JPWO2018163541A1 - 斜め巻きばね用線材および斜め巻きばね - Google Patents

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Abstract

斜め巻きばね用線材は、パーライト組織を有する鋼からなる芯線と、芯線の外周面を覆い、銅または銅合金からなる銅めっき層と、銅めっき層の外周側に配置され、銅めっき層よりも硬度が高い硬質層と、を備える。芯線を構成する鋼は、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。

Description

本発明は、斜め巻きばね用線材および斜め巻きばねに関するものである。
本出願は、２０１７年３月１０日出願の日本出願第２０１７−０４５７２０号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
軸方向に垂直な面に対して傾斜して線材（金属線）が巻かれた構造を有するつる巻きばねである斜め巻きばねが知られている（たとえば、特許文献１参照）。斜め巻きばねは、軸方向に垂直な方向の一定範囲の変位に対してばね荷重がほぼ一定になる性質（非線形性）を有する。斜め巻きばねは、導電性を有する材料を用いて作製されることにより、たとえば接点部品として使用することができる。接点部品として使用される斜め巻きばねを構成する材料としては、ベリリウム銅が採用されるのが一般的である。ベリリウム銅は、強度および導電性を高いレベルで両立する観点から、斜め巻きばねを構成する材料として好適である。
しかし、ベリリウム銅に含まれるベリリウムは高価な材料である。また、ベリリウムは、環境負荷が大きい材料である。そのため、斜め巻きばねを構成する材料として、ベリリウム銅に代わる材料の開発が望まれている。
これに対し、オーステナイト系ステンレス鋼からなる芯線と、別途準備した銅、銅合金などの材料からなる外側層となるべき部材とを一体化してクラッド線とした斜め巻きばね用線材、および当該線材をばね加工して得られる斜め巻きばねが提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
特開平４−１０７３３１号公報 特開２０１２−２４８４９５号公報
本発明に従った斜め巻きばね用線材は、パーライト組織を有する鋼からなる芯線と、芯線の外周面を覆い、銅または銅合金からなる銅めっき層と、銅めっき層の外周側に配置され、銅めっき層よりも硬度が高い硬質層と、を備える。鋼は、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。
図１は、斜め巻きばね用線材の長手方向に垂直な断面を示す概略断面図である。 図２は、銅めっき層と硬質層との境界領域の構造を示す概略断面図である。 図３は、斜め巻きばねの構造を示す概略図である。 図４は、斜め巻きばね用線材および斜め巻きばねの製造方法の概略を示すフローチャートである。 図５は、斜め巻きばね用線材および斜め巻きばねの製造方法を説明するための概略断面図である。 図６は、斜め巻きばね用線材および斜め巻きばねの製造方法を説明するための概略断面図である。 図７は、回転曲げ疲労試験の結果を示す図である。 図８は、回転曲げ疲労試験の結果を示す図である。 図９は、応力繰り返し回数と導電率との関係を示す図である。 図１０は、応力繰り返し回数と導電率との関係を示す図である。
［本開示が解決しようとする課題］
本発明者の検討によれば、上記特許文献２に記載の斜め巻きばねにおいては、軸方向に垂直な方向の変位に対してばね荷重がほぼ一定になる変位の範囲、すなわち非線形領域が狭いという問題がある。また、導電性が期待される斜め巻きばねにおいては、導電性が安定していることも重要である。
そこで、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を有するとともに、安定した導電性を達成することが可能な斜め巻きばね用線材および斜め巻きばねを提供することを目的の１つとする。
［本開示の効果］
上記斜め巻きばね用線材によれば、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を有するとともに、安定した導電性を達成することが可能な斜め巻きばね用線材を提供することができる。
［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。本願の斜め巻きばね用線材は、パーライト組織を有する鋼からなる芯線と、芯線の外周面を覆い、銅または銅合金からなる銅めっき層と、銅めっき層の外周側に配置され、銅めっき層よりも硬度が高い硬質層と、を備える。鋼は、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。
本願の斜め巻きばね用線材においては、パーライト組織を有し、適切な成分組成の鋼からなる高強度な芯線が採用される。これにより、広い非線形領域を確保することができる。芯線の外周面は、導電性に優れた銅または銅合金からなる銅めっき層により覆われる。
これにより、高い導電性が確保される。
また、本願の斜め巻きばね用線材は、芯線と別途準備した外側層となるべき部材とを一体化してクラッド線としたものではなく、芯線の外周面に銅めっき層が形成された構造を有する。本発明者らの検討によれば、クラッド線から得られる斜め巻きばねにおいては、荷重が負荷された際に芯線に対して外側層がずれる現象が生じる。そして、この現象が、非線形領域が狭くなる大きな要因となっている。これに対し、芯線の外周面に銅めっき層が形成された本願の斜め巻きばね用線材においては、このような現象の発生が抑制され、広い非線形領域を確保することが可能となる。
