JPH0323616B2

JPH0323616B2 -

Info

Publication number: JPH0323616B2
Application number: JP56126280A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Yamamoto; Ryohei Kobayashi; Mamoru Kurimoto; Toshio Kosone
Original assignee: Chuo Hatsujo KK; Aichi Steel Corp
Current assignee: Chuo Hatsujo KK; Aichi Steel Corp
Priority date: 1981-08-11
Filing date: 1981-08-11
Publication date: 1991-03-29
Also published as: JPS5827955A; IT1207963B; IT8222794A0; US4544406A; AU8692482A; AU552093B2

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は焼入性、耐へたり性の優れたばね用鋼
に関するものである。近年、自動車軽量化の一環として懸架ばねの軽
量化が強く求められるようになつてきた。この要
求に対して、ばねの設計応力を上昇させ、高応力
状態で使用することにより軽量化を図ることが効
果的とされている。しかし、現用のばね用鋼を高応力下で使用する
と、耐久性が低下し、へたりが増加するという問
題が生じ、後者の「へたり」は、ばね高さの減
少、しいては車高の減少として現われ、バンパー
高さが低下するため安全上大きな問題となる。そこで、近年高応力設計を可能とする耐へたり
性の優れたばね用鋼が求められている。従来、耐へたり性の優れたばね用鋼としては、
ばね用鋼中のSiが耐へたり性に有効な元素である
ことが知られるにつれて、SUP6よりもさらにSi
量の高いSUP7が多く用いられるようになつてき
た。しかるに、懸架ばねの軽量化に対する要求は
厳しいものがありSUP7よりも更に耐へたり性の
優れたばね用鋼の開発が強く望まれていた。本願出願人はこのような背景の下に、先に高Si
ばね用鋼に適量のＶ、Nb、Moを１種ないし２種
以上添加することにより、SUP7よりもさらに耐
へたり性が優れ、かつ、ばね用鋼として必要な耐
疲労性、靭性についてもSUP7と同等な性能を有
するばね用鋼を開発して出願（特願昭55−10820
号）した。しかし、比較的大形の自動車等に使用される太
物のコイルばね、トーシヨンバーおよび厚物の重
ね板ばねにおいては、熱処理時、芯部まで焼が入
り難いことにより、芯部の組織はベイナイトある
いはフエライトーパーライトとなり、マルテンサ
イト組織に比べて硬さが低く、Ｖ、Nb、Moによ
る耐へたり性向上効果が著しく損なわれる。本発明者等は、前記の太物または厚物のばねに
対しても十分に耐へたり性を得るべき研究を重ね
た結果、高Siばね用鋼に適量のＶ、Nbを１種な
いし２種添加するとともにMnを多量に含有させ
ることによつて太物のコイルばね、トーシヨンバ
ーおよび厚物の重ね板ばねにおいても熱処理時、
芯部までマルテンサイト組織が得られ、耐へたり
性を損うことのない焼入性の優れたばね用鋼の開
発に成功したものである。また、本発明は必要に応じてＢを添加して焼入
性をさらに向上させ、かつ、希土類元素を添加し
て焼入性に加えて靭性を向上させるものであり、
さらにA1を添加し、結晶粒を微細化させること
により、耐へたり性をより向上させるもので、耐
へたり性のみならず靭性についても優れたもので
あり、かつ、ばね用鋼として必要な耐疲労性につ
いてもSUP7と同等の性質を有するものである。以下に本発明について詳述する。第１発明鋼は、重量比にしてＣ：0.50〜0.80
％、Si：1.50〜2.50％、Mn：1.60〜2.50％を含有
し、これにＶ：0.05〜0.50％あるいはＶ：0.05〜
0.50％、Nb：0.05〜0.50％を含有したもので、第
２発明は第１発明に、さらにＢ：0.0005〜0.0100
％を含有させ第１発明鋼の焼入性、耐へたり性を
さらに向上させたもので、第３発明は第２発明に
さらに希土類元素：0.30％以下を含有させ、第２
発明の焼入性、靭性をさらに改善したもので、第
４発明鋼は第１発明鋼にさらにA1：0.03〜0.10％
を含有させ第１発明鋼の結晶粒を微細化し耐へた
り性をさらに向上させたものである。本発明鋼におけるＶ、Nbの耐へたり性向上機
構を以下に説明する。Ｖ、Nbは鋼中において炭化物を形成し、この
Ｖ炭化物、Nb炭化物（以下、合金炭化物という）
は、焼入れ時に加熱に際してオーステナイト中に
