JP5520591B2 - 高疲労強度板ばね用鋼及び板ばね部品 - Google Patents
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Description
この高強度化においては疲労強度の向上が特に重要であり、そのための対策の一つとして、材料の高硬度化がある。
このような理由から、高硬度化しても腐食疲労強度が低下しにくい鋼材の開発が強く望まれていた。
したがって、丸棒ばねでは顕著に生じないが板ばねでは顕著に生じる板ばね特有の問題を解決できる最適な成分系とはなっていなかった。
さらに、板ばねにおいては、丸棒ばねと共通の課題である耐水素脆性の向上や高硬さ域での靱性向上も含めて解決する必要があり、その点について考慮した上で最適な板ばね用鋼を提供する必要がある。
また、本願発明者らは、後述の通り、板ばね製造時においてもフェライト脱炭が生じ難く、かつ高硬度域で優れた特性を確保できる成分系を見出した。上述したTi添加と組み合わせて対策を実施することにより、高硬度域で優れた疲労寿命を安定して確保できる板ばね部品を製造できることを見出し、本願発明を完成させた。
TiとNの含有率がTi/N≧10を満足することを特徴とする高疲労強度板ばね用鋼にある。
さらに質量%で、Cu:0.20〜0.50%、Ni:0.20〜1.00%、V:0.05〜0.30%、及びNb:0.01〜0.30%から選ばれる1種以上を含有し、
残部がFe及び不純物元素からなり、
TiとNの含有率がTi/N≧10を満足することを特徴とする高疲労強度板ばね用鋼にある。
特に、Ti及びTi/Nの範囲を上記のごとく規定しているため、微細なTiCを析出させ、焼入加熱時に微細なオーステナイト結晶粒を得ることができる。そのため、上記板ばね用鋼においては、焼入焼戻し時に発生しうる粗大なベイナイトの生成を抑制することができる。それ故、上記板ばね用鋼は、これを用いて高強度ショットピーニング処理を施した板ばね部品を作製しても、粗大なベイナイトを起点とする早期折損を防止することができ、優れた疲労強度を発揮することができる。
また、上記板ばね用鋼においては、上記のごとく、C含有率を比較的低くしながら脱炭量の増加に問題が生じない上記特定範囲でSiを含有させることにより、焼もどし軟化抵抗を高め、より高い温度での焼き戻しを可能にする。さらに、Ti及びBを必須成分として添加することにより、耐水素脆性を高めると共に粒界強度の向上を図っている。
その結果、高硬度域において、優れた靱性を示すことができる。特に、HV510以上の高硬度域においてはその効果が顕著になる。
上記板ばね部品は、上記高疲労強度板ばね用鋼を用いているため、高強度化のために硬さを高め、水素脆化が問題となる硬さ領域においても優れた靱性を確保することができ、高強度ショットピーニングにより確実に寿命向上を図ることができる。
特に、HV510以上の高硬度域においては、靱性の向上効果が顕著になる。
以下、各成分毎に含有率の範囲を限定した理由について説明する。
Cは、焼入焼戻し処理後に十分に優れた強度及び硬さを確保するために不可欠な元素である。
Cの含有率が0.4%未満の場合には、ばねとしての強度が不十分になるおそれがある。また、C含有率が低下すると、高硬度、特にHV510以上の硬さを得るのに低い温度での焼き戻しを行わなければならなくなる。その結果、水素脆化強度比が低くなり、水素脆化が起こりやすくなるおそれがある。
一方、0.54%を越える場合には、高硬度域における靱性が、Ti、Bを添加しても低下傾向になると共に、水素脆化が起こりやすくなるおそれがある。靱性を特に向上させるためには、上限を0.50%未満とすることがが好ましい。