さらに、本願の斜め巻きばね用線材は、銅めっき層の外周側に配置された硬質層を備える。斜め巻きばねの使用状態においては、外周面に近づくにしたがって大きい応力が繰り返し負荷される。本発明者らの検討によれば、この繰り返し作用する応力によって、銅めっき層に疲労破壊が生じ、導電性が低下する場合がある。これに対し、銅めっき層の外周側、すなわち作用する応力が大きい側に銅めっき層よりも硬度が高い硬質層が配置されることにより、銅めっき層の疲労破壊による導電性の低下を抑制することができる。その結果、安定した導電性を達成することができる。
以上のように、本願の斜め巻きばね用線材によれば、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を有するとともに、安定した導電性を達成することが可能な斜め巻きばね用線材を提供することができる。
上記斜め巻きばね用線材において、上記鋼は、０．１質量％以上０．４質量％以下のニッケル、０．１質量％以上１．８質量％以下のクロム、０．１質量％以上０．４質量％以下のモリブデンおよび０．０５質量％以上０．３質量％以下のバナジウムからなる群から選択される一種以上の元素をさらに含有していてもよい。このような成分組成の鋼からなる芯線が採用された場合でも、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を得ることが可能な斜め巻きばね用線材を提供することができる。
ここで、芯線を構成する鋼の成分組成を上記範囲に限定した理由について説明する。
炭素（Ｃ）：０．５質量％以上１．０質量％以下
炭素は、パーライト組織を有する鋼の強度および弾性限に大きな影響を与える元素である。斜め巻きばね用線材の芯線として十分な強度および弾性限を得る観点から、炭素含有量は０．５質量％以上とする必要がある。一方、炭素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、炭素含有量は１．０質量％以下とする必要がある。強度および弾性限をさらに向上させる観点から、炭素含有量は０．６質量％以上とすることが好ましく、０．８質量％以上とすることがより好ましい。靱性を向上させて加工を容易とする観点から、炭素含有量は０．９５質量％以下とすることが好ましい。
珪素（Ｓｉ）：０．１質量％以上２．５質量％以下
珪素は、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、珪素の含有量は０．１質量％以上とする必要があり、０．１２質量％以上とすることが好ましい。また、珪素は、鋼中において炭化物生成元素として機能し、加熱による軟化を抑制する性質（軟化抵抗性）を有する。線材がばね加工された後に実施される歪み取り熱処理において軟化を抑制する観点から、珪素含有量は０．８質量％以上とすることが好ましく、１．８質量％以上としてもよい。一方、珪素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、珪素含有量は２．５質量％以下とする必要があり、２．３質量％以下とすることが好ましく、さらには２．２質量％以下としてもよい。靱性を重視する観点からは、珪素含有量は１．０質量％以下としてもよい。
マンガン（Ｍｎ）：０．３質量％以上０．９質量％以下
マンガンは、珪素と同様に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、マンガンの含有量は０．３質量％以上とする必要がある。
一方、マンガンは過度に添加すると、靱性や熱間加工における加工性を低下させる。そのため、マンガン含有量は０．９質量％以下とする必要がある。
不可避的不純物
芯線の製造工程において、リン（Ｐ）および硫黄（Ｓ）が不可避的に芯線を構成する鋼中に混入する。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、不可避的不純物の含有量は、合計で０．３質量％以下とすることが好ましい。
ニッケル（Ｎｉ）：０．１質量％以上０．４質量％以下
ニッケルを添加することにより、芯線の伸線加工時や線材のばね加工時における断線の発生が抑制される。この機能を確実に発揮させる観点から、ニッケルは０．１質量％以上添加されてもよい。一方、０．４質量％を超えて添加してもニッケルの上記効果は飽和する。また、高価な元素であるニッケルを０．４質量％を超えて添加すると、芯線の製造コストが上昇する。そのため、ニッケルの添加量は０．４質量％以下とすることが好ましい。
クロム（Ｃｒ）：０．１質量％以上１．８質量％以下
クロムは、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、クロムは０．１質量％以上添加されてもよく、０．２質量％以上、さらには０．５質量％以上添加されてもよい。一方、クロムの過度の添加は靱性低下の原因となる。そのため、クロムの添加量は１．８質量％以下とすることが好ましい。クロムの添加による上記効果は、珪素、バナジウムとの共存によって、特に顕著となる。そのため、クロムは、これらの元素とともに添加されることが好ましい。
モリブデン（Ｍｏ）：０．１質量％以上０．４質量％以下
