JPH07179936A

JPH07179936A - 熱へたり性に優れた薄板ばね用鋼

Info

Publication number: JPH07179936A
Application number: JP34767093A
Authority: JP
Inventors: Yatsuka Takada; 八束高田; Manabu Watanabe; 学渡辺; Atsushi Sugimoto; 淳杉本; Masaaki Mikura; 正明見倉
Original assignee: Chuo Hatsujo KK; Chuo Spring Co Ltd; Aichi Steel Corp
Current assignee: Chuo Hatsujo KK; Chuo Spring Co Ltd; Aichi Steel Corp
Priority date: 1993-12-24
Filing date: 1993-12-24
Publication date: 1995-07-18

Abstract

(57)【要約】【構成】重量比にしてC:0.40〜0.70% 、Si:0.15 〜0.
35% 、Mn:0.70 〜1.50%、Cr:0.80 〜1.50% 、Al:0.010
〜0.050%、V:0.05〜0.50% 、N:0.01〜0.03% を含有し、
残部がFe及び不純物元素からなる鋼を820 〜950 ℃に加
熱してオーステナイト化した後、320 〜400 ℃の温度で
オーステンパー処理を施し、その後330 〜450 ℃かつ前
記オーステンパー処理温度より10℃以上高い温度にて焼
もどしを施した鋼であって、組織が焼もどしベイナイト
組織からなることを特徴とする熱へたり性に優れた薄板
ばね用鋼。【効果】熱処理歪を小さく抑えつつ、優れた熱へたり
性を有する薄板ばねの製造が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱へたり性に優れ、か
つ熱処理歪を大幅に低減できる薄板ばね用鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄板ばねは自動車、各種機械等様々な用
途に用いられている。従来薄板ばね用の材料としては、
炭素工具鋼の１つであるＳＫ５が多く用いられており、
このＳＫ５を用いて所定のばね形状に加工し、加熱して
オーステナイト化した後ソルト液に投入し、 300〜400
℃に急冷することによりオーステンパー処理を施した
り、焼入焼もどしを行ったりして製造されている。そし
て、オーステンパ処理温度や焼もどし温度を変化させる
ことにより目標とする機械的特性に調整されている。

【０００３】最近、他の部品と同様に薄板ばねに関して
も、様々な面で要求が非常に厳しくなってきている。特
に、使用環境の面で、自動車エンジン部品等使用中に温
度がかなり上昇するような部位への薄板ばねの適用も多
く、この場合には、ばねに常時負荷されている力によっ
て時間とともにばね形状が変化するというへたり現象が
常温に比べ顕著になるため、熱へたり性の優れたばね用
鋼の開発が望まれていた。

【０００４】ばねの使用中に生じるへたり現象を抑制す
るための材料開発は昭和50年代から活発に行われてお
り、懸架用コイルばねや、自動車エンジンの弁ばね等の
材料では各種の新しい材料が開発され、特許出願も行わ
れている。しかしながら、今まで示されている材料はへ
たり現象を重視したものであるため、改善のための方策
は成分の適正化であって、熱処理については従来と同じ
焼入焼もどし処理が施されるものであった。

【０００５】しかし、薄板ばねに関しては、寸法精度の
要求が非常に厳しいため、焼入焼もどし処理では熱処理
歪が非常に大きくなり、厳しい寸法精度の要求を満足す
ることは出来ず、現状では部材を拘束して熱処理するこ
とにより対応している。しかし、この拘束して熱処理す
ることは非常に工数がかかるため、製造上大きな問題と
なっていた。

【０００６】また、前記したSK5 を使用した場合、焼入
焼もどし材では、熱へたり性が若干劣ることに加え、熱
処理歪の点で問題があり、オーステンパー材では熱へた
り性が大きく劣るという問題を有していた。

【０００７】前記課題に対し、本出願人は、特開平5-17
9398号、特開平5-179399号公報に記載の発明を既に出願
している。この公報に記載された発明は、Mn、Crを適量
添加して焼入性を確保し、V 、N の添加により結晶粒微
細化を図った鋼を、オーステンパー処理することを特徴
とするもので、従来に比べ熱へたり性に優れ、熱処理歪
も著しく改善できるものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記公報に記載された
薄板ばね用鋼は、従来鋼であるSK5 に比べ著しく熱へた
り性を改善し、熱処理歪も小さく抑えることができる。
しかし、最近、薄板ばねに対する熱へたり性向上の要求
が一層厳しくなってきており、前記公報に記載した発明
よりさらに優れた熱へたり性を有し、かつ前記公報の発
明と同様に熱処理時に部材を拘束する必要のない新しい
鋼の開発が強く望まれていた。本発明は、前記課題を解
決し、前記公報の鋼に比べさらに熱へたり性が優れ、熱
処理歪については同等以下に抑えることのできる薄板ば
ね用鋼を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、従来鋼の
前記のごとき欠点に鑑み、優れた熱へたり性を確保し、
かつ熱処理歪を低減できる成分系及び熱処理方法を見出
すために鋭意研究を重ねた結果、完成に至ったものであ
り、下記に示す新たな知見に基づくものである。

