JP2001131699A - 高強度ばね用鋼 - Google Patents
高強度ばね用鋼Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 現状のばね鋼以上の硬度と靭性を有する
鋼を得る。 【解決手段】 重量％で、Ｃ＝０．４０〜０．７０％、
Ｓｉ＝１．００〜２．５０％、Ｍｎ＝０．３０〜０．９
０％、Ｎｉ＝０．５０〜１．５０％、Ｃｒ＝１．００〜
２．００％、Ｍｏ＝０．３０〜０．６０％、Ｃｕ＝０．
２５〜０．５０％、Ｖ＝０．０１〜０．５０％、Ｎｂ＝
０．０１０〜０．０５０％、Ａｌ＝０．００５〜０．０
５０％、Ｎ＝０．００４５〜０．０１００％、Ｔｉ＝
０．００５〜０．０５０％、Ｂ＝０．０００５〜０．０
０６０％、を含有し、さらに、Ｐ＝０．０１０％以下、
Ｓ＝０．０１０％以下、ＯT＝０．００１５％以下に制
限し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、Ｈｖ
６００以上、衝撃値が４０Ｊ／ｃｍ2以上を有すること
を特徴とする高強度ばね用鋼である。
鋼を得る。 【解決手段】 重量％で、Ｃ＝０．４０〜０．７０％、
Ｓｉ＝１．００〜２．５０％、Ｍｎ＝０．３０〜０．９
０％、Ｎｉ＝０．５０〜１．５０％、Ｃｒ＝１．００〜
２．００％、Ｍｏ＝０．３０〜０．６０％、Ｃｕ＝０．
２５〜０．５０％、Ｖ＝０．０１〜０．５０％、Ｎｂ＝
０．０１０〜０．０５０％、Ａｌ＝０．００５〜０．０
５０％、Ｎ＝０．００４５〜０．０１００％、Ｔｉ＝
０．００５〜０．０５０％、Ｂ＝０．０００５〜０．０
０６０％、を含有し、さらに、Ｐ＝０．０１０％以下、
Ｓ＝０．０１０％以下、ＯT＝０．００１５％以下に制
限し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、Ｈｖ
６００以上、衝撃値が４０Ｊ／ｃｍ2以上を有すること
を特徴とする高強度ばね用鋼である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車、航空機
器、各種産業機械等において使用される高強度ばね用鋼
に関するものである。
器、各種産業機械等において使用される高強度ばね用鋼
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、自動車は燃料節約のため、軽量化
が強く要求されており、この要望は種々のパーツに及ん
でいて懸架装置も例外ではない。これに対する対策とし
て懸架ばねの設計応力を高く設定することが考えられ
る。すなわち、ばねを高強度化することが効果的であ
る。現在、懸架ばね用鋼としては、Ｓｉ−Ｍｎ系のＳＵ
Ｐ７、Ｓｉ−Ｃｒ系のＳＵＰ１２が主に用いられている
が、さらに設計応力を高くするには、これらの鋼種より
高強度化する必要がある。一般に鉄鋼材料の強度は、硬
度と相関性が強いが、ばね用鋼の硬度を高くすると、靭
性が低下する心配があった。すなわち、現用のばね用鋼
以上の硬さを得るには靭性の低下が免れないことであっ
た。懸架ばねを高強度化する際に、その信頼性を保証す
るには靭性も現用鋼以上にする必要があった。
が強く要求されており、この要望は種々のパーツに及ん
でいて懸架装置も例外ではない。これに対する対策とし
て懸架ばねの設計応力を高く設定することが考えられ
る。すなわち、ばねを高強度化することが効果的であ
る。現在、懸架ばね用鋼としては、Ｓｉ−Ｍｎ系のＳＵ
Ｐ７、Ｓｉ−Ｃｒ系のＳＵＰ１２が主に用いられている
が、さらに設計応力を高くするには、これらの鋼種より
高強度化する必要がある。一般に鉄鋼材料の強度は、硬
度と相関性が強いが、ばね用鋼の硬度を高くすると、靭
