JP4588030B2

JP4588030B2 - 高強度ばね用鋼、並びに高強度ばね及びその製造方法

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Publication number: JP4588030B2
Application number: JP2006531172A
Authority: JP
Inventors: 和良木村; 博小山; 彰丹下; 勇奥山; 陽介久野; 明雄米口
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; NHK Spring Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd; NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2004-08-26
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2024-08-26
Also published as: JPWO2006022009A1; CN101001969A; WO2006022009A1; ES2524326T3; EP1801253A4; EP1801253B1; EP1801253A1; US20070256765A1

Description

本発明は、高強度ばね用鋼、並びに高強度ばね及びその製造方法に関する。

近年、地球温暖化抑制の観点から二酸化炭素ガスの排出量削減が課題となっている。そのため、自動車等の分野では燃費向上に繋がる車体の軽量化が重要とされており、懸架用コイルばねを代表とする種々のばねにおいても一層の軽量化が図られている。ここで、所要のばね特性を維持しつつばねの軽量化を達成するには、設計応力でτ_ｍａｘ＝１１７６ＭＰａ以上であり、硬さとしてロックウェル硬さ換算でＨＲＣ５２以上に相当の高強度ばねが必要となる。

ところで、ばねの軽量化は、ばねの設計応力を高めることで実現できる。設計応力とは、耐へたり性及び耐久性で決定されるものであり、これらは次の手段によって向上させることができる。耐へたり性の向上は、材料では、フェライト強化元素であるＳｉを高めた鋼種（ＳＵＰ７）、結晶粒微細化元素であるＶを添加した鋼種（ＳＵＰ１２Ｖ）を用いること、加工法ではセッチングを行うことで実現できる。他方、耐久性の向上は、材料では、高Ｃ、高合金化で焼戻し後の硬さを増加させること、加工法ではショットピーニング（ＳＰ）処理により圧縮残留応力を負荷することで実現できる。

しかしながら、従来は上記のような手段を用いた場合であっても、耐久性の観点から、ばね硬さでＨＲＣ５２、引張強度で１９００ＭＰａ程度までしか高強度化が図れなかった。すなわち、ばねを高強度化すると、破壊靭性が低下して切欠き感受性が高まり、これによって耐久性にバラツキが生じ、信頼性が低下してしまうのである。また、内部介在物が切欠きとなって耐久性を低下させることも問題となる。さらには、破壊靭性の低下を防止するため特殊元素を添加するとコスト高になること、合金元素を多量に添加すると熱間圧延後の硬さが増加して、線引き、伸線加工時に割れや断線を生じさせるといった問題もある。

他方、近年では冬期での路面の凍結防止を目的とし塩化物を主成分とした融雪材の散布も行われるようになってきたことから、腐食疲労強度の向上もばねとして重要な解決課題となった。しかし、従来のばね鋼ＳＵＰ７やＳＡＥ９２５４では、硬さを高めることは腐食疲労強度を低下させることに繋がり、従来鋼ではこれ以上の高硬さ化には限界があった。腐食環境下で使用されるばねは、腐食ピットが切欠きとなり腐食疲労強度の低下を招いてしまう。また、それを防止するために耐食性元素を添加しても、圧延後硬さの増加を招き、加工性が低下してしまうといった問題もある。

また、ばねの硬さがショットピーニング（ＳＰ）材の硬さを上回ると、疲労強度の向上に大きく寄与する圧縮残留応力が十分負荷されない。さらには、ＳＰ材が割れ易くなってコスト高につながること、粉砕粒がばねに刺さってばねの耐久性を低下させるといった問題もある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、耐へたり性を向上させるためにばねの硬さをＨＲＣ５２以上に高強度化しても、耐久性が良好であり、且つ実用的に生産可能な高強度ばね用鋼、並びに高強度ばね及びその製造方法を提供することを目的とする。
特許第３０６４６７２号公報

上記課題を解決するため、本発明の高強度ばね用鋼は、
質量％で、Ｃ：０.３６〜０.４８％，Ｓｉ：１.８０〜２.８０％，Ｍｎ：０.２０〜１.４０％，Ｐ：０.０１５％以下，Ｓ：０.０１０％以下，Ｃｕ：０.１０〜０.５０％，Ｎｉ：０.１０〜２.００％，Ｃｒ：０.５８〜−１.２０％，Ｔｉ：０.０２０〜０.０７０％，ｓ−Ａｌ：０.００５〜０.０４０％，Ｎ：０.００２〜０.０１２％，Ｏ：０.００２％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなるとともに、
下記（１），（２），（３）式を満たし、且つ、直径１０μｍ以上の介在物が１００ｍｍ^２視野当たり１０個以下であることを特徴とする。
１.２％≦Ｃ(%)＋Ｍｎ(%)＋Ｃｒ(%)≦２.０％・・・（１）式
１.４％≦Ｓｉ(%)／３＋Ｃｒ(%)／２＋Ｍｎ(%)≦２．４％・・・（２）式
０.４％≦Ｃｕ(%)＋Ｎｉ(%) ・・・（３）式

