JPS62170460A

JPS62170460A - 高強度弁ばね用鋼及びその製造方法

Info

Publication number: JPS62170460A
Application number: JP61011326A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Saka; 坂　勉; Tomohito Iikubo; 知人飯久保; Yukio Ito; 伊藤　幸生
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1986-01-21
Filing date: 1986-01-21
Publication date: 1987-07-27
Also published as: EP0232061A2; US4810287A; DE3777421D1; EP0232061B1; US4795609A; CA1283796C; EP0232061A3

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は疲労特性の高い高強度弁ばね用鋼とその製造方
法に関する。（従来の技術及び解決しようとする問題点）自動車等の
内燃機関に使用される弁ばねは、１５０℃近傍の温度下
で使用されることが多く、しかも高速圧縮による繰返し
荷重を受けるので。最も苛酷な使用状況下にあるばねの一つであると云える
。従来、このような弁ばね用の鋼材料としては、オイルテ
ンパー線が一般的であり、日本工業規格（ＪＩＳ）にお
イテもｓｗｏ−ｖ、ｓｗｏｃｖ−ｖ、ｓｗｏｓｃ−ｖが
規定されている。これらのうち、５ＷＯ３Ｃ−Ｖ（弁ば
ね用シリコンクロム鋼オイルテンパー線）は、゛その疲
労強度及び耐へたり性が他の弁ばね用オイルテンパー線
に比べて優れていることから、内ｍ機関の弁ばね素材と
して多用されている。そして、更に高い疲労強度が要求
される場合には、これに窒化処理或いは軟窒化処理を施
し、表面硬度を高めて疲労強度の改善を図っている。ところで、最近の内燃機関の開発動向として、高出力高
回転化が強まりつつあり、弁ばねにおいても高応力設計
、高寿命を可能とする一層高い信頼性が要求されるよう
になってきた。そのため、弁ばね用鋼としても高強度で
疲労特性の優れた材料の開発が望まれている。この点、
弁はね用鋼の特性向」二を図る要因の一つとして介在物
清浄化が注目され、例えば、ＥＳＲを用いた再溶解法、
ＡＳＥＡ−８ＫＦ法による炉外精錬の採用などによる介
在物形態コントロールが試みられ、介在物の小径化、少
量化或いは介在物組成の延性化が有効であるとする報告
もある。しかし乍ら、弁ばね用鋼の高強度化に伴う高硬
度領域（例、硬さＨｅ＞４００）において疲労限度（σ
ＩＩＩＢ）に大きなバラツキがみられ、疲労寿命の低下
をもたらす等、信頼性の点で依然として大きな問題があ
る。本発明は、上記従来技術の欠点を解消し、弁ばねに要求
される高応力、高寿命化に対応でき、高強度であっても
疲労特性、特に耐へたり性に優れた信頼性のある高強度
弁ばね用鋼を提供することを目的とし、またその鋼の製
造を可能にする方法を提供することを目的とするもので
ある。（問題点を解決するための手段）上記目的を達成するため、本発明者等は、従来の弁ばね
用鋼とその製造技術に関して種々分析したところ、高強
度化に伴う高硬度領域においては、従来問題とならなか
った小さな介在物が起点となって疲れ限度を低下させ、
疲れ限度に大きなバラツキが生じていることが判明した
。そこで、この対策とし、では、極低酸素（ＵＬＯ）処
理、極低ＴｉＮ（ＵＬ−ＴｉＮ）処理によって酸化物系
介在物、ＴｉＮ系介在物等の介在物の極少量化、小径化
を図ると共に、熱間圧延中に変形、破砕され易い介在物
形態（具体的には、ＣａＯ系組成の介在物）にコントロ
ールできる介在物形態制御を実施することにより、超清
浄鋼化を図ることが効果的であり、併せて、鋼の強度、
靭性、耐へたり性等の諸特性を向上させるためにＮｉ、
Ｍｏ、■等の元素の添加の下でバランスよく化学成分を
調整することにより、信頼性の高い優れた高強度弁ばね
用鋼の製造が可能であることを見い出した。すなわち、本発明の要旨とするところは１重量％で（以
下、同じ）、Ｃ：０．５０−０．７０％、Ｓｉ：１．５
０〜２．５０％、Ｍｎ：０．５０〜１．２０％、Ｎｉ：
１．５０〜２．５０％、Ｃｒ：０．５０〜１．００％、
Ｍｏ：０．２０〜０．５０％及びｖ：０．１５〜０．２
５％を含み、残部がＦｃ及び不可避的不純物からなるこ
とを特徴とする高強度弁ばね用鋼であり、また該鋼の製
造方法は、Ｃ：０．５０〜０．７０％、Ｓｉ：１．５０
〜２．５０％、Ｍｎ：０．５０〜１．２０％、Ｎｉ：１
．５０−２．５０％、Ｃｒ：　０　、５０〜１．００％
、Ｍｏ：０．２ｏ−ｏ、５０％及びＶ：０．１５〜０．
２５％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる
鋼を、極低酸素処理と必要に応じて極低ＴｉＮ処理を行
った後、Ｃａ添加による介在物形態制御を実施して超清
浄鋼化することにより、疲労特性を向上させることを特
徴とする高強度弁ばね用鋼の製造方法である。以下に本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。まず、本発明法を適用する対象鋼における化学成分及び
その添加範囲の限定理由を示す。旦Ｃは鋼の強度を高めるのに有効な元素であるが、０．５
０％未満では弁ばねとして必要な高強度を得ることがで
きず、しかし、０．７０％を超えると網状のセメンタイ
トが出やすくなり、弁ばねの疲労強度を損なうことにな
るので、０．５０−０゜７０％の範囲とする。下１ＳＬは、フェライト中に固溶することによって鋼の強度
を向上させ、弁ばねの酎へたり性を向上させるのに有効
な元素であるが、１．５０％未満では弁ばねとして十分
必要な耐へたり性を確保することができず、しかし、２
．５０％を超えると靭性が劣化し、かつ、熱処理により
