疲劳特性优良的弹簧钢及弹簧的制作方法

专利名称：：疲劳特性优良的弹簧钢及弹簧的制作方法
技术领域：
：本发明涉及疲劳特性优良的弹簧钢及由该钢得到的弹簧，例如，作成高强度弹簧等时能够发挥高的疲劳特性，对作为要求这种特性的汽车用发动机的阀弹簧及离合器弹簧、制动弹簧、悬架弹簧等的原材料是有用的。
背景技术：
：最近，随着汽车的轻量化和高输出功率化的要求提高，发动机及悬挂系统等所使用的阀弹簧及悬架弹簧等趋向高应力设计。因此，为了应对负荷应力的增大，强烈期望这类弹簧耐疲劳性及耐弹减性优良。尤其是对阀弹簧的疲劳强度增大的要求非常强烈，即使是在现有钢材中疲劳强度也优良的SWOSC—V—(JISG3566)也难于应对。要求高的疲劳强度的弹簧钢中，必须极力地减少钢材中存在的硬质的非金属夹杂物。根据这种观点，作为上述各种用途中使用的钢材，通常采用极力降低了上述非金属夹杂物存在的高洁净钢。另外，随着要求材料的高强度化，非金属夹杂物引起的断线、疲劳折损的危险性增高，因此，将成为其主要原因的非金属夹杂物的减少、小型化的要求愈加严格。从实现钢材中的硬质的非金属夹杂物的减少、小型化的观点考虑，至此已经提案了各种技术。例如"第182*183次西山纪念技术讲座"、(公司)日本钢铁协会编，第131134页中记载有通过将夹杂物保持为玻璃质，在轧制时夹杂物变得微细化、以及利用CaO—A1203—Sl02系成分使夹杂物以玻璃质在稳定的组成中存在。另外，为了促进玻璃部分变形，将夹杂物的熔点降低也有效(例如，日本特开平5320827号公报)。另夕卜，日本特开昭63140068号公报中公示的是将Ca、Mg、(La+Ce)的量控制在适当范围内，同时对钢材的化学成分进行适当地调节，而且，将钢中的非金属夹杂物的平均组成的构成比(SI02、MnO、A1203、MgO及CaO的构成比)控制在适当的范围内，由此获得疲劳性优良的弹簧钢。另外，日本特公平6—74484号公报及日本特公平6—74485号公报中公示的是，使非金属夹杂物在冷轧加工时容易延展或者破坏，且作成不成为实际破断原因的软质的非金属夹杂物组成。另一方面，日本特开平2005—29888号公报中也提案一种技术，艮卩，通过含有Li，将夹杂物低熔点化，促进在热轧时的变形，使疲劳强度优良。在上述各种技术中，显示出用于提高疲劳特性等特性的趋向性。但是，在热加工时的加热时间及温度方面，只是对例如非专利文件1所示的组成进行控制，未必能够确保完全的玻璃状态，有时会生成结晶。另外，为了应对近年来更加对钢材疲劳强度的需求，必须进一步促进玻璃部分的变形。至此所提出的各种技术主要是严格地控制夹杂物的平均组成，从提高疲劳特性等特性的观点看，虽然发挥相应的效果，但有时会生成高Si02结晶及(CaOAl2CV2Si02系氧化物系夹杂物)等硬质结晶，其成为钢材断裂的起点，有时会使疲劳特性变差。
发明内容本发明是鉴于这种情况而构成的，其目的在于，提供一种即使不严格控制夹杂物的平均组成也能够获得发挥出优良的疲劳特性的弹簧等的弹簧钢、及由该弹簧钢得到疲劳特性优良的弹簧。可实现上述课题的本发明提供一种弹簧钢，其具有如下宗旨，该弹簧钢含有C:1.2%(质量％的意思，以下同)以下、Mn:0.12%、Si:0.23%、Al:0.00030.005%、Li:0.038ppm(质量ppm的意思，以下同)、Ca:30ppm以下(不包括0ppm)以及Mg:10ppm以下(不包括0ppm)，其中，满足下述(1)(3)的必要条件的氧化物系夹杂物存在lxl0—4个/mm2以上。(1)在将除Li20以外的夹杂物组成设为100质量％时，八1203和SI02合计为80质量％以上，(2)A1203:Si02=l:42:3(质量比),(3)夹杂物中含有Li。