弹簧钢及弹簧
阅读：47发布：2020-05-11
专利汇可以提供弹簧钢及弹簧专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且通过对使 弹簧 的疲劳特性下降的SiO2硬质夹杂物的生成或脱 碳 的发生进行抑制，同时最大限度地利用 合金 元素的抗回火 软化 的效果，提供一种最终成为高强度弹簧的 弹簧 钢 。该 弹簧钢 的特征在于，以 质量 %计含有C：0.50～0.70%、Si：1.00～5.00%、Mn：0.30～2.00%、P：0.0002～0.0500%、S：0.0002～0.0500%、Cr：0.10～3.50%、Al：0.0005～0.0500%、N：0.0020～0.0100%，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成，以下述式（a）定义的H值为160以上，以下述式（b）定义的C值为3.25以下，H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋90.0 （a）C＝[Si]/[Mn] （b）。，下面是弹簧钢及弹簧专利的具体信息内容。
1.一种弹簧钢，其特征在于，以质量%计含有C：0.50～0.70%、Si：1.00～5.00%、Mn：
0.30～2.00%、P：0.0002～0.0500%、S：0.0002～0.0500%、Cr：0.10～3.50%、Al：0.0005～
0.0500%、N：0.0020～0.0100%，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成，以下述式（a）定义的H值为160以上，以下述式（b）定义的C值为3.25以下，
H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋90.0 （a）
C＝[Si]/[Mn] （b）
这里，式中的[C]、[Si]、[Mn]及[Cr]为钢中各元素的以质量%计的含量。
2.根据权利要求1所述的弹簧钢，其特征在于，以质量%计进一步含有Mo：0.01～
1.00%、V：0.01～0.30%中的1种以上，
其中，对于H值，以下述式（c）代替上述式（a）所定义的H值为173以上，H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋21.9[Mo]＋34.0[V]＋90.0
（c）这里，式中的[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[Mo]及[V]为钢中各元素的以质量%计的含量。
3.根据权利要求1或2所述的弹簧钢，其特征在于，以质量%计进一步含有Nb：
0.001～0.200%。
4.根据权利要求1或2所述的弹簧钢，其特征在于，以质量%计进一步含有Ca：
0.0002～0.0100%、Mg：0.0002～0.0100%、Zr：0.0005～0.1000%中的1种或2种以上。
5.一种弹簧，其是将钢材拉丝后实施热处理而制造的弹簧，其特征在于，钢材以质量%计含有C：0.50～0.70%、Si：1.00～5.00%、Mn：0.30～2.00%、P：0.0002～0.0500%、S：
0.0002～0.0500%、Cr：0.10～3.50%、Al：0.0005～0.0500%、N：0.0020～0.0100%，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成，所述弹簧的以下述式（a）定义的H值为160以上，以下述式（b）定义的C值为3.25以下，
H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋90.0 （a）
C＝[Si]/[Mn] （b）
这里，式中的[C]、[Si]、[Mn]及[Cr]为钢中各元素的以质量%计的含量。
6.根据权利要求5所述的弹簧，其特征在于，所述钢材以质量%计进一步含有Mo：
0.01～1.00%、V：0.01～0.20%中的1种以上，
其中，对于H值，以下述式（c）代替上述式（a）所定义的H值为173以上，H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋21.9[Mo]＋34.0[V]＋90.0
（c）这里，式中的[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[Mo]及[V]为钢中各元素的以质量%计的含量。
7.根据权利要求5或6所述的弹簧，其特征在于，所述钢材以质量%计进一步含有Nb：
0.001～0.200%。
8.根据权利要求5或6所述的弹簧，其特征在于，所述钢材以质量%计进一步含有Ca：
0.0002～0.0100%、Mg：0.0002～0.0100%、Zr：0.0005～0.1000%中的1种或2种以上。
弹簧钢及弹簧
技术领域
