JPH1129839A

JPH1129839A - 高靭性ばね鋼

Info

Publication number: JPH1129839A
Application number: JP3457898A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Hashimura; 雅之橋村; Hiroshi Hagiwara; 博萩原; Toshio Tomono; 俊夫伴野; Takanari Miyaki; 隆成宮木
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-05-12
Filing date: 1998-02-17
Publication date: 1999-02-02
Anticipated expiration: 2018-02-17
Also published as: DE69841971D1; US6406565B1; EP0943697A1; EP0943697A4; KR100304817B1; EP0943697B1; WO1998051834A1; JP3577411B2; KR20000029246A

Abstract

(57)【要約】【課題】高強度においても延性および衝撃値に優れた
ばね用鋼を提供する。とくに引張強度1500 MPa以上の高
強度においても十分な絞りと衝撃値を有するばね鋼を提
供する。【解決手段】重量％において、Ｃ：0.35〜0.85％、Ｓ
ｉ：0.9〜2.5％、Ｍｎ：0.1〜1.2％、Ｃｒ：0.1〜2.0
％、Ｔｉ：0.005〜0.07％、Ｎ：0.001〜0.007％を含
み、Ｔｉ重量％＞４×Ｎ重量％であり、Ｐ：＜0.020
％、Ｓ：＜0.020％に制限して、残部がＦｅと不可避的
不純物からなる鋼を基本鋼とし、さらに、Ｂ、Ｖ、Ｎ
ｂ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕを選択して含有する鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は熱間または冷間でコ
イリングされ、熱処理後に高強度かつ高靭性を有する懸
架ばねに供するばね鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車の高性能化に伴い、ばねも高強度
化され、熱処理後に引張強度150kgf/mm²を越えるような
高強度鋼がばねに供されている。近年では引張強度200k
gf/mm²をこえる鋼も使用されている。その手法としては
特開昭57−32353ではＶ、Ｎｂ、Ｍｏ等の元素を添加す
ることで焼入れで固溶し、焼き戻しで析出する微細炭化
物を生成させ、それによって転位の動きを制限し、耐へ
たり特性を向上させるとしている。

【０００３】しかしばね用材料としてはばねの過酷な使
用環境に耐えうる破壊特性が重要である。特に強度が高
くなれば、衝撃値や延性が低下することはよく知られて
いる。特開昭57−32353で示される衝撃値はＪＩＳ３号
試験片で2.2〜2.8kgf-m/cm²と決して十分な靭性を得ら
れているとはいえなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は熱間または冷
間でコイリングされ、熱処理後に高強度かつ高靭性を有
するばね用の鋼材の提供を課題としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】発明者らは従来のばね鋼
では見られなかった析出物によるオーステナイト粒径の
微細化と破壊を促進しやすいオーステナイト粒界の不純
物を極力低減することによって高強度においても十分な
延性と衝撃値を有する鋼を開発するに至った。

【０００６】すなわち本発明は次に示す鋼材を要旨とす
る。第１発明は重量％において、Ｃ：0.35〜0.85％、Ｓ
ｉ：0.9〜2.5％、Ｍｎ：0.1〜1.2％、Ｃｒ：0.1〜2.0
％、Ｔｉ：0.005〜0.07％、Ｎ：0.001〜0.007％を含
み、Ｔｉ重量％＞４×Ｎ重量％であり、Ｐ＜0.020％、
Ｓ＜0.020％に制限して、残部がＦｅと不可避的不純物
からなることを特徴とする高靭性ばね鋼である。

【０００７】さらに第２発明は重量％において、Ｃ：0.
35〜0.85％、Ｓｉ：0.9〜2.5％、Ｍｎ：0.1〜1.2％、Ｃ
ｒ：0.1〜2.0％、Ｔｉ：0.005〜0.07％、Ｂ：0.0005〜
0.0060％、Ｎ：0.001〜0.007％を含み、Ｔｉ重量％＞４
×Ｎ重量％であり、Ｐ＜0.020％、Ｓ＜0.020％に制限し
て、残部がＦｅと不可避的不純物からなることを特徴と
する高靭性ばね鋼である。

