JP7287403B2 - ばね用鋼線 - Google Patents

Description

本開示は、ばね用鋼線に関するものである。

ばね加工時の潤滑性の確保を目的として、外周面に酸化層を有するオイルテンパー線（ばね用鋼線）が知られている（たとえば、特開２００４－０５２０４８号公報（特許文献１）、特開２００４－１１５８５９号公報（特許文献２）、特開２０１７－１１５２２８号公報（特許文献３）および特開２０１８－０１２８６８号公報（特許文献４）参照）。

特開２００４－０５２０４８号公報 特開２００４－１１５８５９号公報 特開２０１７－１１５２２８号公報 特開２０１８－０１２８６８号公報

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、０．５質量％以上０．７質量％以下のＣ（炭素）と、１．０質量％以上２．５質量％以下のＳｉ（珪素）と、０．２質量％以上１．０質量％以下のＭｎ（マンガン）と、０．５質量％以上２．０質量％以下のＣｒ（クロム）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パーライト組織である。酸化層の厚さは２μｍ以上５μｍ以下である。酸化層は、６０質量％以上のＦｅ_３Ｏ_４を含む。

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３は、ばね用鋼線の酸化層の構造を示す概略断面図である。 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。 図５は、実施の形態２におけるばね用鋼線の酸化層の構造を示す概略断面図である。 図５は、ＳＥＭによる酸化層の写真である。

［本開示が解決しようとする課題］
上記の通り、オイルテンパー線であるばね用鋼線において、外周面を酸化層で覆うことでばねへの加工時の潤滑性を確保する技術が知られている。オイルテンパー線を構成する鋼の組織は焼戻マルテンサイト組織である。焼戻マルテンサイト組織は、マルテンサイト相の母相と、当該母相中に分散する微細な炭化物とを含む組織である。このような焼戻マルテンサイト組織を有する鋼線の表面を酸化層で覆うことにより、ばねへの加工時の潤滑性を確保することができる。

一方、ばね用鋼線として、硬引き線が用いられる場合がある。硬引き線を構成する鋼の組織はパーライト組織である。パーライト組織は、フェライト層とセメンタイト（Ｆｅ_３Ｃ）層とが交互に積層された組織であり、上記焼戻マルテンサイト組織とは大きく異なる組織である。そのため、硬引き線については、パーライト組織に適した潤滑性の確保の検討が必要となる。そこで、ばねへの加工時の潤滑性に優れた硬引き線であるばね用鋼線を提供することを本開示の目的の１つとする。

［本開示の効果］
本開示のばね用鋼線によれば、ばねへの加工時の潤滑性に優れた硬引き線であるばね用鋼線を提供することができる。

［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、０．５質量％以上０．７質量％以下のＣ（炭素）と、１．０質量％以上２．５質量％以下のＳｉ（珪素）と、０．２質量％以上１．０質量％以下のＭｎ（マンガン）と、０．５質量％以上２．０質量％以下のＣｒ（クロム）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パーライト組織である。酸化層の厚さは２μｍ以上５μｍ以下である。酸化層は、６０質量％以上のＦｅ_３Ｏ_４を含む。

本開示のばね用鋼線の本体部を構成する鋼の組織はパーライト組織である。すなわち、本開示のばね用鋼線は、硬引き線である。本開示のばね用鋼線においては、このパーライト組織を有する本体部の外周面が厚さ２μｍ以上５μｍ以下の酸化層で覆われる。そして、酸化層は、６０質量％以上のＦｅ_３Ｏ_４を含む。本発明者の検討によれば、酸化層が６０質量％以上のＦｅ_３Ｏ_４を含むことにより、ばねへの加工時にパーライト組織を有する本体部から酸化層が剥離することが抑制され、高い潤滑性が確保される。

このように、本開示のばね用鋼線によれば、ばねへの加工時の潤滑性に優れた硬引き線であるばね用鋼線を提供することができる。酸化層は、７０質量％以上のＦｅ_３Ｏ_４を含むことが好ましく、８０質量％以上のＦｅ_３Ｏ_４を含むことがより好ましい。

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。

炭素（Ｃ）：０．５質量％以上０．７質量％以下
炭素は、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、炭素含有量は０．５質量％以上とする必要がある。一方、炭素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、炭素含有量は０．７質量％以下とする必要がある。靱性を向上させて加工を容易とする観点から、炭素含有量は０．６質量％以下としてもよい。

