(57)【要約】【課題】高負荷応力下での使用においても、ばねの変形が小さく、近年の高強度化要求に対応できる程度に耐へたり性に優れたばね用鋼線を提供する。【解決手段】本発明のばね用鋼線は、円相当直径で１０〜１００ｎｍの球状セメンタイトが３０個／μｍ2以上であり、且つセメンタイ中におけるＣｒ濃度が２０％以上（質量％の意味、以下同じ）、Ｖ濃度が２％以上のものであり、必要によりＣ：０．５〜０．７％、Ｓｉ：１．５〜２．５％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：１．０〜３．０％、Ｖ：０．０５〜０．５％を夫々含有すると共に、Ａｌ：０．００５％以下（０％を含まない）に抑制し、残部Ｆｅおよび不可避不純物のものとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円相当直径で１０〜１００ｎｍの球状セメンタイトが３０個／μｍ2以上であり、且つセメンタイ中におけるＣｒ濃度が２０％以上（質量％の意味、以下同じ）、Ｖ濃度が２％以上であることを特徴とする耐へたり性に優れた高強度ばね用鋼線。
【請求項２】
Ｃｒ含有量が１．０〜３．０％であると共に、Ｖ含有量が０．０５〜０．５％である請求項１に記載の高強度ばね用鋼線。
【請求項３】
Ｃ：０．５〜０．７％、Ｓｉ：１．５〜２．５％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：１．０〜３．０％、Ｖ：０．０５〜０．５％を夫々含有すると共に、Ａｌ：０．００５％以下（０％を含まない）に抑制し、残部Ｆｅおよび不可避不純物である請求項１に記載の高強度ばね用鋼線。
【請求項４】
更に他の元素として、Ｎｉ：０．３％以下（０％を含まない）を含むものである請求項３に記載の鋼線。
【請求項５】
更に他の元素として、Ｎｂ：０．１％以下（０％を含まない）を含むものである請求項３または４に記載の鋼線。
【請求項６】
更に他の元素として、Ｍｏ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｃｏ：０．５％以下（０％を含まない）およびＷ：０．５％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上を含むものである請求項３〜５のいずれかに記載の鋼線。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車エンジンの弁ばね、サスペンションの懸架ばね、クラッチばね、ブレーキばね等の素材として使用される高強度ばね用鋼線に関するものであり、特に耐へたり性に優れた高強度ばね用鋼線に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車の軽量化や高出力化に伴って、上記各種用途に使用されるばねにおいても、高応力設計が指向されている。特に、ばねの負荷応力の増大に伴い、疲労強度、耐へたり性に優れたものが要求されている。例えば、耐へたり性が低い場合には、高応力負荷中にばねのへたり量が大きくなって、設計通りにエンジンの回転数が上がらず、応答性が悪くなるという問題が生じることになる。
【０００３】
ばねの耐へたり性を改善するためには、ばね素材を高強度化すればよいことが知られている。またばね素材（ばね用鋼線）を高強度化することは疲労限の点からは、疲労特性の向上も期待できる。ばね用鋼線の高強度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。その一つとしては、化学成分組成の調整と、油焼入れ・焼戻し後（オイルテンパー処理後）の引張強度を高くすることによって、耐へたり性を改善する技術が提案されている。また、化学成分組成として、Ｓｉ等の合金元素を多量に含有させることによって、耐へたり性を改善する技術も提案されている（特許文献１、２）。
【０００４】
しかしながら、これらの技術においても、近年の高強度化要求に対応できるだけの特性が十分に発揮されているとは限らず、更に優れた耐へたり性が発揮できるばね用鋼線の実現が望まれているのが実情である。
