
３％、Ｓｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜１．２
％を含有すると共に、Ａ１が０．１０％以下である圧延
鋼線であって、縦断面に観察される酸化物系介在物のう
ち、幅方向のサイズが５μｍ以上のものが２個／１００
ｍｍ2以下であるところに要旨が存在する。
明に係る高疲労強度ばね用鋼線とは、Ｃ：０．４〜１．
３％、Ｓｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜１．２
％を含有すると共に、Ａ１が０．１０％以下である圧延
鋼線であって、縦断面に観察される酸化物系介在物のう
ち、幅方向のサイズが５μｍ以上のものが２個／１００
ｍｍ2以下であるところに要旨が存在する。
【００１１】該ばね用鋼においては、選択元素として、
Ｎｉ：１％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｃｒ：２．５％以
下、Ｍｏ：１％以下、およびＶ：０．５％以下よりなる
群から選ばれる少なくとも１種の元素を含有するもの
は、高疲労特性に加えて強度や靭・延性にも優れたもの
となるので好ましい。
Ｎｉ：１％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｃｒ：２．５％以
下、Ｍｏ：１％以下、およびＶ：０．５％以下よりなる
群から選ばれる少なくとも１種の元素を含有するもの
は、高疲労特性に加えて強度や靭・延性にも優れたもの
となるので好ましい。
【００１２】また本発明にかかる製法とは、上記疲労特
性に優れたばね用鋼線を確実に得ることのできる方法と
して位置付けられるもので、質量％で、Ｃ：０．４〜
１．３％、Ｓｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜
１．２％を含み、Ａ１が０．１０％以下であり、鋼中介
在物中のＣａＯ含有量を低減した鋼材を、真空アーク再
溶解法により１回以上溶解精錬してから鋳造し、圧延す
るところに要旨を有している。
性に優れたばね用鋼線を確実に得ることのできる方法と
して位置付けられるもので、質量％で、Ｃ：０．４〜
１．３％、Ｓｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜
１．２％を含み、Ａ１が０．１０％以下であり、鋼中介
在物中のＣａＯ含有量を低減した鋼材を、真空アーク再
溶解法により１回以上溶解精錬してから鋳造し、圧延す
るところに要旨を有している。
【００１３】この方法を実施するに当たっては、前記溶
解精錬に付される前記鋼材に含まれる介在物中の平均Ｃ
ａＯ含量を２５％以下とすれば、得られるばね用鋼線中
の酸化物系介在物の一層の小径化と個数低減を増進する
ことができ、その結果として疲労特性をより確実に高め
ることができるので好ましい。また上記鋼材として、Ｎ
ｉ：１％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｃｒ：２．５％以下、
Ｍｏ：１％以下、およびＶ：０．５％以下よりなる群か
ら選ばれる少なくとも１種を含むものを使用すれば、疲
労特性に加えて、強度や靭・延性にも優れたばね用鋼線
を得ることができるので、本発明の好ましい実施形態と
して推奨される。
解精錬に付される前記鋼材に含まれる介在物中の平均Ｃ
ａＯ含量を２５％以下とすれば、得られるばね用鋼線中
の酸化物系介在物の一層の小径化と個数低減を増進する
ことができ、その結果として疲労特性をより確実に高め
ることができるので好ましい。また上記鋼材として、Ｎ
ｉ：１％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｃｒ：２．５％以下、
Ｍｏ：１％以下、およびＶ：０．５％以下よりなる群か
ら選ばれる少なくとも１種を含むものを使用すれば、疲
労特性に加えて、強度や靭・延性にも優れたばね用鋼線
を得ることができるので、本発明の好ましい実施形態と
して推奨される。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明者らは前述した様な状況の
下で、鋼材中に含まれる介在物個数と疲労寿命との関係
について検討を行なった。その結果、図１に示す如く、
ＶＡＲ精錬を実施することにより、直径３〜１０ｍｍに
圧延された鋼線の縦断面中に現れる幅方向のサイズが５
μｍ以上の酸化物系介在物の個数を１００ｍｍ2当たり
２個以下に抑えれば、例えば中村式回転曲げ疲労試験で
の折損率が著しく低下し、卓越した疲労強度を示すもの
になることが確認された。ここで圧延線材の直径を３〜
