專利名稱：：耐疲勞特性優(yōu)異的高潔凈度彈簧用鋼和高潔凈度彈簧的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及耐疲勞特性優(yōu)異的高潔凈度彈簧用鋼和高潔凈度彈簧。更詳細(xì)地說，本發(fā)明涉及硬質(zhì)、延性極小、非金屬夾雜物被降低、疲勞特性得到提高的高潔凈度彈簧用鋼，和使用該鋼得到的耐疲勞特性優(yōu)異的高潔凈度彈簧。
背景技術(shù)：
：近年來，例如在汽車領(lǐng)域，隨著輕量化和高輸出功率化的要求提高，在發(fā)動(dòng)機(jī)和懸掛系統(tǒng)等所使用的彈簧、懸架彈簧和離合器彈簧等中，也指向高應(yīng)力設(shè)計(jì)。為此在這些強(qiáng)彈簧中，為了對應(yīng)負(fù)荷應(yīng)力的增大而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特性提大的要求特別強(qiáng)烈，歷來在鋼中疲勞強(qiáng)度被認(rèn)為很高的SWOSC-V(JISG3566)也難以應(yīng)對。在要求有高疲勞強(qiáng)度的彈簧用鋼材中，需要極力降低存在于鋼材中的硬質(zhì)的非金屬夾雜物。從這一觀點(diǎn)出發(fā)，作為用于上述用途的鋼材，一般使用將上述非金屬夾雜物的存在極力降低的高潔凈鋼。由于非金屬夾雜物引起的斷線、疲勞折損的危險(xiǎn)性隨著原材的高強(qiáng)度化推進(jìn)而提高，因此構(gòu)成其主要原因的上述非金屬夾雜物的降低、小型化的要求進(jìn)一步嚴(yán)格。從實(shí)現(xiàn)鋼材中的硬質(zhì)的非金屬夾雜物的降低、小型化這一觀點(diǎn)出發(fā)，至今為止提出有各種技術(shù)。例如在專利文獻(xiàn)l中，通過規(guī)定該非金屬夾雜物的組成，使非金屬夾雜物在熱軋時(shí)很好地延伸，并且在冷軋或拉絲工序中破碎而微細(xì)地分散，由此實(shí)現(xiàn)冷加工性和疲勞特性得以提高的高潔凈度鋼。另外在專利文獻(xiàn)2中，在熱軋和冷軋、拉絲中規(guī)定容易延伸、微細(xì)化非金屬夾雜物的組成。另一方面，在專利文獻(xiàn)3中公開有一種技術(shù)，其是將氧化物系夾雜物的熔點(diǎn)定于150(TC以下，從而成為在熱軋、冷軋時(shí)容易延伸的低熔點(diǎn)組成的夾雜物。在專利文獻(xiàn)4中規(guī)定，作為在熱軋、冷軋時(shí)容易延伸、低熔點(diǎn)組成的夾雜物，使Al203—Si02—MnO系中含有MgO和/或CaO。另外在專利文獻(xiàn)5中公開有一種技術(shù)，由于只進(jìn)行現(xiàn)有的夾雜物組成控制未必能夠防止疲勞破壞，因此其著眼于鋼中的溶存成分，規(guī)定Al、Ca等的鋼中固溶量而提高疲勞特性。專利文獻(xiàn)l:日本公開專利公報(bào)昭62-99436專利文獻(xiàn)2:日本公開專利公報(bào)昭62-99437專利文獻(xiàn)3:日本公開專利公報(bào)平5-320827專利文獻(xiàn)4:日本公開專利公報(bào)昭63-140068專利文獻(xiàn)5:日本公開專利公報(bào)平9-310145然而，如專利文獻(xiàn)5所述，即使控制溶存成分，仍有鋼達(dá)到破壞的情況。這一現(xiàn)象特別是在要求有高疲勞強(qiáng)度的鋼中，在疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)應(yīng)力高的情況下表現(xiàn)得顯著，在前述的專利文獻(xiàn)所公開的技術(shù)中對此不能充分地應(yīng)力。另一方面，彈簧鋼要求高強(qiáng)度化，為此有進(jìn)一步提高鋼中Si濃度的傾向。因此，即使在高Si鋼中仍要成這高疲勞特性，這成為極其重要的課題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明在這一狀況下而做，其目的在于，提供一種高潔凈度鋼和使用該鋼得到的耐疲勞特性優(yōu)異的高潔凈度彈簧，該鋼在高Si鋼中仍能夠確實(shí)地得到耐疲勞特性優(yōu)異的彈簧鋼方面有用。本發(fā)明的所謂耐疲勞特性優(yōu)異的高潔凈度彈簧用鋼，含有C:1.2%(質(zhì)量°/。