JP5323416B2 - 疲労特性に優れたばね鋼およびばね - Google Patents

Description

本発明は、疲労特性に優れたばね鋼およびこの鋼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、懸架ばね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（ＪＩＳ Ｇ ３５６６）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鋼では、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。

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。例えば非特許文献１には、介在物をガラス質に保つことで、圧延時に介在物が微細化すること、およびＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系の成分で、ガラス質で安定な組成に介在物が存在することが記載されている。またガラス部分の変形を促進するために、介在物の融点を下げることが有効であることが提案されている（例えば、特許文献１）。

また特許文献２には、Ｃａ，Ｍｇ，（Ｌａ＋Ｃｅ）の量を適切な範囲に制御しつつ鋼材の化学成分組成を適切に調整し、且つ鋼中の非金属介在物の平均的組成の構成比（ＳｉＯ₂，ＭｎＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｇＯおよびＣａＯの構成比）を適切な範囲とすることによって、疲労特性に優れたばね鋼が得られることが示されている。

更に、特許文献３、４には、非金属介在物を冷間加工時に延伸または破壊され易くし、実質的に破断の原因とならない軟質なものとするための非金属介在物組成が開示されている。

一方、特許文献５には、Ｌｉを含有させることによって、介在物を低融点化して、熱延時の変形を促進させ、線材の疲労強度を優れたものとする技術も提案されている。

上記各種技術では、疲労特性等の特性を高めるための方向性は示されている。しかしながら、熱間加工時の加熱時間や温度においては、例えば非特許文献１に示されたような組成に制御するだけでは、必ずしも完全なガラス状態を保つことはできず、結晶が生成することがある。また、近年の更なる鋼疲労強度化のニーズに対応するためには、ガラス部の変形もより促進する必要がある。
「第１８２・１８３回西山記念技術講座」、（社）日本鉄鋼協会編、第１３１〜１３４頁 特開平５−３２０８２７号公報 特開昭６３−１４００６８号公報 特公平６−７４４８４号公報 特公平６−７４４８５号公報 特開２００５−２９８８８号公報

これまで提案されている各技術は、介在物の平均的な組成を厳密に制御することが主流になっており、疲労特性等の特性を高めるという観点からそれなりの効果が発揮されているものの、高ＳｉＯ₂結晶やアノーサイト（ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂系酸化物系介在物）等の硬質結晶が生成することがあり、これが鋼材の破断の起点となって疲労特性が劣化することがある。

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、介在物の平均的な組成を厳密に制御せずとも優れた疲労特性を発揮するばね等を得るためのばね鋼、およびこうしたばね鋼から得られる疲労特性に優れたばねを提供することにある。

上記課題を達成することのできた本発明に係るばね鋼とは、Ｃ：１．２％（質量％の意味、以下同じ）以下、Ｍｎ：０．１〜２％、Ｓｉ：０．２〜３％、Ａｌ：０．０００３〜０．００５％、Ｌｉ：０．０３〜８ｐｐｍ（質量ｐｐｍの意味、以下同じ）、Ｃａ：３０ｐｐｍ以下（０ｐｐｍを含まない）およびＭｇ：１０ｐｐｍ以下（０ｐｐｍを含まない）を夫々含有するばね鋼であって、下記（１）〜（３）の要件を満足する酸化物系介在物が、１×１０^-4個／ｍｍ²以上存在するものである点に要旨を有するものである。
（１）Ｌｉ₂Ｏを除く介在物組成を１００質量％としたとき、Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂の合計が８０質量％以上
（２）Ａｌ₂Ｏ₃：ＳｉＯ₂＝１：４〜２：３（質量比）
（３）介在物中にＬｉを含有する

本発明のばね鋼の化学成分組成については、高強度ばねとしての用途に適用する上で上記の基本成分の他は、特に限定されるものではないが、必要によって、更にＣｒ，Ｎｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｂ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：３％以下（好ましくは０．５％以上）、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、Ｂ：０．０１％（好ましくは０．００１％以上）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。

上記成分の他（残部）は、基本的にＦｅおよび不可避不純物（例えば、ＳやＰ）である。尚、介在物に大きな影響を与えない成分（例えば、Ｐｂ，Ｂｉ）は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。

