專利名稱：：高強度彈簧用熱處理鋼的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及適于在熱態(tài)或冷態(tài)下巻繞，特別是在冷態(tài)下巻繞、并進行氮化處理的、具有高強度和高韌性的高強度彈簧用熱處理鋼。
背景技術：
：伴隨汽車的重量減輕和高性能化，彈簧也高強度化，在熱處理后抗拉強度超過1500MPa那樣的高強度鋼被用作彈簧。近年來，還需求抗拉強度超過2100MPa的鋼線。這是為了即使在制造彈簧時由于消除應力退火和氮化處理等加熱而稍微發(fā)生軟化，也可確保作為彈簧不出現(xiàn)問題的材料硬度。另外已知，采用氮化處理、噴丸硬化時，表層硬度提高，彈簧疲勞耐久性格外地提高，但關于彈簧的彈力減弱特性，并不由表層硬度決定，彈簧坯料內(nèi)部的強度或硬度影響很大。因此，調(diào)成可將內(nèi)部硬度維持得非常高的成分是重要的。作為其方法有下述發(fā)明(參照例如特開昭57-32353號〃>報)通過添加V、Nb、Mo等元素，使其生成經(jīng)淬火而固溶、經(jīng)回火而析出的孩史細碳化物，由此限制位錯的移動，使耐彈力減弱特性提高。另一方面，在鋼巻簧的制造方法中，有加熱至鋼的奧氏體區(qū)以進行巻繞，然后進行淬火回火的熱態(tài)巻繞、和在冷態(tài)下巻繞預先對鋼實施淬火回火的高強度鋼線的冷態(tài)巻繞。采用冷態(tài)巻繞時，在制造鋼線時能夠采用可快速加熱快速冷卻的油回火處理和高頻處理等，因此能夠減小彈簧材料的原始奧氏體粒徑，結果可以制造斷裂特性優(yōu)異的彈簧。而且，可以簡化彈簧制造線上的加熱爐等設備，因此對于彈簧制造廠來說也具有降低設備成本等優(yōu)點，最近正在進行彈簧的冷態(tài)化。對于懸架彈簧，與閥簧相比，雖然線材可以使用較粗的鋼線，但是由于上述優(yōu)點，因此正被引入冷態(tài)巻繞。但是，冷態(tài)巻繞彈簧用鋼線的強度增大時，冷態(tài)巻繞時發(fā)生折損，不能成形為彈簧形狀的情況也較多。迄今為止，由于不能兼?zhèn)鋸姸群图庸ば?，因此不得不采用工業(yè)上可以說是不利的加熱巻繞、巻繞后的淬火回火等方法來使強度和加工性兼?zhèn)?。另外，在冷巻加工高強度的熱處理鋼線，并進行氮化以確保強度的場合，可以認為，大量添加在鋼中可析出微細碳化物的V、Nb等所謂的合金元素是有效的。但是，現(xiàn)實中大量添加時，在淬火時的加熱中不能固溶，從而粗大地長大，成為所謂的未溶解碳化物，成為冷態(tài)下巻繞時的折損原因。因此，也可看到著眼于未溶解碳化物的技術。有下述發(fā)明(參照例如特開2002-180198號7>才艮)通過不只控制這樣的合金元素，也控制鋼中較多地存在的以滲碳體為中心的碳化物來謀求性能提高。在這些發(fā)明中，對球狀碳化物進行了詳細規(guī)定，從而謀求兼?zhèn)浼庸ば院蛷椈筛邚姸然?，但即使抑制這種比較明確的球狀碳化物(合金系、滲碳體系)的碳化物，在進一步高強度化和提高彈簧性能上也存在極限。即，這些規(guī)定抑制缺陷、抑制加工性劣化的方面很強，在彈簧性能的直接強化上還存在極限。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供可在冷態(tài)下巻繞的、能夠兼?zhèn)涑浞值某貜姸群蛶喞@加工性的抗拉強度為2000MPa以上的、經(jīng)彈簧成形后的熱處理能夠提高彈簧性能的彈簧用熱處理鋼。