JP6452454B2 - 高強度ばね用圧延材および高強度ばね用ワイヤ - Google Patents

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Description

本発明は、高強度ばね用圧延材、およびこれを用いた高強度ばね用ワイヤに関する。詳細には、調質、すなわち焼入れ焼戻しした状態で使用される高強度ばねの素材として有用な圧延材および高強度ばね用ワイヤであり、特に焼入れ焼戻し後の腐食疲労特性に優れる圧延材、およびワイヤ加工後の引張強度が１９００ＭＰａ以上と高強度であっても腐食疲労特性に優れた高強度ばね用ワイヤに関する。
自動車等に用いられるコイルばね、例えばエンジンやサスペンション等に使用される弁ばね、懸架ばねなどは、排ガスの低減や燃費向上のために軽量化が求められており、高強度化が要求されている。高強度化されたばねは、靭延性に乏しく、水素脆性が生じやすく、腐食疲労特性が低下する。そのため、ばねの製造に用いられる高強度ばね用鋼線（以下、鋼線をワイヤと記す場合がある）には腐食疲労特性に優れていることが要求される。腐食疲労破壊は、腐食により発生した水素が鋼中に侵入し、その水素による鋼材脆化が生じることで起こるため、腐食疲労特性を改善するためには、鋼材の耐食性および耐水素脆性を改善することが必要である。
高強度ばね用ワイヤの腐食疲労特性を高める方法としては、化学組成を制御することなどが知られている。しかし、これらの方法では、合金元素を多量に使用するため、製造コストの増加や省資源の観点から必ずしも望ましくない。
ところで、ばねの製造方法としては、鋼線を焼入れ温度に加熱してばね形状に熱間成形した後、油冷して焼戻しする方法と、鋼線を焼入れ焼戻しした後にばね形状に冷間成形する方法が知られている。また後者の冷間成形方法では、成形前の焼入れ焼戻しを高周波加熱で行うことも知られており、例えば特許文献１には、線材を冷間引抜きした後、高周波誘導加熱により焼入れ焼戻しして組織を調整する技術が開示されている。この技術ではパーライトの組織分率を３０％以下、マルテンサイトおよびベイナイトからなる組織分率を７０％以上とし、その後所定の減面率で冷間引抜きを行い、続いて焼入れ焼戻しを行うことによって、未溶解炭化物を減少させ、遅れ破壊特性を向上させている。
特許文献２では、実施例において圧延線材を伸線し、高周波加熱して焼入れ焼戻し処理をしている。この技術では、高強度と、コイリング性などの成形性を両立させることに主眼を置いており、腐食疲労特性については何ら考慮されていない。
特許文献３では、室温から３５０℃まで昇温した際に放出されるトータル水素量で評価される鋼中水素量に着眼し、強伸線加工条件での伸線加工性に優れた熱間圧延線材を提案している。しかし特許文献３では、強伸線という特殊な加工での伸線性にのみ着目している上に、懸架ばね等において最も重要となる焼入れ焼戻し後の腐食疲労特性について何ら考慮されていない。
特開２００４−１４３４８２号公報 特開２００６−１８３１３７号公報 特開２００７−２３１３４７号公報
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱間巻きおよび冷間巻きの高強度ばね用の素材であって、合金元素の添加量を抑制しても焼入れ焼戻し後に優れた腐食疲労特性を発揮できる圧延材、およびこうした圧延材から得られる高強度ばね用ワイヤを提供することにある。
上記課題を解決し得た本発明の高強度ばね用圧延材は、
質量％で、
Ｃ ：０．３９〜０．６５％、
Ｓｉ：１．５〜２．５％、
Ｍｎ：０．１５〜１．２％、
Ｐ ：０％超、０．０１５％以下、
Ｓ ：０％超、０．０１５％以下、
Ａｌ：０．００１〜０．１％、
Ｃｕ：０．１０〜０．８０％、
Ｎｉ：０．１０〜０．８０％および
Ｏ ：０％超、０．００１０％以下
を夫々含有し、残部が鉄および不可避不純物であり、
平均直径が２５μｍ以上の酸化物系介在物が、鋼材１００ｇ当たり３０個以下であり、且つ非拡散性水素量が０．４０質量ｐｐｍ以下であることを特徴とする。
