特許 7211569 ばね用鋼線

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-01-16

(45)【発行日】2023-01-24

(54)【発明の名称】ばね用鋼線

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20230117BHJP

   C22C 38/34 20060101ALI20230117BHJP

   C21D 8/06 20060101ALN20230117BHJP

   C21D 9/52 20060101ALN20230117BHJP

【ＦＩ】

C22C38/00 301Y

C22C38/34

C21D8/06 A

C21D9/52 103Z

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2022549551

(86)(22)【出願日】2022-03-30

(86)【国際出願番号】 JP2022016153

【審査請求日】2022-08-17

(31)【優先権主張番号】P 2021128969

(32)【優先日】2021-08-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100136098

【弁理士】

【氏名又は名称】北野 修平

(74)【代理人】

【識別番号】100137246

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 勝也

(74)【代理人】

【識別番号】100158861

【弁理士】

【氏名又は名称】南部 史

(74)【代理人】

【識別番号】100194674

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 覚史

(72)【発明者】

【氏名】泉田 寛

(72)【発明者】

【氏名】中島 徹也

(72)【発明者】

【氏名】紺谷 博人

【審査官】櫛引 明佳

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－１１５８５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３００４８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０８２２５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２０１０５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２１／２５５８４８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２２Ｃ ３８／００－３８／６０

Ｃ２１Ｄ ８／０６

Ｃ２１Ｄ ９／５２

Ｃ２３Ｃ ８／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

線状の形状を有する鋼製の本体部と、
前記本体部の外周面を覆う酸化層と、を備え、
前記本体部を構成する鋼は、０．６質量％以上０．７質量％以下の炭素と、１．７質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．２質量％以上１質量％以下のマンガンと、０．６質量％以上２質量％以下のクロムと、０．０８質量％以上０．２５質量％以下のバナジウムと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、
前記本体部を構成する鋼の組織は焼戻マルテンサイト組織であり、
前記酸化層は、珪素の最大濃度が前記本体部の２．５倍以上５．５倍以下である高珪素濃度層を含み、
前記本体部は、外周面を構成するように配置され、０．５μｍ以上２．５μｍ以下の厚みを有する粒界酸化層を含む、ばね用鋼線。

【請求項2】

前記酸化層の厚みは２μｍ以上５μｍ以下である、請求項１に記載のばね用鋼線。

【請求項3】

前記酸化層は、８０質量％以上の四酸化三鉄を含む、請求項１または請求項２に記載のばね用鋼線。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ばね用鋼線に関するものである。

【0002】

本出願は、２０２１年８月５日出願の日本出願第２０２１－１２８９６９号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。

【背景技術】

【0003】

ばねへの加工性の向上が図られた種々のオイルテンパー線（ばね用鋼線）が知られている（たとえば、特開２００４－１１５８５９号公報（特許文献１）、特開２０１８－１２８６８号公報（特許文献２）および特開２０１７－１１５２２８号公報（特許文献３）参照）。また、ばねの疲労強度の向上が図られたオイルテンパー線が知られている（たとえば、特開２００４－３１５９６８号公報（特許文献４）、特開２００６－１８３１３６号公報（特許文献５）、特開２００８－２６６７２５号公報（特許文献６）、国際公開第２０１３／０２４８７６号（特許文献７）、特開２０１２－０７７３６７号公報（特許文献８）および国際公開第２０１５／１１５５７４号（特許文献９）参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００４－１１５８５９号公報

【文献】特開２０１８－１２８６８号公報

【文献】特開２０１７－１１５２２８号公報

【文献】特開２００４－３１５９６８号公報

【文献】特開２００６－１８３１３６号公報

【文献】特開２００８－２６６７２５号公報

【文献】国際公開第２０１３／０２４８７６号

【文献】特開２０１２－０７７３６７号公報

【文献】国際公開第２０１５／１１５５７４号

【発明の概要】

【0005】

本開示に従ったばね用鋼線は、線状の形状を有する鋼製の本体部と、本体部の外周面を覆う酸化層と、を備える。本体部を構成する鋼は、０．６質量％以上０．７質量％以下のＣ（炭素）と、１．７質量％以上２．５質量％以下のＳｉ（珪素）と、０．２質量％以上１質量％以下のＭｎ（マンガン）と、０．６質量％以上２質量％以下のＣｒ（クロム）と、０．０８質量％以上０．２５質量％以下のＶ（バナジウム）と、を含有し、残部がＦｅ（鉄）および不可避的不純物からなる。本体部を構成する鋼の組織は焼戻マルテンサイト組織である。酸化層は、Ｓｉの最大濃度が本体部の２．５倍以上５．５倍以下である高Ｓｉ濃度層を含む。本体部は、外周面を構成するように配置され、０．５μｍ以上２．５μｍ以下の厚みを有する粒界酸化層を含む。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１は、ばね用鋼線の構造を示す概略図である。