性が低下する心配があった。すなわち、現用のばね用鋼
以上の硬さを得るには靭性の低下が免れないことであっ
た。懸架ばねを高強度化する際に、その信頼性を保証す
るには靭性も現用鋼以上にする必要があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明では現
状のばね鋼以上の硬度を有し、かつ靭性は現状以上のも
のを得ることを目的とするものである。
状のばね鋼以上の硬度を有し、かつ靭性は現状以上のも
のを得ることを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、鋼の硬度と靭
性に及ぼす各種元素の影響を調査した結果、その各元素
の割合を調整することにより、硬度と靭性を兼ね備えた
高強度ばね鋼が得られるという知見を得た。
性に及ぼす各種元素の影響を調査した結果、その各元素
の割合を調整することにより、硬度と靭性を兼ね備えた
高強度ばね鋼が得られるという知見を得た。
【０００５】すなわち、本発明は下記のとおりである。
重量％で、Ｃ＝０．４０〜０．７０％、Ｓｉ＝１．００
〜２．５０％、Ｍｎ＝０．３０〜０．９０％、Ｎｉ＝
０．５０〜１．５０％、Ｃｒ＝１．００〜２．００％、
Ｍｏ＝０．３０〜０．６０％、Ｃｕ＝０．２５〜０．５
０％、Ｖ＝０．０１〜０．５０％、Ｎｂ＝０．０１０〜
０．０５０％、Ａｌ＝０．００５〜０．０５０％、Ｎ＝
０．００４５〜０．０１００％、Ｔｉ＝０．００５〜
０．０５％、Ｂ＝０．０００５〜０．００６０％、を含
有し、さらに、Ｐ＝０．０１０％以下、Ｓ＝０．０１０
％以下、ＯT＝０．００１５％以下に制限し、残部はＦ
ｅおよび不可避的不純物からなり、焼入後３５０℃戻し
における硬さがＨｖ６００以上、衝撃値が４０Ｊ／ｃｍ
2以上を有することを特徴とする高強度ばね用鋼。
重量％で、Ｃ＝０．４０〜０．７０％、Ｓｉ＝１．００
〜２．５０％、Ｍｎ＝０．３０〜０．９０％、Ｎｉ＝
０．５０〜１．５０％、Ｃｒ＝１．００〜２．００％、
Ｍｏ＝０．３０〜０．６０％、Ｃｕ＝０．２５〜０．５
０％、Ｖ＝０．０１〜０．５０％、Ｎｂ＝０．０１０〜
０．０５０％、Ａｌ＝０．００５〜０．０５０％、Ｎ＝
０．００４５〜０．０１００％、Ｔｉ＝０．００５〜
０．０５％、Ｂ＝０．０００５〜０．００６０％、を含
有し、さらに、Ｐ＝０．０１０％以下、Ｓ＝０．０１０
％以下、ＯT＝０．００１５％以下に制限し、残部はＦ
ｅおよび不可避的不純物からなり、焼入後３５０℃戻し
における硬さがＨｖ６００以上、衝撃値が４０Ｊ／ｃｍ
2以上を有することを特徴とする高強度ばね用鋼。
【０００６】本発明における成分の限定理由は次のとお
りである。 Ｃ：Ｃは鋼の強度を高めるのに有効な元素であるが、
０．４０％未満ではばね鋼としての必要な強度を得るこ
とができず、０．７０％を超えるとばねが脆くなり過ぎ
るので０．４０〜０．７０％の範囲とした。
りである。 Ｃ：Ｃは鋼の強度を高めるのに有効な元素であるが、
０．４０％未満ではばね鋼としての必要な強度を得るこ
とができず、０．７０％を超えるとばねが脆くなり過ぎ
るので０．４０〜０．７０％の範囲とした。
【０００７】Ｓｉ：Ｓｉはフェライト中に固溶すること
により鋼の強度を向上させることに有効な元素である
が、１．００％未満ではばねとしての耐へたり強度を満
足することができず、２．５０％を超えるとばねを熱間
で加熱成形する際、表面の脱炭を生じやすく、ばねの耐
久性に悪い影響を与えるので、１．００〜２．５０％の
範囲とした。
により鋼の強度を向上させることに有効な元素である
が、１．００％未満ではばねとしての耐へたり強度を満
足することができず、２．５０％を超えるとばねを熱間