モリブデンを添加することにより、弾性限を上昇させることができる。この機能を確実に発揮させる観点から、モリブデンは０．１質量％以上添加されてもよい。一方、０．４質量％を超えて添加してもモリブデンの上記効果は飽和する。また、高価な元素であるモリブデンを０．４質量％を超えて添加すると、芯線の製造コストが上昇する。そのため、モリブデンの添加量は０．４質量％以下とすることが好ましい。
バナジウム（Ｖ）：０．０５質量％以上０．３質量％以下
バナジウムは、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、バナジウムは０．０５質量％以上添加されてもよい。一方、バナジウムの過剰な添加は、靱性を低下させる。十分な靱性を確保する観点から、バナジウムの添加量は０．３質量％以下とすることが好ましい。バナジウムの添加による上記効果は、珪素、クロムとの共存によって、特に顕著となる。そのため、バナジウムは、これらの元素とともに添加されることが好ましい。
上記斜め巻きばね用線材において、上記鋼の珪素の含有量は１．３５質量％以上２．３質量％以下であってもよい。珪素の含有量を１．３５質量％以上とすることにより、歪み取り熱処理における軟化を抑制することができる。珪素の含有量を２．３質量％以下とすることにより、靭性の低下を抑制することができる。
上記斜め巻きばね用線材において、上記鋼は、０．６質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１２質量％以上０．３２質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
また、上記斜め巻きばね用線材において、上記鋼は、０．６質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．７質量％以上１．０質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
また、上記斜め巻きばね用線材において、上記鋼は、０．５５質量％以上０．７質量％以下の炭素と、１．３５質量％以上２．３質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、０．２質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．０５質量％以上０．３０質量％以下のバナジウムと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
芯線を構成する鋼としてこのような成分組成の鋼を採用することにより、より確実に広い非線形領域を得ることができる。
上記斜め巻きばね用線材において、硬質層の硬度は３００ＨＶ以上であってもよい。このようにすることにより、安定した導電性をより確実に達成することができる。
上記斜め巻きばね用線材において、硬質層の硬度は、銅めっき層の硬度よりも５０ＨＶ以上高くてもよい。このようにすることにより、安定した導電性をより確実に達成することができる。また、硬質層の硬度は、芯線の硬度以下であってもよい。
上記斜め巻きばね用線材において、銅めっき層の厚みに対する硬質層の厚みの比率は１／１０以上１未満であってもよい。すなわち、（硬質層の厚み）／（銅めっき層の厚み）の値が１／１０以上１未満であってもよい。上記比率を１／１０以上とすることにより、安定した導電性をより確実に達成することができる。上記比率を１未満とすることにより、生産効率の低下を回避することができる。また、硬質層としてめっき層を採用した場合、上記比率を１未満とすることにより、硬質層形成時における水素の侵入に起因した靱性の低下を抑制することができる。上記比率は、１／３以上であることが好ましい。上記比率は、３／４以下であることが好ましい。
上記斜め巻きばね用線材において、硬質層はめっき層であってもよい。このようにすることにより、硬質層を容易に形成することができる。
上記斜め巻きばね用線材において、硬質層は、ニッケル層またはクロム層であってもよい。硬質層を構成する材料として、強度および導電率に優れるニッケルやクロムを採用することができる。硬質層は、ニッケル層であることが特に好ましい。硬質層としてニッケル層を採用することにより、硬質層上に金層や銀層をめっき層として形成することが容易となる。
上記斜め巻きばね用線材の引張強さは、９００ＭＰａ以上３０００ＭＰａ以下であってもよい。引張強さを９００ＭＰａ以上することにより、十分な耐へたり性を得ることが容易となる。引張強さを３０００ＭＰａ以下とすることにより、十分な靱性を確保することが容易となる。上記斜め巻きばね用線材の引張強さは、１５００ＭＰａ以上であることが好ましい。上記斜め巻きばね用線材の引張強さは、２５００ＭＰａ以下であることが好ましい。
上記斜め巻きばね用線材の導電率は、１５％ＩＡＣＳ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ａｎｎｅａｌｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ Ｓｔａｎｄａｒｄ）以上（３．８７×１０８／Ω・ｍ以上）５０％ＩＡＣＳ以下（１．２９×１０９／Ω・ｍ以下）であってもよい。このようにすることにより、接点部品に適した斜め巻きばねを作製可能な斜め巻きばね用線材を得ることができる。上記斜め巻きばね用線材の導電率は、２５％ＩＡＣＳ以上であることが好ましい。上記斜め巻きばね用線材の導電率は、４０％ＩＡＣＳ以下であることが好ましい。
