(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ  ：０．３〜１．０％（質量％、以下同じ）
Ｓｉ：０．５超〜２．５％
Ｍｎ：０．１〜１．５％
Ｃｒ：０．１〜１．０％
残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるばね用鋼であって、
Ａｌ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒの鋼中固溶量が、
Ａｌ：０．１ppm（質量ppm、以下同じ）以上４．０ppm未満
Ｃａ：０．０１ppm以上１．０ppm 以下
Ｍｇ：０．５ppm以上３．０ppm 未満
Ｔｉ：５．０ppm未満（０ppmを含む）
Ｚｒ：０．５ppm未満（０ppmを含む）
であることを特徴とする疲労特性に優れたばね用鋼。
【請求項２】
前記鋼中固溶量が２次イオン質量分析装置を用いて分析した値である請求項１に記載のばね用鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等における懸架ばねやエンジン用弁バネ、或いは各種懸架装置のばねとして好適なばね用鋼であって、線材とした際に優れた疲労特性を発揮するばね用鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ばね用鋼に要求される重要な特性のひとつに、繰り返し使用に対する耐疲労性があり、近年のばねの軽量化を背景として疲労特性のより一層の向上が要望されている。
【０００３】
ばね用線材の疲労破断の原因としては、線材中に存在する非延性介在物が挙げられ、この非延性介在物は圧延工程や伸線工程でほとんど変形せずに、疲労破断の起点となることが知られている。そこで、特開昭６３−１４００６８号公報には、この問題を解決するために、延性を有する介在物となる様に組成を調整することを目的として、鋼材の成分組成と介在物の構成比を特定範囲に規定することにより、疲労特性を改善する技術が開示されている。しかしながら、鋼成分と介在物構成比を上記特定範囲内に制御した場合であっても、結晶質な非延性介在物が存在することにより疲労破壊に至ることがあった。例えば後述する回転曲げ疲労試験（曲げ回数：１０7 回）を施すと、破断が発生することが指摘されており、必ずしも疲労破壊を防止できる技術は開示されていなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の事情に着目してなされたものであって、疲労特性に優れたばね用鋼及びばね用線材の提供を目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明のばね用鋼とは、Ｃ：０．３〜１．０％，Ｓｉ：０．５超〜２．５％，Ｍｎ：０．１〜１．５％，Ｃｒ：０．１〜１．０％，残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるばね用鋼であって、Ａｌ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒの鋼中固溶量が、Ａｌ：０．１ppm以上４．０ppm未満，Ｃａ：０．０１ppm以上１．０ppm以下，Ｍｇ：０．５ppm以上３．０ppm未満，Ｔｉ：５．０ppm未満（０ppmを含む），Ｚｒ：０．５ppm未満（０ppmを含む）であることを要旨とするものであり、上記ばね用鋼を用いて線材とすれば疲労特性に優れたばね用線材を得ることができる。尚、前記鋼中固溶量は、２次イオン質量分析装置（以下、ＳＩＭＳという）を用いることにより精度良く分析することが可能である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、鋼中における微量元素の固溶量と疲労特性には、非常に高い相関があることを突き止めた。これまでは、介在物組成に範囲を設けることにより高い延性を有する介在物となる様に配慮されていたが、どうしても疲労破壊の起点となる結晶質な介在物を有することから、疲労破壊を防止できなかった。本発明によれば、特定成分の鋼中固溶量を制御することによって、疲労特性を大幅に改善することが可能である。
【０００７】
また従来の技術における微量元素の定量分析は、供試材を酸により溶解して、例えばＩＣＰ発光分光分析により測定されることが一般的であり、上記微量成分の含有量は、介在物の構成成分と鋼中の固溶成分との合計値であった。本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、従来の方法で分析された成分値では、疲労特性の確実な制御は困難であり、Ａｌ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒという微量元素の鋼中固溶量を正確に制御してはじめて確実な破断防止が可能となることを見出し、本発明に想到したものである。従って本発明では、各微量元素の鋼中固溶量を以下の様に限定することが重要である。尚、図１〜図５における鋼中のＡｌ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒの固溶量は、後述する実施例で測定した分析値を破断本数との関係で整理したグラフである。
【０００８】
Ａｌ：０．１ppm 以上４．０ppm 未満
鋼中に固溶するＡｌ量と破断本数との関係を示す図１の結果から明らかな様に、鋼中のＡｌ固溶量が０．１ppm 未満または４．０ppm 以上の場合には破断本数が多くなった。Ａｌ固溶量が０．１ppm 未満の場合には介在物としてＣａＯ−ＳｉＯ2 系およびＭｎＯ−ＳｉＯ2 系の結晶質介在物が存在し、また４．０ppm 以上の場合にはＡｌ2 Ｏ3 含有量が５０％以上の非延性な介在物が存在しており、これらの非延性介在物により破断本数が多くなったものと考えられる。
従って、鋼中のＡｌ固溶量は、０．１ppm 以上４．０ppm 未満に規定した。
【０００９】
Ｃａ：０．０１ppm 以上１．０ppm 以下
