JP4349732B2

JP4349732B2 - 溶接性および加工性に優れたばね用線材および鋼線

Info

Publication number: JP4349732B2
Application number: JP2000285032A
Authority: JP
Inventors: 志郎中野; 哲夫白神; 豊玉井
Original assignee: JFE Bars and Shapes Corp
Current assignee: JFE Bars and Shapes Corp
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2000-09-20
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2020-09-20
Also published as: JP2002097547A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、溶接性および加工性に優れたばね用線材および鋼線、特に、自動車用シートの枠線、インサートワイヤー等の緩衝構造材として必要な溶接性および加工性に優れたばね用線材および鋼線に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ばね用鋼線材としては、主にＪＩＳＧ３５２１に規定された硬鋼線が採用されている。即ち、この種のばねは、一般に熱間圧延された線材をパテンティング後、冷間で伸線加工してばね素材を調製し、次いで、切断、曲げ成形して製造されるが、最終工程でかしめにより接合して、緩衝物の芯構造体を組み立てている。
【０００３】
しかし、昨今、生産性の向上や歩留まり向上および省資源・省エネルギーが強く唱えられている社会的趨勢の中で、上記のばね構造体に硬鋼線を使用し、かしめによる接合方式を用いるのは不利であるとの理由から、硬鋼線並みの強度を有しながら軟鋼線並みに加工性が良く、且つ、溶接方式による加工が可能な鋼線に対する要請が高まり、特開平６−３０６５３８（従来技術１）、特開平８−１７６７３６（従来技術２）、特開平１０−１９５６００（従来技術３）および特開平１０−５３８１４（従来技術４）等に、溶接可能な鋼線に関する技術が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術１は、圧延完了後の加工工程で焼入処理を必要とし、従来技術２は、圧延完了後の加工工程でオーステナイト化温度からの制御冷却と焼戻しあるいは焼戻しを必要とし、従来技術３は、圧延完了後の加工工程で加熱と鉛浴とによる時効処理を必要とすることから、何れも生産性向上並びに省資源・省エネルギーの観点から問題があった。
【０００５】
更に、従来技術４は、圧延完了後の組織が（ベイナイト＋パーライト）の面積率が１０〜９５％で残部がフェライト、マルテンサイトおよび残留オーステナイトの１種以上で成り立つことから、鋼線の伸線およびばねの加工に際し、残部を構成する組織と（ベイナイト＋パーライト）との界面で両者の加工性の差異によるボイドが形成され易いため、曲げ等の加工性に問題が残る。
【０００６】
従って、この発明は、上記のような事情に注目してなされたものであり、圧延ままで鋼線の伸線加工が可能で、加工工程の中で強度を付与するための特別な熱処理を必要とせず、硬鋼線並みの強度を有しながら溶接性および加工性に優れたばね用線材および鋼線を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願発明者等は、上述した課題を解決するために鋭意研究を重ねた。この結果、以下に示すような知見を得た。
▲１▼所定の化学成分を有する鋼において、全体をベイナイト組織とした線材を伸線加工すると、強度・延性に優れ、溶接性および加工性に優れたばね用鋼線が得られる。
▲２▼特に、鋼中に固溶したＢは、ベイナイト組織を微細化し、鋼の高強度化および高靭性化に寄与する。
