JPS5827956A

JPS5827956A - 耐へたり性の優れたばね用鋼

Info

Publication number: JPS5827956A
Application number: JP56126282A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Yamamoto; 俊郎山本; Ryohei Kobayashi; 良平小林; Mamoru Kurimoto; 栗本　衛; Toshio Kosone; 小曽根　敏夫
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: 1981-08-11
Filing date: 1981-08-11
Publication date: 1983-02-18
Also published as: IT1207964B; AU551655B2; JPS6327422B2; IT8222795A0; AU8692582A; US4770721A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は耐へたり性の優れたばね用鋼に関するものであ
る。

近年、自動車軽量化の一環として懸架ばねの軽量化が強
く求められるようになってきた。この要求に対して、ば
ねの設計応力を上昇させ、高応力状態で使用することに
より軽量化を図ることが効果的とされている。

じ、後者の「へたり」は、ばね高さの減少、しいては車
高の減少として現われ、バンパー高さが低下するため安
全上大きな問題となる。

そこで、近年高応力設計を可能とする耐へたり性の優れ
たばね用鋼が求められている。

従来、耐へたり性の優れたばね用鋼としては、ばね鋼中
のＳｉが耐へたり性に有効な元素であることが知られる
につれて、５ＵＰ６よりもさらにＳｉ量の高い５ＵＰ７
が多く用いられるようになってきた。しかるに、懸架ば
ねの軽量化に対する要求は厳しいものがあり、５ＵＰ７
よりもさらに耐へたり性の優れたばね用鋼の開発が強く
望まれていた。

本願出願人はこのような背景の下に、先に高Ｓｉばね用
鋼に適量のＶ、Ｎｂを１種ないし２種添加すること（こ
より、５ＵＰ７よりもさらに而１へたり１生が優れ、か
つ、ばね用鋼として必要な耐疲労性、靭性についても５
ＵＰ７と同等な性能を有するばね用鋼を開発して出願（
特願昭５５−１０８０２０号）した。

一方、上記のような高Ｓｉばね鋼を製造する際、溶解後
取鍋（こ注いだあと再び別の取鍋に移しかえるというい
わゆるリレードルという操作が必要な場合があり、コス
ト上昇の要因となっている。またＳＩ含有量の増加は鋼
表面の脱炭を促進させる要因となることが知られており
、特に圧延肌のまま使用される場合には、製造に際して
細心の注意を払う必要がある。

本発明は１以上の点を考慮して、製造が容易でかつ、耐
へたり性にすぐれたばね鋼を主眼に開発されたものであ
る。

また、本発明は必要に応じてＢ、Ｃｒ、Ｎｉ、希土類元
素を加えて焼入性を向上させ、また、ｌ。

Ｔｊ　Ｚｒを添加して結晶粒を微細化させることにより
、あるいはＣｕ、Ｃｏ、Ｂｏ　を添加して固溶強化を利
用することによりさらに耐へたり性を向上させたもので
ある。

以下に本発明鋼について詳述する。第１発明鋼は重量比
にしてＣ０，５０〜０．８０％、Ｓｉ０．５０〜１．４
０％、Ｍｎ　０．５０〜１．５０％含有し、さらにＶｏ
、０５〜０．５０％、ＮｂＯ，０５〜０５０％、Ｍｏ０
．０５〜０．５０％のうち１種ないし２種以上を含有し
たものである。第２発明鋼は、上記第１発明鋼にさらに
、Ｂｏ、０００５〜０．０１００％、Ｃｒ　０．２０−
１．００％、Ｎ　ｉ　Ｏ，２０〜２．００％、希土類元
素０，８０％以下のうち１種ないし２種以上を含有させ
、第１発明鋼の焼入性、靭性を向上させたものである。

第３発明鋼は第１発明鋼に、さらに、Ａｔ　０．０８〜
０．１０％、Ｔ　ｉ　０．０２〜０．１０％、２１００
２〜０１０％のうち１種ないし２種以上を含有させたも
ので、第１発明鋼の結晶粒を微細化することによ０．０
１００％、Ｃｒ　Ｏ，２０〜１．００％、Ｎ　ｉ　Ｏ，
２０〜２．００％、希土類元素０．３０％以下のうち１
種ないし２種以上を含有させ第３発明鋼の焼入性、靭性
を向上させたものである。第５発明鋼は、第１発明鋼に
さらに、Ｃｕ　Ｏ，２０〜８．００％、Ｃｏ　０．０５
〜１．００％、１３ｅｏ、ｏｉ〜２．００％のうち１種
ないし２種以上を含有させたもので、これらの元素の固
溶強化作用により、第１発明鋼の耐へたり性をさらに向
上させたものである。

