JP7012195B2 - 弁ばね - Google Patents

Description

本開示は、ばねに関し、さらに詳しくは、内燃機関等に使用される弁の動きを調整するために利用される弁ばねに関する。

自動車又は一般機械では、多くのばねが利用されている。自動車や一般機械に使用されるばねのうち、弁ばねは、自動車や一般機械の機器内の弁の開閉を調整する役割を有する。弁ばねはたとえば、自動車の内燃機関（エンジン）の給排気弁の開閉制御に使用される。

弁の開閉を調整するために、弁ばねは、１分間に数千回もの伸縮を繰り返す。したがって、弁ばねには、高い疲労限度が求められる。そこで、弁ばねでは通常、窒化処理を実施することにより、疲労限度を高めている。弁ばねの製造方法の一例は次のとおりである。鋼線に対して調質処理（焼入れ処理及び焼戻し処理）を実施する。調質処理後の鋼線に対して冷間コイリングを実施して、コイル状の中間鋼材を形成する。中間鋼材に対して歪取り焼鈍処理を実施した後、窒化処理を実施する。窒化処理後、必要に応じてショットピーニングを実施して、表層に圧縮残留応力を付与する。以上の工程により、疲労限度を高めた弁ばねが製造される。

最近では、弁ばねの疲労限度のさらなる向上が求められている。

ばねの疲労限度の向上に関する技術が、特開平２－５７６３７号公報（特許文献１）、特開２０１０－１６３６８９号公報（特許文献２）、特開２００７－３０２９５０号公報（特許文献３）、及び、特開２００６－１８３１３７号公報（特許文献４）に開示されている。

特許文献１に開示された高疲労限度ばね用鋼線は、重量％で、Ｃ：０．３～１．３％、Ｓｉ：０．８～２．５％、Ｍｎ：０．５～２．０％、Ｃｒ：０．５～２．０％を含有し、任意元素として、Ｍｏ：０．１～０．５％、Ｖ：０．０５～０．５％、Ｔｉ：０．００２～０．０５％、Ｎｂ：０．００５～０．２％、Ｂ：０．０００３～０．０１％、Ｃｕ：０．１～２．０％、Ａｌ：０．０１～０．１％、及び、Ｎ：０．０１～０．０５％の１種又は２種以上を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物からなる鋼について、オーステナイト化処理後２５０～５００℃に３秒～３０分保定した後空冷又は急冷することにより製造され、降伏比を０．８５以下とする。この文献では、ばねの疲労限度はばねの降伏強度に依存し、ばねの降伏強度が高いほど、ばねの疲労限度も高まるという知見に基づいて（特許文献１の第２ページ右上欄第１行～第５行参照）、上述の構成を有する高疲労限度ばね用鋼線を提案している。

特許文献２に開示されたばねは、焼戻しマルテンサイト組織を有するオイルテンパー線を用いて製造されており、オイルテンパー線は、質量％でＣ：０．５０～０．７５％、Ｓｉ：１．５０～２．５０％、Ｍｎ：０．２０～１．００％、Ｃｒ：０．７０～２．２０％、Ｖ：０．０５～０．５０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる。このオイルテンパー線に、４５０℃で２時間のガス軟窒化処理を行った場合、オイルテンパー線の線表面部に形成される窒化層の格子定数は２．８８１～２．８９０Åとなる。また、このオイルテンパー線に、４５０℃で２時間の加熱を行った場合、引張強度が１９７４ＭＰａ以上、降伏応力が１７６９ＭＰａ以上、絞り値が４０％超、となる。この文献では、窒化処理されて製造されるばねの素材となるオイルテンパー線を規定している。窒化処理によりばねを製造する場合、窒化処理の時間が長くなるにしたがって、ばねの鋼材の降伏強度及び引張強度が低下する。この場合、鋼材内部の硬さが低下してしまい、疲労限度が低下する。そこで、特許文献２では、窒化処理の処理時間が長くなっても、鋼材の降伏強度が低下しないオイルテンパー線を用いることにより、疲労限度の高いばねを製造できる、と記載されている（特許文献２の段落［００２５］及び［００２６］参照）。

特許文献３に開示された高強度ばね用鋼線は、Ｃ：０．５～０．７％、Ｓｉ：１．５～２．５％、Ｍｎ：０．２～１．０％、Ｃｒ：１．０～３．０％、Ｖ：０．０５～０．５％を含有し、Ａｌ：０．００５％以下（０％を含まない）に抑制し、残部がＦｅ及び不可避不純物である化学組成を有する。鋼線中において、円相当直径で１０～１００ｎｍの球状セメンタイトが３０個／μｍ^２以上であり、かつ、セメンタイト中におけるＣｒ濃度が質量％で２０％以上であり、Ｖ濃度が２％以上である。この文献では、疲労限度及び耐へたり性の向上には、鋼線の高強度化が有効であると記載されている（特許文献３の段落［０００３］参照）。そして、円相当径が１０～１００ｎｍの微細な球状セメンタイトの個数を３０個／μｍ^２以上とし、かつ、セメンタイト中におけるＣｒ濃度を質量％で２０％以上とし、Ｖ濃度を２％以上とすることにより、製造工程中の歪取り焼鈍処理や窒化処理といった熱処理時においても、セメンタイトの分解及び消失を抑制でき、鋼線の強度を維持することができる、と記載されている（段落［００１１］）。

特許文献４に開示された、ばねの素材となる鋼線は、質量％で、Ｃ：０．４５～０．７％、Ｓｉ：１．０～３．０％、Ｍｎ：０．１～２．０％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｎ：０．０００５～０．００７％、ｔ－Ｏ：０．０００２～０．０１％、及び、残部が鉄及び不可避不純物からなり、引張強度が２０００ＭＰａ以上であり、検鏡面において、円相当径が０．２μｍ以上のセメンタイト系球状炭化物及び合金系炭化物の占有面積率が７％以下であり、円相当径０．２～３μｍのセメンタイト系球状炭化物及び合金系炭化物の存在密度が１個／μｍ^２以下であり、円相当径３μｍ超のセメンタイト系球状炭化物及び合金系炭化物の存在密度が０．００１個／μｍ^２以下であり、旧オーステナイト粒度番号が１０番以上であり、残留オーステナイトが１５ｍａｓｓ％以下であり、円相当径が２μｍ以上のセメンタイト系球状炭化物の存在密度が小さい希薄域の面積率が３％以下である。この文献では、さらなる疲労、へたり等のばね性能向上のためにはさらなる高強度化が必要であると記載されている。この文献ではさらに、ミクロ組織の制御とセメンタイト系の微細炭化物の分布を制御することにより、ばねの高強度化が実現し、疲労やへたり等のばね性能が向上すると記載されている（特許文献４の段落［０００９］及び［００２１］参照）。

特開平２－５７６３７号公報 特開２０１０－１６３６８９号公報 特開２００７－３０２９５０号公報 特開２００６－１８３１３７号公報

上述の特許文献１～４に記載の技術では、いずれも、ばねの素材となる鋼材の強度（硬さ）を高めることにより、疲労限度やへたり等のばね特性を高める技術思想を採用する。しかしながら、他の技術思想により、ばねの疲労限度を高めてもよい。

本開示の目的は、優れた疲労限度を有する弁ばねを提供することである。

本開示による弁ばねは、
表層に形成されている窒化層と、
前記窒化層よりも内部の芯部とを備え、
前記芯部の化学組成は、質量％で、
Ｃ：０．５３～０．５９％、
Ｓｉ：２．５１～２．９０％、
Ｍｎ：０．７０～０．８５％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０２０％以下、
Ｃｒ：１．４０～１．７０％、
Ｍｏ：０．１７～０．５３％、
Ｖ：０．２３～０．３３％、
Ｃａ：０．０００１～０．００５０％、
Ｃｕ：０．０５０％以下、
Ｎｉ：０．０５０％以下、
Ａｌ：０．００５０％以下、
Ｔｉ：０．０５０％以下、
Ｎ：０．００７０％以下、
Ｎｂ：０～０．０２０％、及び、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
前記芯部において、最大径が２～１０ｎｍであるＶ系析出物の数密度が５００～８０００個／μｍ^２であり、
前記芯部中の介在物のうち、
質量％でＯ含有量が１０．０％以上の介在物を酸化物系介在物と定義し、
質量％でＳ含有量が１０．０％以上であり、かつ、前記Ｏ含有量が１０．０％未満の介在物を硫化物系介在物と定義し、
前記硫化物系介在物のうち、質量％でＣａ含有量が１０．０％以上であり、かつ、前記Ｓ含有量が１０．０％以上であり、かつ、前記Ｏ含有量が１０．０％未満の介在物をＣａ硫化物と定義したとき、
前記芯部において、前記酸化物系介在物及び前記硫化物系介在物の総個数に対する前記Ｃａ硫化物の個数割合が０．２０％以下である。

本開示による弁ばねは、優れた疲労限度を有する。

図１Ａは、薄膜試料のフェライトの（００１）面でのＴＥＭ画像の一例である。 図１Ｂは、薄膜試料のフェライトの（００１）面でのＴＥＭ画像の模式図である。 図２は、本実施形態の化学組成を有する弁ばねにおける、Ｃａ硫化物個数割合Ｒｃａと、１０^８回の繰返し回数における疲労限度（高サイクル疲労限度）との関係を示す図である。 図３は、本実施形態の弁ばねの製造工程を示すフロー図である。

本発明者らは、疲労限度に優れた弁ばねの検討を行った。本発明者らは初めに、上述の先行文献に開示されたばねを構成する鋼材と同様に、鋼材の強度及び硬さを高めることにより、弁ばねの疲労限度を高めることを考えた。具体的には、本発明者らは、セメンタイトを微細化することにより、鋼材の強度及び硬さを高めて、弁ばねの疲労限度を高めることを検討した。その結果、特許文献３又は特許文献４に記載のとおり、セメンタイトを微細化するほど、鋼材の強度及び硬さを高めることができた。したがって、セメンタイトを微細化することにより、弁ばねの疲労限度も高まると思われた。

しかしながら、鋼材の強度及び硬さを高めれば、冷間コイリングが困難になり、弁ばねを製造するのが困難となる。したがって、セメンタイトの微細化により鋼材の強度及び硬さを高め、ばねの疲労限度を高めるアプローチには限界があると考えた。

