剥皮性优异的高强度弹簧用钢线材和高强度弹簧的制作方法
【专利摘要】本发明的高强度弹簧用钢线材是热轧后的钢线材，其具有规定的化学成分组成，是珠光体面积率为90％以上的组织，珠光体团的粒度编号的平均值Pave满足下述(1)式，并且表层的全脱碳层深度在0.20mm以下，且Cr系合金碳化物量相对于所述钢线材总质量为7.5％以下。6.0≤Pave≤12.0...(1)。高强度弹簧用钢线材和以该高强度弹簧用钢线材为原材而得到的高强度弹簧，除了剥皮性和剥屑排出性良好以外，还发挥着在SV处理时不会发生断线这样的良好的SV处理性。
【专利说明】剥皮性优异的高强度弹簧用钢线材和高强度弹簧
【技术领域】
[0001]本发明涉及作为汽车的离合器、发动机、燃料喷射装置、悬挂机构等所使用的高强度弹簧(特别是阀弹簧)的原材有用的高强度弹簧用钢线材和高强度弹簧，特别是涉及在剥皮工序中能够发挥良好的剥皮性的高强度弹簧用钢线材和由该高强度弹簧用钢线材得到的高强度弹簧。
【背景技术】
[0002]在上述这样的环境下使用的弹簧，由于长期在高应力下使用，所以要求有高水平的耐疲劳特性。为了改善耐疲劳特性，而要求优异的表面性状和优异的夹杂物控制。其中对于表面性状而言，虽然在弹簧成形后会通过喷丸硬化和氮化处理等进行平坦化和硬化处理，但如果有仅仅数十微米左右的瑕疵残存或发生，则在弹簧的使用中会发生以表面瑕疵为起点的折损。
[0003]因此，会实施除去轧制后的线材表层的脱碳部和线材表层的微细瑕疵的剥皮处理(以下，称为“SV处理”)。该SV处理是使用削片机模具将线材的表层全周沿深度方向削去数百微米左右的处理，但在SV处理性(剥皮处理性)差的线材中，除了在SV处理中发生断线以外，还有削片机模具的缺损，线材表面的杂乱，工具寿命变短等的问题。另外，在SV处理性差的线材中，用于细小地切断剥屑而提高剥屑排出性的破碎机上会缠绕剥屑，若用于驱动破碎机的电机负荷过大，则也会产生由于装置停止而成品率降低这样的问题。
[0004]通过使SV处理性提闻,可以大幅提闻成品率及提闻品质。作为使SV处理性提闻的技术，组织控制和夹杂物组成控制等为主流的这样的技术迄今为止也提出多种。
[0005]例如在专利文献I中，提出使奥氏体结晶粒度粗大来改善被削性。但是，为了在弹簧钢中实现高疲劳强度，需要微细的晶粒，另外若考虑SV处理、拉丝加工等制造性，则优选微细的结晶粒度。
[0006]在专利文献2中，通过规定氧化物系夹杂物的组成和存在于表层的氧化物系夹杂物的尺寸、分布密度而使SV处理性提高。但现状是，使SV处理性降低的要因是影响组织的延展性、韧性的合金系碳化物、氮化物等的影响大。
[0007]另一方面，在专利文献3中，通过规定机械特性来提高SV处理性，但在此技术中，合金添加量变多，而在合金系碳化物和氮化物等的析出多的弹簧钢中，现状是只满足机械特性并不能改善SV处理性。
[0008]现有技术文献
[0009]专利文献
[0010]专利文献1:日本特开2000-256785号公报
[0011]专利文献2:日本特开2010-222604号公报
[0012]专利文献3:日本特开2000-239797号公报
[0013]发明所要解决的课题
[0014]特别在阀弹簧中，需要高疲劳强度、高疲劳寿命。为了满足这些特性，要求弹簧的表面性状良好，为了除去轧制材的脱碳层和表面瑕疵而实施SV处理。此SV处理由用于提高轧制材的正圆性并防止削偏的光整工序、和使用了削片机模具的剥皮工序构成，为了防止光整工序中的断线，要求轧制时适当控制传送机上的冷却条件，使得轧制材组织中不含过冷组织(贝氏体和马氏体)。
[0015]另外，在用削片机模具的剥皮工序中，要求能够对2吨卷材的全长进行剥皮且没有划痕等，有稳定的线材表皮品质。因此，在轧制材组织，除了不含容易成为断线的原因的过冷组织以外，需要难以使削片机模具发生缺损、对工具的负荷小等、剥皮性优异的轧制材。此外，虽然利用削片机模具剥皮时产生的剥屑会利用破碎机细小地切断后排出，但也需要容易被破碎机切断的剥屑，即需要剥屑的排出性良好。
