JPH036981B2

JPH036981B2 -

Info

Publication number: JPH036981B2
Application number: JP57203775A
Authority: JP
Inventors: Takao Ariga; Yoshiki Seto
Original assignee: Koshuha Netsuren KK
Current assignee: Koshuha Netsuren KK
Priority date: 1982-11-22
Filing date: 1982-11-22
Publication date: 1991-01-31
Also published as: JPS5996246A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は超高強度冷間成形ばね用鋼線およびそ
の製造方法に関する。鋼材にバナジウムＶを添加すると、Ｖ炭化物の
析出に伴う結晶核の数の増大およびこれら化合物
による粒成長抑制作用によつて、結晶粒が微細化
する。しかし当該Ｖ添加鋼材を熱処理する場合に
は、Ｖを含有しない鋼材に比べて炭化物等が固溶
化し難くなるため、焼入れ加熱温度を高めにする
必要があり、その程度はＶ添加量の増加に従う。
ところが上記焼入れ加熱温度の上昇は所要加熱時
間と相俟つて結晶粒の粗大化を招くため、前記Ｖ
添加に伴う鋼材の結晶粒微細化効果は熱処理にお
ける上記結晶粒粗大化現象に相殺され、従来で
は、Ｖを0.15〜0.20重量％添加した熱処理製品で
は粒度番号８〜９の結晶粒となつているにすぎな
い。本発明は、コイルばねの高強度化が強く要請さ
れる今日、超高強度であるにも拘らず高靭性・高
耐へたり性を有する冷間成形ばね用鋼線を得るた
めには結晶粒の超微細化が極めて有効である思料
し、従来のばね用鋼種であるSAE9254相当材に
Ｖを添加するとともに、結晶粒の粗大化を抑制し
た熱処理を施して、Ｖ添加の効果を十分に引出し
た超高強度冷間成形ばね用鋼線およびその製造方
法を提供することを目的とする。本願第１発明は、重量成分比Ｃ；0.50〜0.60
％、Si；1.20〜1.60％、Mn；0.60〜0.80％、Cr；
0.60〜0.80％の鋼組成と、添加物Ｖ；0.10〜0.50
％を含有し、結晶粒度が10以上である超高強度冷
間成形ばね用鋼線である。本願第２発明は、重量成分比Ｃ；0.50〜0.60％、Si；1.20〜0.60
％、Mn；0.60〜0.80％、Cr；0.60〜0.80％の鋼組
成に、Ｖ；0.10〜0.50％を添加して残部がFeおよ
び不可避的不純物からなる熱間圧延材を、 (1) 引抜きしたのち、10secを超えない時間内に、
所定の焼入れ温度900〜1050℃に加熱のうえ急
冷し、 (2) つづいて100℃／sec以上の加熱・冷却速度を
もつて所定の焼戻し温度300〜650℃まで加熱し
て急冷し、 (4) 引張り強さ180Kgｆ／mm²以上に仕上げる超高
強度冷間成形ばね用鋼線の製造方法である。本発明を以下に詳述する。本発明は、従来ばね用鋼種とされている線材に
比較的多量のＶを添加し、当該Ｖの添加に伴つて
必然的に高くなる焼入れ加熱温度、また高い加熱
温度にするために要する加熱時間の延長がもたら
す結晶粒の粗大化を急速加熱・急速冷却による焼
入れによつて制御することにある。即ち引抜きに
よつて所定の線径に調えられたＶ添加冷間成形ば
ね用高強度線材の素材を非Ｖ含有材の焼入れ温度
より50〜100℃高めのオーステナイト化が十分達
成可能な、ほぼ900〜1.050℃での焼入れ加熱温度
まで、100℃／sec以上の加熱速度をもつて昇温せ
しめる。この加熱速度は加熱手段の許す限り高い
ことが望ましく、加熱時間は10sec以内、必要に
応じて線材中心部までオーステナイト化達成のた
めに採られる保持時間をも含めて30sec以内であ
る如き、極めて急速な加熱・高温帯域に滞留する
時間が極めて短い短時間加熱が好ましい。かくす
ることによつて結晶粒の粗大化の時間を与えずに
上記所定の焼入れ加熱温度とし、当該温度に達し
