JP3426463B2 - 耐遅れ破壊性に優れたばね用オイルテンパ線 - Google Patents
耐遅れ破壊性に優れたばね用オイルテンパ線Info
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Description
たばね用オイルテンパ線、例えば、自動車や自動二輪車
の懸架用コイルばね、エンジン用弁ばね等の製造に用い
られるばね用オイルテンパ線に関する。 【0002】 【従来の技術】従来、コイルばね材としては、耐へたり
性を向上させるためにNb含有量を0.05重量%≦N
b≦0.50重量%に設定した鋼材が知られている(特
公平3−23616号公報参照)。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】高強度コイルばね材に
おいて、それに傷が発生し、その傷から材料内部に水素
が侵入すると水素脆化が発生する。従来例において、高
Cで、且つNb含有量が比較的多い場合には、熱間圧延
工程での炭化物固溶が不充分となるため炭化物が粗大化
し、これによりコイルばね材の靱性および耐水素脆性が
低下するため、例えば懸架用コイルばね、エンジン用弁
ばね等の耐遅れ破壊性が劣化する、という問題を生じ
る。 【0004】 【課題を解決するための手段】本発明は、良好な延性、
靱性および耐熱性を有し、また高強度であると共に高い
耐へたり性を持ち、その上、優れた耐遅れ破壊性を発揮
し得る前記ばね用オイルテンパ線を提供することを目的
とする。 【0005】前記目的を達成するため本発明によれば、 0.65重量%≦C≦0.85重量%、 1.9重量%≦Si≦2.4重量%、 0.5重量%≦Mn≦0.9重量%、 0.75重量%≦Cr≦1.3重量%、 0.15重量%≦Mo≦0.25重量%、 0.25重量%≦V≦0.5重量%、 0.01重量%≦Nb≦0.04重量%および 残部Fe(不可避不純物を含む) よりなり、加熱温度Tを1150℃≦T≦1250℃に
設定された熱間圧延加工と、高温焼戻しを含むオイルテ
ンパ処理とを施され、炭化物の平均粒径dがd≦0.1
5μmであるばね用オイルテンパ線が提供される。 【0006】前記組成を持ち、且つ前記加熱温度T、つ
まり高温下にて熱間圧延加工を施されたばね用オイルテ
ンパ線は高強度であり、また延性および靱性にも優れて
いる。この場合、Nb炭化物は1000℃以上の高温域
においても安定に微細であり、且つ結晶粒の粗大化を妨
げるため熱間圧延加工を高温域まで可能とし、しかもN
b炭化物は微量であって他の炭化物の固溶を阻害しない
ため高C、高Vであっても炭化物の粗大化が抑制され
る。この炭化物の粗大化抑制は、ばね用オイルテンパ線
の延性および靱性向上に大いに寄与する。また高温焼戻
しを含むオイルテンパ処理を経たばね用オイルテンパ線
は、高い耐へたり性と良好な耐熱性を有する。さらにN
b含有量を僅少に抑えているので、ばね用オイルテンパ
線は、高い耐水素脆性を有すると共に優れた耐遅れ破壊
性を発揮する。 【0007】熱間圧延加工における加熱温度TがT<1
150℃では前記効果を得ることができず、一方、T>
1250℃では線材に表面傷が発生し易くなり、また加
熱炉や圧延設備が損傷し易くなる。炭化物の平均粒径d
がd>0.15μmではばね用オイルテンパ線の絞りが
低下し、また延性および靱性が悪化する。オイルテンパ
処理における焼戻し温度T1 はT1 ≧480℃であるこ
とが望ましい。T1 <480℃では、オイルテンパ処理
直後の耐遅れ破壊性が不利となることがあり、またコイ
ルばね製造過程で行われる480℃付近、およびそれ以
上の温度下でのひずみ取り焼なまし処理および窒化処理
に対する耐熱性が低下することがあるからである。 【0008】各化学成分の添加効果および含有量限定理
由は次の通りである。 【0009】Cは、V、Moと共に炭化物を析出してば
ね用オイルテンパ線の強度を向上させ、またマトリック
スに固溶して加熱後のばね用オイルテンパ線の硬さ維持
を図る効果を有する。ただし、C<0.65重量%では
固溶C量が少なくなるため強度不足を来たし、一方、C
>0.85重量%では加工性および靱性の低下を招く。
C含有量は、V含有量との関係から、好ましくは0.7
5重量%程度である。 【0010】Siは、ばね用オイルテンパ線の強度、硬
さおよび耐へたり性を向上させる効果を有する。ただ