【发明内容】
[0016]本发明为了解决这样的现有技术中的课题而完成的，其目的在于，提供一种剥皮性和剥屑排出性良好，且在SV处理时不发生断线这样的、能够发挥良好的SV处理性的高强度弹簧用钢线材、以及以这样的高强度弹簧用钢线材作为原材而得到的高强度弹簧。
[0017]用于解决课题的手段
[0018]能够解决上述课题的本发明的高强度弹簧用钢线材是热轧后的钢线材，在以下方面具有要点，分别含有C:0.4%以上且小于1.2% (表示“质量％”，对于化学成分组成，以下均同样);Si:1.5 ~3.0% ；Mn:0.5 ~1.5% ；Cr:0.02 ~0.5%和 Al:0.010% 以下，余量由铁和不可避免的杂质构成，是珠光体面积率为90%以上的组织，珠光体团的粒度编号的平均值Pave满足下述(I)式,并且表层的全脱碳层深度在0.20mm以下,且Cr系合金碳化物量相对于所述钢线材总质量在7.5%以下。
[0019]6.0 ^ Pave ^ 12.0...(I)
[0020]在本发明的高强度弹簧用钢线材中，根据需要，还含有如下成分也有效:(a)V:0.5%以下(不含0% )和Nb:0.5%以下(不含0% )中的至少一种；(b)Mo:0.5%以下(不含 0% ) ; (c)N1:1.0% 以下(不含 0% ) ； (d) Cu:0.5% 以下(不含 0% ) ；(e)B:0.010% 以下(不含0% )等，根据所含有的成分，高强度弹簧用钢线材的特性得到进一步改善。
[0021]在本发明中，还包含由上述这样的高强度弹簧用钢线材得到的高强度弹簧。
[0022]发明效果
[0023]在本发明中，通过适当地调整化学成分组成而使制造条件恰当，能够实现如下的高强度弹簧用钢线材，即，由于成为珠光体面积率在90%以上的组织，并且使珠光体团粒度编号的平均值Pave为规定范围，且适当地控制表层全脱碳层深度和Cr系合金碳化物量，因此能够实现剥皮性和剥屑排出性良好，除此之外，在SV处理时也不会发生断线，能够发挥良好的SV处理性的高强度弹簧用钢线材，这样的高强度弹簧用钢线材作为用于制造高强度弹簧的原材极其有用。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是表示评价用试料的取样方法(环分割位置)的说明图。
[0025]图2是示意性地表示线材的组织观察位置的横截面图。
[0026]图3是示意性地表示线材的表面脱碳观察位置的横截面图。
[0027]图4是表示试验N0.2 (发明例)中的破碎机电流值的位移的图形。
[0028]图5是表示试验N0.27 (比较例)中的破碎机电流值的位移的图形。
【具体实施方式】
[0029]本发明人为了实现适合上述目的的高强度弹簧用钢线材，从各种角度进行了研究。其结果表明，通过适当控制构成轧制材的化学成分组成、组织、珠光体团的粒度编号、表层脱碳深度和轧制材表层的Cr系合金碳化物量等，除了剥皮性和剥屑排出性良好以外，还有SV处理时还不会发生断线这样的SV处理性飞跃性地提高。需要说明的是，以下将包含剥皮性和剥屑排出性在内，称为“SV处理性”。接下来，对于本发明中规定的各要件进行说明。
[0030][珠光体面积率为90%以上的组织]
[0031]本发明的钢线材(热轧后的钢线材:轧制线材)，是珠光体面积率在90%以上的组织。所谓具有珠光体面积率为90%以上的组织的轧制线材，意思是在轧制线材横载面中所占的贝氏体、马氏体的过冷组织和铁素体的面积率在10%以下的轧制线材。珠光体面积率在90%以上的轧制线材可以在SV处理时不断线地进行SV处理，但是对于贝氏体、马氏体等过冷组织以面积率计生成了 10%以上的轧制线材而言，则变得缺乏延展性、韧性，在SV处理时发生断线等，SV处理性变差。
[0032]另外，铁素体没有比贝氏体和马氏体等过冷组织那样使SV处理性降低，虽然也可以含有一部分，但是若其量过剩，则组织不均匀，因为对于SV处理性来说不优选。从这一观点出发，在本发明的钢线材中，优选珠光体的面积率为90面积％以上。珠光体的面积率，更优选为92面积％以上(进一步优选为95面积％以上)。