尚、酸化物系介在物の平均直径を求める場合は、ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｅｒ：電子プローブ微小分析器）で観察して、酸化物系介在物の長径と短径をそれぞれ測定し、酸化物系介在物の長径と短径の平均値、すなわち長径と短径の和を２で割った値を平均直径とする。この平均値が２５μｍ以上となる介在物が、本発明での個数測定対象となる。
本発明の高強度ばね用圧延材は、更に、質量％で、（ａ）Ｃｒ：０％超、１．２％以下、（ｂ）Ｔｉ：０％超、０．１３％以下、（ｃ）Ｂ：０％超、０．０１％以下、（ｄ）Ｎｂ：０％超、０．１％以下およびＭｏ：０％超、０．５％以下の少なくとも１種、を含有することも好ましい。
本発明は、上記したいずれかに記載の鋼の化学成分からなり、焼戻しマルテンサイトの面積率が８０％以上であり、引張強度が１９００ＭＰａ以上である高強度ばね用ワイヤも包含する。
本発明によれば、合金元素を多量に添加しなくとも、圧延材中の酸化物系介在物を低減すると共に、非拡散性水素量を抑制しているため、焼入れ焼戻し後においても優れた腐食疲労特性を発揮できる。このような圧延材では、鋼材コストを抑えてもワイヤの腐食疲労特性を向上できるため、腐食疲労破壊が極めて生じ難い高強度のばね、例えば、自動車用部品の一つである懸架ばね等のコイルばねを安価で供給することができる。
図１は、圧延材中の介在物数や非拡散性水素量が腐食疲労特性に与える影響を表したグラフである。
ワイヤの腐食が進行すると、線材表面にピットが発生すると共に、腐食による減肉で線材の線径が細くなる。また、腐食により発生した水素が鋼中に侵入し水素による鋼材脆化が生じる。腐食疲労破壊は、これら腐食ピット、減肉箇所、鋼材脆化部を起点として生じる。そのため、腐食疲労破壊は線材の耐水素脆性と耐食性を向上させることで改善できる。
本発明者らは、耐水素脆性および耐食性に影響を与える因子について様々な角度から検討した。その結果、鋼中の所定大きさの酸化物系介在物の個数と、鋼中水素量の中でも特に非拡散性水素量の双方を適正に制御した圧延材を焼入れ焼戻し処理すれば、腐食疲労特性が大幅に向上することが明らかとなった。鋼中に大きな酸化物系介在物が多く存在すると、大気耐久性が低下するだけでなく、その周囲に「歪み場」を形成し、水素集積箇所となり、その周囲の粒界を特に脆化させ、腐食疲労特性を低下させることを突き止めた。
酸化物系介在物と水素量を適正に制御することで、耐食性改善元素の添加量を低減しても、腐食疲労特性を向上させることができる。以下に、本発明で規定する酸化物系介在物個数、鋼中の非拡散性水素量、化学組成の要件について説明する。
酸化物系介在物個数
鋼中に大きい酸化物系介在物が存在すると、大気耐久性が低下するだけでなく、その周囲に歪み場を形成し、水素集積箇所となり、その周囲の粒界を特に脆化させ、腐食疲労特性を低下させる。腐食疲労特性への悪影響を低減するためには、平均直径が２５μｍ以上の酸化物系介在物の個数を、鋼材１００ｇ当たり３０個以下（以下、「３０個／１００ｇ以下と表記することがある）にする必要がある。酸化物系介在物の個数は、好ましくは２０個／１００ｇ以下であり、より好ましくは１０個／１００ｇ以下である。腐食疲労特性を向上させるためには、酸化物系介在物の個数の下限を設ける必要はないが、０個／１００ｇにするには製造コストがかかるため、工業生産上、２個／１００ｇ以上であることが好ましい。酸化物系介在物の平均直径が２５μｍ以上となると、応力集中源として破壊起点となり、腐食疲労特性を低下させるが、平均直径が２５μｍ未満のものは、腐食疲労特性に悪影響を及ぼさない。
非拡散性水素量
本発明の圧延材では、非拡散性水素量を０．４０質量ｐｐｍ以下とする必要がある。圧延材中の非拡散性水素量が多いと、焼入れ焼戻し後のワイヤにおいても非拡散性水素が多くなる。ワイヤの非拡散性水素が多いと、線材が脆化するまでに更に侵入する水素の許容量が減り、ばねとして使用中に侵入した少量の水素でも線材脆化が生じ、早期破壊しやすくなり、耐水素脆性が低下する。非拡散性水素量は、好ましくは０．３５質量ｐｐｍ以下であり、より好ましくは０．３０質量ｐｐｍ以下である。非拡散性水素量は少なければ少ない程好ましいが、０質量ｐｐｍとすることは困難であり、下限は０．０１質量ｐｐｍ程度である。
