疲勞特性優(yōu)異的彈簧用鋼線材及彈簧的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種彈簧用鋼線材，其分別含有特定量的C、Si、Mn、Cr、Al、Ca及Ti，余量由鐵及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，在與鋼材的長(zhǎng)度方向平行的截面上存在的短徑為1μm以上的氧化物系夾雜物分別含有特定量的CaO、Al2O3、SiO2、MgO、MnO及TiO2，并且滿足CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO+TiO2≥80％，且在上述截面上存在的短徑為2μm以上的氧化物系夾雜物的個(gè)數(shù)超過(guò)0.002個(gè)/mm2。
【專利說(shuō)明】
疲勞特性優(yōu)異的彈簧用鋼線材及彈簧
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種疲勞特性優(yōu)異的彈簧用鋼線材及彈簧。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著汽車(chē)等的輕量化、高輸出功率化的要求提高，對(duì)于閥彈簧、懸架彈簧等彈簧要 求提高疲勞特性。對(duì)于成為其原材的乳制材、將該乳制材拉絲加工而成的拉絲材等彈簧用 鋼線材也要求疲勞特性的進(jìn)一步的提高。尤其對(duì)閥彈簧用鋼線材而言，提高疲勞特性的要 求非常強(qiáng)烈。
[0003] 對(duì)于要求高疲勞強(qiáng)度的彈簧用鋼線材而言，需要極力降低斷線、成為疲勞折損的 起點(diǎn)的非金屬夾雜物或使其尺寸小型化。例如，對(duì)于閥彈簧鋼而言，為了不生成對(duì)疲勞特性 有害的ai 2〇3,提出了如下技術(shù):利用使用Si進(jìn)行脫氧的所謂Si鎮(zhèn)靜鋼，將夾雜物控制在包含 Si02-Al2〇3 -CaO-MgO-MnO等的體系來(lái)進(jìn)行微細(xì)化。此外，還提出了將非金屬夾雜物的組 成控制在低熔點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行微細(xì)化的方法、在熱乳時(shí)將夾雜物拉伸而使其分?jǐn)嗟姆椒ǖ取?[0004]例如在非專利文獻(xiàn)1中記載了如下內(nèi)容:對(duì)于閥彈簧用鋼而言，通過(guò)將夾雜物的組 成控制為CaO-AI2O3 -Si〇2系、MnO-AI2O3 -Si〇2系的非晶質(zhì)穩(wěn)定組成，從而促進(jìn)熱加工時(shí) 的變形，不成為疲勞破壞的起點(diǎn)而使疲勞特性提高。
[0005] 本發(fā)明人等還提出各種疲勞特性等優(yōu)異的彈簧用鋼線材。例如在專利文獻(xiàn)1中提 出了如下技術(shù)：即使夾雜物整體為低熔點(diǎn)、容易變形且在熱乳前或熱乳中的加熱時(shí)發(fā)生相 分離，也不易生成硬質(zhì)的Si0 2。另外，在專利文獻(xiàn)2中提出了如下技術(shù):通過(guò)使夾雜物中生成 大量微細(xì)的結(jié)晶，從而促進(jìn)熱乳時(shí)的夾雜物的分?jǐn)?，而使微?xì)化得到促進(jìn)。另外，在專利文 獻(xiàn)3中提出了為了使生成的復(fù)合氧化物系夾雜物的熔點(diǎn)和粘性降低并最終實(shí)現(xiàn)微細(xì)化而積 極地含有Li0 2、Na2〇、K2〇中的1種以上的技術(shù)。
[0006] 此外，在專利文獻(xiàn)4中記載了如下內(nèi)容：若添加 Zr02作為以往所沒(méi)有的氧化物成 分，則有助于維持非晶質(zhì)相。另外，在專利文獻(xiàn)5中記載了如下內(nèi)容:通過(guò)使B 2〇3包含在復(fù)合 系氧化物(例如CaO-AI2O3 -Si〇2系復(fù)合氧化物、CaO-AI2O3 -Si〇2-MgO系復(fù)合氧化物等） 中，從而使氧化物系夾雜物被微細(xì)地分?jǐn)?，并且可以顯著提高拉絲加工性、疲勞強(qiáng)度。
[0007] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0008] 專利文獻(xiàn)
[0009] 專利文獻(xiàn)1:日本專利第4134204號(hào)公報(bào) [0010] 專利文獻(xiàn)2:日本專利第4347786號(hào)公報(bào) [0011] 專利文獻(xiàn)3:日本專利第4423050號(hào)公報(bào) [0012] 專利文獻(xiàn)4:日本特開(kāi)2010 - 202905號(hào)公報(bào) [0013] 專利文獻(xiàn)5:日本特開(kāi)2009 - 263704號(hào)公報(bào) [0014]非專利文獻(xiàn)
[0015]非專利文獻(xiàn)1:三村毅、182 · 183次西山紀(jì)念技術(shù)講座《夾雜物控制與高潔凈度高 制造技術(shù)》、社團(tuán)法人日本鐵鋼協(xié)會(huì)編、2004年、p. 125

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 發(fā)明要解決的問(wèn)題