本發(fā)明者們通過控制迄今未被關注的鋼中Fe碳化物的行為，開發(fā)了盡管是高強度，但韌性和加工性均優(yōu)異的熱處理鋼。另外，本發(fā)明對成形后的彈簧內(nèi)部的材質(zhì)控制也有效。本發(fā)明的方案如下。(l)一種高強度彈簧用熱處理鋼，其特征在于，按質(zhì)量％計，含有C:0.4~0.9%、Si:1.7~3.0%、Mn:0.1~2.0%,并且將N限制在0.007%以下，其余量由Fe及不可避免的雜質(zhì)構成,根據(jù)熱處理后的萃取殘渣分析值，/[鋼電解量x100<1.1。(2)根據(jù)上述(1)所述的高強度彈簧用熱處理鋼，其特征在于，按質(zhì)量％計，進一步含有Cr:0.5~2.5%、V:0.02~0.1%、Nb:0.001%~小于0.05%、Ti:0.001%~小于0.05%、W:0.05~0.5%、Mo:0.05~0.5%、Ta:0.001~0.50/0、Ni:0.05~3.0o/o、Cu:0.05~0.5o/o、Co:0.05~3.0o/o、B:0.0005~0.006%、Te:0.0002~0.01%、Sb:0.0002~0.01%、Mg:0.0001~0.0005%、Zr:0.0001~0.0005%、Ca:0.0002~0.01%、Hf:0.0002~0.01%之中的1種或2種以上。(3)根據(jù)上述(1)或(2)所述的高強度彈簧用熱處理鋼，其特征在于，進而按質(zhì)量％計將Al限制在0.005%以下。(4)一種高強度彈簧用熱處理鋼，其特征在于，具有上述(l)~(3)中的任一項所述的鋼成分，淬火回火后的原始奧氏體晶粒度號為10號以上，殘余奧氏體為15質(zhì)量％以下。圖1是說明通過電解(速度法)進行的Fe分析中的0.2jum過濾器上的Fe量分析方法的模式圖。具體實施例方式本發(fā)明者們發(fā)明了一種彈簧用熱處理鋼，其中，為了得到高強度而規(guī)定化學成分，且通過熱處理來控制鋼中碳化物形狀，并確保足夠制造彈簧的巻繞特性，與此同時通過彈簧加工后的退火等熱處理，可提高彈簧性能。以下示出其詳細情況。首先，對鋼的化學成分進行說明。C:0.4~0.9%C是對鋼材的基本強度產(chǎn)生很大影響的元素，歷來為了得到充分的強度而將其確定為0.4~0.9%。在不足0.4%時，不能得到充分的強度。尤其是在省略了用于提高彈簧性能的氮化的場合，為了確保充分的彈簧強度，需要0.4y。以上的C。在超過0.9%時，實質(zhì)上變?yōu)檫^共析，會大量析出粗大的滲碳體，因此使韌性顯著降低。這會同時使巻繞特性下降。因此C量的上限確定為0.9%。此外，由于與顯微組織的關系密切，在不足0.4%時碳化物數(shù)量少，因此碳化物分布局部地比其它部分少的區(qū)域(以下稱為碳化物稀薄區(qū))的面積率容易增加，；f^獲得充分的強度和韌性或巻繞性(延性)。因此，優(yōu)選為0.55%以上，從強度-巻繞的平衡的觀點出發(fā)，進一步優(yōu)選為0.6%以上。此外，在考慮鋼中c的行為時，c通過在直到彈簧制成為止的淬火回火等的熱處理，在鋼中與Fe或其它合金元素結合，形成碳化物。作為其與Fe結合而成的碳化物，為s碳化物(FenC:n<3)、6碳化物(所謂的滲碳體)等，s碳化物在較低的回火溫度下生成，其后溫度變高時，C開始生成滲碳體?？