JP4041330B2 - 疲労強度に優れた硬引きばね用鋼線および硬引きばね - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強い冷間引き抜き加工を施して使用されるばね（加工ばね）の素材として有用な硬引きばね用鋼線、およびこうしたばね用鋼線を使用したばねに関するものであり、殊に伸線ままで焼入れ焼戻し処理せずとも優れた疲労強度と耐へたり性を発揮するばねを得ることのできる硬引きばね用鋼線、およびこうした特性を発揮することのできる硬引きばねに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等の軽量化や高出力化に伴い、エンジンやサスペンション等に使用される弁ばねや懸架ばねにおいても高応力化が指向されている。また、ばねへの負荷応力の増大に伴い、疲労強度に優れたばねが要求されている。
【０００３】
近年、弁ばねや懸架ばね等の大部分は、オイルテンパー線と呼ばれる焼入れ・焼戻しの施された鋼線を、常温でばね巻き加工して製造されているのが一般的である。
【０００４】
上記の様なオイルテンパー線では、焼戻しマルテンサイト組織であるので、高強度を得るのに都合が良く、また疲労強度や耐へたり性に優れるという利点があるものの、焼入れ・焼戻し等の熱処理に大掛かりな設備と処理コストを要するという欠点がある。
【０００５】
一方、負荷応力が比較的低く設計された一部のばねには、（フェライト＋パーライト）組織またはパーライト組織の炭素鋼を伸線加工して強度を高めた線材（「硬引き線」と呼ばれている）を、常温でばね巻き加工したものが使用されている。こうしたばねとして、ＪＩＳ規格にはピアノ線（ＪＩＳ Ｇ３５２２）の中で、特に「弁ばねまたはこれに準ずるばね用」として、「ピアノ線ＳＷＰ−Ｖ種」を定めている。
【０００６】
上記の様な硬引き線によって製造されるばね（以下では、このばねを「硬引きばね」と呼ぶ）は、熱処理を必要としないので低コストになるという利点がある。しかしながら、こうした硬引き線で製造されたばねでは、疲労強度が低いという欠点があり、近年要望の高まっている様な高応力ばねは実現できない。
【０００７】
低コストに製造できるという利点のある硬引きばねにおいて、より高応力化を図る技術も様々検討されており、こうした技術として例えば特開平１１−１９９９８１号には、「オイルテンパー線と同等の特性を備えたピアノ線」として、共析〜過共析鋼パーライトの伸線加工方法を工夫することによって、特定のセメンタイト形状を得る方法が提案されている。しかしながらこうした方法においても、伸線方向を入れ替えるなど、工程の複雑化による製造コストの上昇は避けられない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした状況の下になされたものであって、その目的は、オイルテンパー線を用いたばねと同等以上の疲労強度を発揮する硬引きばねを製造する為のばね用鋼線、およびこの様な硬引きばねを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成し得た本発明の硬引きばね用鋼線とは、Ｃ：０．５〜０．７％、Ｓｉ：１．０〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｃｒ：０．５〜１．５％を夫々含有し、残部がＦｅ、酸化物系介在物および不可避不純物からなり、且つ前記酸化物介在物の融点Ａ（℃）が下記（１）の関係を満足する点に要旨を有するものである。このばね用鋼線においては、更に（ａ）Ｎｉ：０．０５〜０．５％、（ｂ）Ｍｏ：０．３％以下（０％を含まない）等を含有させることも有効である。また、この様なばね用鋼線を用いて製造することによって、優れた疲労強度および耐ねたり性を発揮することができる硬引きばねが得られる。
Ａ≦２×（ＴＳ／１００）²−１．２×ＴＳ＋３２００ …（１）
但し、ＴＳは鋼線の引張強度（ＭＰａ）
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、上記目的を達成することのできる硬引きばね用鋼線の実現を目指して様々な角度から検討した。その結果、疲労の起点となって疲労強度を低下させる酸化物系介在物を低融点化し、熱間圧延や伸線加工中に変形し易い組成に制御することによって、疲労強度が向上することが判明した。また、伸線材をそのまま使用するような硬引き線では、上記酸化物系介在物組成は鋼線の引張強度によって最適な融点が異なることをも見出した。
【００１１】
具体的には、酸化物系介在物の融点Ａ（℃）が上記（１）式の関係を満足するように制御すれば、介在物を起点とした折損が大幅に減少し、疲労強度が高くなることを見出し、本発明を完成した。尚、本発明で対象とする酸化物系介在物とは、ＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＣａＯ，ＭｇＯ，ＭｎＯ等の各種酸化物を意味する。
