JP4464702B2 - ばね用鋼線 - Google Patents

Description

本発明は、焼入れ焼戻しを行った焼戻しマルテンサイト組織を有するばね用鋼線、このばね用鋼線の製造に適したばね用鋼線の製造方法、及びばねに関するものである。特に、自動車のエンジン弁ばねやトランスミッション内部などに用いられるばねに適した疲労特性に優れるばね用鋼線に関するものである。

自動車の低燃費化に対応して、近年、自動車のエンジンやトランスミッションなどの部品の小型軽量化が進められている。それに伴って、エンジンの弁ばねやトランスミッション用ばねなどのばねに負荷される応力は年々厳しくなっており、用いられるばね材料にも一層の疲労特性の向上が求められている。これらのエンジンの弁ばねやトランスミッション用ばねには、従来、シリコンクロム系のオイルテンパー線が用いられており、例えば、特許文献1〜3に記載されるものが知られている。

特許文献1に記載の技術では、破壊の起点となる大粒の炭化物を存在させず、結晶粒度番号を10以上とすることで、高強度で高靭性のばね用オイルテンパー線を提供している。特許文献2に記載の技術では、結晶粒度を微細化し耐へたり特性の改善に効果的なVを添加するなど、化学成分を調整することで、疲労特性の向上を図っている。特許文献3に記載の技術では、母相マルテンサイトの結晶粒の強化を行うことで、耐疲労性の向上を図っている。

一方、非特許文献1、2には、伸線加工における加工度と集合組織との関係が記載されている。

特開平11-6033号公報 特開平5-320826号公報 特開2002-194496号公報 藤井健志、石川典明、中川栄治、中桐明和、山野隆章、稲数直次 炭素鋼線材の引抜き加工における残留応力と集合組織のX線解析 日本機械学会関西学生会平成12年度卒業研究発表講演会前刷集 2001年3月 15-8ページ 高橋稔彦、大橋章一 炭素鋼線の捩り強度 材料とプロセス 1991年VOL.4 No.6 2039ページ

しかし、ばねに要求される特性は、年々厳しくなってきており、ばね用鋼線及びばねに対して、更なる改善が求められている。特に、疲労特性をより向上させることが望まれるが、上記従来の技術ではいずれも、疲労限の向上に限界がある。

特許文献1に記載される技術のように大きな炭化物を抑制したり、結晶粒度を小さくするだけでは、飛躍的な耐疲労性の向上が期待できない。特許文献2に記載される技術では、Vの添加により生成される炭化物が旧オーステナイト結晶粒の結晶粒界に析出して、結晶の強度を低下させるため、耐疲労性の向上が限られたものとなる。また、結晶粒界に炭化物が存在することで、耐腐食疲労性に悪影響を及ぼす。特許文献3では、焼入れ時に低温で加熱してオーステナイト結晶粒径を微細化すると、未固溶炭化物が残留し易く、靭性に悪影響を及ぼす恐れがある。

そこで、本発明の主目的は、疲労特性に優れるばね用鋼線、及びばねを提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記ばね用鋼線の製造に適したばね用鋼線の製造方法を提供することにある。

本発明は、結晶の配向性に着目し、特定の配向度を高めることで上記目的を達成する。

即ち、本発明は、質量％で、C：0.40〜0.90、Si：0.80〜3.00、Mn：0.1〜2.0、Cr：0.4〜1.5を含有する鋼線に焼入れ焼戻しを行って得られるばね用鋼線である。このばね用鋼線は、焼戻しマルテンサイト組織を有し、線軸方向のX線回折法による焼戻しマルテンサイト相の(211)面のピーク高さに対する(110)面のピーク高さの比率が1.7以上、及び線軸方向のX線回折法による焼戻しマルテンサイト相の(200)面のピーク高さに対する(110)面のピーク高さの比率が1.5以上の少なくとも一方を満たすことを特徴とする。

