專利名稱：耐疲勞特性優(yōu)異的硅鎮(zhèn)靜鋼線材和彈簧的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及耐疲勞特性優(yōu)異的硅鎮(zhèn)靜鋼線材和由此鋼線材得到的彈簧，例如作為 高強度彈簧(特別是閥彈簧)等時能夠發(fā)揮出高的耐疲勞特性，作為要求有如此特性的汽 車用發(fā)動機的閥彈簧和離合器彈簧、制動器彈簧、此外還有懸架彈簧和鋼絲簾線等的原材 有用。
背景技術(shù)：
最近，隨著汽車的輕量化和高輸出功率化的要求提高，即使在發(fā)動機和懸架等所 使用的閥彈簧和懸架彈簧等中也定向為高應力設計。因此在這些彈簧中，為了對應負荷應 力的增大，而強烈期望其耐疲勞性和抗彈減性優(yōu)異。特別是對于閥彈簧的疲勞強度增大的 要求非常強烈，即使在現(xiàn)有的鋼中被認為是疲勞強度優(yōu)異的SWOSC-V(JIS G 3566)也難以 對應。要求有高的疲勞強度的彈簧用線材，需要極力降低存在于線材中的成為折損起點 的非金屬夾雜物。從這一觀點出發(fā)，作為被用于如上述用途的鋼材，一般采用將上述非金屬 夾雜物的存在極力降低的高純凈鋼。另外，隨著原材的高強度化被實現(xiàn)，非金屬夾雜物引起 的斷線、疲勞折損的危險性提高，因此成為其主要原因的非金屬夾雜物的降低、小型化的要 求更加嚴格。從實現(xiàn)鋼材中的硬質(zhì)的非金屬夾雜物的降低、小型化這樣的觀點出發(fā)，至今為止 也提出有各種各樣的技術(shù)。例如非專利文獻1中記載，將夾雜物保持為玻璃質(zhì)，軋制時使夾 雜物微細化，和作為CaO-Al2O3-SiO2系的成分在玻璃穩(wěn)定的組成中存在夾雜物。另外還提 出，為了促進玻璃部分的變形，降低夾雜物的熔點有效(例如專利文獻1)。另外在專利文獻2中公開，通過將Ca、Mg、(La+Ce)的量控制在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，同 時適當調(diào)整鋼材的化學成分組成，且使鋼中的非金屬夾雜物的平均的組成的構(gòu)成比(Si02、 MnO、Al203、Mg0和CaO的構(gòu)成比)為適當?shù)姆秶?，由此能夠得到耐疲勞特性?yōu)異的彈簧鋼。另一方面，在專利文獻3中提出一種發(fā)揮著優(yōu)異的“回彈特性( & >9特性)”的 高強度彈簧用線材，其是控制C、Si、Mn、Cr等基本成分，并且在0. 0005 0. 005%的范圍含 有Ca、Mg、Ba、Sr之中1種以上，且使非金屬夾雜物的大小在20 μ m以下等。至今為止提出的各種現(xiàn)有技術(shù)，均是以著眼于將夾雜物組成控制在低熔點區(qū)域， 以實現(xiàn)微細化為中心。例如CaO-Al2O3-SiO2三成分系夾雜物，在一般已知的三元系相圖中， 雖然可知三成分在某一組成范圍存在低熔點區(qū)域，但在任何一種成分變高的組成中，熔點 變高將使鋼材的疲勞強度降低。這一傾向在MgO-Al2O3-SiO2三成分系夾雜物的情況下也一 樣。上述各種技術(shù)顯示的是用于提高疲勞強度等特性的方向性。然而，在熱加工時的加熱時間和溫度下，僅僅控制為例如非專利文獻1所示的這種組成，并不一定能夠維持完 全的玻璃狀態(tài)，而是會生成結(jié)晶。另外，為了應對近年來更進一步的鋼疲勞強度化的需求， 需要更為促進玻璃部的變形。此外，隨著鋼的高強度化，鋼的成分高Si化，所處的傾向是對現(xiàn)有已知的 CaO-Al2O3-SiO2系的目標組成的精確控制的難度變高，例如如專利文獻4所示，不僅需要控 制總量，而且需要進行控制溶存成分等這種高度的控制。另外，作為用于使夾雜物無害化(針對疲勞)的技術(shù)，公開有控制夾雜物組成的技 術(shù)。例如在非專利文獻1中公開，閥彈簧用鋼，若將夾雜物控制為熔點比1400 1500°C左 右更低的CaO-Al2O3-SiO2三成分系夾雜物，則其不會成為所謂疲勞破壞的起點，耐疲勞特性提尚。另外在專利文獻5中公開，在軋制鋼材的L截面中，長⑴與寬(d)的比Ι/d彡5 的非金屬夾雜物的平均組成含有SiO2 20 60%、MnO 10 80%，以及CaO :50%以下和 MgO 以下的一種或兩種，由此能夠得到冷加工性和耐疲勞特性優(yōu)異的純凈鋼。在專利文獻6中公開，在軋制鋼材的L截面中，長⑴與寬(d)的比Ι/d彡5的非 金屬夾雜物的平均組成由SiO2 35 75%、A1203 :30%以下、CaO :50%以下、MgO :25%以下 構(gòu)成，由此能夠得到冷加工性和耐疲勞特性優(yōu)異的純凈鋼。