本発明鋼における添加元素の作用効果を以下に述べる。

ｖ、Ｎｂ、ＭＯは鋼中において炭化物を形成し、このバ
ナジウム・カーパイトノニオブφカーバイトおよびモリ
ブデン・カーバイト（以下、合金法い〕化物と）砕）は焼入れ時の加熱に際して、オーステナイ
ト中に溶解する。これを急冷して焼入れするとこれら元
素を過飽和に固溶したマルテンサイトが得られる。これ
を焼もどしするとその過程で微細な合金炭化物が釘析出
を始め、これが鋼中において転位の動きを阻止し、二次
硬化を生じ、■、Ｎ　ｂ、　Ｍ　ｏを添加しないばね用
銅にりも硬さを上昇させ、さらに耐へたり性を向上させ
る働きをする。

また、焼入れ時の加熱においてオーステナイ１−中に溶
解されない合金炭化物は、オーステナイト結晶粒を微細
化するとともにその粗大化を防止する。このようＶこ微
細化した結晶粒界は転位の移動量を少なくすることによ
り耐へたり性を向上させる。

さらに、本発明鋼はＮｂ、　Ｖ、ＭＯを含有することに
より、通常のばね用銅の焼入れ温度である９００℃から
焼入れた場合においても、その後の焼もどし過程で再析
出し、２次硬化を生ずる。これは同−焼もどし硬さ範囲
を狙う場合、従来鋼に比較して焼もどし流度範囲をより
広い範囲とすることが可能゛であり、狙いの硬さが安定
して得られることになる。

また、Ｓｌについては０５０〜１．４０％とその含有量
を低くすることにより製鋼、圧延作業を容易にするもの
である。

さらに、Ｂ、Ｃｒ、Ｎｉ、希土類元素は鋼の焼入性を高
める元素で、大物、厚物のばねへの適用を可能とするも
のである。

これを明らかにするために後述の０．２８％の■と０．
００４１％のＢを含有するＡ３１ｉｉ、０．１６　％ノ
Ｖ　１Ａ６鋼および従来鋼のＳＵＰ　７であるＢｌ鋼に
ついて焼入性を比較した結果を第１図に示す、第１図か
ら明らかなようにＢ、Ｃｒ等の焼入性向上元素の添加に
よって、従来鋼以」二の焼入性が得られることがわかる
。

さらに、Ａ７ＸＴｉ、Ｚｒはいずれも鋼中で多くの場合
、Ｎと結合して窒化物を形成し、熱間圧延段階でオース
テナイト結晶粒を微細化し、オーステナイト化温度に加
熱した時にはオーステナイト結晶粒の粗大化を阻止する
働きを有する。結晶粒が微細化した組織中では転位の移
動量が少ないことから鋼の耐へたり性を向」ニすること
ができる。

第２図に、ＡｔとＴＩを添加した後述のＡ７〜ＡＩＯ鋼
と従来鋼のＢｌ鋼について８５０〜１１００℃の各オー
ステナイト化温度に加熱、保持した時のオーステナイト
結晶粒の大きさを示したように、結晶粒の微細化元素の
添加による効果が明瞭に認められる。

さらにＣｕ、Ｃｏ、Ｂｅはいずれも鋼中において８１と
同様に置換型に固溶して鋼を強化し、耐へたり性を向上
させる元素である。

以下に本発明鋼の成分限定理由について説明する。

Ｃ量を０．５０〜０．８０％としたのは、０５０％　以
下では焼入れ、焼もどしにより高応力ばね用銅として十
分な強度が得られないためであり、０．８０％を越えて
、含有させると過共析鋼となり靭性の低下が著しくなる
ためである。

Ｓｌ量を０．５０〜１．４０％としたのは、０５０％以
下ではＳｌの有するフェライト中に固溶することにより
素地の強度を上げ、耐へたり性を向上させるという効果
が十分に得られないためであり、１．４０％を越えて含
有させると、前述の通り製鋼、圧延において困難をとも
なうためである。

