JP4980496B2 - 高強度ばね用伸線熱処理鋼線および高強度ばね用伸線前鋼線 - Google Patents
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Description
つまり、従来の高強度ばね用伸線熱処理鋼線よりも、さらに冷間コイリング性に優れ、500℃で1時間保持された後であっても焼戻し軟化抵抗が優れ、内部の軟化を最低限に抑制するとともに、最表層の硬さを高めることが求められている。
以上のことから、本発明は、Vなどの合金元素添加を極力抑え、つまりN含有量を精度よく制御することなく、優れた引張強度及び硬さと加工性を有し、窒化処理後にも優れた表層硬さと内部硬さを有する高強度ばね用伸線熱処理鋼線の開発を課題とするものである。
(a)鋼線中のC、Si、Mn、Crの含有量を厳密に制御して球状炭化物の生成を抑制し、かつ残留オーステナイトを活用することにより、Vのような合金元素を添加せずとも、高強度ばね用伸線熱処理鋼線の強度及び冷間コイリング性が従来よりも向上することを見出した。
つまり、疲労特性の高強度化にはCrの添加が有効であるが、Crは冷間コイリング性に悪影響を及ぼす未溶解の球状炭化物を残りやすくする元素である。そのため、その添加量を制限せざるを得なかった。本発明者らは、未溶解の球状炭化物の成長とセメンタイトの生成を抑制するSiにも着目した。Siの添加と、あわせてCr添加量を増量すれば、伸線熱処理鋼線の高強度化が図れることを見出した。定量的にはSiとCrの両者を多量に添加し、相互の関係としてSiの添加量とCr添加量の差、(Si−Cr)%を制御すればよいことを見出した。
未溶解球状炭化物は、鋳造後の鋼から存在し、コイリング性だけでなく、圧延や伸線においても断線の原因となる。そのため、鋳造後の分塊、線材圧延、パテンティング、焼入れ、伸線などの各工程で悪影響がでないように、各工程の加熱温度を高温化し、未溶解球状炭化物を常に抑制することが有効であることも見出した。
即ち、鋳造後からバネに加工されるまで、鋼材は加熱の繰り返しを受けることになる。通常、未溶解球状炭化物は、セメンタイト(Fe3C)が主体である。しかし、加熱の繰り返しにより未溶解球状炭化物にCrやVなどが含まれることが多く、CrやVなどの合金元素を無駄に消費するだけで、窒化後の機械的特性(表面硬度、内部硬度など)を悪化させる可能性があることもわかった。
また、前記したようにVの添加は窒素(N)含有量の制御が容易ではなく、結果として粗大炭化物や窒化物、炭窒化物を析出し、疲労強度の低下の原因ともなっている。
本発明はこれら知見に基づいてなされたものであり、その発明の要旨は以下のとおりである。
C :0.67%以上、0.9%未満、
Si:2.0〜3.5%、
Mn:0.5〜1.2%、
Cr:1.3〜2.5%、
N :0.003〜0.007%、
Al:0.0005%〜0.003%
を含有し、かつSiとCrが次式
0.3%≦Si−Cr≦1.2%
を満たし、
残部が鉄及び不可避的不純物からなり、
不純物としてのP、Sが
P :0.025%以下、
S :0.025%以下であり、
さらに、
未溶解球状炭化物の円相当径が0.2μm未満であることを特徴とする高強度ばね用伸線前鋼線。
(2) さらに、質量%で、
V :0.03〜0.10%、
Nb:0.015%以下
Mo:0.05〜0.30%、
W :0.05〜0.30%
Mg:0.002%以下、
Ca:0.002%以下、
Zr:0.003%以下
のうち1種または2種以上を含有し、
Vを含有する場合は
1.4%≦Cr+V≦2.6%、および0.70%≦Mn+V≦1.3%を満たし、
MoとWを含有する場合は0.05%≦Mo+W≦0.5%
を満たすことを特徴とする(1)に記載の高強度ばね用伸線前鋼線。
(3) 質量%で、
C :0.67%以上、0.9%未満、
Si:2.0〜3.5%、
Mn:0.5〜1.2%、
Cr:1.3〜2.5%、
N :0.003〜0.007%、
Al:0.0005%〜0.003%
を含有し、かつSiとCrが次式
0.3%≦Si−Cr≦1.2%
を満たし、
残部が鉄及び不可避的不純物からなり、
不純物としてのP、Sが
P :0.025%以下、
S :0.025%以下であり、
さらに、
金属組織として、少なくとも残留オーステナイトが体積率で6%超15%以下存在し、
旧オーステナイト粒度番号が10番以上であり、
未溶解球状炭化物の円相当径が0.2μm未満であることを特徴とする高強度ばね用伸線熱処理鋼線。
