JP4261760B2 - 耐水素疲労破壊特性に優れた高強度ばね用鋼およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等のエンジンの弁ばねや懸架ばね、スタビライザー、トーションバー等に用いられる1800MPa以上の引張強度を有し、かつ耐水素疲労特性に優れた高強度ばね用鋼及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ばねを製造するにあたっては、例えばJIS G 3560、3561及び4801等に規定されているばね用鋼を用いて熱間圧延した線材を、所定の線径まで引き抜き加工し、オイルテンパー処理後にばね加工する方法（冷間成形）、あるいは引き抜き加工後に加熱してばね加工し、焼入れ焼戻しを行う方法（熱間成形）等を採用するのが一般的である。近年、環境問題への対応のため炭酸ガス排出低減や燃費低減を目的に自動車の軽量化が望まれている。その一環として、焼入れ焼戻し後の引張強度を1800MPa以上に高めたばねが要望されている。しかしながら、一般にばねを高強度化すると、切欠き感受性が高まり環境の悪影響を受けやすくなる。特に腐食環境下では表面に腐食ピットが形成されるとこれが応力集中源となり、さらに腐食反応の進行に伴って発生する水素により脆化するため、疲労特性が劣化し早期折損を招くという問題があった。水素による脆化を防止する方法としては、結晶粒を微細化させる方法や、微細析出物を生成させる方法が考えられているが、いずれの方法も本発明者らの試験では大幅な耐水素疲労特性の改善には至っていない。
【０００３】
以上のように、従来の技術では、1800MPa以上の引張強度を有し、かつ耐水素疲労特性に優れた高強度ばねを製造することは困難であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような問題点を解決しようとするものであって、1800MPa以上の引張強度を有し、かつ耐水素疲労特性に優れた高強度ばね用鋼及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、まず焼入れ・焼戻し処理によって製造した種々の強度レベルのばね用鋼を用いて、水素疲労挙動を詳細に解析した。その結果、疲労限以下の応力で、疲労寿命が鋼材中の水素によって低下することを明らかにした。また、疲労寿命の低下は、外部環境から鋼材中に侵入し、鋼材中を室温で拡散しうる拡散性水素に起因して発生していることを明らかにした。拡散性水素は、鋼材を１００℃／ｈｏｕｒの速度で加熱した際に得られる温度-鋼材からの水素放出速度の曲線において、約１００℃の温度にピークを有する曲線として測定できる（図１）。従って、環境から侵入した水素を鋼材中の何らかの部分に捕捉することによって拡散しないようにすれば、水素を無害化することが可能になり、疲労寿命低下が抑制される。そこで、耐水素疲労特性について、水素疲労が発生しない「疲労限界拡散性水素量」を求めることにより評価した。この方法は、電解水素チャージにより種々のレベルの拡散性水素量を含有させた後、回転曲げ疲労試験中に試料から大気中に水素が抜けることを防止するためにＣｄめっきを施し、その後、大気中で所定の荷重を負荷し、疲労破壊が発生しなくなる拡散性水素量を評価するものである。図２に拡散性水素量と疲労寿命の関係について解析した一例を示す。試料中に含まれる拡散性水素量が少なくなるほど疲労寿命が長くなり、拡散性水素量がある値以下では疲労破壊が発生しなくなる。この水素量を「疲労限界拡散性水素量」と定義する。疲労限界拡散性水素量が高いほど鋼材の耐水素疲労特性は良好であり、鋼材の成分、熱処理等の製造条件によって決まる鋼材固有の値である。
【０００６】
本発明者らは、成分の異なる種々の素材に対して上記の疲労限界拡散性水素量を求める手法により耐水素疲労特性について研究を重ねた結果、（Ｍｏ，Ｖ）₂Ｃが水素トラップサイトとして非常に有効であり限界拡散性水素量を大幅に高めることを見出した。さらに研究を進めた結果、ＭｏとＶの添加比率（Ｍｏ／Ｖ）を５〜２０とし、さらに粒界強度を低下させるＭｎを０．５％以下とすることにより、１８００MPa以上の引張強度を有しかつ耐水素疲労特性に優れた鋼が得られることを知見した。