そこで、本発明者らは、鋼材の強度及び硬さを高めることにより弁ばねの疲労限度を高める技術思想とは異なる技術思想で、弁ばねの疲労限度を高めることを考えた。特許文献１～４にも記載されているとおり、従前のばねの技術では、鋼材の強度及び硬さがばねの疲労限度と正の相関を有すると考えられてきた。このように、鋼材の強度及び硬さと疲労限度とが正の相関を有することがばね技術での技術常識であった。そのため、従前では、非常に時間の掛かる疲労試験に代替して、短時間で完了する引張試験により得られる鋼材の強度、又は、短時間で完了する硬さ試験により得られた鋼材の硬さにより、疲労限度を予測していた。つまり、時間の掛かる疲労試験を実施せずに、時間の掛からない引張試験又は硬さ試験の結果により、弁ばねの疲労限度を予測していた。

しかしながら、本発明者らは鋼材の強度及び硬さと、疲労限度とは、必ずしも相関しないと考えた。そこで、鋼材の強度及び硬さを高めることにより弁ばねの疲労限度を高めるのではなく、他の技術思想により弁ばねの疲労限度を高めることを検討した。

ここで、本発明者らは、Ｖ炭化物、Ｖ炭窒化物に代表される、Ｖ系析出物に注目した。本明細書においてＶ系析出物とは、Ｖを含有し、又は、Ｖ及びＣｒを含有する析出物を意味する。本発明者らは、鋼材の強度を高めることにより弁ばねの疲労限度を高めるという従来の技術思想ではなく、ナノサイズの微細なＶ系析出物を多数生成することにより弁ばねの疲労限度を高めることを考えた。そこで、ナノサイズのＶ系析出物を活用して疲労限度を高めるための弁ばねの化学組成として、本発明者らは、質量％で、Ｃ：０．５３～０．５９％、Ｓｉ：２．５１～２．９０％、Ｍｎ：０．７０～０．８５％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：１．４０～１．７０％、Ｍｏ：０．１７～０．５３％、Ｖ：０．２３～０．３３％、Ｃｕ：０．０５０％以下、Ｎｉ：０．０５０％以下、Ａｌ：０．００５０％以下、Ｔｉ：０．０５０％以下、Ｎ：０．００７０％以下、Ｎｂ：０～０．０２０％、及び、残部がＦｅ及び不純物からなる化学組成が適切と考えた。そして、上述の化学組成を有する鋼材に対して、焼入れ処理後に種々の熱処理温度での熱処理を実施して弁ばねを製造した。そして、弁ばねの疲労限度と、弁ばねの芯部硬さに対する疲労限度の比である疲労限度比とを調査した。

調査の結果、上記化学組成を有する弁ばねにおいて、本発明者らは次の新たな知見を得た。従前の弁ばねの製造工程では、調質処理工程後の熱処理（歪取り焼鈍処理工程等）では、窒化処理の窒化温度よりも低い温度で熱処理を実施している。これは、従前の弁ばねの製造工程が、鋼材の強度及び硬さを高く維持することにより疲労限度を高める、という技術思想に基づくためである。窒化処理を実施する場合、窒化温度までの加熱は必要となる。そのため、従来の製造工程では、窒化処理以外の他の熱処理工程の熱処理温度は、なるべく、窒化温度未満として、弁ばねの強度の低下を抑えていた。

しかしながら、本実施形態の弁ばねでは、弁ばねを構成する鋼材の強度を高めることにより疲労限度を高めるという技術思想ではなく、ナノサイズの微細なＶ系析出物を多数生成することにより疲労限度を高める技術思想を採用する。そのため、製造工程中において、５４０～６５０℃の熱処理温度で熱処理を実施してナノサイズの微細なＶ系析出物を多数析出させれば、たとえＶ系析出物を析出させるための熱処理温度が窒化温度よりも高く、その結果、弁ばねの芯部の強度が低下しても（つまり、弁ばねの芯部硬さが低くても）、優れた疲労限度が得られ、弁ばねの芯部硬さに対する疲労限度の比である疲労限度比も高くなることが、本発明者らの調査及び検討で判明した。より具体的には、最大径が２～１０ｎｍのＶ系析出物の数密度が５００個／μｍ^２以上であれば、弁ばねにおいて十分な疲労限度が得られることが、本発明者らの調査及び検討で判明した。

ところで、弁ばねは、１分間に数千回もの圧縮を繰り返し、その圧縮頻度は、ダンパーばねよりも遥かに多い。そのため、弁ばねは、ダンパーばねと比較して、さらに高い疲労限度が求められる。具体的には、ダンパーばねでは、１０^７回の繰返し回数において、高い疲労限度が求められるのに対して、弁ばねでは、１０^８回の繰返し回数において、高い疲労限度が求められる。以下、１０^８回の繰返し回数における疲労限度を高サイクル疲労限度という。

発明者らは、弁ばねの高サイクル疲労限度を高めるために、上述のＶ系析出物の数密度だけでなく、介在物にも注目した。そして、介在物と高サイクル疲労限度との関係について調査及び検討した。その結果、介在物のうち特に、Ｃａ硫化物が高サイクル疲労限度に影響することが判明した。

弁ばねの芯部の介在物のうち、質量％でＯ含有量が１０．０％以上の介在物を酸化物系介在物と定義する。質量％でＳ含有量が１０．０％以上であり、かつ、Ｏ含有量が１０．０％未満の介在物を硫化物系介在物と定義する。硫化物系介在物のうち、質量％でＣａ含有量が１０．０％以上であり、かつ、Ｓ含有量が１０．０％以上であり、かつ、Ｏ含有量が１０．０％未満の介在物をＣａ硫化物と定義する。Ｃａ硫化物は、硫化物系介在物の一種である。弁ばねの芯部において、酸化物系介在物及び硫化物系介在物の総個数に対するＣａ硫化物の個数割合が低い場合、特に、高サイクル（１０^８サイクル）での疲労限度が高まる。

この理由としては、次の事項が考えられる。弁ばねの芯部において、酸化物系介在物及び硫化物系介在物の総個数に対するＣａ硫化物の個数割合が低い場合、Ｃａが酸化物系介在物、及び、Ｃａ硫化物以外の硫化物系介在物に十分固溶している。この場合、酸化物系介在物及び硫化物系介在物が十分に軟質化しており、かつ、微細化されている。そのため、酸化物系介在物や硫化物系介在物を起点とした割れが発生しにくくなり、高サイクル（１０^８サイクル）での疲労限度が高まると考えられる。

そこで、本発明者らは、介在物のうち、酸化物系介在物及び硫化物系介在物の総個数に対するＣａ硫化物の個数割合に着目して、Ｃａ硫化物の個数割合と、高サイクル疲労限度との関係について調査を行った。その結果、酸化物系介在物及び硫化物系介在物の総個数に対する、Ｃａ硫化物の個数割合が０．２０％以下であれば、優れた高サイクル疲労限度が得られることが判明した。

以上のとおり、本実施形態の弁ばねは、従来のような、強度及び硬さと疲労限度とが正の相関を有することに基づく技術思想ではなく、従来とは全く異なる技術思想により導き出されたものであり、次の構成を有する。

［１］
表層に形成されている窒化層と、
前記窒化層よりも内部の芯部とを備え、
前記芯部の化学組成は、質量％で、
Ｃ：０．５３～０．５９％、
Ｓｉ：２．５１～２．９０％、
Ｍｎ：０．７０～０．８５％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０２０％以下、
Ｃｒ：１．４０～１．７０％、
Ｍｏ：０．１７～０．５３％、
Ｖ：０．２３～０．３３％、
Ｃａ：０．０００１～０．００５０％、
Ｃｕ：０．０５０％以下、
Ｎｉ：０．０５０％以下、
Ａｌ：０．００５０％以下、
Ｔｉ：０．０５０％以下、
Ｎ：０．００７０％以下、
Ｎｂ：０～０．０２０％、及び、
残部がＦｅ及び不純物からなり、
前記芯部において、最大径が２～１０ｎｍであるＶ系析出物の数密度が５００～８０００個／μｍ^２であり、
前記芯部中の介在物のうち、
質量％でＯ含有量が１０．０％以上の介在物を酸化物系介在物と定義し、
質量％でＳ含有量が１０．０％以上であり、かつ、前記Ｏ含有量が１０．０％未満の介在物を硫化物系介在物と定義し、
前記硫化物系介在物のうち、質量％でＣａ含有量が１０．０％以上であり、かつ、前記Ｓ含有量が１０．０％以上であり、かつ、前記Ｏ含有量が１０．０％未満の介在物をＣａ硫化物と定義したとき、
前記芯部において、前記酸化物系介在物及び前記硫化物系介在物の総個数に対する前記Ｃａ硫化物の個数割合が０．２０％以下である、
弁ばね。

ここで、Ｖ系析出物とは、上述のとおり、Ｖを含有する炭化物又は炭窒化物、又は、Ｖ及びＣｒを含有する炭化物又は炭窒化物である。Ｖ系析出物は、上述の炭化物又は炭窒化物と他の１種以上の元素とを含有する複合析出物であってもよい。Ｖ系析出物はフェライトの｛００１｝面上に沿って板状に析出する。そのため、Ｖ系析出物は、フェライトの（００１）面のＴＥＭ画像において、［１００］方位又は［０１０］方位に平行に直線状に延びた線分（エッジ部分）として観察される。そのため、フェライトの（００１）面のＴＥＭ画像を観察することにより、Ｖ系析出物をＦｅ系炭化物（セメンタイト）等の他の析出物と容易に区別でき、Ｖ系析出物を特定できる。つまり、本明細書において、フェライトの（００１）面のＴＥＭ画像内において、［１００］方位又は［０１０］方位に延びる線分を、Ｖ系析出物と定義する。

［２］
［１］に記載の弁ばねであって、
前記芯部の前記化学組成において、
Ｎｂ含有量は０．００５～０．０２０％である、
弁ばね。

以下、本実施形態の弁ばねについて詳述する。元素に関する「％」は、特に断りがない限り、質量％を意味する。

［本実施形態の弁ばねの構成］
本実施形態の弁ばねは、コイル状である。弁ばねの線径、コイル平均径、コイル内径、コイル外径、自由高さ、有効巻数、総巻数、巻方向、ピッチは特に限定されない。弁ばねは、窒化層と、芯部とを備える。窒化層は弁ばねの表層に形成されている。窒化層は、化合物層と、化合物層よりも内部に形成される拡散層とを含む。窒化層は、化合物層を含まなくてもよい。なお、窒化処理された鋼材において表層に窒化層が形成されることは周知の技術事項である。