尚、非拡散性水素とは後述の実施例に記載の方法で測定される水素量であり、具体的には、鋼材を１００℃／時間で昇温したときに、３００〜６００℃で放出される水素量の総量を意味する。
本発明に係る高強度ばね用圧延材は、合金元素の含有量を抑制した低合金鋼であり、その化学組成は以下の通りである。尚、本発明は、上記圧延材を伸線した後、焼入れ焼戻ししたワイヤも包含し、その化学組成は圧延材の化学組成と同じである。本明細書において、化学組成は質量％を意味する。
Ｃ：０．３９〜０．６５％
Ｃは、ばね用ワイヤの強度を確保するのに必要な元素であると共に、水素トラップサイトとなる微細炭化物を生成させるためにも必要である。こうした観点から、Ｃ量を０．３９％以上と定めた。Ｃ量の好ましい下限は０．４５％以上であり、より好ましくは０．５０％以上である。しかし、Ｃ量が過剰になると、焼入れ焼戻し後も粗大な残留オーステナイトや未固溶の炭化物が生成しやすくなり、耐水素脆性が却って低下する場合がある。また、Ｃは耐食性を劣化させる元素でもあるため、最終製品である懸架ばね等のばね製品の腐食疲労特性を高めるにはＣ量を抑える必要がある。こうした観点から、Ｃ量を０．６５％以下と定めた。Ｃ量の好ましい上限は０．６２％以下であり、より好ましくは０．６０％以下である。
Ｓｉ：１．５〜２．５％
Ｓｉは、強度を確保するのに必要な元素であると共に、炭化物を微細にする効果がある。こうした効果を有効に発揮させるため、Ｓｉ量を１．５％以上と定めた。Ｓｉ量の好ましい下限は１．７％以上であり、より好ましくは１．９％以上である。一方、Ｓｉは脱炭を促進させる元素でもあるため、Ｓｉ量が過剰になると線材表面の脱炭層形成が促進され、脱炭層削除のためのピーリング工程が必要となり、製造コストの増加を招く。また、未固溶炭化物も多くなり、耐水素脆性が低下する。こうした観点から、Ｓｉ量を２．５％以下と定めた。Ｓｉ量の好ましい上限は２．３％以下であり、より好ましくは２．２％以下であり、更に好ましくは２．１％以下である。
Ｍｎ：０．１５〜１．２％
Ｍｎは、脱酸元素として利用されると共に、鋼中の有害元素であるＳと反応してＭｎＳを形成し、Ｓの無害化に有益な元素である。また、Ｍｎは強度向上に寄与する元素でもある。これらの効果を有効に発揮させるため、Ｍｎ量を０．１５％以上と定めた。Ｍｎ量の好ましい下限は０．２％以上であり、より好ましくは０．３％以上である。しかし、Ｍｎ量が過剰になると靭性が低下して鋼材が脆化する。こうした観点から、Ｍｎ量を１．２％以下と定めた。Ｍｎ量の好ましい上限は１．０％以下であり、より好ましくは０．８５％以下である。
Ｐ：０％超、０．０１５％以下
Ｐは、線材などの圧延材の延性、例えばコイリング性を劣化させる有害元素であるため、できるだけ少ない方が望ましい。また、Ｐは粒界に偏析しやすく、粒界脆化を招き、水素により粒界が破壊しやすくなり、耐水素脆性に悪影響を及ぼす。こうした観点から、Ｐ量を０．０１５％以下と定めた。Ｐ量の好ましい上限は０．０１０％以下であり、より好ましくは０．００８％以下である。Ｐ量は少なければ少ない程好ましいが、通常０．００１％程度含まれる。
Ｓ：０％超、０．０１５％以下
Ｓは、上記したＰと同様に圧延材の、コイリング性などの延性を劣化させる有害元素であるため、できるだけ少ない方が望ましい。また、Ｓは粒界に偏析しやすく、粒界脆化を招き、水素により粒界が破壊しやすくなり、耐水素脆性に悪影響を及ぼす。こうした観点から、Ｓ量を０．０１５％以下と定めた。Ｓ量の好ましい上限は０．０１０％以下であり、より好ましくは０．００８％以下である。Ｓ量は少なければ少ない程好ましいが、通常０．００１％程度含まれる。
Ａｌ：０．００１〜０．１％
Ａｌは、主に脱酸元素として添加される。また、Ｎと反応してＡｌＮを形成して固溶Ｎを無害化すると共に組織の微細化にも寄与する。これらの効果を十分に発揮させるため、Ａｌ量を０．００１％以上と定めた。Ａｌ量の好ましい下限は０．００２％以上であり、より好ましくは０．００５％以上である。しかしながら、ＡｌはＳｉと同様に脱炭を促進させる元素でもあるため、Ｓｉを多く含有するばね用鋼ではＡｌ量を抑える必要があり、本発明ではＡｌ量を０．１％以下と定めた。Ａｌ量の好ましい上限は０．０７％以下であり、より好ましくは０．０３０％以下、特に好ましくは０．０２０％以下である。