【０００８】第３発明は重量％において、第１発明また
は第２発明に規定した化学成分に、さらにＶ0.05〜0.5
％、Ｎｂ0.01〜0.10％のうち１種ないし２種を含む高靭
性ばね鋼である。

【０００９】第４発明は重量％において、第１発明また
は第２発明に規定した化学成分に、さらにＮｉ0.05〜1.
0％、Ｍｏ0.05〜1.0％のうち１種ないし２種を含む高靭
性ばね鋼である。

【００１０】第５発明は重量％において、第１発明また
は第２発明に規定した化学成分に、Ｖ0.05〜0.5％、Ｎ
ｂ0.01〜0.10％のうち１種ないし２種およびＮｉ0.05〜
1.0％、Ｍｏ0.05〜1.0％のうち１種ないし２種を含む高
靭性ばね鋼である。

【００１１】第６発明は重量％において、第１発明また
は第２発明に規定した化学成分に、さらにＣｕ0.05〜0.
3％を含む高靭性ばね鋼である。

【００１２】第７発明は重量％において、第１発明また
は第２発明に規定した化学成分に、さらにＣｕ0.05〜0.
5％、Ｎｉ0.05〜1.0％を含み、Ｃｕ＞0.3％の場合には
Ｃｕ重量％＜Ｎｉ重量％である高靭性ばね鋼である。

【００１３】第８発明は重量％において、第６発明また
は第７発明に規定した化学成分に、さらにＶ0.05〜0.5
％、Ｎｂ0.01〜0.10％のうち１種ないし２種を含む高靭
性ばね鋼である。

【００１４】第９発明は重量％において、第６発明また
は第７発明に規定した化学成分に、さらにＭｏ0.05〜1.
0％を含む高靭性ばね鋼である。

【００１５】第１０発明は重量％において、第６発明ま
たは第７発明に規定した化学成分に、Ｖ0.05〜0.5％、
Ｎｂ0.01〜0.10％のうち１種ないし２種およびＭｏ0.05
〜1.0％を含む高靭性ばね鋼である。

【００１６】

【発明の実施の形態】発明者は多くの従来の技術に見ら
れるように多量に合金成分を投入することを避けつつ、
焼入れ焼き戻し後に高強度かつ衝撃値の優れる鋼線を発
明するに至った。

【００１７】その詳細を以下に示す。Ｃは鋼材の基本強
度に大きな影響を及ぼす元素であり、十分な強度を得る
ために0.35〜0.85％とした。0.35％未満では十分な強度
を得られず、他の合金元素をさらに多量に投入せざるを
得ず、0.85％をこえると過共析に近くなり、靭性を著し
く低下させる。

【００１８】Ｓｉはばねの強度、硬度と耐へたり性を確
保するために必要な元素であり、少ない場合、必要な強
度、耐へたり性が不足するため、0.9％を下限とした。
また多量に添加しすぎると、材料を硬化させるだけでな
く、脆化する。そこで焼入れ焼き戻し後の脆化を防ぐた
めに2.5％を上限とした。

【００１９】Ｍｎは硬度を十分に得るため、また鋼中に
存在するＳをＭｎＳとして固定し、強度低下を抑制する
ために0.1％を下限とする。またＭｎによる脆化を防止
するために上限を1.2％とした。

【００２０】Ｃｒは耐熱性、焼入れ性を向上させるため
に有効な元素であるが、添加量が多いとコスト増を招く
だけでなく、脆化するために伸線時に割れを生じやすく
する。そこで焼入れ性の確保のために0.1％を下限と
し、脆化が顕著となる2.0％を上限とした。

