耐疲劳特性优异的高洁净度弹簧用钢和高洁净度弹簧的制作方法

专利名称：：耐疲劳特性优异的高洁净度弹簧用钢和高洁净度弹簧的制作方法
技术领域：
：本发明涉及耐疲劳特性优异的高洁净度弹簧用钢和高洁净度弹簧。更详细地说，本发明涉及硬质、延性极小、非金属夹杂物被降低、疲劳特性得到提高的高洁净度弹簧用钢，和使用该钢得到的耐疲劳特性优异的高洁净度弹簧。
背景技术：
：近年来，例如在汽车领域，随着轻量化和高输出功率化的要求提高，在发动机和悬挂系统等所使用的弹簧、悬架弹簧和离合器弹簧等中，也指向高应力设计。为此在这些强弹簧中，为了对应负荷应力的增大而期望其耐疲劳性和抗弹减性优异。特别是对于阀弹簧的疲劳特性提大的要求特别强烈，历来在钢中疲劳强度被认为很高的SWOSC-V(JISG3566)也难以应对。在要求有高疲劳强度的弹簧用钢材中，需要极力降低存在于钢材中的硬质的非金属夹杂物。从这一观点出发，作为用于上述用途的钢材，一般使用将上述非金属夹杂物的存在极力降低的高洁净钢。由于非金属夹杂物引起的断线、疲劳折损的危险性随着原材的高强度化推进而提高，因此构成其主要原因的上述非金属夹杂物的降低、小型化的要求进一步严格。从实现钢材中的硬质的非金属夹杂物的降低、小型化这一观点出发，至今为止提出有各种技术。例如在专利文献l中，通过规定该非金属夹杂物的组成，使非金属夹杂物在热轧时很好地延伸，并且在冷轧或拉丝工序中破碎而微细地分散，由此实现冷加工性和疲劳特性得以提高的高洁净度钢。另外在专利文献2中，在热轧和冷轧、拉丝中规定容易延伸、微细化非金属夹杂物的组成。另一方面，在专利文献3中公开有一种技术，其是将氧化物系夹杂物的熔点定于150(TC以下，从而成为在热轧、冷轧时容易延伸的低熔点组成的夹杂物。在专利文献4中规定，作为在热轧、冷轧时容易延伸、低熔点组成的夹杂物，使Al203—Si02—MnO系中含有MgO和/或CaO。另外在专利文献5中公开有一种技术，由于只进行现有的夹杂物组成控制未必能够防止疲劳破坏，因此其着眼于钢中的溶存成分，规定Al、Ca等的钢中固溶量而提高疲劳特性。专利文献l:日本公开专利公报昭62-99436专利文献2:日本公开专利公报昭62-99437专利文献3:日本公开专利公报平5-320827专利文献4:日本公开专利公报昭63-140068专利文献5:日本公开专利公报平9-310145然而，如专利文献5所述，即使控制溶存成分，仍有钢达到破坏的情况。这一现象特别是在要求有高疲劳强度的钢中，在疲劳试验的试验应力高的情况下表现得显著，在前述的专利文献所公开的技术中对此不能充分地应力。另一方面，弹簧钢要求高强度化，为此有进一步提高钢中Si浓度的倾向。因此，即使在高Si钢中仍要成这高疲劳特性，这成为极其重要的课题。
发明内容本发明在这一状况下而做，其目的在于，提供一种高洁净度钢和使用该钢得到的耐疲劳特性优异的高洁净度弹簧，该钢在高Si钢中仍能够确实地得到耐疲劳特性优异的弹簧钢方面有用。本发明的所谓耐疲劳特性优异的高洁净度弹簧用钢，含有C:1.2%(质量°/。的意思，下同)以下(不含0%)、Si:1.84%、Mn:0.12.0%、总A1:0.01%以下(不含0%)，余量由铁和不可避免的杂质构成，上述Si量与钢中的固溶(SIMS)Ca量满足下式(1)的关系。SixlO—7《固溶(SIMS)Ca《Six5x10—7…(1)[式中，固溶(SIMS)Ca、Si表示在钢中各自的含量(质量％)]上述高洁净度弹簧用钢，作为其他元素也可以还含有如下(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种以上；(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种以上；(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)碱金属元素、Ba和Sr之中的1种以上合计0.150ppm。另外，本发明也包括用上述弹簧用钢得到的耐疲劳特性优异的高洁净度弹簧。