JP3760847B2

JP3760847B2 - 平鋼ばね用鋼

Info

Publication number: JP3760847B2
Application number: JP2001358269A
Authority: JP
Inventors: 秀一福島
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-11-22
Filing date: 2001-11-22
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2021-11-22
Also published as: JP2003160837A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車、建設機械、産業機械などで使用される平鋼ばねの素材として用いられる鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車、建設機械、産業機械などで使用される平鋼ばねは、鋼片に熱間加工や冷間加工を施して平鋼にした後、所定の寸法への切断が行われ、孔あけ加工、熱間加工によって所定の形状への加工が行われ、次いで、焼入れ・焼戻しなどの熱処理、脱スケール処理及び表面被膜塗装処理を施すことによって製造されている。
【０００３】
上記平鋼ばねのうちでも、特に重ね板ばねには高い強度が必要とされるため、その素材として高炭素低合金鋼の平鋼が使用されてきた。しかし、重ね板ばね用の平鋼のうちでも厚さが１０ｍｍ程度以下の薄い平鋼においては、熱間圧延のままで表面硬さが高くなることがあり、更に、場合によってはマルテンサイト組織が発生することがあって、例えば冷間での剪断加工で所定の寸法に切断する際に割れが生じたり、冷間ポンチ加工による孔あけが困難となって、生産歩留りや生産能率が低下することがあった。一方、たとえ上記した問題を生じない場合であっても、熱処理した後の硬さにばらつきが生じて耐へたり性が低下することがあった。
【０００４】
更に、平鋼ばねには、上記のように加工の最終工程で表面に被膜塗装が行なわれるが、熱処理後の脱スケール性が不十分なために被膜塗装後の表面光沢が鈍く、所望の表面肌評価指数が得られないために歩留まりの低下をきたすことがあった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記現状に鑑みなされたもので、その目的は、剪断加工による所定寸法への切断及び孔あけ加工といった冷間加工性に優れ、更に、熱処理後に硬さばらつきが小さく安定した硬さレベルが得られて良好な耐へたり性を確保できるとともに、脱スケール性が良好で被膜塗装後の表面光沢に優れた平鋼ばねの素材として好適な鋼、なかでも厚さが１０ｍｍ程度以下の薄い平鋼ばねの素材として好適な鋼を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記に示す平鋼ばね用鋼にある。
すなわち、「質量％で、Ｃ：０．４０〜０．７５％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．６〜１．２％、Ｃｒ：０．６〜１．２％、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｃｕ：０．０１〜０．４％、Ｎｉ：０．０２〜０．４％及びＮ：０．０１５％以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物中のＰは０．０２５％以下、Ｓは０．００９％以下で、且つ下記▲１▼式で表されるτが４．１〜５．２である平鋼ばね用鋼。ここで、τ＝０．０３９｛１１．６９Ｃ×（１＋０．６４Ｓｉ）×（１＋４．１０Ｍｎ）×（１＋２．３３Ｃｒ）｝＋１００Ｓ・・・▲１▼で、▲１▼式中の元素記号はその元素の質量％での含有量を表す。」である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。なお、成分含有量の「％」は「質量％」を意味する。
【０００８】
Ｃ：
