JP7322893B2

JP7322893B2 - ばね用鋼線

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Publication number: JP7322893B2
Application number: JP2020556328A
Authority: JP
Inventors: 寛泉田; 徹也中島
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2020-06-17
Filing date: 2020-06-17
Publication date: 2023-08-08
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Description

本開示は、ばね用鋼線に関するものである。

ばねの疲労強度の向上を意図した種々のオイルテンパー線（ばね用鋼線）が知られている（たとえば、特開２００４－３１５９６８号公報（特許文献１）、特開２００６－１８３１３６号公報（特許文献２）、特開２００８－２６６７２５号公報（特許文献３）、国際公開第２０１３／０２４８７６号（特許文献４）、特開２０１２－０７７３６７号公報（特許文献５）、および国際公開第２０１５／１１５５７４号（特許文献６）参照）。

特開２００４－３１５９６８号公報特開２００６－１８３１３６号公報特開２００８－２６６７２５号公報国際公開第２０１３／０２４８７６号特開２０１２－０７７３６７号公報国際公開第２０１５／１１５５７４号

本開示に従ったばね用鋼線は、線状の形状を有する鋼製の本体部と、本体部の外周面を覆う酸化層と、を備える。本体部を構成する鋼は、０．６２質量％以上０．６８質量％以下のＣ（炭素）と、１．６質量％以上２質量％以下のＳｉ（珪素）と、０．２質量％以上０．５質量％以下のＭｎ（マンガン）と、１．７質量％以上２質量％以下のＣｒ（クロム）と、０．１５質量％以上０．２５質量％以下のＶ（バナジウム）と、を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。Ｓｉの含有量とＭｎの含有量との和をＣｒの含有量で除した値が０．９以上１．４以下である。本体部を構成する鋼の組織は焼戻マルテンサイト組織である。

図１は、ばね用鋼線の構造を示す概略図である。図２は、ばね用鋼線の構造を示す概略断面図である。図３は、ばね用鋼線の製造方法の概略を示すフローチャートである。

［本開示が解決しようとする課題］
自動車のエンジンの、弁ばね、トーショナルダンパ―スプリングなど、高い疲労強度が求められるばねは、焼入焼戻が実施された鋼線（オイルテンパー線）がばねの形状に加工（ばね加工）された後、窒化処理が実施されて製造される場合がある。窒化処理によりばねの表面に窒化層（硬化層）が形成され、ばねの疲労強度が向上する。

しかし、窒化処理が実施された場合でも、ばねの疲労強度が十分に向上しない場合がある。ばねの疲労強度を向上させることが可能なばね用鋼線を提供することが、本開示の目的の１つである。

［本開示の効果］
本開示のばね用鋼線によれば、ばねの疲労強度を向上させることができる。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。本開示のばね用鋼線は、線状の形状を有する鋼製の本体部と、本体部の外周面を覆う酸化層と、を備える。本体部を構成する鋼は、０．６２質量％以上０．６８質量％以下のＣと、１．６質量％以上２質量％以下のＳｉと、０．２質量％以上０．５質量％以下のＭｎと、１．７質量％以上２質量％以下のＣｒと、０．１５質量％以上０．２５質量％以下のＶと、を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。Ｓｉの含有量とＭｎの含有量との和をＣｒの含有量で除した値が０．９以上１．４以下である。本体部を構成する鋼の組織は焼戻マルテンサイト組織である。

本発明者らは、窒化処理が実施された場合でも、ばねの疲労強度が十分に向上しない原因について検討した。その結果、以下のような知見が得られ、本開示のばね用鋼線に想到した。

ばね用鋼線の表面には、ばね加工時のばね用鋼線と加工ツールとの潤滑性の向上を目的に酸化層が形成される場合がある。この酸化層の形成に際して、酸素（Ｏ）と親和性の高い元素であるＳｉ、Ｍｎの濃度が表面付近において高くなる。酸化層は、ばね加工後に実施されるショットピーニング等によって除去され、表面付近には、Ｓｉ、Ｍｎの濃度が高い領域が残存する。その結果、その後に実施される窒化処理において、表面付近に存在するＳｉ、Ｍｎによって窒素（Ｎ）の侵入が阻害される。そうすると、窒化層（硬化層）の厚さが小さくなり、窒化処理による疲労強度の上昇効果が小さくなる。