上記のようなばね鋼を用いて、ばねに成形することによって、疲労特性の優れたばねが実現できる。

本発明においては、上記（１）〜（３）の要件を満足する酸化物系介在物の個数を規定することによって、疲労特性に優れたばね等を得るためのばね鋼が実現できた。

本発明者らは、介在物の平均的な組成を厳密に制御せずとも、優れた疲労特性を発揮するばね鋼を実現するべく、様々な角度から検討を進めてきた。その結果、特定の要件を満足する酸化物系介在物を所定量で生成させてやれば、上記のような硬質結晶が生成することもなく、ばね鋼における疲労特性が改善されることを見出し、本発明を完成した。

本願発明で制御の対象とする酸化物系介在物は、上記（１）〜（３）の要件を満足するものであり、これはＬｉ₂Ｏ−Ａｌ₂Ｏ₃−４ＳｉＯ₂（ｓｐｏｄｕｍｅｎ：スポジュメン）結晶と推察される。

即ち、スポジュメンは脆いものであり、熱延や伸線加工の段階で微細化され易い。スポジュメンと推察される介在物が、鋼材断面中に所定量（１×１０^-4個／ｍｍ²以上）存在するようにしてやれば、疲労特性に優れたものとなる。特に、本発明によれば、従来では硬質の結晶が生じやすいとされていた高ＳｉＯ₂や高Ａｌ₂Ｏ₃の組成範囲であっても、良好な疲労特性が得られる。

本発明で対象とする鋼材は、ばねの素材として有用なばね鋼であれば良く、その鋼種については特に限定するものではないが、Ｃ，Ｍｎ，Ｓｉ，ＡｌおよびＬｉ等の基本成分については、下記の範囲であることが好ましい。

[Ｃ：１．２％以下（０％を含まない）]
Ｃは、高強度ばねとして適用する上で所定の強度を確保するために必要な元素であり、こうした特性を発揮させるためには、Ｃの含有量は０．２％以上とすることが好ましいが（より好ましくは０．４％以上）、Ｃ含有量が過剰になると鋼材が脆化し、実用的でなくなるので１．２％以下とする必要がある。

[Ｍｎ：０．１〜２％]
Ｍｎは鋼の脱酸に寄与する元素であり、また焼入れ性を高めて強度向上に寄与する。こうした観点からＭｎは０．１％以上含むものであることが好ましい。但し、Ｍｎ含有量が過剰になると、靭性、延性が悪くなるので２％以下とすべきである。

［Ｓｉ：０．２〜３％］
Ｓｉは、製鋼時における主たる脱酸剤として作用すると共に、鋼材の高強度化にも寄与し、本発明の疲労特性向上効果が顕著にあらわれる点からも重要な元素である。更には、軟化抵抗を高め耐へたり性を向上させるのにも有用な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Ｓｉ含有量は０．２％以上とする。しかしながら、Ｓｉ含有量が過剰になると、凝固中に純粋なＳｉＯ₂が生成する可能性があり、表面脱炭や表面疵が増加するため疲労特性が却って低下することになる。こうしたことから、Ｓｉは３％以下、好ましくは２％以下とする。

［Ａｌ：０．０００３〜０．００５％］
Ａｌは、介在物制御に必要な元素であり、その質量濃度で０．０００３％以上は必要である。しかし、Ａｌ含有量が多くなると、断線の原因になる粗大Ａｌ₂Ｏ₃が生成する可能性があるので、０．００５％以下が望ましい。

［Ｌｉ：０．０３〜８ｐｐｍ］
Ｌｉは上記（１）〜（３）の要件を満足する介在物を得るために必要な元素であり、そのためには０．０３ｐｐｍ以上必要である。但し、Ｌｉ含有量がある程度を超えると効果が飽和するので、８ｐｐｍ以下で足りる。

上記基本成分の他は、Ｃａ，Ｍｇ，鉄および不可避不純物である。ＣａやＭｇは一般的なスラグ精錬や耐火化から混入するものであり、Ｓｉキルド鋼の介在物にとって有害なものでないため（従来特許文献の通り介在物制御にとって有利な成分であるため）、夫々３０ｐｐｍ、１０ｐｐｍを上限として含有しても良い。不可避不純物としてのＰは鋼の靭性・延性を劣化させる元素であり、伸線やその後の撚り工程における断線を防止する為に、その上限を０．０３％（より好ましくは０．０２％）とすることが推奨される。またＳもＰと同様、鋼の靭性・延性を劣化させる不可避不純物元素であり、Ｍｎと結合してＭｎＳを生成し、伸線時における断線の起点となる為、その上限を０．０３％（より好ましくは０．０２％）とすることが推奨される。

