JP2839900B2

JP2839900B2 - 耐久性，耐へたり性に優れたばね鋼

Info

Publication number: JP2839900B2
Application number: JP1135631A
Authority: JP
Inventors: 淳杉本; 修中野; 千芳利前田; 茂安田; 敏夫小曽根; 誠川越
Original assignee: Chuo Hatsujo KK; Toyota Motor Corp; Aichi Steel Corp
Current assignee: Chuo Hatsujo KK; Toyota Motor Corp; Aichi Steel Corp
Priority date: 1989-05-29
Filing date: 1989-05-29
Publication date: 1998-12-16
Anticipated expiration: 2013-12-16
Also published as: US5009843A; DE69008039T2; JPH032354A; EP0400564A1; DE69008039D1; EP0400564B1

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は耐久性，耐へたり性に優れたばね鋼に関す
る。

〔従来技術〕

最近，自動車等の輸送機械においては、省エネルギー
化，高性能化を実現するため，各部品の軽量化が進めら
れつつあり，懸架用コイルばねも例外ではない。

この懸架ばねにとって軽量化するための最も効率的な
方法は，設計応力をより高くすることである。しかしな
がら，従来のばね鋼を使用して設計応力を高めてばねを
製造し使用した場合には，ばね高さが減少する「へた
り」と呼ばれる現象が，時間の経過とともに顕著に現れ
る。このへたりの増加はバンパー高さの低下につなが
り，安全上問題となるため，設計応力を上げることがで
きないでいた。

一方，ばねの使用時には繰返し変動荷重がかかり，設
計応力を高めた場合には，早期折損の危険性が増すと考
えられる。

上述の観点から，耐へたり性，耐久性がともに優れた
ばね用鋼の開発が強く望まれていた。

従来コイルばねにはSUP6が使用されていたが,Siが耐
へたり性に効果のあることがわかるにつれて,SUP7が広
く使用されるようになった。現在では，さらに耐へたり
性が優れ，軽量化可能なばね鋼として,SUP7にＶ・Nbを
１種以上含有させたばね用鋼が開発され使用されてい
る。

しかし，自動車等の軽量化に対する要請はますます高
まり,SUP7にＶ・Nbを含有させたばね鋼よりも高性能
で，より高い応力での使用に耐えられる耐へたり性，耐
久性のさらに優れたばね用鋼の開発が強く望まれてい
る。

〔解決しようとする課題〕

従来のばね鋼においては，高応力下で使用するため
に，ばね硬さを上げる方法が用いられてきた。この手法
では耐へたり性は改善されるものの，靭性の低下により
耐久性の低下は避けられなかった。靭性の低下は切欠感
受性の増加をまねき，これにより許容応力以下の低い繰
り返し応力においても，素材内部に存在する介在物，疵
などの欠陥を起点とした脆性破壊が起こりやすくなり，
ばねの耐久性は著しく低下する。しかしながら，近年，
高応力設計が可能なばね鋼の要求はますます強くなって
きている。

本発明は，かかる従来の問題点を克服し，高硬度でも
高靭性を確保できる，耐久性及び耐へたり性に優れたば
ね鋼を提供しようとするものである。

〔課題の解決手段〕

本発明は，重量比にしてC:0.35〜0.55％,Si:1.80〜3.
00％,Mn:0.50〜1.50％,Ni:0.50〜3.00％,Cr:0.10〜1.50
％,Al:0.01〜0.05％,N:0.010〜0.025％を含有し，残り
実質的にFeよりなり，かつ，硬さHRC55となるように焼
入れ焼戻し処理をした場合において，シャルピー衝撃試
験による衝撃値が4.45kgf/cm²以上であり，さらに，コ
イルばね形成後のへたり試験において得られる残留剪断
歪ΓＲが5.2×10^-4以下であることを特徴とする耐久
性，耐へたり性に優れたばね鋼にある（第１発明）。

ここに，上記シャルピー衝撃試験による衝撃値は,JIS
3号試験片（Ｕノッチ型）を用いた値である。

また，上記残留剪断歪ΓＲは，下記条件のへたり試験
の後，下式により求めたものである。

（へたり試験条件）：剪断応力130kgf/mm²，温度80℃，
剪断応力負荷時間96時間。

（残留剪断歪ΓＲ）：ΓＲ＝（1/G）・（8KD/πd³）・
ΔＰここで,G:横弾性係数（kgf/mm²）,D:コイル平均径（m
m）,d:素線径（mm）,K:ワールの修正係数，ΔP:へたり
試験前後において同一高さまで圧縮するのに要する荷重
の差（P₁-P₂）。