上記斜め巻きばね用線材において、銅めっき層と硬質層との間には、銅めっき層を構成する金属元素と硬質層を構成する金属元素とを含む合金領域が形成されていてもよい。このようにすることにより、銅めっき層と硬質層とが強固に接合された斜め巻きばね用線材を得ることができる。
上記斜め巻きばね用線材において、硬質層はニッケル層であり、合金領域は銅およびニッケルを含んでいてもよい。このようにすることにより、銅めっき層と硬質層とが強固に接合された斜め巻きばね用線材を得ることができる。
上記斜め巻きばね用線材において、硬質層上に、金層、銀層またはスズ層が、斜め巻きばね用線材の外周面を含むように配置されていてもよい。このようにすることにより、斜め巻きばねを接点部品として使用する場合における接触抵抗を低減することができる。
上記斜め巻きばね用線材において、芯線と銅めっき層との界面における酸素濃度は１０質量％以下であってもよい。このようにすることにより、より確実に広い非線形領域を得ることができる。
上記斜め巻きばね用線材において、上記銅めっき層の厚みは１０μｍ以上６５μｍ以下であってもよい。銅めっき層の厚みを１０μｍ以上とすることにより、十分な導電性を得ることが容易となる。銅めっき層の厚みを６５μｍ以下とすることにより、高い強度および弾性限を得ることが容易となる。その結果、広い非線形領域を得ることが容易となる。
より広い非線形領域を得る観点から、銅めっき層の厚みは５０μｍ以下としてもよい。
上記斜め巻きばね用線材において、芯線の直径は０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であってもよい。このようにすることにより、斜め巻きばねの製造に特に適した斜め巻きばね用線材を得ることができる。
本願の斜め巻きばねは、上記斜め巻きばね用線材からなる。上記本願の斜め巻きばね用線材からなることにより、本願の斜め巻きばねによれば、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を有するとともに、安定した導電性を達成することが可能な斜め巻きばねを提供することができる。
［本願発明の実施形態の詳細］
次に、本発明にかかる斜め巻きばね用線材および斜め巻きばねの実施の形態を、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を参照して、本実施の形態における斜め巻きばね用線材１は、芯線１０と、銅めっき層２０と、硬質層３０と、表面層４０とを備える。芯線１０は、パーライト組織を有する鋼からなる。銅めっき層２０は、芯線１０の外周面１１を覆い、外周面１１に接触して配置される。銅めっき層２０は、銅または銅合金からなる。銅合金としては、たとえば銅と、亜鉛、スズ、リンおよび鉄からなる群から選択される少なくとも１つの金属との合金を採用することができる。
硬質層３０は、銅めっき層２０の外周側に配置される。硬質層３０は、銅めっき層２０の外周面２１を覆うように外周面２１に接触して配置される。硬質層３０の硬度は、銅めっき層２０の硬度よりも高い。
表面層４０は、硬質層３０の外周側に配置される。表面層４０は、硬質層３０の外周面３１を覆うように外周面３１に接触して配置される。表面層４０は、斜め巻きばね用線材１の外周面を含むように配置されている。すなわち、表面層４０は、斜め巻きばね用線材１の最表層に配置されている。表面層４０は、金層、銀層またはスズ層である。斜め巻きばね用線材１の長手方向に垂直な断面は円形である。
芯線１０を構成する鋼は、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。
図２を参照して、銅めっき層２０と硬質層３０との間には、銅めっき層２０を構成する金属元素と硬質層３０を構成する金属元素とを含む合金領域５０が形成されている。合金領域５０は、銅めっき層２０と硬質層３０との界面に形成される。すなわち、銅めっき層２０と硬質層３０とは、界面に合金領域が形成されるように互いに接触して配置される。
図３を参照して、本実施の形態における斜め巻きばね２は、本実施の形態における斜め巻きばね用線材１からなっている。斜め巻きばね２は、つる巻きばねであって、軸方向に垂直な面に対して傾斜して斜め巻きばね用線材１が巻かれた構造を有する。斜め巻きばね２は、軸方向に垂直な方向に荷重が負荷されるように使用される。
本実施の形態の斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２においては、パーライト組織を有し、適切な成分組成の鋼からなる高強度な芯線１０が採用される。これにより、広い非線形領域を確保することができる。芯線１０の外周面１１は、導電性に優れた銅または銅合金からなる銅めっき層２０により覆われる。これにより、高い導電性が確保される。
また、斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２は、芯線と別途準備した外側層となるべき部材とを一体化してクラッド線としたものではなく、芯線１０の外周面１１に銅めっき層２０が形成された構造を有する。そのため、荷重が負荷された際に芯線１０に対して外側層である銅めっき層２０がずれる現象の発生が抑制される。その結果、広い非線形領域を確保することが可能となっている。