[0017] 然而，例如在上述專利文獻(xiàn)3中存在如下問(wèn)題:雖然積極地添加脫氧力強(qiáng)的Li作為 氧化物系夾雜物生成起源，但是，由于Li容易蒸發(fā)，因此難以控制Li 20濃度。另外，正如在上 述專利文獻(xiàn)3中記載的"夾雜物中的Li2〇濃度無(wú)法利用以往的EPMA(Electron Probe X - ray Micro Analyzer)進(jìn)行測(cè)定，因此獨(dú)自開(kāi)發(fā)了基于SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)的分析法"那樣，存在制造上的難度。另外，就上述專利文獻(xiàn)4中記載的Zr〇2、 上述專利文獻(xiàn)5中記載的B 2〇3而言，根據(jù)本發(fā)明人等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知存在使疲勞特性反而變 差的風(fēng)險(xiǎn)。
[0018] 本發(fā)明鑒于上述情況而完成，其目的在于提供疲勞特性極優(yōu)異的彈簧用鋼線材及 彈簧。
[0019] 用于解決問(wèn)題的技術(shù)手段
[0020] 能夠解決上述課題的本發(fā)明的疲勞特性優(yōu)異的彈簧用鋼線材具有以下幾個(gè)要點(diǎn)：
[0021] 含有
[0022] C:0.2~1.2%(%為質(zhì)量％的含義，以下，只要沒(méi)有特別說(shuō)明則為相同含義）、
[0023] Si :1.0~3%、
[0024] Μη:0·1 ~2%、
[0025] Cr:3% 以下（不包括0%)、
[0026] Α1:0·0002 ~0.005%、
[0027] Ca:0.0002 ~0.002%、及
[0028] Ti:0.0003~0.010%，
[0029] 余量由鐵及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，
[0030] 在與鋼材的長(zhǎng)度方向平行的截面上存在的短徑為Ιμπι以上的氧化物系夾雜物的平 均組成以質(zhì)量％計(jì)滿足
[0031] 〇&0:35%以下（包括0%)、厶12〇3:40%以下（包括0%)、51〇2 :30~95%、]\%0:8%以 下（包括0 % )、Μη0:5 % 以下（包括0 % )、Ti〇2: 3~10 %及CaO+Al2〇3+Si〇2+MgO+MnO+Ti〇2彡 80%，并且
[0032] 在上述截面上存在的短徑為2μπι以上的氧化物系夾雜物的個(gè)數(shù)超過(guò)0.002個(gè)/mm2。
[0033] 尤其，優(yōu)選：氧化物系夾雜物的平均組成滿足CaO :10~35 %、Al2〇3:10~40%、 3102:30~70%、]\^0:8%以下（包括0%)、]\1110 :5%以下（包括0%)、1102:3~10%及〇&0+ Al2〇3+Si02+MgO+MnO+Ti〇2彡80%，并且在上述截面上存在的短徑為2μπι以上的氧化物系夾 雜物的個(gè)數(shù)超過(guò)〇. 002個(gè)/mm2。
[0034] 在上述彈簧用鋼線材中，上述氧化物系夾雜物的平均組成以質(zhì)量％計(jì)還滿足 Zr02:不足1 % (不包括0% )、Na20:不足5% (不包括0% )。
[0035] 上述彈簧用鋼線材可以還含有Ni : 0.5 %以下（不包括0 %)、Cu:0.5%以下（不包括 0%)〇
[0036] 上述彈簧用鋼線材可以還含有V: 0.5 %以下（不包括0 % )。
[0037] 能夠解決上述課題的疲勞特性優(yōu)異的彈簧具有如下要點(diǎn)：該彈簧為使用上述彈簧 用鋼線材而得的彈簧。
[0038] 發(fā)明效果
[0039] 根據(jù)本發(fā)明，適當(dāng)?shù)乜刂屏藦椈捎娩摼€材的化學(xué)成分以及氧化物系夾雜物的組成 及個(gè)數(shù)，因此可以得到疲勞特性極優(yōu)異的彈簧用鋼線材。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 在開(kāi)發(fā)了上述專利文獻(xiàn)1~3等后，本發(fā)明人等還為了提供疲勞特性極優(yōu)異的彈簧 用鋼線材而反復(fù)進(jìn)行了研究。以往，為了提高疲勞特性，有效的是在熱乳時(shí)使氧化物系夾雜 物拉伸分?jǐn)喽⒓?xì)化，提出了將利用Si脫氧得到的氧化物系夾雜物的組成控制為包含非晶 質(zhì)較穩(wěn)定的Si0 2的組成、例如Si02 - CaO-Al2〇3 - MgO-MnO等的方法。此時(shí)，作為在該夾雜 物結(jié)晶化時(shí)也會(huì)實(shí)現(xiàn)微細(xì)化的手段，提出了專利文獻(xiàn)2的技術(shù)作為控制結(jié)晶化狀態(tài)的(不完 全發(fā)生結(jié)晶化而使微細(xì)結(jié)晶相析出)方法。
