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WO2018163541A1 - 斜め巻きばね用線材および斜め巻きばね - Google Patents

斜め巻きばね用線材および斜め巻きばね Download PDF

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WO2018163541A1
WO2018163541A1 PCT/JP2017/043445 JP2017043445W WO2018163541A1 WO 2018163541 A1 WO2018163541 A1 WO 2018163541A1 JP 2017043445 W JP2017043445 W JP 2017043445W WO 2018163541 A1 WO2018163541 A1 WO 2018163541A1
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WO
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mass
wire
layer
less
plating layer
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Ceased
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PCT/JP2017/043445
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English (en)
French (fr)
Inventor
匠 赤田
寛 泉田
細江　晃久
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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Priority to CN201780088212.1A priority patent/CN110382726A/zh
Priority to US16/492,895 priority patent/US11186902B2/en
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    • Y10T428/12924—Fe-base has 0.01-1.7% carbon [i.e., steel]
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    • Y10T428/12951—Fe-base component
    • Y10T428/12972—Containing 0.01-1.7% carbon [i.e., steel]
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    • Y10T428/2495—Thickness [relative or absolute]
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    • Y10T428/24942—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including components having same physical characteristic in differing degree
    • Y10T428/24983—Hardness
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    • Y10T428/26—Web or sheet containing structurally defined element or component, the element or component having a specified physical dimension

Definitions

  • the present invention relates to a wire for an oblique winding spring and an oblique winding spring.
  • An oblique winding spring that is a helical spring having a structure in which a wire (metal wire) is wound with an inclination with respect to a plane perpendicular to the axial direction is known (see, for example, Patent Document 1).
  • the oblique winding spring has a property (non-linearity) in which the spring load becomes substantially constant with respect to a certain range of displacement in a direction perpendicular to the axial direction.
  • the oblique winding spring can be used as, for example, a contact part by being manufactured using a conductive material.
  • beryllium copper is adopted as a material constituting the oblique spring used as the contact part.
  • Beryllium copper is suitable as a material constituting an oblique winding spring from the viewpoint of achieving both strength and conductivity at a high level.
  • beryllium contained in beryllium copper is an expensive material.
  • Beryllium is a material with a large environmental load. Therefore, development of a material that replaces beryllium copper is desired as a material constituting the oblique winding spring.
  • the wire for an oblique winding spring according to the present invention covers a core wire made of steel having a pearlite structure, an outer peripheral surface of the core wire, a copper plating layer made of copper or a copper alloy, and arranged on the outer peripheral side of the copper plating layer, A hard layer having a hardness higher than that of the copper plating layer.
  • Steel includes carbon of 0.5 mass% or more and 1.0 mass% or less, silicon of 0.1 mass% or more and 2.5 mass% or less, manganese of 0.3 mass% or more and 0.9 mass% or less, The balance consists of iron and inevitable impurities.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a cross section perpendicular to the longitudinal direction of a wire for an oblique winding spring.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the boundary region between the copper plating layer and the hard layer.
  • FIG. 3 is a schematic view showing the structure of the oblique winding spring.
  • FIG. 4 is a flowchart showing an outline of a manufacturing method of a wire for an oblique winding spring and an oblique winding spring.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining a manufacturing method of a wire for an oblique winding spring and an oblique winding spring.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining a manufacturing method of a wire for an oblique winding spring and an oblique winding spring.
  • FIG. 7 is a diagram showing the results of a rotating bending fatigue test.
  • FIG. 8 is a diagram showing the results of a rotating bending fatigue test.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the number of stress repetitions and conductivity.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the number of stress repetitions and conductivity.
  • an object of the present invention is to provide an oblique winding spring wire and an oblique winding spring which are made of a material replacing beryllium copper, have a wide nonlinear region, and can achieve stable conductivity.
  • an oblique winding spring wire which is made of a material replacing beryllium copper, has a wide non-linear region, and can achieve stable conductivity.
  • the wire for oblique winding spring of the present application includes a core wire made of steel having a pearlite structure, a copper plating layer made of copper or a copper alloy covering the outer peripheral surface of the core wire, and disposed on the outer peripheral side of the copper plating layer.
  • Steel includes carbon of 0.5 mass% or more and 1.0 mass% or less, silicon of 0.1 mass% or more and 2.5 mass% or less, manganese of 0.3 mass% or more and 0.9 mass% or less, The balance consists of iron and inevitable impurities.
  • a high-strength core wire having a pearlite structure and made of steel having an appropriate component composition is employed. Thereby, a wide nonlinear area
  • the outer peripheral surface of the core wire is covered with a copper plating layer made of copper or a copper alloy having excellent conductivity. Thereby, high electroconductivity is ensured.
  • the wire for oblique winding springs of the present application is not formed by integrating a core wire and a member to be a separately prepared outer layer into a clad wire, but has a structure in which a copper plating layer is formed on the outer peripheral surface of the core wire. .
  • a phenomenon occurs in which the outer layer deviates from the core wire when a load is applied. This phenomenon is a major factor that narrows the nonlinear region.
  • the wire for oblique winding spring of the present application includes a hard layer disposed on the outer peripheral side of the copper plating layer.
  • a large stress is repeatedly applied as it approaches the outer peripheral surface.
  • fatigue failure occurs in the copper plating layer due to the repeatedly acting stress, and the conductivity may be lowered.
  • a hard layer having a higher hardness than the copper plating layer is disposed on the outer peripheral side of the copper plating layer, that is, the side where the applied stress is large, thereby suppressing a decrease in conductivity due to fatigue failure of the copper plating layer. be able to. As a result, stable conductivity can be achieved.
  • the wire for oblique winding spring which is made of a material replacing beryllium copper, has a wide nonlinear region and can achieve stable conductivity, is provided. be able to.
  • the steel is made of 0.1 mass% or more and 0.4 mass% or less of nickel, 0.1 mass% or more and 1.8 mass% or less of chromium, 0.1 mass% or more of 0.1 mass% or less. It may further contain one or more elements selected from the group consisting of 4% by mass or less of molybdenum and 0.05% by mass or more and 0.3% by mass or less of vanadium. Even when a core wire made of steel having such a component composition is employed, it is possible to provide a wire for an obliquely wound spring made of a material replacing beryllium copper and capable of obtaining a wide nonlinear region.
  • Carbon (C) 0.5% by mass or more and 1.0% by mass or less Carbon is an element that greatly affects the strength and elastic limit of steel having a pearlite structure. From the viewpoint of obtaining sufficient strength and elasticity limit as the core wire of the wire for oblique winding springs, the carbon content needs to be 0.5% by mass or more. On the other hand, when the carbon content is increased, the toughness is lowered and the processing may be difficult. From the viewpoint of securing sufficient toughness, the carbon content needs to be 1.0% by mass or less. From the viewpoint of further improving the strength and elasticity limit, the carbon content is preferably 0.6% by mass or more, and more preferably 0.8% by mass or more. From the viewpoint of improving toughness and facilitating processing, the carbon content is preferably 0.95% by mass or less.
  • Silicon 0.1% by mass or more and 2.5% by mass or less Silicon is an element added as a deoxidizer in refining steel.
  • the silicon content needs to be 0.1% by mass or more, preferably 0.12% by mass or more.
  • silicon functions as a carbide generating element in steel and has a property of suppressing softening due to heating (softening resistance).
  • the silicon content is preferably 0.8% by mass or more, and may be 1.8% by mass or more.
  • the toughness is lowered.
  • the silicon content needs to be 2.5% by mass or less, preferably 2.3% by mass or less, and more preferably 2.2% by mass or less. From the viewpoint of emphasizing toughness, the silicon content may be 1.0% by mass or less.
  • Manganese is an element added as a deoxidizer in the refining of steel like silicon. In order to fulfill the function as a deoxidizer, the manganese content needs to be 0.3% by mass or more. On the other hand, when manganese is added excessively, the toughness and workability in hot working are reduced. Therefore, the manganese content needs to be 0.9% by mass or less.
  • phosphorus (P) and sulfur (S) are inevitably mixed in the steel constituting the core wire.
  • Phosphorus and sulfur when present excessively, cause grain boundary segregation and / or inclusions, deteriorating the properties of the steel. Therefore, the phosphorus and sulfur contents are each preferably 0.025% by mass or less.
