JP4618682B2 - 耐水素脆化特性に優れた高強度ばね用鋼 - Google Patents
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全組織に対する面積率で、
・残留オーステナイトが1%以上、
・ベイニティックフェライト及びマルテンサイトが合計で80%以上、
・フェライト及びパーライトが合計で10%以下(0%を含む)であると共に、
上記残留オーステナイト結晶粒の平均軸比(長軸/短軸)が5以上であり、
更に引張強度が1860MPa以上であるところに特徴がある(以下「本発明鋼1」ということがある)。
全組織に対する面積率で、
・残留オーステナイトが1%以上、
・ベイニティックフェライト及びマルテンサイトが合計で80%以上、
・フェライト及びパーライトが合計で10%以下(0%を含む)であると共に、
上記残留オーステナイト結晶粒の平均軸比(長軸/短軸)が5以上であり、
更に引張強度が1860MPa以上であるところに特徴がある(以下「本発明鋼2」ということがある)。
本発明では、ベイニティックフェライトとマルテンサイトの二相組織(ベイニティックフェライトが主体)とする。前述した通り、ベイニティックフェライト組織は硬質であり、高強度が得られ易い。また、母相の転位密度が高く、この転位上に水素が多数トラップされる結果、他のTRIP鋼に比べて多量の水素を吸蔵できるという利点もある。更に、ラス状のベイニティックフェライトの境界に、本発明で規定するラス状の残留オーステナイトが生成し易く、非常に優れた伸びが得られるといったメリットもある。この様な作用を有効に発揮させるには、全組織に対する面積率で、ベイニティックフェライトとマルテンサイトを合計で80%以上、好ましくは85%以上、より好ましくは90%以上とする。尚、その上限は、他の組織(残留オーステナイト)とのバランスによって決定され得、残留オーステナイト以外の組織(フェライト等)を含有しない場合には、その上限が99%に制御される。
残留オーステナイトは、従来より知られている通り全伸びの向上に有用であるのみならず、耐水素脆化特性の向上にも大きく寄与する組織であるため、本発明では1%以上存在させる。好ましくは2%以上、より好ましくは3%以上である。尚、上記残留オーステナイトが多量に存在すると、所望の高強度を確保できなくなる為、その上限を20%とすることが推奨される。より好ましくは15%以下である。
本発明のばね用鋼は、上記組織のみ(即ち、ベイニティックフェライト+マルテンサイトと残留オーステナイトとの混合組織)から構成されていても良いが、本発明の作用を損なわない範囲で、他の組織としてフェライト(尚、ここでいう「フェライト」とは、ポリゴナルフェライト、即ち、転位密度がないか或いは極めて少ないフェライトを意味する)やパーライトを有していても良い。これらは、本発明の製造過程で必然的に残存し得る組織であるが、少なければ少ない程好ましく本発明では10%以下に抑える。好ましくは5%未満、更に好ましくは3%未満である。
Cは、1860MPa以上の高強度を確保し、且つ、残留オーステナイトを確保するために必要な元素である。詳細には、オーステナイト相中に充分なC量を含ませて、室温で所望のオーステナイト相を残留させるのに重要な元素であり、0.20%以上含有させることが必要である。好ましくは0.25%以上である。但しC量が過剰になると、靭性低下により耐水素脆化特性が低下しやすくなるので0.60%以下に抑える。好ましくは0.5%以下である。
Siは、残留オーステナイトが分解して炭化物が生成するのを有効に抑える重要な元素であり、かつ、材質の硬質化に有効な置換型固溶体強化元素でもある。この様な作用を有効に発現させるには、1.0%以上含有させることが必要である。好ましくは1.2%以上、より好ましくは1.5%以上である。但し、Si量が過剰であると、靭性低下により耐水素脆化特性が低下し易くなるので3.0%以下に抑える。好ましくは2.7%以下、より好ましくは2.5%以下である。
Mnは、オーステナイトを安定化させ、所望の残留オーステナイトを得るのに必要な元素である。この様な作用を有効に発揮させるには、1.0%以上含有させることが望ましい。好ましくは1.2%以上、より好ましくは1.5%以上である。一方、Mn量が過剰になると、偏析が顕著となり加工性が劣化しやすくなるため3.5%を上限値とする。好ましくは3.2%以下、より好ましくは3.0%以下である。
<Al:0.5%以下(0%を含まない)>(本発明鋼2の場合)
Alは脱酸のために0.01%以上を添加してもよい。またAlは、脱酸作用のみならず、耐食性向上作用と耐水素脆化特性向上作用を有する元素でもある。
Pは、粒界偏析による粒界破壊を助長する元素であるため、低い方が望ましく、その上限を0.15%とする。好ましくは0.1%以下、より好ましくは0.05%以下に抑える。
Sは、腐食環境下でばね用鋼の水素吸収を助長する元素であるため、低い方が望ましく、その上限を0.02%とする。好ましくは0.01%以下である。
Mo:1.0%以下(0%を含まない)>
Nbは、ばね用鋼の強度上昇及び細粒化に非常に有効な元素であり、特に下記Moとの複合添加により該効果が十分に発揮される。この様な効果を発揮させるにはNbを0.005%以上(より好ましくは0.01%以上)含有させることが推奨される。但し、Nbを過剰に含有させても、これらの効果が飽和して経済的に無駄であるため0.1%以下に抑える。
