WO2007142034A1 - 疲労特性に優れた高清浄度ばね用鋼および高清浄度ばね - Google Patents

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cao
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Tomoko Sugimura
Sei Kimura
Koichi Sakamoto
Atsuhiko Yoshida
Takeshi Inoue
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Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho
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    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/004—Dispersions; Precipitations

Definitions

  • the present invention relates to a high cleanliness spring steel excellent in fatigue characteristics and a high cleanliness spring excellent in fatigue characteristics.
  • the present invention reduces fatigue and non-metallic inclusions having extremely low ductility.
  • the present invention relates to a high cleanliness spring steel with improved fatigue strength and a high cleanliness spring excellent in fatigue characteristics obtained using the steel.
  • the steel obtained for this high cleanliness spring steel is useful as a valve spring, clutch spring, and brake spring for automobile engines that require extremely high fatigue characteristics.
  • Non-Patent Document 1 in valve spring steel, the melting point is controlled to be CaO-AlO-SiO ternary inclusions lower than about 1400-1500 ° C.
  • Patent Document 1 discloses that non-metallic inclusions are well stretched during hot rolling and cold rolled. Or, by defining the average composition of the non-metallic inclusions so that they are crushed and finely dispersed in the wire drawing process, high cleanliness steel with improved cold workability and fatigue properties has been realized.
  • Patent Document 2 it is easy to be drawn and refined in hot rolling, cold rolling and wire drawing.
  • Patent Document 3 the melting point of the oxide inclusions is set to 1500 ° C or less, and it is easy to stretch hot and cold rolling! ⁇ Technology to make inclusions with low melting point composition disclosed! Speak.
  • Patent Document 4 discloses that AlO-SiO-MnO system includes MgO and an inclusion of low melting point composition, which is easy to stretch during hot rolling and cold rolling.
  • Non-Patent Document 1 "182th and 183rd Nishiyama Memorial Technology Course", edited by Japan Iron and Steel Institute, pp. 131-134
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 62-99436
  • Patent Document 2 JP-A 62-99437
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 5-320827
  • Patent Document 4 Japanese Patent Laid-Open No. 63-140068
  • the force that is mainly aimed at miniaturization by controlling the inclusion composition in the low melting point region is the SiO
  • SiO When it contains 2, SiO may be theoretically generated by phase separation.
  • valve spring steel is heated after forging and before rolling.
  • SiO generated in this way is hard and rolled.
  • No. 2 may cause breakage in the wire even if it is a very small number, and it may not be possible to realize a high cleanliness steel that can meet recent demands for further cleaning.
  • the present invention has been made under such circumstances, and an object thereof is to provide a spring steel useful for obtaining a spring having excellent fatigue characteristics and a spring having excellent fatigue characteristics. .
  • the object of the present invention can be achieved by the following high cleanliness spring steel according to the present invention. That is, the first high cleanliness spring steel according to the present invention is:
  • A1 0.01% or less (excluding 0%)
  • the oxygen concentration is 25% by mass or more, Al O + MgO + CaO + SiO
  • Nb 0.1% or less (excluding 0%)
  • Alkali metal elements and Z or alkaline earth metal elements may be included in a total amount of 0.1 to 50 ppm.
  • the second high cleanliness spring steel according to the present invention has an oxide inclusion having a width of 3 m or more present on the surface layer side from the surface of the wire to a depth of 1Z4 in diameter.
  • MgO concentration 5% by mass or less (including 0% by mass)
  • MnO concentration 10% by mass or less (including 0% by mass)
  • the acid-oxide system intervening CaO, Al O and
  • the melting point of the oxide inclusions is 1500 ° C or less.
  • the “inclusion width” means the diameter of the inclusion in a direction perpendicular to the axial direction when observed in a cross section including the axis of the wire.
  • MgO concentration and MnO concentration, and CaO, Al 2 O, and SiO in the formula (1) indicate mass% with respect to the entire inclusion particles.
  • the chemical composition of the second high cleanliness spring steel is not particularly limited as long as it is a composition suitable for the spring steel, but preferred examples include C: l. 2% by mass or less (excluding 0%), Si: l. 2-4% by mass, Mn: 0.1-2.0% by mass, A1: 0.01% by mass or less (excluding 0%) ) Are included.
  • this high cleanliness spring steel further includes one or more selected from the group forces of Cr, Ni, V, Nb, Mo, W, Cu, Ti, Li, Na, K and rare earth elements. It may be a thing.
  • the preferred contents when these are contained are Cr: 0.5-3 mass%, Ni: 0.5 mass% or less, V: 0.5 mass% or less, Nb: 0.1 mass% or less, Mo : 0.5 mass% or less, W: 0.5 mass% or less, Cu: 0.1 mass% or less, Ti: 0.1 mass% or less, Li: 0.0005 mass% or less, Na: 0.0010 % By mass or less, K: 0.0010% by mass or less, and rare earth elements: 0.0010% by mass or less.
  • concentration of these components shows the density
  • the present invention also includes a high cleanliness spring having excellent fatigue characteristics obtained by using the first spring steel and the second spring steel.
  • the inclusions as a whole have a low melting point and are easily deformed, and even if they are phase-separated before heating or during heating during hot rolling, To generate
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing a procedure for extracting SiO inclusions in Examples.
  • FIG.3 CaO-Al showing a region where SiO is generated by phase separation before heating or during heating during hot rolling
  • FIG. 3 is an O 2 —SiO 3 ternary phase diagram.
  • FIG. 4 is a CaO—Al 2 O 3 —SiO 3 ternary phase diagram showing the inclusion composition defined in the present invention.
  • the present inventors examined various angular forces to obtain a spring steel suitable for manufacturing a spring exhibiting excellent fatigue characteristics.
  • SiO inclusions are particularly harmful among hard crystal inclusions (strictly speaking, oxide inclusions having an oxygen concentration of 25% by mass or more).
  • the present inventors have found that if the number of inclusions is strictly controlled since the labor characteristics are remarkably lowered, the present invention has been completed.
  • LZD is less than 4 and L is 25 ⁇ m or more
  • SiO-based inclusions (Hereinafter, these extracted inclusions may be collectively referred to as “SiO-based inclusions”.)
  • FIG. 1 shows that the above-mentioned SiO-based inclusions have fatigue characteristics (determined by the method described in Examples described later).
  • the above-mentioned breakage rate is remarkably reduced by suppressing the number of inclusions of 2 systems to 20 or less Z500g or less.
  • the above-mentioned SiO inclusions are reduced to 12 pieces Z500g or less, the fatigue characteristics are further improved.
  • the furnace is evacuated (60 Torr or less), and C is added in small portions until the target C concentration is reached. If free oxygen is measured with a zirconia oxygen sensor and it is not less than the target level (3 ppm or less), the vacuum (60 Torr or less) is set again (at this time, the CO partial pressure in the furnace decreases, so C and O in the molten steel) Reacts to lower the C concentration in the molten steel), and add C in small portions until the target C concentration is reached.
  • the spring steel according to the present embodiment satisfies the following basic components.
  • C is an element useful for ensuring high strength, and in order to fully exhibit this effect, the C content is preferably 0.2% (meaning mass%, the same applies to the components below) or more. . More preferably, it is 0.3% or more, and still more preferably 0.4% or more. However, if the amount of C is excessive, the steel becomes brittle and impractical, so keep it below 1.2%.
  • Si 1.2% or more steel is targeted. However, if Si is excessively contained, the steel material tends to become brittle, so Si should be kept below 4%.
  • A1 is an element useful for inclusion control, and about 0.0001% of total Al is necessary. However, when the totalAl amount increases, the AlO concentration in the inclusions increases, causing disconnection.
  • Coarse Al 2 O may be generated, so keep it at 0.01% or less.
  • the elements contained in the spring steel according to the present embodiment are as described above, with the balance being iron and inevitable impurities.
  • the inevitable impurities mixing of elements brought in depending on the situation of raw materials, materials, manufacturing facilities, etc. can be allowed. Furthermore, it is effective to further improve the characteristics by positively containing the following elements.
  • These elements are effective elements for improving the soft resistance, and in order to exert the effect, 0.5% or more in the case of Cr, 0.05% or more in the case of Mo, In the case of 0.05% or more in the case of Co, and 0.01% or more in the case of Co is preferable. However, if these elements are excessive, the hardenability becomes too high and breaks easily during caulking, so Cr is 3% or less, Mo is 0.5% or less, and W is 0.5%. In the following, Co should be suppressed to 0.5% or less.
