JP2004315967A

JP2004315967A - 耐へたり性及び疲労特性に優れたばね用鋼

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Publication number: JP2004315967A
Application number: JP2004084331A
Authority: JP
Inventors: Sumie Suda; 澄恵須田; Nobuhiko Ibaraki; 信彦茨木
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】ばねの耐へたり性と疲労特性の両方を向上するのに有用な鋼を提供する。
【解決手段】本発明のばね用鋼は、Ｃ：０．５〜０．８％（質量％の意、以下同じ）、Ｓｉ：１．２〜２．５％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｃｒ：１．０〜４．０％、Ｖ：０．５％以下（０％を含む）、Ｐ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．０５％以下（０％を含まない）を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなり、
前記Ｓｉ含有量及びＣｒ含有量はさらに下記式（１）を満足するところに特徴を有する。
０．８×［Ｓｉ］＋［Ｃｒ］≧２．６ …（１）
（式中、［Ｓｉ］、［Ｃｒ］はそれぞれＳｉ含有量（質量％）及びＣｒ含有量（質量％）を示す）

Description

本発明はばね（例えば、機械の復元機構に使用するばね）を製造するのに有用な耐へたり性及び疲労特性に優れたばね用鋼に関するものである。

自動車エンジンの弁ばね、サスペンションの懸架ばね、クラッチばね、ブレーキばねなどは、近年の自動車の軽量化や高出力化に伴い、高応力に耐えられるような設計が求められている。すなわちばねの負荷応力の増大に伴い、疲労特性及び耐へたり性に優れたばねが求められている。

耐へたり性は、ばね素材を高強度化すれば向上することが知られている。例えば高Ｓｉ化して高強度化すれば耐へたり性が向上するため、通常、０．８〜２．５％程度の範囲で使用されている（特許文献１，２参照）。またばね素材を高強度化すれば疲労限の点からは、疲労特性の向上が期待される。ところがばね素材を高強度化すると、欠陥感受性が高くなり易く、却って疲労寿命が低下する場合があり、またコイリング時の折損がおこりやすくなる。従って耐へたり性と疲労特性の両方を向上させるのは困難である。
特許第２８９８４７２号公報（請求項１、段落００１５）特開２０００−１６９９３７号公報（請求項１、段落００１８、段落００２８）

本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、耐へたり性と、疲労特性の両方を向上し得るばねを製造するのに有用な鋼を提供することにある。

本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねる過程において、Ｃｒの意外な作用を見出した。すなわちＣｒは焼入性の向上及び焼戻し軟化抵抗の向上に有効な元素であるため、Ｓｉと同様に、耐へたり性向上及び疲労限の向上に有効であることは知られているものの、Ｃｒを多く使用しても疲労寿命は向上せず、むしろ靭性及び延性を下げるため、Ｃｒの使用量は実質的には約１％程度に抑えられていた（上記特許文献１及び２の実施例参照）。ところが、本発明者らはＣｒには欠陥感受性を低下させることなく、疲労強度および耐へたり性を向上できる作用があることを新たに発見した。より詳細に説明すると、従来、ばねは、鋼材（線材）を、例えば、伸線、オイルテンパー、コイリング、ショットピーニング、セッチングなどの順で処理することによって製造されており、特にショットピーニングは表面に圧縮残留応力を付与して疲労寿命を高める点で重要である。ところが鋼材中のＣｒ含有量を大きくすると、オイルテンパー処理の際に粒界が酸化されてしまい、この粒界酸化層はショットピーニングの際の圧縮残留応力の付与量を少なくしてしまうため、結果として疲労寿命が向上していなかったのである。本発明者らは、オイルテンパー処理の際の粒界酸化を抑制できれば、Ｃｒが潜在的に有している欠陥感受性低下作用を有効に利用でき、欠陥存在時の疲労寿命低下を抑制できることを見出した。

加えて本発明者らは、さらなる研究開発を進めた。すなわちＣｒを所定量以上含有する鋼線の粒界酸化層を低減すれば疲労寿命の向上が認められるものの、さらなる改善の余地が残されていたのである。そして鋼材のＳｉ・Ｃｒバランスを適正化すれば、疲労特性がさらに改善されることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明に係る耐へたり性及び疲労特性に優れるばね用鋼は、Ｃ：０．５〜０．８％（質量％の意、以下同じ）、Ｓｉ：１．２〜２．５％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｃｒ：１．０〜４．０％、Ｖ：０．５％以下（０％を含む）、Ｐ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．０５％以下（０％を含まない）を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなり、しかも前記Ｓｉ含有量及びＣｒ含有量はさらに下記式（１）を満足している点に要旨を有するものである。

