JPH05195153A - 高強度ばね用鋼 - Google Patents
高強度ばね用鋼Info
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- Metallurgy (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 引張強度が２００Kgf/mm2 以上であり、且つ
ばね特性として重要な疲労特性やへたり特性に優れ、且
つ腐食疲労特性の良好な高強度ばねを得ることのできる
ばね用鋼を提供することを目的とする。 【構成】 鋼材中に含まれるＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃ
ｒ，Ｍｏ，Ｖ等の各含有率を特定すると共に、550-333
[C]-34[Mn]-20[Cr]-17[Ni]-11[Mo] ≧300（但し、［元
素］は各元素の重量％）の関係を満たし、且つ酸化物系
介在物の平均粒子径の特定された、高強度で疲労特性の
改善されたばね用鋼である。また上記構成に加えて、50
[Si]+25[Ni]+40[Cr]-100[C]≧230の関係を満足させるこ
とによって腐食疲労特性も改善することができる。
ばね特性として重要な疲労特性やへたり特性に優れ、且
つ腐食疲労特性の良好な高強度ばねを得ることのできる
ばね用鋼を提供することを目的とする。 【構成】 鋼材中に含まれるＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃ
ｒ，Ｍｏ，Ｖ等の各含有率を特定すると共に、550-333
[C]-34[Mn]-20[Cr]-17[Ni]-11[Mo] ≧300（但し、［元
素］は各元素の重量％）の関係を満たし、且つ酸化物系
介在物の平均粒子径の特定された、高強度で疲労特性の
改善されたばね用鋼である。また上記構成に加えて、50
[Si]+25[Ni]+40[Cr]-100[C]≧230の関係を満足させるこ
とによって腐食疲労特性も改善することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の弁ばねや懸
架ばね等に使用される高強度ばね用鋼に関し、特に材料
強度が２００kgf/mm2 以上であり、しかもばね特性とし
て要求される疲労寿命およびへたり特性を十分に満足
し、更には耐食性を高めて腐食疲労特性の改善された高
強度ばねを製造する為のばね用鋼に関するものである。
架ばね等に使用される高強度ばね用鋼に関し、特に材料
強度が２００kgf/mm2 以上であり、しかもばね特性とし
て要求される疲労寿命およびへたり特性を十分に満足
し、更には耐食性を高めて腐食疲労特性の改善された高
強度ばねを製造する為のばね用鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ばね用鋼の化学成分はJIS G3565 〜356
7，4801等に規定されており、それから製造された圧延
材に対して所定の線径まで伸線加工し、その後オイルテ
ンパー処理後ばね加工（冷間加工）したり、圧延材を伸
線加工した後、加熱してばね成形した後焼入れ焼戻し
（熱間加工）を行なうこと等により、各種ばねが製造さ
れている。近年ばねに対する要求が次第にきびしくなる
につれ、各種の合金鋼に夫々熱処理を施したものが多く
利用されている。
7，4801等に規定されており、それから製造された圧延
材に対して所定の線径まで伸線加工し、その後オイルテ
ンパー処理後ばね加工（冷間加工）したり、圧延材を伸
線加工した後、加熱してばね成形した後焼入れ焼戻し
（熱間加工）を行なうこと等により、各種ばねが製造さ
れている。近年ばねに対する要求が次第にきびしくなる
につれ、各種の合金鋼に夫々熱処理を施したものが多く
利用されている。
【０００３】従来のばね鋼においては、焼入れ焼戻し後
の強度が１６０〜１８０kgf/mm2 程度であるのが一般的
であるが、強度が２００kgf/mm2 以上の高強度ばね用鋼
が要求される様になってきた。従来鋼の強度を熱処理等
によって２００kgf/mm2 以上にすることも可能である
が、その様にした場合、ばね特性として必要な疲労寿命
およびへたり特性が満足できないという問題があった。
の強度が１６０〜１８０kgf/mm2 程度であるのが一般的
であるが、強度が２００kgf/mm2 以上の高強度ばね用鋼
が要求される様になってきた。従来鋼の強度を熱処理等
によって２００kgf/mm2 以上にすることも可能である
が、その様にした場合、ばね特性として必要な疲労寿命
およびへたり特性が満足できないという問題があった。
【０００４】更に一般的傾向として、ばね用鋼において
は素線の強度を高めるにつれて、ばね特性の一つである
