JP2017190520A - 耐食性に優れた高強度バネ鋼 - Google Patents

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Abstract

【課題】サスペンションに使用できるように引張強度及び疲労寿命を向上させた耐食性に優れた高強度バネ鋼を提供する。【解決手段】車両のサスペンションに使われるコイルバネ鋼であって、重量％で、Ｃ：０．４〜０．９％、Ｓｉ：１．３〜２．３％、Ｍｎ：０．５〜１．２％、Ｃｒ：０．６〜１．２％、Ｍｏ：０．１〜０．５％、Ｎｉ：０．０５〜０．８％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｎｂ：０．０５〜０．５％、Ｔｉ：０．０５〜０．３％、Ｃｏ：０．０１〜３％、Ｚｒ：０．００１〜０．２％、Ｙ：０．０１〜１．５％、Ｃｕ：０．３％以下（０％除外）、Ａｌ：０．３％以下（０％除外）、Ｎ：０．０３％以下（０％除外）、Ｏ：０．００３％以下（０％除外）、残分Ｆｅ及びその他の不可避な不純物を含む。【選択図】図１

Description

本発明は耐食性に優れた高強度バネ鋼に係り、より詳しくはサスペンション用に使用できるように引張強度及び疲労寿命を向上させた耐食性に優れた高強度バネ鋼に関する。
バネ鋼は自動車に適用される懸架装置のサスペンション用バネなどに使われるもので、高い疲労強度が要求される。
近年には、排気ガスの低減や燃費改善を目的として自動車の軽量化や高出力化の要求条件が高くなっている実情であり、これによりエンジンやサスペンションなどに使われるコイルバネは高応力の設計を指向している。
特に、自動車のサスペンション用コイルバネは持続的に加わる荷重に耐えなければならないため、強度に優れなければならないのはもちろんのこと、外部環境に露出された状態で使われるため、耐食性も考慮しなければならない。
このようなサスペンション用コイルバネとしては、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒなどを主成分とし、１９００Ｍｐａ程度の引張強度を持ち、幾分の耐食性を持つバネ鋼が使われており、ひいては合金元素の種類及び含量を調節して疲労寿命をさらに向上させることができる介在物制御技術に対する努力を注いでいる。
大韓民国特許公開第１０−２０１０−０００４３５２号公報
本発明はＭｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｒ及びＹの含量を最適化して、従来より優れた引張強度を持つとともに腐食環境での疲労寿命を向上させる介在物を制御して耐食性に優れた高強度バネ鋼を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態による耐食性に優れた高強度バネ鋼は、車両のサスペンションに使われるコイルバネ鋼であって、重量％で、Ｃ：０．４〜０．９％、Ｓｉ：１．３〜２．３％、Ｍｎ：０．５〜１．２％、Ｃｒ：０．６〜１．２％、Ｍｏ：０．１〜０．５％、Ｎｉ：０．０５〜０．８％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｎｂ：０．０５〜０．５％、Ｔｉ：０．０５〜０．３％、Ｃｏ：０．０１〜３％、Ｚｒ：０．００１〜０．２％、Ｙ：０．０１〜１．５％、Ｃｕ：０．３％以下（０％除外）、Ａｌ：０．３％以下（０％除外）、Ｎ：０．０３％以下（０％除外）、Ｏ：０．００３％以下（０％除外）、残分Ｆｅ及びその他の不可避な不純物を含む。
前記バネ鋼は引張強度が２１００ＭＰａ以上であってもよい。
前記バネ鋼は硬度が７００ＨＶ以上であってもよい。
前記バネ鋼は腐食傷深みが１５μｍ以下であってもよい。
前記バネ鋼は曲げ疲労試験で２８万回以上であってもよい。
前記バネ鋼は単品腐食疲労寿命試験で２．８万回以上であってもよい。
前記バネ鋼は腐食複合疲労寿命試験で４０万回以上であってもよい。
本発明の実施例によれば、主要合金成分の含量を最適化することにより、引張強度２１００ＭＰａ以上の高強度を持つだけでなく介在物の微細化を達成して耐食性及び腐食複合疲労寿命を従来に比べて５０％向上させた物性を持つ耐食性に優れた高強度バネ鋼を得ることができる。