  • These elements are effective elements for suppressing low-temperature brittleness, and in order to exert this effect, it is preferable to contain 0.05% or more in the case of Ni and 0.01% or more in the case of Cu. .
  • Ni 0.5% or less and Cu is 0.1% or less.
  • REM rare earth elements; Ce, La, etc.
  • REM has the effect of softening non-metallic inclusions in steel.
  • it is preferable to contain 0.1 ppm or more.
  • the effect is only saturated, so it is preferable to make it 50 ppm or less.
  • Alkali metal element and Z or alkaline earth metal element 0.1 to 50 ppm in total> Alkali metal element (Li, Na, K, Rb, Cs), alkaline earth metal element (Mg, Ca, Ba , S r) has the effect of softening non-metallic inclusions in the steel. In order to exert this effect, it is preferable to contain a total of 0.1 ppm or more. However, even if an excessive amount of the above elements is added, the effect is only saturated.
  • the spring steel according to the first embodiment of the present invention includes SiO inclusions.
  • the spring steel according to the present embodiment is useful for manufacturing a spring used in, for example, the automobile field, the industrial machine field, and the like.
  • it is most suitable for the manufacture of springs, etc. used for mechanical restoration mechanisms, such as automotive engine valve springs, clutch springs, brake springs, suspension suspension springs, etc., which require extremely high fatigue characteristics.
  • Patent Document 3 a low melting point composition
  • Patent Document 4 control to a certain composition range
  • the higher melting point may have a lower melting point. For this reason, SiO
  • Control to the low concentration side was uncommon. Therefore, the present inventors can not only control the harmful SiO by controlling the composition to a predetermined region, but also perform hot working even on the low SiO concentration side.
  • the present invention was completed by finding that it can be divided during rolling.
  • the surface inclusions of the wire exist on the surface layer side up to the depth of 1Z4 in diameter, and the oxide inclusions with a width of 3 m or more satisfy the following formula (1).
  • the MgO concentration is 5% by mass or less (including 0%) and the MnO concentration is 10% by mass or less (including 0% by mass).
  • the inclusions considered here are “width: 3 ⁇ m or more” because fine inclusions with a width of less than 3 m are prominent in fatigue strength, which is unlikely to become the starting point of fatigue failure. It is also the reason why it has no effect. Also, the reason for the presence of such inclusions on the “surface layer side from the surface of the wire to a depth of 1/4 of the diameter” is that the inclusions present at this position have the greatest influence on fatigue properties.
  • the wire material is inevitably mixed.
  • the composition of inclusions is ternary (CaO, Al 2 O, SiO, MnO and MgO)
  • the amount and the amount of MnO must be appropriately controlled.
  • MgO-SiO is hard such as spinel.
  • the MgO content in the inclusions should be 5% by mass or less.
  • the Mn oxide (MnO) which is a weak deoxidizing component, is 10% by mass or less when the inclusion composition is stably controlled. From this point of view, when the content of MnO in the inclusion exceeds 10% by mass, the inclusion is preferable! Therefore, the MnO content in inclusions must be 10% by mass or less.
  • line A is CaO-SiO (Wollastonite) and CaO-AlO-2SiO (Anorthi
  • SiO does not form even if phase separation occurs before or during hot rolling.
  • the expression (5) represents the line A. That is, when the relationship of the above formula (5) is satisfied, SiO is not generated even if phase separation is performed before hot rolling or during heating during hot rolling.
  • the inclusion composition has CaO concentration [Cn], Al 2 O concentration.
  • the valve spring steel can be expected to be harmless by making the inclusions finer during hot rolling when the compression ratio during hot rolling is large. Therefore, the control is directed to a composition that easily deforms during hot rolling even if the number of inclusions is large.
  • the inclusions must be controlled to have a low melting point composition that easily deforms, and the melting point is set to 1500 ° C. or lower.
  • the temperature is preferably 1400 ° C or lower.
  • the region is the range defined by the present invention.
  • inclusion control can be easily performed by using slag having the same composition as the target inclusion composition.
  • the steel according to the present embodiment is assumed to be highly clean steel useful as a raw material for spring steel or the like, but the steel type is not particularly limited.
  • Si as a deoxidizing component
  • Mn 0.1% by mass or more
  • the C content which is a basic component of spring steel, is preferably 1.2% by mass or less. If the C content exceeds 1.2% by mass, the steel material becomes brittle and impractical.
  • A1 is an element useful for inclusion control, and its mass concentration is required to be about 0.1 to 20 ppm. However, when the A1 content increases, the concentration of Al 2 O in the inclusion increases.
  • the content is 0.01% by mass or less.
  • Fe and unavoidable impurities are included, but if necessary, a group consisting of Cr, Ni, V, Nb, Mo, W, Cu, Ti, Li, Na, K and rare earth elements (REM) It may contain at least one selected from Preferable contents when these are contained are Cr: 0.5-3 mass%, Ni: 0.5 mass% or less, V: 0.5 mass% or less, Nb: 0.1 mass% Mo: 0.5 mass% or less, W: 0.5 mass% or less, Cu: 0.1 mass% or less, Ti: 0.1 mass% or less, Li: 0.0005 mass% or less, Na: 0 0010 mass% or less, K: 0.0010 mass% or less, and REM: 0.0010 mass% or less.
  • the spring steel according to the second embodiment of the present invention is such that the entire inclusion deforms at a low melting point and immediately undergoes phase separation before heating or during heating during hot rolling. Difficult to form SiO
  • the spring steel according to the present embodiment is useful for manufacturing a spring used in the automobile field, the industrial machine field, and the like. It is particularly suitable for the manufacture of springs used in mechanical restoration mechanisms such as automotive engine valve springs, clutch springs, brake springs, suspension suspension springs, etc. that require extremely high fatigue characteristics. .
  • the molten steel was cast in a mold shape, and the obtained ingot was subjected to forging and hot rolling to obtain a wire having a diameter of 8.0 mm as shown in Table 1.
  • the type of coarse inclusions was identified and fatigue properties were evaluated.
  • the methods for evaluating these measurements are as follows.
  • nitric acid solution 2 After removing the scale on the surface of the wire (diameter: 8. Omm), 20 samples (25 g) were cut out. The cut sample was dissolved as shown in Fig. 2 to extract inclusions. As shown in Fig. 2, first, put nitric acid solution 2 into beaker 1, heat this nitric acid solution with heater 4 (at 50 ° C or higher) [Fig. 2 (a)], and put sample 3 into the heated nitric acid solution. did. Sample 3 is dissolved by aqueous nitric acid solution 2 and the oxide inclusions present in sample 3 are eluted [Fig. 2 (b)].
  • aqueous solution of nitric acid 2 after dissolution and elution is cooled and filtered (membrane filter 5, filter base 6 and funnel 7).
  • the aqueous solution of nitric acid 3 is stored in the flask 8 and the acid filter system as a residue on the membrane filter 5. Inclusions were extracted [Fig. 2 (c)].
  • the above dissolution was performed by adding 10 mL of sulfuric acid to 700 mL of nitric acid (HN 2 O): 250 mL (milliliter) with water added.
  • a blank survey was always performed when the inclusions were extracted, and it was confirmed that the extract in the blank was a mouth.
  • a blank survey is a beaker that does not contain a sample when the extraction of inclusions using a sample is evaluated, except that no sample is contained. It is to confirm that it is zero.
  • the number of SiO is 70% or more.
  • the average value was calculated and converted to a value (number) per 500 g of steel.
  • EPMA device JXA-8621MX made by JEOL
  • Test current acceleration current: 50nA (nanoampere)
  • Test current acceleration current: 50nA (nanoampere)
  • the MgOSiO shown in Table 2 has a composition close to that of MgO-SiO or 2MgO-SiO.
  • EPMA device JXA-8621MX made by JEOL
  • Breakage rate [inclusion breakage number Z (inclusion breakage number + number of breakage achieved)]
  • Table 2 shows the labor characteristics (breakage rate).
  • the steel materials of No. 13 to 15 that exceed the range are inferior in fatigue characteristics.
  • Table 2 shows the following. In other words, the observation on the microscopic surface is not detected in the presence of few inclusions such as Si O inclusions with a small display area.
