JP5813888B2 - 耐腐食性に優れたばね用線材及び鋼線、ばね用鋼線の製造方法、並びにばねの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、耐腐食性に優れたばね用線材及び鋼線、耐腐食性に優れたばね用鋼線の製造方法、並びにばねの製造方法に関する。
自動車の燃費を向上させる方法として自動車に供給される鋼材部品を軽量化させる場合、単位重量当たりに支持可能な荷重が決定されているため自動車の安全に致命的な問題を引き起こす可能性がある。したがって、部品を高強度化した後、部品を軽量化する必要がある。
しかし、部品を高強度化すると、粒界脆化などによる靭性低下、加工または使用中の早期破断、腐食疲労による早期破断などが発生する。これにより、自動車に用いられる材料及びばねをはじめ、自動車部品の高強度化、高靭性、及び腐食疲労に対する抵抗性が求められている。
ばねの耐疲労特性及び耐水素脆性を向上させるために、日本特許公開番号ＪＰ１９９８−１１０２４７などでは合金元素ボロンなどを用いている。ばね鋼材の化学成分は、ＪＩＳ Ｇ ４８０１、ＩＳＯ ６８３−１４、ＢＳ ９７０ ｐａｒｔ２、ＤＩＮ １７２２１、ＳＡＥ Ｊ ４０３、ＳＡＥ Ｊ ４０４などで規定されており、これらによって製造される熱間圧延線材をピーリング（ｐｅｅｌｉｎｇ）またはドローイング（ｄｒａｗｉｎｇ）した後、加熱成形して焼入れ焼き戻し処理したり、または所望する線の直径までドローイング（ｄｒａｗｉｎｇ）してオイルテンパリング処理してからばね加工（冷間成形加工）する方法などによって各種のばねが製造されている。
ばねの腐食疲労に対する抵抗性を向上させる従来技術としては、合金元素の種類及び添加量を増加させる方法を挙げることができる。一般に、Ｃｒは耐食性向上元素として知られているが、塩水噴霧サイクル（ｃｙｃｌｅ）の試験結果、Ｃｒ添加時にむしろ耐腐食性が低下するという問題があった。この問題を解決するための方法として、Ｃｒ含量を０．２５％以下に制限し、Ｃｒ含量とＣｕ＋Ｎｉ含量との関係を適切に調節する技術がある。この技術は、環境による腐食が行われて表層にＣｕ、Ｎｉ濃化層が形成されることにより耐腐食性が向上する方法であるが、一定時間環境に露出して一定量の腐食が発生するため、表面にピット（ｐｉｔ）が生じて疲労特性が低下するという問題点がある。
一方、ばねの高強度化のための従来技術としては、合金元素を添加させる方法及びテンパリング温度を低下させる方法を挙げることができる。合金元素を添加させて高強度化する方法には、基本的にＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒなどを用いて焼入硬度を高める方法があり、高価な合金元素Ｍｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂなどを用いて急冷及びテンパリング（ＱＴ）熱処理して鋼材の強度を高める方法がある。しかし、このような技術は、原価費用が上昇するという問題があり、ＱＴ熱処理後にフェライトが残存して腐食ピットの生成が増加するため、フェライト脱炭層を除去する工程をさらに必要とする。また、外部環境からばね表面を保護するために、ダブルコーティングしたり、保護フィルムを装着したりするが、長時間の走行時に表面保護フィルムが破損して腐食疲労破断が発生することもある。
また、合金成分を変化することなく、従来の成分系において熱処理条件を変更して鋼材の強度を増加させる方法がある。即ち、テンパリングを低温で行うと素材の強度が上昇するようになる。しかし、テンパリング温度が低くなると、素材の断面減少率が低くなるため、靭性が低下するという問題が発生し、ばねの成形及び使用中に早期破断などが発生するという問題点がある。
本発明の一側面は、高価な合金元素を用いることなく、耐腐食性に優れたばね用線材及び鋼線を提供する。
本発明の他の側面は、急冷及びテンパリング（以下、ＱＴとする）熱処理を省略し、表層フェライト脱炭層を除去する作業を行うことなく、腐食ピットの生成及び成長を抑えて耐腐食性を向上させたばね用鋼線及びばねの製造方法を提供する。