遊離炭素が生じる恐れがあるため、１．５０〜２．５０
％の範囲とする。Ｍｎは鋼の脱酸に有効であると共に鋼の焼入性を向上さ
せるのに有効な元素であり、そのためには０．５０％以
上含有させる必要がある。しかし、１．２０％を超える
と焼入性が過大になって靭性が劣化すると共に焼入れ時
の変形の原因となり易いので、０．５０〜１．２０％の
範囲とする。ＮユＮｉは、焼入れ・焼もどし後の靭性改善を図ると共に、
焼入れに際して意図的に残留オーステナイトを形成させ
、これを利用して冷間成形（例、冷間コイリング成形）
を可能にするために添加する元素であり、１．５０％未
満では十分な靭性改善と残留オーステナイトが得られず
、また２、５０％を超えると靭性改善効果が飽和しコス
ト上昇をもたらすので、１．５０〜２．５０％の範囲と
する。５工Ｃｒは石炭素鋼の脱炭及び黒鉛化を防止するのに有効な
元素であるが、０．５０％未満ではこれらの効果を十分
に期待できず、１．００％を超えると靭性の劣化がみら
れるので、０．５０〜１゜００％の範囲とする。犯Ｍｏは弁ばね鋼の耐へたり性を改善するのに有効な元素
であるが、０．２０％未満ではそのような効果が十分に
得られず、また０、５０％を超えるとその効果が飽和し
、かつ、オーステナイト中に溶解されない複合炭化物が
形成され、この複合炭化物の量が増加して大きな塊状と
なったときには非金属介在物と同等の害をもたらし、疲
労強度を低下させる恐れがある。したがって、Ｍｏは０
゜２０〜０．５０％の範囲とする。 ■は、低温圧延時における結晶粒微細化効果が大きく、
弁ばね特性の向上及び信頼性の増大をもたらすことがで
き、また焼入れ焼もどし時の析出硬化にも寄与する元素
であり、このような効果を十分得るためには０．１５％
以上含有させる必要があるが、０．２５％を超えると靭
性が劣化すると共に弁ばね特性を低下させるので、０．
１５〜０．２５％の範囲とする。なお１本発明鋼においては、不可避的不純物は可能な限
り低い含有量に抑えるのが好ましい。特に鋼中の〔ｏ〕
は酸化物系の介在物を生成して疲労破壊の起点となるの
で、１５ｐｐｍ以下にするのが好ましく、このような極
少酸素化にすれば、後述の介在物形態制御による起点介
在物の組成、形状、寸法等のコントロール効果が得やす
くなる。また、（Ｎ）はＴ　ｉ　Ｎ系介在物を生成して
鋼の疲労強度を低下させるので、可能な限り低い含有量
、好ましくは６０ｐｐｍ以下に抑えるのがよく、併わせ
てＴｉ含有−にの低いＪＭ（料を精選して（Ｔｉ）を５
０ＰＰｍ以下に抑えると、ＴｉＮ系介在物を極少量化さ
せることができる。また、〔Ｓ〕及び〔Ｐ〕は弁ばねの
疲労強度を損なう元素であるので、０．０１０％以下に
抑えるのが望ましい。次に、本発明法において溶鋼に対し適用する清浄化処理
としては、前述の如く、極低酸素（ＵＬｏ）処理、極低
Ｔ　ｉ　Ｎ　（Ｕ　Ｌ−Ｔ　ｉ　Ｎ　）処理及び介在物
形態制御であるが、介在物形態制御を実施するに先立っ
て少なくともＵＬＯ処理を行うことが重要である。この
点、従来の介在物形態制御は、溶製された鋼に直接ＡＳ
ＥＡ−８ＫＦ法などの炉外精錬を実施するだけであるの
で、鋼中の酸素含有量も２０〜２５ｐｐｍを１９ｐｐｍ
程度に低減されるにすぎず、起点介在物の組成もＡＱ□
○、系でＳｉｎ、リッチな５ｉｎ２−ＡＱ、Ｏ，或いは
ＳｉＯ，ＡＱ２０３−ＭｇＯであり、介在物の寸法、延
性に限界があった。本発明法における介在物形態制御は、炉外精製炉におい
てＣａインジェクション、Ｃａワイヤの投入等々により
Ｃａ添加を行うことを必要とし、事前のＵＬ○処理又は
ＵＬＯ処理＋ＵＬ−ＴｉＮ処理による酸化物系介在物の
極少量化、小径化と相俟って、起点介在物組成をＣａＯ
系のＡＱ、０３−Ｃａｂ、Ｓｉｎ、、−Ｃａｂ、Ｃａ０
−Ａ　Ｑ、、Ｏ，−２Ｓｉ○２等にして熱間圧延中に変
形、破砕され易い延性な形態にし、しかも２５μｍ以下
の厚み、好ましくは２０μｍ以下の厚みにするものであ
る。上記炉外精錬によるＣａ添加方法としては、特に制限さ
れないが、例えば、Ｇ　ＲＡ　Ｆ　（ＧａｓＲｅｆｉｎ
ｉｎｇＡ　ｒｃ　Ｆ　ｕｒｎａｃｅ）法にてＣａ添加を
行う方法がある。このＧＲＡＦ法は、精錬容器として炉
底に不活性ガス用ポーラスプラグを備えた密閉型アーク
炉を用い、昇熱期には不活性ガスのバブリング下にサブ
マージ放電を行ない、十分な高温に達して精錬期に入っ
たならば電極を取り去って炉を密閉し、引き続き不活性
ガスのバブリングを行なって精錬を進める工程によるも
ので（特開昭５５−８９４３８号参照）、この工程中に
Ｃａインジェクション或いはＣａワイヤの投入を行う。なお、上記精錬容器には、Ｃａ　Ｏを主成分とするライ
ニングを施し、また高塩基性スラグを使用するのが好ま
しい。また、ＡＳＥＡ−８ＫＦ法においてＣａ添加を行うこと
により介在物形態制御を行うことも可能である。ＵＬＯ処理法としては、■溶鋼の脱酸及び脱ガスの強化
、■造塊完了までの間の大気中酸素による汚染防止、■
耐火物による汚染防止、■インゴットケース内での介在
物の浮上分離の強化、などの態様があり、これらの■〜
■の１又は２以上を適宜組合せて鋼中の〔０コレベルを
１５ｐｐｍ以下に抑えることが可能である。具体的な一例を示すならば、次のとうりである。塩基性電気炉においてＵ　ＨＰ　（Ｕ　１ｔｒａ　Ｈｉ
ｇｈＰ　ｏｖｅｒ）操業で迅速溶解した溶鋼を酸化精錬
後、Ｆｅ−８ｉ及びＡＱにより予備脱酸を行い、更に高
塩基度の還元性スラグを造成する。この溶鋼を引続き取
鍋に移し、ＲＨ脱ガス槽の２本の足を取鍋中に浸漬して
溶鋼を真空槽内に還流させる。大容量排気ポンプにより
槽内は０　、１　ｔｏｒｒ、以下の高真空に保たれると
ともに、少量のＡｒ流によるバブリング作用によって溶
鋼が噴流となって真空槽内に吹上げられ、鋼中のＣとＯ
の反応が急速に進行し脱酸が行われＣと０の反応がほぼ
定常状態に到達した時点でＡＱ等の脱酸剤を添加する。更に脱酸生成物の浮上分離及び安定した脱酸状態を保持
するために脱ガス処理時間の延長、〔ＡＱ〕量の微調整
を実施する。ＲＨ脱ガス処理後の到達

