JPH02149658A

JPH02149658A - ばね性の優れた高強度熱処理鋼帯の製造方法

Info

Publication number: JPH02149658A
Application number: JP30217388A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Ohama; 大浜　煕久; Kenichi Shinoda; 研一篠田; Tomoyoshi Iwao; 岩尾　知義; Koji Fujimoto; 藤本　光次
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1988-12-01
Filing date: 1988-12-01
Publication date: 1990-06-08

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明は、浸炭処理により表層部分の炭素量を高めた後
調質熱処理をすることにより、ばね限界値（ｋｂｏ、　
＋）が１８０　ｋｇｆ／ｍｍ”以上を発現するばね性の
すぐれた高強度熱処理鋼帯を製造する方法に関する。

（従来の技術）従来の高強度熱処理鋼帯は、高炭素のみがき帯鋼をオー
ステンパー処理するか、あるいは焼入れ焼もどし処理す
ることにより製造される。前者は熱処理後の組織がベー
ナイトのため靭性は良好であるが０．２％耐力が低く、
このためばね限界値も低くなり、自動車部品、薄物ばね
、或いはぜんまい等のばね性が要求される用途には一般
に適さない。

一方、後者の焼入れ焼もどし材は０．２％耐力も高く、
しかも高強度が得られるので、高い疲労強度やばね性が
要求される用途に数多く使用されている。しかし、最近
の自動車部品や精密機械部品などは軽量化の指向が強く
、これに使用される部品は小形化のため高品質化が要求
される。

このようなことから、薄板でしかも高いぼね限界値や疲
労強度が要求されるばね用材料においては、従来の製造
方法に従う高炭素みがき帯鋼の焼入鋼帯（例えばＳＫ５
など）では、ばね限界値や疲労強度に限界があり、製品
の小形化に対応できないものが多くなりつつある。

〈発明の目的〉本発明は前記のような問題の解決を目的としたものであ
り、従来の焼入炉もどし材では得られない特性をもつば
ね性の優れた高強度熱処理鋼帯の製造方法を提供しよう
とするものである。

〈発明の要旨〉本発明に従うばね性の優れた高強度熱処理鋼帯の製造法
は。

Ｃ：０．０１〜０．８０％。

Ｓｉ：０．０１〜０．２０％。

Ｍｎ　：　０．２０〜１．０％。

を含有し、場合によってはさらに０．０２〜１．０％の
Ｎｉ、　０．０２〜１．０％のＣｒまたは０．０２〜０
．６％のＭｏの１種または２種以上を含有し、必要に応
じてさらに０．０２〜０．３０％の■または０．０２〜
０．３０％のＮｂの１種または２種とを含有し、残部が
Ｆｅおよび不可避的不純物からなる炭素鋼の冷間圧延鋼
帯を常法に従って製造し。

この冷間圧延鋼帯を、浸炭処理後における表面（７）　
ＣｆｌＡ度カ０．７０〜１．１０　％、　＋ｆｆｉ厚中
心（７）Ｃｆｉ度が０．４０％以上であり、且つ表面と
中心のＣ濃度差が０．２０％以上になるように浸炭処理
し。

次いでこの浸炭処理鋼帯を調質熱処理することを特徴と
する。

すなわち本発明は、適切な鋼成分の選定と特定条件下で
の浸炭処理によって、美麗冷延鋼帯の表面の炭素量を板
厚中心部より高めたうえ調質熱処理を行なうことによっ
て２表面の圧縮残留応力を高め、これによってばね限界
値や疲労強度の高い高強度熱処理鋼帯を製造するのであ
り、既存の焼入炉もどし材にはない優れた特性を有する
ばね材料、とくに板厚１．Ｑ■以下の薄板ばねやぜんま
いばねに適した材料を提供するものである。なお。

浸炭処理に供する本発明の冷延鋼帯は美麗な表面に仕上
げておき、これによって浸炭処理時の粒界酸化や素材表
面粗さによる応力負荷時の切欠感受性を可及的低くする
ようにすることが肝要である。

