JP4134223B2

JP4134223B2 - 疲労特性に優れたＳｉキルド鋼線材およびばね

Info

Publication number: JP4134223B2
Application number: JP2006356309A
Authority: JP
Inventors: 朋子杉村; 浩一坂本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2026-12-28
Also published as: JP2008163424A

Description

本発明は、疲労特性の優れたＳｉキルド鋼線材およびこの鋼線材から得られるばねに関するものであり、例えば高強度ばね（弁ばね、クラッチばね）などとしたときに高い疲労特性が発揮でき、こうした特性が要求される自動車用エンジンの弁ばねやクラッチばね、ブレーキばね、更には懸架ばねやスチールコード等の素材として有用なものである。

最近、自動車の軽量化や高出力化の要請が高まるにつれて、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等においても高応力設計が指向されている。そのためこれらのばねには、負荷応力の増大に対応するため、耐疲労性や耐へたり性に優れたものが強く望まれている。とりわけ弁ばねについての疲労強度増大の要請は非常に強く、従来鋼の中でも疲労強度に優れているとされているＳＷＯＳＣ−Ｖ（ＪＩＳＧ３５６６）でも対応が困難になってきている。

高い疲労強度が要求されるばね用線材では、線材中に存在して折損起点となる非金属介在物を極力低減することが必要である。こうした観点から、上記の様な用途に用いられる鋼材としては、上記非金属介在物の存在を極力低減した高清浄鋼が用いられるのが一般的である。また、素材の高強度化が図られるにつれて、非金属介在物に起因する断線、疲労折損の危険性が高まることから、その主要因となる非金属介在物の低減・小型化の要求は一段と厳しいものとなっている。

介在物を無害化(疲労に対して)するための技術として、介在物組成を制御する技術が開示されている。例えば非特許文献１には、弁ばね用鋼では、融点が１４００〜１５００℃程度よりも低いＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂三成分系介在物に制御すると、疲労破壊の起点とはならず疲労特性が向上することが開示されている。

また特許文献１には、圧延鋼材のＬ断面において、長さ（ｌ）と幅（ｄ）の比が１／ｄ≦５の非金属介在物の平均組成が、ＳｉＯ₂：２０〜６０％、ＭｎＯ：１０〜８０％に、ＣａＯ：５０％以下、ＭｇＯ：１５％以下の一方または両方を含むことによって、冷間加工性と疲労特性に優れた清浄度鋼が得られることが示されている。

特許文献２には、圧延鋼材のＬ断面において、長さ（ｌ）と幅（ｄ）の比が１／ｄ≦５の非金属介在物の平均組成が、ＳｉＯ₂：３５〜７５％、Ａｌ₂Ｏ₃：３０％以下、ＣａＯ：５０％以下、ＭｇＯ：２５％以下からなるものとすることによって、冷間加工性と疲労特性に優れた清浄度鋼が得られることが示されている。

特許文献３には、介在物中のＳｉＯ₂：２５〜７５％、Ａｌ₂Ｏ₃：３５％以下、ＣａＯ：５０％以下、ＭｇＯ：４０％以下の一方あるいは両方含み、ＭｎＯ：６０％以下に制御することで、疲労強度が向上することが開示されている。

特許文献４には、介在物のうち最も融点の高いものの融点を１５００℃以下に制御することで、疲労強度が向上することが開示されている。

また特殊な成分を用いた技術では、特許文献５のＬｉ₂Ｏ組成への介在物制御や、特許文献６の鋼材中にＢａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇを含有させるものがある。
「第１８２・１８３回西山記念技術講座」、（社）日本鉄鋼協会編、第１３１〜１３４頁特開昭６２−９９４３６号公報特開昭６２−９９４３７号公報特開昭６３−１４００６８号公報特開平５−３２０８２７号公報特開２００５−２９８８８号公報特開昭６３−２２７７４８号公報

従来技術では、熱延時の介在物の変形を促進するため、ガラス化しやすい組成へ制御することや、更に変形を促進するため介在物を低融点組成に制御することが記載されている。また、具体的な介在物組成としては、ガラスの安定なＳｉＯ₂系複合酸化物系が示されている。

従来の方法だけでは、今後の更なる高疲労特性化のニーズに対応できない。また、変形をより促進するために、介在物を更に低融点化させようとして、従来多数報告されているＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＣａＯ−ＭｇＯ−ＭｎＯ等の系で、格段の低融点化をねらっても、これ以上は困難なレベルに達している。

Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ等の成分を規定した従来技術も存在するが、各々の成分の差異または複合化の効果を活用できておらず、その結果現在の高い要求に耐え得る疲労強度を実現できない技術となっている。

尚、非金属介在物のうち、Ａｌ₂Ｏ₃を多く含むものでは、低融点介在物を得ることが困難であることから、こうした線材を得るための鋼材は、Ａｌキルド鋼ではなく、Ｓｉを用いて脱酸する所謂「Ｓｉキルド鋼」を素材とした線材が用いられるのが一般的である。

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、介在物を低融点で変形し易くすることで、疲労特性に優れたＳｉキルド鋼線材、およびこうした鋼線材から得られる疲労特性に優れたばね等を提供することにある。

このような状況下において、本発明者らは、介在物中のＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｇＯ，ＣａＯ，ＭｎＯ，ＢａＯをバランス良く制御することによって、介在物の融点を著しく低下させることを見出した。

一般論としては、酸化物の複合化による低融点化は考え得ることである。しかしながら、鋼中介在物として制御できる限られた成分によって、ガラスの安定なＳｉＯ₂系介在物の融点を低下させることは容易ではなく、具体的な手段はこれまで実現できていなかった。これに対して、本発明者らは、ＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｇＯ，ＣａＯ，ＭｎＯ，ＢａＯを最適なバランスで制御することで実現できることを見いだしたのである。特に、従来類似と考えられていたＢａ，Ｃａ，Ｍｇのなかでも、Ｂａ，（Ｍｇ＋Ｃａ）を夫々制御すること、およびいずれも含有させることが重要である。なおかつ、ＳｉＯ₂系のガラスの安定性に対して複雑な影響を発現するＡｌ（Ａｌ₂Ｏ₃）を適切に制御することによって、著しく疲労強度を向上させることが可能となったのである。

即ち、上記目的を達成し得た本発明のＳｉキルド鋼線材とは、線材中に存在する酸化物系介在物が、ＳｉＯ₂：３０〜９０％（「質量％」の意味、以下同じ）、Ａｌ₂Ｏ₃：２〜３５％、ＭｇＯ：３５％以下（０％を含まない）、ＣａＯ：５０％以下（０％を含まない）、ＭｎＯ：２０％以下（０％を含まない）およびＢａＯ：０．２〜２０％を夫々含み、且つ（ＭｇＯ＋ＣａＯ）の合計含有量が３％以上であり、更に前記の酸化物系介在物の組成を除いた化学成分で、Ｃ：１．２％以下（０％を含まない）、Ｓｉ：１．４〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ａｌ：０．０１％以下（０％を含まない）を夫々含み、残部がＦｅおよび不可避不純物である点に要旨を有するものである。

上記の各種Ｓｉキルド鋼線材においては、線材中に存在する酸化物系介在物が、更にＬｉ₂Ｏ：０．１〜２０％の範囲で含むものも好ましい実施形態である。

本発明のＳｉキルド鋼線材においては、更に、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｃｏおよび希土類元素よりなる群から選択される１種以上の元素を含有するものであってもよい。尚、介在物に大きな影響を与えない成分は（例えば、Ｂ，Ｐｂ，Ｂｉ等）、鋼特性向上のために加えても、本発明の効果を発揮するものである。

上記のようなＳｉキルド鋼線材を用いて、ばねに成形することによって、疲労強度の優れたばねが実現できる。

本発明では、酸化物系介在物の組成を適切に制御する（最適なバランスで複合する）ことにより、低融点且つ熱延時にガラス状態を保たせることによって、熱延時の介在物微細化を促進し、疲労特性に優れたＳｉキルド鋼線材が実現できた。

熱間圧延時の変形比の大きい線材では、介在物は熱間圧延時に展伸分断させて微細化することが有用であることは知られている。本発明者らは、こうした情況の下で、凝固後の加熱、熱間圧延による介在物形態の変化をも考慮して、ばねの疲労特性を向上させるための個々の介在物の組成と形態について、様々な角度から検討した。その結果、ＢａＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＳｉＯ₂，ＭｇＯ，ＣａＯおよびＭｎＯの濃度を適切に制御して、酸化物系介在物中の各酸化物成分の割合を適切化するようにすれば、酸化物系介在物の熱延時の変形が著しく促進されて微細化され易くなることを見出した。