上記高強度ばね用鋼は、大別すると以下の三つの特徴を有する。
第一に、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ等の成分を添加・調整することによって、圧延後硬さを抑えつつも、焼入れ焼戻し後の硬さをＨＲＣ５２以上としている。
第二に、十分な脱酸（詳しくはＡｌ脱酸）を行うこと等によって、破壊起点となりやすい直径１０μｍ以上の介在物（特には酸化物系の介在物）の量を低減させて、高疲労強度を付与している。
第三に、Ｃｕ，Ｎｉ等の耐食性元素を添加・調整し、また腐食促進元素の量を最適化することによって、腐食疲労強度を向上させている。
以上によって、ＨＲＣ５２以上の高強度化であっても、耐久性が良好な高強度ばね用鋼が実現するのである。そして後述のごとく、かかる高強度ばね用鋼に温間ピーニングを施すことで、最大剪断応力が１１７６ＭＰａ以上の高強度ばねが実現するのである。
以下、各数値限定理由について述べつつ、更に詳細な説明を行う。

・Ｃ（炭素）：０.３６〜０.４８％
Ｃは、熱処理によって所望の強度を得るために有効である。そのためには０．３６％以上の添加が必要である。好ましくは０．３８％以上とする。他方、過度の添加は、熱処理後の靭性を低下させ、疲労強度，腐食疲労強度が劣化してしまうこと、また、圧延後の硬さが硬くなりすぎ冷間加工性を低下させることから、上限を０．４８％とする。好ましくは０．４６％とする。

・Ｓｉ（ケイ素）：１.８０〜２.８０％
Ｓｉは、腐食疲労強度や耐へたり性を向上させるのに有効である。そのためには１．８０％以上の添加が必要である。他方、過度の添加は、靭性を低下させ疲労特性が劣化するばかりでなく、脱炭の発生を助長して加工性をも悪化させることから、上限を２．８０％とする。好ましくは２．６０％とする。

・Ｍｎ（マンガン）：０.２０〜１.４０％
Ｍｎは、溶製時の脱酸材として有効であるとともに、焼入れ性の向上に寄与する。また、Ｓによる害を無害化する効果も有する。これらの効果を得るためには０．２０％以上の添加が必要である。他方、過度の添加は、焼入れ時に粒界酸化を助長し脆化を招くだけでなく、圧延後の線材の硬さを高め、線材加工性をも劣化させるため、上限を１．４０％とする。好ましくは１．１０％とする。

・Ｐ（リン）：０.０１５％以下
Ｐは、オーステナイト化加熱時にオーステナイト粒界に偏析して、結晶粒界を脆弱化させてしまうため、上限を０．０１５％とする。

・Ｓ（硫黄）：０.０１０％以下
Ｓは、Ｐと同様にオーステナイト粒界を脆化させ、また、ＭｎＳを形成しばねの疲労強度の劣化を招いてしまうため、上限を０．０１０％とする。

・Ｃｕ（銅）：０.１０〜０.５０％
Ｃｕは、耐腐食性を高めるのに有効で腐食疲労強度を向上させる。また、フェライト脱炭の防止に有効である。これらの効果を得るためには０．１０％以上の添加が必要である。他方、過度の添加は、熱間加工性が損なわれてしまうため、上限を０．５０％とする。好ましくは０．４０％とする。

・Ｎｉ（ニッケル）：０.１０〜２.００％
Ｎｉは、耐腐食性を高めるのに有効で腐食疲労強度を向上させる。また、フェライト脱炭の防止に有効である。これらの効果を得るためには０．１０％以上の添加が必要である。他方、過度の添加は、コストの増大を招くため、上限を２．００％とする。好ましくは１．８０％とする。また、さらに本発明では、後述するよう、腐食疲労強度を劣化させないため、ＣｕとＮｉの総量が０．４％以上となるように複合添加する必要がある。