根据本发明，因为热轧时不易变形，而热轧后还容易以粗大的状态残留的Si02和Si02比例高的复合夹杂物得到显著抑制，所以能够实施严酷的拉丝加工并实现高强度化，并且能够实现能够制造耐疲劳特性优异的弹簧的高洁净度弹簧用钢。图1是表示[固溶(SIMS)Ca(%)xi07]/Si(%)与折损率的关系的曲线图。具体实施例方式本发明者们为了得到发挥着优异的疲劳特性的适合弹簧的制造的弹簧用钢而进行研究。其结果可知，钢中的Si浓度越高，Si02浓度高的硬质夹杂物容易生成，并成为破坏的起点。但是，随着对弹簧钢的高强度化的要求提高，Si浓度高的弹簧钢的使用增大，即使是高Si钢，仍期望耐疲劳特性优异的弹簧钢的提供。就上述情况，本发明者们进一步反复研究。其结果发现，如果相对于Si量控制钢中的固溶(SIMS)Ca量，则即使为高Si钢，仍能够得到疲劳强度极外高的弹簧用钢，从而完成的本发明。具体来说，就是使钢中的Si量与固溶(SIMS)Ca量满足下式(1)的关系。SixlO—7《固溶(SIMS)Ca《Six5xl(T7…(1)[式中，固溶(SIMS)Ca、Si表示在钢中各自的含量(质量°/。)]图1绘制了后要这的实施例一栏中所述的实验结果(表1表2)，是调查[固溶(SIMS)Ca(%)xio7]/Si(%)带给折损率的影响的曲线图。还有，图1中，固溶(SIMS)Ca、Si表示其在钢中的各自含量(质量％)。图1中，參是固溶(SIMS)Ca量满足上式(1)的范围的本发明例，〇是固溶(SIMS)Ca量不满足上式(1)的范围的比较例。由图1可知，至少使固溶(SIMS)Ca量为Si量的lxl(T"咅以上、5x10—7倍以下，从而能够降低折损率。若固溶(SIMS)Ca量超过Si量的5xlO—倍，则折损率变高，这被推测是由于硬质的CaO生成。由图1可知，在本发明中，通过满足上式(1)能够得到疲劳强度格外高的弹簧用钢。'这样，即使钢的成分组成和钢中夹杂物的平均组成相同，通过固溶(SIMS)Ca量的控制，疲劳特性也会产生差异。如上述本发明规定，通过控制固溶(SIMS)Ca量，能够充分地抑制有害的Si02系夹杂物的生成，确实地提高疲劳特性。为了得到固溶(SIMS)Ca量和Si量的关系满足上式(1)的钢材，特别是使熔渣精炼时的搅拌时间比一般的熔渣精炼的搅拌时间长，使钢液中的溶存成分接近与熔渣的平衡即可。历来一般所进行的利用熔渣巻入进行的夹杂物控制在非平衡状态下进行。然而在该控制方法中，即使通过添加熔渣和Ca等以抑制上述有害的Si02系夹杂物的发生，若钢液与夹杂物之间的反应大大脱离平衡，则凝固时还是容易生成上述Si02系夹杂物。特别是为高Si钢时，Si02系夹杂物有更容易生成的倾向。因此在本发明中，在熔渣精炼中如上述这样进行长时间的搅拌，使钢液中的溶存成分与熔渣的成分的反应接近平衡状态，从而提高钢液中的溶存Ca浓度，其结果是，能够使溶存氧与溶存Ca反应，充分地抑制Si02系夹杂物的生成。本发明特别是以Si为1.8%以上的钢材为对象，如上述这样控制成分，其他成分如下述所示，是一般的弹簧用钢通常包含的。还有，若Si过剩地被含有，则钢材容易脆化，因此抑制在4%以下。首先，C是在确保高强度上有用的元素，为了充分地发挥该效果而使之含有0.2%以上，优选为0.3%以上，更优选为0.4%以上。但是若C量过剩，则钢脆而无法实用，因此抑制在1.2%以下。Mn具有脱氧作用，并且是具有夹杂物控制作用的元素。为了有效地发挥这些作用而使之含有0.1%以上。但是若Mn量过剩，则钢材容易脆化，因此抑制在2.0%以下。Al是对夹杂物控制有用的元素，作为总Al需要为0.0001%左右。但是若总A1量变多，则夹杂物中的Al203浓度变高，存在构成断线的原因的粗大的Al203生成的可能性，因此将其抑制在0.01%以下。本发明规定的含有元素如上所述，余量是铁和不可避免的杂质，作为该不可避免的杂质，能够允许由于原料、物资、制造设备等的状况而混合的元素的混入。此外，积极地含有下述元素对于进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种以上>这些元素是有效地使软化阻抗性提高的元素，为了发挥该效果，优选含有Cr时为0.5。