  • the inclusions can also be detected.
  • SiO inclusions are not detected on the microscopic surface.
  • the breakage rate is not the number of crystalline inclusions other than SiO inclusions.
  • the molten steel was forged in a mold, and the obtained ingot was subjected to forging and hot rolling to obtain a wire having a diameter of 8. Omm.
  • a width inclusion diameter in the direction perpendicular to the axial direction
  • 1Z4 surface layer side from the center of the wire to the 1Z2 radius
  • EPMA device JXA-8621MX (manufactured by JEOL Ltd.)
  • EDS TN-5500 (Tracor Northern) 'Acceleration voltage: 20kV
  • Each hot-rolled wire (8. Omm ⁇ ) is subjected to skinning ⁇ patenting ⁇ cold drawing (drawing) ⁇ oil tempering treatment equivalent to strain relief annealing ⁇ shearing peening ⁇ strain relief annealing. 4.
  • test stress nominal stress 880MPa
  • rotation speed 4000-5000rpm
  • number of interruptions 2 X 10 7 times
  • break Of these the fracture rate was measured for the inclusions broken by the following formula.
  • Fracture rate [inclusion breakage number Z (inclusion breakage number + aborted number)] X 100 (%) [0078]
  • the inclusion composition of each wire is shown in Table 5 below.
  • the fatigue strength (breaking rate) is shown in Table 6 below.
  • Test Nos. 21 to 26 show that the slag composition is appropriate, the inclusion composition is controlled within an appropriate range, and good fatigue strength is obtained. Among these, in particular, those of Test Nos. 21 and 22 have the inclusion composition within the optimum range, and good fatigue strength is obtained.

Abstract

　ＳｉＯ２系介在物が著しく抑えられ、疲労特性に優れたばねの製造に有用な高清浄度ばね用鋼を提供する。 　Ｃ：１．２％（質量％の意味、成分について以下同じ）以下（０％を含まない）、Ｓｉ：１．２～４％、Ｍｎ：０．１～２．０％、Ａｌ：０．０１％以下（０％を含まない）を含み、残部鉄および不可避不純物からなる鋼であって、 　鋼中の介在物のうち、酸素濃度が２５質量％以上で、Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｉＯ２＋ＭｎＯ＝１００％（質量％の意味、介在物について以下同じ）とした場合のＳｉＯ２含量が７０％以上である酸化物系介在物であって、Ｌ(介在物の長径)／Ｄ(介在物の短径)が４以上かつＤが２５μｍ以上である酸化物系介在物、および、Ｌ／Ｄが４未満かつＬが２５μｍ以上である酸化物系介在物の合計が、２０個／５００ｇ以下であることを特徴とする高清浄度ばね用鋼。

Description

明 細 書
疲労特性に優れた高清浄度ばね用鋼および高清浄度ばね
技術分野
[0001] 本発明は、疲労特性に優れた高清浄度ばね用鋼および疲労特性に優れた高清浄 度ばねに関するものであり、硬質で延性の極めて小さい非金属介在物が低減されて 、疲労特性の高められた高清浄度ばね用鋼、および該鋼を用いて得られる疲労特性 に優れた高清浄度ばねに関するものである。この高清浄度ばね用鋼力 得られるば ねは、極めて高い疲労特性が要求される自動車用エンジンの弁ばねやクラッチばね 、ブレーキばねとして有用である。
背景技術
[0002] 近年、例えば自動車分野では、軽量ィ匕ゃ高出力化の要請が高まるにつれて、ェン ジンゃサスペンション等に使用される弁ばねや懸架ばね、更にはクラッチばね等に おいても高応力設計が指向されている。そのためこれらのばねには、負荷応力の増 大に対応すべく耐疲労性ゃ耐へたり性に優れたものが強く望まれている。とりわけ弁 ばねについて疲労強度増大の要請が非常に強ぐ従来鋼の中でも疲労強度が高い といわれている SWOSC-V ilS G 3566)でも対応が困難となっている。
[0003] 高い疲労強度が要求されるばね用鋼材では、鋼材中に存在する硬質の非金属介 在物を極力低減することが必要である。こうした観点から、上記用途に用いられる鋼 材として、上記非金属介在物の存在を極力低減した高清浄鋼が用いられるのが一般 的である。非金属介在物に起因する断線、疲労折損の危険性は、素材の高強度化 が進むにつれて高まることから、その主要因となる上記非金属介在物の低減'小型化 の要求は一段と厳し 、ものとなって 、る。
[0004] 鋼材中における硬質の非金属介在物の低減 ·小型化を図るという観点から、これま でにも様々な技術が提案されている。例えば非特許文献 1には、弁ばね用鋼では、 融点が 1400〜1500°C程度よりも低い CaO-Al O - SiO三成分系介在物に制御す
2 3 2
ると、疲労破壊の起点とはならず疲労特性が向上することが開示されている。
[0005] また、特許文献 1には、非金属介在物が熱間圧延時によく延伸し、かつ冷延圧延ま たは伸線工程で破砕し微細に分散する様に、該非金属介在物の平均組成を規定す ることにより、冷間加工性と疲労特性の高められた高清浄度鋼を実現している。さらに
、特許文献 2においても、熱間圧延や冷間圧延、伸線において延伸、微細化され易
V、非金属介在物の組成を規定して!/、る。
[0006] 一方、特許文献 3には、酸ィ匕物系介在物の融点を 1500°C以下に定めて、熱間、冷 延圧延時に延伸し易！ヽ低融点組成の介在物とする技術が開示されて！ヽる。
[0007] 更に、特許文献 4には、熱間圧延'冷間圧延時に延伸し易い、低融点組成の介在 物として、 Al O - SiO - MnO系に MgOおよび
2 3 2 Zまたは CaOを含ませたものが規定 されている。
非特許文献 1 :「第 182· 183回西山記念技術講座」、（社）日本鉄鋼協会編、第 131 〜134頁
特許文献 1：特開昭 62-99436号公報
特許文献 2：特開昭 62-99437号公報
特許文献 3：特開平 5- 320827号公報
特許文献 4:特開昭 63- 140068号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] これまで提案されている各種従来技術では、介在物の平均組成を制御することによ り良好な疲労強度を実現するものが一般的であった。ところで、近年、弁ばねには下 記 (I)及び (II)の特性が求められて 、る。
(I)歩行者保護のための衝突安全性確保のためにボンネット下スペースを確保する 傾向があり、そのためにエンジン高さの削減、即ち、ばね高さの低減が求められてい る。
(II)燃費向上のため、ばねの軽量ィ匕が求められている。