【００１２】
本発明のばね用鋼線は、化学成分組成も適切に調整する必要があるが、その範囲限定理由は下記の通りである。
【００１３】
Ｃ：０．５〜０．７％
Ｃは、伸線材の引張強度を高め、疲労強度や耐へたり性を確保するために有用な元素であり、通常のピアノ線では０．８％前後含有されているが、本発明で目的としている様な高強度の伸線材においては、Ｃの含有量が０．７％を超えると加工の際に折れ易くなり、また表面疵や介在物からの亀裂を発生して疲労寿命が劣化するので、０．７％以下とした。しかしながら、Ｃ含有量が少なくなり過ぎると、高応力ばねとして必要な引張強さが確保できないばかりか、疲労強度および耐へたり性を劣化させるので、Ｃ含有量は０．５％以上とする必要がある。尚、Ｃ含有量の好ましい下限は０．６３％であり、好ましい上限は０．６８％である。
【００１４】
Ｓｉ：１．０〜２．０％
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤として必要な元素であり、またフェライト中に固溶して焼戻し軟化抵抗を上げ、耐へたり性を向上させる上で重要な元素である。こうした効果を発揮させるためには、１．０％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ｓｉの含有量が２．０％を超えて過剰になると、靭性や延性が悪くなるばかりでなく、表面の脱炭や疵等が増加して耐疲労性が悪くなる。尚、Ｓｉ含有量の好ましい下限は１．２％程度であり、好ましい上限は１．６％程度である。
【００１５】
Ｍｎ：０．５〜１．５％
Ｍｎは製鋼時の脱酸に有効な元素であり、またパーライト組織を緻密且つ整然化させ、疲労特性の改善に貢献する元素である。こうした効果を発揮させる為には、Ｍｎは少なくとも０．５％含有させる必要がある。しかし、過剰に含有させると、熱間圧延時やパテンティング処理時にベイナイト等の過冷組織が生成し易くなり、伸線性を著しく悪化するので、１．５％以下とすべきである。尚、Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．６％程度であり、好ましい上限は１．０％程度である。
【００１６】
Ｃｒ：０．５〜１．５％
Ｃｒは、パーライトラメラ間隔を小さくして、圧延後または熱処理後の強度を上昇させ、耐へたり性を向上させるのに有用な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Ｃｒ含有量は０．５％以上とする必要がある。しかしながら、Ｃｒ含有量が過剰になると、パテンティング中にベイナイト組織が生成し易くなり、また粗大な炭化物を析出し易くなり、疲労強度および耐へたり性が劣化するので、１．５％以下とする必要がある。尚、Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．７％程度であり、好ましい上限は１．０％程度である。
【００１７】
本発明のばね用鋼線材における基本的な化学成分組成は上記の通りであり、残部はＦｅ、酸化物系介在物および不可避不純物からなるものであるが、必要により所定量のＮｉやＭｏを含有させることも有効である。これらを含有させるときの範囲限定理由は、下記の通りである。
【００１８】
Ｎｉ：０．０５〜０．５％
Ｎｉは焼入れ性を高めると共に靭性を高め、ばね加工時の折損トラブルを抑制すると共に疲労強度を向上させるのに有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Ｎｉ含有量は０．０５％以上とするのが好ましい。しかしながら、過剰に含有させると熱間圧延時やパテンティング時にベイナイト組織が生成し、伸線加工性を著しく悪化させるのでその上限は０．５％とするのが好ましい。
【００１９】
Ｍｏ：０．３％以下（０％を含まない）
Ｍｏは焼入れ性を確保すると共に軟化抵抗を向上させることによって耐へたり性を向上させるのに有効な元素である。こうした効果は、その含有量が多くなるにつれて大きくなるが、過剰に含有させるとパテンティングの処理時間が長くなり過ぎ、また延性も劣化するのでその上限は０．３％とするのが好ましい。
【００２０】
上記の各種成分以外にもばね用鋼の特性を阻害しない程度の微量成分を含み得るものであり、こうした鋼線材も本発明の範囲に含まれものである。上記微量成分としては不純物、特にＰ，Ｓ，Ａｓ，Ｓｂ，ＳｎおよびＯ等の不可避不純物が挙げられる。
【００２１】