(4)さらに、質量%で、
V :0.03〜0.10%、
Nb:0.015%以下
Mo:0.05〜0.30%、
W :0.05〜0.30%
Mg:0.002%以下、
Ca:0.002%以下、
Zr:0.003%以下
のうち1種または2種以上を含有し、
Vを含有する場合は
1.4%≦Cr+V≦2.6%、および0.70%≦Mn+V≦1.3%を満たし、
MoとWを含有する場合は0.05%≦Mo+W≦0.5%
を満たすことを特徴とする(3)に記載の高強度ばね用伸線熱処理鋼線。
(5)前記高強度ばね用伸線熱処理鋼線の引張強度が2100〜2400MPaであることを特徴とする(3)または(4)に記載の高強度ばね用伸線熱処理鋼線。
(6)前記高強度ばね用伸線熱処理鋼線の降伏点が1600〜1980MPaであることを特徴とする(3)〜(5)のいずれか1項に記載の高強度ばね用伸線熱処理鋼線。
(7)前記高強度ばね用伸線熱処理鋼線を500℃で1時間保持する軟窒化処理することにより、表層ビッカース硬さがHV750以上であり、内部ビッカース硬さがHV570以上となることを特徴とする(3)〜(6)のいずれか1項に記載の高強度ばね用伸線熱処理鋼線。
(8)質量%で、
C :0.67%以上、0.9%未満、
Si:2.0〜3.5%、
Mn:0.5〜1.2%、
Cr:1.3〜2.5%、
N :0.003〜0.007%、
P :0.025%以下、
S :0.025%以下、
Al:0.0005%〜0.003%
を含有し、かつSiとCrが次式
0.3%≦Si−Cr≦1.2%
を満たし、
残部が鉄及び不可避的不純物からなり、
不純物としてのP、Sが
P :0.025%以下、
S :0.025%以下であるブルームを1250℃以上に加熱後熱間圧延を施してビレット製造し、当該ビレットを1200℃以上に加熱後熱間圧延により伸線前鋼線を製造することを特徴とする高強度ばね用伸線前鋼線の製造方法。
(9)さらに、質量%で、
V :0.03〜0.10%、
Nb:0.015%以下
Mo:0.05〜0.30%、
W :0.05〜0.30%
Mg:0.002%以下、
Ca:0.002%以下、
Zr:0.003%以下
のうち1種または2種以上を含有し、
Vを含有する場合は
1.4%≦Cr+V≦2.6%、および0.70%≦Mn+V≦1.3%を満たし、
MoとWを含有する場合は0.05%≦Mo+W≦0.5%
を満たすことを特徴とする(8)に記載の高強度ばね用伸線前鋼線の製造方法。
(10)(8)または(9)に記載の伸線前鋼線を、さらに900℃以上に加熱し、その後600℃以下のパテンティング処理することを特徴とする高強度ばね用伸線前鋼線の製造方法。
(11)(8)〜(10)のいずれか1項に記載の伸線前鋼線の製造方法により製造した前記伸線前鋼線を伸線加工した後、10℃/秒以上の加熱速度でA3点以上の温度まで加熱し、A3点以上の温度で1分以上5分以下保持した後、50℃/秒以上の冷却速度で100℃以下まで冷却することを特徴とする高強度ばね用熱処理鋼線の製造方法。
(12)さらに400〜500℃で15分以下保持し焼戻し処理することを特徴とする(11)に記載の高強度ばね用熱処理鋼線の製造方法。
図2は、試験片にノッチを設けるポンチの形状を示す図である。
図3は、試験片にノッチを設ける工程を示す図である。
図4は、ノッチ曲げ試験の概要を示す図である。
図5は、ノッチ曲げ角度の測定方法を示す図である。
所定の成分を含有した鋼製のブルームを圧延しビレットとする。次にビレットを圧延し、所定の径の鋼線を製造する。この段階で製造された鋼線を「伸線前鋼線」と称する。
圧延後製造された鋼線をパテンティングし、伸線によりさらに細径の鋼線とし、表層の加工歪の除去と後続の冷間コイリング加工性を得るために熱処理(焼入れ焼戻し)を行う。この段階で製造された鋼線を「伸線熱処理鋼線」と称する。
まず、本発明の高強度ばね用伸線熱処理鋼線およびその素材である高強度ばね用伸線前鋼線の成分について説明する。ここで、成分についての%は、特に記載がある場合を除き、質量%を意味する。
Cは、鋼材の強度に大きな影響を及ぼし、残留オーステナイトの生成にも寄与する重要な元素である。本発明では、十分な強度を得られるように、C量の下限値を0.67%以上とする。強度を高めるには、C量を0.70%以上にすることが好ましい。さらに好ましくは0.75%以上とするとよい。