さらに、斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２は、銅めっき層２０の外周側に配置された硬質層３０を備える。銅めっき層２０の外周側、すなわち作用する応力が大きい側に銅めっき層２０よりも硬度が高い硬質層３０が配置されることにより、銅めっき層２０の疲労破壊による導電性の低下を抑制することができる。その結果、安定した導電性を達成することができる。
以上のように、斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２は、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を有するとともに、安定した導電性を達成することが可能な斜め巻きばね用線材および斜め巻きばねとなっている。
また、本実施の形態の斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、銅めっき層２０と硬質層３０との間には、合金領域５０が形成されている。合金領域５０の形成は必須ではないが、合金領域５０の存在により、銅めっき層２０と硬質層３０とが強固に接合される。
また、本実施の形態の斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２の硬質層３０上には、表面層４０が斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２の外周面を含むように配置されている。表面層４０の形成は必須ではないが、表面層４０の存在により、斜め巻きばね２を接点部品として使用する場合における接触抵抗を低減することができる。
斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、芯線１０を構成する鋼は、０．１質量％以上０．４質量％以下のニッケル、０．１質量％以上１．８質量％以下のクロム、０．１質量％以上０．４質量％以下のモリブデンおよび０．０５質量％以上０．３質量％以下のバナジウムからなる群から選択される一種以上の元素をさらに含有していてもよい。このような成分組成の鋼からなる芯線１０が採用された場合でも、斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２は、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を得ることができる。
斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、芯線１０を構成する鋼の珪素の含有量は１．３５質量％以上２．３質量％以下であってもよい。珪素の含有量を１．３５質量％以上とすることにより、歪み取り熱処理における軟化を抑制することができる。珪素の含有量を２．３質量％以下とすることにより、靭性の低下を抑制することができる。
斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、芯線１０を構成する鋼は、０．６質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１２質量％以上０．３２質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
また、斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、芯線１０を構成する鋼は、０．６質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．７質量％以上１．０質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
また、斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、芯線１０を構成する鋼は、０．５５質量％以上０．７質量％以下の炭素と、１．３５質量％以上２．３質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、０．２質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．０５質量％以上０．３０質量％以下のバナジウムと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
芯線１０を構成する鋼としてこのような成分組成の鋼を採用することにより、より確実に広い非線形領域を得ることができる。
斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、芯線１０と銅めっき層２０との界面における酸素濃度は１０質量％以下であることが好ましい。これにより、より確実に広い非線形領域を得ることができる。なお、芯線１０と銅めっき層２０との界面における酸素濃度は、たとえば斜め巻きばね用線材１の長手方向に垂直な断面において芯線１０と銅めっき層２０との界面を含む一辺３００μｍの正方形領域に対してＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）による定量分析を実施することにより測定することができる。