１０ｍｍの範囲としたのは、ばね用に供せられる鋼線材
の直径は該範囲のものが一般的あり、しかもばね用鋼線
としての性能評価は、ばねへのコイリング工程前で的確
に評価できるからである。
下で、鋼材中に含まれる介在物個数と疲労寿命との関係
について検討を行なった。その結果、図１に示す如く、
ＶＡＲ精錬を実施することにより、直径３〜１０ｍｍに
圧延された鋼線の縦断面中に現れる幅方向のサイズが５
μｍ以上の酸化物系介在物の個数を１００ｍｍ2当たり
２個以下に抑えれば、例えば中村式回転曲げ疲労試験で
の折損率が著しく低下し、卓越した疲労強度を示すもの
になることが確認された。ここで圧延線材の直径を３〜
１０ｍｍの範囲としたのは、ばね用に供せられる鋼線材
の直径は該範囲のものが一般的あり、しかもばね用鋼線
としての性能評価は、ばねへのコイリング工程前で的確
に評価できるからである。
【００１５】上記特性を備えたばね用鋼線は、Ｃ：０．
４〜１．３％、Ｓｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：０．１
〜１．２％を基本成分とし、Ａｌは０．１０％を超えな
い範囲に抑制し、更に介在物中の平均ＣａＯ濃度を２５
％以下、好ましくは２０％以下、更に好ましくは１５％
以下に抑えた鋼を使用し、これをＶＡＲ法により１回以
上溶解精錬して得た鋼塊を圧延することによって得るこ
とができる。ここで用いる鋼材として、Ｎｉ：１％以
下、Ｃｕ：１％以下、Ｃｒ：２．５％以下、Ｍｏ：１％
以下、およびＶ：０．５％以下よりなる群から選ばれる
少なくとも１種を選択元素として含む鋼材を使用すれ
ば、得られるばね用鋼線は、疲労特性に加えて強度や靭
・延性にも優れたものとなるので好ましい。
４〜１．３％、Ｓｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：０．１
〜１．２％を基本成分とし、Ａｌは０．１０％を超えな
い範囲に抑制し、更に介在物中の平均ＣａＯ濃度を２５
％以下、好ましくは２０％以下、更に好ましくは１５％
以下に抑えた鋼を使用し、これをＶＡＲ法により１回以
上溶解精錬して得た鋼塊を圧延することによって得るこ
とができる。ここで用いる鋼材として、Ｎｉ：１％以
下、Ｃｕ：１％以下、Ｃｒ：２．５％以下、Ｍｏ：１％
以下、およびＶ：０．５％以下よりなる群から選ばれる
少なくとも１種を選択元素として含む鋼材を使用すれ
ば、得られるばね用鋼線は、疲労特性に加えて強度や靭
・延性にも優れたものとなるので好ましい。
【００１６】まず、本発明で鋼材の基本組成を定めた理
由を説明する。
由を説明する。
【００１７】Ｃ：０．４〜１．３％
Ｃは強度の向上に有用な元素であり、その作用をばね用
鋼として有効に発揮させるには、０．４％以上、より好
ましくは０．５％以上含有させることが望ましい。しか
し、Ｃ量が多くなり過ぎると鋼が脆化して靱性が損なわ
れるので、１．３％以下、より好ましくは１．０％以下
に抑えるのがよい。
鋼として有効に発揮させるには、０．４％以上、より好
ましくは０．５％以上含有させることが望ましい。しか
し、Ｃ量が多くなり過ぎると鋼が脆化して靱性が損なわ
れるので、１．３％以下、より好ましくは１．０％以下
に抑えるのがよい。
【００１８】Ｓｉ：０．１〜２．５％
Ｓｉは脱酸剤として必要な元素であり、少なくとも０．
１％以上、好ましくは０．２％以上含有させることが好
ましい。但しＳｉ含量が多過ぎると、脱酸生成物として
生成するＳｉＯ2の量が多くなり過ぎて疲労破壊の起点
となるため、２．５％以下、より好ましくは２．２％以
下に抑えることが望ましい。
１％以上、好ましくは０．２％以上含有させることが好
ましい。但しＳｉ含量が多過ぎると、脱酸生成物として
生成するＳｉＯ2の量が多くなり過ぎて疲労破壊の起点
となるため、２．５％以下、より好ましくは２．２％以
下に抑えることが望ましい。
【００１９】Ｍｎ：０．１〜１．２％
Ｍｎは脱酸に有効に作用する他、疲労特性に悪影響を及
ぼす鋼中のＳを固定してその悪影響を阻止する上でも重
要な元素であり、０．１％以上、より好ましくは０．２
％以上含有させることが好ましい。但し、Ｍｎ含量が多
過ぎると熱間圧延時の焼入れ性が増大し、金属組織が靭
・延性を欠くベイナイトやマルテンサイト組織になる可
能性が高まり、伸線性が劣化するばかりでなくばね用鋼
線としての靱・延性も低下してくるので、１．２％以
下、より好ましくは１．０％以下に抑えることが望まし
い。
ぼす鋼中のＳを固定してその悪影響を阻止する上でも重
要な元素であり、０．１％以上、より好ましくは０．２
％以上含有させることが好ましい。但し、Ｍｎ含量が多