一方、C量が0.9%以上になると、過共析となり、粗大なセメンタイトが多量に析出し、靱性が著しく低下する。また、C量が過剰であると、粗大な球状炭化物が生成し、コイリング性を損なう。したがって、C量の上限を0.9%未満とする。球状炭化物の生成を抑える観点から、C量の上限は0.85%が好ましく、0.80%であればさらに好ましい。
Siは、鋼の焼戻し軟化抵抗及びばねのへたり特性を向上させる重要な元素であり、これらの効果を得るためには2.0%以上添加することが必要である。また、Siは、セメンタイトの球状化及び微細化にも有効であり、粗大な球状炭化物の生成を抑制するために、2.1%以上のSiを添加することが好ましい。窒化処理など、表層を硬化させる処理を行った後、内部硬度を高めるためには、2.2%以上のSiを添加することがさらに好ましい。さらに、CrとのバランスからSiを2.3%以上とすることがより好ましい。Siを3.0%以上とする場合もある。
一方、Siを過剰に添加すると、鋼線が硬化し、脆化するため、Si量の上限を3.5%以下とする。脆化防止の観点から、上限は3.4%とすることが好ましく、さらに好ましくは3.3%以下とするとよい。
Mnは、焼入れ性を高め、残留オーステナイト量を安定的に確保するために重要な元素である。本発明では、鋼線の引張強度を高め、残留オーステナイトを確保するために、Mnを0.5%以上添加することが必要であり、0.65%以上とすることが好ましく、さらには0.70%以上とするとよい。
一方、Mnを過剰に添加すると、残留オーステナイトが増加し、加工時に、加工誘起マルテンサイトが生成し、冷間コイリング性を損なう。過剰なMnの添加による脆化を防止するために、Mn量の上限を1.2%以下とし、1.1%以下にすることが好ましく、さらには1.0%以下とするとよい。
Crは、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗を向上させるために有効な元素であり、これらの効果を得るためには、1.3%以上のCrを添加することが必要である。窒化処理を行う場合には、Crの添加によって窒化による硬化層を深くすることができる。したがって、窒化での硬化と窒化温度での軟化抵抗を付与する場合には、1.5%超のCrを添加することが好ましく、さらには、1.7%以上添加することよい。
一方、Cr量が過剰であると、製造コストが高くなるだけでなく、炭化物の溶解を阻害し、未溶解球状炭化物が多くなりコイリング性を阻害するため、Cr量の上限を2.5%以下とする。また、C量が多い場合は、粗大なセメンタイトの生成を抑制するために、Cr量を2%以下に抑制することが好ましい。更に、強度とコイリング性とを両立させるためには、Cr量の上限を1.8%以下にすることが好ましい。
Nは、本発明では、鋼中に不純物として含まれるAl等と窒化物を形成する元素である。微細な窒化物を利用し、旧オーステナイトを微細化するために、0.003%以上のNを含有させることが必要である。一方、N量が過剰であると、窒化物が粗大化し、冷間コイリング性や疲労特性が低下する。したがって、N量の上限を0.007%以下とする。また、熱処理などの容易性を考慮するとN量は0.005%以下が好ましい。
Pは不純物であり、鋼を硬化させ、偏析を生じ、脆化させるため、P量の上限を0.025%以下に制限する。また、旧オーステナイト粒界に偏析したPは、靭性や耐遅れ破壊特性などを低下させるため、P量の上限を0.015%以下に制限することが好ましい。さらに、鋼線の引張強度が2150MPaを超えるような場合には、P量を0.010%未満に制限することが好ましい。
Sも不純物であり、鋼中に存在すると鋼を脆化させるため、S量の上限を0.025%以下に制限する。Sの影響を抑制するには、Mnの添加が有効である。しかし、MnSは介在物であり、特に高強度鋼では、MnSが破壊の起点になることがある。したがって、破壊の発生を抑制するには、S量の上限を0.015%以下に制限することが好ましい。更に、高強度ばね用伸線熱処理鋼線の引張強度が2150MPaを超えるような場合には、S量を0.01%未満に制限することが好ましい。
Alは脱酸元素であり、酸化物の生成に影響し、硬質の酸化物を生成すると、疲労耐久性が低下する。特に、高強度ばねにおいては、Alを過剰に添加すると、疲労強度がばらついて、安定性を損なう。本発明の高強度ばね用伸線熱処理鋼線では、Al量が0.003%を超えると、介在物に起因する破断発生率が多くなるため、Al量を0.003%以下に制限する。Al量の上限値は、望ましくは0.0028%、より望ましくは0.0025%とするとよい。