作为可实现上述课题的本发明的其它弹簧钢，在上述结构的基础上还举出，钢中存在的含Mg的氧化物系夹杂物中满足下述(4)(6)的必要条件的含Mg的氧化物系夹杂物存在lxlO^个/mr^以上。(4)在将含Mg的氧化物系夹杂物组成设为100质量％时，MgO和Si02合计为80质量％以上，(5)含Mg的氧化物系夹杂物的MgO含量(质量°/。)〉同Si02含量(质量°/。)，(6)含Mg的氧化物系夹杂物的Si02含量(质量°/。)〉25质量％。关于本发明的弹簧钢的化学成分组成，不仅应用于作为高强度弹簧的用途，而且所述基本成分之外没有特别限定，根据需要还可以含有选自Cr、Ni、V、Nb、Mo、W、Cu、Ti、Co、B及稀土类元素(REM)中的一种以上。含有这些时的优选的含量根据各元素而不同，Cr:3%以下(优选0.5%以上)、Ni:0.5%以下、V:0.5%以下、Nb:0.1%以下、Mo:0.5%以下、W:0.5%以下、Cu:0.1%以下、Ti:0.1%以下、Co:0.5°/。以下、B:0.1%以下(优选0.001%以上)。另外，也可以添加0.05。/。以下程度的REM作为降低夹杂物的粘度且更好地发挥效果的元素。上述成分以外(剩余部分)基本上是Fe及不可避免的杂质(例如S和P)。另夕卜，即使为了提高钢的特性而添加对夹杂物不会产生过大影响的成分(例如Pb、Bi)，也能够发挥出本发明的效果。通过使用上述那样弹簧钢制造成弹簧，能够实现疲劳强度优良的弹簧。图1是表示满足实施例1的(1)(3)的必要条件的氧化物系夹杂物个数和折损率的关系的图2是表示满足实施例2的(1)(3)的必要条件的氧化物系夹杂物个数和折损率的关系的图3是满足(4)(6)的必要条件的含Mg的氧化物系夹杂物(MgO一SI02系夹杂物)个数和折损率的关系的图。具体实施方式为了实现即使不严格地控制夹杂物的平均组成，也能发挥优良的疲劳特性的弹簧钢，本发明者门从各种角度进行了研究。其结果看出，如果以规定量生成满足特定的必要条件的氧化物系夹杂物，或者，如果根据需要在该氧化物系夹杂物的基础上，以规定量生成满足特定的必要条件的含Mg的氧化物系夹杂物，则也不会生成上述的硬质结晶，而使弹簧钢的疲劳特性改善，完成本发明。本申请发明中，作为控制对象的氧化物系夹杂物满足上述(O(3)的必要条件，推测其为Li20—Ah03—4Si2(spodumen:锂辉石)结晶。艮口，锂辉石是脆的夹杂物，在热轧及拉丝加工的阶段容易形成微细化。如果推测为锂辉石的夹杂物在钢材断面中存在规定量(1x10—"个/mm2以上)，则疲劳特性优良。尤其是，根据本发明，即使是现有容易形成硬质结晶的高&03及A1203的组成范围内，也能获得良好的疲劳特性。另外，判明了，本申请发明中作为控制对象的含Mg的氧化物系夹杂物是满足上述(4)(6)必要条件的夹杂物，满足此必要条件的含Mg的氧化物系夹杂物(以下称为MgO—Si02系夹杂物)，也发挥与推测为上述锂辉石的氧化物系夹杂物同样的效果。因此，本发明中，根据需要也生成规定量的含Mg的氧化物系夹杂物是有效的。本发明中作为对象的钢材，只要是作为弹簧原材料有用的弹簧钢即可，其钢种类不特别限定，对于C、Mn、Si、Al及Li等基本成分优选下述范围。c是在作为高强度弹簧应用上用于确保规定强度的必需的元素，为了发挥其特性，优选将C的含量设为0.2%以上(更优选在0.4%以上)，如果C含量过高则钢材脆化，不能实用，故需要设为1.2%以下。Mn是有助于钢脱氧的元素，另外，有助于提高淬火性且提高强度。从该观点考虑，理想的是Mn含0.1。/。以上。