JP6728816B2 - 高強度ばね用鋼、ばね及び高強度ばね用鋼の製造方法 - Google Patents
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Description
任意の断面におけるミクロ組織において、ベイナイトが70体積%以上、残部が0〜25体積%のマルテンサイト及び5〜15体積%の残留オーステナイトであり、
引張強度が1800MPa以上、伸びが6.0%以上であることを特徴とする高強度ばね用鋼。
(2) 前記鋼成分に、さらに質量%で、V:0.05〜1.00%を含む(1)記載の高強度ばね用鋼。
(3) 前記鋼成分に、さらに質量%で、Ni:0.10〜1.00%、Cu:0.10〜0.50%、W:0.10〜0.50%、Ti:0.020〜0.100%、Nb:0.020〜0.100%、B:0.0010〜0.0060%のうち1種または2種以上を含む(1)または(2)記載の高強度ばね用鋼。
(4) (1)〜(3)のいずれか一項に記載の高強度ばね用鋼からなるばね。
(5) 質量%で、C:0.40〜0.80%、Si:0.80〜3.00%、Mn:0.10〜1.50%、Cr:0.10〜2.00%、Mo:0.10〜1.00%、N:0.0010〜0.0070%を含み、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Al:0.050%未満に制限し、残部がFeと不純物からなる熱間圧延後の鋼材を用い、
加熱によりフェライト相からオーステナイト相への変態が完了する温度をAc3点、Ac3点以上の温度から冷却してベイナイト変態が開始する上限温度をBs点として、
前記鋼材を、Ac3点を超え(Ac3点+300℃)以下の温度でオーステナイト化後、10℃/s以上の速度で冷却し、(Bs点−250℃)を超えBs点以下の温度で300〜3600s保持し、その後10℃/s以上の冷却速度で室温まで冷却することを特徴とする(1)に記載の高強度ばね用鋼の製造方法。
(6) 前記鋼材に、さらに質量%で、V:0.05〜1.00%が含まれる(5)記載の高強度ばね用鋼の製造方法。
(7) 前記鋼材に、さらに質量%で、Ni:0.10〜1.00%、Cu:0.10〜0.50%、W:0.10〜0.50%、Ti:0.020〜0.100%、Nb:0.020〜0.100%、B:0.0010〜0.0060%のうち1種または2種以上を含む(5)または(6)記載の高強度ばね用鋼の製造方法。
Cは、鋼材の基本強度に大きな影響を及ぼす元素であり、ばね鋼として十分な強度を得るためには0.40%以上のC添加が必要である。一方でCを過剰に添加するとベイナイト変態後に粗大な炭化物が生成して延性・靭性が著しく低下する。このため、C添加量の上限を0.80%とした。
Siは、ばねの強度と耐へたり性を確保するために必要な元素であると同時に、セメンタイトの粗大化を抑制する効果もあるためにベイナイト強度を向上させる働きもある。これらの効果を得るためには、0.80%以上のSi添加が必要である。一方で、Siを過剰に添加すると鋼材の延性を著しく低下させ鋼材の脆化をもたらす。このため、Si添加量の上限を3.00%とした。
Mnは、鋼材の焼入れ性を向上させる元素であり、また鋼中に存在するSをMnSとして固定するために必要な元素である。これらの効果を得るためには、0.10%以上のMn添加が必要である。より好ましくは0.20%以上である。一方で、Mnを過剰に添加すると鋼材中の成分偏析を著しく悪化させ、残留オーステナイト量を過剰にする働きがあるため、鋼材の靭性や疲労特性を劣化させる。このため、Mn添加量の上限を1.50%とした。
Crは、鋼材の焼入れ性の向上や、セメンタイト析出を微細化して、ベイナイトの強度を向上させるために有効な元素である。これらの効果を得るためには、0.10%以上のCr添加が必要である。一方でCrを過剰に添加すると、焼入れ時に未溶解炭化物が増加して鋼材の焼入れ性が低下すると同時に、これらの炭化物が破壊起点として働いて疲労特性を低下させる。このため、鋼材強度も低下する。このため、Cr添加量の上限を2.00%とした。
