JP3232666B2

JP3232666B2 - 耐遅れ破壊性に優れたばね用鋼

Info

Publication number: JP3232666B2
Application number: JP18662692A
Authority: JP
Inventors: 直行倉富; 隆弘櫛田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-07-14
Filing date: 1992-07-14
Publication date: 2001-11-26
Anticipated expiration: 2016-11-26
Also published as: JPH0633189A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は 110kg/mm²以上の引張強
さを有し、かつ耐遅れ破壊性に優れた板ばね、コイルば
ね等に用いられるばね用鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、特に自動車やトラックなどの軽量
化に伴い今まで以上に高強度の自動車部品用鋼、特に板
ばねやコイルばね等に用いられるばね用鋼の開発が必要
とされてきている。

【０００３】従来、一般の高強度ばね用鋼は、例えば、
JIS G 4801(1977)に規定された 0.5％Ｃ−0.95％Cr−0.
20％Ｖの組成を有する SUP10などの低合金鋼の熱間圧延
材に焼入れ焼戻し処理を施すことによって製造されてい
る。

【０００４】しかし、これらのばね用鋼を自動車部品の
素材として用いた場合、使用中に遅れ破壊を生じること
があり、品質の安定性に欠けるという問題があった。そ
のため、この用途に用いられるばね用鋼は、強度レベル
が引張強さで 110kgf/mm²以下のものに制限されてい
る。なお、遅れ破壊とは、鋼が限界強度以内の静荷重下
においてある時間経過後に突然脆性的に破断する現象で
あり、外部環境から鋼中に侵入した水素による一種の水
素脆性とされている。

【０００５】一方、上記の SUP10などの低合金鋼より耐
遅れ破壊性の優れた鋼として、例えば、 0.1％Ｃ−13％
Cr−0.6 ％Moの組成を有する13Cr系ステンレス鋼が実用
されている。この鋼は引張強さが 140kgf/mm²程度のも
のまで遅れ破壊の発生のおそれなく使用できるが、高価
であるため限られた用途にしか用いられておらず、自動
車部品用の素材としては未だ一般的に使用されるには至
っていない。

【０００６】上記のばね用鋼の他に、例えば特開昭57−
169062号、特開昭57−171648号、特開昭61− 60832号お
よび特開昭63−227748号等の各公報に、種々の化学組成
を有し、高強度で、かつ耐遅れ破壊性に優れたばね用鋼
と、その製造方法が開示されている。しかしながら、こ
れらの鋼は、品質における安定性は必ずしも高いとは言
えず、自動車用鋼として取り替えの必要なしに使用でき
るような優れた耐遅れ破壊性を有してはいない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、耐遅れ破壊
性に優れたばね用鋼であって、恒久的に使用するのでは
なく、取り替えを前提とするが、所定の期間中、遅れ破
壊の発生のおそれがなく、しかも 110kgf/mm²以上の引
張強さを有するばね用鋼を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の目
的を達成するために研究を重ねた結果、下記の知見を得
た。すなわち、 (1) Ｃ含有量を低くし、Cuを添加した耐遅れ破壊性に優
れた構造用鋼が既に開発されているが、このCu添加の効
果は、鋼の腐食速度を低下させることによって水素の鋼
中への侵入を抑制し、遅れ破壊の原因である水素脆化を
防止することによるものである。

【０００９】(2) 鋼を更に高強度とするためにＣの含有
量を高めると、Cuの添加だけでは水素の鋼中への侵入を
抑制する効果、すなわち水素透過量を下げる効果が十分
ではない。しかし、更にMoを添加すると水素侵入抑制効
果は著しく向上する。Moの水素侵入抑制効果は鋼の水素
過電圧を低下させることによるもので、鋼中への水素の
侵入に対する抑制機構の異なるCuとMoを複合添加するこ
とにより、耐遅れ破壊性は飛躍的に向上する。

【００１０】本発明は上記の知見に基づいてなされたも
ので、その要旨は、下記〜の耐遅れ破壊性に優れた
ばね用鋼にある。なお、これまでに低Ｐ、低Ｓ化による
Ｐ、Ｓの粒界偏析の軽減および清浄化と、低Mn化が耐遅
れ破壊性の改善に有効であることが見出され、本出願人
により開示されているが（特開平３−243744号公報）、
本発明鋼においても、低Ｓ、低MnとすることによりMnＳ
の析出を低減させ、耐遅れ破壊性の向上を図った。粒界
偏析の軽減および清浄化によって局部腐食が抑制され、
水素の発生が抑えられて鋼表面における固溶水素濃度が
低下し、鋼中への水素透過量が減少する。