【００２１】Ｔｉは鋼を硬化させ、強度を向上させる。
しかしその一部は鋼中で窒化物、炭化物として析出す
る。特に窒化物の析出温度は高く、溶鋼中で既に析出し
ている。またその結合力は強く、鋼中のＮを固定するの
に用いる。Ｂを添加する場合にはＢをＢＮとさせないた
めにも、Ｎを十分に固定できるだけ添加する必要があ
る。

【００２２】また析出した窒化物、炭化物、炭窒化物は
オーステナイト粒成長を抑制し、オーステナイト粒径を
微細化する。しかし添加量が多すぎると、それら析出物
が大きくなりすぎ、破壊特性に悪影響を及ぼす。そこで
Ｎを固定し、オーステナイト粒径が微細化できる最低限
の必要添加量0.005％を下限とし、析出物寸法が破壊特
性に悪影響を及ぼさない最大量0.07％を上限とした。

【００２３】Ｂは焼入れ性向上元素として知られてい
る。さらにγ粒界の清浄化に効果がある。すなわち、粒
界に偏析して靭性を低下させるＰ，Ｓ等の元素をＢを添
加することで無害化し、破壊特性を向上させる。その
際、ＢがＮと結合してＢＮを生成するとその効果は失わ
れる。添加量はその効果が明確になる0.0005％を下限と
し、効果が飽和する0.0060%を上限した。

【００２４】ＮはＴｉを添加する鋼ではその大部分がＴ
ｉＮを生成する。生成したＴｉＮはその後のオーステナ
イト化温度においても固溶しない。そのため、炭窒化物
の生成が容易になり、γ粒微細化のピン止め粒子となる
Ｔｉ系析出物の析出サイトになりやすい。

【００２５】そのためばね製造までに施される様々な熱
処理条件で安定的にピン止め粒子を生成することができ
る。このような目的から0.001％以上のＮを添加する。
また粗大なＴｉＮを析出し、破壊特性を損なわない0.00
7％を上限とする。

【００２６】さらにＴｉおよびＮの含有率が重量％でＴ
ｉ％＞４×Ｎ％とする理由は、Ｎは熱処理による強度コ
ントロールが困難であるので、Ｎを確実にＴｉＮとして
析出させる必要がある。ＮをすべてＴｉＮとして固定し
た後、余剰のＴｉでγ粒の微細化に有効な微細炭化物を
形成する必要があることから、実用的にはＴｉ％＞４×
Ｎ％程度が妥当なので、これを規定した。さらにＴｉ添
加で生じた析出物には腐食環境下で侵入してきた水素を
トラップする効果があり、耐水素遅れ破壊特性も向上す
る。

【００２７】Ｐは鋼を硬化させるが、さらに偏析を生
じ、材料を脆化させる。特にγ粒界に偏析したＰは衝撃
値の低下や水素の侵入により遅れ破壊などを引き起こ
す。そのため少ない方がよい。そこで脆化傾向が顕著と
ならないようにＰ＜0.020％と制限した。

【００２８】ＳもＰと同様に鋼中に存在すると鋼を脆化
させる。Ｍｎによって極力その影響を小さくするが、Ｍ
ｎＳも介在物の形態をとるため、破壊特性は低下する。
従って、Ｓも極力少なくすることが望ましく、その悪影
響が顕著とならないようにＳ＜0.020％と制限した。

【００２９】さらにＶ、Ｎｂのうち１種ないし２種を添
加すれば、γ粒微細化効果が相乗されるため、さらに安
定して靭性を高めることができる。しかしその効果はＶ
については0.05％未満では効果がほとんど認められず、
0.5％をこえると粗大な未固溶介在物を生成し、靭性を
低下させる。

【００３０】Ｎｂも同様に0.01％未満では効果がほとん
ど認められず、0.10％をこえると粗大な未固溶介在物を
生成し、靭性を低下させる。さらにＶまたはＮｂの析出
物には腐食環境下で侵入してきた水素をトラップする効
果があり、耐水素遅れ破壊特性も向上する。