[0009] 上記のようにばね高さの低減及び軽量ィ匕を実現するためには、ばね用鋼のより一 層の高強度化が要求されるが、従来技術のみでは更なる高強度化の要求に応えるこ とができない。その理由として、これまで既に非常に高いレベルの介在物制御が行な われており、折損介在物は極めてまれにしか存在せず、これ以上減らすことが難しい という問題がある。また、硬質結晶系の介在物が有害であるだろうということは知られ ているが、該硬質結晶系の介在物の中で、特に有害でないものとそうでないものの区 別について知見がなかった。
[0010] また、これまで提案されて ヽる各種従来技術では、介在物組成を低融点領域に制 御して、微細化を図ることを目指すことが中心となっている力 その組成領域が SiO
2 を含むものである場合には、理論的に相分離によって SiOが生成することがある。特
2
に、弁ばね鋼では、鍛造後圧延前に加熱されるので、このときに相分離による SiO
2 生成が発生する可能性が高くなつてくる。こうして生成する SiOは硬質であり、圧延
2
時に変形しにくぐ最終製品中に残存し易いことになる。最終製品中に残存した SiO
2 は、極少数であっても線材における折損の原因となる可能性があり、より一層の清浄 化が求められている近年の要求に対応できる高清浄度鋼が実現できないことがある
[0011] 本発明はこうした状況の下になされたものであって、その目的は、疲労特性に優れ たばねを得るのに有用なばね用鋼、および、疲労特性に優れたばねを提供すること である。
課題を解決するための手段
[0012] 上記本発明の目的は、以下の本発明に係る高清浄度ばね用鋼によって達成する ことができる。すなわち、本発明に係る第一の高清浄度ばね用鋼は、
C : l. 2% (質量％の意味、成分について以下同じ)以下 (0%を含まない）、
Si: l . 2〜4%、
Mn: 0. 1〜2. 0%、
A1: 0. 01%以下（0%を含まない）
を含み、残部鉄および不可避不純物からなる鋼であって、
鋼中の介在物のうち、酸素濃度が 25質量％以上で、 Al O +MgO + CaO + SiO
2 3 2
+ MnO = 100% (質量％の意味、介在物について以下同じ）とした場合の SiO含
2 量が 70%以上である酸ィ匕物系介在物であって、 L (介在物の長径) ZD (介在物の短 径)が 4以上かつ Dが 25 μ m以上である酸ィ匕物系介在物、および、 LZDが 4未満か つ Lが 25 μ m以上である酸ィ匕物系介在物の合計力 20個 Z500g以下であるところ に特徴を有する。
[0013] 上記第一の高清浄度ばね用鋼は、更に他の元素として、
(a) Cr： 3%以下（0%を含まな 、）、
Mo： 0. 5 %以下（0 %を含まな！/ヽ）、
W: 0. 5%以下（0%を含まない）、および
Co : 0. 5%以下（0%を含まない）
よりなる群から選択される 1種以上、
(b) V: 0. 5%以下（0%を含まない）、
Nb : 0. 1%以下（0%を含まない）、および
Ti: 0. 1%以下（0%を含まない）
よりなる群から選択される 1種以上、
(c) Cu: 0. 1%以下（0%を含まない）および Zまたは Ni: 0. 5%以下（0%を含まな い)、
(d) REMを 0. l〜50ppm、
(e)アルカリ金属元素および Zまたはアルカリ土類金属元素を、合計で 0. l〜50pp m、含んでいてもよい。
[0014] また、本発明に係る第二の高清浄度ばね用鋼は、線材の表面から直径の 1Z4深 さまでの表層側に存在する、幅：3 m以上の酸化物系介在物が、下記（1)式を満足 すると共に、 MgO濃度: 5質量％以下 (0質量％を含む）、および MnO濃度： 10質量 %以下 (0質量％を含む)であり、且つ当該酸ィ匕物系介在物中の CaO, Al Oおよび
2 3
SiOの各濃度 [Cn]、 [An]および [Sn]を、夫々下記（2)〜 (4)式の様に表したとき、
2
これらが下記（5)式および (6)の関係を満足すると共に、これら CaO濃度 [Cn]、 A1
2
O濃度 [An]および SiO濃度 [Sn]を CaO-Al O SiO三成分系状態図で示したと
3 2 2 3 2
きに酸ィ匕物系介在物の融点が 1500°C以下であるところに特徴を有するものである。 但し、「介在物の幅」は、線材の軸芯線を含む断面で観察したときの軸心方向と垂直 な方向の介在物の径を意味する。
CaO+Al O +SiO >80 (質量％) …ひ）
2 3 2
[Cn] (質量0 /。)= [(CaO)/(CaO+Al O +SiO )] X 100 …（2) [An] (質量0 /。)= [(Al O )/(CaO+Al O +SiO )] X 100 …（3)
2 3 2 3 2
[Sn] (質量0 /0)= [(SiO )/(CaO+Al O +SiO )] X 100 · ·· (4)
2 2 3 2
[An] +4. 29 [Sn]≤221. 9 (質量0 /0) "- (5)
[八!1]≤30 (質量％) 〜（6)
なお、上記ばね用鋼において、 MgO濃度および MnO濃度、並びに（1)式の CaO 、 Al O、 SiOは介在物粒子全体に対する質量％を示す。
2 3 2
[0015] 上記第二の高清浄度ばね用鋼の化学成分組成については、ばね用鋼に適した組 成であれば特に限定されるものではないが、好ましいものとして、例えば、 C : l. 2質 量％以下（0%を含まない）、 Si: l . 2〜4質量％、Mn: 0. 1〜2. 0質量％、A1: 0. 0 1質量％以下 (0%を含まない)を夫々含む鋼材が挙げられる。また、この高清浄度ば ね用鋼は、更に、 Cr、 Ni、 V、 Nb、 Mo、 W、 Cu、 Ti、 Li、 Na、 Kおよび希土類元素 よりなる群力も選択される 1種以上を含むものであってもよい。これらを含有させるとき の好ましい含有量は、 Cr: 0. 5〜3質量％、Ni: 0. 5質量％以下、 V: 0. 5質量％以 下、 Nb : 0. 1質量％以下、 Mo : 0. 5質量％以下、 W: 0. 5質量％以下、 Cu: 0. 1質 量％以下、 Ti: 0. 1質量％以下、 Li: 0. 0005質量％以下、 Na: 0. 0010質量％以 下、 K: 0. 0010質量％以下、および希土類元素： 0. 0010質量％以下である。なお 、これらの成分の濃度は鋼材中の濃度を示す。
[0016] また本発明は、上記第一のばね用鋼及び第二のばね用鋼を用いて得られる疲労 特性に優れた高清浄度ばねも含む。
発明の効果
[0017] 本発明に係る第一の高清浄度ばね用鋼によれば、 SiO系介在物が著しく抑えられ
2
ているため、過酷な伸線加工を施して高強度化を図ることができると共に、疲労特性 に優れたばねを容易に製造できる高清浄度ばね用鋼、また該鋼を用いて得られる疲 労特性に優れたばねを実現できる。
また、本発明に係る第二の高清浄度ばね用鋼によれば、介在物の全体が低融点 で変形し易くすると共に、熱延前や熱延中の加熱時に相分離しても SiOが生成しに
2 くいものとすることで、疲労特性に優れたばねを得る高清浄度ばね用鋼を実現できる 図面の簡単な説明
[0018] [図 l]SiO系介在物数 (個
2 Z鋼 500g)力 疲労特性 (実施例に記載の方法で求める 折損率)に及ぼす影響を調べたグラフである。
[図 2]実施例における SiO系介在物の抽出手順を示す説明図である。
2
[図 3]熱間前や熱延中の加熱時に相分離して SiOが生成する領域を示した CaO-Al
2
O -SiO三成分系状態図である。
2 3 2
[図 4]本発明で規定する介在物組成を示す CaO-Al O -SiO三成分系状態図であ
2 3 2
る。
符号の説明
[0019] 1 ビーカ
2 硝酸水溶液
3 試料
4 ヒータ
5 メンブランフィルタ
6 フィルタ台
7 漏斗
8 フラスコ
発明を実施するための最良の形態
[0020] 〔第一の実施形態〕
本発明者らは、優れた疲労特性を発揮するばねの製造に適したばね用鋼を得るベ く様々な角度力 検討した。その結果、硬質結晶系の介在物 (厳密には、酸素濃度 が 25質量％以上の酸ィ匕物系介在物）の中でも特に SiO系介在物が有害であること
2
を見出した。具体的には、 L (介在物の長径) ZD (介在物の短径）が 4以上かつ Dが 25 μ m以上の介在物、または LZDが 4未満かつ Lが 25 μ m以上の介在物であって 、 SiOまたは SiOの比率が高い複合介在物力 存在密度は極めて小さいものの疲