在專利文獻2中公開有含有夾雜物中的SiO2 25 75%、Al2O3 :35%以下、CaO 50%以下、MgO :40%以下的一種或兩種，MnO控制在60%以下，則疲勞強度提高。在專利文獻1中公開有將夾雜物之中熔點最高的夾雜物的熔點控制在1500°C以 下，疲勞強度提高。另外使用了特殊成分的技術(shù)有專利文獻7對Li2O組成的夾雜物控制和使專利文 獻3的鋼材中含有Ba、Sr、Ca、Mg。在這些現(xiàn)有技術(shù)中記載的是，為了促進熱軋時的夾雜物的變形，而對容易玻璃化 的組成進行控制，和此外為了促進變形而將夾雜物控制為低熔點組成。另外，作為具體的夾 雜物組成，公開有玻璃的穩(wěn)定的SiO2系復合氧化物系。但是，只借助現(xiàn)有的方法還不能順應今后更高耐疲勞特性化的需求。另外，為了進 一步促進變形，還要使夾雜物更加低熔點化，而現(xiàn)有大量通告的SiO2-Al2O3-CaO-MgO-MnO等 系，即使追求顯著的低熔點化，達到在此之上的水平也很困難。另外在上述專利文獻3中，雖然提及Ba、Sr、Ca、Mg等的利用，但只是著眼于其低 熔點化效果，另外不能活用各種成分的差異和復合化的效果，其結(jié)果是，只能成為不能實現(xiàn) 經(jīng)受得起現(xiàn)在的高要求的疲勞強度的技術(shù)。還有，非金屬夾雜物之中，大量含有Al2O3時，難以得到低熔點夾雜物，因此用于得 到如此線材的鋼材，不會采用鋁鎮(zhèn)靜鋼，而是一般采用以Si進行脫氧的所謂“硅鎮(zhèn)靜鋼”作 為原材的線材。非專利文獻1:“第182、183回西山紀念技術(shù)講座”，(社)日本鐵鋼協(xié)會編，第 131 134頁專利文獻1 特開平5-320827號公報專利文獻2 特開昭63-140068號公報專利文獻3 特開昭63-227748號公報
專利文獻4 特開平9-310145號公報專利文獻5 特開昭62-99436號公報專利文獻6 特開昭62-99437號公報專利文獻7 特開2005-29888號公報

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在這樣的狀況下而做，其目的在于，提供一種使夾雜物整體處于低熔點并 容易變形，或者使夾雜物在低熔點下容易變形，用于得到耐疲勞特性優(yōu)異的彈簧等的硅鎮(zhèn) 靜鋼線材，和由此鋼線材得到的耐疲勞特性優(yōu)異的彈簧。在這樣的狀況下，本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)，通過平衡良好地控制Sr、Si、Al、Mg、Ca的濃 度，能夠?qū)撘褐械膴A雜物控制在適當?shù)慕M成，而且在鑄造時還能夠防止有害的夾雜物的 生成。籠統(tǒng)地說，可以認為是由于氧化物的復合化帶來的低熔點化。然而，借助作為鋼中 夾雜物而盡可能控制的成分來使熔點降低，而且保持玻璃穩(wěn)定并不容易，具體的方法至今 為止尚未能實現(xiàn)。對此，本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)，這能夠通過以最優(yōu)化的平衡控制Sr、Si、Al、Mg、 Ca而實現(xiàn)。特別是在被認為與現(xiàn)有類似的Sr、Ca、Mg之中，分別控制Sr、(Mg+Ca)和均使之 含有很重要。而且，通過適當?shù)乜刂茖τ赟iO2系的玻璃的穩(wěn)定性顯現(xiàn)出復雜的影響的Al， 可以使疲勞強度顯著地提高。S卩，能夠達成上述目的的本發(fā)明的硅鎮(zhèn)靜鋼線材的第一方式具有如下幾點要旨 分別含有Sr 0. 02 20ppm( “質(zhì)量ppm”的意思，下同)、Al 1 30ppm和Si :0.2 4% (“質(zhì)量％”的意思，下同)，除此以外，還在合計0. 5 30ppm的范圍內(nèi)含有Mg和/或Ca。在上述的各種硅鎮(zhèn)靜鋼線材中，在0. 03 20ppm的范圍含有Li是優(yōu)選的實施方式。關(guān)于本發(fā)明的硅鎮(zhèn)靜鋼線材的化學成分組成，如果作為“彈簧”使用則沒有特別限 定，但作為優(yōu)選，則可列舉分別含有例如C :1. 2%以下(不含0% )、Mn :0. 1 2. 0%的鋼材。 另外，在這樣的鋼材中，也可以含有Cr、Ni、V、Nb、Mo、W、Cu、Ti、Co和稀土類元素中的1種 以上。含有這些元素時的優(yōu)選含量，根據(jù)各個元素會有所不同，但可為Cr 0. 5 3%、Ni 0. 5% 以下、V 0. 5% 以下、Nb 0. 以下、Mo 0. 5% 以下、W 0. 5% 以下、Cu 0. 以下、Ti 0. 以下、Co 0. 