JP3896902B2

JP3896902B2 - 腐食疲労強度に優れた高強度ばね鋼

Info

Publication number: JP3896902B2
Application number: JP2002166201A
Authority: JP
Inventors: 和良木村; 利光木村
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2002-06-06
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2022-06-06
Also published as: JP2004010965A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はばね鋼に関し、特に腐食疲労強度に優れた高強度ばね鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年自動車の燃費の向上が強く求められており、これに伴って自動車の軽量化が求められている。
その一環として、自動車における懸架ばね等の軽量化が求められており、そのための対策が各種講じられている。
【０００３】
ここで懸架ばね等の軽量化を達成するためには、ばねの細径化，巻数減等を実現することが必要であるが、その場合ばねにかかる負荷応力が増大する。
従来、この種懸架ばね等のための材料としてＳＵＰ７が代表的な材料として用いられているが、負荷応力の増大に伴ってばね鋼の強度を更に高める必要がある。
【０００４】
そこでばね鋼のC含有量を高めることにより高強度化は達成できるが、この場合C含有量を高めたことによって腐食疲労強度が低下する問題を生ずる。
この種ばね鋼においては耐食性、特に耐孔食性を低下させないことが重要であるが、C含有量を高めるとその耐食性が低下してしまう。
一方C含有量を低めると、高強度化が実現できないのに加えて、耐へたり特性も劣化してしまう。
【０００５】
この場合Si含有量を高めることで耐へたり特性を改善することができるが、Si含有量を多くすると製造工程でフェライト脱炭が生じ易くなる。
而してフェライト脱炭が生じるとばね鋼としての強度に悪影響を与え、また製造性が悪化する外、大気中での疲労特性（大気疲労特性）も劣化する問題を生ずる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の腐食疲労強度に優れた高強度ばね鋼はこのような課題を解決するために案出されたものである。
而して請求項１のものは、ばね鋼の組成を重量％で、C：0.38〜0.48％，Si：1.6〜2.8％，Si／C：≧4.0，Mn：0.6〜1.2％，P：≦0.015％，S：≦0.005％，Cu：0.15〜0.45％，Ni：0.05〜0.30％，Cu＋Ni：≧0.20％，Cr：0.10〜0.30％，O：≦0.0012％，残部 Fe 及び不可避的不純物から成る組成とすることを特徴とする。
【０００７】
また請求項２のものは、請求項１において、更にV，Nb，Ti，Alの１種若しくは２種以上を重量％で以下の範囲、V：≦0.20％，Nb：0.020〜0.050％，Ti：0.030〜0.070％，Al：0.010〜0.040％で含有し且つN：≦0.012％，B：0.0005〜0.0030％であることを特徴とする。
【０００８】
【作用及び発明の効果】
以上のような本発明は、C含有量を0.48％以下としてC含有量を低減する一方、Si含有量を1.6〜2.8％に調整して、C含有量を低減することによる耐へたり特性の低下をSi含有量の調整によって改善し、所望の耐へたり特性を確保するようにしたものである。
【０００９】
但し本発明ではSi／Cの比率が重要で、このSi／C比が4.0未満であるとC含有量を0.48％以下に低減しても十分な腐食疲労強度が得られず、また耐へたり特性も所望の特性が得られない。