【特許文献１】特許第２８９８４７２号公報  特許請求の範囲等
【特許文献２】特開２０００−１６９９３７号公報  特許請求の範囲等
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこの様な事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、高負荷応力下での使用においても、ばねの変形が小さく、近年の高強度化要求に対応できる程度に耐へたり性に優れたばね用鋼線を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成することのできた本発明に係るばね用鋼線材とは、円相当直径で１０〜１００ｎｍの球状セメンタイトが３０個／μｍ2以上であり、且つセメンタイ中におけるＣｒ濃度が２０％以上（質量％の意味、以下同じ）、Ｖ濃度が２％以上である点に要旨を有するものである。尚、「円相当直径」とは、球状セメンタイトの同一面積の円形に換算したときの直径を意味する。こうした意味からして、本発明における「球状セメンタイト」とは、必ずしも真円でなくても、楕円形等の形態も含むものである。また、上記「鋼線」とは、熱間圧延後に加工および熱処理を施したものをいい、熱間圧延後に加工および熱処理を施していない「線材」とは区別される。
【０００７】
本発明のばね用鋼線の化学成分組成については、特に限定されるものではないが、少なくともＣｒおよびＶについては、Ｃｒ：１．０〜３．０％、Ｖ：０．０５〜０．５％であることが好ましい。
【０００８】
本発明の高強度ばね用鋼線における基本的な成分組成として、上記Ｃｒ、Ｖの好ましい含有量も含めて、Ｃ：０．５〜０．７％、Ｓｉ：１．５〜２．５％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：１．０〜３．０％、Ｖ：０．０５〜０．５％を夫々含むと共に、Ａｌ：０．０５％以下（０％を含まない）に抑制し、残部Ｆｅおよび不可避不純物であるものが挙げられる。
【０００９】
また本発明の高強度ばね用鋼線には、必要によって更に他の元素として、（ａ）Ｎｉ：０．３％以下（０％を含まない）、（ｂ）Ｎｂ：０．１％以下（０％を含まない）、（ｃ）Ｍｏ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｃｏ：０．５％以下（０％を含まない）および：Ｗ０．５％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上、等を含有するものであることも好ましく、含有される成分に応じて鋼線の特性が改善される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、鋼線中の所定大きさのセメンタイトを微細分散させると共に、該セメンタイト中におけるＣｒ量やＶ量を所定濃度以上とすることによって、優れた耐へたり性を発揮する高強度ばね用鋼線が実現でき、こうしたばね用鋼線では高負荷応力下で使用される各種ばねの素材として最適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明者らは、耐へたり性のより優れた鋼線を実現するべく、これまでの既成概念にとらわれることなく、様々な角度から検討した。その結果、円相当直径で１０〜１００ｎｍ程度の球状セメンタイトを、できるだけ多く微細分散させると共に、セメンタイト中のＣｒ濃度およびＶ濃度を所定濃度以上にすれば、ばね製造中の歪取り焼鈍や窒化熱処理といった熱処理時に炭化物（セメンタイト）の分解、消失を抑制することができ、これによって優れた耐へたり性が発揮できることを見出し、本発明を完成した。
【００１２】
本発明の鋼線では、対象とする球状セメンタイトの粒径（円相当直径）を１０〜１００ｎｍのものとする必要がある。この粒径が１０ｎｍ未満のものでは、加熱中に分解、消失してしまい、耐へたり性に寄与する炭化物としての機能を発揮しないものとなる。一方、セメンタイトの粒径が１００ｎｍを超えて存在しても、それほど特性には影響を与えるものではないが、多量に存在することによって有効な大きさ（１０〜１００ｎｍ）の球状セメンタイトの量が少なくなって、微細分散することによる効果が発揮されにくくなる。