浸炭処理後に行なう調質熱処理は焼入れ焼もどし処理を
採用するのがよい。

〈発明の詳述〉本発明に係るばね性の優れた高強度熱処理鋼帯の製造条
件について以下に詳述する。

先ず使用する素材鋼の化学成分値（重量％）について説
明する。

Ｃ：素材のＣ量は浸炭処理後のＣｆＡ度分布に影響する
。Ｃ量が低いほど浸炭後の表層と中心部のＣ濃度差が大
きくなり、焼入焼もどし後の表面の圧縮残留応力が高く
なって、高いぼね限界値が得られる。Ｃ量を０．０１％
未満に低下させてもその効果が特に向上するわけでもな
く、かえって溶製時に脱ガス処理を必要として製造コス
トが高くなるのでＣｉの下限値を０．０１％とする。他
方Ｃ量が高くなると短時間の浸炭処理で高い中心部硬さ
は得られるが、Ｃ量が０．８％を越えると浸炭処理後の
表層とのＣ濃度差０．２％を確保することができず２表
面の圧縮残留応力を高めるという本発明の特徴が発現し
ない。したがって、Ｃ量の上限を０、８％とする。

Ｓｔ　：　Ｓｉは酸素との親和力が強いため、Ｓｉ量が
高くなると浸炭処理中、特にガス浸炭中に粒界酸化が生
じやすく、表面欠陥となって疲労強度を低めるのでＳｉ
量はできる限り低い方が良＜Ｓｉ量の上限は０．２０％
とする。

Ｍｎ　：　Ｍｎは素材の焼入性を確保するために添加し
、Ｍｎ量が０．２０％未満では焼入性が不足し、調質熱
処理後に中心部硬さＨＶ４５０以上を確保することが困
難になる。一方、最大板厚１．０Ｍの調帯を焼入れるに
は、Ｍｎ量を１，０％を越えて添加しても、得られる中
心部硬さに変化はなく、その効果は飽和するのでＭｎｆ
ｉは０．１５〜１．０％の範囲とする。

Ｎｉ：Ｎｉは調質熱処理後の靭性を改善するために添加
し、その添加量が０．０２％未満ではその効果はなく、
１．０％を越えて添加してもその効果は飽和するととも
に製造コストが高くなるので、Ｎｉ１ｉは０．０５〜１
．０％の範囲とするのがよい。

Ｃｒ　：　Ｃｒは焼入性向上元素で素材の焼入性を確保
するために添加し、Ｃｒ量が０．０２％未満ではその効
果が得られなく、１．０％を越えて添加しても得られる
焼入硬さの増加はなく、その効果は飽和する。一方、　
ＣｒはＣとの親和力が強いので１％を越えて添加すると
浸炭時の表層部のｃｌが非常に高くなり、焼入れ時残留
オーステナイトが生成し、焼もどし後に高いぼね限界値
が得られなくなる。

したがってＣｒ量は０．０２〜１．０％の範囲とするの
がよい。

Ｍｏ　：　Ｍｏは酸素との親和力が弱く、かつ焼入性向
上元素でもあるので、浸炭時の粒界酸化を抑制して焼入
性を確保するのに最も好ましい元素の一つである。Ｍｏ
量が０．０２％未満では焼入性に対し効果がなく、０．
６％を越えて添加しても得られる焼入硬さの増加はなく
その効果は飽和するとともに高価な元素のため製造コス
トが高（なるので、Ｍ。

量は０．０２〜０．６％の範囲とする。

■またはＮｂ：■またはＮｂを添加したさいに生成する
炭化物は高温まで安定しているため、浸炭処理中のオー
ステナイト結晶粒が微細となり、この効果を通して調質
熱処理後の０．２％耐力、ばね限界値が高くなる。Ｖ、
Ｎｂのいずれか１種の添加量が０．０２％未満ではオー
ステナイト結晶粒の微細化効果がなく０．３０％を越え
て添加してもその効果は飽和するのでＶ、Ｎｂの添加量
はばね限界値が向上する０、０２〜０．３０％の範囲と
する。

このように成分調整した鋼を溶製し、そのスラブを通常
の圧延条件で熱間圧延し、その熱延板を酸洗したあと通
常の圧延条件で冷間圧延して好ましくは１．０　ｍｍ以
下の冷延鋼帯として仕上げる。゛次いでこの冷延鋼帯を
鋼帯状態で浸炭処理する。そのさいの浸炭条件を前記の
ように規制する理由は次のとおりである。

浸炭条件：浸炭処理によって生ずる厚み方向のＣ濃度分
布は、表面の圧縮残留応力を介してばね限界値や疲労強
度に大きく影響を与える。浸炭処理後の表層のＣＭが０
．７％未満であると、調質熱処理後の表面硬さが低く、
１８０ｋｇｆ／＋ｍ”以上のばね限界値が得られない。

また浸炭処理後の表層のＣ量が１．１％を越えると、調
質熱処理時における焼入れ時に残留オーステナイトが生
成し、焼もどし後の耐力が低くなり、やはり１８０　ｋ
ｇｆ／ｍｍ”以上のばね限界値が得られなくなる。した
がって浸炭処理は鋼帯の表面Ｃｉｉが０．７〜１．１％
となるように行なう。