5%以下。另外作為降低夾雜物粘性，進一步發(fā)揮效果的元素，也可以在 0. 05%以下的程度添加REM。另外，作為本發(fā)明的第二方式，本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)，通過平衡良好地控制夾雜物中的 SiO2, A1203、MgO、CaO, MnO, SrO,會使夾雜物的熔點顯著降低?；\統(tǒng)地說，可以認為是由于氧化物的復合化帶來的低熔點化。然而，借助作為鋼中 夾雜物被盡可能控制的成分來使玻璃的穩(wěn)定的SiO2系夾雜物的熔點降低并不容易，具體的 方法至今為止尚未能實現(xiàn)。對此，本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)，這能夠通過以最優(yōu)化的平衡控制Si02、 Al203、Mg0、Ca0、Mn0、Sr0而實現(xiàn)。特別是在被認為與現(xiàn)有類似的Ba、Ca、Mg之中，分別控制 Sr, (Mg+Ca)和均使之含有很重要。而且，通過適當?shù)乜刂茖τ赟iO2系的玻璃的穩(wěn)定性顯現(xiàn) 出復雜的影響的Al (Al2O3)，可以使疲勞強度顯著地提高。S卩，能夠達成上述目的的本發(fā)明的硅鎮(zhèn)靜鋼線材的第二方式，具有如下幾點要旨
5存在于線材中的氧化物系夾雜物分別含有SiO2 :30 90% (“質(zhì)量％”的意思，下同)、A1203 2 35%、MgO :35%以下(不含0% )、Ca0:50%以下(不含0% )、Mn0:20%以下(不含 0% )和SrO :0· 2 15%，且(CaO+MgO)的合計含量為3%以上。在上述的各種硅鎮(zhèn)靜鋼線材中，存在于鋼線材中的氧化物系夾雜物還在0. 1 20%的范圍含有Li2O是優(yōu)選的實施方式。關(guān)于本發(fā)明的硅鎮(zhèn)靜鋼線材的化學成分組成，如果是彈簧用鋼則沒有特別限定， 但作為優(yōu)選，則可列舉分別含有例如C :1. 2質(zhì)量％以下(不含0% )、Si :0. 1 4. 0%、Μη 0. 1 2.0%、A1 :0.01%以下(不含0% )的鋼材。另外，在這樣的鋼材中，也可以含有Cr、 Ni、V、Nb、Mo、W、Cu、Ti、Co和稀土類元素中的1種以上的元素。上述成分以外(余量)基本上是Fe和不可避免的雜質(zhì)。還有，對夾雜物不會產(chǎn)生 很大影響的成分(例如B、Pb、Bi等)為了鋼特性提高而添加，仍可發(fā)揮本發(fā)明的效果。通過使用上述這樣的硅鎮(zhèn)靜鋼線材而成形為彈簧，能夠?qū)崿F(xiàn)疲勞強度優(yōu)異的彈
ο根據(jù)本發(fā)明的第一方式，通過含有Sr同時適當調(diào)整化學成分組成，能夠使夾雜 物的整體低熔點化而容易變形，并且即使在熱軋前和熱軋中的加熱時相分離仍難以生成 SiO2，能夠?qū)崿F(xiàn)用于得到耐疲勞特性優(yōu)異的彈簧的Si鎮(zhèn)靜鋼線材。另外，根據(jù)本發(fā)明的第二方式，通過適當控制氧化物系夾雜物的組成(以最優(yōu)化 的平衡進行復合)，從而在低熔點且熱軋時保持玻璃狀態(tài)，由此能夠促進熱軋時的夾雜物微 細化，實現(xiàn)耐疲勞特性優(yōu)異的硅鎮(zhèn)靜鋼線材。
具體實施例方式(第一實施方式)熱軋時的變形比大的線材，已知有用的是夾雜物在熱軋時伸展分裂而微細化。本 發(fā)明者們在這樣的情況之下，還考慮到凝固后的加熱、熱軋帶來的夾雜物形態(tài)的變化，就用 于使彈簧耐疲勞特性提高的各個夾雜物的組成和形態(tài)從各種角度進行研究。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 通過適當控制Sr、Al、Si、Mg、Ca的濃度，氧化物系夾雜物在熱軋時的變形得到顯著促進而 容易被微細化。歷來也已知Sr、Mg、Ca等堿土類金屬元素的微量添加對彈簧的特性提高有效(例 如前述專利文獻3)，但判明并不是無論哪個成分只要微量添加即可，而是只有通過使它們 平衡地含有，硅鎮(zhèn)靜鋼線材的耐疲勞特性才能夠顯著提高。例如CaO-Al2O3-SiO2三成分系 夾雜物，在一般已知的三元系相圖中，雖然可知三成分在某一組成范圍存在低熔點區(qū)域，但 在任何一種成分變高的組成中，夾雜物的熔點反而變高，線材的耐疲勞特性降低。對此，認 為通過適當控制Sr、Al、Si、Mg、Ca的濃度，上述三成分系夾雜物中的無論哪個成分都不會 變得過高，另外與缺失某一成分的情況相比，會成為更容易變形的夾雜物。