・Ｃｒ（クロム）：０.０５〜１.２０％
Ｃｒは、焼入れ性の向上に寄与する元素である。そのためには０．０５％以上の添加が必要である。他方、過度の添加は、Ｍｎと同様に、圧延後の線材の硬さを高め、線材加工性が劣化してしまう。また、Ｃｒの炭化物が鋼表面で局部電極となって腐食ピットを増大させ、腐食疲労強度が低下してしまう。よって、上限を１．２０％とする。好ましくは１．１％とする。

・ｓ−Ａｌ：０.００５〜０.０４０％
Ａｌ（アルミニウム）は、脱酸元素であり、その効果を得るためにはｓ−Ａｌが０．００５％以上となるように添加する必要がある。他方、過度の添加は、地疵発生の原因となること、また、鋼中の酸化物系介在物量が増加し、鋼の清浄度が損なわれて、疲労破壊の起点となってしまうことから、ｓ−Ａｌの上限を０．０４０％とする。好ましくは０．０３０％とする。ここで、ｓ−Ａｌとは、酸に可溶なＡｌのことを意味する。

・Ｎ（窒素）：０.００２〜０.０１２％
Ｎは、鋼中で結晶粒微細化に寄与する炭窒化物，窒化物を形成する効果を有する。この効果を得るためには０．００２％以上の含有が必要である。他方、過度の添加は、粗大なＮｂ炭窒化物が生成して結晶粒粗大化防止効果が得られず、また、ＴｉＮ系介在物を生成させ疲労強度の低下を招いてしまうため、上限を０．０１２％とする。

・Ｏ（酸素）：０.００２％以下
Ｏは、酸化物系の介在物を生成し、これが疲労破壊の起点となりやすいので、上限を０．００２％とする。なお、Ｏの含有量をこのレベルにまで抑えるためには、十分なＡｌ脱酸が必要である。

・１.２％≦Ｃ(%)＋Ｍｎ(%)＋Ｃｒ(%)≦２.０％・・・（１）式
ロックウェル硬さＨＲＣ５２以上の硬さを確保するためには、Ｃ(%)＋Ｍｎ(%)＋Ｃｒ(%)が１．２％以上である必要がある。好ましくは１．３％以上とする。他方、Ｃ(%)＋Ｍｎ(%)＋Ｃｒ(%)が２．０％を超えると圧延後に硬化しすぎ、線引き時に断線や表面疵が発生してしまう。好ましくは１．９％以下とする。

・１.４％≦Ｓｉ(%)／３＋Ｃｒ(%)／２＋Ｍｎ(%)≦２．４％・・・（２）式
［後述のＢが添加される場合：１.４％≦Ｓｉ(%)／３＋Ｃｒ(%)／２＋Ｍｎ(%)＋１７０Ｂ(%)≦２．４％・・・（２）´式］
線材の芯部までＨＲＣ５２以上の硬さを得ることが可能な焼入れ性を付与するためには、Ｓｉ(%)／３＋Ｃｒ(%)／２＋Ｍｎ(%)が１．４％以上である必要がある。好ましくは１．５％以上とする。他方、Ｓｉ(%)／３＋Ｃｒ(%)／２＋Ｍｎ(%)が２．４％を超えると、焼入れ性が過度に大きくなり、焼入れ時に焼き割れが生じてしまう。好ましくは２．１％以下とする。

・０.４％≦Ｃｕ(%)＋Ｎｉ(%) ・・・（３）式
ＨＲＣ５２以上の高強度ばねにおいて、腐食環境下での疲労特性を確保するためには、Ｃｕ(%)＋Ｎｉ(%)が０．４％以上である必要がある。

・直径１０μｍ以上の介在物（酸化物系介在物）が１００ｍｍ^２視野当たり１０個以下
鋼中の介在物は疲労破壊の起点となるため、直径１０ｕｍ以上の介在物（酸化物系介在物）が１００ｍｍ^２視野当たり１０個を超えて存在すると、疲労強度が低下してしまう。特にＨＲＣ５２以上の高強度材料では、かかる介在物の影響を強く受ける。

次に、本発明の高強度ばね用鋼は、上記鋼成分に加え、Ｔｉ：０.０２０〜０.０７０％，Ｎｂ：０.０２０〜０.０５０％，Ｂ：０.０００５〜０.００３０％のうちのいずれか１種または２種以上を含有させることができる。また、Ｂを含有する場合には、上記（２）式は下記（２）´式と置き換わる。
１.４％≦Ｓｉ(%)／３＋Ｃｒ(%)／２＋Ｍｎ(%)＋１７０Ｂ(%)≦２．４％・・・（２）´式