珪素（Ｓｉ）：１質量％以上２．５質量％以下
珪素は、加熱による軟化を抑制する性質（軟化抵抗性）を有する。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する観点から、珪素含有量は１質量％以上とする必要があり、１．２質量％以上としてもよい。一方、珪素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、珪素含有量は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、珪素含有量は２質量％以下としてもよく、１．６質量％以下としてもよい。

マンガン（Ｍｎ）：０．２質量％以上１質量％以下
マンガンは、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、マンガンの含有量は０．２質量％以上とする必要があり、０．５質量％以上としてもよい。一方、マンガンは過度に添加すると、靱性や熱間加工における加工性を低下させる。そのため、マンガン含有量は１質量％以下とする必要があり、０．９質量％以下としてもよい。

クロム（Ｃｒ）：０．５質量％以上２質量％以下
クロムは、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、クロムは０．５質量％以上添加される必要がある。一方、クロムの過度の添加は靱性低下の原因となる。そのため、クロムの添加量は２質量％以下とする必要がある。靭性を重視する観点からは、クロムの添加量は１．５質量％以下としてもよく、１質量％以下としてもよい。

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、不可避的不純物の含有量は、合計で０．３質量％以下とすることが好ましい。

上記ばね用鋼線において、酸化層は、第１のＦｅ_３Ｏ_４層と、第１のＦｅ_３Ｏ_４層の外周面を覆う第２のＦｅ_３Ｏ_４層と、を含んでいてもよい。第１のＦｅ_３Ｏ_４層のＳｉの濃度は、第２のＦｅ_３Ｏ_４層のＳｉの濃度および本体部のＳｉの濃度のいずれよりも高くてもよい。第２のＦｅ_３Ｏ_４層と本体部との間にＳｉの濃度が高い第１のＦｅ_３Ｏ_４層が存在することにより、酸化層と本体部との剥離がさらに抑制される。

上記ばね用鋼線において、酸化層は、第１のＦｅ_３Ｏ_４層と本体部との間に位置するＦｅＯ層をさらに含んでいてもよい。第１のＦｅ_３Ｏ_４層と本体部との間にＦｅＯ層が形成される程度の酸化の状態とすることにより、剥離しやすいＦｅ_２Ｏ_３層の形成を抑制することができる。

上記ばね用鋼線において、ＦｅＯ層は、本体部の外周面全体を覆っていてもよいが、本体部の外周面の一部を覆っていることが好ましい。本体部の外周面のうちＦｅＯ層に覆われていない部分において本体部と第１のＦｅ_３Ｏ_４層とが接触していることが好ましい。このようにすることにより、酸化層と本体部との剥離がさらに抑制される。

上記ばね用鋼線において、第１のＦｅ_３Ｏ_４層のＳｉの濃度は２．５質量％以上６質量％以下であり、Ｃｒの濃度は１．５質量％以上３質量％以下であってもよい。このようにすることにより、酸化層と本体部との剥離がさらに抑制される。

上記ばね用鋼線において、第１のＦｅ_３Ｏ_４層の厚さは０．３μｍ以上１．５μｍ以下であってもよい。このようにすることにより、酸化層と本体部との剥離がさらに抑制される。

［本願発明の実施形態の詳細］
次に、本開示にかかるばね用鋼線の実施の形態を、以下に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。

（実施の形態１）
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。

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２．０ｍｍ以上８．０ｍｍ以下である。酸化層２０の厚さｔは２μｍ以上５μｍ以下である。

本体部１０を構成する鋼は、０．５質量％以上０．７質量％以下のＣと、１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、０．５質量％以上２質量％以下のＣｒ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を構成する鋼は、ＪＩＳ規格ＳＷＯＳＣ－Ｖに相当する成分組成を有していてもよい。本体部１０を構成する鋼は、たとえばＳＡＥ規格９２５４Ｖであってもよい。本体部１０を構成する鋼は、これらの鋼種をベースとして、上記成分組成の範囲内でＣを増量したものであってもよい。本体部１０を構成する鋼の組織はパーライト組織である。ばね用鋼線１は、硬引き線である。

次に、酸化層２０の構造の詳細について説明する。図３は、ばね用鋼線１の酸化層２０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、本体部１０の外周面１０Ａの全域を覆っている。酸化層２０は、本体部１０の外周面１０Ａに接触している。酸化層２０は、６０質量％以上のＦｅ_３Ｏ_４を含んでいる。