芯部は、窒化層よりも内部の母材部分であって、後述の窒化処理による窒素の拡散の影響を実質的に受けていない部分である。弁ばねにおける窒化層及び芯部は、ミクロ組織観察により区別可能である。

［芯部の化学組成］
本実施形態の弁ばねの化学組成は、次の元素を含有する。

Ｃ：０．５３～０．５９％
炭素（Ｃ）は弁ばねの疲労限度を高める。Ｃ含有量が０．５３％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、十分な疲労限度が得られない。一方、Ｃ含有量が０．５９％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大なセメンタイトが生成する。この場合、弁ばねの素材となる鋼材の延性が低下する。さらに、弁ばねの疲労限度が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．５３～０．５９％である。Ｃ含有量の好ましい下限は０．５４％であり、さらに好ましくは０．５５％である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．５８％であり、さらに好ましくは０．５７％である。

Ｓｉ：２．５１～２．９０％
シリコン（Ｓｉ）は弁ばねの疲労限度を高め、さらに、弁ばねの耐へたり性を高める。Ｓｉはさらに、鋼を脱酸する。Ｓｉはさらに、鋼材の焼戻し軟化抵抗を高める。そのため、弁ばねの製造工程において調質処理（焼入れ処理及び焼戻し処理）を実施した後であっても、弁ばねの強度を高く維持できる。Ｓｉ含有量が２．５１％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｓｉ含有量が２．９０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、弁ばねの素材となる鋼材の延性が低下する。さらに、弁ばねの疲労限度が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は２．５１～２．９０％である。Ｓｉ含有量の好ましい下限は２．５３％であり、さらに好ましくは２．５５％であり、さらに好ましくは２．６０％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は２．８５％であり、さらに好ましくは２．８２％であり、さらに好ましくは２．８０％であり、さらに好ましくは２．７８％である。

Ｍｎ：０．７０～０．８５％
マンガン（Ｍｎ）は鋼の焼入れ性を高め、弁ばねの疲労限度を高める。Ｍｎ含有量が０．７０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｍｎ含有量が０．８５％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、弁ばねの製造工程中において、弁ばねの素材となる鋼材の強度が過剰に高くなり、鋼材の加工性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は０．７０～０．８５％である。Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．７２％であり、さらに好ましくは０．７３％であり、さらに好ましくは０．７４％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は０．８３％であり、さらに好ましくは０．８１％であり、さらに好ましくは０．８０％である。

Ｐ：０．０２０％以下
リン（Ｐ）は不可避に含有される不純物である。つまり、Ｐ含有量は０％超である。Ｐは粒界に偏析して弁ばねの疲労限度を低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０２０％以下である。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０１８％であり、さらに好ましくは０．０１６％である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｐ含有量の過剰な低減は製造コストを引き上げる。したがって、通常の工業生産を考慮すれば、Ｐ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。

Ｓ：０．０２０％以下
硫黄（Ｓ）は不可避に含有される不純物である。つまり、Ｓ含有量は０％超である。ＳはＰと同様に粒界に偏析したり、Ｍｎ硫化物及び／又はＣａ硫化物等の硫化物系介在物を形成したりして、弁ばねの疲労限度を低下する。したがって、Ｓ含有量は０．０２０％以下である。Ｓ含有量の好ましい上限は０．０１８％であり、さらに好ましくは０．０１６％であり、さらに好ましくは０．０１４％であり、さらに好ましくは０．０１２％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｓ含有量の過剰な低減は製造コストを引き上げる。したがって、通常の工業生産を考慮すれば、Ｓ含有量の好ましい下限は０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。

Ｃｒ：１．４０～１．７０％
クロム（Ｃｒ）は鋼材の焼入れ性を高める。Ｃｒはさらに、Ｖ及びＭｏと複合して含有されることにより、Ｖ系析出物の生成を促進する。そのため、Ｃｒは、弁ばねの疲労限度を高める。Ｃｒ含有量が１．４０％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｃｒ含有量が１．７０％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、粗大なＣｒ炭化物が過剰に生成して、弁ばねの疲労限度を低下する。したがって、Ｃｒ含有量は１．４０～１．７０％である。Ｃｒ含有量の好ましい下限は１．４５％であり、さらに好ましくは１．４８％であり、さらに好ましくは１．５０％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は１．６５％であり、さらに好ましくは１．６３％であり、さらに好ましくは１．６０％である。

Ｍｏ：０．１７～０．５３％
モリブデン（Ｍｏ）は、鋼材の焼入れ性を高める。Ｍｏはさらに、Ｖ及びＣｒと複合して含有されることにより、Ｖ系析出物の生成を促進する。そのため、Ｍｏは、弁ばねの疲労限度を高める。Ｍｏはさらに、鋼材の焼戻し軟化抵抗を高める。そのため、Ｍｏは、弁ばねの製造工程において調質処理（焼入れ処理及び焼戻し処理）を実施した後であっても、弁ばねの強度を高く維持できる。Ｍｏ含有量が０．１７％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｍｏ含有量が０．５３％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、弁ばねの製造工程中において、弁ばねの素材となる鋼材の強度が過剰に高くなり、鋼材の加工性が低下する。したがって、Ｍｏ含有量は０．１７～０．５３％である。Ｍｏ含有量の好ましい下限は０．２０％であり、さらに好ましくは０．２３％であり、さらに好ましくは０．２５％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は０．５０％であり、さらに好ましくは０．４７％であり、さらに好ましくは０．４５％であり、さらに好ましくは０．４０％であり、さらに好ましくは０．３５％である。

Ｖ：０．２３～０．３３％
バナジウム（Ｖ）は、Ｃ及び／又はＮと結合して微細なＶ系析出物を形成し、弁ばねの疲労限度を高める。Ｖ含有量が０．２３％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、上記効果が十分に得られない。一方、Ｖ含有量が０．３３％を超えれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、Ｖ系析出物が粗大化して、最大径が１０ｎｍを超えるＶ系析出物が多数生成する。この場合、弁ばねの疲労限度がかえって低下する。したがって、Ｖ含有量は０．２３～０．３３％である。Ｖ含有量の好ましい下限は０．２４％であり、さらに好ましくは０．２５％であり、さらに好ましくは０．２６％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．３２％であり、さらに好ましくは０．３１％であり、さらに好ましくは０．３０％である。

Ｃａ：０．０００１～０．００５０％
カルシウム（Ｃａ）は、酸化物系介在物及び硫化物系介在物に含有されて、これらの介在物を軟質化する。軟質化された酸化物系介在物及び硫化物系介在物は、熱間圧延時に伸長して分断され、微細化される。そのため、弁ばねの疲労限度が高まり、特に、高サイクル疲労限度が高まる。Ｃａ含有量が０．０００１％未満であれば、他の元素含有量が本実施形態の範囲内であっても、これらの効果が得られない。一方、Ｃａ含有量が０．００５０％を超えれば、粗大なＣａ硫化物及び粗大な酸化物系介在物（Ｃａ酸化物）が形成される。この場合、弁ばねの疲労限度が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０．０００１～０．００５０％である。Ｃａ含有量の好ましい下限は０．０００２％であり、さらに好ましくは０．０００３％であり、さらに好ましくは０．０００４％であり、さらに好ましくは０．０００５％である。Ｃａ含有量の好ましい上限は０．００４８％であり、さらに好ましくは０．００４６％であり、さらに好ましくは０．００４４％であり、さらに好ましくは０．００４０％であり、さらに好ましくは０．００３５％であり、さらに好ましくは０．００３０％であり、さらに好ましくは０．００２５％であり、さらに好ましくは０．００２０％である。

Ｃｕ：０．０５０％以下
銅（Ｃｕ）は不純物である。Ｃｕは弁ばねの製造工程中において、弁ばね用鋼材の加工性を低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０．０５０％以下である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は０．０４５％であり、さらに好ましくは０．０４３％であり、さらに好ましくは０．０４０％であり、さらに好ましくは０．０３５％であり、さらに好ましくは０．０３０％であり、さらに好ましくは０．０２５％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。Ｃｕ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｃｕ含有量の過剰な低減は製造コストを引き上げる。したがって、Ｃｕ含有量の好ましい下限は０％超であり、更に好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。

Ｎｉ：０．０５０％以下
ニッケル（Ｎｉ）は不純物である。Ｎｉは弁ばねの製造工程中において、弁ばねの素材となる鋼材の加工性を低下する。したがって、Ｎｉ含有量は０．０５０％以下である。Ｎｉ含有量の好ましい上限は０．０４５％であり、さらに好ましくは０．０４３％であり、さらに好ましくは０．０４０％であり、さらに好ましくは０．０３５％である。Ｎｉ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｎｉ含有量の過剰な低減は製造コストを引き上げる。したがって、Ｎｉ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。

Ａｌ：０．００５０％以下
アルミニウム（Ａｌ）は不純物である。Ａｌは粗大な酸化物系介在物を形成して、弁ばねの疲労限度を低下する。したがって、Ａｌ含有量は０．００５０％以下である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．００４５％であり、さらに好ましくは０．００４３％であり、さらに好ましくは０．００４０％であり、さらに好ましくは０．００３５％であり、さらに好ましくは０．００３０％であり、さらに好ましくは０．００２５％であり、さらに好ましくは０．００２０％であり、さらに好ましくは０．００１５％である。Ａｌ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ａｌ含有量の過剰な低減は製造コストを引き上げる。したがって、Ａｌ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％である。

Ｔｉ：０．０５０％以下
チタン（Ｔｉ）は不純物である。Ｔｉは粗大なＴｉＮを形成する。ＴｉＮは破壊の起点となりやすく、弁ばねの疲労限度を低下する。したがって、Ｔｉ含有量は０．０５０％以下である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．０４５％であり、さらに好ましくは０．０４３％であり、さらに好ましくは０．０４０％であり、さらに好ましくは０．０３５％であり、さらに好ましくは０．０３０％であり、さらに好ましくは０．０２５％であり、さらに好ましくは０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ｔｉ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｔｉ含有量の過剰な低減は製造コストを引き上げる。したがって、Ｔｉ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００１％である。

Ｎ：０．００７０％以下
窒素（Ｎ）は不純物である。Ｎは、ＡｌやＴｉと結合してＡｌＮやＴｉＮを形成し、弁ばねの疲労限度を低下する。したがって、Ｎ含有量は０．００７０％以下である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．００６０％であり、さらに好ましくは０．００５５％であり、さらに好ましくは０．００５０％である。Ｎ含有量はなるべく低い方が好ましい。しかしながら、Ｎ含有量の過剰な低減は製造コストを引き上げる。したがって、Ｎ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００５％である。