すなわち、本発明の高強度ばね用鋼は、
質量％で、Ｃ：０.３６〜０.４８％，Ｓｉ：１.８０〜２.８０％，Ｍｎ：０.２０〜１.４０％，Ｐ：０.０１５％以下，Ｓ：０.０１０％以下，Ｃｕ：０.１０〜０.５０％，Ｎｉ：０.１０〜２.００％，Ｃｒ：０.５８〜１.２０％，ｓ−Ａｌ：０.００５〜０.０４０％，Ｎ：０.００２〜０.０１２％，Ｏ：０.００２％以下を含有し、
さらに、Ｔｉ：０.０２０〜０.０７０％，Ｎｂ：０.０２０〜０.０５０％，Ｂ：０.０００５〜０.００３０％のうちのいずれか１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなるとともに、
下記（１），（２）´，（３）式を満たし、且つ、直径１０μｍ以上の介在物が１００ｍｍ^２視野当たり１０個以下であることを特徴とする。
１.２％≦Ｃ(%)＋Ｍｎ(%)＋Ｃｒ(%)≦２.０％・・・（１）式
１.４％≦Ｓｉ(%)／３＋Ｃｒ(%)／２＋Ｍｎ(%)＋１７０Ｂ(%)≦２．４％・・・（２）´式
０.４％≦Ｃｕ(%)＋Ｎｉ(%) ・・・（３）式

・Ｔｉ（チタン）：０.０２０〜０.０７０％
Ｔｉは、鋼中で炭窒化物を形成し、オーステナイト結晶粒を微細化するとともに析出硬化に寄与する。この効果を得るためには、０．０２０％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、鋼の焼入れ加熱時に比較的大きな未溶解化合物として残留し、破壊の起点となって疲労強度を低下させてしまう場合があることから、０．０７０％以下であることが好ましい。

・Ｎｂ（ニオブ）：０.０２０〜０.０５０％
Ｎｂは、結晶粒微細化，析出硬化に寄与し、耐ヘタリ性を向上させる効果を有する。この効果を得るためには、０．０２０％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、効果が飽和するうえ、熱間及び冷間加工性が低下してしまう場合があることから、０．０５０％以下であることが好ましい。

・Ｂ（ホウ素）：０.０００５〜０.００３０％
Ｂは、鋼の結晶粒界に優先析出しＰ，Ｓの結晶粒界への偏析を防止して、疲労強度や遅れ破壊特性を向上させる。この効果を得るためには０．０００５％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、Ｂ窒化物を形成して、鋼の靭性を損ない疲労特性も悪化させる場合があることから、０．００３０％以下であることが好ましい。なお、上述した通り、Ｂが添加された場合には、上記（２）´式を満たすことが必要である。

次に、本発明の高強度ばね用鋼は、上記鋼成分に加え、Ｍｏ：０.０１〜０.５０％，Ｖ：０.０５〜０.３０％のうちのいずれか１種または２種を含有させることができる。

・Ｍｏ（モリブデン）：０.０１〜０.５０％
Ｍｏは、焼入れ性の向上に寄与する元素である。また、耐食性を高める元素であり、腐食疲労強度を向上させる。これらの効果を得るためには０．０１％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、圧延後の線材にベーナイトが生成し、冷間加工性の劣化を招いてしまう場合があることから、０．５０％以下であることが好ましい。より好ましくは０．４０％とする。

・Ｖ（バナジウム）：０.０５〜０.３０％
Ｖは、結晶粒微細化，析出硬化に寄与し、耐ヘタリ性を向上させる。この効果を得るためには、０．０５％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、Ｖ炭化物が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場合があることから、０．３０％以下であることが好ましい。また、過度の添加は、巨大な一次炭化物が晶出して、冷間加工性を劣化させてしまう場合もある。

次に、本発明の高強度ばねの製造方法は、硬さがＨＲＣ５２以上に調質された上記の高強度ばね用鋼を、熱間成形若しくは冷間成形によりばね形状とし、温間ショットピーニングを施すことによって、最大剪断応力が１１７６Ｍａ以上の高強度ばねを得ることを特徴とする。