溶解し、焼入れによりマルテンサイト中に過飽和
に固溶される。これを焼もどしすると、その過程
で微細な合金炭化物が再析出し、二次硬化を生
じ、これが鋼中において転位の動きを阻止するこ
とにより耐へたり性を向上させる働きをするもの
である。また、焼入れ時の加熱においてオーステナイト
中に溶解されない合金炭化物は、オーステナイト
結晶粒を微細化するとともにその粗大化を防止す
る。このように微細化した結晶粒界は転位の移動
量を少なくすることにより耐へたり性を向上させ
る。さらに、本発明鋼はNb、Ｖを含有することに
より、通常のばね用鋼の焼入れ温度である900℃
から焼入れた場合においても、その後の焼もどし
過程で再析出し、二次硬化を生じる。これは同一
焼もどし硬さ範囲を狙う場合、従来鋼に比較して
焼もどし温度範囲をより広い範囲とすることが可
能であり、狙いの硬さが安定して得られることに
なる。また、Mnについては1.60〜2.50％と多量に含
有させることにより、焼入性を向上させ十分に耐
へたり性を得るとともにフエライトを強化させる
ものである。さらに、焼入性を向上させるＢ、希土類元素の
うち、特にＢは耐へたり性にも有効な元素であ
る。すなわち、原子状のＢは鋼中において侵入型
として結晶内に固溶するもので、特に転位付近に
侵入し易い。このようにＢが侵入した転位は移動
が困難となることからへたり減少に効果を有する
ものである。また、A1は、鋼中において窒化物を形成し、
焼入れ時の加熱においてこの窒化物がオーステナ
イト結晶粒を微細化するとともにその粗大化を防
止し得る。そしてこのような微細な結晶粒は転位
の移動量を少なくすることにより耐へたり性を向
上させる。さらに、大形の自動車等に使用される太物のコ
イルばね、トーシヨンバーおよび厚物の重ね板ば
ねにおいて、焼入性をさらに向上させるためＢ、
希土類元素を添加させることにより熱処理時、芯
部までマルテンサイト組織が得られ、耐へたり性
を損なうことがないものである。以下に本発明鋼の成分限定理由について説明す
る。Ｃ量を0.50〜0.80％としたのは、0.50％未満で
は焼入れ、焼もどしにより高応力ばね用鋼として
十分な強度が得られないためであり、0.80％を越
えて含有させると過共析鋼となり靭性の低下が著
しくなるためである。 Si量を1.50〜2.50％としたのは、1.50％未満で
はSiの有するフエライト中に固溶することにより
素地の強度を上げ、耐へたり性を改善するという
効果が十分に得られないためであり、2.50％を越
えて含有させても耐へたり性向上の効果が飽和
し、かつ、熱処理により遊離炭素を生じる恐れが
あるためである。 Mnを1.60〜2.50％としたのは、Mnはフエライ
トに固溶することにより素地の強度を上げ、焼入
性を向上させることにより、耐へたり性を改善す
る元素であり、1.60％未満では焼入性向上効果が
不十分であり、2.50％を越えて含有させても耐へ
たり性向上の効果が飽和し、かつ、焼入れ、焼も
どし後の靭性が著しく低下するためである。さら
に焼入れに際して残留オーステナイトが大量に形
成される恐れがあるためである。Ｖ、Nbはいずれも本発明鋼においては耐へた
り性を改善する元素である。このような働きを奏するＶ、Nbの含有量をそ
れぞれ0.05〜0.50％としたのは、0.05％未満では
上記の効果が十分に得られないためであり、0.50
％を越えて含有させてもその効果が飽和し、か
つ、オーステナイト中に溶解されない合金炭化物
量が増加し、大きな塊となることにより非金属介
在物的な作用により鋼の疲労強度を低下させる恐
れがあるためである。これらのＶ、Nbはそれぞれを単独で添加する
ほかに、２種を複合で添加することにより、Ｖ、
Nbを単独で添加した場合に比べ、より低い温度
でオーステナイト中への溶解を開始させ、また焼
もどし過程において微細な合金炭化物の析出は、
二次硬化をより促進させることにより耐へたり性
をさらに向上させるものである。Ｂ量を0.0005〜0.0100％としたのは、0.0005％
未満では焼入性向上効果および耐へたり性向上効
果が十分に得られないためであり、0.0100％を越
えて含有させるとボロン化合物が析出し、熱間脆
性が現れるためである。希土類元素は焼入性および靭性を改善する元素
であり、0.30％以下としたのはそれ以上含有させ
ると結晶粒が粗大化する恐れがあるためである。 A1は本発明鋼において結晶粒を微細化し耐へ
たり性を改善する元素である。 A1量を0.03〜0.10％としたのは、0.03％未満で
は耐へたり性向上効果が不十分であり、上限を超
えて含有させた場合窒化物量が増加し、大きな塊
となることにより非金属介在物的な作用により鋼
の疲労強度を低下させる恐れがあるためである。つぎに本発明鋼の特徴を従来鋼と比べ実施例で