図２より明らかな様に、鋼中のＣａ固溶量が０．０１ppm 未満であるか、或いは１．０ppm を超える場合には破断本数が多くなった。鋼中Ｃａ固溶量が０．０１ppm 未満の場合には、ＭｎＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 系介在物を主体として、介在物組成がばらついており、非延性介在物が多く発生していた。鋼中Ｃａ固溶量が１．０ppm を超える場合には２ＣａＯ・ＳｉＯ2 や２ＣａＯ・ＳｉＯ2 ・Ａｌ2 Ｏ3 等の結晶質な介在物が存在していた。これらの非延性介在物の存在により破断本数が多くなったものと考えられる。Ｃａ固溶量が０．０１〜１．０ppm の範囲内では結晶質な介在物は見られなかった。
【００１０】
Ｍｇ：０．０１ppm 以上３．０ppm 未満
図３に示されている通り、鋼中のＭｇ固溶量が０．０１ppm 未満３．０ppm 以上の場合には破断本数が多くなった。Ｍｇ固溶量が０．０１ppm 未満の場合には鋼中のＭｎＯ−ＳｉＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 系介在物を主体として介在物組成がばらついており、非延性介在物が多く発生していた。またＭｇ固溶量が３．０ppm 以上の場合には、Ａｌが３．５ppm 未満であるとＭｇＯ・ＳｉＯ2 結晶が生成しており、Ａｌが３．５ppm 以上の場合にはＭｇＯ・Ａｌ2 Ｏ3 結晶が観察された。従って鋼中のＭｇ固溶量を０．０１ppm 以上３．０ppm 未満とすることが必要である。
【００１１】
Ｔｉ：５．０ppm 未満（０ppm を含む）
図４から明らかな様に、鋼中のＴｉ固溶量が５．０ppm 以上の場合には破断本数が多くなった。鋼中Ｔｉ固溶量が５．０ppm 以上ではＴｉ系の結晶質な非金属介在物が多く存在したことから、鋼中Ｔｉ固溶量は５．０ppm 未満とすることが必要である。
【００１２】
Ｚｒ：０．５ppm 未満（０ppm を含む）
図５に示されている通り、鋼中のＺｒ固溶量が０．５ppm 以上の場合には破断本数が多くなった。鋼中のＺｒ固溶量が０．５ppm 以上ではＺｒＯ2 ・ＳｉＯ2 やＣａＯ−ＳｉＯ2 −ＺｒＯ2 系介在物が多く存在しており、この様な非延性な結晶系介在物の存在により破断本数が多くなったと考えられる。
【００１３】
ところで本発明は、Ａｌ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒの各元素の鋼中固溶量を制御する方法により限定されるものではなく、例えば鋼中固溶量が多過ぎる元素は、溶銑処理時にスラグ中に捕捉し、一方少な過ぎる場合には添加して補充すればよい。
【００１４】
尚、本発明が対象とする炭素鋼は、強度及び靭性の点からＣを０．３〜１．０％、Ｓｉを０．５超〜２．５％、Ｍｎを０．１〜１．５％、Ｃｒを０．１〜１．０％含有し、残部鉄および不可避的不純物からなる炭素鋼であり、夫々の成分限定理由は以下の通りである。
【００１５】
Ｃは、鋼線に十分な強度を与えるのに不可欠な元素であり、少なくとも０．３％以上含有していることが必要である。Ｃ含有量を多くするほど線材の強度は向上するが、多過ぎると初析セメンタイトが析出し、疲労破壊を引き起こす。従って、Ｃ量の上限は１．０％とした。
【００１６】
Ｓｉは、フェライトを固溶強化して引張強さを高めると共に、脱酸に有効な元素であるので０．５％を超えて含有させるが、多過ぎるとフェライトの靭性及び延性が低下し、ばね用線材としての疲労特性を満足できなくなるので、２．５％を上限とした。
【００１７】
Ｍｎは、加工硬化率を高めて引張強さを高めるのに有効な元素であるので０．１％以上含有させるが、多過ぎると偏析が大きくなり、それを起点とするマイクロクラックが発生して破断の原因となるので、１．５％を上限とした。
【００１８】
Ｃｒは、引張強さを高めるのに有効な元素であるので、０．１％以上含有させるが、多量に含有させると硬度が高くなり過ぎ疲労破壊を起こし易くなるので、１．０％を上限とした。
【００１９】
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く、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００２０】
【実施例】
実施例１
２４０トンの溶鋼を取鍋で、表１に示す所定の成分に調整し、ブルーム連鋳機で鋳片として線材にし、オイルテンパーを施した後、疲労特性を調べた。疲労特性は回転曲げ疲労試験により測定し、各ロット当り１５本の線材を用いて、試験強度２１０kgf/mm2 ，負荷応力８５．０kgf/mm2 で行い、繰り返し回数１０7 回までに破断したものを破断本数として数えた。
【００２１】
ＳＩＭＳとしてはＣＡＭＥＣＡ製のｉｍｓ５ｆを用い、分析条件は以下の通りである。
［分析条件］
１次イオン条件：    Ｏ2 −８ｋｅＶ−０．１μＡ
照射および分析領域：８０×８０μｍ−φ１４μｍ
試料室真空度：      ６×１０-10 Ｔｏｒｒ
結果は、表１に示す。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
Ｎｏ．１〜６は本発明例であり、鋼中固溶量が本発明範囲を満足しているので、いずれも破断せず、非常に優れた疲労特性を示した。
一方Ｎｏ．７〜２５は、Ａｌ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒの１種以上の鋼中固溶量が本発明範囲を満足しない比較例であり、破断本数が多いことが分かる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されているので、結晶質で非延性な介在物の量を著しく低減でき、疲労特性に優れたばね用鋼及びばね用線材が提供できることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】破断本数と鋼中Ａｌ固溶量の関係を示すグラフである。
【図２】破断本数と鋼中Ｃａ固溶量の関係を示すグラフである。
【図３】破断本数と鋼中Ｍｇ固溶量の関係を示すグラフである。
【図４】破断本数と鋼中Ｔｉ固溶量の関係を示すグラフである。
【図５】破断本数と鋼中Ｚｒ固溶量の関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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