JP4629127B2

JP4629127B2 - 疲労特性に優れた高清浄度ばね用鋼および高清浄度ばね

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Publication number: JP4629127B2
Application number: JP2008128129A
Authority: JP
Inventors: 朋子杉村; 浩一坂本; 良雄福▲崎▼; 敦彦吉田; 健井上; 慶増本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-05-15
Filing date: 2008-05-15
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2028-05-15
Also published as: JP2009275262A

Description

本発明は、疲労特性に優れた高清浄度ばね用鋼および高清浄度ばねに関するものであり、硬質で延性の極めて小さい非金属介在物が低減されて、疲労特性の高められた高清浄度ばね用鋼、および該鋼を用いて得られる疲労特性に優れた高清浄度ばねに関するものである。

近年、例えば自動車分野では、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、懸架ばねやクラッチ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べく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疲労強度増大の要請が非常に強く、従来鋼の中でも疲労強度が高いといわれているＳＷＯＳＣ−Ｖ（ＪＩＳ
Ｇ３５６６）でも対応が困難となっている。

高い疲労強度が要求されるばね用鋼材では、鋼材中に存在する硬質の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、上記用途に用いられる鋼材として、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。非金属介在物に起因する断線、疲労折損の危険性は、素材の高強度化が進むにつれて高まることから、その主要因となる上記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。

鋼材中における硬質の非金属介在物の低減・小型化を図るという観点から、これまでにも様々な技術が提案されている。例えば特許文献１には、非金属介在物が熱間圧延時によく延伸し、かつ冷延圧延または伸線工程で破砕し微細に分散する様に、該非金属介在物の組成を規定することにより、冷間加工性と疲労特性の高められた高清浄度鋼を実現している。また特許文献２においても、熱間圧延や冷間圧延、伸線において延伸、微細化され易い非金属介在物の組成を規定している。

一方、特許文献３には、酸化物系介在物の融点を１５００℃以下に定めて、熱間、冷延圧延時に延伸し易い低融点組成の介在物とする技術が開示されている。

特許文献４には、熱間圧延・冷間圧延時に延伸し易い、低融点組成の介在物として、Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−ＭｎＯ系にＭｇＯおよび／またはＣａＯを含ませたものが規定されている。

また、特許文献５には、従来の介在物組成制御だけでは必ずしも疲労破壊を防止できないことから、鋼中の溶存成分に着目し、Ａｌ、Ｃａなどの鋼中固溶量を規定して疲労特性を高める技術が開示されている。
特開昭６２−９９４３６号公報特開昭６２−９９４３７号公報特開平５−３２０８２７号公報特開昭６３−１４００６８号公報特開平９−３１０１４５号公報

しかしながら、特許文献５に記載されているように溶存成分を制御したとしても、破壊
に至る場合があった。この現象は、特に、高い疲労強度が求められる鋼において、疲労試験の試験応力が高い場合に顕著に見られるものであり、前述した特許文献に開示された技術では、充分に対応することができなかった。

一方、ばね鋼には高強度化が求められており、そのために、鋼中Ｓｉ濃度をより高める傾向にある。従って、高Ｓｉ鋼においても、高い疲労特性を達成することが極めて重要な課題になっている。

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、高Ｓｉ鋼においても、疲労特性に優れたばねを確実に得るのに有用な高清浄度鋼、および該鋼を用いて得られる疲労特性に優れた高清浄度ばねを提供することにある。

本発明に係る疲労特性に優れた高清浄度ばね用鋼とは、
Ｃ：１．２％（質量％の意味、以下同じ）以下（０％を含まない）、
Ｓｉ：１．８〜４％、
Ｍｎ：０．１〜２．０％、
ｔｏｔａｌＡｌ：０．０１％以下（０％を含まない）
を含み、残部鉄および不可避不純物からなり、
上記Ｓｉ量と鋼中の固溶（ＳＩＭＳ）Ｃａ量が、下記式（１）の関係を満たすところに特徴を有する。
Ｓｉ×１０^−７ ≦ 固溶（ＳＩＭＳ）Ｃａ ≦Ｓｉ×５×１０^−７ …（１）
［式中、固溶（ＳＩＭＳ）Ｃａ、Ｓｉは、鋼中におけるそれぞれの含有量（質量％）を示す］