[0033][珠光体团的粒度编号的平均值Pave:6.0 ( Pave ( 12.0]
[0034]珠光体团的粒度编号(以下，称为“珠光体团尺寸”)的平均值Pave，对轧制线材的延展性产生显著影响。珠光体团尺寸小的轧制线材缺乏延展性，成为SV处理中的断线原因。另外，珠光体团尺寸越大，延展性越提高，但是，为了使珠光体团极度微细，需要使热轧中的载置温度极端降低，且为了急冷而需要过大的冷却设备，因此现实上难以制造。从这一观点出发，珠光体团尺寸的平均值Pave为6.0≤Pave ^ 12.00优选为7.0≤Pave≤11.0。
[0035][表层的全脱碳层深度:0.20mm以下]
[0036]表层的脱碳，通常通过SV处理来除去，但若表层全脱碳层深，则SV处理时产生的剥屑的延展性变高，因此由切屑破碎机进行的剥屑的切断性变差，剥屑排出性降低，从而SV处理性降低。另外表层全脱碳层深时，在SV处理后仍会残存表层全脱碳层，使弹簧的疲劳强度显著降低。因此，表层全脱碳层深度为0.20mm以下。优选为0.15mm以下(更优选为
0.10mm 以下)。
[0037][Cr系合金碳化物量相对于钢线材总质量< 7.5质量％ ]
[0038]Cr系合金碳化物比铁系碳化物明显坚硬，因此少量的析出就会引起削片机刀头的缺损、削片机模具的寿命降低和切屑排出性的劣化等，使SV处理性降低。因此，使Cr系合金碳化物量相对于钢线材总质量的上限为7.5%。Cr系合金碳化物量优选为5.0%以下(更优选为4.0%以下)。需要说明的是，本发明中的主旨是，作为对象的Cr系合金碳化物基本上是含有Cr为主体的碳化物，但含有V、Nb、Mo等碳化物形成元素时，也包含与它们复合的复合合金碳化物。另外，Cr系合金碳化物量中包含微量的氮化物和碳氮化物。
[0039]制造上述这样的高强度弹簧用钢线材时，也需要适当控制其制造条件。用于制造高强度弹簧用钢线材的步骤如下。首先，热轧具有规定的化学成分组成的钢坯，加工成期望的线径。关于轧制时的加热温度，若过高，则伴随旧奥氏体结晶粒度的粗大化，成为组织脆化的原因，使SV处理性降低。若加热温度过低，则钢材的变形阻力提高，因此轧制机的负荷提高，使制造性降低。因此，轧制前的加热温度优选为900°c以上且1100°C以下。更优选为950°C以上且1050°C以下。
[0040]接着，使热轧后的钢线材成为卷状而载置于冷却传送机上，但这时的温度(载置温度)若超过1100°C，则旧奥氏体结晶粒度粗大化，伴随珠光体团尺寸的粗大化而成为组织脆化的原因，另外若低于860°c，则容易发生深的表层脱碳，另外变形阻力提高，容易发生卷取形状不良。由此情况出发，载置温度优选为860~1100°C，通过控制在这一温度范围内，能够抑制珠光体团尺寸的粗大化和表层脱碳。载置温度更优选为900°C以上且1050°C以下。
[0041]传送机载置后，至作为珠光体相变的结束温度域的6 O (TC的平均冷却速度为
1.(TC/秒以上(优选为3.5°C/秒以上)且10°C/秒以下(优选为8°C/秒)，能够得到珠光体主体的组织，且是珠光体团尺寸的粗大化受到抑制的轧制材组织。另外，从低于600°C至400°C的平均冷却速度为3°C/秒以上(优选为3.5°C/秒以上)且10°C/秒以下(优选为8°C /秒以下)，通过冷却至400°C以下(优选为375°C以下)，从而能够得到抑制了在珠光体主体的组织中的Cr系合金碳化物析出的、SV处理性优异的轧制线材。
[0042]本发明的高强度弹簧用钢线材为了发挥作为最终制品(高强度弹簧)的特性，需要适当调整其化学成分组成。其化学成分组成的各成分(元素)的范围限定理由如下。
[0043][C:0.4% 以上且小于 1.2% ]
[0044]C是确保钢材的基本的强度，对于弹簧的强度、耐永久残余应变性的上升有效的元素，为此需要使其含有0.4%以上。伴随C含量的增加，弹簧的强度、耐永久残余应变性提高，但若过剩，则粗大渗碳体大量析出，延展性、韧性降低，对弹簧加工性和弹簧特性造成不利影响。从这一观点出发，C含量需要小于1.2%。C含量的优选的下限为0.5%以上，优选的上限为1.0%以下。