【図2】図２は、ばね用鋼線の構造を示す概略断面図である。

【図3】図３は、ばね用鋼線の本体部と酸化層との境界付近の構造を示す概略断面図である。

【図4】図４は、ばね用鋼線の製造方法の概略を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0007】

［本開示が解決しようとする課題］
特許文献１～３においても開示されている通り、ばね用鋼線においては、ばねへの加工性の向上を目的として、表面に酸化層が形成される場合がある。また、特許文献４～９にも開示されている通り、ばねの疲労強度を向上させることが可能なばね用鋼線が求められている。ばねの疲労強度を向上させる方策の一つとして、窒化処理が実施される場合がある。

【0008】

しかし、本発明者らの検討によれば、ばねへの加工性の向上を目的として表面に酸化層を形成すると、窒化処理を実施した場合でもばねの疲労強度が十分に上昇しない傾向がみられる。そこで、ばねへの加工性の向上とばねの疲労強度の向上とを両立することが可能なばね用鋼線を提供することを目的の１つとする。

【0009】

［本開示の効果］
上記ばね用鋼線によれば、ばねへの加工性の向上とばねの疲労強度の向上とを両立することができる。

【0010】

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。本開示のばね用鋼線は、線状の形状を有する鋼製の本体部と、本体部の外周面を覆う酸化層と、を備える。本体部を構成する鋼は、０．６質量％以上０．７質量％以下のＣと、１．７質量％以上２．５質量％以下のＳｉと、０．２質量％以上１質量％以下のＭｎと、０．６質量％以上２質量％以下のＣｒと、０．０８質量％以上０．２５質量％以下のＶと、を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。本体部を構成する鋼の組織は焼戻マルテンサイト組織である。酸化層は、Ｓｉの最大濃度が本体部の２．５倍以上５．５倍以下である高Ｓｉ濃度層を含む。本体部は、外周面を構成するように配置され、０．５μｍ以上２．５μｍ以下の厚みを有する粒界酸化層を含む。

【0011】

本発明者らは、ばねへの加工性の向上を目的として表面に酸化層を形成すると、窒化処理を実施した場合でもばねの疲労強度が十分に上昇しない原因について検討した。その結果、Ｓｉの拡散が窒化の進行に影響していることを見出し、本発明に想到した。

【0012】

具体的には、ばね用鋼線の表面を酸化すると、ばね用鋼線の表面にはＦｅの酸化物から構成される酸化層が形成される。このとき、ばね用鋼線を構成する鋼に含まれるＳｉやＣｒは、Ｆｅと同様に酸素との親和性が高いものの、Ｆｅよりも拡散速度が小さいため、酸化層まで到達することができず、本体部の外周面付近に残存する。その結果、本体部の外周面付近にはＳｉおよびＣｒの濃度が高い層が形成される。ＳｉおよびＣｒは、Ｎ（窒素）とも親和性が高い。そのため、ばね用鋼線がばねの形状に加工された後、酸化層が除去され、さらに窒化処理が実施されると、表面から侵入したＮがＳｉおよびＣｒと化合物を形成することで表面付近において捕捉され、内部へと侵入することが阻害される。その結果、疲労強度の向上に寄与する窒化層の厚みが小さくなり、疲労強度が十分に向上しない。