【００３１】Ｍｏ0.05〜1.0％を添加することで焼入れ
性を向上させ、熱処理によって安定して高強度化するこ
とができる。焼戻し軟化抵抗に優れ、高温で焼き戻して
も強度が低下しないので、靭性や水素遅れ破壊特性に優
れる。従ってＭｏを添加しない同一強度の鋼と比較した
場合、添加した方が高温で焼き戻せるので、腐食環境下
での破壊特性に優れる。その添加量は0.05％未満では効
果が認められず、1.0％をこえても効果が飽和する。

【００３２】Ｎｉも0.05〜1.0％添加することで焼入れ
性を向上させ、熱処理によって安定して高強度化するこ
とができる。また耐食性を向上させる効果もあり、錆の
発生を抑制し、腐食環境下での破壊特性を向上させる。
その添加量は0.05％未満では効果が認められず、1.0％
をこえても効果が飽和する。

【００３３】Ｃｕについては、Ｃｕを添加することで脱
炭を防止できる。脱炭層はばね加工後に疲労寿命を低下
させるため、極力少なくする努力がなされている。また
脱炭層が深くなった場合にはピーリングとよばれる皮む
き加工によって表層を除去する。またＮｉと同様に耐食
性を向上させる効果もある。

【００３４】したがって、脱炭層を抑制することでばね
の疲労寿命向上やピーリング工程の省略をすることがで
きる。Ｃｕの脱炭抑制効果や耐食性向上効果は0.05％以
上で発揮することができ、後述するようにＮｉを添加し
たとしても0.5％をこえると脆化により圧延きずの原因
となりやすい。そこで下限を0.05％、上限を0.5％とし
た。

【００３５】Ｃｕ添加によって室温における機械的性質
を損なうことはほとんどないが、Ｃｕを0.3％を越えて
添加する場合には熱間延性を劣化させるために圧延時に
ビレット表面に割れを生じる場合がある。

【００３６】そのため圧延時の割れを防止するＮｉ添加
量をＣｕの添加量に応じてＣｕ％＜Ｎｉ％とすることが
重要である。Ｃｕ0.3％以下の範囲では圧延きずが生じ
ないことから、圧延きず防止を目的としてＮｉ添加量を
規制する必要がない。

【００３７】

【実施例】本発明鋼の各成分を表１に、表１の成分の鋼
の引張強度、絞り、衝撃値、Ｔｉ／Ｎ等を表２に示す。
また比較鋼の化学成分を表３に、表３の成分の鋼の引張
強度、絞り、衝撃値、Ｔｉ／Ｎ等を表４に示す。

【００３８】本願発明のほとんどの実施例は200ｔ転炉
によって精錬したものを連続鋳造によってビレットを作
成した。また一部の実施例（実施例５、９、11および4
0）については２ｔ真空溶解炉によって溶解された。

【００３９】転炉溶製材は連続鋳造にて、２ｔ真空溶解
材はインゴットを作成し、これらはいずれもビレットに
分塊圧延された後、焼入れ、焼き戻しされ、各種試験片
に加工された。その詳細を表５に示す。以下では熱処理
条件に関して60℃のオイル焼入れをＯＱ、空冷をＡＣと
記す。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【表２】

【００４２】

【表３】

【００４３】

【表４】

【００４４】

【表５】

【００４５】表２および表４中に示した引張強度、絞り
および衝撃値の測定に用いられた熱処理条件は焼入れ90
0℃×15min→ＯＱ、焼き戻し350℃×30min→ＡＣで、い
ずれの実施例もほぼ1900 MPa程度の引張強度が得られ
る。

【００４６】発明例はいずれの場合も絞り30〜40％の範
囲の十分な延性を有し、衝撃値も4.0 kgf-m/cm²以上の
高い水準であることが確認された。それに対して比較例
(実施例37〜49)の絞りおよび衝撃値は大きくともそれぞ
れ約30％と約 3.0kgf-m/cm²となり、発明例に比べて明
らかに低かった。