上記化学成分は、特に以下の1〜3のいずれかの元素を含有し、残部がFe及び不純物であることがより好ましい。
1. Co：0.02〜1.00質量％
2. 質量％でMo：0.05〜0.50、V：0.02〜0.50、W：0.05〜0.15、Ni：0.05〜1.00、及びTi：0.01〜0.20よりなる群から選択される1種以上
3. 質量％で、Co：0.02〜1.00と、上記2を満たす元素

また、上記本発明ばね用鋼線の製造に適した製造方法として、以下を提案する。即ち、本発明ばね用鋼線の製造方法は、以下の(A)又は(B)に記載の化学成分の鋼材を伸線加工する工程と、前記伸線加工された鋼線に焼入れ焼戻しを施す工程とを具える。そして、伸線加工は、ダイス角が10°以下の伸線ダイスを用い、前記伸線ダイスを通過した後の鋼線表面温度を150℃以下で行うことを規定する。
(A) 質量％で、C：0.40〜0.90、Si：0.80〜3.00、Mn：0.1〜2.0、Cr：0.4〜1.5、Co:0.02〜1.00を含有し、残部がFe及び不純物
(B) 質量％で、C：0.40〜0.90、Si：0.80〜3.00、Mn：0.1〜2.0、Cr：0.4〜1.5、Co:0.02〜1.00を含有し、更に、質量％でMo：0.05〜0.50、V：0.02〜0.50、W：0.05〜0.15、Ni：0.05〜1.00、及びTi：0.01〜0.20よりなる群から選択される1種以上を含有し、残部がFe及び不純物

上記本発明ばね用鋼線は、ばね加工を施してばね材料として利用することが好適である。即ち、本発明ばねは、質量％で、C：0.40〜0.90、Si：0.80〜3.00、Mn：0.1〜2.0、Cr：0.4〜1.5を含有し、焼戻しマルテンサイト組織を有する。そして、線軸方向のX線回折法による焼戻しマルテンサイト相の(211)面のピーク高さに対する(110)面のピーク高さの比率が1.7以上、及び線軸方向のX線回折法による焼戻しマルテンサイト相の(200)面のピーク高さに対する(110)面のピーク高さの比率が1.5以上の少なくとも一方を満たすことを特徴とする。
上記化学成分は、特に以下の1〜3のいずれかの元素を含有し、残部がFe及び不純物であることがより好ましい。
1. Co：0.02〜1.00質量％
2. 質量％でMo：0.05〜0.50、V：0.02〜0.50、W：0.05〜0.15、Ni：0.05〜1.00、及びTi：0.01〜0.20よりなる群から選択される1種以上
3. 質量％で、Co：0.02〜1.00と、上記2を満たす元素

本発明者らは、疲労特性を向上するにあたり種々検討したところ、以下の知見を得た。即ち、本発明ばね用鋼線のような合金鋼の結晶構造は、体心立方格子(bcc)である。そして、bcc構造では、(110)面が主すべり面となる。一方、疲労は、線軸方向に垂直な方向に加わる応力が影響する。従って、主すべり面である(110)面を線軸方向に平行に向けると上記応力が(110)面に加えられにくくなり、耐疲労性の向上に有効である。この知見に基づき、本発明は、主すべり面を線軸方向に平行に配置する、具体的には、線軸方向のX線回折法による焼戻しマルテンサイト相の(211)面のピーク高さに対する(110)面のピーク高さの比率(以下、I(110)/I(211)配向度と呼ぶ)が1.7以上、及び線軸方向のX線回折法による焼戻しマルテンサイト相の(200)面のピーク高さに対する(110)面のピーク高さの比率(以下、I(110)/I(200)配向度)が1.5以上の少なくとも一方を満たすことを規定する。