上記高清浄度ばね用鋼は、更に他の元素として、
（ａ）Ｃｒ：３％以下（０％を含まない）、
Ｍｏ：０．５％以下（０％を含まない）、
Ｗ：０．５％以下（０％を含まない）、および
Ｃｏ：０．５％以下（０％を含まない）
よりなる群から選択される１種以上、
（ｂ）Ｖ：０．５％以下（０％を含まない）、
Ｎｂ：０．１％以下（０％を含まない）、および
Ｔｉ：０．１％以下（０％を含まない）
よりなる群から選択される１種以上
（ｃ）Ｃｕ：０．１％以下（０％を含まない）および／またはＮｉ：０．５％以下（０％を含まない）
（ｄ）ＲＥＭを０．１〜５０ｐｐｍ、
（ｅ）アルカリ金属元素、ＢａおよびＳｒよりなる群から選択される１種以上を、合計で０．１〜５０ｐｐｍ、含んでいてもよい。

また本発明は、上記ばね用鋼を用いて得られる疲労特性に優れた高清浄度ばねも含む。

本発明によれば、熱間圧延時に変形し難く、熱間圧延後にも粗大なまま残り易いＳｉＯ_２やＳｉＯ_２比率の高い複合介在物が著しく抑えられるため、過酷な伸線加工を施して高強度化を図ることができると共に、疲労特性に優れたばねを製造できる高清浄度ばね用鋼を実現できる。

本発明者らは、優れた疲労特性を発揮するばねの製造に適したばね用鋼を得るべく、検討した。その結果、鋼中のＳｉ濃度が高い程、ＳｉＯ_２濃度の高い硬質介在物が生成しやすくなり、破壊の起点となることが分かった。ところが、ばね鋼の高強度化への要請が高まるにつれ、Ｓｉ濃度が高いばね鋼の使用は増大しており、高Ｓｉ鋼であっても、疲労特性に優れたばね鋼の提供が切望されている。上記事情のもと、本発明者らは、更に検討を重ねてきた。その結果、鋼中における固溶（ＳＩＭＳ）Ｃａ量を、Ｓｉ量に対して制御すれば、高Ｓｉ鋼であっても、疲労強度が格段に高いばね用鋼が得られることを見出し、本発明を完成した。

具体的には、鋼中のＳｉ量と固溶（ＳＩＭＳ）Ｃａ量が、下記式（１）の関係を満たすようにする。
Ｓｉ×１０^−７ ≦ 固溶（ＳＩＭＳ）Ｃａ ≦Ｓｉ×５×１０^−７ …（１）
［式中、固溶（ＳＩＭＳ）Ｃａ、Ｓｉは、鋼中におけるそれぞれの含有量（質量％）を示す］

図１は、後記する実施例の欄に記載された実験結果（表１〜表２）をプロットし、［固溶（ＳＩＭＳ）Ｃａ（％）×１０^７］／Ｓｉ（％）が、折損率に及ぼす影響を調べたグラフである。

図１中、●は、固溶（ＳＩＭＳ）Ｃａ量が上式（１）の範囲を満足する本発明例であり、○は、固溶（ＳＩＭＳ）Ｃａ量が上式（１）の範囲を満足しない比較例である。図１から、少なくとも、固溶（ＳＩＭＳ）Ｃａ量を、Ｓｉ量の１×１０^−７倍以上で５×１０^−７倍以下となるようにすることで、折損率を低減できることがわかる。固溶（ＳＩＭＳ）Ｃａ量が、Ｓｉ量の５×１０^−７倍を超えると折損率が高くなるのは、硬質なＣａＯが生成するためと推察される。