即ち、通常、低硬度域においてはC含有率が低い方が靱性は大きくなる。しかし、本発明の対象としているばね部品は、高硬度(好ましくはHV510以上)を狙いとするため、C含有率が0.40%台の場合には高硬度を得るために焼き戻し温度を低くする必要が生じ、低温焼き戻し脆性域になる可能性が高くなる。その結果、C含有率が0.50%台の場合に比べてかえって靱性が低下するという逆転現象が生じてしまう。しかし、本発明のように、Ti、Bの両方を必須成分として添加することにより、0.40%台というばね用鋼としては低いC含有率にしても高硬度域における靱性が向上し、C含有率が0.54%を超える場合と比較してさらに靱性を向上させることができる。特に、C含有率を0.50%未満とした場合に靱性の向上効果が顕著になる。
Siは、焼き戻し軟化抵抗を高める効果を有し、高硬度を狙う場合でもより高い焼き戻し温度への設定を可能にする。その結果、高強度及び高靱性を確保すると共に、水素による脆化を防止して、腐食疲労強度の改善を可能にする元素である。
Siの含有率が0.40%未満の場合には、焼き戻し温度を低くしないと狙いの硬さが得られなくなり、靱性を十分に向上できなくなるおそれがある。また、この場合には、水素脆化を十分に抑制することができなくなるおそれがある。一方、0.90%を超える場合には、丸棒を素材とするばねに比べて断面積が大きく、圧延後の冷却速度が小さくなる板ばね用鋼においてはフェライト脱炭を助長させ、疲労強度の低下の原因となる。
また、靱性をより向上できるという観点から、Si含有率は0.50%を超えて含有させることが好ましい。
Mnは、板ばね用鋼として必要な焼入性を確保するために必要不可欠な元素である。
Mnの含有率が0.40%未満の場合には、板ばね用鋼として必要な焼入性を確保することが困難になるおそれがある。一方、1.20%を超える場合には、焼入性が過剰になり、焼割れが発生し易くなるおそれがある。
Crは、板ばね用鋼として必要な焼入性を確保するために必要不可欠な元素である。
Crの含有率が0.70%未満の場合には、板ばね用鋼として必要な焼入性及び焼戻し軟化抵抗性を確保することが困難になるおそれがある。一方、1.50%を超える場合には、焼入性が過剰になり、焼割れが発生し易くなるおそれがある。
Tiは、水素のトラップサイトとなりうるTiCとなって鋼中に存在し、耐水素脆性を向上させる効果がある。また、鋼中のCと共に微細なTiCを形成し、焼入焼戻し組織を微細化し、粗大ベイナイトの生成を抑制することができる。また、Nと結合してTiNとなることにより、BNの生成を抑制し、Bを添加することによる後述の効果が得られなくなることを防止する効果がある。
Tiの含有率が0.070%未満の場合には、Ti添加による上述の効果が十分に得られなくなるおそれがある。一方、0.15%を超える場合には、TiCが粗大化し易くなるおそれがある。
Bは、板ばね用鋼として必要な焼入性を確保するために必要な元素であるが、さらに粒界強度の向上にも効果がある。
Bの含有率が0.0005%未満の場合には、板ばね用鋼として必要な焼入性の確保及び粒界強度の向上が困難になるおそれがある。また、Bは、極めて少量の含有で効果を得られる元素であり、多量に含有させてもその効果が飽和する。よって、B含有率の上限は上述のごとく0.0050%とすることができる。
上述のBは、Nと非常に結合しやすい元素であり、不純物として含有するNと結合し、BNとなって存在した場合には、Bによる上述の効果が十分に得られなくなるおそれがある。よって、Nの含有率は、0.0100%以下とする。
Ti/N<10の場合には、TiCの生成が不十分なため、結晶粒が粗大化し、疲労強度が低下したり、耐水素脆化特性が劣化したりするおそれがある。
また、後述する実施例に示すように、Ti≧0.07、Ti/N≧10とした鋼は、水素チャージによる強度低下を大きく抑制することができる。
一方、上記第2の発明の板ばね用鋼は、上記第1の発明と同様にC、Si、Mn、Cr、Ti、B、及びNを上記特定量含有し、さらに質量%で、Cu:0.20〜0.50%、Ni:0.20〜1.00%、V:0.05〜0.30%、及びNb:0.01〜0.30%から選ばれる1種以上を含有し、残部がFe及び不純物元素からなる。