【０００７】
本発明はこのような知見に基づいて構成したものであり、
（１）質量％で、Ｃ ：０．４〜０．９％，Ｓｉ：０．５〜３．０％，Ｍｎ：０．１〜０．５％，Ｍｏ：０．４〜３．０％，Ｖ：０．０２〜０．５％，Ａｌ：０．００５〜０．１％，Ｐ：０．０２％以下，Ｓ：０．０２以下、を含有し、かつ
５≦（Ｍｏ／Ｖ）≦２０
を満足し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする耐水素疲労破壊特性に優れた高強度ばね用鋼、
（２）前記（１）記載の成分を含有し、さらに質量％で、Ｃｒ：０．０５〜３．０％，Ｎｉ：０．０５〜５．０％，Ｃｕ：０．０５〜２．０％，の１種または２種以上を含有することを特徴とする耐水素疲労破壊特性に優れた高強度ばね用鋼、
（３）前記（１）又は（２）記載の成分を含有し、さらに質量％で、Ｔｉ：０．００５〜０．３％，Ｎｂ：０．００５〜０．３％，Ｂ：０．０００３〜０．０５％，Ｎ：０．００１〜０．０５％、の１種または２種以上を含有することを特徴とする耐水素疲労破壊特性に優れた高強度ばね用鋼、
（４）疲労限界拡散性水素量が０．２ｐｐｍ以上であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の耐水素疲労破壊特性に優れた高強度ばね用鋼、
（５）前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の鋼を製造する方法であって、（１）〜（３）の何れか１項に記載の成分からなる鋼を焼き入れた後に、５００℃以上で焼き戻すことを特徴とする耐水素疲労破壊特性に優れた高強度ばね用鋼の製造方法、を要旨とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明における各要件の意義及び限定理由について具体的に説明する。
【０００９】
本発明者らは、０．６％Ｃ−０．５％Ｓｉ−０．２％Ｍｎをベース成分としＭｏとＶの添加比率を種々に変えた鋼を焼入れ焼戻し処理により同一強度レベルに調質し、疲労限界拡散性水素量を測定した。ＭｏとＶの添加比率（Ｍｏ／Ｖ）と疲労限界拡散性水素量の関係を図３に示す。図３より、Ｍｏ／Ｖが５以上２０以下のとき疲労限界拡散性水素量が大幅に向上することを知見した。従って、Ｍｏ／Ｖを５以上２０以下とした。
【００１０】
限界拡散性水素量については０．２ｐｐｍ未満であると、耐水素破壊特性が十分ではなく実際に使用される代表的な環境で水素疲労破壊を生じる場合があるため、０．２ｐｐｍ以上とする。
【００１１】
次に、本発明における高強度ばね用鋼の成分限定理由について説明する。
【００１２】
Ｃ：Ｃは鋼の強度を増加させる元素として添加されるものである。０．４％未満ではばね鋼に必要な強度の確保が困難であり、０．９％を超える過剰の添加は靭性を著しく劣化させる。従って、Ｃ含有量は０．４〜０．９％とした。
【００１３】
Ｓｉ：Ｓｉは脱酸剤として、また鋼の強度を増加させる元素として添加される。０．５％未満では強度を向上させる効果を有効に発揮させることができず、３．０％を超える過剰の添加は粗大な酸化物を形成して延性や靭性を劣化させる。従って、Ｓｉ含有量は０．５〜３．０％とした。
【００１４】
Ｍｎ：Ｍｎは焼入れ性を高めるために有効な元素であるが、一方で粒界を脆化させ耐水素疲労破壊特性を劣化させる有害な元素である。０．１％未満では焼入れ性を高める効果が発現されず、０．５％を超える過剰の添加は耐水素破壊疲労特性を劣化させる。従って、Ｍｎ含有量は０．１〜０．５％とした。より良好な耐水素疲労破壊特性を得るためには、Ｍｎ含有量を０．３％以下とすることが望ましく、０．２％以下とすればさらに望ましい。
【００１５】
Ｍｏ：ＭｏはＶ、Ｃとともに（Ｍｏ，Ｖ）₂Ｃを形成し拡散性水素をトラップすることにより耐水素疲労破壊特性を向上させる必須の元素であるが、０．４％未満ではその効果が発現されず、３．０％を超える過剰の添加は靭性を低下させるため、Ｍｏ含有量は０．４〜３．０％とした。