【００１１】重量％で、Ｃ：0.50％を超え0.90％以
下、Si：0.05〜0.50％、Mn： 0.5％未満、Cu：0.10〜1.
00％、Cr：0.10〜5.00％、Mo：0.05〜1.00％、Al：0.01
〜0.10％を含有し、かつCu＋Mo≧ 0.4％を満たし、残部
はFeおよび不可避不純物からなり、不純物中のＰが 0.0
15％未満、Ｓが0.01％未満であって、焼入れ焼き戻し組
織を有することを特徴とする耐遅れ破壊性に優れたばね
用鋼。

【００１２】前記の成分に加えて、更にNi：0.05
〜0.50重量％（以下、「％」は「重量％」を意味する）
を含有する耐遅れ破壊性に優れたばね用鋼。

【００１３】前記またはの成分に加えて、更に
Nb：0.01〜0.10％、Ti：0.01〜0.10％およびＶ：0.01〜
0.10％の中の１種以上を含有する耐遅れ破壊性に優れた
ばね用鋼。

【００１４】前記、またはの成分に加えて、
更にＢ：0.0002〜 0.002％を含有する耐遅れ破壊性に優
れたばね用鋼。

【００１５】

【作用】以下に、本発明鋼の化学組成および組織を上記
のように定めた理由を説明する。

【００１６】（Ａ）化学組成Ｃ：Ｃは鋼の焼入性を向上させ、強度を増加させるとと
もに、組織を細粒化する作用を有する成分である。しか
し、その含有量が0.50％以下では焼入性が劣化し、必要
とする強度を得ることができない。一方、0.90％を超え
て含有させると焼入れ時の焼割れ感受性が増大し、ま
た、鋼が著しく硬化して靱性が劣化する。従って、Ｃの
含有量は0.50％を超え0.90％以下と定めた。

【００１７】Si：Siは脱酸剤として添加される。また、
鋼の強度を増加させるのに有効な元素である。しかし、
その含有量が0.05％未満では前記の効果は十分ではな
く、一方、0.50％を超えると偏析して靱性が劣化する場
合がある。従って、Siの含有量は0.05〜0.50％と定め
た。

【００１８】Mn：Mnは脱酸作用を有するとともに、焼入
性の向上にも有効な元素である。しかし、多量に含有さ
せると粒界脆化現象が生じ、遅れ破壊が発生しやすくな
る。更に、MnはＳと結合してMnＳを生成し、これが割れ
の起点となる。従って、耐遅れ破壊性を改善するために
はその含有量を極力低下させなければならない。よっ
て、Mnの含有量は 0.5％未満とした。

【００１９】Cu：Cuは前記のように鋼の腐食速度を低下
させることによって水素の鋼中への侵入を抑制し、遅れ
破壊の原因である水素脆化を防止する。また、Nb、Moお
よびCrと複合添加することによって鋼の焼戻し軟化抵抗
を著しく増大させることができるので、焼戻し温度を高
めることができ、耐遅れ破壊性を向上させる。しかし、
Cuの含有量が0.10％未満ではその効果が小さく、一方、
1.00％を超えて含有させると熱間加工性および靱性が劣
化する。従って、Cuの含有量は0.10〜1.00％の範囲が適
当である。

【００２０】Cr：Crは鋼の焼入性を向上させ、かつ鋼の
焼戻し軟化抵抗を高める作用を有する。

【００２１】特に、Mo、Nb、Cuとの複合添加により鋼の
焼戻し軟化抵抗は著しく増大する。しかし、その含有量
が0.10％未満では前記の効果は十分ではなく、また、Cr
は高価な合金元素であるため経済性を考慮し、その含有
量を0.10〜5.00％と定めた。

【００２２】Mo：Moは前記のように水素の鋼中への侵入
を抑制する。また、鋼の焼入性を向上させ、かつ焼戻し
軟化抵抗を高める作用を有し、特にCu、Nb、Crとの複合
添加によって焼戻し軟化抵抗は著しく増大するので、高
い焼戻し温度の設定が可能となり、耐遅れ破壊性を向上
させる。しかし、その含有量が0.05％未満では前記の効
果は十分ではなく、一方1.00％を超えて添加してもその
効果は飽和し、経済的にも不利である。従って、Moの含
有量は0.05〜1.00％と定めた。

【００２３】Al：Alは脱酸作用を有し、また組織の細粒
化を図る上で有効であるが、0.01％未満ではその効果は
十分ではない。一方、0.10％を超えて含有させてもその
効果は飽和し、また介在物の増大により疵が発生しやす
く、靱性も劣化する。従って、Alの含有量は0.01〜0.10
％と定めた。