Ｃｕ：０．１０〜０．８０％
Ｃｕは、表層脱炭の抑制や耐食性の向上に有効な元素である。そこでＣｕ量は０．１０％以上と定めた。Ｃｕ量の好ましい下限は０．１５％以上であり、より好ましくは０．２０％以上である。しかしながら、Ｃｕが過剰に含まれると、熱間加工時に割れが発生したり、コストが増加する。そこで、Ｃｕ量を０．８０％以下と定めた。Ｃｕ量の好ましい上限は０．７０％以下であり、より好ましくは０．６０％以下である。Ｃｕ量は０．４８％以下であることや、０．３５％以下であることや、０．３０％以下であることも好ましい。
Ｎｉ：０．１０〜０．８０％
Ｎｉは、Ｃｕと同様に表層脱炭の抑制や耐食性の向上に有効な元素である。そこでＮｉ量を０．１０％以上と定めた。Ｎｉ量の好ましい下限は０．１５％以上であり、より好ましくは０．２０％以上である。しかしながら、Ｎｉが過剰に含まれるとコストが増加する。従ってＮｉ量を０．８０％以下と定めた。Ｎｉ量の好ましい上限は０．７０％以下であり、より好ましくは０．６０％以下である。Ｎｉ量は０．４８％以下であることや、０．３５％以下であることや、０．３０％以下であることも好ましい。
Ｏ：０％超、０．００１０％以下
鋼材中に酸素が存在すると、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＴｉＯ2等の酸化物系介在物が形成される。酸化物系介在物は硬質で、周囲の素地との硬度差により酸化物系介在物のまわりに歪みが生じる。この歪みに水素が集積し、周囲の粒界を脆化させる。そのため、酸素量を低減させることが腐食疲労特性を向上させる上で重要となる。そこで、Ｏ量の上限は０．００１０％以下と定めた。好ましくは０．０００８％以下であり、より好ましくは０．０００６％以下である。一方、Ｏ量の下限は、工業生産上、一般的には０．０００２％以上である。
本発明の圧延材の基本成分は上記の通りであり、残部は実質的に鉄である。但し、原材料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれるＣａ、Ｍｇ、Ｎ等の不可避不純物が鋼中に含まれることは当然に許容される。本発明のばね用圧延材は、上記の化学組成で、高強度で優れたコイリング性と耐水素脆性を達成できるが、用途に応じて耐食性の向上等を目的として、下記元素を更に含有させても良い。
Ｃｒ：０％超、１．２％以下
Ｃｒは、耐食性の向上に有効な元素である。このような効果を有効に発揮させるため、Ｃｒ量は０．０５％以上が好ましく、より好ましくは０．０８％以上、更に好ましくは０．１０％以上である。しかしながら、Ｃｒは炭化物生成傾向が強く、鋼材中で独自の炭化物を形成すると共に、セメンタイト中に高濃度で溶け込みやすい元素である。少量のＣｒを含有することは有効であるが、高周波加熱では焼入れ工程の加熱時間が短時間となるので、炭化物、セメンタイト等を母材に溶け込ませるオーステナイト化が不十分となりやすい。そのため、Ｃｒを多く含有していると、Ｃｒ系炭化物や金属Ｃｒが高濃度に固溶したセメンタイトの溶け残りが発生し、応力集中源となって破壊しやすく、耐水素脆性が劣化することになる。従って、Ｃｒ量は１．２％以下が好ましく、より好ましくは０．８％以下であり、更に好ましくは０．６％以下である。
Ｔｉ：０％超、０．１３％以下
Ｔｉは、Ｓと反応して硫化物を形成してＳの無害化を図るのに有用な元素である。また、Ｔｉは炭窒化物を形成して組織を微細化する効果も有する。このような効果を有効に発揮させるため、Ｔｉ量は０．０２％以上が好ましく、より好ましくは０．０５％以上であり、更に好ましくは０．０６％以上である。しかしながら、Ｔｉ量が過剰になると、粗大なＴｉ硫化物が形成されて延性が劣化することがある。従って、Ｔｉ量は０．１３％以下が好ましい。コスト低減の観点からは０．１０％以下とすることが好ましく、０．０９％以下がより好ましい。
Ｂ：０％超、０．０１％以下