過ぎると熱間圧延時の焼入れ性が増大し、金属組織が靭
・延性を欠くベイナイトやマルテンサイト組織になる可
能性が高まり、伸線性が劣化するばかりでなくばね用鋼
線としての靱・延性も低下してくるので、１．２％以
下、より好ましくは１．０％以下に抑えることが望まし
い。
【００２０】次に、ＶＡＲ処理に供される母鋼材に含ま
れるＡ１量の上限を定めた理由は次の通りである。通
常、脱酸剤としてＡ１を添加していない鋼材中に含まれ
る酸化物系介在物の主成分はＳｉＯ2であり、一方、脱
酸剤としてＡ１を用いた鋼材中の介在物の主成分はＡ１
2Ｏ3であるが、これらの鋼材を母材としてＶＡＲ精錬す
ると、ＳｉＯ2もＡ１2Ｏ3もＶＡＲ処理による高減圧
（例えば、約１０ｐａ）条件下で、下記の反応により還
元される。
れるＡ１量の上限を定めた理由は次の通りである。通
常、脱酸剤としてＡ１を添加していない鋼材中に含まれ
る酸化物系介在物の主成分はＳｉＯ2であり、一方、脱
酸剤としてＡ１を用いた鋼材中の介在物の主成分はＡ１
2Ｏ3であるが、これらの鋼材を母材としてＶＡＲ精錬す
ると、ＳｉＯ2もＡ１2Ｏ3もＶＡＲ処理による高減圧
（例えば、約１０ｐａ）条件下で、下記の反応により還
元される。
【００２１】
ＳｉＯ2＋２Ｃ→Ｓｉ＋２ＣＯ……（１）
Ａ１2Ｏ3＋３Ｃ→２Ａ１＋３ＣＯ……（２）
本発明者らは、Ａ１を添加していない鋼材と、Ａｌ添加
により脱酸を行なった鋼材を母材としてＶＡＲ精錬を行
ない、ＶＡＲ処理前後における鋼塊の単位断面に現れる
介在物の面積比率と介在物組成を測定することによっ
て、ＳｉＯ2、Ａ１2Ｏ3およびＣａＯの還元率を調べた
ところ、図２に示す結果を得た。なお還元率は下記
（３）式によって求めた。
により脱酸を行なった鋼材を母材としてＶＡＲ精錬を行
ない、ＶＡＲ処理前後における鋼塊の単位断面に現れる
介在物の面積比率と介在物組成を測定することによっ
て、ＳｉＯ2、Ａ１2Ｏ3およびＣａＯの還元率を調べた
ところ、図２に示す結果を得た。なお還元率は下記
（３）式によって求めた。
【００２２】
還元率（％）＝１００−１００×［ＶＡＲ後の介在物面積×（介在物中の
ＳｉＯ2、Ａ１2Ｏ3またはＣａＯの濃度）］／［ＶＡＲ前の母材中の介在物
面積×（介在物中のＳｉＯ2、Ａ１2Ｏ3またはＣａＯの濃度）］……（３）
図２からも明らかな様に、脱酸剤としてＡ１を添加しな
かった鋼材でも又Ａ１を添加した鋼材でも、Ａｌ含量が
少ない場合は、ＶＡＲ処理前後におけるＳｉＯ 2の還元
率には殆ど差が認められず、且つ殆どが還元されること
を確認できる。しかし、Ａｌ2Ｏ3含量についてはその傾
向がやや異なり、鋼材中のＡｌ含量が比較的少ない場合
は、ＶＡＲ処理によってＡｌ2Ｏ3の殆どが還元される
が、鋼材中のＡｌ含量が相対的に多くなると、相当量の
Ａｌ2Ｏ3が未還元状態で鋼中に残存してくる。
かった鋼材でも又Ａ１を添加した鋼材でも、Ａｌ含量が
少ない場合は、ＶＡＲ処理前後におけるＳｉＯ 2の還元
率には殆ど差が認められず、且つ殆どが還元されること
を確認できる。しかし、Ａｌ2Ｏ3含量についてはその傾
向がやや異なり、鋼材中のＡｌ含量が比較的少ない場合
は、ＶＡＲ処理によってＡｌ2Ｏ3の殆どが還元される
が、鋼材中のＡｌ含量が相対的に多くなると、相当量の
Ａｌ2Ｏ3が未還元状態で鋼中に残存してくる。
【００２３】そして図２の結果からすると、ＶＡＲ処理
に付される鋼材中のＡｌ含量を０．１０％レベル以下に
抑えてやれば、ＶＡＲ処理時のＡｌ2Ｏ3還元率を充分高
レベルに保つことができ、処理後のＡｌ2Ｏ3量は十分に
低減できると判断される。よって本発明を実施するに当
たっては、ＶＡＲ処理に供される母鋼材中のＡｌ含量は
０．１０％以下に抑えることが望ましい。
に付される鋼材中のＡｌ含量を０．１０％レベル以下に
抑えてやれば、ＶＡＲ処理時のＡｌ2Ｏ3還元率を充分高
レベルに保つことができ、処理後のＡｌ2Ｏ3量は十分に
低減できると判断される。よって本発明を実施するに当
たっては、ＶＡＲ処理に供される母鋼材中のＡｌ含量は
０．１０％以下に抑えることが望ましい。
【００２４】なおＶＡＲ精錬は、１回のみの実施で充分
にその目的を果たすことができるが、前記（１），
（２）式の反応をさらに右方向に進め、酸化物系介在物
であるＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3およびＣａＯの還元を促進さ
せるため、２回以上実施することも有効である。
にその目的を果たすことができるが、前記（１），
（２）式の反応をさらに右方向に進め、酸化物系介在物
であるＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3およびＣａＯの還元を促進さ
