JP3763573B2 - 焼入れ性と耐孔食性を改善したばね用鋼 - Google Patents

焼入れ性と耐孔食性を改善したばね用鋼 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、懸架用ばね、板ばね等自動車、並びに各種産業機械等々において使用されるばねにおいて、腐食環境下でも引張強度１７００ＭＰａ以上の高強度と衝撃値４０Ｊ／ｃｍ２以上の高靱性を合わせ持つ焼入れ性と耐孔食性を改善したばね用鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、懸架用ばねや板ばね等自動車並びに各種産業機械において使用されるばね鋼はＪＩＳにおけるＳＵＰ１１、ＳＵＰ１０、ＳＵＰ９、ＳＵＰ６及びそれらの相当する鋼が主であったが、近年の自動車の軽量化志向は懸架装置であるばね自体の軽量化に対する要求を強めている。
このための設計応力の上昇とそれに対応できる高応力ばね鋼の開発が望まれてきた。その中で、特に直径３０ｍｍ以上の太径懸架ばね又は板厚が３０ｍｍ以上の厚い板ばねにおいては、更に硬さをあげる必要があり、そのため衝撃値の低下を招きばねの折損に結びつくことが考えられる。又、ばねの高応力化は、腐食環境での孔食を起点とした疲労強度や水素脆化割れに対する感受性を増加させることが知られている。
更に、ばね鋼の疲労寿命の向上から耐水素脆性を防止する鋼も種々存在するが（例えば特許文献１参照）本発明のように、高応力、高靱性を兼ね備えている鋼は未だ開発されていない。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２３４２７７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の従来技術に鑑み、直径３０ｍｍ以上の大径懸架ばね又は板厚が３０ｍｍ以上の厚さの板ばねであっても、焼入れ性に優れ、腐食環境下で孔食発生を抑制し、しかも高強度、高靱性を達成することができるばね鋼を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は下記（１）〜（３）の構成よりなる。
（１）質量％で、Ｃ：０．４０〜０．７０％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．６０〜１．００％、Ｃｒ：１．００〜２．００％、Ｎｂ：０．０１０〜０．０５０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．００４５〜０．０１００％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｂ：０．０００５〜０．００６０％含有し、更にＰ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１０％以下に制限し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、焼入れ後４００℃焼戻しにおける引張強さが１７００ＭＰａ以上、ＪＩＳ３号２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が４０Ｊ／ｃｍ２以上を有し、係数（Ｆｃｅ＝Ｃ％＋０．１５Ｍｎ％＋０．４１Ｎｉ％＋０．８３Ｃｒ％＋０．２２Ｍｏ％＋０．６３Ｃｕ％＋０．４０Ｖ％＋１．３６Ｓｂ％＋１２１Ｂ％）が１．７０以上とすることを特徴とする焼入れ性と耐孔食性を改善したばね用鋼。
【０００６】
（２）更に質量％で、Ｍｏ：０．０５〜０．６０％、Ｖ：０．０５〜０．４０％の１種又は２種添加してなる前記（１）に記載の焼入れ性と耐孔食性を改善したばね用鋼。
（３）更に質量％で、Ｎｉ：０．０５〜０．３０％、Ｃｕ：０．１０〜０．５０％、Ｓｂ：０．００５〜０．０５％の１種又は２種以上添加してなる前記（１）又は（２）に記載の焼入れ性と耐孔食性を改善したばね用鋼。
【０００７】
本発明における成分の限定理由は次のとおりである。％は質量％である。
Ｃ：Ｃは鋼の強度を高めるのに有効な元素であるが、０．４０％未満ではばね鋼としての必要な強度を得ることが出来ず、０．７０％を超えるとばねが脆くなり過ぎるので０．４０〜０．７０％の範囲とした。
Ｓｉ：Ｓｉは脱酸元素として重要であり充分な脱酸効果を得る為には、少なくとも０．０５％以上必要であるが０．５０％を超えると靭性値の低下が著しいから０．０５〜０．５０％の範囲とした。
【０００８】