的意思，下同)以下(不含0%)、Si:1.84%、Mn:0.12.0%、總A1:0.01%以下(不含0%)，余量由鐵和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，上述Si量與鋼中的固溶(SIMS)Ca量滿足下式(1)的關(guān)系。SixlO—7《固溶(SIMS)Ca《Six5x10—7…(1)[式中，固溶(SIMS)Ca、Si表示在鋼中各自的含量(質(zhì)量％)]上述高潔凈度彈簧用鋼，作為其他元素也可以還含有如下(a)Cr:3%以下(不含0%)、Mo:0.5%以下(不含0%)、W:0.5%以下(不含0%)禾口Co:0.5%以下(不含0%)之中的l種以上；(b)V:0.5%以下(不含0%)、Nb:0.1%以下(不含0%)禾口Ti:0.1%以下(不含0%)之中的l種以上；(C)CU:0.1%以下(不含0%)禾口/或Ni:0.5%以下(不含0%);(d)REM:0.150ppm;(e)堿金屬元素、Ba和Sr之中的1種以上合計(jì)0.150ppm。另外，本發(fā)明也包括用上述彈簧用鋼得到的耐疲勞特性優(yōu)異的高潔凈度彈簧。根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)闊彳垥r(shí)不易變形，而熱軋后還容易以粗大的狀態(tài)殘留的Si02和Si02比例高的復(fù)合夾雜物得到顯著抑制，所以能夠?qū)嵤﹪?yán)酷的拉絲加工并實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度化，并且能夠?qū)崿F(xiàn)能夠制造耐疲勞特性優(yōu)異的彈簧的高潔凈度彈簧用鋼。圖1是表示[固溶(SIMS)Ca(%)xi07]/Si(%)與折損率的關(guān)系的曲線圖。具體實(shí)施例方式本發(fā)明者們?yōu)榱说玫桨l(fā)揮著優(yōu)異的疲勞特性的適合彈簧的制造的彈簧用鋼而進(jìn)行研究。其結(jié)果可知，鋼中的Si濃度越高，Si02濃度高的硬質(zhì)夾雜物容易生成，并成為破壞的起點(diǎn)。但是，隨著對彈簧鋼的高強(qiáng)度化的要求提高，Si濃度高的彈簧鋼的使用增大，即使是高Si鋼，仍期望耐疲勞特性優(yōu)異的彈簧鋼的提供。就上述情況，本發(fā)明者們進(jìn)一步反復(fù)研究。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果相對于Si量控制鋼中的固溶(SIMS)Ca量，則即使為高Si鋼，仍能夠得到疲勞強(qiáng)度極外高的彈簧用鋼，從而完成的本發(fā)明。具體來說，就是使鋼中的Si量與固溶(SIMS)Ca量滿足下式(1)的關(guān)系。SixlO—7《固溶(SIMS)Ca《Six5xl(T7…(1)[式中，固溶(SIMS)Ca、Si表示在鋼中各自的含量(質(zhì)量°/。)]圖1繪制了后要這的實(shí)施例一欄中所述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表1表2)，是調(diào)查[固溶(SIMS)Ca(%)xio7]/Si(%)帶給折損率的影響的曲線圖。還有，圖1中，固溶(SIMS)Ca、Si表示其在鋼中的各自含量(質(zhì)量％)。圖1中，參是固溶(SIMS)Ca量滿足上式(1)的范圍的本發(fā)明例，〇是固溶(SIMS)Ca量不滿足上式(1)的范圍的比較例。由圖1可知，至少使固溶(SIMS)Ca量為Si量的lxl(T"咅以上、5x10—7倍以下，從而能夠降低折損率。若固溶(SIMS)Ca量超過Si量的5xlO—倍，則折損率變高，這被推測是由于硬質(zhì)的CaO生成。由圖1可知，在本發(fā)明中，通過滿足上式(1)能夠得到疲勞強(qiáng)度格外高的彈簧用鋼。'這樣，即使鋼的成分組成和鋼中夾雜物的平均組成相同，通過固溶(SIMS)Ca量的控制，疲勞特性也會(huì)產(chǎn)生差異。如上述本發(fā)明規(guī)定，通過控制固溶(SIMS)Ca量，能夠充分地抑制有害的Si02系夾雜物的生成，確實(shí)地提高疲勞特性。為了得到固溶(SIMS)Ca量和Si量的關(guān)系滿足上式(1)的鋼材，特別是使熔渣精煉時(shí)的攪拌時(shí)間比一般的熔渣精煉的攪拌時(shí)間長，使鋼液中的溶存成分接近與熔渣的平衡即可。