  • content of an unavoidable impurity shall be 0.3 mass% or less in total.
  • 0.1 mass% or more of nickel may be added.
  • the amount of nickel added is preferably 0.4% by mass or less.
  • Chromium (Cr) 0.1% by mass or more and 1.8% by mass or less Chromium functions as a carbide generating element in steel and contributes to refinement of the metal structure due to the formation of fine carbides and suppression of softening during heating. .
  • chromium may be added in an amount of 0.1% by mass or more, 0.2% by mass or more, and further 0.5% by mass or more.
  • the addition amount of chromium is preferably 1.8% by mass or less.
  • the above-mentioned effect due to the addition of chromium is particularly remarkable due to the coexistence with silicon and vanadium. Therefore, it is preferable that chromium is added together with these elements.
  • Molybdenum (Mo) 0.1% by mass or more and 0.4% by mass or less
  • molybdenum may be added in an amount of 0.1% by mass or more.
  • the addition amount of molybdenum is preferably 0.4% by mass or less.
  • Vanadium (V) 0.05% by mass or more and 0.3% by mass or less Vanadium functions as a carbide generating element in steel and contributes to refinement of the metal structure due to the formation of fine carbides and suppression of softening during heating. .
  • vanadium may be added in an amount of 0.05% by mass or more.
  • excessive addition of vanadium reduces toughness.
  • the amount of vanadium added is preferably 0.3% by mass or less. The above-mentioned effect due to the addition of vanadium becomes particularly remarkable due to the coexistence with silicon and chromium. Therefore, it is preferable that vanadium is added together with these elements.
  • the silicon content of the steel may be 1.35% by mass to 2.3% by mass.
  • the silicon content By setting the silicon content to 1.35% by mass or more, softening in the strain relief heat treatment can be suppressed.
  • the silicon content 2.3% by mass or less By making the silicon content 2.3% by mass or less, it is possible to suppress a decrease in toughness.
  • the steel is composed of 0.6 mass% or more and 1.0 mass% or less of carbon, 0.12 mass% or more and 0.32 mass% or less of silicon, or 0.3 mass% or more. 0.9% by mass or less of manganese, and the balance may be made of iron and inevitable impurities.
  • the said steel is 0.6 mass% or more and 1.0 mass% or less carbon, 0.7 mass% or more and 1.0 mass% or less silicon, and 0.3 mass. % To 0.9% by mass of manganese, and the balance may be composed of iron and inevitable impurities.
  • the steel is composed of carbon of 0.55 mass% to 0.7 mass%, silicon of 1.35 mass% to 2.3 mass%, and 0.3 mass. % To 0.9% by mass of manganese, 0.2% to 1.8% by mass of chromium, and 0.05% to 0.30% by mass of vanadium, with the balance being It may consist of iron and inevitable impurities.
  • the hardness of the hard layer may be 300 HV or more.
  • the hardness of the hard layer may be 50 HV or more higher than the hardness of the copper plating layer. By doing in this way, the stable electroconductivity can be achieved more reliably. Further, the hardness of the hard layer may be equal to or less than the hardness of the core wire.
  • the ratio of the thickness of the hard layer to the thickness of the copper plating layer may be 1/10 or more and less than 1. That is, the value of (thickness of hard layer) / (thickness of copper plating layer) may be 1/10 or more and less than 1.
  • the ratio By setting the ratio to 1/10 or more, stable conductivity can be achieved more reliably. By making the ratio less than 1, it is possible to avoid a decrease in production efficiency. Further, when a plating layer is employed as the hard layer, by setting the ratio to less than 1, it is possible to suppress a decrease in toughness due to hydrogen intrusion during the formation of the hard layer.
  • the ratio is preferably 1/3 or more.
  • the ratio is preferably 3/4 or less.
  • the hard layer may be a plating layer. By doing in this way, a hard layer can be formed easily.
  • the hard layer may be a nickel layer or a chromium layer.
  • nickel or chromium excellent in strength and conductivity can be employed.
  • the hard layer is particularly preferably a nickel layer.
  • the tensile strength of the wire for an oblique winding spring may be 900 MPa or more and 3000 MPa or less. By setting the tensile strength to 900 MPa or more, it becomes easy to obtain sufficient sag resistance. By setting the tensile strength to 3000 MPa or less, it becomes easy to ensure sufficient toughness.
  • the tensile strength of the oblique winding spring wire is preferably 1500 MPa or more.
  • the tensile strength of the oblique winding spring wire is preferably 2500 MPa or less.
  • the electrical conductivity of the above-described slant winding wire is 15% IACS (International Annealed Copper Standard) or more (3.87 ⁇ 10 8 / ⁇ ⁇ m or more) 50% IACS or less (1.29 ⁇ 10 9 / ⁇ ⁇ m or less) ).
  • IACS International Annealed Copper Standard
  • the wire for diagonal winding springs which can produce the diagonal winding spring suitable for contact components can be obtained.
  • the conductivity of the said wire for diagonal winding springs is 25% IACS or more.
  • the electrical conductivity of the said wire for diagonal winding springs is 40% IACS or less.
  • an alloy region including a metal element constituting the copper plating layer and a metal element constituting the hard layer may be formed between the copper plating layer and the hard layer.
  • the hard layer may be a nickel layer, and the alloy region may contain copper and nickel.
  • the gold layer, silver layer, or tin layer may be disposed on the hard layer so as to include the outer peripheral surface of the oblique winding spring wire.
  • the oxygen concentration at the interface between the core wire and the copper plating layer may be 10% by mass or less. By doing so, a wide non-linear region can be obtained more reliably.
  • the copper plating layer may have a thickness of not less than 10 ⁇ m and not more than 65 ⁇ m.
  • the thickness of the copper plating layer may be 50 ⁇ m or less.
  • the diameter of the core wire may be 0.05 mm or more and 2.0 mm or less.
  • the diagonal winding spring of this application consists of the said wire for diagonal winding springs.
  • the oblique winding spring of the present application is made of a material replacing beryllium copper, has a wide nonlinear region, and can achieve stable conductivity.
  • a spring can be provided.
  • the diagonally wound spring wire 1 in the present embodiment includes a core wire 10, a copper plating layer 20, a hard layer 30, and a surface layer 40.
  • the core wire 10 is made of steel having a pearlite structure.
  • the copper plating layer 20 covers the outer peripheral surface 11 of the core wire 10 and is disposed in contact with the outer peripheral surface 11.
  • the copper plating layer 20 is made of copper or a copper alloy.
  • the copper alloy for example, an alloy of copper and at least one metal selected from the group consisting of zinc, tin, phosphorus and iron can be employed.
  • the hard layer 30 is disposed on the outer peripheral side of the copper plating layer 20.
  • the hard layer 30 is disposed in contact with the outer peripheral surface 21 so as to cover the outer peripheral surface 21 of the copper plating layer 20.
  • the hardness of the hard layer 30 is higher than the hardness of the copper plating layer 20.
  • the surface layer 40 is disposed on the outer peripheral side of the hard layer 30.
  • the surface layer 40 is disposed in contact with the outer peripheral surface 31 so as to cover the outer peripheral surface 31 of the hard layer 30.
  • the surface layer 40 is arrange
  • the surface layer 40 is a gold layer, a silver layer, or a tin layer.
  • the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the wire rod 1 for the oblique winding spring is circular.
  • the steel constituting the core wire 10 is made of 0.5 mass% or more and 1.0 mass% or less of carbon, 0.1 mass% or more and 2.5 mass% or less of silicon, and 0.3 mass% or more and 0.9 mass% or less.
  • % Of manganese and the balance consists of iron and inevitable impurities.
  • an alloy region 50 including a metal element constituting copper plating layer 20 and a metal element constituting hard layer 30 is formed between copper plating layer 20 and hard layer 30. .
  • the alloy region 50 is formed at the interface between the copper plating layer 20 and the hard layer 30. That is, the copper plating layer 20 and the hard layer 30 are arranged in contact with each other so that an alloy region is formed at the interface.
  • the slant winding spring 2 in the present embodiment is composed of the slant winding spring wire 1 in the present embodiment.