【００１３】
上記のような球状セメンタイトは、できるだけ微細分散させることによって、本発明の効果が発揮されることになるが、その量は３０個／μｍ2以上とする必要がある。即ち、球状セメンタイトの量が３０個／μｍ2未満となると、熱処理時にマトリックス中に固溶してしまい、耐へたり性向上効果が発揮されにくくなる。球状セメンタイトの存在個数は、３５個／μｍ2以上であることが好ましいが、あまり多くなるとマトリックス中のＣ量が減少し、素材の強度が低下し、疲労強度および耐へたり性が悪化するため、５０個／μｍ2以下であることが好ましい。
【００１４】
本発明の鋼線では、対象とする球状セメンタイト中にＣｒやＶが所定濃度で含有されていることも重要な要件である。これらの元素は、熱処理時に炭化物が分解、消失することを防止し、その結果としてばね用鋼線の耐へたり性を優れたものとする。こうした効果を発揮させるためには、セメンタイト中のＣｒ濃度は２０％以上、Ｖ濃度は２％以上とする必要があるが、あまり過剰となると粗大なＣｒ炭化物、Ｖ炭化物となるので、Ｃｒ濃度で４０％以下、Ｖ濃度で１５％以下とすることが好ましい。
【００１５】
本発明の鋼線は、その成分組成については、特に限定するものではないが、特にセメンタイト中のＣｒおよびＶの含有量を上記のように制御するという観点から、これらの鋼線中の含有量については、Ｃｒ：１．０〜３．０％、Ｖ：０．０５〜０．５％とすることが好ましい。またＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ等については、下記に示す通り一般的なばね用鋼線並みに含まれるものである。これら各成分（上記ＣｒおよびＶを含めて）の好ましい範囲限定理由は下記の通りである。
【００１６】
［Ｃ：０．５〜０．７％］
Ｃは、高い応力が負荷されるばね用鋼として十分な強度を確保するために有用な元素であり、また微細なセメンタイトを析出させる作用を発揮する。こうした効果を発揮させるためには、Ｃ含有量は０．５％以上であることが好ましい。しかしながら、Ｃ含有量が過剰になると、鋼線の靭性、延性が極端に悪くなるので０．７％以下とするのが良い。尚、Ｃ含有量のより好ましい下限は、０．５５％であり、より好ましい上限は０．６７％である。
【００１７】
［Ｓｉ：１．５〜２．５％］
Ｓｉは、脱酸作用を有する元素であり、また焼戻し軟化抵抗を上げ、耐へたり性を向上させる効果がある。こうした効果を発揮させるには、Ｓｉは１．５％以上含有させることが好ましい。より好ましくは１．７％以上とするのが良い。但し、Ｓｉ量が過剰になると、ばね用鋼の靭性や延性が悪くなるばかりでなく、表面の脱炭や疵の発生が増加して耐疲労性が悪くなるので２．５％以下（より好ましくは２．３％以下）に抑えるのが良い。
【００１８】
［Ｍｎ：０．２〜１．０％］
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用を有する元素であり、また焼入れ性を高めて強度上昇に寄与する元素である。こうした効果を発揮させるには、Ｍｎは０．２％以上含有させることが好ましい。より好ましくは０．３％以上とするのが良い。しかしながら、Ｍｎ量が過剰になると、熱間圧延時やパテンティング処理時にベイナイト等の過冷組織が生成しやすくなって、伸線性が著しく悪くなるので、１．０％以下（より好ましくは０．８％以下）に抑えるのが良い。
【００１９】
［Ｃｒ：１．０〜３．０％］
Ｃｒは、焼入れ性を向上させると共に、焼戻し軟化抵抗を向上させるのに有用な元素である。また、球状セメンタイト中の固溶し、熱処理時におけるセメンタイトの分解、消失を抑制し、耐へたり性を向上させる上でも有用な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Ｃｒは１．０％以上含有させることが好ましいが、過剰に含有されるとパテンティング時間が長くなり過ぎ、また靭性、延性も劣化するので３．０％以下とすることが好ましい。尚、Ｃｒ含有量のより好ましい下限は１．２％であり、より好ましい上限は２．５％である。
【００２０】