本發(fā)明的硅鎮(zhèn)靜鋼線材，如上述平衡良好地含有Sr、Al、Si、Mg和Ca等的成分，這 些成分的范圍限定理由下述。[Sr :0· 03 20ppm]Sr是用于使夾雜物復合化而低熔點化必須的成分。若使夾雜物中含有SrO，則具 有不會使玻璃的穩(wěn)定化過度降低，而使之低熔點化的效果。另外，使Si濃度高的鋼中含有與氧的結(jié)合力強的Sr，具有的效果是，在凝固時即使SiO2濃度顯著高的夾雜物生成，也會 保持在一定程度的熔點下。為了體現(xiàn)這些效果，最低需要0.03ppm的Sr。優(yōu)選含有0. 2ppm 以上。另一方面，若Sr濃度過高，則會降低夾雜物其他的成分(Mg、Ca、Al、Si、Mn等)的濃 度，從而不能控制為熔點最低的組成。因此需要Sr濃度在20ppm以下，優(yōu)選為Sppm以下。[Al 1 30ppm]Al具有使硅鎮(zhèn)靜鋼的夾雜物組成低熔點化的效果。另外，還有在夾雜物中的CaO 等的濃度變高時抑制玻璃化的效果。此外，Al與Ca、Sr等相比是更容易在鋼中溶存的成 分，其抑制在凝固時SiO2濃度顯著高的夾雜物生成的效果高。為了體現(xiàn)這些效果，需要使 之含有Ippm以上。然而，若Al含量變高，則凝固時存在純粹的Al2O3生成的危險，因此需要 在30ppm以下。還有，為了控制為使夾雜物的熔點降到最低的最優(yōu)化的組成，優(yōu)選為20ppm 以下。[Si:0.2 4%]Si是硅鎮(zhèn)靜鋼在煉鋼時主要的脫氧劑，是用于獲得本實施方式的線材必須的元 素。另外其也有助于高強度化，從本實施方式的耐疲勞特性提高效果顯著呈現(xiàn)的點出發(fā)也 是重要的元素。此外，其在提高軟化阻抗使耐彈減性提高上也是有用的元素。為了發(fā)揮這 樣的效果，Si含量為0.2%以上(優(yōu)選為2%以上)。然而，若Si含量過剩，則在凝固時有 純粹的SiO2生成的可能性，表面脫碳和表面瑕疵增加，因此耐疲勞特性反而降低。由此，Si 為4%以下，優(yōu)選為3%以下。[Mg 和 / 或 Ca 合計 0. 5 30ppm]Mg和Ca使夾雜物成為最優(yōu)化的復合組成，是用于低熔點化所必須的元素。如果使 Ba、Mg、Ca、Al單獨含有，則成為高熔點的夾雜物。因此每一個均必須含有。另外，Mg和Ca 與氧的親和力強，其還具有的效果是，如果純粹的SiO2少量地生成時，容易將它們改質(zhì)成復 合組成。為了發(fā)揮這些效果，需要Mg和Ca(Mg、Ca單獨或并用)的含量(并用時為合計含 量)為0.5ppm以上。還有，優(yōu)選各元素至少含有0. Ippm以上(其中，合計含量為0. 5ppm 以上)而并用。然而，若這些元素過剩，則夾雜物中的其他成分的濃度變低，無法保證最優(yōu) 化的低熔點組成。因此，其上限為30ppm(優(yōu)選為20ppm以下)。在本實施方式的硅鎮(zhèn)靜鋼線材中，通過平衡良好地含有上述各成分，耐疲勞特性 便提高，但根據(jù)需要含有Li也有用。Li具有使夾雜物中的結(jié)晶微細的效果，在使玻璃穩(wěn)定 且控制在低熔點的本實施方式的鋼中，其具有的效果是，即使萬一有結(jié)晶生成時，結(jié)晶也不 會粗大。因此，含有Li也有用。為了發(fā)揮這樣的作用，優(yōu)選含有Li為0.2 20ppm，但認為 通過0. 03ppm左右的添加也會發(fā)揮一些效果，推定低濃度的添加至少不會帶來不良影響。本實施方式是設想作為彈簧的原材有用的硅鎮(zhèn)靜鋼線材而做的，對于其鋼種沒有 特別限定，但Mn是有助于鋼的脫氧元素，另外其提高淬火性而有助于強度提高。從這一觀 點出發(fā)，優(yōu)選Mn含有0. 以上的鋼種。但是，若Mn含量過剩，則韌性、延性變差，因此應該 在2%以下。關(guān)于作為彈簧用鋼的基本成分的C含量，優(yōu)選為1.2%以下。若C含量超過1.2%， 則鋼材脆化，缺乏實用性。上述基本成分以外是Fe和不可避免的雜質(zhì)(例如0.02%以下的S、0. 02%以下的 P等)，但根據(jù)需要也可以含有Cr、Ni、V、Nb、Mo、W、Cu、Ti、Co和稀土類元素(REM)中的1種