し、Si<1.9重量%ではそれを添加する意義がな
く、一方、Si>2.4重量%ではばね用オイルテンパ
線の成形性が悪化する。 【0011】Mnは、コイル成形後窒化処理を施された
コイルばね素材の硬さを向上させる効果を有する。ただ
し、Mn<0.5重量%では硬さ向上効果が少なく、一
方、Mn>0.9重量%では素材の伸線作業性およびば
ね用オイルテンパ線の成形性が悪化する。 【0012】Crは、ばね用オイルテンパ線の耐熱性お
よび焼入れ性を向上させ、また窒化深さの添加に寄与す
る。ただし、Cr<0.75重量%では耐熱性および焼
入れ性が低下し、一方、Cr>1.3重量%では伸線加
工において素材に割れが発生するおそれがある。 【0013】Moは、炭化物を析出して焼戻し軟化抵抗
を高め、これによりばね用オイルテンパ線の強度、靱性
および耐熱性を向上させる効果を有する。ただし、Mo
<0.15重量%では前記効果を得ることができず、一
方、Mo>0.25重量%では、パテンティング処理に
おいて素材の金属組織がマルテンサイト化して伸線加工
性が悪化する。 【0014】Vは、ばね用オイルテンパ線の結晶粒を微
細化して、その耐へたり性および耐熱性を改善する効果
を有し、またMoと同様に焼戻し軟化抵抗を高める効果
も有する。ただし、V<0.25重量%では前記効果を
得ることができず、一方、V>0.5重量%ではVC系
炭化物の平均粒径dがd>0.15μmとなるおそれが
ある。 【0015】Nbは、微細炭化物を生成してばね用オイ
ルテンパ線における結晶粒の粗大化を防止する効果を有
する。これにより、1100℃以上の高温熱間圧延加工
で生じる結晶粒の粗大化に起因した圧延傷の発生を回避
し得る。Nbによる炭化物生成温度は、Vの場合よりも
高く、熱間圧延加工において、約1000℃といった高
温域から前記効果を発揮する。これは、微量ではあって
もNbを添加することによって得られるもので、Vによ
って代替することはできない。ただし、Nb<0.01
重量%では、熱間圧延加工において微細炭化物量が不足
するため結晶粒の粗大化を防止することができない。一
方、Nb>0.04重量%では、炭化物が大きくなって
固溶しにくくなるため、その平均粒径dがd>0.15
μmとなるおそれがあり、また圧延傷等に起因した水素
脆化に対する抵抗力が低下して耐遅れ破壊性の劣化を招
来する。Nbの含有量は、好ましくは0.02重量%で
ある。 【0016】 【発明の実施の形態】次のような諸工程を経て各種組成
のばね用オイルテンパ線を製造した。即ち、所定の組成
を持つ溶湯を調製する工程、その溶湯を用いて連続鋳造
法の適用下ビレットを得る工程、そのビレットに熱間圧
延加工を施して線材を得る工程、線材に焼なまし処理を
施す工程、線材にシェービング加工を施す工程、線材に
パテンティング処理を施す工程、線材に伸線加工を施し
て所定の線径を有する細線を得る工程および細線にオイ
ルテンパ処理を施してばね用オイルテンパ線を得る工程
が用いられた。 【0017】表1は、ばね用オイルテンパ線の実施例1
〜3および比較例1〜4の組成を示す。比較例4は、一
般にばね材として使用されているシリコンクロム系高張
力鋼である。各例において、残部Feは不可避不純物を
含む。 【0018】 【表1】 【0019】表2は、実施例1〜3および比較例1〜4
に関する熱間圧延加工の加熱温度Tおよびオイルテンパ
処理条件を示す。実施例1〜3および比較例1〜3の場
合、オイルテンパ処理において高温焼戻しが採用され
た。 【0020】 【表2】【0021】前記熱間圧延加工における加熱温度TとN
bの微量添加との関係について、次のような考察がなさ
れた。 【0022】先ず、前記連続鋳造法により得られたビレ
ットから複数の試験片を作製し、次いで、一の試験片を
1150℃に、また他の試験片を1250℃にそれぞれ
加熱し、その後各試験片に焼なまし処理を施した。 【0023】図1は、実施例2と同様の組成を有する試
験片の金属組織を示す顕微鏡写真であり、同図(a)が
加熱温度1150℃の場合に、また同図(b)が加熱温
度1250℃の場合にそれぞれ該当する。 【0024】図2は、比較例3と同様の組成を有する試
験片の金属組織を示す顕微鏡写真であり、同図(a)が
加熱温度1150℃の場合に、また同図(b)が加熱温
度1250℃の場合にそれぞれ該当する。 【0025】図1(a)と図2(a)とを比較すると、