▲３▼鋼の組織を微細化並びに均一化して、ばね素材として十分な強度・延性を得るためには、熱間圧延後に、例えば、ミストと衝風との併用による制御冷却によって５〜５０℃／ｓｅｃの冷却速度で線材を冷却することが有効である。
【０００８】
この発明は、上述した知見に基づきなされたものであり、以下を特徴とするものである。
【０００９】
請求項1記載の発明は、Ｃ：０．０５〜０．２０、Ｓｉ：０．３５〜１．５０、Ｍｎ：１．００〜３．００、Ｃｒ：０．１０〜１．５０、Ｎｂ：０．０１〜０．１０、Ａｌ：０．００５・〜０．０８０、Ｂ：０．０００５〜０．００５０、Ｔｉ：０．０２〜０．０６、Ｎ：０．００３〜０．０１５（以上、ｍａｓｓ％）、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼を熱間圧延し、圧延完了後に５〜５０℃／ｓｅｃの制御冷却を行って組織をベイナイトとしたことに特徴を有するものである。
【００１０】
請求項２記載の発明は、更に、鋼成分として、Ｎｉ：１．０以下（０を含まない）、Ｍｏ：１．０以下（０を含まない）、Ｖ：０．０５〜０．３０（以上、ｍａｓｓ％）からなる群から選択される少なくとも１種を含有することに特徴を有するものである。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の線材に伸線加工を施すことに特徴を有するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、この発明における成分組成の限定理由について説明する。
【００１３】
（１）Ｃ：０．０５〜０．２０ｍａｓｓ％
Ｃは、鋼の強化元素および焼入性向上元素として重要であるが、０．０５ｍａｓｓ％未満では強化作用および焼入性向上作用が不足し、十分な強度が得られない。一方、０．２０ｍａｓｓ％を超えると、この発明の目的とする溶接性や加工性が劣化する。従って、Ｃ含有量は、０．０５〜０．２０ｍａｓｓ％の範囲内に限定した。
【００１４】
（２）Ｓｉ：０．３５〜１．５０ｍａｓｓ％
Ｓｉは、鋼の溶製時および鋼線に加工されてからの溶接時における脱酸剤として重要である。また、固溶強化元素としてフェライトの強化に寄与すると共に、ばねとしての耐へたり性向上にも重要な元素である。これらの効果を発揮させるためには０．３５ｍａｓｓ％以上を含有させることが必要である。一方、１．５０ｍａｓｓ％を超えると、延性が低下して加工性が劣化する。従って、Ｓｉ含有量は、０．３５〜１．５０ｍａｓｓ％の範囲内に限定した。
【００１５】
（３）Ｍｎ：１．００〜３．００ｍａｓｓ％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に鋼の溶製時および鋼線の溶接時に脱酸剤として作用すると共に、延性を阻害するＳをＭｎＳとして固定し、その害を緩和する作用があり、しかも焼入性向上元素として作用し、基地組織の微細化によって延靭性の向上にも有効に作用する。これらの作用を適切に得るには、１．００ｍａｓｓ％以上含有させることが必要であるが、３．００ｍａｓｓ％を超えると、その効果は飽和する。従って、Ｍｎ含有量は、１．００〜３．００ｍａｓｓ％の範囲内に限定した。
【００１６】
（４）Ｃｒ：０．１０〜１．５０ｍａｓｓ％
Ｃｒは、上述したＳｉ、Ｍｎと同様に焼入性を向上させる作用を有すると共に、溶接の際に加えられる熱による軟化を抑制する作用を有する。このような作用を発揮させるためには、０．１０ｍａｓｓ％以上含有させることが必要であるが、１．５０ｍａｓｓ％を超えると、その作用は飽和し、経済的に無駄である。従って、Ｃｒ含有量は、０．１０〜１．５０ｍａｓｓ％の範囲内に限定した。
【００１７】
（５）Ｂ：０．０００５〜０．００５０ｍａｓｓ％
