JPH0559431A

JPH0559431A - 耐遅れ破壊性に優れた高応力ばねの製造方法

Info

Publication number: JPH0559431A
Application number: JP6498291A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Sato; 武史佐藤; Yutaka Ogawa; 裕小川; Fukukazu Nakazato; 福和中里
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1991-03-28
Filing date: 1991-03-28
Publication date: 1993-03-09

Abstract

(57)【要約】【目的】引張り強さが 170 kgf/mm²以上で、しかも耐遅
れ破壊性および耐久性にも優れたばねの製造。【構成】下記 (イ)の化学組成を持つ鋼を素材として、ば
ね加工の際に(ロ)の工程で加工、熱処理する。 (イ) 重量％で、Ｃ: 0.45〜0.80％、Si: 0.50％以下、M
n: 0.20〜0.50％、Cr: 0.10〜2.00％、Mo: 0.05〜0.80
％、さらにNb:0.005〜0.200 ％、Ｖ: 0.05〜0.50％、A
l:0.005〜0.100 ％、Ｎ:0.003〜0.030 ％の中の１種以
上を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなり、
不純物のＰが 0.015％以下、Ｓが0.010 ％以下である鋼
を、 (ロ) 800〜1000℃に加熱し、圧下率10％以上で熱間加工
し、再結晶させた後、焼入れ、焼もどしを施す。【効果】車両等のばねの軽量化と寿命延長に寄与する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、自動車等の車両や建
設機械等に使用される高応力ばね、特に、耐遅れ破壊性
と耐久性に優れた高応力ばねの製造方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年、エネルギー節減と環境汚染防止の
観点から乗用車、トラック等の軽量化の要求が強くな
り、その手段として構造物品の一つである「ばね」につ
いても軽量化のための高応力設計が検討されている。そ
のためには、ばねの高強度化が必要であり、具体的には
従来の引張り強さ 130〜140 kgf/mm²級から最近では17
0kgf/mm² 以上の強度を有するばねが要求されている。

【０００３】このような高応力化の要求に対して、従来
のJIS G 4801のSUP 9 あるいは SUP11A を用い、焼戻し
温度を低くして引張り強さを増すという対策があるが、
それだけでは靱性が低く、疲れ強さが伴わないため耐久
性が悪くなるという問題がある。そこで、最近、焼入れ
性に優れ高強度化が可能な JIS G4801のSUP 10を用い、
高応力ばねが開発されたが、高強度化に伴って遅れ破壊
が新たな問題として提起されている。

【０００４】遅れ破壊とは静荷重下に置かれた鋼がある
時間経過後、突然脆性的に破壊する現象であり、外部環
境から鋼中に侵入した水素による水素脆性が原因とされ
ている。その破壊形態は旧オーステナイト粒界に沿った
粒界破壊である。この遅れ破壊の防止は、ボルト用鋼、
ＰＣ鋼棒等の高強度鋼では従来から検討されており、粒
界に偏析、または析出して粒界の強度低下の原因となる
Ｐ、Ｓなどの不純物元素の低減という対策が採られてい
る。しかし、ボルト用鋼は、引張り強さが高々150 kgf/
mm²程度であるのに対し、ばね用鋼は、前述のとおり 1
70 kgf/mm²以上と極めて高強度が要求され、更に、ばね
には使用中に繰り返し応力が加わるなどボルト用鋼やＰ
Ｃ鋼棒とは使用条件が異なり、一層過酷である。従っ
て、上記Ｐ、Ｓなどの不純物低減のみでは需要家の要求
に応える耐遅れ破壊性を備えた高強度のばね用鋼は得ら
れない。

【０００５】特開昭57−169062号公報には耐遅れ破壊性
に優れた高応力ばね鋼が開示されている。しかし、この
鋼はSiが 1.0〜2.5 ％と高いため疲労特性が劣り耐久性
が不十分である。また、特開昭63−274739号公報には焼
入性、耐久性の優れたばね用鋼が提案されているが、こ
の鋼は、Ｐ、Ｓといった不純物についての配慮がなく、
またMnが0.90〜1.50％と高いため耐遅れ破壊性の面で問
題が残されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、 170 kgf/m
m²以上の引張り強さを有しながら、耐遅れ破壊性および
耐久性にも優れたばねの製造方法を提供することを課題
としてなされたものであり、具体的には素材となるばね
用鋼の化学組成と、ばね加工の際の加工、熱処理条件を
最適に選んだばねの製造方法を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、下記 (イ)の化
学組成を持つ鋼を素材とし、ばね加工の際に下記(ロ)の
工程で加工、熱処理することを特徴とする 170 kgf/mm²
以上の引張り強さを有する耐遅れ破壊性に優れた高応力
ばねの製造方法を要旨とする。