［Ｖ：０．０５〜０．５％］
ＶはＣｒと同様に鋼線の軟化抵抗を向上させると共に、セメンタイト中に固溶して、耐へたり性を向上させるのに有用な元素である。こうした効果を発揮させるためには、その含有量は０．０５％以上とすることが好ましい。しかしながら、過剰に含有させるとマルテンサイトやベイナイト組織が生成し、加工性が劣化するので０．５％以下とすることが好ましい。Ｖ含有量のより好ましい下限は０．１０％であり、より好ましい上限は０．４％である。
【００２１】
［Ａｌ：０．００５％以下（０％を含まない）］
ＡｌはＡｌ2Ｏ3等の非金属介在物を生成する不可避不純物であり、疲労強度を低下させるので、０．００５％以下（より好ましくは０．００３％以下）に抑えるのが良い。
【００２２】
本発明の鋼線における基本成分の好ましい含有元素は上記の通りであって、残部は鉄および不可避不純物（例えば、Ｐ，Ｓ，Ｃｕ，Ｎ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｏ等）であり、該不可避不純物として、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる元素の混入が許容され得る。尚、上記不可避不純物のうち、Ｐ，Ｓ，Ｃｕ，Ｎについては、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｎ：０．０１０％以下で含むことになる。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。
【００２３】
［Ｎｉ：０．３％以下（０％を含まない）］
Ｎｉは、焼入性を高めると共に、フェライトの生成を抑制するのに有用な元素であり、こうした効果はその含有量が増加するにつれて大きくなるが、過剰に含有されると、圧延においてベイナイトやマルテンサイト組織が生成し、伸線性が著しく悪化すると共に、靭性、延性が劣化するので０．３％以下とするのが良い。尚、上記効果を発揮させる上で好ましい下限は０．０５％である。
【００２４】
［Ｎｂ：０．１％以下（０％を含まない）］
Ｎｂは微細な炭窒化物を生成させ、結晶粒を微細化して耐へたり性を向上させるのに有用な元素である。こうした効果は、その含有量が増加するにつれて大きくなるが、過剰に含有されると粗大な窒化物が生成し、却って悪影響を及ぼすので０．１％以下とするのが良い。尚、上記効果を発揮させる上で好ましい下限は０．００５％である。
【００２５】
［Ｍｏ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｃｏ：０．５％以下（０％を含まない）およびＷ：０．５％以下（０％を含まない）］
これらの元素は、鋼線の軟化抵抗を向上させるのに有用な元素である。しかしながら、過剰に含有させるとマルテンサイトやベイナイト組織が生成し、加工性が悪くなるので、いずれも０．５％以下とすることが好ましい。
【００２６】
本発明の鋼線を製造するには、その製造条件も適切に制御することが好ましい。特に、セメンタイト中のＣｒ濃度やＶ濃度を所定量以上に確保するためには、（ａ）オイルテンパー時のオーステナイト化加熱温度を高くする（例えば、９７０℃以上）、（ｂ）焼戻し温度を高くする（例えば、４６０℃以上）、（ｃ）焼戻し時間を長くする（例えば、８０秒以上）等が有効である。
【００２７】
また円相当直径で１０〜１００ｎｍのセメンタイトを３０個／μｍ2以上分散させるためには、オイルテンパー時のオーステナイト化加熱温度を高くする（例えば、９７０℃以上）に制御したり、焼戻し時間を５０〜７０秒程度に制御することが有効である。
【００２８】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・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。
【実施例】
【００２９】
［実施例１］
下記表１に化学成分組成を示す各種鋼材（鋼種Ａ〜Ｊ）を、小型真空炉にて溶製し、熱間鍛造によって断面が１５５ｍｍ×１５５ｍｍの鋼片を得た。その後、１１００℃に加熱し、熱間圧延によってφ８．０ｍｍの鋼線材を得た。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