加熱温度1150℃の場合にはNbの有無に拘らず、両
試験片における結晶粒の大きさは略同じである。 【0026】ところが、図1(b)と図2(b)とを比
較すると明らかなように、加熱温度を前記のそれよりも
100℃高い、1250℃に設定した場合には、図1
(b)のNb含有試験片の結晶粒は、図2(b)のNb
無し試験片の結晶粒に比べて小さく維持される。これに
より、熱間圧延加工における加熱温度を高く設定して
も、微量のNbにより結晶粒の粗大化を抑制し得ること
が確認された。 【0027】次に、前記連続鋳造法により得られたビレ
ットから直径6mmの複数の試験片を作製し、次いで、一
の試験片を1150℃に加熱して970℃にて、また他
の試験片を1250℃に加熱して1020℃にてそれぞ
れグリーブル試験(高温引張り試験)を行った。このよ
うに、試験温度を加熱温度よりも低く設定した理由は、
加熱後熱間圧延加工開始までの間にビレット温度が降下
することを考慮したからである。 【0028】図3,4は、実施例2と同様の組成を有す
る試験片に関するもので、図3は加熱温度1150℃、
試験温度970℃の場合に、また図4は加熱温度125
0℃、試験温度1020℃の場合にそれぞれ該当する。
両図において、(a)は試験片の破断部を示す顕微鏡写
真であり、(b)は前記破断部表面肌の顕微鏡写真であ
る。 【0029】図5,6は、実施例3と同様の組成を有す
る試験片に関するもので、図5は加熱温度1150℃、
試験温度970℃の場合に、また図6は加熱温度125
0℃、試験温度1020℃の場合にそれぞれ該当する。
両図において、(a)は試験片の破断部を示す顕微鏡写
真であり、(b)は前記破断部表面肌の顕微鏡写真であ
る。 【0030】図7,8は、比較例3と同様の組成を有す
る試験片に関するもので、図7は加熱温度1150℃、
試験温度970℃の場合に、また図8は加熱温度125
0℃、試験温度1020℃の場合にそれぞれ該当する。
両図において、(a)は試験片の破断部を示す顕微鏡写
真であり、(b)は前記破断部表面肌の顕微鏡写真であ
る。 【0031】図3,4および図5,6に示すNb含有試
験片においては、それらの破断部表面に浅い粒界割れが
生じている程度であって表面肌の荒れは少ない。一方、
図7,8に示すNb無し試験片においては、その破断部
表面に深い亀裂が発生し、また比較的粗大な結晶粒が引
張り方向に変形していて、表面肌の荒れが激しい。これ
らの事実から、Nbの微量添加により熱間圧延加工にお
ける加熱温度Tを高温に設定し得ることが判る。 【0032】表3は実施例1〜3および比較例1,
11 ,2に関する炭化物の平均粒径d、引張強さσb お
よび絞りを示す。実施例1等の線径は3.4mmである。
比較例11 は、オイルテンパ処理の焼入れ加熱温度を9
70℃に設定されたもので、それ以外の諸要件は比較例
1と同じである。炭化物の平均粒径dは、金属組織写真
を画像解析して求められた。 【0033】 【表3】 【0034】図9は、表3に基づいて、炭化物の平均粒
径dと絞りとの関係をグラフ化したものである。図9か
らも明らかなように、炭化物の平均粒径dをd≦1.5
μmに設定された実施例1〜3は40%以上の絞りを有
し、このことから優れた延性および靱性を持つことが判
る。これは、冷間にてコイル成形を行う上で極めて有効
である。比較例1,11 ,2は絞りが劣り、40%未満
である。 【0035】表4は、実施例1〜3および比較例3,4
に関する内部硬さ、引張強さσb および小型回転曲げ疲
れ試験機による疲れ限度を示す。回転曲げ疲れ試験用試
験片の寸法は、両端の固定部の直径6mm、長さ20mm、
両固定部間の供試部の最小直径3.5mm、長さ20mmで
あり、この試験片は線径6.7mmのオイルテンパ線に研
磨加工を施して作製されたものである。 【0036】 【表4】 【0037】図10は、表4に基づいて、内部硬さと疲
れ限度との関係をグラフ化したものである。図10から
明らかなように、実施例1〜3は比較例3,4に比べて
内部硬さが約12%以上増加し、また疲れ限度も約20
%以上増加している。 【0038】次に、実施例1〜3および比較例1,3,
4を用い、次のような諸工程を経てコイルばねを製造し
た。このコイルばねはエンジン用弁ばねに相当する。 【0039】即ち、実施例1等を用い冷間にてコイル成