酸化層２０は、ＦｅＯ層２１と、第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２と、第２のＦｅ_３Ｏ_４層２３と、Ｆｅ_２Ｏ_３層２４とを含んでいる。ＦｅＯ層２１は、本体部１０の外周面１０Ａ上に配置されている。ＦｅＯ層２１は、本体部１０の外周面１０Ａに接触している。第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２は、ＦｅＯ層２１の外周面２１Ａ上に配置されている。第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２は、ＦｅＯ層２１の外周面２１Ａに接触している。第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２は、本体部１０の外周面１０Ａを全周にわたって取り囲んでいる。第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２と本体部１０との間にＦｅＯ層２１は位置している。

第２のＦｅ_３Ｏ_４層２３は、第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２の外周面２２Ａ上に配置されている。第２のＦｅ_３Ｏ_４層２３は、第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２の外周面２２Ａに接触している。第２のＦｅ_３Ｏ_４層２３は、第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２の外周面２２Ａの全域に接触している。第２のＦｅ_３Ｏ_４層２３は、本体部１０の外周面１０Ａおよび第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２の外周面２２Ａを全周にわたって取り囲んでいる。

Ｆｅ_２Ｏ_３層２４は、第２のＦｅ_３Ｏ_４層２３の外周面２３Ａ上に配置されている。Ｆｅ_２Ｏ_３層２４は、第２のＦｅ_３Ｏ_４層２３の外周面２３Ａに接触している。Ｆｅ_２Ｏ_３層２４は、第２のＦｅ_３Ｏ_４層２３の外周面２３Ａ上の全域に存在していてもよいが、一部の領域に存在していてもよい。Ｆｅ_２Ｏ_３層２４は、本開示のばね用鋼線において必須の構成ではなく、存在していなくてもよい。Ｆｅ_２Ｏ_３層２４の外周面２４Ａは、酸化層２０の外周面２０Ａ、すなわちばね用鋼線１の外周面を構成する。Ｆｅ_２Ｏ_３層２４が第２のＦｅ_３Ｏ_４層２３の外周面２３Ａ上の一部の領域に存在する場合、第２のＦｅ_３Ｏ_４層２３の外周面２３ＡのＦｅ_２Ｏ_３層２４が存在しない領域では、第２のＦｅ_３Ｏ_４層２３の外周面２３Ａが酸化層２０の外周面２０Ａ、すなわちばね用鋼線１の外周面である。Ｆｅ_２Ｏ_３層２４が存在しない場合、第２のＦｅ_３Ｏ_４層２３の外周面２３Ａが酸化層２０の外周面２０Ａ、すなわちばね用鋼線１の外周面である。

第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２のＳｉの濃度は、第２のＦｅ_３Ｏ_４層２３のＳｉの濃度および本体部１０のＳｉの濃度のいずれよりも高い。第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２のＳｉの濃度は、たとえば２．５質量％以上６質量％以下である。第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２のＣｒの濃度は、たとえば１．５質量％以上３質量％以下である。

本実施の形態のばね用鋼線１においては、パーライト組織を有する本体部１０の外周面１０Ａが厚さ２μｍ以上５μｍ以下の酸化層２０で覆われている。そして、酸化層２０は、６０質量％以上のＦｅ_３Ｏ_４を含んでいる。これにより、ばね用鋼線１のばねへの加工時にパーライト組織を有する本体部１０から酸化層２０が剥離することが抑制され、高い潤滑性が確保される。その結果、ばね用鋼線１は、ばねへの加工時の潤滑性に優れた硬引き線であるばね用鋼線となっている。

本実施の形態の酸化層２０は、第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２と、第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２の外周２２Ａを覆う第２のＦｅ_３Ｏ_４層２３と、を含んでいる。第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２のＳｉの濃度は、第２のＦｅ_３Ｏ_４層２３のＳｉの濃度および本体部１０のＳｉの濃度のいずれよりも高い。このような第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２の存在は、本開示のばね用鋼線において必須ではない。しかし、このような第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２が存在することにより、酸化層２０と本体部１０との剥離がさらに抑制される。

本実施の形態の酸化層２０は、第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２と本体部１０との間に位置するＦｅＯ層２１を含んでいる。本開示のばね用鋼線においてＦｅＯ層２１の存在は必須ではないが、第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２と本体部１０との間にＦｅＯ層２１が形成される程度の酸化の状態となっていることにより、剥離しやすいＦｅ_２Ｏ_３層２４の形成が抑制されている。酸化層２０におけるＦｅＯ層２１の割合は、たとえば５質量％以下である。酸化層２０におけるＦｅＯ層２１の割合は、１質量％以下であることが好ましく、０．１質量％以下であることがより好ましい。