他方、前記の表層Ｃ量を確保した上で、調帯厚み中心部
のＣ量が０．４％以上となるように浸炭処理することが
必要である。中心部のｃｌが０．４％未満では調質熱処
理後の中心部硬さＨｖ４５０が得られず、１８０ｋｇｆ
／ｍｍ”以上のばね限界値が得られない。

さらに表層と中心部のＣ濃度差が０．２％未満では、調
質熱処理後の表面の圧縮残留応力値が通常のＳＫ５焼入
鋼帯のそれと同等程度となり、従来材に比べて圧縮残留
応力値を高めるためには表層と中心部のｃｅ濃度差が０
．２％以上存在することが必要である。

このようにして、鋼帯の表面Ｃ量が０．７〜１．１％、
中心部のＣ量が０．４％以上、そして表層と中心部のｃ
濃度差が０．２％以上という三条性を満足したＣ濃度分
布を浸炭処理によって形成したときに、本発明で目的と
する十分なばね限界値１８０ｋｇｆ／ｍｍ”以上が達成
される。なお、浸炭処理はガス浸炭、ガス浸炭窒化ある
いは液体浸炭のいずれの方法を採用してもよい。

調質熱処理：浸炭処理により前記したＣ濃度分布が得ら
れても、Ｃ量に見合った硬さ、特に中心部硬さを得るこ
とが必要であり、このために調質熱処理を行なう。調質
熱処理してもその中心部硬さがＨｖ４５０未満では１８
０　ｋｇｆ／ｍｍ”以上のばね限界値が得られない。調
質熱処理としては、この条件を達成しやすい焼入れ焼戻
し処理を採用するのがよい。この焼入れ焼戻し処理は、
浸炭処理とは別ラインで行うことも可能であるが、浸炭
直後に行うことがコスト、品質上からも好ましい。

浸炭温度から直接的に焼入れを行なうことも有利である
。焼戻し温度は一般に５５０　’Ｃを越えると軟化が進
むため、５５０°Ｃ未満とすることが好ましい。

以下に本発明法の代表的な実施例を挙げて２本発明鋼の
特性を示す。

〈実施例１〉第１表に示す化学成分（重量％）の鋼を転炉または転炉
−説ガス設備（溶製Ｎｏ、　２のみ）を使用して溶製し
、連続鋳造によって約１０トンのスラブとし、これを通
常の圧延条件で熱間圧延を行なって板厚２．０　ｍｍの
熱延板を製造し、引続き酸洗後、冷間圧延によって板厚
０．９　ｍｍに仕上げた。冷延鋼帯の仕上げ面の粗さは
、いずれも０．３５〜０．４１μｌｌｌＲ２の範囲であ
った。

このうち比較鋼のＮαｌ　（ＳＫ５相当）は通常の焼入
れ焼もどし処理により製造したビッカース硬さＩｆｖ５
６５の焼入れ鋼帯である。

Ｎα２〜Ｎα８の名調は連続式のガス浸炭炉を用い、雰
囲気中のカーボンポテンシャル（Ｃ，Ｐ）を０．９５％
にコントロールしくＲＸガス＋ブタンガス）９００°Ｃ
の温度で、通算９０分の浸炭処理を行ない、冷却帯で冷
却後巻取りを行なった。浸炭後の各コイルを引続き、連
続式の焼入れ焼もどし炉で加熱温度８８０°Ｃ１焼もど
し温度３００　’Ｃで熱処理し焼入鋼帯を製造した。

得られた鋼帯の機械的性質、ばね限界値、Ｘ線回折によ
る残留応力の測定値などを第２表に示した。また、第３
表にＸ線マイクロアナライザーによる板断面のＣ濃度分
析を行った結果を示した。

これらの結果から次のことが明らかである。

（イ）　　比較鋼Ｎα１のＳＫ５焼入焼もどし処理材は
引張強さ１９５．４　ｋｇｆ／ｍｍ２、ばね限界値１７
５．６ｋｇｆ／ｍｍ２である。

また、溶製Ｎα２の比較鋼はＭｎ量が本発明の範囲以下
である。このため焼入性が低く、浸炭・調質熱処理後の
中心部硬さがＨＶ４１０と低い。

したがって引張強さ１３３．６　ｋｇｆ／ｍｍ２、ばね
限界値１５１．４　ｋｇｆ／ｍｍ”と、従来の焼入焼も
どし材に比べても低く、特性値の改善は認められない。

（０）次に溶製Ｎα３および４はＭｎ量を本発明範囲内
で変化させた例、溶製Ｎα６および７はＣ量を本発明範
囲内で変化させた例である。いずれも引張強さ１８１〜
１９８　ｋｇｆ／ｍｍ”で比較較Ｎａ　１と同程度の強
度レベルを示すが、表面の圧縮残留応力が高く、ばね限
界値が１８４〜１９２ｋｇｆ／ｍｌ１１！と高くなって
いる。従って本発明法によってばね性の良好な熱処理鋼
帯が得られたことがわかる。