7以上。含有這些元素時的優(yōu)選含量根據(jù)各個元素而有所不同，為Cr :0. 5 3%、Ni :0.5%以 下、V :0. 5% 以下、Nb 0. 以下、Mo :0. 5% 以下、W:0. 5% 以下、Cu 0. 以下、Ti 0. 1% 以下、Co 0. 5% 以下、REM 0. 05% 以下。(第二實施方式)基于本發(fā)明者們的研究的結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，如果適當控制Sr0、Al203、Si02、Mg0、Ca0和 MnO的濃度，使氧化物系夾雜物中的各氧化物成分的比例適當化，則氧化物系夾雜物在熱軋 時的變形得到顯著促進而容易微細化。歷來，還已知使氧化物系夾雜物系中的各氧化物的比例適當，對于鋼材的特性提 高有效(例如前述專利文獻1 3、5 7)，但疲勞強度卻未必良好，而通過平衡地含有這 些元素，則判明硅鎮(zhèn)靜鋼線材的耐疲勞特性顯著提高。例如，CaO-Al2O3-SiO2三成分系夾雜 物，在一般已知的三元系相圖中，雖然可知在三成分某一組成范圍內(nèi)存在低熔點區(qū)域，但在 任何一種成分變高的組成上，夾雜物的熔點反而變高，線材的耐疲勞特性降低。本實施方式的硅鎮(zhèn)靜鋼線材，具有的一點是適當調(diào)整存在于線材中的氧化物系夾 雜物的組成，而規(guī)定構(gòu)成氧化物系夾雜物的各氧化物的含有率的理由如下。[SrO :0· 2 15% ]SrO是用于使夾雜物復合化而低熔點化必須的成分。若使夾雜物中含有SrOJlJ 具有不會使玻璃的穩(wěn)定化過度降低，而使之低熔點化的效果。為了體現(xiàn)該效果，最低需要 0.2%的31~0，優(yōu)選為以上。另一方面，若SrO的濃度變得過高，則夾雜物的熔點而反變 高。因此需要SrO在15%以下。[SiO2 :30 90% ]SiO2是使玻璃成為穩(wěn)定的夾雜物所需的不可欠缺的成分，最低需要30%。另一方 面，若SiO2含量變得過剩，則硬質(zhì)的SiO2結(jié)晶相生成，熱軋時的延伸分裂受到阻礙，因此需 要在90%以下。[Al2O3 :2 35% ]Al2O3具有使硅鎮(zhèn)靜鋼的夾雜物組成低熔點化的效果。另外，還有在夾雜物中的 CaO等的濃度變高時抑制結(jié)晶化的效果。為了體現(xiàn)這些效果，需要使之含有2%以上。然而， 若Al2O3的含量過高，則在夾雜物中Al2O3結(jié)晶生成，熱軋時的延伸分裂受到阻礙，因此需要 在35%以下。[MgO :35%以下(不含0% )、CaO :50%以下(不含0% )、MgO+CaO 合計含量為 3%以上]MgO和CaO使夾雜物成為最優(yōu)化的復合組成，是用于低熔點化所必須的成分。雖然 MgO和CaO在單獨時均為高熔點，但卻具有使SiO2系氧化物的熔點降低的效果。為了體現(xiàn) 該效果，需要含有任意一種或合計達3%以上。但是，若它們的濃度過高，則夾雜物的熔點變 高，MgO和CaO的結(jié)晶生成，阻礙熱軋時的延伸分裂。因此有上限。MgO和CaO因為在結(jié)晶 生成能上有差異，所以上限不同，MgO為35%以下，CaO為50%以下。[Mn0:20% 以下(不含 0% )]MnO具有使SiO2系氧化物的熔點降低的效果，但在高Si鋼中將其控制在過高濃度 下是不現(xiàn)實的，因此為20%以下。在本實施方式的硅鎮(zhèn)靜鋼線材中，通過平衡地含有上述各成分，耐疲勞特性就會提高，但根據(jù)需要含有Li2O也有用。含有Li2O時的范圍設定理由如下。[Li2O :0· 1 20% ]Li2O具有使夾雜物中的結(jié)晶微細的效果，在使玻璃穩(wěn)定且控制在低熔點的本實施 方式的鋼中，其具有的效果是，即使萬一有結(jié)晶生成時，結(jié)晶也不會粗大。因此，使Li2O含 有也有用。為了發(fā)揮這樣的作用，優(yōu)選含有Li2O為2%程度以上，但認為通過0. 左右的 添加也會發(fā)揮一些效果，推定低濃度的添加至少不會引起不良后果。然而，Li2O的含量超過 20 %而過剩被含有，其效果飽和。通過采用上述這樣適當調(diào)整了夾雜物中的各成分比例的硅鎮(zhèn)靜鋼進行彈簧成形， 則能夠?qū)崿F(xiàn)耐疲勞特性優(yōu)異的彈簧。本實施方式是設想作為彈簧的原材有用的硅鎮(zhèn)靜鋼線材而做的，對于其鋼種沒有 特別限定，但為了控制夾雜物組成，優(yōu)選作為脫氧成分的Si和Mn含有0. 1質(zhì)量％以上。更 優(yōu)選為Si :1. 4%以上，進一步優(yōu)選為1.9%以上。但是，這些成分若過剩地被含有，則鋼材 容易脆化，因此Si應該在4. 0%以下，Mn應該在2. 0%以下。為了進行氧化物系夾雜物的組成控制，也可以積極地含有Al，但若過多則夾雜物 中的Al2O3濃度變高，存在成為斷線的原因的粗大Al2O3生成的可能性，因此優(yōu)選在0. 01 % 以下。關(guān)于作為彈簧用鋼的基本成分的C含量，優(yōu)選為1. 2%以下。若C含量超過1. 2%, 則鋼材脆化，缺乏實用性。上述基本成分以外是Fe和不可避免的雜質(zhì)(例如0.02%以下的S、0. 