実施例と比較例の成分を示す表である。 実施例と比較例の物性及び性能を示す表である。 本発明の一実施例によるバネ鋼の温度別相変態計算結果を示すグラフである。 本発明の一実施例によるバネ鋼のセメンタイト組職内の温度別相変態計算結果を示すグラフである。
以下、添付図面に基づいて本発明の実施例をより詳細に説明する。しかし、本発明は以下に開示する実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態に具現可能である。ただ、これらの実施例は本発明の開示を完全にし、通常の知識を持った者に発明の範疇を確かに知らせるために提供されるものである。
図１は実施例と比較例の成分を示す表、図２は実施例と比較例の物性及び性能を示す表である。
本発明による耐食性に優れた高強度バネ鋼は車両のサスペンションに使われるコイルバネ鋼で、主要合金成分の含量を最適化することによって引張強度及び疲労寿命のような物性を向上させたバネ鋼である。具体的には、重量％で、Ｃ：０．４〜０．９％、Ｓｉ：１．３〜２．３％、Ｍｎ：０．５〜１．２％、Ｃｒ：０．６〜１．２％、Ｍｏ：０．１〜０．５％、Ｎｉ：０．０５〜０．８％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｎｂ：０．０５〜０．５％、Ｔｉ：０．０５〜０．３％、Ｃｏ：０．０１〜０．０１％、Ｚｒ：０．００１〜０．２％、Ｙ：０．０１〜１．５％、Ｃｕ：０．３％以下（０％除外）、Ａｌ：０．３％以下（０％除外）、Ｎ：０．０３％以下（０％除外）、Ｏ：０．００３％以下（０％除外）、残分Ｆｅ及びその他の不可避な不純物を含むバネ鋼を対象とする。
本発明において、合金成分及びその組成範囲を限定する理由は次のようである。以下、特に他の言及がない限り、組成範囲の単位として記載した％は重量％を意味する。
炭素（Ｃ）は０．４〜０．９％を含むことが好ましい。鋼中の炭素含量は強度上昇に比例する。炭素含量が０．４％未満の場合、熱処理の際、焼き入れ性の不足で強度上昇が低く、０．９％超過の場合、焼き入れの際、マルテンサイト組職が形成され、疲労強度が低下して靱性が減少する。前記範囲内では高強度及び軟性の確保が可能である。
珪素（Ｓｉ）は１．３〜２．３％を含むことが好ましい。珪素はフェライト内に固溶して強度上昇及び焼き戻し軟化抵抗性を高める。その含量が１．３％未満の場合、焼き戻し軟化抵抗性が低く、２．３％超過の場合、脱炭現象が熱処理時に発生する問題がある。
マンガン（Ｍｎ）は０．５〜１．２％を含むことが好ましい。マンガンは基地内に固溶して曲げ疲労強度及び焼き入れ性を増加させる。０．５％未満の場合、焼き入れ性の確保が難しく、１．２％超過の場合、靱性が低下する問題がある。
クロム（Ｃｒ）は０．６〜１．２％を含むことが好ましい。クロムは靱性確保のためのもので、焼き戻しの際に析出物を形成させ、硬化能を改善し、ソフトニングを抑制して強度を向上させ、結晶粒微細化及び靱性向上に寄与する。焼き戻し軟化、脱炭、焼き入れ性、耐食性の側面で０．６％以上で優れた効果を発揮し、１．２％超過の場合、粒界炭化物が過大に生成し、強度低下及び脆性問題を引き起こす。
モリブデン（Ｍｏ）は０．１〜０．５％を含むことが好ましい。モリブデンはＣｒと一緒に微細析出炭化物を形成して強度を向上させ、破壊靱性を向上させる。特に、１〜５ｎｍのＴｉＭｏＣを均一に形成して耐焼き戻し性を向上させ、耐熱性及び高強度を確保するが、０．１％未満の場合、炭化物の生成ができなくて強度を充分に確保することができなく、０．５％超過の場合、加工性及び生産性が低下する反面、析出及び強度上昇効果が飽和してコストの側面でそれ以上を含む必要がない。
ニッケル（Ｎｉ）は０．０５〜０．８％を含むことが好ましい。ニッケルは耐食性の向上に役立つ元素で、耐熱性を向上させ、低温脆性を防止し、硬化能を向上させ、寸法不変性及びセット性を向上させる。その含量が０．０５％未満の場合、耐食性及び高温安全性が低下し、０．８％超過の場合、赤熱脆性が発生する問題がある。