  • the oblique winding spring 2 is a helical spring, and has a structure in which the oblique winding spring wire 1 is wound while being inclined with respect to a plane perpendicular to the axial direction.
  • the diagonally wound spring 2 is used so that a load is applied in a direction perpendicular to the axial direction.
  • a high-strength core wire 10 having a pearlite structure and made of steel having an appropriate component composition is employed. Thereby, a wide nonlinear area
  • the outer peripheral surface 11 of the core wire 10 is covered with a copper plating layer 20 made of copper or a copper alloy having excellent conductivity. Thereby, high electroconductivity is ensured.
  • the oblique winding spring wire 1 and the oblique winding spring 2 are not formed by integrating a core wire and a member to be a separately prepared outer layer into a clad wire, but a copper plating layer 20 on the outer peripheral surface 11 of the core wire 10. Has a formed structure. Therefore, the occurrence of a phenomenon that the copper plating layer 20 that is the outer layer shifts with respect to the core wire 10 when a load is applied is suppressed. As a result, it is possible to ensure a wide non-linear region.
  • the wire 1 for the oblique winding spring and the oblique winding spring 2 include a hard layer 30 disposed on the outer peripheral side of the copper plating layer 20.
  • a hard layer 30 disposed on the outer peripheral side of the copper plating layer 20.
  • the oblique winding spring wire 1 and the oblique winding spring 2 are made of a material replacing beryllium copper, have a wide non-linear region, and are capable of achieving stable conductivity. It is a diagonal spring.
  • an alloy region 50 is formed between the copper plating layer 20 and the hard layer 30.
  • the formation of the alloy region 50 is not essential, but due to the presence of the alloy region 50, the copper plating layer 20 and the hard layer 30 are firmly bonded.
  • the surface layer 40 is disposed on the hard layer 30 of the oblique winding spring wire 1 and the oblique winding spring 2 of the present embodiment so as to include the outer peripheral surfaces of the oblique winding spring wire 1 and the oblique winding spring 2. ing.
  • the formation of the surface layer 40 is not essential, but the presence of the surface layer 40 can reduce the contact resistance when the oblique winding spring 2 is used as a contact part.
  • the steel constituting the core wire 10 is 0.1 mass% or more and 0.4 mass% or less nickel, 0.1 mass% or more and 1.8 mass% or less chromium. And one or more elements selected from the group consisting of 0.1 mass% to 0.4 mass% molybdenum and 0.05 mass% to 0.3 mass% vanadium. Even when the core wire 10 made of steel having such a component composition is adopted, the oblique winding spring wire 1 and the oblique winding spring 2 are made of a material that replaces beryllium copper, and a wide nonlinear region can be obtained.
  • the silicon content of the steel constituting the core wire 10 may be 1.35% by mass or more and 2.3% by mass or less.
  • the silicon content By setting the silicon content to 1.35% by mass or more, softening in the strain relief heat treatment can be suppressed.
  • the silicon content 2.3% by mass or less, it is possible to suppress a decrease in toughness.
  • the steel constituting the core wire 10 is composed of 0.6 mass% or more and 1.0 mass% or less carbon and 0.12 mass% or more and 0.32 mass% or less. Silicon and 0.3 mass% or more and 0.9 mass% or less manganese may be contained, and the remainder may consist of iron and an unavoidable impurity.
  • the steel which comprises the core wire 10 is carbon 0.6 mass% or more and 1.0 mass% or less, and 0.7 mass% or more and 1.0 mass%.
  • the following silicon and 0.3 mass% or more and 0.9 mass% or less manganese may be contained, and the remainder may consist of iron and an unavoidable impurity.
  • the steel constituting the core wire 10 is carbon of 0.55 mass% or more and 0.7 mass% or less, and 1.35 mass% or more and 2.3 mass%.
  • the following silicon, 0.3 mass% or more and 0.9 mass% or less manganese, 0.2 mass% or more and 1.8 mass% or less chromium, 0.05 mass% or more and 0.30 mass% or less Vanadium, and the balance may be composed of iron and inevitable impurities.
  • the oxygen concentration at the interface between the core wire 10 and the copper plating layer 20 is preferably 10% by mass or less. As a result, a wider non-linear region can be obtained more reliably.
  • the oxygen concentration at the interface between the core wire 10 and the copper plating layer 20 is, for example, in a square region having a side of 300 ⁇ m including the interface between the core wire 10 and the copper plating layer 20 in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the wire rod 1 for the slant winding spring.
  • EDS Energy Dispersive X-ray Spectrometry
  • the hardness of the hard layer 30 is preferably 300 HV or more. Thereby, the stable electroconductivity can be achieved more reliably.
  • the hardness of the hard layer 30 is preferably higher by 50 HV or more than the hardness of the copper plating layer 20. Thereby, the stable electroconductivity can be achieved more reliably.
  • the hardness of the hard layer 30 may be equal to or less than the hardness of the core wire 10.
  • the measurement of hardness (Vickers hardness) can be carried out under conditions of a load of 50 g and a holding time of 10 seconds.
  • the thickness of the hard layer 30 can be, for example, 1 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • the ratio of the thickness of the hard layer 30 to the thickness of the copper plating layer 20 is preferably 1/10 or more and less than 1. By setting the ratio to 1/10 or more, stable conductivity can be achieved more reliably. By making the ratio less than 1, it is possible to avoid a decrease in production efficiency.
  • the hard layer 30 is preferably a plating layer. Thereby, the hard layer 30 can be formed easily.
  • the hard layer 30 is preferably a nickel layer or a chromium layer. As a material constituting the hard layer 30, it is preferable to employ nickel or chromium having excellent strength and electrical conductivity.
  • the hard layer 30 is particularly preferably a nickel layer.
  • the nickel layer and the chromium layer can be easily formed by plating. That is, the hard layer 30 can be a nickel plating layer or a chromium plating layer.
  • the tensile strength of the diagonally wound spring wire 1 is preferably 900 MPa or more and 3000 MPa or less. By setting the tensile strength to 900 MPa or more, it becomes easy to obtain sufficient sag resistance. By setting the tensile strength to 3000 MPa or less, it becomes easy to ensure sufficient toughness.
  • the electrical conductivity of the wire 1 for the oblique winding spring and the oblique winding spring 2 is 15% IACS or more and 50% IACS or less.
  • the diagonal winding spring 2 can be made suitable for a contact part.
  • the alloy region 50 preferably contains copper and nickel.
  • the alloy region 50 is preferably a Cu—Ni alloy region.
  • the thickness of the copper plating layer 20 is preferably 10 ⁇ m or more and 65 ⁇ m or less.
  • the thickness of the copper plating layer 20 is preferably 10 ⁇ m or more and 65 ⁇ m or less.
  • the core wire 10 preferably has a diameter of 0.05 mm to 2.0 mm.
  • a raw material steel wire preparation process is first implemented as process (S10).
  • a steel wire to be the core wire 10 is prepared. Specifically, 0.5 mass% or more and 1.0 mass% or less of carbon, 0.1 mass% or more and 2.5 mass% or less of silicon, and 0.3 mass% or more and 0.9 mass% or less of silicon.
  • a steel wire made of steel containing manganese and the balance being iron and inevitable impurities is prepared.
  • Steel constituting the steel wire is 0.1 mass% to 0.4 mass% nickel, 0.1 mass% to 1.8 mass% chromium, 0.1 mass% to 0.4 mass%
  • One or more elements selected from the group consisting of molybdenum and 0.05% by mass or more and 0.3% by mass or less vanadium may be further contained.
  • a patenting step is performed as a step (S20).
  • this step (S20) patenting is performed on the raw steel wire prepared in step (S10). Specifically, after the raw steel wire is heated to a temperature range equal to or higher than the austenitizing temperature (A 1 point), it is rapidly cooled to a temperature range higher than the martensite transformation start temperature (M s point). A retained heat treatment is performed. Thereby, the metal structure of the raw steel wire becomes a fine pearlite structure with a small lamella spacing.
  • the process of heating the raw material steel wire to a temperature range above a point A is carried out the occurrence of decarburization from the viewpoint of suppressing in an inert gas atmosphere.
  • a first wire drawing step is performed as a step (S30).