せるため、２回以上実施することも有効である。
【００２５】次に、ＶＡＲ処理に供される母鋼材中に存
在する介在物中の平均ＣａＯ濃度を定めた理由は次の通
りである。まず第１の理由は、上記図２でも明かにした
通り、酸化物系介在物の中でＣａＯはＳｉＯ2，Ａ１2Ｏ
3に比べて還元率が低く、ＶＡＲ処理後も一部は酸化物
として残存し易い。従って、ＶＡＲ精練による低減の期
待が少ないＣａＯについては、被処理母鋼材そのものか
ら介在物中のＣａＯ含量を低減しておくことが望ましい
からである。
在する介在物中の平均ＣａＯ濃度を定めた理由は次の通
りである。まず第１の理由は、上記図２でも明かにした
通り、酸化物系介在物の中でＣａＯはＳｉＯ2，Ａ１2Ｏ
3に比べて還元率が低く、ＶＡＲ処理後も一部は酸化物
として残存し易い。従って、ＶＡＲ精練による低減の期
待が少ないＣａＯについては、被処理母鋼材そのものか
ら介在物中のＣａＯ含量を低減しておくことが望ましい
からである。
【００２６】他方、本発明者らが別途確認したところで
は、ＶＡＲ精錬に供される母鋼材に含まれる介在物中の
平均ＣａＯ濃度と、ＶＡＲ精錬の有無による鋼線材中に
生じる介在物の面積減少率の間には、図３に示す様な関
係を有することが確認された。即ち、この図からも明ら
かな様に、ＶＡＲ精錬の有無による介在物の面積減少率
は、ＶＡＲ被処理母鋼材に含まれる介在物中の平均Ｃａ
Ｏ濃度によって著しく変わり、該平均ＣａＯ濃度が２５
％を超える場合は、ＶＡＲ精錬による介在物の面積減少
率で８５％未満の値しか得られないが、該平均ＣａＯ濃
度を２５％レベル以下に低減してやれば、介在物の面積
減少率を安定して８５％以上に高めることができ、同濃
度を２０％以下、更に好ましくは１５％以下に抑えてや
れば、ＶＡＲ精錬による前記面積減少率で９５％以上の
高い値を確保できることが分かる。
は、ＶＡＲ精錬に供される母鋼材に含まれる介在物中の
平均ＣａＯ濃度と、ＶＡＲ精錬の有無による鋼線材中に
生じる介在物の面積減少率の間には、図３に示す様な関
係を有することが確認された。即ち、この図からも明ら
かな様に、ＶＡＲ精錬の有無による介在物の面積減少率
は、ＶＡＲ被処理母鋼材に含まれる介在物中の平均Ｃａ
Ｏ濃度によって著しく変わり、該平均ＣａＯ濃度が２５
％を超える場合は、ＶＡＲ精錬による介在物の面積減少
率で８５％未満の値しか得られないが、該平均ＣａＯ濃
度を２５％レベル以下に低減してやれば、介在物の面積
減少率を安定して８５％以上に高めることができ、同濃
度を２０％以下、更に好ましくは１５％以下に抑えてや
れば、ＶＡＲ精錬による前記面積減少率で９５％以上の
高い値を確保できることが分かる。
【００２７】この様に介在物中のＣａＯ濃度によってＶ
ＡＲ精錬の有無による介在物の面積減少率が顕著に変わ
ってくるのは、介在物中のＣａＯがＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3
の還元にも影響を及ぼし、ＣａＯ濃度が高まるとＶＡＲ
精錬時の還元効率が低下し、ひいては酸化物系介在物低
減作用が著しく損なわれるためと考えられる。
ＡＲ精錬の有無による介在物の面積減少率が顕著に変わ
ってくるのは、介在物中のＣａＯがＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3
の還元にも影響を及ぼし、ＣａＯ濃度が高まるとＶＡＲ
精錬時の還元効率が低下し、ひいては酸化物系介在物低
減作用が著しく損なわれるためと考えられる。
【００２８】これらのことから、本発明によりＶＡＲ精
錬後の酸化物系介在物量を極力低減して疲労特性を高め
るには、ＶＡＲ精錬に供される被処理母鋼材に含まれる
酸化物系介在物中の平均ＣａＯ濃度を極力低減し、好ま
しくは２５％以下、更に好ましくは２０％以下、特に好
ましくは１５％以下に抑えておくことが望ましい。な
お、該介在物中の平均ＣａＯ濃度を低減するための手段
は特に制限されないが、一般的な方法としては、溶鋼精
練時のスラグ中ＣａＯ濃度を低下させる方法、溶鋼脱酸
にＡｌを用いて介在物中のＡｌ2Ｏ3濃度を高める方法な
どが例示される。
錬後の酸化物系介在物量を極力低減して疲労特性を高め
るには、ＶＡＲ精錬に供される被処理母鋼材に含まれる
酸化物系介在物中の平均ＣａＯ濃度を極力低減し、好ま
しくは２５％以下、更に好ましくは２０％以下、特に好
ましくは１５％以下に抑えておくことが望ましい。な
お、該介在物中の平均ＣａＯ濃度を低減するための手段
は特に制限されないが、一般的な方法としては、溶鋼精
練時のスラグ中ＣａＯ濃度を低下させる方法、溶鋼脱酸