Ｃは、強度を確保するために有用な元素であり、その含有量が０．４０％未満では熱処理後の強度が不足する。一方、Ｃの含有量が余りに多いと未変態で残るオーステナイトの割合が多くなり硬さばらつきが大きくなって耐へたり性の低下をきたす。特に、Ｃ含有量が０．７５％を超えると硬さばらつきが極めて大きくなって耐へたり性の低下が著しくなる。したがって、Ｃの含有量を０．４０〜０．７５％とした。なお、Ｃの含有量は０．５０〜０．６０％とすることが好ましい。
【０００９】
Ｓｉ：
Ｓｉは、鋼の脱酸に有効な成分であるが、必ずしも添加する必要はない。これは、本発明においては後述のＡｌを添加含有させるからである。Ｓｉの含有量があまりに多いと変形能が低下するようになるのでその上限を０．３５％とした。なお、Ｓｉの脱酸作用を確実に得るためにはＳｉは０．１５％以上の含有量とすることが好ましい。
【００１０】
Ｍｎ：
Ｍｎは鋼の脱酸、脱硫作用を有する。更に、Ｍｎには鋼の熱間脆性を防止するとともに強度を高める作用もある。しかし、その含有量が０．６％未満では前記の各効果が十分には得られない。一方、１．２％を超えて含有させると、偏析が著しくなるし、変形抵抗が増大して冷間加工が困難になる。したがって、Ｍｎの含有量を０．６〜１．２％とした。なお、Ｍｎの含有量は０．７〜０．９％とすることが好ましい。
【００１１】
Ｃｒ：
Ｃｒは、強度と焼入れ性を高めるのに有効な元素である。しかし、その含有量が０．６％未満では前記効果が十分には得られない。一方、１．２％を超えると、変形能の低下をきたして冷間加工が困難になる。したがって、Ｃｒの含有量を０．６〜１．２％とした。なお、Ｃｒの含有量は０．７〜０．９％とすることが好ましい。
【００１２】
Ａｌ：
Ａｌは、鋼の脱酸に有効な元素であり、加えて、熱間圧延前の鋼の加熱に際してオーステナイト結晶粒が粗大化するのを防止する作用がある。しかし、Ａｌの含有量が０．０１％未満では前記の効果が十分には得られない。一方、０．１０％を超えて含有させるとＡｌ_２Ｏ_３系介在物が増加し、冷間加工時に変形能の低下をきたすので割れが発生しやすくする。したがって、Ａｌの含有量を０．０１〜０．１０％とした。なお、Ａｌの含有量は０．０１５〜０．０６％とすることが好ましい。
【００１３】
Ｃｕ：
Ｃｕは、地鉄表面に濃化して圧延時のスケール生成を抑制する作用を有する。しかし、Ｃｕの含有量が０．０１％未満では前記の効果が得られない。一方、Ｃｕを０．４％を超えて含有させると延性が低下し、熱間加工性や冷間加工性を害する。したがって、Ｃｕの含有量を０．０１〜０．４％とした。なお、Ｃｕの含有量は０．０５〜０．４％とすることが好ましい。
【００１４】
Ｎｉ：
Ｎｉは、Ｃｕと同じく地鉄表面に濃化して圧延時のスケール生成を抑制する作用を有する。しかし、Ｎｉの含有量が０．０２％未満では前記の効果が得られない。一方、Ｎｉを０．４％を超えて含有させると、フェライトの歪硬化量が大きくなることに加えて、デスケーリング性が低下してロール寿命の低下をきたす。したがって、Ｎｉの含有量を０．０２〜０．４％とした。なお、Ｎｉの含有量は０．０５〜０．４％とすることが好ましい。
【００１５】
Ｎ：
Ｎは焼入れ・焼戻しなどの熱処理後の健全な表面肌を確保するのに有用な元素である。その含有量が０．０１５％を超えると、大きな加工度での冷間加工の時効硬化の程度が大きくなり、冷間加工性の著しい低下を招くためＮ含有量を０．０１５％以下とした。なお、Ｎは添加しなくてもよいが、工業的規模で製造される鋼には通常少なくとも０．００６％程度のＮが不純物として含まれる。Ｎ含有量が上記０．００６％程度の不純物量であっても前記した効果は得られるものの、０．０１０％以上の含有量とすれば確実な効果を確保することができる。
【００１６】
本発明においては不純物としてのＰ及びＳの含有量を下記のとおり制限する。
【００１７】
Ｐ：
Ｐは延性や靱性を損ない、特にその含有量が０．０２５％を超えると延性や靱性の低下が著しくなる。したがって、不純物としてのＰの含有量を０．０２５％以下とした。
【００１８】
Ｓ：
Ｓは強度、延性を損なうとともに、表面肌を荒らし表面性状を劣化させる。特に、Ｓの含有量が０．００９％を超えると、強度、延性の低下とともに表面性状の劣化が著しくなる。したがって、不純物としてのＳの含有量を０．００９％以下とした。なお、Ｓの含有量は０．００５％以下とすることが好ましい。