本実施の形態のばね用鋼線１において、第１のＦｅ_３Ｏ_４層の厚さは０．３μｍ以上１．５μｍ以下であってもよい。このようにすることにより、酸化層２０と本体部１０との剥離がさらに抑制される。

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、０．５質量％以上０．７質量％以下のＣと、１．０質量％以上２．５質量％以下のＳｉと、０．２質量％以上１．０質量％以下のＭｎと、０．５質量％以上２．０質量％以下のＣｒ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。

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、図４を参照して、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。

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。

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。具体的には、線材に対して、たとえば不活性ガス（窒素、アルゴンなどのガス）雰囲気中で６００℃以上７００℃以下の温度域に加熱し、１時間以上１０時間以下の時間保持する熱処理が実施される。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が、本実施の形態においては、酸化層２０の形成および酸化層２０内の構造の調整がこの（Ｓ４０）において実施される。

本実施の形態の（Ｓ４０）では、上記熱処理が実施されることにより、線材の表層部が酸化され、酸化層２０が形成される。酸化層２０とならなかった領域は、本体部１０となる（図２等参照）。ここで、単にＦｅ_３Ｏ_４の割合が大きい酸化層２０を形成する観点からは、たとえば窒素雰囲気中で６００℃程度に加熱する熱処理を実施すればよい。これにより、窒素、アルゴンなどの不活性ガスに不純物として含まれる酸素や不可避的に熱処理炉に侵入する酸素により表層部が酸化されてＦｅ_３Ｏ_４の割合が大きい酸化層２０が形成される。しかし、本実施の形態の酸化層２０の厚さは２μｍ以上５μｍ以下と厚い。また、本実施の形態の酸化層２０は、Ｓｉ濃度の高い第１のＦｅ_３Ｏ_４層を含んでいる。このような酸化層２０を形成する観点から、加熱温度や炉内雰囲気を制御する必要がある。炉内雰囲気の影響が大きいので、設備によって、その条件は様々になる可能性が高いが、加熱温度は通常より高い６５０℃以上、好ましくは６８０℃以上とする。また、雰囲気についても、通常の不活性ガス雰囲気ではなく、意図的に不活性ガスに大気を混入させた雰囲気や、不活性ガスに水蒸気を混入させた雰囲気を採用してもよい。このようにすることにより、所望の組成および構造を有する酸化層２０を形成することができる。

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層２４を除去し、酸化層２０におけるＦｅＯ、Ｆｅ_３Ｏ_４およびＦｅ_２Ｏ_３の割合を調整することができる。より具体的には、酸化層２０からＦｅ_２Ｏ_３層２４を除去し、第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２および第２のＦｅ_３Ｏ_４層２３を残存させるように、ショットブラスティングの強度および時間が調整される。

次に、工程（Ｓ６０）として伸線工程が実施される。この工程（Ｓ５０）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６０％以上８０％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。

次に、工程（Ｓ７０）として酸化層形成工程が実施される。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、酸化層２０をさらに形成する熱処理が実施される。この工程（Ｓ７０）は、工程（Ｓ４０）において適切な酸化層２０が形成されている場合、省略することができる。工程（Ｓ４０）において形成された酸化層２０の厚みが不足している場合、酸化層２０の組成および構造の調整が必要である場合、工程（Ｓ７０）が実施される。工程（Ｓ７０）における熱処理の条件は、工程（Ｓ４０）と同様である。

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。特に、上記工程（Ｓ４０）および（Ｓ７０）を適切に実施することにより、所望の厚さ、組成および構造を有する酸化層２０を有するばね用鋼線１を製造することができる。

（実施の形態２）
次に、他の実施の形態である実施の形態２について説明する。実施の形態２のばね用鋼線は、基本的には実施の形態１の場合と同様の構造を有し、同様の効果を有する。しかし、実施の形態２のばね用鋼線は、酸化層の構造において実施の形態１の場合とは異なっている。図５は、実施の形態２におけるばね用鋼線の酸化層の構造を示す概略断面図である。

図５を参照して、実施の形態２のばね用鋼線１のＦｅＯ層２１は、本体部１０の外周面１０Ａの一部を覆っている。本体部１０の外周面１０ＡのうちＦｅＯ層２１に覆われていない部分において、本体部１０と第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２とが接触している。このように、本体部１０と第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２とが接触する領域が形成されることにより、酸化層２０と本体部１０との剥離がさらに抑制される。

