JP4159011B2

JP4159011B2 - ばね鋼およびその製造方法

Info

Publication number: JP4159011B2
Application number: JP2000064449A
Authority: JP
Inventors: 彰丹下; 充弘杉山
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2000-03-09
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2020-03-09
Also published as: JP2001254145A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば車両の懸架装置を構成するコイルばねや板ばね等に用いられるばね鋼およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車産業においては、燃費向上のために各種パーツの軽量化が常に課題となっているが、近年では、省エネルギー、省資源、低公害等の見地から、その要求が益々高まっている。このような背景から、上記懸架装置の各種ばねにも軽量化が求められており、そのための手段としては、材料の強度を向上させることが有効である。ところが、ばね鋼の強度向上を図るために硬さを上げると、応力腐食割れや腐食疲労強度の低下が生じ、ばねの早期折損を招くおそれがある。これは、腐食しやすい環境に曝される懸架装置のばねにとっては顕著な問題である。そこで従来では、耐腐食性を補う特性を有する種々の元素（例えばＮｉ，Ｃｒ）を添加して、強度と耐久性の相反する特性を向上させていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、耐腐食性を補う元素の添加は、添加量が例え微量であってもコストの上昇を招くことになる。そのようなばね鋼は、コストダウンの傾向が目覚ましい昨今の市場の要求に適合しにくく、実用的に不利であることは否めなかった。
よって本発明は、コストの上昇を招くことなく、強度の確保および腐食疲労寿命の向上を図ることのできるばね鋼およびその製造方法を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明のばね鋼は、表面から０．０１ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下の表層部に、初析フェライトとソルバイトとの混合組織を主体とし最表面の炭素濃度が母材内部の炭素濃度の０．２５〜０．７５倍となる脱炭層が形成されていることを特徴としている。本発明では、表層部が炭素濃度の低い脱炭層であることにより表面の硬さが比較的低くなっており、その結果、腐食疲労寿命が向上する。
【０００５】
本発明のばね鋼の製造方法は、上記本発明のばね鋼を好適に製造する方法であって、焼入れ、焼戻しの工程を経てばね鋼を得るにあたり、ばね鋼をＡ _３点以上の温度に加熱することにより、ばね鋼の表面から０．０１ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下の表層部を、最表面の炭素濃度が母材内部の炭素濃度の０．２５〜０．７５倍となるように脱炭して脱炭層を形成し、これによって該脱炭層のＡ _３点を上昇させて該脱炭層の温度をＡ _３点未満とし、これによって該脱炭層のオーステナイトに初析フェライトを析出させ、次いでばね鋼を焼入れして上記オーステナイトをマルテンサイトに変態させ、次いで、ばね鋼を焼戻しして上記マルテンサイトをソルバイトに変態させることを特徴としている。
【０００６】
一般に、焼入れ前に材料を加熱すると、表層部は脱炭により炭素濃度が低下する。このことは、表層部のＡ_３点を上昇させる。一方、内部（母材）は脱炭の影響がなくＡ_３点は表面より低いままである。焼入れ時に同一の冷却速度であってもＡ_３点が高い場合は初析フェライトが生じやすくなる。そこで、表面から０．０１ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下の表層部を母材の０．２５〜０．９倍の炭素濃度とすることで、表層部の一部に初析フェライトが生じやすくなる。焼入れによっても初析フェライトはマルテンサイト変態しない。次の焼戻し工程では、脱炭層中のマルテンサイトがソルバイトに変態し、これら初析フェライトとソルバイトとの混合組織を主体とする脱炭層が形成される。すなわち、本発明のばね鋼を得ることができる。脱炭層の深さは、この混合組織、もしくは、この混合組織層と表面側に積層したフェライト脱炭層とからなる全脱炭層をもってその深さとされる。材料は焼戻しにより炭化物が微細に析出して組織が安定化するとともに、靱性が向上する。本発明のばね鋼の製造方法によれば、通常行われる焼入れ、焼戻しの工程によって耐腐食性を付与することができるので、コストの上昇を招くことがない。その結果、市場の要求に適合した安価なばね鋼を提供することができる。
【０００７】
上記のように、本発明は、表層部に脱炭層を形成することによりばね鋼の表面硬さを比較的低くし、これにより、切欠き感受性の低下、ひいては腐食疲労寿命の向上を図るものである。この効果が十分に引き出され、かつ大気耐久性や耐へたり性等が確保され得る脱炭層の深さは、上記範囲の中で、ばね鋼の直径１．５％以下、または０．２０ｍｍ以下が好ましい。さらに、脱炭層の炭素濃度は、母材の炭素濃度の０．２５〜０．９倍が好ましい。さらに、上記フェライト脱炭層はできるだけ浅いか、もしくは存在しないことが望ましいが、存在する場合には、０．０４ｍｍ以下の深さが望ましい。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
表１に示すＡ，Ｂの組成を有するばね鋼の材料（鋼線）を、加熱炉でＡ_３点以上の温度（γ域）に加熱し、その温度域を保持しつつコイルばねに成形した。次いで、油焼入れ、焼戻しを行い、Ａ組成で熱処理条件の異なる４種類のコイルばねＡ−１，Ａ−２，Ａ−３，Ａ−４と、Ｂ組成で熱処理条件の異なる２種類のコイルばねＢ−１，Ｂ−２を得た。これらコイルばねの諸元を、表２に示す。コイルばねＡ−１，Ｂ−１は、油焼入れ温度（油に投入する際の温度）がＡ_３点以上の通常のオイルテンパー線であり、本発明の製造方法から逸脱する比較例である。一方、コイルばねＡ−２〜Ａ−４、Ｂ−２は、表面の油焼入れ温度がＡ_３点未満の本発明に係る実施例である。
【０００９】
【表１】

