JP4994932B2 - オイルテンパー線及びオイルテンパー線の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はエンジンの弁ばねやトランスミッションのばねに用いられるオイルテンパー線及びその製造方法に関するものである。

近年、自動車の低燃費化に対応して、自動車のエンジンやトランスミッションの小型軽量化が進められている。それに伴い、エンジンの弁ばねやトランスミッション用ばねに負荷される応力は年々厳しくなっており、用いられるばね材料にも一層の疲労強度の向上と靭性とをバランスよく具えることが求められている。これらのエンジンの弁ばねやトランスミッションのばねには代表的にはシリコンクロム系のオイルテンパー線が用いられている。

このような事情のもと、焼入れ焼戻し工程で残存した未固溶炭化物の大きさ、密度を規定することによって高強度かつ高靭性を有するばね用鋼線を提案するもの（特許文献１参照）、焼入れ焼戻し後の未固溶炭化物の大きさ、密度を規定することにより、耐へたり性に優れかつ高強度で高靭性のばね用オイルテンパー線を提案するもの（特許文献２参照）が知られている。
特開２００６−１８３１３７号公報 特開平９−７１８４３号公報

特許文献１に記載の技術は、焼入れ焼戻し工程で残存した未固溶炭化物の大きさ、密度を規定することによって高強度かつ高靭性を実現するものである。しかし、ばねを高疲労強度化するために窒化処理を行うことが主流となっていることから、窒化処理後の炭化物の大きさや分布状態を特定する必要がある。また、焼入れ時に残存する未固溶炭化物の大きさだけではなく、焼戻し工程以降に結晶粒内に析出するセメンタイト系炭化物の大きさを特定することが必要である。

また、特許文献２に記載の技術においても、焼入れ時に残存する未固溶炭化物だけではなく、焼戻し工程以降で析出する結晶粒内の炭化物の大きさや分布を特定することが必要であるとともに、焼入れ焼戻し後ではなく、窒化処理後の炭化物の状態を特定することが必要である。短時間で焼戻す製法が提案されているが、窒化後の炭化物を微細にするためには、Ｃｒなどの炭化物の成長を抑制する元素の活用が必要である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、窒化処理した場合でも疲労強度と靭性をバランスよく備えるオイルテンパー線を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のオイルテンパー線は、質量％でＣ：０．６０〜０．７０％、Ｓｉ：１．０〜２．５％、Ｍｎ：０．２０〜０．８０％、Ｃｒ：１．０〜２．５％、Ｖ：０．０５〜０．５０％、を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、焼入れ焼戻し後、窒化相当熱処理（４２０〜４８０℃で２〜４時間加熱）した後のセメンタイト系炭化物中のＣｒ濃度が２〜６Ｗｔ％であることを特徴とする。

また、前記セメンタイト系炭化物の平均径が１０〜３０ｎｍであることを特徴とする。

また、焼入れ焼戻し後の線材表面の残留応力が−１５０ＭＰａ以下であることを特徴とする。

さらに質量％でＣｏ：０．０２〜１．００％を含有することを特徴とする。

さらに質量％でＮｉ：０．１〜１．０％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％、Ｗ：０．０５〜０．１５％、Ｎｂ：０．０５〜０．１５％、およびＴｉ：０．０１〜０．２０％を含有することを特徴とする。

また、加熱温度を５５０〜６５０℃、加熱時間を０．５秒〜３０秒未満で焼戻すことを特徴とする。

また、本発明のオイルテンパー線の製造方法は、質量％でＣ：０．６０％〜０．７０％、Ｓｉ：１．０％〜２．５％、Ｍｎ：０．２０％〜０．８０％、Ｃｒ：１．０％〜２．５％、Ｖ：０．０５％〜０．５０％、を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるオイルテンパー線を製造する方法であって、焼入れ焼戻し後に窒化処理を行い、セメンタイト系炭化物中に２Ｗｔ％〜６Ｗｔ％濃度のＣｒを生成することを特徴とする。