で加熱成形する際、表面の脱炭を生じやすく、ばねの耐
久性に悪い影響を与えるので、１．００〜２．５０％の
範囲とした。
【０００８】Ｍｎ：Ｍｎは鋼の焼入性を向上させるのに
有効な元素であり、０．３０％以上必要であるが、０．
９０％を超えると靭性を阻害するため、その範囲を０．
３０〜０．９０％とした。
有効な元素であり、０．３０％以上必要であるが、０．
９０％を超えると靭性を阻害するため、その範囲を０．
３０〜０．９０％とした。
【０００９】Ｎｉ：Ｎｉは鋼の焼入性を向上させるのに
有効な元素であり、０．５０％以上必要であるが、１．
５０％を超えると残留オーステナイトが増大し、ばねの
疲労強度に悪影響を及ぼすのでその範囲を０．５０〜
１．５０％とした。
有効な元素であり、０．５０％以上必要であるが、１．
５０％を超えると残留オーステナイトが増大し、ばねの
疲労強度に悪影響を及ぼすのでその範囲を０．５０〜
１．５０％とした。
【００１０】Ｃｒ：Ｃｒは鋼の強度を高めるのに有効な
元素であるが、１．００％未満ではばねとしての必要な
強度を得ることができず、２．００％を超えると靭性が
劣化するので、その範囲を１．００〜２．００％とし
た。
元素であるが、１．００％未満ではばねとしての必要な
強度を得ることができず、２．００％を超えると靭性が
劣化するので、その範囲を１．００〜２．００％とし
た。
【００１１】Ｍｏ：Ｍｏは焼入性を確保し、鋼の強度と
靭性を高める元素であるが、０．３０％未満ではそれら
の効果を十分期待することができず、０．６０％を超え
ると効果は飽和するのでその範囲を０．３０〜０．６０
％とした。
靭性を高める元素であるが、０．３０％未満ではそれら
の効果を十分期待することができず、０．６０％を超え
ると効果は飽和するのでその範囲を０．３０〜０．６０
％とした。
【００１２】Ｃｕ：Ｃｕは耐食性を増す成分であり、そ
の効果は０．２５％未満では効果が現れなく０．５０％
を超えると熱間圧延時割れ等の問題を生じるため、その
範囲を０．２５〜０．５０％とした。
の効果は０．２５％未満では効果が現れなく０．５０％
を超えると熱間圧延時割れ等の問題を生じるため、その
範囲を０．２５〜０．５０％とした。
【００１３】Ｖ：Ｖは鋼の強度を高める元素であるが、
０．０１％未満ではそれらの効果を十分に期待すること
ができず、又、０．５０％を超えるとオーステナイト中
に溶解されない炭化物が増加し、ばね特性を劣化させる
ため、その範囲を０．０１〜０．５０％とした。
０．０１％未満ではそれらの効果を十分に期待すること
ができず、又、０．５０％を超えるとオーステナイト中
に溶解されない炭化物が増加し、ばね特性を劣化させる
ため、その範囲を０．０１〜０．５０％とした。
【００１４】Ｎｂ：Ｎｂは結晶粒の微細化及び微細炭化
物の析出により鋼の強度と靭性を高める元素であるが、
０．０１０％未満ではその効果を十分に期待することが
できず、また、０．０５０％を超えるとオーステナイト
中に溶解されない炭化物が増加し、ばね特性を劣化させ
るため、その範囲を０．０１０〜０．０５０％とした。
物の析出により鋼の強度と靭性を高める元素であるが、
０．０１０％未満ではその効果を十分に期待することが
できず、また、０．０５０％を超えるとオーステナイト
中に溶解されない炭化物が増加し、ばね特性を劣化させ
るため、その範囲を０．０１０〜０．０５０％とした。
【００１５】Ａｌ：Ａｌは脱酸剤及びオーステナイト結
晶粒度の調整を図るために必要な元素であり、０．００
５％を下まわる場合には結晶粒の微細化が図れず、一
方、０．０５０％を超える場合には鋳造性を低下させ易
くなるから、その範囲を０．００５〜０．０５０％とし