Ｂは、上述したＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒと同様に焼入性を向上させる作用を有するが、他の元素とは異なり一定量以上を鋼中に合有させると、その含有量に係わらず、一定の焼入性向上作用を維持する特徴を持つ。このために圧延完了後の線材を適切な条件下で冷却すれば、その含有量に影響されることなくベイナイト変態を促進し、組織を安定且つ微細化させる作用を有する。このような作用を発揮させるためには、０．０００５ｍａｓｓ％以上含有させることが必要であるが、０．００５０ｍａｓｓ％を超えてもその効果が飽和する。従って、Ｂ含有量は、０．０００５〜０．００５０ｍａｓｓ％の範囲内に限定した。
【００１８】
（６）Ｎｂ：０．０１〜０．１０ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．００５〜０．０８０ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．０２〜０．０６ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００３〜０．０１５ｍａｓｓ％、
Ａｌは、溶製時に脱酸剤として作用する。また、Ａｌは、窒化物を、更に、Ｎｂ、Ｔｉは、炭窒化物を形成し、オーステナイト結晶粒の粗大化を防止して、圧延後の結晶粒を微細化し、鋼の強度と靭性を高める作用をする。特に、Ｎｂは、耐力比を高め、耐へたり性の向上をもたらす作用がある。これら各々の元素の添加効果を有効にする含有量を下限とし、効果が飽和し、それを超えて含有しても無駄になる含有量を上限とした。従って、Ｎｂ含有量は、０．０１〜０．１０ｍａｓｓ％、Ａｌ含有量は、０．００５〜０．０８０ｍａｓｓ％、Ｔｉ含有量は、０．０２〜０．０６ｍａｓｓ％、Ｎ含有量は、０．００３〜０．０１５ｍａｓｓ％の範囲内にそれぞれ限定した。
【００１９】
（７）Ｎｉ：１．０ｍａｓｓ％以下（０を含まない）、Ｍｏ：１．０ｍａｓｓ％以下（０を含まない）、Ｖ：０．０５〜０．３０ｍａｓｓ％
ＮｉおよびＭｏは、鋼の焼入性を高め、高強度化に寄与する。また、Ｍｏは、溶接の際に加えられる熱による軟化を抑制する作用を有する。これらの添加効果を有効にするには、それぞれ０．０５ｍａｓｓ％以上のが好ましい。Ｖは、焼入性を向上させるとと共に、Ｎｂ、Ｔｉと同様に炭窒化物を形成し、オーステナイト結晶粒の粗大化を防上して、圧延後の結晶粒を微細化し、鋼の強度と靭性を高める作用をするが、添加効果を有効にするには、０．０５ｍａｓｓ％以上含有させることが必要である。各元素の上限は、効果が飽和しそれを超えて含有させても無駄になる含有量とした。従って、ＮｉおよびＭｏ含有量は、それぞれ１．０ｍａｓｓ％以下に限定し、Ｖ含有量は、０．０５〜０．３０ｍａｓｓ％の範囲内に限定した。
【００２０】
一般的に線材は、熱間圧延完了後、直ちに水冷され、この後、リールで巻き取られ、搬送コンベアにリング状に載置され、移動するコンベア上で衝風による冷却を施されることによって製造される。この発明による溶接性および加工性に優れたばね用鋼線材は、上記化学成分を有する鋼の熱間圧延後における冷却速度を５〜５０℃／ｓｅｃの範囲内に調整し、全体をベイナイト組織とすることによって得ることができる。
【００２１】
以下に、この発明によるばね用鋼線材の圧延に先立つ加熱から熱間圧延後の冷却までのプロセスと条件とについて説明する。
【００２２】
圧延に際し、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖによる炭窒化物を析出させ強度上昇を図るためには、圧延前の加熱によって析出物を固溶させることが必要であるが、加熱温度が高すぎると、結晶粒が粗大化して、延靭性を損なうため、圧延時の加熱温度を１０００〜１２３０℃の温度範囲とすることが好ましい。同特に前記巻取り後の結晶粒の粗大化を防止して、延靭性を損なわないために、巻取温度は、７５０〜９００℃の温度範囲が望ましい。
【００２３】
また、制御冷却後の線材にフェライトとベイナイトとが共存する場合、ばね用素材として十分な強度が得られないだけでなく、線材および鋼線加工後の引張試験あるいは鋼線の曲げ加工に際し、フェライトとベイナイトとの界面からクラックが発生しやすく延性が不足するため、十分な加工性が得られないという結果を招く。