ショットピーニング加工によって、ばねの表面に大きな圧縮残留応力が形成されると、ばねの疲労強度や腐食疲労強度が向上することは広く知られている。ショットピーニングによる残留応力分布の大きさは、材料の変形特性に関係するものであり、例えば、同一引張り強さでも、降伏比（降伏応力／引張り強さ）の小さい材料ほど、ショットピーニングによって得られる圧縮残留応力は大きい。そこで、本発明では、成形されたばね用鋼に対し、温間ショットピーニング（ウォームショットピーニング：ＷＳＰ）を施している。温間ショットピーニングとは、温間温度域である１５０℃から３５０℃においてショットピーニングを行う方法である。これによって、ばね用鋼のショットピーニング時における降伏点が低下して、十分な圧縮残留応力が得られ、ひいてはばねの疲労強度や腐食疲労強度が向上するのである。また、この効果をさらに高めるためには、温間ショットピーニングは、２００〜３５０℃の温度域で行われることが望ましい。

また、通常のばね用鋼ではＣ量が０．５５〜０．６５％程度が一般的であるのに対し、上述の通り、本発明の高強度ばね用鋼はそれよりもＣ量が低いため、降伏比が小さいものとされており、ショットピーニングにより十分な圧縮残留応力を得ることができる。さらには、Ｃ量が低く、より大きな歪の導入が得られることから、動的歪時効による表面近傍硬さの向上が達成され、良好な疲労強度向上効果が得られる。

また、ばねが高強度である場合、通常のショットピーニングでは、ショットピーニング（ＳＰ）材が割れ易いため、コストの高い高硬度のＳＰ材を用いなければならないという問題があるが、本発明のごとく、温間ショットピーニングを施すことによりこれらの問題も解決される。

以上により、本発明では、十分な圧縮残留応力による良好な耐久性が付与されることから、硬さがＨＲＣ５２以上に調質されてなるとともに、最大剪断応力が１１７６ＭＰａ以上の高強度ばねが得られる。そして、かかる高強度ばねは、車両用懸架装置等に使用するコイルばね，板ばね，トーションバー，スタビライザ等に好適に用いることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
表１に示す化学組成を有する鋼を溶製して得た鋼塊を分塊圧延し、さらに線材圧延によってφ１３ｍｍ及びφ２０ｍｍの圧延線材とした。線材圧延は鋼片を１１００℃に加熱し、圧延終了温度８６９℃として行った。圧延終了後は空冷とした。

また、Ｃ(%)＋Ｍｎ(%)＋Ｃｒ(%)の値、Ｓｉ(%)／３＋Ｃｒ(%)／２＋Ｍｎ(%)の値、Ｃｕ(%)＋Ｎｉ(%)の値は、表２に示している。なお、表中の各々の組成において、本発明で規定する組成範囲を逸脱しているものには、下限を下回る場合は下向矢印（↓）、上限を上回る場合は上向矢印（↑）を付している。

次に、以下の（１）〜（８）の評価を行った。評価結果を表２に示す。

（１）圧延後硬さ
上記圧延線材の切断面について硬さを測定した。ロックウェルＣスケール硬さを３０点測定し、平均硬さに標準偏差σ（ばらつき）の６倍を加えたものを「圧延後硬さ」とした。該圧延後硬さの良否判断はＨＲＣ３５を上限とした。

（２）伸線時破断の有無
上記φ１３の圧延線材にボンダ皮膜処理を施し、冷間でφ１２ｍｍまで伸線加工して伸線材を得た。該伸線加工の際における、破断発生の有無を評価した。

（３）焼割れ
上記伸線材を９００℃以上に加熱後、直ちに水冷により焼入れを行って焼入れ材を得た。該焼入れ材にについて割れ発生の有無を評価した。

（４）焼入れ後硬さ
上記焼入れ材の断面芯部硬さを測定した。ロックウェルＣスケール硬さを２０点測定し、その平均硬さが所望の硬さ（５２ＨＲＣ以上）を満たしているかを評価した。

（５）介在物数
上記伸線材中における直径１０μｍ以上の酸化物系介在物について１００ｍｍ２視野当たりの個数を評価した。

（６）疲労強度
上記φ２０の圧延線材から試験片を切り出し、９００℃以上で焼入れ、焼戻しによって５４ＨＲＣに調質した疲労試験片を得た。当該試験片を用いて小野式回転曲げを実施して、疲労強度を評価した。

（７）腐食疲労強度
上記焼入れ材を焼戻して、硬さＨＲＣ５２の焼戻し材を得た。該焼戻し材から採取した試験片に対して、塩水噴霧試験機を用いて、（ａ）３５℃で５％ＮａＣｌ水溶液を２ｈ噴霧し、（ｂ）相対湿度７０％で６０℃の環境において４ｈ乾燥させ、（ｃ）相対湿度９５％で３５℃の環境において２ｈ保持するサイクル（ａ）〜（ｃ）を９回繰り返した後、応力振幅を７００ＭＰａとして両振りねじり疲労試験を行った。破断までの繰返し回数で腐食疲労特性を評価した。なお、破断繰返し数が１０００００回に達するか否かを良否の判断基準とした。