【0013】

一方、酸化層形成時の酸化をさらに進行させると、本体部の外周面付近のＳｉが酸化層へと拡散し、酸化層内に高Ｓｉ濃度層が形成されて本体部の外周面付近のＳｉが低減されるとともに、本体部には本体部の外周面を構成するように粒界酸化層が形成される。粒界酸化層は、他の部分に比べて元素の拡散が速い旧オーステナイト結晶粒の粒界に沿って酸素が侵入した層である。本発明者らの検討によれば、酸化層が、Ｓｉの最大濃度が本体部の２．５倍以上５．５倍以下である高Ｓｉ濃度層を含み、かつ粒界酸化層の厚みが０．５μｍ以上２．５μｍ以下となる程度に酸化を進行させることにより、表面付近においてＮを捕捉するＳｉが酸化層へと拡散することで表面付近において十分に低減される。その結果、窒化処理において形成される窒化層の厚みが大きくなることにより、ばねの疲労強度が向上する。酸化層におけるＳｉの最大濃度が本体部の２．５倍未満である場合や粒界酸化層の厚みが０．５μｍ未満である場合、Ｓｉの酸化層への拡散が不十分となり、窒化層の厚みが十分に大きくならない。酸化層におけるＳｉの最大濃度が本体部の５．５倍を超える場合や粒界酸化層の厚みが２．５μｍを超える場合、本体部の硬度の上昇に寄与するＣｒやＶなどが酸化層へと拡散することで本体部の硬度が低下し、ばねの疲労強度が低下する。

【0014】

本開示のばね用鋼線においては、本体部を構成する鋼の各構成元素の含有量が適切に設定され、かつ本体部を構成する鋼が焼戻マルテンサイト組織を有する。また、本体部は、ばねへの加工性の向上に寄与する酸化層に覆われている。そして、酸化層が、Ｓｉの最大濃度が本体部の２．５倍以上５．５倍以下である高Ｓｉ濃度層を含み、かつ粒界酸化層の厚みが０．５μｍ以上２．５μｍ以下となる程度に酸化が進行している。これにより、酸化層形成によるばねへの加工性の向上を達成しつつ、Ｓｉによる窒化層の形成の阻害を抑制し、ばねの疲労強度の向上を達成することができる。このように、本開示のばね用鋼線によれば、ばねへの加工性の向上とばねの疲労強度の向上とを両立することができる。

【0015】

本体部を構成する鋼の成分組成を上記範囲とすべきである理由について、以下に説明する。

【0016】

炭素（Ｃ）：０．６質量％以上０．７質量％以下
Ｃは、焼戻マルテンサイト組織を有する鋼の強度に大きな影響を与える元素である。ばね用鋼線として十分な強度を得る観点から、Ｃ含有量は０．６質量％以上とする必要がある。一方、Ｃ含有量が多くなると靱性が低下し、加工が困難になるおそれがある。十分な靱性を確保する観点から、Ｃ含有量は０．７質量％以下とする必要がある。

【0017】

珪素（Ｓｉ）：１．７質量％以上２．５質量％以下
Ｓｉは、加熱による軟化を抑制する性質（軟化抵抗性）を有する。また、Ｓｉは、ばねへの加工後に形成される窒化層以外の領域（内部）における鋼の硬度を上昇させる。ばね用鋼線のばねへの加工時およびばねの使用時における加熱による軟化を抑制し、かつ鋼の硬度を上昇させることによりばねの疲労強度を上昇させる観点から、Ｓｉ含有量は１．７質量％以上とする必要があり、１．８質量％以上としてもよい。一方、Ｓｉは過度に添加すると靱性を低下させる。十分な靱性を確保する観点から、Ｓｉ含有量は２．５質量％以下とする必要がある。靱性を重視する観点からは、Ｓｉ含有量は２．０質量％以下としてもよい。

【0018】

マンガン（Ｍｎ）：０．２質量％以上１質量％以下
Ｍｎは、鋼の精錬において脱酸剤として添加される元素である。脱酸剤としての機能を果たすため、Ｍｎの含有量は０．２質量％以上とする必要があり、０．３質量％以上とすることが好ましい。一方、Ｍｎは過度に添加すると、靱性を低下させる。そのため、Ｍｎ含有量は１質量％以下とする必要があり、０．５質量％以下としてもよい。

【0019】

クロム（Ｃｒ）：０．６質量％以上２質量％以下
Ｃｒは、鋼の焼入性を向上させる効果を有する。また、Ｃｒは、鋼中において炭化物生成元素として機能し、微細な炭化物の生成による金属組織の微細化や加熱時の軟化抑制に寄与する。このような効果を確実に発揮させる観点から、Ｃｒは０．６質量％以上添加される必要があり、１．７質量％以上添加されることが好ましい。一方、Ｃｒの過度の添加は靱性低下の原因となる。そのため、Ｃｒの添加量は２質量％以下とする必要があり、１．９質量％以下とすることが好ましい。

