JP4332043B2 - 疲労特性及びコイリング性に優れた高強度高清浄ばね用鋼 - Google Patents
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Description
本発明は、疲労特性に優れた高強度ばね用鋼に関し、特に酸化物系介在物などの硬質介在物が少ない高強度高清浄ばね用鋼に関するものである。
近年、排ガス低減や燃費向上を目的とする自動車の軽量化や高出力化の要望が高まってきており、エンジンやサスペンション等に用いられる弁ばねや懸架ばねは、高応力設計が志向されている。その為、ばねの負荷応力が増大し、疲労強度や耐へたり性の向上が求められている。
例えば特許文献１では、Ｃａを添加して疲労強度低下の原因となる介在物を低融点化し、熱間圧延によって該介在物を微細化することによって疲労強度を改善している。また疲労強度と耐へたり性の両方を改善するため、鋼材の化学成分を調整し、油焼入れ・焼戻し後の引張強度を上昇させることも行われている。
しかしＣａを添加する方法では、一部に大型の酸化物が残りやすく、疲労強度の改善効果は十分なものではない。一方、引張強度を向上させる方法でも、素材自体の靭性が低下して表面疵や内部欠陥に対する感受性が高くなるため、ばねのコイリング時に、また応力設計の値が高い場合には使用時にも、折損が生じやすくなる。
特公平７−６０３７号公報
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、疲労特性とコイリング性の両方に優れた高強度高清浄ばね用鋼を提供することにある。
本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、Ｃａは硫化物系介在物を粒状化して粒界偏析を防止することによって粒界強度を高めて疲労強度及びコイリング性を向上させやすいことを見出した。しかも前記Ｃａは一部に大型の酸化物を形成してしまう欠点があったところ、Ｃａと共にＮｉを添加すると該Ｃａ酸化物の大型化を抑制でき、前記Ｃａによる利点をフルに利用することができることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明に係る疲労特性及びコイリング性に優れた高強度高清浄ばね用鋼は、Ｃ：０．５〜０．８％（質量％の意；以下、同じ）、Ｓｉ：１〜３％、Ｍｎ：０．１〜１％、Ｃｒ：０．５〜３％、Ｎｉ：０．０５〜０．７％、Ｓ：０．０２％以下（０％を含まない）、及びＣａ：０．１〜５０ｐｐｍ（質量基準；以下、同じ）を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物である。該ばね用鋼は、さらにＶ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：０．５％以下（０％を含まない）などを含有していてもよい。
本発明によれば、高強度高清浄ばね用鋼においてＣａとＮｉを複合添加しているため、疲労特性とコイリング性の両方を著しく改善することができる。
本発明の高強度高清浄ばね用鋼は、Ｃ：０．５〜０．８％、Ｓｉ：１〜３％、Ｍｎ：０．１〜１％、Ｃｒ：０．５〜３％、Ｎｉ：０．０５〜０．７％、Ｓ：０．０２％以下（０％を含まない）、及びＣａ：０．１〜５０ｐｐｍ（質量基準；以下、同じ）を含有している。以下、各成分の限定理由について説明する。
Ｃ：０．５〜０．８％
Ｃは高応力が負荷されるばね用鋼として十分な強度を確保するために不可欠な元素である。従ってＣは、０．５％以上、好ましくは０．５３％以上、さらに好ましくは０．５５％以上とする。一方Ｃが過剰になると靭延性が低下し、表面疵や内部欠陥によって折損が生じやすくなる。従ってＣは、０．８％以下、好ましくは０．７％以下、さらに好ましくは０．６５％以下とする。
Ｃは高応力が負荷されるばね用鋼として十分な強度を確保するために不可欠な元素である。従ってＣは、０．５％以上、好ましくは０．５３％以上、さらに好ましくは０．５５％以上とする。一方Ｃが過剰になると靭延性が低下し、表面疵や内部欠陥によって折損が生じやすくなる。従ってＣは、０．８％以下、好ましくは０．７％以下、さらに好ましくは０．６５％以下とする。
Ｓｉ：１〜３％
Ｓｉは軟化抵抗性を高め、ばねの耐へたり性を向上させるのに有用な元素である。また製鋼時の脱酸剤としても有用である。従ってＳｉは１％以上、好ましくは１．３％以上、さらに好ましくは１．４％以上とする。一方Ｓｉが過剰になると介在物中のＳｉＯ2濃度が高くなって大型の介在物が生成しやすくなる。従ってＳｉは、３％以下、好ましくは２．８％以下、さらに好ましくは２．６％以下とする。