【表】

【表】もつて明らかにする。第１表は、これらの供試鋼の化学成分を示すも
のである。第１表において、A1、A2鋼は第１発明鋼、
A3、A4鋼は第２発明鋼、A5、A6鋼は第３発明
鋼で、A7、A8鋼は第４発明鋼で、B1鋼は従来鋼
でSUP7である。なお、第１表において、特許請求の範囲に記載
のないCr、Ni、Alについてその含有量が記載さ
れているが、これは製鋼過程において不可避的に
不純物として含有されるものである。本発明にお
いてはCr：0.20％以下、Ni：0.10％以下、A1：
0.030％未満を不純物量として示した。前記第１表の供試鋼を素材として第２表に示す
諸元を有するコイルばねを成形し、最終硬さが
HRC45〜55となるように焼入・焼もどし処理を
行つた後、素線の剪断応力τ＝115Kg／mmとなる
ようにセツチングを加えてへたり試験片を作成し
た。そしてこの試験片を20℃の一定温度で、素線
の剪断応力τ＝105Kg／mmとなる荷重を加え、96
時間経過（以下、これを長期荷重という）した後
のコイルばねのへたり量を測定した。

【表】そして、上記試験片の硬さに対するへたり量を
第１〜２図に示した。第１図より明らかなよう
に、本発明鋼であるMn量を高めるとともにＶを
添加したA1鋼、Ｖ、Nbを添加したA2鋼は、い
ずれも従来鋼であるB1鋼に比べすぐれた耐へた
り性を有していることが認められる。さらに第２図は、本発明鋼であるMn量を高め
るとともにＶとA1を添加したA7鋼と、Ｖ、Nb
とA1を添加したA8鋼も従来鋼であるB1鋼に比べ
すぐれた耐へたり性を有していることが認められ
る。なお、へたり量は前記長期荷重を加える前にコ
イルばねを一定の高さまで圧縮するに要した荷重
P₁と、前記長期荷重を加えた後に同一の高さま
で圧縮する要した荷重P₂とを測定し、その差ΔP
（＝P₁−P₂）より示式を用いて算出したもので、
剪断ひずみの単位を有し、残留剪断ひずみと称す
る値をもつて評価した。 γR＝１／Ｇ・Ｋ8D／πd³ΔP Ｇ：横弾性率（kgf／mm）Ｄ：コイル中心径（mm）ｄ：素線径（mm）Ｋ：ワールの修正係数（コイルばねの形状により
定まる定数）つぎに第４発明鋼であるA1を0.053、0.047％含
有させたA7、A8鋼およびB1鋼について、850〜
1100℃の温度で加熱し、酸化法により測定したオ
ーステナイト結晶粒度を第６図に示した。第６図
から明らかなように、Ｖ、Alを含有させたA7鋼、
Ｖ、NbとAlを含有させたA8鋼の第４発明鋼は従
来鋼SUP7であるB1鋼よりも微細な結晶粒が得ら
れている。また本発明鋼のA1、A2、A7、A8鋼及び従来