【0020】

バナジウム（Ｖ）：０．０８質量％以上０．２５質量％以下
Ｖも、鋼中において炭化物生成元素として機能し、微細な炭化物の生成による金属組織の微細化や加熱時の軟化抑制に寄与する。Ｖの炭化物は固溶温度が高いため、鋼の焼入焼戻の際に固溶することなく存在し、金属組織の微細化（結晶粒の微細化）に特に大きく寄与する。また、ばね加工後に実施される窒化処理によってＶは窒化物となり、繰返し応力がばねに負荷された場合の結晶におけるすべりの発生を抑制し、疲労強度の向上に寄与し得る。このような効果を確実に発揮させる観点から、Ｖは０．０８質量％以上添加される必要があり、０．１質量％以上添加されることが好ましい。一方、Ｖの過度の添加は靱性低下の原因となる。そのため、Ｖの添加量は０．２５質量％以下とする必要があり、０．２質量％以下としてもよい。

【0021】

不可避的不純物
ばね用鋼線を構成する鋼の製造工程において、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）などが不可避的に鋼中に混入する。リンおよび硫黄は、過度に存在すると粒界偏析を生じたり、介在物を生成したりして、鋼の特性を悪化させる。そのため、リンおよび硫黄の含有量は、それぞれ０．０２５質量％以下とすることが好ましい。また、オーステナイト生成元素であるニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）は、焼入れの際に残留オーステナイトを生成する傾向にある。残留オーステナイトにはＣが多く固溶し得るため、マルテンサイト中の炭素量が減少し、本体部を構成する鋼の硬度低下を招くおそれがある。硬度の低下は疲労強度の低下につながる。したがって、ＮｉおよびＣｏは意図的には添加せず、不可避的不純物として存在する含有量とする。また、炭化物生成元素であるチタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）は、伸線前に実施されるパテンティング処理において、パーライト変態に要する時間を長くするため、鋼線の製造効率の低下を招く。したがって、Ｔｉ、ＮｉおよびＭｏは意図的には添加せず、不可避的不純物として存在する含有量とする。不可避的不純物としてのＮｉの含有量は、たとえば０．１質量％以下である。不可避的不純物としてのＣｏの含有量は、たとえば０．１質量％以下である。不可避的不純物としてのＴｉの含有量は、たとえば０．００５質量％以下である。不可避的不純物としてのＮｂの含有量は、たとえば０．０５質量％以下である。不可避的不純物としてのＭｏの含有量は、たとえば０．０５質量％以下である。

【0022】

ここで、酸化層に含まれる高Ｓｉ濃度層におけるＳｉの最大濃度は、たとえばＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いた線分析により測定することができる。具体的には、まずばね用鋼線を長手方向に垂直な断面で切断する。当該断面の酸化層におけるＳｉの濃度について、本体部と酸化層との界面から酸化層側に向けて当該界面に垂直な方向に線分析を実施する。そして、本体部におけるＳｉの濃度との比を算出する。これを、たとえば３回繰り返し、その平均値を算出して、Ｓｉの最大濃度とすることができる。また、粒界酸化層の厚みについては、上記と同様の断面における本体部と酸化層との界面付近をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により観察し、たとえば３視野における粒界酸化層の厚みの最大値を測定する。そして、これらの平均値を算出し、ばね用鋼線の粒界酸化層の厚みとすることができる。

【0023】

上記ばね用鋼線において、酸化層の厚みは２μｍ以上５μｍ以下であってもよい。酸化層の厚みを２μｍ以上とすることにより、上記のような高Ｓｉ濃度層および粒界酸化層を含む構造を達成することが容易となる。酸化層の厚みを５μｍ以下とすることにより、必要以上の酸化層の形成による製造コストの上昇を回避することができる。

【0024】

上記ばね用鋼線において、酸化層は、８０質量％以上のＦｅ_３Ｏ_４（四酸化三鉄）を含んでいてもよい。この構成により、ばねへの加工性の向上により有効な酸化層を得ることができる。