[0001] 本发明涉及用于汽车中使用的阀簧或离合器弹簧、悬挂弹簧中的弹簧钢，特别是涉及可抑制由拉丝或卷绕后的淬火回火处理或氮化处理等热处理导致的软化，并且使弹簧的疲劳特性降低的SiO2硬质夹杂物的生成及脱碳的发生得以抑制的高强度弹簧钢及弹簧。
背景技术
[0002] 伴随着汽车的轻质化、高性能化，弹簧也被高强度化，将热处理后抗拉强度超过1600MPa的高强度钢用于弹簧。近年来还一直在使用抗拉强度超过1900MPa的钢。
[0003] 在使用钢的螺旋弹簧的制造方法中，有在将钢加热到奥氏体区后进行卷绕，然后进行淬火回火的热卷绕；以及将预先对钢实施了淬火回火的高强度钢丝在冷状态下进行卷绕的冷卷绕。无论在哪种情况下，都由淬火回火决定弹簧的基本强度。所以，对于弹簧钢而言，考虑到淬火回火后的特性的成分设计是重要的。
[0005] 此外，如专利文献4那样，为了进一步使弹簧高强度化，使用氮化处理的表面硬化是有效的。通常，在弹簧的卷绕后实施氮化处理，但该处理由于在400～600℃下进行加热，所以尽管弹簧表面硬化，但是芯部软化，如果芯部没有充分的抗软化性，则相反使疲劳特性等弹簧性能下降。所以，一般添加可赋予抗回火软化的合金元素。
[0006] 但是，即使添加能够赋予抗回火软化的合金元素，如果在钢中存在SiO2等硬质夹杂物或在表层存在脱碳层，则即使为了提高强度而增加抗回火软化，疲劳强度也不能得以提高。
[0008] 此外，例如在专利文献6中，通过适当地控制热轧前的加热条件和轧制后的冷却条件，在热轧前将表面的氧化铁皮除去来抑制脱碳层的发生。近年来，对于汽车中使用的弹簧，要求强度的进一步提高，但是实际情况是：以往的高强度弹簧用钢不能应对。
[0009] 除此以外，专利文献7中记载了一种热轧线材，其可以作为弹簧钢等拉丝加工品的原材料使用，且拉丝加工性优良，即使通过从粗径的强拉丝加工也能抑制断线。专利文献8中记载了冷切断性和疲劳特性优良的冷成形弹簧用钢丝。
[0010] 现有技术文献
[0011] 专利文献
[0012] 专利文献1：日本特开昭57-32353号公报
[0013] 专利文献2：日本特开平1-83644号公报
[0014] 专利文献3：日本特开平2-57637号公报
[0015] 专利文献4：日本特开2004-315968号公报
[0016] 专利文献5：日本特开昭61-136612号公报
[0017] 专利文献6：日本特开2003-268483号公报
[0018] 专利文献7：日本特开2007-231347号公报
[0019] 专利文献8：日本特开2007-169688号公报
发明内容
[0020] 发明要解决的问题
[0021] 关于弹簧钢，已经存在有大量的专利文献，其中记载了范围非常宽的钢组成。但是，并不知道完全具备可抑制使弹簧的疲劳特性降低的SiO2硬质夹杂物的生成及脱碳的发生以及可抑制由回火或氮化处理导致的弹簧芯部软化的必要条件的钢。
[0022] 本发明的目的在于，提供一种通过抑制使弹簧的疲劳特性降低的SiO2硬质夹杂物的生成及脱碳的发生、同时最大限度地利用合金元素的抗回火软化的效果而提高弹簧芯部的强度，最终成为高强度弹簧的高强度弹簧钢。
[0023] 本发明的另一目的是提供一种使用本发明的弹簧钢制造的高强度弹簧。
[0024] 用于解决问题的手段
[0025] 本发明者们对在弹簧制造过程中生成的SiO2夹杂物的生成及脱碳的发生进行抑制、同时抗回火软化优良的成分组成进行了研究，首创出了高强度弹簧钢的最佳成分组成，得出了以下（A）～（E）的见识。
[0026] （A）作为高强度弹簧用钢的特性，回火或氮化处理后的硬度是重要的。特别是氮化处理对于提高表面硬度是有效的热处理，但芯部因在氮化处理时在高温下长时间地被回火而显著软化。本发明者们为了对氮化处理后的钢的芯部的回火硬度与钢成分组成的关系定量地进行评价，导出下记指标H，由此得到了各元素中的抗回火软化的效果量。
[0027] H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋21.9[Mo]＋34.0[V]＋90.0
[0028] 这里，式中的[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[Mo]及[V]为钢中各元素的含量（质量%）。
[0029] （B）特别得知：即使超过3.0%地大量添加Si及Cr，也带来高的抗回火软化。
[0030] （C）但是，如果添加大量的Si，则大量生成硬质夹杂物即SiO2，不能通过热轧使夹杂物微细化。由此，成为在钢中残存有粗大的夹杂物的弹簧，所以钢以这些夹杂物为起点而发生疲劳断裂，疲劳特性显著降低。但还发现了：通过调整与Si同样地生成氧化物的Mn的量，即使比以往的弹簧钢所含的Si量更多地添加，也能够抑制SiO2的生成，维持疲劳特性。为了抑制以SiO2硬质夹杂物为起点而发生疲劳断裂，将以下述式（b）定义的C值规定为3.25以下。
[0031] C＝[Si]/[Mn] （b）
[0032] 这里，式中[Si]及[Mn]为钢中各元素的含量（质量%）。