Ｍｎ：Ｍｎは鋼の焼入性を向上させるのに有効な元素であり、ばね鋼の強度と焼入れ性の両面から少なくとも０．６０％を超えて必要であるが、１．００％を超えると靭性を阻害するため、その範囲を０．６０〜１．００％とした。
Ｃｒ：Ｃｒは耐孔食性を向上させると共に鋼の強度を高めるのに有効な元素であるが、１．００％未満では必要な強度を得ることができず、２．００％を超えると靭性が劣化するので、その範囲を１．００〜２．００％とした。
Ｎｂ：Ｎｂは結晶粒の微細化及び微細炭化物の析出により鋼の強度と靭性を高める元素であるが、０．０１０％未満ではその効果を十分に期待することができず、また、０．０５０％を超えるとオーステナイト中に溶解されない炭化物が増加し、ばね特性を劣化させるためその範囲を０．０１０〜０．０５０％とした。
【０００９】
Ａｌ：Ａｌは脱酸剤及びオーステナイト結晶粒度の調整を図るために必要な元素であり０．００５％を下まわる場合には結晶粒の微細化が図れず、一方、０．０５０％を超える場合には鋳造性を低下させ易くなるから、その範囲を０．００５〜０．０５０％とした。
Ｎ：ＮはＡｌとＮｂと結合してＡｌＮ、ＮｂＮを形成して、オ−ステナイト結晶粒度の微細化に効果のある元素であり、その微細化を介して、靭性向上に寄与する。その効果を発揮するには、少なくとも０．００４５％以上必要である。しかし、Ｂを添加し、焼入性の向上を図るためには出来るだけ少ない方が良く、かつ、その過剰な添加は凝固時の鋼塊表面での気泡の発生や鋼材の鋳造性の劣化を招く。これを回避するためには上限を０．０１００％に規定する必要があるため、その範囲を０．００４５〜０．０１００％とした。
【００１０】
Ｔｉ：鋼中のＮが後述するＢと結合してＢＮを形成し、Ｂの耐孔食性向上、粒界強化、焼入性向上効果を劣化させることを防止するために添加する元素である。０．００５％未満ではその効果は十分に期待出来ない。又、多量に添加すると大型のＴｉＮを生成し疲労破壊の起点となる可能性があるために上限を０．０５０％とし、その範囲を０．００５〜０．０５０％とした。
Ｂ：Ｂは耐孔食性を向上させると共に、粒界付近に析出固溶して粒界を強化する。０．０００５％未満だとその効果は十分に期待出来ない。又、０．００６０％を超えて添加してもその効果は飽和すると共に、脆くなるためその範囲を０．０００５％〜０．００６０％とした。
【００１１】
Ｐ：オーステナイト粒界に析出して粒界を脆化することにより衝撃値を低下する元素であり０．０１５％を超えて含むとこのような弊害が顕著となるためその範囲を０．０１５％以下とした。
Ｓ：Ｓは鋼中ではＭｎＳの介在物として存在し、疲労寿命を低下させる要因となる。従って、介在物を減らすために上限を０．０１０％に限定する必要があるため、その範囲を０．０１０％以下とした。
【００１２】
請求項２は懸架用ばねの太さ又は板ばねの板厚が厚く、更に焼入れ性が要求される場合であって、Ｍｏ、Ｖの組成限定理由は下記の通りである。
Ｍｏ：Ｍｏは焼入性を確保し、鋼の強度と靭性を高める元素であるが、０．０５％未満ではそれらの効果を十分期待することができず０．６０％を超えると効果は飽和するので、その範囲を０．０５〜０．６０％とした
Ｖ：Ｖは鋼の強度又は焼入性を高める元素であるが、０．０５％未満ではそれらの効果を十分に期待することができず、また、０．４０％を超えるとオーステナイト中に溶解されない炭化物が増加し、ばね特性を劣化させるため、その範囲を０．０５〜０．４０％とした。
【００１３】
請求項３は耐食性の向上が更に要求される場合であって、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｂの組成限定理由は下記の通りである。
Ｎｉ：Ｎｉは鋼の耐食性を増すのに必要な元素であるが０．０５％未満ではそれらの効果を十分に期待することができないが高価なためその上限を０．３０％としその範囲を０．０５〜０．３０％とした。
Ｃｕ：Ｃｕは耐食性を増す成分でありその効果は０．１０％未満では効果が現れなく、０．５０％を超えると熱間圧延時割れ等の問題を生じるため、その範囲を０．１０〜０．５０％とした。
Ｓｂ：Ｓｂは耐食性を増す成分でありその効果は０．００５％未満では効果が現れなく、０．０５％を超えると靭性を低下するので、その範囲を０．００５〜０．０５０％とした。
【００１４】
本発明においては、焼入れ性と耐食性を増す成分としてＣ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｂ、Ｃｕ、Ｖ、Ｓｂを取り上げ効率的に焼入れ性と耐食性を増すためパラメーターＦｃｅ＝Ｃ％＋０．１５Ｍｎ％＋０．４１Ｎｉ％＋０．８３Ｃｒ％＋０．２２Ｍｏ％＋０．６３Ｃｕ％＋０．４０Ｖ％＋１．３６Ｓｂ％＋１２１Ｂ％を導入した。従って、本発明の孔食防止係数を用いることにより成分設計が容易に行えるようになった。