【００４７】なおＣｕの影響を示した比較例50、51およ
び59については、Ｎｉとの組み合わせを本発明範囲外と
するかＣｕ単独の添加量を本発明範囲外として添加した
ために熱間延性が低下し、圧延時に表面に網目状のクラ
ックを生じてばね鋼としての品質が低下したので機械的
性質の評価を中止した。

【００４８】さらに実施例１、11、19、30、42および48
については異なる強度における絞りを測定した。その結
果を図１に示す。発明例（実施例１、11、19および30）
は1600〜2200 MPaでは強度が異なっても絞りは33〜38％
の範囲で安定していた。しかし比較例（実施例42および
48）は高強度になると絞りが徐々に低下し、かつ最高の
絞りでも約30％と発明例に比べて低かった。

【００４９】図２には実施例１、５、13、19、23、42お
よび48の各硬度における衝撃値を比較した例を示す。熱
処理条件は表５に示した条件で、焼き戻し温度によって
硬度を変化させた。発明例（実施例１、５、13、19およ
び23）は硬度の高いすなわち高強度側においても4.0〜
5.0 kgf-m／cm²と高い値であった。

【００５０】またＰ，Ｓを低下させた実施例５では低強
度側でも4.0〜5.0 kgf-m／cm²の高い衝撃値を有してい
た。さらにＢを添加した実施例19および23ではいずれの
硬さにおいても5.0 kgf-m／cm²以上の高い水準で安定し
た衝撃値が得られた。それに対して比較例（実施例42お
よび48）では硬度が低く、最高の衝撃値を示す場合でも
3.0 kgf-m／cm²以下で、高強度になるとさらに衝撃値が
低下した。

【００５１】さらに実施例３、11、18、28、37、41およ
び42では耐水素遅れ破壊特性を測定した。測定は水素チ
ャージ定荷重負荷法でｐＨ３のＨ₂ＳＯ₄溶液中で電流密
度1.0 mA／cm²で試験片に水素をチャージしながら定荷
重で負荷を与え、200時間以上破断しない最大負荷応力
を限界遅れ破壊強度とした。図３に大気中で測定した引
張強度と限界遅れ破壊強度の結果を示す。

【００５２】引張強度によって限界遅れ破壊強度は影響
されるが、いずれの強度レベルでも発明例の方が良好な
遅れ破壊特性を示した。その原因は発明例の方が比較例
に比べてγ粒径が微細になったことや水素トラップサイ
トが増加したこと、粒界が清浄化したこと等が考えられ
る。

【００５３】またＣｕの添加の効果については脱炭層が
最大のポイントとなる。実施例18、33、35、39、43およ
び46の圧延直後の脱炭層測定結果を図４に示す。圧延直
後には試験片は大気放冷となる。脱炭層の測定は圧延方
向と直角に切断した断面を研磨した後、２％ナイタール
でエッチングしてミクロ組織を現出させ、外周部を100
倍の光学顕微鏡で観察し、フェライト粒が３個以上隣接
しているところをフェライト脱炭として、その深さを測
定した。

【００５４】Ｃｕが添加されていない実施例39では20μ
ｍ程度のフェライト脱炭が認められたが、Ｃｕが添加さ
れた実施例18、33および35の脱炭が抑制されていること
がわかる。このようにＣｕを添加することで脱炭特性が
改善され、より生産性の優れたばね鋼とすることができ
る。

【００５５】

【発明の効果】本発明鋼は、Ｎを制御しつつＴｉを添加
することでγ粒を微細化し、さらにＰ，Ｓ添加量の制限
やＢ添加によってγ粒界を清浄化できるために、2000 M
Paを越えるような高強度においても高い延性と衝撃値を
有する。さらに焼入れ性増加元素や脱炭抑制元素を添加
することで品質をさらに向上できる。よって本発明鋼を
用いることで高強度かつ破壊特性に優れたばねを製造可
能になる。