本発明のばね用鋼線においては、上述の如く酸化物系介在物の融点（℃）が前記（１）式の関係を満足するように制御するものであるが、この融点を制御する（低下させる）には溶鋼処理の段階で、鋼線の強度レベルに応じて所定量のＣａの添加量を調整よれば良い。また、Ａｌは酸化物系介在物の融点を上げるように作用するので、Ａｌの添加量はできるだけ低減することが好ましい。尚、融点を調整するために添加した後のＣａやＡｌは、鋼線中ではＳｉＯ₂−ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃の複合介在物となり、融点を下げる。また、こうした観点から、ＣａおよびＡｌの好ましい添加量はＣａ：０．００１〜０．０１％、Ａｌ：０．００３％以下（０％を含む）である。
【００２２】
上記ＣａおよびＡｌは基本的には、添加量のうちその殆どが酸化物系介在物中に含有されることになるが、その一部は微量成分（不可避不純物）として存在することもあり得る。また、本発明のばね用鋼線中には、上記酸化物系介在物の他に微量の金属系介在物（例えば、ＺｒＯ₂等）も含み得るものである。尚、酸化物系介在物を形成する酸素（Ｏ）は、例えば溶鋼処理中に再酸化が起こったものが殆どである。
【００２３】
上記の様なばね用鋼線を用いて伸線加工およびばね巻き加工を施すことによって、希望する特性を発揮するばね（硬引きばね）が得られるのであるが、こうした効果をより有効に発揮させるためには、２回以上のショットピーニングを施すことも有効である。またその際には、ショットピーニング条件を適切に制御することによって、表面粗さＲｙ（最大高さ：ＪＩＳ Ｂ ０６０１）を１０μｍ以下にすることが好ましい。
【００２４】
弁ばねやそれに準ずる高応力ばねは、ショットピーニングによって表層に圧縮残留応力が付与された状態で使用されるのが通常である。このショットピーニングは、高硬度の硬球（ショット粒）を高速で被処理材表面に投射して圧縮の残留応力を付与し、表面亀裂の発生を抑え、疲労強度を向上させるのに有効な手段である。特に、高応力で使用されるような部品においては、２回以上のショットピーニングを行うことが有効である。
【００２５】
しかしながら、２回以上の高強度のショットピーニングを行うと、表面が変形して表面粗さが大きくなる場合がある。特に、硬引き線のような材料においては、最弱部のフェライトがより大きく変形し、表面粗度が大きくなることがある。表面粗度が大きいと、これを起点として疲労破壊が発生し易くなり、疲労強度が低下することになる。こうした事態を防止するためには、ショットピーニングを行った後の表面粗さＲｙが１０μｍ以下となるように抑えることが有効である。また、こうした表面粗さＲｙを達成するには、最終のショットピーニングを直径：０．３ｍｍ以下のショット粒による投射を行うようにすれば良い。
【００２６】
本発明の硬引きばねには、特に過酷な応力条件で使用されることが予想される場合には、その表面に窒化処理を施すことも有効である。こうした窒化処理を施すことによって、疲労強度を更に改善することができる。こうした窒化処理に関しては、オイルテンパー線で製造された弁ばねについては従来からその処理が行なわれているが、硬引きばねについては、全く行われていなかった。これは、通常の硬引き線の化学成分では窒化処理を施しても効果があまり期待できないと考えられていたことや、窒化の際に伸線時に導入された歪が開放されて強度が極端に低下すると考えられていたこと等が原因である。
【００２７】
これに対して、本発明で規定する化学成分組成を有する線材を硬引きした後、窒化処理を施すと、疲労寿命が改善されることになる。こうした効果が発揮される理由は、次の様に考えることができた。即ち、本発明のばね用鋼線では、フェライトをＳｉ，Ｃｒ等の合金元素で強化することによって線材の強度がフェライト自身の強度に依存する状態になっているので、窒化によってフェライトの強度を高めることが疲労強度の直接的な改善に繋がるものと考えられる。特に、表層から１０μｍの位置で、ビッカース硬さ（ＨＶ）が６００以上、好ましくは７００以上となるように窒化処理することが好ましい。
【００２８】
また、本発明の効果は、ばね直径Ｄ₀と線径ｄ₀の比（Ｄ₀／ｄ₀）が９．０以下の小径ばねに適用したときに、一層発揮される。ばねにおいては、上記Ｄ₀／ｄ₀はばね指数を示すものであるが、こうした比（Ｄ₀／ｄ₀）となるばねでは、所望の荷重応答を得るときのばね内側と外側の応力差が大きく、ばね内側に高い応力が架かる。こうした高応力の使用環境下でも、本発明のばねではその機能を維持することができる。また、その効果は、（Ｄ₀／ｄ₀）が小さくなればなるほど大きくなるが、２．０よりも小さくなるとショットピーニング等の表面加工の効果が得られにくくなるので、その下限は２．０であることが好ましい。
【００２９】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００３０】
【実施例】
下記表１に示す化学成分組成の鋼（Ａ〜Ｗ）を溶製し、熱間圧延して直径（線径）：８．０ｍｍの線材を作製した。このときの供試材の溶製は、Ｓｉ−Ｍｎ脱酸で行い、ワイヤの強度レベルに応じて、ＣａやＡｌの添加量を変化させて、介在物組成をコントロールした。また、鋼種Ｍ〜Ｒについては、Ａｌの添加量を多くして高融点の介在物組成とした。