  • the raw steel wire that has been patented in step (S20) is drawn (drawn).
  • core wire 10 having a pearlite structure and having a circular cross section perpendicular to the longitudinal direction is obtained.
  • a plating step is performed as a step (S40).
  • a plurality of plating layers are formed so as to cover outer peripheral surface 11 of core wire 10 obtained in step (S30).
  • a copper plating layer 20 made of copper or a copper alloy is formed.
  • the thickness of the copper plating layer 20 formed in the step (S40) is, for example, 30 ⁇ m or more and 90 ⁇ m or less.
  • the hard layer 30 is formed on the copper plating layer 20.
  • a nickel plating layer or a chromium plating layer as the hard layer 30 is formed by performing nickel plating or chromium plating.
  • the surface layer 40 is formed on the hard layer 30.
  • a gold plating layer, a silver plating layer, or a tin plating layer as the surface layer 40 is formed on the hard layer 30.
  • the copper plating layer 20, the hard layer 30, and the surface layer 40 are formed on the core wire 10.
  • step (S50) a second wire drawing step is performed as a step (S50).
  • step (S50) core wire 10 on which copper plating layer 20, hard layer 30 and surface layer 40 are formed in step (S40) is drawn.
  • the wire 1 for diagonal winding springs which has a wire diameter suitable for the desired diagonal winding spring 2 is obtained.
  • the manufacture of the wire 1 for the oblique winding spring in the present embodiment is completed.
  • the manufacturing method of the diagonal winding spring 2 using the wire 1 for diagonal winding springs is demonstrated.
  • a spring processing step is performed as a step (S60).
  • the wire 1 for the oblique winding spring obtained in the step (S50) is processed into the shape of the oblique winding spring 2.
  • the wire 1 for an oblique winding spring is processed into a spiral shape and formed into the shape of an oblique winding spring 2.
  • the oblique winding spring wire of the present application was prepared, and the tensile strength and conductivity were measured, and an experiment was conducted to confirm the fatigue strength and the stability of the conductivity.
  • the experimental procedure is as follows.
  • the steps (S10) to (S50) of the above embodiment were carried out to produce a wire for an oblique winding spring.
  • the diameter of the core wire 10 was 0.42 mm or 0.32 mm.
  • steel constituting the core wire 0.63% to 0.68% carbon, 1.80% to 2.20% silicon, and 0.70% to 0.90% by mass.
  • the copper plating layer 20 employs a copper alloy.
  • a nickel (Ni) layer or a chromium (Cr) layer was employed as the hard layer 30 .
  • the formation of the surface layer 40 was omitted (Samples A to E).
  • a wire outside the scope of the present application in which the hard layer 30 is omitted was also prepared (Samples F and G).
  • a wire rod outside the scope of the present application made of beryllium copper having a diameter of 0.42 mm was also prepared (Sample H).
  • the tensile strength and electrical conductivity of each sample were measured. Tensile strength was measured using a tensile tester SD-500-C manufactured by Shimadzu Corporation. The conductivity was measured using a 3522 LCR HiTester manufactured by Hioki Electric Co., Ltd. Details of each sample and test results are shown in Table 1.
  • samples A to C and D to E which are the wire rods for oblique winding springs of the present application
  • samples G and D having the same core wire diameter and copper plating layer thickness. It is equal to or greater than F.
  • samples A to E which are the wire for oblique winding springs of the present application, have equal or higher tensile strength and electrical conductivity.
  • FIG. 7 and 8 are diagrams showing the results of the fatigue strength test. 7 and 8, the horizontal axis represents the number of stress repetitions, and the vertical axis represents the stress amplitude.
  • FIG. 7 is a diagram showing experimental results when the diameter of the core wire 10 is 0.42 mm.
  • FIG. 8 is a diagram showing experimental results when the diameter of the core wire 10 is 0.32 mm.
  • samples A to E which are the wire rods for the slant winding spring of the present application, in the fatigue strength, regardless of whether the core wire 10 has a diameter of 0.42 mm or 0.32 mm. It is confirmed that the wires F and G, which are outside the scope of the present application, have a fatigue strength equal to or higher than that. In addition, it is confirmed that Samples A to C, which are the wire rods for oblique winding springs of the present application, have a fatigue strength higher than that of Sample H, which is a wire material made of beryllium copper.
  • FIGS. 9 and 10 are diagrams showing the results of an experiment for confirming the stability of conductivity. 9 and 10, the horizontal axis indicates the number of stress repetitions, and the vertical axis indicates the conductivity.
  • FIG. 9 is a diagram showing experimental results when the diameter of the core wire 10 is 0.42 mm.