梢哉J為在緩慢提高溫度，s碳化物消失，生成滲碳體的過程中鋼脆化。于是，通過大量添加Si等，抑制滲碳體的生成，并進行適宜的熱處理，能夠使高強度和高韌性兼?zhèn)?。另一方面，在C量多的場合，合金系、滲碳體系的碳化物，存在在淬火時的加熱中固溶變得困難的傾向，在熱處理中的加熱溫度高的場合、加熱時間短的場合，強度和巻繞性不足的情形也很多。此外，在通過高速短時間加熱來熱處理的工業(yè)制造線中，由不充分的加熱所導致的未溶解碳化物容易殘留。該未溶解碳化物在Fe系和V等合金系這兩方中都可看到，其本身不僅成為應力集中點，也影響周邊的C濃度，生成在顯^:組織中碳化物的分布比其它地方少的、所謂的碳化物稀薄區(qū)，使機械性能下降。即，鋼中C形成未溶解碳化物時，基體中的C實質(zhì)上減少，因此碳化物的分布比其它地方少的、所謂的碳化物稀薄區(qū)的面積率有時增加。由于該碳化物稀薄區(qū)使機械性質(zhì)降低，因此必須極力避免，為此，優(yōu)選避免未溶解碳化物等的鋼中C分布不均的物質(zhì)。象彈簧鋼那樣，C量增加時，回火時的馬氏體形態(tài)，對于中碳鋼而言為一般的板條馬氏體，與此相對，在c量多的場合，已知使其形態(tài)變成透鏡馬氏體。經(jīng)研究開發(fā)結果發(fā)現(xiàn)，將透鏡馬氏體回火而使之生成的回火馬氏體組織的碳化物分布，與將板條馬氏體回火的場合的回火馬氏體組織的碳化物分布相比，碳化物密度低。因此，通過增加c量，由于透鏡馬氏體和未溶解碳化物增加，從而也有時碳化物稀薄區(qū)增加。因此，通過優(yōu)選為0.7%以下、進一步優(yōu)選為0.65%以下，能夠較容易地抑制滲碳體生成，使未溶解碳化物和碳化物稀薄區(qū)減少，可獲得強度、韌性和加工性。Si:1.7~3.0%Si是為了確保彈簧的強度、硬度和耐彈力減弱性而必需的元素，其少于1.7%的場合，必要的強度和耐彈力減弱性不足，因此下限確定為1.7%。特別是本發(fā)明中，為了謀求采用s碳化物的高強度化和加工性的兼?zhèn)?，對其行為造成影響的Si量是重要的。即，若大量添加Si，則提高滲碳體的生成溫度，在用于得到一般的彈簧坯料強度的淬火回火中，在較高溫度的回火溫度、退火溫度下也難以生成滲碳體。由此可防止鋼的脆化，使高強度和良好的加工性兼?zhèn)?。另外，Si具有將晶界的鐵碳化物系析出物球化、微細化的效果，具有在細化鐵系碳化物的同時，還減小晶界析出物的晶界占有面積率的效果。但是，大量地過度添加時，不僅使材料硬化，而且發(fā)生脆化。因此，為了防止淬火回火后的脆化，上限確定為3.0%。這里，所謂鐵系碳化物，除了所謂的滲碳體以外，還包括被稱為s-碳化物的Fe2—3C等。此外，Si是也有助于抗回火軟化的元素，優(yōu)選在制作高強度線材時某種程度地大量添加。具體地，優(yōu)選添加2%以上。另一方面，為了得到穩(wěn)定的巻繞性，優(yōu)選為2.6%以下。Mn:0.1~2.0%Mn在脫氧和將鋼中S以MnS形式固定的同時，提高淬透性而充分獲得熱處理后的石更度，因此一皮較多地采用。為了確保其穩(wěn)定性，下限確定為0.1%。另外，為了防止由Mn引起的脆化，上限確定為2.0%。此外，為了兼?zhèn)鋸姸群蛶喞@性，優(yōu)選為0.3~1%。另外，在使巻繞性優(yōu)先的場合，確定為1.0%以下是有效的，而進一步減少是有效的。