JP2011074431A - 腐食疲労強度に優れるばね用鋼、及びばね - Google Patents
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Abstract
【解決手段】焼入れ焼戻しマルテンサイトを含むばね用鋼であって、前記鋼中に含まれるSi量が、質量%で、鋼全体の2.1%以上2.4%以下、C量が0.35%以上0.55%以下、Mn量が0.20%以上1.50%以下、Cr量が0.10%以上1.50%以下を含み、さらに、Ni量が0.40%以上3.00%以下,Mo量が0.05%以上0.50%以下およびV量が0.05%以上0.50%以下からなる群から選択される1種又は2種以上の元素を含み,残部がFe及び不可避不純物からなる。
【選択図】なし
Description
1.2%≦C(%)+Mn(%)+Cr(%)≦2.0%・・・式(1)
1.4%≦Si(%)/3+Cr(%)/2+Mn(%)≦2.4%・・・式(2)
0.4%≦Cu(%)+Ni(%)・・・式(3)
なお、上記式(1)〜(3)のパーセントは、質量パーセントである。
そこで、本発明は、高強度であっても腐食疲労強度に優れるばね用鋼及びばねを提供することを目的とする。
なお、本明細書でいう「焼戻マルテンサイト」とは、鋼材を高温で焼き入れした後に冷却することによってオーステナイト組織からマルテンサイト組織に変態させ、さらに所定温度(オーステナイトに変態する温度よりも低温)に加熱した後に冷却した鋼のことをいう。
なお、本明細書でいう「最小長さ」とは、炭化物の外縁に接する矩形を形成したときに、その矩形の短辺の長さのことをいう。炭化物の形状が球の場合、直径に相当する。炭化物が針状の場合、厚み(幅)に相当する。
本発明のばね用鋼は、焼戻マルテンサイトを含んでおり、鋼材中に含まれるSi(ケイ素)量が2.1%以上2.4%以下に調整されている。本ばね用鋼において、Siがこの範囲であると、耐へたり性、焼戻し特性及び腐食疲労強度の向上に有効である。この範囲であると、良好な耐へたり性、焼戻し特性及び腐食疲労強度を得ることができる。2.1%未満では、焼戻マルテンサイト中に大きなサイズの炭化物が析出しやすくなるので、腐食疲労強度が低下しやすくなる。2.4%を超えると、鋼を圧延するときに脱炭が生じやすくなり、疲労強度や腐食疲労強度等が低下するおそれがある。本ばね用鋼では、腐食疲労強度の観点から、好ましくは、Si量は、2.2%以上2.4%以下である。より好ましくは、2.3%以上2.4%以下である。また、「腐食疲労強度」は、後述する実施例記載の試験方法によって得られるものであることが好ましい。
炭素鋼をオーステナイトから急冷すると、マルテンサイトに変態する。その後、所定の温度に加熱することにより焼戻マルテンサイトになり、焼戻マルテンサイト中には炭化物が存在する。ばね用鋼において、焼戻マルテンサイト中の炭化物のサイズは、強度や腐食疲労強度に影響を及ぼす。本発明のばね用鋼では、焼戻マルテンサイトに含まれる炭化物のうち、最小長さが15nm未満の炭化物の数が炭化物の全数の40%以上になるように調整する。なお、最小長さが15nm未満の小サイズ炭化物の数が増加すると、相対的に最小長さが15nm以上の粗大な炭化物の数が減少する。以下の説明では、最小長さが15nm未満の炭化物を「小サイズ炭化物」と称し、最小長さが15nm以上の炭化物を「粗大炭化物」と称すことがある。
焼戻マルテンサイト中の粗大炭化物の割合を減少させることにより、良好な強度を維持しつつ、腐食疲労強度に優れたばね用鋼を実現することができる。すなわち、炭化物のサイズとその割合を適値に調整することにより、HRC53〜HRC56程度の強度を実現しつつ、腐食疲労強度が良好なばね用鋼を容易に実現することができる。なお、焼戻マルテンサイト中の小サイズ炭化物の割合は、好ましくは50%以上であり、より好ましくは60%以上である。