  • FIG. 10 is a diagram showing experimental results when the diameter of the core wire 10 is 0.32 mm.
  • the samples A to E which are the wire materials for the oblique winding spring of the present application, are electrically conductive. It is confirmed that the wire F and G which are outside the scope of the present application are maintained at a value equal to or higher than that. Samples A to E, which are the wire rods for the oblique winding spring of the present application, have a conductivity of 15% IACS or more even after 10 7 times of repeated stress. From this, it can be evaluated that it has the stability of electric conductivity which can be practically used.
  • the wire for an oblique winding spring of the present application is made of a material replacing beryllium copper, has a wide non-linear region, and can achieve stable conductivity. be able to.
  • this wire is not necessarily applicable only to the diagonally wound spring, but can be applied to all springs.
  • the wire rod is stable while ensuring stable conductivity. A spring that can maintain a repulsive force can be manufactured.
  • the said wire is suitable as a spring wire for manufacturing springs (helical springs), such as a switch spring (conductive spring), for example.
  • springs helical springs
  • conductive spring conductive spring
  • the spring which consists of such a wire is suitable, for example as springs (helical spring), such as a switch spring (conductive spring).

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Abstract

斜め巻きばね用線材は、パーライト組織を有する鋼からなる芯線と、芯線の外周面を覆い、銅または銅合金からなる銅めっき層と、銅めっき層の外周側に配置され、銅めっき層よりも硬度が高い硬質層と、を備える。芯線を構成する鋼は、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。

Description

斜め巻きばね用線材および斜め巻きばね
　本発明は、斜め巻きばね用線材および斜め巻きばねに関するものである。
本出願は、２０１７年３月１０日出願の日本出願第２０１７－０４５７２０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。
　軸方向に垂直な面に対して傾斜して線材（金属線）が巻かれた構造を有するつる巻きばねである斜め巻きばねが知られている（たとえば、特許文献１参照）。斜め巻きばねは、軸方向に垂直な方向の一定範囲の変位に対してばね荷重がほぼ一定になる性質（非線形性）を有する。斜め巻きばねは、導電性を有する材料を用いて作製されることにより、たとえば接点部品として使用することができる。接点部品として使用される斜め巻きばねを構成する材料としては、ベリリウム銅が採用されるのが一般的である。ベリリウム銅は、強度および導電性を高いレベルで両立する観点から、斜め巻きばねを構成する材料として好適である。
　しかし、ベリリウム銅に含まれるベリリウムは高価な材料である。また、ベリリウムは、環境負荷が大きい材料である。そのため、斜め巻きばねを構成する材料として、ベリリウム銅に代わる材料の開発が望まれている。
　これに対し、オーステナイト系ステンレス鋼からなる芯線と、別途準備した銅、銅合金などの材料からなる外側層となるべき部材とを一体化してクラッド線とした斜め巻きばね用線材、および当該線材をばね加工して得られる斜め巻きばねが提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
特開平４－１０７３３１号公報 特開２０１２－２４８４９５号公報
　本発明に従った斜め巻きばね用線材は、パーライト組織を有する鋼からなる芯線と、芯線の外周面を覆い、銅または銅合金からなる銅めっき層と、銅めっき層の外周側に配置され、銅めっき層よりも硬度が高い硬質層と、を備える。鋼は、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。
図１は、斜め巻きばね用線材の長手方向に垂直な断面を示す概略断面図である。 図２は、銅めっき層と硬質層との境界領域の構造を示す概略断面図である。 図３は、斜め巻きばねの構造を示す概略図である。 図４は、斜め巻きばね用線材および斜め巻きばねの製造方法の概略を示すフローチャートである。 図５は、斜め巻きばね用線材および斜め巻きばねの製造方法を説明するための概略断面図である。 図６は、斜め巻きばね用線材および斜め巻きばねの製造方法を説明するための概略断面図である。 図７は、回転曲げ疲労試験の結果を示す図である。 図８は、回転曲げ疲労試験の結果を示す図である。 図９は、応力繰り返し回数と導電率との関係を示す図である。 図１０は、応力繰り返し回数と導電率との関係を示す図である。
［本開示が解決しようとする課題］
　本発明者の検討によれば、上記特許文献２に記載の斜め巻きばねにおいては、軸方向に垂直な方向の変位に対してばね荷重がほぼ一定になる変位の範囲、すなわち非線形領域が狭いという問題がある。また、導電性が期待される斜め巻きばねにおいては、導電性が安定していることも重要である。
　そこで、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を有するとともに、安定した導電性を達成することが可能な斜め巻きばね用線材および斜め巻きばねを提供することを目的の１つとする。
［本開示の効果］
　上記斜め巻きばね用線材によれば、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を有するとともに、安定した導電性を達成することが可能な斜め巻きばね用線材を提供することができる。
　［本願発明の実施形態の説明］
　最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。本願の斜め巻きばね用線材は、パーライト組織を有する鋼からなる芯線と、芯線の外周面を覆い、銅または銅合金からなる銅めっき層と、銅めっき層の外周側に配置され、銅めっき層よりも硬度が高い硬質層と、を備える。鋼は、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。
　本願の斜め巻きばね用線材においては、パーライト組織を有し、適切な成分組成の鋼からなる高強度な芯線が採用される。これにより、広い非線形領域を確保することができる。芯線の外周面は、導電性に優れた銅または銅合金からなる銅めっき層により覆われる。
これにより、高い導電性が確保される。
　また、本願の斜め巻きばね用線材は、芯線と別途準備した外側層となるべき部材とを一体化してクラッド線としたものではなく、芯線の外周面に銅めっき層が形成された構造を有する。本発明者らの検討によれば、クラッド線から得られる斜め巻きばねにおいては、荷重が負荷された際に芯線に対して外側層がずれる現象が生じる。そして、この現象が、非線形領域が狭くなる大きな要因となっている。これに対し、芯線の外周面に銅めっき層が形成された本願の斜め巻きばね用線材においては、このような現象の発生が抑制され、広い非線形領域を確保することが可能となる。
　さらに、本願の斜め巻きばね用線材は、銅めっき層の外周側に配置された硬質層を備える。斜め巻きばねの使用状態においては、外周面に近づくにしたがって大きい応力が繰り返し負荷される。本発明者らの検討によれば、この繰り返し作用する応力によって、銅めっき層に疲労破壊が生じ、導電性が低下する場合がある。これに対し、銅めっき層の外周側、すなわち作用する応力が大きい側に銅めっき層よりも硬度が高い硬質層が配置されることにより、銅めっき層の疲労破壊による導電性の低下を抑制することができる。その結果、安定した導電性を達成することができる。
　以上のように、本願の斜め巻きばね用線材によれば、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を有するとともに、安定した導電性を達成することが可能な斜め巻きばね用線材を提供することができる。
　上記斜め巻きばね用線材において、上記鋼は、０．１質量％以上０．４質量％以下のニッケル、０．１質量％以上１．８質量％以下のクロム、０．１質量％以上０．４質量％以下のモリブデンおよび０．０５質量％以上０．３質量％以下のバナジウムからなる群から選択される一種以上の元素をさらに含有していてもよい。このような成分組成の鋼からなる芯線が採用された場合でも、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を得ることが可能な斜め巻きばね用線材を提供することができる。
　ここで、芯線を構成する鋼の成分組成を上記範囲に限定した理由について説明する。
　炭素（Ｃ）：０．５質量％以上１．０質量％以下
　炭素は、パーライト組織を有する鋼の強度および弾性限に大きな影響を与える元素である。斜め巻きばね用線材の芯線として十分な強度および弾性限を得る観点から、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１．０質量％以下とする必要がある。強度および弾性限をさらに向上させる観点から、炭素含有量は０．６質量％以上とすることが好ましく、０．８質量％以上とすることがより好ましい。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０．９５質量％以下とすることが好ましい。
　珪素（Ｓｉ）：０．１質量％以上２．５質量％以下