Si量が規定量を超えると脆化が激しくなりコイリング時の加工性が損なわれるだけでなく、中間工程における脱炭が激しくなる。そのため、最終製品のばねにおいて表層硬さが低くなり耐久性が低下する。また、脱炭部分がランダムに生じるため、ばね製品の強度の安定性が損なわれる。Si量が規定量よりも少ない場合には強度が低くなり、さらにへたり特性が不十分である。このことは窒化後の硬さにも現れ、表層、内部とも十分な硬さを確保できない。
Vは、窒化物、炭化物、炭窒化物を生成する元素である。円相当径が0.2μm未満である微細なVの窒化物、炭化物、炭窒化物は、旧オーステナイトの微細化に有効である。また、窒化処理による表層の硬化にも利用することができる。しかし、一方で未溶解の炭化物や窒化物が生成し易いため、窒素(N)を抑制したとしても、その析出制御は精度よく行う必要がある。
そのため、本発明においては、Vを積極的には添加しない。
前記したようなV添加の効果を得るために微量添加することはできる。これらの効果を得るためには、Vを0.03%以上添加するとよい。好ましくは0.035%以上であり、0.04%以上であればさらによい。
Nbは鋼中で窒化物、炭化物、炭窒化物を生成する元素であり、それら析出物によってオーステナイト粒径の制御などに用いられる場合がある。しかし同時に過剰な添加は熱間での延性を低下させ、圧延や熱間鍛造で割れを生じやすくする。そのため過剰な添加は避けなければならない。
一方、Nbがばね鋼のN量制御する効果は、0.0005%から表れるので、Nbを添加する場合は、0.0005%以上添加することが好ましい。また、Vを添加する場合などは、微量Nbを添加することさらに効果的であり、その範囲は0.003〜0.012%の範囲が好ましく。さらには0.005〜0.009%の範囲%が好ましく、0.005〜0.001%でもその効果は得られる。
本発明においては、Vを積極的に添加しない。しかし、前記したように微量のV添加は、旧オーステナイトの微細化や残留オーステナイトの生成に影響する。Vに対し、CrとVの添加量の和を精密に制御することで窒化後の表層硬さと内部硬さを高強度ばねに適するように高強度化することができる。
MnとVは焼入れ性を向上させる元素であり、残留オーステナイトの生成に対する影響も大きい。Mnが規定より多い場合には残留オーステナイトが多く残留させる。したがって、Mnと不可避的不純物として混入するVの両者の和がオーステナイト挙動に直接影響し、それらが規定を超えると残留オーステナイト量が多くなり、加工性に影響するだけでなく、降伏点にも大きく影響し、十分な耐久性を確保できない。
Moは、焼入れ性を高める元素であり、また、焼戻し軟化抵抗の向上にも極めて有効である。本発明では、特に、焼戻し軟化抵抗をさらに高めるため、0.05%以上のMoを添加することができる。また、Moは、鋼中でMo系炭化物を生成する元素でもあり、Mo系炭化物が析出する温度は、V等の炭化物に比べると低い。そのため、適量のMoの添加は炭化物の粗大化の抑制にも有効であり、0.10%以上のMoを添加することが好ましい。一方、Moの添加量が0.30%を超えると、熱間圧延や、伸線加工前のパテンティングなどで過冷組織を生じ易くなる。したがって、割れや伸線時の断線の原因となる過冷組織の生成を抑制するため、Mo量の上限を0.30%以下、好ましくは0.25%以下とする。また、Mo量が多いと、パテンティング処理で、パーライト変態終了までの時間が長くなるため、Mo量を0.20%以下、さらにパテンティング時間を短時間化し、パーライト変態を安定して終了させるには0.15%以下にすることが好ましい。
Wは、Moと同様、焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗の向上に有効な元素であり、かつ、鋼中で炭化物として析出する元素である。本発明では、特に、焼戻し軟化抵抗を高めるため、0.05%以上のWを添加する。
Mo及びWは、焼戻し軟化抵抗の向上に有効な元素である。両者を複合して添加すると、Mo、Wを単独で添加するよりも、炭化物の成長が抑制され、焼戻し軟化抵抗を著しく高めることができる。特に、500℃に加熱した際の焼戻し軟化抵抗を高めるには、Mo+Wを0.05%以上、好ましくは0.15%以上にすることが必要である。
