JP3064672B2 - 高強度ばね用鋼 - Google Patents

高強度ばね用鋼

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JP3064672B2
JP3064672B2 JP4154360A JP15436092A JP3064672B2 JP 3064672 B2 JP3064672 B2 JP 3064672B2 JP 4154360 A JP4154360 A JP 4154360A JP 15436092 A JP15436092 A JP 15436092A JP 3064672 B2 JP3064672 B2 JP 3064672B2
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雅雄 外山
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高強度ばね用鋼に関し、
詳しくは、自動車等の懸架ばね用などとして好適に用い
ることができる高強度ばね用鋼に関するものである。
【0002】
【従来技術】ばね用鋼の化学成分はJIS G 356
5〜3567やG4801に規定されており、それらの
鋼材からなる圧延材に対して、所定の線径まで伸線加工
を施し、その後OT処理してからばね加工(冷間巻ば
ね)したり、圧延材に伸線加工を施した後、加熱してば
ね成形−焼入焼戻し(熱間巻ばね)を行うことにより製
造されている。しかしながら従来のばね用鋼はいずれも
焼入焼戻し後の材料強度が160〜190kgf/mm2 (HR
C:53 未満) であり、高強度ばね用鋼としての要求を満
たすものとは言えない。
【0003】即ち一般に高強度ばね用鋼として要求され
ている鋼材の材料強度は200kgf/mm2 (HRC:53)以上で
あるので、従来のばね用鋼の化学成分を調整することに
より要求強度を得ようとすることも試みられているが、
従来鋼では強度を高めるにつれて疲労寿命やへたり特性
等は悪くなる傾向があり、強度を200kgf/mm2 以上に
するとばね特性とし極めて重要な疲労寿命やへたり特性
を満足できなくなる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の様な事
情に着目してなされたものであって、その目的は200
kgf/mm2 以上の強度を有しており、且つ靭性、遅れ破壊
特性、疲労特性等においても優れた性能を備えた高強度
ばね用鋼を提供しようとするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
のできた本発明に係る高強度ばね用鋼の構成は、重量%
でC:0.50〜0.70%、Si:1.5〜2.0
%、Mn:0.2〜0.60%、Ni:0.5%未満、
Cr:0.5〜1.2%、Cu:0.1〜0.5%、
V:0.05〜0.5%を含有し、且つ1.5×Mn+
Cr+Ni≦1.8の条件を満足し残部鉄および不可避
不純物よりなり、焼入焼戻し後の硬さがHRC53以上
ところに要旨を有するものである。
【0006】
【作用】本発明は、鋼材の化学成分を特定することによ
って靭性、耐遅れ破壊性、耐へたり特性、耐脱炭性、疲
労特性等を損なうことなく焼入焼戻し後の硬さをHRC
で53以上(引張強度で200kgf/mm2 以上)を確保す
ることに成功したものであり、各成分の含有率を定めた
理由は次の通りである。
【0007】C:0.5〜0.7% Cは焼入焼戻し後の強度向上を確保するために欠くこと
のできない元素であり、0.5%未満では焼入後に生じ
るマルテンサイトの硬さが低くなり、焼入焼戻し後の強
度を十分に高めることができなくなる。しかし0.7%
を超えると焼入焼戻し後の靭性が劣化し、ばね用として
疲労特性を満足できなくなる。
【0008】Si:1.5〜2.0% Siは固溶強化元素としての機能を果たし、1.5%未
満ではマトリックス強度が不十分になって高強度化の目
的が果たせなくなり、一方2.0%を超えると、製造工
程中の加熱通程で耐脱炭性が急速に劣化し、脱炭深さの
増大により耐疲労特性が劣化する。
【0009】Mn:0.2〜0.6% Mnは焼入性向上元素として不可欠の成分であり少なく
とも0.2%含有させなければならない。しかし多過ぎ
ると、焼入焼戻し後の素材の水素透過性を高め、その結
果として腐食環境下で水素脆化を起こし易くなる。従っ
てMn含有量の上限は0.6%とした。
【0010】Ni:0.5%未満 Niは焼入焼戻し後の素材の靭性を向上させる作用を有
するほか、Cu含有鋼材の熱間脆化を抑える効果もある
が、多量に含有させると熱間圧延時に表面欠陥を生じ易
くなるので、上限を0.5%と定めた。
【0011】Cr:0.5〜1.2% CrはMnと同様に焼入性を向上させる。またCrは耐
熱性を高める作用を有するばかりでなく、種々研究の結
果、ばね特性として重要な耐へたり特性を大幅に改善す
ることが明らかになった。そしてこうした効果を有効に
発揮させるには0.5%以上含有させなければならない
が、多過ぎると焼入焼戻し後の靭性が悪くなるので1.