2 2
労特性を著しく低下させることから、上記介在物の個数を厳密に制御すればょ 、こと を見出し、本発明を完成した。
[0021] さらに具体的には、後述する実施例に示す通り、鋼力 抽出して得られる以下の介 在物の合計が 20個 Z500g以下となるようにする。
•SiO含量が 70%以上（Al O +MgO + CaO + SiO +MnO = 100%とする、以
2 2 3 2
下同じ。また、％は質量％の意味、介在物について以下同じ)であって、 L (介在物の 長径) ZD (介在物の短径）が 4以上かつ Dが 25 μ m以上である介在物、および •SiO含量が 70%以上（Al O +MgO + CaO + SiO +MnO = 100%とする、以
2 2 3 2
下同じ）であって、 LZDが 4未満かつ Lが 25 μ m以上である介在物
(以下、抽出されたこれらの介在物を「SiO系介在物」と総称することがある。 )
2
[0022] 図 1は、上記 SiO系介在物が、疲労特性 (後述する実施例に記載の方法で求めた
2
折損率）に及ぼす影響を調べたグラフである。図 1に示すように、上記 SiO
2系介在物 を 20個 Z500g以下に抑えることで、上記折損率が著しく小さくなることがわかる。好 ましくは、上記 SiO系介在物を 12個 Z500g以下に抑えれば、疲労特性をより向上
2
させることがでさる。
[0023] SiO系介在物が上記の通り抑制された鋼を得るには、例えば、真空誘導溶解にお
2
いて、次の様な真空カーボン脱酸を行い、酸素レベルを十分に低下（3ppm以下)す る方法が挙げられる。即ち、炉内を真空 (60Torr以下）にし、目標の C濃度となるま で少量ずつ Cを添加する。ジルコニァ酸素センサーでフリー酸素を測定し、目標レべ ル以下（3ppm以下)でなければ、再度、真空（60Torr以下）とし (このとき、炉内の C O分圧が下がるため溶鋼中の Cと Oが反応して溶鋼中の C濃度も低下する）、目標の C濃度となるまでで少量ずつ Cを添加する。
[0024] 本実施形態に係るばね用鋼は、次の基本成分を満たすものである。まず Cは、高強 度を確保するのに有用な元素であり、該効果を十分発揮させるには C量を 0. 2% (質 量％の意味、成分について以下同じ)以上とすることが好ましい。より好ましくは 0. 3 %以上、さらに好ましくは 0. 4%以上である。しかし、 C量が過剰になると鋼が脆ィ匕し て実用的でなくなるため、 1. 2%以下に抑える。
[0025] 本実施形態に係るばね用鋼では、 Si: 1. 2%以上の鋼を対象とする。但し、 Siが過 剰に含まれると鋼材が脆ィ匕しやすくなるので、 Siは 4%以下に抑える。
[0026] 介在物組成を制御するためには、脱酸成分である Mnを 0. 1%以上含有させる。伹 し、この成分が過剰に含有していると鋼材が脆ィ匕しやすくなるので、 Mn量は 2. 0% 以下に抑える。
[0027] A1は介在物制御に有用な元素であり、 totalAlとして 0. 0001%程度は必要である 。しかし、 totalAl量が多くなると、介在物中の Al O濃度が高くなり、断線の原因とな
2 3
る粗大な Al Oが生成する可能性があるので、 0. 01%以下に抑える。
2 3
[0028] 本実施形態に係るばね用鋼の含有元素は上記の通りであって、残部は鉄及び不 可避不純物である。該不可避不純物として、原料、資材、製造設備等の状況によつ て持ち込まれる元素の混入が許容され得る。更に、下記元素を積極的に含有させて 特性を一段と高めることも有効である。
[0029] く Cr: 3%以下（0%を含まない）、 Mo : 0. 5%以下（0%を含まない）、 W: 0. 5%以 下 (0%を含まない）、および Co : 0. 5%以下 (0%を含まない）よりなる群力 選択さ れる 1種以上〉
これらの元素は、軟ィ匕抵抗性を向上させるのに有効な元素であり、該効果を発揮さ せるには、 Crの場合 0. 5%以上、 Moの場合 0. 05%以上、 Wの場合 0. 05%以上、 Coの場合 0. 01%以上含有させることが好ましい。しかし、これらの元素が過剰であ ると、焼入性が高くなりすぎてカ卩ェ時に折損しやすくなるため、 Crは 3%以下、 Moは 0. 5%以下、 Wは 0. 5%以下、 Coは 0. 5%以下に抑えるのがよい。
[0030] <V: 0. 5%以下（0%を含まない）、 Nb : 0. 1%以下（0%を含まない）、および Ti: 0 . 1%以下 (0%を含まない)よりなる群力 選択される 1種以上〉
これらの元素は、結晶粒の微細化に有効な元素であり、該効果を発揮させるには、 Vの場合 0. 01%以上、 Nbの場合 0. 01%以上、 Tiの場合 0. 01%以上含有させる ことが好ましい。しかし、これらの元素が過剰であると、粗大な窒化物を生成し、疲労 強度を低下させる。よって、 Vは 0. 5%以下、 Nbは 0. 1%以下、 Tiは 0. 1%以下に 抑えるのがよい。
[0031] <Cu: 0. 1%以下（0%を含まない）および Zまたは Ni: 0. 5%以下（0%を含まない ) >
これらの元素は、低温脆ィ匕を抑制するのに有効な元素であり、該効果を発揮させる には、 Niの場合 0. 05%以上、 Cuの場合 0. 01%以上含有させることが好ましい。
[0032] し力しこれらの元素を過剰に含有させてもその効果は飽和するだけであるので、経 済的観点から、 Niは 0. 5%以下、 Cuは 0. 1%以下とすることが好ましい。
[0033] <REM : 0. l〜50ppm〉
REM (希土類元素; Ce、 La等）は、鋼中の非金属介在物をより軟質化する作用を 有する。該効果を発揮させるには、 0. Ippm以上含有させることが好ましい。しかし 上記元素を過剰に入れても効果は飽和するだけであるので、 50ppm以下とすること が好ましい。
[0034] 〈アルカリ金属元素および Zまたはアルカリ土類金属元素：合計で 0. l〜50ppm〉 アルカリ金属元素（Li、 Na、 K、 Rb、 Cs)、アルカリ土類金属元素（Mg、 Ca、 Ba、 S r)は、鋼中の非金属介在物をより軟質化する作用を有する。該効果を発揮させるに は、合計で 0. Ippm以上含有させることが好ましい。しかし上記元素を過剰に入れて も効果は飽和するだけであるので、合計で 50ppm以下とすることが好ま 、。
[0035] 以上説明したように、本発明の第一実施形態に係るばね用鋼は、 SiO系介在物が
2 極力抑制されて伸線加工性に優れており、また優れた疲労特性を確保できる。従つ て、本実施形態に係るばね用鋼は、例えば自動車分野、産業機械分野等で用いら れるばねの製造に有用である。特に、極めて高い疲労特性の要求される自動車用ェ ンジンの弁ばねやクラッチばね、ブレーキばね、サスペンションの懸架ばね等のよう な機械の復元機構に使用するばね等の製造に最適である。
[0036] 〔第二の実施形態〕
次に、本発明の第二のばね用鋼に係る実施形態について説明する。
熱間圧延時の変形比の大きい線材では、介在物は熱間圧延時に展伸分断させて 微細化することが有用であることは知られている。従来では、硬質な介在物を嫌うた め、低融点組成への制御（前記特許文献 3)や或る組成範囲への制御（前記特許文 献 4)が行われていた。但し、その主な狙いは、低融点組成への制御であったために 、理論的には SiOが生成する糸且成であり、まれには SiOが生成していた。
2 2
[0037] 本発明者らは、こうした情況の下で、凝固後の加熱、熱間圧延による介在物形態の 変化をも考慮して、ばねの耐疲労特性を向上させるための個々の介在物の組成と形 態について、様々な角度カゝら検討した。その結果、理論的に SiOの生成しない組成
2
に制御することで、圧延条件によらず SiOの生成を格段に抑制できることを知見した 。即ち、後記図 4から分かるように、低融点の範囲内であっても SiO濃度が低い側よ
2
りも高い側の方が融点が低いことがある。このため、 SiO
2濃度が低い側への制御は 一般的ではな力つた。そこで本発明者らは、所定の領域への組成の制御を行なうこと によって、有害な SiOを格段に制御できることに加え、 SiO濃度が低い側でも熱間
2 2
圧延時に分断可能であることを見出し、本発明を完成した。