【００１０】
【表２】

【００１１】
各コイルばねＡ−１〜Ａ−４、Ｂ−１，Ｂ−２につき、以下の観察ないしは試験を行った。
Ａ．金属組織観察
表面から内部にわたる内部組織を光学顕微鏡で調べた。図１〜図４は、コイルばねＡ−１〜Ａ−４の顕微鏡写真であり、これら図で（ａ）は表層部に形成された脱炭層がもっとも深い部分を、また、（ｂ）は脱炭層がもっとも浅い部分の断面を示している。なお、Ａ−１については脱炭層が形成されていないため、任意の２箇所を示している。
【００１２】
Ｂ．脱炭層の深さおよび炭素濃度
コイルばねＡ−１〜Ａ−４、Ｂ−１，Ｂ−２につき、顕微鏡写真から表層部の低炭素成分層すなわち脱炭層の深さを求め、さらにその脱炭層の炭素濃度を調べた。その結果を、表３に示す。
【００１３】
【表３】

【００１４】
Ｃ．硬さ
コイルばねＡ−１〜Ａ−４につき、深さにしたがった内部硬さ（Ｈｖ）分布を測定した。その結果を、図５に示す。
【００１５】
Ｄ．耐久性試験
コイルばねＡ−１〜Ａ−４、Ｂ−１，Ｂ−２につき、次の耐久性試験を行った。コイルばねの表面全面に、塩水（５％ＮａＣｌ水溶液）を３０分噴霧する。次いで、加振圧力が７３５±４４１ＭＰａの加振を大気下で連続して３０００回行う。次いで、温度２６℃、湿度９５％の恒温恒湿層の中に２３時間放置する。このサイクルを１日で完了するものとし、各コイルばねにつき２本ずつ行って２本が折損するまで繰り返した。折損するまでの加振回数と、寿命向上率（通常のオイルテンパー線であるコイルばねＡ−１の折損回数に対する向上率）を表４に示す。
【００１６】
【表４】