（８）腐食ピット深さ
また、疲労試験後の腐食部の断面から、腐食ピットの深さを計４０点計測し、ピット深さの最大値（最大ピット深さ）を測定した。最大ピット深さが１００μｍ以上か否かを良否の判断基準とした。表３に、腐食ピット深さと破断繰返し数との関係を示す。

以下、表２に示した評価結果について説明する。
本発明が特定する組成範囲を充足する本発明５，６，８，９は、いずれの試験においても、おいても、良好な特性を示すことがわかった。

比較例１０〜１２については、本発明が特定する範囲よりもＣ(%)＋Ｍｎ(%)＋Ｃｒ(%)値が過剰（比較例１０はＭｎ量、比較例１１はＣｒ量についても過剰）であり、（１）圧延後硬さがＨＲＣ３５を上回り、（２）伸線時に破断を生じた。

比較例１３〜１７については、本発明が特定する範囲よりも、比較例１３〜１５はＣ(%)＋Ｍｎ(%)＋Ｃｒ(%)値が不足、比較例１５〜１７はＳｉ(%)／３＋Ｃｒ(%)／２＋Ｍｎ(%)＋１７０Ｂ(%)値が不足（比較例１３はＣ量、比較例１４はＣｒ量、比較例１５はＭｎ量、比較例１６はＳｉ量についても不足）しており、（４）焼入れ後硬さがＨＲＣ５２を下回り、強度及び焼入れ性が不足していた。

比較例１８，１９については、本発明が特定する範囲よりもＳｉ(%)／３＋Ｃｒ(%)／２＋Ｍｎ(%)＋１７０Ｂ(%)値が過剰であり、焼入れ時において（３）焼割れが生じた。

比較例２０〜２２については、本発明が特定する範囲よりも、比較例２０はＡｌ量が過剰、比較例２１はＯ量が過剰、比較例２２はＰ，Ｓ，Ａｌ，Ｏ量が過剰であり、（５）介在物数が１０個を上回り、（６）疲労強度が不足していた。また、（７）腐食疲労強度も不足していた。

比較例２３〜２９については、本発明が特定する範囲よりも、比較例２３はＣ量が過剰、比較例２４はＳｉ量が過剰、比較例２５はＣｒ量が過剰、比較例２６はＣｕ量が不足、比較例２７はＮｉ量が不足、比較例２８はＣｕ(%)＋Ｎｉ(%)値が不足しており、（８）腐食ピット深さが１００μｍを超え、（７）腐食疲労強度が不足していた。

以上、本発明の高強度ばね用鋼は、圧延材の伸線加工性に優れ、焼入れにおいても割れを生じることがなく、製造性に優れている。また、焼入れ焼戻し材の強度もＨＲＣ５２以上（τ_ｍａｘ＝１１７６ＭＰａ以上）の高強度を有しつつ、疲労強度及び腐食疲労強度に優れており、高強度ばねとして適用するための所用の諸特性も有する。

次に、上述の本発明の範囲にあるばね用鋼に対して温間ショットピーニングを施して得られた、優れた疲労強度及び腐食疲労強度、耐へたり性が実現されたコイルばねを実施例として示す。ばねの成形法には冷間成形法と熱間成形法とがあるが、いずれの方法によってもかかる特徴を有するコイルばねが得られた。ここで、実施例Ａは冷間成形したばねとし、実施例Ｂは熱間成形したばねとした。また、温間ショットピーニングの温度条件は２５０℃とした。比較例としては、従来鋼（ＳＵＰ７）を冷間成形して得たばねを用いた。

表４は、実施例Ａ，Ｂに用いた本発明の高強度ばね用鋼、及び比較例に用いた従来鋼（ＳＵＰ７）の組成を示すものである。

ばねの成形法としては、冷間成形と熱間成形の２通りの方法を用い、それぞれ実施例Ａと実施例Ｂとした。比較例（ＳＵＰ７）は冷間成形とした。以下に具体的な工程を示す。なお、温間ショットピーニングの温度条件は全て２５０℃とした。
・冷間成形による方法（実施例Ａ及び比較例）
焼入れ加熱→焼入れ→焼戻し→冷間コイリング→歪み取り焼鈍→温間ショットピーニング→セッチング
・熱間成形による方法（実施例Ｂ）
焼入れ加熱→熱間コイリング→焼入れ→焼戻し→温間ショットピーニング→セッチング