/。以上，含有Mo时为0.05%以上，含有W时为0.05%以上，含有Co时为0.01%以上。但是，若这些元素过剩，则淬火性变得过高，加工时容易折损，因此优选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种以上〉这些元素是对晶粒的微细化有效的元素，为了发挥该效果，优选含有V时为0.01。/。以上，含有Nb时为0.01%以上，含有Ti时为0.01%以上。但是，若这些元素过剩，则生成粗大的氮化物，使疲劳强度降低。因此，优选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%)>这些元素是对抑制低温脆化有效的元素，为了发挥该效果，优选含有Ni时在0.05。/。以上，含有Cu时为0.01。/。以上。但是过剩含有这些元素其效果也只会饱和，因此从经济性的观点出发，优选Ni为0.5。/。以下，Cu为0.1。/。以下。<REM:0.150ppm>REM(稀土类元素Ce、La等)具有进一步使钢中的非金属夹杂物软质化的作用。为了发挥该效果，优选使之含有O.lppm以上。但是过剩地加入上述元素其效果也只会饱和，因此优选为50ppm以下。<碱金属元素、Ba和Sr之中的1种以上，合计:0.150ppm>碱金属元素(Li、Na、K、Rb、Cs)、Ba、Sr具有进一步使钢中的非金属夹杂物软质化的作用。为了发挥该效果，优选含有这些元素之中的1种以上合计为O.lppm以上。但是，即使过剩地加入这些元素其效果也只会饱和，因此优选合计为50ppm以下。以下，通过实施例更详细地说明本发明，但下述实施例没有限定本发明的性质，遵循前后述宗旨而进行设计变更均包含在本发明的技术范围内。实施例在模拟转炉出钢的钢液约500kg中添加各种熔剂，实施成分调整和熔渣精炼。这时，使熔渣组成(主成分)如表2所示，另外为了使溶存成分(溶存Ca)的浓度变化，如表2所示这样使搅拌时间变化。然后，用铸模铸造熔渣精炼后的钢液，对于得到的铸锭实施锻造、热轧，得到表1所示的成分组成的直径8.0mm的线材。[表l]<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>.※余量是铁和不可避免的杂质.％表示质量％<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>对于得到的各线材，测定成分组成、夹杂物的平均组成，并且进行疲劳特性的评价。这些测定、评价方法如下述。(固溶(SIMS)Ca量的测定)对于上述各线材的L截面(含轴心的截面)，使用SIMS(SecondaryIonizationMassSpectrometer,CAMECA公司制ims5f),以下述条件进行照射，对于从各线材截面释放出的Ca离子进行质量分析，由此求得固溶(SIMS)Ca量。(SIMS分析条件)1次离子条件02+-8keV-100nA照射区域80pmX8(Vm分析区域cp8,'试料室真空度6X10—1GTorr还有，总Al量由ICP(感应耦合等离子体InductivelyCoupledPlasma)质量分析法进行分析，totalCa量由无焰原子吸收光谱分析法进行分析。(夹杂物组成的测定)研磨上述各线材的L截面，对于比直径的l/4部(半径的l/2部)存在于更表面侧的、短径为3)im以上的氧化物系夹杂物30个，以EPMA(电子探针显微分析仪ElectronProbeMicroAnalyzer)进行组成分析(分析条件如下所示)，换算成氧化物浓度，求得上述氧化物系夹杂物30个的平均组成。.EPMA装置日本电子制JXA-8621MX分析装置(EDS):TracorNorthern制TN-5500加速电压20kv扫描电流5nA(毫微安)测量方法通过能量分散分析进行定量分析(疲劳特性的评价)对于各线材(8.0mmcp)进行削皮—拉后退火(patenting)—冷拉比加工(拉丝)—油回火(oiltemper)—去应变退火相当处理—喷丸处理—去应变退火后，作为试验片提取4.0mm(px650mm的线材，在中村式旋转弯曲试验机上，以试验应力公称应力908MPa、转速40005000rpm、中止次数2><107次的条件进行旋转弯曲试验。