腐食疲労特性が著しく低下する傾向があることは良く知
られている。腐食疲労特性が悪化する一つの理由として
は、使用中にばね表面に深さ約１００μｍ程度の孔食が
生じ、それが応力集中源となって疲労亀裂の発生・進展
の起点となることが挙げられる。また、高強度化するに
つれて傷に対する感受性も敏感になると言われている。
このため、比較的短い使用期間で折損等を生ずることが
懸念され、特に北米地方の様に冬季に凍結防止剤として
塩を撒く様な高腐食環境下で使用される自動車部品など
として使用する場合は、腐食疲労特性が大きな問題とな
る。
は素線の強度を高めるにつれて、ばね特性の一つである
腐食疲労特性が著しく低下する傾向があることは良く知
られている。腐食疲労特性が悪化する一つの理由として
は、使用中にばね表面に深さ約１００μｍ程度の孔食が
生じ、それが応力集中源となって疲労亀裂の発生・進展
の起点となることが挙げられる。また、高強度化するに
つれて傷に対する感受性も敏感になると言われている。
このため、比較的短い使用期間で折損等を生ずることが
懸念され、特に北米地方の様に冬季に凍結防止剤として
塩を撒く様な高腐食環境下で使用される自動車部品など
として使用する場合は、腐食疲労特性が大きな問題とな
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこの様な事情
に着目してなされたものであって、その目的は、強度が
２００kgf/mm2 以上であり、しかも耐疲労特性や耐へた
り特性、更には耐腐食疲労特性にも優れた高強度ばねを
与えるばね用鋼を提供することにある。
に着目してなされたものであって、その目的は、強度が
２００kgf/mm2 以上であり、しかも耐疲労特性や耐へた
り特性、更には耐腐食疲労特性にも優れた高強度ばねを
与えるばね用鋼を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明の高強度ばね用鋼とは、 Ｃ ：０．３〜０．５％（重量％の意味、以下同じ） Ｓｉ：１．０〜４．０％ Ｍｎ：０．２％以上０．５％未満 Ｎｉ：０．５〜４．０％ Ｃｒ：０．３〜５．０％ Ｍｏ：０．１〜２．０％ Ｖ ：０．１〜０．５％
発明の高強度ばね用鋼とは、 Ｃ ：０．３〜０．５％（重量％の意味、以下同じ） Ｓｉ：１．０〜４．０％ Ｍｎ：０．２％以上０．５％未満 Ｎｉ：０．５〜４．０％ Ｃｒ：０．３〜５．０％ Ｍｏ：０．１〜２．０％ Ｖ ：０．１〜０．５％
【０００７】を夫々含有し、あるいは更に、Ｎｂ：０．
０５〜０．５％および／またはＣｕ：０．１〜１．０％
を含有し、あるいは更に他の成分としてＡｌ：０．０１
〜０．１％および／またはＣｏ：０．１〜５．０％を含
有し、残部鉄および不可避不純物からなり、 550-333[C]-34[Mn]-20[Cr]-17[Ni]-11[Mo] ≧300 （但し、［元素］は各元素の重量％を表す）の関係を満
足するところに要旨を有するものである。
０５〜０．５％および／またはＣｕ：０．１〜１．０％
を含有し、あるいは更に他の成分としてＡｌ：０．０１
〜０．１％および／またはＣｏ：０．１〜５．０％を含
有し、残部鉄および不可避不純物からなり、 550-333[C]-34[Mn]-20[Cr]-17[Ni]-11[Mo] ≧300 （但し、［元素］は各元素の重量％を表す）の関係を満
足するところに要旨を有するものである。
【０００８】また本発明においては、上記構成に加え
て、鋼材の被検面積１６０mm2 内において平均粒子径５
０μｍ以上の酸化物系介在物を含まず、且つ平均粒子径
２０μｍ以上の酸化物系介在物を１０個以下に制限する
ことによって清浄度を高め、もしくは、不可避不純物に
おける酸素を１５ppm 以下、窒素を１００ppm 以下、燐
を１００ppm 以下、硫黄を１００ppm 以下に制限するこ
とにより、疲労強度やばね特性を一段と高めることがで
きる。
て、鋼材の被検面積１６０mm2 内において平均粒子径５
０μｍ以上の酸化物系介在物を含まず、且つ平均粒子径
２０μｍ以上の酸化物系介在物を１０個以下に制限する
ことによって清浄度を高め、もしくは、不可避不純物に
おける酸素を１５ppm 以下、窒素を１００ppm 以下、燐
を１００ppm 以下、硫黄を１００ppm 以下に制限するこ
とにより、疲労強度やばね特性を一段と高めることがで
きる。
【０００９】更には、上記鋼中のＣ、Ｓｉ、Ｎｉおよび
Ｃｒの各含有量が 50[Si]+25[Ni]+40[Cr]-100[C]≧230 （但し、［元素］は各元素の重量％を表す）の関係を満
たす様に各元素の含有量を調整することによって鋼材の
耐食性を高めることができ、腐食疲労特性の非常に優れ
た高強度ばね用鋼を得ることができる。
Ｃｒの各含有量が 50[Si]+25[Ni]+40[Cr]-100[C]≧230 （但し、［元素］は各元素の重量％を表す）の関係を満
