JP2002180199A - 耐へたり性に優れたばね用鋼およびばね用鋼線並びにばね - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高応力負荷条件下で使用されても、近年の要
求特性に十分に応えることのできる耐へたり性を発揮す
るばねを伸線ままで製造することのできるばね用鋼、お
よびこの様なばねの素材となるばね用鋼線材、並びに上
記特性を発揮するばね等を提供する。 【解決手段】 Ｃ：０．５〜０．８％未満、Ｓｉ：１．
２〜２．５％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｃｒ：０．０
５〜１．５％およびＶ：０．０５〜０．２５％を夫々含
有すると共に、パーライト組織中のフェライトに、５０
ｎｍ以下のＶ，Ｃｒ炭化物、炭窒化物およびＶとＣｒの
複合炭化物、複合炭窒化物が合計で１０個／μｍ²以上
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、強い冷間引抜き加
工を施して使用されるばね（加工ばね）の素材として有
用なばね用鋼、およびばね用鋼線材並びにばねに関する
ものであり、殊に伸線ままで熱処理せずとも優れた耐へ
たり性を発揮することのできるばねを得ることのできる
ばね用鋼、ばね用鋼線およびこうした特性を発揮するこ
とのできるばね等に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車等の軽量化や高出力化に伴い、エ
ンジンやサスペンション等に使用される弁ばねや懸架ば
ねにおいても、高応力化が指向されている。また、ばね
の負荷応力の増大に伴い、疲労強度、耐へたり性等の特
性が優れていることが要求されている。特に、弁ばねの
疲労強度の増大への要求は強く、とりわけ高応力負荷時
の耐へたり性の改善が課題となっている。ばねの耐へた
り性が低い場合には、高応力負荷中に、ばねのへたり量
が大きくなり、設計通りにエンジンの回転数が上がら
ず、応答性が悪くなるという問題が生じる。

【０００３】これまでにも、耐へたり性を改善する技術
は様々提案されており、例えば特許第２７３４３４７号
には、化学成分組成を調整すると共に、油焼入れ・焼戻
しによって残留オーステナイト量を低減して耐へたり性
を改善する技術が提案されている。

【０００４】上記した各種技術の開発によって、耐へた
り性の改善については或る程度の効果が得られている
が、多大なコストを要するという問題もある。こうした
ことから、近年の要求特性に十分に応えることのできる
耐へたり性を発揮できるばね用鋼を低コストで得ること
が望まれている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこうした状況
の下になされたものであって、その目的は、高応力負荷
条件下で使用されても、近年の要求特性に十分に応える
ことのできる耐へたり性を発揮するばねを伸線ままで製
造することのできるばね用鋼、およびこの様なばねの素
材となるばね用鋼線材、並びに上記特性を発揮するばね
等を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成し得た
本発明のばね用鋼とは、Ｃ：０．５〜０．８％未満、Ｓ
ｉ：１．２〜２．５％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｃ
ｒ：０．０５〜１．５％およびＶ：０．０５〜０．２５
％を夫々含有すると共に、パーライト組織中のフェライ
トに、円相当直径で５０ｎｍ以下のＶ，Ｃｒ炭化物、炭
窒化物およびＶとＣｒの複合炭化物、複合炭窒化物が合
計で１０個／μｍ²以上である点に要旨を有するもので
ある。このばね用鋼においては、必要によって（１）Ｎ
ｉ：１．５％以下、（２）Ｍｏ：０．５％以下等を含有
すること、および（３）Ａｌ：０．００５％以下に抑制
することも有効である。また、パーライトラメラ間隔が
２００μｍ以下であることが好ましい。

【０００７】また、上記の様なばね用鋼を用いて伸線加
工することによって、希望する特性を発揮するばねの素
材として有用なばね用鋼線材となる。

【０００８】更に、上記の様なばね用鋼線材をコイル状
に加工することによって、優れた耐へたり性を発揮する
ことのできるばねが得られる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明者らは、上記目的を達成す
ることのできるばね用鋼の実現を目指して様々な角度か
ら検討した。その結果、パーライト中の最弱部であるフ
ェライトを強化すれば、耐へたり性を改善できるとの着
想が得られた。そして、フェライトを強化する為の手段
について更に検討したところ、フェライト中に微細な析
出物を析出させること、具体的には円相当直径で５０ｎ
ｍ以下のＶ，Ｃｒの炭化物、炭窒化物、およびＶとＣｒ
の複合炭化物、複合炭窒化物（以下、これらを総称して
「複合炭窒化物等」と呼ぶことがある）が合計で１０個
／μｍ²以上となる様にすれば、上記目的が見事に達成
されることを見出し、本発明を完成した。尚、「円相当
直径」とは、該当する析出物の大きさに着目して、その
面積が等しくなる様に想定した円の直径を求めたもので
ある。