〔０〕はほぼ１５
ｐｐｍ前後であり、（０）≦１５ｐｐｍを確実に保証す
るためには造塊時の溶鋼汚染防止及び脱酸生成物等の浮
上分離の促進が必要である。このため、溶鋼による耐火
物侵食に起因する酸化物系介在物の混入を防ぐため真空
脱ガス槽、取鍋、注入管及び湯道レンガ等に高級耐火物
を使用するとともに注入流のＡｒシール、鋳型内での酸
化膜防止剤の使用等により注入時の空気酸化を防止し、
更に凝固初期のシャワーリングを抑制して非金属介在物
の浮上促進を図る等の対策を実施することによって鋼材
製品の酸素量を安定して低位のレベルまで下げることが
できる。また、ＵＬＴｉＮ処理法としては、■原料の精選により
Ｔｉ含有量を３０〜５０ｐｐｍ程度に低減し、■脱ガス
処理によりＮ含イ■量を４０〜６Ｑｐｐｍ程度に低減す
る、などの態様があり、ＵＬＯ処理十ＵＬ−ＴｉＮ処理
によれば、酸化物系介在物、ＴｉＮ系介在物を著滅する
ことができる。（実施例）第１表に示す化学成分の各種鋼を溶解し、同表に示す清
浄化処理工程にてＵＬＯ処理、ＵＬ・ＴｉＮ処理又は介
在物形態制御を実施した。なお、ＵＬ○処理としては、ＲＨ脱ガス処理時間：２５分耐　　　火　　　物：ハイアルミナレンガ及び塩基性耐
火物レンガス　　　ラ　　　グ：塩基性スラグ（Ｃａｂ／Ｓｉｎ、＞３）ＵＬ”ＴｉＮ処理としては、製鋼原料としてＴｉ含有量
の少ないＭｅｔａ　Ｓｉ、　Ｍｅｔａ　Ｍｎ、Ｍｅｔａ
　Ｎｉ、　Ｍｃｔａ　Ｃｒ、　Ｍｅｔａ　Ｍｏを使用し
、ＲＨ脱ガス処理時間を３５分に延長してＡｒバブリン
グによるＮガスの除去を行った。介在物形態制御としては、炉外精練炉にて合金精錬、合
金調整を実施した後、Ｃａ−３ｉ粉体をＡｒガスと共に
吹き込んだ。得られた各鋼塊に対し分塊圧延−線材圧延を行って弁ば
ね用鋼線を製造した。次いで、これらの各線材から疲労
試験片、へたり試験片を切り出し、９００’ＣＸ　３０
分油冷の焼入れ後、所定の温度で焼もどしを施し、所定
の試験片形状に仕上げ、各試験に供して疲れ限度、耐へ
たり性を調べた。なお、疲労試験片はｔＩ　ＲＣ５４に調整した後、試験
に供した。また、酎へたり性については、実体コイルばねを用いる
試験の代りに、ねじクリープ試験により評価した。その
ときの試験条件は、試験片にぜん断予歪を与え、室温に
て負荷応力１００ｋｇｆ／ｍｍ”を９６時間負荷してそ
のときのせん断クリープ歪量（残留せん断歪量）γを測
定した。各試験の結果を第１表に併記する。