【０００８】(イ) 重量％で、Ｃ: 0.45〜0.80％、Si: 0.
50％以下、Mn: 0.20〜0.50％、Cr:0.10〜2.00％、Mo:
0.05〜0.80％、さらにNb:0.005〜0.200 ％、Ｖ: 0.05〜
0.50％、Al:0.005〜0.100 ％、Ｎ:0.003〜0.030 ％の中
の１種以上を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物か
らなり、不純物のＰが 0.015％以下、Ｓが0.010 ％以下
である鋼を素材として、(ロ) ばね加工の際に 800〜1000
℃に加熱し、圧下率10％以上で熱間加工し、再結晶させ
た後、焼入れ、焼戻しを施す。

【０００９】本発明は、素材鋼の合金成分の種類とそれ
らの含有量を上記のように選定したこと、およびその鋼
を使用してばね加工を行う際の加工、熱処理の最適条件
を定めたことの総合的な効果として後述の優れた効果を
奏するのであるが、本発明の基礎となった主な知見を述
べれば次のとおりである。

【００１０】不純物のＰおよびＳを低く抑え、かつ
Mn含有量を適正範囲に調整した上、Moを添加することに
より、遅れ破壊の助長要因となる粒界へのＰ、Ｓの偏析
は著しく軽減される。

【００１１】 Nb、Ｖ、Alおよび、Ｎの中の１種以上
を添加することにより結晶粒が微細化し、耐久性が向上
する。

【００１２】最近、ばねの高強度化のために、ばね
の加工工程に改良オースフォーム処理、即ち、安定オー
ステナイト域で熱間加工し、その加工の影響が消えない
うちに（再結晶しないうちに）焼入れを施し、その後焼
戻しを行う加工方法が採り入れられている。この方法で
製造した鋼材は、強度は高いが靱性あるいは耐遅れ破壊
性が不十分である。ところが、安定オーステナイト域で
熱間加工の後、再結晶させてから焼入れ、焼戻しの処理
を行えば、結晶粒界へのＰ、Ｓの偏析が軽減され、強度
が高く、しかも耐遅れ破壊性および耐久性にも優れたば
ねが得られる。

【００１３】

【作用】まず本発明方法の素材となる鋼の合金成分の作
用とそれらの含有量の限定理由を説明する。なお、合金
成分の含有量に関する％は、すべて重量％である。

【００１４】Ｃ: 0.45〜0.80％Ｃは鋼の強度を確保するために必須の成分であり、しか
も結晶粒の微細化にも有効な成分である。その含有量が
0.45％未満では高応力ばねとしての強度が得らない。一
方、Ｃが0.80％を超えると基地に固溶するＣ量が飽和し
て強度増加には付与せず、粗大な炭化物が生成し、靱性
劣化を招く。

【００１５】Si: 0.50％以下 Siは鋼の脱酸剤として添加される。しかし、過剰のSiは
鋼の靱性を劣化させ、耐久性を著しく低下させるから、
Siは0.50％までにとどめるのがよい。

【００１６】Mn: 0.20〜0.50％ Mnは鋼の焼入れ性を向上させ、強度、靱性を確保するの
に有効な元素である。

【００１７】その含有量が0.20％未満では所望の強度、
靱性を確保することができない。一方、MnはＳと結合
し、粒界に微細析出し、粒界強度を低下させる。後述す
るようにＳ、Ｐを低く抑えてもMn含有量が0.50％を超え
ると170 kgf/mm²以上の高強度を有するばねでは優れた
耐遅れ破壊性が得られない。従って、Mn含有量の適正範
囲は0.20〜0.50％である。

【００１８】Cr: 0.10〜2.0 ％ Crは鋼の焼入性を向上させ、焼戻し軟化抵抗を付与して
170 kgf/mm²以上の引張り強さを得るのに有効な元素で
ある。また、鋼の表面に耐食性に優れた皮膜を形成する
ことにより、外部から鋼中への水素侵入を抑制すること
で耐遅れ破壊性を向上させる。しかし、その含有量が0.
10％未満では前述した外部から鋼中への水素侵入を抑制
することができず、一方、Cr含有量が 2.0％を超えると
炭化物の増加により靱性の劣化をきたすから、その含有
量を0.10〜2.0 ％とした。