Ｂは、焼入れ性向上元素であり、また旧オーステナイト結晶粒界を強化する効果があり、破壊の抑制に寄与する元素である。このような効果を有効に発揮させるため、Ｂ量は０．０００５％以上が好ましく、より好ましくは０．００１０％以上である。しかしながら、Ｂ量が過剰になっても上記効果が飽和するため、Ｂ量は０．０１％以下が好ましく、より好ましくは０．００５０％以下、さらに好ましくは０．００４０％以下である。
Ｎｂ：０％超、０．１％以下およびＭｏ：０％超、０．５％以下の少なくとも１種
Ｎｂは、ＣやＮと炭窒化物を形成し、主に組織微細化に寄与する元素である。このような効果を有効に発揮させるため、Ｎｂ量は０．００３％以上が好ましく、より好ましくは０．００５％以上であり、更に好ましくは０．０１％以上である。しかしながら、Ｎｂ量が過剰になると粗大炭窒化物が形成されて鋼材の延性が劣化する。そこで、Ｎｂ量は０．１％以下が好ましい。コスト低減の観点からは０．０７％以下とすることが好ましい。
ＭｏもＮｂと同様に、ＣやＮと炭窒化物を形成し、組織微細化に寄与する元素である。また焼戻し後の強度確保にも有効な元素である。このような効果を有効に発揮させるため、Ｍｏ量は０．１５％以上が好ましく、より好ましくは０．２０％以上、更に好ましくは０．２５％以上である。しかしながら、Ｍｏ量が過剰になると、粗大炭窒化物が形成されて鋼材の延性、例えばコイリング性が劣化する。そこで、Ｍｏ量は０．５％以下が好ましく、より好ましくは０．４％以下である。
ＮｂおよびＭｏは、夫々単独で含有させても良いし、２種を組み合わせて含有させても良い。また、本発明の圧延材は不可避不純物としてＮを含んでおり、この量は下記範囲に調整されていることが好ましい。
Ｎ：０％超、０．００７％以下
Ｎ量は、不可避不純物に含まれる元素であるが、多くなるほどＴｉやＡｌと共に粗大な窒化物を形成し、疲労特性に悪影響を及ぼすため、Ｎ量はできるだけ少ないことが好ましい。Ｎ量は、例えば０．００７％以下としても良く、より好ましくは０．００５％以下である。一方、Ｎ量を低減しすぎると生産性が著しく低下する。また、ＮはＡｌと共に窒化物を形成して結晶粒の微細化に貢献する。このような観点からは、Ｎ量を０．００１％以上とすることが好ましく、より好ましくは０．００２％以上、更に好ましくは０．００３％以上である。
次に、本発明の圧延材の製造方法について説明する。上記化学組成を有する鋼を溶製し、連続鋳造、分塊圧延、熱間圧延するという一連の工程において、（Ａ）溶鋼段階の水素量、（Ｂ）分塊圧延前の均質化処理温度および時間、（Ｃ）熱間圧延後の４００〜１００℃までの冷却速度の少なくとも一つを調整することによって圧延材の非拡散性水素量を制御できる。
凝固後の鋼中の水素を低減させるためには、鋼中の水素を拡散により除去する必要があり、鋼材表面から水素を放出させるためには、水素の拡散速度を速くすべく、高温且つ長時間の加熱が有効である。具体的には、鋼中の水素量を低減する方法として、溶鋼段階での調整、凝固後１０００℃以上の連続鋳造材料の段階での調整、熱間圧延前の加熱段階での調整、圧延加熱中の段階での調整、および圧延後の冷却段階での調整が挙げられる。中でも特に、以下に示す（Ａ）〜（Ｃ）の非拡散性水素の低減処理を少なくとも一つ行うことが有効である。
（Ａ）溶鋼処理で脱ガス処理を行い、溶鋼中の水素量を２．５質量ｐｐｍ以下にする。
例えば、２次精錬工程で取鍋中に二本の浸漬管を備えた真空槽を装着し、片方の浸漬管側面からＡｒガスを吹き込み、その浮力を利用して溶鋼を真空槽へ環流させる真空脱ガスを行うことが効果的である。この方法は、水素除去能力に優れている。溶鋼中の水素量は２．０質量ｐｐｍ以下が好ましく、１．５質量ｐｐｍ以下がより好ましく、特に好ましくは１．０質量ｐｐｍ以下である。
（Ｂ）分塊圧延前の均質化処理（加熱）を、１１００℃以上、好ましくは１２００℃以上で１０時間以上行う。
（Ｃ）熱間圧延後の４００〜１００℃までの平均冷却速度を０．５℃／秒以下、好ましくは０．３℃／秒以下とする。
特に鋼材の断面積が大きい場合は長時間の加熱が必要となるが、鋼材を長時間加熱すると脱炭が促進するため、そのような場合は上記（Ａ）を行って鋼中の水素量を低減することが好ましい。
また、熱間圧延後のコイル巻取り温度ＴＬや、巻取り後の４００〜１００℃の温度範囲以外の冷却条件は特に限定されない。