たす様に各元素の含有量を調整することによって鋼材の
耐食性を高めることができ、腐食疲労特性の非常に優れ
た高強度ばね用鋼を得ることができる。
【００１０】
【作用】材料を高強度化して疲労寿命を向上させるため
には、素材の靭性向上を図る必要がある。従来のばね用
鋼では弾性限を高めるという観点から炭素含有量の比較
的高い鋼が用いられてきたのであるが、素材の靭性向上
を図るため、炭素量を従来のばね用鋼の含有量から大幅
に減少させることが有効であることは厚板の結果から明
らかである。但し、引張強度を２００kgf/mm2 レベル以
上に高めるという観点からすれば、炭素量を減少し過ぎ
ると焼入れ焼戻し後の強度不足を招くので、炭素量の低
減には自ずと限界がある。また合金元素を適切な範囲に
調整しつつ、添加する必要がある。
には、素材の靭性向上を図る必要がある。従来のばね用
鋼では弾性限を高めるという観点から炭素含有量の比較
的高い鋼が用いられてきたのであるが、素材の靭性向上
を図るため、炭素量を従来のばね用鋼の含有量から大幅
に減少させることが有効であることは厚板の結果から明
らかである。但し、引張強度を２００kgf/mm2 レベル以
上に高めるという観点からすれば、炭素量を減少し過ぎ
ると焼入れ焼戻し後の強度不足を招くので、炭素量の低
減には自ずと限界がある。また合金元素を適切な範囲に
調整しつつ、添加する必要がある。
【００１１】本発明者らは、靭性向上の観点から炭素の
適切な範囲として０．３〜０．５％を選び、この範囲に
おける各種合金元素量が焼入れ焼戻し後の強度および靭
性へ与える影響について調査した。その結果上記炭素量
の範囲において焼入性向上元素を多量に添加した場合に
は、焼入れ焼戻し後の強度が逆に低下することがわかっ
た。これは合金元素量を増やすことにより、焼入れ焼戻
し後の残留オーステナイト量が増大して強度が低下する
ものと考えられる。この様な観点から、高強度ばねとし
て必要な強度および靭性を確保するには、各合金元素の
添加割合を適切な範囲に調整するのは勿論であるが、少
なくとも下記(1) 式の関係を満足する必要があることが
わかった。
適切な範囲として０．３〜０．５％を選び、この範囲に
おける各種合金元素量が焼入れ焼戻し後の強度および靭
性へ与える影響について調査した。その結果上記炭素量
の範囲において焼入性向上元素を多量に添加した場合に
は、焼入れ焼戻し後の強度が逆に低下することがわかっ
た。これは合金元素量を増やすことにより、焼入れ焼戻
し後の残留オーステナイト量が増大して強度が低下する
ものと考えられる。この様な観点から、高強度ばねとし
て必要な強度および靭性を確保するには、各合金元素の
添加割合を適切な範囲に調整するのは勿論であるが、少
なくとも下記(1) 式の関係を満足する必要があることが
わかった。
【００１２】 550-333[C]-34[Mn]-20[Cr]-17[Ni]-11[Mo]≧300 (1) （但し、［元素］は各元素の含有％を示す）一方、先に
説明した様に引張り強度が２００kgf/mm2 以上の高強度
鋼になると腐食疲労特性が著しく悪くなる。これは、高
強度化に伴って傷などの欠陥に対する感受性が敏感にな
るためと思われ、腐食環境下に曝らすとばねの表面に孔
食が生じ、これが亀裂発生の起点となって折損等を起こ
す原因となる。その為、腐食環境下に曝らされた場合で
も表面に孔食を生じさせないように合金元素を適量添加
する必要がある。従って本発明では、後述する如く耐孔
食性改善の為の合金元素を適量含有させるが、本発明者
らが種々研究を重ねたところによると、合金元素のうち
Ｃｒ，Ｎｉ，ＳｉとＣの添加量が耐孔食性に大きな影響
をもたらし、下記(2) 式の関係を満たす様にこれら各元
素の含有量を調整してやれば、耐孔食性が著しく改善さ
れ、腐食疲労特性の非常に良好なばね用鋼が得られるこ
とを知った。
説明した様に引張り強度が２００kgf/mm2 以上の高強度
鋼になると腐食疲労特性が著しく悪くなる。これは、高
強度化に伴って傷などの欠陥に対する感受性が敏感にな
るためと思われ、腐食環境下に曝らすとばねの表面に孔
食が生じ、これが亀裂発生の起点となって折損等を起こ
す原因となる。その為、腐食環境下に曝らされた場合で
も表面に孔食を生じさせないように合金元素を適量添加
する必要がある。従って本発明では、後述する如く耐孔
食性改善の為の合金元素を適量含有させるが、本発明者
らが種々研究を重ねたところによると、合金元素のうち
Ｃｒ，Ｎｉ，ＳｉとＣの添加量が耐孔食性に大きな影響
をもたらし、下記(2) 式の関係を満たす様にこれら各元
素の含有量を調整してやれば、耐孔食性が著しく改善さ
れ、腐食疲労特性の非常に良好なばね用鋼が得られるこ
とを知った。