バナジウム（Ｖ）：０．０５〜０．５％を含むことが好ましい。バナジウムは組職微細化、耐焼き戻し性、寸法不変性及びセット性を向上させ、耐熱性及び高強度を確保する元素で、微細析出物であるＶＣを形成して破壊靱性を向上させる。特に、微細析出物であるＶＣは結晶粒界の移動を抑制し、Ｖはオーステナイト化の際に溶解して固溶し、焼き戻しの際に析出して２次硬化を引き起こす。その含量が０．０５％未満の場合、破壊靱性低下防止効果が低減し、０．５％超過の場合、析出物の大きさが粗大になり、焼き入れ後に硬度が低下する問題がある。
ニオビューム（Ｎｂ）は０．０５〜０．５％を含むことが好ましい。ニオビュームは組職を微細化させ、窒化によって表面を硬化させ、寸法不変性及びセット性を向上させる。そして、ＮｂＣを形成して強度を向上させ、他の炭化物（ＣｒＣ、ＶＣ、ＴｉＣ、ＭｏＣ）の生成速度を制御する。その含量が０．０５％未満の場合、強度低下及び炭化物不均一化の問題が発生し、０．５％超過の場合、他の炭化物の生成を抑制する問題がある。
チタン（Ｔｉ）は０．０５〜０．３％を含むことが好ましい。チタンはＮｂ、Ａｌなどと一緒に結晶粒再結晶を防止し、成長を抑制する。また、チタンはＴｉＣ、ＴｉＭｏＣのようなナノ炭化物を形成し、窒素と反応してＴｉＮを生成して結晶粒成長を抑制し、ＴｉＢを形成してＢがＮと結合することを邪魔してＢＮの焼き入れ性低下を最小化する。その含量が０．０５％未満の場合、ＡｌＯのような他の介在物が生成して疲労耐久性が低下する問題があり、０．３％超過の場合、他の合金元素の役目を邪魔してコストアップをもたらす。
コバルト（Ｃｏ）は０．０１〜３％を含むことが好ましい。コバルトは加工性を向上させ、炭化物形成を抑制する元素で、高温で粒子成長を抑制し、焼き入れ性、高温強度及び温度安定性を向上させる。その含量が０．０１％未満の場合、加工性及び高温安定性が低下する問題があり、３％超過の場合、他の合金元素の役目を邪魔し、コストアップをもたらす。
ジルコニウム（Ｚｒ）は０．００１〜０．２％を含むことが好ましい。ジルコニウムは析出物を形成し、窒素、酸素及び硫黄を除去する。また、ジルコニウムは合金の寿命を延ばし、非金属介在物の大きさを微細化させる。その含量が０．００１％未満の場合、炭化物が生成しなくて介在物が粗大化する問題があり、０．２％超過の場合、ＺｒＯが形成され、効果が飽和して費用の側面でそれ以上を含む必要がない。
イットリウム（Ｙ）は０．０１〜１．５％を含むことが好ましい。イットリウムは高温安定性を向上させる元素で、耐熱性及び靱性を向上させ、高温に露出される場合、酸化及び腐食を防止する浸透遮断酸化物を合金表面に形成して耐焼着性及び耐化学性を向上させる。その含量が０．０１％未満の場合、高温安定性が低下し、１．５％超過の場合、コストが過度に高くなり、溶接性が低下し、製鋼の際に不均一化をもたらす。
銅（Ｃｕ）は０．３％以下（０％除外）を含むことが好ましい。銅は焼き入れ性または焼き戻し後の強度を高め、Ｎｉと一緒に鋼の耐食性を向上させる元素である。しかし、過多含有の際にはむしろ合金コストが上昇するため、その含量を０．３％以下に制限することが好ましい。
アルミニウム（Ａｌ）は０．３％以下（０％除外）を含むことが好ましい。アルミニウムは窒素と反応してＡｌＮを形成してオーステナイトを微細化し、強度及び衝撃靱性を向上させる。特に、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏと一緒に添加されて高価元素である結晶粒微細化用バナジウム、靱性確保用ニッケルの添加量を節減することができる。しかし、過多含有の際、鋼を脆弱にするため、その含量を０．３％以下に制限することが好ましい。
窒素（Ｎ）は０．０３％以下（０％除外）を含むことが好ましい。窒素はＡｌ、Ｔｉと反応してＡｌＮ、ＴｉＮを形成することによって結晶粒微細化効果を発揮し、ＴｉＮの形成によってホウ素の焼き入れ性を極大化させる。しかし、過多含有の際、ホウ素との反応によって鋼の焼き入れ性が悪くなるため、その含量を０．０３％以下に制限することが好ましい。
酸素（Ｏ）は０．００３％以下（０％除外）を含むことが好ましい。酸素はＳｉやＡｌと結合して硬質の酸化物系非金属介在物を形成し、疲労寿命特性の低下をもたらすから、できるだけ低いことが良いが、本発明においては、０．００３％までは許される。