[0033] （D）如果不仅SiO2的生成量增加，而且添加大量的Si的话，由于在表层产生显著的脱碳，所以疲劳特性显著降低。这些脱碳量还对加热温度产生大影响，所以在添加大量的Si时，为了抑制脱碳，加热温度低为佳。对于添加了生成合金碳化物的V、Mo的钢材，为了充分得到V及Mo的抗回火软化的效果，加热温度高于未添加V、Mo的钢材，脱碳量增大。所以，在含有大量Si的钢材中，因脱碳量的影响，如果对具有相同的回火硬度的钢材的疲劳特性进行比较，则未添加V、Mo的钢材的疲劳特性优于添加了V、Mo的钢材。在未添加V、Mo的钢材时，为了得到800MPa以上的疲劳强度而将回火硬度规定为维氏硬度550以上，因此将以下述式（a）定义的H值规定为160以上。此外在添加了V、Mo的钢材时，为了得到同等以上的疲劳强度而将回火硬度规定为维氏硬度605以上，因此将用下述式（c）定义的H值规定为173以上。
[0034] H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋90.0 （a）
[0035] H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋21.9[Mo]＋34.0[V]＋90.0
[0036] （c）
[0037] 这里，式中的[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[Mo]及[V]为钢中各元素的含量（质量%）。
[0038] （E）此外，在添加大量的Cr时，因使Fe系碳化物稳定化，所以为使该碳化物充分固溶，需要提高加热温度。如果超过3.5%地大量添加Cr，则在表层产生显著的脱碳，疲劳特性显著下降。
[0039] 本发明是基于上述见识而完成的，本发明的要点如下。
[0040] （1）一种弹簧钢，其特征在于，以质量%计含有C：0.50～0.70%、Si：1.00～5.00%、Mn：0.30～2.00%、P：0.0002～0.0500%、S：0.0002～0.0500%、Cr：0.10～ 3.50%、Al：0.0005～0.0500%、N：0.0020～0.0100%，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成，以下述式（a）定义的H值为160以上，以下述式（b）定义的C值为3.25以下。
[0041] H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋90.0 （a）
[0042] C＝[Si]/[Mn] （b）
[0043] 这里，式中的[C]、[Si]、[Mn]及[Cr]为钢中各元素的含量（质量%）。
[0044] （2）根据上述（1）所述的弹簧钢，其特征在于，以质量%计进一步含有Mo：0.01～1.00%、V：0.01～0.20%中的1种以上。
[0045] 其中，对于H值，以下述式（c）代替上述式（a）所定义的H值为173以上。
[0046] H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋21.9[Mo]＋34.0[V]＋90.0
[0047] （c）
[0048] 这里，式中的[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[Mo]及[V]为钢中各元素的含量（质量%）。
[0049] （3）根据上述（1）或（2）所述的弹簧钢，其特征在于，以质量%计进一步含有Nb：0.001～0.200%。
[0050] （4）根据上述（1）～（3）中任一项所述的弹簧钢，其特征在于，以质量%计进一步含有Ca：0.0002～0.0100%、Mg：0.0002～0.0100%、Zr：0.0005～0.1000%中的1种或2种以上。
[0051] （5）一种弹簧，其是将钢材拉丝后实施淬火回火处理或氮化处理等热处理而制造的弹簧，其特征在于，钢材以质量%计含有C：0.50～0.70%、Si：1.00～5.00%、Mn：0.30～2.00%、P：0.0002 ～ 0.0500%、S：0.0002 ～ 0.0500%、Cr：0.10 ～ 3.50%、Al：0.0005 ～
0.0500%、N：0.0020～0.0100%，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成，所述弹簧的以下述式（a）定义的H值为160以上，以下述式（b）定义的C值为3.25以下。
0.0500%、N：0.0020～0.0100%，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成，所述弹簧的以下述式（a）定义的H值为160以上，以下述式（b）定义的C值为3.25以下。
[0052] H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋90.0 （a）