コイル巻取り温度ＴＬは、例えば９００℃以上、１０００℃以下とすることができ、好ましくは９１０℃以上、より好ましくは９３０℃以上である。また、コイル巻取り温度ＴＬ〜６５０℃の平均冷却速度は２℃／秒以上、５℃／秒以下とできる。コイル巻取り温度ＴＬ〜６５０℃の平均冷却速度の下限は、好ましくは２．３℃／秒以上であり、より好ましくは２．５℃／秒以上である。また、コイル巻取り温度ＴＬ〜６５０℃の平均冷却速度の上限は、好ましくは４．５℃／秒以下であり、より好ましくは４℃／秒以下である。更に、６５０〜４００℃の平均冷却速度は２℃／秒以下とできる。６５０〜４００℃の平均冷却速度は、好ましくは１．５℃／秒以下であり、より好ましくは１℃／秒以下である。該平均冷却速度の下限は特に限定されないが、例えば０．３℃／秒程度である。
酸化物系介在物の低減
酸化物系介在物を低減するためには、線材の酸素含有量を規定値以下にする必要がある。また、アルミニウムやシリコンで十分に脱酸を行うと共に、十分に脱ガスを行うことで、介在物を低減し、高清浄化を図ることができ、酸化物系介在物を低減できる。
例えば自動車等に用いられるコイルばねを製造するためには、上記した圧延材をワイヤ加工、すなわち伸線加工してワイヤを製造する必要があり、例えば冷間巻きばねではワイヤ加工後、高周波加熱等で焼入れ焼戻しを行うのであり、このようなワイヤも本発明に含まれる。
引張強度で１９００ＭＰａ以上の高強度ワイヤは、圧延材をワイヤ加工、すなわち伸線加工後、高周波加熱等で焼入れ焼戻しを行うことで得られる。具体的には、圧延材を５〜３５％程度の減面率で伸線加工し、その後９００〜１０００℃程度で焼入れし、３００〜５２０℃程度で焼戻しを行う。焼入れ温度は、十分にオーステナイト化させるために９００℃以上が好ましく、結晶粒粗大化を防止するために１０００℃以下が好ましい。また焼戻しの加熱温度は、ワイヤ強度の目標値に合わせて３００〜５２０℃の範囲で適切な温度に設定すれば良い。また、焼入れ焼戻しを高周波加熱によって行う場合は、焼入れ焼戻しの時間は夫々１０〜６０秒程度である。
焼入れ焼戻し後の組織は、焼戻しマルテンサイト組織を８０面積％以上とする必要がある。組織中に未固溶のフェライトや、残留オーステナイトの割合が多くなると強度が低下する。焼入れ焼戻し後の組織は、好ましくは焼戻しマルテンサイト組織が８５面積％以上である。焼戻しマルテンサイト組織の割合を８０面積％以上とするためにも、焼入れ加熱時に９００℃以上に加熱し、十分にオーステナイト化させ、その後、水冷または油冷により１００℃以下まで冷却することが好ましい。
このようにして得られる本発明のワイヤは、１９００ＭＰａ以上の高い引張強度を実現できる。引張強度は、ばね設計強度に合わせて選択すればよく、通常、１９００ＭＰａ〜２２００ＭＰａに選択される。引張強度の上限は特に限定されないが、概ね２５００ＭＰａ程度である。また本発明のワイヤは、本発明の圧延材を用いているため１９００ＭＰａ以上の高強度でも優れた腐食疲労特性を発揮できる。
本発明の圧延材およびワイヤは、自動車等に用いられるコイルばね、例えばエンジンやサスペンション等に使用される弁ばね、懸架ばねなどに好適に用いることができる。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前記、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。
下記表１〜３に示す化学成分組成の鋼材を転炉溶製にて溶製し、連続鋳造後、１１００℃以上で均質化処理を行った。均質化処理後、分塊圧延を行い、１０００〜１２８０℃で加熱した後、熱間圧延を行い、直径１４．３ｍｍの圧延材、すなわち線材を得た。前述した方法による溶鋼の脱ガス処理の有無、巻取り後の冷却の有無、すなわち圧延後の４００〜１００℃での冷却を平均冷却速度０．５℃／秒以下で行ったか否かは、下記表４〜６に示す通りである。また、表４〜６に示す溶鋼中のＯ量は、アルミニウムやシリコンでの脱酸の程度を制御することによって調整した。