一方、Mo+Wが0.5%を超えると、熱間圧延や、伸線加工前のパテンティングなどでマルテンサイトやベイナイトなどのいわゆる過冷組織を生じ、割れや伸線時の断線の原因となる過冷組織の生成を抑制するため、Mo+Wの上限を0.5%以下とする。好ましくは0.35%以下である。
Mg:0.002%以下
MgはMnS生成温度よりも高い溶鋼中で酸化物を生成し、MnS生成時には既に溶鋼中に存在している。従ってMnSの析出核として用いることができ、これによりMnSの分布を制御できる。またその個数分布もMg系酸化物は従来鋼に多く見られるSi、Al系酸化物より微細に溶鋼中に分散するため、Mg系酸化物を核としたMnSは鋼中に微細に分散することとなる。従って、同じS含有量であってもMgの有無によってMnS分布が異なり、それらを添加する方がMnS粒径はより微細になる。MnSを微細分散させることで、MnSの疲労等の破壊起点としての作用を無害化することができる。その効果は微量でも十分得られ、好ましくは、Mg0.0002%以上、さらに好ましくは0.0005%以上の添加がよい。
Caは酸化物および硫化物生成元素である。ばね鋼においてはMnSを球状化させることで、疲労等の破壊起点としてのMnSの長さを抑制し、無害化することができる。その効果はMgと似ており、0.0002%以上の添加が好ましい。また0.002%を超えて添加しても歩留まりが悪いばかりか、酸化物やCaSなどの硫化物を生成し、製造上のトラブルやばねの疲労耐久特性を低下させるので0.002%以下とした。この添加量は高強度弁ばねに用いる場合には介在物感受性が高いため、好ましくは0.0015%以下、さらには0.001%以下であることが好ましい。
Zrは酸化物、硫化物および窒化物生成元素である。ばね鋼においては酸化物を微細に分散するため、Mgと同様、MnSの析出核となり、MnSを微細に分散させることができる。それにより疲労耐久性を向上させ、また、延性を増すことでコイリング性を向上させる。0.0002%以上添加することが好ましい。また0.003%を超えて添加しても歩留まりが悪いばかりか、酸化物やZrN、ZrSなどの窒化物、硫化物を生成し、製造上のトラブルやばねの疲労耐久特性を低下させるので0.003%以下とした。この添加量は好ましくは0.0025%以下、さらに高強度弁ばねに用いる場合には硫化物制御によりコイリング性を向上させる効果もあるため、添加することがこのましいが、介在物寸法への影響を最小限にするために0.0015%以下に抑制することが好ましい。
未溶解球状炭化物は、高強度ばね用鋼線においては、強度確保のために重要な役割を果たす。反面、未溶解球状炭化物の存在はコイリング性を悪化させ、また、粗大な炭化物が疲労特性も悪化させる。したがって、コイリング時に未溶解球状炭化物を抑制し、最終窒化処理後には、微細炭化物を均一分散させることが、本発明の課題解決に不可欠である。
この未溶解球状炭化物は、その後の熱処理(パテンティング、伸線時の加工発熱、焼入れ焼き戻し工程)では固溶されにくい。むしろ、それらの熱処理工程において成長し、粗大化する場合もある。すなわち伸線前鋼線中の未溶解球状炭化物は自身の粗大化の核となる場合がある。
そのため、熱処理後の鋼線(熱処理鋼線)の粗大化した未溶解球状炭化物を制限するためには、伸線前鋼線中に存在する未溶解球状炭化物を極力小さいくしておくことが重要である。以上のことから、未溶解球状炭化物の規定は、本発明に係る高強度ばね用伸線前鋼線だけでなく高強度ばね用伸線熱処理鋼線においても重要な意味を持つ。
本発明では、未溶解球状炭化物が、高強度ばね用伸線熱処理鋼線の特性に影響を及ぼすため、サイズを以下のように制御する。なお、本発明では、従来技術に比べて、更に微細な球状炭化物について規定し、より高い性能と加工性の両立を図っている。円相当径で0.2μm未満の球状炭化物は、鋼の強度、焼戻し軟化抵抗を確保するために極めて有効である。
本発明の伸線前鋼線および伸線熱処理鋼線は、未溶解球状炭化物の円相当径が0.2μm未満となることが特徴である。そのため、強度を確保しつつ、加工性も確保できるのである。
前記したように、伸線前鋼線は、その後パテンティングや伸線加熱、焼入れ焼戻し等の熱処理をする必要があるため、未溶解球状炭化物が成長し、粗大化する可能性がある。そのため伸線前鋼線における未溶解球状炭化物の円相当径は、0.2μmよりさらに小さいことが望ましい。
発明者らの実験結果から、伸線前鋼線の未溶解炭化物の円相当径は、0.18μm以下にできることが確認されている。また、ビレット加熱温度を1250℃以上とすれば、0.15μm以下とできることも確認されている。