以上により得られたばねの形状を示す。
・冷間ばねの形状
線径：φ１０．８、コイル平均径：φ１０８．３、自由高さ：３８０．５ｍｍ、有効巻数：４．６９、ばね定数：２２．４Ｎ／ｍｍ
・熱間ばねの形状
線径：φ１２．５、コイル平均径：φ１１０．０、自由高さ：３８２．０ｍｍ、有効巻数：５．４１、ばね定数：３３．３Ｎ／ｍｍ

ばねの硬さは５２ＨＲＣと５４ＨＲＣとした。これは以下の理由による。ばねの硬さは、成分や焼戻し温度の不可避的な変動のためにある範囲にばらつく。そこで、本発明ではその上下限として５２ＨＲＣから５４ＨＲＣの範囲で実験を行った。ここで、腐食の関与しない疲労強度及びへたり性は、ばねの硬さが高いほど優れる。一方、腐食疲労強度はばねの硬さが高いほど低くなる。したがって、１１７６ＭＰａの設計応力において十分な疲労強度とへたり性さらに腐食疲労強度を達成するためには、より低い硬さであっても、疲労強度とへたり性を満足し、かつより高い硬さであっても腐食疲労強度向上を達成しなければならない。そこで、ここでは疲労強度とへたり性では本発明のばねの硬さは５２ＨＲＣとし、従来鋼ＳＵＰ７の４９ＨＲＣと５４ＨＲＣとの比較をした。さらに、腐食疲労強度に関しては従来鋼ＳＵＰ７の５１ＨＲＣとの比較とした。

（９）疲労強度
疲労強度は、上記得られたばねを平均応力τｍ＝７３５ＭＰａで各応力振幅で加振したときの折損に至るまでの繰り返し回数で評価した。表５に試験結果を示す。

表５によると、比較例ＳＵＰ７の４９ＨＲＣと５４ＨＲＣとの疲労強度の比較においては、全ての応力振幅において硬さの高い５４ＨＲＣの疲労寿命の方が４９ＨＲＣの寿命よりも長いことがわかる。また、実施例Ａ及び実施例Ｂの硬さは５２ＨＲＣと比較例ＳＵＰ７のＨＲＣ５４よりも低いにもかかわらず、実施例Ａ，Ｂは全ての応力振幅において、比較ＳＵＰ７の５４ＨＲＣよりも長寿命である。また、最大せん断応力１１７６ＭＰａとなる条件（平均応力７３５ＭＰａ＋応力振幅４４１ＭＰａの条件）において、実施例Ａ及び実施例Ｂはいずれも２０万回以上の疲労強度を示し、軽量化を達成したばねであることがわかる。また、実施例同士の比較においては、より添加元素の多い実施例Ｂの方がより実施例Ａより長寿命を示している。

（１０）へたり性
へたり性の評価は、締め付け試験により行った。
締め付け試験とは以下の手順によって行われる。（ａ）コイルばねに所定のせん断応力、たとえば１１７６ＭＰａ、が生じるように荷重試験機によってばねに荷重Ｐ１を負荷し対応する高さＨまでばねをたわませる。この状態で治具によってばねの高さを拘束する。（ｂ）この状態のばねを所定の温度で所定の時間に加温し、本試験では８０℃で９６時間、ばねにクリープ変形を生じさせる。（ｃ）クリープ変形を生じさせたばねは、試験時間終了後治具から開放され、再度先の高さＨまでたわみを与え、そのときの荷重Ｐ２を読み取る。（ｄ）最初の負荷荷重と試験終了後の荷重の差△Ｐから下記（１）式によって残留せん断歪みγを計算する。ここで、Ｄはコイル平均径、ｄは線径、Ｇは横弾性係数である。
γ＝８Ｄ／πＧｄ３×（Ｐ１−Ｐ２）・・・（１）式
この残留せん断歪みγは、ばねのへたり性を表す。
表６に、実施例と比較例の締め付け試験によるへたり性の比較を示す。

表６によると、硬さが５２ＨＲＣの実施例Ａは、硬さの低い比較例（ＳＵＰ７）の４９ＨＲＣよりもはるかに優れたへたり性を示している。さらに、実施例Ａより硬い５４ＨＲＣのＳＵＰ７と比較しても全ての締め付け応力においてほぼ同等のへたり性を示している。さらに、硬さ５２ＨＲＣの実施例Ｂにおいては硬さの高い５４ＨＲＣのＳＵＰ７と比較しても優れたへたり性を示している。