（ハ）比較鋼の溶製隨５はＭｎ１ｌが本発明範囲より高
い例であるが、得られるばね限界値は溶製Ｎα４と同じ
１９１　ｋｇｆ／ｍｍ”で、本発明範囲より多（Ｍｎを
添加してもその効果は認められない。

さらに、溶製Ｎα８はＣ量が本発明範囲より多い例であ
るが、第３表に示す浸炭・調質熱処理後の断面のＣ濃度
分布に示すように本サンプルは表面と中心部のＣ濃度差
が０．１４％と本発明範囲の０．２％以上に比べ少くな
っており、このため表面の圧縮残留応力値が低く、また
このために、ばね限界値は比較鋼のＮｏ、　１とほぼ同
じ水準でばね特性の改善は認められない。

（ｗｔ％）〈実施例２〉第４表に示す化学成分の鋼を転炉により溶製し、連続鋳
造によって約１０トンのスラブとし、これを通常の圧延
条件で熱間圧延を行ない、板厚２．０鵬の熱延板を製造
し、引続き酸洗後冷間圧延によって板厚０．９　ｒｍに
仕上げた。

冷間圧延鋼帯の仕上げ面の粗さはいずれも０．３６〜０
．４０μｌｌｌＲ２の範囲であった。

阻９〜１６の名調は連続式のガス浸炭炉を用い、雰囲気
中のＣ０Ｐを０．９０％にコントロールしくＲＸガス＋
ブタンガス）、９００°Ｃの温度で通算９０分の浸炭処
理を行ない、その後直接油冷して焼入れし、焼入れ槽に
続く焼もどし炉で、３００°Ｃの温度で焼もどし、熱処
理鋼帯を製造した。

得られた特性値を第５表に示した。

溶製に９および１０は浸炭時の粒界酸化挙動に及ぼすＳ
ｉ量の影響を見たもので、溶製Ｎα１０の比較鋼は本発
明範囲よりも高い５ｉｆｉの例である。第１図はＮα９
について、第２図はＮα１０についての断面写真である
。第１〜２図に見られるように、Ｓｉ量が本発明の範囲
のＮα９では粒界酸化の発生は認められないのに対し、
漱１０では表面に粒界酸化が認められる。また第５表に
見られるように、これら両サンプルの引張強さ、ばね限
界値はほぼ同水準であるが、第６表にその結果を示した
ように両振り曲げ疲労試験による疲労強度は、比較鋼の
溶製Ｎｏ、１０のサンプルは本発明の溶製Ｎα９のサン
プルに比べ約７．５　ｋｇｆ／ｍｍｚ低下している。す
なわち粒界酸化層が切欠き効果を示し疲労特性を低下さ
せていることが認められる。

溶製Ｎα１１は基本成分にＮｉを添加した例、溶製Ｎα
１２はＣｒを添加した例、溶製Ｎα１３はＭｏを添加し
た例、溶製Ｎα１４はＣｒ、　Ｍｏをそれぞれ添加した
例である。

これらの浸炭・調質熱処理したサンプルはいずれも中心
部硬さがＨＶ５００以上を有し、表面の圧縮残留応力も
４９ｋｇｆ／ｍｓ”以上を有し、この結果ばね限界値は
１８４〜１８７　ｋｇｆ／ｍｍ”と従来の焼入れ焼もど
し処理した比較ｆｉＮｏ、１に比べて、いずれも高いぼ
ね限界値を示している。

さらに溶製Ｎα１５はさらにＮｂを、溶製Ｎα１６は■
をそれぞれ添加した例である。

これらの浸炭・調質熱処理したサンプルは、同一処理条
件溶製Ｎｏ、１１〜１４の本発明鋼のサンプルよりもさ
らに引張強さと表面の圧縮残留応力が高く、この結果、
ばね限界値は２００　ｋｇｆ／ｍｍ”以上とさらに高い
値が得られた。