【００１３】 50[Si]+25[Ni]+40[Cr]-100[C] ≧230 (2) （但し、［元素］は各元素の含有％を表す）更に本発明
のばね用鋼においては、鋼を清浄化して不純介在物量を
可及的に少なくすることによって疲労強度を高めること
ができるが、特に酸化物系介在物のサイズが疲労特性に
顕著な影響を及ぼすこと、そしてその基準として、被検
面積１６０mm2 において平均粒子径５０μｍ以上の酸化
物系介在物を含まず、且つ平均粒子径２０μｍ以上のも
のが１０個以下に制限されたものは、非常に優れた耐疲
労特性を発揮することが明らかとなった。ここで平均粒
子径とは、酸化物系介在物の長径と単径の平均値を意味
し、また被検面とは、供試鋼材断面における表層から３
mmまでの領域をいう。
のばね用鋼においては、鋼を清浄化して不純介在物量を
可及的に少なくすることによって疲労強度を高めること
ができるが、特に酸化物系介在物のサイズが疲労特性に
顕著な影響を及ぼすこと、そしてその基準として、被検
面積１６０mm2 において平均粒子径５０μｍ以上の酸化
物系介在物を含まず、且つ平均粒子径２０μｍ以上のも
のが１０個以下に制限されたものは、非常に優れた耐疲
労特性を発揮することが明らかとなった。ここで平均粒
子径とは、酸化物系介在物の長径と単径の平均値を意味
し、また被検面とは、供試鋼材断面における表層から３
mmまでの領域をいう。
【００１４】次に、本発明に係る高強度ばね用鋼におけ
る化学成分の限定理由を説明する。 Ｃ：０．３〜０．５％ Ｃは焼入れ焼戻し後の強度を確保するために必要な元素
である。Ｃ含有量が０．３％未満では、焼入れ後のマル
テンサイトの硬さが低くなり過ぎ、焼入れ焼戻し後の強
度が不足する。また0.5 ％を超えて過多に添加すると、
焼入れ焼戻し後の靭性が劣化するばかりでなく、希望す
る疲労特性や腐食疲労特性が得られなくなる。
る化学成分の限定理由を説明する。 Ｃ：０．３〜０．５％ Ｃは焼入れ焼戻し後の強度を確保するために必要な元素
である。Ｃ含有量が０．３％未満では、焼入れ後のマル
テンサイトの硬さが低くなり過ぎ、焼入れ焼戻し後の強
度が不足する。また0.5 ％を超えて過多に添加すると、
焼入れ焼戻し後の靭性が劣化するばかりでなく、希望す
る疲労特性や腐食疲労特性が得られなくなる。
【００１５】Ｓｉ：１〜４％ Ｓｉは固溶強化元素として必要であり、１％未満ではマ
トリックスの強度が不十分になる。しかしながら４％を
超えて添加すると、焼入れ加熱時に炭化物の溶け込みが
不十分になり、高温度に加熱しないと均一にオーステナ
イト化しなくなって焼入れ焼戻し後の強度が低下するば
かりか、ばねにおける耐へたり特性も悪くなる。２００
Kgf/mm2 以上の強度を安定して得るためのより好ましい
Ｓｉ量は１．５〜３．５％の範囲である。
トリックスの強度が不十分になる。しかしながら４％を
超えて添加すると、焼入れ加熱時に炭化物の溶け込みが
不十分になり、高温度に加熱しないと均一にオーステナ
イト化しなくなって焼入れ焼戻し後の強度が低下するば
かりか、ばねにおける耐へたり特性も悪くなる。２００
Kgf/mm2 以上の強度を安定して得るためのより好ましい
Ｓｉ量は１．５〜３．５％の範囲である。
【００１６】Ｍｎ：０．２％以上０．５％未満 Ｍｎは焼入れ性向上元素として０．２％以上は必要であ
る。しかしＭｎは焼入れ焼戻し後の素材に対して水素透
過性を高め、その結果として腐食環境下での水素脆化を
促進させる。従って、水素脆化による粒界破壊の発生を
防止し疲労寿命の低下を防止するという観点から、０．
５％未満に抑える必要がある。
る。しかしＭｎは焼入れ焼戻し後の素材に対して水素透
過性を高め、その結果として腐食環境下での水素脆化を
促進させる。従って、水素脆化による粒界破壊の発生を
防止し疲労寿命の低下を防止するという観点から、０．
５％未満に抑える必要がある。
【００１７】Ｎｉ：０．５〜４．０％ Ｎｉは焼入れ焼戻し後の素材靭性を向上させ、且つ耐孔
食性を高める作用があり、更にはばね特性として重要な
耐へたり性を大幅に改善する作用があり、これらの作用
を有効に発揮させるためには少なくとも０．５％以上含
有させなければならない。しかし４％を超えて含有させ
るとＭｓ点が低下し、残留オーステナイトの影響により
所定の引張強度が得られなくなる。尚、Ｎｉは高価な金
属であるので、経済性を考慮してより好ましい含有量は
０．５〜２．０％の範囲である。
食性を高める作用があり、更にはばね特性として重要な
耐へたり性を大幅に改善する作用があり、これらの作用
を有効に発揮させるためには少なくとも０．５％以上含
有させなければならない。しかし４％を超えて含有させ
るとＭｓ点が低下し、残留オーステナイトの影響により
所定の引張強度が得られなくなる。尚、Ｎｉは高価な金
属であるので、経済性を考慮してより好ましい含有量は