鋼のB1鋼について前記と同じ諸元を有するコイ
ルばね素線に、剪断応力が10〜110Kgｆ／mm²と変
動する負荷を繰返し与え疲労試験を行つた結果、
いずれのコイルばねも20万回繰り返しをしても折
損しなかつた。つぎに前記供試鋼のうちA3、A4、A5、A6鋼
およびB1鋼を素材として第３表に示す諸元を有
する平行部径30mmφのトーシヨン・バーを製作
し、最終硬さがHRC45〜55となるように焼入れ、
焼もどし処理を行つた後、シヨツトピーニング処
理を施しへたり試験片とした。へたり試験に先立
つて、試験片平行部の表面に剪断応力τ＝110Kg
ｆ／mm²が現れるようなトルクを両端に付加し、セ
ツチングを施した。セツチングの後、剪断応力τ
＝100Kgｆ／mm²となるトルクを加え、そのまま96
時間放置し、その後、ねじり角度の減少量から
YR＝Δθ・ｄ／２に従つて残留剪断歪量を求め
た。

【表】上記試験片の硬さに対するへたり量を第３〜４
図に示した。第３〜４図から明らかなようにＢを
含含有する本発明鋼A3、A4鋼、Ｂ及び希土類元
素を含有する本発明鋼A5、A6鋼から作成した平
行部径30mmΦの試験片のへたり量は、従来鋼であ
るB1鋼よりも非常に優れている。これはＢを含
有させたことにより、30mmΦのトーシヨン・バー
においても焼入れ処理により芯部まで完全にマル
テンサイトの硬化組織を得ることができ耐へたり
性が損なわれなかつたこととＢが侵入型として結
晶内、転位付近に侵入し、転位の移動が困難とな
ることによりへたり減少に効果があつたものと考
えられる。また、供試鋼のうちA3、A4鋼およびB1鋼のジ
ヨミニー曲線を第５図に示した。第５図から明ら
かなようにＢを含有させたA3、A4鋼は、それら
を含有しないB1鋼と比較して、その焼入性は飛
躍的に向上していることがわかる。さらに、供試鋼のうちA3、A4鋼およびA1鋼に
ついて、850〜1100℃の温度で加熱し、酸化法に
より測定した、オーステナイト結晶粒度を第７図
に示した。第７図から明らかなように、Ｖ、Nb
とＢを含有させたA3、A4鋼は、Ｖを単独で含有
させたA1鋼と同等のオーステナイト結晶粒度を
有しており、これよりＢ添加により、合金炭化物
による結晶粒の微細化、オーステナイト結晶粒の
粗大化阻止作用が何等損なわれないことがわか
る。第４表は第１表のA3、A4、A5、A6、B1の供
試鋼を、硬さがHRC48程度となるように焼入れ、
焼もどし処理を行い、この時の衝撃値を示したも
のである。衝撃値はJIS3号Ｕノツチ型シヤルピ試験片を用
いて測定した。