0%を上限とした。
【0012】V:0.05〜0.5% Vは結晶粒度を微細化し耐力比を高めて耐へたり特性を
改善する作用があり、こうした効果を有効に発揮させる
には0.05%以上含有させなければならない。しかし
0.5%を超えて含有させると焼入加熱時にオーステナ
イト中に固溶されない合金炭化物量が増加し、大きな塊
状物となって残存して疲労寿命を低下させる。
【0013】Cu:0.1〜0.5% Cuは電気化学的に鉄より貴な元素であって、腐食環境
中での耐孔食性を高めて腐食疲労特性を高める作用があ
り、0.1%未満ではその効果が有効に発揮されない。
しかし多過ぎると熱間圧延時に素材の脆化を引き起こす
原因になるので、0.5%以下に抑えなければならな
い。
【0014】本発明に係る高強度ばね用鋼の必須元素は
以上の通りであり、残部は鉄および不可避不純物からな
るものであるが、必要によっては上記必須元素に加えて
Nb及び/またはMoを適量含有させることによって、
ばね特性を更に高めることができる。
【0015】Mo:0.05〜0.5%および/または
Nb:0.05〜0.5% Moは炭化物生成元素であり、焼戻し時に微細な合金炭
化物を析出して二次硬化効果を促進させ、耐へたり特性
および耐疲労特性の向上に寄与する。0.05%未満で
はその効果が不十分であり、またその効果は0.5%で
飽和する。
【0016】またNbは結晶粒度を微細化して耐力比を
高め耐へたり特性を改善する効果がある。こうした効果
を有効に得るためには0.05%以上の添加が必要であ
るが、0.5%を超えて過剰に添加してもそれ以上の効
果は得られず、むしろ焼入加熱時における粗大炭窒化物
の生成を助長して耐疲労寿命を劣化させる。
【0017】また本発明においては上記必須元素含有率
の要件を満たしつつ、更にこれらのうちMn,Crおよ
びNiの含有量が1.5×Mn+Cr+Ni≦1.8の
要件を満たす様に3元素の含有量を調整しなければなら
ず、こうした要件を規定することによって、ばね用鋼と
しての強度靭性バランスの優れたものが得られることが
明らかになった。そしてこの値が1.8を超えると、焼
入後の残留オーステナイト量が増加して靭性が逆に悪く
なるばかりでなく、圧延後の冷却過程で過冷組織が発生
し易くなって高強度ばね用鋼としての適性が損なわれ
る。
【0018】尚不可避不純物の中にはOやNが含まれる
が、特に高強度懸架ばねの疲労では従来材以上に介在物
感受性が大きく表われるので、OやNの含有量は極力少
なくすることが望ましい。
【0019】従来のJIS SUP7等の成分鋼では、
焼戻温度を低温側にすることによって焼入焼戻し後の引
張強さを高めることが可能であるが、この方法で引張強
さを200kgf/mm2 以上にすると素材の靭性が大幅に劣
化し、ばね用素材としては適さなくなる。そのため従来
は190kgf/mm2 以下の強度レベルを許容せざるを得な
いのが実情であった。しかし、自動車の軽量化等を推進
するには懸架ばね等の高強度化が不可欠の要件であり、
200kgf/mm2 以上の引張強度が要求されつつある。
【0020】しかも引張強さが200kgf/mm2 以上の高
強度鋼になると、特に水素脆化による粒界破壊が発生し
やすくなる。他の高強度ボルト鋼などに見られるように
強度が120kgf/mm2 以上になると遅れ破壊など水素脆
化が発生しやすくなることは以前から報告されており、
ばねの疲労においても高強度になるにつれて水分などの
環境下で水素脆化による粒界破壊が起こり疲労寿命を大
幅に低下させる。
【0021】本発明の高強度ばね用鋼は、含有元素の種
類およびそれらの含有率を上記の様に特定することによ
って、焼入焼戻し後の硬さがHRC53以上を示し20
0kgf/mm2 レベル以上の引張強度を発揮する。しかも本
発明鋼はこのような高強度を有しているにもかかわらず
優れた靭性を示し、また特にMn,Cr,Niの含有量
を特定することによって水素脆化等による遅れ破壊が抑
制されると共に疲労寿命等も著しく改善することができ
る。
【0022】また従来、架橋ばね等の製造工程中の焼入
処理は、焼割れ等の発生を回避するために油焼入が行な
われており、通常のばね用成分鋼に合金元素を多量に添
加したものについてこの様な焼入処理を施すと一部残留
オーステナイトが残留して高強度化の障害となる。従っ
て高強度化に主眼をおく場合には合金元素の多量添加は
極力避けるべきであるが、本発明のばね用鋼は前述の如
く合金元素をいずれも少なめに抑えているので、焼入処
理後の残留オーステナイト量も少なく、高強度化を達成
することができるのである。