ただし、本発明は、上述の側面に制限されず、言及されていない他の側面は以下の記載により当業者にとって明確に理解されることができる。
上記のような目的を達成すべく、本発明の一側面は、重量％で、Ｃ：０．４５〜０．６％、Ｓｉ：１．０〜３．０％、Ｍｎ：１７．０〜２５．０％、残部Ｆｅ及びその他の不可避な不純物からなる、耐腐食性に優れたばね用線材を提供する。
本発明の他の側面は、重量％で、Ｃ：０．４５〜０．６％、Ｓｉ：１．０〜３．０％、Ｍｎ：１７．０〜２５．０％、残部Ｆｅ及びその他の不可避な不純物からなる、耐腐食性に優れたばね用鋼線を提供する。
本発明のさらに他の側面は、上記線材を伸線して引張強度が１８００〜２１００ＭＰａ、断面減少率が２５％以上である鋼線を製造する、耐腐食性に優れたばね用鋼線の製造方法を提供する。
本発明のさらに他の側面は、上記線材を伸線して引張強度が１８００〜２１００ＭＰａ、断面減少率が２５％以上である鋼線を製造する段階、及び上記鋼線を常温において冷間成形する段階を含む、耐腐食性に優れたばねの製造方法を提供する。
本発明の一側面によると、高価な合金元素を排除しながらも、優れた耐腐食性を確保することができるため、価格競争力があるばね用線材及び鋼線を提供することができる。
本発明の他の側面によると、ＱＴ熱処理を省略して原価節減を図るとともに、表層フェライトが生成されないためフェライト脱炭を除去する作業を省略することができることから、費用及び工程の側面において有利である。
以下、本発明が属する技術分野において一般の知識を有する者が容易に実施できるように本発明の耐腐食性に優れたばね用線材及び鋼線、耐腐食性に優れたばね用鋼線の製造方法、並びにばねの製造方法について具体的に説明する。
本発明の一側面は、重量％で、Ｃ：０．４５〜０．６％、Ｓｉ：１．０〜３．０％、Ｍｎ：１７．０〜２５．０％、残部Ｆｅ及びその他の不可避な不純物からなる、耐腐食性に優れたばね用線材を提供する。
上記各成分の数値を限定した理由について説明すると、以下の通りである。以下、各成分の含量単位は、特に言及される場合を除いて重量％である点に留意する必要がある。
Ｃ：０．４５〜０．６％
炭素は、オーステナイトを安定化させて常温においてオーステナイト組織を得ることができるようにする。特に、冷却過程または加工中にオーステナイトからマルテンサイトへの変態点であるＭｓ及びＭｄを低下させる役割をする。ここで、Ｍｓはマルテンサイト変態開始温度、Ｍｄは変形によるマルテンサイト変態開始変形量である。また、炭素は、ばねの強度を確保するために添加される必須的な元素である。その効果を有効に発揮させるためには、０．４５％以上含有することが好ましい。これに対し、Ｃ含量が０．６％を超過すると、加工硬化が激しくなって素材に亀裂が発生しやすくなるため断線が発生したり、疲労寿命が顕著に低下するのみならず、欠陥感受性が高くなり、腐食ピットが生じるため疲労寿命または破壊応力が顕著に低下する。
炭素は、オーステナイトを安定化させて常温においてオーステナイト組織を得ることができるようにする。特に、冷却過程または加工中にオーステナイトからマルテンサイトへの変態点であるＭｓ及びＭｄを低下させる役割をする。ここで、Ｍｓはマルテンサイト変態開始温度、Ｍｄは変形によるマルテンサイト変態開始変形量である。また、炭素は、ばねの強度を確保するために添加される必須的な元素である。その効果を有効に発揮させるためには、０．４５％以上含有することが好ましい。これに対し、Ｃ含量が０．６％を超過すると、加工硬化が激しくなって素材に亀裂が発生しやすくなるため断線が発生したり、疲労寿命が顕著に低下するのみならず、欠陥感受性が高くなり、腐食ピットが生じるため疲労寿命または破壊応力が顕著に低下する。
Ｓｉ：１．０〜３．０％