このようにCu、Ni、V、及びNbから選ばれる1種以上を上記特定の含有率で含有する場合には、硬度域における靱性、及び耐食性をより向上させることができる。
以下、Cu、Ni、V、及びNbの各成分毎に含有率の範囲を限定した理由について説明する。
Cu及びNiの含有率が0.20%未満の場合には、これらの添加元素による耐食性の向上効果が十分に得られなくなるおそれがある。また、Cuを多量に含有させると耐食性の向上効果が飽和すると共に、熱間加工性が悪くなるおそれがあるため、Cu含有率の上限は0.50%が好ましい。また、Niを多量に含有させても耐食性の効果が飽和し、高コストの原因となるため、Ni含有率の上限は1.00%が好ましい。
Vの含有率が0.05%未満の場合又はNbの含有率が0.01%未満の場合には、これらの添加元素による結晶粒の微細化効果が十分に得られなくなるおそれがある。また、V及びNbを多量に含有させても靱性の効果が飽和し、高コストの原因となるため、V及びNbの含有率の上限は0.30%が好ましい。
即ち、上記板ばね部品には、高強度ショットピーニングが施されていることが好ましい。この場合には、優れた疲労強度を発揮することができる。
本発明の板ばね用鋼は、高硬度の板ばね部品に適用したときに、優れた靱性及び疲労強度を発揮することができ、上述のようにビッカース硬さがHV510以上という高硬度域においては、かかる作用効果が顕著になる。
ビッカース硬さは、焼入後に行う焼戻しの温度を例えば低く制御することにより、上述のごとくHV510以上に調整することができる。
本例は、本発明の板ばね用鋼にかかる実施例及び比較例について説明する。
まず、表1に示す化学成分を有する板ばね用鋼(試料E1〜試料E13、及び試料C1〜試料C10)を複数種類用意した。なお、表1に記載の成分のうちCu、Niについては、これらの一部は不純物としての含有率を示してある。
表1に示す板ばね用鋼のうち、上記試料E1〜試料E13は本発明鋼であり、上記試料C1〜試料C7はC、Si、Ti、TiN等の一部成分含有率が本発明鋼とは異なる比較鋼であり、試料C8は従来鋼であるSUP10、試料C9は従来鋼であるSUP11A、試料C10は従来鋼であるSUP6である。
このようにして得られた丸棒及び板材を用いて、後述の各種評価試験に用いる試験片(丸棒試験片又は板材試験片)を作製し、各種評価を行った。具体的には、丸棒については、後述の衝撃試験、脱炭試験、旧オーステナイト結晶粒径測定、及び水素脆化特性試験を実施し、板材については、後述の圧延材脱炭試験、耐久試験、及び耐食性評価を実施した。
<衝撃試験>
上述の丸棒からUノッチ試験片を作製し、ねらい硬さHV540(ビッカース硬さ)になるように成分の違いによる焼き戻し軟化抵抗の違いを考慮し、焼き戻し温度を調整して焼入及び焼戻しを施し(以下に記載の「焼入焼戻し」も同様)、組織を焼戻しマルテンサイト組織とした。その後、室温にて衝撃試験を実施した。
また、炭素(C)含有率と衝撃値、及びケイ素(Si)含有率と衝撃値との関係をグラフにプロットした。C含有率と衝撃値との関係を図1に示し、Si含有率と衝撃値との関係を図2に示す。
まず、φ18mmの丸棒から切削により直径φ8mm、高さ12mmの円柱型試験片を作製(試験前の脱炭量は0)した。次いで、円柱型試験片を真空中で昇温速度900℃/分で加熱し、温度900℃で5分間保持した。その後、大気雰囲気にて、予め測定しておいた上述の板材作製時における熱間圧延後の冷却曲線と同等の冷却速度で冷却した。次いで、試験片を切断し、研磨した後、ナイタールによりエッチングした。その後、光学顕微鏡により表層の脱炭深さ(DM−F)を測定した。その結果を表2に示す。