本実施形態による弁ばねの芯部の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここで、不純物とは、弁ばねの素材となる鋼材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は製造環境などから混入されるものであって、本実施形態の弁ばねに悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。

［任意元素（ｏｐｔｉｏｎａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ）について］
本実施形態による弁ばねの芯部の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、Ｎｂを含有してもよい。

Ｎｂ：０～０．０２０％
ニオブ（Ｎｂ）は任意元素であり、含有されなくてもよい。つまり、Ｎｂは０％であってもよい。含有される場合、ＮｂはＣ及び／又はＮと結合して炭化物、窒化物、又は炭窒化物（以下、Ｎｂ炭窒化物等という）を生成する。Ｎｂ炭窒化物等は、オーステナイト結晶粒を微細化し、弁ばねの疲労限度を高める。Ｎｂが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。しかしながら、Ｎｂ含有量が０．０２０％を超えれば、粗大なＮｂ炭窒化物等が生成して弁ばねの疲労限度が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は０～０．０２０％である。Ｎｂ含有量の好ましい下限は０％超であり、さらに好ましくは０．００３％であり、さらに好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．０１８％であり、さらに好ましくは０．０１７％であり、さらに好ましくは０．０１６％である。

［弁ばね中のＶ系析出物の数密度］
本実施形態の弁ばねでは、芯部において、最大径が２～１０ｎｍであるＶ系析出物の数密度が５００～８０００個／μｍ^２である。本明細書において、Ｖ系析出物の数密度とは、弁ばねの芯部から採取した厚さ１００ｎｍの薄膜試料を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて観察した場合における、観察面における、単位面積（１μｍ^２）あたりのＶ系析出物の個数を意味する。

本明細書において、Ｖ系析出物とは、Ｖ、又は、Ｖ及びＣｒを含有する析出物である。Ｖ又はＶ及びＣｒを含有する炭化物をＶ炭化物と定義し、Ｖ又はＶ及びＣｒを含有する炭窒化物をＶ炭窒化物と定義する。Ｖ系析出物はたとえば、Ｖ炭化物又はＶ炭窒化物である。Ｖ系析出物は、Ｖ炭化物、及び、Ｖ炭窒化物のいずれかと他の１種以上の元素とを含有する複合析出物であってもよい。上述のとおり、Ｖ系析出物は、Ｃｒを含有しなくてもよい。Ｖ系析出物はフェライトの｛００１｝面上に沿って板状に析出する。そのため、Ｖ系析出物は、フェライトの（００１）面のＴＥＭ画像において、［１００］方位又は［０１０］方位に平行に直線状に延びた線分（エッジ部分）として観察される。そのため、フェライトの（００１）面のＴＥＭ画像を観察することにより、Ｖ系析出物をＦｅ系炭化物（セメンタイト等）等の他の析出物と容易に区別でき、Ｖ系析出物を特定できる。

本実施形態の弁ばねでは、最大径が２～１０ｎｍのナノサイズのＶ系析出物を多数析出することにより、疲労限度を高める。最大径が２～１０ｎｍのＶ系析出物の数密度が５００個／μｍ^２未満であれば、弁ばねにおいて十分な疲労限度が得られない。最大径が２～１０ｎｍのＶ系析出物の数密度が５００個／μｍ^２以上であれば、弁ばねにおいて疲労限度及び疲労限度比が顕著に高まる。最大径が２～１０ｎｍのＶ系析出物の数密度の好ましい下限は６００個／μｍ^２であり、さらに好ましくは７００個／μｍ^２であり、さらに好ましくは８００個／μｍ^２である。最大径が２～１０ｎｍのＶ系析出物の数密度の上限は７５００個／μｍ^２であってもよいし、７０００個／μｍ^２であってもよい。

なお、最大径が２～１０ｎｍのＶ系析出物の数密度の上限は特に限定されない。しかしながら、上述の化学組成の場合、最大径が２～１０ｎｍのＶ系析出物の数密度の上限は８０００個／μｍ^２である。

本実施形態による弁ばねにおける、最大径が２～１０ｎｍのＶ系析出物の数密度は次の方法で求めることができる。本実施形態による弁ばねの線径方向に切断して、線径方向の表面（断面）を有し、厚さが０．５ｍｍの円板を採取する。エメリー紙を用いて円板の両側から研削研磨を行い、円板の厚さを５０μｍとする。その後、円板の弁ばねの芯部に相当する部分（たとえば、円板中央部分）から、直径３ｍｍのサンプルを採取する。サンプルを１０％過塩素酸－氷酢酸溶液中に浸漬して、電解研磨を実施して、厚さ１００ｎｍの薄膜試料を作製する。

作製された薄膜試料を、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察する。具体的には、初めに、薄膜試料に対して菊池線を解析して、薄膜試料の結晶方位を特定する。次に、特定した結晶方位に基づいて薄膜試料を傾斜させて、フェライト（体心立方格子）の（００１）面を観察できるように、薄膜試料を設定する。具体的には、ＴＥＭに薄膜試料を挿入し、菊池線を観察する。菊池線のフェライトの［００１］方向が電子線の入射方向と一致するように、薄膜試料の傾斜を調整する。調整後、実像を観察すると、フェライトの（００１）面の垂直方向からの観察となる。設定後、薄膜試料の任意の４箇所の観察視野を特定し、観察倍率を２０００００倍とし、加速電圧を２００ｋＶとして各観察視野を観察する。観察視野は０．０９μｍ×０．０９μｍとする。

図１Ａは、薄膜試料のフェライトの（００１）面でのＴＥＭ画像の一例であり、図１Ｂは、薄膜試料のフェライトの（００１）面でのＴＥＭ画像の模式図である。図中の［１００］αと示された軸は、母相であるフェライトにおける［１００］方位を意味する。図中の［０１０］αと示された軸は、母相であるフェライトにおける［０１０］方位を意味する。Ｖ系析出物はフェライトの｛００１｝面上に沿って板状に析出する。（００１）面のフェライト粒内において、Ｖ系析出物は、［１００］方位、又は、［０１０］方位に直線状に延びた線分（エッジ部分）として観察される。ＴＥＭ画像において、析出物は、母相と比較して、明度の低い黒色のコントラストで示される。したがって、フェライトの（００１）面のＴＥＭ画像内において、［１００］方位又は［０１０］方位に延びる黒色の線分を、Ｖ系析出物とみなす。観察視野において特定されたＶ系析出物の線分の長さを測定し、測定された長さを、そのＶ系析出物の最大径（ｎｍ）と定義する。たとえば、図１Ａ及び図１Ｂ中の符号１０（黒色の線分）がＶ系析出物である。

上記測定により、４つの観察視野における、最大径が２～１０ｎｍのＶ系析出物の総個数を求める。求めたＶ系析出物の総個数と、４つの観察視野の総面積（０．０３２４μｍ^２）と基づいて、最大径が２～１０ｎｍのＶ系析出物の数密度（個／μｍ^２）を求める。

［弁ばねの芯部のミクロ組織］
弁ばねの芯部のミクロ組織は、マルテンサイト主体の組織である。ここで、ミクロ組織がマルテンサイト主体の組織である、とは、ミクロ組織において、マルテンサイトの面積率が９０．０％以上であることを意味する。なお、本明細書にいうマルテンサイトは、焼戻しマルテンサイトを意味する。弁ばねの芯部のミクロ組織において、マルテンサイト以外の相は、析出物、介在物、及び、残留オーステナイトである。

マルテンサイトの面積率は、次の方法により求めることができる。本実施形態による弁ばねを線径方向に切断して、試験片を採取する。採取した試験片の表面のうち、線径方向の断面に相当する表面を観察面とする。観察面を鏡面研磨した後、２％硝酸アルコール（ナイタール腐食液）を用いて観察面をエッチングする。エッチングされた観察面のうち、弁ばねの表面から中心までの線分（つまり半径Ｒ）の中央位置を、Ｒ／２位置と定義する。観察面のＲ／２位置を、５００倍の光学顕微鏡を用いて観察し、任意の５視野の写真画像を生成する。各視野のサイズは、１００μｍ×１００μｍとする。

各視野において、マルテンサイト、残留オーステナイト、析出物、介在物等の各相は、相ごとにコントラストが異なる。したがって、コントラストに基づいて、マルテンサイトを特定する。各視野でのマルテンサイトの総面積（μｍ^２）を求める。全ての視野の総面積（１００００μｍ^２×５）に対する、全ての視野におけるマルテンサイトの総面積の割合を、マルテンサイトの面積率（％）と定義する。

［Ｃａ硫化物個数割合］
本実施形態において、酸化物系介在物、硫化物系介在物、及びＣａ硫化物を次のとおり定義する。
酸化物系介在物：質量％でＯ含有量が１０．０％以上の介在物
硫化物系介在物：質量％でＳ含有量が１０．０％以上であり、かつ、Ｏ含有量が１０．０％未満の介在物
Ｃａ硫化物：硫化物系介在物のうち、質量％でＣａ含有量が１０．０％以上であり、かつ、Ｓ含有量が１０．０％以上であり、かつ、Ｏ含有量が１０．０％未満の介在物

酸化物系介在物はたとえば、ＳｉＯ_２、ＭｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯからなる群から選択される１種又は２種以上である。酸化物系介在物は、ＳｉＯ_２、ＭｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯからなる群から選択される１種又は２種以上と、他の合金元素とを含有する複合介在物であってもよい。硫化物系介在物はたとえば、ＭｎＳ、ＣａＳからなる群から選択される１種以上であり、さらに、ＭｎＳ及びＣａＳからなる群から選択される１種以上と、他の合金元素とを含有する複合介在物であってもよい。Ｃａ硫化物はたとえば、ＣａＳであり、ＣａＳに他の合金元素を含有する複合介在物であってもよい。

弁ばねの芯部において、酸化物系介在物及び硫化物系介在物の総個数に対するＣａ硫化物の個数割合をＣａ硫化物個数割合Ｒｃａ（％）と定義する。つまり、Ｒｃａは次の式で示される。
Ｒｃａ＝Ｃａ硫化物の個数／酸化物系介在物及び硫化物系介在物の総個数×１００ （１）

本実施形態では、弁ばねの芯部において、Ｃａ硫化物個数割合Ｒｃａは０．２０％以下である。ここで、弁ばねの芯部におけるＣａ硫化物個数割合Ｒｃａとは、弁ばねを線径方向で切断したときの断面（つまり、線径方向に平行な断面）の半径をＲｍｍとした場合、弁ばねの線径方向に平行な断面において、Ｒ／２位置でのＣａ硫化物個数割合Ｒｃａを意味する。ここで、Ｒ／２位置とは、半径Ｒの中央位置に相当する位置である。