【００１０】
本発明では、C含有量の低減によって腐食疲労強度を高め、またSiの含有量を調整することで耐へたり特性を高めるものであるが、Siの含有量が多くなると前述したフェライト脱炭が生じ易くなる。
そこで本発明では脱炭抑制成分としてCu＋Niを所定量添加する。
【００１１】
以上によって本発明によれば、高強度で腐食疲労強度も強く、また耐へたり特性も良好で、フェライト脱炭も抑制されて製造性が良好なばね鋼を得ることができる。
【００１２】
本発明においてはまた、必要に応じてV，Nb，Ti，Al，N，Bを含有させることができ、これによってばね鋼の特性を更に良好となすことができる。
【００１３】
次に本発明における各化学成分の限定理由を以下に詳述する。
C：0.38〜0.48％
Cは0.38％未満では所望のばね強度が得られないため0.38％以上とする。
一方0.48％を超えると焼入れ焼戻し後の靭性が低下し腐食疲労強度，耐遅れ破壊性が劣化する。また0.48％を超えると圧延後の硬さが硬くなり過ぎ製造性を低下させる。そこで本発明では0.48％を上限とする。
【００１４】
Si：1.6〜2.8％
Siは1.6％未満ではばねとして必要な強度及び耐へたり特性を確保できないため1.6％以上とする。
一方2.8％以下としたのは脆化を防止するためであり、また表層部脱炭に伴う被削性及び加工性の劣化を防止するために2.8％を上限とする。
【００１５】
Mn：0.6〜1.2％
Mnは脱酸及びSによる害を阻止し、また焼入れ性も確保し強度低下を防ぐため、0.6％以上とする。
一方1.2％以下としたのは、脆化及び加工性の劣化を防止するためである。
【００１６】
P：≦0.015％
Pは結晶粒界に偏析し結晶粒界を脆弱化させ、遅れ破壊を生じさせるため0.015％以下とする。
【００１７】
S：≦0.005％
Sは鋼中に存在するとMnSの介在物の形態をとり、大気疲労特性及び腐食疲労強度を低下させるため極力低減させることが望ましい。従って影響を軽減させるため上限を0.005％とする。
【００１８】
Cu：0.15〜0.45％
Cuは耐食性を高める上で有効であり、またフェライト脱炭の抑制にも有効であるため0.15％以上添加し、耐食性の向上効果と脱炭抑制効果とを得る。
一方0.45％より多く添加すると熱間加工性が損なわれるため上限を0.45％とする。
【００１９】
Ni：0.05〜0.30％
Niは耐食性を高める上で有効であり、またフェライト脱炭の抑制にも有効であるため0.05％以上添加し、耐食性の向上効果と脱炭抑制効果とを得る。
一方0.30％より多く添加するとコストが高くなるため、上限を0.30％とする。
またCuとNiとを複合（Cu＋Ni≧0.20％）して加えることによりフェライト脱炭を抑制し、本発明の意図した効果が得られるばかりでなく、遅れ破壊強度劣化を抑制する効果も得られる。
【００２０】
Cr：0.10〜0.30％
Crは焼入れ性の調整に有効であるが、0.10％未満では焼入れ性の向上効果が得られないため0.10％以上とする。
一方0.30％を超えると圧延後に硬くなり過ぎ、加工性を損なうため上限を0.30％とする。
【００２１】
O：≦0.0012％
Oを多量に含有すると酸化物系の介在物が発生し、大気疲労特性及び腐食疲労強度を低下させるため上限を0.0012％とする。
【００２２】
V：≦0.20％
Vは結晶粒微細化に有効であり、析出硬化に寄与し耐へたり特性を向上させる。但しVの炭化物は鋼表面で局部電極となり腐食ピットを形成し、亀裂破壊の起点となるため0.20％以下とする。また0.20％を超えると圧延後に硬くなり過ぎ加工性を損なう。
【００２３】
Nb：0.020〜0.050％
Nbは結晶粒微細化に有効であり、析出硬化に寄与し耐へたり特性を向上させる。結晶粒を微細にし、耐へたり特性を向上させるため0.020％以上含有させる。