【以下余白】

第１表かられかるように、従来鋼は、清浄化処理を施し
て介在物形態をＣａＯ系介在物にしても。耐へたり性が劣っており、高硬度での疲れ限度に大きな
バラツキがみられるのに対し１本発明鋼はいずれも耐へ
たり性が顕著に向上し、高硬度で疲れ限度がバラツキ少
なく高いレベルを維持している。また、介在物形態がＡ
２□０．である比較鋼は疲れ限度が本発明鋼よりも低い
。（発明の効果）以上詳述したように、本発明によれば、化学成分をバラ
ンスよく調整した特定成分組成の弁ばね用鋼を清浄化処
理により超清浄鋼化して製造するので、高強度であって
もバラツキが少なく、特に耐へたり性が優れた高い信頼
性の高強度弁ばね用鋼を提供することができ、したがっ
て、内燃機関用等々の弁ばねの高応力設計、高寿命化を
可能にするものである。

Claims

【特許請求の範囲】１　重量％で、Ｃ：０．５０〜０．７０％、Ｓｉ：１．
５０〜２．５０％、Ｍｎ：０．５０〜１．２０、Ｎｉ：
１．５０〜２．５０％、Ｃｒ：０．５０〜１．００％、
Ｍｏ：０．２０〜０．５０％及びＶ：０．１５〜０．２
５％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるこ
とを特徴とする高強度弁ばね用鋼。２　重量％で、Ｃ：０．５０〜０．７０％、Ｓｉ：１．
５０〜２．５０％、Ｍｎ：０．５０〜１．２０％、Ｎｉ
：１．５０〜２．５０％、Ｃｒ：０．５０〜１．００％
、Ｍｏ：０．２０〜０．５０％及びＶ：０．１５〜０．
２５％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる
鋼を、極低酸素処理にて酸素含有量を１５ｐｐｍ以下に
低減せしめ、必要に応じて極低ＴｉＮ処理にてＴｉ含有
量を５０ｐｐｍ以下、Ｎ含有量を６０ｐｐｍ以下に抑え
た後、Ｃａ添加による介在物形態制御を実施して超清浄
鋼化することにより、疲労特性を向上させることを特徴
とする高強度弁ばね用鋼の製造方法。