JP5764383B2 - 車両懸架用ばね部品用鋼、車両懸架用ばね部品およびその製造方法 - Google Patents
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Description
Cは鋼が所定の強度を確保するために必要な元素であり、引張強度で1300MPa以上確保するためには0.20%を超える量が必要である。しかし、0.35%を超えてCを含有すると、炭化物が過剰になり、耐食性と靭性がともに低下しすぎるので、その上限を0.35%とした。本発明では、スタビライザおよび板ばね素材として炭素含有量の低い鋼材を用いることにより、従来の鋼材による製造方法において懸念されていた焼割れを防止するとともに、耐食性を向上させて、スタビライザおよび板ばねをさらに安全性の高いものとしている。
Siは溶製時の脱酸剤として重要である。また固溶強化に有効な元素なので、高強度化するには重要な元素である。その効果を発揮させるためには0.6%を超えてSiを添加する必要がある。一方、Si量が1.5%を超えると、靭性が低下するので、その上限を1.5%とした。
Mnは、焼入れ性を向上させ、固溶強化元素として有効な元素であり、低炭素鋼の場合、強度を確保するために重要である。また、Mnは組織を微細化し、延靭性を向上させる元素としても重要である。その効果を発揮するためには1%以上のMnを添加する必要がある。一方、3%を超えてMnを添加すると、焼戻し時に低温から析出する炭化物量が過剰になり、耐食性と靭性がともに低下するので、その上限を3%とした。
Crは、焼入れ性を向上させて強度を上げるが、耐食性にも影響を及ぼす。1300MPa以上の引張強さを確保するためには0.3%以上のCrを添加する必要がある。しかし、0.8%を超えて添加しても、焼き戻し時のCr含有炭化物が過剰に析出し、耐食性が極端に低下するので、その上限を0.8%に限定した。
Alは溶製時の脱酸剤として重要な元素である。その効果を発揮させるためには0.005%以上のAlを添加する必要がある。一方、0.080%を越えてAlを添加すると、酸化物および窒化物が過剰になり、耐食性と靭性がともに低下するので、その上限を0.080%とした。
Tiは鋼中で炭窒化物を形成し、強度の向上と結晶粒の微細化に有効な元素である。これらの効果を発揮させるためには0.005%以上のTiを添加する必要がある。一方、0.060%を越えてTiを添加すると、炭窒化物が過剰になり、耐食性と靭性がともに低下するので、その上限を0.060%とした。
Nbは、鋼中で炭窒化物を形成し、強度の向上と組織の微細化に有効な元素である。これらの効果を発揮させるためには0.005%以上のNbを添加する必要がある。一方、0.060%を越えてNbを添加すると、炭窒化物が過剰になり、耐食性と延靭性がともに低下するので、その上限を0.060%とした。
TiとNbは、上述のように鋼中で炭窒化物を形成し、強度と靭性を高める効果がそれぞれあり、両者を同時に複合添加することで相乗効果を発揮する。一方、(Ti+Nb)合計量で0.07%を超えてTiとNbを過剰に添加すると、炭窒化物が過剰になり、耐食性と靭性がともに低下するので、(Ti+Nb)合計添加量を0.07%以下に抑える。
Cuは、耐食性を向上させるのに有効な元素である。その効果を発揮させるためには0.01%以上のCuを添加する必要がある。一方、1.00%を越えてCuを添加してもその効果は飽和するので経済的ではなく、さらに熱間圧延時に表面疵が多発して製造性を損なうため、その上限を1.00%とした。
Niは、Cuと同様に耐食性を向上させる元素であり、その効果を発揮させるためには0.01%以上のNiを添加する必要がある。一方、1.00%を越えてNiを添加してもその効果は飽和するので経済的ではなく(Niは産出国が限られる希少かつ高価な金属元素)、その上限を1.00%とした。
Pは製鋼プロセスにおいて不可避的に残留または混入する不純物元素であり、結晶粒界に偏析して靭性を低下させるので、その上限を0.035%とした。
Sは、Pと同様に製鋼プロセスにおいて不可避的に残留または混入する不純物元素であり、結晶粒界に偏析して靭性を低下させる。さらに介在物であるMnSが過剰になり、靭性と耐食性がともに低下するので、その上限を0.035%とした。
Nは、鋼中で炭窒化物を形成し、強度の向上と組織の微細化に有効な元素であるが、150ppmを超えて添加すると、炭窒化物が過剰になり、靭性と耐食性がともに低下するので、その上限を150ppmとする。
前記添加元素の他に、微量であればMo、V、B、Ca、Pbなどの成分元素をさらに添加してもよい。これらの添加量をMo:1%以下、V:1%以下、B:0.010%以下、Ca:0.010%以下、Pb:0.5%以下にそれぞれ制限すれば、本発明の効果はとくに阻害されない。