N:限制在0.007。/。以下在本發(fā)明中，對N規(guī)定了嚴格的限制值，規(guī)定為N《0.007。/。。鋼中N的影響如下(1)在鐵素體中以固溶N形式存在，通過抑制鐵素體中的位錯移動，而使鐵素體硬化；(2)與Ti、Nb、V、Al、B等合金元素生成氮化物，影響鋼材的性能，其機理等在后文敘述；(3)影響滲碳體等鐵系碳化物的析出行為，影響鋼材性能。在彈簧鋼中，由于利用C、Si、V之類的合金元素確保強度，因此固溶N的硬化效果不大。另一方面，在考慮彈簧的冷加工(巻繞加工)的場合，通過抑制位錯的移動，來抑制加工部的變形，會使加工部脆化，因此使巻繞加工特性降低。另外，在發(fā)明方案(2)的規(guī)定元素中，V、Ti、Ta在鋼中在高溫下生成析出物。其化學成分在高溫下以氮化物為主體，隨著冷卻會4吏其形態(tài)變成碳氮化物、碳化物。特別是在高溫下生成的V系氮化物容易成為V碳化物的析出核，這在鉛浴淬火、泮火過程中的加熱時容易生成未溶解碳化物，而且由于其成為核，所以容易使其尺寸長大。此外，從滲碳體的觀點看，如本發(fā)明那樣的高強度彈簧，根據(jù)其要求強度在回火溫度為300500'C的條件下進行回火。彈簧鋼從其特征性的成分系來看，在回火時生成的鐵系碳化物其形態(tài)復雜地變化為e-碳化物、6碳化物(所謂的滲碳體Fe3C)。因此，給鋼的延性等機械性能帶來影響。N也影響其碳化物的生成，N量少會使在350~500'C下的延性及初性提高。此外，N超過0.007。/o時，容易生成V系氮化物，較多地生成未溶解碳化物，或根據(jù)鐵素體和碳化物的形態(tài)有時鋼發(fā)生脆化。在本發(fā)明中，為了減小這樣的N的有害性，將N量限制為N<0.007%。進而N量優(yōu)選抑制在0.004%以下。此外，如后述那樣，孩i量添加Ti、Ta、Nb中的任l種或2種以上也有效。從這樣的理由出發(fā)，N量的上限優(yōu)選為0.005%以下、進一步優(yōu)選為0.004%以下。通過這樣精密的N控制，可在抑制4失素體脆化的同時，抑制V系氮化物的生成從而抑制未溶解碳化物的生成和長大。另夕卜，通過控制鐵系碳化物的形態(tài)，能夠提高韌性。這樣，即使添加Ti、Ta或Nb的場合，考慮到熱處理等的容易性，N量也優(yōu)選為0.005%以下。N量少較為理想，雖然說可以實質(zhì)上為0，但在煉鋼工序等中容易從大氣中混入N，所以考慮制造成本和脫氮工序的容易性，優(yōu)選為0.0015%以上。對于規(guī)定為根據(jù)熱處理后的萃取殘渣分析值，、沖擊值(2)退火后、硬度、抗拉強度、斷面收縮率淬火回火后的拉伸試驗，為抗拉強度及作為彈簧加工性的指標的斷面收縮率。為了基本上超過2200MPa而進行淬火回火處理后，根據(jù)JISZ22019號試片作成試片，按照JISZ2241進行試驗，由其斷裂載荷算出抗拉強度。另外，近年來，為了彈簧的高強度化，對表層通過氮化來實施硬化處理的情形較多。氮化是在氮化氣氛氣體中將彈簧加熱至400500'C，保持數(shù)分鐘~1小時左右，從而使表層硬化。此時，由于氮未侵入的內(nèi)部祐力口熱，因此被退火而發(fā)生軟化。抑制其軟化很重要，因此，將模擬了氮化的退火后的硬度(抗軟化性的指標)、抗拉強度、屈服點作為評價項目。氮化退火后的鋼，為與彈簧內(nèi)部同樣的材質(zhì)，屈服點高意味著彈簧耐久性優(yōu)異。