０．５〜２．０％の範囲である。
【００１８】Ｃｒ：０．３〜５．０％ ＣｒはＭｎと同様に焼入性向上に有効である。またＣｒ
は耐熱性を改善する元素でもある。更に、ばね特性とし
て重要な耐へたり特性を大幅に改善することが種々の検
討から明らかになった。こうした効果は０．３％以上含
有させることによって有効に発揮されるが、多過ぎると
焼入れ焼戻し後の靭性が低下する傾向があるので、上限
は５．０％と定めた。良好な強度−延性バランスを得る
意味からより好ましいＣｒ量は０．３〜３．５％の範囲
である。
は耐熱性を改善する元素でもある。更に、ばね特性とし
て重要な耐へたり特性を大幅に改善することが種々の検
討から明らかになった。こうした効果は０．３％以上含
有させることによって有効に発揮されるが、多過ぎると
焼入れ焼戻し後の靭性が低下する傾向があるので、上限
は５．０％と定めた。良好な強度−延性バランスを得る
意味からより好ましいＣｒ量は０．３〜３．５％の範囲
である。
【００１９】Ｍｏ：０．１〜２．０％ Ｍｏは炭化物生成元素であり、焼戻し時に微細な合金炭
化物を析出させ、２次硬化を促進させることによって耐
へたり特性および耐疲労特性を向上させる。０．１％未
満ではその効果が不十分であり、２．０％でそれらの効
果は飽和し、それ以上含有させることは無駄である。
化物を析出させ、２次硬化を促進させることによって耐
へたり特性および耐疲労特性を向上させる。０．１％未
満ではその効果が不十分であり、２．０％でそれらの効
果は飽和し、それ以上含有させることは無駄である。
【００２０】Ｖ：０．１〜０．５％ Ｖは結晶粒度を微細化して耐力比を高め、耐へたり特性
を改善するのに有効である。この効果を有効に発揮させ
るには0.1 ％以上の添加が必要である。しかしながら
０．５％を超えて添加すると、焼入れ加熱時にオーステ
ナイト中に固溶されない合金炭化物量が増大し、大きな
塊状物となって残存することから疲労寿命を低下させ
る。
を改善するのに有効である。この効果を有効に発揮させ
るには0.1 ％以上の添加が必要である。しかしながら
０．５％を超えて添加すると、焼入れ加熱時にオーステ
ナイト中に固溶されない合金炭化物量が増大し、大きな
塊状物となって残存することから疲労寿命を低下させ
る。
【００２１】本発明の高強度ばね用鋼は、以上の元素を
基本成分とし、残部鉄および不可避不純物からなるもの
であるが、必要に応じてＮｂおよび／またはＣｕ、Ａｌ
および／またはＣｏを含有させることによって、その特
性を一段と改善することが可能である。これらの元素を
添加するときの好ましい含有量は下記の通りである。
基本成分とし、残部鉄および不可避不純物からなるもの
であるが、必要に応じてＮｂおよび／またはＣｕ、Ａｌ
および／またはＣｏを含有させることによって、その特
性を一段と改善することが可能である。これらの元素を
添加するときの好ましい含有量は下記の通りである。
【００２２】Ｎｂ：０．０５〜０．５％ ＮｂはＶと同様に結晶粒度を微細化して耐力比を向上さ
せ、耐へたり性を改善する作用があり、その効果は０．
０５％以上含有させることによって有効に発揮される。
しかし０．５％を超えて含有させてもそれ以上の効果は
得られず、むしろ焼入れ加熱時に粗大な炭窒化物が生成
して耐疲労寿命を劣化させる。
せ、耐へたり性を改善する作用があり、その効果は０．
０５％以上含有させることによって有効に発揮される。
しかし０．５％を超えて含有させてもそれ以上の効果は
得られず、むしろ焼入れ加熱時に粗大な炭窒化物が生成
して耐疲労寿命を劣化させる。
【００２３】Ｃｕ：０．１〜１．０％ Ｃｕは電気化学的に鉄より貴な元素であり、腐食環境中
で全面腐食を促進させることによって耐孔食性を高める
作用がある。こうした作用は０．１％以上の添加で有効
に発揮されるが、１．０％を超えて含有させてもそれ以
上の効果は得られず、むしろ熱間圧延時に素材の脆化を
引き起こす恐れが生じてくる。
で全面腐食を促進させることによって耐孔食性を高める
作用がある。こうした作用は０．１％以上の添加で有効
に発揮されるが、１．０％を超えて含有させてもそれ以
上の効果は得られず、むしろ熱間圧延時に素材の脆化を
引き起こす恐れが生じてくる。
【００２４】Ａｌ：０．０１〜０．１％ Ａｌは脱酸を容易にする元素であり、その効果は０．０
１％以上の添加によって有効に発揮される。しかし０．
１％を超えて添加するとＡｌ2 Ｏ3 の粗大介在物を生成
して耐疲労特性を低下させる。
１％以上の添加によって有効に発揮される。しかし０．
１％を超えて添加するとＡｌ2 Ｏ3 の粗大介在物を生成
して耐疲労特性を低下させる。
【００２５】Ｃｏ：０．１〜５．０％ Ｃｏは固溶強化元素であり、且つ靭性も劣化させないと
いう特性があり、更には耐食性を高める作用も有してお
り、それらの作用は０．１％以上、より好ましくは１．