た。
晶粒度の調整を図るために必要な元素であり、０．００
５％を下まわる場合には結晶粒の微細化が図れず、一
方、０．０５０％を超える場合には鋳造性を低下させ易
くなるから、その範囲を０．００５〜０．０５０％とし
た。
【００１６】Ｎ：ＮはＡｌやＮｂと結合してＡｌＮ、Ｎ
ｂＮを形成し、オーステナイト結晶粒度の微細化に効果
のある元素であり、その微細化を介して、靭性向上に寄
与する。その効果を発揮するためには、少なくとも０．
００４５％以上必要である。しかし、Ｂを添加し、焼入
性の向上を図るためにはできるだけ少ない方が良く、か
つ、その過剰な添加は凝固時の鋼塊表面での気泡の発生
や鋼材の鋳造性の劣化を招く。これを回避するためには
上限を０．０１００％に限定する必要がある。したがっ
て、Ｎの添加量は０．００４５〜０．０１００％とし
た。
ｂＮを形成し、オーステナイト結晶粒度の微細化に効果
のある元素であり、その微細化を介して、靭性向上に寄
与する。その効果を発揮するためには、少なくとも０．
００４５％以上必要である。しかし、Ｂを添加し、焼入
性の向上を図るためにはできるだけ少ない方が良く、か
つ、その過剰な添加は凝固時の鋼塊表面での気泡の発生
や鋼材の鋳造性の劣化を招く。これを回避するためには
上限を０．０１００％に限定する必要がある。したがっ
て、Ｎの添加量は０．００４５〜０．０１００％とし
た。
【００１７】Ｔｉ：鋼中のＮが後述するＢと結合してＢ
Ｎを形成し、Ｂの焼入性向上効果を劣化させることを防
止するために添加する元素である。０．００５％未満で
はその効果を十分に期待できない。また、多量に添加す
ると大型のＴｉＮを生成し疲労破壊の起点となる可能性
があるため、上限を０．０５％とした。
Ｎを形成し、Ｂの焼入性向上効果を劣化させることを防
止するために添加する元素である。０．００５％未満で
はその効果を十分に期待できない。また、多量に添加す
ると大型のＴｉＮを生成し疲労破壊の起点となる可能性
があるため、上限を０．０５％とした。
【００１８】Ｂ：Ｂは粒界に析出して粒界を強化する。
０．０００５％未満だとその効果は十分に期待できな
い。また、０．００６０％を超えて添加してもその効果
は飽和するとともに、もろくなるために、上限を０．０
０６０％とした。
０．０００５％未満だとその効果は十分に期待できな
い。また、０．００６０％を超えて添加してもその効果
は飽和するとともに、もろくなるために、上限を０．０
０６０％とした。
【００１９】Ｐ：オーステナイト粒界に偏析して粒界を
脆化することにより衝撃値を低下する元素であり、０．
０１０％を超えて含むとこのような弊害が顕著となる。
脆化することにより衝撃値を低下する元素であり、０．
０１０％を超えて含むとこのような弊害が顕著となる。
【００２０】Ｓ：Ｓは鋼中ではＭｎＳの介雑物として存
在し、疲労寿命を低下させる要因となる。したがって、
介雑物を減らすために、上限を０．０１０％に限定する
必要がある。
在し、疲労寿命を低下させる要因となる。したがって、
介雑物を減らすために、上限を０．０１０％に限定する
必要がある。
【００２１】Ｏ：酸素は多量に含まれると酸化物系の介
雑物が多く発生し、疲労破損の起点となるので、できる
だけ少なくする方が良く、上限は０．００１５％であ
る。
雑物が多く発生し、疲労破損の起点となるので、できる
だけ少なくする方が良く、上限は０．００１５％であ
る。
【００２２】
【発明の実施の形態】次に具体的な実施例を挙げて、本
発明をさらに詳細に説明する。表１には、本発明による
開発鋼と、それらと対比するための比較鋼の実炉で溶製
した化学成分を示す。
発明をさらに詳細に説明する。表１には、本発明による