此外，實際的彈簧，一般是通過噴丸硬化來賦予壓縮殘余應力，但壓縮殘余應力與屈服點成比例地增大，屈服點大時壓縮殘余應力大，而且殘佘應力層也變深。這樣地容易殘留壓縮殘余應力也是提高實際的彈簧的耐久性的一個原因。拉伸試驗方法拉伸試驗根據(jù)JIS標準進行，通過安裝引伸計并進行拉伸，測定屈服點和抗拉強度二者。在屈服點不明確的場合，以0.2。/。彈性極限應力作為屈服點而進行測定。另外，測定斷面收縮率，作為評價加工性的指標。結果的解說表1和表2是良明例及比較例，分別對同樣成分的坯材只改變回火溫度，制成2種水平的實施例，在低溫U20'C)回火的實施例M明例(實施例l、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25)，在高溫(520。C)回火的例子是比較例(比較例2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26)。關于石更度，形成為根據(jù)化學成分而不同的水平，但分別過濾了電解液的0.2jim過濾器上的殘渣中的Fe量按照規(guī)定那樣的發(fā)明例，其硬度比比較例的高，是硬質(zhì)的，沖擊值提高。另外，作為加工性的指標的斷面收縮率值也提高一些，盡管為高強度，但是韋刃性和加工性均優(yōu)異。比較例，由于滲碳體大量析出且長大，因此過濾器上的Fe量多，為^，在強度方面也不充分，強度和韌性及加工性均差。表3~6進而考慮熱處理速度，進行了才莫擬實際的工業(yè)的油回火處理(輻射爐(OT)處理、高頻(IQT)處理)的熱處理，而且，也進4亍才莫擬氮化的退火，評價各成分的影響等。為了使熱處理速度合乎油回火處理，因此材料經(jīng)熔煉、鍛造后進行拉拔線，制作成①4mm，使之可高速短時間加熱處理。成為本發(fā)明的特點的、電解后的0.2jam過濾器上的Fe量增加的原因，可以認為是滲碳體的大量生成和未溶解碳化物所致。在該二者被抑制的場合，可以得到兼?zhèn)鋸姸群图庸ば缘牧己玫臒崽幚礓摗＿@在退火后的材質(zhì)評價中也同樣，如發(fā)明例2767所看到的那樣，對于彈簧，如果過濾器上的殘渣中的Fe量少，則不脆化，即使在高強度下也能得到良好的韌性。采用輻射爐處理(OT)和高頻處理(IQT)時，雖然淬火回火條件不同，但其傾向不變。即，高頻處理與輻射爐處理相比，淬火回火中的加熱溫度為高溫、且短時間處理，但如果能夠抑制過濾器上的殘渣中的Fe量，則能夠獲得高強度且高韌性。另一方面，No.68~81所表示的比較例，在鋼熔煉后的熱過程中，在滲碳體、未溶解碳化物容易殘留的條件下制造，電解萃取后的殘渣中Fe量多，在強度、脆性及加工性上存在問題。即，是直到制造為止的中間工序中的處理溫度低，未溶解碳化物殘留的情況、和回火溫度高、較多地生成滲碳體的例子。通過這些不適宜的熱過程，不能夠使強度和韌性及加工性兼?zhèn)?。此外，比較例80、81分別為奧氏體粒徑過大的例子、及殘余奧氏體過多的例子。提高淬火時的加熱溫度的場合，也沒有看到未溶解碳化物，電解萃取殘渣中的Fe量少，但其硬度W口工性都比發(fā)明例差。另夕卜，在殘余奧氏體多的場合，在產(chǎn)生敲擊缺陷等的環(huán)境下加工性差。