[0053] C＝[Si]/[Mn] （b）
[0054] 这里，式中的[C]、[Si]、[Mn]及[Cr]为钢中各元素的含量（质量%）。
[0055] （6）根据上述（5）所述的弹簧，其特征在于，所述钢材以质量%计进一步含有Mo：0.01～1.00%、V：0.01～0.20%中的1种以上。
[0056] 其中，对于H值，以下述式（c）代替上述式（a）所定义的H值为173以上。
[0057] H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋21.9[Mo]＋34.0[V]＋90.0
[0058] （c）
[0059] 这里，式中的[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[Mo]及[V]为钢中各元素的含量（质量%）。
[0060] （7）根据上述（5）或（6）所述的弹簧，其特征在于，所述钢材以质量%计进一步含有Nb：0.001～0.200%。
[0061] （8）根据上述（5）～（7）中任一项所述的弹簧，其特征在于，所述钢材以质量%计进一步含有Ca：0.0002～0.0100%、Mg：0.0002～0.0100%、Zr：0.0005～0.1000%中的1种或2种以上。
[0062] 根据本发明，进一步提供一种使用上述的H值和C值来评价弹簧的疲劳强度的方法。该弹簧的疲劳强度的评价方法的要点如下。
[0063] （a）一种弹簧的疲劳强度的评价方法，其特征在于，对于将下述钢材拉丝后实施淬火回火处理或氮化处理等热处理而制造的弹簧，通过以下述式（a）定义的H值和以下述式（b）定义的C值来评价疲劳强度，所述钢材以质量%计含有C：0.50～0.70%、Si：1.00～5.00%、Mn：0.30～2.00%、P：0.0002～0.0500%、S：0.0002～0.0500%、Cr：0.10～3.50%、Al：0.0005～0.0500%、N：0.0020～0.0100%，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成。
[0064] H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋90.0 （a）
[0065] C＝[Si]/[Mn] （b）
[0066] 这里，式中的[C]、[Si]、[Mn]及[Cr]为钢中各元素的含量（质量%）。
[0067] （b）根据上述（a）所述的弹簧的疲劳强度的评价方法，其特征在于，所述钢材以质量%计进一步含有Mo：0.01～1.00%、V：0.01～0.20%中的1种以上。
[0068] 其中，对于H值，以下述式（c）代替上述式（a）所定义的H值为173以上。
[0069] H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋21.9[Mo]＋34.0[V]＋90.0
[0070] （c）
[0071] 这里，式中的[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[Mo]及[V]为钢中各元素的含量（质量%）。
[0072] （c）根据上述（a）或（b）所述的弹簧的疲劳强度的评价方法，其特征在于，所述钢材以质量%计进一步含有Nb：0.001～0.200%。
[0073] （d）根据上述（a）～（c）中任一项所述的弹簧的疲劳强度的评价方法，其特征在于，所述钢材以质量%计进一步含有Ca：0.0002～0.0100%、Mg：0.0002～0.0100%、Zr：0.0005～0.1000%中的1种或2种以上。
[0074] 根据本发明，进一步提供一种制造满足上述H值和C值的规定的高强度弹簧的方法。该高强度弹簧的制造方法的要点如下。
[0075] （e）一种高强度弹簧的制造方法，其特征在于，通过在将下述钢材拉丝后实施淬火回火处理或氮化处理等热处理来制造弹簧，使得以下述式（b）定义的H值为160以上，以下述式（b）定义的C值为3.25以下，所述钢材以质量%计含有C：0.50～0.70%、Si：1.00～5.00%、Mn：0.30～2.00%、P：0.0002～0.0500%、S：0.0002～0.0500%、Cr：0.10～3.50%、Al：0.0005～0.0500%、N：0.0020～0.0100%，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成。
[0076] H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋90.0 （a）
[0077] C＝[Si]/[Mn] （b）
[0078] 这里，式中的[C]、[Si]、[Mn]及[Cr]为钢中各元素的含量（质量%）。
[0079] （f）根据上述（e）所述的高强度弹簧的制造方法，其特征在于，所述钢材以质量%计进一步含有Mo：0.01～1.00%、V：0.01～0.20%中的1种以上。