た線材を100℃／sec以上の冷却速度をもつて直ち
に急冷して、当該急冷によつてさらに結晶粒の粗
大化防止と十分な焼入れを施す。この急冷速度も
冷却手段の許す限り高いほど望ましく、後述する
実験例では、265℃／secとしている。本発明では、上記焼入れに引き続いて施される
焼戻しにおいても、線材を加熱速度100℃／sec以
上で300〜650℃の間の所定焼戻し温度まで急速加
熱し、100℃／sec以上の冷却速度で急冷すること
によつて、マトリツクス中にＶ富化ゾーンを多発
させ、これによりCr炭化物の凝集および成長を
抑制せしめるとともに、当該焼戻し後に施される
冷間成形につづくひずみ取り低温焼鈍時における
析出硬化の可能性をもたせる。この場合の加熱・
冷却速度も高いほど望ましく、上記実験例におい
ては、保温時間を含めた加熱時間を15sec、冷却
速度165℃／secとしている。この焼戻し処理は多発したＶを富化的に含む領
域内のＶが冷間コイルリング加工により増殖した
転移のエネルギーを得て、Ｖ炭化物の生成をより
容易とすることをねらうものである。すなわち、
ＶとＣと転位との相互作用により、その後に実施
されるひずみ取りを目的とした低温焼鈍において
析出硬化が促進され、これが要員となつて極めて
高い軟化抵抗性を発現しうることとなる。本来ひ
ずみ取り低温焼鈍は処理温度が高い程コイルばね
の耐久性の安定化に効果的であるが、処理温度を
あまり高くとると、折角焼入れ焼戻し熱処理によ
つて線材を高強度化しても、当該焼鈍処理で強度
低下をきたす。換言すれば焼鈍処理温度が線材の
高強度化を規制するので、高い軟化抵抗性があれ
ば高い焼鈍処理温度で耐久性の安定した高強度の
コイルばねを得ることが可能となる。従つて当該
焼戻し処理により、線材には上記冷間コイリング
後の低温焼鈍時の効果をも踏まえ、Cr炭化物の
凝集および成長を抑制した結果として組織が微細
となつて冷間成形性が確保され、この冷間成形性
を背景として引張り強さ180Kgｆ／mm²以上、例え
ば200Kgｆ／mm²の如超高強度に仕上げることにあ
る。上記各鋼組成Ｃ、Si、Mn、Crの数値％は次の
理由から定められている。Ｃ：焼入れ性を高め、強度を上げるのに必要な
元素であり、ばね用鋼線としての強度レベルを確
保するためには、0.5％以上必要であるが、0.6％
をこえると焼入れ時より脆性的な針状マルテンサ
イトが成形し始めるので上限を0.6とする。 Si：固溶強化作用により降伏点や弾性限度を上
昇させコイルばねのへたり特性を向上させる効果
があり、1.2％以上必要であり、添加量の多い方
が望ましいが、脱炭を生じさせ易くなることか
ら、上限を1.6％とした。 Mn：Ｃと同様焼入れ性を高め、強度向上に必
要な元素であるため0.6％以上必要であり、0.8％
を超えると延性が劣化する。 Cr：主に焼入れ性向上を期待して添加するも
ので、炭化物を生成して、Ｃを安定化し、高温加
熱中のＣの拡散を遅らせること、および鋼材表面
に酸化物層を作り、酸素の侵入を防ぐことから
0.6％以上必要であり、0.8％を超えても特性の大
幅な向上は期待できないので上限を0.8％とした。以上発明の技術思想の実施によつて、ばね線材
へのＶ添加の効果が最大限に引き出されて結晶粒
の超微細化ならびに組織の微細化が達成され、高
靭性・高耐久性・高耐へたり性を有する冷間成形
性に富んだ超高強度ばね用鋼線を得るものであ
る。本発明者は、上記本発明のばね線材へのＶ添加
と急速加熱・急速冷却による焼入れとが如何に効
果的に相互作用し合うか、また急速加熱・急速冷
却による焼戻しが当該Ｖ添加急速焼入れ実施線材
に対して如何に相乗的な効果をもたらすかを確認
するため下記実験１および実験２を行なつた。実験１ (1) 実験方法；ばね鋼として知られている
SAE9254相当材と当該相当材にＶをそれぞれ
0.12、1.24、0.37、0.53重量％づつ添加した第
１表に示す５種類の熱間圧延線材を供試体とし
て使用し、これら供試体それぞれを引抜きによ
つて10mmψに整寸し、それぞれに急速加熱・急
速冷却からなる焼入れ焼戻し熱処理を施し、得
られた熱処理済鋼線の結晶粒度を調べた。