開発鋼と、それらと対比するための比較鋼の実炉で溶製
した化学成分を示す。
【００２３】
【表１】
【００２４】表１には、各試料の焼入後３５０℃戻しに
おける硬さと衝撃値を併せて示す。本発明による開発鋼
はすべて硬さはＨｖ６００以上、衝撃値が４０Ｊ／ｃｍ
2以上有するものであるが、比較鋼、従来鋼は硬さがＨ
ｖ６００以上あるものでも衝撃値は４０Ｊ／ｃｍ2に満
たないものであった。
おける硬さと衝撃値を併せて示す。本発明による開発鋼
はすべて硬さはＨｖ６００以上、衝撃値が４０Ｊ／ｃｍ
2以上有するものであるが、比較鋼、従来鋼は硬さがＨ
ｖ６００以上あるものでも衝撃値は４０Ｊ／ｃｍ2に満
たないものであった。
【００２５】また、本発明はＯの量が鋼の特性に大きく
影響することを見出したものであるが、そのための試験
として、表２に示す組成の合金を用いて、機械的強度並
びに小野式回転曲げ疲労試験を行った。その結果を表２
併記する。
影響することを見出したものであるが、そのための試験
として、表２に示す組成の合金を用いて、機械的強度並
びに小野式回転曲げ疲労試験を行った。その結果を表２
併記する。
【００２６】
【表２】
【００２７】表２に基づいて酸素量と回転曲げ疲労限の
関係を図１に示す。また、回転曲げ疲労試験片の形状を
図２に示す。酸素量が０．００１５％を境にしてその上
と下とでは疲労限に明らかな差異が生じることを見出し
たので、本発明では酸素量の上限を０．００１５％とし
た。
関係を図１に示す。また、回転曲げ疲労試験片の形状を
図２に示す。酸素量が０．００１５％を境にしてその上
と下とでは疲労限に明らかな差異が生じることを見出し
たので、本発明では酸素量の上限を０．００１５％とし
た。
【００２８】また、本発明鋼と従来鋼とをもって表３に
示したばね諸元をもつコイルばねで耐久性について試験
をした。その耐久試験結果を表４に示す。耐久試験は応
力条件（Ａ）１００〜１３００ＭＰａ、（Ｂ）５００〜
１３００ＭＰａの２種で行った。
示したばね諸元をもつコイルばねで耐久性について試験
をした。その耐久試験結果を表４に示す。耐久試験は応
力条件（Ａ）１００〜１３００ＭＰａ、（Ｂ）５００〜
１３００ＭＰａの２種で行った。
【００２９】
【表３】
【００３０】
【表４】
【００３１】上記表４の結果から明らかなように、応力
振幅の大きい条件Ａでは従来鋼に比べて大幅な寿命向上
がみられ、応力振幅の比較的小さい条件Ｂでは４０万回
以上の寿命が得られた。
振幅の大きい条件Ａでは従来鋼に比べて大幅な寿命向上
がみられ、応力振幅の比較的小さい条件Ｂでは４０万回
以上の寿命が得られた。
【００３２】
【発明の効果】本発明では現状のばね鋼以上の硬度と靭
性を兼ね備えた高強度ばね鋼が得られる。
性を兼ね備えた高強度ばね鋼が得られる。
【図１】酸素量と回転曲げ疲労限の関係を示すグラフあ
る。
る。
【図２】回転曲げ疲労試験片の形状を示す。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１１年１１月１６日（１９９９．１１．
１６）
１６）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１５】Ａｌ：Ａｌは脱酸剤として及びオーステナ
イト結晶粒度の調整を図るために必要な元素であり、
０．００５％を下まわる場合には結晶粒の微細化が図れ
ず、一方、０．０５０％を超える場合には鋳造性を低下
させ易くなるから、その範囲を０．００５〜０．０５０
％とした。
イト結晶粒度の調整を図るために必要な元素であり、
０．００５％を下まわる場合には結晶粒の微細化が図れ
ず、一方、０．０５０％を超える場合には鋳造性を低下