一方0.050％を超えるとその効果は飽和するだけでなく、熱間及び冷間加工性を低下させるため、上限を0.050％とする。
【００２４】
Ti：0.030〜0.070％
Al：0.010〜0.040％
Nbと同様、Ti，Alは結晶粒微細化に有効であり、析出硬化に寄与し耐へたり特性を向上させる。結晶粒を微細にし、耐へたり特性を向上させるためTiは0.030％以上、Alは0.010％以上含有させる。
一方Tiは0.070％、Alは0.040％を超えるとその効果は飽和するだけでなく、熱間及び冷間加工性を低下させるため、上限をそれぞれTiは0.070％，Alは0.040％とする。
尚酸化物系の介在物を生成するため、酸素（O）を１２ｐｐｍ以下とするのが望ましい。
【００２５】
N：≦0.012％
NはTiN系の介在物を生成し、鋼の大気疲労特性及び腐食疲労強度を低下させるため0.012％以下とする。
【００２６】
B：0.0005〜0.0030％
Bは鋼の結晶粒界に優先析出し、P，Sの結晶粒偏析を防止し遅れ破壊強度を向上させる。この効果を得るためには0.0005％以上が必要である。
一方0.0030％を超えると結晶粒界にB構成物を形成し、焼入れ性を低減させ靭性を損なうため、上限を0.0030％とする。
【００２７】
【実施例】
次に本発明の実施例を以下に具体的に詳述する。
表１に示す化学組成の鋼を溶製して腐食疲労強度試験用，耐へたり特性測定用，脱炭測定用の各試験体を製造した（表中比較例No.３３はＳＵＰ７）。
尚、腐食疲労強度試験用の試験体は実体ばねとし、以下の条件で且つ以下の形状で製造した。
【００２８】
圧延により製造した素材から線径１２．５ｍｍまで伸線加工し、その後熱間にて下記形状のコイルばねを成形した。
線径：１２．５ｍｍ
コイル径：１１０．０ｍｍ
自由高さ：３８２ｍｍ
有効巻き数：５．３９巻
そしてばね成形後、各コイルばねの硬さがＨＲＣ５２となるように焼入れ焼戻し処理を施し、更に疲労強度を向上させるためにショットピーニング及び耐へたり特性を確保するためにセッチングを施して実体ばねを製造し、試験体とした。
【００２９】
【表１】

【００３０】
また腐食疲労強度試験は以下に示すように塩水噴霧，大気中加振，恒温恒湿槽放置を順に行ってこれを１サイクルとし、そしてこれを繰り返して試験体が破断した時点の大気中加振回数の合計を求めて評価を行った。
但し評価は表１の従来鋼の大気中加振回数を1.0として、これに対する比率で表した。
【００３１】
＜腐食疲労強度試験＞
▲１▼塩水噴霧
（５％NaCl，３５℃×３０ｍｉｎ）
↓
▲２▼大気中加振
（３０００回，３０ｍｉｎ）
↓
▲３▼恒温恒湿槽放置
（２６℃，９５％×２３ｈｒ）
【００３２】
一方耐へたり特性（残留剪断歪み）の測定は、図１（Ｂ）に示す試験体１０を以下の条件で製造し、これを図１（Ａ）に示す重錘式捩りクリープ試験機１２を用いて測定することにより行った。
【００３３】
直径２０ｍｍの棒材から、図１（Ｂ）に示す形状の試験体１０を切り出し、試験体の硬さがＨＲＣ５２となるように焼入れ焼戻し処理を施して、試験体１０とした。
【００３４】
即ち８０℃の温度条件の下でアーム１４の基端に試験体１０の一端を固定する一方、アーム１４の先端に重錘１６を吊り下げ、７２時間後のアーム１４の先端の変位をダイヤルゲージ１８で計測することにより行った。
尚図中２０は試験片保持台であり、２２はジャッキである。
【００３５】
また表層部脱炭（フェライト脱炭）の測定は、次の条件で製造した試験体について、以下のようにＥＰＭＡ装置で線分析を行い評価した。
【００３６】
圧延用素材を加熱温度１２００℃，終止温度９５０℃，圧延後の冷却速度１℃／ｓｅｃの条件にて直径１３ｍｍの線材に圧延し、そしてこれよりサンプルを切り出して試験体とした。
そしてその横断面を鏡面研磨し、表層部分のC濃度分布をＥＰＭＡ装置にて測定した。
【００３７】