【００２４】Cu＋Mo：CuとMoとを複合添加することは、
本発明鋼における重要な要件である。

【００２５】図１は、0.70％Ｃ−0.30％Si−0.35％Mn−
2.00％Cr−0.05％Alの組成の鋼をベースとし、（Cu＋M
o）含有量を変えた鋼について、（Cu＋Mo）含有量と水
素透過量（μＣ/cm ）の関係を示した図である。水素透
過量が小さい方が鋼中への水素侵入量が少ない。この図
１から明らかなように、（Cu＋Mo）含有量が 0.4％未満
では鋼中への水素の侵入に対する抑制効果は十分ではな
いが、 0.4％以上になると水素侵入量が急激に低下す
る。つまり、鋼中への水素の侵入に対する抑制作用の機
構はそれぞれ異なるが、これらの合金元素を組合わせ、
複合添加することによって、図２および図３に示すよう
に、それぞれ単独に添加する場合に比べ、その効果を相
乗的に高めることができる。従って、（Cu＋Mo）含有量
を 0.4％以上とした。なお、図２と図３は、上記の基本
組成の鋼を用いてCuとMoをそれぞれ単独添加した試料に
ついての試験結果である。

【００２６】本発明鋼（前記の鋼）は、前述の成分の
ほか、残部はFeと不可避的不純物からなる鋼である。不
純物として代表的なものはＰ、Ｓである。

【００２７】Ｐはどのような熱処理を施してもその粒界
偏析を完全に消滅させることはできず、粒界強度を低下
させ、耐遅れ破壊性を劣化させる。従って、その含有量
は低いほど望ましく、 0.015％未満とする。

【００２８】Ｓは前述のようにMnと結合してMnＳを生成
し、割れの起点となる。また、単独でも粒界に偏析して
脆化を促進させるので、その含有量はＰと同様極力低く
することが必要であり、0.01％未満とする。

【００２９】上記の各成分のほかに、必要に応じて、Ni
を添加してもよく（前記の鋼）、あるいは、の鋼も
しくはの鋼にNb、TiおよびＶの中の１種以上を添加し
てもよく（の鋼）、あるいはまた、の鋼、の鋼も
しくはの鋼にＢを添加してもよい（の鋼）。なお、
不純物のＰ、Ｓについては、の鋼の場合と同様、それ
ぞれ 0.015％未満、0.01％未満とする。必要に応じて添
加する成分の限定理由は以下のとおりである。

【００３０】Ni：Niは鋼の靱性を高める作用を有すると
共に、Cuの添加による熱間加工性の低下を改善する効果
がある。しかし、その含有量が0.05％未満では十分な効
果が得られず、また、必要以上に添加することは経済的
にも不利であるので、その含有量を0.05〜 0.5％とし
た。

【００３１】Nb、TiおよびＶ：Nb、TiおよびＶの１種以
上を添加することにより、組織の細粒化が促進され、耐
遅れ破壊性を一段と向上させることができる。しかし、
Nb、TiおよびＶのいずれについても、0.01％未満ではそ
の効果は十分ではなく、また高価な合金元素であるため
経済性を考慮して、これらの元素の含有量は、いずれも
0.01〜 0.1％とした。

【００３２】Ｂ：Ｂは鋼の焼入性を向上させて強度を高
め、かつ粒界を強化して耐遅れ破壊性を向上させる作用
を有している。しかし、0.0002％未満では十分な効果が
得られず、また 0.002％を超えて含有させると鋼の靱性
および耐遅れ破壊性の劣化につながる。従って、Ｂの含
有量は0.0002〜 0.002％とした。

【００３３】（Ｂ）組織上記の化学組成を有する鋼であっても、 110kg/mm²以上
の引張強さと良好な耐遅れ破壊性とを具備させるには、
焼入れ焼戻し組織とすることが必要である。これは、焼
ならし材、焼戻し材、焼ならし焼戻し材、圧延のまま材
等が有する高温ベイナイト、フェライト、パーライトを
主とする組織では、安定して 110kg/mm²以上の引張強さ
を有する高強度材を得ることは難しく、一方、焼入れま
まの鋼は引張強さは高いが、降伏点が低く、ばね用鋼と
して使用すると、使用中に応力緩和が生じるからであ
る。また、焼入れままの組織では、耐遅れ破壊性、靱
性、加工性などが良好でないという問題がある。