【００１９】
τ：
鋼に対して、剪断加工による所定寸法への切断及び孔あけ加工といった冷間加工性、熱処理後の安定した硬さレベル維持による良好な耐へたり性、及び被膜塗装後の優れた表面光沢を確保するための良好な脱スケール性を具備させるためには、Ｃ〜Ｓの各元素の含有量を上記した範囲に制御することに加えて、前記▲１▼式で表されるτの値を４．１〜５．２とする必要がある。
【００２０】
このτに関する規定は以下に示す実験に基づいて得られたものである。
【００２１】
すなわち、ＣからＳまでの含有量が上記の規定範囲にある種々の鋼を通常の方法で試験炉溶製した。
【００２２】
なお、この試験炉溶製した鋼の前記τの値の範囲は３．５〜５．５に亘るものであった。
【００２３】
次いで、通常の方法によって、前記の鋼を厚さ９．０ｍｍの平鋼に熱間圧延した後、常温で剪断加工して長さが１０００ｍｍの試験片を作製し、この試験片を９４０℃に加熱して１２分保持した後、冷却媒体に油を用いて焼入れ処理を施した。
【００２４】
このようにして得た試験片について、焼入れしたままでの表面硬さ（ブリネル硬さＨＢ）の測定を行なった。
【００２５】
又、前記焼入れ処理後の試験片に脱スケール処理としてのショットブラスト処理を施し、その表面肌を目視でチェックした。
【００２６】
上記の調査を行って、焼入れしたままでの表面硬さ及びショットブラストした後の表面肌の状況とτの値との関係を整理したところ、一定の比例関係があることが判明した。
【００２７】
すなわち、図１に示すように、τの値の増加とともに焼入れしたままでの表面硬さ（ブリネル硬さＨＢ）も上昇することが認められた。ここで、図１に示したＨＢ硬さは測定した５点の平均値であるが、硬さのばらつき（△ＨＢ）は１４と小さいものであった。なお、十分な耐へたり性を確保するには、焼入れしたままでの表面硬さをＨＢ５３８以上とし△ＨＢを２０以下とすればよいことが経験的に知られており、したがって、十分な耐へたり性の確保のために、先ず図１から、τの値を４．１以上にする必要があることが判明した。
【００２８】
次に、ショットブラストした後の表面肌の状況としての表面肌評価指数とτの値との関係を図２に整理して示す。なお、表面肌評価指数とは表面肌を１〜５の５段階の指数で評価するものであって、指数１が最高の表面肌状況であることを表し、この表面肌評価指数が２以下の場合に、被膜塗装後に優れた表面光沢が確保できることが経験的に知られている。
【００２９】
ここで、前記の表面肌評価指数は、脱スケール処理後の試験片表面に認められる「あばた」の下記▲２▼式で求められる平均直径Ｌ（ｍｍ）に基づくものであり、その関係は下記に示すとおりである。
【００３０】
平均直径Ｌ：０．１ｍｍ未満・・・・・・・・・・表面肌評価指数：１、
平均直径Ｌ：０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ未満・・・表面肌評価指数：２、
平均直径Ｌ：３．０ｍｍ以上５．０ｍｍ未満・・・表面肌評価指数：３、
平均直径Ｌ：５．０ｍｍ以上１０．０ｍｍ未満・・表面肌評価指数：４、
平均直径Ｌ：１０．０ｍｍ以上・・・・・・・・・表面肌評価指数：５。
【００３１】
なお、Ｌ（ｍｍ）＝Σ（Ａ×Ｂ）／ΣＢ・・・▲２▼であり、この▲２▼式におけるＡは各視野における「あばた」の平均直径（ｍｍ）、Ｂは「あばた」が同一平均直径を示す視野数であり、全視野数は１０とするものである。
【００３２】
図２から、被膜塗装後に優れた表面光沢を確保するためには、τの値を５．２以下とする必要があることが明らかである。
【００３３】
上記から、本発明においては前記▲１▼式で表されるτの値を４．１〜５．２と規定した。なお、τの値を上記４．１〜５．２とするには、▲１▼式の構成因子であるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＳの含有量を、前記した各々の含有量の範囲内で調整して決定すればよい。
【００３４】
【実施例】
表１に示す化学組成を有する鋼片を通常の方法で熱間圧延して厚さ９．０ｍｍの平鋼とし、常温で剪断加工して長さが１０００ｍｍの試験片を作製した。なお、上記剪断加工に際して割れは生じなかった。
【００３５】
【表１】