にＡｌを用いて介在物中のＡｌ2Ｏ3濃度を高める方法な
どが例示される。
【００２９】次に、鋼材中への含有が許容される選択元
素の種類と含有率を定めた理由について説明する。
素の種類と含有率を定めた理由について説明する。
【００３０】Ｎｉ：１％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｃｒ：
２．５％以下、Ｍｏ：１％以下、およびＶ：０．５％以
下よりなる群より選ばれる１種以上 Ｎｉは、ばね用鋼線の強度上昇にはあまり関与しない
が、靱性を高める作用を有している。しかしその効果は
約１％で飽和するので、それ以上に含有量を増やすこと
は経済的に不利益を招くだけである。
２．５％以下、Ｍｏ：１％以下、およびＶ：０．５％以
下よりなる群より選ばれる１種以上 Ｎｉは、ばね用鋼線の強度上昇にはあまり関与しない
が、靱性を高める作用を有している。しかしその効果は
約１％で飽和するので、それ以上に含有量を増やすこと
は経済的に不利益を招くだけである。
【００３１】Ｃｕは、析出硬化作用によって鋼線の高強
度化に寄与する元素である。しかし過剰に添加すると結
晶粒界に偏析し、鋼材の熱間圧延工程で割れやキズを発
生させる原因になるので、１％以下、より好ましくは
０．８％以下に抑えるべきである。
度化に寄与する元素である。しかし過剰に添加すると結
晶粒界に偏析し、鋼材の熱間圧延工程で割れやキズを発
生させる原因になるので、１％以下、より好ましくは
０．８％以下に抑えるべきである。
【００３２】Ｃｒは、Ｃの活量を低下させ熱処理時の脱
炭防止に有効に作用する。しかし、多量に含有させ過ぎ
ると、Ｍｎと同様に熱処理時の焼入れ性が増大して靱・
延性を劣化させるので、２．５％以下、より好ましくは
２．０％以下に抑えるべきである。
炭防止に有効に作用する。しかし、多量に含有させ過ぎ
ると、Ｍｎと同様に熱処理時の焼入れ性が増大して靱・
延性を劣化させるので、２．５％以下、より好ましくは
２．０％以下に抑えるべきである。
【００３３】Ｍｏは、焼入れ性を高めてばね用鋼の高強
度化に寄与する元素であるが、多過ぎると靱・延性を極
端に悪化させるので、１％以下、より好ましくは０．８
％以下に抑えるべきである。
度化に寄与する元素であるが、多過ぎると靱・延性を極
端に悪化させるので、１％以下、より好ましくは０．８
％以下に抑えるべきである。
【００３４】Ｖは、焼入れ・焼戻し等の熱処理時におけ
る結晶粒の微細化に寄与し、靱・延性の向上に有効に作
用する。しかし多過ぎると、焼入れ加熱時に粗大な炭化
物が生成して靱・延性を却って低下させ、疲労特性にも
悪影響を及ぼすようになるので、０．５％以下、より好
ましくは０．４％以下に抑えなければならない。
る結晶粒の微細化に寄与し、靱・延性の向上に有効に作
用する。しかし多過ぎると、焼入れ加熱時に粗大な炭化
物が生成して靱・延性を却って低下させ、疲労特性にも
悪影響を及ぼすようになるので、０．５％以下、より好
ましくは０．４％以下に抑えなければならない。
【００３５】本発明に係る残部成分は実質的にＦｅであ
るが、Ｐ、Ｓなどの不可避的不純物の混入は勿論許容さ
れるし、必要によっては、前述した本発明の作用効果を
阻害しない範囲で延性向上効果を有するＣｏなど、結晶
粒微細化効果を有するＴｉ，Ｎｂなど、を少量含有する
ものであっても構わない。
るが、Ｐ、Ｓなどの不可避的不純物の混入は勿論許容さ
れるし、必要によっては、前述した本発明の作用効果を
阻害しない範囲で延性向上効果を有するＣｏなど、結晶
粒微細化効果を有するＴｉ，Ｎｂなど、を少量含有する
ものであっても構わない。
【００３６】
【実施例】以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に
説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限
を受けるわけではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範
囲で適当に変更して実施することも可能であり、それら
はいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限
を受けるわけではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範
囲で適当に変更して実施することも可能であり、それら
はいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００３７】実施例
ＶＡＲ精錬に供する鋼材として、一般的に知られている