シリコンは、組織内部に固溶されて母材強度を強化させ、変形抵抗性を改善させる効果を有する。しかし、上記Ｓｉ含量が１．０％未満の場合は、Ｓｉが固溶されて母材強度を強化させ変形抵抗性を改善させる効果が十分ではないため、その下限を１．０％に制限する必要がある。また、Ｓｉ含量が３．０％を超過すると、変形抵抗性の改善効果が飽和されて添加の効果をさらに得ることができず、熱処理時に表面脱炭を助長するため、Ｓｉの含量を１．０〜３．０％に制限することが好ましい。
シリコンは、組織内部に固溶されて母材強度を強化させ、変形抵抗性を改善させる効果を有する。しかし、上記Ｓｉ含量が１．０％未満の場合は、Ｓｉが固溶されて母材強度を強化させ変形抵抗性を改善させる効果が十分ではないため、その下限を１．０％に制限する必要がある。また、Ｓｉ含量が３．０％を超過すると、変形抵抗性の改善効果が飽和されて添加の効果をさらに得ることができず、熱処理時に表面脱炭を助長するため、Ｓｉの含量を１．０〜３．０％に制限することが好ましい。
Ｍｎ：１７．０〜２５．０％
マンガンは、本発明の実施態様のような高マンガン鋼に添加される最も重要な元素で、オーステナイトを安定化させる役割をする主要元素である。本発明において制御する炭素の含量範囲内では、オーステナイトを安定化させるために、マンガンを１７％以上含ませることが好ましい。マンガン含量が１７％未満の場合は、主組織であるオーステナイトが常温において不安定になるため目標とする分率のオーステナイト組織を確保することができない。これに対し、マンガン含量が２５％を超過すると、加工硬化が激しくなって素材に亀裂が多く生じて断線が発生したり、疲労寿命が顕著に低下するのみならず、欠陥感受性が高くなり、腐食ピットの発生時に疲労寿命または破壊応力が顕著に低下するため、その上限を２５．０％にすることが好ましい。
マンガンは、本発明の実施態様のような高マンガン鋼に添加される最も重要な元素で、オーステナイトを安定化させる役割をする主要元素である。本発明において制御する炭素の含量範囲内では、オーステナイトを安定化させるために、マンガンを１７％以上含ませることが好ましい。マンガン含量が１７％未満の場合は、主組織であるオーステナイトが常温において不安定になるため目標とする分率のオーステナイト組織を確保することができない。これに対し、マンガン含量が２５％を超過すると、加工硬化が激しくなって素材に亀裂が多く生じて断線が発生したり、疲労寿命が顕著に低下するのみならず、欠陥感受性が高くなり、腐食ピットの発生時に疲労寿命または破壊応力が顕著に低下するため、その上限を２５．０％にすることが好ましい。
本発明の残り成分は鉄（Ｆｅ）である。ただし、一般の鉄鋼製造過程では、原料または周囲環境により意図しない不純物が不可避に混入される可能性があるため、これを排除することができない。これら不純物は、一般の鉄鋼製造分野に属する技術者であれば誰でも分かるものであるため、本明細書ではそのすべての内容を特に言及しない。
また、上記線材は、重量％で、Ｃｒ：０．０１〜１．０％をさらに含有することができるが、本発明はこれに制限されない。
Ｃｒ：０．０１〜１．０％
クロムは、耐酸化性及び焼入性の確保に有用な元素である。しかし、Ｃｒ含量が０．０１％未満の場合は、耐酸化性及び焼入性の効果などを十分に確保することが困難である。また、その含量が１．０％を超過すると、変形抵抗性の低下をもたらし、むしろ強度低下につながる可能性がある。したがって、Ｃｒの添加量を０．０１〜１．０％に制限することが好ましい。
クロムは、耐酸化性及び焼入性の確保に有用な元素である。しかし、Ｃｒ含量が０．０１％未満の場合は、耐酸化性及び焼入性の効果などを十分に確保することが困難である。また、その含量が１．０％を超過すると、変形抵抗性の低下をもたらし、むしろ強度低下につながる可能性がある。したがって、Ｃｒの添加量を０．０１〜１．０％に制限することが好ましい。
上述の組成を有する線材は、高Ｍｎ添加によるオーステナイトの常温安定性が増加して、目的とするオーステナイト組織分率を確保することができる。また、オーステナイトの高延伸率の確保により伸線加工性が増加し、伸線加工のみで強度を確保することができるため、ＱＴ熱処理を別に行わなくてもよい。参考までに、オーステナイトが安定化されるとは、オーステナイトが常温においても存在することを意味する。