【0023】この様に本発明ではC,Si,Mn,N
i,Cr,Cu,V等の含有率を規定すると共に、特に
「1.5×Mn+Cr+Ni」の量を特定することによ
って、200kgf/mm2 以上の高強度を示し、且つばね用
鋼として重要な耐遅れ破壊性、耐へたり性、耐疲労特性
等に優れた高強度ばね用鋼を得ることができる。
【0024】
【実施例】次に実施例を挙げて本発明を具体的に説明す
るが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受け
るものではない。表1に示すNo.1〜No.16の鋼
材を溶製した後、鍛造によって115mm角のビレットを
製作し、線材圧延により12.5mmφの線径まで圧延し
た後、12mmφまで伸線加工した。この伸線材を長さ3
00mmに切断してから焼入焼戻し処理を行った。焼入れ
は加熱温度で950℃で油焼入れし、焼戻温度は420
℃とした。焼入焼戻し後の引張試験結果を表2に示す。
また高強度懸架ばねでは腐食環境下での機械的性質が問
題になるので、水素脆化性を評価する目的で5%食塩中
での遅れ破壊試験を行った。尚この試験では環状切欠き
付き試験片を使用し、荷重引張方式で試験を行った。更
に供試材を10mmに圧延後引抜き加工を施して9mmφに
した後、通常の方法でばねを製作し、さらにショットピ
ーニング加工およびセッチング加工を施したばねサンプ
ルについて疲労試験を行ない、結果を表2に併記した。
【0025】
【表1】
【0026】
【表2】
【0027】表1,2においてNo.1〜6は本発明の
規定要件を満たす実施例であり、疲労特性、引張強さ、
遅れ割れ破壊特性のいずれにおいても良好な結果が得ら
れている。これに対しNo.7〜16はいずれかの規定
要件を欠如する比較例であり、以下に示す如く引張強
さ、疲労特性、遅れ破壊特性のいずれかが不良である。
【0028】No.7:X値(=1.5×Mn%+Ni
%+Cr%)が規定範囲を外れるため、引張強さは良好
であるが疲労特性が悪い。 No.8:C量が不足するため引張強さが200kgf/mm
2 に達しておらず、また疲労特性も悪い。 No.9:C量が多過ぎるため絞り値が極端に低く、疲
労特性及び遅れ破壊強度も乏しい。 No.10:Si量が不足するため十分な引張強さが得
られない。 No.11, 12:X値が規定範囲を超えるほか、Mn
量も規定範囲を外れているため絞り値が低く、満足な疲
労特性が得られない。しかも遅れ破壊特性も不十分であ
る。 No.13:X値が小さ過ぎると共にCr量も不足する
ため引張強度が不足する。 No.14:X値およびCr量が多過ぎるため特に絞り
値が低く、疲労特性に欠ける。 No.15:V量が多過ぎるため絞り値が低く疲労特性
が悪い。また遅れ破壊強度も劣悪である。 No.16:Mo量が多過ぎるため、絞り値および疲労
特性が不十分である。
【0029】
【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、鋼
材の成分組成を特定することによって靭性、遅れ破壊
性、耐へたり性、疲労特性等を損なうことなく焼入焼戻
し後の硬さを高めることができ、200kgf/mm2 レベル
以上の引張強さを備えた高性能のばね用鋼を提供し得る
ことになった。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−216951(JP,A) 特開 昭62−274058(JP,A) 特公 昭64−4578(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 38/00 301 C22C 38/46

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%でC:0.50〜0.70%、S
    i:1.5〜2.0%、Mn:0.2〜0.60%、N
    i:0.5%未満、Cr:0.5〜1.2%、Cu:
    0.1〜0.5%、V:0.05〜0.5%を含有し、
    且つ1.5×Mn+Cr+Ni≦1.8の条件を満足し
    残部鉄および不可避不純物よりなり、焼入焼戻し後の硬
    さがHRC53以上であることを特徴とする高強度ばね
    用鋼。
  2. 【請求項2】 更に他の成分としてNb:0.05〜
    0.5%及び/もしくはMo:0.05〜0.5%を含
    有する請求項1記載の高強度ばね用鋼。
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