[0080] 其中，对于H值，以下述式（c）代替上述式（a）所定义的H值为173以上。
[0081] H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋21.9[Mo]＋34.0[V]＋90.0
[0082] （c）
[0083] 这里，式中的[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[Mo]及[V]为钢中各元素的含量（质量%）。
[0084] （g）根据上述（e）或（f）所述的高强度弹簧的制造方法，其特征在于，所述钢材以质量%计进一步含有Nb：0.001～0.200%。
[0085] （h）根据上述（e）～（g）中任一项所述的高强度弹簧的制造方法，其特征在于，所述钢材以质量%计进一步含有Ca：0.0002～0.0100%、Mg：0.0002～0.0100%、Zr：0.0005～0.1000%中的1种或2种以上。
[0086] 发明效果
[0088] 图1是表示V、Mo未添加材的指标H（＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋90.0）以及V、Mo添加材的指标H（＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋
11.1[Cr]＋21.9[Mo]＋34.0[V]＋90.0）与回火硬度的关系的图。
11.1[Cr]＋21.9[Mo]＋34.0[V]＋90.0）与回火硬度的关系的图。
[0089] 图2是表示回火硬度（HV）与疲劳强度（MPa）的关系的图。
[0090] 图3是表示指标C（＝[Si]/[Mn]）与疲劳强度（MPa）的关系的图。
具体实施方式
[0091] 以下对本发明进行详细说明。
[0092] 首先，对本发明中规定的所述式（a）、（c）进行说明。
[0093] 在高强度弹簧用钢的特性中，回火或氮化处理后的硬度是重要的。特别是氮化处理对于提高表面的硬度是有效的热处理，但另一方面，芯部在氮化处理时因在高温下长时间地被回火而显著软化。本发明者们为了对氮化处理后的钢的芯部的回火硬度与钢成分组成的关系定量地进行评价，通过实验导入下述指标H。
[0094] 在不含Mo、V时：
[0095] 指标H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋90.0 （a）[0096] 在含Mo、V时：
[0097] 指标H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋21.9[Mo]＋34.0[V]＋90.0 （c）
[0098] 对于指标H，其是将[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[Mo]及[V]对氮化处理后的钢的芯部的回火硬度产生影响的程度以对于各元素的影响度进行加权并相加的方式进行评价的指标。再者，C、Si、Mn、Cr、Mo及V是主要的提高抗回火软化的元素。
[0099] 作为实验的对象，使用C量：0.50～0.70%（质量%，以下相同。）、Si量：1.00～5.00%、Mn量：0.20～2.00%、P量：0.001～0.0500%、S量：0.001～0.0500%、Cr量：0.10～
4.00%、Al量：0.001～0.010%、N量：0.0030～0.0060%、Mo量：0.01～1.00%、V量：0.01～
0.30%、剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，且满足上述式（b）的各种钢材，实验中进行了再现氮化处理后的芯部的回火硬度的热处理。将试验片加热至合金碳化物或Fe系碳化物可固溶的温度，在60℃的油中淬火后，在450℃下实施120分钟回火处理。然后，在径向断面将试验片切断，埋入树脂中，在将表层研磨后，测定了维氏硬度（HV）。结果示于图1。
4.00%、Al量：0.001～0.010%、N量：0.0030～0.0060%、Mo量：0.01～1.00%、V量：0.01～
0.30%、剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，且满足上述式（b）的各种钢材，实验中进行了再现氮化处理后的芯部的回火硬度的热处理。将试验片加热至合金碳化物或Fe系碳化物可固溶的温度，在60℃的油中淬火后，在450℃下实施120分钟回火处理。然后，在径向断面将试验片切断，埋入树脂中，在将表层研磨后，测定了维氏硬度（HV）。结果示于图1。
[0100] 从图1得知：指标H与氮化处理后的芯部的回火硬度具有非常良好的相关关系。
[0101] 接着，对回火硬度与疲劳特性的关系进行评价。疲劳试验为中村式旋转弯曲疲劳试验，在将表层的热处理氧化铁皮除去后供于试验，将10根试样以50%以上的概率计显示7