【0025】

［本開示の実施形態の詳細］
次に、本開示のばね用鋼線の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

【0026】

図１は、ばね用鋼線の構造を示す概略図である。図２は、ばね用鋼線の構造を示す概略断面図である。図２は、ばね用鋼線の長手方向に垂直な面における断面図である。

【0027】

図１および図２を参照して、本実施の形態におけるばね用鋼線１は、線状の形状を有する鋼製の本体部１０と、本体部１０の外周面１０Ａを覆う酸化層２０とを備えている。酸化層２０の外周面２０Ａが、ばね用鋼線１の外周面である。図２を参照して、ばね用鋼線１の直径φは、たとえば１．５ｍｍ以上８．０ｍｍ以下である。酸化層２０の厚さｔは、たとえば２μｍ以上５μｍ以下である。酸化層２０は、８０質量％以上のＦｅ_３Ｏ_４を含んでいる。

【0028】

本体部１０を構成する鋼は、０．６質量％以上０．７質量％以下のＣと、１．７質量％以上２．５質量％以下のＳｉと、０．２質量％以上１質量％以下のＭｎと、０．６質量％以上２質量％以下のＣｒと、０．０８質量％以上０．２５質量％以下のＶと、を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなっている。本体部１０を構成する鋼の組織は焼戻マルテンサイト組織である。本実施の形態におけるばね用鋼線１は、オイルテンパー線である。

【0029】

図３は、ばね用鋼線の本体部と酸化層との境界付近の構造を示す概略断面図である。図３を参照して、酸化層２０は、Ｓｉの最大濃度が本体部１０の２．５倍以上５．５倍以下である高Ｓｉ濃度層２１を含んでいる。本体部１０は、外周面１０Ａを構成するように配置され、０．５μｍ以上２．５μｍ以下の厚みを有する粒界酸化層１１を含んでいる。

【0030】

本実施の形態のばね用鋼線１においては、本体部１０を構成する鋼の各構成元素の含有量が適切に設定され、かつ本体部１０を構成する鋼が焼戻マルテンサイト組織を有する。また、本体部１０は、ばねへの加工性の向上に寄与する酸化層２０に覆われている。そして、酸化層２０が、Ｓｉの最大濃度が本体部の２．５倍以上５．５倍以下である高Ｓｉ濃度層２１を含み、かつ粒界酸化層１１の厚みが０．５μｍ以上２．５μｍ以下となる程度に酸化が進行している。これにより、酸化層２０の形成によるばねへの加工性の向上を達成しつつ、Ｓｉによる窒化層の形成の阻害を抑制し、ばねの疲労強度の向上を達成することが可能となっている。このように、本実施の形態のばね用鋼線１は、ばねへの加工性の向上とばねの疲労強度の向上とを両立することが可能なばね用鋼線となっている。

【0031】

次に、ばね用鋼線１の製造方法の一例について、図４に基づいて説明する。図４は、本実施の形態のばね用鋼線１の製造方法の概略を示すフローチャートである。図４を参照して、本実施の形態のばね用鋼線１の製造方法においては、まず工程（Ｓ１０）として線材準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、０．６質量％以上０．７質量％以下のＣと、１．７質量％以上２．５質量％以下のＳｉと、０．２質量％以上１質量％以下のＭｎと、０．６質量％以上２質量％以下のＣｒと、０．０８質量％以上０．２５質量％以下のＶと、を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼の線材が準備される。

【0032】

次に、図４を参照して、工程（Ｓ２０）としてパテンティング工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、工程（Ｓ１０）において準備された線材に対してパテンティングが実施される。具体的には、線材がオーステナイト化温度（Ａ_１点）以上の温度域に加熱された後、マルテンサイト変態開始温度（Ｍ_ｓ点）よりも高い温度域まで急冷され、当該温度域で保持される熱処理が実施される。これにより、線材の組織がラメラ間隔の小さい微細パーライト組織となる。ここで、上記パテンティング処理において、線材をＡ_１点以上の温度域に加熱する処理は、脱炭の発生を抑制する観点から不活性ガス雰囲気中で実施されることが好ましい。

【0033】

次に、図４を参照して、工程（Ｓ３０）として表面層除去工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、工程（Ｓ２０）においてパテンティングが実施された線材の表面層が除去される。具体的には、たとえば上記線材がシェービングダイス内を通過することにより、パテンティングにより形成された表面の脱炭層等が除去される。この工程は必須の工程ではないが、これを実施することによりパテンティングによって脱炭層等が表面に生じた場合でも、これを除去することができる。