上記配向度を向上させるには、種々の元素の中でCoを特定範囲含有させることが有効である。そこで、本発明は、特定量のCoを含有させることを規定する。また、Coの添加に加えて、鋼線の横断面(線軸方向に垂直な方向における断面)において、均質に伸線加工が施されていることが効果的である。そこで、本発明ばね用鋼線の製造方法では、鋼線の横断面において均一的に伸線加工を施すべく、伸線加工条件を規定する。具体的には、伸線ダイスのダイス角、ダイス通過後の線表面温度を規定する。

以下、本発明をより詳しく説明する。
(配向度)
上記のように本発明では、配向度を高める。I(110)/I(211)配向度：1.7以上、I(110)/I(200)配向度：1.5以上の少なくとも一方を満たすことで、主すべり面である(110)面が線軸と平行方向に向く確率を増加させることができる。そのため、疲労限を向上させることができる。I(110)/I(211)配向度：1.7以上、及びI(110)/I(200)配向度：1.5以上の双方を満たすようにしてももちろんよい。I(110)/I(211)配向度が1.7未満及びI(110)/I(200)配向度が1.5未満では、主すべり面である(110)面が線軸と平行方向に向かいにくく、疲労限向上の効果が得られない。上記配向度は、高いほど好ましく、特に上限はない。

配向度は、線軸方向の各面、即ち(110)面、(211)面、(200)面においてX線回折法により、それぞれ(最強)ピーク高さを求め、これらピーク高さを用いて算出する。なお、I(110)は、(110)面のピーク高さ、I(200)は、(200)面のピーク高さ、I(211)は、(211)面のピーク高さとする。

(組織)
本発明ばね用鋼線は、焼戻しマルテンサイト組織を有するものとする。

(製造条件)
本発明ばね用鋼線は、上記化学成分を有する鋼材を溶製→熱間鍛造→熱間圧延→パテンチング→伸線→焼入れ焼戻しすることで得られる。
上記配向度を高めるには、鋼線の横断面において均一的に伸線加工を施すことが望ましい。従って、伸線加工条件を制御することで、配向度を高めることができる。例えば、孔形状が調整された伸線ダイスなどを用いて引抜くことが挙げられる。具体的には、例えば、伸線ダイスとして、ダイス角が10°以下のものを用いることが挙げられる。ダイス角には、ベル角、アプローチ角、リダクション角、バックリリーフ角、エクジット角などがあるが、本発明では、特に、アプローチ角を10°以下とする。ダイス角は小さいほど好ましいが、6°未満では、線表面に焼付きが発生し易いため、下限を6°とする。このような伸線ダイスを用いて引抜き加工を行う場合、一回の引抜きにおける減面率は、15〜25％が好ましく、トータルの減面率は、40〜80％が好ましい。減面率は、線材のサイズなどにより適宜変更するとよい。

上記特定形状の伸線ダイスを用いると共に、伸線ダイス通過後の線表面温度を150℃以下として引抜くことが好適である。伸線加工を冷間で行う場合、伸線ダイスとの摩擦熱により線表面部と線内部とで温度差が生じ、加熱され易い線表面部が線内部よりも塑性変形され易くなって、鋼線の横断面において均質に伸線加工されにくくなる。そこで、本発明では、伸線ダイス通過後の線表面温度を制御することで、ダイス通過中、鋼線表面が過度に加熱されないようにする。従って、線表面温度は、伸線ダイス近傍において測定することが望ましく、例えば、通過直後において測定したり、ダイス通過後0.3m以内の箇所を測定することが挙げられる。また、複数の伸線ダイスを用いて多段に引抜きを行う場合、少なくとも1パスにおいて、伸線ダイス通過後の線表面温度を制御する。全パスの線表面温度を制御してもよいし、1パスのみ制御する場合は、最終パスの線表面温度を制御することが好ましい。線表面温度は、例えば、伸線ダイスを通過させる速度を調整することで制御することができる。