【００３６】
次いで、前記の試験片を９４０℃に加熱して１２分保持した後、冷却媒体に油を用いて焼入れ処理を施した。
【００３７】
上記焼入れ処理後の試験片について、焼入れしたままでの表面硬さ（ブリネル硬さＨＢ）の測定を行なった。
【００３８】
又、前記焼入れ処理後の試験片にショットブラスト処理を施し、その表面肌を目視でチェックし、既に述べた方法で表面肌評価指数を求めた。
【００３９】
なお、常温でのポンチ加工による孔あけ加工はいずれの場合も問題なく実施できた。
【００４０】
表２に、上記各種の調査結果を示す。なお、表２における表面硬さ（ＨＢ）欄には測定した５点の平均値を示したが、硬さのばらつき（△ＨＢ）は１３と小さいものであった。
【００４１】
【表２】

【００４２】
表２から、化学成分が本発明で規定する範囲内にあって、しかもτの値が４．１〜５．２を満たす本発明例の鋼を用いた試験番号２〜１０の場合には、焼入れのままでＨＢ５３８以上の表面硬さと脱スケール処理後の表面肌評価指数２以下という所望の特性が得られており、したがって、良好な耐へたり性と被膜塗装後の優れた表面光沢を確保できることが明らかである。なお、冷間加工性に問題がなかったことは既に述べたとおりである。
【００４３】
これに対して、試験番号１及び１１〜１５の場合は、焼入れままの表面硬さ、脱スケール処理後の表面肌評価指数のいずれかにおいて劣っている。
【００４４】
すなわち、試験番号１の場合はτの値が４．０２と低いために、焼入れままの表面硬さはＨＢ５３４と低い。
【００４５】
試験番号１１の場合は、Ｃの含有量が０．３８％と低く、しかもτの値も３．４５と低いために、焼入れままの表面硬さはＨＢ５２１と低い。
【００４６】
試験番号１２の場合は、Ｓの含有量が０．０２１％と高く、しかもτの値も５．４１と高いために、脱スケール処理後の表面肌評価指数は５と極めて劣る。
【００４７】
試験番号１３の場合は、Ｍｎの含有量が０．５９％と低く、しかもτの値も３．７７と低いために、焼入れままの表面硬さはＨＢ５３５と低い。
【００４８】
試験番号１４の場合は、Ｃ〜Ｓの各元素の含有量は本発明で規定する範囲であるが、τの値が５．７６と高いために、脱スケール処理後の表面肌評価指数は３であった。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の平鋼ばね用鋼は、剪断加工による所定寸法への切断及び孔あけ加工といった冷間加工性に優れ、更に、焼入れままで硬さばらつきが小さく安定してＨＢ５３８以上が得られ、脱スケール処理後の表面肌評価指数も２以下と良好であるため、耐へたり性と被膜塗装後の表面光沢に優れ、したがって、平鋼ばねの素材、なかでも厚さが１０ｍｍ程度以下の薄い平鋼ばねの素材として用いることができる。
【００５０】
なお、本発明の平鋼ばね用鋼は、厚さ１０ｍｍ程度以上の平鋼ばね用用鋼としても十分に使用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】焼入れしたままでの表面硬さ（ＨＢ）と▲１▼式で表されるτの値との相関を示す図である。
【図２】焼入れ後に脱スケール処理としてショットブラスト処理を施した後の表面肌評価指数と▲１▼式で表されるτの値との相関を示す図である。

Claims

質量％で、Ｃ：０．４０〜０．７５％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：０．６〜１．２％、Ｃｒ：０．６〜１．２％、Ａｌ：０．０１〜０．１０％、Ｃｕ：０．０１〜０．４％、Ｎｉ：０．０２〜０．４％及びＮ：０．０１５％以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなり、不純物中のＰは０．０２５％以下、Ｓは０．００９％以下で、且つ下記▲１▼式で表されるτが４．１〜５．２である平鋼ばね用鋼。
τ＝０．０３９｛１１．６９Ｃ×（１＋０．６４Ｓｉ）×（１＋４．１０Ｍｎ）×（１＋２．３３Ｃｒ）｝＋１００Ｓ・・・▲１▼、
ここで、▲１▼式中の元素記号はその元素の質量％での含有量を表す。