本発明に係る高強度ばね用伸線熱処理鋼線の金属組織は、体積率で6%超、15%以下の残留オーステナイトと、残部焼戻しマルテンサイトとからなり、微量の介在物を許容する。微量介在物とは、酸化物、硫化物であり、酸化物はAlやSiなどの脱酸生成物、硫化物はMnSやCaSなどが該当する。また、残部焼戻しマルテンサイト組織には、未溶解球状炭化物も微量ながら含まれる。
また、本発明に係る高強度ばね用伸線前鋼線の金属組織は、パーライト組織が90%以上を占める。望ましくは、95%以上であり、さらに望ましくは98%以上、ほぼ100%パーライト組織となることが理想的である。
本発明の高強度ばね用伸線熱処理鋼線は、焼戻しマルテンサイトを主要な組織としており、旧オーステナイト粒度が特性に大きな影響を及ぼす。即ち、旧オーステナイトの粒径を微細にすると、細粒化の効果により、疲労特性やコイリング性が向上する。本発明では、十分な疲労特性やコイリング性を得るため、旧オーステナイト粒度番号を10番以上とする。
焼入れ焼戻し後の高強度ばね用伸線熱処理鋼線でのミクロ組織は、焼き戻しマルテンサイトと残留オーステナイトおよびわずかな体積分率の介在物(ここでは、析出物も介在物に含めて表現する)とからなっている。残留オーステナイトは、冷間コイリング性の向上に有効である。本発明では冷間コイリング性を確保するために、残留オーステナイトの体積率を6%超とする。好ましくは7%以上であり、さらに好ましくは8%以上であるとよい。
残留オーステナイトの体積率は、X線回折法や、磁気測定法によって求めることができる。このうち、磁気測定法は、簡便に残留オーステナイトの体積率を測定できるため、好ましい測定方法である。ここでは、体積率を測定しているが、得られた数値は面積率と同じ値となる。
ばねの小型化や軽量化を図るためには、高強度化が有効であり、また、ばねには優れた疲労強度が要求される。本発明では、高強度ばねは、素材である高強度ばね用伸線熱処理鋼線を曲げ加工して所望の形状とし、窒化処理、ショットピーニングなど、表面を硬化させる処理を施して製造される。窒化処理では、500℃程度に加熱されるため、ばねは、素材である高強度ばね用伸線熱処理鋼線よりも軟化することがある。
高強度ばね用伸線熱処理鋼線の引張強度が高ければ、窒化処理などの表面を硬化する処理を施したばねの疲労特性及びへたり特性を高めることができる。本発明では、ばねの疲労特性及びへたり特性を高めるために、高強度ばね用伸線熱処理鋼線の引張強度を2100MPa以上とする。
また、高強度ばね用伸線熱処理鋼線の引張強度が高いほど、ばねの疲労特性が向上するため、高強度ばね用伸線熱処理鋼線の引張強度を好ましくは2200MPa以上、更に好ましくは2250MPa以上とする。
本発明において、高強度ばね用伸線熱処理鋼線の降伏強度または降伏点とは、単軸引張試験において、応力−歪み曲線に、降伏点が見られる場合は上降伏点、降伏点が見られない場合は0.2%耐力とする。繰り返し応力によって弾性変形するばねの強度や耐へたり性を確保するためには、降伏点を高めることが好ましい。ばねの降伏点を高めるには、素材である高強度ばね用伸線熱処理鋼線の降伏点を高めることが好ましい。
一方、降伏点が1980MPaを超えると、冷間コイリング性を損なうことがあるため、降伏点を1980MPa以下とすることが好ましい。なお短時間の焼入れ焼戻し直後に同一の引張強度を有する素材の高強度ばね用伸線熱処理鋼線の降伏点を高めるには、残留オーステナイトの体積率を低下させることが好ましい。
高強度ばねは、窒化処理の際に、表層硬さは向上するが、内部は軟化する。例えば500℃でのガス軟窒化では、従来加熱温度が500℃になると、高強度ばね用伸線熱処理鋼線内部の軟化を抑制することが困難であった。本発明の高強度ばね用伸線熱処理鋼線は、焼戻し軟化抵抗に優れており、500℃で加熱した後のばねの疲労特性及びへたり性を確保することができる。本発明では、ガス軟窒化後の表層硬さと内部硬さを規定する。
なお、500℃で1時間保持する加熱処理後のビッカース硬さの上限は、特に規定しないが、加熱処理前のビッカース硬さを超えることはないため、通常、783以下である。
しかし、成分組成、球状炭化物、旧オーステナイト結晶粒度は、冷間コイリング及び窒化処理による影響は小さいと考えられる。したがって、本発明の高強度ばね用伸線熱処理鋼線を素材とする高強度ばねの成分組成、球状炭化物、旧オーステナイト結晶粒度は、本発明の高強度ばね用伸線熱処理鋼線の成分組成、球状炭化物、旧オーステナイト結晶粒度と同程度である。