然后，途中断裂的试验片之中，测定由于夹杂物的原因导致折损的(虽然有不是由于夹杂物引起，但从线材表面等折损的情况，但这些情况为对象以外)个数，根据下式测定折损率。10折损率=[夹杂物折损个数/(夹杂物折损个数+达到中止次数的个数)x100(%)]各线材的固溶(SIMS)Ca量显示在表1中，另外夹杂物的平均组成和疲劳特性(折损率)一并记录在表2中。由这些结果能够进行如下考察(还有，下述No.表示表中的实验No.)。在夹杂物的平均组成大致相同的No.115的钢材中，可知满足本发明规定的要件的No.llC)的钢材耐疲劳特性优异。相对于此，不满足本发明规定的要件的No.1115的钢材疲劳特性差。产业上的利用可能性本发明的弹簧用钢，因为Si02系夹杂物被极力抑制，拉丝加工性优异，另外能够确保优异的疲劳特性，所以使用在汽车领、工业机械领域等所使用的弹簧的制造中有用。特别是最适于对疲劳特性要求极高的汽车用发动机弹簧和离合器弹簧、制动器弹簧、悬挂系统的悬架弹簧等这样的用于机械的复原机构的弹簧等的制造。如上，详细地、另参照特定的实施方式说明了本发明，但能够不脱离本发明的精神和范围而施加各种的变更和修正，对业者来说显而易见。本申请基于2007年5月25日申请的请求日本专利申请(特愿2007-139202)，此内容作为参照被援引。权利要求1.一种耐疲劳特性优异的高洁净度弹簧用钢，其特征在于，以质量％计含有C1.2％以下但不含0％、Si1.8～4％、Mn0.1～2.0％、总Al0.01％以下但不含0％，余量由铁和不可避免的杂质构成，上述Si量与钢中的固溶(SIMS)Ca量满足下式(1)的关系，Si×10-7≤固溶(SIMS)Ca≤Si×5×10-7…(1)式中，固溶(SIMS)Ca、Si表示各自在钢中的质量百分比含量。2.根据权利要求1所述的高洁净度弹簧用钢，其特征在于，作为其他元素以质量％计还含有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种以上的元素。3.根据权利要求1或2所述的高洁净度弹簧用钢，其特征在于，作为其他元素以质量％计还含有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种以上的元素。4.根据权利要求13中任一项所述的高洁净度弹簧用钢，其特征在于，作为其他元素以质量％计还含有Cu:0.1%以下但不含0。/。和/或Ni:`0.5%以下但不含0%。5.根据权利要求14中任一项所述的高洁净度弹簧用钢，其特征在于，作为其他元素以质量ppm计还含有0.150ppm的REM。6.根据权利要求15中任一项所述的高洁净度弹簧用钢，其特征在于，作为其他元素还含有碱金属元素、Ba和Sr之中的l种以上的元素，并且，该1种以上的元素的合计含量以质量ppm计为0.150ppm。7.—种耐疲劳特性优异的高洁净度弹簧，其特征在于，使用权利要求16中任一项所述的高洁净度弹簧用钢得到。全文摘要本发明其目的在于，提供一种在高Si钢中，对耐疲劳特性优异的弹簧的制造有用的高洁净度弹簧用钢。本发明的耐疲劳特性优异的高洁净度弹簧用钢，含有C1.2％(质量％的意思，下同)以下(不含0％)、Si1.8～4％、Mn0.1～2.0％、总Al0.01％以下(不含0％)，余量由铁和不可避免的杂质构成，上述Si量与钢中的固溶(SIMS)Ca量满足下式(1)的关系。Si×10^-7≤固溶(SIMS)Ca≤Si×5×10^-7…(1)，式中，固溶(SIMS)Ca、Si表示在钢中各自的含量(质量％)。文档编号C21C7/06GK101675176SQ200880014748公开日2010年3月17日申请日期2008年3月27日优先权日2007年5月25日发明者井上健,吉田敦彦,坂本浩一,杉村朋子,福崎良雄申请人:株式会社神户制钢所