【００１７】
Ｅ．腐食ピットの観察
コイルばねＡ−１，Ａ−４につき、上記耐久性試験後の折損部近傍の断面を光学顕微鏡で観察した。それぞれの顕微鏡写真を、図６（ａ），（ｂ）に示す。
【００１８】
次に、上記各試験の結果に対する評価を述べる。
図１〜図４に示した顕微鏡写真ならびに表２で明らかなように、本発明の焼入れ方法を採用したコイルばね（Ａ−２〜Ａ−４，Ｂ−２）の表層部には脱炭層が形成され、一方、従来の熱処理を施したコイルばね（Ａ−１，Ｂ−１）の表層部には顕著な脱炭層は形成されなかった。本発明に係るコイルばねＡ−２〜Ａ−４を例にとると、Ａ−２では深さ０．０３ｍｍまでの全脱炭層が形成され、Ａ−３では深さ０．０１〜０．０５ｍｍの全脱炭層が形成された。この全脱炭層は、図７のさらに拡大した顕微鏡写真で明らかなように、マルテンサイトが変態したソルバイト（灰色部分）中に初析フェライト（白い部分）が分散した混合組織であることが認められた。また、Ａ−４では深さ０．０３〜０．１０ｍｍの全脱炭層が形成され、さらに表面側にはフェライト脱炭層が認められた。フェライト脱炭層以外の脱炭層は、初析フェライトとソルバイトとの混合組織である。
【００１９】
次に、図５によれば、本発明に係るコイルばねＡ−２〜Ａ−４は、脱炭層が形成されていないＡ−１と比較すると、表層部の硬さが低く、したがって切欠き感受性が低下して腐食疲労寿命の向上が図られていることが想定される。図６（ａ）に示すように、表層部の硬さが比較的高いコイルばねＡ−１は、折損の起点となる腐食ピットが深く生成しているのに比べ、図６（ｂ）に示すように、表層部の硬さが比較的低いコイルばねＡ−４では、腐食ピットが滑らかになるとともに深いピットが生成しにくくなっている。したがって、本発明の熱処理方法により、表層部の硬さが低下するに伴い切欠き感受性が低下することが判る。また、深さが０．０８ｍｍに至ると硬さはほぼ同等となり、強度が十分に確保されることが認められた。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のばね鋼によれば、強度が確保されつつ腐食疲労寿命の向上を図ることができる。また、本発明のばね鋼の製造方法によれば、腐食疲労寿命が向上したばね鋼を安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ），（ｂ）は、ともに比較例に係るコイルばねの表層部の内部組織を示す顕微鏡写真である。
【図２】本発明の製造方法により製造された実施例に係るコイルばねの表層部の内部組織を示す顕微鏡写真であって、（ａ）は脱炭層がもっとも深い部分、（ｂ）は脱炭層がもっとも浅い部分を示している。
【図３】本発明の製造方法により製造された他の実施例に係るコイルばねの表層部の内部組織を示す顕微鏡写真であって、（ａ）は脱炭層がもっとも深い部分、（ｂ）は脱炭層がもっとも浅い部分を示している。
【図４】本発明の製造方法により製造されたさらに他の実施例に係るコイルばねの表層部の内部組織を示す顕微鏡写真であって、（ａ）は脱炭層がもっとも深い部分、（ｂ）は脱炭層がもっとも浅い部分を示している。
【図５】本発明の実施例および比較例に係るコイルばねの内部硬さ分布を示す線図である。
【図６】腐食ピットを示す顕微鏡写真であって、（ａ）は比較例、（ｂ）は実施例である。
【図７】本発明に係る脱炭層の混合組織を示す顕微鏡写真である。

Claims

表面から０．０１ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下の表層部に、初析フェライトとソルバイトとの混合組織を主体とし最表面の炭素濃度が母材内部の炭素濃度の０．２５〜０．７５倍となる脱炭層が形成されていることを特徴とするばね鋼。
焼入れ、焼戻しの工程を経てばね鋼を得るにあたり、ばね鋼をＡ _３点以上の温度に加熱することにより、ばね鋼の表面から０．０１ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下の表層部を、最表面の炭素濃度が母材内部の炭素濃度の０．２５〜０．７５倍となるように脱炭して脱炭層を形成し、これによって該脱炭層のＡ _３点を上昇させて該脱炭層の温度をＡ _３点未満とし、これによって該脱炭層のオーステナイトに初析フェライトを析出させ、次いでばね鋼を焼入れして上記オーステナイトをマルテンサイトに変態させ、次いで、ばね鋼を焼戻しして上記マルテンサイトをソルバイトに変態させることを特徴とするばね鋼の製造方法。
前記脱炭層の表層部に形成されるフェライト組織のフェライト脱炭層の厚さが０〜０．０４ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のばね鋼。