[0038] 本実施形態の構成による作用効果について、順次説明する。本実施形態に係るば ね用鋼においては、線材の表面力も直径の 1Z4深さまでの表層側に存在する、幅： 3 m以上の酸ィ匕物系介在物が、下記（1)式を満足すると共に、 MgO濃度が 5質量 %以下 (0%を含む）および MnO濃度が 10質量％以下 (0質量％を含む)であること が必要である。
CaO+Al O +SiO >80 (質量％) …ひ）
2 3 2
[0039] ここで対象とする介在物を「幅： 3 μ m以上」としたのは、幅： 3 m未満の微細な介 在物は、疲労破壊の起点になりにくぐ疲労強度に顕著な影響を与えないという理由 力もである。またこうした介在物の存在位置を「線材の表面から直径の 1/4深さまで の表層側」としたのは、この位置に存在する介在物が疲労特性に最も影響を及ぼす 力 である。
[0040] 線材中には、 CaO、 Al O、 SiO、 MnOおよび MgO以外に、不可避的に混入する
2 3 2
イレギュラーな介在物（例えば Ti, Crの酸化物等）が存在する。これらは量が少なけ れば問題とはならないが、量が増えてくると疲労破壊の起点となる恐れがでてくる。こ うした観点から、介在物中の組成を 5元系（CaO、 Al O、 SiO、 MnOおよび MgO)
2 3 2
で見たときに、 [CaO+Al O +SiO ]を主体（80質量％以上）とすると共に、 MgO
2 3 2
量および MnO量も適切に制御する必要がある。
[0041] また、介在物中の MgOの量が多くなり過ぎると、 MgO- SiOゃスピネル等の硬質
2
の酸ィ匕物が生成することになるので、介在物中の MgO含有量は 5質量％以下とする 必要がある。
[0042] 更に、弱脱酸成分である Mnの酸化物（MnO)は、介在物組成が安定して制御され ている場合は、 10質量％以下となる。こうした観点から、介在物中の MnO含有量が 10質量％を超えて ヽる場合には、介在物が好ましくな!/ヽ状態となって!/ヽることを示す ことになるので、介在物中の MnO含有量は 10質量％以下とする必要がある。
[0043] 本実施形態に係るばね用鋼では、上記条件の下で、介在物中の CaO、 Al Oおよ
2 3 び SiOの三成分で 100%となるように規格化したときの Al O量や、 Al Oと SiOの
2 2 3 2 3 2 関係等も所定の範囲を満足するように厳密に規定する必要がある。即ち、酸化物系 介在物中の CaO, Al Oおよび SiOを、夫々下記（2)〜（4)式の様に表したとき、こ
2 3 2
れらが下記（5)式および (6)の関係を満足するように制御する必要がある。
[Cn] (質量0 /0) = [ (CaO) / (CaO + Al O + SiO ) ] X 100· · · (2)
2 3 2
[An] (質量％) = [ (A1 0 ) / (CaO + Al O + SiO ) ] X 100· · · (3)
2 3 2 3 2
[Sn] (質量％) = [ (SiO )
2 Z (CaO + Al O + SiO ) ] X 100· · · (4)
2 3 2
[An] +4. 29 [Sn]≤221. 9 (質量0 /0) "- (5)
[八!1]≤30 (質量％) 〜（6)
[0044] 本実施形態に係るばね用鋼においては、熱圧前や熱延中の加熱時に相分離して も SiOが生成しないものとすることが必要である。例えば、図 3に示す三成分系状態
2
図において、介在物組成が斜線で示す組成範囲内にあると、理論的に相分離して Si Oが生成することになるので、こうした領域を外す必要がある。図 3に示した SiO生
2 2 成領域において、ライン Aは CaO- SiO (Wollastonite)と CaO- Al O - 2SiO (Anorthi
2 2 3 2 te)を結ぶ線となる。即ち、熱延前や熱延中の加熱時に相分離しても SiOが生成しな
2 いものとするには、図 3のライン Aよりも低 SiO側（ライン Aよりも図 3の下側）とする必
2
要がある。
[0045] 本発明者らは、上記ライン Aよりも低 SiO側に制御することが有効であることを見出
2
した。ライン Aを表すのが前記（5)式である。即ち、上記（5)式の関係を満足するとき に、熱延前や熱延中の加熱時に相分離しても SiOが生成しないものとなる。
2
[0046] また、介在物糸且成において、 CaO、 Al Oおよび SiOの三成分で規格化したときの
2 3 2
Al O量 (即ち上記 [An])が 30質量％を超えたときには、ゲーレナイト (Ghelenite)や
2 3
ァノーサイト (Anorthite)等の硬質の結晶が生成し、疲労強度に悪影響を及ぼすこと になるので、上記（6)式の関係を満足することが必要である。
[0047] 一方、本発明のばね用鋼においては、介在物組成が、 CaO濃度 [Cn]、 Al O濃
2 3 度 [An]および SiO濃度 [Sn]を Al O -SiO -CaO三成分系状態図で示したときに その融点が 1500°C以下であることが必要である。即ち、弁ばね鋼は熱延時の圧化 率が大きぐ熱延時に介在物を微細化して無害化することが期待できる。そのため、 介在物数は多くても熱延時に変形しやすい組成への制御が指向されている。本実施 形態では、介在物は変形しやすい低融点組成に制御する必要があり、その融点を 1 500°C以下とした。好ましくは 1400°C以下とするのが良い。
[0048] 本実施形態で規定する介在物組成範囲を図 4 (Al O -SiO -CaO三成分系状態
2 3 2
図）に示す。図 4において、ライン Aは {[An] +4. 29 [Sn] = 221. 9 (質量0 /0)}の関 係を満足するものであり、ライン Cは { ( [An] = 30 (質量％)}の関係を満足するもので あり、ライン Bは介在物の融点が 1500°Cを満足するもの（等温線)である。即ち、図 4 において、ライン A, B, Cによって囲まれた領域（図中ハッチングで示す）が本発明で 規定する範囲となる。
[0049] 上記のように介在物組成にするには、狙いの介在物組成と同じ組成のスラグを用い ることによって、介在物制御が容易に実行できる。
[0050] 本実施形態に係る鋼は、ばね用鋼等の素材として有用な高清浄鋼を想定したもの であるが、その鋼種については特に限定するものではない。介在物組成を制御する ためには、脱酸成分である Siを 1. 2質量％以上、 Mnを 0. 1質量％以上含むもので あることが好ましい。但し、これらの成分は、過剰に含有されると、鋼材が脆化しやす くなるので、 Siで 4質量％以下、 Mnで 2質量％以下とすべきである。
[0051] ばね用鋼としての基本成分である C含有量については、 1. 2質量％以下であること が好ましい。 C含有量が 1. 2質量％を超えると、鋼材が脆ィ匕し、実用的でなくなる。
[0052] A1は介在物制御にとっても有用な元素であり、その質量濃度で 0. l〜20ppm程度 は必要である。し力しながら、 A1含有量が多くなると、介在物中の Al O濃度が高くな
2 3
り断線の原因となる粗大 Al Oが生成する可能性があるので、 0. 01質量％以下であ
2 3
ることが好ましい。
[0053] 上記基本成分の他は、 Feおよび不可避不純物であるが、必要によって Cr、 Ni、 V 、 Nb、 Mo、 W、 Cu、 Ti、 Li、 Na、 Kおよび希土類元素（REM)よりなる群から選択さ れる 1種以上を含むものであってもよい。これらを含有させるときの好ましい含有量は 、Cr: 0. 5〜3質量％、Ni: 0. 5質量％以下、 V: 0. 5質量％以下、 Nb : 0. 1質量％ 以下、 Mo : 0. 5質量％以下、 W: 0. 5質量％以下、 Cu: 0. 1質量％以下、 Ti: 0. 1 質量％以下、 Li: 0. 0005質量％以下、 Na: 0. 0010質量％以下、 K: 0. 0010質量 %以下、および REM : 0. 0010質量％以下である。
[0054] 以上説明したように、本発明の第二実施形態に係るばね用鋼は、介在物の全体が 低融点で変形しやすぐ熱延前や熱延中の加熱時に相分離しても SiOが生成しにく
2
ものであるので、疲労特性に優れている。従って、本実施形態に係るばね用鋼は、例 えば自動車分野、産業機械分野等で用いられるばねの製造に有用である。特に、極 めて高い疲労特¾の要求される自動車用エンジンの弁ばねやクラッチばね、ブレー キばね、サスペンションの懸架ばね等のような機械の復元機構に使用するばね等の 製造に最適である。