所定の成分に調整された鋼片(ブルーム)を圧延し、サイズダウンした鋼片(ビレット)製造する。そしてビレットを加熱後、熱間圧延し、高強度ばね用伸線前鋼線とする。この高強度ばね用伸線前鋼線をパテンティング処理後、シェービングを施し、さらに、硬化層を軟質化するための焼鈍を行い、伸線加工して、焼入れ及び焼戻しを施して、高強度ばね用伸線熱処理鋼線を製造する。パテンティング処理は、熱間圧延後の鋼線の組織をフェライト・パーライトとする熱処理であり、伸線加工前に鋼線を軟化させるために行う。伸線加工後、オイルテンパー処理や高周波処理などの焼入れ及び焼戻しを施し、鋼線の組織及び特性を調整する。
加熱炉から抽出した後は、温度が低下して析出物が成長する。そのため、加熱炉から抽出した後、5分以内に熱間圧延を完了させることが好ましい。ブルーム、ビレットの上記加熱により、鋼中の粗大炭化物が、均一に拡散、固溶され、その後の析出に際し、均一に微細析出することができる。
なお、ブルームからビレットを経ずに鋼線に圧延する場合は、ブルーム(鋼片)の圧延前加熱温度は1250℃以上、このましくは1270℃以上とするとよい。
従って、伸線前の加熱工程である圧延工程において、ブルーム加熱温度やビレット加熱温度を、炭化物が固溶するために十分高くしておくことが重要である。それによって未溶解球状炭化物の径は小さく抑制することができる。ばね鋼の圧延はビレットが加熱炉から抽出されてからφ10mm程度の伸線前素材径まで数分で完了する。このため、ビレット加熱温度の影響が最も大きく、1200℃以上に加熱することが重要である。1250℃以上であればより好ましく、1270℃以上であればさらに好ましい。
以上の工程により、ばね用伸線前鋼線(圧延線材)が得られる。
要求される線材径や精度によって伸線工程が省略される場合、伸線工程に先立つパテンティング工程も省略されることがある。その場合は、以下に述べる焼入れの加熱温度を高温化し(例えば、970℃以上)によって、未溶解球状炭化物の固溶を促進する。
合格とする目標数値は、従来の高強度ばね用鋼線を参考として、次のとおりとした。
旧オーステナイト粒度番号:10度以上
残留オーステナイト量(体積%):20%以下
球状炭化物の円相当径:0.2μm以下
引張強度:2100MPa以上
0.2%耐力:1800MPa以上
降伏比:75%以上95%以下
ノッチ曲げ角度:28度以上
平均疲労強度(中村式回転曲げ強度):900MPa以上、
ガス軟窒化後のビッカース硬さで内部硬さ:590Hv以上
ガス軟窒化後のビッカース硬さで窒化層硬さ:750Hv以上
なお、本発明による鋼線においては、強度と加工性(コイリング性)を両立させる必要があるため、降伏比が高すぎると加工性が悪化する。従って、降伏比の上限は好ましくは90%、さらに好ましくは88%以下とするとよい。
伸線前鋼線(線材圧延後の鋼線)の評価は、未溶解球状炭化物の円相当径のみを行った。熱処理前であるので、機械特性やオーステナイト粒度等の測定をしてもあまり意味がないからである。
伸線前鋼線での評価であるので、未溶解球状炭化物の最大円相当径のみで評価している。ビレット加熱温度が高いと、未溶解球状炭化物の円相当径が小さくなることがわかる。
2 ポンチ
3 試験片
4 ノッチ
5 押金具
6 負荷用治具
P 荷重
L 支え間の距離
θ ノッチ曲げ角度
Claims (14)
- 質量%で、
C :0.67%以上、0.9%未満、
Si:2.0〜3.5%、
Mn:0.5〜1.2%、
Cr:1.3〜2.5%、
N :0.003〜0.007%、
Al:0.0005%〜0.003%
を含有し、かつSiとCrが次式
0.3%≦Si−Cr≦1.2%
を満たし、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、
不純物としてのP、Sが
P :0.025%以下、
S :0.025%以下であり、
さらに、未溶解球状炭化物の円相当径が0.2μm未満であることを特徴とする高強度ばね用伸線前鋼線。 - さらに、質量%で、
V :0.03〜0.10%、
Nb:0.015%以下
Mo:0.05〜0.30%、
W :0.05〜0.30%
Mg:0.002%以下、
Ca:0.002%以下、
Zr:0.003%以下
のうち1種または2種以上を含有し、
Vを含有する場合は
1.4%≦Cr+V≦2.6%、および0.70%≦Mn+V≦1.3%を満たし、