０．８×［Ｓｉ］＋［Ｃｒ］≧２．６ …（１）
（式中、［Ｓｉ］、［Ｃｒ］はそれぞれＳｉ含有量（質量％）及びＣｒ含有量（質量％）を示す）
なお前記「ばね用鋼」とは、正確には、熱間圧延などによって得られるwire rodを意味する。本発明のばね用鋼は、特にＭｎ：０．５％以上、Ｃｒ：１．３％以上とすることが推奨される。上記ばね用鋼は、さらにＮｉ：０．５％以下（０％を含まない）及び／又はＭｏ：０．４％以下（０％を含まない）を含有していてもよい。

本発明の鋼によれば、Ｓｉ及びＣｒが所定量以上添加されており、しかもＳｉ・Ｃｒバランスが適切に設定されているために、ばねとしたときの耐へたり性を向上でき、しかも疲労特性も確実に向上できる。

本発明の鋼は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｐ、Ｓ、及びＡｌを所定量含有するものであり、残部はＦｅ及び不可避的不純物である。以下、各成分の量及びその限定理由を説明する。

Ｃ：０．５〜０．８％（質量％の意、以下同じ）
Ｃは高応力が負荷されるばねに十分な強度を確保するために添加される元素であり、通常は０．５％程度以上、好ましくは０．５２％以上、さらに好ましくは０．５４％程度以上、特に０．６％程度以上添加する。しかし多すぎると靭延性が悪くなり、ばね用鋼をばねに加工する時や得られたばねの使用中に、表面疵や内部欠陥を起点として割れが発生し易くなるため、通常は０．８％程度以下、好ましくは０．７５％程度以下、さらに好ましくは０．７％程度以下とする。

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、軟化抵抗を高めて耐へたり性を向上させるのにも有用である。こうした効果を有効に発揮させるため、通常は１．２％程度以上、好ましくは１．４％程度以上、さらに好ましくは１．６％程度以上添加する。しかし多すぎると、靭延性が悪くなるばかりでなく疵が増加したり、熱処理の際に表面の脱炭が進行し易くなったり、また粒界酸化層が深くなり易く疲労寿命を短くし易くなる。Ｓｉは、通常は２．５％程度以下、好ましくは２．３％程度以下、さらに好ましくは２．２％程度以下とする。

Ｍｎ：０．２〜１．５％
Ｍｎも製鋼時の脱酸に有効な元素であり、また焼入性を高めて強度向上に寄与する元素である。この効果を有効に発揮させるため、通常は０．２％程度以上、好ましくは０．３％以上、さらに好ましくは０．４％以上、特に０．５％程度以上（例えば、０．６％程度以上、好ましくは０．６５％程度以上）添加する。しかし、本発明の鋼は、熱間圧延した後、必要に応じてパテンティング処理し、次いで伸線、オイルテンパー、コイリングなどしてばねにするため、Ｍｎが多すぎると、前記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、伸線性が低下し易くなるため、上限は通常は１．５％程度、好ましくは１．２％程度、さらに好ましくは１％程度とする。

Ｃｒ：１．０〜４．０％
Ｃｒは耐へたり性の向上作用及び欠陥感受性低下作用を有しており、本発明にとって極めて重要な元素である。なおＣｒは粒界酸化層を厚くして疲労寿命を低下させる作用も有しているものの、この点はオイルテンパー時の雰囲気を制御して粒界酸化層を薄くすることが可能であるため、本発明ではかかる不具合は解消できる。従ってＣｒは多い程望ましく、例えば、１．０％以上、好ましくは１．０３％以上、さらに好ましくは１．２％以上、特に１．３％以上である。またＣｒを多くすると、表面硬化処理（例えば、窒化処理）した後の耐へたり性をも向上できる。表面硬化処理後の耐へたり性をも向上させる場合には、Ｃｒ量を１．３％以上、好ましくは１．４％以上、さらに好ましくは１．５％以上とすることが推奨される。なおＣｒが過剰になると、伸線の際のパテンティング時間が長くなりすぎ、また靭性や延性も低下するため、４．０％以下、好ましくは３．５％以下、さらに好ましくは３％以下、特に２．６％以下とする。

Ｖ：０．５％以下（０％を含む）
Ｖは添加しない場合（０％）もあるが、本発明の鋼を伸線した後でオイルテンパー処理する時に結晶粒を微細化する作用があり、靭・延性を向上させるのに有用であり、また前記オイルテンパー処理の時や、コイリング（ばね成形）後の歪取り焼鈍時などに、２次析出硬化を起こして高強度化にも寄与するため、例えば、０．０１％程度以上、好ましくは０．０５％程度以上、さらに好ましくは０．１％程度以上添加する場合もある。しかし、過剰に添加するとオイルテンパー処理するまでの段階でマルテンサイト組織やベイナイト組織が生成してしまい、伸線加工性が低下し易くなるため、添加する場合（０％超）であっても、０．５％程度以下、好ましくは０．４％程度以下、さらに好ましくは０．３％程度以下とする。