また，上記シャルピー衝撃試験および上記へたり試験
は，いずれも上記のごとく焼入れ焼戻し処理を施して硬
さHRC55となるように調整した場合におけるものであ
る。したがって，硬さHRCを異なる値に調整した場合に
は，上記衝撃値および上記残留剪断歪ΓＲの値も異なる
値となる。あくまでも本発明のばね鋼は，硬さHRC55と
なるように焼入れ焼戻し処理をした場合を基準にする
と，上記衝撃値および上記残留剪断歪ΓＲが上記範囲内
となるという特性を有するものである。

本発明において特に注目すべきことは，低Ｃ化を図
り,Ni,Crを添加し，またＮを従来よりも多量添加するこ
とにある。

先ずＣは，ばね用鋼として必要な強度を得るのに不可
欠な元素であり，従来鋼では0.6％程度添加されてい
る。しかし，近年，懸架ばねのより一層の高応力化とい
うことで，ばね硬さとしてH_RC55以上が必要となり，従
来より高硬度での使用となるため，切欠感受性の増大等
の問題から従来鋼と比較して高靭性であることが要求さ
れる。

しかるに,Cは強度は上昇させるが，靭性を低下させて
しまうため，本発明ではＣ量を必要な強度が得られる，
なるべく低い範囲に設定することにより，高強度，高靭
性を確保しようとするものである。

本発明は，H_RC55以上の高硬度において高靭性であ
り，耐へたり性に優れたばね鋼を得ようとして，特に前
記Ｃ量と共に,Ni,Cr及びＮ量について検討して，完成さ
れたものである。

しかして，前記Niは，前記のごとく低Ｃ化のみでは靭
性向上が不充分なため添加するものである。また本発明
は，高Si系ばね鋼であるため,Si量が多く脱炭が生じや
すい。そのため,Cr添加によって，脱炭を抑えようとす
るものである。

また,Nは，鋼中のAlと反応させてAlNを作らせ，これ
を微細な窒化物粒子として析出させることにより，耐へ
たり性を向上させるものである。

次に第２発明は，上記第１発明鋼にV:0.05〜0.50％,M
b:0.05〜0.50％,Mo:0.05〜0.50％の１種又は２種以上を
含有させたもので，これにより一層優れた耐久性，耐へ
たり性を得ることができる。

また，第３発明は第１発明鋼において,O含有量を0.00
15％以下としたもので，特に第１発明鋼に比して耐久性
を向上させることができる。

更に，第４発明は，第１発明鋼において,V:0.05〜0.5
0％,Nb:0.05〜0.50％,Mo:0.05〜0.50％の１種または２
種以上と,O:0.0015％以下とを含有させたもので，特に
優れた耐久性及び耐へたり性を有する。

以下に，前記発明鋼の成分限定理由について説明す
る。

C:0.35〜0.55％Ｃ量が0.35％未満では，焼入れ，焼もどしにより高応
力ばね用鋼として十分な強度が得られない。一方,0.55
％を越えて含有させると靭性が低下し，また水焼入れ時
に焼割れが生ずる危険性が有る。

Si:1.80〜3.00％ Siは，耐へたり性，焼戻し特性を改善する効果を有す
るが,1.80％未満では十分な効果が得られない。しかし,
3.00％を越えると耐へたり性向上の効果は飽和し，ばね
鋼の圧延，熱処理時の脱炭が著しくなる。

Mn:0.50〜1.50％ばね鋼において，焼入れにより中心部まで十分にマル
テンサイト変態を起こさせるためには,0.50％以上必要
である。しかし,1.50％を越えると靭性の劣化が著しく
なる。

Ni:0.50〜3.00％ Niは，靭性改善のために添加するが,0.50％未満では
その効果が不充分である。一方3.0％以上では靭性改善
効果が飽和し，焼入時にマルテンサイト変態が十分に行
われないために，大量の残留オーステナイトを形成する
おそれがある。

Cr:0.10〜1.50％ Crは，焼入性向上効果がある。また，本発明鋼は，高
Siのために脱炭を生じ易いが,Crはこれを抑制させる効
果を有する。しかし,0.10％未満ではその効果が不充分
である。一方,1.50％を越えると焼戻し組織が不均一に
なってしまい，耐へたり性を阻害するおそれがある。

Al:0.01〜0.05％ Alは，鋼中でＮと結びついてAlNとなって結晶粒を微
細化し，耐へたり性，耐久性を向上させる。しかし,0.0
1％未満では上記結晶粒の微細化が不充分となる。一方,
0.05％を越えると巨大AlN粒子が生成し易くなり，これ
が内部欠損として作用するため，疲労強度が低下する。