【００１６】
Ｖ：ＶはＭｏ、Ｃとともに（Ｍｏ，Ｖ）₂Ｃを形成し拡散性水素をトラップすることにより耐水素疲労破壊特性を向上させる必須の元素であるが、０．０２％未満ではその効果が発現されず、０．５％を超える過剰の添加は靭性を低下させるため、Ｖ含有量は０．０２〜０．５％とした。
【００１７】
Ｐ：Ｐは粒界に偏析して粒界強度を低下させ、靱性を劣化させる不純物元素であり、可及的低レベルが望ましいが、現状精錬技術の到達可能レベルとコストを考慮して、上限を０．０２％とした。
【００１８】
Ｓ：Ｓは熱間加工性及び靭性を劣化させる不純物元素であり、可及的低レベルが望ましいが、現状精錬技術の到達可能レベルとコストを考慮して、上限を０．０２％とした。
【００１９】
以上が本発明の基本成分であり、通常は上記以外はＦｅ及び不可避的不純物からなるが、所望の強度レベルやその他の必要特性に応じて、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｂ、Ｎの１種または２種以上を添加しても良い。
【００２０】
Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ：Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕはいずれも耐食性及び強度を向上させる有効な元素である。この効果はそれぞれ０．０５％未満では発現されず、Ｃｒは３％、Ｎｉは５％、Ｃｕは２％を超える過剰添加は靭性を劣化させる。従って、Ｃｒの含有量を０．０５〜３．０％、Ｎｉの含有量を０．０５〜５．０％、Ｃｕの含有量を０．０５〜２．０％、とした。
【００２１】
Ａｌ：Ａｌは脱酸剤として、またＡｌＮを形成し結晶粒粗大化を抑制する効果があるが、０．００５％未満ではその効果が発現されず、０．１％を超えて過剰添加すると靭性が劣化するため、Ａｌの含有量を０．００５〜０．１％とした。
【００２２】
Ｔｉ：ＴｉはＴｉＮを形成し結晶粒粗大化を抑制する効果があるが、０．００５％未満ではその効果が発現されず、０．３％を超えて過剰添加すると靭性が劣化するため、Ｔｉの含有量を０．００５〜０．３％とした。
【００２３】
Ｎｂ：Ｎｂは微細な炭窒化物を形成し結晶粒粗大化を抑制する効果があるが、０．００５％未満ではその効果が発現されず、０．３％を超えて過剰添加すると靭性が劣化するため、Ｎｂの含有量を０．００５〜３％とした。
【００２４】
Ｂ：Ｂは自ら粒界に偏析することにより粒界結合力を向上させるとともにＰ、Ｓ及びＣｕの粒界偏析を抑制し、粒界強度を高め、遅れ破壊特性や靭性を向上させるのに有効な元素であり、また焼入れ性を高めるのに有効な元素でも有る。これらの効果は０．０００３％未満では発現されず、０．０５％を超えて過剰添加すると粒界に粗大な析出物が生成し熱間加工性や靭性が劣化するため、Ｂの含有量を０．０００３〜０．０５％とした。
【００２５】
Ｎ：Ｎは窒化物を形成し結晶粒粗大化を抑制する効果があるが、０．００１％未満ではその効果が発現されず、０．０５％を超えて添加すると靭性が劣化するため、Ｎ含有量を０．００１〜０．０５％とした。
【００２６】
次に製造条件の限定理由について述べる。
【００２７】
本発明においては、焼入れ焼戻し処理を施す際の焼戻し温度を５００℃以上とすることが重要であり、その他の製造条件は特に制限する必要はない。これは焼戻し温度が５００℃未満では水素トラップサイトとなる（Ｍｏ，Ｖ）₂Ｃの析出量が十分に得られないために疲労限界拡散性水素量が低くなるためである。より好ましい条件は５５０℃以上である。焼戻し温度の上限は特に定める必要はないが、焼戻し温度が６５０℃以上になると析出物が粗大化し水素トラップサイトとしての効果が低下するため、６５０℃以下とすることが望ましい。
【００２８】
【実施例】
以下、実施例により本発明の効果をさらに具体的に説明する。
【００２９】