[0041] 但是，根據(jù)本發(fā)明人等的之后的研究，發(fā)現(xiàn):通常，即使為幾乎不會(huì)成為破壞的起 點(diǎn)的微小尺寸，也會(huì)因結(jié)晶化形態(tài)的不同而在作為母相的鋼與氧化物系夾雜物的界面產(chǎn)生 空隙，在更嚴(yán)苛的試驗(yàn)條件下可能成為破壞的起點(diǎn)。而且，發(fā)現(xiàn):正如上述專利文獻(xiàn)所報(bào)道 的那樣使以Si0 2 -CaO -Al2〇3-MgO-MnO為基底的氧化物系夾雜物中含有Ti02,從而能夠 使氧化物系夾雜物的非晶質(zhì)進(jìn)一步保持穩(wěn)定，得到高疲勞特性。由此，能夠利用更容易進(jìn)行 氧化物系夾雜物的分析和控制的成分實(shí)現(xiàn)高疲勞特性。予以說(shuō)明，在此，以Si0 2 - CaO - Al2〇3 - MgO -MnO為基底的含有Ti02的氧化物系夾雜物為平均組成以質(zhì)量％計(jì)滿足Ca0+ Al2〇3+Si02+MgO+MnO+Ti〇2彡80%的氧化物系夾雜物。通過(guò)含有合計(jì)80%以上的這些物質(zhì)， 從而發(fā)揮正如上述專利文獻(xiàn)所報(bào)道的那樣以Si0 2 - CaO-Al2〇3-MgO-MnO為基底的氧化物 系夾雜物所帶來(lái)的效果、以及Ti02所帶來(lái)的效果。
[0042]而且，發(fā)現(xiàn)為了發(fā)揮上述Ti02所帶來(lái)的效果而在0.0003~0.010%的范圍內(nèi)含有 Ti作為鋼中成分是有用的，從而完成本發(fā)明。
[0043]在本發(fā)明中，通過(guò)使上述氧化物系夾雜物中含有規(guī)定量的Ti02來(lái)提高疲勞特性的 理由的詳細(xì)情況還尚未明確，但是考慮如下。
[0044] 即，由于利用Si脫氧所得的氧化物系夾雜物中包含Ti02,因而分離為T(mén)i02稠化相(A 相)和Si02稠化相(B相）2相。分離為2相的理由認(rèn)為是由于在鋼水階段Ti02具有與Si0 2分離 為2液相的性質(zhì)。結(jié)果:Si02稠化相(B相）中的Si02濃度上升，使在Si脫氧鋼中容易發(fā)生的鈣 錯(cuò)黃長(zhǎng)石(Gehlenite)、尖晶石（Spinel、Mg0 · AI2O3)等的結(jié)晶質(zhì)化受到抑制。另一方面， Ti02稠化相(A相)也會(huì)因氧化物系夾雜物中包含Ti02而使液相線溫度降低、結(jié)晶質(zhì)化受到抑 制。結(jié)果推斷能夠提高氧化物系夾雜物的非晶質(zhì)穩(wěn)定性。
[0045] 對(duì)此，在上述的專利文獻(xiàn)1~5中并未公開(kāi)本發(fā)明的上述特征部分。例如在上述專 利文獻(xiàn)4中列舉了Ti02作為夾雜物的雜質(zhì)，但是，完全未記載像本發(fā)明那樣通過(guò)將Ti0 2量控 制在規(guī)定范圍來(lái)提高疲勞特性。實(shí)際上，在上述專利文獻(xiàn)4的全部實(shí)施例中均只公開(kāi)了包含 1.0%的Fe0、Ti0 2等雜質(zhì)的例子，在此并未得到由添加 Ti02所帶來(lái)的疲勞特性提高效果（參 照后述的表的No. 14)。原本在上述專利文獻(xiàn)4中含有1%以上的Zr02,這一點(diǎn)與本發(fā)明的氧 化物系夾雜物的組成不同。
[0046] 以下，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明。
[0047] 如上所述，本發(fā)明具有如下特征:在0.0003~0.010%的范圍內(nèi)含有Ti作為鋼中成 分，并且在上述Si〇2 - CaO-Al2〇3-MgO-MnO的氧化物系夾雜物中以3~10%的范圍內(nèi)含有 Ti02〇
[0048] 在本說(shuō)明書(shū)中，彈簧用鋼線材包括乳制后的鋼材(乳制材)及將該乳制材進(jìn)行拉絲 加工而成的拉絲材這兩者。在本發(fā)明中將這兩者統(tǒng)稱為"鋼線材"。
[0049] 在本說(shuō)明書(shū)中，氧化物系夾雜物是指Ca、Al、Si、Ti、Mn、Mg、Na、Cr、Zr等氧化物形成 元素與氧結(jié)合而成的氧化物夾雜物。上述氧化物系夾雜物可以利用電子顯微鏡進(jìn)行觀察、 并利用能量色散X射線分析裝置(Energy Dispersive X-ray spectrometry;EDX)、波長(zhǎng)色 散X射線分析裝置(Wavelength - Dispersive X-ray spectrometry;WDX)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定 方法的詳細(xì)情況如后所述。
[0050] 首先，對(duì)氧化物系夾雜物的組成進(jìn)行說(shuō)明。如上所述，在本發(fā)明中，就鋼中所含的 氧化物系夾雜物而言，在與鋼材的長(zhǎng)度方向平行的截面上存在的短徑為Ιμπι以上的氧化物 系夾雜物的平均組成以質(zhì)量％計(jì)滿足Ca0:35%以下(包括0% )、Α12〇3:40%以下(包括0% )、 3102:30~95%、]\^0:8%以下（包括0%)、]\1110 :5%以下（包括0%)、1102:3~10%及〇&0+ Al2〇3+Si〇2+MgO+MnO+Ti〇2彡80%，優(yōu)選滿足CaO: 10~35%、Al2〇3:10~40%、Si02:30~ 70%、]\^0:8%以下（包括0%)、]?110 :5%以下（包括0%)、1^02:3~10%及〇&0+厶1203+3102+ Mg0+Mn0+Ti02多80%，在上述截面上存在的短徑為2μπι以上的氧化物系夾雜物的個(gè)數(shù)優(yōu)選 超過(guò)0.002個(gè)/mm 2。