【表】 (2) 熱処理条件焼入れ加熱温度は供試体（）で900℃、供
試体（）で1.050℃とし、それぞれＶの添加
量の増加に従つて供試体（）、（）および
（）は上記の温度の中間に設定した。各供試体それぞれの目標温度までの昇温加熱
時間のならびに保持時間を含めて30sec以内で
行い、直に成分に応じた条件で急冷焼入れし
た。焼戻しの加熱温度・加熱速度および冷却速
度は全供試体を一定条件で処理した。ちなみに供試体（）におる熱処理条件を下
記する。焼入れ；加熱温度；1000℃ 加熱速度；350℃／sec 保持時間；17sec 冷却速度；265℃／sec 焼戻し；加熱温度；500℃ 加熱・保持時間；15sec 冷却速度；165℃／sec (3) 組織の結晶粒度測定上記熱処理済各供試体についてJIS規格に従
つた測定方法により結晶粒度を測定した。測定
結果を下記の第２表に粒度番号で表現した。

【表】尚、比較のためＶの添加なしの供試体(1)およ
びＶ；0.24％添加の供試体（）の結晶粒の顕
微鏡写真をそれぞれ第１図ａおよびｂとして示
す。倍率はともに400倍である。上記実験１の結果から、急速加熱・急速冷却か
らなる熱処理は、従来Ｖを0.20％添加して結晶粒
度を８〜９程度とするのが限度であつた常識を打
破るとともに、同一条件の熱処理を施した非Ｖ添
加材である供試体（）の測定結晶粒度番号10.0
をはるかに上廻る結晶粒度番号12.0という超微細
化が達成され、Ｖ添加と急速加熱・急速冷却の効
果的な相互作用が明確に確認された。さらに本発明者は、本発明の上記実験結果を従
来のＶ添加熱処理材（電気炉加熱焼入れ・電気炉
加熱焼戻し）の結晶粒度と比較した。これを第２
図に示す。第２図は横軸にＶの添加量をとり、縦
軸に結晶の粒度番号をとつた座標に上記実験１の
測定結果をプロツトし、実線をもつて傾向特性曲
線を画いたものを、破線で示す従来のＶ添加熱処
理材におけるＶ添加量に関する結晶粒度特性曲線
と対比した線図である。第２図によつて、0.10％
以上のＶ添加と急速加熱・急速冷却による本発明
の熱処理との相互作用が結晶粒の超微細化に極め
て効果的に発揮されているかが明瞭看取される。以上の結果から本発明の技術思想の有効性は十
分に実証されたが、さらに冷間コイリング後に行
なわれる低温焼鈍時の軟化抵抗性の上昇に急速加
熱・急速冷却による焼戻しが如何に効果的に寄与
するかを実証するため、次の実験を行なつた。実験２ (1) 実験方法；第１表に供試体No.（）として示
される線材を実験１で実施したと同様の焼入れ
条件により焼入れしたのち、当該焼入れ済線材
をＡ・B2つの供試体群に分け、Ａ供試体群に
は本発明のかかる急速加熱・急速冷却による焼
戻しを、またＢ供試体群には電気炉を用いた通
常の焼戻しをそれぞれ施して、Ａ・Ｂ両供試体
群それぞれを引張り強さ200Kgｆ／mm²に仕上げ、
ついで低温焼鈍を想定した種々の温度条件
（300〜500℃）での40分間の電気炉加熱を施し
た後、各供試体ごとの引張り強さを測定した。 (2) 実験結果：第３図に示すとおりであつた。第
３図は横軸に低温焼鈍相当温度をとり、縦軸に
引張り強さをとつた座標上にＡ供試体群の測定
値から求めた特性曲線を実線Ａで、またＢ供試
体群の測定から求めた特性曲線を破線Ｂで示し
た温度に対する引張り強さの変化を表わす関係
図である。上記実験結果から、本発明の急速加
熱・急速冷却による焼戻しのもたらす低温焼鈍
軟化抵抗性向上の結果は、焼入れ焼戻しによつ
て与えられた引張り強さ200Kgｆ／mm²を保持す
る限界の温度を示す本発明実施供試体の温度
（TA）が従来電気炉加熱焼戻し実施供試体の
温度（TB）よりほぼ50℃高いことから証明さ
れ、これにより、より高強度な鋼線を製造して
も冷間コイリング後のひずみ取りを十分行なう
ことが可能となるので、超鋼強度鋼線のもつ性