Ｓｉは軟化抵抗性を高め、ばねの耐へたり性を向上させるのに有用な元素である。また製鋼時の脱酸剤としても有用である。従ってＳｉは１％以上、好ましくは１．３％以上、さらに好ましくは１．４％以上とする。一方Ｓｉが過剰になると介在物中のＳｉＯ2濃度が高くなって大型の介在物が生成しやすくなる。従ってＳｉは、３％以下、好ましくは２．８％以下、さらに好ましくは２．６％以下とする。
Ｍｎ：０．１〜１％
Ｍｎは焼入性を高めて強度向上に寄与する元素である。また製鋼時の脱酸にも有用である。従ってＭｎは、０．１％以上、好ましくは０．３％以上、さらに好ましくは０．５％以上とする。一方Ｍｎが過剰になると、熱間圧延時やパテンティング処理時にベイナイトなどの過冷組織が生成し易くなり、伸線性が悪化する。従ってＭｎは、１％以下、好ましくは０．９％以下、さらに好ましくは０．８％以下とする。
Ｍｎは焼入性を高めて強度向上に寄与する元素である。また製鋼時の脱酸にも有用である。従ってＭｎは、０．１％以上、好ましくは０．３％以上、さらに好ましくは０．５％以上とする。一方Ｍｎが過剰になると、熱間圧延時やパテンティング処理時にベイナイトなどの過冷組織が生成し易くなり、伸線性が悪化する。従ってＭｎは、１％以下、好ましくは０．９％以下、さらに好ましくは０．８％以下とする。
Ｃｒ：０．５〜３％
Ｃｒは鋼材の靭延性を向上させるとともに耐へたり性を向上させるのに有用である。従ってＣｒは、０．５％以上、好ましくは０．６％以上、さらに好ましくは０．７％以上とする。一方Ｃｒが過剰になると、パテンティング時間が長くなりすぎ、また靭延性を低下させる。従ってＣｒは３％以下、好ましくは２％以下、さらに好ましくは１．５％以下とする。
Ｃｒは鋼材の靭延性を向上させるとともに耐へたり性を向上させるのに有用である。従ってＣｒは、０．５％以上、好ましくは０．６％以上、さらに好ましくは０．７％以上とする。一方Ｃｒが過剰になると、パテンティング時間が長くなりすぎ、また靭延性を低下させる。従ってＣｒは３％以下、好ましくは２％以下、さらに好ましくは１．５％以下とする。
Ｎｉ：０．０５〜０．７％
ＮｉはＣａ含有酸化物系介在物の粗大化を防止するのに極めて有用であり、本発明にとっては不可欠の元素である。従ってＮｉは、０．０５％以上、好ましくは０．０７％以上、さらに好ましくは０．０８％以上とする。一方Ｎｉが過剰になると、圧延においてベイナイト組織やマルテンサイト組織が生成し、靭性や延性が低下する。従ってＮｉは、０．７％以下、好ましくは０．６％以下、さらに好ましくは０．５％以下とする。
ＮｉはＣａ含有酸化物系介在物の粗大化を防止するのに極めて有用であり、本発明にとっては不可欠の元素である。従ってＮｉは、０．０５％以上、好ましくは０．０７％以上、さらに好ましくは０．０８％以上とする。一方Ｎｉが過剰になると、圧延においてベイナイト組織やマルテンサイト組織が生成し、靭性や延性が低下する。従ってＮｉは、０．７％以下、好ましくは０．６％以下、さらに好ましくは０．５％以下とする。
Ｓ ：０．０２％以下（０％を含まない）
ＳはＣａと共にＣａＳを形成して硫化物を粒状化し、粒界に硫化物が偏析するのを抑制し、疲労強度及びコイリング性を著しく高めることができる。なおＣａの添加量は極微量であり、従って該ＣａＳを形成するＳ量も極微量である。しかも、通常、鋼中にはＳが必ず含まれるため、Ｓの下限を規定する必要はないが、好ましくは０．００１％以上、さらに好ましくは０．００５％以上である。なおＳが過剰になると、硫化物量が多くなって粗大化し、かえって諸特性を悪化させる。従ってＳは０．０２％以下、好ましくは０．０１５％以下、さらに好ましくは０．０１０％以下とする。
ＳはＣａと共にＣａＳを形成して硫化物を粒状化し、粒界に硫化物が偏析するのを抑制し、疲労強度及びコイリング性を著しく高めることができる。なおＣａの添加量は極微量であり、従って該ＣａＳを形成するＳ量も極微量である。しかも、通常、鋼中にはＳが必ず含まれるため、Ｓの下限を規定する必要はないが、好ましくは０．００１％以上、さらに好ましくは０．００５％以上である。なおＳが過剰になると、硫化物量が多くなって粗大化し、かえって諸特性を悪化させる。従ってＳは０．０２％以下、好ましくは０．０１５％以下、さらに好ましくは０．０１０％以下とする。
Ｃａ：０．１〜５０ｐｐｍ