転炉→取鍋加熱精錬→連続鋳造工程によりばね用として
製造された鋼塊を用いた。鋼塊の成分調整は取鍋精錬段
階で行ない、また、介在物中の平均ＣａＯ濃度の調整
は、取鍋加熱精錬時に用いるＣａＯ−ＳｉＯ2系スラグ
のＣａＯ濃度を増減することにより行なった。具体的に
は、ウォラステナイト（ＣａＯ・ＳｉＯ2）を基本スラ
グ組成とし、ＣａＯ濃度を高める場合には、主成分がＣ
ａＯである焼石灰を追加し、またＣａＯ濃度を低くする
場合は、主成分がＳｉＯ2である珪石を追加した。表１
に、ＶＡＲ精錬に供する前の鋼材の成分と介在物中の平
均ＣａＯ濃度を示す。
転炉→取鍋加熱精錬→連続鋳造工程によりばね用として
製造された鋼塊を用いた。鋼塊の成分調整は取鍋精錬段
階で行ない、また、介在物中の平均ＣａＯ濃度の調整
は、取鍋加熱精錬時に用いるＣａＯ−ＳｉＯ2系スラグ
のＣａＯ濃度を増減することにより行なった。具体的に
は、ウォラステナイト（ＣａＯ・ＳｉＯ2）を基本スラ
グ組成とし、ＣａＯ濃度を高める場合には、主成分がＣ
ａＯである焼石灰を追加し、またＣａＯ濃度を低くする
場合は、主成分がＳｉＯ2である珪石を追加した。表１
に、ＶＡＲ精錬に供する前の鋼材の成分と介在物中の平
均ＣａＯ濃度を示す。
【００３８】
【表１】
【００３９】上記各鋼材の一部を使用し、機械加工によ
ってＶＡＲ用消耗電極１．５〜２．１トン（直径３４０
〜３６０ｍｍ×長さ２３００〜２７００ｍｍ）を作製
し、それぞれについてＶＡＲ精錬を行なった後、得られ
たＶＡＲ鋳塊を熱間圧延して直径５．５ｍｍの鋼線材と
し、６６０℃で低温焼鈍を行なった後、直径４．８ｍｍ
にまで冷間伸線した。また比較用として、ＶＡＲ精錬を
行なわなかった鋼材についても同様に熱間圧延、低温焼
鈍および冷間伸線を行ない、直径４．８ｍｍの鋼線材を
得た。得られた直径４．８ｍｍの各線材から、断面介在
物観察用のサンプルを採取した。
ってＶＡＲ用消耗電極１．５〜２．１トン（直径３４０
〜３６０ｍｍ×長さ２３００〜２７００ｍｍ）を作製
し、それぞれについてＶＡＲ精錬を行なった後、得られ
たＶＡＲ鋳塊を熱間圧延して直径５．５ｍｍの鋼線材と
し、６６０℃で低温焼鈍を行なった後、直径４．８ｍｍ
にまで冷間伸線した。また比較用として、ＶＡＲ精錬を
行なわなかった鋼材についても同様に熱間圧延、低温焼
鈍および冷間伸線を行ない、直径４．８ｍｍの鋼線材を
得た。得られた直径４．８ｍｍの各線材から、断面介在
物観察用のサンプルを採取した。
【００４０】なお上記介在物の組成定量には、島津製作
所製の「ＥＰＭＡ−８７０５」を使用し、加速電圧２０
ｋＶ、試料電流０．０１μＡで特性Ｘ線の波長分散分光
により介在物中央部の定量解析を行なった。また介在物
のサイズと個数は、組成定量と同時に上記ＥＰＭＡに付
帯する走査型電子顕微鏡によって観察し、単位断面当た
りに存在する幅方向サイズが５μｍ以上の介在物個数を
求めた。なお定量対象元素はＡｌ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｍｇ，
Ｃａ，Ｚｒ，Ｏ，Ｓである。
所製の「ＥＰＭＡ−８７０５」を使用し、加速電圧２０
ｋＶ、試料電流０．０１μＡで特性Ｘ線の波長分散分光
により介在物中央部の定量解析を行なった。また介在物
のサイズと個数は、組成定量と同時に上記ＥＰＭＡに付
帯する走査型電子顕微鏡によって観察し、単位断面当た
りに存在する幅方向サイズが５μｍ以上の介在物個数を
求めた。なお定量対象元素はＡｌ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｍｇ，
Ｃａ，Ｚｒ，Ｏ，Ｓである。
【００４１】これら各元素濃度が既知の物質を標準試料
とし、Ｘ線強度と元素濃度との関係を検量線として予め
作成しておき、観察対象介在物から得たＸ線強度から各
元素の濃度を定量した。更に、各元素がＡ１2Ｏ3，Ｍｎ
Ｏ，ＳｉＯ2，ＭｇＯ，ＣａＯ，ＺｒＯ2，Ｓの形で存在
すると仮定し、ＥＰＭＡによって分析された各元素濃度
から、介在物中のＡ１2Ｏ3，ＭｎＯ，ＳｉＯ2，Ｍｇ
Ｏ，ＣａＯ，ＺｒＯ2，Ｓの構成比を算出した。
とし、Ｘ線強度と元素濃度との関係を検量線として予め
作成しておき、観察対象介在物から得たＸ線強度から各
元素の濃度を定量した。更に、各元素がＡ１2Ｏ3，Ｍｎ
Ｏ，ＳｉＯ2，ＭｇＯ，ＣａＯ，ＺｒＯ2，Ｓの形で存在
すると仮定し、ＥＰＭＡによって分析された各元素濃度
から、介在物中のＡ１2Ｏ3，ＭｎＯ，ＳｉＯ2，Ｍｇ
Ｏ，ＣａＯ，ＺｒＯ2，Ｓの構成比を算出した。
【００４２】また、上記で得た直径４．８ｍｍの各鋼線
材について、オイルテンパー処理→歪取焼鈍→ショット