図２は、本実施形態の化学組成を有する弁ばねにおける、Ｃａ硫化物個数割合Ｒｃａと、１０^８回の繰返し回数における疲労限度（高サイクル疲労限度）との関係を示す図である。図２を参照して、Ｃａ硫化物個数割合Ｒｃａが０．２０％超の場合、Ｃａ硫化物個数割合Ｒｃａが小さくなるにしたがって、高サイクル疲労限度は顕著に高まる。一方、Ｃａ硫化物個数割合Ｒｃａが０．２０％以下の場合、Ｃａ硫化物個数割合Ｒｃａを小さくしても、高サイクル疲労限度はそれほど大きくならず、ほぼ一定になる。つまり、図２において、Ｃａ硫化物個数割合Ｒｃａ＝０．２０％において変曲点が存在する。

以上のとおり、Ｃａ硫化物個数割合Ｒｃａが０．２０％を超えれば、１０^８回の繰返し回数における疲労限度（高サイクル疲労限度）が急速に低下する。Ｃａ硫化物個数割合Ｒｃａが０．２０％以下であれば、優れた高サイクル疲労限度が維持される。したがって、本実施形態の弁ばねにおいて、Ｃａ硫化物個数割合Ｒｃａは０．２０％以下である。Ｃａ硫化物個数割合Ｒｃａの好ましい上限は０．１９％であり、さらに好ましくは０．１８％である。なお、Ｃａ硫化物個数割合の下限は特に限定されないが、上述の化学組成の場合、Ｃａ硫化物個数割合の下限はたとえば０％であり、たとえば０．０１％である。

Ｃａ硫化物個数割合Ｒｃａは次の方法で測定する。本実施形態による弁ばねの線径方向に切断して、試験片を採取する。採取した試験片の表面のうち、弁ばねの線径方向の断面に相当する表面を、観察面とする。観察面を鏡面研磨する。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて１０００倍の倍率で、鏡面研磨した観察面のうち、Ｒ／２位置の任意の１０箇所の観察視野（各観察視野：１００μｍ×１００μｍ）を観察する。

各観察視野でのコントラストに基づいて、各観察視野中の介在物を特定する。特定した各介在物に対して、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）を用いて、酸化物系介在物、硫化物系介在物、及び、Ｃａ硫化物を特定する。具体的には、介在物のＥＤＳによる元素分析結果に基づいて、介在物のうち、質量％でＯ含有量が１０．０％以上の介在物を「酸化物系介在物」と特定する。介在物のうち、質量％でＳ含有量が１０．０％以上であり、かつ、Ｏ含有量が１０．０％未満の介在物を「硫化物系介在物」と特定する。さらに、特定された硫化物系介在物のうち、質量％でＣａ含有量が１０．０％以上であり、かつ、Ｓ含有量が１０．０％以上であり、かつ、Ｏ含有量が１０．０％未満の介在物を「Ｃａ硫化物」と特定する。

上記特定の対象とする介在物は、円相当径が０．５μｍ以上の介在物とする。ここで、円相当径とは、各介在物の面積を、同じ面積を有する円に換算した場合の円の直径を意味する。円相当径がＥＤＳのビーム径の２倍以上の介在物であれば、元素分析の精度が高まる。本実施形態において、介在物の特定に使用するＥＤＳのビーム径は０．２μｍとする。この場合、円相当径が０．５μｍ未満の介在物は、ＥＤＳでの元素分析の精度を高めることができない。円相当径０．５μｍ未満の介在物はさらに、弁ばねの疲労限度への影響が極めて小さい。したがって、本実施形態において、円相当径が０．５μｍ以上の介在物を、特定対象とする。酸化物系介在物、硫化物系介在物、及び、Ｃａ硫化物の円相当径の上限は特に限定されないが、たとえば、１００μｍである。

上記１０箇所の観察視野で特定された酸化物系介在物及び硫化物系介在物の総個数と、上記１０箇所の観察視野で特定されたＣａ硫化物の総個数とに基づいて、式（１）を用いて、Ｃａ硫化物個数割合Ｒｃａ（％）を求める。
Ｒｃａ＝Ｃａ硫化物の個数／酸化物系介在物及び硫化物系介在物の総個数×１００ （１）

以上のとおり、本実施形態の弁ばねは、芯部の化学組成中の各元素含有量が上述の本実施形態の範囲内であり、芯部において最大径が２～１０ｎｍであるＶ系析出物の数密度が５００～８０００個／μｍ^２であり、かつ、Ｃａ硫化物個数割合Ｒｃａが０．２０％以下である。そのため、本実施形態の弁ばねは、優れた疲労限度を有する。

［製造方法］
以下、本実施形態の弁ばねの製造方法の一例を説明する。なお、本実施形態の弁ばねは、上記構成を有すれば、製造方法は以下の製造方法に限定されない。ただし、以下に説明する製造方法は、本実施形態の弁ばねを製造する好適な一例である。

図３は、本実施形態の弁ばねの製造工程の一例を示すフロー図である。図３を参照して、本実施形態の弁ばねの製造方法は、線材準備工程（Ｓ１０）と、鋼線準備工程（Ｓ２０）と、弁ばね製造工程（Ｓ３０）とを備える。以下、各工程について説明する。

［線材準備工程（Ｓ１０）］
線材準備工程（Ｓ１０）は、素材準備工程（Ｓ１）と、熱間加工工程（Ｓ２）とを含む。線材準備工程（Ｓ１０）では、鋼線の素材となる線材を製造する。

［素材準備工程（Ｓ１）］
素材準備工程（Ｓ１）では、上述の化学組成を有する素材を製造する。ここでいう素材はブルーム、インゴットである。素材準備工程（Ｓ１）は、精錬工程と、鋳造工程とを含む。

［精錬工程］
精錬工程では、溶鋼の精錬及び溶鋼の成分調整を行う。精錬工程は一次精錬と二次精錬とを含む。一次精錬は転炉を用いた精錬であり周知の精錬である。二次精錬は取鍋を用いた精錬であり、周知の精錬である。二次精錬では、溶鋼に各種の合金鉄及び副原料（造滓剤）を添加する。一般に合金鉄及び副原料は、Ｃａを種々の形態で含んでいる。そのため、弁ばね中のＣａ含有量及びＣａ硫化物個数割合Ｒｃａを制御するためには、（Ａ）合金鉄に含まれるＣａ含有量の管理、及び、（Ｂ）副原料の添加のタイミング、が重要である。

［（Ａ）について］
上記（Ａ）に関して、合金鉄中のＣａ含有量は高い。そして、Ｓｉ脱酸した溶鋼の場合、溶鋼中でのＣａ歩留りが高い。そのため、二次精錬において、Ｃａ含有量が高い合金鉄を添加すれば、溶鋼中にＣａ硫化物が過剰に生成し、Ｃａ硫化物個数割合Ｒｃａが増加する。具体的には、二次精錬において、溶鋼に添加する合金鉄中のＣａ含有量が質量％で１．０％を超えれば、Ｃａ硫化物個数割合Ｒｃａが０．２０％を超えてしまう。したがって、二次精錬で溶鋼に添加する合金鉄中のＣａ含有量を１．０％以下とする。

［（Ｂ）について］
さらに、上記（Ｂ）に関して、副原料（造滓剤）を溶鋼に添加する。造滓剤は生石灰、ドロマイト、Ｃａ酸化物を含有するリサイクルスラグ等である。精錬工程の二次精錬で溶鋼に添加された造滓剤中のＣａは、Ｃａ酸化物として造滓剤中に含まれている。そのため、造滓剤中のＣａは、二次精錬中にスラグ中に取り込まれる。しかしながら、二次精錬末期に造滓剤を溶鋼に添加した場合、Ｃａが十分に浮上せず、スラグに取り込まれることなく溶鋼中に残存する。この場合、Ｃａ硫化物個数割合Ｒｃａが増加する。したがって、造滓剤は二次精錬の末期よりも前に溶鋼に添加する。ここで、「二次精錬の末期よりも前」とは、二次精錬の精錬時間をｔ（分）と定義した場合、少なくとも二次精錬を開始したときから４ｔ／５分経過するまでの時間を意味する。つまり、造滓剤は精錬工程における二次精錬の開始から０．８０ｔ分よりも前に溶鋼に添加する。

以上の精錬工程を実施することにより、弁ばねの芯部でのＣａ硫化物個数割合Ｒｃａが０．２０％以下になる。

［鋳造工程］
上記精錬工程により製造された溶鋼を用いて、素材（ブルーム又はインゴット）を製造する。具体的には、溶鋼を用いて連続鋳造法によりブルームを製造する。又は、溶鋼を用いて造塊法によりインゴットを製造してもよい。このブルーム片又はインゴット（素材）を用いて、次工程の熱間加工工程（Ｓ２）を実施する。

［熱間加工工程（Ｓ２）］
熱間加工工程（Ｓ２）では、素材準備工程（Ｓ１）で準備された素材（ブルーム又はインゴット）に対して、熱間加工を実施して、弁ばね用の鋼材（線材）を製造する。

熱間加工工程（Ｓ２）は、粗圧延工程と、仕上げ圧延工程とを含む。粗圧延工程では、初めに、素材を加熱する。素材の加熱には、加熱炉又は均熱炉を用いる。加熱炉又は均熱炉により、素材を１２００～１３００℃に加熱する。たとえば、１２００～１３００℃の炉温で、１．５～１０．０時間、素材を保持する。加熱後の素材を加熱炉又は均熱炉から抽出して、熱間圧延を実施する。粗圧延工程での熱間圧延ではたとえば、分塊圧延機を用いる。分塊圧延機により素材に対して分塊圧延を実施して、ビレットを製造する。分塊圧延機の下流に連続圧延機が設置されている場合、分塊圧延後のビレットに対してさらに、連続圧延機を用いて熱間圧延を実施して、さらにサイズの小さいビレットを製造してもよい。連続圧延機では、一対の水平ロールを有する水平スタンドと、一対の垂直ロールを有する垂直スタンドとが交互に一列に配列される。以上の工程により、粗圧延工程では、素材をビレットに製造する。