[0051] 首先，對(duì)氧化物系夾雜物的組成進(jìn)行說(shuō)明。如上所述，在本發(fā)明中，就鋼中所含的 氧化物系夾雜物而言，具有如下特征:在與鋼材的長(zhǎng)度方向平行的截面上存在的短徑為Ιμπι 以上的氧化物系夾雜物的平均組成以質(zhì)量％計(jì)滿足Ca0:35%以下(包括0%)、Α1203:40%以 下（包括0%)、Si0 2:30~95%、Mg0:8% 以下（包括0%)、Μη0:5% 以下（包括0%)、Ti02:3~ 10%及CaO+Al2〇3+Si〇2+MgO+MnO+Ti〇2彡80%，并且在上述截面上存在的短徑為2μπι以上的 氧化物系夾雜物的個(gè)數(shù)超過(guò)0.002個(gè)/mm 2。
[0052] [Ca0:35% 以下]
[0053] CaO為堿性氧化物，若包含在作為酸性氧化物的Si02中，則氧化物的液相線溫度下 降，具有抑制氧化物系夾雜物的結(jié)晶化的效果，因此在夾雜物中可以含有CaO。其含有優(yōu)選 為10 %以上、更優(yōu)選為15 %以上。然而，若CaO含量過(guò)高，則導(dǎo)致氧化物系夾雜物結(jié)晶化，因 此其上限為35%以下。CaO含量的上限優(yōu)選為30%以下。
[0054] [Si02:30 ~95%]
[0055] Si〇2為酸性氧化物，其是為了使氧化物系夾雜物非晶質(zhì)化而不可缺少的成分。為 了有效地發(fā)揮此種效果，Si02含量的下限為30%以上。Si02含量的下限優(yōu)選為40%以上。然 而，若Si0 2含量超過(guò)95%，則上述夾雜物的拉伸性降低，還容易生成空洞，使疲勞特性變差。 因此，Si02含量的上限為95%以下，優(yōu)選為70%以下、更優(yōu)選為50%以下。
[0056] [Al203:40% 以下]
[0057] Al2〇3為兩性氧化物，若包含在作為酸性氧化物的Si02中，則氧化物的液相線溫度 下降，具有抑制氧化物的結(jié)晶化的效果，因此在夾雜物中可以含有Al2〇3。其含量?jī)?yōu)選為10% 以上、更優(yōu)選為20%以上。若另一方面，Al 2〇3含量的上限超過(guò)40%，則在鋼水中及凝固過(guò)程 中析出剛玉等Al2〇3結(jié)晶相，或者與MgO-起析出尖晶石等MgO · Al2〇3結(jié)晶相。另外，在乳制 溫度域中生成這些結(jié)晶相。這些結(jié)晶相的固相為硬質(zhì)，且以粗大的夾雜物的形式殘留，使疲 勞特性變差。從這樣的觀點(diǎn)出發(fā)，Al2〇3含量的上限需要為40%以下，優(yōu)選為30%以下。
[0058] [Mg0:8% 以下（包括0%)]
[0059] MgO并非在本發(fā)明中所必須的氧化物，但是具有將Si02系氧化物控制為最佳的組 成而使其熔點(diǎn)降低的效果。為了有效地發(fā)揮此種作用，MgO含量的下限優(yōu)選為0.2%以上。但 是，若MgO含量過(guò)多，則Si0 2系氧化物的熔點(diǎn)變高或生成MgO系的結(jié)晶，因此其上限為8%以 下。優(yōu)選為5%以下、更優(yōu)選為3%以下。
[0060] []^0:5%以下（包括0%)]
[0061 ]與上述MgO同樣，MnO也并非本發(fā)明中所必須的氧化物，但是MnO具有使Si〇2系氧化 物的熔點(diǎn)降低的效果。為了有效地發(fā)揮此種作用，MnO含量的下限優(yōu)選為0.1%以上、更優(yōu)選 為0.5%以上。但是，在像本發(fā)明那樣含有1.0%以上的Si的高Si鋼中將MnO控制為太高濃度 是不現(xiàn)實(shí)的，因此MnO含量的上限為5%以下。
[0062] [Ti02:3 ~10%]
[0063] Ti02為表征本發(fā)明的氧化物成分。如上所述，若Ti02包含在作為酸性氧化物的Si0 2 中，則分離為T(mén)i〇2稠化相(A相）和Si02稠化相(B相）2相，兩相均具有結(jié)晶質(zhì)化抑制作用。結(jié) 果:能夠?qū)崿F(xiàn)抑制利用Si脫氧鋼得到的含有Si0 2的氧化物系夾雜物在熱加工時(shí)的結(jié)晶化、 以及抑制在鋼與氧化物系夾雜物的界面產(chǎn)生的空洞，使疲勞特性進(jìn)一步提高。這樣的效果 通過(guò)將Ti0 2含量的下限控制在3%以上而得到，因此Ti02含量為3%以上。優(yōu)選為4%以上、更 優(yōu)選為5%以上。然而，若Ti0 2含量過(guò)多，則Ti02系氧化物以結(jié)晶相的形式單獨(dú)生成，因此疲 勞特性降低。因此，Ti0 2含量的上限為10%以下。優(yōu)選為8%以下、更優(yōu)選為7%以下。
[0064] [Ca0+A 12O3+Si02+Mg0+Mn0+Ti02^80 % ]
[0065] 在本發(fā)明中，需要如上述那樣控制各氧化物的含量并且將它們的含量的合計(jì)控制 在80%以上，由此保持氧化物系夾雜物的非晶質(zhì)，并且使疲勞特性提高。上述氧化物的總量 越多越好，優(yōu)選為90%以上。最優(yōu)選為100%。