０％以上含有させることによって有効に発揮される。し
かし高価な元素であるため５．０％を一応の上限とし
た。また不可避不純物として混入してくるＯ、Ｎ、Ｐ、
Ｓは、非金属介在物となって強度や疲労特性あるいは水
素脆性を悪化させるのでできるだけ少なく抑えることが
好ましいが、下記の量であれば実質的な障害は生じな
い。
いう特性があり、更には耐食性を高める作用も有してお
り、それらの作用は０．１％以上、より好ましくは１．
０％以上含有させることによって有効に発揮される。し
かし高価な元素であるため５．０％を一応の上限とし
た。また不可避不純物として混入してくるＯ、Ｎ、Ｐ、
Ｓは、非金属介在物となって強度や疲労特性あるいは水
素脆性を悪化させるのでできるだけ少なく抑えることが
好ましいが、下記の量であれば実質的な障害は生じな
い。
【００２６】 Ｏ：１５ppm 以下、Ｎ：１００ppm 以下 Ｏは、疲労破壊の起点となる酸化物系介在物（特にＡｌ
2 Ｏ3 ）を生成して強度劣化の原因となるので、より高
強度化するには１５ppm 以下、より好ましくは１０ppm
以下に抑えることが望まれる。またＮは、焼入れ焼戻し
後の延性や靭性を低下させるため１００ppm 以下に抑え
るのがよい。
2 Ｏ3 ）を生成して強度劣化の原因となるので、より高
強度化するには１５ppm 以下、より好ましくは１０ppm
以下に抑えることが望まれる。またＮは、焼入れ焼戻し
後の延性や靭性を低下させるため１００ppm 以下に抑え
るのがよい。
【００２７】 Ｐ：１００ppm 以下，Ｓ：１００ppm 以下 Ｐは粒界偏析を起こして素材を脆化させる元素であり、
特に水素脆化を助長し易いため、Ｐの含有量が多くなる
とその危険度が増大してくる。従ってより高強度化する
には、Ｐを１００ppm 以下に抑えることが望まれる。ま
た、ＳもＭｎＳ系介在物等の生成より素材を脆化させる
不純元素であり、１００ppm 以下に抑えることが望まれ
る。
特に水素脆化を助長し易いため、Ｐの含有量が多くなる
とその危険度が増大してくる。従ってより高強度化する
には、Ｐを１００ppm 以下に抑えることが望まれる。ま
た、ＳもＭｎＳ系介在物等の生成より素材を脆化させる
不純元素であり、１００ppm 以下に抑えることが望まれ
る。
【００２８】ところで高強度ばねを製造するに当たって
は、上記の様な成分組成範囲および前記(1) 式や(2) 式
の関係を満足するばね用鋼を用い、焼入時の冷却終了温
度を５０℃以下にし、引き続き焼戻し処理するのがよ
い。これによって希望する高強度・高靭性のばねを得る
ことができる。尚通常のばね鋼の焼入れは、焼割れ発生
防止という観点から油焼入れが採用されており、油の粘
性等を考慮してその温度は７０〜８０℃とされており、
通常の油焼入れでは焼入れ時の冷却終了温度を５０℃以
下にすることは難しい。しかしながら焼入れ初期を油で
冷却して５００℃以下の温度範囲を水冷する方法、或は
水に水溶性焼入れ剤等を添加することによって焼割れを
防ぐ方法等を採用することによって、上記の様な焼入れ
条件を達成することができる。
は、上記の様な成分組成範囲および前記(1) 式や(2) 式
の関係を満足するばね用鋼を用い、焼入時の冷却終了温
度を５０℃以下にし、引き続き焼戻し処理するのがよ
い。これによって希望する高強度・高靭性のばねを得る
ことができる。尚通常のばね鋼の焼入れは、焼割れ発生
防止という観点から油焼入れが採用されており、油の粘
性等を考慮してその温度は７０〜８０℃とされており、
通常の油焼入れでは焼入れ時の冷却終了温度を５０℃以
下にすることは難しい。しかしながら焼入れ初期を油で
冷却して５００℃以下の温度範囲を水冷する方法、或は
水に水溶性焼入れ剤等を添加することによって焼割れを
防ぐ方法等を採用することによって、上記の様な焼入れ
条件を達成することができる。
【００２９】以下本発明を実施例によって更に詳細に説
明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のもので
はなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更
して実施することはいずれも本発明の技術的範囲に含ま
れるものである。
明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のもので
はなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更
して実施することはいずれも本発明の技術的範囲に含ま
れるものである。
【００３０】
【実施例】表１、２に示すＮo.１〜３１の化学成分鋼を
溶製した後、鍛造で１１５mmの角ビレットを製作し、線
材圧延によって直径１１mmの線材まで圧延した。焼鈍お