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage30</column></row><table>表4<table>tableseeoriginaldocumentpage31</column></row><table>札4(注)電解過濾器Fe量[O.2/zm過濾器上的殘渣中的Fe量]/[鋼電解量XlOO表5-<table>tableseeoriginaldocumentpage32</column></row><table>表6<table>tableseeoriginaldocumentpage33</column></row><table>(注)電解過濾器Fe量[O.2"m過濾器上的殘渣中的Fe量]/[鋼電解量]XlOO200780000479.7勢溢1被31/32:a;工業(yè)實用性本發(fā)明鋼，通過不僅減小奧氏體粒徑、殘余奧氏體量，而且主動利用所規(guī)定的以往忽視的可能性高的、淬火回火后所看到的S碳化物，可提高將強度高強度化至2000MPa以上的鋼線的韌性，而且可使彈簧成形(巻繞)容易進行。因此，可獲得可制成具有高強度-高韌性的彈簧這一顯著的效果。本發(fā)明中表示數(shù)值范圍的"以上"和"以下"均包括本數(shù)。權利要求1.一種高強度彈簧用熱處理鋼，其特征在于，按質(zhì)量％計，含有C0.4～0.9％、Si1.7～3.0％、Mn0.1～2.0％，并且將N限制在0.007％以下，其余量由Fe及不可避免的雜質(zhì)構成，根據(jù)熱處理后的萃取殘渣分析值，/[鋼電解量]×100≤1.1％。2.根據(jù)權利要求1所述的高強度彈簧用熱處理鋼，其特征在于，按質(zhì)量％計，進一步含有Cr:0.5~2.5%、V:0.02~0.1%、Nb:0.001%~小于0.05%、Ti:0.001%~小于0.05%、W:0.05~0.5%、Mo:0.05~0.5%、Ta:0.001~0.5°/0、Ni:0.05~3.0o/o、Cu:0.05~0.5o/o、Co:0.05~3.0o/o、B:0.0005~0.006%、Te:0.0002~0.01%、Sb:0.0002~0.01%、Mg:0.0001~0.0005%、Zr:0.0001~0.0005%、Ca:0.0002~0.01%、Hf:0.0002~0.01%之中的1種或2種以上。3.根據(jù)權利要求1或2所述的高強度彈簧用熱處理鋼，其特征在于，進而按質(zhì)量。/。計將Al限制在0.005%以下。4.一種高強度彈簧用熱處理鋼，其特征在于，具有權利要求1~3中的任一項所述的鋼成分，淬火回火后的原始奧氏體晶粒度號為IO號以上，殘余奧氏體為15質(zhì)量％以下。全文摘要本發(fā)明提供可在冷態(tài)下卷繞的、可兼有充分的抗拉強度和卷繞加工性的抗拉強度為2000MPa以上的、通過彈簧成形后的熱處理可提高作為彈簧的性能的彈簧用熱處理鋼，本發(fā)明的高強度彈簧用熱處理鋼，其特征在于，按質(zhì)量％計，含有C0.4～0.9％、Si1.7～3.0％、Mn0.1～2.0％，并且將N限制在0.007％以下，其余量由Fe及不可避免的雜質(zhì)構成，根據(jù)熱處理后的萃取殘渣分析值，/[鋼電解量]×100≤1.1％。文檔編號C21D9/52GK101321885SQ200780000479公開日2008年12月10日申請日期2007年3月29日優(yōu)先權日2006年3月31日發(fā)明者橋村雅之,萩原博,越智達朗,金須貴之申請人:新日本制鐵株式會社