但是，在Mn含量过剩时，钢的韧性、延展性变差，因此应设为2%以下。[Si:0.23%]Si在炼钢时主要作为脱氧剂使用，同时，也有助于钢材的高强度化，从本发明的提高疲劳特性的效果显著这一点出发，也是重要的元素。再有，也是对提高软化抵抗且提高耐弹减性有用的元素。为了发挥其效果，Si含量设为0.2%以上。但是，Si含量过剩时，在凝固中可能生成纯粹的Si02，由于表面脱碳及表面瑕疵增加从而疲劳性反而降低。因此，Si设为3%以下，优选2%以下。Al是夹杂物的控制所必需的元素，以其质量浓度计必须在0.0003%以上，但是，Al含量过多时，成为断线原因的粗大Al203可能生成，因此优选设为0.005%以下。Li是用于获得满足上述(1)(3)的必要条件的夹杂物的必需的元素，因此，其必须为0.03ppm以上。但是，由于Li含量超过某种程度时其效果会饱和，因此在8ppm以下即可。除上述成分之外的其他成分是Ca、Mg、铁及不可避免的杂质。Ca及Mg是通过普通的炉渣精炼及耐火混入的成分，由于对于Si镇静钢的夹杂物不是有害的成分(如现有专利文献，对于夹杂物而言是有利的成分)，所以，各自可以以30ppm、10ppm为上限含有。作为不可避免的杂质的P是使钢的韧性、延展性劣化的成分，为了防止在拉丝及其后的绞捻工序中断丝，推荐其上限设为0.03%(最好0.02%)。另外，S也和P—样，是使钢的韧性、延展性劣化的不可避免的杂质元素，与Mn结合而生成MnS，成为拉丝时断丝的起点，因此，推荐其上限设为0.03%(更优选设为0.02%)。本发明的弹簧钢根据需要也可以含有选自Cr、Ni、V、Nb、Mo、W、Cu、Ti、Co、B及稀土类元素(REM)构成的组中的一种以上。含有此类时的优选含量根据各元素而不同，为Cn3%以下(优选0.5%以上)，Ni:0.5%以下，V:0.5%以下，Nb:0.1%以下，Mo:0.5%以下，W:0.5%以下，Cu:0.1%以下，Th0.1%以下，Co:0.5%以下，B:0麓0.01%(优选0.001%以上)，REM:0.05%以下。本发明的弹簧钢中，通过生成满足上述(1)(3)的必要条件的氧化物系夹杂物，或者通过与该氧化物系夹杂物同时促进生成满足上述(4)(6)的必要条件的MgO—Si02系夹杂物，发挥优良的疲劳特性，这种氧化物系夹杂物(或者氧化物系夹杂物及MgO—Si02系夹杂物)可以通过在钢中含有Li，同时增加下面工序获得。在对弹簧钢进行热轧制时，通常是在9001300。C进行开坯轧制和在800110(TC进行线材轧制，但是仅这种热轧制，在高温域生成的高Si02结晶及钙长石等硬质结晶成为容易生成的状态。与之相对，满足上述(1)(3)的必要条件的氧化物系夹杂物及满足上述(4)(6)的必要条件的MgO—Si02系夹杂物由于是在较低温度下容易生成的物质，所以，只要在低温区域例如500800°C进行充分的均热后，进行上述那样的通常热轧加工即可。但是，用于制造本发明的弹簧用钢的方法不限于这种方法，原则是只要能够生成规定量的氧化物系夹杂物[满足上述(1)(3)的必要条件的氧化物系夹杂物]及MgO—Si02系夹杂物[满足上述(4)(6)的必要条件的含Mg的氧化物系夹杂物]即可。如上所述，通过使用使化学成分组成适宜，同时适当地调节了满足上述(1)(3)的必要条件的氧化物系夹杂物的个数、或者该氧化物系夹杂物及满足上述(3)(6)的必要条件的MgO—Si02系夹杂物的个数的弹簧钢形成弹簧，可以得到疲劳特性优良的弹簧。实施例下面，列举实施例更具体的说明本发明，本发明当然不受下述实施例的限制，在可应用于前、后述宗旨的范围内适当增加变更进行实施是不用说的，其中的每个都属于本发明的技术范围。