従来においても、酸化物系介在物系中の各酸化物の割合を適切にすることは、鋼材の特性向上に有効であることは知られているが（例えば、前記特許文献１〜６）、必ずしも疲労強度が良好になるとは限らず、これらの成分をバランス良く含有させることによって、Ｓｉキルド鋼線材の疲労特性が格段に向上し得ることが判明したのである。例えば、ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂三成分系介在物では、一般的に知られている三元系状態図において、三成分が或る組成範囲に低融点領域が存在することが知られているが、いずれかの成分が高くなるような組成では、介在物の融点が却って高くなって、線材の疲労特性が低下することになる。

本発明のＳｉキルド鋼線材は、線材中に存在する酸化物系介在物の組成を適切に調整した点に特徴を有するものであるが、酸化物系介在物を構成する各酸化物の含有率を定めた理由は次の通りである。

［ＢａＯ：０．２〜２０％］
ＢａＯは、介在物を複合化し低融点化するためにはなくてはならない成分である。介在物中にＢａＯを含有させると、ガラスの安定化はあまり低下させずに、低融点化させる効果がある。この効果を発現させるためには、最低でも０．２％のＢａＯが必要であり、好ましくは１％以上とするのが良い。一方、ＢａＯ濃度が高くなり過ぎると反対に介在物の融点が高くなる。従って、ＢａＯは２０％以下（好ましくは１０％以下）とする必要がある。

［ＳｉＯ₂：３０〜９０％］
ＳｉＯ₂は、ガラスを安定な介在物とするのに必要不可欠な成分であり、最低でも３０％は必要である。一方、ＳｉＯ₂含有量が過剰になり過ぎると、硬質なＳｉＯ₂結晶相が生成し、熱延時の延伸分断が阻害されるため、９０％以下とする必要がある。

［Ａｌ₂Ｏ₃：２〜３５％］
Ａｌ₂Ｏ₃は、Ｓｉキルド鋼の介在物組成を低融点化する効果がある。また、介在物中のＣａＯ等の濃度が高くなったときに結晶化を抑制する効果もある。これらの効果を発現するためには、２％以上含有させる必要がある。しかしながら、Ａｌ₂Ｏ₃の含有量が高くなり過ぎると、介在物中にＡｌ₂Ｏ₃結晶が生成し、熱延時の延伸分断が阻害されるため、３５％以下とする必要がある。

［ＭｇＯ：３５％以下（０％を含まない）、ＣａＯ：５０％以下（０％を含まない）、ＭｇＯ＋ＣａＯ：合計含有量が３％以上］
ＭｇＯおよびＣａＯは、介在物を最適な複合組成にし、低融点化するために必須の成分である。ＭｇＯおよびＣａＯのいずれも、単独では高融点であるが、ＳｉＯ₂系酸化物の融点を低下させる効果がある。その効果を発現させるためには、いずれか或は合計で３％以上含有させる必要がある。但し、これらの濃度が高くなり過ぎると、介在物の融点が高くなったり、ＭｇＯ，ＣａＯの結晶が生成したりして、熱延時の延伸分断を阻害する。従って、上限がある。ＭｇＯとＣａＯでは、結晶生成能に差があるので上限は異なり、ＭｇＯは３５％以下、ＣａＯは５０％以下とする。

［ＭｎＯ：２０％以下（０％を含まない）］
ＭｎＯは、ＳｉＯ₂系酸化物の融点を低下させる効果があるが、高Ｓｉ鋼においてあまり高濃度に制御することは現実的でないため、２０％以下とした。

本発明のＳｉキルド鋼線材においては、上記各成分をバランスよく含有させることによって、疲労特性が向上したものとなるが、必要によってＬｉ₂Ｏを含有させることも有用である。Ｌｉ₂Ｏを含有させる場合の範囲設定理由は次の通りである。

［Ｌｉ₂Ｏ：０．１〜２０％］
Ｌｉ₂Ｏは、介在物中の結晶を微細にする効果があり、ガラスを安定でなおかつ低融点に制御した本発明鋼において、万が一結晶が生成した場合にも、結晶を粗大にしない効果がある。従って、Ｌｉ₂Ｏを含有させることも有用である。こうした作用を発揮させるためには、Ｌｉ₂Ｏは２％程度以上含有させることが好ましいが、０．１％程度の添加によっても、多少の効果は発揮すると考えられ、低濃度の添加によって少なくとも悪いことは起こらないと推定される。しかしながら、Ｌｉ₂Ｏの含有量が２０％を超えて過剰に含有されてもその効果が飽和する。