【００１０】本発明のばね用鋼には、上記の要件を満足
する限り、大きさが円相当直径で５０ｎｍを超える様な
複合炭化物等を一部に含んでいても良いが、複合炭化物
等はその殆ど若しくは全部が５０ｎｍ以下のものがある
ことが好ましい。また、複合炭化物等の大きさの下限に
ついては特に限定するものではないが、実際問題として
例えば１５万倍の透過型顕微鏡で確認できる大きさの限
界は約１０ｎｍであるので、この値が実質的な下限とな
る。

【００１１】ところで、フェライト中に微細析出物を多
量に分散させて上記の条件を満足させるためには、例え
ば（１）圧延終了後、８００〜９００℃近傍のオーステ
ナイト温度領域を２℃／ｓｅｃ以上で冷却し（オーステ
ナイト領域ではあまり析出させない）、７５０〜４００
℃の温度域を０．５〜１℃／ｓｅｃの冷却速度で冷却し
たり、（２）９００℃で加熱して６４０℃にて変態させ
た後、４００℃までの温度域を０．５〜１℃／ｓｅｃの
冷却速度で冷却する様にすれば良い。

【００１２】本発明のばね用鋼では、化学成分組成も適
切に調製する必要があるが、本発明のばね用鋼における
基本的な成分であるＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，ＣｒおよびＶにお
ける範囲限定理由は下記の通りである。

【００１３】Ｃ：０．５〜０．８％未満 Ｃは、高応力が負荷されるばね鋼として十分な強度を確
保するために不可欠の元素であり、その為には少なくと
も０．５％以上含有させる必要がある。Ｃ含有量は、好
ましくは０．５５％以上とするのが良いが、０．８％以
上に過剰に含有なると、靭性および延性が極端に悪くな
る。

【００１４】Ｓｉ：１．２〜２．５％ Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤として必要な元素であり、また
フェライト中に固溶して、焼戻し軟化抵抗を上げ、耐へ
たり性を改善するために有効な元素な元素である。こう
した効果を発揮させる為には、Ｓｉは１．２％以上含有
させる必要があるが、その含有量が２．５％を超えて過
剰になると、靭性や延性が悪くなるばかりか、表面の脱
酸や疵等が増加して耐疲労性が悪くなる。尚、Ｓｉ含有
量の好ましい下限は１．５％程度であり、好ましい上限
は２．３％程度である。

【００１５】Ｍｎ：０．５〜１．５％ Ｍｎは、製鋼時の脱酸に有効な元素であり、また焼入れ
性を高めて強度向上にも寄与する元素である。こうした
効果を発揮させる為には、Ｍｎは少なくとも０．５％以
上含有させる必要があるが、過剰に含有させると熱間圧
延時やパテンティング処理時にベイナイト等の過冷組織
が生成し易くなり、伸線性が著しく劣化するので、１．
５％以下とすべきである。尚、Ｍｎ含有量のより好まし
い下限は０．６％であり、より好ましい上限は１．０％
である。

【００１６】Ｃｒ：０．０５〜１．５％ Ｃｒは、パーライト組織中のフェライトに、Ｃｒ炭化
物、Ｃｒ炭窒化物およびＣｒとＶの複合炭化物若しくは
炭窒化物を析出させるのに有用な元素である。また、パ
ーライトラメラ間隔を小さくして、圧延後、または熱処
理後の強度を上昇させ、耐へたり性を向上させるのに有
用な元素である。こうした効果を発揮させるためには、
Ｃｒ含有量は０．０５％以上とする必要がある。しかし
ながら、Ｃｒ含有量が過剰になると、パテンティング時
間が長くなり過ぎ、また靭性や延性が劣化するので、
１．５％以下とする必要がある。

【００１７】Ｖ：０．０５〜０．２５％ ＶはＣｒと同様に、パーライト組織中のフェライトに、
Ｖ炭化物、Ｃｒ炭窒化物およびＣｒとＶの複合炭化物若
しくは炭窒化物を析出させるのに有用な元素である。こ
うした効果を発揮させる為には、Ｖは０．０５％以上含
有させる必要があり、好ましくは０．０８％以上含有さ
せるのが良い。しかしながら、０．２５％を超えて過剰
に含有させても、マルテンサイトやベイナイト組織が生
成し、加工性が悪くなる。

【００１８】本発明のばね用鋼における基本的な化学成
分組成は上記の通りであり、残部は実質的にＦｅからな
るものであるが、必要によって、（１）Ｎｉ：１．５％
以下、（２）Ｍｏ：０．５％以下等を含有することや、
（３）Ａｌ：０．００５％以下に抑制することも有効で
ある。これらの元素による各作用は下記の通りである。