[0055] 以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限 定する性質のものではなぐ前 ·後記の趣旨に徴して設計変更することは 、ずれも本 発明の技術的範囲に含まれるものである。
実施例 1
[0056] 真空誘導溶解炉で約 150kgの鋼と Si, Al, Mg以外の合金成分を溶解し、各種酸 化物の有害度を評価するため、誘導攪拌により鋼中介在物を取り除いた (total酸素 : 5pp以下)。そして本実施例では、介在物の種類が疲労特性に及ぼす影響をみる ベぐ表 1に示す通り、上記脱酸後に、合金元素や Fe Oを添加（尚、 No. 6、 10の
2 3
み、ウォラステナイトスラグを上置き)し、種々の介在物が存在するよう調製した。
[0057] そして溶鋼を铸型で铸造し、得られた铸塊に対して鍛造'熱間圧延を施し、表 1〖こ 示す成分組成の直径： 8. 0mmの線材を得た。
[0058] 尚、一般的な方法で精鍊を行うと、各種酸化物が自然に発生し、鋼中の酸化物を 制御することが非常に困難であるため、狙いとする酸ィ匕物のみが存在し他の組成の 介在物を完全に排除した鋼を製造することが困難となる。その結果、疲労強度に及 ぼす影響を各種酸ィ匕物に区別して評価することも難しい。よって、上記の通り真空誘 導炉で各々の組成の介在物のみを含む鋼を作製して、疲労特性への影響を調べる こととした。
[0059] [表 1]
Figure imgf000016_0001
※ 残部鉄および不可避不純物
[0060] 得られた各線材について、 SiO系介在物の個数の測定、および、検鏡面における
2
粗大介在物の種類を同定すると共に、疲労特性の評価を行った。これらの測定'評 価方法は下記の通りである。
[0061] く SiO系介在物の個数の測定〉
2
上記線材（直径： 8. Omm)の表面のスケールを除去した後、試料（25g)を 20個切 り出した。切り出した試料を、図 2に示す要領で溶解し、介在物を抽出した。図 2に示 す通り、まずビーカ 1に硝酸水溶液 2を入れ、ヒータ 4によってこの硝酸水溶液を加熱 (50°C以上）し [図 2 (a) ]、加熱された硝酸水溶液に試料 3を投入した。試料 3は硝酸 水溶液 2によって溶解され、試料 3中に存在する酸化物系介在物が溶出される [図 2 (b) ]。溶解'溶出が完了した硝酸水溶液 2は冷却後、濾過され (メンブランフィルタ 5 、フィルタ台 6および漏斗 7)、硝酸水溶液 3をフラスコ 8に貯留してメンブランフィルタ 5上に残渣として酸ィ匕物系介在物を抽出した [図 2 (c) ]。尚、上記溶解は、硝酸 (HN O ) : 250mL (ミリリットル）に水をカ卩えて 700mLとしたものに、硫酸を 10mL加えたも
3
のを容量 2Lのビーカに調整し、これに 25gの鋼材試料を入れて溶解した。ここで用 いたビーカ、漏斗およびフィルタ台の材質はポリテトラフルォロエチレン [PTFE：テフ ロン (登録商標）]である。また濾過の際に用いるメンブランフィルタとしては、孔径 1 mのものを用いた。
[0062] また、上記介在物の抽出時には必ずブランク調査を行い、ブランクでの抽出物がゼ 口であることを確認した。ブランク調査とは、試料を用いた介在物の抽出'評価を行う 時に、サンプルの入っていないビーカで、試料が入っていないこと以外は上記と全く 同じ作業を行い、試料以外力もの抽出物がゼロであることを確認するものである。
[0063] 介在物の定量は、下記に示す条件で行った。尚、該定量分析は、 L (介在物の長 径) ZD (介在物の短径；短径は長径に対し最も広 、垂直線の幅を 、う）が 4以上か つ Dが 25 μ m以上の介在物、および LZDが 4未満かつ Lが 25 μ m以上の介在物を 対象に、 Al、 Mn、 Si、 Mg、 Ca、 Ti、 Zr、 K、 Na、 S、 Oの存在濃度を求めた。そして 、酸素濃度が 25%以上の酸ィ匕物系介在物について、上記各々の元素が、 Al O、
2 3
MnO、 SiO、 MgO、 CaO、 TiO、 ZrO、 K 0、 Na 0、 Sの形で存在すると仮定し
2 2 2 2 2
て、上記定量により求めた各元素濃度を基に、介在物中の上記酸化物または Sの存 在濃度を算出した。そして、 Al O +MgO + CaO + SiO +MnO = 100% (質量％
2 3 2
)とした場合の SiOの割合が 70%以上のものの個数を求め、次に 20個の試料の平
2
均値を求めて、鋼材 500gあたりの値 (個数）に換算した。
[分析装置]
•EPMA装置：日本電子製 JXA- 8621MX
•分析装置（EDS) :Tracor Northern製 TN- 5500
[分析条件]
'エネルギー分散分析
•電圧 (加速電圧）： 20kV
•試験電流 (加速電流）： 50nA (ナノアンペア）
•倍率： 150倍
•介在物の分析位置： SPOT (強度が最大の場所を一点測定）
[撮影条件]
•電圧 (加速電圧）： 20kV
•試験電流 (加速電流）： 50nA (ナノアンペア）
•撮影倍率：介在物サイズに応じる
〈検鏡面での粗大介在物の組成の測定〉
上記各線材の直径を含む L断面を研磨し、線材の DZ4部（D：直径)よりも表層側 を 1000mm2観察し、圧延方向に対して垂直な幅が 25 μ m以上の介在物について 下記に示す条件で分析を行い、該介在物の種類とその個数を求めた。尚、表 2に示 す MgOSiOは、 MgO- SiOまたは 2MgO- SiOに近い組成のものであり、 SiO含
2 2 2 2 量力 0〜65%であることから、規定の SiO含量が 70%以上の介在物とは区別され
2
る。
•EPMA装置：日本電子製 JXA- 8621MX
•分析装置（EDS) :Tracor Northern製 TN- 5500
'加速電圧： 20kV
•走査電流： 5nA (ナノアンペア）
•測定方法：エネルギー分散分析で定量分析 [Pabric Scan (粒子全域を測定） ]
[0065] 〈疲労特性の評価〉
各線材 (8. Οπιπι φ )を、皮削り→パテンティング→冷間線引き加工 (伸線)→オイ ルテンパ一"歪取焼鈍相当処理→シヨットピーユング→歪取焼鈍を行った後、試験 片として 4. Omm X 650mmのワイヤを採取し、中村式回転曲げ試験機において、 試験応力：公称応力 908MPa、回転数： 4000〜5000rpm、中止回数： 2 X 107回の 条件で回転曲げ試験を行ない、途中で破断した試験片のうち、介在物が原因で折損 したもの (介在物に起因せずにワイヤ表面等力も折損する場合があるが、この場合は 対象外とする)の本数を測定し、下記式により折損率を測定した。
折損率 = [介在物折損本数 Z (介在物折損本数 +中止回数まで達成の本数) ]
X 100 (%)
[0066] 上記 SiO系介在物の個数、検鏡面における粗大介在物の種類と個数、および疲
2
労特性 (折損率)を表 2に示す。
[0067] [表 2]
Figure imgf000019_0001
これらの結果から、次のように考察できる（尚、下記 No.は、表中の実験 No.を示 す)。本発明で規定する通り、 SiO系介在物の抑制された No. 1〜12の鋼材は、疲 労特性に優れていることがわかる。これに対し、 SiO系介在物が本発明の規定範囲
2
を超えている No. 13〜15の鋼材は、疲労特性に劣っている。
[0069] また表 2より次の様なことがわかる。即ち、検鏡面での観察は披見面積が少なぐ Si O系介在物の様な少数しか存在しない介在物は検出されていないのに対し、抽出
2
法によれば、該介在物も検出できている。また、検鏡面では SiO系介在物は検出さ
2
れていないが、他の結晶系介在物は検出されていることから、 SiO系介在物よりも他
2
の結晶系介在物の方が多く存在して ヽることがわかる。
[0070] そして折損率は、 SiO系介在物以外の結晶系介在物の個数ではなぐ SiO系介
2 2 在物の個数と相関があり、 SiO系介在物が有害であること、またこのことから、折損を
2
抑制するには、 SiO系介在物以外の結晶系介在物の有無にかかわらず、 SiO系介
2 2 在物について本発明で規定する通り制御する必要があることがわかる。
実施例 2
[0071] 転炉出鋼材を模擬した溶鋼に各種フラックスを添加し、成分調整およびスラグ精練 を実施し、铸造した。このとき、スラグ組成を適切に調整することによって、介在物組 成を適切に制御し、下記表 3に示す化学成分を有する鋼を得た。各鋼におけるスラ グ精鍊条件を下記表 4に示す。