上記のように介在物中の各成分割合を適切に調整したＳｉキルド鋼線材を用いてばね成形することによって、疲労特性に優れたばねが実現できる。

本発明は、ばねの素材として有用なＳｉキルド鋼線材を想定してなされたものであり、その鋼種については特に限定するものではないが、介在物組成を制御するためには、脱酸成分であるＳｉやＭｎを０．１質量％以上含むものであることが好ましい。より好ましくはＳｉ：１．４％以上、更に好ましくは１．９％以上である。但し、これらの成分は、過剰に含有されると、鋼材が脆化しやすくなるので、Ｓｉで４．０％以下、Ｍｎで２．０％以下とすべきである。

Ａｌは酸化物系介在物の組成制御を行うために積極的に含有させることも可能であるが、多過ぎると介在物中のＡｌ₂Ｏ₃濃度が高くなり断線の原因となる粗大Ａｌ₂Ｏ₃が生成する可能性があるので、０．０１％以下であることが好ましい。

ばね用鋼としての基本成分であるＣ含有量については、１．２％以下であることが好ましい。Ｃ含有量が１．２％を超えると、鋼材が脆化し、実用的でなくなる。

上記基本成分の他は、Ｆｅおよび不可避不純物（例えば０．０２％以下のＳ，０．０２％以下のＰ等）であるが、必要によってＣｒ，Ｎｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｃｏおよび希土類元素（ＲＥＭ）よりなる群から選択される１種以上を含むものであってもよい。これらを含有させるときの好ましい含有量は、各々の元素によって異なるが、Ｃｒ：０．５〜３％、Ｎｉ：０．５％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｎｂ：０．１％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｗ：０．５％以下、Ｃｕ：０．１％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｃｏ：０．５％以下である。また介在物粘性を下げ、より効果を発揮する元素としてＲＥＭを０．０５％以下程度添加しても良い。

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ものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。

実験は、実機または実験室レベルで実施した。即ち、実機では転炉で溶製した溶鋼を取鍋に出鋼し（実験室では、転炉から出鋼される溶鋼を模擬した５００ｋｇの溶鋼を溶製し）、各種フラックスを添加して成分調整、適宜、電極加熱（およびアルゴンバブリング）を実施し、溶鋼処理（スラグ精錬）を実施した。またＣａ，Ｍｇ，Ｃｅ，Ｂａ，Ｌｉなどの合金元素を必要に応じて溶鋼処理中に添加した。次いで、該溶鋼を鋳造して鋼塊とした（実験室レベルでは、実機と同等の冷却速度が得られる鋳型にて鋳造した）。得られた鋼塊を鍛造および熱間圧延して直径：８．０ｍｍの鋼線材とした。

得られた各鋼線材について、線材中の酸化物系介在物の組成を測定すると共に、弁ばねを模擬した回転曲げ疲労試験による評価試験を行った。これらの測定方法は、下記の通りである。

［介在物組成（但し、ＬｉＯ₂を除く）］
熱間圧延した各鋼線材のＬ断面（軸心を含む断面）を研磨し、該研磨断面に存在する酸化物系介在物３００個について、ＥＰＭＡ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏａｎａｌｙｚｅｒ）で組成分析を行い、酸化物に換算し、その平均値を求めた。尚、Ｓ濃度が５％以下のものを酸化物系介在物とした。このときの、ＥＰＭＡの測定条件は下記の通りである。
ＥＰＭＡ装置：ＪＸＡ−８６２１ＭＸ（日本電子株式会社製）
分析装置（ＥＤＳ）：ＴＮ−５５００（ＴｒａｃｏｒＮｏｒｔｈｅｒｎ社製）
加速電圧：２０ｋＶ
走査電流：５ｎＡ
測定方法：エネルギー分散分析で定量分析（粒子全域を測定）

［Ｌｉ₂Ｏの測定］
介在物中のＬｉ₂Ｏ濃度はＥＰＭＡでは測定できないため、ＳＩＭＳ（ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：２次イオン質量分析法）による分析法を独自に開発し、下記の手順で測定した。

（１）一次標準試料
１）まず、鋼中介在物のＣａＯ，ＭｇＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｎＯ，ＳｉＯ₂，ＢａＯ等の各濃度を、ＥＤＸ、ＥＰＭＡ等によって分析する。
２）Ｌｉ₂Ｏを除く介在物組成と同組成の合成酸化物と、これらに各種Ｌｉ₂Ｏを加えた合成酸化物を多数作製し、それらのＬｉ₂Ｏ濃度を化学分析によって定量分析し、標準試料を作製する。
３）作製した各合成酸化物のＳｉに対するＬｉの相対２次イオン強度を測定する。
４）Ｓｉに対するＬｉの相対２次イオン強度と、上記１）で化学分析したＬｉ₂Ｏ濃度の検量線を引く。