（１１）腐食疲労強度
腐食疲労試験は以下の手順で行った。（ａ）試験に供するコイルばねを３５℃の５％ＮａＣｌの塩水噴霧を０．５時間行う。（ｂ）ばねを濡れた状態で室温において所定の試験応力、例えば７３５±４９０ＭＰａ、において３０００回の加振を行う、３０分。（ｃ）加振した後のばねを２６℃で９５％の湿潤雰囲気の恒温恒湿槽中に２３時間放置する。この手順をばねが折損するまで繰り返す。表７に試験結果を示す。

表７によると、比較例ＳＵＰ７は硬さ５１ＨＲＣであり、加振条件として７３５±３９５ＭＰａである。耐久回数は５９０００回である。これに対し、実施例Ａは硬さ５４ＨＲＣと高く、さらに試験応力の７３５±４９０ＭＰａと厳しいにもかかわらず耐久回数は６００００回と同等以上である。さらに、実施例Ｂは硬さ５４ＨＲＣ，試験条件７３５±４９０ＭＰａの条件において耐久回数は７４０００回と優れた腐食疲労強度が得られた。

Claims

質量％で、Ｃ：０.３６〜０.４８％，Ｓｉ：１.８０〜２.８０％，Ｍｎ：０.２０〜１.４０％，Ｐ：０.０１５％以下，Ｓ：０.０１０％以下，Ｃｕ：０.１０〜０.５０％，Ｎｉ：０.１０〜２.００％，Ｃｒ：０.５８〜１.２０％，Ｔｉ：０.０２０〜０.０７０％，ｓ−Ａｌ：０.００５〜０.０４０％，Ｎ：０.００２〜０.０１２％，Ｏ：０.００２％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなるとともに、
下記（１），（２），（３）式を満たし、且つ、直径１０μｍ以上の介在物が１００ｍｍ^２視野当たり１０個以下であることを特徴とする高強度ばね用鋼。
１.２％≦Ｃ(%)＋Ｍｎ(%)＋Ｃｒ(%)≦２.０％・・・（１）式
１.４％≦Ｓｉ(%)／３＋Ｃｒ(%)／２＋Ｍｎ(%)≦２．４％・・・（２）式
０.４％≦Ｃｕ(%)＋Ｎｉ(%) ・・・（３）式
質量％で、Ｃ：０.３６〜０.４８％，Ｓｉ：１.８０〜２.８０％，Ｍｎ：０.２０〜１.４０％，Ｐ：０.０１５％以下，Ｓ：０.０１０％以下，Ｃｕ：０.１０〜０.５０％，Ｎｉ：０.１０〜２.００％，Ｃｒ：０.５８〜１.２０％，ｓ−Ａｌ：０.００５〜０.０４０％，Ｎ：０.００２〜０.０１２％，Ｏ：０.００２％以下を含有し、
さらに、Ｔｉ：０.０２０〜０.０７０％，Ｎｂ：０.０２０〜０.０５０％，Ｂ：０.０００５〜０.００３０％のうちのいずれか１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなるとともに、
下記（１），（２）´，（３）式を満たし、且つ、直径１０μｍ以上の介在物が１００ｍｍ^２視野当たり１０個以下であることを特徴とする高強度ばね用鋼。
１.２％≦Ｃ(%)＋Ｍｎ(%)＋Ｃｒ(%)≦２.０％・・・（１）式
１.４％≦Ｓｉ(%)／３＋Ｃｒ(%)／２＋Ｍｎ(%)＋１７０Ｂ(%)≦２．４％・・・（２）´式
０.４％≦Ｃｕ(%)＋Ｎｉ(%) ・・・（３）式
鋼成分としてさらに、Ｍｏ：０.０１〜０.５０％，Ｖ：０.０５〜０.３０％のうちのいずれか１種または２種を含有することを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の高強度ばね用鋼。
硬さがＨＲＣ５２以上に調質された請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか１項に記載の高強度ばね用鋼を、熱間成形若しくは冷間成形によりばね形状とし、温間ショットピーニングを施すことによって、最大剪断応力が１１７６Ｍａ以上の高強度ばねを得ることを特徴とする高強度ばねの製造方法。
前記温間ショットピーニングは、２００〜３５０℃の温度域で行われることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の高強度ばねの製造方法。
請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか１項に記載の高強度ばね用鋼を用いた高強度ばねであって、硬さがＨＲＣ５２以上に調質されてなるとともに、最大剪断応力が１１７６Ｍａ以上であることを特徴とする高強度ばね。