なお、実施の形態２の酸化層２０は、上記実施の形態１の製造方法における工程（Ｓ４０）および（Ｓ７０）の熱処理の条件を調整することにより形成することができる。

（実験１）
酸化層の厚さとばねへの加工時における歩留との関係を調査する実験を行った。上記実施の形態１と同様の手順によりばね用鋼線を準備した。このとき、工程（Ｓ４０）における加熱温度を７００℃とし、加熱時間を調整して酸化層の厚さを０．３～６．５μｍの範囲で変化させたサンプルＡ～Ｅを作製した。酸化層の厚さは、長手方向に垂直な断面をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により観察した場合の、互いに直交する直径上に対応する４か所の厚みの平均値を算出した値である。ばね用鋼線の直径は１．２ｍｍとした。そして、サンプルＡ～Ｅを、コイリングマシンを用いてばねに加工した。ばねのコイル外径は７ｍｍ、有効巻き数は１２、自由長は３２ｍｍである。ばねは、各サンプルについて１００個作成した。コイリングマシンとしては、新興機械工業社製ＶＦ－７２０ＳＴを用いた。

得られたばねについて、自由長の狙い値（３２ｍｍ）との差が０．５ｍｍを超えるもの、表面に焼付が観察されたものを不合格とし、歩留まりを算出した。ここで、「自由長」とは、ばねに対して荷重が加わっていない状態でのばねの全長である。実験結果を表１に示す。

表１を参照して、酸化層の厚さが２μｍ以上５μｍ以下であるサンプルＣおよびＤについては、表面の状態は良好であり、高い歩留が確保されている。一方、酸化層の厚さが２μｍ以上５μｍ以下の範囲外であるサンプルＡ、ＢおよびＥにおいては、表面に焼付が発生し、これに起因して歩留が低下している。酸化層の厚さが小さいサンプルＡおよびＢにおいては、酸化層による潤滑性の確保が不十分であるため、焼付が発生したものと考えられる。一方、酸化層の厚みが大きいサンプルＥにおいては、局所的な酸化層の剥離が発生し、これに起因して焼付が発生したものと考えられる。

以上の実験結果より、酸化層の厚みは２μｍ以上５μｍ以下とすべきことが確認される。

（実験２）
Ｓｉの濃度が高い第１のＦｅ_３Ｏ_４層の形成の効果を確認する実験を行った。上記実験１と同様にばね用鋼線を準備し、ばねを作製した場合の歩留および表面の状態を調査した。実験２では、工程（Ｓ４０）の熱処理における加熱温度を７５０℃または８００℃とし、鋼中におけるＳｉ等の元素の拡散速度を上昇させた状態で加熱時間を調整し、第１のＦｅ_３Ｏ_４層の厚さを調整した。第１のＦｅ_３Ｏ_４層の厚さは、ＳＥＭにより観察して測定した。ＳＥＭによる観察の一例を図６に示す。この図６の酸化層２０に、ＦｅＯ層２１、第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２、第２のＦｅ_３Ｏ_４層２３およびＦｅ_２Ｏ_３層２４が含まれること、および第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２におけるＳｉの濃度が本体部１０および第２のＦｅ_３Ｏ_４層２３のいずれよりも高いことが、ＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）による測定により確認された。実験結果を表２に示す。

表２を参照して、酸化層の厚さが２μｍ以上５μｍ以下であるサンプルＦ～Ｈでは、実験１の場合よりも一層の歩留の向上が確認された。また、酸化層の厚さが５μｍを超えるサンプルＩ～Ｋにおいても、焼付の発生が抑制され、歩留も改善される傾向にある。これは、第１のＦｅ_３Ｏ_４層２２の形成により、本体部１０と酸化層２０との間の剥離が抑制されたことに起因するものと考えることができる。