【００１０】本発明者等は、熱処理歪を改善するために
は、焼入焼もどし処理では困難であると考え、前記公報
に記載の発明と同様に、オーステンパー処理を採用し、
オーステンパー処理によって優れた熱へたり性を得るた
めに最適な成分系について詳しく調査するとともに、オ
ーステンパー処理条件についても再度見直しを行った。

【００１１】その結果、以下の〜の構成の組合せに
よる効果により、前記公報に記載の発明に比べさらに優
れた熱へたり性を確保しつつ熱処理歪を同等以下の大き
さに低減できることを見出した。 Mn、Crを適量添加して焼入性を付与することにより、
オーステンパー処理時にフェライト・パーライト変態を
起こすことなく均一なベイナイト組織を得る。単なるオーステンパー処理だけでなく、その後に前記
オーステンパー処理温度より10℃以上高い温度で焼もど
し処理を施す。 V 、Al、N を適量添加し、オーステンパー処理及び焼
もどし処理によって微細な炭窒化物を析出させて、熱へ
たり性を改善させる。

【００１２】本発明の特徴は、オーステンパー処理後に
優れた機械的特性の得られる成分系を見出した事、単な
るオーステンパー処理だけでなく、その後に焼もどし処
理をオーステンパー処理温度より高い温度によって行う
ことによって、焼もどしを施さない場合に比べ熱へたり
性が著しく改善し、熱処理歪も小さく抑えることができ
ることを見出したことにある。

【００１３】すなわち、本発明である熱へたり性に優れ
た薄板ばね用鋼は、重量比にしてC:0.40〜0.70% 、Si:
0.15 〜0.35% 、Mn:0.70 〜1.50% 、Cr:0.80 〜1.50%
、Al:0.010〜0.050%、V:0.05〜0.50% 、N:0.010 〜0.0
30%を含有し、残部がFe及び不純物元素からなる鋼を820
〜950 ℃に加熱してオーステナイト化した後、320 〜4
00 ℃の温度でオーステンパー処理を施し、その後330
〜450 ℃であり、かつ前記オーステンパー処理温度より
10℃以上高い温度にて焼もどしを施した鋼であって、組
織が焼もどしベイナイト組織からなることを特徴とす
る。

【００１４】以下に本発明である熱へたり性に優れた薄
板ばね用鋼の成分限定理由について説明する。 C:0.40〜0.70% C はばね鋼として必要な強度を確保するために必須の元
素であり、0.40% 以上の含有が必要である。しかしなが
ら、多量に含有させると、熱処理後にオーステナイトが
残留し、熱へたり性が低下するため、上限を0.70% とし
た。

【００１５】Si:0.15 〜0.35% Siは、製鋼時に脱酸のために必要な元素であり、その効
果を得るために0.15%以上の添加が必要である。しか
し、多量に含有させると、打ち抜き、曲げ等所定形状へ
の加工を容易にするために行われる焼鈍によって硬さが
十分に下がらなくなり、焼鈍後の加工が困難になる。ま
た、Siは焼入焼もどしを行う場合には耐へたり性を向上
する元素として知られているが、本発明のようにオース
テンパーを行う場合には、熱処理後にオーステナイトが
残留して熱へたり性が低下するため、上限を0.35% とし
た。

【００１６】Mn:0.70 〜1.50% Mnは、必要な焼入性を確保するための元素であり、オー
ステンパー処理時に、オーステンパー処理温度までの冷
却途中でフェライト・パーライト変態、ベイナイト変態
が起きないようにし、オーステンパー処理温度での保持
中に全ての変態を完了させて均一なベイナイト組織を得
るために必要な元素である。従って、最低でも0.70% 以
上の含有が必要である。しかし、多量に含有させると熱
処理後にオーステナイトが残留し、熱へたり性が低下す
るので、上限を1.50% とした。