　珪素は、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、珪素の含有量は０．１質量％以上とする必要があり、０．１２質量％以上とすることが好ましい。また、珪素は、鋼中において炭化物生成元素として機能し、加熱による軟化を抑制する性質（軟化抵抗性）を有する。線材がばね加工された後に実施される歪み取り熱処理において軟化を抑制する観点から、珪素含有量は０．８質量％以上とすることが好ましく、１．８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り、２．３質量％以下とすることが好ましく、さらには２．２質量％以下としてもよい。靱性を重視する観点からは、珪素含有量は１．０質量％以下としてもよい。
　マンガン（Ｍｎ）：０．３質量％以上０．９質量％以下
　マンガンは、珪素と同様に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０．３質量％以上とする必要がある。
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０．９質量％以下とする必要がある。
　不可避的不純物
　芯線の製造工程において、リン（Ｐ）および硫黄（Ｓ）が不可避的に芯線を構成する鋼中に混入する。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。
　ニッケル（Ｎｉ）：０．１質量％以上０．４質量％以下
　ニッケルを添加することにより、芯線の伸線加工時や線材のばね加工時における断線の発生が抑制される。この機能を確実に発揮させる観点から、ニッケルは０．１質量％以上添加されてもよい。一方、０．４質量％を超えて添加してもニッケルの上記効果は飽和する。また、高価な元素であるニッケルを０．４質量％を超えて添加すると、芯線の製造コストが上昇する。そのため、ニッケルの添加量は０．４質量％以下とすることが好ましい。
　クロム（Ｃｒ）：０．１質量％以上１．８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０．１質量％以上添加されてもよく、０．２質量％以上、さらには０．５質量％以上添加されてもよい。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１．８質量％以下とすることが好ましい。クロムの添加による上記効果は、珪素、バナジウムとの共存によって、特に顕著となる。そのため、クロムは、これらの元素とともに添加されることが好ましい。
　モリブデン（Ｍｏ）：０．１質量％以上０．４質量％以下
　モリブデンを添加することにより、弾性限を上昇させることができる。この機能を確実に発揮させる観点から、モリブデンは０．１質量％以上添加されてもよい。一方、０．４質量％を超えて添加してもモリブデンの上記効果は飽和する。また、高価な元素であるモリブデンを０．４質量％を超えて添加すると、芯線の製造コストが上昇する。そのため、モリブデンの添加量は０．４質量％以下とすることが好ましい。
　バナジウム（Ｖ）：０．０５質量％以上０．３質量％以下
　バナジウムは、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、バナジウムは０．０５質量％以上添加されてもよい。一方、バナジウムの過剰な添加は、靱性を低下させる。十分な靱性を確保する観点から、バナジウムの添加量は０．３質量％以下とすることが好ましい。バナジウムの添加による上記効果は、珪素、クロムとの共存によって、特に顕著となる。そのため、バナジウムは、これらの元素とともに添加されることが好ましい。
　上記斜め巻きばね用線材において、上記鋼の珪素の含有量は１．３５質量％以上２．３質量％以下であってもよい。珪素の含有量を１．３５質量％以上とすることにより、歪み取り熱処理における軟化を抑制することができる。珪素の含有量を２．３質量％以下とすることにより、靭性の低下を抑制することができる。
　上記斜め巻きばね用線材において、上記鋼は、０．６質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１２質量％以上０．３２質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
　また、上記斜め巻きばね用線材において、上記鋼は、０．６質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．７質量％以上１．０質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
　また、上記斜め巻きばね用線材において、上記鋼は、０．５５質量％以上０．７質量％以下の炭素と、１．３５質量％以上２．３質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、０．２質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．０５質量％以上０．３０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っていてもよい。
　芯線を構成する鋼としてこのような成分組成の鋼を採用することにより、より確実に広い非線形領域を得ることができる。
　上記斜め巻きばね用線材において、硬質層の硬度は３００ＨＶ以上であってもよい。このようにすることにより、安定した導電性をより確実に達成することができる。
　上記斜め巻きばね用線材において、硬質層の硬度は、銅めっき層の硬度よりも５０ＨＶ以上高くてもよい。このようにすることにより、安定した導電性をより確実に達成することができる。また、硬質層の硬度は、芯線の硬度以下であってもよい。
　上記斜め巻きばね用線材において、銅めっき層の厚みに対する硬質層の厚みの比率は１／１０以上１未満であってもよい。すなわち、（硬質層の厚み）／（銅めっき層の厚み）の値が１／１０以上１未満であってもよい。上記比率を１／１０以上とすることにより、安定した導電性をより確実に達成することができる。上記比率を１未満とすることにより、生産効率の低下を回避することができる。また、硬質層としてめっき層を採用した場合、上記比率を１未満とすることにより、硬質層形成時における水素の侵入に起因した靱性の低下を抑制することができる。上記比率は、１／３以上であることが好ましい。上記比率は、３／４以下であることが好ましい。
　上記斜め巻きばね用線材において、硬質層はめっき層であってもよい。このようにすることにより、硬質層を容易に形成することができる。
　上記斜め巻きばね用線材において、硬質層は、ニッケル層またはクロム層であってもよい。硬質層を構成する材料として、強度および導電率に優れるニッケルやクロムを採用することができる。硬質層は、ニッケル層であることが特に好ましい。硬質層としてニッケル層を採用することにより、硬質層上に金層や銀層をめっき層として形成することが容易となる。
　上記斜め巻きばね用線材の引張強さは、９００ＭＰａ以上３０００ＭＰａ以下であってもよい。引張強さを９００ＭＰａ以上することにより、十分な耐へたり性を得ることが容易となる。引張強さを３０００ＭＰａ以下とすることにより、十分な靱性を確保することが容易となる。上記斜め巻きばね用線材の引張強さは、１５００ＭＰａ以上であることが好ましい。上記斜め巻きばね用線材の引張強さは、２５００ＭＰａ以下であることが好ましい。
　上記斜め巻きばね用線材の導電率は、１５％ＩＡＣＳ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ａｎｎｅａｌｅｄ　Ｃｏｐｐｅｒ　Ｓｔａｎｄａｒｄ）以上（３．８７×１０８／Ω・ｍ以上）５０％ＩＡＣＳ以下（１．２９×１０９／Ω・ｍ以下）であってもよい。このようにすることにより、接点部品に適した斜め巻きばねを作製可能な斜め巻きばね用線材を得ることができる。上記斜め巻きばね用線材の導電率は、２５％ＩＡＣＳ以上であることが好ましい。上記斜め巻きばね用線材の導電率は、４０％ＩＡＣＳ以下であることが好ましい。
　上記斜め巻きばね用線材において、銅めっき層と硬質層との間には、銅めっき層を構成する金属元素と硬質層を構成する金属元素とを含む合金領域が形成されていてもよい。このようにすることにより、銅めっき層と硬質層とが強固に接合された斜め巻きばね用線材を得ることができる。
　上記斜め巻きばね用線材において、硬質層はニッケル層であり、合金領域は銅およびニッケルを含んでいてもよい。このようにすることにより、銅めっき層と硬質層とが強固に接合された斜め巻きばね用線材を得ることができる。
　上記斜め巻きばね用線材において、硬質層上に、金層、銀層またはスズ層が、斜め巻きばね用線材の外周面を含むように配置されていてもよい。このようにすることにより、斜め巻きばねを接点部品として使用する場合における接触抵抗を低減することができる。
　上記斜め巻きばね用線材において、芯線と銅めっき層との界面における酸素濃度は１０質量％以下であってもよい。このようにすることにより、より確実に広い非線形領域を得ることができる。
　上記斜め巻きばね用線材において、上記銅めっき層の厚みは１０μｍ以上６５μｍ以下であってもよい。銅めっき層の厚みを１０μｍ以上とすることにより、十分な導電性を得ることが容易となる。銅めっき層の厚みを６５μｍ以下とすることにより、高い強度および弾性限を得ることが容易となる。その結果、広い非線形領域を得ることが容易となる。
より広い非線形領域を得る観点から、銅めっき層の厚みは５０μｍ以下としてもよい。
　上記斜め巻きばね用線材において、芯線の直径は０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であってもよい。このようにすることにより、斜め巻きばねの製造に特に適した斜め巻きばね用線材を得ることができる。
　本願の斜め巻きばねは、上記斜め巻きばね用線材からなる。上記本願の斜め巻きばね用線材からなることにより、本願の斜め巻きばねによれば、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を有するとともに、安定した導電性を達成することが可能な斜め巻きばねを提供することができる。
　［本願発明の実施形態の詳細］
　次に、本発明にかかる斜め巻きばね用線材および斜め巻きばねの実施の形態を、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。
　図１を参照して、本実施の形態における斜め巻きばね用線材１は、芯線１０と、銅めっき層２０と、硬質層３０と、表面層４０とを備える。芯線１０は、パーライト組織を有する鋼からなる。銅めっき層２０は、芯線１０の外周面１１を覆い、外周面１１に接触して配置される。銅めっき層２０は、銅または銅合金からなる。銅合金としては、たとえば銅と、亜鉛、スズ、リンおよび鉄からなる群から選択される少なくとも１つの金属との合金を採用することができる。
　硬質層３０は、銅めっき層２０の外周側に配置される。硬質層３０は、銅めっき層２０の外周面２１を覆うように外周面２１に接触して配置される。硬質層３０の硬度は、銅めっき層２０の硬度よりも高い。
　表面層４０は、硬質層３０の外周側に配置される。表面層４０は、硬質層３０の外周面３１を覆うように外周面３１に接触して配置される。表面層４０は、斜め巻きばね用線材１の外周面を含むように配置されている。すなわち、表面層４０は、斜め巻きばね用線材１の最表層に配置されている。表面層４０は、金層、銀層またはスズ層である。斜め巻きばね用線材１の長手方向に垂直な断面は円形である。
　芯線１０を構成する鋼は、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる。
　図２を参照して、銅めっき層２０と硬質層３０との間には、銅めっき層２０を構成する金属元素と硬質層３０を構成する金属元素とを含む合金領域５０が形成されている。合金領域５０は、銅めっき層２０と硬質層３０との界面に形成される。すなわち、銅めっき層２０と硬質層３０とは、界面に合金領域が形成されるように互いに接触して配置される。