【0034】

次に、工程（Ｓ４０）として焼きなまし工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、工程（Ｓ３０）において表面層が除去された線材に対して焼きなましが実施される。焼きなましは、線材を軟化させるために実施される熱処理である。本実施の形態においては、これに加えて酸化層２０および粒界酸化層１１の形成、ならびに酸化層２０内の高Ｓｉ濃度層２１におけるＳｉの最大濃度の調整および粒界酸化層１１の厚みの調整がこの（Ｓ４０）において実施される。

【0035】

工程（Ｓ４０）においては、線材の酸化を、本体部１０の外周面１０Ａ付近にＳｉおよびＣｒの濃度が高い層が形成される状態を超え、高Ｓｉ濃度層２１および粒界酸化層１１が形成される状態にまで進行させる必要がある。さらに、高Ｓｉ濃度層２１におけるＳｉの最高濃度を本体部１０の２．５倍以上５．５倍以下という狭い範囲に調整し、かつ粒界酸化層１１の厚みを０．５μｍ以上２．５μｍ以下という狭い範囲に調整する必要がある。一般的な焼きなまし工程は、Ｎ、Ａｒ（アルゴン）などの不活性ガス雰囲気中で実施される。しかし、上記の通り酸化層２０および粒界酸化層１１の形成を焼きなましと同時に行う観点から、工程（Ｓ４０）は、酸化性雰囲気中で実施される。また、高Ｓｉ濃度層２１および粒界酸化層１１が形成される状態にまで酸化を進行させるとともに、上記の通り高Ｓｉ濃度層２１におけるＳｉの最高濃度および粒界酸化層１１の厚みを厳密に調整する観点から、雰囲気、温度および時間の選定が重要である。具体的には、雰囲気に適切な酸化性を付与し、かつ高温での処理が好適である。たとえば不活性ガスに意図的に水蒸気を混入させた雰囲気が採用され、６５０℃以上７００℃以下に１時間以上３時間以下の時間保持する熱処理が実施される。水蒸気の濃度は、たとえば焼きなまし処理を実施するための炉の容積１ｍ^３あたり、液体状態の水に換算して２Ｌ以上３Ｌ以下の水蒸気が含まれる濃度としてもよい。炉内の圧力は、たとえば大気圧（１気圧）とすることができる。

【0036】

なお、本実施の形態においては、製造工程の簡略化の観点から、工程（Ｓ４０）において酸化層２０が形成される。しかし、酸化層２０は、工程（Ｓ４０）とは別の独立した工程で形成されてもよい。すなわち、工程（Ｓ４０）は焼きなまし処理のみを実施する観点から不活性ガス雰囲気中で実施され、別工程において線材が酸化されてもよい。この場合、線材の酸化工程において、上記厳密な雰囲気、温度および時間の選定が必要となる。

【0037】

次に、工程（Ｓ５０）として、ショットブラスティング工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、工程（Ｓ４０）において焼きなまし処理が実施され、酸化層２０が形成された線材に対してショットブラスティングが実施される。この工程は必須の工程ではないが、これを実施することにより、酸化層２０の表面に形成された脆いＦｅ_２Ｏ_３を除去し、酸化層２０におけるＦｅ_３Ｏ_４の割合を調整することができる。

【0038】

次に、工程（Ｓ６０）として伸線工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、工程（Ｓ５０）においてショットブラスティングが実施された線材に対して伸線加工（引抜き加工）が実施される。工程（Ｓ６０）の伸線加工における加工度（減面率）は、適宜設定できるが、たとえば５０％以上９０％以下とすることができる。ここで、「減面率」とは、線材の長手方向に垂直な断面に関し、伸線加工前の断面積と伸線加工後の断面積との差を伸線加工前の断面積で除した値を百分率で表示した値である。

【0039】

次に、工程（Ｓ７０）として焼入工程が実施される。この工程（Ｓ７０）では、工程（Ｓ６０）において伸線加工が実施された線材（鋼線）に対して、鋼のＡ_１点以上の温度に加熱された後、Ｍ_Ｓ点以下の温度に急冷される焼入処理が実施される。より具体的には、たとえば鋼線に対して８００℃以上１０００℃以下の温度に加熱した後、油中に浸漬することにより急冷する熱処理が実施される。これにより、本体部を構成する鋼の組織がマルテンサイト組織となる。