形を行ってコイルばね素材を得る工程、コイルばね素材
にひずみ取り焼なまし処理を施す工程、コイルばね素材
に窒化処理を施す工程、コイルばね素材にショットピー
ニング処理を施す工程、コイルばね素材にひずみ取り焼
なまし処理を施す工程およびセッティングを行う工程が
用いられた。コイルばねに関する線径、コイル平均径等
は表5の通りである。 【0040】 【表5】 【0041】前記製造工程において、ひずみ取り焼きな
まし処理および窒化処理の条件は表6の通りである。表
6において、各コイルばねは各ばね用オイルテンパ線の
種類で表わされている。これは、次の表7において同じ
である。 【0042】 【表6】 【0043】表7は、各コイルばねの単体疲れ試験にお
ける疲れ設定応力τa (τm =70)と残留剪断ひずみ
γとの関係を示す。残留剪断ひずみγは、応力繰返し数
1.5×107 回終了後において、γ=(ΔP・τ)/
(P・G)を用いて求められた。ただし、ΔP:P2 荷
重低下(kgf);P:試験前荷重(kgf);τ:試験前
応力(kgf/mm2 );G:横弾性係数8000である。 【0044】 【表7】 【0045】図11は表7をグラフ化したものである。
表7、図11に示すように、例えば疲れ設定応力τa =
60kgf/mm2 において、実施例2,3は比較例1,3
に比べて残留剪断ひずみγが小さい、つまり耐へたり性
が優れている。これは比較例4に比べても明らかであ
る。 【0046】疲れ設定応力τa を61.6kgf/mm2 に
設定された実施例1と同等の耐へたり性を得るために
は、比較例3の場合は疲れ設定応力τa を53.5kgf
/mm2に、また比較例4の場合は47.6kgf/mm2 未
満にそれぞれ下げなければならない。このことから実施
例1が優れた耐へたり性を有することが判る。 【0047】実施例1,11 ,2および比較例4に関し
遅れ破壊試験を行った。実施例11はオイルテンパ処理
の焼戻し温度を520℃に設定されたもので、それ以外
の諸要件は実施例1と同じである。この遅れ破壊試験
は、図12に示す試験片1を用いて、図13に示す方法
で行われた。 【0048】試験片1はピン状をなし、その長さ方向2
等分位置に環状ノッチ2を有する。試験片1の全長aは
40mm、直径bは6mm、環状ノッチ2の最小直径cは4
mmであり、この試験片は線径6.7mmのオイルテンパ線
に研磨加工を施して作製されたものである。また実施例
1,2の試験片1には、それをコイルばねに対応させる
べく、コイルばね製造過程で行われるひずみ取り焼なま
し処理または窒化処理を考慮して、480℃、2時間の
焼なまし処理が施された。一方、実施例11 、比較例4
の試験片1はオイルテンパ処理後の状態、つまりオイル
テンパ線のままである。 【0049】図13に示すように、試験片1は、その一
端部をホルダ3に取付けられて水平に保持され、また他
端部にロッド4を介してウエイト5を吊下げられた。そ
して先ず、試験片1の静的曲げ破壊応力σ0 を測定し、
次いで環状ノッチ2に0.1NのHCl水溶液6を滴下
して30時間経過後、試験片1の曲げ破壊応力σ30を測
定した。そして遅れ破壊定数KをK=(σ30/σ0 )×
100(%)として求めた。したがって、遅れ破壊定数
Kが大きい程、耐遅れ破壊性が優れている、と言える。 【0050】表8は、オイルテンパ処理の焼戻し温度
と、試験片1における環状ノッチ2の断面硬さおよび遅
れ破壊定数Kを示す。表中、実施例1,2に関する環状
ノッチの断面硬さにおいて、括弧内の数値はオイルテン
パ処理後、つまり焼なまし処理前の値(HmV)であ
る。 【0051】 【表8】 【0052】表8から明らかなように、実施例1,2は
焼なまし処理を施されて硬さが低下し、強度は比較例4
のそれと略同等となるが、耐遅れ破壊性は比較例4に比
べて大幅に向上していることが判る。また実施例1
1 は、硬さが比較例4に比べて大幅に高く高強度である
にも拘らず、耐遅れ破壊性は比較例4よりも優れてい
る。 【0053】実施例1等におけるオイルテンパ処理を水
素雰囲気中で行うと、実施例1等の表面に減炭層が形成
される。この減炭層は硬さが低く、その結果、コイル成
形後においてコイルばね素材の残留応力が低下傾向とな
る。これは、コイルばねの耐遅れ破壊性と加工性を向上
させる上で極めて有効である。 【0054】線径の大きなばね用オイルテンパ線を用い