　図３を参照して、本実施の形態における斜め巻きばね２は、本実施の形態における斜め巻きばね用線材１からなっている。斜め巻きばね２は、つる巻きばねであって、軸方向に垂直な面に対して傾斜して斜め巻きばね用線材１が巻かれた構造を有する。斜め巻きばね２は、軸方向に垂直な方向に荷重が負荷されるように使用される。
　本実施の形態の斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２においては、パーライト組織を有し、適切な成分組成の鋼からなる高強度な芯線１０が採用される。これにより、広い非線形領域を確保することができる。芯線１０の外周面１１は、導電性に優れた銅または銅合金からなる銅めっき層２０により覆われる。これにより、高い導電性が確保される。
　また、斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２は、芯線と別途準備した外側層となるべき部材とを一体化してクラッド線としたものではなく、芯線１０の外周面１１に銅めっき層２０が形成された構造を有する。そのため、荷重が負荷された際に芯線１０に対して外側層である銅めっき層２０がずれる現象の発生が抑制される。その結果、広い非線形領域を確保することが可能となっている。
　さらに、斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２は、銅めっき層２０の外周側に配置された硬質層３０を備える。銅めっき層２０の外周側、すなわち作用する応力が大きい側に銅めっき層２０よりも硬度が高い硬質層３０が配置されることにより、銅めっき層２０の疲労破壊による導電性の低下を抑制することができる。その結果、安定した導電性を達成することができる。
　以上のように、斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２は、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を有するとともに、安定した導電性を達成することが可能な斜め巻きばね用線材および斜め巻きばねとなっている。
　また、本実施の形態の斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、銅めっき層２０と硬質層３０との間には、合金領域５０が形成されている。合金領域５０の形成は必須ではないが、合金領域５０の存在により、銅めっき層２０と硬質層３０とが強固に接合される。
　また、本実施の形態の斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２の硬質層３０上には、表面層４０が斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２の外周面を含むように配置されている。表面層４０の形成は必須ではないが、表面層４０の存在により、斜め巻きばね２を接点部品として使用する場合における接触抵抗を低減することができる。
　斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、芯線１０を構成する鋼は、０．１質量％以上０．４質量％以下のニッケル、０．１質量％以上１．８質量％以下のクロム、０．１質量％以上０．４質量％以下のモリブデンおよび０．０５質量％以上０．３質量％以下のバナジウムからなる群から選択される一種以上の元素をさらに含有していてもよい。このような成分組成の鋼からなる芯線１０が採用された場合でも、斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２は、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を得ることができる。
　斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、芯線１０を構成する鋼の珪素の含有量は１．３５質量％以上２．３質量％以下であってもよい。珪素の含有量を１．３５質量％以上とすることにより、歪み取り熱処理における軟化を抑制することができる。珪素の含有量を２．３質量％以下とすることにより、靭性の低下を抑制することができる。
　斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、芯線１０を構成する鋼は、０．６質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１２質量％以上０．３２質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
　また、斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、芯線１０を構成する鋼は、０．６質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．７質量％以上１．０質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなっていてもよい。
　また、斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、芯線１０を構成する鋼は、０．５５質量％以上０．７質量％以下の炭素と、１．３５質量％以上２．３質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンと、０．２質量％以上１．８質量％以下のクロムと、０．０５質量％以上０．３０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っていてもよい。
　芯線１０を構成する鋼としてこのような成分組成の鋼を採用することにより、より確実に広い非線形領域を得ることができる。
　斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、芯線１０と銅めっき層２０との界面における酸素濃度は１０質量％以下であることが好ましい。これにより、より確実に広い非線形領域を得ることができる。なお、芯線１０と銅めっき層２０との界面における酸素濃度は、たとえば斜め巻きばね用線材１の長手方向に垂直な断面において芯線１０と銅めっき層２０との界面を含む一辺３００μｍの正方形領域に対してＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　Ｘ－ｒａｙ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）による定量分析を実施することにより測定することができる。
　硬質層３０の硬度は３００ＨＶ以上であることが好ましい。これにより、安定した導電性をより確実に達成することができる。硬質層３０の硬度は、銅めっき層２０の硬度よりも５０ＨＶ以上高いことが好ましい。これにより、安定した導電性をより確実に達成することができる。また、硬質層３０の硬度は、芯線１０の硬度以下であってもよい。なお、硬度（ビッカース硬度）の測定は、荷重５０ｇ、保持時間１０秒間の条件にて実施することができる。硬質層３０の厚みは、たとえば１μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。
　銅めっき層２０の厚みに対する硬質層３０の厚みの比率は１／１０以上１未満であることが好ましい。上記比率を１／１０以上とすることにより、安定した導電性をより確実に達成することができる。上記比率を１未満とすることにより、生産効率の低下を回避することができる。
　硬質層３０はめっき層であることが好ましい。これにより、硬質層３０を容易に形成することができる。
　硬質層３０は、ニッケル層またはクロム層であることが好ましい。硬質層３０を構成する材料として、強度および導電率に優れるニッケルやクロムを採用することが好ましい。
硬質層３０は、ニッケル層であることが特に好ましい。ニッケル層やクロム層は、めっきによって容易に形成することができる。つまり、硬質層３０は、ニッケルめっき層またはクロムめっき層とすることができる。
　斜め巻きばね用線材１の引張強さは、９００ＭＰａ以上３０００ＭＰａ以下であることが好ましい。引張強さを９００ＭＰａ以上することにより、十分な耐へたり性を得ることが容易となる。引張強さを３０００ＭＰａ以下とすることにより、十分な靱性を確保することが容易となる。
　斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２の導電率は、１５％ＩＡＣＳ以上５０％ＩＡＣＳ以下であることが好ましい。これにより、斜め巻きばね２を接点部品に適したものとすることができる。
　硬質層３０がニッケル層である場合、合金領域５０は銅およびニッケルを含んでいることが好ましい。硬質層３０がニッケル層である場合、合金領域５０はＣｕ－Ｎｉ合金領域であることが好ましい。これにより、銅めっき層２０と硬質層３０とが強固に接合される。
　斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２において、銅めっき層２０の厚みは１０μｍ以上６５μｍ以下であることが好ましい。銅めっき層２０の厚みを１０μｍ以上とすることにより、十分な導電性を得ることが容易となる。銅めっき層２０の厚みを６５μｍ以下とすることにより、高い強度および弾性限を得ることが容易となる。その結果、広い非線形領域を得ることが容易となる。
　斜め巻きばね用線材１において、芯線１０の直径は０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とすることが好ましい。これにより、斜め巻きばねの製造に特に適した斜め巻きばね用線材を得ることができる。
　次に、斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２の製造方法の一例について説明する。図４を参照して、本実施の形態の斜め巻きばね用線材１および斜め巻きばね２の製造方法においては、まず工程（Ｓ１０）として原料鋼線準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、芯線１０となるべき鋼線が準備される。具体的には、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる鋼からなる鋼線が準備される。鋼線を構成する鋼は、０．１質量％以上０．４質量％以下のニッケル、０．１質量％以上１．８質量％以下のクロム、０．１質量％以上０．４質量％以下のモリブデンおよび０．０５質量％以上０．３質量％以下のバナジウムからなる群から選択される一種以上の元素をさらに含有していてもよい。
　次に、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原料鋼線に対してパテンティングが実施される。
具体的には、原料鋼線がオーステナイト化温度（Ａ１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（Ｍｓ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、原料鋼線の金属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、原料鋼線をＡ１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。
　次に、工程（Ｓ３０）として第１伸線工程が実施される。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原料鋼線が伸線加工（引抜き加工）される。これにより、図５を参照して、パーライト組織を有し、長手方向に垂直な断面が円形である芯線１０が得られる。