本発明のばね鋼は、必要によってＣｒ，Ｎｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｃｏ，Ｂ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：３％以下（好ましくは０．５％以上）、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、Ｂ：０．０１％以下（好ましくは０．００１％以上）、ＲＥＭ：０．０５％以下である。

本発明のばね鋼では、前記（１）〜（３）の要件を満足する酸化物系介在物を生成させることによって、優れた疲労特性を発揮させるものであるが、こうした酸化物系介在物は、鋼中にＬｉを含有させると共に、次のような工程を付加することにより得ることができる。ばね鋼を熱間圧延する際には、一般に９００〜１３００℃の分塊圧延と８００〜１１００℃で線材圧延を行うが、こうした熱間圧延だけでは高温域で生成する高ＳｉＯ₂結晶やアノーサイト等の硬質結晶が生成しやすい状態となる。これに対して、スポジュメンは比較的低温で生成しやすい物質であるので、低温域、例えば、５００〜８００℃で十分なソーキングを行った後、上記のような通常の熱間加工を行うようにすれば良い。但し、本発明のばね用鋼を製造するための方法は、こうした方法に限らず、要は前記（１）〜（３）の要件を満足する酸化物系介在物を所定量生成できるものであれば良い。

上記のように化学成分組成を適切にすると共に、前記（１）〜（３）の要件を満足する酸化物系介在物の個数を適切に調整したばね鋼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。

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。すなわち、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、必要に応じて加熱、およびアルゴンバブリング、溶鋼処理（スラグ精錬）を実施した。Ｃａ、Ｍｇ、Ｌｉなどを必要に応じて溶鋼処理中に添加した。得られた鋼塊を分塊または鍛造および熱間圧延して直径：８．０ｍｍの線材とした。このとき、一部のもの（試験Ｎｏ．１〜１９）については、熱間加工前に７５０℃で２時間均熱処理を施した。

得られた各線材の化学成分組成を下記表１に示す。尚、鋼中のＬｉの含有量は下記の方法で測定したものである。

［鋼中のＬｉの含有量］
対象となる線材から試料０．５ｇを採取してビーカーに取り、純水、塩酸および硝酸を加えて加熱分解した。放冷後、１００ｍＬ（ミリリットル）のメスフラスコに移し入れ、測定溶液とした。この測定溶液を純水で希釈し、ＩＣＰ質量分析装置（型式 ＳＰＱ８０００：セイコーインスツルメント社製）を用い、Ｌｉを定量分析した。

含有量が１ｐｐｍ以下の場合は対象となる線材から試料０．５ｇを採取してビーカーに取り、純水、塩酸および硝酸を加えて加水分解を行った。その後塩酸を加えて酸濃度を調整し、メチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）を加えて振とうし、鉄分をＭＩＢＫ相に抽出した。静置後、水相のみを取り出し、１００ｍＬのメスフラスコに移し入れ、測定溶液とした。この測定溶液を純水で希釈し、ＩＣＰ質量分析装置（型式 ＳＰＱ８０００：セイコーインスツルメント社製）を用い、上記の条件でＬｉを定量分析した。

尚、表１に示した鋼種のうち、Ｐ、Ｓの含有量については、鋼種Ｇ（試験Ｎｏ．７）はＰ：０．０２％、Ｓ：０．００３％、鋼種Ｋ（試験Ｎｏ．１１）はＰ：０．０１％、Ｓ：０．０１５％、鋼種Ｌ（試験Ｎｏ．１２）はＰ：０．０１％、Ｓ：０．０１０％、鋼種Ｖ（試験Ｎｏ．２２）はＰ：０．０２％、Ｓ：０．００３％である（他はいずれもＰ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下）。

得られた鋼線材について、介在物の平均組成を下記の方法で測定すると共に、上記（１）〜（３）の要件を満足する酸化物系介在物については、対象視野（線材の断面１００００ｍｍ²以上）の全ての介在物を分析し、該当する組成のものを判定し、その個数を測定した。また、各鋼線材について、下記に示す方法によって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い、疲労特性を評価した。