仕上げ圧延工程では、粗圧延工程後のビレットに対して熱間圧延を実施して、線材を製造する。具体的には、ビレットを加熱炉に装入して、９００～１２５０℃で加熱する。９００～１２５０℃での炉温での加熱時間はたとえば、０．５～５．０時間である。加熱後のビレットを加熱炉から抽出する。抽出されたビレットに対して、連続圧延機を用いた熱間圧延を実施して、線材を製造する。線材の直径は特に限定されない。最終製品である弁ばねの線径に基づいて、線材の直径が決定される。以上の製造工程により、線材を製造する。

［鋼線準備工程（Ｓ２０）］
鋼線準備工程（Ｓ２０）では、弁ばねの素材となる鋼線を準備する。ここで、鋼線とは、熱間加工材（熱間圧延材）である線材に対して１回以上の伸線加工を実施した鋼材を意味する。鋼線準備工程（Ｓ２０）は、必要に応じて実施されるパテンティング処理工程（Ｓ３）と、伸線加工工程（Ｓ４）と、調質処理工程（Ｓ５）とを含む。

［パテンティング処理工程（Ｓ３）］
パテンティング処理工程（Ｓ３）では、線材準備工程（Ｓ１０）により製造された線材に対してパテンティング処理を実施して、線材のミクロ組織をフェライト及びパーライト組織とし、軟化する。パテンティング処理は周知の方法で実施すれば足りる。パテンティング処理での熱処理温度はたとえば、５５０℃以上であり、さらに好ましくは５８０℃以上である。パテンティングでの熱処理温度の上限は７５０℃である。なお、パテンティング処理工程（Ｓ３）は必須の工程ではなく、任意の工程である。つまり、パテンティング処理工程（Ｓ３）は実施しなくてもよい。

［伸線加工工程（Ｓ４）］
パテンティング処理工程（Ｓ３）を実施する場合、伸線加工工程（Ｓ４）では、パテンティング処理工程（Ｓ３）後の線材に対して、伸線加工を実施する。パテンティング処理工程（Ｓ３）を実施しない場合、伸線加工工程（Ｓ４）では、熱間加工工程（Ｓ２）後の線材に対して、伸線加工を実施する。伸線加工を実施することにより、所望の外径を有する鋼線を製造する。伸線加工工程（Ｓ４）は周知の方法で実施すればよい。具体的には、線材に対して潤滑処理を実施して、リン酸塩被膜や金属石鹸層に代表される潤滑被膜を線材の表面に形成する。潤滑処理後の線材に対して、常温で伸線加工を実施する。伸線加工では、周知の伸線機を用いればよい。伸線機は、線材を伸線加工するためのダイスを備える。

［調質処理工程（Ｓ５）］
調質処理工程（Ｓ５）では、伸線加工工程（Ｓ４）後の鋼線に対して、調質処理を実施する。調質処理工程（Ｓ５）は、焼入れ処理工程と、焼戻し処理工程とを含む。焼入れ処理工程では始めに、鋼線をＡ_ｃ３変態点以上に加熱する。加熱にはたとえば、高周波誘導加熱装置を用いる。加熱された鋼線を急冷する。急冷方法は水冷であってもよいし、油冷であってもよい。焼入れ処理工程により、鋼線のミクロ組織をマルテンサイト主体の組織とする。

焼入れ処理工程後の鋼線に対して、焼戻し処理工程を実施する。焼戻し処理工程での焼戻し温度はＡ_ｃ１変態点以下である。焼戻し温度はたとえば、２５０～５００℃である。焼戻し処理工程を実施することにより、鋼線のミクロ組織を焼戻しマルテンサイト主体の組織とする。以上の製造工程により、弁ばね用の鋼線を製造する。

［弁ばね製造工程（Ｓ３０）］
弁ばね製造工程（Ｓ３０）では、鋼線準備工程（Ｓ２０）により製造された鋼線を用いて、弁ばねを製造する。弁ばね製造工程（Ｓ３０）は、冷間コイリング工程（Ｓ６）と、歪取り焼鈍処理工程（Ｓ７）と、窒化処理工程（Ｓ８）と、Ｖ系析出物生成熱処理工程（Ｓ１００）と、ショットピーニング工程（Ｓ９）とを備える。

［冷間コイリング工程（Ｓ６）］
冷間コイリング工程（Ｓ６）では、鋼線準備工程（Ｓ２０）により製造された鋼線に対して、冷間でコイリングを実施して、弁ばねの中間鋼材を製造する。冷間コイリングは周知のコイリング装置を用いて製造する。コイリング装置はたとえば、複数の搬送ローラーセットと、ワイヤーガイドと、複数のコイル成型治具（コイリングピン）と、横断面が半円状の芯金とを備える。搬送ローラーセットは、互いに対向する一対のローラーを含む。複数の搬送ローラーセットは、一列に配列される。各搬送ローラーセットは、一対のローラー間に線材を挟み、鋼線をワイヤーガイド方向に搬送する。鋼線はワイヤーガイドを通る。ワイヤーガイドから出た鋼線は、複数のコイリングピン及び芯金により円弧状に曲げられ、コイル状の中間鋼材に成型される。

［歪取り焼鈍処理工程（Ｓ７）］
歪取り焼鈍処理工程（Ｓ７）は必須の工程である。歪取り焼鈍処理工程（Ｓ７）では、冷間コイリング工程（Ｓ６）により中間鋼材に生じる残留応力を除去するために、焼鈍処理を実施する。焼鈍処理における処理温度（焼鈍温度）はたとえば、４００～５００℃とする。焼鈍温度での保持時間は特に限定されないが、たとえば１０～５０分である。保持時間経過後、中間鋼材を常温まで放冷又は徐冷する。

［窒化処理工程（Ｓ８）］
窒化処理工程（Ｓ８）では、歪取り焼鈍処理工程（Ｓ７）後の中間鋼材に対して、窒化処理を実施する。窒化処理では、中間鋼材の表層に窒素を侵入させて、固溶窒素による固溶強化や、窒化物生成による析出強化により、中間鋼材の表層に窒化層（硬化層）を形成する。

窒化処理は周知の条件で実施すれば足りる。窒化処理では、Ａ_ｃ１変態点以下の処理温度（窒化温度）で実施する。窒化温度はたとえば、４００～５３０℃である。窒化温度での保持時間は１．０時間～５．０時間である。窒化処理を実施する炉内雰囲気は、十分に窒素の化学ポテンシャルが高くなるような雰囲気であれば特に限定されない。窒化処理の炉内雰囲気はたとえば、軟窒化処理のように浸炭性のガス（ＲＸガス等）を混合した雰囲気としてもよい。

［Ｖ系析出物生成熱処理工程（Ｓ１００）］
Ｖ系析出物生成熱処理工程（Ｓ１００）では、窒化処理工程（Ｓ８）後の中間鋼材に対して、熱処理（Ｖ系析出物生成熱処理）を実施して、中間鋼材中に微細なＶ系析出物を生成する。Ｖ系析出物生成熱処理工程（Ｓ１００）を実施することにより、弁ばねの芯部において、最大径が２～１０ｎｍであるＶ系析出物の数密度を５００～８０００個／μｍ^２とする。

Ｖ系析出物生成熱処理では、熱処理温度Ｔ（℃）を５４０～６５０℃とする。熱処理温度Ｔ（℃）での保持時間ｔ（分）は特に限定されないが、たとえば、５／６０（つまり、５秒）～５０分である。

Ｖ系析出物生成熱処理での熱処理温度Ｔは、窒化処理での窒化温度よりも高くてもよい。従前の弁ばねの製造工程では、調質処理工程後の熱処理（歪取り焼鈍処理工程等）では、窒化処理の窒化温度よりも低い温度で熱処理を実施している。これは、従前の弁ばねの製造工程が、鋼材の強度及び硬さを高く維持することにより疲労限度を高める、という技術思想に基づいているためである。窒化処理を実施する場合、窒化温度までの加熱は必要となる。そのため、従来の製造工程では、窒化処理工程以外の他の熱処理工程ではなるべく、窒化温度未満の熱処理温度として、鋼材の強度の低下を抑えていた。一方、本実施形態の弁ばねでは、鋼材の強度を高めることにより疲労限度を高めるという技術思想ではなく、ナノサイズの微細なＶ系析出物を多数生成することにより疲労限度を高める技術思想を採用する。そのため、Ｖ系析出物生成熱処理では、熱処理温度ＴをＶ系析出物が生成しやすい温度域の５４０～６５０℃に設定する。熱処理温度Ｔの好ましい下限は、５５０℃であり、さらに好ましくは５６０℃であり、さらに好ましくは５６５℃であり、さらに好ましくは５７０℃である。

Ｖ析出物生成熱処理ではさらに、次の式（２）で定義されるＦｎが２７．０～４０．０となるようにする。
Ｆｎ＝Ｔ×｛ｔ^１／８＋（２Ｃｒ＋Ｍｏ＋４Ｖ）｝／１００ （２）
式（２）中のＴは、Ｖ系析出物生成熱処理での熱処理温度（℃）であり、ｔは熱処理温度Ｔでの保持時間（分）である。式（２）中の各元素記号には、弁ばねの芯部の化学組成（つまり、鋼線の化学組成）のうちの対応する元素の含有量（質量％）が代入される。

Ｖ系析出物の析出量は、熱処理温度Ｔ（℃）及び保持時間ｔ（分）だけでなく、Ｖ系析出物の生成に寄与する元素である、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶの含有量の影響を受ける。

具体的には、Ｖ系析出物の生成は、Ｃｒ及びＭｏにより促進される。その理由は定かではないが、次の理由が考えられる。ＣｒはＶ系析出物が生成する温度域よりも低い温度域においてセメンタイト等のＦｅ系炭化物又はＣｒ炭化物を生成する。Ｍｏも同様に、Ｖ系析出物が生成する温度域よりも低い温度域において、Ｍｏ炭化物（Ｍｏ_２Ｃ）を生成する。温度の上昇に伴い、Ｆｅ系炭化物、Ｃｒ炭化物、及び、Ｍｏ炭化物が固溶して、Ｖ系析出物の析出核生成サイトとなる。その結果、熱処理温度Ｔにおいて、Ｖ析出物の生成が促進される。

弁ばねの芯部の化学組成（つまり、鋼線の化学組成）中の各元素含有量が本実施形態の範囲内であることを前提として、Ｆｎが２７．０未満である場合、Ｖ系析出物生成熱処理において、Ｖ系析出物の生成が不十分となる。この場合、製造された弁ばねの芯部において、最大径が２～１０ｎｍであるＶ系析出物の数密度が５００個／μｍ^２未満となる。一方、弁ばねの芯部の化学組成（鋼線の化学組成）中の各元素含有量が本実施形態の範囲内であることを前提として、Ｆｎが４０．０を超える場合、生成したＶ系析出物が粗大化してしまう。この場合、製造された弁ばねの芯部において、最大径が２～１０ｎｍであるＶ系析出物の数密度が５００個／μｍ^２未満となる。