また、ケイ素(Si)含有率と脱炭深さとの関係をグラフにプロットした。これを図3に示す。
φ18mm×30mmの丸棒試験片を、温度950℃で加熱し、油焼入してマルテンサイト組織とした。次いで、試験片を切断研磨した後、ピクリン酸水溶液中に浸漬して旧オーステナイト結晶粒界を現出させ、光学顕微鏡にて結晶粒径(旧γ結晶粒径)を測定した。その結果を表2に示す。
また、チタン(Ti)含有率と旧γ結晶粒径、及びTi/N率と旧γ結晶粒径との関係をグラフにプロットした。Ti含有率と旧γ結晶粒径との関係を図4に示し、Ti/N率と旧γ結晶粒径との関係を図5に示す。
円柱形状の試験片(φ8mm×75mm)の平行部に深さ1mmの環状ノッチを付与した丸棒試験片を作製し、ねらい硬さHV540(ビッカース硬さ)になるように焼入及び焼戻しを施し、焼戻しマルテンサイト組織とした。次いで、この試験片を5wt%チオシアン酸アンモニウム水溶液(温度50℃)に30分間浸漬させることにより、水素チャージを実施した。次いで、試験片を水溶液中から引上げて5分後に引張試験を実施した。
引張試験は、歪速度2×10-5/secの条件で行い、破断時の荷重により評価した。比較のため、水素チャージを行っていない試験片についても同様の試験を行った。
また、チタン(Ti)含有率と水素脆化強度比、及びTi/N率と水素脆化強度比との関係をグラフにプロットした。Ti含有率と水素脆化強度比との関係を図6に示し、Ti/N率と水素脆化強度比との関係を図7に示す。
圧延により作製した幅70mm×厚さ20mmの圧延材を長手方向に垂直な断面で切断し、光学顕微鏡により脱炭深さ(DM−F)を測定した。その結果を表2に示す。また、板材との形状・断面積等の違いによる脱炭深さへの影響を明確するため、板材製造に用いた鋼塊と同じ鋼塊を圧延してφ12mmの丸棒を作製し、同様に断面を切断して脱炭深さ(DM−F)を測定した。その結果を表2に示す。
熱間圧延により作製した幅70mm×厚さ20mmの圧延材を板ばね形状に成形加工した。次いで、ねらい硬さHV540(ビッカース硬さ)になるように焼入及び焼戻しを施し、焼戻しマルテンサイト組織とした後、高強度ショットピーニング処理を施した。高強度ショットピーニングは、温度300℃、曲げ応力1400MPaの条件で行った。このようにして得られたショットピーニング処理を施した板ばね部品について、760±600MPaの応力で破断するまで耐久試験を実施し、各試料から得られた板ばね部品の破断寿命及び破壊起点を測定した。
破断寿命は、破断が生じるまでの回数を測定し、40万回を超える場合を「○」として評価し、40万回以下の場合を「×」として評価した。その結果を表2に示す。また、破断面を観察し、破壊起点を調べた。破壊起点が表面にある場合には「表面」とし、内部にある場合には「内部」としてその結果を表2に示す。さらに破壊起点が内部にあった場合には、破壊起点が粗大組織にあるか介在物にあるかを顕微鏡で確認した。その結果を表2に示す。
圧延により作製した幅70mm×厚さ20mmの圧延材に焼入及び焼戻しを施してマルテンサイト組織とした後、切削により幅30mm×厚さ8mm×長さ100mmの板状試験片を作製した。次いで、板状試験片に、濃度5wt%、温度35℃の塩化ナトリウム水溶液(塩水)を2時間噴霧し(塩水噴霧処理)、温度60℃の熱風で4時間乾燥させ(乾燥処理)、さらに温度50℃、湿度95%以上の条件で2時間湿潤させた(湿潤処理)。これらの塩水噴霧処理、乾燥処理、及び湿潤処理を1サイクルとし、これを合計60サイクル繰り返し行った。その後、試験片表面に生成した腐食生成物を除去し、腐食部の断面に現れる最大の腐食ピット深さを光学顕微鏡を用いて測定した。その結果を表2に示す。
また、Ti/N率が低すぎる試料C7においては、旧γ結晶粒径が大きくなり、内部の粗大組織で破壊が起こりやすくなり、耐久性が悪くなる。