図１より、本発明では、上式（１）を満足することによって、疲労強度が格段に高いばね用鋼が得られることが分かる。

この様に、鋼の成分組成および鋼中介在物の平均組成が同じであっても、固溶（ＳＩＭＳ）Ｃａ量の制御如何によって、疲労特性に差が生じるのであり、上記本発明で規定する通り固溶（ＳＩＭＳ）Ｃａ量を制御することによって、有害なＳｉＯ_２系介在物の生成を十分に抑制し、疲労特性を確実に高めることができる。

固溶（ＳＩＭＳ）Ｃａ量およびＳｉ量の関係が上記式（１）を満たす鋼材を得るには、特に、スラグ精錬時の撹拌時間を一般的なスラグ精錬での撹拌よりも長時間とし、溶鋼中の溶存成分をスラグとの平衡により近づけるようにすればよい。

従来より一般的に行われている、スラグ巻き込みによる介在物制御は、非平衡状態で行われるものであるが、該制御方法では、スラグやＣａ等を添加することで上記有害なＳｉＯ_２系介在物の発生を抑制しようとしても、溶鋼と介在物の間の反応が平衡から大きく外れていると、凝固時に上記ＳｉＯ_２系介在物が生成し易くなる。特に、高Ｓｉ鋼の場合、よりＳｉＯ_２系介在物が生成し易い傾向にある。

そこで本発明では、スラグ精錬において上記の通り長時間の撹拌を行い、溶鋼中の溶存成分とスラグ成分の反応を平衡状態により近づけることで、溶鋼中の溶存Ｃａ濃度を高め、その結果、溶存酸素を溶存Ｃａと反応させて、ＳｉＯ_２系介在物の生成を十分に抑制することができる。

本発明は、特にＳｉが１．８％以上の鋼材を対象に、上記の通り成分を制御するもので
あって、その他の成分は、下記に示す通り一般的なばね用鋼並みに含まれるものである。尚、Ｓｉは過剰に含まれると、鋼材が脆化しやすくなるので４％以下に抑える。

まずＣは、高強度を確保するのに有用な元素であり、該効果を十分発揮させるには０．２％以上、好ましくは０．３％以上、より好ましくは０．４％以上含有させる。しかしＣ量が過剰になると、鋼が脆化して実用的でなくなるため、１．２％以下に抑える。

Ｍｎは、脱酸作用を有すると共に、介在物制御作用を有する元素である。これらの作用を有効に発揮させるべく０．１％以上含有させる。しかしＭｎ量が過剰になると、鋼材が脆化しやすくなるので、２．０％以下に抑える。

Ａｌは介在物制御に有用な元素であり、ｔｏｔａｌＡｌとして０．０００１％程度は必要である。しかし、ｔｏｔａｌＡｌ量が多くなると、介在物中のＡｌ_２Ｏ_３濃度が高くなり、断線の原因となる粗大なＡｌ_２Ｏ_３が生成する可能性があるので、０．０１％以下に抑える。

本発明で規定する含有元素は上記の通りであって、残部は鉄及び不可避不純物であり、該不可避不純物として、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる元素の混入が許容され得る。更に、下記元素を積極的に含有させて特性を一段と高めることも有効である。

〈Ｃｒ：３％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｗ：０．５％以下（０％を含まない）、およびＣｏ：０．５％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上〉
これらの元素は、軟化抵抗性を向上させるのに有効な元素であり、該効果を発揮させるには、Ｃｒの場合０．５％以上、Ｍｏの場合０．０５％以上、Ｗの場合０．０５％以上、Ｃｏの場合０．０１％以上含有させることが好ましい。しかし、これらの元素が過剰であると、焼入性が高くなりすぎて加工時に折損しやすくなるため、Ｃｒは３％以下、Ｍｏは０．５％以下、Ｗは０．５％以下、Ｃｏは０．５％以下に抑えるのがよい。