Moは、Crと複合添加することでセメンタイトを微細に析出させるとともに、Cr及びMoを含む炭化物(CrMo炭化物)を微細に析出させることで、ベイナイトの強度向上に有効な元素である。これらの効果を得るためには、0.10%以上のMo添加が必要である。一方で過剰なMoを添加するとオーステナイト温度域で粗大な炭化物を形成してしまい、ベイナイト変態時の強度上昇に貢献しないだけでなく、これらの粗大な炭化物が疲労破壊の起点として働く。このため、Mo添加量の上限を1.00%とした。
Vは、セメンタイトや析出炭化物を微細化させることでベイナイト強度を向上させると同時に、オーステナイト域で析出するVNやV(N,C)粒子がピン止め粒子としてオーステナイト粒成長を抑制し、ばね鋼の高靭性化にも寄与する。これらの効果を得るためには、Vを0.05%以上添加することが望ましい。一方で、Vを過剰に添加すると、粗大な炭化物を形成してしまい、疲労特性を低下させる。このためVの添加量は1.00%以下が望ましい。
Niは鋼材の耐食性と靭性を向上させる元素であり、これらの効果を得るためには、0.10%以上のNi添加が望ましい。一方で、Niを過剰に添加すると残留オーステナイトの増加を招き、耐へたり性やばね疲労特性の低下をもたらす。このため、Niの添加量は1.00%以下が望ましい。
Cuは、Niと同様にiは鋼材の耐食性と靭性を向上させる元素であり、これらの効果を得るためには、0.10%以上のCu添加が望ましい。一方で、Cuを過剰に添加すると熱間圧延時の脆化をもたらし、製造性を著しく低下させる。このため、Cuの添加量は0.50%以下が望ましい。
Wは、析出炭化物を微細化させることでベイナイト強度を向上させる元素であり、この効果を得るためには0.10%以上のW添加が望ましい。一方で過剰なW添加は鋼材を脆化させるため、Wの添加量は0.50%以下が望ましい。
Tiは、オーステナイト中でピン止め粒子として働く微細なTiNやTi(C,N)を析出させる元素であり、熱処理中のオーステナイト粒粗大化を抑制する働きがある。この効果を得るためには、0.020%以上のTi添加が望ましい。一方でTi添加量が過剰であると、凝固直後から粗大なTiNが生成し、破壊起点として疲労寿命を低下させるため、Ti添加量は0.100%以下が望ましい。
Nbは、オーステナイト中でピン止め粒子として働く微細なNbNやNb(C,N)を析出させる元素であり、熱処理中のオーステナイト粒粗大化を抑制する働きがある。この効果を得るためには、0.020%以上のNb添加が望ましい。一方でNb添加量が過剰であると、凝固直後から粗大なNbNが生成し、破壊起点として疲労寿命を低下させるため、Nb添加量は0.100%以下が望ましい。
Bは、鋼の焼入れ性を向上させる効果を有する。さらにBは、破壊の起点となりやすい旧オーステナイト粒界に優先的に偏析することで粒界へのP及びSなどの偏析を抑制し、結果として粒界強度の上昇および靭性の向上に寄与する元素である。これらの効果を得るためには、0.0010%以上のB添加が望ましい。一方、過剰にBを含有させてもこれら効果は飽和し、さらに鋼の靱性が損なわれるおそれがあるため、B添加量は0.0060%以下が望ましい。
Nは、鋼中で各種窒化物を生成する元素であり、高温でも安定な窒化物粒子はオーステナイト粒成長のピン止め効果による旧オーステナイト粒の微細化効果を発揮する。これらの効果を得るためには、0.0010%以上のN添加が望ましい。一方で、N量が過剰であるとCrNやTiNなどの粗大な窒化物粒子が生成し、靭性低下や疲労特性低下をもたらすため、N添加量は0.0070%以下が望ましい。
Pは、不純物元素として鋼中に存在し、鋼を脆化させる。特に、旧オーステナイト粒界に偏析したPは、衝撃値の低下、および水素の侵入による遅れ破壊などを引き起こす。そのため、P含有量は少ない方がよい。鋼の脆化を防ぐためには、P含有量を0.030%未満に制限する必要がある。