硬質層３０の硬度は３００ＨＶ以上であることが好ましい。これにより、安定した導電性をより確実に達成することができる。硬質層３０の硬度は、銅めっき層２０の硬度よりも５０ＨＶ以上高いことが好ましい。これにより、安定した導電性をより確実に達成することができる。また、硬質層３０の硬度は、芯線１０の硬度以下であってもよい。なお、硬度（ビッカース硬度）の測定は、荷重５０ｇ、保持時間１０秒間の条件にて実施することができる。硬質層３０の厚みは、たとえば１μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。
銅めっき層２０の厚みに対する硬質層３０の厚みの比率は１／１０以上１未満であることが好ましい。上記比率を１／１０以上とすることにより、安定した導電性をより確実に達成することができる。上記比率を１未満とすることにより、生産効率の低下を回避することができる。
硬質層３０はめっき層であることが好ましい。これにより、硬質層３０を容易に形成することができる。
硬質層３０は、ニッケル層またはクロム層であることが好ましい。硬質層３０を構成する材料として、強度および導電率に優れるニッケルやクロムを採用することが好ましい。
硬質層３０は、ニッケル層であることが特に好ましい。ニッケル層やクロム層は、めっきによって容易に形成することができる。つまり、硬質層３０は、ニッケルめっき層またはクロムめっき層とすることができる。
斜め巻きばね用線材１の引張強さは、９００ＭＰａ以上３０００ＭＰａ以下であることが好ましい。引張強さを９００ＭＰａ以上することにより、十分な耐へたり性を得ることが容易となる。引張強さを３０００ＭＰａ以下とすることにより、十分な靱性を確保することが容易となる。
斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２の導電率は、１５％ＩＡＣＳ以上５０％ＩＡＣＳ以下であることが好ましい。これにより、斜め巻きばね２を接点部品に適したものとすることができる。
硬質層３０がニッケル層である場合、合金領域５０は銅およびニッケルを含んでいることが好ましい。硬質層３０がニッケル層である場合、合金領域５０はＣｕ−Ｎｉ合金領域であることが好ましい。これにより、銅めっき層２０と硬質層３０とが強固に接合される。
斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、銅めっき層２０の厚みは１０μｍ以上６５μｍ以下であることが好ましい。銅めっき層２０の厚みを１０μｍ以上とすることにより、十分な導電性を得ることが容易となる。銅めっき層２０の厚みを６５μｍ以下とすることにより、高い強度および弾性限を得ることが容易となる。その結果、広い非線形領域を得ることが容易となる。
斜め巻きばね用線材１において、芯線１０の直径は０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とすることが好ましい。これにより、斜め巻きばねの製造に特に適した斜め巻きばね用線材を得ることができる。
次に、斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２の製造方法の一例について説明する。図４を参照して、本実施の形態の斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２の製造方法においては、まず工程（Ｓ１０）として原料鋼線準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、芯線１０となるべき鋼線が準備される。具体的には、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼からなる鋼線が準備される。鋼線を構成する鋼は、０．１質量％以上０．４質量％以下のニッケル、０．１質量％以上１．８質量％以下のクロム、０．１質量％以上０．４質量％以下のモリブデンおよび０．０５質量％以上０．３質量％以下のバナジウムからなる群から選択される一種以上の元素をさらに含有していてもよい。
次に、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、工程（Ｓ１０）において準備された原料鋼線に対してパテンティングが実施される。
具体的には、原料鋼線がオーステナイト化温度（Ａ１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（Ｍｓ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、原料鋼線の金属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、原料鋼線をＡ１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。
次に、工程（Ｓ３０）として第１伸線工程が実施される。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原料鋼線が伸線加工（引抜き加工）される。これにより、図５を参照して、パーライト組織を有し、長手方向に垂直な断面が円形である芯線１０が得られる。