【００３１】
【表１】

【００３２】
その後、皮削り、パテンティング処理および伸線処理を行って線径：３．１ｍｍの鋼線とした。このときのパテンティングは、基本的にオーステナイト化温度を９１０℃とし、各鋼種に応じて５５０〜６５０℃の鉛浴中で恒温変態させた。但し、鋼種Ｆ，Ｈについては、オーステナイト化温度を９５０℃とし、５８０℃の鉛浴中で恒温変態させ、伸線最終径を２．８ｍｍとして加工硬化量を上昇させて強度を高くしたもの（後記表２、３のＮｏ．１８，１９）についても作成した。
【００３３】
得られた鋼線（伸線材）について、縦断面のＤ／４の位置（Ｄは直径）で酸化物系介在物の組成分析を行い、該介在物の融点を測定した。このときの測定は、Ｘ線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて、２００倍において検出された１０個の介在物の組成を分析し、その平均組成から求めた融点をそのチャージの介在物融点とした。また、伸線後の引張強度ＴＳについて測定した。これらの測定結果を、前記（１）式の右辺の値［２×（ＴＳ／１００）²−１．２×ＴＳ＋３２００］と共に、下記表２に示す。
【００３４】
【表２】

【００３５】
上記伸線材を常温にてばね成形し、歪取り焼鈍（４００℃×２０分）、座研磨、二段ショットピーニング、低温焼鈍（２３０℃×２０分）および冷間セッチングを行った。このとき、鋼種Ｃのものについては、その表面にＮＨ₃８０％＋Ｎ₂２０％、４００℃×２時間の条件で窒化処理を施した。
【００３６】
得られた各ばねに５８８±４４１ＭＰａの負荷応力下で疲労試験を行い、破断寿命を測定するとともに、その表面粗さＲｙについても測定した。その結果を、下記表３に示す。また、この結果に基づき、引張強度と酸化物系介在物の融点との関係を図１に示す。
【００３７】
【表３】

【００３８】
これらの結果から、次の様に考察できる。まず、Ｎｏ．１〜１２、２４、２５のものは、本発明で規定する要件のいずれも満足するものであり、疲労強度が優れたものとなっていることが分かる。また、前記（１）式の関係を満足することによって（前記図１）、優れた疲労強度が発揮されていることが分かる。
【００３９】
これに対してＮｏ．１３〜２３のものでは、本発明で規定する要件のいずれかを欠くものであり、いずれかの特性が劣化したものとなっている。即ち、Ｎｏ．１３〜２０のものでは、酸化物系介在物の融点が高くなっており、前記（１）式の関係を満足しないものとなっているので、加工時に変形しにくく、疲労破壊の起点となって、疲労寿命が短くなっている。
【００４０】
Ｎｏ．２１のものは、Ｃ含有量が多くなっているので、介在物を起点とした早期折損が発生しており、疲労寿命が短くなっている。
【００４１】
Ｎｏ．２２のものは、Ｃ含有量が少ないものであり、パテンティング後の強度が低くなっており、伸線後に十分な強度が得られず、疲労寿命が短くなっている。
【００４２】
Ｎｏ．２３のものは、Ｃｒ含有量が多くなっているので、パテンティング時にベイナイトが生成し、伸線中に断線が生じていた。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、伸線ままでオイルテンパー線を用いたばねと同等以上の疲労強度を発揮する硬引きばねを製造する為のばね用鋼線、およびこの様な硬引きばねが実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】引張強度と酸化物系介在物の融点との関係を示したグラフである。

Claims (4)

1. Ｃ：０．５〜０．７％（質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：１．０〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｃｒ：０．５〜１．５％を夫々含有し、残部がＦｅ、酸化物系介在物および不可避不純物からなり、且つ前記酸化物系介在物の融点Ａ（℃）が下記（１）の関係を満足することを特徴とする疲労特性に優れた硬引きばね用鋼線。
   Ａ≦２×（ＴＳ／１００）²−１．２×ＴＳ＋３２００ …（１）
   但し、ＴＳは鋼線の引張強度（ＭＰａ）
2. 更に、Ｎｉ：０．０５〜０．５％を含有するものである請求項１に記載の硬引きばね用鋼線。
3. 更に、Ｍｏ：０．３％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１または２に記載の硬引きばね用鋼線。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のばね用鋼線を用いて製造されたものである硬引きばね。

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