表１に示す組成を有する鋼を焼入れた後、表１に示す温度で焼戻しを行った。熱処理後の各鋼片の引張強度を表１に合わせて示す。いずれも１８００ＭＰａ以上の引張強度が得られている。これらの鋼片の耐水素疲労破壊特性について前述した疲労限界拡散性水素量で評価した。なお、疲労試験を行う際の負荷応力は大気中疲労限の９０％の条件で実施した。
【００３０】
【表１】

表１より、本発明例（Ｎｏ．１〜５）ではいずれも疲労限界拡散性水素量が０．２ｐｐｍ以上であり、耐水素疲労破壊特性が優れている。特に、焼戻し温度が５５０℃以上のもの（Ｎｏ．１，４，５）はいずれも疲労限界拡散性水素量が０．８ｐｐｍ以上であり、耐水素疲労破壊特性が格段に優れている。一方、Ｍｏ量、Ｖ量、又は（Ｍｏ／Ｖ）のいずれか一つ以上が本発明の範囲から逸脱している比較例（Ｎｏ．６，７，８）ではいずれも疲労限界拡散性水素量が０．１ｐｐｍ以下と低く、耐水素疲労破壊特性に劣ることがわかる。また、Ｍｏ量、Ｖ量、（Ｍｏ／Ｖ）は本発明の範囲内にあるがＭｎ量が本発明で示した成分範囲から逸脱している比較例（Ｎｏ．９）では疲労限界拡散性水素量が０．１ｐｐｍ以下と低く、耐水素疲労破壊特性に劣ることがわかる。また、焼戻し温度が本発明の範囲から逸脱している比較例（Ｎｏ．１０）では疲労限界拡散性水素量が０．１ｐｐｍ以下と低く、耐水素疲労破壊特性に劣ることがわかる。以上より、Ｍｏ，Ｖ、Ｍｎの量を及びＭｏとＶの添加比率（Ｍｏ／Ｖ）を本発明で示した範囲に特定し、本発明で示した焼戻し条件で製造することにより、１８００MPa以上の引張強度を有しかつ耐水素疲労特性に優れた鋼が得られることが明らかである。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、１８００ＭＰａ以上の引張強度を有し、かつ耐水素疲労特性に優れた高強度ばね用鋼及びその製造方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】昇温分析による水素放出曲線と、拡散性水素量を示す図である。
【図２】拡散性水素量と疲労寿命の関係の一例を示す図である。
【図３】ＭｏとＶの添加比率（Ｍｏ／Ｖ）と疲労限界拡散性水素量の関係を示す図である。

Claims (5)

1. 質量％で、
   Ｃ ：０．４〜０．９％，
   Ｓｉ：０．５〜３．０％，
   Ｍｎ：０．１〜０．５％，
   Ｍｏ：０．４〜３．０％，
   Ｖ ：０．０２〜０．５％，
   Ａｌ：０．００５〜０．１％，
   Ｐ ：０．０２％以下，
   Ｓ ：０．０２％以下，
   を含有し、かつ
   ５≦（Ｍｏ／Ｖ）≦２０
   を満足し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする耐水素疲労破壊特性に優れた高強度ばね用鋼。
2. さらに質量％で、
   Ｃｒ：０．０５〜３．０％，
   Ｎｉ：０．０５〜５．０％，
   Ｃｕ：０．０５〜２．０％，
   の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の耐水素疲労破壊特性に優れた高強度ばね用鋼。
3. さらに質量％で、
   Ｔｉ：０．００５〜０．３％，
   Ｎｂ：０．００５〜０．３％，
   Ｂ ：０．０００３〜０．０５％，
   Ｎ ：０．００１〜０．０５％，
   の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の耐水素疲労破壊特性に優れた高強度ばね用鋼。
4. 疲労限界拡散性水素量が０．２ｐｐｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の耐水素疲労破壊特性に優れた高強度ばね用鋼。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のばね用鋼を製造する方法であって、請求項１〜３の何れか１項に記載の成分からなる鋼を焼き入れた後に、５００℃以上で焼き戻すことを特徴とする耐水素疲労破壊特性に優れた高強度ばね用鋼の製造方法。

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