实施例1实验以实机(或者实验室标准)实施。即，在实机中将用转炉熔炼的钢水输出到钢包内(在实验室中熔制模拟了由转炉输出的钢水的500kg钢水)，添加各种熔剂进行成分调节、根据需要实施加热、氩气沸腾冶炼、钢水处理(熔渣精炼)。根据需要在钢水处理中添加Ca、Mg、Li等，将所得到的钢锭切割分块或者锻造及热轧制作成直径8.0mm的线材。此时，对于部分线材(试验No.119)，在热轧之前以750'C实施两小时的均热处理。所获得的各线材的化学成分组成由下述第1表显示。另外，钢中的Li的含量由下述方法测定。[钢中Li的含量]从成为对象的线材采集试料0.5g放入烧杯后，加入纯水、盐酸及硝酸进行加热分解。放冷后移入100ml(毫升)的量杯内，作为测定溶液。用纯水稀释该溶液，再使用ICP质量分析装置(型号SPQ8000:精工仪器公司出品)对Li进行定量分析。在含量为lppm以下的情况下，从成为测试对象的线材采集试料0.5g放入烧杯后，加入纯水、盐酸及硝酸进行加水分解。其后，加入盐酸调节酸浓度，再加入甲基异丁基酮(MIBK)摇动，将铁成分提到MIBK相中。静置以后，只将水相提出，移入100ml(毫升)的量杯内，作为测定溶液。用纯水稀释该溶液，再使用ICP质量分析装置(型号SPQ8000:精工仪器公司出品)按照上述条件对Li进行定量分析。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>另外，在第一表所示的钢种中，关于P、S的含量，钢种G(试验第7号)为P:0.02%，S:0.003%，钢种K(试验第11号)为P:0.01%，S:0.015%，钢种L(试验第12号)为P:0.01%，S:0.010%,钢种V(试验第22号)为P:0.02%，S:0.03%(其他均是P:0.03%以下，S:0.03。/。以下)。对于所获得的钢线材，由下述方法测定夹杂物的平均组成，同时，对于满足上述(1)(3)的必要条件的氧化物系夹杂物，对对象视野(线材的断面10000mm2以上)的全部的夹杂物进行分析，并判定相应的组成，测定其个数。另外，对于各种钢线材，通过下述所示的方法进行模拟了阀弹簧的旋转弯曲疲劳试验的评价试验，评价其疲劳特性。因为Li不能用EPMA等测定，因此，通过SIMS(secondaryIonMassSpectroscopy:二次离子质量分析法)测定满足上述(1)(3)的必要条件的氧化物系夹杂物(一次离子种02+，二次离子极性正)，获得LT和Si+的相对二次离子强度。在li+严Si+为0.01以上的情况下判定为夹杂物中存在Li。另外，测定是使用CAMECA公司制造的二次离子质量分析装置"ims5f'进行的。就各热轧线材(直径8.0mm)而言，通过削皮(直径7.4mm)—铅浴淬火—冷拉伸加工(直径4mm)—油回火[油淬火和铅浴(约45(TC)回火连续工序]，制造成直径4.0mmx650mm的钢丝。对所得到的钢丝进行去除应力退火处理(400°C)—喷丸硬化—低温退火200'C后，使用中村式旋转弯曲试验装置，以公称应力970Mpa，转速40005000rpm，循环次数2"07次进行试验。而且，关于在破断的试件中的夹杂物折损的个数，通过下式求出折损率。折损率(％)=[夹杂物折损根数/(夹杂物折损根数+达到规定次数停止的根数)]xlOO。将这些结果与各线材中的夹杂物的平均组成共同用下述第二表显示。另外，Li以外的元素通过下述方法测定。C-燃烧红外线吸收法Si、Mn、Ni、Cr、V、Ti、Mg、Nb、Mo、W、Cu及Co:ICP发光分光分析法Al、REM及B:ICP质量分析法Ca:无框原子吸光分析法第2表<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>根据该结果可如下考察。