Cは、0.35%以上0.55%以下含有することが好ましい。本ばね用鋼において、Cがこの範囲であると、焼入れ焼戻しにより良好な強度のばね用鋼を得ることができる。0.35%未満であると、焼入れ焼戻しにより良好な強度のばね用鋼を得ることができない。また、0.55%を超えると靭性が低下して、水焼入れ時に焼割れが生じる可能性がある。さらに、疲労強度や腐食疲労強度が低下するおそれがある。他の合金成分との関係もあるが、好ましくは、Cは、0.45%以上0.50%以下である。この範囲であると、良好な強度を実現しやすいとともに、他の合金成分との関係でも良好な腐食疲労強度を初めとする耐久性を得られやすくなる。より好ましくは、上限は、0.49%であり、さらに好ましくは0.48%である。また下限は、好ましくは0.46%であり、より好ましくは0.47%である。
Mnは、0.20%以上1.50%以下であることが好ましい。本ばね用鋼において、Mnがこの範囲であると、良好な腐食疲労強度を得ることができる。Mnが1.50%を超えると、腐食疲労強度が低下する傾向にあり、Mnが0.20%未満であると、強度や焼入れ性が不足する傾向があり、圧延時に割れやすくなる傾向がある。本ばね用鋼では、これらの観点から、より好ましくは上限は0.70%であり、さらに好ましくは0.50%以下である。また、より好ましくは、下限は0.40%である。
Crは、0.10%以上1.50%以下であることが好ましい。本ばね用鋼において、Crがこの範囲であると強度確保や焼入れ性向上に有用である。Crが0.10%未満であると、こうした効果が不十分であり、また、1.50%を超えると、焼戻し組織が不均一になり、耐へたり性を阻害するおそれが生じやすくなる。好ましくは、上限は0.30%である。また、好ましくは、下限は0.20%である。
Niは0.40%以上3.00%以下であることが好ましい。本ばね用鋼においては、Niがこの範囲であると耐腐食性の向上に効果がある。0.40%未満であると、その効果が不十分であり、3.00%を超えると、耐腐食性向上効果が飽和する傾向がある。より好ましくは、上限は1.00%であり、さらに好ましくは、0.60%である。本ばね用鋼は、Ni、Mo及びVのうち、少なくともNiを含有していることが好ましい。
Moは、0.05%以上0.50%以下であることが好ましい。本ばね用鋼においては、Moがこの範囲であると、腐食疲労強度を向上させることができる。0.05%未満であると、この効果が不十分であり、0.50%を超えると、効果が飽和する傾向がある。好ましくは、0.20%以下である。より好ましくは0.10%以下である。
Vは、0.05%以上0.50%以下であることが好ましい。本ばね用鋼においてVがこの範囲であると、結晶粒の微細化、析出硬化に効果的である。0.05%未満であると、その効果が不十分であり、0.50%を超えると、炭化物が鋼表面において腐食ピットを形成して、亀裂破壊の起点となるおそれがある。また、靭性が低下する。より好ましくは、0.30%以下であり、さらに好ましくは、0.20%以下である。一層好ましくは、0.10%以下である。
ばねが腐食疲労により破壊する原因として、腐食によってばねの表面に微細な穴(ピット)が生じ(以下、腐食ピットと称す)、その腐食ピットに応力が集中することが挙げられる。腐食ピットの生成を抑制することは困難であり、腐食ピットが生成しても疲労強度が低下しない鋼材が望まれる。ばねの耐腐食疲労性は、腐食疲労強度試験により数値化することができる。すなわち、腐食疲労強度試験を繰り返し行い、ばねが破壊するまでの繰り返し回数により、ばね用鋼の耐腐食疲労性を評価することができる。
(1)鋼を高炉又は電炉で量産相当で溶製して得た鋼塊を分塊圧延し、その後、線材圧延した。
(2)鋼を真空溶解炉で2トン溶解後、分塊圧延し、その後 線材圧延した。
1.腐食疲労試験
(1)試験片の調製
試験片は、各鋼の線材を、表面研削後、焼入れ加熱し、その後熱間成形し、焼入れ(油冷)し、焼戻することにより、コイルばねとした。なお、焼入れ加熱条件は、高周波誘導加熱990℃とし、ばね硬さ(焼戻し後硬さ)は、HRC55に調整した。得られたコイルばねの概要を以下の表2に示す。