歷來一般所進(jìn)行的利用熔渣巻入進(jìn)行的夾雜物控制在非平衡狀態(tài)下進(jìn)行。然而在該控制方法中，即使通過添加熔渣和Ca等以抑制上述有害的Si02系夾雜物的發(fā)生，若鋼液與夾雜物之間的反應(yīng)大大脫離平衡，則凝固時(shí)還是容易生成上述Si02系夾雜物。特別是為高Si鋼時(shí)，Si02系夾雜物有更容易生成的傾向。因此在本發(fā)明中，在熔渣精煉中如上述這樣進(jìn)行長時(shí)間的攪拌，使鋼液中的溶存成分與熔渣的成分的反應(yīng)接近平衡狀態(tài)，從而提高鋼液中的溶存Ca濃度，其結(jié)果是，能夠使溶存氧與溶存Ca反應(yīng)，充分地抑制Si02系夾雜物的生成。本發(fā)明特別是以Si為1.8%以上的鋼材為對象，如上述這樣控制成分，其他成分如下述所示，是一般的彈簧用鋼通常包含的。還有，若Si過剩地被含有，則鋼材容易脆化，因此抑制在4%以下。首先，C是在確保高強(qiáng)度上有用的元素，為了充分地發(fā)揮該效果而使之含有0.2%以上，優(yōu)選為0.3%以上，更優(yōu)選為0.4%以上。但是若C量過剩，則鋼脆而無法實(shí)用，因此抑制在1.2%以下。Mn具有脫氧作用，并且是具有夾雜物控制作用的元素。為了有效地發(fā)揮這些作用而使之含有0.1%以上。但是若Mn量過剩，則鋼材容易脆化，因此抑制在2.0%以下。Al是對夾雜物控制有用的元素，作為總Al需要為0.0001%左右。但是若總A1量變多，則夾雜物中的Al203濃度變高，存在構(gòu)成斷線的原因的粗大的Al203生成的可能性，因此將其抑制在0.01%以下。本發(fā)明規(guī)定的含有元素如上所述，余量是鐵和不可避免的雜質(zhì)，作為該不可避免的雜質(zhì)，能夠允許由于原料、物資、制造設(shè)備等的狀況而混合的元素的混入。此外，積極地含有下述元素對于進(jìn)一步提高特性也有效。<Cr:3%以下(不含0%)、Mo:0.5%以下(不含0%)、W:0.5%以下(不含0%)和Co:0.5%以下(不含0%)之中的1種以上>這些元素是有效地使軟化阻抗性提高的元素，為了發(fā)揮該效果，優(yōu)選含有Cr時(shí)為0.5。/。以上，含有Mo時(shí)為0.05%以上，含有W時(shí)為0.05%以上，含有Co時(shí)為0.01%以上。但是，若這些元素過剩，則淬火性變得過高，加工時(shí)容易折損，因此優(yōu)選Cr抑制在3。/。以下，Mo抑制在0.5。/。以下、W抑制在0.5%以下，Co抑制在0.5%以下。<V:0.5%以下(不含0%)、Nb:0.1%以下(不含0%)禾口Ti:0.1%以下(不含0%)之中的l種以上〉這些元素是對晶粒的微細(xì)化有效的元素，為了發(fā)揮該效果，優(yōu)選含有V時(shí)為0.01。/。以上，含有Nb時(shí)為0.01%以上，含有Ti時(shí)為0.01%以上。但是，若這些元素過剩，則生成粗大的氮化物，使疲勞強(qiáng)度降低。因此，優(yōu)選V抑制在0.5。/o以下，Nb抑制在0.1。/。以下，Ti抑制在0.1。/。以下。7<Cu:0.1%以下(不含0%)禾口/或Ni:0.5%以下(不含0%)>這些元素是對抑制低溫脆化有效的元素，為了發(fā)揮該效果，優(yōu)選含有Ni時(shí)在0.05。/。以上，含有Cu時(shí)為0.01。/。以上。但是過剩含有這些元素其效果也只會(huì)飽和，因此從經(jīng)濟(jì)性的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選Ni為0.5。/。以下，Cu為0.1。/。以下。<REM:0.150ppm>REM(稀土類元素Ce、La等)具有進(jìn)一步使鋼中的非金屬夾雜物軟質(zhì)化的作用。為了發(fā)揮該效果，優(yōu)選使之含有O.lppm以上。但是過剩地加入上述元素其效果也只會(huì)飽和，因此優(yōu)選為50ppm以下。<堿金屬元素、Ba和Sr之中的1種以上，合計(jì):0.150ppm>堿金屬元素(Li、Na、K、Rb、Cs)、Ba、Sr具有進(jìn)一步使鋼中的非金屬夾雜物軟質(zhì)化的作用。為了發(fā)揮該效果，優(yōu)選含有這些元素之中的1種以上合計(jì)為O.lppm以上。