得知，试验No.119中，能够确保满足上述(1)(3)的必要条件的氧化物系夹杂物的生成，获得良好的疲劳强度。与之相对，试验No.20、21、24中，由于不能够确保满足上述(1)(3)的必要条件的氧化物系夹杂物的生成，因此，其疲劳试验结果差。详细地说，在试验No.20、21、24中，虽然含有作为钢成分的规定量的Li的线材，但由于不能进行均热处理，故不能确保氧化物系夹杂物的生成，其折损率高。试验No.22、23中，使用不含Li的钢材，不能生成满足上述(1)(3)的必要条件的氧化物系夹杂物在物，其折损率高。根据上述第2表所示的结果，满足上述(1)(3)的必要条件的氧化物系夹杂物的个数和折损率的关系如第1图所示，得知，通过适宜生成满足上述(1)(3)的必要条件的氧化物系夹杂物，改善弹簧钢的疲劳特性。实施例2实验以实机(或者实验室标准)实施。即，在实机中将用转炉熔炼的钢水输出到钢水包内(在实验室中熔制模拟了由转炉输出的钢水的500kg钢水)，添加各种熔剂进行成分调节、根据需要实施加热、氩气沸腾冶炼、钢水处理(熔渣精炼)。另外，在调节了其它成分后，根据需要在钢水处理中添加Ca、Mg、Li等，并保持5分钟以上。将所得到的钢锭切割分块或者锻造及热轧制形成直径8.0mm的线材。此时，对于部分线材(试验No.2530、32、33)，在热轧制之前以75(TC实施两小时的均热处理。所获得的各个线材的化学成分组成由下述第3表显示。另外，钢中的Li的含量用与实施例1同样的方法测定。第3表<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>*余量铁和不可避免的杂质对于所获得钢线材，用与实施例1同样的方法(但是，对象视野除外)测定夹杂物的平均组成，同时，有关满足上述(1)(3)的必要条件的氧化物系夹杂物，对对象视野(线材的断面10000mi^以上)的全部夹杂物进行分析，将相应组成的夹杂物判定为锂辉石，并测定其个数。另外，有关满足上述(4)(6)的必要条件的含Mg的氧化物系夹杂物，对对象视野(线材的断面10000mi^以上)的全部夹杂物进行分析，将相应的组成的夹杂物判定为MgOSi02系夹杂物，并测定其个数。对于各钢线材，通过实施例l所示的方法进行模拟了阀弹簧的旋转弯曲疲劳试验的评价试验，评价其疲劳特性。将这些结果与各线材中的夹杂物平均组成一起由下述第4表显示。另外，对于Li以外的元素，通过与实施例1同样的方法测定。第4表<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>从这些结果可以如下考察。得知，试验No.2530中，确保了满足上述(1)(3)的必要条件的氧化物系夹杂物及满足上述(4)(6)的必要条件的含Mg的氧化物系夹杂物的生成，获得良好的疲劳强度。与之相对，试验No.3134中，不能确保满足上述(1)(3)的必要条件的氧化物系夹杂物及满足上述(4)(6)的必要条件的含Mg的氧化物系夹杂物的生成，因此，其疲劳试验结果差。详细地说，在试验No.31、34中，虽然含有作为钢成分的规定量的Li及Mg，但由于没有进行均热处理，故而不能够确保满足上述(1)(3)的必要条件的氧化物系夹杂物的生成，其折损率高。在试验No.33中，由于不能够确保含Mg的氧化物系夹杂物的生成，所以折损率稍高一些。在试验No.32中，使用不含Li的钢材，不能生成满足上述(1)(3)的必要条件的氧化物系夹杂物在物，所以，其折损率高。