【００１７】Cr:0.80 〜1.50% CrはMnと同様に必要な焼入性を確保し、均一なベイナイ
ト組織を得るために不可欠な元素である。従って、最低
でも0.80% の含有が必要である。しかし多量に含有させ
ると、所定形状に加工する前の焼鈍による硬さが上昇す
るため、上限を1.50% とした。

【００１８】Al:0.010〜0.050% Alは脱酸のために必要な元素であるとともに、AlN の析
出により結晶粒微細化を図って熱へたり性を改善するた
めに必要な元素である。従って、0.010%以上の含有が必
要である。しかし、多量に含有させても効果が飽和する
とともに、巨大介在物が析出して疲労特性が低下するた
め、上限を0.050%とした。

【００１９】V:0.05〜0.50% V は、結晶粒微細化に効果があるとともに、熱処理後に
炭窒化物となって微細に析出し、析出強化によって熱へ
たり性を改善する効果がある。従って、最低でも0.05%
以上の含有が必要である。しかし、多量に含有させても
前記効果が飽和するとともに、巨大な炭窒化物が生成し
て疲労特性が低下するため、上限を0.50% とした。

【００２０】N:0.010 〜0.030% N はAl、V と結びついて炭窒化物を形成し、この炭窒化
物によって結晶粒微細化、析出強化により、熱へたり性
向上に効果のある元素である。N は特に添加しなくても
溶解時に空気中から混入して不純物として含有するが、
本発明では製鋼時に積極的に添加することが必要であ
り、下限値を0.010%とした。しかし、多量に含有させて
も効果が飽和するとともに、溶鋼を冷却する際にN₂ガス
が発生して材料内部に欠陥を生じる可能性があるので、
上限を0.030%とした。

【００２１】次に本発明鋼の熱処理条件の限定理由につ
いて以下に説明する。オーステナイト化温度を 820〜95
0 ℃としたのは、820 ℃未満ではオーステナイト１相の
状態が得られない恐れがあるためであり、950 ℃を超え
ると、結晶粒が粗大化し、熱へたり性が低下するためで
ある。

【００２２】オーステンパー処理温度を 320〜400 ℃と
したのは、320 ℃未満ではベイナイト変態終了に要する
時間が長くなり、熱処理時間が長くなって製造上問題が
あるためであり、400 ℃を超えると、熱処理後の硬さが
低くなって、必要とする強度が得られなくなるためであ
る。

【００２３】焼もどし処理は、本発明において熱へたり
性を向上するために必須の工程である。そしてその処理
温度の下限値を330 ℃としたのは、オーステンパー処理
温度より10℃以上高い温度で焼もどししないと、熱へた
り性向上効果が得られないため、オーステンパー温度の
下限値より10℃高めに設定したものであり、上限を450
℃としたのは、450 ℃を越えると、硬さが低下して必要
な強度が得られなくなるためである。

【００２４】本発明は薄板ばねに適用されるものである
ため、本発明で示した熱処理を施す前に、所定のばね形
状に加工することが必要となる。この加工は、溶解後熱
間圧延、冷間圧延等により所定の厚さまで加工され、必
要に応じて焼鈍を行った後、プレス等を用いて打ち抜
き、曲げ等の冷間加工により行われる。しかし、本発明
は前記工程の内容に関係なく、前記した成分の鋼に前記
の熱処理を施すことにより優れた熱へたり性を確保する
ことができるものである。

【００２５】

【作用】本発明の熱へたり性に優れた薄板ばね用鋼は、
Mn、Crの添加により必要な焼入性を確保し、V 、Al、N
を添加して炭窒化物の析出により析出強化と結晶粒微細
化を図った鋼を、オーステンパー処理し、オーステンパ
ー処理温度より高い温度で焼もどしを施したことによっ
て、優れた熱へたり性を得つつ、熱処理後の歪を小さく
抑えることができた。

【００２６】

【実施例】次に本発明鋼の特徴を、比較鋼、従来鋼と比
較して、実施例でもって明らかにする。表１、２に供試
材の化学成分及び試験結果を示す。なお、表１は成分が
本発明の条件を満足する実施例、表２は成分が本発明の
条件を満足しない実施例である。表１のうち、No.1〜10
は本発明の実施例であり、No.11 〜18は熱処理条件が本
発明の条件を満足しない比較例である。また、表２のう
ち、No.19 〜28は熱処理条件は本発明の範囲内である
が、成分が本発明の条件を満足しない実施例であり、こ
のうちNo.28 は JIS鋼であるSK5 を用いた例である。N
o.29 、30はJIS 鋼であるSK5 に従来の熱処理を施した
例であり、29は焼入焼もどしを施したもの、30はオース
テンパー処理を施したものである。