一方、本発明者らの検討によれば、ばね用鋼線を構成する鋼に含まれるＳｉおよびＭｎの含有量の和をＣｒの含有量で除した値（（Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｃｒの値）を適切な範囲、より具体的には０．９以上１．４以下に調整することにより、窒化層（硬化層）の厚さが大きくなる。その結果、ばねの疲労強度が向上する。

本開示のばね用鋼線においては、本体部を構成する鋼の各構成元素の含有量が適切に設定され、かつ本体部を構成する鋼が焼戻マルテンサイト組織を有する。また、本体部は酸化層に覆われている。そして、（Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｃｒの値が０．９以上１．４以下に設定されている。これにより、ばね加工時のばね用鋼線と加工ツールとの潤滑性の向上に寄与する酸化層の形成によって本体部の表面付近（外周面付近）におけるＳｉ、Ｍｎの濃度が高くなっているにもかかわらず、ばね加工後に窒化処理が実施されると、十分な厚さの窒化層を形成することが容易となっている。その結果、ばねの疲労強度が向上する。このように、本開示のばね用鋼線によれば、ばねの疲労強度を向上させることができる。

本体部を構成する鋼の成分組成を上記範囲とすべきである理由について、以下に説明する。

炭素（Ｃ）：０．６２質量％以上０．６８質量％以下
Ｃは、焼戻マルテンサイト組織を有する鋼の強度に大きな影響を与える元素である。ばね用鋼線として十分な強度を得る観点から、Ｃ含有量は０．６２質量％以上とする必要がある。一方、Ｃ含有量が多くなると靱性が低下し、加工が困難になるおそれがある。十分な靱性を確保する観点から、Ｃ含有量は０．６８質量％以下とする必要がある。

珪素（Ｓｉ）：１．６質量％以上２質量％以下
Ｓｉは、加熱による軟化を抑制する性質（軟化抵抗性）を有する。ばね用鋼線のばねへの加工時およびばねの使用時における加熱による軟化を抑制する観点から、Ｓｉ含有量は１．６質量％以上とする必要があり、１．７質量％以上としてもよい。一方、Ｓｉは過度に添加すると靱性を低下させる。十分な靱性を確保する観点から、Ｓｉ含有量は２質量％以下とする必要がある。靱性を重視する観点からは、Ｓｉ含有量は１．９質量％以下としてもよい。

マンガン（Ｍｎ）：０．２質量％以上０．５質量％以下
Ｍｎは、鋼の精錬において脱酸剤として添加される元素である。脱酸剤としての機能を果たすため、Ｍｎの含有量は０．２質量％以上とする必要がある。一方、Ｍｎは過度に添加すると、靱性を低下させる。そのため、Ｍｎ含有量は０．５質量％以下とする必要があり、０．４質量％以下としてもよい。

クロム（Ｃｒ）：１．７質量％以上２質量％以下
Ｃｒは、鋼の焼入性を向上させる効果を有する。また、Ｃｒは、鋼中において炭化物生成元素として機能し、微細な炭化物の生成による金属組織の微細化や加熱時の軟化抑制に寄与する。このような効果を確実に発揮させる観点から、Ｃｒは１．７質量％以上添加される必要がある。一方、Ｃｒの過度の添加は靱性低下の原因となる。そのため、Ｃｒの添加量は２質量％以下とする必要があり、１．９質量％以下とすることが好ましい。

バナジウム（Ｖ）：０．１５質量％以上０．２５質量％以下
Ｖも、鋼中において炭化物生成元素として機能し、微細な炭化物の生成による金属組織の微細化や加熱時の軟化抑制に寄与する。Ｖの炭化物は固溶温度が高いため、鋼の焼入焼戻の際に固溶することなく存在し、金属組織の微細化（結晶粒の微細化）に特に大きく寄与する。また、ばね加工後に実施される窒化処理によってＶは窒化物となり、繰返し応力がばねに負荷された場合の結晶におけるすべりの発生を抑制し、疲労強度の向上に寄与し得る。このような効果を確実に発揮させる観点から、Ｖは０．１５質量％以上添加される必要がある。一方、Ｖの過度の添加は靱性低下の原因となる。そのため、Ｖの添加量は０．２５質量％以下とする必要がある。