［鋼線材中の介在物組成（Ｌｉ₂Ｏ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短径５μｍ以上の全介在物をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏａｎａｌｙｚｅｒ）で組成分析を行い、酸化物に換算し、その平均値を求めた。このときのＥＰＭＡの測定条件は下記の通りである。

ＥＰＭＡ分析装置：ＪＸＡ−８６２１ＭＸ（日本電気株式会社製）
分析装置（ＥＤＳ）：ＴＮ−５５００（Ｔｒａｃｏｒ Ｎｏｒｔｈｅｒｎ社製）
加速電圧：２０ｋＶ
操作電流：５ｎＡ
操作方法：エネルギー分散分析で定量分析（粒子全域を測定）
測定面積：１００００ｍｍ²以上

［介在物中Ｌｉの測定］
ＬｉはＥＰＭＡなどでの測定ができないため、前記（１）〜（３）の要件を満足する酸化物系介在物をＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：二次イオン質量分析法）により測定し（一次イオン種：Ｏ₂ ^＋、二次イオン極性：正）、⁷Ｌｉ^＋と²⁸Ｓｉ^＋の相対二次イオン強度を得た。⁷Ｌｉ^＋／²⁸Ｓｉ^＋が０．０１以上の場合に介在物中にＬｉが存在すると判定した。尚、測定はＣＡＭＥＣＡ社製二次イオン質量分析装置「ｉｍｓ５ｆ」を用いて行なった。

［疲労強度試験（折損率）］
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２００℃を行った後、中村式回転曲げ試験機を用いて、公称応力９７０ＭＰａ、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、下記式により折損率を求めた。
折損率（％）＝［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

これらの結果を、各線材中の介在物の平均組成と共に、下記表２に示す。尚、Ｌｉ以外の鋼材成分については、下記の方法によって測定した。
Ｃ：燃焼赤外線吸収法
Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，ＣｕおよびＣｏ：ＩＣＰ発光分光分析法
Ａｌ，ＲＥＭおよびＢ：ＩＣＰ質量分析法
Ｃａ：フレームレス原子吸光分析法

これらの結果から、次のように考察できる。試験Ｎｏ．１〜１９のものでは、前記（１）〜（３）の要件を満足する酸化物系介在物の生成が確保されており、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．２０〜２４のものでは、前記（１）〜（３）の要件を満足する酸化物系介在物の生成が確保されていないので、疲労試験結果が良くない。

詳しくは、試験Ｎｏ．２０，２１，２４では、鋼成分として所定量のＬｉを含むものであるが、均熱処理を行わないものであるので、酸化物系介在物の生成が確保できず、折損率が高くなっている。

試験Ｎｏ．２２，２３では、Ｌｉを含有しない鋼材を用いたものであり、前記（１）〜（３）の要件を満足する酸化物系介在物が生成されず、折損率が高くなっている。

上記表２に示した結果に基づき、（１）〜（３）の要件を満足する酸化物系介在物の個数と折損率との関係を図１に示すが、（１）〜（３）の要件を満足する酸化物系介在物を適切に生成させることによって、ばね鋼の疲労特性が改善されることが分かる。

（１）〜（３）の要件を満足する酸化物系介在物個数と折損率との関係を示すグラフである。

Claims (3)

1. Ｃ：１．２％（質量％の意味、以下同じ）以下、Ｍｎ：０．１〜２％、Ｓｉ：０．２〜３％、Ａｌ：０．０００３〜０．００５％、Ｌｉ：０．０３〜８ｐｐｍ（質量ｐｐｍの意味、以下同じ）、Ｃａ：３０ｐｐｍ以下（０ｐｐｍを含まない）およびＭｇ：１０ｐｐｍ以下（０ｐｐｍを含まない）を夫々含有し、残部が鉄および不可避不純物からなるばね鋼であって、下記（１）〜（３）の要件を満足する酸化物系介在物が、１×１０^-4個／ｍｍ²以上存在するものであることを特徴とする疲労特性に優れたばね鋼。
   （１）Ｌｉ₂Ｏを除く介在物組成を１００質量％としたとき、Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂の合計が８０質量％以上
   （２）Ａｌ₂Ｏ₃：ＳｉＯ₂＝１：４〜２：３（質量比）
   （３）介在物中にＬｉを含有する
2. 更に、Ｃｒ：３％以下、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、Ｂ：０．０１％以下および希土類元素：０．０５％以下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に記載のばね鋼。
3. 請求項１または２に記載のばね鋼から得られたものであるばね。

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