[0045][S1:1.5 ~3.0% ]
[0046]Si是用于钢的脱氧所需要的元素，另外也是用于确保弹簧的强度、硬度和耐永久残余应变性所需要的元素。为了发挥这些效果，需要使Si含有1.5%以上。但是，若Si含量过剩，则不仅使材料硬化，而且使延展性、韧性降低，除此之外，表面的脱碳增加而使SV处理性和疲劳特性降低，因此需要为3.0%以下。Si含量的优选的下限为1.6%以上(更优选为1.7%以上)，优选的上限为2.8%以下(更优选为2.5%以下)。
[0047][Mn:0.5 ~1.5% ]
[0048]Mn也与Si同样，是用于钢的脱氧所需要的元素，另外将钢中的S作为MnS固定，此外还提高淬火性而有助于弹簧强度的提高。为了发挥这些效果，需要含有0.5%以上。但是，若Mn含量过剩，则淬火性过度提高，容易生成马氏体、贝氏体等过冷组织。因此，Mn含量需要为1.5%以下。Mn含量的优选的下限为0.6%以上(更优选为0.7%以上)，优选的上限为1.4%以下(更优选为1.3%以下)。
[0049][Cr:0.02 ~0.5% ]
[0050]Cr使淬火性和回火软化阻抗提高，使弹簧强度提高，除此之外，还使C的活度降低，具有防止轧制时和热处理时的脱碳的效果。但是，若Cr的含量过剩，则Cr系合金碳化物、氮化物、碳氮化物的析出过剩，使SV处理性降低。因此，Cr含量需要为0.5%以下(优选的上限为0.45%以下(更优选为0.40%以下)。)。为了发挥上述效果，Cr含量为0.02%以上。Cr含量的更优选的下限为0.05%以上(进一步优选为0.10%以上)。
[0051][Al:0.010% 以下]
[0052]Al是脱氧元素，在钢中形成Al2O3和AlN的夹杂物。这些夹杂物使弹簧的疲劳寿命显著降低，因此Al应该极力减少。从这一观点出发，Al含量需要为0.010%以下，优选为0.008%以下。更优选为0.005%以下。
[0053]本发明的高强度弹簧用钢线材中的基本成分如上所述，余量是铁和不可避免的杂质(例如，P、s等)。在本发明的高强度弹簧用钢线材中，根据需要，还可以含有如下元素:(a)V:0.5%以下(不含0% )和Nb:0.5%以下(不含0% )中的至少一种；(b)Mo:0.5%以下(不含 0% ) ; (c)N1:1.0% 以下(不含 0% ) ;(d)Cu:0.5% 以下(不含 0% ) ；(e)B:
0.010%以下(不含0%)等，根据所含有的元素的种类，钢线材的特性得到进一步改善。这些元素的优选范围设定理由如下所述。
[0054][V:0.5%以下(不含0% )和Nb:0.5%以下(不含0% )中的至少一种]
[0055]V和Nb均具有在热轧和淬火回火处理中使晶粒微细化的作用，使延展性、韧性提高。其中V在弹簧成形后的去应力退火时发生二次析出硬化，还具有有助于提高弹簧的强度的效果。但是，若过剩地含有，则Cr与V和Nb的复合合金碳化物的析出过剩，使SV处理性降低。因此，均优选含量在0.5%以下。用于发挥上述效果的优选的下限均为0.05%以上(更优选为0.10%以上)，更优选的上限均为0.45%以下(进一步优选为0.40%以下)。
[0056][Mo:0.5% 以下(不含 0% )]
[0057]Mo在弹簧成形后的去应力退火时发生二次析出硬化而有助于弹簧的强度的提高。但是，若Mo含量过剩，则Cr与Mo的复合合金碳化物的析出过剩，使SV处理性降低。因此，Mo含量优选为0.5%以下。用于发挥上述效果的优选的含量为0.05%以上。Mo含量的更优选的下限为0.10%以上，更优选的上限为0.45%以下(进一步优选为0.40%以下)。
[0058][N1:1.0% 以下(不含 0% )]