【００２７】表１、２に示す成分を有する供試鋼を30kg
真空誘導電気炉にて溶解し、鍛伸、機械加工によってト
ーションスプリングを作製し、前記表に示す条件で熱処
理を行い、熱処理後の歪と熱へたり性について評価し
た。熱処理後の歪については、熱処理後のトーションス
プリングを平坦な板の上に置いた時の合口の高さの差を
平坦度と定義し、この平坦度を求めることによって評価
した。熱処理前の状態では機械加工によって加工してい
るため、合口の高さの差はほぼ0 となっているが、熱処
理により歪が発生し、歪の程度が大きくなるほど、差が
大きくなり、平坦度も大きくなる。

【００２８】熱へたり性については、熱処理歪の評価に
用いたトーションスプリングと同じものを使用し、試験
前に合口を所定の間隔(L₀)に広げるのに必要な荷重を測
定しておき、その後合口を所定の幅(L₁)に広げた状態で
固定して 150℃の温度で96時間放置し、その後再度試験
前と同じ方法で荷重を測定し、試験前の荷重に対する荷
重減少率を求めることにより評価した。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】表１、２から明らかなように、熱処理条件
が本発明の範囲外の比較例であるNo.11 〜18を本発明の
実施例であるNo.1〜10と比較すると、11、12はオーステ
ナイト化温度、13、14はオーステンパー温度が本発明の
条件を満足しないため、熱へたり性が大きく劣るもので
あり、15は焼もどし温度が高いため強度が低下して熱へ
たり性が劣るものである。16は焼もどし温度が低いた
め、焼もどしによる熱へたり性向上効果が不十分となっ
た例であり、17は焼もどし処理を全く施さないため、熱
へたり性向上効果が全く得られなかったものである。18
はオーステンパー処理を行わずに焼入焼もどしを行った
例であるが、この場合には、熱へたり性は本発明と大き
く相違しないが、熱処理歪の点で大きく劣るものであ
る。

【００３２】次に成分が本発明の範囲外の比較例のうち
No.19 〜27を本発明と比較すると、24を除き、それぞれ
一部の成分が範囲外であるために、熱へたり性が本発明
のものに比べ劣るものであり、24はCr含有率が高いた
め、表１に示す結果については本発明と同等であるが、
焼鈍硬さが上昇し、打抜き加工が困難になったものであ
る。JIS 鋼SK5 に本発明の方法で熱処理を施した比較例
であるNo.28 についても、優れた熱へたり性を得るのに
適切な成分でないために、熱へたり性が劣るものであ
る。

【００３３】また、従来例であるNo.29 、30は、平坦
度、熱へたり性のいずれか一方が本発明に比べ著しく劣
るものである。これに対し、本発明は、No.1〜10の実施
例に示されるように、熱処理歪を製造上問題のない低い
値に抑えつつ、優れた熱へたり性が得られることが確認
できた。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明である熱へ
たり性に優れた薄板ばね用鋼は、成分をオーステンパー
処理に適した範囲に調整し、オーステンパー処理後にオ
ーステンパー処理温度より10℃以上高い温度にて焼もど
しを行うことによって、熱処理歪を小さく抑えつつ、優
れた熱へたり性を確保することができた。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者杉本淳愛知県東海市荒尾町ワノ割１番地愛知製鋼株式会社内 (72)発明者見倉正明愛知県西加茂郡三好町大字福田字宮下四三番地の一中央発條株式会社技術センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比にしてC:0.40〜0.70% 、Si:0.15
〜0.35% 、Mn:0.70〜1.50% 、Cr:0.80 〜1.50% 、Al:0.
010〜0.050%、V:0.05〜0.50% 、N:0.010 〜0.030%を含
有し、残部がFe及び不純物元素からなる鋼を820 〜950
℃に加熱してオーステナイト化した後、320 〜400 ℃の
温度でオーステンパー処理を施し、その後330 〜450 ℃
かつ前記オーステンパー処理温度より10℃以上高い温度
にて焼もどしを施した鋼であって、組織が焼もどしベイ
ナイト組織からなることを特徴とする熱へたり性に優れ
た薄板ばね用鋼。