但是，即使過剩地加入這些元素其效果也只會(huì)飽和，因此優(yōu)選合計(jì)為50ppm以下。以下，通過實(shí)施例更詳細(xì)地說明本發(fā)明，但下述實(shí)施例沒有限定本發(fā)明的性質(zhì)，遵循前后述宗旨而進(jìn)行設(shè)計(jì)變更均包含在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。實(shí)施例在模擬轉(zhuǎn)爐出鋼的鋼液約500kg中添加各種熔劑，實(shí)施成分調(diào)整和熔渣精煉。這時(shí)，使熔渣組成(主成分)如表2所示，另外為了使溶存成分(溶存Ca)的濃度變化，如表2所示這樣使攪拌時(shí)間變化。然后，用鑄模鑄造熔渣精煉后的鋼液，對于得到的鑄錠實(shí)施鍛造、熱軋，得到表1所示的成分組成的直徑8.0mm的線材。[表l]<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>.※余量是鐵和不可避免的雜質(zhì).％表示質(zhì)量％<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>對于得到的各線材，測定成分組成、夾雜物的平均組成，并且進(jìn)行疲勞特性的評價(jià)。這些測定、評價(jià)方法如下述。(固溶(SIMS)Ca量的測定)對于上述各線材的L截面(含軸心的截面)，使用SIMS(SecondaryIonizationMassSpectrometer,CAMECA公司制ims5f),以下述條件進(jìn)行照射，對于從各線材截面釋放出的Ca離子進(jìn)行質(zhì)量分析，由此求得固溶(SIMS)Ca量。(SIMS分析條件)1次離子條件02+-8keV-100nA照射區(qū)域80pmX8(Vm分析區(qū)域cp8,'試料室真空度6X10—1GTorr還有，總Al量由ICP(感應(yīng)耦合等離子體InductivelyCoupledPlasma)質(zhì)量分析法進(jìn)行分析，totalCa量由無焰原子吸收光譜分析法進(jìn)行分析。(夾雜物組成的測定)研磨上述各線材的L截面，對于比直徑的l/4部(半徑的l/2部)存在于更表面?zhèn)鹊摹⒍虖綖?)im以上的氧化物系夾雜物30個(gè)，以EPMA(電子探針顯微分析儀ElectronProbeMicroAnalyzer)進(jìn)行組成分析(分析條件如下所示)，換算成氧化物濃度，求得上述氧化物系夾雜物30個(gè)的平均組成。.EPMA裝置日本電子制JXA-8621MX分析裝置(EDS):TracorNorthern制TN-5500加速電壓20kv掃描電流5nA(毫微安)測量方法通過能量分散分析進(jìn)行定量分析(疲勞特性的評價(jià))對于各線材(8.0mmcp)進(jìn)行削皮—拉后退火(patenting)—冷拉比加工(拉絲)—油回火(oiltemper)—去應(yīng)變退火相當(dāng)處理—噴丸處理—去應(yīng)變退火后，作為試驗(yàn)片提取4.0mm(px650mm的線材，在中村式旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)上，以試驗(yàn)應(yīng)力公稱應(yīng)力908MPa、轉(zhuǎn)速40005000rpm、中止次數(shù)2><107次的條件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)。然后，途中斷裂的試驗(yàn)片之中，測定由于夾雜物的原因?qū)е抡蹞p的(雖然有不是由于夾雜物引起，但從線材表面等折損的情況，但這些情況為對象以外)個(gè)數(shù)，根據(jù)下式測定折損率。10折損率=[夾雜物折損個(gè)數(shù)/(夾雜物折損個(gè)數(shù)+達(dá)到中止次數(shù)的個(gè)數(shù))x100(%)]各線材的固溶(SIMS)Ca量顯示在表1中，另外夾雜物的平均組成和疲勞特性(折損率)一并記錄在表2中。由這些結(jié)果能夠進(jìn)行如下考察(還有，下述No.表示表中的實(shí)驗(yàn)No.)。在夾雜物的平均組成大致相同的No.115的鋼材中，可知滿足本發(fā)明規(guī)定的要件的No.llC)的鋼材耐疲勞特性優(yōu)異。