不可避的不純物
ばね用鋼線を構成する鋼の製造工程において、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）などが不可避的に鋼中に混入する。リンおよび硫黄は、過度に存在すると粒界偏析を生じたり、介在物を生成したりして、鋼の特性を悪化させる。そのため、リンおよび硫黄の含有量は、それぞれ０．０２５質量％以下とすることが好ましい。また、オーステナイト生成元素であるニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）は、焼入れの際に残留オーステナイトを生成する傾向にある。残留オーステナイトにはＣが多く固溶し得るため、マルテンサイト中の炭素量が減少し、本体部を構成する鋼の硬度低下を招くおそれがある。硬度の低下は疲労強度の低下につながる。したがって、ＮｉおよびＣｏは意図的には添加せず、不可避的不純物として存在する含有量とする。また、炭化物生成元素であるチタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）は、伸線前に実施されるパテンティング処理において、パーライト変態に要する時間を長くするため、鋼線の製造効率の低下を招く。したがって、Ｔｉ、ＮｉおよびＭｏは意図的には添加せず、不可避的不純物として存在する含有量とする。不可避的不純物としてのＮｉの含有量は、たとえば０．１質量％以下である。不可避的不純物としてのＣｏの含有量は、たとえば０．１質量％以下である。不可避的不純物としてのＴｉの含有量は、たとえば０．００５質量％以下である。不可避的不純物としてのＮｂの含有量は、たとえば０．０５質量％以下である。不可避的不純物としてのＭｏの含有量は、たとえば０．０５質量％以下である。

（Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｃｒの値：０．９以上１．４以下
本発明者らの検討によれば、（Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｃｒの値がばね加工後の窒化処理における窒化層の形成の容易性に大きな影響を与える。（Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｃｒの値を０．９以上１．４以下とすることにより、十分な厚さを有する窒化層の形成が容易となる。このような効果が得られる原因は、たとえば以下のように考えることができる（以下の理論に拘束されるものではない）。上記の通り、本開示のばね用鋼線の表面には、ばね加工時のばね用鋼線と加工ツールとの潤滑性の向上を目的に酸化層が形成される。この酸化層の形成に際して、Ｏと親和性の高い元素であるＳｉ、Ｍｎの濃度が表面付近において高くなる。その結果、その後に実施される窒化処理において、表面付近に存在するＳｉ、ＭｎによってＮの侵入が阻害される。これに対し、Ｎとの親和性の高いＣｒの量を増加させることにより、窒化処理においてＮが本体部の内部まで侵入しやすくなり、十分な厚さを有する窒化層の形成が容易となる。このような効果を確実に得るためには、（Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｃｒの値が１．４以下になる程度にＳｉおよびＭｎの含有量の合計に対するＣｒの相対的な含有量を高く設定する必要がある。Ｃｒは、Ｓｉ、Ｍｎなどに比べて鋼中での拡散速度が小さいため、窒化処理における本体部の表面付近での濃化は緩やかである。しかし、（Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｃｒの値が０．９未満となるレベルまで添加量が増加すると、本体部の表面付近でＮを捕捉し、Ｎが本体部の内部へと侵入することを阻害する。その結果、窒化処理における窒化層の厚さが小さくなる。このような問題の発生を抑制する観点から、（Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｃｒの値は０．９以上とする必要がある。

上記ばね用鋼線において、酸化層の厚さは２μｍ以上５μｍ以下であってもよい。上記の通り、酸化層が形成されると、本体部の表面付近にＳｉおよびＭｎ（特にＳｉ）の濃度が高い領域が形成される。これに伴い、Ｓｉ等が濃化した領域の内周側には、Ｓｉ等の濃度が低下した領域が形成される。上記（Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｃｒの値が適切な値に設定されている限り、Ｎの本体部への十分な侵入は維持され、Ｓｉ等の濃度が低下した領域の形成により窒化層の形成が促進される。酸化層の厚さを２μｍ以上とすることにより、このような効果をより確実に得ることができる。一方、酸化層の厚さを大きくするためには、酸化処理の時間を長くする必要があり、ばね用鋼線の製造コストの増大を招く。ばね用鋼線の製造コストの増大を抑制する観点から、酸化層の厚さは５μｍ以下とすることが好ましい。