【0040】

次に、工程（Ｓ８０）として焼戻工程が実施される。この工程（Ｓ８０）では、工程（Ｓ７０）において焼入処理が実施された鋼線に対して、鋼のＡ_１点未満の温度に加熱された後、冷却される焼戻処理が実施される。鋼線の加熱は、所定の温度に維持された油中に鋼線を浸漬することにより実施される。より具体的には、たとえば鋼線に対して４００℃以上７００℃以下の温度に加熱し、０．５分間以上２０分間以下の時間維持したあと冷却する熱処理が実施される。これにより、本体部１０を構成する鋼の組織が焼戻マルテンサイト組織となる。以上の手順により、本実施の形態のばね用鋼線１を製造することができる。

【実施例】

【0041】

本開示のばね用鋼線を作製してばねに加工し、特性を評価することで本開示のばね用鋼線の優位性を確認する実験を行った。実験の手順および結果は以下のとおりである。

【0042】

（１）ばね用鋼線の作製
以下の表１に示す成分組成を有する直径φ４ｍｍの鋼線を準備し、上記実施の形態の焼きなまし工程（Ｓ４０）を実施することにより酸化層２０を形成した。焼きなましは、炉の容積１ｍ^３あたり、液体状態の水に換算して２．５Ｌの水蒸気を導入した窒素雰囲気の炉内において６７５℃に鋼線を加熱する条件にて実施した。炉内の圧力は、大気圧（１気圧）とした。６７５℃での保持時間を０．５～４時間の範囲で変化させることにより、酸化の進行度を変化させた。表１において、数値はいずれも各成分の質量割合（質量％）を示している。Ｆｅのほか、表１に示されたＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ以外の元素は意図的には添加されておらず、残部はＦｅおよび不可避的不純物である。

【0043】

【表1】

その後、上記実施の形態の焼入工程（Ｓ７０）および焼戻工程（Ｓ８０）を全ての鋼線について同一条件で実施し、酸化層２０の厚みが３．０±０．３μｍであるオイルテンパー線（ばね用鋼線）のサンプルを得た。得られたサンプルについて、酸化層２０（高Ｓｉ濃度層２１）におけるＳｉの最大濃度および粒界酸化層１１の厚みを調査した。Ｓｉの最大濃度は、Ｃａｒｌ Ｚｅｉｓｓ社製ＳＥＭ（ＧｅｍｉｎｉＳＥＭ４５０）に付属のＯＸＦＯＲＤ社製ＵＬＴＩＭ ＭＡＸ１７０ＥＤＸを用いた線分析により調査した。そして、本体部１０の外周面１０Ａから深さ１．５μｍの位置におけるＳｉの濃度を本体部１０におけるＳｉの濃度として測定し、当該濃度に対する酸化層２０におけるＳｉの最大濃度の比率を算出した。線分析は、各サンプルについて３か所で実施した。本体部１０におけるＳｉの濃度および酸化層２０におけるＳｉの最大濃度は、これら３か所の平均値で評価した。また、粒界酸化層１１の厚みは、線分析を実施した３か所に対応するＳＥＭの３視野中における最大値で評価した。結果を表２に示す。表２を参照して、サンプルＮｏ．１～３、８～１０および１５～１７が、本開示のばね用鋼線の条件を満たす実施例のサンプルである。サンプルＮｏ．４～７、１１～１４および１８～２１は、本開示のばね用鋼線の条件を満たさない比較例のサンプルである。

【0044】

【表2】

【0045】

（２）硬度分布の調査
上記表２の各サンプルについて、圧縮ばねの形状への加工、ひずみ取り焼きなまし、酸化層２０の除去、窒化、ショットピーニング、セッチングを実施し、各サンプルに対応する圧縮ばねを得た。窒化処理は、窒化雰囲気中において４４０℃に加熱し、５時間保持する条件で実施した。そして、表面から深さ１２０μｍまでの硬度の分布をビッカース硬度計により測定した。測定結果を表３に示す。