10 次以上的寿命的最大负载应力作为疲劳强度。其结果示于图2中。还求出多用于弹簧中的钢材SWOSC-V（JIS）的疲劳强度，并示于图中。由于SWOSC-V的疲劳强度为660MPa，所以疲劳强度以将其提高了大约20%的800MPa以上作为目标。
10 次以上的寿命的最大负载应力作为疲劳强度。其结果示于图2中。还求出多用于弹簧中的钢材SWOSC-V（JIS）的疲劳强度，并示于图中。由于SWOSC-V的疲劳强度为660MPa，所以疲劳强度以将其提高了大约20%的800MPa以上作为目标。
[0102] 从图2得知：为了确保800MPa以上的疲劳强度，在不含Mo、V时，需要确保HV550以上的回火硬度，此外在含有Mo、V时，需要确保HV605以上的回火硬度。而且，从图1得知：为了确保HV550以上的回火硬度，需要将指标H维持在160以上，此外为了确保HV605以上的回火硬度，需要将指标H维持在173以上。所以，在不含Mo、V时将指标H规定为160以上，在含有Mo、V时将指标H规定为173以上。作为指标H，在不含V时优选为163以上，更优选为165以上，在含有Mo、V时优选为175以上，更优选为177以上。
[0103] 接着对所述式（b）进行说明。
[0104] 如从所述式（a）及（c）也可得知的那样，Si是非常有助于抗回火软化的元素，在弹簧用钢材中添加大量的Si可提高弹簧的强度。但是，在钢中大量生成硬质夹杂物即SiO2，成为疲劳断裂的起点，成为使疲劳特性下降的原因。对于是否大量生成SiO2，由容易氧化的元素相互间的添加量的平衡来决定。本发明者们对Si和Mn量的比与疲劳特性的关系进行了研究。
[0105] 作为实验的对象，使用C量：0.60%（质量%，以下相同。）、Si量：2.0～4.0%、Mn量：0.40～1.40%、P量：0.005～0.050%、S量：0.001～0.050%、Cr量：2.5%、Al量：0.001～
0.010%、N量：0.0030～0.0050%、剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，且满足上述式（a）的各种钢材，实验中进行了再现氮化处理后的芯部的回火硬度的热处理。将试验片加热至合金碳化物或Fe系碳化物可固溶的温度，在60℃的油中淬火后，在450℃实施120分钟回火处理。这里，为了排除脱碳的影响，将距离表面0.5mm的区域削去。为了评价疲劳特性，使用中村式旋转弯曲疲劳试验。其结果示于图3中。
0.010%、N量：0.0030～0.0050%、剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，且满足上述式（a）的各种钢材，实验中进行了再现氮化处理后的芯部的回火硬度的热处理。将试验片加热至合金碳化物或Fe系碳化物可固溶的温度，在60℃的油中淬火后，在450℃实施120分钟回火处理。这里，为了排除脱碳的影响，将距离表面0.5mm的区域削去。为了评价疲劳特性，使用中村式旋转弯曲疲劳试验。其结果示于图3中。
[0106] 由图3得知：在Si和Mn量的比（以下记载为[Si]/[Mn]）为3.25以下时，所有疲劳强度都为800MPa以上，然而如果[Si]/[Mn]超过3.25，则所有疲劳强度都低为800MPa以下。观察了这些低疲劳强度材的疲劳断裂的起点，结果认为，所有以SiO2为主体的硬质夹杂物都成为起点，这些疲劳强度的下降主要是SiO2发挥作用。所以，将指标C的[Si]/[Mn]的比规定为3.25以下。从图3得知，在Si含量固定时，在[Si]/[Mn]为3.25以下时疲劳强度不发生那么大变化，但特别是如果Si含量增多，则有疲劳强度随着[Si]/[Mn]减小而增加的倾向。因此，[Si]/[Mn]比优选为3.00以下，更优选为2.80以下。
[0107] 如以上所述，本发明钢通过以上述（a）或（c）和（b）规定成分组成，具有作为高强度弹簧钢的优良的特性。
[0108] 以下，对本发明钢的各元素的含量的限定理由进行说明。有关成分的%意味着质量%。
[0109] C：0.50～0.70%
[0110] C是决定钢的强度的重要的元素。为了充分得到强度，将下限规定为0.50%。与其它合金元素相比，合金成本低，只要能够大量添加C，就能够降低钢材的合金成本。但是，如果添加大量的C则热延展性显著下降，所以将上限规定为0.70%。优选为0.67%以下，更优选为0.65%以下。
[0111] Si：1.00～5.00%
[0112] Si是用于确保弹簧的强度、硬度的必要的元素，为了得到充分的强度，将下限规定为1.00%。而且Si是非常有助于抗回火软化的重要的元素，Si的添加关系到弹簧的高强度化。因此，Si的下限优选为2.50%，更优选为2.70%，最优选为3.00%。另一方面，如果大量添加Si则不仅钢强度提高，而且显著脆化，所以将上限规定为5.00%。
[0113] Mn：0.30～2.00%