させ易くなるから、その範囲を０．００５〜０．０５０
％とした。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２０】Ｓ：Ｓは鋼中ではＭｎＳの介在物として存
在し、疲労寿命を低下させる要因となる。したがって、
介在物を減らすために、上限を０．０１０％に限定する
必要がある。
在し、疲労寿命を低下させる要因となる。したがって、
介在物を減らすために、上限を０．０１０％に限定する
必要がある。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２１】ＯT：酸化物および固溶するすべての酸素
量で、酸素は多量に含まれると酸化物系の介在物が多く
発生し、疲労破損の起点となるので、できるだけ少なく
する方が良く、上限は０．００１５％である。
量で、酸素は多量に含まれると酸化物系の介在物が多く
発生し、疲労破損の起点となるので、できるだけ少なく
する方が良く、上限は０．００１５％である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２３】
【表１】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２５】また、本発明はＯの量が鋼の特性に大きく
影響することを見出したものであるが、そのための試験
として、表２に示す組成の合金を用いて、機械的強度並
びに小野式回転曲げ疲労試験を行った。その結果を表２
に併記する。
影響することを見出したものであるが、そのための試験
として、表２に示す組成の合金を用いて、機械的強度並
びに小野式回転曲げ疲労試験を行った。その結果を表２
に併記する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２９】
【表３】 ─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１２年６月７日（２０００．６．７）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２３】
【表１】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 広松 秀則 北海道室蘭市仲町12番地 三菱製鋼室蘭特 殊鋼株式会社内 (72)発明者 佐藤 基行 東京都中央区晴海３−２−22 三菱製鋼株 式会社ばね技術部内 (72)発明者 原 良 千葉県市原市八幡海岸通１番地６ 三菱製 鋼株式会社ばね事業部内
Claims (1)
- 【請求項１】 重量％で、Ｃ＝０．４０〜０．７０％、
Ｓｉ＝１．００〜２．５０％、Ｍｎ＝０．３０〜０．９
０％、Ｎｉ＝０．５０〜１．５０％、Ｃｒ＝１．００〜
２．００％、Ｍｏ＝０．３０〜０．６０％、Ｃｕ＝０．
２５〜０．５０％、Ｖ＝０．０１〜０．５０％、Ｎｂ＝
０．０１０〜０．０５０％、Ａｌ＝０．００５〜０．０
５０％、Ｎ＝０．００４５〜０．０１００％、Ｔｉ＝
０．００５〜０．０５０％、Ｂ＝０．０００５〜０．０
０６０％、を含有し、さらに、Ｐ＝０．０１０％以下、
Ｓ＝０．０１０％以下、ＯT＝０．００１５％以下に制
限し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、Ｈｖ
６００以上、衝撃値が４０Ｊ／ｃｍ2以上を有すること
を特徴とする高強度ばね用鋼。
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-
2000
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