02%以下 的P等)，但根據(jù)需要也可以含有Cr、Ni、V、Nb、Mo、W、Cu、Ti、Co和稀土類元素(REM)中的 1種以上。含有這些元素時的優(yōu)選含量根據(jù)各個元素而有所不同，為Cr :0. 5 3%、Ni 0. 5% 以下、V 0. 5% 以下、Nb 0. 以下、Mo 0. 5% 以下、W 0. 5% 以下、Cu 0. 以下、Ti 0. 1 %以下、Co 0. 5%以下。另外，作為降低夾雜物粘性，進一步發(fā)揮效果的元素，也可以按 0. 05%以下的程度添加REM。通過采用如上述第一和第二實施方式這樣適當調(diào)整了化學成分的硅鎮(zhèn)靜鋼線材 進行彈簧成形，則能夠?qū)崿F(xiàn)耐疲勞特性優(yōu)異的彈簧。以下，列舉實施例更具體地說明本發(fā)明，但本發(fā)明當然不受下述實施例限制，在能 夠符合前述后的宗旨的范圍內(nèi)當然也可以適當加以變更實施，這些均包含在本發(fā)明的技術(shù) 范圍內(nèi)。實施例(實施例1)實驗以實機(或?qū)嶒炇壹?實施。即，實機是將以轉(zhuǎn)爐熔煉的鋼液出鋼到鑄桶中 (實驗室是熔煉500kg的鋼液，其模擬從轉(zhuǎn)爐出鋼的鋼液)，添加各種助劑而進行成分調(diào)整， 實施電極加熱和吹氬(argon bubbling)，實施鋼液處理(熔渣精煉)。另外，調(diào)整了其他的 成分后，根據(jù)需要在鋼液處理中添加Ca、Mg、Ce、Ba、Li等，保持5分鐘以上。對得到的鋼錠 進行鍛造和熱軋而成為直徑8. Omm的線材。對于得到的各鋼線材，以下述的方法測定鋼中的Sr和Li的含量，并且進行模擬閥 彈簧的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗的評價試驗。(鋼中的Sr和Li的含量)
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1)含量為0. 2ppm(mg/kg)以上時(定量下限值為0. 2ppm)從作為對象的線材上提取試料0. 5g放進燒杯，加入純水、鹽酸和硝酸進行加熱分 解。放冷后，移入IOOmL(毫升)的量瓶中，作為測定溶液。用純水稀釋該測定溶液，使用 ICP質(zhì)譜分析裝置(型號SPQ8000 精工電子公司制)，定量分析Sr和Li。2)含量低于0. 2ppm(mg/kg)時(定量下限值為0. 03ppm)從作為對象的線材上提取試料0. 5g放進燒杯，加入純水、鹽酸和硝酸進行加水分 解。其后添加鹽酸調(diào)整酸濃度，添加甲基異丁基酮(MIBK)并振蕩，將鐵分提取到MIBK相 中。靜置后，只取出水相，移入IOOmL的量瓶中，作為測定溶液。用純水稀釋該測定溶液，使 用ICP質(zhì)譜分析裝置(型號SPQ8000 精工電子公司制)，以上述的條件定量分析Sr和Li。[疲勞強度試驗(斷裂率)]對于各熱軋線材(直徑8. Omm)，經(jīng)削皮(直徑7. 4mm)—拉絲后退火 (patenting)—冷拉絲加工(直徑4mm)—油回火[油淬火和鉛浴(約450°C )連續(xù)回 火工序]制作直徑4.0mmX650mm的鋼絲。對于得到的鋼絲，進行相當于去應力退火的處 理(400°C)—噴丸處理一低溫退火200°C后，采用中村式旋轉(zhuǎn)彎曲試驗機，以常規(guī)應力 908MPa、轉(zhuǎn)速4000 5000rpm、停止次數(shù)2X 107次進行試驗。然后，對于斷裂的之中夾雜 物折損的鋼絲，根據(jù)下式求得斷裂率。斷裂率(％ )=[夾雜物折損個數(shù)/(夾雜物折損個數(shù)+達到規(guī)定次數(shù)停止的個 數(shù))]XlOO這些結(jié)果與各線材的化學成分組成一起顯示在下述表1中。還有，關(guān)于Sr和Li 以外的元素，由下述的方法測定。C 燃燒紅外線吸收法Si、Mn、Ni、Cr、V 和 Ti =ICP 發(fā)射光譜分析法Al、Mg、Zr 和 REM ICP 質(zhì)譜分析法Ca:無火焰原子吸收法0:惰性氣體熔融法[表1]