本発明の実施態様の線材は、オーステナイトが主相であり、上記オーステナイトは、体積分率で９９％以上含まれることが好ましい。これにより、高加工性を確保することができる。即ち、オーステナイトの他に、フェライト、パーライト、マルテンサイト、ベイナイト、各種の析出物、介在物などの分率は１％以下を占める。本発明において目標とするのは、オーステナイトが主相で、オーステナイトの体積分率が１００％であると最もよいため、その上限を別に規定するのは無意味である。
また、ＱＴ熱処理に伴う線材表層のフェライト発生という問題もないため、表層フェライト脱炭層を別に除去する作業（ピーリング作業）も不要である。なお、Ｍｎ及びＣｒの添加で表面におけるｐＨを上昇させることにより、腐食ピットの生成及び成長を抑えて耐腐食性を向上させることができる。従来技術では、腐食疲労特性を改善させるために、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｂ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏなどを用いてきたが、本発明では、このような高合金元素を添加しなくても、耐腐食・耐疲労特性を十分に得ることができる。さらに、本発明によると、表面処理工程もさらに必要としない。
上記線材は、一般の線材の製造方法に従い、上記のような成分系を満たすビレットを再加熱した後、線材熱間圧延して冷却することによって製造することができる。
本発明の他の側面は、上記線材の成分と同一組成からなる、耐腐食性に優れたばね用鋼線を提供する。
鋼線の上記各成分の数値を限定する理由は上述の通りである。
例示的具現例において、上記鋼線の内部組織は、変形されたオーステナイトとマルテンサイトの複合組織であることができるが、これに制限されない。また、「変形されたオーステナイト」とは、伸線したオーステナイト組織を意味する。鋼線の内部組織が変形されたオーステナイトとマルテンサイトの複合組織として存在する理由は、伸線変形によって一部オーステナイトがマルテンサイトに応力有機変態することができるためである。オーステナイトはもともと常温において不安定であるが、Ｍｎ添加によってオーステナイトが常温において安定化され、線材及びばねの製造後にも腐食ピットの成長を抑えることにより、耐腐食性を向上させることができる。伸線量が増加するにつれ、一部オーステナイトがマルテンサイトに応力有機変態することができる。
本発明のさらに他の側面は、上記線材を伸線して引張強度が１８００〜２１００ＭＰ、断面減少率が２５％以上である鋼線を製造する段階を含む、耐腐食性に優れたばね用鋼線の製造方法を提供する。
上記線材を所望するばねに製造するために伸線加工を行う。伸線加工によって製造されるばね用鋼線は、伸線量を調節して、引張強度を１８００〜２１００ＭＰａ、断面減少率を２５％以上にすることが好ましい。
引張強度を１８００〜２１００ＭＰａ、断面減少率を２５％以上に限定した理由は、一般のばね用鋼線に求められる機械的物性であるためである。ここで、断面減少率の上限は意味がないため限定しない。
このとき、ＱＴ熱処理は行わない。これは、従来技術と区別される部分で、ＱＴ熱処理を行わなくても強度、延性及び耐腐食性を十分に確保することができるためである。
本発明のさらに他の側面は、上記線材を伸線して引張強度が１８００〜２１００ＭＰａ、断面減少率が２５％以上である鋼線を製造する段階、及び上記鋼線を常温において冷間成形する段階を含む、耐腐食性に優れたばねの製造方法を提供する。
上記線材は、冷間状態で伸線し、伸線した素材を冷間状態でコイル形状及び所望のばね形状に成形する。ばねに成形した後、１５０℃以上の応力緩和熱処理を行ってばねを製造する。
以下、実施例を通じて本発明を詳細に説明する。ただし、下記実施例は本発明をより詳細に説明するためのもので、本発明の権利範囲を制限しない。