上述した疲労強度の向上は、線軸方向(伸線方向)に垂直な横断面の形状が円形の鋼線はもちろんのこと、楕円、台形、正方形、長方形といった異形断面をもつ鋼線においても成り立つ。

本発明ばねは、上記ばね用鋼線にコイリングなどのばね加工を施すことにて得ることができる。特に、上記ばね加工した後、窒化処理やショットピーニングなどの表面処理を施すことで、表面硬度を向上させ、優れた疲労限を有することができる。

以下、本発明における構成元素の選定及び成分範囲を限定する理由を述べる。なお、元素の隣に記載される数値の単位は、質量％である。

Co：0.02〜1.00
Coは、Ms点(マルテンサイト変態開始温度)を上昇させる元素であり、焼入れ後の残留オーステナイト量を減少させて、焼入れ焼戻し後の靭性を向上させる効果を持つ。また、耐熱性を向上させる効果があり、ばね加工後のテンパー処理や窒化後の軟化防止に効果がある。更に、特定量の添加の場合、靭性を低下させない。そして、Coは、Feの積層欠陥エネルギーに影響するため、添加することで伸線加工時の部分転位を変化させて配向度を高める。0.02質量％未満では、上記効果が得られにくく、1.00質量％超加えても効果は変わらず、コスト高となるため0.02質量％以上1.00質量％以下とする。

C：0.40〜0.90
Cは鋼の強度を決定する重要な元素であり、0.40質量％未満では十分な強度が得られず、0.90質量％を超えると靭性を損なうため、0.40質量％以上0.90質量％以下とする。

Si：0.80〜3.00
Siは溶解精錬時に脱酸剤として使用される。また、フェライト中に固溶して組織を強化して耐熱性を向上させ、ばね加工後の歪取り焼鈍や窒化処理などの熱処理による鋼線内部の硬度低下を防ぐ効果がある。耐熱性を保持するためには0.80質量％以上が必要であり、3.00質量％を超えると靭性が低下するため、0.80質量％以上3.00質量％以下とする。

Mn：0.1〜2.0
MnはSiと同様に溶解精錬時の脱酸剤として使用される。そのため、脱酸剤に必要な添加量として下限を0.1質量％とする。また、焼入れ性を向上させ、焼入れ焼戻し後の強度を高めるのに有効な元素である。しかし、2.0質量％超であると、靭性を低下させるため、上限を2.0質量％とする。

Cr：0.4〜1.5
CrはMnと同様に鋼の焼入れ性を向上させ、焼入れ焼戻し後の軟化抵抗を増加させるため、高強度化に効果的である。0.4質量％未満では、十分な効果が得られず、1.5質量％を超えると、過度に焼入れ性を増大させて、靭性を低下させるため、0.4質量％以上1.5質量％以下とする。

Mo：0.05〜0.50
Moは、焼戻し時に炭化物を形成し、軟化抵抗を増加させる傾向があるが、0.05質量％未満では上記効果が得られにくく、0.50質量％を超えると伸線加工性を低下させ易い。

V：0.02〜0.50 W：0.05〜0.15
これらの元素もMoと同様に、焼戻し時に炭化物を形成し、軟化抵抗を増加させる傾向があるが、Vは0.02質量％未満、Wは0.05質量％未満であると、上記効果が得られにくい。また、Vは0.50質量％、Wは0.15質量％を超えると、焼入れ加熱時に炭化物を多く形成し過ぎて靭性を低下させ易い。

Ni：0.05〜1.00
Niは、Siによる固溶強化や、Mo、V、W、後述するTiといった炭化物析出元素で強化された鋼線に靭性を持たせる効果を有する反面、残留オーステナイトを生じ易い元素である。残留オーステナイトの増加は、鋼線の硬度を低下させ易い。従って、靭性向上の効果が期待できる量として0.05質量％以上、硬度低下を招かない上限として1.00質量％とする。