N:0.010〜0.025％ＮはAlと反応してAlNを形成して結晶粒を微細化し，
耐へたり性，耐久性を向上させる効果を有するが,0.010
％未満では該効果が不充分である。一方,0.025％を越え
ると，鋳造時に鋼塊中に，冷却過程でN₂ガスが発生し，
材料に内部欠陥を誘発する。

V,Nb,Mo:0.05〜0.50％ V,Nb,Moは，結晶粒の微細化効果を発揮し，耐へたり
性，耐久性効果を向上させる。しかし，上記の元素１種
又は２種以上が0.05％未満では，かかる効果が不充分で
ある。一方,0.50％を越えると，巨大炭化物が生成し，
疲労強度が低下する。

O:0.0015％以下Ｏは，Al₂O₃などの酸化物介在物を生成し，疲労破壊
の起点となるおそれがある。そこで，上限を0.0015％以
下とした。

〔作用〕

本発明においては，前記のごとく，特に低Ｃ化を図る
と共に,Ni,Crを添加，またＮを従来よりも多量に添加し
ている。また，必要に応じて,V,Nb,Moの１種または２種
以上を、更にはＯ量を制限する。さらに，上記シャルピ
ー衝撃試験による衝撃値が4.45kgf/cm²以上という非常
に優れた靭性を有し，かつ，上記残留剪断歪ΓＲが5.2
×10^-4以下という非常に優れた耐へたり性を有してい
る。

しかして，本発明によれば，従来の高Si系ばね鋼に比
して，優れた耐久性及び耐へたり性を有するばね鋼を提
供することができる。

〔実施例〕

本発明鋼の特長を，従来鋼，比較鋼と比べ，実施例に
より説明する。各鋼を第１表に示す。

第１表において,A〜Ｄ鋼は第１発明鋼,E〜Ｋ鋼は第２
発明鋼,L鋼は第３発明鋼,M鋼は第４発明鋼,N〜Ｒ鋼は比
較鋼,S,T鋼は従来鋼で,S鋼はSUP7,T鋼はSUP7にNb,Vを含
有させたものである。

第２表に第１表に示した供試鋼のシャルピー衝撃試験
結果を示した。試験は前記供試鋼を20mmφに鍛伸した
後,JIS3号試験片（Ｕノッチ型）を作製し，ついで焼入
れ性もどし処理を施し，H_RC55となるよう調整して，常
温にて試験を行った。

第２表より明らかなように本発明鋼であるＡ〜Ｍ鋼
は，従来鋼であるS,T鋼に比べ，硬さH_RC55において高い
衝撃値を示している。また比較鋼である本発明鋼よりＣ
量を高くしたＯ鋼,N量を高くしたＲ鋼は衝撃値は低くな
っている。

第３表に前記供試鋼Ａ〜鋼について，耐へたり性を評
価するために，捩りクリープ試験結果を示した。捩りク
リープ試験は前記供試鋼を20mmΦに圧延した後，平行部
直径8.5mmの試験片を作製し，焼入れ焼もどし処理を施
し，H_RC55となるよう調整した。

そしてセッチングを行った後，平行部表面が剪断応力
130kgf/mm²となるように捩りトルクを加えて24hr後のク
リープ歪を測定して評価した。

なお，実験は25℃一定の空調室にて行い，温度変化に
よるへたりの増減がないように配慮した。コイルばね
は，使用時に捩りトルクが加わること，へたりは一種の
クリープ現象と考えられていることから，コイルばね用
材料の耐へたり性は，この結果で評価できる。

第３表から明らかなように本発明鋼であるＡ〜Ｍ鋼
は，従来鋼のS,T鋼に対し，優れた耐へたり性を示して
おり，特にV,Nb,Moを添加したＩ〜Ｋ鋼,M鋼は特に優れ
た耐へたり性を有していることが認められる。

本発明鋼を実体ばねにした時の有効性を確認するため
に，前記供試鋼から従来鋼，本発明鋼の中の代表７鋼種
について第４表に示す諸元を有するコイルばねを成形
し，焼入れ焼もどし処理によりH_RC55に調整した。その
後，ショットピーニング，ホットセッチング等を施した
後，素線の剪断応力が130kgf/mm²となる荷重を加えて,9
6時間経過した後のコイルばねのへたり量を測定した。

なお，試験は80℃の温度一定下で行った。へたり量
は，へたり試験の前にコイルばねを一定の高さまで圧縮
するに要した荷重P₁とへたり試験の後に同一の高さまで
圧縮するに要した荷重P₂とを測定した。そして，この差
ΔＰ（P₁-P₂）より次式を用いて算出したもので，剪断
歪の単位を有し，残留剪断歪と称する値をもって評価し
た。