Ｃａは前記Ｎｉと並んで本発明にとって最も重要な元素であり、ＣａＳを形成して硫化物系介在物を粒状化して粒界偏析を防止して粒界強度を高めることができるため、疲労強度及びコイリング性を著しく高めることができる。なおＣａ添加によって形成されるＣａ含有酸化物の中には粗大化するものがあり、疲労強度の向上効果を十分に獲得させることが困難であるが、本発明ではＮｉ添加によってＣａ酸化物の粗大化を抑制しており、疲労強度を著しく高めることができる。このような効果を有効に発揮するため、Ｃａは、０．１ｐｐｍ以上、好ましくは０．５ｐｐｐｍ以上、さらに好ましくは１．０ｐｐｍ以上とする。一方、Ｃａが過剰になるとＣａ含有酸化物が硬質化して非延性な組成のものとなり、疲労強度を低下させる。。従ってＣａは、５０ｐｐｍ以下、好ましくは３０ｐｐｍ以下、さらに好ましくは２０ｐｐｍ以下とする。
Ｃａは前記Ｎｉと並んで本発明にとって最も重要な元素であり、ＣａＳを形成して硫化物系介在物を粒状化して粒界偏析を防止して粒界強度を高めることができるため、疲労強度及びコイリング性を著しく高めることができる。なおＣａ添加によって形成されるＣａ含有酸化物の中には粗大化するものがあり、疲労強度の向上効果を十分に獲得させることが困難であるが、本発明ではＮｉ添加によってＣａ酸化物の粗大化を抑制しており、疲労強度を著しく高めることができる。このような効果を有効に発揮するため、Ｃａは、０．１ｐｐｍ以上、好ましくは０．５ｐｐｐｍ以上、さらに好ましくは１．０ｐｐｍ以上とする。一方、Ｃａが過剰になるとＣａ含有酸化物が硬質化して非延性な組成のものとなり、疲労強度を低下させる。。従ってＣａは、５０ｐｐｍ以下、好ましくは３０ｐｐｍ以下、さらに好ましくは２０ｐｐｍ以下とする。
上記ばね用鋼の残部成分は、Ｆｅ及び不可避不純物であるが、必要に応じてさらに他の元素を含有していてもよい。例えば結晶粒微細化元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉなど）やＭｏなどを単独で又は適宜組み合わせて添加してもよい。
Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉなどは、炭窒化物を形成し、焼入れ焼戻し等の熱処理時にピン止め効果によって結晶粒を微細化する作用があり、靭延性を向上させる効果がある。またＶは、焼入れ・焼戻し処理およびコイリング後の歪取り焼鈍時に２次析出硬化を起こして高強度化にも寄与する。従ってこれらの元素を添加する場合（すなわち０％超とする場合）、好ましくはＶ：０．０５％以上（特に０．１０％以上）、Ｎｂ：０．０１％以上（特に０．０３％以上）、Ｔｉ：０．０１％以上（特に０．０２％以上）とすることが推奨される。しかし過剰に添加しても効果が飽和する。特にＶが過剰になると圧延時やパテンティング時にマルテンサイトやベイナイト組織が生成し、加工性が悪くなる。またＮｂが過剰になると炭窒化物の凝集が生じ、かえって結晶粒が粗大化し始めることもある。従ってＶは０．５％以下（好ましくは０．３％以下）、Ｎｂは０．１％以下（好ましくは０．０７％以下）、Ｔｉは０．１％以下（好ましくは０．０５％以下）とする。なおこれらＶ、Ｎｂ、Ｔｉは、単独で又は２種以上を組み合わせて添加してもよい。
Ｍｏは、軟化抵抗を向上させるとともに、析出硬化によって低温焼鈍後の耐力を上昇させるのに有用な元素である。従ってＭｏを添加する場合（すなわち０％超とする場合）、好ましくは０．０１％以上、特に０．０５％以上とする。しかし過剰になるとマルテンサイトやベイナイト組織が生成し、加工性が悪くなる。従ってＭｏは０．５％以下、好ましくは０．３％以下、さらに好ましくは０．１％以下とする。
本発明のばね用鋼は、例えばオイルテンパー線としたとき、１９００ＭＰａ以上（好ましくは２０００ＭＰａ以上）であり、通常、２０５０〜２２００ＭＰａ程度の引張強度を有する。
また、本発明のばね用鋼は、例えば９００ＭＰａ以上の応力負荷でも介在物に起因する折損が生じない程度に高清浄化されている。
本発明のばね用鋼は、高強度でありながら疲労特性とコイリング性の両方に極めて優れている。従って高強度ばねを簡便に製造することができ、またばねの寿命を延長できる。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
実験例
小型実験炉において下記表１に示す成分の鋼材を溶製した。熱間圧延して直径８ｍｍの線材とした後、皮削り（ＳＶ）、鉛パテンティング（ＬＰ）、冷間線引加工（直径４．０ｍｍ）、オイルテンパー［油焼入れと鉛浴（約４００℃）焼戻し連続工程］の順に処理することによって、オイルテンパー鋼線とした。得られた鋼線は、以下のようにして評価した。