【００５６】さらに本発明鋼は強度の変化によって延性
や衝撃値が損なわれることがないため、広い範囲の強度
のばねに対応可能であり、様々な強度のばねを信頼性を
損なうことなく容易に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】引張強度と絞りの関係の図。

【図２】硬度と衝撃値の関係の図。

【図３】引張強度と限界遅れ破壊強度の関係の図。

【図４】フェライト脱炭深さ測定結果の図。

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【手続補正書】

【提出日】平成１０年７月２２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００１

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車やその他産
業機械等に用いられる高強度懸架ばねに供するばね鋼に
関するものである。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、コイル成形
および熱処理後に高強度かつ高靭性を有するばね用の鋼
材の提供を課題としている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮木隆成北海道室蘭市仲町12番地新日本製鐵株式会社室蘭製鐵所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で(以下、同じ)、Ｃ0.35〜0.85
％、Ｓｉ0.9〜2.5％、Ｍｎ0.1〜1.2％、Ｃｒ0.1〜2.0
％、Ｔｉ0.005〜0.07％、Ｎ0.001〜0.007％を含み、Ｔ
ｉ重量％＞４×Ｎ重量％であり、Ｐ＜0.020％、Ｓ＜0.0
20％に制限して、残部がＦｅと不可避的不純物からなる
ことを特徴とする高靭性ばね鋼。
【請求項２】Ｃ0.35〜0.85％、Ｓｉ0.9〜2.5％、Ｍｎ
0.1〜1.2％、Ｃｒ0.1〜2.0％、Ｔｉ0.005〜0.07％、Ｂ
0.0005〜0.0060％、Ｎ0.001〜0.007％を含み、Ｔｉ重量
％＞４×Ｎ重量％であり、Ｐ＜0.020％、Ｓ＜0.020％に
制限して、残部がＦｅと不可避的不純物からなることを
特徴とする高靭性ばね鋼。
【請求項３】請求項１または請求項２に規定した化学
成分に、さらにＶ0.05〜0.5％、Ｎｂ0.01〜0.10％のう
ち１種ないし２種を含む高靭性ばね鋼。
【請求項４】請求項１または請求項２に規定した化学
成分に、さらにＮｉ0.05〜1.0％、Ｍｏ0.05〜1.0％のう
ち１種ないし２種を含む高靭性ばね鋼。
【請求項５】請求項１または請求項２に規定した化学
成分に、さらにＶ0.05〜0.5％、Ｎｂ0.01〜0.10％のう
ち１種ないし２種およびＮｉ0.05〜1.0％、Ｍｏ0.05〜
1.0％のうち１種ないし２種を含む高靭性ばね鋼。
【請求項６】請求項１または請求項２に規定した化学
成分に、さらにＣｕ0.05〜0.3％を含む高靭性ばね鋼。
【請求項７】請求項１または請求項２に規定した化学
成分に、さらにＣｕ0.05〜0.5％、Ｎｉ0.05〜1.0％を含
み、Ｃｕ＞0.3％の場合にはＣｕ重量％＜Ｎｉ重量％で
ある高靭性ばね鋼。
【請求項８】請求項６または請求項７に規定した化学
成分に、さらにＶ0.05〜0.5％、Ｎｂ0.01〜0.10％のう
ち１種ないし２種を含む高靭性ばね鋼。
【請求項９】請求項６または請求項７に規定した化学
成分に、さらにＭｏ0.05〜1.0％を含む高靭性ばね鋼。
【請求項１０】請求項６または請求項７に規定した化
学成分に、さらにＶ0.05〜0.5％、Ｎｂ0.01〜0.10％の
うち１種ないし２種およびＭｏ0.05〜1.0％を含む高靭
性ばね鋼。