得られたばねに人工的にピットを付与し、腐食環境中で疲労試験(JASOC604)を実施した。ピットは、主応力振幅が最大となる箇所(コイル端末から3.1巻)におけるばねの外側表面に小さな穴のあいたマスキングをし、電解研磨により直径600μm、深さ300μmの半球状の穴(人工ピット)を付与した。このピットによるねじり負荷における垂直応力(主応力)の応力集中係数は,有限要素法解析によると2.2である。電解液としては、塩化アンモニウム水溶液を用いた。腐食環境は、腐食液として5%NaCl水溶液を用いて、噴霧装置にて人工ピット部のみを16時間腐食させた後、5%NaCl水溶液を含ませた脱脂綿で人工ピット部周辺を覆い、その周りをエチレンラップで包んで乾燥を防いだ状態とした。この状態で疲労試験を実施し、折損までの繰返し回数を評価した。疲労試験は、繰返し速度2Hzとし、フラットな座を使用して平行圧縮で加振した。試験高さは人工ピット付与位置における人工ピットがない状態での主応力条件が507±196MPaとなる条件(最大荷重(4031N)時高さ220mm、最小荷重(2079N)時高さ270mm)とした。結果を以下の表3に示す。また、表3には、実施例及び比較例の鋼に含まれるSi量(%)も併せて示す。
(1)試験片の調整
試験片は、腐食疲労試験で使用する鋼材と同じものについて、ばね胴中部の1箇所を10×5×3〜5mmに切り出し、切断面を鏡面仕上げした後に、電解液を利用して電解研磨した。電解研磨液として、8vol%の過塩素酸、10vol%のブトキシエタノール、70vol%のエタノール及び12vol%の蒸留水を混合した電解液を使用した。
(2)炭化物の特定
試験片の切断面を鏡面仕上げした後に、その試験片の電解研磨面をFE-SEM (Field Emission - Scanning Electron Microscope)で観察した。観察は、一般的な部位について25000倍でおこなった。その後、観察した一般的な部位を3箇所写真撮影し、写真上で炭化物を特定した。なお、写真撮影も、25000倍でおこなった。また、写真上のサイズは、5.13×3.82μmである。
(3)小サイズ炭化物の測定
特定された炭化物の全てについて、炭化物の最小長さ、すなわち、炭化物の幅を計測し、その炭化物のサイズを特定した。その後、炭化物の個数を5nm毎に計測し、夫々のサイズの個数を炭化物の全数で除すことにより、炭化物の全数に対するサイズ毎の割合を算出した。炭化物のサイズと、炭化物の全数に対する累積割合の関係を図1に示す。グラフの横軸は炭化物のサイズ(nm)を示し、縦軸は炭化物の全数に対する累積割合(%)を示す。なお、図1は、実施例1〜4と比較例1〜3の累積割合について示す。また、実施例1〜4と比較例1〜3のばね用鋼について、サイズが15nm以下の炭化物の割合を表3に併せて示す。
Claims (7)
- 焼戻マルテンサイトを含むばね用鋼であって、
前記鋼材中に含まれるSi量が、質量%で、鋼全体の2.1%以上2.4%以下であることを特徴とする、ばね用鋼。 - 焼戻マルテンサイトに含まれる炭化物のうち、最小長さが15nm未満の炭化物の数が炭化物の全数の40%以上であることを特徴とする、請求項1に記載のばね用鋼。
- 質量%で、C:0.35%以上0.55%以下、Mn:0.20%以上1.50%以下、Cr:0.10%以上1.50%以下を含み、
さらに、Ni:0.40%以上3.00%以下、Mo:0.05%以上0.50%以下及びV:0.05%以上0.50%以下からなる群から選択される1種又は2種以上の元素を前記濃度で含み、
残部がFe及び不可避不純物からなることを特徴とする、請求項1又は2に記載のばね用鋼。 - Mnが0.40%以上0.50%以下であることを特徴とする、請求項3に記載のばね用鋼。
- Niが0.50%以上0.60%以下であることを特徴とする、請求項3又は4に記載のばね用鋼。
- 焼入れ焼戻し処理後において、腐食耐久回数が40000回以上であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載のばね用鋼。
- 請求項1〜6のいずれかに記載のばね用鋼よりなる、ばね。
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