【００１９】Mo: 0.05〜0.80％ MoはCrと同様に鋼の焼入れ性を向上させ、かつ焼戻し軟
化抵抗を高める。また、耐食性を向上させる。更にＰの
粒界偏析を抑制する作用をもち、耐遅れ破壊性を向上さ
せるが、その含有量が0.05％未満ではＰの粒界偏析を抑
制する効果が乏しい。一方、0.80％を超えて含有させて
も効果は飽和し、材料コストが上昇するだけであるた
め、その含有量の範囲を0.05〜0.80％とした。

【００２０】上記の基本成分に加えて、Nb、Ｖ、Alおよ
びＮの１種以上を含むのが本発明素材鋼の特徴の一つで
ある。

【００２１】Nb: 0.005〜0.20％ Nbは鋼の強度、靱性の向上と、結晶粒微細化の効果を有
し、特に低Ｐ、低Ｓおよび低Mnの清浄鋼においては耐遅
れ破壊性を著しく改善する。その効果を確保するために
は、Nb含有量は 0.005％以上となるよう添加する必要が
ある。一方、含有量が0.20％を超えてもその効果は飽和
し、コスト高を招くだけである。

【００２２】Ｖ: 0.05〜0.50％Ｖは鋼を細粒化し、あるいは析出硬化によって鋼の強度
を向上させる作用があるので、より高い強度が要求され
る場合に必要に応じて添加すればよい。その含有量が0.
05％未満では高強度化の効果は得られず、一方、0.50％
を超えて含有させてもその効果は飽和してしまう。

【００２３】Al: 0.005〜0.100 ％ Alは鋼の結晶粒の粗大化を抑制する効果がある。0.005
％未満の含有量ではそのその作用は不十分であるが、0.
100 ％を超えるとその効果は飽和する。

【００２４】Ｎ: 0.003〜0.030 ％Ｎも 0.003％以上の含有量でAlと同様に鋼の結晶粒度の
粗大化を抑制する効果をもつが、その含有量が 0.030％
を超えるとその効果は飽和する。

【００２５】前述のとおり、不純物としてのＰおよびＳ
を低く抑えることも本発明の素材鋼の大きな特徴であ
る。

【００２６】Ｐ: 0.015 ％以下Ｐは粒界に偏析し、粒界強度を低下させる。引張り強さ
170 kgf/mm²以上の高強度材での耐遅れ破壊性向上のた
めには、MnとＳを下げるだけでなくＰを0.015％以下に
抑えることが必要である。好ましいのは 0.009％以下で
ある。

【００２７】Ｓ: 0.010 ％以下ＳはMnと結合し、粒界に微細析出し、粒界強度を低下さ
せる。特に、170 kgf/mm²以上の高強度材の場合、Ｐの
低減と同時にＳを0.010 ％以下に抑え、粒界への微細析
出を抑制することが必要である。0.007 ％以下に抑える
のが一層望ましい。

【００２８】次に、ばね加工工程における加工、熱処理
方法について説明する。

【００２９】従来のばね製造方法では、素材となる低合
金鋼の熱延材を加熱して焼入れし、焼戻しするという工
程を採る。先に述べたように、安定オーステナイト域で
熱間加工し、その加工の影響が消えないうちに（再結晶
しないうちに）焼入れを施し、その後焼戻しを行う加工
方法 (改良オースフォーム処理)もあるが、これらの製
造方法では結晶粒界へのＰ、Ｓの偏析やフィルム状炭化
物の析出が避けられず、耐遅れ破壊性の劣るものにな
る。

【００３０】本発明では、これまでに述べた化学組成を
有する鋼をばね加工の際に加熱、熱間加工、再結
晶、焼入れ、焼戻しの工程で処理する。この工程を採
ることによって粒界へのＰ、Ｓの偏析とフィルム状炭化
物の析出が抑制され、均一かつ微細な析出状態となり耐
遅れ破壊性および耐久性が著しく向上する。これらの工
程における処理の諸条件は以下に述べるとおりである。

【００３１】加熱温度： 800〜1000℃ 加工前の加熱温度が1000℃を超えると、結晶粒が粗大化
し、耐遅れ破壊性が低下し、かつ脱炭が顕著となる。ま
た、加熱温度が 800℃より低いと熱間加工終了の温度が
低くなり、必要な焼入れ温度が確保できないため十分な
強さが得られない。