根据上述第4表所示的结果，满足上述(1)(3)的必要条件的氧化物系夹杂物的个数和折损率的关系示于第2图，满足上述(4)(6)的必要条件的含Mg的氧化物系夹杂物(MgOSi02系夹杂物)的个数和折损率的关系示于第3图，得知，通过适宜生成满足上述(1)(3)的必要条件的氧化物系夹杂物及满足上述(4)(6)的必要条件的含Mg的氧化物系夹杂物，改善弹簧钢的疲劳特性。工业上的可利用性在本发明中，通过规定满足上述(1)(3)的必要条件的氧化物系夹杂物的个数，能够实现用于获得疲劳特性优良的弹簧等的弹簧钢。另外，在上述构成的基础上，规定满足上述(4)(6)的必要条件的含Mg的氧化物系夹杂物的个数，由此，可实现用于获得疲劳特性优良的弹簧等的弹簧钢。权利要求1、一种疲劳特性优良的弹簧钢，其特征在于，以质量％计含有C1.2％以下、Mn0.1～2％、Si0.2～3％、Al0.0003～0.005％、Li0.03～8ppm、Ca30ppm以下(不包括0ppm)以及Mg10ppm以下(不包括0ppm)，并且，满足下述必要条件(1)～(3)的氧化物系的夹杂物存在1×10-4个/mm2以上，(1)在将除Li2O以外的夹杂物组成定为100质量％时，Al2O3和SiO2合计为80质量％以上，(2)Al2O3SiO2＝14～23(质量比)，(3)夹杂物中含有Li。2、如权利要求1所述的弹簧钢，其特征在于，在钢中存在的含Mg的氧化物系夹杂物中，满足下述必要条件(4)(6)的含Mg的氧化物系夹杂物存在lxl0^个/mm2以上，(4)在将含Mg的氧化物系夹杂物组成定为100质量％时，MgO和Si02合计为80质量％以上，(5)含Mg的氧化物系夹杂物的MgO含量(质量％)〉同Si02含量(质量％)，(6)含Mg的氧化物系夹杂物的Si02含量(质量％)>25质量％。3、如权利要求l所述的弹簧钢，其特征在于，以质量X计含有从Cr:3%以下、Ni:0.5%以下、V:0.5%以下、Nb:0.1%以下、Mo:0.5%以下、W:0.5%以下、Cu:0.1%以下、Ti:0.1%以下、Co:0.5%以下、B:0.01%以下及稀土类元素0.05%以下中选出的一种以上。4、如权利要求2所述的弹簧钢，其特征在于，以质量X计含有从Cr:3%以下、Ni:0.5%以下、V:0.5%以下、Nb:0.1%以下、Mo:0.5%以下、W:0.5%以下、Cu:0,1%以下、Ti:0.1%以下、Co:0.5%以下、B:0.01%以下及稀土类元素0.05%以下中选出的一种以上。5、一种弹簧，由权利要求1所述的弹簧钢制成。6、一种弹簧，由权利要求2所述的弹簧钢制成。7、一种弹簧，由权利要求3所述的弹簧钢制成。8、一种弹簧，由权利要求4所述的弹簧钢制成。全文摘要本发明提供一种弹簧钢，其含有C1.2％(质量％的意思，以下同)，Mn0.1～2％，Si0.2～3％，Al0.0003～0.005％，Li0.03～8ppm(质量ppm的意思，以下同)，Ca30ppm以下(不包括0ppm)以及Mg10ppm以下(不包括0ppm)，其中，满足下述(1)～(3)的必要条件的氧化物系的夹杂物存在1×10^-4个/mm以上，由此，即使不严格控制夹杂物的平均的组成，也能够获得发挥出优良的疲劳特性的弹簧等。(1)在将Li₃O以外的夹杂物组成设为质量的100％时，Al₂O₃和SiO₂合计为80质量％以上，(2)Al₂O₃∶2SiO₂＝1∶4～2∶3(质量比)，(3)夹杂物中含有Li。文档编号C22C38/58GK101440455SQ20081017456公开日2009年5月27日申请日期2008年11月10日优先权日2007年11月19日发明者吉田敦彦,坂本浩一,增本庆,杉村朋子申请人:株式会社神户制钢所