【００２４】
このようなことを防止し、十分な延性と加工性を得るためには、コンベアに載置後の冷却速度を５〜５０℃／ｓｅｃの範囲内に調整し、全体をベイナイト組織とする必要がある。特に、巻取温度から４５０℃までの冷却初期における冷却速度を１０℃以上に調整することが初析フェライトの析出防止に有効に作用するため、従来の衝風に加え、例えば、ミスト等を併用して、冷却媒体の冷却能を高めた制御冷却を行うことが好ましい。
【００２５】
【実施例】
次に、この発明を実施例により更に説明する。なお、この発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、上述したこの発明の要旨に従い適宜変更実施することができることはいうまでもない。
【００２６】
図１は、鋼中のＢ含有量が圧延後の鋼材の引張強さおよび絞りに与える影響を調べた結果を示すグラフである。Ｂ以外の化学成分は、この発明を満足する、０．１２％Ｃ−０．８０％Ｓｉ−１．４５％Ｍｎ−０．５５％Ｃｒ−０．０３０％Ｔｉ−０．０３０％Ｎｂで、Ｂ含有量を０．０００１〜０．００３０％の範囲で変化させた鋼を溶製し、熱間圧延にてφ７ｍｍの線材に圧延し、８５０℃で巻き取りコンベアに載置後、４５０℃までの間をミストと衝風との併用により約１５℃／ｓｅｃで冷却し、コイルに巻き取り、次いで、このコイルからサンプルを採取し、引張試験を実施した。試験片は、ＪＩＳＺ２２０１の２号試験片とした。
【００２７】
図１から明らかなように、引張試験および絞り共に、Ｂ含有量の増加につれて上昇し、Ｂ含有量が０．０００５％を超えると、ほぼ一定の値（高強度・高延性）を示すことが分かる。
【００２８】
図２に、図１で引張強さおよび絞りが安定化したＢ含有量０．００１０％の鋼のミクロ組織を示す。図２から明らかなように、組織全体が均一なベイナイトを呈している。なお、ほぼ同様の引張強さおよび絞りの値を示したＢ含有量が０．０００５％以上の他のサンプルについても同様な組織が観察された。
【００２９】
次に、表１に示す８種の本発明鋼（Ａ〜Ｈ）と５種の比較鋼（Ｉ〜Ｍ）を溶製し、加熱条件および冷却条件を変えて、圧延、冷却して、φ７ｍｍおよびφ９ｍｍ（試料Ｎｏ．１〜２２）の線材を製造し、線材の引張試験を実施した。この際の加熱条件、冷却条件、線材の引張試験値を表２に示す。
【００３０】
更に、φ７ｍｍの線材は、φ４．５ｍｍに、そして、φ９ｍｍの線材は、φ５．５ｍｍの鋼線にそれぞれ伸線加工し、引張試験および曲げ試験を実施した。これらの結果を表３に示す。
【００３１】
引張試験は、線材についてはＪＩＳＺ２２０１の２号試験片とし、鋼線については、ＪＩＳＺ２２０１の９Ｂ号試験片とした。また、曲げ試験は、ＪＩＳＺ２２４８のＶブロック法で行ない、曲げ角度は、９０度、内側半径は、鋼線サイズとした。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【表２】

【００３４】
【表３】

【００３５】
更に、溶接部の強度を確認するため、各鋼種を代表する試料Ｎｏ．の鋼線（φ４．５ｍｍ）を選択し、十字形に点溶接を実施し、剪断強度および剥離強度を測定した。この結果を表４に示す。なお、溶接時の加圧力は、３００Ｎ、溶接２次側電流は、２．０ＫＶＡ、通電時間は、０．１２ｓｅｃであった。なお、剪断強度は、図３に示す治具を、そして、剥離強度は、図４に示す治具を用いてそれぞれ測定した。
【００３６】
【表４】

【００３７】
表２および表３から、以下のことが明らかになった。
【００３８】
本発明例Ｎｏ．１、２、４、５、７、８、１０、１２、１３、１４、１６、１７は、線材および鋼線共に高強度および高靭性を示し、曲げ加工性も良好である。
【００３９】
化学成分は、本発明範囲内であるが、冷却速度が本発明範囲を外れて低い比較例Ｎｏ．３、６、９、１１、１５は、線材および鋼線共に、本発明例に比べて強度および延性共に低く、曲げ加工性も劣る。