また、焼入れ焼戻しにより線材表面に−１５０ＭＰａ以下の残留応力を生成することを特徴とする。

また、加熱温度５５０℃〜６５０℃、加熱時間０．５秒〜３０秒の条件で焼戻すことを特徴とする。

以下、上記オイルテンパー線を構成する各要素の特定理由について説明する。

セメンタイト中のCr濃度：２Ｗｔ％〜６Ｗｔ％
焼戻し〜窒化処理工程での炭化物析出は、１００℃〜２５０℃でまずε炭化物が析出し、４００℃以上でセメンタイトが析出する。さらに４００℃以上で長時間保持（窒化相当の熱処理）すればセメンタイトは凝集し粗大化することによって強度が低下していく。Ｃｒはフェライト（母相）よりもセメンタイト中に分配されやすい性質があり、焼戻し工程以降の熱処理時に炭化物中に濃化していくが、母相のフェライト中での拡散速度が遅く、セメンタイトの成長に必要なＣｒ量がセメンタイトへ十分に供給されないためセメンタイト系炭化物の粗大化を抑制する効果がある。窒化相当熱処理後（４２０℃〜４８０℃の２〜４時間）のセメンタイト中のＣｒ濃度が２Ｗｔ％以上であれば粗大化を抑制できることから下限を２Ｗｔ％とし、６Ｗｔ％より多くてもそれ以上の効果は得られないことから上限を６Ｗｔ％とした。

セメンタイト系炭化物の平均径：１０ｎｍ〜３０ｎｍ
焼戻し工程以降で析出する粒内炭化物は疲労破壊の起点となり、疲労強度を低下させる可動転位の粒界への移動および集積を防ぐ効果をもつ。粒内炭化物が粗大化、逆に小さすぎてもその効果は低下するため、セメンタイト系炭化物の平均径の下限を１０ｎｍとし、上限を３０ｎｍとした。

焼入れ焼戻し後の残留応力：−１５０ＭＰａ以下
コイリング加工時に発生する引張残留応力は疵感受性や遅れ破壊感受性を高くし、コイリング時での折損やコイリング後のおき割れを引き起こす原因となる。焼入れ焼戻し後に−１５０ＭＰａ以下の圧縮残留応力を付加することによってこれらの現象を抑制することができる。

Ｃ：０．６０％〜０．７０％
Ｃは鋼の強度を決定する重要な元素であり、０．６０％未満では十分な強度が得られず、０．７０％を超えると靭性を損なうため、下限を０．６０％とし、上限を０．７０％とした。

Ｓｉ：１．００％〜２．５０％
Ｓｉは溶解精錬時に脱酸剤として使用される。また、フェライト中に固溶して耐熱性を向上させ、ばね加工後の歪取り焼鈍や窒化処理などの熱処理による線内部の硬度低下を防ぐ効果がある。耐熱性を保持するためには１．０％以上が必要であることから下限を１．０％とし、２．５％を超えると靭性が低下することから上限を２．５０％とした。

Ｍｎ：０．２０％〜０．８０％
ＭｎはＳｉと同様に溶解精錬時の脱酸剤として使用される。そのため、脱酸剤に必要な添加量として下限を０．２０％とした。また、０．８０％以上であると、パテンチング時にマルテンサイトが生成しやすくなり、伸線時の断線の原因となることから上限を０．８０％とした。

Ｃｒ：１．０％〜２．５％
Ｃｒは鋼の焼き入れ性を向上させ、焼入れ焼戻し後の軟化抵抗を増加させるため、ばね加工後のテンパー処理や窒化処理などの熱処理時の軟化防止に有効である。Ｃｒはフェライト（母相）よりもセメンタイト中に分配されやすい性質がある。その一方で、フェライト中の拡散速度が遅いためセメンタイトの成長（粗大化）を抑制し、窒化処理後のセメンタイト系炭化物を微細化する。またオーステナイト化の際、炭化物を形成することによってオーステナイト結晶粒を微細化させる効果もある。１．０％未満であると十分な効果が得られないことから下限を１．０％とし、２．５％を超えるとパテンチング時にマルテンサイトが発生しやすくなり、伸線時の断線の原因となるとともに、オイルテンパー後の靭性を低下させる要因となることから上限を２．５％とした。

Ｃｏ：０．０２％〜１．０％
Ｃｏはα-Ｆｅ中に固溶することによって母相を強化する。Ｃｏ自体は炭化物を形成せず、またセメンタイト系炭化物中にも濃化しない。セメンタイト系炭化物が成長するためにはＣｏがα-Ｆｅ中に排出されなければならず、その拡散が遅いためにセメンタイト系炭化物の成長を抑制する効果がある。また、マルテンサイトの回復を遅らせ、ＣｒやＶの母相中の固溶限を低下させることによって残存した転位上にＣｒ炭化物やＶ炭化物が微細に析出させる働きがある。その効果は０．０２％以上で得られることから下限を０．０２％とした。また、コスト高となることから上限を１．００％とした。

Ｎｉ：０．１％〜１．０％
Ｎｉは耐食性および靭性を向上させる効果がある。０．１％未満では効果が得られないことから下限を０．１％とした。また、１．０％を超えてもコスト高となるだけで、靭性向上の効果が得られないことから上限を１．０％とした。