ピーニング処理→再度の歪取焼鈍を施した後、中村式回
転曲げ疲労試験機を用いて折損率を評価した。該疲労試
験の条件は、試験片長さ；６５０ｍｍ、試験片本数；３
０〜５０本、試験荷重；９５．８ｋｇｆ／ｍｍ2、回転
速度；４５００ｒｐｍ、試験中止回転数；２×１０7回
とした。また、折損率は下記（４）式により算出した。
材について、オイルテンパー処理→歪取焼鈍→ショット
ピーニング処理→再度の歪取焼鈍を施した後、中村式回
転曲げ疲労試験機を用いて折損率を評価した。該疲労試
験の条件は、試験片長さ；６５０ｍｍ、試験片本数；３
０〜５０本、試験荷重；９５．８ｋｇｆ／ｍｍ2、回転
速度；４５００ｒｐｍ、試験中止回転数；２×１０7回
とした。また、折損率は下記（４）式により算出した。
【００４３】破損率＝［折損本数／全ての供試験片本
数］×１００（％）……（４）表２に、ＶＡＲ精錬で得
た鋼線材の成分、断面に観察される長さ５μｍ以上の介
在物個数、および中村式回転曲げ疲労試験による折損率
を示す。なお、ＶＡＲ精錬に供さなかった非処理鋼塊を
使用し、上記と同様にして得た鋼線材の介在物個数と折
損率については、表１に示した。
数］×１００（％）……（４）表２に、ＶＡＲ精錬で得
た鋼線材の成分、断面に観察される長さ５μｍ以上の介
在物個数、および中村式回転曲げ疲労試験による折損率
を示す。なお、ＶＡＲ精錬に供さなかった非処理鋼塊を
使用し、上記と同様にして得た鋼線材の介在物個数と折
損率については、表１に示した。
【００４４】
【表２】
【００４５】表１および表２から次のように考察でき
る。Ｎｏ．１〜７は、本発明の規定要件を満たす実施例
であり、ＶＡＲ精錬を実施することによって粗大な酸化
物系介在物個数が少なくなり、優れた疲労強度のものが
得られている。これらに対し、Ｎｏ．８〜１１は、母鋼
材成分と母鋼材中介在物の平均ＣａＯ濃度のうち、いず
れかが本発明の規定要件を外れており、ＶＡＲ精錬を施
すことで酸化物系介在物個数は減少しているが、折損率
は比較的高くて疲労強度が乏しい。
る。Ｎｏ．１〜７は、本発明の規定要件を満たす実施例
であり、ＶＡＲ精錬を実施することによって粗大な酸化
物系介在物個数が少なくなり、優れた疲労強度のものが
得られている。これらに対し、Ｎｏ．８〜１１は、母鋼
材成分と母鋼材中介在物の平均ＣａＯ濃度のうち、いず
れかが本発明の規定要件を外れており、ＶＡＲ精錬を施
すことで酸化物系介在物個数は減少しているが、折損率
は比較的高くて疲労強度が乏しい。
【００４６】
【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、Ａ
１濃度および介在物の平均ＣａＯ濃度を規定した鋼材を
ＶＡＲ精錬に供することにより、鋼線材中の酸化物系介
在物を極少化することができ、優れた疲労強度を有する
ばね用鋼線を提供し得ることになった。
１濃度および介在物の平均ＣａＯ濃度を規定した鋼材を
ＶＡＲ精錬に供することにより、鋼線材中の酸化物系介
在物を極少化することができ、優れた疲労強度を有する
ばね用鋼線を提供し得ることになった。
【図１】ばね用鋼線の縦断面に表われる幅方向サイズが
５μｍ以上の酸化物系介在物の個数と、回転曲げ疲労試
験による折損率との関係を示すグラフである。
５μｍ以上の酸化物系介在物の個数と、回転曲げ疲労試
験による折損率との関係を示すグラフである。
【図２】ＶＡＲ処理前後における鋼塊の単位断面に現れ
る介在物の面積比率と介在物組成から求めたＳｉＯ2、
Ａ１2Ｏ3およびＣａＯの還元率を示すグラフである。
る介在物の面積比率と介在物組成から求めたＳｉＯ2、
Ａ１2Ｏ3およびＣａＯの還元率を示すグラフである。
【図３】ＶＡＲ精錬に付される母鋼材に含まれる介在物
中の平均ＣａＯ濃度と、ＶＡＲ精錬の有無による鋼線材
中に生じる介在物の面積減少率の関係を示すグラフであ
る。
中の平均ＣａＯ濃度と、ＶＡＲ精錬の有無による鋼線材
中に生じる介在物の面積減少率の関係を示すグラフであ
る。
フロントページの続き
(72)発明者 茨木 信彦
神戸市灘区灘浜東町２番地 株式会社神
戸製鋼所 神戸製鉄所内
(72)発明者 須田 澄恵
神戸市灘区灘浜東町２番地 株式会社神
戸製鋼所 神戸製鉄所内
(56)参考文献 特開 平８−225820（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−212238（ＪＰ，Ａ)
特開 平11−199982（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−107746（ＪＰ，Ａ)