Ｐ：０．０２％以下（０％を含まない）
Ｓ：０．０２％以下（０％を含まない）
Ｐ及びＳは、共に鋼の靭性及び延性を低下させる不純物元素であり、伸線工程での断線を防止するために極力抑制するのが望ましい。Ｐ量及びＳ量は、好ましくは０．０１５％以下、さらに好ましくは０．０１３％以下程度である。Ｐ量及びＳ量の上限は、異なって設定してもよい。

Ａｌ：０．０５％以下（０％を含まない）
Ａｌは、例えば他の元素（例えばＳｉ）で脱酸する場合や真空溶製する場合には必要ではないが、Ａｌ脱酸する場合には有用である。しかしＡｌは、Ａｌ₂Ｏ₃などの酸化物を生成し、伸線時の断線の原因となり、また破壊の起点となってばねの疲労特性を低下させる原因となるため、極力低減するのが望ましい。Ａｌ量は、好ましくは０．０３％以下、さらに好ましくは０．０１％以下、特に０．００５％以下程度である。

また本発明では、上記元素の他、さらにＮｉ、Ｍｏなどを単独で又は組み合わせて添加してもよい。以下、これら選択元素の量及び添加理由について説明する。

Ｎｉ：０．５％以下（０％を含まない）
Ｎｉは焼入性を高め、低温脆化を防止するのに有用な元素である。Ｎｉ量は、好ましくは０．０５％程度以上、好ましくは０．１％程度以上、さらに好ましくは０．１５％程度以上である。しかし多すぎると、熱間圧延によって鋼材を製造する際に、ベイナイト組織又はマルテンサイト組織が生成し、靭性・延性が低下し易くなるため、０．５％程度以下、好ましくは０．４％程度以下、さらに好ましくは０．３％程度以下とする。

Ｍｏ：０．４％以下（０％を含まない）
Ｍｏは、軟化抵抗を向上させると共に、析出硬化を発揮するために低温焼鈍した後で耐力を上昇させる点でも有用である。Ｍｏ量は、好ましくは０．０５％以上、さらに好ましくは０．１％以上である。しかし過剰に添加すると、本発明の鋼材をオイルテンパー処理するまでの段階でマルテンサイト組織やベイナイト組織が生成し、伸線加工性が悪くなるため、０．４％以下、好ましくは０．３５％以下、さらに好ましくは０．３０％以下とする。

そして本発明の鋼では、各成分が上記範囲で制御されているのみならず、Ｓｉ・Ｃｒバランスが適正に制御されており、具体的には下記式（１）、好ましくは下記式（２）を満足するようにＳｉ・Ｃｒバランスを制御している。

０．８×［Ｓｉ］＋［Ｃｒ］≧２．６ …（１）
０．８×［Ｓｉ］＋［Ｃｒ］≧３．０ …（２）
（式中、［Ｓｉ］、［Ｃｒ］はそれぞれＳｉ含有量（質量％）及びＣｒ含有量（質量％）を示す）
Ｓｉ・Ｃｒバランスを適正に制御することによって、ばねとしたときの欠陥感受性を確実に改善し、疲労寿命をさらに向上させることができる。

本発明の鋼は、例えば、鋼片、鋳片、又はこれらを熱間圧延することによって得られる線材として取得できる。そして、本発明の鋼は、例えば、以下のようにしてばねとすることができる。

すなわち前記線材を伸線し、焼入れ・焼戻し処理（オイルテンパー処理など）して鋼線とした後、ばね成形することによってばねが得られる。なお前記焼入れ・焼戻し処理は、水蒸気を含むガス雰囲気下で行うことが推奨される。水蒸気を含むガス中で焼入れ・焼戻し処理すると、鋼線表面の酸化被膜を緻密化でき、粒界酸化層を薄くできるため、Ｃｒ添加による不具合を回避できる。

なお伸線前には、通常、軟化焼鈍、皮削り、鉛パテンティング処理などを行う。またばね成形後は、通常、歪取焼鈍、ダブルショットピーニング、低温焼鈍、冷間セッチングなどを行う。

本発明の鋼を用いれば、上記のようにしてばねとしたときに、耐へたり性と、疲労特性の両方を確実に向上することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