Ｍｎ量を０．５０〜１．５０％としたのは、０．５０％
以下ではばね用銅としての強度が不足し、さらに焼入性
の点でも不十分であるためであり、１．５０％を越えて
含有させると靭性な阻害するためである。

ＶＳＮｌ）、Ｍｏはいずれも本発明鋼においては耐へた
り性を改善する元素である。

このような働きを奏するＶ、Ｎｌ）ＳＭｏの含有量をそ
れぞれ０．０５〜０．５０％としたのは、０．０５％以
下では上記の効果が十分に得られないためであり、０５
０％を越えて含有させてもその効果が飽和し、かつオー
ステナイト中に溶解されない合金炭化物量が増加し、大
きな塊となることにより非金属介在物的な作用により鋼
の疲労強度を低下させる恐れがあるためである。

これらの■、Ｎｌ）、ＭＯはそれぞれを単独で添加する
ほかに、２種ないし３種を複合添加することにより、■
、Ｎ　ｂ、　Ｍ　ｏを単独で添加した場合に比べ、より
低い高度でオーステナイト中への溶解を開始させ、また
焼もどし過程において微細な合金炭化物の析出は、二次
硬化をより促進させることによ下では焼入性向上効果お
よび耐へたり性向上効果が十分に得られないためであり
、０．０１００％を越えて含有させるとボロン化合物が
析出し、熱間脆性が現われるためである。

Ｃｒ量を０．２０−１．００％としたのは、０．２０％
以下では十分な焼入性効果がないためであり、］、、Ｏ
Ｏ％を越えて含有させると、本発明のように高８１鋼で
は組織の均一性が損なわれ、耐へたり性を阻害するため
である。

Ｎ１、希土類元素は本発明鋼においては焼入性および靭
性を改善する元素である。

Ｎ１を０．２０〜２００％としたのは、０６２０％以下
では焼入性および靭性改善効果が不十分であり、Ｎ１２
００％を越えて含有させると、焼入れに際して残゛　留
オーヌテナイトが多量に形成される恐れがあるためであ
る。希土類元素はＮ１と同様に焼入性および靭性を改善
する元素であり、０．８０％以下としたのはそれ以上含
有させると結晶粒が粗大化する恐れがあるためである。

ＡＣＴｉ、Ｚｒは本発明鋼においては結晶粒を微細化し
耐へたり性を改善する元素である。

ＡＪ　Ｏ，０８〜０．１０％、Ｔ　ｉ　Ｏ，０２〜０．
１０％、ＺｒＯ，０２〜０１０％としたのは、下限以下
ではそれぞれ耐へたり性向上効果が不十分であり、上限
を越えて含有させた場合にはＡｌ、　Ｔ　ｉ　、　Ｚ　
ｒの窒化物量が増加し、大きな塊となることにより非金
属介在物的な作用により鋼の疲労強度を低下させる恐れ
があるためである。

またＣＩｌ、Ｃ０１Ｂｅはそれぞれ鋼中において置換型
に固溶して鋼を強化し、耐へたり性を改善する元素であ
る。Ｃｕの含有量を０．２０〜３．００％としたのは、
０２０％以下では固溶強化として不足するためであり、
８．００％を越えて添加すると熱間圧延性を阻害する恐
れがあるためである。またＣＯの含有量を００５〜１．
００％としたのは、００５％　以下では効果が不十分で
あり、１００％を越えると靭性を劣化する恐れがあるた
めである。同様にＢｅの含有量を００１〜２．００％と
したのは、ｆ３ｅは固溶強化能力が大きい元素だが、０
０１％以下では」１記の効果が得られないためであり、
２．００％を越えて含有させてもＳｉの場合と同様効果
が飽和するためである。

つぎに本発明鋼の特徴を、従来鋼と比べ実施例でもって
明らかにする。

第１表はこれらの供試鋼の化学成分を示すものである。

〕）ノ、”に范へ１第　　１　　表第１表においてＡ１−Ａ１８鋼は本発明鋼で、Ａ１−Ａ
２鋼は第１発明鋼、へ８〜八６鋼は第２発明鋼、Ａ７〜
ＡＩＯ鋼は第３発明鋼、ＡＩｌ〜Ａ１４鋼は第４発明鋼
、Ａ１５〜Ａ１８鋼は第５発明鋼で、Ｂ１鋼は従来鋼で
５ＵＰ７である。