〈Ｖ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．１％以下（０％を含まない）、およびＴｉ：０．１％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上〉
これらの元素は、結晶粒の微細化に有効な元素であり、該効果を発揮させるには、Ｖの場合０．０１％以上、Ｎｂの場合０．０１％以上、Ｔｉの場合０．０１％以上含有させることが好ましい。しかし、これらの元素が過剰であると、粗大な窒化物を生成し、疲労強度を低下させる。よって、Ｖは０．５％以下、Ｎｂは０．１％以下、Ｔｉは０．１％以下に抑えるのがよい。

〈Ｃｕ：０．１％以下（０％を含まない）および／またはＮｉ：０．５％以下（０％を含まない）〉
これらの元素は、低温脆化を抑制するのに有効な元素であり、該効果を発揮させるには、Ｎｉの場合０．０５％以上、Ｃｕの場合０．０１％以上含有させることが好ましい。

しかしこれらの元素を過剰に含有させてもその効果は飽和するだけであるので、経済的観点から、Ｎｉは０．５％以下、Ｃｕは０．１％以下とすることが好ましい。

〈ＲＥＭ：０．１〜５０ｐｐｍ〉
ＲＥＭ（希土類元素；Ｃｅ、Ｌａ等）は、鋼中の非金属介在物をより軟質化する作用を有する。該効果を発揮させるには、０．１ｐｐｍ以上含有させることが好ましい。しかし上記元素を過剰に入れても効果は飽和するだけであるので、５０ｐｐｍ以下とすることが好ましい。

〈アルカリ金属元素、ＢａおよびＳｒよりなる群から選択される１種以上：合計で０．１〜５０ｐｐｍ〉
アルカリ金属元素（Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）、Ｂａ、Ｓｒは、鋼中の非金属介在物をより軟質化する作用を有する。該効果を発揮させるには、これらの元素のうちの１種以上を、合計で０．１ｐｐｍ以上含有させることが好ましい。しかし上記元素を過剰に入れても効果は飽和するだけであるので、合計で５０ｐｐｍ以下とすることが好ましい。

本発明のばね用鋼は、ＳｉＯ_２系介在物が極力抑制されて伸線加工性に優れており、また優れた疲労特性を確保できるので、例えば自動車分野、産業機械分野等で用いられるばねの製造に有用である。特に、極めて高い疲労特性の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、サスペンションの懸架ばね等のような機械の復元機構に使用するばね等の製造に最適である。

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。

転炉出鋼材を模擬した溶鋼約５００ｋｇに各種フラックスを添加し、成分調整、およびスラグ精錬を実施した。このとき、スラグ組成（主成分）を表２に示す通りとし、また溶存成分（溶存Ｃａ）の濃度を変化させるために撹拌時間を表２に示す通り変化させた。そして、スラグ精錬後の溶鋼を鋳型で鋳造し、得られた鋳塊に対して鍛造・熱間圧延を施し、表１に示す成分組成の直径：８．０ｍｍの線材を得た。

得られた各線材について、成分組成、介在物の平均組成を測定すると共に、疲労特性の評価を行った。これらの測定・評価方法は下記の通りである。

〈固溶（ＳＩＭＳ）Ｃａ量の測定〉
上記各線材のＬ断面（軸心を含む断面）に、ＳＩＭＳ（Secondary Ionization Mass Spectrometer，ＣＡＭＥＣＡ社製ｉｍｓ５ｆ）を用い、下記条件で照射して、各線材断面から放出されたＣａイオンを質量分析することにより固溶（ＳＩＭＳ）Ｃａ量を求めた。

〈ＳＩＭＳ分析条件〉
・１次イオン条件：Ｏ^２＋−８ｋｅＶ−１００ｎＡ
・照射領域：８０μｍ×８０μｍ
・分析領域：φ８μｍ
・試料室真空度：６×１０^−１０Ｔｏｒｒ
尚、ｔｏｔａｌＡｌ量はＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）質量分析法で分析し、ｔｏｔａｌＣａ量は、フレームレス原子吸光分析法で分析した。