本発明では、スタビライザライザあるいは板ばねの焼入れ加熱時にオーステナイト領域に一旦加熱し、その後、水や油などの冷却媒体に焼入れを行うことで所望の強度を得る。そのオーステナイト領域に加熱する際、昇温速度が30℃/sec以上の場合には、焼入れ前組織(以下、単に「前組織」という)がフェライト−パーライト組織では、特にパーライト組織のセメンタイトの溶け込みが遅いので、長い加熱保持時間が必要となり粗大で不均一なオーステナイト組織になり、焼入れ後の鋼材の靭性が低下する。このことからオーステナイト領域に加熱したときに炭化物の溶け込みが速く、微細で均一なオーステナイト組織を得るために前組織をベイナイト組織あるいはマルテンサイト組織、またはこれらの混合組織に限定する。本発明では、スタビライザライザ又は板ばねの成形加工は冷間または熱間のいずれでもよく特に限定はしない。熱間成形加工による場合は、図2の(2)に示すように熱間成形加工した直後にワークを焼入れするようにしてもよいし、また図2の(3)に示すように熱間成形加工後にワークを再加熱してから焼入れするようにしてもよい。
本発明でのスタビライザまたは板ばねにおいて、加熱後に成形して焼入れする熱間成形法での加熱方法は、従来の大気加熱炉あるいは不活性ガス雰囲気炉の焼入れ炉でも、適量のTiとNbの適量添加により、組織は微細化され、引張強さ1300MPa以上で充分な靭性が得られる。また、高周波誘導加熱手段または直接通電加熱手段を用いても良いが、昇温速度が30℃/sec以上の急速加熱する場合には前記の通り加熱前組織を限定する事により所望の特性が得られる。なお、高周波誘導加熱手段は、高周波誘導加熱炉の他に加熱対象物を簡易に取り囲むコイルを有する高周波誘導加熱コイル装置を含むものである。また、直接通電加熱手段は、加熱対象物に直接通電して抵抗発熱させるための両極端子を有する直接通電加熱装置を含むものである。なお、加熱温度に関しては、下限をオーステナイト化温度+50℃とし、上限を高くしすぎると結晶粒の粗大化や脱炭などの悪影響が懸念されるため1050℃未満とすることが好ましい。
本発明では、所望の強度として1300MPa以上の強度レベルが要求されているため、焼入れまま、または焼入れ・焼戻し後にこの強度レベルを得るためには結晶粒が微細化しすぎても焼入れ性が不足し、所望の強度が得られない。一方、一定以上の微細化を行う事により延靭性を確保する必要がある。その範囲としては旧オーステナイト結晶粒度番号で7.5〜10.5の範囲にする必要がある。より好ましくは旧オーステナイト結晶粒度番号8.5〜10.5の範囲である。なお、結晶粒度はJIS G 0551の規定に準じて測定した。具体的には、倍率を100倍とする光学顕微鏡視野において顕微鏡観察像を所定の標準図と比較することにより結晶粒度番号を判定し、1サンプルにつき10視野ずつ測定し、それらの平均値を算出して測定値とした。なお、標準図は最小単位が結晶粒度番号で1刻みであるが、顕微鏡視野下の結晶粒が2つの標準図の中間にあたる場合は0.5という表示を用いた。すなわち、顕微鏡視野下の結晶粒(観察像)が粒度番号7の標準図と粒度番号8の標準図との中間にあるときは、その結晶粒度番号Ghを7.5と判定する(表3、表4を参照)。なお、ここで旧オーステナイト粒度とは、焼入れ加熱時のオーステナイト組織の粒度のことをいう。
焼入れ後の焼戻し処理は、本発明において任意の処理であり、行なってもよいし、行なわなくてもよい。これは鋼中炭素量を低減しているので、本願限定の範囲内であれば特に焼入れ後の焼戻し処理を行わない場合であっても(塗装時の温度上昇を考慮しても)、所望の強度、発明の効果(耐食性と低温靭性)を得ることができる場合があるからである。
図1に示すように、スタビライザ10は、図示しない車体の幅方向に延び出すトーション部11と、トーション部11から両端に連続する左右一対のアーム部12とを有している。トーション部11はブッシュ14などを介して車体側に固定されている。アーム部12の端末12aは、左右のサスペンション機構15にスタビライザリンク(図示せず)などを介して連結される。トーション部11およびアーム部12は他の部品との干渉を避ける目的で通常の場合は複数個所もしくは十数箇所の曲げ加工がなされている。
次に、図2を用いて種々のスタビライザの製造例(1)〜(3)を説明する。
丸棒を所定長さに切断し、図1に示す所望の形状に冷間曲げ加工し、加熱炉内で加熱するか、または抵抗発熱装置または高周波加熱装置を用いてオーステナイト温度域まで加熱した後、焼入れし、焼入れ後焼戻し処理を施し、必要に応じて形状を矯正し、ショットピーニングし、所望の塗料を用いて塗装した。なお、本発明では、上記の製造工程のうち焼戻し処理は省略可能である。また、拘束焼入れを行えば形状矯正工程も省略することが可能である。