【００３４】従って、所定の強度と、優れた耐遅れ破壊
性を有する鋼を得るためには、通常の熱間圧延を行った
後直ちに焼入れするか、または再加熱してから焼入れ処
理を施して、鋼の組織を低温変態生成物（マルテンサイ
トやベイナイト）からなる組織とし、これを焼戻した、
いわゆる焼入れ焼戻し組織（主として焼戻しマルテンサ
イト組織）とすることが必要である。

【００３５】

【実施例】表１に示す化学組成の鋼(No.１〜30) を通常
の方法によって溶製した。 No.１〜26は本発明で定める
組成を有する鋼であり、 No.27〜30は本発明鋼の組成か
ら外れる比較鋼である。また、 No.31および32は従来鋼
で、それぞれJIS G 4801で規定されたSUP9およびSUP10
鋼である。 No.１〜30の溶製鋼については、得られたイ
ンゴットを1050〜1150℃に45分間加熱保持した後、 950
〜1100℃で熱間鍛造および熱間圧延して厚さ15mmの板材
とし、 900℃で45分間加熱して油焼入れし、次いで 420
℃で45分間焼戻して空冷することにより、その組織が焼
入れ焼戻し組織となり、引張強さが 110kg/mm²以上とな
るように調整した。 No.31および32の従来鋼についても
同様の焼入れ焼戻し処理を行った。

【００３６】これらの鋼について、定荷重試験方法によ
り遅れ破壊性を調査した。すなわち、図４に示す形状お
よび寸法の試験片を切り出し、これを図５に示す定荷重
試験機に取り付け、pH＝２のワルポール液（塩酸と酢酸
ナトリウム水溶液の混合液、液温：25℃）中でおもり６
により静荷重（引張応力：50kgf/mm²）をかけるととも
に試験片１と白金製の対極２の間にポテンシオスタット
３を用いて試験片１を陰極として定電流（１mA/cm²）を
流し、 200時間経過後の破断の発生の有無を調べた。

【００３７】試験結果を表１に示す。なお、同表には各
供試鋼の強度レベルを付記した。試験環境のpH＝２とい
うのは、材料が実際に使用される環境において生じる可
能性のある最も厳しい環境に相当する。したがって、こ
の試験結果は実際の使用環境のうちで最も厳しい環境下
における耐遅れ破壊性を評価できるものと考えられる。

【００３８】表１の結果から明らかなように、本発明鋼
は耐遅れ破壊性に優れており、かつ110kg/mm²以上の引
張強さを有している。

【００３９】

【表１（１）】

【００４０】

【表１（２）】

【００４１】

【発明の効果】本発明鋼は耐遅れ破壊性に優れ、かつ 1
10kg/mm²以上の引張強さを有しており、安価な低合金高
強度鋼として、特に、自動車の板ばねやコイルばね等の
素材として好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋼の（Cu＋Mo）含有量と水素透過量の関係を示
す図である。

【図２】鋼のCu含有量と水素透過量の関係を示す図であ
る。

【図３】鋼のMo含有量と水素透過量の関係を示す図であ
る。

【図４】実施例の定荷重試験で用いた試験片の形状およ
び寸法（単位：mm）を示す図で、（イ）は試験片の全体
図、（ロ）は試験片のノッチ部（（イ）図のＡ部）の形
状の詳細図である。

【図５】定荷重試験機の概略構成図である。

【符号の説明】１：試験片、２：対極、３：ポテンシオスタット、４：
ポンプ、５：恒温槽、６：おもり、７：加熱炉（部分）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：0.50％を超え0.90％以下、
Si：0.05〜0.50％、Mn： 0.5％未満、Cu：0.10〜1.00
％、Cr：0.10〜5.00％、Mo：0.05〜1.00％、Al：0.01〜
0.10％を含有し、かつCu＋Mo≧ 0.4％を満たし、残部は
Feおよび不可避不純物からなり、不純物中のＰが 0.015
％未満、Ｓが0.01％未満であって、焼入れ焼き戻し組織
を有することを特徴とする耐遅れ破壊性に優れたばね用
鋼。
【請求項２】成分元素として、更にNi：0.05〜0.50重量
％を含有することを特徴とする請求項１に記載の耐遅れ
破壊性に優れたばね用鋼。
【請求項３】成分元素として、更にNb：0.01〜0.10重量
％、Ti：0.01〜0.10重量％およびＶ：0.01〜0.10重量％
の中の１種以上を含有することを特徴とする請求項１ま
たは２に記載の耐遅れ破壊性に優れたばね用鋼。
【請求項４】成分元素として、更にＢ：0.0002〜 0.002
重量％を含有することを特徴とする請求１、２または３
に記載の耐遅れ破壊性に優れたばね用鋼。