Ti：0.01〜0.20
Tiは、焼戻し時に炭化物を形成し、軟化抵抗を増加させる効果がある反面、高融点非金属介在物であるTiOを形成して、靭性を低下させ易い。そこで、軟化抵抗の向上効果が期待できる量として0.01質量％以上、炭化物や介在物の過度の増大による靭性劣化を考慮して、上限を0.20質量％とする。

以上説明したように本発明ばね用鋼線は、特定の配向度を高めることで優れた疲労特性を有することができる。従って、本発明ばね用鋼線を用いて疲労特性に優れるばねを提供することができる。このようなばねは、例えば、自動車や家庭用電気製品などの耐疲労性が要求される箇所に利用するとよい。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
表1に示す化学成分(残部Fe及び不純物)の鋼材を溶解し、溶製→熱間鍛造→熱間圧延により直径φ6.3mmの線材を作製した。この線材をパテンチングした後、皮剥ぎして直径φ5.5mmの線材とし、この線材に焼鈍を行った。

上記焼鈍を施した線材に伸線加工を行い、直径φ3.2mmの線材を得た。伸線加工は、伸線ダイスを用いて引抜きにて合計5パス行い、1パスあたりの減面率を15〜22％とした(トータル減面率約66％)。1〜4パス目は、いずれの線材も伸線ダイスのダイス角(アプローチ角)を9〜10°とし、5パス目は、ダイス角の異なる複数の伸線ダイスを用意し、各線材を表2に示すダイス角の伸線ダイスを用いて冷間にて引抜いた。また、5パス目に使用する伸線ダイスの近傍(ダイス通過後0.3mの地点)において線材の線表面温度を測定する温度測定装置を配置し、伸線ダイス通過後の線表面温度を測定可能な状態にしておき、引抜き速度(伸線速度)を変化させることで表2に示すように同線表面温度を変化させて引抜きを行った。なお、試料No.1の引抜き速度は、約160m/minである。得られた伸線材に焼入れ焼戻しを行って試料No.1〜14を得た。焼入れは、950℃、焼戻しは、表2に示すように各試料の室温における引張強さが同等となるように温度を変化させて行った。

得られた各試料No.1〜14について線軸方向のX線回折による回折強度を測定した。測定は、各試料を3本ずつ用意し、これら3本を並列に並べて樹脂に埋め込み、線軸方向の断面において行った。X線回折の測定条件を以下に示す。

使用X線 ：Cu-Kα
励起条件 ：50kV 200mA
発散スリット：1°
受光スリット：0.15mm
散乱スリット：1°
走査速度 ：6°/min.
測定範囲 ：2θ＝30°〜100°
ステップ幅：0.02°
積算回数 ：3回

X線回折により得られた焼戻しマルテンサイト相の(110)面、(211)面、(200)面についてそれぞれピーク高さを求め、I(110)/I(211)配向度、I(110)/I(200)配向度を求めた。表3に配向度を示す。

表3から、特定成分の鋼材を用い、特定の伸線加工(ダイス角度10°以下の伸線ダイスを用い、伸線ダイス通過後の鋼線表面温度が150℃以下)を行った試料No.4、7、10〜14は、I(110)/I(211)配向度≧1.7、及びI(110)/I(200)配向度≧1.5の少なくとも一方を満たすことがわかる。特に、特定量のCoを含む鋼材を用いることが好ましいことがわかる。一方、特定量のCoを含有していても、上記特定の伸線加工を施していない試料No.5、6、8、9は、I(110)/I(211)配向度＜1.7及びI(110)/I(200)配向度＜1.5である。

上記各試料No.1〜14に対し、ばね加工後の表面処理を想定してショットピーニング処理を施し、中村式回転曲げ疲労試験機を用いて疲労限を測定してみた。その結果を表4に示す。曲げ疲労試験は、各試料No.1〜14に応力を加え、繰り返し回数1×10^７回で折損が生じなかった振幅応力をとった(n数＝8)。