丸棒を所定長さに切断し、加熱炉内で加熱するか、または抵抗発熱装置または高周波加熱装置を用いてオーステナイト温度域まで加熱し、その温度域において図1に示す所望の形状に熱間曲げ加工し、焼入れし、焼入れ後焼戻し処理を施し、必要に応じて形状を矯正し、これをショットピーニングし、所望の塗料を用いて塗装した。なお、本発明では、上記の製造工程のうち焼戻し処理は省略可能である。また、拘束焼入れを行えば形状矯正工程も省略することが可能である。
丸棒を所定長さに切断し、加熱炉内で加熱するか、または抵抗発熱装置または高周波加熱装置を用いてオーステナイト温度域まで加熱し、その温度域において図1に示す所望の形状に熱間曲げ加工する。その後、必要に応じて再加熱し、焼入れし、焼入れ後焼戻し処理を施し、必要に応じて形状を矯正し、これをショットピーニングし、所望の塗料を用いて塗装した。なお、本発明では、上記の製造工程のうち焼戻し処理は省略可能である。また、拘束焼入れを行えば形状矯正工程も省略することが可能である。
(2)引張試験は、JIS4号試験片で行なった。
表1−2において、鋼No.22(参考例1)と鋼No.45(参考例24)を除いて、鋼No.23〜44(実施例2〜23)および鋼No.46〜50(実施例25〜29)はそれぞれ化学成分、熱処理前組織、旧オーステナイト結晶粒度が本発明範囲内の鋼材であり、引張強度が1300MPa以上の高強度レベルにあるにもかかわらず、表2−2に示すように腐食減量が1000(g/m2)未満で耐食性に優れ、衝撃試験温度−40℃における衝撃値が100(J/cm2)以上と低温靭性にも優れているという結果が得られた。また、疲労強度においても従来材であるNo.21(JIS SUP9)よりも、捩り疲労試験、曲げ疲労試験いずれの疲労試験においても高強度であることが証明された。
14…ブッシュ、15…サスペンション機構。
Claims (3)
- 質量%で、C:0.20%超え0.35%以下、Si:0.6%超え1.5%以下、Mn:1〜3%、Cr:0.3〜0.8%、sol.Al:0.005〜0.080%、Ti:0.05〜0.060%、Nb:0.005〜0.060%、Ti+Nb≦0.07%、N:150ppm以下、P:0.035%以下、S:0.035%以下、Cu:0.01〜1.00%、Ni:0.01〜1.00%を含み、残部がFe及び不可避不純物からなり、焼入れ後の結晶粒が旧オーステナイト粒度番号で7.5〜10.5の範囲にあり、引張強さ1300MPa以上を有する耐食性と低温靭性に優れたことを特徴とする車両懸架用ばね部品用鋼。
- 質量%で、C:0.20%超え0.35%以下、Si:0.6%超え1.5%以下、Mn:1〜3%、Cr:0.3〜0.8%、sol.Al:0.005〜0.080%、Ti:0.05〜0.060%、Nb:0.005〜0.060%、Ti+Nb≦0.07%、N:150ppm以下、P:0.035%以下、S:0.035%以下、Cu:0.01〜1.00%、Ni:0.01〜1.00%を含み、残部がFe及び不可避不純物からなり、焼入れ前の組織がベイナイト又はマルテンサイト又はベイナイト/マルテンサイトの混合組織のいずれかからなる鋼を、熱間または冷間でばね部品形状に成形加工し、前記成形加工後に高周波誘導加熱または直接通電による抵抗発熱により30℃/秒以上の昇温速度で加熱した後に直ちに焼入れを行い、焼入れ後の結晶粒を旧オーステナイト粒度番号で7.5〜10.5の範囲とし、引張強さ1300MPa以上を有する耐食性と低温靭性に優れたばね部品を得ることを特徴とする車両懸架用ばね部品の製造方法。
- 質量%で、C:0.20%超え0.35%以下、Si:0.6%超え1.5%以下、Mn:1〜3%、Cr:0.3〜0.8%、sol.Al:0.005〜0.080%、Ti:0.05〜0.060%、Nb:0.005〜0.060%、Ti+Nb≦0.07%、N:150ppm以下、P:0.035%以下、S:0.035%以下、Cu:0.01〜1.00%、Ni:0.01〜1.00%を含み、残部がFe及び不可避不純物からなり、焼入れ前の組織がベイナイト又はマルテンサイト又はベイナイト/マルテンサイトの混合組織のいずれかからなる鋼を、熱間または冷間でばね部品形状に成形加工し、前記成形加工後に高周波誘導加熱または直接通電による抵抗発熱により30℃/秒以上の昇温速度で加熱した後に直ちに焼入れし、焼入れ後の結晶粒を旧オーステナイト粒度番号で7.5〜10.5の範囲とし、引張強さ1300MPa以上を有する耐食性と低温靭性に優れていることを特徴とする車両懸架用ばね部品。
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