このとき、熱間圧延後のコイル巻取り温度ＴＬは９５０℃とし、巻取り後の他の冷却は、ＴＬ〜６５０℃までは４℃／秒の平均冷却速度、６５０〜４００℃までは１℃／秒の平均冷却速度で冷却した。また均質化処理の欄に「実施」と記載の試験例は、１１００℃での均質化処理を１０時間以上行っており、「−」と記載の試験例では１１００℃での均質化処理の時間が１０時間未満である。
得られた線材について、以下の要領で非拡散性水素量、酸化物系介在物の個数を測定した。その結果を表４〜６に示す。尚、表４〜６において、圧延材中の平均直径が２５μｍ以上の酸化物系介在物の個数は「圧延材中の２５μｍ以上の介在物個数」と表記した。
非拡散性水素量
前記圧延材、すなわち線材から幅２０ｍｍ×長さ４０ｍｍの試験片を切出した。ガスクロマトグラフィ装置を用い、該試験片を１００℃／時間の昇温速度で昇温して３００〜６００℃での放出水素量を測定し、これを非拡散性水素量とした。
酸化物系介在物の個数
酸化物系介在物の個数は、５０ｇの圧延材サンプルを６個調査した結果の平均値を求め、１００ｇ当たりの個数に換算して算出した。介在物個数は酸溶解法により調査した。上記５０ｇのサンプルを、酸により溶解し、溶け残った介在物を濾紙上に残存させ、ＥＰＭＡにより平均直径が２５μｍ以上の介在物を選別し、ＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：エネルギー分散型Ｘ線分析）で分析し、酸化物系介在物を選別した。前記した６個の各サンプルについて、平均直径が２５μｍ以上の酸化物系介在物の個数を測定してこれらの平均値を求め、鋼材１００ｇ当たりの個数に換算した。このとき、酸による溶解には、酸化物系介在物が溶解しないように調整した硝酸を用いた。酸化物系介在物の平均直径は、長径と短径の平均値、すなわち長径と短径の和を２で割った値を意味する。尚、酸化物介在物個数を低減するために、転炉溶製時に十分に真空脱ガスを行い、酸素除去を実施した。
次に、前記線材を直径１２．５ｍｍまで伸線、すなわち冷間引き抜き加工して、焼入れ焼戻しを行った。前記伸線加工の減面率は約２３．６％であり、焼入れ焼戻しの条件は以下の通りである。
焼入れ焼戻し条件
・高周波加熱
・加熱速度：２００℃／秒
・焼入れ：９５０℃、２０秒、水冷却
・焼戻し：３００〜５２０℃の各温度、２０秒、水冷却
上記の焼入れ焼戻しを行うことで、焼戻しマルテンサイトの面積率が８０％以上を占める組織を得ることができる。この試験では、全て焼戻しマルテンサイトの面積率が８０％以上であることを確認した。
伸線および焼入れ焼戻し後のワイヤについて、引張強度、腐食疲労特性の評価を行った。その結果を、下記表４〜６に併記する。
引張強度の測定
焼入れ焼戻し後のワイヤを所定長さに切断し、チャック間距離２００ｍｍ、引張速度５ｍｍ／ｍｉｎとして、ＪＩＳ Ｚ２２４１（２０１１）に従って引張試験を行った。
腐食疲労特性の評価
腐食疲労特性は、腐食処理を施した後に、小野式回転曲げ疲労試験を行い、その破断寿命で評価した。試験片は、焼入れ焼戻したワイヤを切削し、ＪＩＳ Ｚ ２２７４（１９７８）の１号試験片を作製した。この試験片の平行部を８００番のエメリー紙で研磨した。表面にショットピーニングは施さずに、試験を実施した。まず、加工した試験片に、以下の条件で腐食処理を実施した。
腐食処理
３５℃、５％ＮａＣｌ水溶液を用いて、塩水噴霧を８時間行った後、乾燥し、３５℃、相対湿度６０％の湿潤環境にて１６時間保持し、これを１サイクルとして、全部で１０サイクル繰り返し行い、試験片に対して腐食処理を実施した。腐食処理後の試験片に対して、回転曲げ試験を実施し、腐食疲労特性を評価した。各試験毎に１０本の試験片を用い、負荷応力５００ＭＰａに設定して小野式回転曲げ疲労試験を実施し、各試験片が折損するまでの疲労寿命を測定した。１０本の試験片における疲労寿命の平均値を測定し、疲労寿命の平均値が１０万回以上を腐食疲労寿命に優れると評価した。
Figure 0006452454