〈介在物組成の測定〉
上記各線材のＬ断面を研磨し、直径の１／４部（半径の１／２部）よりも表層側に存在する、短径３μｍ以上の酸化物系介在物３０個について、ＥＰＭＡ（Electron Probe MicroAnalyzer）で組成分析を行い（分析条件は下記に示す通り）、酸化物濃度に換算して、上記酸化物系介在物３０個の平均組成を求めた。
・ＥＰＭＡ装置：日本電子製ＪＸＡ−８６２１ＭＸ
・分析装置（ＥＤＳ）：ＴｒａｃｏｒＮｏｒｔｈｅｒｎ製ＴＮ−５５００
・加速電圧：２０ｋＶ
・走査電流：５ｎＡ（ナノアンペア）
・測定方法：エネルギー分散分析で定量分析
［ＰａｂｒｉｃＳｃａｎ（粒子全域を測定）］

〈疲労特性の評価〉
各線材（８．０ｍｍφ）を、皮削り→パテンティング→冷間線引き加工（伸線）→オイルテンパー→歪取焼鈍相当処理→ショットピーニング→歪取焼鈍を行った後、試験片として４．０ｍｍφ×６５０ｍｍのワイヤを採取し、中村式回転曲げ試験機において、試験応力：公称応力９０８ＭＰａ、回転数：４０００〜５０００ｒｐｍ、中止回数：２×１０^７回の条件で回転曲げ試験を行ない、途中で破断した試験片のうち、介在物が原因で折損したもの（介在物に起因せずにワイヤ表面等から折損する場合があるが、この場合は対象外とする）の本数を測定し、下記式により折損率を測定した。
折損率＝［介在物折損本数／（介在物折損本数＋中止回数まで達成の本数）］
×１００（％）

各線材の固溶（ＳＩＭＳ）Ｃａ量を表１に、また介在物の平均組成および疲労特性（折損率）を表２に併記する。

これらの結果から、次のように考察できる（尚、下記Ｎｏ．は、表中の実験Ｎｏ．を示す）。

介在物の平均組成がほぼ同じであるＮｏ．１〜１７の鋼材において、本発明で規定する要件を満たすＮｏ．１〜１２の鋼材は、疲労特性に優れていることがわかる。これに対し、本発明で規定する要件を満たしていないＮｏ．１３〜１７の鋼材は、疲労特性に劣っている。

［固溶（ＳＩＭＳ）Ｃａ（％）×１０^７］／Ｓｉ（％）と折損率の関係を示すグラフである。

Claims

Ｃ：１．２％（質量％の意味、以下同じ）以下（０％を含まない）、
Ｓｉ：１．８〜４％、
Ｍｎ：０．１〜２．０％、
ｔｏｔａｌＡｌ：０．０１％以下（０％を含まない）、
Ｃｏ：０．５％以下（０％を含まない）、
Ｃｒ：３％以下（０％を含まない）、
Ｖ：０．５％以下（０％を含まない）
を含み、残部鉄および不可避不純物からなり、
上記Ｓｉ量と鋼中の固溶（ＳＩＭＳ）Ｃａ量が、下記式（１）の関係を満たすことを特徴とする疲労特性に優れた高清浄度ばね用鋼。
Ｓｉ×１０^-7 ≦ 固溶（ＳＩＭＳ）Ｃａ ≦Ｓｉ×５×１０^-7 …（１）
［式中、固溶（ＳＩＭＳ）Ｃａ、Ｓｉは、鋼中におけるそれぞれの含有量（質量％）を示す］
更に他の元素として、
Ｃｕ：０．１％以下（０％を含まない）を含む請求項１に記載の高清浄度ばね用鋼。
請求項１または２に記載の高清浄度ばね用鋼を用いて得られる疲労特性に優れた高清浄度ばね。