一方、前記成分以外の残部はＦｅ及び不可避に含有される不純物である。
以下、比較例及び実施例に基づいて本発明を説明する。
商業的に生産されるバネ鋼の生産条件に従って実施例及び比較例によるバネ鋼を生産する実験を実施した。図１のように各成分の含量を変更しながら生産された溶鋼から製造された線材は恒温熱処理、伸線、焼き入れ−焼き戻し及び鉛槽焼き入れを順次経て鋼線に製造される。具体的に、線材は９４０〜９６０℃で３〜５分間維持された後、６４０〜６６０℃に急冷され、この温度で２〜４分間維持された後、０．５〜１．５分間１８〜２２℃に冷却される。このような恒温熱処理は後工程である伸線が容易になされるように実施するもので、この熱処理によって線材にはパーライトが生成される。
恒温熱処理された線材は多段階の伸線工程を経て目標とする線径に製作される。本発明においては、４ｍｍの線材に伸線した。
伸線された線材は再び加熱され、９４０〜９６０℃で３〜５分間維持された後、４５〜５５℃に急冷され、０．５〜１．５分間焼き戻しされる。その後、線材は４４０〜４６０℃に加熱されて２〜４分間維持された後に急冷される鉛槽焼き入れ処理が行われる。焼き入れ及び焼き戻しによって線材にはマルテンサイトが形成されて強度が確保され、鉛槽焼き入れによって表面には焼き戻しマルテンサイトが形成され、強度及び靱性が確保される。
次に、前記のように製造された実施例及び比較例によるバネ鋼の物性確認のための試験例を説明する。
それぞれの実施例及び比較例によるバネ鋼の引張強度、硬度、線材疲労寿命、腐食傷深み、単品腐食疲労寿命、腐食複合疲労寿命及び炭素分率と炭素活性度の改善程度に対して試験を実施し、その結果を図２に示した。
この際、引張強度の測定は、標準引張試験片（ＫＳ Ｂ ０８０１）を用い、ＫＳ Ｂ ０８０２に従って２０ｔｏｎ試験器で線径４ｍｍの試片に対して実施し、硬度の測定は、ＫＳ Ｂ ０８１１に従ってマイクロビッカース硬度計を用いて３００ｇｆで測定した。
そして、疲労寿命は、ＫＳ Ｂ ＩＳＯ １１４３に従って線径４ｍｍの試験片に対する回転曲げ疲労試験によって測定し、Ｌ１０寿命は基本定格寿命（ｂａｓｉｃ ｒａｔｉｎｇ ｌｉｆｅ）を９０％の信頼度で回動数１００万回単位で表示し、平均寿命（Ｌ５０ ｍｅａｎ ｌｉｆｅ）または破損の間の平均時間の１／７であり、腐食性疲労評価は塩水噴霧試験方法（ＫＳ Ｄ ９５０２、ＩＳＯ ３７６８／７２６３）で測定した。
また、炭素分率と炭素活性度の改善程度は熱力学ＤＢに基づくＴｈｅｒｍｏＣａｌｃで計算した。特に、炭素分率はＳＥＭ−ＥＤＸで元素別分布をマッピングしてカウントすることで測定した。
図２から分かるように、従来の鋼は、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｒ及びＹの未含有によって引張強度、硬度、線材疲労寿命、腐食傷深み、単品腐食疲労寿命、腐食複合疲労寿命及び炭素分率と炭素活性度の改善程度に対する本発明の規定要件のすべてを満たすことができなかった。
比較例１〜比較例１６はそれぞれ本発明で規定している合金成分の含量を満たしていない実施例で、従来の鋼に比べ、引張強度、硬度、線材疲労寿命、腐食傷深み、単品腐食疲労寿命、腐食複合疲労寿命及び炭素分率と炭素活性度の改善程度が幾分改善されたが、本発明の規定要件の全てを満たすことができなかった。
特に、比較例１は、Ｍｏの成分が少なく含有されて引張強度が充分に確保されなく、従来の鋼に比べ、線材疲労寿命及び腐食複合疲労寿命がむしろ減少し、腐食傷深みももっと深くなった。
比較例３及び比較例１１はそれぞれニッケル及びコバルトの含量が規定要件より少なく含有された場合で、単品腐食疲労寿命が従来の鋼よりむしろ減少し、腐食傷深みも深くなった。
そして、比較例１３〜１６はそれぞれＺｒ、Ｙの含量が規定要件を満たしていない場合のもので、線材疲労寿命が従来の鋼より減少し、比較例１４のようにＺｒの含量が規定要件より多いとか比較例１５のようにＹの含量が規定要件より少ない場合、腐食傷深みももっと深くなり、腐食複合疲労寿命も減少した。