Ｍｏ、Ｖ：０．０５％〜０．５０％
Ｗ、Ｎｂ：０．０５％〜０．１５％
これらの元素は焼戻し時に炭化物を形成し、軟化抵抗を増加させる傾向がある。Ｖ、Ｍｏは窒化処理時にα-Ｆｅの格子間で窒化物を形成することで、繰り返し応力によって生じるすべりを抑制することによって疲労限向上に寄与する。０．０５％未満ではその効果が得られないことから下限を０．０５％とした。Ｍｏ、Ｖは０．５０％を超えると靭性を低下させることから上限を０．５０％とした。Ｗ、Ｎｂは０．１５％を超えると靭性を低下させることから上限を０．１５％とした。

Ｔｉ：０．０１％〜０．２０％
Ｔｉは焼戻し時に炭化物を形成し、軟化抵抗を増加させる効果がある。０．０１％以下ではその効果が得られないことから下限を０．０１％とした。また、０．２０％以上では高融点非金属介在物ＴｉＯが形成されて、靭性を低下させることから上限を０．２０％とした。

焼戻し条件：加熱温度５５０℃〜６５０℃、加熱時間０．５秒〜３０秒
高温短時間で焼戻しを行うことにより結晶粒内に高密度かつ微細に炭化物を析出させる。また、Ｃｒの炭化物粗大化抑制効果との複合効果により窒化後の粒内炭化物を高密度かつ微細化する。微細に析出した粒内炭化物は疲労限低下の原因となる可動転位の移動および集積を抑制する効果がある。加熱温度５５０℃未満、加熱時間０．５秒未満では炭化物の析出量が少ないことから下限を加熱温度５５０℃、加熱時間０．５秒とした。また、加熱温度６５０℃より高く、加熱時間３０秒より長いと炭化物が粗大化することから上限を加熱温度６５０℃、加熱時間３０秒とした。

本発明によれば、窒化処理後のセメンタイト系炭化物中のＣｒ濃度を特定することで、窒化処理した場合でも疲労強度と靭性をバランスよく備えることができる。

（１）表１に示す鋼を真空溶解炉で溶製し、熱間鍛造、熱間圧延によりφ６．５ｍｍの線材とした。その後、パテンチング、皮剥ぎ、焼鈍、伸線加工を行うことによってφ３．５ｍｍのワイヤとした。
（２）焼入れ焼戻し後、窒化相当熱処理（４３０℃×２時間、４７０℃×２時間）を行った。
（３）Ｃｒ濃度はレプリカ法を用いて炭化物のみを抽出し、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）によってセメンタイト中のＣｒ量を測定した。
（４）焼戻し工程以降に析出するセメンタイト系炭化物のサイズは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）でランダムに撮影したオイルテンパー線の５視野（面積２μｍ^２／視野）の写真をもとに画像解析を行い、個々の炭化物面積を算出し、それらの炭化物を球とみなして平均直径を算出した。
（５）焼入れ焼戻し後の線材の表面残留応力をＸ線回折装置にて以下の条件で測定を行った。
使用Ｘ線：Ｃｒ-Ｋα
測定法：sin２ψ法（並傾法）
測定方向：線軸方向
測定回折面：α-Ｆｅ（２１１）面
使用定数：ヤング率＝２１４０００ＭＰａ、ポアソン比＝０．２７９
（６）焼入れ焼戻し後の残留応力の効果を確認するため、自己径巻き付け試験（巻き数：５）を実施し、折損の有無を確認した。
（７）疲労試験は、焼入れ焼戻し、窒化相当熱処理（４３０℃×２時間、４７０℃×２時間）加熱後、表面性状を統一するためにショットピーニング（０．３ＳＢ、３０分）を実施した後、歪取り焼鈍（２３０℃×３０分）を行い、中村式回転曲げ疲労試験を実施した。疲労限は、１×１０^７回とし、目標を１０００ＭＰａ以上とした。

表２、表３に鋼Ａ〜Ｎを焼入れ焼戻しおよび窒化相当熱処理（表２：４３０℃×２時間、表３：４７０℃×２時間）した後のセメンタイトの平均径およびセメンタイト中のＣｒ濃度、窒化相当熱処理（４３０℃×２時間または４７０℃×２時間）→ショットピーニング（０．３ＳＢ、３０分）→歪取り焼鈍（２３０℃×３０分）を実施した後のワイヤ回転曲げ疲労試験結果を示す。焼入れ焼戻し条件は、９５０℃で加熱後、水で焼入れ焼戻しを６００℃×1秒で実施した。