【００１９】Ｎｉ：１．５％以下 Ｎｉは、焼入れ性を高め、低温脆化を防止するのに有効
な元素である。こうした効果は、その含有量が多くなる
につれて大きくなるが、過剰に含有させると、圧延にお
いてベイナイト或はマルテンサイト組織が生成し、伸線
性が著しく劣化すると共に、靭性および延性が劣化する
ので、１．５％以下とする必要がある。尚、上記効果を
発揮させる為のＮｉ含有量の好ましい下限は、０．０５
％である。

【００２０】Ｍｏ：０．５％以下 Ｍｏは、焼入れ性を確保すると共に軟化抵抗を向上させ
ることによって、耐へたり性を向上させる元素である。
こうした効果は、その含有量が多くなるにつれて大きく
なるが、過剰に含有させると、パテンティング時間が長
くなり過ぎ、また延性も劣化するので、その上限は０．
５％とした。

【００２１】Ａｌ：０．００５％以下 Ａｌは、製鋼時の脱酸剤として含有されるが、過剰に含
有させると粗大な非金属介在物を生成し、疲労強度を劣
化させるので、その含有量は０．００５％以下に抑制す
るのが好ましい。

【００２２】本発明のばね用鋼には、上記の各種成分以
外にもばね用鋼の特性を阻害しない程度の微量成分を含
み得るものであり、こうした鋼線材も本発明の範囲に含
まれものである。上記微量成分としては不純物、特に
Ｐ，Ｓ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｓｎ等の不可避不純物が挙げられ
る。

【００２３】ところで、ばね用鋼の耐へたり性を向上さ
せるには、パーライトを強化すれば良いことは前述した
通りであるが、パーライトを強化する為の手段としては
パーライトラメラ間隔を小さくすることも有効である。
こうした観点から、パーライトラメラ間隔を２００ｎｍ
以下にすれば、特に優れた耐へたり性を発揮できるので
好ましい。

【００２４】以下、本発明を実施例によって更に詳細に
説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のもの
ではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することは
いずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。

【００２５】

【実施例】下記表１に示す化学成分組成の鋼（Ｎｏ．１
〜１９）を溶製し、熱間圧延して直径：９．０ｍｍの鋼
線材を作製した。その後、軟化焼鈍、皮削り、パテンテ
ィング処理および伸線処理を行なって線径：３．０ｍｍ
の線材とした。このとき、パテンティング処理は加熱温
度９４０℃、鉛炉温度６２０℃にて行なった。その後、
ばね成形し、歪み取り焼鈍（４００℃×２０分）、座研
磨、ダブルショットピーニング、低温焼鈍（２３０℃×
２０分）および冷間セッチングを行なった。

【００２６】

【表１】

【００２７】得られた鋼材について、パーライト組織に
おけるフェライト中に析出している化合物の数と大きさ
を測定した。化合物の測定は、薄膜レプリカ法により抽
出した化合物を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて、加速
電圧：２００ＫＶ、１５万倍の撮影を行なった。これに
ついて、フェライト１μｍ²［１５万倍の倍率で（１５
０ｍｍ）²］中に析出している５０ｎｍ以下の微細析出
物の個数を測定した。

【００２８】尚、測定部位については、（ａ）表面部分
がばねの最大応力位置であること、（ｂ）圧延材は、圧
延後、ＳＶ処理によって表面を削り落とすことから、表
面から０．２ｍｍの深さ位置とした。また、炭・窒化物
の測定は、ＴＥＭにて観察される複合炭窒化物等を目視
で判断し、目視で判断できない微細な複合炭窒化物等に
ついては、Ｘ線回折パターンによって複合炭窒化物等で
あることを確認し、１５万倍で１０〜５０ｎｍの大きさ
の複合炭窒化物等の個数を測定した。更に、測定は各鋼
材について任意の三視野で行ない、その平均値を求め
た。

【００２９】ＴＥＭにて観察した組織の例を図１（図面
代用写真）に示す。この図１において、縞状になってい
る黒い部分がパーライト組織におけるセメンタイト（図
中Ｃで示す）、白い部分がフェライト（図中Ｆで示す）
であり、フェライト中に析出している炭化物若しくは炭
窒化物を矢印で示す。

【００３０】また、各ばねについて、６３７±４９０Ｍ
Ｐａの負荷応力下で疲労試験を行ない、更に１２０℃、
８８２ＭＰａの応力下で、４８時間締め付けた後、残留
せん断歪を測定した。その結果を、下記表２に示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】これらの結果から、次の様に考察できる。
まず、鋼Ｎｏ．１〜１０のものは、いずれも本発明で規
定する要件を満足する実施例のものであるが、パーライ
ト組織におけるフェライト中の５０ｎｍ以下の析出物
（複合炭窒化物等）の個数が１０個以上であり、疲労強
度および耐へたり性ともに優れていた。