得られた鋼線材について、軟化焼鈍（６６０℃×２時間）、表面皮削り（φ８．０ｍｍ→φ７．４ｍｍ）、鉛パテンティング処理（加熱温度：９８０℃、鉛炉温度：６２０℃）した後、φ３．５ｍｍまで冷間伸線加工（φ７．４ｍｍ→φ３．３ｍｍ：ｔｏｔａｌ  Ｒｅｄ＝７７．６％）した。その後、オイルテンパー処理（加熱温度：９６０〜９８０℃、焼入油温度：６０℃、焼戻し温度：４５０〜４８０℃）を行ない、オイルテンパー線（鋼線）を作製した。オイルテンパー線について下記の条件にて、球状セメンタイトの性状を測定した。
【００３２】
［球状セメンタイトの性状測定］
観察試料：抽出レプリカ法にて、オイルテンパー線Ｄ／４部（Ｄ：直径）より試料を採取し、下記の測定を行なった。
（Ａ）球状セメンタイトの析出量の測定
透過型電子顕微鏡にて観察（観察倍率：１５００００倍）し、撮影した写真の画像解析によって、円相当直径で１０〜１００ｎｍの球状セメンタイト（炭化物）の個数を測定した。
（Ｂ）セメンタイト中のＣｒ濃度、Ｖ濃度の測定
電界放射型透過電子顕微鏡にて、析出しているセメンタイトを観察し、エネルギー分散型Ｘ線検出器（ＥＤＸ）にてセメンタイト中の各元素濃度を測定した。
【００３３】
上記オイルテンパー線を冷間ばね成形し（コイルの平均径：２１．３ｍｍ、有効巻数：４．５）、歪取り焼鈍（４００℃×２０分）、座研磨、窒化処理（窒化条件：８０％ＮＨ3+２０％Ｎ2雰囲気、４５０℃×３時間）、ダブルショットピーニング処理、低温焼鈍（２３０℃×２０分）および冷間セッチングを行ない、ばねを得た。得られたばねについて、下記の条件にて試験を行ない耐へたり性を評価した。
【００３４】
［耐へたり試験］
各ばねについて締め付け試験を行ない、残留剪断歪みを測定した。このときの温度は１２０℃とし、締め付け応力：１３００ＭＰａにて４８時間締め付けた。そして、残留剪断歪み量が０．１０％以下のものを耐へたり性に優れたものとして評価した。
【００３５】
各鋼種に対するオイルテンパー処理条件（加熱温度、焼戻し温度、焼戻し時間）を下記表２に、球状セメンタイト個数、セメンタイト中のＣｒ濃度、Ｖ濃度および耐へたり試験結果を下記表３に夫々示す。またこれらの結果に基づいて、セメンタイト中のＣｒ濃度と残留剪断歪みの関係を図１に、セメンタイト中のＶ濃度と残留剪断歪みの関係を図２に夫々示す。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
【表３】
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【００３８】
これらの結果から次のように考察することができる（尚、下記のＮｏ．は、表１、２中の試験Ｎｏ．を示す）。
【００３９】
Ｎｏ．１、３、５〜９は、本発明で規定する要件を満足しているので、優れた耐へたり性（残留剪断歪みで０．１０％以下）を発揮していることが分かる。
【００４０】
これに対しＮｏ．２、４、１０〜１３は、本発明の規定を満たしていないので、耐へたり性に劣る結果となった。詳細には、Ｎｏ．２、４は、化学成分組成は本発明の好ましい範囲を満足するものであるが、オイルテンパー条件が適切でなく、球状セメンタイトの個数やセメンタイト中のＣｒ濃度、Ｖ濃度の点で、本発明で規定する範囲から外れるものとなって、耐へたり性が劣化している（残留剪断歪みで０．１０％超）。また、Ｎｏ．１０〜１３のものは、化学成分組成が本発明で規定する好ましい範囲を外れるものであり、耐へたり性が劣化している。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】セメンタイト中のＣｒ濃度と残留剪断歪みの関係を示したグラフである。
【図２】セメンタイト中のＶ濃度と残留剪断歪みの関係を示したグラフである。
【図１】
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【図２】
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