上記ばね用鋼線において、酸化層に占めるＦｅ_３Ｏ_４の割合は８０質量％以上であってもよい。Ｆｅは、酸化の進行度によって複数種の酸化物を形成する。本発明者らの検討によれば、ばね加工時の潤滑効果の観点からはＦｅ_３Ｏ_４が最も好ましい。酸化層に占めるＦｅ_３Ｏ_４の割合は８０質量％以上とすることにより、酸化層によるばね加工時の潤滑効果をより高めることができる。なお、酸化層に占めるＦｅ_３Ｏ_４の割合は、たとえばＸ線回折を利用したＲＩＲ（ＲｅｆｅｒｅｎｃｅＩｎｔｅｎｓｉｔｙＲａｔｉｏ）法に測定することができる。

上記ばね用鋼線の本体部を構成する鋼において、Ｓｉの含有量とＭｎの含有量との和をＣｒの含有量で除した値が１以上１．２以下であってもよい。（Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｃｒの値を１以上１．２以下とすることにより、十分な厚さを有する窒化層の形成が一層容易となる。

上記ばね用鋼線の外径は、０．５ｍｍ以上１２ｍｍ以下であってもよい。本開示のばね用鋼線は、０．５ｍｍ以上１２ｍｍ以下の外径を有するばね用鋼線に、特に好適である。上記ばね用鋼線の外径は、２ｍｍ以上８ｍｍ以下とすることが、より好ましい。なお、ばね用鋼線の外径とは、鋼線の長手方向に垂直な断面が円形である場合、当該断面の直径を意味する。また、鋼線の長手方向に垂直な断面が円形以外である場合、当該断面を取り囲む最小の円の直径を意味する。

［本願発明の実施形態の詳細］
次に、本開示にかかるばね用鋼線の実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

図１は、ばね用鋼線の構造を示す概略図である。図２は、ばね用鋼線の構造を示す概略断面図である。図２は、ばね用鋼線の長手方向に垂直な面における断面図である。

図１および図２を参照して、本実施の形態におけるばね用鋼線１は、線状の形状を有する鋼製の本体部１０と、本体部１０の外周面１０Ａを覆う酸化層２０とを備えている。酸化層２０の外周面２０Ａが、ばね用鋼線１の外周面である。図２を参照して、ばね用鋼線１の直径φは、たとえば２ｍｍ以上８ｍｍ以下である。酸化層２０の厚さｔは、たとえば２μｍ以上５μｍ以下である。

本体部１０を構成する鋼は、０．６２質量％以上０．６８質量％以下のＣと、１．６質量％以上２質量％以下のＳｉと、０．２質量％以上０．５質量％以下のＭｎと、１．７質量％以上２質量％以下のＣｒと、０．１５質量％以上０．２５質量％以下のＶと、を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなっている。Ｓｉの含有量とＭｎの含有量との和をＣｒの含有量で除した値（（Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｃｒの値）が０．９以上１．４以下である。本体部１０を構成する鋼の組織は焼戻マルテンサイト組織である。本実施の形態におけるばね用鋼線１は、オイルテンパー線である。

本実施の形態のばね用鋼線１においては、本体部１０を構成する鋼の各構成元素の含有量が適切に設定され、かつ本体部１０を構成する鋼が焼戻マルテンサイト組織を有している。また、本体部１０は酸化層２０に覆われている。そして、（Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｃｒの値が０．９以上１．４以下に設定されている。これにより、ばね加工時のばね用鋼線１と加工ツールとの潤滑性の向上に寄与する酸化層２０の形成によって本体部１０の外周面１０Ａ付近におけるＳｉ、Ｍｎの濃度が高くなっているにもかかわらず、ばね加工後に窒化処理が実施されると、十分な厚さの窒化層を形成することが容易となっている。その結果、ばねの疲労強度が向上する。このように、ばね用鋼線１は、ばねの疲労強度を向上させることが可能なばね用鋼線となっている。