弁字≠＃鋳造後、ＥＥ延比５０以−１−で熱間圧延をＡ
、　１５〜Ａ１８鋼およびＢｌ鋼を素材として第２表に
示す諸元を有するフィルバネを成形し、最終硬さがＨｒ
ｔＣ４５〜５５となるように焼入・焼もどし処理を行っ
た後、素線の剪断応力τ−１，１５ｋｑ／ｍｍ２となる
ようにセノチングを加えてへたり試験片を作製した。そ
してこの試験片を２０℃の一定ｌ晶度で、素線の剪断応
力τ−１０５ｋｇ７ｍｓ２となる荷重を加え、９６時間
経過（以下、これを長期荷重という）した後のコイルば
ねのへたり量を測定した。

第　　２　　表そして、」１記試験片の硬さに対するへたり量を第８〜
５図に示した。第８〜５図より明らかなように本発明鋼
であるＶ、Ｎｂを添加するとともにｌＴｉを含有させた
鋼、また、Ｃｕ、ＣＯを含有させた鋼はいずれも従来鋼
であるＢ１鋼に比べて優れた耐へたり性を有しているこ
とが認められた。

なお、へたり量は前記長期荷重を加える前にコイルばね
を一定の高さまで圧縮するに要した荷重Ｐ１と、前記長
期荷重を加えた後に同一の高さまで圧縮するに要した荷
重Ｐ２とを測定し、その差△Ｐ（−Ｐ＋　　Ｐ２）より
次式を用いて算出したもので、剪断Ｏ・ずみの単位を有
し、残留ｊ剪断ひずみと称する値をもって評価した。

Ｇ：横弾性率Ｃｋｑｒ／ｍｍ２）　　Ｄ　：　コイｔｖ
中心径（龍）ｄ：素線径（問）Ｋ：ワールの修正係数（コイルばねの形状により定まる
定数）また本発明鋼のＡＩ、Ａ２、Ａ７んＡｌ０１Ａ１５〜Ａ
１８鋼、Ｂｌ鋼について前記と同じ諸元を有するコイル
はね素線に、剪断応力が１０〜１１０に９　ｒ／ｍ２と
変動する負荷を繰返し与え疲労試験を行った結果、いず
れのコイルはねも２０万回繰り返しをしても折損しなか
った。

つぎに第１表の供試鋼のうちＡ３〜Ａ６、ＡＩｌ〜Ａ１
４およびＢ１鋼を素材として、第３表に示す諸元を有す
る平行部径３０ＩＩＩｌφの１・−ジョン・バーを製作
し、最終硬さがＨＲＣ４５〜５５となるように焼入れ、
焼もどし処理を行った後、ショ１７）ピーニング処理を
施し、へたり試験片とした。へたり試験に先立って、試
験片平行部の表面に剪断応力τ−１１０ｋｙｒ／”−が
現われるようなトルりを両端に付加し、セソチングを施
した。セノチングの後剪断応力τ−１００ｋｇｆ／ｌＲ
”２となるトルクを加え、そのまま９６時間放置し、そ
の後、ねじり角度の減少量からＹＲ−△θ・ｄ／２ノ　
に従って残留剪断歪計を求めた。

第　　８　　表上記試験片の硬さに対するへたり量を第６〜７図に示し
た。第６〜７図から明らかなようにＢ、Ｃｒ希土類元素
を含有する本発明鋼Ａ３〜Ａ　６　、ＡＩｌ〜Ａ１４鋼
から作製した平行部径３０１ＩＩＩφの試験片のへたり
量は、従来鋼であるＢＩ鋼よりも非常に優れている。

これはＢ５Ｃｒ、希土類元素を含有させたことにより、
３０ＩＩＩｌｌφのトーション・バーにおいても焼入れ
処理により芯部まで完全にマルテンサイトの硬化組織を
得ることができ耐へたり性が損なわれなかったことと、
Ｂが侵入型として結晶内、転位付近に侵入し、転位の移
動が困難となることによりへたり減少に効果があったも
のと考えられる。

さらに、本発明鋼である八３〜Ａ６、ＡＩ　１〜Ａ１４
鋼、従来鋼であるＢ１鋼から作製した上記トーション・
バーに対して、剪断応力６０　志５０ｋｑｒ／”で繰り
返し負荷を与え疲労試験を行った結果、いずれのトーシ
ョン・バーも２０万回繰り返し負荷を与えても折損なく
Ｂ添加による疲れ寿命に対する影響のないことが確認さ
れた。