弁ばねの化学組成（鋼線の化学組成）中の各元素含有量が本実施形態の範囲内であることを前提として、Ｆｎが２７．０～４０．０である場合、製造された弁ばねの芯部において、最大径が２～１０ｎｍであるＶ系析出物の数密度が５００～８０００個／μｍ^２となる。

Ｆｎの好ましい下限は２７．５であり、さらに好ましくは２８．０であり、さらに好ましくは２８．５であり、さらに好ましくは２９．０である。Ｆｎの好ましい上限は３９．５であり、さらに好ましくは３９．０であり、さらに好ましくは３８．５であり、さらに好ましくは３８．０である。

［ショットピーニング工程（Ｓ９）］
ショットピーニング工程（Ｓ９）は必須の工程である。ショットピーニング工程（Ｓ９）では、中間鋼材の表面に対してショットピーニングを実施する。これにより、弁ばねの表層に圧縮残留応力が付与され、疲労限度をさらに高めることができる。ショットピーニングは周知の方法で実施すればよい。ショットピーニングにはたとえば、直径が０．０１～１．５ｍｍの投射材を用いる。投射材はたとえば、スチールショット、スチールビーズ等であり、周知のものを利用すればよい。投射材の直径、投射速度、投射時間、及び、単位時間当たりの単位面積への投射量に応じて、弁ばねに付与する圧縮残留応力を調整する。

以上の製造工程により、本実施形態の弁ばねを製造できる。本実施形態の弁ばねでは、芯部の化学組成における各元素含有量が本実施形態の範囲内であり、かつ、芯部において、最大径が２～１０ｎｍであるＶ系析出物の数密度が５００～８０００個／μｍ^２である。さらに、Ｃａ硫化物個数割合Ｒｃａが０．２０％以下である。そのため、高サイクルでの優れた疲労限度が得られる。

なお、上述の製造フロー（図３）では、Ｖ系析出物生成熱処理工程（Ｓ１００）は窒化処理工程（Ｓ８）後としている。しかしながら、Ｖ系析出物生成熱処理工程（Ｓ１００）は、調質処理工程（Ｓ５）の焼入れ処理工程後であれば、どの段階で実施してもよい。たとえば、窒化処理工程（Ｓ８）後であって、ショットピーニング工程（Ｓ９）前にＶ系析出物生成熱処理工程（Ｓ１００）を実施せずに、ショットピーニング工程（Ｓ９）後にＶ系析出物生成熱処理工程（Ｓ１００）を実施してもよい。また、窒化処理工程（Ｓ８）後であって、ショットピーニング工程（Ｓ９）前にＶ系析出物生成熱処理工程（Ｓ１００）を実施せずに、調質処理工程（Ｓ５）後であって、冷間コイリング工程（Ｓ６）前にＶ系析出物生成熱処理工程（Ｓ１００）を実施してもよい。さらに、調質処理工程（Ｓ５）の焼戻し処理工程に代えて、焼入れ処理工程後に、Ｖ系析出物生成熱処理工程（Ｓ１００）を実施してもよい。この場合、Ｖ系析出物生成熱処理工程（Ｓ１００）は、焼戻し処理工程を兼ねる。焼戻し処理工程に代えて、焼入れ処理工程後に、Ｖ系析出物生成熱処理工程（Ｓ１００）を実施した場合、窒化処理工程（Ｓ８）後にＶ系析出物生成熱処理工程（Ｓ１００）を実施しなくてよい。

なお、本実施形態の弁ばねの製造者は、第三者から線材の供給を受けて、準備された線材を用いて鋼線準備工程（Ｓ２０）及び弁ばね製造工程（Ｓ３０）を実施してもよい。弁ばねの製造者は、第三者から鋼線の供給を受けて、準備された鋼線を用いて弁ばね製造工程（Ｓ３０）を実施してもよい。

実施例により本実施形態の弁ばねの効果をさらに具体的に説明する。以下の実施例での条件は、本実施形態の弁ばねの実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例である。したがって、本実施形態の弁ばねはこの一条件例に限定されない。

表１の化学組成を有する溶鋼を製造した。

表１中の「－」部分は、対応する元素含有量が検出限界未満であったことを意味する。つまり、対応する元素が含有されていなかったことを意味する。たとえば、鋼種番号ＡのＮｂ含有量は、小数第四位で四捨五入した場合に「０」％であったことを意味する。表１に記載の鋼種番号の化学組成では、表１に記載の元素以外の残部はＦｅ及び不純物であった。溶鋼を製造するときの精錬条件（二次精錬で溶鋼に添加する合金鉄中のＣａ含有量（質量％）、及び、二次精錬での精錬時間をｔ（分）とした場合の、二次精錬開始から造滓剤を添加するまでの時間）は、表２に示すとおりであった。

精錬後の溶鋼を用いて連続鋳造法によりブルームを製造した。この鋳片を加熱した後、粗圧延工程である分塊圧延及びその後の連続圧延機による圧延を実施して、長手方向に垂直な断面が１６２ｍｍ×１６２ｍｍのビレットを製造した。分塊圧延での加熱温度は１２００～１２５０℃であり、加熱温度での保持時間は２．０時間であった。

製造されたビレットを用いて、仕上げ圧延工程を実施して、直径５．５ｍｍの線材を製造した。仕上げ圧延工程における各試験番号の加熱炉での加熱温度は１１５０～１２００℃であり、加熱温度での保持時間は１．５時間であった。

製造された線材に対して、パテンティング処理を実施した。パテンティング処理での熱処理温度は６５０～７００℃であり、熱処理温度での保持時間は２０分であった。パテンティング処理後の線材に対して、伸線加工を実施し、直径４．０ｍｍの鋼線を製造した。製造された鋼線に対して、焼入れ処理を実施した。焼入れ温度は９５０～１０００℃であった。保持時間経過後の鋼線に対して水冷を実施した。焼入れ後の鋼線に対して、焼戻し処理を実施した。焼戻し温度は４８０℃であった。以上の工程により、各試験番号の鋼線を製造した。

製造された鋼線に対して、弁ばね製造工程を実施した。具体的には、各試験番号の鋼線に対して同じ条件で冷間コイリングを実施して、コイル状の中間鋼材を製造した。中間鋼材に対して、歪取り焼鈍処理を実施した。歪取り焼鈍処理での焼鈍温度は４５０℃であり、焼鈍温度での保持時間は２０分であった。保持時間経過後、中間鋼材を放冷した。

歪取り焼鈍処理後の中間鋼材に対して、窒化処理を実施した。窒化温度を４５０℃とし、窒化温度での保持時間を５．０時間とした。窒化処理後の中間鋼材に対して、Ｖ系析出物生成熱処理を実施した。

Ｖ系析出物生成熱処理での熱処理温度Ｔ、熱処理温度Ｔ（℃）での保持時間ｔ（分）、及びＦｎ値は表２に示すとおりであった。Ｖ系析出物生成熱処理を実施した後、周知の条件でショットピーニングを実施した。初めに、投射材として直径が０．８ｍｍのカットワイヤーを用いてショットピーニングを実施した。次に、投射材として直径が０．２ｍｍのスチールショットを用いてショットピーニングを実施した。一段目及び二段目のショットピーニングでの投射速度、投射時間、及び、単位時間当たりの単位面積への投射量については、各試験番号で同じとした。なお、試験番号１０については、Ｖ系析出物生成熱処理を実施せず、窒化処理後の中間鋼材に対して、上述のショットピーニングを実施した。

以上の製造工程により、弁ばねを製造した。製造された各試験番号の弁ばねに対して、次の評価試験を実施した。

［ミクロ組織観察試験］
各試験番号の弁ばねを線径方向に切断して、試験片を採取した。採取した試験片の表面のうち、線径方向の断面に相当する表面を観察面とした。観察面を鏡面研磨した後、２％硝酸アルコール（ナイタール腐食液）を用いて観察面をエッチングした。エッチングされた観察面のＲ／２位置を、５００倍の光学顕微鏡を用いて観察し、任意の５視野の写真画像を生成した。各視野のサイズは、１００μｍ×１００μｍとした。各視野において、マルテンサイト、残留オーステナイト、析出物、介在物等の各相は、相ごとにコントラストが異なる。そこで、コントラストに基づいて、マルテンサイトを特定した。各視野で特定されたマルテンサイトの総面積（μｍ^２）を求めた。全ての視野の総面積（１００００μｍ^２×５）に対する、全ての視野におけるマルテンサイトの総面積の割合を、マルテンサイトの面積率（％）と定義した。求めたマルテンサイトの面積率を表２に示す。いずれの試験番号においても、マルテンサイト面積率は９０．０％以上であった。

［Ｖ系析出物の数密度測定試験］
各試験番号の弁ばねの線径方向に切断して、線径方向の表面（断面）を有し、厚さが０．５ｍｍの円板を採取した。エメリー紙を用いて円板の両側から研削研磨を行い、円板の厚さを５０μｍとした。その後、円板の中央部分（弁ばねの芯部に相当する部分）から直径３ｍｍのサンプルを採取した。サンプルを１０％過塩素酸－氷酢酸溶液中に浸漬して、電解研磨を実施して、厚さ１００ｎｍの薄膜試料を作製した。

作製された薄膜試料を、透過電子顕微鏡で観察した。初めに、薄膜試料に対して菊池線を解析して、薄膜試料の結晶方位を特定した。次に、特定した結晶方位に基づいて薄膜試料を傾斜させて、フェライト（体心立方格子）の（００１）面を観察できるように、薄膜試料を設定した。具体的には、ＴＥＭに薄膜試料を挿入し、菊池線を観察した。菊池線のフェライトの［００１］方向が電子線の入射方向と一致するように、薄膜試料の傾斜を調整した。調整後、実像を観察すると、フェライトの（００１）面の垂直方向からの観察となった。設定後、薄膜試料の任意の４箇所の観察視野を特定し、観察倍率を２０００００倍とし、加速電圧を２００ｋＶとして各観察視野を観察した。観察視野は０．０９μｍ×０．０９μｍとした。