【００３２】熱間加工：圧下率 10 ％以上熱間加工は、所定の製品サイズに加工することと同時
に、結晶粒を微細化して耐遅れ破壊性と耐久性を向上さ
せるために行う。圧下率が10％未満であると加工の効果
が不十分で結晶粒が十分に微細化せず、耐遅れ破壊性お
よび耐久性向上の効果が得られない。なお、圧下率の上
限は素材鋼と製品のサイズとによって定めればよい。

【００３３】再結晶熱間加工後は、十分に再結晶させてから次の焼入れ−焼
戻しの熱処理を行うことが重要である。前記の素材の化
学組成および上記との条件を満足する場合には、例
えば、熱間加工終了後に10秒程度放置 (放冷) すること
によって再結晶させることができる。

【００３４】焼入れ、焼戻し上記のように再結晶させた後、焼入れ、焼戻しの熱処理
を施す。焼入れは 700〜850 ℃の範囲から油焼入れとす
るのが望ましい。焼戻しは 300〜450 ℃で行えばよい。
これによって 170kgf/mm² 以上の強度が確保できる。

【００３５】

【実施例】表１の１および２に示す化学組成の鋼を転炉
で溶製し、通常の連続鋳造または造塊と熱間圧延工程に
より板ばね用素材を作製した。表１の１の鋼 No.１〜14
は本発明で定める組成範囲の鋼であり、表１の２の No.
15〜21は、* を付した合金成分の含有量が本発明で定め
る範囲を外れているものである。

【００３６】上記の素材を表２に示すＡ〜Ｊの条件で加
工し熱処理した。表２の条件Ａ〜Ｆは本発明の条件であ
り、Ｇ〜Ｆは本発明の範囲にない比較のための条件であ
る。

【００３７】いずれも熱処理としては、前記の温度範囲
内で引張り強さが 180〜190 kgf/mm²となるように調整
して焼入れおよび焼戻しを行った。

【００３８】表１の１および２の鋼種と表２の条件を表
３に示すように組合せて製造したばねの引張り強さと、
耐遅れ破壊性および耐久性を調査した。表３にその結果
を併記する。なお、耐遅れ破壊性、および耐久性は実体
ばねを作製して試験に用いた。耐遅れ破壊性はアクスル
シャフトに組み込んだ状態で１ケ月間放置した後の破損
確率で評価した。耐久性は平均応力 75kgf/mm²、応力振
幅 45kgf/mm²、１Hzで疲労試験を行って疲労寿命で評価
し、100 万回を超えるものを耐久性に優れたものと評価
した。それは、従来からの多数の実験で疲労寿命が 100
万回を超える場合には疲労破壊問題が生じていないから
である。

【００３９】表３の試験 No.１〜14は、本発明で定めた
素材鋼と加工、熱処理の条件を満たす実施例である。 N
o.15〜25は、素材または加工、熱処理のいずれかが本発
明の条件を満たさない比較例である。前者はいずれも破
損確率は０％で疲労寿命も 100万回を超えている。即
ち、耐遅れ破壊性も耐久性も共に優れている。

【００４０】これに対して比較例には、耐遅れ破壊性、
耐久性の両方が劣るものが多い。例えば、No.16 のよう
に耐久性が優れているものもあるが、それは耐遅れ破壊
性に劣る。逆に、No.18 、20は耐遅れ破壊性は優れる
が、耐久性に乏しい。即ち、高い強度を持ちながら耐遅
れ破壊性と耐久性の両方が優れたばねは得られていな
い。

【００４１】

【表１の１】

【００４２】

【表１の２】

【００４３】

【表２】

【００４４】

【表３】

【００４５】

【発明の効果】本発明方法によれば、引張り強さが 170
kgf/mm²以上で、しかも耐遅れ破壊性および耐久性にも
優れたばねが製造できる。このようなばねは、特に軽量
化を指向する自動車用等の高応力ばねとして極めて有用
である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ: 0.45〜0.80％、Si: 0.50％
以下、Mn: 0.20〜0.50％、Cr: 0.10〜2.0 ％、Mo: 0.05
〜0.80％、さらにNb:0.005〜0.200 ％、Ｖ: 0.05〜0.50
％、Al:0.005〜0.100 ％、Ｎ:0.003〜0.030 ％の中の１
種以上を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からな
り、不純物のＰが 0.015％以下、Ｓが 0.010％以下であ
る鋼を素材として、ばね加工の際に 800〜1000℃に加熱
し、圧下率10％以上で熱間加工し、再結晶させた後、焼
入れ、焼戻しを施すことを特徴とする 170 kgf/mm²以上
の引張り強さを有する耐遅れ破壊性に優れた高応力ばね
の製造方法。