[0059]Ni除了抑制热轧时的脱碳以外，还有助于淬火回火后的延展性、韧性和耐腐蚀性的提高。但是，若含量过剩，则淬火性过度提高，因此容易生成马氏体、贝氏体等过冷组织。另外，在作为OT线(油回火线)的制造工序的淬火回火中，残留奥氏体过度生成，因此使弹簧的耐永久残余应变性显著降低。因此，Ni含有优选为1.0%以下。Ni含量的优选的下限为0.05%以上(更优选为0.10%以上)，更优选的上限为0.9%以下(进一步优选为0.8%以下)。
[0060][Cu:0.5% 以下(不含 0% )]
[0061]Cu除了抑制热轧时的脱碳以外，还有助于耐腐蚀性的提高。但是，若过剩地含有，则使热延展性降低，热轧时有产生裂纹的危险。因此，优选Cu添加量为0.5%以下。Cu含量的优选的下限为0.05%以上(更优选为0.1%以上)，更优选的上限为0.45%以下(进一步优选为0.40%以下)。
[0062][B:0.010% 以下(不含 0% )]
[0063]B具有提高淬火性和通过使奥氏体结晶晶界洁净化而提高延展性、韧性的效果。但是，若过剩地含有，则Fe与B的复合化合物析出，有引起热轧时的裂纹的危险。另外，因为淬火性过度提高，所以容易生成马氏体、贝氏体等过冷组织。因此，B含量优选为0.010%以下。B含量的优选的下限为0.0010%以上(更优选为0.0015%以上，进一步优选为
0.0020%以上)，更优选的上限为0.0080%以下(进一步优选为0.0060%以下)。
[0064]本发明的高强度钢线材预想为热轧后的钢线材，该高强度钢线材通过其后实施剥皮处理、退火、拉丝前处理(酸洗处理)、拉丝、卷绕、淬火回火处理、表面处理等，被成形为高强度弹簧。按照这样得到的高强度弹簧发挥着良好的特性。
[0065]实施例
[0066]以下，列举实施例更具体地说明本发明，但本发明当然不受下述实施例限制，在能够符合前、后述的主旨的范围内当然也可以适当加以变更而实施，这些均包含在本发明的技术范围内。
[0067]用转炉熔炼下述表1、2中所示的化学成分组成的钢锭后，对该钢锭进行开坯轧制而制作截面为155mmX 155mm的钢坯，加热到1000°C后进行热轧，以下述表3、4中所示的传送机载置温度(轧制后的载置温度)、以平均冷却速度(从载置温度至600°C，以及从低于600°C至400°C的平均冷却速度)进行冷却，制造线径:8.ΟπιπιΦ ,单重2ton的卷材(试验N0.1 ~31)。
[0068][表 I]
[0069]
【权利要求】
1.一种剥皮性优异的高强度弹簧用钢线材，其特征在于，是热轧后的钢线材，以质量％计分别含有c:0.4%以上且小于L 2% ；S1:L 5~3.0% ；Mn:0.5~L 5% ；Cr:0.02~0.5%和Al:0.010%以下，余量由铁和不可避免的杂质构成，是珠光体面积率在90%以上的组织，珠光体团的粒度编号的平均值Pave满足下述(I)式，并且表层的全脱碳层深度在0.20mm以下，且Cr系合金碳化物量相对于所述钢线材总质量为7.5%以下，
6.0 ≤ Pave ≤ 12.0...(I)。
2.根据权利要求1所述的高强度弹簧用钢线材，其中，以质量％计含有V:0.5%以下且不含0%和Nb:0.5%以下且不含0%中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的高强度弹簧用钢线材，其中，以质量％计含有Mo:0.5%以下且不含0%。
4.根据权利要求1所述的高强度弹簧用钢线材，其中，以质量％计还含有N1:1.0%以下且不含0%。
5.根据权利要求1所述的高强度弹簧用钢线材，其中，以质量％计还含有Cu:0.5%以下且不含0%。
6.根据权利要求1所述的高强度弹簧用钢线材，其中，以质量％计还含有B:0.010%以下且不含0%。
7.一种高强度弹簧，是由权利要求1~6中任一项所述的高强度弹簧用钢线材得到的。
【文档编号】C21D8/06GK104169453SQ201380015707
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2013年3月25日 优先权日:2012年3月30日
【发明者】大浦宏之, 吉原直 申请人:株式会社神户制钢所