よび伸線加工を施した後、焼入れ焼戻し処理を行なっ
た。このとき焼入れ加熱温度は９５０℃として油焼入れ
を行ない、焼戻し温度は４００℃とした。熱処理後のサ
ンプルから引張り試験片、残留剪断歪測定試験片、回転
曲げ疲労試験片および腐食試験片を準備し、夫々の試験
に供した。残留剪断歪測定試験、回転曲げ疲労試験およ
び腐食試験の各条件は下記の通りである。
溶製した後、鍛造で１１５mmの角ビレットを製作し、線
材圧延によって直径１１mmの線材まで圧延した。焼鈍お
よび伸線加工を施した後、焼入れ焼戻し処理を行なっ
た。このとき焼入れ加熱温度は９５０℃として油焼入れ
を行ない、焼戻し温度は４００℃とした。熱処理後のサ
ンプルから引張り試験片、残留剪断歪測定試験片、回転
曲げ疲労試験片および腐食試験片を準備し、夫々の試験
に供した。残留剪断歪測定試験、回転曲げ疲労試験およ
び腐食試験の各条件は下記の通りである。
【００３１】［残留剪断歪測定試験］ （ばね諸元） 材料の線径 ：９．０mm コイル平均径：８５mm 総巻き数 ：７巻 有効巻き数 ：５．５巻 自由高さ ：３２０mm （セッチング応力） 最大剪断応力：１０kgf/mm2 （試験条件） 締付け応力：１３０kgf/mm2 試験温度 ：８０℃ 試験時間 ：７２時間
【００３２】（残留剪断歪の算出方法） τΔｐ＝８ＤΔｐ／πｄ3 (2) τ＝Ｇγ (3) (2) ，(3) 式より γΔｐ＝τΔｐ／Ｇ×１００ 但し、τΔｐ：荷重損失量に相当するねじり応力(kgf/m
m2） ｄ ：経径(mm) Ｄ ：コイル平均径 Δｐ：荷重損失量 Ｇ ：横弾性係数(kgf/mm2） （８０００kgf/mm2 を採
用）
m2） ｄ ：経径(mm) Ｄ ：コイル平均径 Δｐ：荷重損失量 Ｇ ：横弾性係数(kgf/mm2） （８０００kgf/mm2 を採
用）
【００３３】［回転曲げ疲労試験］ （試験条件） 試験温度：室温 表面状態：ショットピーニング肌 （疲労限の判定） １０7 回を２度クリヤーしたときの試験応力 ［酸化物系介在物測定方法］ 対象材：直径１１mmの圧延材の縦断面 測定面積：１６０mm2 （表層から３mmまで） 測定装置：光学顕微鏡 平均粒子径：（長径＋短径）／２
【００３４】［腐食試験方法］ 腐食条件：１サイクル 塩水噴霧×８hr→３５℃，６０
％RH×１６hr サイクル数：１４サイクル 孔食深さ測定法：熱処理後横断面観察（光学顕微鏡） 試験結果を前記(1) 式および(2) 式の値、並びに酸化物
系介在物のうち被検面積１６０mm2 内における平均粒子
径２０μm 以上のものの数と共に表３、表４に示す。
％RH×１６hr サイクル数：１４サイクル 孔食深さ測定法：熱処理後横断面観察（光学顕微鏡） 試験結果を前記(1) 式および(2) 式の値、並びに酸化物
系介在物のうち被検面積１６０mm2 内における平均粒子
径２０μm 以上のものの数と共に表３、表４に示す。
【００３５】
【表１】
【００３６】
【表２】
【００３７】
【表３】
【００３８】
【表４】
【００３９】表１〜４より次の様に考察することができ
る。 Ｃ量が0.3%未満のもの（No. １７）では、強度不足で
２００kgf/mm2 以上の引張強度が得られない。一方、Ｃ
量が０．５％を超えるもの（No. １８）では、引張強度
は２００kgf/mm2 となるが、絞り値（ＲＡ）が大幅に悪
くなる。またＳｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏについても
夫々の含有量が不足するもの（No. １９、２０、２２，
２４，２５，２６）でも、やはり２００kgf/mm2 以上の
引張強度が得られない。またNo. ２８のデータからも明
らかである様に、各元素量が規定要件を満たすものであ
っても、(1) 式の要件を欠くものでは焼入れが不十分と
なって熱処理後の強度が十分に上がらない。
る。 Ｃ量が0.3%未満のもの（No. １７）では、強度不足で
２００kgf/mm2 以上の引張強度が得られない。一方、Ｃ
量が０．５％を超えるもの（No. １８）では、引張強度
は２００kgf/mm2 となるが、絞り値（ＲＡ）が大幅に悪
くなる。またＳｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏについても
夫々の含有量が不足するもの（No. １９、２０、２２，
２４，２５，２６）でも、やはり２００kgf/mm2 以上の
引張強度が得られない。またNo. ２８のデータからも明
らかである様に、各元素量が規定要件を満たすものであ
っても、(1) 式の要件を欠くものでは焼入れが不十分と
なって熱処理後の強度が十分に上がらない。
【００４０】耐へたり性の指標となる残留剪断歪の値
を比較すると、本発明鋼は比較鋼に比べて高強度である