ＴＥＭ画像において、析出物は、母相と比較して、明度の低い黒色のコントラストで示される。したがって、フェライトの（００１）面のＴＥＭ画像内において、［１００］方位又は［０１０］方位に延びる黒色の線分を、Ｖ系析出物とみなした。観察視野において特定されたＶ系析出物の線分の長さを測定し、測定された長さを、そのＶ系析出物の最大径と定義した。

上記測定により、４つの観察視野における、最大径が２～１０ｎｍのＶ系析出物の総個数を求めた。求めたＶ系析出物の総個数と、４つの観察視野の総面積（０．０３２４μｍ^２）とに基づいて、最大径が２～１０ｎｍのＶ系析出物の数密度（個／μｍ^２）を求めた。求めたＶ系析出物の数密度を表２中の「Ｖ系析出物数密度（個／μｍ^２）」欄に示す。「Ｖ系析出物数密度（個／μｍ^２）」欄中の「－」は、数密度が０個／μｍ^２であったことを意味する。

［Ｃａ硫化物個数割合Ｒｃａ測定試験］
各試験番号の弁ばねの線径方向に切断して、試験片を採取した。採取した試験片の表面のうち、弁ばねの線径方向の断面に相当する表面を、観察面とした。観察面を鏡面研磨した。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて１０００倍の倍率で、鏡面研磨した観察面のうち、Ｒ／２位置の任意の１０箇所の観察視野（各観察視野：１００μｍ×１００μｍ）を観察した。

各観察視野でのコントラストに基づいて、各観察視野中の介在物を特定した。特定した各介在物に対して、ＥＤＳを用いて、酸化物系介在物、硫化物系介在物、及び、Ｃａ硫化物を特定した。具体的には、介在物のＥＤＳによる元素分析結果に基づいて、介在物のうち、質量％でＯ含有量が１０．０％以上の介在物を「酸化物系介在物」と特定した。介在物のうち、質量％でＳ含有量が１０．０％以上であり、かつ、Ｏ含有量が１０．０％未満の介在物を「硫化物系介在物」と特定した。さらに、特定された硫化物系介在物のうち、質量％でＣａ含有量が１０．０％以上であり、かつ、Ｓ含有量が１０．０％以上であり、かつ、Ｏ含有量が１０．０％未満の介在物を「Ｃａ硫化物」と特定した。

上記特定の対象とする介在物は、円相当径が０．５μｍ以上の介在物とした。介在物の特定に使用するＥＤＳのビーム径は０．２μｍとした。上記１０箇所の観察視野で特定された酸化物系介在物及び硫化物系介在物の総個数と、上記１０箇所の観察視野で特定されたＣａ硫化物の総個数とに基づいて、式（１）を用いて、Ｃａ硫化物個数割合Ｒｃａ（％）を求めた。
Ｒｃａ＝Ｃａ硫化物の個数／酸化物系介在物及び硫化物系介在物の総個数×１００ （１）

［ビッカース硬さ測定試験］
各試験番号の弁ばねの芯部の硬さをビッカース硬さ試験により求めた。具体的には、各試験番号の弁ばねの線径方向の断面の任意のＲ／２位置（Ｒは半径）の３箇所で、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（２００９）に準拠したビッカース硬さ試験を実施した。試験力は０．４９Ｎとした。得られた３箇所のビッカース硬さの算術平均値を、その試験番号の弁ばねの芯部のビッカース硬さとした。

［疲労試験］
各試験番号の弁ばねを使用して、次に示す疲労試験を実施した。疲労試験では、コイル状の弁ばねの中心軸方向に、繰返し負荷を与える圧縮疲労試験を実施した。試験機として、電気油圧サーボ型疲労試験機（荷重容量５００ｋＮ）を用いた。

試験条件は、応力比０．２を負荷とし、周波数は１～３Ｈｚとした。繰返し回数は１０^８回を上限として、弁ばねが破断するまで実施した。１０^８回まで弁ばねが破断しない場合、そこで試験を打ち切り、未破断と判断した。ここで、１０^８回で未破断の試験応力の最大値をＦ_Ｍとして、Ｆ_Ｍ以上で１０^８回に到達する前に破断した試験応力の最小値とＦ_Ｂとした。Ｆ_ＭとＦ_Ｂとの算術平均値をＦ_Ａとし、（Ｆ_Ｂ－Ｆ_Ｍ）／Ｆ_Ａ≦０．１０となった場合のＦ_Ａを、疲労限度（ＭＰａ）と定義した。一方、試験の結果、全て破断した場合、すなわち、Ｆ_Ｍが得られなかった場合、破断寿命と試験応力との関係から１０^８回の寿命に相当する試験応力を外挿し、得られた試験応力を疲労限度（ＭＰａ）と定義した。ここで、試験応力は、破断位置の表面応力振幅に相当した。各試験番号の弁ばねについて、上述の定義と評価試験に基づき、高サイクルでの疲労限度（ＭＰａ）を求めた。さらに、得られた疲労限度及び芯部のビッカース硬さを用いて、疲労限度比（＝疲労限度／芯部のビッカース硬さ）を求めた。

［試験結果］
表２に試験結果を示す。表２を参照して、試験番号１～１３は、化学組成が適切であり、かつ、製造工程も適切であった。そのため、弁ばねの芯部のミクロ組織では、マルテンサイト面積率が９０．０％以上であった。さらに、最大径が２～１０ｎｍのＶ系析出物の数密度はいずれも５００～８０００個／μｍ^２であった。さらに、Ｃａ硫化物個数割合Ｒｃａが０．２０％以下であった。そのため、高サイクルでの弁ばねの疲労限度は１４５０ＭＰａ以上であった。さらに、弁ばねの疲労限度比（＝疲労限度／芯部のビッカース硬さ）は２．５０以上であった。

一方、試験番号１４では、Ｓｉ含有量が低すぎた。そのため、高サイクルでの疲労限度が低く、疲労限度比が２．５０未満と低かった。

試験番号１５では、Ｖ含有量が低すぎた。そのため、最大径が２～１０ｎｍのＶ系析出物の数密度が少なすぎた。その結果、高サイクルでの疲労限度が低く、疲労限度比が２．５０未満となった。

試験番号１６では、Ｃａが含有されなかった。その結果、高サイクルでの疲労限度が低く、疲労限度比も２．５０未満となった。

試験番号１７では、Ｃａ含有量が高すぎた。そのため、Ｃａ硫化物個数割合が高すぎた。その結果、高サイクルでの疲労限度が低く、疲労限度比が２．５０未満となった。

試験番号１８及び１９では、化学組成は適切であるものの、Ｖ系析出物生成熱処理を実施しなかった。そのため、最大径が２～１０ｎｍのＶ系析出物の数密度が少なすぎた。その結果、高サイクルでの疲労限度が低く、疲労限度比が２．５０未満となった。

試験番号２０及び２１では、化学組成は適切であるものの、Ｖ系析出物生成熱処理での熱処理温度が低すぎた。そのため、Ｖ系析出物は析出していなかった。その結果、高サイクルでの疲労限度が低く、疲労限度比が２．５０未満となった。

試験番号２２では、化学組成は適切であるものの、Ｖ系析出物生成熱処理での熱処理温度が高すぎた。そのため、Ｖ系析出物が粗大化し、最大径が２～１０ｎｍのＶ系析出物の数密度が少なすぎた。その結果、高サイクルでの疲労限度が低く、疲労限度比が２．５０未満と低かった。

試験番号２３では、精錬工程において、二次精錬で溶鋼に添加する合金鉄中のＣａ含有量が１．０％を超えた。そのため、Ｃａ硫化物個数割合が高すぎた。その結果、高サイクルでの疲労限度が低く、疲労限度比が２．５０未満となった。

試験番号２４では、精錬工程の二次精錬において、造滓剤の溶鋼への添加タイミングが、二次精錬を開始したときから４／５ｔ（つまり、０．８０ｔ）を経過した後であった。その結果、高サイクルでの疲労限度が低く、疲労限度比が２．５０未満となった。

試験番号２５では、化学組成は適切であり、かつ、Ｖ系析出物生成熱処理での熱処理温度が適切であったものの、Ｆｎが２７．０未満であった。そのため、最大径が２～１０ｎｍのＶ系析出物の数密度が少なすぎた。その結果、高サイクルでの疲労限度が低く、疲労限度比が２．５０未満であった。

試験番号２６では、化学組成は適切であり、かつ、Ｖ系析出物生成熱処理での熱処理温度が適切であったものの、Ｆｎが４０．０を超えた。そのため、最大径が２～１０ｎｍのＶ系析出物の数密度が少なすぎた。その結果、高サイクルでの疲労限度が低く、疲労限度比が２．５０未満であった。

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

Claims (2)

1. 表層に形成されている窒化層と、
   前記窒化層よりも内部の芯部とを備え、
   前記芯部の化学組成は、質量％で、
   Ｃ：０．５３～０．５９％、
   Ｓｉ：２．５１～２．９０％、
   Ｍｎ：０．７０～０．８５％、
   Ｐ：０．０２０％以下、
   Ｓ：０．０２０％以下、
   Ｃｒ：１．４０～１．７０％、
   Ｍｏ：０．１７～０．５３％、
   Ｖ：０．２３～０．３３％、
   Ｃａ：０．０００１～０．００５０％、
   Ｃｕ：０．０５０％以下、
   Ｎｉ：０．０５０％以下、
   Ａｌ：０．００５０％以下、
   Ｔｉ：０．０５０％以下、
   Ｎ：０．００７０％以下、
   Ｎｂ：０～０．０２０％、及び、
   残部がＦｅ及び不純物からなり、
   前記芯部において、最大径が２～１０ｎｍであるＶ系析出物の数密度が５００～８０００個／μｍ^２であり、
   前記芯部中の介在物のうち、
   質量％でＯ含有量が１０．０％以上の介在物を酸化物系介在物と定義し、
   質量％でＳ含有量が１０．０％以上であり、かつ、前記Ｏ含有量が１０．０％未満の介在物を硫化物系介在物と定義し、
   前記硫化物系介在物のうち、質量％でＣａ含有量が１０．０％以上であり、かつ、前記Ｓ含有量が１０．０％以上であり、かつ、前記Ｏ含有量が１０．０％未満の介在物をＣａ硫化物と定義したとき、
   前記芯部において、前記酸化物系介在物及び前記硫化物系介在物の総個数に対する前記Ｃａ硫化物の個数割合が０．２０％以下である、
   弁ばね。
2. 請求項１に記載の弁ばねであって、
   前記芯部の前記化学組成において、
   Ｎｂ含有量は０．００５～０．０２０％である、
   弁ばね。

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