Sは、Pと同様に不純物元素として鋼中に存在し、鋼を脆化させる。Sは、Mnを含有させることによりMnSとして固定することができるが、MnSも、粗大化すると破壊起点として働き、これにより鋼の破壊特性を劣化させる。これらの悪影響を抑制するためには、S含有量を0.030%未満に制限する必要がある。
Alは脱酸元素として使用される元素であり、通常の脱酸工程後のAl含有量は約0.050%未満である。過剰なAlは粗大介在物が発生する原因となり、破壊特性を劣化させる。これらの悪影響を抑制するためには、Al含有量を0.050%未満に制限することが望ましい。
本実施形態のばね用鋼は、上記組成の熱間圧延後の鋼材を、Ac3点を超え(Ac3点+300℃)以下の温度でオーステナイト化後、10℃/s以上の速度で冷却し、(Bs点−250℃)を超えBs点以下の温度で300〜3600s保持し、その後10℃/s以上の冷却速度で室温まで冷却することにより得られる。
更に、得られたばね用鋼をばねの形状に加工し、更に加工による残留応力を除去するために約350℃のひずみ取り焼鈍を行う。本実施形態では、ベイナイトさせる温度が、ひずみ取り焼鈍の温度よりも高温であるため、ひずみ取り焼鈍時にベイナイト組織が焼戻されることがなく、ばねとして使用する際にはばね加工前のワイヤと同等の強度を発揮できる。
Bs(℃)=830−270[C]−90[Mn]−37[Ni]−70[Cr]−83[Mo]
Claims (7)
- 鋼成分が質量%で、C:0.40〜0.80%、Si:0.80〜3.00%、Mn:0.10〜1.50%、Cr:0.10〜2.00%、Mo:0.10〜1.00%、N:0.0010〜0.0070%を含み、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Al:0.050%未満に制限し、残部がFeと不純物からなり、
任意の断面におけるミクロ組織において、ベイナイトが70体積%以上、残部が0〜25体積%のマルテンサイト及び5〜15体積%の残留オーステナイトであり、
引張強度が1800MPa以上、伸びが6.0%以上であることを特徴とする高強度ばね用鋼。 - 前記鋼成分に、さらに質量%で、V:0.05〜1.00%を含む請求項1記載の高強度ばね用鋼。
- 前記鋼成分に、さらに質量%で、Ni:0.10〜1.00%、Cu:0.10〜0.50%、W:0.10〜0.50%、Ti:0.020〜0.100%、Nb:0.020〜0.100%、B:0.0010〜0.0060%のうち1種または2種以上を含む請求項1または請求項2記載の高強度ばね用鋼。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の高強度ばね用鋼からなるばね。
- 質量%で、C:0.40〜0.80%、Si:0.80〜3.00%、Mn:0.10〜1.50%、Cr:0.10〜2.00%、Mo:0.10〜1.00%、N:0.0010〜0.0070%を含み、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Al:0.050%未満に制限し、残部がFeと不純物からなる熱間圧延後の鋼材を用い、
加熱によりフェライト相からオーステナイト相への変態が完了する温度をAc3点、Ac3点以上の温度から冷却してベイナイト変態が開始する上限温度をBs点として、
前記鋼材を、Ac3点を超え(Ac3点+300℃)以下の温度でオーステナイト化後、10℃/s以上の速度で冷却し、(Bs点−250℃)を超えBs点以下の温度で300〜3600s保持し、その後10℃/s以上の冷却速度で室温まで冷却することを特徴とする請求項1に記載の高強度ばね用鋼の製造方法。 - 前記鋼材に、さらにV:0.05〜1.00%が含まれる請求項5記載の高強度ばね用鋼の製造方法。
- 前記鋼材に、さらにNi:0.10〜1.00%、Cu:0.10〜0.50%、W:0.10〜0.50%、Ti:0.020〜0.100%、Nb:0.020〜0.100%、B:0.0010〜0.0060%のうち1種または2種以上を含む請求項5または請求項6記載の高強度ばね用鋼の製造方法。
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