次に、工程（Ｓ４０）としてめっき工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、図５および図６を参照して、工程（Ｓ３０）において得られた芯線１０の外周面１１を覆うように、複数のめっき層が形成される。まず、銅または銅合金からなる銅めっき層２０が形成される。工程（Ｓ４０）において形成される銅めっき層２０の厚みは、たとえば３０μｍ以上９０μｍ以下である。次に、銅めっき層２０上に硬質層３０が形成される。具体的には、ニッケルめっきまたはクロムめっきが実施されることにより、硬質層３０としてのニッケルめっき層またはクロムめっき層が形成される。次に、硬質層３０上に表面層４０が形成される。具体的には、硬質層３０上に、表面層４０としての金めっき層、銀めっき層またはスズめっき層が形成される。これにより、図６に示すように芯線１０上に銅めっき層２０、硬質層３０および表面層４０が形成された状態となる。
次に、工程（Ｓ５０）として第２伸線工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、図６および図１を参照して、工程（Ｓ４０）において銅めっき層２０、硬質層３０および表面層４０が形成された芯線１０が伸線加工される。これにより、所望の斜め巻きばね２に適した線径を有する斜め巻きばね用線材１が得られる。以上の手順により、本実施の形態における斜め巻きばね用線材１の製造が完了する。以下、斜め巻きばね用線材１を用いた斜め巻きばね２の製造方法を説明する。
次に、工程（Ｓ６０）としてばね加工工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、図１および図２を参照して、工程（Ｓ５０）において得られた斜め巻きばね用線材１が斜め巻きばね２の形状に加工される。具体的には、斜め巻きばね用線材１がらせん状に加工されて、斜め巻きばね２の形状に成形される。
次に、工程（Ｓ７０）として歪み取り工程が実施される。この工程（Ｓ７０）では、工程（Ｓ６０）において斜め巻きばね２の形状に成形された斜め巻きばね用線材１に対して、たとえば２５０℃以上４００℃以下の温度域に加熱する熱処理が実施される。これにより、工程（Ｓ６０）における加工により斜め巻きばね用線材１に導入された歪みが低減される。その結果、広い非線形領域を得ることが可能となる。以上の手順により、本実施の形態の斜め巻きばね２の製造が完了する。
本願の斜め巻きばね用線材を準備し、引張強さおよび導電率を測定するとともに、疲労強度および導電率の安定性を確認する実験を行った。実験の手順は以下のとおりである。
上記実施の形態の工程（Ｓ１０）〜（Ｓ５０）までを実施し、斜め巻きばね用線材を作製した。芯線１０の直径は０．４２ｍｍまたは０．３２ｍｍとした。芯線１０を構成する鋼として、０．６３質量％以上０．６８質量％以下の炭素と、１．８０質量％以上２．２０質量％以下の珪素と、０．７０質量％以上０．９０質量％以下のマンガンと、０．５０質量％以上０．８０質量％以下のクロムと、０．０５質量％以上０．１５質量％以下のバナジウムとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、不純物であるリンおよび硫黄がそれぞれ０．０２５質量％以下である鋼を採用した。銅めっき層２０は、銅合金からなるものを採用した。硬質層３０としては、ニッケル（Ｎｉ）層またはクロム（Ｃｒ）層を採用した。表面層４０の形成は省略した（サンプルＡ〜Ｅ）。一方、比較のため、同様の線材において、硬質層３０を省略した本願の範囲外の線材も準備した（サンプルＦおよびＧ）。さらに、比較のため、直径０．４２ｍｍのベリリウム銅からなる本願の範囲外の線材も準備した（サンプルＨ）。そして、各サンプルの引張強さおよび導電率を測定した。引張強さは、株式会社島津製作所製の引張試験機ＳＤ−５００−Ｃを用いて実施した。導電率は、日置電機株式会社製の３５２２ＬＣＲハイテスタを用いて実施した。各サンプルの詳細および試験結果を表１に示す。
Figure 2018163541
 表１を参照して、本願の斜め巻きばね用線材であるサンプルＡ〜ＣおよびＤ〜Ｅの引張強さおよび導電率は、それぞれ芯線の直径および銅めっき層の厚みが同一であるサンプルＧおよびＦと同等以上となっている。また、ベリリウム銅からなる線材であるサンプルＨと比較して、本願の斜め巻きばね用線材であるサンプルＡ〜Ｅは、同等以上の引張強さおよび導電率を有している。このことから、本願の斜め巻きばね用線材においては、硬質層の形成による明確な不利益は認められず、ベリリウム銅からなる線材と同等以上の引張強さおよび導電率が確保できることが確認される。
これらの線材の疲労強度および導電率の安定性を確認する実験を実施した。ハンター式疲労試験機により回転曲げ疲労試験を実施し、負荷応力と破断までの応力繰り返し回数との関係を調査した。そして、１０７回の負荷応力の繰り返しによって破断しない応力を疲労強度とした。また、ハンター式疲労試験機により負荷応力３００ＭＰａの条件で回転曲げ疲労試験を実施し、所定回の応力負荷後における導電率を調査した。そして、１０７回の負荷応力の繰り返し後における導電率によって、導電率の安定性を評価した。１０７回の負荷応力の繰り返し後における導電率（試験後導電率）が１５％ＩＡＣＳ以上であれば、実用に耐える導電率の安定性であると評価することができる。
図７および図８は、疲労強度試験の結果を示す図である。図７および図８において、横軸は応力の繰り返し回数、縦軸は応力振幅を示している。図７は、芯線１０の直径が０．４２ｍｍの場合の実験結果を示す図である。図８は、芯線１０の直径が０．３２ｍｍの場合の実験結果を示す図である。
図７、図８および表１を参照して、芯線１０の直径が０．４２ｍｍ、０．３２ｍｍのいずれの場合においても、本願の斜め巻きばね用線材であるサンプルＡ〜Ｅは、疲労強度において本願の範囲外である線材ＦおよびＧ以上の疲労強度を有していることが確認される。また、本願の斜め巻きばね用線材であるサンプルＡ〜Ｃは、ベリリウム銅からなる線材であるサンプルＨ以上の疲労強度を有していることが確認される。