特開2000−345232（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C22C 38/00 - 38/60
C21C 7/00
C22B 9/20
Claims (5)
- 【請求項１】 質量％で、Ｃ：０．４〜１．３％、Ｓ
ｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜１．２％を含有
すると共に、Ａｌが０．０２５〜０．１０％である圧延
鋼線であって、縦断面に観察される酸化物系介在物のう
ち、幅方向のサイズが５μｍ以上のものが２個／１００
ｍｍ2以下であることを特徴とする高疲労強度ばね用鋼
線。 - 【請求項２】 鋼が、他の元素として、Ｎｉ：１％以
下、Ｃｕ：１％以下、Ｃｒ：２．５％以下、Ｍｏ：１％
以下、およびＶ：０．５％以下よりなる群から選ばれる
少なくとも１種の元素を含むものである請求項１に記載
のばね用鋼線。 - 【請求項３】 質量％で、Ｃ：０．４〜１．３％、Ｓ
ｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜１．２％を含
み、Ａｌが０．０２７〜０．１０％であり、鋼中介在物
中のＣａＯ含有量を低減した鋼材を、真空アーク再溶解
法により１回以上溶解精錬してから鋳造し、圧延するこ
とを特徴とする高疲労強度ばね用鋼線の製法。 - 【請求項４】 溶解精錬される前記鋼材に含まれる介在
物中の平均ＣａＯ含量を４％以下とする請求項３に記載
の製法。 - 【請求項５】 鋼が、他の元素として、Ｎｉ：１％以
下、Ｃｕ：１％以下、Ｃｒ：２．５％以下、Ｍｏ：１％
以下、およびＶ：０．５％以下よりなる群から選ばれる
少なくとも１種の元素を含むものである請求項３または
４に記載の製法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001257735A JP3533196B2 (ja) | 2001-08-28 | 2001-08-28 | 高疲労強度ばね用鋼線とその製法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001257735A JP3533196B2 (ja) | 2001-08-28 | 2001-08-28 | 高疲労強度ばね用鋼線とその製法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003073776A JP2003073776A (ja) | 2003-03-12 |
| JP3533196B2 true JP3533196B2 (ja) | 2004-05-31 |
Family
ID=19085354
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001257735A Expired - Fee Related JP3533196B2 (ja) | 2001-08-28 | 2001-08-28 | 高疲労強度ばね用鋼線とその製法 |
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| JP5231345B2 (ja) * | 2009-06-24 | 2013-07-10 | 株式会社神戸製鋼所 | 高清浄度ばね用鋼 |
| KR101742902B1 (ko) | 2013-04-23 | 2017-06-01 | 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤 | 내피로 특성이 우수한 스프링강 및 그 제조 방법 |
| CN104060175B (zh) * | 2014-05-27 | 2017-01-11 | 安徽红桥金属制造有限公司 | 一种弹簧及其生产方法 |
| CN104060182A (zh) * | 2014-05-27 | 2014-09-24 | 安徽红桥金属制造有限公司 | 一种弹簧及其表面处理工艺 |
| CN105041931A (zh) * | 2015-06-12 | 2015-11-11 | 江苏塞维斯数控科技有限公司 | 一种全数控镜面火花机压簧 |
| CN105149878A (zh) * | 2015-09-08 | 2015-12-16 | 南京钢铁股份有限公司 | 一种高合金工具钢盘条的生产工艺 |
-
2001
- 2001-08-28 JP JP2001257735A patent/JP3533196B2/ja not_active Expired - Fee Related
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