[0114] Mn由于将钢中的S以MnS固定，同时通过提高淬火性而充分得到热处理后的硬度，因而被经常使用。另外，在本发明中，Mn是决定是否生成SiO2的重要的元素，即使在添加高Si时，通过使钢中的Si和Mn量适当化，也能够防止疲劳特性的下降。为了得到这些效果，将Mn含量规定为0.30%以上。另一方面，如果添加超过2.00%的Mn量，则坯料的硬度增大并变脆，所以将上限规定为2.00%。
[0115] P：0.0002～0.0500%
[0116] P在钢中作为不可避免的杂质通常含有0.0002%以上，所以将下限规定为0.0002%。由于即使添加了P，P在原奥氏体的晶界等处偏析，显著脆化，所以也将上限规定为0.0500%。优选为0.0300%以下，更优选为0.0200%以下，进一步优选为0.0150%以下。
[0117] S：0.0002～0.0500%
[0118] S也与P同样在钢中作为不可避免的杂质通常含有0.0002%以上，如果在钢中存在则使钢脆化。在含有S时，尽管可通过Mn尽量减小其影响，但是由于MnS也呈现夹杂物的形态，所以使疲劳特性下降。特别是在高强度钢中，有时因微量的MnS而产生断裂，也希望尽量减少S，因此将上限规定为0.0500%。所以，将S含量规定为0.0002～0.0500%。上限优选为0.0300%，更优选为0.0200%，进一步优选为0.0150%。
[0119] Cr：0.10～3.50%
[0120] Cr是非常有助于抗回火软化的重要的元素，添加其关系到弹簧的高强度化。为了得到此效果而将Cr添加量规定为0.10%以上。但是，Cr在Fe系碳化物中固溶而稳定化，所以要得到抗回火软化的效果，需要显著提高加热温度，在此种情况下，如果添加超过3.50%的Cr量，则显著脱碳，反而使疲劳强度降低。所以，将Cr量的上限规定为3.50%。
[0121] Al：0.0005～0.0500%
[0122] Al在钢中作为不可避免的杂质通常含有0.0005%以上，所以将下限规定为0.0005%。即使添加，Al也生成Al2O3等氧化物，成为疲劳断裂的起点，从而成为使弹簧的疲劳特性下降的原因。因此，尽管将上限规定为0.0500%，但也希望尽量降低。优选为0.0100%以下。
[0123] N：0.0020～0.0100%
[0124] N与V、Nb等各种合金元素形成氮化物，抑制奥氏体晶粒的生长，对钢及弹簧的性能施加影响。为了得到此效果，将N含量的下限规定为0.0020%。另一方面，如果N含量增加，则钢的热延展性显著下降，出现在原材料棒钢的热轧时缺陷产生的问题，因此将上限规定为0.0100%。
[0125] Mo：0.01～1.00%、V：0.01～0.30%中的至少一方
[0126] Mo、V是非常有助于抗回火软化的重要的元素，添加它们中的至少一方关系到弹簧的高强度化。对于为了得到此效果的添加量，哪种元素都需要在0.01%以上。另一方面，如果大量添加，则为了发挥抗回火软化的效果，需要提高加热温度，伴随着加热温度的上升一起产生的脱碳量增加，疲劳强度下降。所以，将Mo的上限规定为1.00%，将V的上限规定为0.30%。此外V与N形成氮化物，作为钉扎粒子有助于奥氏体晶粒的微细化。
[0127] Nb：0.001～0.200%
[0128] Nb与V同样地，与N形成氮化物，作为钉扎粒子有助于奥氏体晶粒的微细化。为了得到此效果，将Nb的添加量规定为0.001%以上。另一方面，如果超过0.200%，则不仅其效果饱和，而且钢的热延展性显著下降，出现在原材料棒钢的热轧时缺陷产生的问题，所以将上限规定为0.200%。
[0129] Ca：0.0002～0.0100%、Mg：0.0002～0.0100%、Zr：0.0005～0.1000%中的1种或2种以上
[0130] Ca、Mg、Zr都具有形成氧化物、成为Mn硫化物的结晶核、使Mn硫化物均匀微细分散的效果。为了发挥此效果，将Ca、Mg的下限规定为0.0002%，将Zr的下限规定为0.0005%。另一方面，如果Ca、Mg超过0.0100%，Zr超过0.1000%，则反而大量生成这些氧化物或硫化物等硬质夹杂物，使钢的疲劳特性下降。所以，将Ca、Mg的上限规定为0.0100%，将Zr的上限规定为0.1000%。
[0131] 本发明的弹簧钢中的一个大的特征是与以往的弹簧钢相比Si含量高。Si对于确保弹簧的强度是必要的，而且是非常有助于钢的抗回火软化、关系到弹簧的高强度化的重要的元素。但是，以往，不容易实现例如添加超过2.5%的大量Si的弹簧钢。其理由是因为：钢中存在硬质夹杂物SiO2。以往，通过将钢液处理中的熔渣组成控制在适当范围，生成不是SiO2这样的硬质夹杂物而是延展性高的夹杂物，通过利用热轧使夹杂物微细化，由此改善疲劳特性。此外钢中所含的Si量的增加使SiO2的结晶温度上升，所以要抑制SiO2的生成，需要使轧制前的加热温度高于结晶温度。但是，轧制前的加热温度的高温化招致热延展性的显著下降，为了抑制SiO2的生成，同时达到可进行制造的加热温度，将Si量的上限规定为2.5%。