ΓR:残留剪断歪 G:横弾性係数（kgf/mm²） D:コイル平均径（mm） d:素線径（mm） K:ワールの修正係数（コイルばねの形状により定まる定
数）その結果を第５表に示す。同表より明らかなように本
発明鋼であるA,G,J,L,M鋼は，従来鋼であるS,T鋼に比べ
優れた耐へたり性を示している。

また前記供試鋼から従来鋼，比較鋼，本発明鋼の中の
代表12鋼種について第４表に示す諸元を有するコイルば
ねを成形し，ショットピーニングを施した後，平均応力
85kgf/mm²，応力振巾45kgf/mm²で繰り返し応力を与え，
疲労試験を行った。その結果を第６表に示す。

第６表から明らかなように，本発明鋼であるA,G,J,L,
M鋼は，従来鋼であるS,T鋼に比べ，H_RC55という高硬度
においても優れた耐久性を示し,20万回繰り返しをして
もいずれも折損しなかった。

〔発明の効果〕上述のように，本発明は，高Siばね用鋼において低Ｃ
化を図り,Ni,Cr,Nを適量添加し，さらに必要に応じてV,
Nb,Moを１種以上含有させ,O量を低減させることによ
り，耐久性，耐へたり性に優れた鋼を得ることに成功し
たものである。

本発明は，今後自動車懸架用コイルばねの高応力化を
進めていく上で非常に有効であり，極めて高い実用性を
有するものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中野修愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者前田千芳利愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者安田茂愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者小曽根敏夫愛知県名古屋市南区芝町45番地 (72)発明者川越誠愛知県名古屋市守山区脇田町708番地 (56)参考文献特開昭62−156251（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−67847（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−39353（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60 F16F 1/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比にしてC:0.35〜0.55％,Si:1.80〜3.
00％,Mn:0.50〜1.50％,Ni:0.50〜3.00％,Cr:0.10〜1.50
％,Al:0.01〜0.05％,N:0.010〜0.025％を含有し，残り
実質的にFeよりなり，かつ，硬さHRC55となるように焼入れ焼戻し処理をした
場合において，シャルピー衝撃試験による衝撃値が4.45
kgf/cm²以上であり，さらに，コイルばね形成後のへた
り試験において得られる残留剪断歪ΓＲが5.2×10^-4以
下であることを特徴とする耐久性，耐へたり性に優れた
ばね鋼。
【請求項２】重量比にしてC:0.35〜0.55％,Si:1.80〜3.
00％,Mn:0.50〜1.50％,Ni:0.50〜3.00％,Cr:0.10〜1.50
％,Al:0.01〜0.05％,N:0.010〜0.025％を含有し，また
V:0.05〜0.50％,Nb0.05〜0.50％,Mo:0.05〜0.50％の１
種または２種以上を含有し，残り実質的にFeよりなり，かつ，硬さHRC55となるように焼入れ焼戻し処理をした
場合において，シャルピー衝撃試験による衝撃値が4.45
kgf/cm²以上であり，さらに，コイルばね形成後のへた
り試験において得られる残留剪断歪ΓＲが5.2×10^-4以
下であることを特徴とする耐久性，耐へたり性に優れた
ばね鋼。
【請求項３】重量比にしてC:0.35〜0.55％,Si:1.80〜3.
00％,Mn:0.50〜1.50％,Ni:0.50〜3.00％,Cr:0.10〜1.50
％,Al:0.01〜0.05％,N:0.010〜0.025％を含有し，また
O:0.0015％以下を含有し，残り実質的にFeよりなり，かつ，硬さHRC55となるように焼入れ焼戻し処理をした
場合において，シャルピー衝撃試験による衝撃値が4.45
kgf/cm²以上であり，さらに，コイルばね形成後のへた
り試験において得られる残留剪断歪ΓＲが5.2×10^-4以
下であることを特徴とする耐久性，耐へたり性に優れた
ばね鋼。
【請求項４】重量比にしてC:0.35〜0.55％,Si:1.80〜3.
00％,Mn:0.50〜1.50％,Ni:0.50〜3.00％,Cr:0.10〜1.50
％,Al:0.01〜0.05％,N:0.010〜0.025％を含有し，また
V:0.05〜0.50％,Nb0.05〜0.50％,Mo:0.05〜0.50％の１
種または２種以上を含有し，更にO:0.0015％以下を含有
し，残り実質的にFeよりなり，かつ，硬さHRC55となるように焼入れ焼戻し処理をした
場合において，シャルピー衝撃試験による衝撃値が4.45
kgf/cm²以上であり，さらに，コイルばね形成後のへた
り試験において得られる残留剪断歪ΓＲが5.2×10^-4以
下であることを特徴とする耐久性，耐へたり性に優れた
ばね鋼。