表4に示すようにI(110)/I(211)配向度≧1.7、及びI(110)/I(200)配向度≧1.5の少なくとも一方を満たす試料No.4、7、10〜14は、他の試料に比較して高い疲労限を有することがわかる。従って、I(110)/I(211)配向度≧1.7、及びI(110)/I(200)配向度≧1.5の少なくとも一方を満たすばね用鋼線は、耐疲労性に優れることがわかる。

本発明ばね用鋼線は、耐疲労性に優れるばね材料に適する。また、本発明ばねは、自動車や家庭用電気製品などの耐疲労性が求められる箇所に適用することができる。

Claims (7)

1. 質量％で、C：0.40〜0.90、Si：0.80〜3.00、Mn：0.1〜2.0、Cr：0.4〜1.5を含有し、残部がFe及び不純物からなる鋼線に焼入れ焼戻しを行って得られるばね用鋼線であって、
   焼戻しマルテンサイト組織を有し、
   線軸方向のX線回折法による焼戻しマルテンサイト相の(211)面のピーク高さに対する(110)面のピーク高さの比率が1.7以上、及び線軸方向のX線回折法による焼戻しマルテンサイト相の(200)面のピーク高さに対する(110)面のピーク高さの比率が1.5以上の少なくとも一方を満たすことを特徴とするばね用鋼線。
2. 更に、質量％でCo:0.02〜1.00を含有し、残部がFe及び不純物からなることを特徴とする請求項1に記載のばね用鋼線。
3. 更に、質量％でMo：0.05〜0.50、V：0.02〜0.50、W：0.05〜0.15、Ni：0.05〜1.00、及びTi：0.01〜0.20よりなる群から選択される1種以上を含有し、残部がFe及び不純物からなることを特徴とする請求項1又は2に記載のばね用鋼線。
4. 以下の(A)又は(B)に記載の化学成分の鋼材を伸線加工する工程と、
   前記伸線加工された鋼線に焼入れ焼戻しを施す工程とを具え、
   前記伸線加工は、
   ダイス角度10°以下の伸線ダイスを用い、
   前記伸線ダイスを通過した後の鋼線表面温度を150℃以下で行うことを特徴とするばね用鋼線の製造方法。
   (A) 質量％で、C：0.40〜0.90、Si：0.80〜3.00、Mn：0.1〜2.0、Cr：0.4〜1.5、Co:0.02〜1.00を含有し、残部がFe及び不純物
   (B) 質量％で、C：0.40〜0.90、Si：0.80〜3.00、Mn：0.1〜2.0、Cr：0.4〜1.5、Co:0.02〜1.00を含有し、更に、質量％でMo：0.05〜0.50、V：0.02〜0.50、W：0.05〜0.15、Ni：0.05〜1.00、及びTi：0.01〜0.20よりなる群から選択される1種以上を含有し、残部がFe及び不純物
5. 質量％で、C：0.40〜0.90、Si：0.80〜3.00、Mn：0.1〜2.0、Cr：0.4〜1.5を含有し、残部がFe及び不純物からなり、
   焼戻しマルテンサイト組織を有し、
   線軸方向のX線回折法による焼戻しマルテンサイト相の(211)面のピーク高さに対する(110)面のピーク高さの比率が1.7以上、及び線軸方向のX線回折法による焼戻しマルテンサイト相の(200)面のピーク高さに対する(110)面のピーク高さの比率が1.5以上の少なくとも一方を満たすことを特徴とするばね。
6. 更に、質量％でCo:0.02〜1.00を含有し、残部がFe及び不純物からなることを特徴とする請求項5に記載のばね。
7. 更に、質量％でMo：0.05〜0.50、V：0.02〜0.50、W：0.05〜0.15、Ni：0.05〜1.00、及びTi：0.01〜0.20よりなる群から選択される1種以上を含有し、残部がFe及び不純物からなることを特徴とする請求項5又は6に記載のばね。