（２）二次標準試料（測定環境補正用）
５）測定時の環境補正用として、別途Ｓｉウエハー上にＬｉイオンをイオン注入した標準試料を作製し、Ｓｉに対するＬｉの相対２次イオン強度を測定し、上記２）を実施する際に補正する。

（３）実際の測定
６）鋼中介在物のＳｉに対するＬｉの相対２次イオン強度を測定し、上記４）で求めた検量線によってＬｉ₂Ｏ濃度を求める。

［疲労強度試験（破断率）］
各熱間圧延線材（直径：８．０ｍｍ）について、皮削り（直径：７．４ｍｍ）→パテンティング→冷間線引き加工（直径：４ｍｍ）→オイルテンパー［油焼入れと鉛浴（約４５０℃）焼戻し連続工程］にて直径４．０ｍｍ×６５０ｍｍのワイヤを作製した。得られたワイヤについて、歪取焼鈍相当処理（４００℃）→ショットピーニング→低温焼鈍を行った後、中村式回転曲げ試験機を用いて、公称応力９０８ＭＰａ、回転数：４０００〜５０００ｒｐｍ、中止回数：２×１０⁷回で試験を行った。そして、破断したもののうち介在物折損したものについて、下記式により破断率を求めた。
破断率（％）＝［介在物折損本数／（介在物折損本数＋所定回数に達し中止した本数）］×１００

鋼線材の化学成分組成を、溶製時のスラグ組成と共に下記表１に、各鋼線材の介在物組成および疲労特性（破断率）を下記表２に夫々示す。

これらの結果から、次のように考察できる。試験Ｎｏ．１〜４，６，７，１０，１１，１６〜２３のものでは、介在物組成が適切に制御されたものとであり、良好な疲労強度が得られていることが分かる。

これに対して、試験Ｎｏ．５，８，９、１２〜１５のものでは、介在物中の組成が本発明で規定する範囲を外れたものとなっているので、疲労試験結果が良くない。

詳しくは、試験Ｎｏ．５、８では、ＳｉＯ₂，ＣａＯおよびＭｇＯの濃度は適切に制御されているが、Ａｌ₂Ｏ₃濃度が高かったり低かったりして破断率が高くなっている。

試験Ｎｏ．９，１２では、ＳｉＯ₂，ＣａＯ，ＭｇＯおよびＡｌ₂Ｏ₃の濃度は適切に制御されているが、ＢａＯ濃度が高かったり低かったりして破断率が高くなっている。

試験Ｎｏ．１３では、ＳｉＯ₂，ＣａＯおよびＡｌ₂Ｏ₃の濃度は適切に制御されているが、ＭｇＯ濃度が高すぎて破断率が高くなっている。

試験Ｎｏ．１４では、ＳｉＯ₂，ＭｇＯおよびＡｌ₂Ｏ₃の濃度は適切に制御されているが、ＣａＯ濃度が高すぎて破断率が高くなっている。

試験Ｎｏ．１５では、ＳｉＯ₂，ＭｇＯ，Ａｌ₂Ｏ₃およびＢａＯ濃度は適切に制御されているが、ＣａＯ＋ＭｇＯの濃度が低く破断率が高くなっている。

Claims

線材中に存在する酸化物系介在物が、ＳｉＯ₂：３０〜９０％（「質量％」の意味、以下同じ）、Ａｌ₂Ｏ₃：２〜３５％、ＭｇＯ：３５％以下（０％を含まない）、ＣａＯ：５０％以下（０％を含まない）、ＭｎＯ：２０％以下（０％を含まない）およびＢａＯ：０．２〜２０％を夫々含み、且つ（ＭｇＯ＋ＣａＯ）の合計含有量が３％以上であり、更に前記の酸化物系介在物の組成を除いた化学成分で、Ｃ：１．２％以下（０％を含まない）、Ｓｉ：１．４〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ａｌ：０．０１％以下（０％を含まない）を夫々含み、残部がＦｅおよび不可避不純物であることを特徴とする疲労特性に優れたＳｉキルド鋼線材。
線材中に存在する酸化物系介在物が、更にＬｉ₂Ｏ：０．１〜２０％の範囲で含むものである請求項１に記載のＳｉキルド鋼線材。
更に、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｃｏおよび希土類元素よりなる群から選択される１種以上の元素を含有するものである請求項１または２に記載のＳｉキルド鋼線材。
請求項１〜３のいずれかに記載のＳｉキルド鋼線材から得られたものであるばね。