S No.化學成分 成(用Al. Sr. Ca. HgiJLiiiSSρρη)斷CSiMnPSAlSrCaMgLi10. 62. 20, 50. 010. 018260. 3--620. β1. S0. 70. Ο 0. 0110130--630. 80. 20. 50. 010. 0151. 30. 63--€40. 71. 60. 70. 010. 01321. 660. 2--3750. 62. 40. 30. 010. 012476--960. 61. 90. 90. 010. 012370. 3--1070. 71. 50. 70. 010. 010. 44100. 1--33a0. 51. 60. 70. 010. 01112361-—5190. 71. 50. 70. 010. 01181860, 3--11101. O2. O1. 60. 010. 01100. 040. 36--10110. 52. O0. 90. 010. 01θ050--25120. 52. O0. θ0. 010. 0114060, 3--23130. 62. 40. 40. 010. 0220151510--8140. 62. 40. 50. 010. 0161300--33150. θ1. 60. 70. 010. 018101619--35160. 61. 60. 70. 010. 01570. 30--38170. 61. 60. 70. 010. 0135350. 3-—34180. 62. 00. 90. 010. 012470. 525-5190. 72. O0. 90. 010. 01135117-6200. 62. 40. 50. 010. 0194420. 5-6210. 52. 00. 70. 010. 0130. 1050. 03-7220. €2. 00. θ0. 010. 01β260. 4-Cr:0. 9 Ni:0. 25, V: 0. 15230. 61. 50. 70. 010. 02103O-Cr:0. 65、V:0. 16240. 61. 90. 90. 010. 01230. 47-V:0. 5、Mo:0. 3β260. 62. 40. 40. 020. 0120131610-V:0. 5、Ti:0. 01. W:0. 003θ260. 62. 40. 50. 0010. 0194420, 5Cr;3vNb:0. 1,Co:0. 014270. 81. 50. 70. 010. 01103O-Ni:0. 5.Ce:0. 00056
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由這些結(jié)果能夠進行如下考察。試驗No. 1 3、5、6、9、10、13、18 27，可知化學 成分組成適當，夾雜物組成也被控制在適當?shù)姆秶軌虻玫搅己玫钠趶姸?。相對于此，?的試驗No. 4、7、8、11、12、14 17，化學成分脫離適當?shù)姆秶?，夾雜 物的組成沒有控制在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，因此疲勞試驗結(jié)果不良。試驗No. 4、7，雖然Sr、Ca和Mg得到了適當?shù)目刂?，但Al濃度或高或低，斷裂率高。試驗No. 8、11、12，Sr濃度或高或低，斷裂率高。No. 14、16，雖然Ba和Al濃度適當，但Ca和Mg的濃度低，斷裂率高。試驗No. 15、17，雖然Ba和Al濃度適當，但Ca和Mg的濃度過高，折損率高。還有， 試驗No. 18，Li濃度脫離了優(yōu)選的上限，與No. 19相比，效果飽和。如此可知，需要對Sr、Ca、Mg和Al的全部進行適當?shù)目刂啤?實施例2)實驗以實機或?qū)嶒炇壹墝嵤?。即，實機是將以轉(zhuǎn)爐熔煉的鋼液出鋼到鑄桶中(實 驗室是熔煉500kg的鋼液，其模擬從轉(zhuǎn)爐出鋼的鋼液)，添加各種助劑而實施成分調(diào)整、適 宜電極加熱和(吹氬)，實施鋼液處理(熔渣精煉)。另外，根據(jù)需要在鋼液處理中添加Ca、 Mg、Ce、Sr、Li等合金元素。接著，鑄造該鋼液成為鋼錠(實驗室級以能夠得到與實機同等 的冷卻速度的鑄模進行鑄造)。對得到的鋼錠進行鍛造和熱軋而成為直徑8. Omm的鋼線材。對于得到的各鋼線材，測定線材中的氧化物夾雜物的組成，并且進行模擬閥彈簧 的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗的評價試驗。其測定方法如下述。[夾雜物組成(但除去LiO2)]研磨熱軋的各鋼線材的L截面(含軸心的截面)，對于該研磨截面存在的氧化物系 夾雜物300個，以EPMA(Electron Probe Micro analyzer)進行組成分析，換算成氧化物， 求得其平均值。還有，S濃度為5%以下的為氧化物系夾雜物。這時的EPMA的測定條件如 下。EPMA裝置JXA-8621MX(日本電子株式會社制)分析裝置(EDS):TN-5500 (Tracor Northern 公司制)加速電壓20kv掃描電流5nA測定方法以能量色散分析進行定量分析(測定粒子全域)[Li2O 的測定]夾雜物中的Li2O濃度不能用EPMA測定，因此獨自開發(fā)基于SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy 二次離子質(zhì)譜法)的分析法，按下述的順序進行測定。