[0066] 如上所述，本發(fā)明的彈簧用鋼線材所含的氧化物系夾雜物基本上為Ca0、Al203、 Si02、Mg0、Mn0及Ti02,余量為雜質(zhì)。作為上述雜質(zhì)，例如可列舉在制造過(guò)程等中不可避免地 含有的雜質(zhì)。可以在對(duì)氧化物系夾雜物的結(jié)晶化狀態(tài)、形態(tài)等不造成不良影響、且得到所需 疲勞特性的限度內(nèi)含有上述雜質(zhì)。但是，基于與上述氧化物系夾雜物的總量的關(guān)系，該雜質(zhì) 的總量最大需要控制在20%以上。
[0067] 作為上述雜質(zhì)，例如可列舉Zr02、Na20、Cr203等。其中，就Zr0 2而言，若氧化物系夾雜 物中的濃度變高，則促進(jìn)上述夾雜物的結(jié)晶化而使疲勞特性變差，因此優(yōu)選使其極力減少。 Zr02的優(yōu)選含量不足1%、更優(yōu)選為0.5%以下、最優(yōu)選不含2"2。另外，與上述2" 2相比， Na20的容許量更寬，若為5 %左右，則也可以包含Na20。
[0068] [在與鋼材的長(zhǎng)度方向平行的截面上存在的短徑為2μπι以上的氧化物系夾雜物的 個(gè)數(shù):超過(guò)0.002個(gè)/mm2]
[0069] 在本發(fā)明中，需要如上所述地控制各氧化物的含量及總量、并且使短徑為2μπι以上 的氧化物系夾雜物的個(gè)數(shù)滿足〇. 002個(gè)/mm2。由此，確保高疲勞特性，并且均質(zhì)性也提高。短 徑為2μηι以上的氧化物系夾雜物的個(gè)數(shù)優(yōu)選為0.005個(gè)/mm 2以上、更優(yōu)選為0.01個(gè)/mm2以上、 進(jìn)一步優(yōu)選為0.05個(gè)/mm2以上。在此，上述"氧化物系夾雜物"是指如上所述Ca、Al、Si、Ti、 Mn、Mg、Na、Cr、Zr等氧化物形成元素與氧結(jié)合而成的氧化物夾雜物，并不限于上述的氧化物 (〇&0)1203、3丨02、1%0、1110、110 2)。另外，在上述氧化物系夾雜物中，尤其規(guī)定"短徑為2以111以 上"的原因在于短徑不足2μπι的氧化物系夾雜物對(duì)疲勞特性的不良影響較少。
[0070] 接著，對(duì)鋼中成分進(jìn)行說(shuō)明。
[0071] [C:0.2 ~1.2%]
[0072] C是為了確保規(guī)定的強(qiáng)度所需的元素，為了有效地發(fā)揮此種特性，C的含量為0.2% 以上。優(yōu)選為0.5%以上。但是，若C含量過(guò)量，則彈簧用鋼線材脆化，喪失實(shí)用性，因此其上 限為1.2%以下。C量的優(yōu)選上限為0.8%以下、更優(yōu)選為0.7%以下。
[0073] [Si:1.0 ~3%]
[0074] Si為有助于彈簧用鋼線材的高強(qiáng)度化及提高疲勞特性的重要元素。并且也是對(duì)提 高抗軟化性以及提高耐永久應(yīng)變性也有用的元素。進(jìn)而，為了控制為所需的氧化物系夾雜 物的組成，Si也為必須的元素。為了有效地發(fā)揮此種作用，而使Si含量為1.0%以上。優(yōu)選的 Si含量為1.4%以上、更優(yōu)選為1.8%以上。然而，若Si含量過(guò)量，則存在在凝固中生成硬質(zhì) 的純Si02的風(fēng)險(xiǎn)，并且有時(shí)表面脫炭、表面瑕疵增加而使疲勞特性降低。因此，Si量的上限 為3%以下。優(yōu)選為2.4%以下、更優(yōu)選為2.2%以下。
[0075] [Μη:0·1~2%]
[0076] Μη作為脫氧劑起作用，而且是提高淬火性而還有助于提高強(qiáng)度的元素。為了有效 地發(fā)揮此種作用，而使Μη含量的下限為0.1%以上。優(yōu)選為0.5%以上。但是，若Μη量過(guò)量，則 韌性、延展性降低，因此，其上限為2%以下。更優(yōu)選為1%以下。
[0077] [Cr:3% 以下（不包括 0%)]
[0078] Cr是通過(guò)固溶強(qiáng)化來(lái)提高彈簧用鋼線材的基體強(qiáng)度的元素。而且，與Μη同樣，Cr也 對(duì)提高淬火性有效地起作用。Cr量?jī)?yōu)選為0.5 %以上、更優(yōu)選為0.9 %以上。但是，若Cr過(guò)量， 則彈簧用鋼線材容易脆化而使氧化物系夾雜物的敏感性增大，因此疲勞特性降低。為此，Cr 量的上限為3%。&量的優(yōu)選的上限為2%以下、更優(yōu)選為1%以下。
[0079] [Α1:0·0002 ~0.005%]
[0080] 若Α1含量變多、尤其超過(guò)0.005%，則以Α12〇3為主體的硬質(zhì)氧化物的生成量變多， 而且在壓下后也會(huì)以粗大的氧化物的形式殘留，因此疲勞特性降低。因此，使Α1的含量為 0.005%以下、優(yōu)選為0.002%以下、更優(yōu)選為0.0015%以下。但是，若Α1含量不足0.0002%， 則氧化物系夾雜物中的Ah〇3含量變得過(guò)少，生成包含大量Si〇2的結(jié)晶相。因此，Α1含量的下 限為0.0002%以上、優(yōu)選為0.0005%以上。
[0081] [Ca:0.0002 ~0.002%]