【００１５】
本発明は、上述の各元素の成分範囲をとることにより、焼入性に優れ、腐食環境下でも孔食発生を抑制し、しかも軽量で高応力、高靱性を達成することができるばね鋼を提供することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に具体的な実施例を挙げて、本発明を更に詳細に説明する。表１には本発明による開発鋼と、それと対比する為の比較鋼の実炉で溶製した化学成分を示す。これらの実炉鋼（電気炉）を、直径２０ｍｍの丸棒に圧延製造して、従来鋼との比較を行った。
【００１７】
【表１】
Figure 0003763573
【００１８】
これらの丸棒に下記の熱処理を行った後、引張および衝撃試験片を作成した。
＜試験片形状寸法＞
引張：ＪＩＳ３号（ｄ＝５ｍｍφ）
衝撃：ＪＩＳ４号
＜熱処理条件＞
焼入：９５０℃×２０分→油冷
焼戻し：４００℃×６０分→空冷
【００１９】
表２にこれらの試験結果を示した。表中のオーステナイト結晶粒度はA.G.S番号である。
【表２】
Figure 0003763573
【００２０】
表２の孔食電位を比較すると本発明鋼は比較鋼に比べて正の方向すなわち貴であることを示している。すなわち、本発明鋼は耐食性が比較鋼より優れていることを示す。
本発明鋼の焼入性については本発明鋼をＪＩＳＧ０５６１ジョミニー式一端焼入れ法に基づき、焼入性試験をした結果を表２に示す。焼入距離Ｊ３０ｍｍの比較においては比較鋼に比べて高い値を示し、特にＭｏ、Ｖ添加の本発明鋼２はＨＲＣ６０〜６２と非常に高い焼入性を示していることが観察された。
本発明鋼３のさらなる耐食性についての確認では、表２の孔食電位を比較するとＮｉ、Ｃｕ、Ｓｂ添加の本発明鋼３が本発明鋼１、２に比べて正の方向すなわち貴で有ることを示している。すなわち、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｂ添加の本発明鋼は耐食性が本発明鋼１、２より更に優れていることを示す。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の構成によるばね用鋼は、焼入性に優れ、腐食環境下で孔食発生を抑制し、高い引張強さと靱性を持ち、ばねの軽量化に寄与することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明鋼と比較鋼の引張強さと衝撃値の試験結果を示すグラフである。
【図２】分極曲線の孔食電位測定装置の説明図である。
【図３】孔食電位測定装置の測定例の模式図である。

Claims (3)

  1. 質量％で、Ｃ：０．４０〜０．７０％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０％、Ｍｎ：０．６０〜１．００％、Ｃｒ：１．００〜２．００％、Ｎｂ：０．０１０〜０．０５０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．００４
    ５〜０．０１００％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｂ：０．０００５〜０．００６０％含有し、更にＰ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１０％以下に制限し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、焼入れ後４００℃焼戻しにおける引張強さが１７００ＭＰａ以上、ＪＩＳ３号２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃値が４０Ｊ／ｃｍ2以上を有し、係数Ｆｃｅ＝Ｃ％＋０．１５Ｍｎ％＋０．４１Ｎｉ％＋０．８３Ｃｒ％＋０．２２Ｍｏ％＋０．６３Ｃｕ％＋０．４０Ｖ％＋１．３６Ｓｂ％＋１２１Ｂ％が１．７０以上とすることを特徴とする焼入れ性と耐孔食性を改善したばね用鋼。
  2. 更に質量％で、Ｍｏ：０．０５〜０．６０％、Ｖ：０．０５〜０．４０％の１種又は２種添加してなる請求項１に記載の焼入れ性と耐孔食性を改善したばね用鋼。
  3. 更に質量％で、Ｎｉ：０．０５〜０．３０％、Ｃｕ：０．１０〜０．５０％、Ｓｂ：０．００５〜０．０５％の１種又は２種以上添加してなる請求項１又は請求項２に記載の焼入れ性と耐孔食性を改善したばね用鋼。
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