【００３３】これに対して、鋼Ｎｏ．１１〜１９のもの
は、本発明で規定する要件のいずれかを欠く比較例であ
り、いずれかの特性が劣化していることが分かる。即
ち、鋼Ｎｏ．１１のものでは、Ｃ含有量が少ないので、
伸線後に十分な強度が確保できず、疲労寿命が短く、残
留せん断歪も大きくなっている。また、鋼材Ｎｏ．１２
のものでは、Ｃ含有量が過剰になっておいるので、靭性
および延性が劣化し、疲労寿命が短く、残留せん断歪も
大きくなっている。

【００３４】鋼材Ｎｏ．１３のものでは、Ｓｉ含有量が
少ないので、伸線後に十分な強度が確保できず、疲労寿
命が短く、残留せん断歪も大きくなっている。鋼材Ｎ
ｏ．１４のものでは、Ｓｉ含有量が過剰になっており、
パテンティング処理時に過冷組織が生成し、伸線時に断
線が発生した。

【００３５】鋼Ｎｏ．１５のものでは、Ｍｎ含有量が少
ないので、伸線時に十分な強度が確保できず、疲労寿命
が短く、残留せん断歪も大きくなっている。鋼Ｎｏ．１
６のものでは、Ｍｎ含有量が過剰になっているので、パ
テンティング処理時に過冷組織が生成し、伸線時に断線
が発生した。

【００３６】鋼Ｎｏ．１７のものでは、Ｃｒが含有され
ていないので、パーライト組織のフェライト中に析出す
る析出物が少なくなり、残留せん断歪が大きくなってい
る。鋼Ｎｏ．１８のものでは、Ｖが含有されていないの
で、パーライト組織のフェライト中に析出する析出物が
少なくなり、残留せん断歪が大きくなっている。鋼Ｎ
ｏ．１９のものでは、Ｖ含有量が過剰になっているの
で、パテンティング処理時に過冷組織が生成し、伸線時
に断線が発生した。

【００３７】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、高
応力負荷条件下で使用されても、近年の要求特性に十分
に応えることのできる耐へたり性を発揮するばねを伸線
ままで製造することのできるばね用鋼、およびこの様な
ばねの素材となるばね用鋼線材、並びに上記特性を発揮
するばね等が実現できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＴＥＭにて観察した組織の例を示す図面代用写
真である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 茨木 信彦 神戸市灘区灘浜東町２番地 株式会社神戸 製鋼所神戸製鉄所内 (72)発明者 稲田 淳 神戸市灘区灘浜東町２番地 株式会社神戸 製鋼所神戸製鉄所内 (72)発明者 須田 澄恵 神戸市灘区灘浜東町２番地 株式会社神戸 製鋼所神戸製鉄所内 (72)発明者 高村 典利 神奈川県愛甲郡愛川町中津字桜台4056番地 日本発条株式会社内 (72)発明者 天道 悟 長野県上伊那郡宮田村3131番地 日本発条 株式会社内 (72)発明者 藤原 忠義 兵庫県尼崎市中浜町10番地１ 神鋼鋼線工 業株式会社内 (72)発明者 神保 鉄男 兵庫県尼崎市中浜町10番地１ 神鋼鋼線工 業株式会社内 Ｆターム(参考） 3J059 AB11 BA01 BC02 BC19 GA01

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃ：０．５〜０．８％未満（質量％の意
   味、以下同じ）、Ｓｉ：１．２〜２．５％、Ｍｎ：０．
   ５〜１．５％、Ｃｒ：０．０５〜１．５％およびＶ：
   ０．０５〜０．２５％を夫々含有すると共に、パーライ
   ト組織中のフェライトに、円相当直径で５０ｎｍ以下の
   Ｖ，Ｃｒ炭化物、炭窒化物およびＶとＣｒの複合炭化
   物、複合炭窒化物が合計で１０個／μｍ²以上であるこ
   とを特徴とする耐へたり性に優れたばね用鋼。
2. 【請求項２】 Ｎｉ：１．５％以下を含有するものであ
   る請求項１に記載のばね用鋼。
3. 【請求項３】 Ｍｏ：０．５％以下を含有するものであ
   る請求項１または２に記載のばね用鋼。
4. 【請求項４】 Ａｌ：０．００５％以下に抑制したもの
   である請求項１〜３のいずれかに記載のばね用鋼。
5. 【請求項５】 パーライトラメラ間隔が２００μｍ以下
   である請求項１〜４のいずれかに記載のばね用鋼。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかに記載のばね用
   鋼を用いて伸線加工したものであるばね用鋼線。
7. 【請求項７】 請求項６の鋼線材をコイル状に加工した
   ものであるばね。