上述の如く本発明鋼は従来のばね用銅に適量のＶ、Ｎｌ
）、Ｍｏを単独あるいは複合して添加させるとともに必
要に応じてＢ、Ｃｒ、Ｎ；、希土類元素のうち１種ない
し２種以」二を含有し、さらにＡｉ、　Ｔ　；、Ｚｒあ
るいはＣｕ、Ｃｏ、Ｂｅを含有することにより、従来の
ばね用銅の耐へたり性、焼入性を大［１］に改善するこ
とに成功したもので、かつ、ばね用銅として必要な耐疲
労性、憚性についても従来鋼と比べそん色のないもので
、特に東用車懸架ばね用銅として極めて高い実用性を有
するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明鋼、従来鋼について焼入性を示した線図
、第２図はＡ７〜Ａ、　１０鋼、Ｂｌ鋼について８５０
〜１１００℃の焼入れ？黒度で加熱した場合のオーステ
ナイト結晶粒度を示した線図、第３〜７図は本発明鋼、
従来鋼について焼入れ、焼もどし処理後、ＨｎＣ４５〜
５５の硬さの試験片のへたり量を示した線図である。代表特許出願人中央発條株式会社代表者箕浦雅治第１図オー人テ１／ｌ）う（見Ｊ（・す

Claims

【特許請求の範囲】１　重量比にして００５０〜０８０％、Ｓ　ｉ　Ｏ，５
０〜１．４０％、Ｍｎ　０．５０〜１．５０％を含有し
、さらにＶ　Ｏ，０５〜０．５０％、Ｎｌ）　０．０５
−０．５０％、Ｍｏ　０．０５〜０５０％のうち１種な
いし２種以上を含有し、残り実質的にＦｅよりなること
を特徴とする耐へたり性の優れたばね用銅。２　重量比にしてＣ０，５０〜０．８０％、ｓ；ｏ、５
ｏ〜１．４０％、Ｍｎ　０．５０〜１．５０％と、　Ｖ
　Ｏ，０５〜０．５０％、Ｃｒ　Ｏ，２０〜１．００％
、Ｎｉ　Ｏ，２０〜２．００％、希土類元素０．３０％
以下のうち１種ないし２種以上を含有させ、残り実質的
にＦｅよりなることを特徴とする耐へたり性の優れたば
ね用銅。６　重量比ニＩ、　Ｔ：　ＣＯ，５０〜０．８０％、５
ｉＱ５０〜１．４０％、Ｍ　ｎ　０．５０〜１．５０％
と、Ｖｏ、０５〜０．５０％、Ｎｂ　Ｏ，０５−０，５
０％、Ｍｏ　ｏ、ｏ　５〜０．５０％のうち１種ないし
２種以」二を含有し、さらにＡ１０．０８〜０．１０％
、Ｔ　ｉ　Ｏ，０２−０，１０％、Ｚ　ｒ　０．０２〜
０．１０％のうち１種ないし２種以上を含有させ、残り
実質的にＦｅよりなることを特徴とする耐へた父性の優
れたばね用銅。４、　重量比にしてＣ０５０〜０８０％、Ｓｉ０．５０
〜１．４０％、Ｍｎ　０．５０〜１．５０％と、Ｖ　Ｏ
，０５〜０．５０％、Ｎｌ）　０．０５〜０．５０％、
Ｍｏ　０．０５〜０．５０％のうち１種ないし２種以上
を含有し、さらにＡ１０．０８〜０１０％、１．００％
、Ｎｉｐ、２０〜２．００％、希土類元素０．８０％以
下のうち１種ないし２種以上を含有させ、残り実質的に
Ｆｅよりなることを特徴とする耐へたり性の優れたばね
用銅。５　重量比ニＬ　テＣＯ，５０〜０．８０％、ｓｉｏ、
５０〜１．４０％、Ｍｎ　０．５０〜１．５０％と、Ｖ
　Ｏ，０５〜０．５０％、Ｎ　ｂ　Ｏ，０５〜０．５０
％、Ｍｏ　０．０５〜０．５０％のうち１種ないし２種
以上を含有し、さらにＣｕＯ，２０〜ａ、ＯＯ％、こと
を特徴とする耐へたり性の優れたばね用鋼。