これらの結果が表１及び図２〜図４に併せて示してある。
尚、図２は表１で得られた結果に基づいてC量或いはSi／C比と腐食疲労強度比との関係を、図３は同じく表１で得られた結果に基づいてSi含有量或いはSi／C比と耐へたり特性（残留剪断歪み）との関係を、更に図４はCu＋Ni含有量と脱炭深さとの関係をそれぞれ表したものである。
【００３８】
図２（Ａ）及び表１に表れているように、C量については本発明の上限値である0.48％超では腐食疲労強度比が1.0より低く、腐食疲労強度が低下するのに対し、C量を0.48％以下に抑えることで、腐食疲労強度比が目標値である1.0以上となり、腐食疲労強度が良好であることが分る。
【００３９】
但し図２（Ｂ）に表れているように、Si／C比が4.0より小さいと腐食疲労強度比は1.0よりも小さく十分でないこと、逆にSi／C比を4.0以上にすることで腐食疲労強度比が1.0以上となり、腐食疲労強度が良好となることが分る。
【００４０】
一方耐へたり特性については、図３（Ａ）からSi含有量を本発明の下限値である1.6％以上とすることで1.0×10^−３よりも良好となること、更にこの場合においてもSi／C比が重要で（(Ｂ)参照）、Si／C比を4.0以上とすることで、耐へたり特性が良好となることが分る。
【００４１】
図４は脱炭深さに対するCu＋Ni含有量の影響を示したもので、この図４に表れているように、Cu＋Ni含有量を多くすることで脱炭深さは小さくなっている。即ちフェライト脱炭が抑制される傾向にあることが分る。
【００４２】
但しSi含有量が本発明の上限値である2.8％よりも多い3.0％のものの場合、Cu＋Ni含有量の増加につれて脱炭深さは小さくなっているものの、全体のレベルは従来鋼のもの（48μｍ）に比べて脱炭深さが深く、不十分なものとなっている。
【００４３】
これに対しSi含有量が本発明の範囲内にあるものについては、Cu＋Ni含有量を0.20％以上とすることで脱炭深さが従来鋼のそれに比べて小さく、またその脱炭深さはCu＋Ni含有量を0.20％よりも多くしてもその効果はほぼ0.20％で飽和し、Cu＋Ni含有量が0.20％以上の範囲内で脱炭深さが何れも良好な値を示していることが分る。
【００４４】
また表１の発明例No.１９〜２３に示しているように、V，Nb，Ti，Al，N，B等を本発明の範囲内で含有させることで、ばね鋼として必要な良好な特性が得られることが分る。
【００４５】
以上本発明の実施例を詳述したがこれはあくまで一例示であり、本発明はその主旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のばね鋼の耐へたり特性の測定に用いた試験機を試験体とともに示す説明図である。
【図２】本発明の実施例において得られたC含有量，Si／C比と腐食疲労強度比との関係を表した図である。
【図３】本発明の実施例において得られたSi含有量，Si／C比と残留剪断歪みとの関係を表した図である。
【図４】本発明の実施例において得られたCu＋Ni含有量と脱炭深さとの関係を表した図である。

Claims

重量％で、
C ：0.38〜0.48％
Si：1.6〜2.8％
Si／C：≧4.0
Mn：0.6〜1.2％
P ：≦0.015％
S ：≦0.005％
Cu：0.15〜0.45％
Ni：0.05〜0.30％
Cu＋Ni：≧0.20％
Cr：0.10〜0.30％
O ：≦0.0012％
残部 Fe 及び不可避的不純物から成ることを特徴とする腐食疲労強度に優れた高強度ばね鋼。
請求項１において、更にV，Nb，Ti，Alの１種若しくは２種以上を重量％で以下の範囲
V ：≦0.20％
Nb：0.020〜0.050％
Ti：0.030〜0.070％
Al：0.010〜0.040％
で含有し且つ
N ：≦0.012％
B ：0.0005〜0.0030％
であることを特徴とする腐食疲労強度に優れた高強度ばね鋼。