[0082] Ca是因用于控制氧化物系夾雜物組成的焊渣精煉而包含在線鋼材中的成分。在本 發(fā)明中還是控制氧化物系夾雜物中的CaO含量、抑制氧化物系夾雜物的結(jié)晶化而對(duì)疲勞特 性的改善有效的元素。為了發(fā)揮此種效果，而使Ca含量為0.0002 %以上、優(yōu)選為0.0003 %以 上、更優(yōu)選為〇. 0005 %以上。然而，若Ca含量過(guò)量而超過(guò)0.002 %，則CaO的比例變得過(guò)高，導(dǎo) 致氧化物結(jié)晶化。因此，Ca含量為0.002 %以下、優(yōu)選為0.001 %以下、更優(yōu)選為0.0008%以 下。
[0083] [Ti:0.0003 ~0.010%]
[0084] Ti為表征本發(fā)明的元素。通過(guò)添加規(guī)定量的Ti、且適當(dāng)控制氧化物系夾雜物中的 Ti〇2含量，從而進(jìn)一步提高上述夾雜物的非晶質(zhì)穩(wěn)定性，使疲勞特性進(jìn)一步提高。為了得到 此種效果，需要使Ti含量為0.0003%以上。優(yōu)選為0.0005%以上、更優(yōu)選為0.0008%以上。 但是，若Ti的含量變多而超過(guò)0.010%，則Ti〇 2系氧化物以結(jié)晶相的形式單獨(dú)生成。因此，Ti 含量為〇. 〇 1 〇 %以下。優(yōu)選為〇. 0050 %以下、更優(yōu)選為0.0030 %以下。
[0085] 在本發(fā)明中所使用的鋼中元素如上述那樣余量為鐵及不可避免的雜質(zhì)。作為上述 不可避免的雜質(zhì)，例如可列舉因原料、資材、制造設(shè)備等狀況而摻入的元素、例如S、P、H、N 等。
[0086] 進(jìn)而，在本發(fā)明中也可以含有以下的選擇成分。
[0087] [Ni:0.5% 以下（不包括 0%)]
[0088] Ni是對(duì)抑制彈簧用鋼線材制造時(shí)的熱乳、彈簧制造時(shí)的熱處理時(shí)產(chǎn)生的鐵素體脫 炭有效的元素。而且，Ni具有提高淬火?回火后的彈簧韌性的作用。優(yōu)選的Ni量的下限為 0.05 %以上、更優(yōu)選為0.15 %以上、進(jìn)一步優(yōu)選為0.2 %以上。另一方面，若Ni量過(guò)量，則在 淬火?回火處理中殘留奧氏體量增大，使抗拉強(qiáng)度降低。為此，Ni量的上限優(yōu)選為0.5%以 下、更優(yōu)選為0.3%以下。
[0089] [Cu:0.5% 以下（不包括 0%)]
[0090] Cu為對(duì)抑制彈簧用鋼線材制造時(shí)的熱乳、彈簧制造時(shí)的熱處理時(shí)產(chǎn)生的鐵素體脫 炭有效的元素，因此可以含有0.05%以上的Cu。上限優(yōu)選為0.5%以下、更優(yōu)選為0.3%以 下。
[0091] [V:0.5% 以下（不包括 0%)]
[0092] V是與碳、氮等結(jié)合而形成微細(xì)的碳化物、氮化物等、且對(duì)提高耐氫脆性、疲勞特性 有用的元素。而且，V為利用晶粒微細(xì)化效果而有助于提供彈簧的韌性、屈服強(qiáng)度、耐永久應(yīng) 變性等的元素。V量的下限優(yōu)選為0.05%以上、更優(yōu)選為0.10%以上。但是，若V量過(guò)量，則在 淬火加熱時(shí)未固溶于奧氏體中的碳化物量增大，難以得到充分的強(qiáng)度、硬度，而且招致氮化 物的粗大化，容易產(chǎn)生疲勞折損。另外，若V量過(guò)量，則殘留奧氏體量增加，彈簧的硬度降低。 為此，V量的優(yōu)選的上限為0.5 %以下、更優(yōu)選為0.4 %以下。
[0093] 接著，對(duì)制造本發(fā)明的彈簧用鋼線材的方法進(jìn)行說(shuō)明。在本發(fā)明中，為了得到所需 氧化物系夾雜物的組成及個(gè)數(shù)，重要的是尤其留意熔煉工序、熱加工的各工序來(lái)進(jìn)行制造。 但是，除此以外的工序并無(wú)特別限定，可以適當(dāng)選擇使用在彈簧用鋼線材的制造中通常所 使用的方法。
[0094] 本發(fā)明中使用的優(yōu)選的熔煉工序及熱間工序如以下所示。
[0095] (熔煉工序）
[0096] 首先，實(shí)施采用Si的脫氧，并按照本發(fā)明中規(guī)定的組成添加 C、Si、Mn、Cr、Ti、Al、 Ni、V，之后，依據(jù)常規(guī)方法，使用CaO - Si02系焊渣實(shí)施焊渣精煉，控制為CaO - Al2〇3 - Si02-MgO-MnO-Ti02的組成。此時(shí)，使上述焊渣充分懸浮于鋼水，由此可以使短徑為2μπι以 上的氧化物系夾雜物的個(gè)數(shù)為規(guī)定的范圍。予以說(shuō)明，在本發(fā)明中含有規(guī)定量的Ti0 2作為 氧化物系夾雜物，該控制方法也無(wú)特別限定，基于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域中通常使用的方法，在 熔煉時(shí)按照使鋼中的Ti量控制為0.0003~0.010%的范圍內(nèi)的方式添加 Ti即可。Ti的添加 方法并無(wú)特別限定，例如可以添加含有Ti的鐵系合金進(jìn)行調(diào)整，或者可以通過(guò)焊渣組成的 控制來(lái)控制鋼水中的Ti濃度。
[0097] (熱間工序）