能を十分に引き出し得ることが確認された。尚上記実験は冷間コイリング後の使用線材につ
いて行なえば本発明急速焼戻しのもたらす真の効
果を実証しうるものであるが、冷間コイリング後
の使用線材を引張り強さ測定のため直線状にする
のは極めて困難であるので冷間コイリングを施さ
ない供試体で測定した。それ故、上記実験は冷間
成形時の転位エネルギーのＶとＣとに及ぼす相互
作用効果を直接立証するものではないが、当該相
互作用効果を欠いた実験においても上記の如く軟
化性の向上が顕著であることが確認されているの
で、冷間コイリングを施すことによつて更に大き
な効果のもたらされることが当然期待され、後術
のコイルばね確性試験効果によつて証明されると
ころである。本発明者は上記の本発明にかゝる超微細結晶で
あつて、高強度に仕上げた高靭性・高耐へたり性
を有する鋼線を冷間成形して得た圧縮コイルばね
が、所期の性能を示すや否や確性試験を行なつ
た。多数の実験の中から一例を下記に示す。実験３ (1) 使用線材化学成分；実験１の供試体（）と同一（Ｖ；
0.24％含有）結晶粒度番号；11.8 線径；10.0mmφ 引張り強さ；204.0Kgｆ／mm² 絞り；45％ (2) 冷間コイル成形上記線材を下記のコイルばねに冷間成形し、
成形によるひずみ取りのため電気炉で処理温度
を400℃として40分間低温焼鈍して仕上げた。実施例Ｄ／ｄ＝６ (3) コイルばねの性能ａ τmax＝120Kgｆ／mm²での応力条件で20万
回以上の耐久性能ありｂ上記条件でのへたりτ＜３×10^-4 上記実験例から本発明を実施して得られる鋼
線は結晶粒が超微細化しているため、超高強度
に仕上げてあるにも拘らず高靭性・高耐久性・
高耐へたり性を有するので高強度を要求される
冷間成形コイルばね用鋼線として極めて優れて
いることが、これを用いて冷間成形して得たコ
イルばねの性能によつて証明された。本発明における急速加熱手段としては誘導加熱
あるいは直接通電加熱が最適である。また本発明では焼入れ加熱において高温帯域に
滞留する時間を極端に短時間とする900〜100℃範
囲の高音域への急速加熱要請、および焼戻し加熱
におけるCr炭化物の凝集および成長抑制と低温
焼鈍軟化抵抗性を高めるための急速加熱の要請に
応ずるためには、少なくとも加熱速度は100℃／
sec以上である必要があり、また急速加熱効果を
十分発現させるために要請される冷却速度100
℃／sec以上であることが必要であり、上記加熱
速度・冷却速度それぞれ以下ではＶ添加の効果を
十分引き出し得ないこと本発明者の行なつた他の
多数の実験から判明している。さらにＶの添加量が0.50％以上となると焼入れ
温度・高温域滞留時間の関係から、急速加熱・急
速冷却による焼入れにも限界が生じ、実験１にお
ける第２表でも明らかなとおり、Ｖの添加による
効果がやゝ低くなる傾向となるので、本発明では
Ｖ添加量を0.50％以内におさえた。本発明はばね鋼材として最適のSAE9254相当
材にＶを0.10〜0.50％範囲内で添加した熱間圧延
材を、急速加熱・急速冷却による焼入れを施して
粒度番号が12.0であるような超微細結晶としたう
えで、急速加熱・急速冷却による焼戻しを施して
組織が微細な冷間成形性の極めて高い、かつ冷間
成形後のひずみ取り低温焼鈍時に高い軟化抵抗性
を示す鋼線をえるものである。これを引張り強さ
180Kgｆ／mm²に仕上げても冷間成形性にすぐれて
おり、かくして成形された高強度コイルばねは超
微細化された結晶粒がもたらす高靭性・高耐へた
り性が十分に生かされることとなり、本発明はば
ね特性の顕著な超高強度のばねを工業界へ提供す
ることを可能とする冷間成形ばね用鋼線およびそ
の製造方法ならびに当該鋼線によつて得られる超
高強度冷間成形コイルばねとして貢献するところ
多大である。