下記表１に示されている成分を有するスラブを一連の熱間圧延及び冷却工程によって製造した。各成分の含量単位は重量％である。
上記表１の成分を有する各比較鋼及び発明鋼の線材におけるオーステナイト分率を測定した。次に、上記線材を同一条件（５０％以上）の伸線量で伸線して鋼線を製造した後、引張強度、断面減少率、及び変形されたオーステナイト分率を測定し、塩水雰囲気下において腐食試験を行って腐食ピットの深さを測定した。試験結果は表２に示されている。
表１及び表２から分かるように、比較鋼１は、成分系が本発明の制御範囲に該当せず、オーステナイト安定化元素である炭素及びマンガンの含量が足りないため、目標とするオーステナイト組織及び機械的物性を得ることができなかった。
比較鋼２は、成分系が本発明の制御範囲に該当せず、オーステナイト安定化元素であるマンガン含量が足りず、炭素含量が過度に多くてオーステナイトが９６％以下に形成されるため、目標とする微細組織及び強度を得ることができなかった。
比較鋼３は、成分系が本発明の制御範囲に該当せず、オーステナイト安定化元素である炭素及びマンガンが本発明の実施態様の範囲を外れるためオーステナイトが不安定になり、マンガンが過量添加されたため断面減少率が２５％未満と示された。また、伸線中に断線が発生した。
比較鋼４は、炭素量及びマンガン含量が過度に多かったため伸線後に加工硬化が激しくなって断面減少率が２５％未満と示された。また、伸線中に断線が発生した。その結果、目標とする微細組織及び強度を得ることができなかった。
比較鋼５は、炭素及びマンガン含量が本発明の制御範囲より足りず、オーステナイト分率が９９％より少ないため、目標とする微細組織を得ることができなかった。また、機械的物性も目標とする範囲を外れている。
比較鋼６は、成分系において、マンガン含量が足りず、炭素含量が過度に多いため、本発明の範囲を外れている。その結果、伸線後にオーステナイトの引張強度が目標とする範囲より低く、加工硬化が激しくなって伸線中に断線が発生した。
これに対し、発明鋼１から６は、本発明において制御される成分系をすべて満たす鋼種である。その結果、オーステナイト組織を９９％以上確保し、優れた引張強度及び断面減少率を示すことが確認できる。また、発明鋼は比較鋼に比べて腐食ピットの深さが小さいことが分かる。
一方、図１及び図２は塩水雰囲気下における腐食試験後の発明鋼２及び比較鋼２の腐食ピットの深さを撮影したものである。発明鋼は、図１に示されているように、腐食ピットの深さが浅いことが確認できる。
Claims (8)
- 重量％で、Ｃ：０．４５〜０．６％、Ｓｉ：１．０〜３．０％、Ｍｎ：１７．０〜２５．０％、残部Ｆｅ及びその他の不可避な不純物からなる、耐腐食性に優れたばね用線材。
- 前記線材は、重量％で、Ｃｒ：０．０１〜１．０％をさらに含有する、請求項１に記載の耐腐食性に優れたばね用線材。
- 前記線材の微細組織は、体積分率でオーステナイトが９９％以上である、請求項１に記載の耐腐食性に優れたばね用線材。
- 重量％で、Ｃ：０．４５〜０．６％、Ｓｉ：１．０〜３．０％、Ｍｎ：１７．０〜２５．０％、残部Ｆｅ及びその他の不可避な不純物からなる、耐腐食性に優れたばね用鋼線。
- 前記鋼線は、重量％で、Ｃｒ：０．０１〜１．０％をさらに含有する、請求項４に記載の耐腐食性に優れたばね用鋼線。
- 前記鋼線の内部組織は、変形されたオーステナイトとマルテンサイトの複合組織である、請求項４に記載の耐腐食性に優れたばね用鋼線。
- 請求項１から３のいずれか一項に記載の線材を伸線して引張強度が１８００〜２１００ＭＰａ、断面減少率が２５％以上である鋼線を製造する段階を含む、耐腐食性に優れたばね用鋼線の製造方法。
- 請求項１から３のいずれか一項に記載の線材を伸線して引張強度が１８００〜２１００ＭＰａ、断面減少率が２５％以上である鋼線を製造する段階と、
前記鋼線を常温において冷間成形する段階と、を含む、耐腐食性に優れたばねの製造方法。
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