[0072] [表 3]
試験 化学成分組成 (質量％)
No. 鋼種
C Si Mn Cr Ni V その他
21 A 0. 6 2. 2 0. 5 ― 0. 2 0. 1 ―
22 B 0. 6 2. 0 0. 9 1 . 7 ― ― ―
23 C 0. 6 1 . 4 0. 7 ― ― ― ―
24 D 0. 4 2. 8 0. 4 ― 1 . フ 0. 3 ―
25 E 0. 6 2. 2 0. 5 0. 2 0. 1 Li:0.0001
26 F 0. 6 2. 0 0. 9 1 7 ― ― Ce:0.001
27 G 0. 6 1 . 5 0. 7 ― 0. 4 ― ―
28 H 0. 6 2. 0 0. 9 0. 9 ― 0. 1 ―
29 I 0. 5 1 . 4 0. 7 0. 7 ― ― ―
30 J 0. 6 2. 1 0. フ ― 1 . 7 0. 2 ― ]
スラグ成分組成 (質量％)
鋼種
m αi ^ Al203 Si02 CaO
21 A 1 5 42 1 6
22 B 1 5 43 35
23 C 24 37 29
24 D 4 46 4フ
25 E 1 5 42 1 6
26 F 1 5 43 35
27 G 30 38 27
28 H 1 8 54 22
29 I 1 5 59 20
30 J 23 28 47
[0074] 上記溶鋼について、铸型で铸造し、得られた铸塊に対して、鍛造'熱間圧延を施し て直径：8. Ommの線材とした。
[0075] 得られた各熱間線材について、線材中の酸化物系介在物の組成を測定すると共 に、疲労強度を測定した。これらの測定方法は、下記の通りである。
[0076] 〈介在物組成の測定〉
熱間圧延した各線材の L断面 (軸心を含む断面)を研磨し、線材の表面から直径の
1Z4深さまでの表層側 (線材の中心から半径の 1Z2の位置よりも表層側）に存在す る、幅（軸心方向と垂直な方向の介在物の径）が 3 m以上の酸化物系介在物 30個 について、 EPMAで組成分析を行い、酸ィ匕物濃度に換算した。このときの、 EPMA の測定条件は下記の通りである。
•EPMA装置: JXA-8621MX (日本電子株式会社製）
'分析装置（EDS)： TN-5500 (Tracor Northern社製） '加速電圧： 20kV
•走査電流： 5nA
•測定方法：エネルギー分散分析で定量分析 (粒子全域を測定）
[0077] 〈疲労特性の評価〉
各熱間圧延線材 (8. Omm φ )を、皮削り→パテンティング→冷間線引き加工 (伸線 )→オイルテンパ一"歪取焼鈍相当処理→シヨットピーユング→歪取焼鈍を行った後 、試験片として 4. Οπιπι X 650mmのワイヤを採取し、中村式回転曲げ試験機に おいて、試験応力：公称応力 880MPa、回転数： 4000〜5000rpm、中止回数： 2 X 107回で行ない、破断した物のうち、介在物折損したものについて、下記式により破 断率を測定した。
破断率 = [介在物折損本数 Z (介在物折損本数 +中止した本数) ] X 100 (%) [0078] 各線材の介在物組成を下記表 5に示す。また疲労強度 (破断率)を下記表 6に示す
[0079] [表 5]
Figure imgf000023_0001
[0080] [表 6] 試験 疲労試験結果
No. 鋼種
破断率（％)
21 A 1 1
22 B 1 4
23 C 1 8
24 D 21
25 E 9
26 F 1 5
27 G 38
28 H 42
29 I 41
30 J 35
[0081] これらの結果から、次のように考察できる。試験 No. 21〜26のものでは、スラグ組 成が適切であり、介在物組成も適切な範囲に制御されたものとなり、良好な疲労強度 が得られていることが分かる。このうち、特に試験 No. 21、 22のものでは、介在物組 成が最適な範囲内となっており、良好な疲労強度が得られている。
[0082] これに対して、試験 No. 27〜30のものでは、本発明で規定する介在物組成から外 れるものとなっているので、疲労試験結果が良くない。

Claims

請求の範囲
[1] C : l. 2% (質量％の意味、成分について以下同じ)以下 (0%を含まない）、
Si: l . 2〜4%、
Mn: 0. 1〜2. 0%、
A1: 0. 01%以下（0%を含まない）
を含み、残部鉄および不可避不純物からなる鋼であって、
鋼中の介在物のうち、酸素濃度が 25質量％以上で、 Al O +MgO + CaO + SiO
2 3 ：
+ MnO = 100% (質量％の意味、介在物について以下同じ）とした場合の SiO含
2 量が 70%以上である酸ィ匕物系介在物であって、 L (介在物の長径) ZD (介在物の短 径)が 4以上かつ Dが 25 μ m以上である酸ィ匕物系介在物、および、 LZDが 4未満か つ Lが 25 μ m以上である酸化物系介在物の合計力 20個 Z500g以下であることを 特徴とする高清浄度ばね用鋼。
[2] 更に他の元素として、
Cr： 3 %以下（0%を含まな!/、）、
Mo： 0. 5 %以下（0 %を含まな！/ヽ）、
W : 0. 5%以下（0%を含まな ヽ）、および
Co : 0. 5%以下（0%を含まない）
よりなる群力 選択される 1種以上を含む請求項 1に記載の高清浄度ばね用鋼。
[3] 更に他の元素として、
V : 0. 5%以下（0%を含まない）、
Nb : 0. 1%以下（0%を含まない）、および
Ti: 0. 1%以下（0%を含まない）
よりなる群力 選択される 1種以上を含む請求項 1または 2に記載の高清浄度ばね用 鋼。
[4] 更に他の元素として、
Cu: 0. 1%以下（0%を含まない）および Zまたは Ni: 0. 5%以下（0%を含まない） を含む請求項 1〜3のいずれかに記載の高清浄度ばね用鋼。
[5] 更に他の元素として、 REMを 0. l〜50ppm含む請求項 1〜4のいずれかに記載 の高清浄度ばね用鋼。
[6] 更に他の元素として、アルカリ金属元素および Zまたはアルカリ土類金属元素を、 合計で 0. l〜50ppm含む請求項 1〜5のいずれかに記載の高清浄度ばね用鋼。
[7] 線材の表面から直径の 1Z4深さまでの表層側に存在する、幅： 3 m以上の酸ィ匕 物系介在物が、下記（1)式を満足すると共に、 MgO濃度 :5質量％以下 (0質量％を 含む）、および MnO濃度： 10質量％以下 (0質量％を含む)であり、かつ当該酸化物 系介在物中の CaO, Al Oおよび SiOの各濃度 [Cn]、 [An]および [Sn]を、夫々
2 3 2
下記（2)〜 (4)式の様に表したとき、これらが下記（5)式および (6)の関係を満足する と共に、これら CaO濃度 [Cn]、 Al O濃度 [An]および SiO濃度 [Sn]を CaO- Al O
2 3 2 2
-SiO三成分系状態図で示したときに酸ィ匕物系介在物の融点が 1500°C以下である
3 2
ことを特徴とする高清浄度ばね用鋼。
CaO+Al O +SiO >80 (質量％) …ひ）
2 3 2
[Cn] (質量0 /。） = [ (CaO) / (CaO + Al O + SiO ) ] X 100
2 3 2
…
[An] (質量0 /0) = [ (Al O
2 3 )Z(CaO+A1 0 +SiO ) ] X 100
2 3 2
… ）
[Sn] (質量％) = [ (SiO )
2 Z (CaO + Al O + SiO ) ] X 100
2 3 2
…(
[An] +4. 29 [Sn]≤221. 9 (質量0 /0) "- (5)
[八!1]≤30 (質量％) - (6)
但し、「介在物の幅」は、線材の軸芯線を含む断面で観察したときの軸心方向と垂 直な方向の介在物の径を意味する。
[8] C : l. 2質量％以下（0%を含まない）、 Si: 1. 2〜4質量％、 Mn: 0. 1〜2. 0質量
%、 A1: 0. 01質量％以下 (0%を含まない）を夫々含む鋼材力もなるものである請求 項 7に記載の高清浄度ばね用鋼。
[9] 更に、 Cr, Ni, V, Nb, Mo, W, Cu, Ti, Li, Na, Kおよび希土類元素よりなる群 力 選択される 1種以上の元素を含有するものである請求項 8に記載の高清浄度ば ね用鋼。 請求項 1〜9のいずれかに記載の高清浄度ばね用鋼を用いて得られる疲労特性に 優れた高清浄度ばね。
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