小型実験炉において下記表１に示す成分の鋼材を溶製した。熱間圧延して直径８ｍｍの線材とした後、皮削り（ＳＶ）、鉛パテンティング（ＬＰ）、冷間線引加工（直径４．０ｍｍ）、オイルテンパー［油焼入れと鉛浴（約４００℃）焼戻し連続工程］の順に処理することによって、オイルテンパー鋼線とした。得られた鋼線は、以下のようにして評価した。
［巻付試験］
試験片と同じ直径の心金に密着して５回巻き付け、破断の有無を調べた。試験数を１００とし、一度も破断が生じなかったものを合格とした。
試験片と同じ直径の心金に密着して５回巻き付け、破断の有無を調べた。試験数を１００とし、一度も破断が生じなかったものを合格とした。
［疲労強度、介在物サイズ、疲労強度］
ばね製造工程における熱履歴を模擬するため、オイルテンパー鋼線（ワイヤ）から長さ６００ｍｍ分を採取し、温度４００℃で２０分間加熱（コイリング後の歪取焼鈍に相当）した後、２段階のショットピーニングを施し、次いで温度２２０℃で２０分間加熱（歪取り焼鈍に相当）した。中村式回転曲げ疲労試験機を用いて、公称応力８８６ＭＰａ、回転数：４５００〜５０００ｒｐｍ、中止回数：２×１０7回の条件で試験した。そして破断したもののうち介在物折損したものについて、破断面に現れた介在物のうち最大のもののサイズ（面積が同じ円に換算したときの直径）を測定した。
ばね製造工程における熱履歴を模擬するため、オイルテンパー鋼線（ワイヤ）から長さ６００ｍｍ分を採取し、温度４００℃で２０分間加熱（コイリング後の歪取焼鈍に相当）した後、２段階のショットピーニングを施し、次いで温度２２０℃で２０分間加熱（歪取り焼鈍に相当）した。中村式回転曲げ疲労試験機を用いて、公称応力８８６ＭＰａ、回転数：４５００〜５０００ｒｐｍ、中止回数：２×１０7回の条件で試験した。そして破断したもののうち介在物折損したものについて、破断面に現れた介在物のうち最大のもののサイズ（面積が同じ円に換算したときの直径）を測定した。
さらに応力Ｓを種々変えて破断までの繰り返し数Ｎを求めることによってＳ−Ｎ曲線を描き、繰り返し数２×１０7回での疲労強度を求めた。
結果を表１に示す。
表１より明らかなように、Ｃａ無添加のＮｏ．６の例では、コイリング性（巻付試験）及び疲労強度の両方ともに劣っていた。またＣａを単独で添加したＮｏ．７の例でもコイリング性（巻付試験）及び疲労強度の改善は不十分であり、さらには最大介在物サイズは全く小さくならなかった。
これらに対して、Ｎｏ．１〜５の例では、ＣａとＮｉを複合添加しているため介在物が著しく微細化し、コイリング性（巻付試験）及び疲労強度の両方ともが著しく改善された。
Claims (3)
- Ｃ ：０．５〜０．８％（質量％の意；以下、同じ）、
Ｓｉ：１〜３％、
Ｍｎ：０．１〜１％、
Ｃｒ：０．５〜３％、
Ｎｉ：０．０５〜０．７％、
Ｓ ：０．０２％以下（０％を含まない）、及び
Ｃａ：０．１〜３０ｐｐｍ（質量基準；以下、同じ）
を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物である疲労特性及びコイリング性に優れた高強度高清浄ばね用鋼。 - さらにＶ：０．５％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．１％以下（０％を含まない）、及びＴｉ：０．１％以下（０％を含まない）から選択された少なくとも１種を含有する請求項１に記載の高強度高清浄ばね用鋼。
- さらにＭｏ：０．５％以下（０％を含まない）を含有する請求項１又は２に記載の高強度高清浄ばね用鋼。
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| JP2004021722A JP4332043B2 (ja) | 2004-01-29 | 2004-01-29 | 疲労特性及びコイリング性に優れた高強度高清浄ばね用鋼 |
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| JP2004021722A JP4332043B2 (ja) | 2004-01-29 | 2004-01-29 | 疲労特性及びコイリング性に優れた高強度高清浄ばね用鋼 |
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