て、自動車の懸架用コイルばねを製造する場合には次の
ような諸工程が採用される。即ち、ばね用オイルテンパ
線を用い熱間にてコイル成形を行ってコイルばね素材を
得る工程、コイルばね素材にひずみ取り焼きなまし処理
を施す工程、コイルばね素材にオイルテンパ処理を施す
工程、コイルばね素材にショットピーニング処理を施す
工程、コイルばね素材にひずみ取り焼なまし処理を施す
工程およびコイルばね素材にショットピーニング処理を
施す工程が用いられる。前記ひずみ取り焼なまし処理の
条件は、温度420℃、時間0.5時間であり、またオ
イルテンパ処理の条件は、焼入れ加熱温度930℃、焼
戻し温度480℃である。 【0055】 【発明の効果】本発明によれば、前記のように構成する
ことによって、良好な延性、靱性および耐熱性を有し、
また高強度であると共に高い耐へたり性を持ち、その上
優れた耐遅れ破壊性を発揮し得るばね用オイルテンパ線
を提供することができる。
って、(a)は加熱温度1150℃の場合に、(b)は
加熱温度1250℃の場合にそれぞれ該当する。 【図2】第2の試験片の金属組織を示す顕微鏡写真であ
って、(a)は加熱温度1150℃の場合に、(b)は
加熱温度1250℃の場合にそれぞれ該当する。 【図3】試験温度970℃にてグリーブル試験を行った
後の第3の試験片を示し、(a)は破断部の顕微鏡写
真、(b)は破断部表面肌の顕微鏡写真である。 【図4】試験温度1020℃にてグリーブル試験を行っ
た後の第3の試験片を示し、(a)は破断部の顕微鏡写
真、(b)は破断部表面肌の顕微鏡写真である。 【図5】試験温度970℃にてグリーブル試験を行った
後の第4の試験片を示し、(a)は破断部の顕微鏡写
真、(b)は破断部表面肌の顕微鏡写真である。 【図6】試験温度1020℃にてグリーブル試験を行っ
た後の第4の試験片を示し、(a)は破断部の顕微鏡写
真、(b)は破断部表面肌の顕微鏡写真である。 【図7】試験温度970℃にてグリーブル試験を行った
後の第5の試験片を示し、(a)は破断部の顕微鏡写
真、(b)は破断部表面肌の顕微鏡写真である。 【図8】試験温度1020℃にてグリーブル試験を行っ
た後の第5の試験片を示し、(a)は破断部の顕微鏡写
真、(b)は破断部表面肌の顕微鏡写真である。 【図9】炭化物の平均粒径dと絞りとの関係を示すグラ
フである。 【図10】内部硬さと疲れ限度との関係を示すグラフで
ある。 【図11】疲れ設計応力τa と残留剪断ひずみγとの関
係を示すグラフである。 【図12】試験片の正面図である。 【図13】遅れ破壊試験法の説明図である。
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】0.65重量%≦C≦0.85重量%、 1.9重量%≦Si≦2.4重量%、 0.5重量%≦Mn≦0.9重量%、 0.75重量%≦Cr≦1.3重量%、 0.15重量%≦Mo≦0.25重量%、 0.25重量%≦V≦0.5重量%、 0.01重量%≦Nb≦0.04重量%および 残部Fe(不可避不純物を含む) よりなり、加熱温度Tを1150℃≦T≦1250℃に
設定された熱間圧延加工と、高温焼戻しを含むオイルテ
ンパ処理とを施され、炭化物の平均粒径dがd≦0.1
5μmであることを特徴とする、耐遅れ破壊性に優れた
ばね用オイルテンパ線。
Priority Applications (1)
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JP07647997A JP3426463B2 (ja) | 1997-03-12 | 1997-03-12 | 耐遅れ破壊性に優れたばね用オイルテンパ線 |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH10251795A JPH10251795A (ja) | 1998-09-22 |
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1997
- 1997-03-12 JP JP07647997A patent/JP3426463B2/ja not_active Expired - Fee Related
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