一方、実施例１〜実施例３は本発明の規定要件のすべてを満たす本発明の鋼で、いずれも２１００ＭＰａ級以上の引張強度を現し、硬度も７００ＨＶ級以上を現した。また、腐食傷深みが１５μｍ以下に現れた。そして、曲げ疲労試験で２８万回以上、単品腐食疲労寿命試験で２．８万回以上及び腐食複合疲労寿命試験で４０万回以上を達成した。また、従来の鋼に比べ、炭素分率は７％以上の向上を達成し、炭素活性度は３％以上の向上を達成した。
一方、図３は本発明の一実施例によるバネ鋼の温度別相変態計算結果を示すグラフ、図４は本発明の一実施例によるバネ鋼のセメンタイト組職内の温度別相変態計算結果を示すグラフである。
図３はＦｅ−１．５、Ｓｉ−０．７、Ｍｎ−０．８、Ｃｒ−０．３、Ｎｉ−０．３、Ｍｏ−０．３、Ｖ−０．１、Ｎｂ−０．１５、Ｔｉ−０．１、Ｃｏ−０．１、Ｚｒ−０．１及びＹ−０．５５Ｃのような合金組成を持つ実施例の温度別相変態計算結果を示すグラフで、本発明による合金組成を満たす場合、ＣｒＣ、ＶＣのような多様な微細介在物の外にもＴｉ−ｒｉｃｈ、Ｚｒ−ｒｉｃｈ炭化物が凝固中に形成されて強度増大及び疲労寿命向上を期待することができることを示す。
また、図４も図Ｆｅ−１．５、Ｓｉ−０．７、Ｍｎ−０．８、Ｃｒ−０．３、Ｎｉ−０．３、Ｍｏ−０．３、Ｖ−０．１、Ｎｂ−０．１５、Ｔｉ−０．１、Ｃｏ−０．１、Ｚｒ−０．１及びＹ０．５５Ｃのような合金組成を持つ実施例のバネ鋼のセメンタイト組職内の温度別相変態計算結果を示すグラフで、セメンタイト内で８元系元素の複合的挙動が発生することを予測することができ、これにより微細炭化物が均一に分布することを期待することができることを示す。
以上、本発明を添付図面及び前述の好適な実施例に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されなくて後述する特許請求範囲によって限定される。したがって、当該技術分野の通常の知識を持つ者であれば後述する特許請求範囲の技術的思想から逸脱しない範疇内で本発明を多様に変形及び修正することができる。
本発明は、サスペンションに使用できるように引張強度及び疲労寿命を向上させた耐食性に優れた高強度バネ鋼に適用可能である。

Claims (7)

  1. 車両のサスペンションに使われるコイルバネ鋼であって、
    重量％で、Ｃ：０．４〜０．９％、Ｓｉ：１．３〜２．３％、Ｍｎ：０．５〜１．２％、Ｃｒ：０．６〜１．２％、Ｍｏ：０．１〜０．５％、Ｎｉ：０．０５〜０．８％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｎｂ：０．０５〜０．５％、Ｔｉ：０．０５〜０．３％、Ｃｏ：０．０１〜３％、Ｚｒ：０．００１〜０．２％、Ｙ０．０１〜１．５％、Ｃｕ：０．３％以下（０％除外）、Ａｌ：０．３％以下（０％除外）、Ｎ：０．０３％以下（０％除外）、Ｏ：０．００３％以下（０％除外）、残分Ｆｅ及びその他の不可避な不純物を含む、耐食性に優れた高強度バネ鋼。
  2. 前記バネ鋼は引張強度が２１００ＭＰａ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の耐食性に優れた高強度バネ鋼。
  3. 前記バネ鋼は硬度が７００ＨＶ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の耐食性に優れた高強度バネ鋼。
  4. 前記バネ鋼は腐食傷深みが１５μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の耐食性に優れた高強度バネ鋼。
  5. 前記バネ鋼は曲げ疲労試験で２８万回以上であることを特徴とする、請求項１に記載の耐食性に優れた高強度バネ鋼。
  6. 前記バネ鋼は単品腐食疲労寿命試験で２．８万回以上であることを特徴とする、請求項１に記載の耐食性に優れた高強度バネ鋼。
  7. 前記バネ鋼は腐食複合疲労寿命試験で４０万回以上であることを特徴とする、請求項１に記載の耐食性に優れた高強度バネ鋼。
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