表２、表３に示されるように、窒化相当熱処理後のセメンタイトの平均径およびセメンタイト中のＣｒ量が本発明特定事項を満たす発明鋼Ａ〜Ｈは、いずれもワイヤ疲労限が目標の１０００ＭＰａ以上を達成している。一方、比較鋼Ｉ、Ｌは、セメンタイトの平均径は３０ｎｍ以上、セメンタイト中のＣｒ量は２Ｗｔ％未満となり、セメンタイトが粗大化したために疲労限が低下しワイヤ疲労限は１０００ＭＰａ未満となった。また、比較鋼Ｊ、Ｋはパテンチング時にマルテンサイトが発生し、伸線中に断線し、比較鋼Ｍ、Ｌは伸線加工性が低く、いずれも断線した。

次に、発明鋼Ａ〜Ｈから選択した発明鋼Ａを９５０℃で加熱後、表４に示す条件で焼入れし焼戻した後の窒化相当熱処理後（４３０℃×２時間、４７０℃×２時間）のセメンタイトの平均径、セメンタイト中のＣｒ濃度、窒化相当熱処理→ショットピーニング（０．３ＳＢ、３０分）→歪取り焼鈍（２３０℃×３０分）を実施した後のワイヤ回転曲げ疲労試験結果を表５に示す。

条件１〜３については焼戻し温度が低いため焼戻し不足により靭性に乏しく、また炭化物の析出が十分でないため疲労限が低下した。また、条件６、９、１２、１３、１４、１５については、焼戻し温度が高い、または加熱時間が長いためセメンタイト炭化物が粗大化し疲労限が低下した。条件４、５、７、８、１０、１１についてはセメンタイト平均径、セメンタイト中のＣｒ濃度ともに本発明特定事項を満たしており高疲労限となった。

次に発明鋼Ａを用いて表４に示す条件４〜１２で製造した線材にて自己径巻き付け試験を実施した結果を表６に示す。条件６、９、１２については焼入れ焼戻し後の圧縮残留応力が小さく折損したが、条件４、５、７、８、１０、１１については折損は発生しなかった。

なお、発明鋼Ａ以外の他の発明鋼についても、発明鋼と同様の効果を得ることが確認された。

Claims (7)

1. 質量％でＣ：０．６０〜０．７０％、Ｓｉ：１．０〜２．５％、Ｍｎ：０．２０〜０．８０％、Ｃｒ：１．０〜２．５％、Ｖ：０．０５〜０．５０％、を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、
   焼入れ焼戻し後、窒化処理後のセメンタイト系炭化物中のＣｒ濃度が２Ｗｔ％〜６Ｗｔ％であり、
   前記セメンタイト系炭化物の平均径が１０ｎｍ〜３０ｎｍであり、
   焼戻し条件が、加熱温度５５０℃〜６５０℃、加熱時間０．５秒〜３０秒未満であることを特徴とするオイルテンパー線。
2. 焼入れ焼戻し後の線材表面の残留応力が−１５０ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項1に記載のオイルテンパー線。
3. さらに質量％でＣｏ：０．０２％〜１．００％を含有することを特徴とする請求項１または２に記載のオイルテンパー線。
4. さらに質量％でＮｉ：０．１％〜１．０％、Ｍｏ：０．０５％〜０．５０％、Ｗ：０．０５％〜０．１５％、Ｎｂ：０．０５％〜０．１５％、およびＴｉ：０．０１％〜０．２０％を含有することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のオイルテンパー線。
5. 請求項１から４の何れか一項に記載のオイルテンパー線を用いて作製したばね。
6. 質量％でＣ：０．６０％〜０．７０％、Ｓｉ：１．０％〜２．５％、Ｍｎ：０．２０％〜０．８０％、Ｃｒ：１．０％〜２．５％、Ｖ：０．０５％〜０．５０％、を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなるオイルテンパー線を製造する方法であって、
   焼入れ焼戻し後に窒化処理を行い、セメンタイト系炭化物中に２Ｗｔ％〜６Ｗｔ％濃度のＣｒを生成し、前記セメンタイト系炭化物の平均径を１０ｎｍ〜３０ｎｍとし、
   焼戻し条件が、加熱温度５５０℃〜６５０℃、加熱時間０．５秒〜３０秒未満であることを特徴とするオイルテンパー線の製造方法。
7. 焼入れ焼戻しにより線材表面に−１５０ＭＰａ以下の残留応力を生成することを特徴とする請求項６に記載のオイルテンパー線の製造方法。