相對于此，不滿足本發(fā)明規(guī)定的要件的No.1115的鋼材疲勞特性差。產(chǎn)業(yè)上的利用可能性本發(fā)明的彈簧用鋼，因?yàn)镾i02系夾雜物被極力抑制，拉絲加工性優(yōu)異，另外能夠確保優(yōu)異的疲勞特性，所以使用在汽車領(lǐng)、工業(yè)機(jī)械領(lǐng)域等所使用的彈簧的制造中有用。特別是最適于對疲勞特性要求極高的汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)彈簧和離合器彈簧、制動(dòng)器彈簧、懸掛系統(tǒng)的懸架彈簧等這樣的用于機(jī)械的復(fù)原機(jī)構(gòu)的彈簧等的制造。如上，詳細(xì)地、另參照特定的實(shí)施方式說明了本發(fā)明，但能夠不脫離本發(fā)明的精神和范圍而施加各種的變更和修正，對業(yè)者來說顯而易見。本申請基于2007年5月25日申請的請求日本專利申請(特愿2007-139202)，此內(nèi)容作為參照被援引。權(quán)利要求1.一種耐疲勞特性優(yōu)異的高潔凈度彈簧用鋼，其特征在于，以質(zhì)量％計(jì)含有C1.2％以下但不含0％、Si1.8～4％、Mn0.1～2.0％、總Al0.01％以下但不含0％，余量由鐵和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，上述Si量與鋼中的固溶(SIMS)Ca量滿足下式(1)的關(guān)系，Si×10-7≤固溶(SIMS)Ca≤Si×5×10-7…(1)式中，固溶(SIMS)Ca、Si表示各自在鋼中的質(zhì)量百分比含量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高潔凈度彈簧用鋼，其特征在于，作為其他元素以質(zhì)量％計(jì)還含有Cr:3%以下但不含0%、Mo:0.5%以下但不含0%、W:0.5%以下但不含0%和Co:0.5%以下但不含0%之中的1種以上的元素。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高潔凈度彈簧用鋼，其特征在于，作為其他元素以質(zhì)量％計(jì)還含有V:0.5%以下但不含0%、Nb:0.1%以下但不含0%和Ti:`0.1%以下但不含0%之中的1種以上的元素。4.根據(jù)權(quán)利要求13中任一項(xiàng)所述的高潔凈度彈簧用鋼，其特征在于，作為其他元素以質(zhì)量％計(jì)還含有Cu:0.1%以下但不含0。/。和/或Ni:`0.5%以下但不含0%。5.根據(jù)權(quán)利要求14中任一項(xiàng)所述的高潔凈度彈簧用鋼，其特征在于，作為其他元素以質(zhì)量ppm計(jì)還含有0.150ppm的REM。6.根據(jù)權(quán)利要求15中任一項(xiàng)所述的高潔凈度彈簧用鋼，其特征在于，作為其他元素還含有堿金屬元素、Ba和Sr之中的l種以上的元素，并且，該1種以上的元素的合計(jì)含量以質(zhì)量ppm計(jì)為0.150ppm。7.—種耐疲勞特性優(yōu)異的高潔凈度彈簧，其特征在于，使用權(quán)利要求16中任一項(xiàng)所述的高潔凈度彈簧用鋼得到。全文摘要本發(fā)明其目的在于，提供一種在高Si鋼中，對耐疲勞特性優(yōu)異的彈簧的制造有用的高潔凈度彈簧用鋼。本發(fā)明的耐疲勞特性優(yōu)異的高潔凈度彈簧用鋼，含有C1.2％(質(zhì)量％的意思，下同)以下(不含0％)、Si1.8～4％、Mn0.1～2.0％、總Al0.01％以下(不含0％)，余量由鐵和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，上述Si量與鋼中的固溶(SIMS)Ca量滿足下式(1)的關(guān)系。Si×10^-7≤固溶(SIMS)Ca≤Si×5×10^-7…(1)，式中，固溶(SIMS)Ca、Si表示在鋼中各自的含量(質(zhì)量％)。文檔編號C21C7/06GK101675176SQ200880014748公開日2010年3月17日申請日期2008年3月27日優(yōu)先權(quán)日2007年5月25日發(fā)明者井上健,吉田敦彥,坂本浩一,杉村朋子,福崎良雄申請人:株式會(huì)社神戶制鋼所