本実施の形態の酸化層２０に占めるＦｅ_３Ｏ_４の割合は８０質量％以上であることが好ましい。このようにすることにより、酸化層２０によるばね加工時の潤滑効果をより高めることができる。

本実施の形態の本体部１０を構成する鋼において、Ｓｉの含有量とＭｎの含有量との和をＣｒの含有量で除した値が１以上１．２以下であることが好ましい。（Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｃｒの値を１以上１．２以下とすることにより、十分な厚さを有する窒化層の形成が一層容易となる。

次に、ばね用鋼線１の製造方法の一例について、図３に基づいて説明する。図３は、本実施の形態のばね用鋼線１の製造方法の概略を示すフローチャートである。図３を参照して、本実施の形態のばね用鋼線１の製造方法においては、まず工程（Ｓ１０）として線材準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、０．６２質量％以上０．６８質量％以下のＣと、１．６質量％以上２質量％以下のＳｉと、０．２質量％以上０．５質量％以下のＭｎと、１．７質量％以上２質量％以下のＣｒと、０．１５質量％以上０．２５質量％以下のＶと、を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、（Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｃｒの値が０．９以上１．４以下である鋼の線材が準備される。

次に、図３を参照して、工程（Ｓ２０）としてパテンティング工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、図３を参照して、工程（Ｓ１０）において準備された線材に対してパテンティングが実施される。具体的には、線材がオーステナイト化温度（Ａ_１点）以上の温度域に加熱された後、マルテンサイト変態開始温度（Ｍ_ｓ点）よりも高い温度域まで急冷され、当該温度域で保持される熱処理が実施される。これにより、線材の組織がラメラ間隔の小さい微細パーライト組織となる。ここで、上記パテンティング処理において、線材をＡ_１点以上の温度域に加熱する処理は、脱炭の発生を抑制する観点から不活性ガス雰囲気中で実施されることが好ましい。

次に、図３を参照して、工程（Ｓ３０）として表面層除去工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、工程（Ｓ２０）においてパテンティングが実施された線材の表面層が除去される。具体的には、たとえば上記線材がシェービングダイス内を通過することにより、パテンティングにより形成された表面の脱炭層等が除去される。この工程は必須の工程ではないが、これを実施することによりパテンティングによって脱炭層等が表面に生じた場合でも、これを除去することができる。

次に、工程（Ｓ４０）として焼きなまし工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、工程（Ｓ３０）において表面層が除去された線材に対して焼きなましが実施される。具体的には、線材に対して、たとえば不活性ガス（窒素、アルゴンなどのガス）雰囲気中で６００℃以上７００℃以下の温度域に加熱し、１時間以上１０時間以下の時間保持する熱処理が実施される。焼きなましは、線材を軟化させるために実施される熱処理であるが、本実施の形態においては、酸化層２０の形成および酸化層２０に占めるＦｅ_３Ｏ_４の割合の調整がこの（Ｓ４０）において実施される。雰囲気についても、通常の不活性ガス雰囲気ではなく、意図的に不活性ガスに大気を混入させた雰囲気や、不活性ガスに水蒸気を混入させた雰囲気を採用してもよい。

次に、工程（Ｓ５０）として、ショットブラスティング工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、工程（Ｓ４０）において焼きなまし処理が実施され、酸化層２０が形成された線材に対してショットブラスティングが実施される。この工程は必須の工程ではないが、これを実施することにより、酸化層２０の表面に形成された脆いＦｅ_２Ｏ_３を除去し、酸化層２０におけるＦｅ_３Ｏ_４の割合を調整することができる。ショットブラスティングの強度および時間を調整することにより、Ｆｅ_３Ｏ_４の割合を調整することができる。

次に、工程（Ｓ６０）として伸線工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、工程（Ｓ５０）においてショットブラスティングが実施された線材に対して伸線加工（引抜き加工）が実施される。工程（Ｓ６０）の伸線加工における加工度（減面率）は、適宜設定できるが、たとえば５０％以上９０％以下とすることができる。ここで、「減面率」とは、線材の長手方向に垂直な断面に関し、伸線加工前の断面積と伸線加工後の断面積との差を伸線加工前の断面積で除した値を百分率で表示した値である。