【図面の簡単な説明】

第１図ａおよびｂはそれぞれ実験１における供
試体（）および（）の結晶粒の顕微鏡写真
（400倍）、第２図は本発明と従来技術とを比較す
るためのＶの添加量と結晶粒度との関係を示す傾
向特性曲線図、第３図は本発明の焼戻し効果の１
つである冷間成形後のひずみ取り低温焼鈍時の軟
化抵抗性を従来電気炉焼戻し線材と比較する曲線
図である。

Claims

【特許請求の範囲】１重量成分比Ｃ；0.50〜0.60％、Si；1.20〜1.60
％、Mn；0.60〜0.80％、Cr；0.60〜0.80％の鋼組
成と添加物Ｖ；0.10〜0.50％を含有し、結晶粒度
が10以上であることを特徴とする超高強度冷間成
形ばね用鋼線。２重量成分比Ｃ；0.50〜0.60％、Si；1.20〜1.60
％、Mn；0.60〜0.80％、Cr；0.60〜0.80％、Ｖ；
0.10〜0.50％を含有し、残部がFeおよび不可避的
不純物からなる熱間圧延材を、引抜きしたのち、
10secを超えない時間内に所定の焼入れ温度900〜
1050℃に急速加熱のうえ少なくと100℃／sec以上
の冷却速度で急冷し、つづいて100℃／sec以上の
加熱速度をもつて所定の焼戻し温度300〜650℃ま
で加熱して少なくとも100℃／sec以上の冷却速度
をもつて急冷し、引張り強さ180Kgｆ／mm²以上に
仕上げることを特徴とする超高強度冷間成形ばね
用鋼線の製造方法。３所定の焼入れ温度は非Ｖ含有材の焼入れ温度
より50〜100℃高温に設定した温度であることを
特徴とする特許請求の範囲第２項記載の超高強度
冷間成形ばね用鋼線の製造方法。４焼入れ時の加熱時間は、必要に応じて採られ
る保持時間を含めて30sec以内であることを特徴
とする特許請求の範囲第２項記載の超高強度冷間
成形ばね用鋼線の製造方法。