【表】第４表より明らかなように希土類元素を添加し
たA5、A6はそれらを含有しないA3、A4、B1よ
りも靭性が優れており、希土類元素を添加させた
場合には焼入性のみならず靭性をも向上し得るも
のである。さらに、本発明鋼であるA3〜A6鋼、従来鋼で
あるB1鋼から作製した上記トーシヨン・バーに
対して、剪断応力60±50Kg／mm²で繰り返し負荷を
与え疲労試験を行つた結果、いずれのトーシヨ
ン・バーも20万回繰り返し負荷を与えても折損し
なくＢ添加による疲れ寿命に対する影響のないこ
とが確認された。また、第４発明の効果を明確にするため、A1
を0.053％、0.047％含有させたA7、A8鋼と、A1
含有量が0.030％未満のA1、A2鋼とを対比しその
結果を第８図に示した。第８図から明らかなよう
に第４発明鋼でＶとAlを含有させたA7鋼はＶの
みのA1鋼に比べ優れた耐へたり性を有しまた、
Ｖ、NbとA1を含有させたA8鋼は、Ｖ、Nbを含
有させたA2鋼に比べ優れた耐へたり性を有して
おり、第４発明鋼の効果が確認された。上述の如く本発明鋼は従来の高Siばね用鋼の
Mn量を高め適量のＶ、Nbを単独あるいは複合し
て添加させ、かつ必要に応じてＢ、希土類元素の
うち１種ないし２種を含有し、また、A1を含有
することにより、従来の高Siばね用鋼の焼入性、
耐へたり性を大幅に改善することに成功したもの
で、かつ、ばね用鋼として必要な耐疲労性、靭性
についても従来鋼と比べそん色のないもので、特
に乗用車懸架ばね用鋼として極めて高い実用性を
有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１〜４図は本発明鋼、従来鋼について焼入れ
焼もどし処理後、HRC45〜55の硬さの試験片の
へたり量を示した線図、第５図はA3、A4、B1鋼
について焼入性を示した線図、第６，７図はA7、
A8、B1鋼、A3、A4、A1鋼について850〜1100
℃の焼入れ温度で加熱した場合のオーステナイト
結晶粒度を示した線図で、第８図は第４発明鋼の
耐へたり性効果を示した線図である。

Claims

【特許請求の範囲】１重量比にしてＣ：0.50〜0.80％、Si：1.50〜
2.50％、Mn：1.60〜2.50％を含有し、さらにＶ：
0.05〜0.50％あるいはＶ：0.05〜0.50％、Nb：
0.05〜0.50％を含有し、残り実質的にFeよりなる
ことを特徴とする焼入性、耐へたり性の優れたば
ね用鋼。２重量比にしてＣ：0.50〜0.80％、Si：1.50〜
2.50％、Mn：1.60〜2.50％と、Ｖ：0.05〜0.50％
あるいはＶ：0.05〜0.50％、Nb：0.05〜0.50％を
含有し、さらにＢ：0.0005〜0.0100％を含有さ
せ、残り実質的にFeよりなることを特徴とする
焼入性、耐へたり性の優れたばね用鋼。３重量比にしてＣ：0.50〜0.80％、Si：1.50〜
2.50％、Mn：1.60〜2.50％と、Ｖ：0.05〜0.50％
あるいはＶ：0.05〜0.50％、Nb：0.05〜0.50％を
含有し、さらにＢ：0.0005〜0.0100％、希土類元
素0.30％以下を含有させ、残り実質的にFeよりな
ることを特徴とする焼入性、耐へたり性の優れた
ばね用鋼。４重量比にしてＣ：0.50〜0.80％、Si：1.50〜
2.50％、Mn：1.60〜2.50％と、Ｖ：0.05〜0.50％
あるいはＶ：0.05〜0.50％、Nb：0.05〜0.50％を
含有し、さらにAl：0.03〜0.10％を含有させ、残
り実質的にFeよりなることを特徴とする焼入性、
耐へたり性の優れたばね用鋼。