次に、工程（Ｓ７０）として焼入工程が実施される。この工程（Ｓ７０）では、工程（Ｓ６０）において伸線加工が実施された線材（鋼線）に対して、鋼のＡ_１点以上の温度に加熱された後、Ｍ_Ｓ点以下の温度に急冷される焼入処理が実施される。より具体的には、たとえば鋼線に対して８００℃以上１０００℃以下の温度に加熱した後、油中に浸漬することにより急冷する熱処理が実施される。これにより、本体部を構成する鋼の組織がマルテンサイト組織となる。

次に、工程（Ｓ８０）として焼戻工程が実施される。この工程（Ｓ８０）では、工程（Ｓ７０）において焼入処理が実施された鋼線に対して、鋼のＡ_１点未満の温度に加熱された後、冷却される焼戻処理が実施される。鋼線の加熱は、所定の温度に維持された油中に鋼線を浸漬することにより実施される。より具体的には、たとえば鋼線に対して４００℃以上７００℃以下の温度に加熱し、０．５分間以上２０分間以下の時間維持したあと冷却する熱処理が実施される。これにより、本体部を構成する鋼の組織が焼戻マルテンサイト組織となる。以上の手順により、本実施の形態のばね用鋼線１を製造することができる。

（実験１）
本体部を構成する鋼の成分組成と、硬化層（窒化層）の形成状態およびばねの疲労強度との関係を調査する実験を行った。

上記実施の形態と同様の手順により、直径φ４．０ｍｍのばね用鋼線を準備した。本体部を構成する鋼の組成が本開示のばね用鋼線の成分組成の範囲内である６種、および範囲外である８種の鋼線を準備した。このとき、工程（Ｓ４０）において線材の表面を酸化した。その結果、準備されたばね用鋼線は、約３．０μｍ（２．７μｍ以上３．３μｍ以下）の厚さの酸化層を有している。これらのばね用鋼線を圧縮ばねに加工した後、歪取り焼きなまし、酸化スケールの除去、窒化、ショットピーニングおよびセッチングを順次実施した。窒化は、アンモニアガスを主成分とし、二酸化炭素ガスおよび窒素ガスを含む雰囲気中で４４０℃に加熱し、５時間保持する条件で実施した。そして、得られたばねの表層付近の硬度分布を調査するとともに、ばねを疲労試験に供した。表１に本体部を構成する鋼の成分組成を示す。

表１に示すように、本体部を構成する鋼の成分組成が異なる１４種のばね用鋼線が準備された。表１においては、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、ＣｒおよびＶの含有量が質量％で示されている。Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、ＣｒおよびＶ以外の部分は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。また、表１には、（Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｃｒの値が示されている。

表２には、ばねの表層付近の硬度分布が、（Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｃｒの値とともに示されている。硬度分布は、ばねを構成するばね用鋼線を長手方向に垂直な断面で切断し、得られた断面について、各深さ（表面からの距離）に対応する位置の硬度を測定することにより得られたものである。表２の各数値は、ビッカース硬度である。なお、「深さ０」は、ばね用鋼線の表面の硬度である。表面の硬度は、ばねの断面ではなく、ばねを構成するばね用鋼線の外周面の硬度（ビッカース硬度）である。

表２に示すように、表面の硬度は、Ｃｒ、Ｖなどの二次硬化の発生に寄与する元素の含有量の影響を受けていることが分かる。一方、ばねの内部、特に窒化層の厚さに対応する深さ８０～１００μｍ近傍の硬度は、本開示の実施例に対応する（Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｃｒの値が０．９以上１．４以下である鋼Ａ～Ｆ（サンプル１～６）において高くなっていることが確認される。特に、（Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｃｒの値が１．０以上１．２以下である鋼Ｂ～Ｄ（サンプル２～４）において、深さ８０～１００μｍ近傍の硬度が特に高くなっている。