実験例１〜１９
下記表１に示す化学成分の鋼を溶製し、熱間圧延することにより直径８．０ｍｍの鋼線材を作製した。

上記鋼線材をばね用途に使用したときの特性を調べるため、下記試験を行った。

［疲労特性］
上記鋼線材を軟化焼鈍、皮削り、鉛パテンティング処理（加熱温度：９５０℃、鉛炉温度：６２０℃）、伸線処理を行った後、オイルテンパー処理（加熱温度：９６０℃、焼入油温度：７０℃、焼戻温度：４５０℃、焼戻し後の冷却条件：空冷、炉雰囲気：１０体積％Ｈ₂Ｏ＋９０体積％Ｎ₂）を行い、直径４．０ｍｍのオイルテンパー線を製造した。

得られたオイルテンパー線を、歪み取り焼鈍に相当する４００℃×２０分のテンパー処理し、ダブルショットピーニング、低温焼鈍（２２０℃×２０分）を行った。この低温焼鈍後の鋼線を島津製作所製ＴＹＰＥ４中村式回転曲げ疲労試験機にセットし、回転速度：４０００ｒｐｍ、サンプル長：６００ｍｍ、公称応力：８２６ＭＰａの条件下で回転曲げ疲労試験を行い、破断するまでの寿命（回転数）と破断面箇所を調べた。なお破断しない場合には、回転数：２×１０⁷回で試験を中止した。

［耐へたり性］
上記疲労特性の際に製造したオイルテンパー線をばね成形（コイルの平均径：２８．０ｍｍ、巻数：６．５、有効巻数：４．５）、歪取焼鈍（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）、冷間セッチングを行い、ばね（ばね定数：２．６ｋｇｆ／ｍｍ）とした。またダブルショットピーニング前に窒化処理（温度４５０℃×３時間）する以外は前記と同様にしたばねも作成した。

窒化処理しなかったばね、及び窒化処理したばねの両方の残留せん断歪みを以下のようにして測定した。すなわち１３７２ＭＰａの応力下で４８時間に亘って継続してばねを締め付けた後（温度：１２０℃）、応力を除去し、試験前後のへたり量を測定し、残留せん断歪みを算出した。

またＪＩＳＧ０５５１に準拠して旧オーステナイト粒の結晶粒度番号も調べた。結果を表１及び図１に示す。なお図１中、○は実験例１〜１１に対応し、△は実験例１２〜１３、１５〜１６及び１９に対応し、×は実験例１４、及び１７〜１８に対応する。

表１及び図１より明らかなように、実験例１２〜１４及び１６〜１７はＳｉ及びＣｒの少なくとも一方が不足しているため疲労寿命が短い。実験例１５及び１８〜１９に示すように、Ｓｉ及びＣｒを所定量以上添加すると、先の実験例１２〜１４及び１６〜１７に比べれば疲労寿命の改善が認められるものの、例えば実験例１８では酸化物系介在物を起点とする破壊（疲労限以下の破壊）が生じており、さらなる疲労寿命の向上が求められる。

これらに対して実験例１〜１１によれば、Ｓｉ及びＣｒが所定量以上添加されており、しかもＳｉ・Ｃｒバランスが適切に設定されているため、疲労寿命が確実に著しく向上し、耐へたり性も改善されている。特に実験例１、３〜６、８、及び１０〜１１では、実験例２、７、９よりもＣｒが多く添加されており、窒化後の耐へたり性も改善されている。

図１は実施例の鋼のＳｉ・Ｃｒ量と、疲労特性との関係を示すグラフである。

Claims

Ｃ：０．５〜０．８％（質量％の意、以下同じ）、
Ｓｉ：１．２〜２．５％、
Ｍｎ：０．２〜１．５％、
Ｃｒ：１．０〜４．０％、
Ｖ：０．５％以下（０％を含む）、
Ｐ：０．０２％以下（０％を含まない）、
Ｓ：０．０２％以下（０％を含まない）、
Ａｌ：０．０５％以下（０％を含まない）
を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなり、
前記Ｓｉ含有量及びＣｒ含有量はさらに下記式（１）を満足するものである耐へたり性及び疲労特性に優れたばね用鋼。
０．８×［Ｓｉ］＋［Ｃｒ］≧２．６ …（１）
（式中、［Ｓｉ］、［Ｃｒ］はそれぞれＳｉ含有量（質量％）及びＣｒ含有量（質量％）を示す）
Ｍｎが０．５％以上である請求項１に記載のばね用鋼。
Ｃｒが１．３％以上である請求項１又は２に記載のばね用鋼。
さらにＮｉ：０．５％以下（０％を含まない）及びＭｏ：０．４％以下（０％を含まない）から選択された少なくとも一種を含有する請求項１〜３のいずれかに記載のばね用鋼。