MoとWを含有する場合は
0.05%≦Mo+W≦0.5%
を満たすことを特徴とする請求項1に記載の高強度ばね用伸線前鋼線。 - 質量%で、
C :0.67%以上、0.9%未満、
Si:2.0〜3.5%、
Mn:0.5〜1.2%、
Cr:1.3〜2.5%、
N :0.003〜0.007%、
Al:0.0005%〜0.003%
を含有し、かつSiとCrが次式
0.3%≦Si−Cr≦1.2%
を満たし、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、
不純物としてのP、Sが
P :0.025%以下、
S :0.025%以下であり、
さらに、金属組織として、少なくとも残留オーステナイトが体積率で6%超15%以下存在し、
旧オーステナイト粒度番号が10番以上であり、
未溶解球状炭化物の円相当径が0.2μm未満であることを特徴とする高強度ばね用伸線熱処理鋼線。 - さらに、質量%で、
V :0.03〜0.10%、
Nb:0.015%以下
Mo:0.05〜0.30%、
W :0.05〜0.30%
Mg:0.002%以下、
Ca:0.002%以下、
Zr:0.003%以下
のうち1種または2種以上を含有し、
Vを含有する場合は
1.4%≦Cr+V≦2.6%、および0.70%≦Mn+V≦1.3%を満たし、
MoとWを含有する場合は
0.05%≦Mo+W≦0.5%
を満たすことを特徴とする請求項3に記載の高強度ばね用伸線熱処理鋼線。 - 前記高強度ばね用伸線熱処理鋼線の引張強度が2100〜2400MPaであることを特徴とする請求項3または4に記載の高強度ばね用伸線熱処理鋼線。
- 前記高強度ばね用伸線熱処理鋼線の降伏点が1600〜1980MPaであることを特徴とする請求項5に記載の高強度ばね用伸線熱処理鋼線。
- 前記高強度ばね用伸線熱処理鋼線を500℃で1時間保持する軟窒化処理することにより、表層ビッカース硬さがHV750以上であり、内部ビッカース硬さがHV570以上となることを特徴とする請求項3または4に記載の高強度ばね用伸線熱処理鋼線。
- 質量%で、
C :0.67%以上、0.9%未満、
Si:2.0〜3.5%、
Mn:0.5〜1.2%、
Cr:1.3〜2.5%、
N :0.003〜0.007%、
Al:0.0005%〜0.003%
を含有し、かつSiとCrが次式
0.3%≦Si−Cr≦1.2%
を満たし、残部が鉄及び不可避的不純物からなり、
不純物としてのP、Sが
P :0.025%以下、
S :0.025%以下
であるブルームを1250℃以上に加熱後熱間圧延を施してビレット製造し、当該ビレットを1200℃以上に加熱後熱間圧延により伸線前鋼線を製造することを特徴とする高強度ばね用伸線前鋼線の製造方法。 - さらに、質量%で、
V :0.03〜0.10%、
Nb:0.015%以下
Mo:0.05〜0.30%、
W :0.05〜0.30%
Mg:0.002%以下、
Ca:0.002%以下、
Zr:0.003%以下
のうち1種または2種以上を含有し、
Vを含有する場合は
1.4%≦Cr+V≦2.6%、および0.70%≦Mn+V≦1.3%を満たし、
MoとWを含有する場合は
0.05%≦Mo+W≦0.5%
を満たすことを特徴とする請求項8に記載の高強度ばね用伸線前鋼線の製造方法。 - 請求項8または9に記載の伸線前鋼線を、さらに900℃以上に加熱し、その後600℃以下のパテンティング処理することを特徴とする高強度ばね用伸線前鋼線の製造方法。
- 請求項8または9に記載の伸線前鋼線を、伸線加工した後、10℃/秒以上の加熱速度でA3点以上の温度まで加熱し、A3点以上の温度で1分以上5分以下保持した後、50℃/秒以上の冷却速度で100℃以下まで冷却することを特徴とする高強度ばね用熱処理鋼線の製造方法。
- 請求項10に記載の伸線前鋼線を、伸線加工した後、10℃/秒以上の加熱速度でA3点以上の温度まで加熱し、A3点以上の温度で1分以上5分以下保持した後、50℃/秒以上の冷却速度で100℃以下まで冷却することを特徴とする高強度ばね用熱処理鋼線の製造方法。
- さらに400〜500℃で15分以下保持し焼戻し処理することを特徴とする請求項11に記載の高強度ばね用熱処理鋼線の製造方法。
- さらに400〜500℃で15分以下保持し焼戻し処理することを特徴とする請求項12に記載の高強度ばね用熱処理鋼線の製造方法。
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