表３には、ばねの疲労試験の結果が示されている。

各サンプル１～１４について、ばねを８個ずつ準備し、疲労試験に供した。疲労試験は、ばね用星型疲労試験機により実施した。ばねの内周側表面における平均応力が６８６ＭＰａ、応力振幅が６３０ＭＰａとなる条件で試験を実施した。そして、応力の繰り返し数が５．０×１０^７回、および１．０×１０^８回の時点で未折損のばねの個数により、疲労強度を評価した。表３には、応力の繰り返し数が５．０×１０^７回、および１．０×１０^８回の時点で未折損のばねの個数が示されている。

表３に示すように、本開示の実施例に対応する（Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｃｒの値が０．９以上１．４以下である鋼Ａ～Ｆ（サンプル１～６）の疲労強度が高いことが分かる。これは、上記のように、鋼Ａ～Ｆ（サンプル１～６）においては、表面から深さ８０～１００μｍ近傍までの硬度が高くなっていることに起因するものと考えられる。特に、（Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｃｒの値が１．０以上１．２以下である鋼Ｂ～Ｄ（サンプル２～４）の疲労強度は、きわめて高いといえる。

以上の実験結果より、本開示のばね用鋼線によれば、ばねの疲労強度を向上させることが可能であることが確認される。

（実験２）
酸化層の厚みと、硬化層（窒化層）の形成状態およびばねの疲労強度との関係を調査する実験を行った。本体部を構成する鋼を鋼Ａとし、工程（Ｓ４０）における酸化の条件を変えて、酸化層の厚みが異なる６種の鋼線を準備した。そして、このばね用鋼線を圧縮ばねに加工した後、実験１の場合と同様の処理を順次実施した。そして、実験１と同様に、得られたばねの表層付近の硬度分布を調査するとともに、ばねを疲労試験に供した。

表４には、ばねの表層付近の硬度分布が、（Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｃｒの値とともに示されている。硬度分布は、実験１の場合と同様に測定した。

ばねの内部、特に窒化層の深さに対応する厚さ８０～１００μｍ近傍の硬度は、酸化層の厚さが２μｍ以上５μｍ以下であるサンプル１５～１８において特に高くなっていることが分かる。

表５には、ばねの疲労試験の結果が示されている。

各サンプル１５～２０について、実験１の場合と同様に疲労試験に供した。表５には、応力の繰り返し数が５．０×１０^７回、および１．０×１０^８回の時点で未折損のばねの個数が示されている。

表５に示すように、酸化層の厚さが２μｍ以上５μｍ以下であるサンプル１５～１８の疲労強度が高いことが分かる。これは、上記のように、サンプル１５～１８においては、表面から深さ８０～１００μｍ近傍までの硬度が高くなっていることに起因するものと考えられる。

以上の実験結果より、酸化層の厚さは２μｍ以上５μｍ以下とすることが好ましいことが確認される。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、請求の範囲によって規定され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ばね用鋼線、１０本体部、１０Ａ外周面、２０酸化層、２０Ａ外周面、φ ばね用鋼線の直径、ｔ酸化層の厚さ。

Claims

線状の形状を有する鋼製の本体部と、
前記本体部の外周面を覆う酸化層と、を備え、
前記本体部を構成する鋼は、０．６２質量％以上０．６８質量％以下のＣと、１．６質量％以上２質量％以下のＳｉと、０．２質量％以上０．５質量％以下のＭｎと、１．７質量％以上２質量％以下のＣｒと、０．１５質量％以上０．２５質量％以下のＶと、を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、Ｓｉの含有量とＭｎの含有量との和をＣｒの含有量で除した値が０．９以上１．４以下であり、
前記本体部を構成する鋼の組織は焼戻マルテンサイト組織である、ばね用鋼線。
前記酸化層の厚さは２μｍ以上５μｍ以下である、請求項１に記載のばね用鋼線。
前記酸化層に占めるＦｅ_３Ｏ_４の割合は８０質量％以上である、請求項１または請求項２に記載のばね用鋼線。
前記本体部を構成する鋼において、Ｓｉの含有量とＭｎの含有量との和をＣｒの含有量で除した値が１以上１．２以下である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のばね用鋼線。
外径が０．５ｍｍ以上１２ｍｍ以下である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のばね用鋼線。