【0046】

【表3】

表３を参照して、実施例のサンプルであるサンプルＮｏ．１～３、８～１０および１５～１７においては、鋼線の内部、特に窒化の影響が及ぶ最大深さ近傍の深さ８０～１００μｍでの硬度が比較例のサンプルであるサンプルＮｏ．４～７、１１～１４および１８～２１に比べて高くなっていることが分かる。Ｓｉの最大濃度の比率および粒界酸化層の厚みが大きい比較例のサンプルであるサンプル６、７、１３、１４、２０および２１においては、表面付近を含めて窒化による硬化が不十分になっていることが分かる。これは、酸化の進行が過剰となり、硬度の上昇に寄与するＣｒやＶなどが酸化層へと拡散することで本体部の表面付近（ばねにおける表面付近）の硬度が低下したためであると考えることができる。一方、Ｓｉの最大濃度の比率および粒界酸化層の厚みが小さい比較例のサンプルであるサンプル４、５、１１、１２、１８および１９においては、表面付近の硬度は十分であるものの、内部における硬化が不十分となっていることが分かる。これは、酸化の進行が不十分であり、本体部の表面付近（ばねにおける表面付近）にＮとの親和性の高いＳｉおよびＣｒの濃度が高い層が形成されたことに起因して、窒化処理において表面から侵入したＮが表面付近において捕捉され、窒化層の厚み（窒素の到達深さ）が小さくなったためであると考えられる。

【0047】

（３）疲労強度の調査
次に、実施例のサンプルであるサンプルＮｏ．１～３および比較例のサンプルであるサンプルＮｏ．４～７について、それぞれ８個のばねを作製し、疲労試験に供した。疲労試験は、平均応力６８６ＭＰａ、応力振幅６３０ＭＰａの条件で実施した。そして、繰返し数５．０×１０^７回および１．０×１０^８回の時点での未折損ばねの個数により疲労強度を評価した。結果を表４に示す。

【0048】

【表4】

表４を参照して、実施例のサンプルであるサンプルＮｏ．１～３は、いずれも高い疲労強度を有していることが分かる。Ｓｉの最大濃度の比率および粒界酸化層の厚みが小さい比較例のサンプルであるサンプル４および５は、繰返し数が５．０×１０^７回の時点では折損していないものの、繰返し数が１．０×１０^８回の時点では半数以上が折損している。これは、表面における硬度は高いため、ある程度の疲労強度は確保できるものの、内部における硬度が不十分であるため、１．０×１０^８回という長期の疲労に対しては、強度が不十分であるためであると考えられる。Ｓｉの最大濃度の比率および粒界酸化層の厚みが大きい比較例のサンプルであるサンプル６および７についても、同様に繰返し数が１．０×１０^８回の時点では半数が折損している。また、Ｓｉの最大濃度の比率および粒界酸化層の厚みが大きいサンプル７では、繰返し数が５．０×１０^７回の時点でも折損が発生している。これは、Ｓｉの最大濃度の比率および粒界酸化層の厚みが大きい場合、内部だけでなく表面における硬度も不十分となるためであると考えられる。

【0049】

（４）実験結果のまとめ
以上の実験結果より、本開示のばね用鋼線においては、ばねへの加工性の向上に寄与する酸化層が表面に形成されているにもかかわらず、Ｓｉによる窒化層の形成の阻害を抑制し、ばねの疲労強度の向上が達成されていることが確認される。

【0050】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、請求の範囲によって規定され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0051】

１ ばね用鋼線、１０ 本体部、１０Ａ 外周面、１１ 粒界酸化層、２０ 酸化層、２０Ａ 外周面、２１ 高Ｓｉ濃度層。

【要約】

ばね用鋼線は、線状の形状を有する鋼製の本体部と、本体部の外周面を覆う酸化層と、を備える。本体部を構成する鋼は、０．６質量％以上０．７質量％以下のＣと、１．７質量％以上２．５質量％以下のＳｉと、０．２質量％以上１質量％以下のＭｎと、０．６質量％以上２質量％以下のＣｒと、０．０８質量％以上０．２５質量％以下のＶと、を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。本体部を構成する鋼の組織は焼戻マルテンサイト組織である。酸化層は、Ｓｉの最大濃度が本体部の２．５倍以上５．５倍以下である高Ｓｉ濃度層を含む。本体部は、外周面を構成するように配置され、０．５μｍ以上２．５μｍ以下の厚みを有する粒界酸化層を含む。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】