また、本発明ではSiの含有率の下限を0.40%としているが、表2及び図2より知られるごとく、高硬度域における衝撃値を高くして靱性をより向上させるためには、Si含有率を0.50%を超える量まで高めることが好ましい。
実施例1においては、HV540を狙い硬さとしたが、本例においては、狙い硬さを変更した試験片について衝撃試験を行い、硬さと衝撃値との関係を調べた。
即ち、実施例1の試料E1、試料E12、試料C3、及び試料C8について、狙い硬さを変えて焼入及び焼戻しを施して試験片を作製し、実施例1と同様に衝撃試験を行った。その結果を表3及び図8に示す。図8は、横軸に各試料のビッカース硬さ(HV)をとり、縦軸に各試料の衝撃値をとり、硬さと衝撃値との関係を示すものである。
これに対し、本願発明の組成範囲にある試料E1及び試料E12は、硬さを高くしても、高い衝撃値を維持しており、優れた強度と靱性を兼ね備えることがわかる。
Claims (6)
- 質量%で、C:0.40〜0.54%、Si:0.40〜0.90%、Mn:0.40〜1.20%、Cr:0.70〜1.50%、Ti:0.070〜0.150%、B:0.0005〜0.0050%、N:0.0100%以下を含有し、残部がFe及び不純物元素からなり、
TiとNの含有率がTi/N≧10を満足する板ばね用鋼を用いて成形された板ばね部品であって、
ビッカース硬さがHV486以上であることを特徴とする高疲労強度板ばね部品。 - 質量%で、C:0.40〜0.54%、Si:0.40〜0.90%、Mn:0.40〜1.20%、Cr:0.70〜1.50%、Ti:0.070〜0.150%、B:0.0005〜0.0050%、N:0.0100%以下を含有し、
さらに質量%で、Cu:0.20〜0.50%、Ni:0.20〜1.00%、V:0.05〜0.30%、及びNb:0.01〜0.30%から選ばれる1種以上を含有し、
残部がFe及び不純物元素からなり、
TiとNの含有率がTi/N≧10を満足する板ばね用鋼を用いて成形された板ばね部品であって、
ビッカース硬さがHV486以上であることを特徴とする高疲労強度板ばね部品。 - 旧γ結晶粒径が13.2μm以下である焼戻しマルテンサイトからなる鋼組織を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の高疲労強度板ばね部品。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の板ばね部品には、曲げ応力650〜1900MPaを負荷した状態で、かつ室温〜400℃の温度域で行うショットピーニング処理が施されていることを特徴とする高疲労強度板ばね部品。
- 請求項1に記載の高疲労強度板ばね部品に用いられる板ばね用鋼であって、
質量%で、C:0.40〜0.54%、Si:0.40〜0.90%、Mn:0.40〜1.20%、Cr:0.70〜1.50%、Ti:0.070〜0.150%、B:0.0005〜0.0050%、N:0.0100%以下を含有し、残部がFe及び不純物元素からなり、
TiとNの含有率がTi/N≧10を満足することを特徴とする高疲労強度板ばね用鋼。 - 請求項2に記載の高疲労強度板ばね部品に用いられる板ばね用鋼であって、
質量%で、C:0.40〜0.54%、Si:0.40〜0.90%、Mn:0.40〜1.20%、Cr:0.70〜1.50%、Ti:0.070〜0.150%、B:0.0005〜0.0050%、N:0.0100%以下を含有し、
さらに質量%で、Cu:0.20〜0.50%、Ni:0.20〜1.00%、V:0.05〜0.30%、及びNb:0.01〜0.30%から選ばれる1種以上を含有し、
残部がFe及び不純物元素からなり、
TiとNの含有率がTi/N≧10を満足することを特徴とする高疲労強度板ばね用鋼。
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