JP4588030B2 - 高強度ばね用鋼、並びに高強度ばね及びその製造方法 - Google Patents
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Description
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100mm2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
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。
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。
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。
[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。
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。
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100mm2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。
1.4%≦Si(%)/3+Cr(%)/2+Mn(%)+170B(%)≦2.4% ・・・(2)´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100mm2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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
・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
・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
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。
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。
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。
Claims (6)
- 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100mm2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100mm2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。
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