Ni:5%以下(0%を含まない)>
Cu及び/又はNiを含有させることによって、水素脆化の原因となる水素の発生を十分に抑制すると共に、発生した水素のばね用鋼への侵入を抑制することができる。その結果、上記組織制御によるばね用鋼の水素トラップ能力向上との相乗効果により、ばね用鋼中の拡散性水素濃度を無害レベルにまで十分に低減することができる。
Crは、変形能をほとんど損なうことなく焼入性を高めて高強度を容易に達成できる有用な元素である。この様な作用を十分に発揮させるには、0.1%以上含有させることが好ましいが、過剰に含まれるとセメンタイトが生成しやすく残留オーステナイトが残りにくくなるので、2%以下の範囲で添加することが好ましい。
Tiは、上記Cu、Niと同様に保護性さびの生成促進効果を有する。該保護性さびは、特に塩化物環境下で生成して耐食性(結果として耐水素脆化特性)に悪影響を及ぼすβ−FeOOHの生成を抑制するといった非常に有益な作用を有している。この様な保護性さびの形成は、特にTiとV(またはZr)を複合添加することで促進される。Tiは、非常に優れた耐食性を付与する元素でもあり、鋼を清浄化する利点も併せ持つ。
Zrは、ばね用鋼の強度上昇、細粒化に有効な元素であり、Tiと共存させることで、耐水素脆化特性を高めることができる。この様な効果を有効に発揮させるには、Zrを0.003%以上含有させることが好ましい。一方、Zrが過剰に含まれると、炭窒化物の析出が過剰となり加工性や耐水素脆化特性が低下するため、1.0%以下の範囲内で添加するのがよい。
Bは、ばね用鋼の強度上昇に有効な元素であり、0.0002%以上(より好ましくは0.0005%以上)含有させることが好ましい。一方、Bが過剰に含まれていると熱間加工性が劣化するため、0.01%以下(より好ましくは0.005%以下)に抑えることが好ましい。
得られた試料の半径1/2の位置での断面における任意の位置の測定領域(約50μm×50μm、測定間隔は0.1μm)を観察・撮影し、ベイニティックフェライト(BF)及びマルテンサイト(M)の面積率、残留オーステナイト(残留γ)の面積率を前述した方法に従って測定した。そして任意に選択した2視野において同様に測定し、平均値を求めた。またその他の組織を、これらの組織の占める面積率を差し引いて求めた。更に残留オーステナイト結晶粒の平均軸比を前述の方法に従って測定した。
上記各ばね用鋼から、直径8mmの引張試験片を機械加工によって製作し、該試験片を用いて引張試験を行い引張強度(TS)を測定した。
上記各ばね用鋼から、環状切り欠きノッチ付きの遅れ破壊試験片(平行部の直径8mm、ノッチ部の直径6mm)を機械加工によって製作した。そして、5%食塩中で荷重引張方式で引張試験を行い、上記TSに対する本試験での引張強度の比が0.4以上のものを耐水素脆化特性に優れると評価した。
更にばねとして必要な疲労特性を調べるべく次の様な疲労試験を行なった。即ち、上記ばね用鋼を8.0mmφまで圧延後、更に4.6mmφにまで伸線加工し、OT(Oil Tempered)ワイヤに成形したサンプルを用いて中村式回転曲げ疲労試験を行い、疲労限度を測定し、該疲労限度を上記引張強度で除して疲労限度比を求めた。そしてこの疲労限度比が0.30以上のものを疲労特性に優れると評価した。尚、該疲労試験は、上記引張強度が1860MPa以上のものを対象に行った。引張強度が低いと相対的に疲労特性も確保されているからである。
Claims (4)
- 質量%で、
C :0.20〜0.60%、
Si:1.0〜3.0%、
Mn:1.0〜3.5%、
Al:1.5%以下(0%を含まない)、
P :0.15%以下、
S :0.02%以下
を満たし、残部が鉄及び不可避不純物からなるものであって、
全組織に対する面積率で、
残留オーステナイトが1%以上、
ベイニティックフェライト及びマルテンサイトが合計で80%以上、
フェライト及びパーライトが合計で10%以下(0%を含む)であると共に、
上記残留オーステナイト結晶粒の平均軸比(長軸/短軸)が5以上であり、
更に引張強度が1860MPa以上であることを特徴とする耐水素脆化特性に優れた高強度ばね用鋼。 - 質量%で、
C :0.20〜0.60%、
Si:1.0〜3.0%、
Mn:1.0〜3.5%、
Al:0.5%以下(0%を含まない)、
P :0.15%以下、
S :0.02%以下
を満たし、残部が鉄及び不可避不純物からなるものであって、
全組織に対する面積率で、
残留オーステナイトが1%以上、
ベイニティックフェライト及びマルテンサイトが合計で80%以上、
フェライト及びパーライトが合計で10%以下(0%を含む)であると共に、
上記残留オーステナイト結晶粒の平均軸比(長軸/短軸)が5以上であり、
更に引張強度が1860MPa以上であることを特徴とする耐水素脆化特性に優れた高強度ばね用鋼。 - 更に、質量%で、
Nb:0.1%以下(0%を含まない)、及び/又は
Mo:1.0%以下(0%を含まない)
を含む請求項1または2に記載の高強度ばね用鋼。 - 更に、質量%で、
Cu:2%以下(0%を含まない)、及び/又は
Ni:5%以下(0%を含まない)
を含む請求項1〜3のいずれかに記載の高強度ばね用鋼。
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