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これらの結果から、次のように考察できる。即ち、表４に示した試験Ｎｏ．１〜１６、及び表６に示した試験Ｎｏ．３２〜４８は、鋼材の化学組成が適切に調整された鋼を、上述した好ましい製造条件によって製造しているため、酸化物系介在物の個数、非拡散性水素量が本発明で規定する範囲を満足している。このような線材を伸線加工し、焼入れ焼戻しした後のワイヤは、いずれも１９００ＭＰａ以上の優れた引張強度を有している。しかも、焼入れ焼戻し後のワイヤは、いずれも１０万回以上の疲労寿命を発揮しており、腐食疲労特性が優れている。
これに対し、表５に示した試験Ｎｏ．１７〜３１は、本発明で規定する鋼材の化学組成、酸化物系介在物の個数、非拡散性水素量の要件の少なくともいずれかが不適切であったために、腐食疲労特性において劣る結果となっている。
試験Ｎｏ．１７、１８は、Ｃｕ、Ｎｉが添加されていないか、規定する下限に満たない鋼種１７、１８を用いた例であり、腐食疲労特性が劣化した。試験Ｎｏ．１９〜２４は、脱酸処理が不十分で鋼中のＯ量が過剰になっており、圧延材中の酸化物系介在物の個数が多くなり、腐食疲労特性が劣化した。
試験Ｎｏ．２５〜２９は、鋼中のＯ量は適正な範囲に制御されているが、上記した非拡散性水素低減処理をいずれも行っていないため、圧延材中の非拡散性水素量が多くなり、疲労寿命が１０万回未満となって腐食疲労特性が劣化した。
試験Ｎｏ．３０、３１は、脱酸処理が不十分で鋼中のＯ量が過剰になっており、また上記した非拡散性水素低減処理をいずれも行っていないため、圧延材中の酸化物系介在物の個数が多くなり、また圧延材中の非拡散性水素量が多くなり、いずれも疲労寿命が１０万回未満となって腐食疲労特性が劣化した。
これらの結果に基づき、圧延材中の酸化物系介在物の個数や非拡散性水素量が腐食疲労特性に与える影響を図１に示す。図１において、○印の発明例は、表４の試験Ｎｏ．１〜１６を示しており、×印の比較例は、表５の試験Ｎｏ．１９〜３１を示しており、圧延材中の酸化物系介在物の個数は「介在物数」と表記した。この結果から明らかにように、酸化物系介在物の個数や非拡散性水素量を厳密に規定することは、腐食疲労特性を向上させる上で有効であることが分かる。

Claims (6)

  1. 質量％で、
    Ｃ ：０．３９〜０．６５％、
    Ｓｉ：１．５〜２．５％、
    Ｍｎ：０．１５〜１．２％、
    Ｐ ：０％超、０．０１５％以下、
    Ｓ ：０％超、０．０１５％以下、
    Ａｌ：０．００１〜０．１％、
    Ｃｕ：０．１０〜０．８０％、
    Ｎｉ：０．１０〜０．８０％および
    Ｏ ：０％超、０．００１０％以下
    を夫々含有し、
    Ｃｒ：０．１５〜０．７５％、Ｔｉ：０．０４〜０．１２％、及びＢ：０．００１９〜０．００３５％のうちの少なくともいずれかを含み、残部が鉄および不可避不純物であり、
    平均直径が２５μｍ以上の酸化物系介在物が、鋼材１００ｇ当たり３０個以下であり、且つ非拡散性水素量が０．０１質量ｐｐｍ以上、０．４０質量ｐｐｍ以下であり、下記の条件で焼入れ焼戻しを行った後の組織は、焼戻しマルテンサイトの面積率が８０％以上であることを特徴とする高強度ばね用圧延材。
    焼入れ焼戻し条件
    ・高周波加熱
    ・加熱速度：２００℃／秒
    ・焼入れ：９５０℃、２０秒、水冷却
    ・焼戻し：３００〜５２０℃の各温度、２０秒、水冷却
  2. 更に、質量％で、Ｃｒ：０％超、１．２％以下を含有する請求項１に記載の高強度ばね用圧延材。
  3. 更に、質量％で、Ｔｉ：０％超、０．１３％以下を含有する請求項１または２に記載の高強度ばね用圧延材。
  4. 更に、質量％で、Ｂ：０％超、０．０１％以下を含有する請求項１〜３のいずれかに記載の高強度ばね用圧延材。
  5. 更に、質量％で、
    Ｎｂ：０％超、０．１％以下およびＭｏ：０％超、０．５％以下の少なくとも１種を含有する請求項１〜４のいずれかに記載の高強度ばね用圧延材。
  6. 請求項１〜５のいずれかに記載の鋼の化学成分からなり、焼戻しマルテンサイトの面積率が８０％以上であり、引張強度が１９００ＭＰａ以上であることを特徴とする高強度ばね用ワイヤ。
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