[0098] 將所得的鑄片在加熱爐中加熱到1100~1300°C后，在900~1200 °C實(shí)施開(kāi)坯乳制。 之后，在800~1100°C進(jìn)行乳制。實(shí)施熱乳至所需的直徑。
[0099] 這樣得到本發(fā)明的彈簧用鋼材，但是，也可以在上述熱乳后進(jìn)一步進(jìn)行拉絲加工 而制成彈簧用鋼線材。拉絲條件并無(wú)特別限定，可以采用通常所使用的方法。
[0100] 本發(fā)明的彈簧用鋼線材作為要求高疲勞特性的加工品的原材而非常有用。作為上 述加工品，可列舉例如：用于汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)、懸架等的閥彈簧、離合器彈簧、制動(dòng)彈簧、懸架 彈簧等彈簧類;鋼簾線等鋼線類等。
[0101] 上述彈簧的制造方法并無(wú)特別限定，可以利用常規(guī)方法來(lái)制造。具體而言，將上述 彈簧用鋼線材根據(jù)需要進(jìn)行退火處理后，進(jìn)行剝皮處理、鉛淬火處理、拉絲加工、油回火處 理，從而制造彈簧。
[0102] 以下，利用實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更具體地說(shuō)明，但是，本發(fā)明并不受下述實(shí)施例的 限制，能夠在可以適合于上下文記載的主旨的范圍內(nèi)進(jìn)行變更后再實(shí)施，它們均包含在本 發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。
[0103] 實(shí)施例 [0104][鑄片的制造]
[0105]使用容量150kg/lch的小型熔化爐，對(duì)下述表1所示的各種化學(xué)成分的供試鋼進(jìn)行 熔煉，制作成Φ 245mm X 480mm的鑄片。就熔煉而言，在熔煉時(shí)使用MgO系耐火物的坩堝，添加 (：、5^11及(>，并根據(jù)需要添加附及￥中的至少一種，調(diào)整為規(guī)定的濃度后，按照114〇 &的順 序進(jìn)行投入，調(diào)整Ti及Ca的各濃度。在本實(shí)施例中，作為添加到鋼水中的Ca，使用Ni - Ca合 金，作為T(mén)i源，使用Fe - Ti合金。將這樣得到的鑄片的化學(xué)成分示于表1中。
[0108] 將所得的鑄片在加熱爐中以1100~1300°c的溫度進(jìn)行加熱后，在900~1200°C進(jìn) 行開(kāi)坯乳制。之后，在830~1100 °C進(jìn)行熱乳，由此得到直徑:8.0mm的熱乳材。
[0109](氧化物系夾雜物的組成及個(gè)數(shù)的測(cè)定）
[0110] 對(duì)這樣得到的熱乳材(直徑:8.0mm)，按照包含該熱乳材的中心軸的方式，在長(zhǎng)度 方向（相當(dāng)于乳制方向）切割1個(gè)20mmL(L為乳制方向長(zhǎng)度）以上的微小試樣，對(duì)包含上述中 心軸的截面進(jìn)行研磨。使用日本電子DATUM公司制的電子探針X射線微區(qū)分析儀(Electron ProbeX-ray Micro Analyzer ;EPMA、商品名"JXA-8500F"）對(duì)該研磨面進(jìn)行觀察，并對(duì)短 徑為lMi以上的氧化物系夾雜物的成分組成進(jìn)行定量分析。研磨面的觀察面積為100~ 1000mm 2,利用特征X射線的波長(zhǎng)色散光譜分光對(duì)氧化物系夾雜物在中央部的成分組成進(jìn)行 定量分析。分析對(duì)象元素為[&、41、3;[、11、]/[11、]\%、他、0、21'，使用已知物質(zhì)預(yù)先將各元素的父 線強(qiáng)度與元素濃度的關(guān)系制成校準(zhǔn)曲線，由從作為分析對(duì)象的上述氧化物系夾雜物得到的 X射線強(qiáng)度和上述校準(zhǔn)曲線對(duì)各試樣所含的元素量進(jìn)行定量，并進(jìn)行氧化物換算，由此求得 氧化物系夾雜物的平均組成。Ti氧化物可以采用多個(gè)價(jià)數(shù)，但是全部按照Ti0 2來(lái)計(jì)算。
[0111] 另外，在存在于上述研磨面中的氧化物系夾雜物中，將短徑為2μπι以上的氧化物系 夾雜物的個(gè)數(shù)除以上述觀察面積（100~1000mm 2)所得的值設(shè)為氧化物系夾雜物的夾雜物 個(gè)數(shù)(個(gè)/mm2)。
[0112] [疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)(折損率)]
[0113] 將上述熱乳材(直徑:8.0mm)剝皮，拉絲至直徑:7.4mm后，進(jìn)行鉛淬火，并冷拉絲加 工至直徑：4.0mm。接著，連續(xù)進(jìn)行油淬火和在約450°C的鉛浴中的回火而進(jìn)行油回火處理 后，得到直徑4.0mm X長(zhǎng)650mm的線材。對(duì)這樣得到的線材，在400 °C進(jìn)行相當(dāng)于去應(yīng)力退火 的處理后，進(jìn)行噴丸加工，并進(jìn)行200°C的低溫退火，制作成疲勞強(qiáng)度測(cè)定用試驗(yàn)片。