【００４０】
Ｎｏ．１８の比較例は、線材および鋼線共に、延性は本発明例レベルに近似し、曲げ加工性も良好であったが、本発明例に比べて強度が低いので、ばね用鋼線には適さない。
【００４１】
Ｎｏ．１９の比較例は、線材および鋼線共に、強度および延性は、本発明例レベルに近似し、曲げ加工性も良好であるが、後述のように、溶接後の強度が低い。
【００４２】
Ｎｏ．２０の比較例は、Ｔｉ含有量が本発明範囲を外れて大きいので、線材および鋼線共に、延性が本発明例に比べて低く、曲げ加工性も劣る。
【００４３】
Ｎｏ．２１の比較例は、ＴｉおよびＢが添加されていないため、線材および鋼線共に、本発明例に比べて強度および延性が低く、曲げ加工性も劣る。
【００４４】
Ｎｏ．２２の比較例は、Ｎｂが添加されていないために、線材および鋼線共に、本発明例に比べて延性が低く、曲げ加工性も劣る。
【００４５】
表４から、以下のことが明らかになった。
【００４６】
本発明例Ｎｏ．１、４、７、１０、１３、１４、１６、１７は、何れも、比較例に比べて、剪断強度および剥離強度の何れも高い値を示している。
【００４７】
従来ばね用鋼線として使用されていた比較例Ｎｏ．１９は、溶接部分にマルテンサイトを生じるため、剪断強度および剥離強度の何れも低い値を示し、溶接加工を用いる工法に不向きであることを示している。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎの基本成分に、Ｃｒ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｂ、Ｔｉ、Ｎを各々所定範囲内に含有させ、また、必要に応じて、前記成分に更に、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖの内の少なくとも１種を含有させ、鋼の熱間圧延完了後に５〜５０℃／ｓｅｃの制御冷却を行って、組織全体をベイナイトとすることにより、従来のばね用鋼に比べＣ含有量が低いにもかかわらず、高強度で加工性に優れ且つ溶接性に優れた特性を有するばね用線材および鋼線を得ることができる。
【００４９】
従って、この発明によれば、圧延ままで伸線加工が可能で、鋼線の加工途中で強度を付与するための特別な熱処理を必要とせず、溶接性に優れていることから、生産性の低い、従来のかしめ等の接合方法から溶接への工法変更が可能となるために、生産性、歩留まりの向上、および、省資源、省エネルギーが強く唱えられている昨今の社会的趨勢に答えられ、自動車用シートの枠線、インサートワイヤー等の緩衝構造材の素材として有効に活用することができるといった有用な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼中のＢ含有量と線材の引張り強さおよび絞りとの関係を示すグラフである。
【図２】線材の組織を示す顕微鏡写真である。
【図３】剪断強度を測定するための治具を示す図であり、（ａ）は、正面図、（ｂ）は、断面図、（ｃ）は、平面図である。
【図４】剥離強度を測定するための治具を示す概略斜視図である。

Claims

Ｃ：０．０５〜０．２０、
Ｓｉ：０．３５〜１．５０、
Ｍｎ：１．００〜３．００、
Ｃｒ：０．１０〜１．５０、
Ｎｂ：０．０１〜０．１０、
Ａｌ：０．００５・〜０．０８０、
Ｂ：０．０００５〜０．００５０、
Ｔｉ：０．０２〜０．０６、
Ｎ：０．００３〜０．０１５（以上、ｍａｓｓ％）、
残部：Ｆｅおよび不可避的不純物
からなる鋼を熱間圧延し、圧延完了後に５〜５０℃／ｓｅｃの制御冷却を行って組織をベイナイトとしたことを特徴とする、溶接性および加工性に優れたばね用線材。
更に、鋼成分として、
Ｎｉ：１．０以下（０を含まない）、
Ｍｏ：１．０以下（０を含まない）、
Ｖ：０．０５〜０．３０（以上、ｍａｓｓ％）
からなる群から選択される少なくとも１種を含有することを特徴とする、請求項１記載のばね用線材。
請求項１または２記載のばね用線材を伸線加工することを特徴とするばね用鋼線。