(1) 一次標準試料1)首先，通過EDX、EPMA等分析鋼中夾雜物的CaO、MgO、A1203、MnO、SiO2、SrO等的 各濃度。2)大量制作與除去了 Li2O的夾雜物為同組成的合成氧化物，和在其中添加了各種 Li2O的合成氧化物，通過化學分析定量分析其Li2O濃度，制作標準試料。3)測定制作的各合成氧化物的Li對Si的相對二次離子強度。4)畫出Li對Si的相對二次離子強度，和上述1)中進行了化學分析的Li2O的濃 度的檢量線。
(2) 二次標準試料(測定環(huán)境修正用)5)作為測定時的環(huán)境修正用，另行制作在Si晶片上離子注入有Li離子的標準試 料，測定Li對Si的相對二次離子強度，在實施上述2)時修正。(3)實際的測定6)測定鋼中夾雜物的Li對Si的相對二次離子強度，通過上述4)求得的檢量線求 得Li2O濃度。[疲勞強度試驗(斷裂率)]對于各熱軋線材(直徑8. Omm)，經(jīng)削皮(直徑7. 4mm)—拉絲后退火 (patenting)—冷拉絲加工(直徑4mm)—油回火[油淬火和鉛浴(約450°C )連續(xù)回火 工序]制作直徑4.0mmX650mm的鋼絲。對于得到的鋼絲，進行相當于去應力退火的處理 (4000C )—噴丸處理一低溫退火后，采用中村式旋轉(zhuǎn)彎曲試驗機，以常規(guī)應力908MPa、轉(zhuǎn) 速4000 5000rpm、停止次數(shù)2X 107次進行試驗。然后，對于斷裂的之中夾雜物折損的 鋼絲，根據(jù)下式求得斷裂率。斷裂率(％ )=[夾雜物折損個數(shù)/(夾雜物折損個數(shù)+達到規(guī)定次數(shù)停止的個 數(shù))]XlOO鋼線材的化學成分組成與熔煉時的熔渣組成一起顯示在下述表1中，各鋼線材的 夾雜物組成和耐疲勞特性(斷裂率)分別顯示在下述表2中。[表2]
權(quán)利要求
一種耐疲勞特性優(yōu)異的硅鎮(zhèn)靜鋼線材，其特征在于，是以質(zhì)量％計含有C1.2％以下但不含0％、Si0.1～4.0％、Mn0.1～2.0％、Al0.01％以下但不含0％，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)的鋼材，其中，存在于線材中的氧化物系夾雜物以質(zhì)量％計含有SiO230～90％、Al2O32～35％、MgO35％以下但不含0％、CaO50％以下但不含0％、MnO20％以下但不含0％和SrO0.2～15％，并且(CaO+MgO)的合計含量以質(zhì)量％計為3％以上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅鎮(zhèn)靜鋼線材，其特征在于，存在于線材中的氧化物系夾雜 物還以質(zhì)量％計在0. 1 20%的范圍內(nèi)含有Li20。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硅鎮(zhèn)靜鋼線材，其特征在于，還含有Cr、Ni、V、Nb、Mo、W、 Cu、Ti、Co和稀土類元素中的1種以上的元素。
4.一種彈簧，其特征在于，由權(quán)利要求1 3中任一項所述的硅鎮(zhèn)靜鋼線材得到。
全文摘要
提供一種用于得到耐疲勞特性優(yōu)異的彈簧的硅鎮(zhèn)靜鋼線材，和由此鋼線材得到的耐疲勞特性優(yōu)異的彈簧。本發(fā)明的硅鎮(zhèn)靜鋼線材，除了分別含有Sr0.03～20ppm(“質(zhì)量ppm”的意思，下同)、Al1～30ppm和Si0.2～4％(“質(zhì)量％”的意思，下同)以外，還在合計0.5～30ppm的范圍內(nèi)含有Mg和/或Ca。另外，本發(fā)明的硅鎮(zhèn)靜鋼線材，存在于線材中的氧化物系夾雜物分別含有SiO230～90％、Al2O32～50％、MgO35％以下(不含0％)、CaO50％以下(不含0％)、MnO20％以下(不含0％)和SrO0.2～15％，且(MgO+CaO)的合計含量為3％以上。通過由這種鋼線材成形彈簧，能夠得到耐疲勞特性優(yōu)異的彈簧。
文檔編號F16F1/02GK101982555SQ20101056951
公開日2011年3月2日 申請日期2007年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月28日
發(fā)明者坂本浩一, 杉村朋子 申請人:株式會社神戶制鋼所