[0114] 對(duì)上述試驗(yàn)片，使用中村式旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)，在公稱應(yīng)力：970MPa、轉(zhuǎn)速:4000~ 5000rpm、中止次數(shù):2X10 7次的條件下進(jìn)行試驗(yàn)。在分?jǐn)嗟脑囼?yàn)片中，分別測(cè)定以?shī)A雜物為 起點(diǎn)而發(fā)生折損的試驗(yàn)片的個(gè)數(shù)A及由于達(dá)到規(guī)定的中止次數(shù)而中止了上述試驗(yàn)的試驗(yàn)片 的個(gè)數(shù)B，按照下述式求出折損率。
[0115] 折損率（％) = [A/(A+B)]X100
[0116] 將它們的結(jié)果記載于表2中。予以說(shuō)明，表2的試驗(yàn)No.表示使用相同數(shù)字的表1的 供試鋼No.。
[0117] [表 2]
[0119]在表2的試驗(yàn)No. 1~11、17、18中均滿足本發(fā)明中規(guī)定的化學(xué)成分組成及氧化物組 成，可見(jiàn)疲勞特性優(yōu)異。
[0120]與此相對(duì)，在試驗(yàn)No. 12~16中未滿足本發(fā)明的任意要件，因此疲勞特性降低。 [0121 ] 在試驗(yàn)No . 12中，由于Si量及A1量為本發(fā)明的范圍內(nèi)，但是Si量和A1量均較低，因 此氧化物系夾雜物中的CaO量變多，疲勞特性降低。
[0122] 在試驗(yàn)No . 13中，由于Ti量及A1量為本發(fā)明的范圍內(nèi)，但是，所含的Ti和A1的量比 其他實(shí)施例多，因此氧化物系夾雜物中的Si0 2量變少，疲勞特性降低。
[0123] 在試驗(yàn)No .14中，由于Ti量少，因此氧化物系夾雜物中的T i 02量變少，疲勞特性降 低。
[0124] 在試驗(yàn)No. 15中，由于Ti量多，因此氧化物系夾雜物中的Ti02量變多，疲勞特性降 低。
[0125] 在試驗(yàn)No. 16中，由于焊渣精煉時(shí)的攪拌與其他的例子相比為弱攪拌，因此懸浮不 充分，短徑為2μπι以上的氧化物系夾雜物的個(gè)數(shù)變少，疲勞特性降低。
[0126] 參照特定的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)地說(shuō)明，但對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言明顯 可以在不脫離本發(fā)明的主旨和范圍的條件下加以各種變更、修改。
[0127] 本申請(qǐng)是基于2014年1月29日申請(qǐng)的日本專利申請(qǐng)（日本特愿2014 - 014633)的申 請(qǐng)，其內(nèi)容作為參照援引于此。
[0128] 產(chǎn)業(yè)上的可利用性
[0129] 就本發(fā)明的彈簧用鋼線而言，迄今為止，疲勞特性更為優(yōu)異，并且適合預(yù)閥彈簧、 懸架彈簧等。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種疲勞特性優(yōu)異的彈簧用鋼線材，其特征在于，以質(zhì)量％計(jì)含有 C:0.2 ~1.2% Si:1.0 ~3%、 Μη:0·1 ~2%、 Cr:3%以下且不包括0%、 Α1:0·0002 ~0.005%、 Ca:0.0002 ~0.002%、及 Ti:0.0003 ~0.010%， 余量由鐵及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成， 在與鋼材的長(zhǎng)度方向平行的截面上存在的短徑為lym以上的氧化物系夾雜物的平均組 成以質(zhì)量％計(jì)滿足 〇&0:35%以下且包括0%、厶12〇3:40%以下且包括0%、5丨〇2:30~95%、]\%0 :8%以下且 包括0 %、ΜηΟ: 5 % 以下且包括0 %、Ti02:3~10 % 及CaO+Al2〇3+Si〇2+MgO+MnO+Ti〇2彡80 %，并 且 在所述截面上存在的短徑為2μπι以上的氧化物系夾雜物的個(gè)數(shù)超過(guò)0.002個(gè)/mm2。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈簧用鋼線材，其中，所述氧化物系夾雜物的平均組成以質(zhì) 量％計(jì)還滿足Zr〇2:不足1%且不包括0%、Na2〇:不足5%且包括0%。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的彈簧用鋼線材，其還含有Ni :0.5%以下且不包括0%、Cu: 0.5%以下且不包括0%及V: 0.5%以下且不包括0%中的至少一種。4. 一種彈簧，其使用權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的彈簧用鋼線材而得到。
【文檔編號(hào)】C22C38/00GK105940132SQ201580006045
【公開(kāi)日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2015年1月29日
【發(fā)明人】杉村朋子, 島本正樹(shù), 新堂陽(yáng)介, 貝塚正樹(shù), 大脅章弘, 木村世意
【申請(qǐng)人】株式會(huì)社神戶制鋼所