[0132] 在本发明中发现了：通过对容易生成氧化物的Si和Mn的含量的比例进行调整，能够控制SiO2的结晶温度，基于前面说明的见识，为了抑制以硬质夹杂物即SiO2为起点而发生疲劳断裂，将用[Si]/[Mn]定义的C值规定为3.25以下。在本发明中，其一是作为调整该C值的结果：可实现高Si含量的弹簧钢。另外，对于高Si含量的弹簧钢，加热温度的上升导致脱碳量的增加，使疲劳特性下降。特别得知：对于弹簧钢所含的V、Mo，由于为了随它们的量一起发挥抗回火软化的效果而需要提高加热温度，所以不添加V、Mo或减少其量也有助于实现高Si含量的弹簧钢。本发明通过这些组合的协同效应，尽管与以往的弹簧钢相比Si含量高，但通过抑制使弹簧的疲劳特性下降的SiO2硬质夹杂物的生成，同时最大限度地利用合金元素的抗回火软化的效果，提高弹簧芯部的强度，从而可以提供最终成为高强度弹簧的高强度弹簧钢。
[0133] 根据本发明，也能够提高使用本发明的弹簧钢而制造的弹簧。
[0134] 本发明的弹簧可通过在将具有本发明中规定的组成的钢材、即下述钢材拉丝后，实施淬火回火处理或氮化处理等热处理来制造，所述钢材以质量%计含有C：0.50～0.70%、Si：1.00～5.00%、Mn：0.30～2.00%、P：0.0002～0.0500%、S：0.0002～0.0500%、Cr：0.10～3.50%、Al：0.0005～0.0500%、N：0.0020～0.0100%，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成的。本发明的弹簧的特征在于，以下述式（a）定义的H值为160以上，以下述式（b）定义的C值为3.25以下。
[0135] H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋90.0 （a）
[0136] C＝[Si]/[Mn] （b）
[0137] 这里，式中的[C]、[Si]、[Mn]及[Cr]为钢中各元素的含量（质量%）。
[0138] 钢材也能够以质量%计进一步含有Mo：0.01～1.00%、V：0.01～0.20%、中的1种以上。使用该钢材得到的弹簧的特征在于，以下述式（c）代替上述式（a）所定义的H值为173以上。
[0139] H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋21.9[Mo]＋34.0[V]＋90.0
[0140] （c）
[0141] 这里，式中的[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[Mo]及[V]为钢中各元素的含量（质量%）。
[0142] 钢材也可以以质量%计进一步含有Nb：0.001～0.200%。
[0143] 钢材也能够以质量%计进一步含有Ca：0.0002～0.0100%、Mg：0.0002～0.0100%、Zr：0.0005～0.1000%中的1种或2种以上。
[0144] 以下通过实施例对本发明进行详细描述。再者，这些实施例用于说明本发明的技术意义、效果，并不限定本发明的范围。
[0145] 实施例
[0146] 用真空熔炼炉熔炼具有表1所示的化学成分的钢，然后通过热轧制作6mmφ的钢丝材。这里，将以往例的钢成分规定为与JIS G3561的阀簧用Si-Cr钢SWOSC-V相当。对这些钢丝材实施再现了氮化处理后的芯部的回火硬度的热处理。具体地讲，根据钢成分组成，如表2所示从850～1150℃中选择合金碳化物或Fe系碳化物可固溶的温度，对丝钢材进行加热，在60℃的油中淬火后，在450℃实施120分钟回火处理。
[0147] 为了测定这些热处理材的回火硬度，从试验片上切出径向断面，在将断面研磨后，在距离表层2mm的位置测定了维氏硬度（300gf）。此外用JISG0558中规定的利用显微镜的方法测定了总脱碳层深度。这里，所谓总脱碳层深度为0意味着通过显微镜不能确认总脱碳。
[0149] No.1～11的本发明例中，所有钢组成都在规定范围内，指标H及指标C也都同样在规定值内，具有疲劳强度800MPa以上的优良的疲劳特性。
[0150] 与此相对应，比较例No.12虽然指标H及C都在规定值内，但Cr含量高，产生显著的脱碳，所以疲劳强度低。比较例No.13也同样地，虽然指标H及C都在规定值内，但Al含量高，所以疲劳强度低。对疲劳试验后的试样中的发生了断裂的试验片观察疲劳断裂的起点，均发现了以Al2O3为主体的硬质夹杂物。此外比较例No.14及No.15虽然钢组成在规定范围内，但指标H在规定值外，所以疲劳强度低为800MPa以下。另外比较例No.16及No.17也同样地，虽然钢组成在规定范围内，但指标C在规定值外，所以疲劳强度低至800MPa以下。对疲劳试验后的试样中的发生了断裂的试验片观察疲劳断裂的起点，均发现了以SiO2为主体的硬质夹杂物。
[0151] 从以上可知，全部满足本发明中规定的条件的本发明例与比较例、以往例相比，疲劳特性更优异。
[0152]
[0153] 表2
[0154]
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