図９および図１０は、導電率の安定性を確認する実験の結果を示す図である。図９および図１０において、横軸は応力の繰り返し回数、縦軸は導電率を示している。図９は、芯線１０の直径が０．４２ｍｍの場合の実験結果を示す図である。図１０は、芯線１０の直径が０．３２ｍｍの場合の実験結果を示す図である。
図９、図１０および表１を参照して、芯線１０の直径が０．４２ｍｍ、０．３２ｍｍのいずれの場合においても、本願の斜め巻きばね用線材であるサンプルＡ〜Ｅは、導電性において本願の範囲外である線材ＦおよびＧ以上の値を維持していることが確認される。また、本願の斜め巻きばね用線材であるサンプルＡ〜Ｅは、１０７回の負荷応力の繰り返し後においても、１５％ＩＡＣＳ以上の導電率を有している。このことから、実用に耐える導電率の安定性を有するものと評価することができる。
以上の実験結果より、本願の斜め巻きばね用線材によれば、十分な強度および安定した導電性を達成できることが確認される。
［付記］
本願の斜め巻きばね用線材によれば、上述のように、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を有するとともに、安定した導電性を達成することが可能な斜め巻きばね用線材を提供することができる。一方、この線材は、必ずしも斜め巻きばねにのみ適用可能なものではなく、ばね全般に適用可能である。パーライト組織を有し、上記適切な成分組成の鋼からなる高強度な上記芯線と、上記銅めっき層と、上記硬質層とを備える上記線材によれば、安定した導電性を確保しつつ、高い反発力を維持できるばねを製造することができる。そのため、上記線材は、たとえばスイッチ用ばね（導電性ばね）などのばね（つる巻きばね）を製造するためのばね用線材として好適である。また、このような線材からなるばねは、たとえばスイッチ用ばね（導電性ばね）などのばね（つる巻きばね）として好適である。
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 斜め巻きばね用線材
２ 斜め巻きばね
１０ 芯線
１１ 外周面
２０ 銅めっき層
２１ 外周面
３０ 硬質層
３１ 外周面
４０ 表面層
５０ 合金領域

Claims (13)

  1. パーライト組織を有する鋼からなる芯線と、
    前記芯線の外周面を覆い、銅または銅合金からなる銅めっき層と、
    前記銅めっき層の外周側に配置され、前記銅めっき層よりも硬度が高い硬質層と、を備え、
    前記鋼は、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる、斜め巻きばね用線材。
  2. 前記鋼は、０．１質量％以上０．４質量％以下のニッケル、０．１質量％以上１．８質量％以下のクロム、０．１質量％以上０．４質量％以下のモリブデンおよび０．０５質量％以上０．３質量％以下のバナジウムからなる群から選択される一種以上の元素をさらに含有する、請求項１に記載の斜め巻きばね用線材。
  3. 前記硬質層の硬度は３００ＨＶ以上である、請求項１または請求項２に記載の斜め巻きばね用線材。
  4. 前記硬質層の硬度は、前記銅めっき層の硬度よりも５０ＨＶ以上高い、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材。
  5. 前記銅めっき層の厚みに対する前記硬質層の厚みの比率は１／１０以上１未満である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材。
  6. 前記硬質層はめっき層である、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材。
  7. 前記硬質層は、ニッケル層またはクロム層である、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材。
  8. 引張強さが９００ＭＰａ以上３０００ＭＰａ以下である、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材。
  9. 導電率が１５％ＩＡＣＳ以上５０％ＩＡＣＳ以下である、請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材。
  10. 前記銅めっき層と前記硬質層との間には、前記銅めっき層を構成する金属元素と前記硬質層を構成する金属元素とを含む合金領域が形成されている、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材。
  11. 前記硬質層はニッケル層であり、
    前記合金領域は、銅およびニッケルを含む、請求項１０に記載の斜め巻きばね用線材。
  12. 前記硬質層上に、金層、銀層またはスズ層が、前記斜め巻きばね用線材の外周面を含むように配置されている、請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材。
  13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材からなる、斜め巻きばね。
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