（実験３）
酸化層の組成と歩留との関係を調査する実験を行った。上記実験１と同様にばね用鋼線を準備し、ばねを作製した場合の歩留および表面の状態を調査した。実験３では、工程（Ｓ４０）の熱処理における雰囲気を変化させることにより、酸化層の組成を変化させた。具体的には、サンプルＬでは、雰囲気中に大気を意図的に混入させ、酸素分圧を上昇させることにより酸化を促進させた。一方、サンプルＮでは、不活性ガスを炉内に流し、酸素分圧を低下させることにより酸化を抑制した。酸化層の組成は、Ｘ線回折を利用したＲＩＲ（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｒａｔｉｏ）法により分析した。具体的には、サンプルとして、ばね用鋼線を長さ２ｃｍ程度に切断し、それらを２、３本並べたものを準備した。Ｘ線源は、Ｘ線のサンプルへの侵入深さを考慮して、銅管球を用いた。そして、平行ビーム法による広角測定（Ｘ線照射領域は、一辺約１５ｍｍの正方形形状）を実施し、回折ピークの強度比から酸化物の質量比（ＦｅＯ：Ｆｅ_３Ｏ_４：Ｆｅ_２Ｏ_３；質量％）を求めた。実験結果を表３に示す。

表３を参照して、酸化を促進させたサンプルＬでは、Ｆｅ_３Ｏ_４よりも酸化が進行したＦｅ_２Ｏ_３の割合が高くなっている。一方、酸化を抑制したサンプルＮでは、Ｆｅ_３Ｏ_４よりも酸化の進行が小さいＦｅＯの割合が高くなっている。いずれのサンプルにおいても表面の状態は良好であるものの、サンプルＭに比べてサンプルＬおよびＮはいずれも歩留が小さくなっている。これは、焼付までは発生していないものの、ばねへの加工時にばね用鋼線と加工ツールとの間に微細な凝着が発生していることを示唆しているものと考えることができる。

より詳細には、Ｆｅ_２Ｏ_３の割合が大きいサンプルＬでは、脆いＦｅ_２Ｏ_３層２４が酸化層２０の表面に形成されるため、最も歩留が低下している。一方、ＦｅＯの割合が大きいサンプルＮでは、脆いＦｅ_２Ｏ_３層２４が酸化層２０の表面に形成されるサンプルＬよりは良好であるものの、サンプルＭに比べると歩留が低下している。このことから、酸化層においてＦｅ_３Ｏ_４の割合が高いことが好ましく、たとえば８０質量％以上とすることが好ましいといえる。また、酸化層においてＦｅ_２Ｏ_３の割合が低いことが好ましく、たとえば１０質量％以下であることが好ましいといえる。

今回開示された実施の形態および実施例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。

１ ばね用鋼線、１０ 本体部、１０Ａ 外周面、２０ 酸化層、２０Ａ 外周面、２１ ＦｅＯ層、２１Ａ 外周面、２２ 第１のＦｅ_３Ｏ_４層、２２Ａ 外周面、２３ 第２のＦｅ_３Ｏ_４層、２３Ａ 外周面、２４ Ｆｅ_２Ｏ_３層、２４Ａ 外周面、φ ばね用鋼線の直径、ｔ 酸化層の厚さ。

Claims (6)

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、０．５質量％以上０．７質量％以下のＣと、１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、０．５質量％以上２質量％以下のＣｒとを含有し、残部がＦｅ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パーライト組織であり、
   前記酸化層の厚さは２μｍ以上５μｍ以下であり、
   前記酸化層は、６０質量％以上のＦｅ_３Ｏ_４を含む、ばね用鋼線。
2. 前記酸化層は、
   第１のＦｅ_３Ｏ_４層と、
   前記第１のＦｅ_３Ｏ_４層の外周面を覆う第２のＦｅ_３Ｏ_４層と、を含み、
   前記第１のＦｅ_３Ｏ_４層のＳｉの濃度は、前記第２のＦｅ_３Ｏ_４層のＳｉの濃度および前記本体部のＳｉの濃度のいずれよりも高い、請求項１に記載のばね用鋼線。
3. 前記酸化層は、前記第１のＦｅ_３Ｏ_４層と前記本体部との間に位置するＦｅＯ層をさらに含む、請求項２に記載のばね用鋼線。
4. 前記ＦｅＯ層は、前記本体部の外周面の一部を覆っており、
   前記本体部の外周面のうち前記ＦｅＯ層に覆われていない部分において前記本体部と前記第１のＦｅ_３Ｏ_４層とが接触している、請求項３に記載のばね用鋼線。
5. 前記第１のＦｅ_３Ｏ_４層のＳｉの濃度は２．５質量％以上６質量％以下であり、Ｃｒの濃度は１．５質量％以上３質量％以下である、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載のばね用鋼線。
6. 前記第１のＦｅ_３Ｏ_４層の厚さは０．３μｍ以上１．５μｍ以下である、請求項２から請求項５のいずれか１項に記載のばね用鋼線。

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