第表〈実施例３〉第４表に示す溶製ＮＣＬ１６の鋼を用い、通常の圧延条
件で熱間圧延を行ない板厚２．０　ｍｍの熱延板を製造
し、引続き酸洗後、冷間圧延によって板厚０、９　ｍｍ
に仕上げた。冷間圧延鋼帯の仕上げ粗さは０、３８　μ
ｍＲ，であった。

この鋼帯を連続式のガス浸炭炉を用い、雰囲気中のｃ、
ｐを０．６５％にコントロールし、９００°Ｃの温度で
通算９０分の浸炭処理を行ない、その後直接油冷して焼
入れ、焼入れ槽に続く焼もどし炉で３００°Ｃの温度で
焼もどして熱処理鋼帯を製造した。

得られた特性値を実施例２の溶製Ｎ１１１６の結果（試
験ＮＣＪ、Ａ）とともに第７表に示した。

試験Ｎｏ、Ｂは浸炭処理中のｃ、ｐが０．６５％と低い
ため浸炭処理後の表面Ｃ量は０．６２％と本発明範囲よ
りも低く、また中心部のＣ量も０．２６％と低いため、
焼入れ焼もどし後の中心部硬さがＨｖ４５０より低く、
ばね限界値も１５０　ｋｇｆ／ｎｕｎ”と低い値しか得
られない。

以上の実施例結果に示されるとおり、本発明によれば、
ばね限界値が１８０　ｋｇｆ／ｍｍ２以上を有するばね
性のすぐれた高強度熱処理鋼帯が得られ、その製品は自
動車部品、精密機械部品などの薄物のばね、ぜんまい部
品として好適に利用され得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例における溶製Ｎα９の本発明例について
ガス浸炭時の粒界酸化の状態を調べるために逼った鋼板
断面の金属組織を示す金属顕微鏡写真（Ｘ４００倍）、
第２図は溶製Ｎα１０について同様の金属組織を示す金
属顕微鏡写真（Ｘ４００倍）である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ｃ：０．０１〜０．８０％、Ｓｉ：０．０１〜０．２０％、Ｍｎ：０．２０〜１．０％、を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる炭
素鋼の冷間圧延鋼帯を常法に従って製造し、この冷間圧
延鋼帯を、浸炭処理後における表面のＣ濃度が０．７０
〜１．１０％、板厚中心のＣ濃度が０．４０％以上であ
り、且つ表面と中心のＣ濃度差が０．２０％以上になる
ように浸炭処理し、次いでこの浸炭処理鋼帯を調質熱処
理することからなる、ばね性の優れた高強度熱処理鋼帯
の製造方法。
（２）Ｃ：０．０１〜０．８０％。Ｓｉ：０．０１〜０．２０％、Ｍｎ：０．２０〜１．０％、を含有し、さらに０．０２〜１．０％のＮｉ、０．０２
〜１．０％のＣｒ、０．０２〜０．６％のＭｏの１種ま
たは２種以上を含有し、残部が不可避的不純物からなる
鋼の冷間圧延鋼帯を常法に従って製造し、この冷間圧延
鋼帯を、浸炭処理後における表面のＣ濃度が０．７０〜
１．１０％、板厚中心のＣ濃度が０．４０％以上であり
、且つ表面と中心のＣ濃度差が０．２０％以上になる条
件下で浸炭処理し、次いでこの浸炭処理鋼帯を調質熱処
理することからなる、ばね性の優れた高強度熱処理鋼帯
の製造方法。
（３）Ｃ：０．０１〜０．８０％、Ｓｉ：０．０１〜０．２０％。Ｍｎ：０．２０〜１．０％、を含有し、さらに０．０２〜１．０％のＮｉ、０．０２
〜１．０％のＣｒ、０．０２〜０．６％のＭｏの１種ま
たは２種以上と、０．０２〜０．３０％のＶ、０．０２
〜０．３０％のＮｂの１種または２種とを含有し、残部
が不可避的不純物からなる綱の冷間圧延鋼帯を常法に従
って製造し、この冷間圧延鋼帯を、浸炭処理後における表面のＣ濃度
が０．７０〜１．１０％、板厚中心のＣ濃度が０．４０
％以上であり、且つ表面と中心のＣ濃度差が０．２０％
以上になる条件下で浸炭処理し、次いでこの浸炭処理鋼
帯を調質熱処理することからなる、ばね性の優れた高強
度熱処理鋼帯の製造方法。
（４）調質熱処理が焼入れ焼もどし処理である請求項１
、２または３に記載のばね性に優れた高強度熱処理鋼帯
の製造方法。
（５）調質熱処理は、鋼帯の中心部硬さがＨｖ４５０と
なる条件で行なう請求項４に記載のばね性に優れた高強
度熱処理鋼帯の製造方法。