　次に、工程（Ｓ４０）としてめっき工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、図５および図６を参照して、工程（Ｓ３０）において得られた芯線１０の外周面１１を覆うように、複数のめっき層が形成される。まず、銅または銅合金からなる銅めっき層２０が形成される。工程（Ｓ４０）において形成される銅めっき層２０の厚みは、たとえば３０μｍ以上９０μｍ以下である。次に、銅めっき層２０上に硬質層３０が形成される。具体的には、ニッケルめっきまたはクロムめっきが実施されることにより、硬質層３０としてのニッケルめっき層またはクロムめっき層が形成される。次に、硬質層３０上に表面層４０が形成される。具体的には、硬質層３０上に、表面層４０としての金めっき層、銀めっき層またはスズめっき層が形成される。これにより、図６に示すように芯線１０上に銅めっき層２０、硬質層３０および表面層４０が形成された状態となる。
　次に、工程（Ｓ５０）として第２伸線工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、図６および図１を参照して、工程（Ｓ４０）において銅めっき層２０、硬質層３０および表面層４０が形成された芯線１０が伸線加工される。これにより、所望の斜め巻きばね２に適した線径を有する斜め巻きばね用線材１が得られる。以上の手順により、本実施の形態における斜め巻きばね用線材１の製造が完了する。以下、斜め巻きばね用線材１を用いた斜め巻きばね２の製造方法を説明する。
　次に、工程（Ｓ６０）としてばね加工工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、図１および図２を参照して、工程（Ｓ５０）において得られた斜め巻きばね用線材１が斜め巻きばね２の形状に加工される。具体的には、斜め巻きばね用線材１がらせん状に加工されて、斜め巻きばね２の形状に成形される。
　次に、工程（Ｓ７０）として歪み取り工程が実施される。この工程（Ｓ７０）では、工程（Ｓ６０）において斜め巻きばね２の形状に成形された斜め巻きばね用線材１に対して、たとえば２５０℃以上４００℃以下の温度域に加熱する熱処理が実施される。これにより、工程（Ｓ６０）における加工により斜め巻きばね用線材１に導入された歪みが低減される。その結果、広い非線形領域を得ることが可能となる。以上の手順により、本実施の形態の斜め巻きばね２の製造が完了する。
　本願の斜め巻きばね用線材を準備し、引張強さおよび導電率を測定するとともに、疲労強度および導電率の安定性を確認する実験を行った。実験の手順は以下のとおりである。
　上記実施の形態の工程（Ｓ１０）～（Ｓ５０）までを実施し、斜め巻きばね用線材を作製した。芯線１０の直径は０．４２ｍｍまたは０．３２ｍｍとした。芯線１０を構成する鋼として、０．６３質量％以上０．６８質量％以下の炭素と、１．８０質量％以上２．２０質量％以下の珪素と、０．７０質量％以上０．９０質量％以下のマンガンと、０．５０質量％以上０．８０質量％以下のクロムと、０．０５質量％以上０．１５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、不純物であるリンおよび硫黄がそれぞれ０．０２５質量％以下である鋼を採用した。銅めっき層２０は、銅合金からなるものを採用した。硬質層３０としては、ニッケル（Ｎｉ）層またはクロム（Ｃｒ）層を採用した。表面層４０の形成は省略した（サンプルＡ～Ｅ）。一方、比較のため、同様の線材において、硬質層３０を省略した本願の範囲外の線材も準備した（サンプルＦおよびＧ）。さらに、比較のため、直径０．４２ｍｍのベリリウム銅からなる本願の範囲外の線材も準備した（サンプルＨ）。そして、各サンプルの引張強さおよび導電率を測定した。引張強さは、株式会社島津製作所製の引張試験機ＳＤ－５００－Ｃを用いて実施した。導電率は、日置電機株式会社製の３５２２ＬＣＲハイテスタを用いて実施した。各サンプルの詳細および試験結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　表１を参照して、本願の斜め巻きばね用線材であるサンプルＡ～ＣおよびＤ～Ｅの引張強さおよび導電率は、それぞれ芯線の直径および銅めっき層の厚みが同一であるサンプルＧおよびＦと同等以上となっている。また、ベリリウム銅からなる線材であるサンプルＨと比較して、本願の斜め巻きばね用線材であるサンプルＡ～Ｅは、同等以上の引張強さおよび導電率を有している。このことから、本願の斜め巻きばね用線材においては、硬質層の形成による明確な不利益は認められず、ベリリウム銅からなる線材と同等以上の引張強さおよび導電率が確保できることが確認される。
　これらの線材の疲労強度および導電率の安定性を確認する実験を実施した。ハンター式疲労試験機により回転曲げ疲労試験を実施し、負荷応力と破断までの応力繰り返し回数との関係を調査した。そして、１０７回の負荷応力の繰り返しによって破断しない応力を疲労強度とした。また、ハンター式疲労試験機により負荷応力３００ＭＰａの条件で回転曲げ疲労試験を実施し、所定回の応力負荷後における導電率を調査した。そして、１０７回の負荷応力の繰り返し後における導電率によって、導電率の安定性を評価した。１０７回の負荷応力の繰り返し後における導電率（試験後導電率）が１５％ＩＡＣＳ以上であれば、実用に耐える導電率の安定性であると評価することができる。
　図７および図８は、疲労強度試験の結果を示す図である。図７および図８において、横軸は応力の繰り返し回数、縦軸は応力振幅を示している。図７は、芯線１０の直径が０．４２ｍｍの場合の実験結果を示す図である。図８は、芯線１０の直径が０．３２ｍｍの場合の実験結果を示す図である。
　図７、図８および表１を参照して、芯線１０の直径が０．４２ｍｍ、０．３２ｍｍのいずれの場合においても、本願の斜め巻きばね用線材であるサンプルＡ～Ｅは、疲労強度において本願の範囲外である線材ＦおよびＧ以上の疲労強度を有していることが確認される。また、本願の斜め巻きばね用線材であるサンプルＡ～Ｃは、ベリリウム銅からなる線材であるサンプルＨ以上の疲労強度を有していることが確認される。
　図９および図１０は、導電率の安定性を確認する実験の結果を示す図である。図９および図１０において、横軸は応力の繰り返し回数、縦軸は導電率を示している。図９は、芯線１０の直径が０．４２ｍｍの場合の実験結果を示す図である。図１０は、芯線１０の直径が０．３２ｍｍの場合の実験結果を示す図である。
　図９、図１０および表１を参照して、芯線１０の直径が０．４２ｍｍ、０．３２ｍｍのいずれの場合においても、本願の斜め巻きばね用線材であるサンプルＡ～Ｅは、導電性において本願の範囲外である線材ＦおよびＧ以上の値を維持していることが確認される。また、本願の斜め巻きばね用線材であるサンプルＡ～Ｅは、１０７回の負荷応力の繰り返し後においても、１５％ＩＡＣＳ以上の導電率を有している。このことから、実用に耐える導電率の安定性を有するものと評価することができる。
　以上の実験結果より、本願の斜め巻きばね用線材によれば、十分な強度および安定した導電性を達成できることが確認される。
　［付記］
　本願の斜め巻きばね用線材によれば、上述のように、ベリリウム銅に代わる材料からなり、広い非線形領域を有するとともに、安定した導電性を達成することが可能な斜め巻きばね用線材を提供することができる。一方、この線材は、必ずしも斜め巻きばねにのみ適用可能なものではなく、ばね全般に適用可能である。パーライト組織を有し、上記適切な成分組成の鋼からなる高強度な上記芯線と、上記銅めっき層と、上記硬質層とを備える上記線材によれば、安定した導電性を確保しつつ、高い反発力を維持できるばねを製造することができる。そのため、上記線材は、たとえばスイッチ用ばね（導電性ばね）などのばね（つる巻きばね）を製造するためのばね用線材として好適である。また、このような線材からなるばねは、たとえばスイッチ用ばね（導電性ばね）などのばね（つる巻きばね）として好適である。
　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　斜め巻きばね用線材
２　斜め巻きばね
１０　芯線
１１　外周面
２０　銅めっき層
２１　外周面
３０　硬質層
３１　外周面
４０　表面層
５０　合金領域

Claims (13)

  1. 　パーライト組織を有する鋼からなる芯線と、
    　前記芯線の外周面を覆い、銅または銅合金からなる銅めっき層と、
    　前記銅めっき層の外周側に配置され、前記銅めっき層よりも硬度が高い硬質層と、を備え、
    　前記鋼は、０．５質量％以上１．０質量％以下の炭素と、０．１質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．３質量％以上０．９質量％以下のマンガンとを含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる、斜め巻きばね用線材。
  2. 　前記鋼は、０．１質量％以上０．４質量％以下のニッケル、０．１質量％以上１．８質量％以下のクロム、０．１質量％以上０．４質量％以下のモリブデンおよび０．０５質量％以上０．３質量％以下のバナジウムからなる群から選択される一種以上の元素をさらに含有する、請求項１に記載の斜め巻きばね用線材。
  3. 　前記硬質層の硬度は３００ＨＶ以上である、請求項１または請求項２に記載の斜め巻きばね用線材。
  4. 　前記硬質層の硬度は、前記銅めっき層の硬度よりも５０ＨＶ以上高い、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材。
  5. 　前記銅めっき層の厚みに対する前記硬質層の厚みの比率は１／１０以上１未満である、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材。
  6. 　前記硬質層はめっき層である、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材。
  7. 　前記硬質層は、ニッケル層またはクロム層である、請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材。
  8. 　引張強さが９００ＭＰａ以上３０００ＭＰａ以下である、請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材。
  9. 　導電率が１５％ＩＡＣＳ以上５０％ＩＡＣＳ以下である、請求項１～請求項８のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材。
  10. 　前記銅めっき層と前記硬質層との間には、前記銅めっき層を構成する金属元素と前記硬質層を構成する金属元素とを含む合金領域が形成されている、請求項１～請求項９のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材。
  11. 　前記硬質層はニッケル層であり、
    　前記合金領域は、銅およびニッケルを含む、請求項１０に記載の斜め巻きばね用線材。
  12. 　前記硬質層上に、金層、銀層またはスズ層が、前記斜め巻きばね用線材の外周面を含むように配置されている、請求項１～請求項１１のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材。
  13. 　請求項１～１２のいずれか１項に記載の斜め巻きばね用線材からなる、斜め巻きばね。
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