にもかかわらず優れた耐へたり特性を有していることが
分かる。またNo. １１に見られる様に、鋼中に適量のＮ
ｂを含有させると残留剪断歪が一段と小さくなり、耐へ
たり性の向上に有効であることが分かる。
を比較すると、本発明鋼は比較鋼に比べて高強度である
にもかかわらず優れた耐へたり特性を有していることが
分かる。またNo. １１に見られる様に、鋼中に適量のＮ
ｂを含有させると残留剪断歪が一段と小さくなり、耐へ
たり性の向上に有効であることが分かる。
【００４１】回転曲げ疲労特性（疲労限：kgf/mm2 ）
については、鋼中に存在する粗大な酸化物系介在物の影
響が顕著に表われている。即ち疲労強度は母材強度が高
くなるにつれて増加する傾向があるが引張強度２００kg
f/mm2 レベル以上の高強度のものになると、酸化物系介
在物のうち被検面積１６０mm2 内における平均粒子径２
０μｍ以上の粗大物の数によって疲労特性は著しく変わ
り、その数が１０個以上になると（No. １７，１８，２
２，２３，２４，２５，２６，２７，３０，３１）疲労
強度は明らかに悪くなっている。また平均粒子径が５０
μｍを超えるより粗大な酸化物系介在物は一層疲労亀裂
の起点となり易く、疲労特性を著しく劣化させることも
確認している。
については、鋼中に存在する粗大な酸化物系介在物の影
響が顕著に表われている。即ち疲労強度は母材強度が高
くなるにつれて増加する傾向があるが引張強度２００kg
f/mm2 レベル以上の高強度のものになると、酸化物系介
在物のうち被検面積１６０mm2 内における平均粒子径２
０μｍ以上の粗大物の数によって疲労特性は著しく変わ
り、その数が１０個以上になると（No. １７，１８，２
２，２３，２４，２５，２６，２７，３０，３１）疲労
強度は明らかに悪くなっている。また平均粒子径が５０
μｍを超えるより粗大な酸化物系介在物は一層疲労亀裂
の起点となり易く、疲労特性を著しく劣化させることも
確認している。
【００４２】尚図１は表１〜４におけるNo. １の本発明
鋼とNo. ３０，３１の比較鋼（平均粒子径２０μｍ以上
の酸化物系介在物の個数を変えたもの）についての回転
曲げ疲労試験結果をグラフ化して示したもの、図２〜４
は同じくNo. １，３０，３１の各鋼における酸化物系介
在物の平均粒子径とその分布を示したものであり、これ
らの図からも粗大な酸化物系介在物が存在することによ
って、疲労特性に顕著な悪影響が表われることが分か
る。
鋼とNo. ３０，３１の比較鋼（平均粒子径２０μｍ以上
の酸化物系介在物の個数を変えたもの）についての回転
曲げ疲労試験結果をグラフ化して示したもの、図２〜４
は同じくNo. １，３０，３１の各鋼における酸化物系介
在物の平均粒子径とその分布を示したものであり、これ
らの図からも粗大な酸化物系介在物が存在することによ
って、疲労特性に顕著な悪影響が表われることが分か
る。
【００４３】次に腐食試験結果については、本発明鋼
の中でも前記(2) 式の要件を満たすもの（No. ２，９，
１２，１３，１４，１５，１６）は、たとえばNo. １
８，２０の比較鋼に比べて孔食深さが著しく少なく、耐
腐食特性に優れたものであることが分かる。尚No. ７
は、No. １に相当する鋼中に適量のＣｕを含有させたも
のであって、No. １よりも孔食深さが減少しており、Ｃ
ｕの耐食性改善効果が現れている。
の中でも前記(2) 式の要件を満たすもの（No. ２，９，
１２，１３，１４，１５，１６）は、たとえばNo. １
８，２０の比較鋼に比べて孔食深さが著しく少なく、耐
腐食特性に優れたものであることが分かる。尚No. ７
は、No. １に相当する鋼中に適量のＣｕを含有させたも
のであって、No. １よりも孔食深さが減少しており、Ｃ
ｕの耐食性改善効果が現れている。
【００４４】
【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、20
0kgf/mm2レベル以上の引張強度を示し、しかも耐疲労特
性、耐へたり特性および耐腐食疲労特性の非常に良好な
高強度ばねを得ることのできるばね用鋼を提供し得るこ
とになった。
0kgf/mm2レベル以上の引張強度を示し、しかも耐疲労特
性、耐へたり特性および耐腐食疲労特性の非常に良好な
高強度ばねを得ることのできるばね用鋼を提供し得るこ
とになった。
【図１】実験例で得たばね用鋼の回転曲げ試験結果を示
すグラフである。
すグラフである。
【図２】実験Ｎｏ．１のばね用鋼に含まれる酸化物系介
在物の平均粒子径とその分布を示すグラフである。
在物の平均粒子径とその分布を示すグラフである。
【図３】実験Ｎｏ．３０のばね用鋼に含まれる酸化物系
介在物の平均粒子径とその分布を示すグラフである。
介在物の平均粒子径とその分布を示すグラフである。
【図４】実験Ｎｏ．３１のばね用鋼に含まれる酸化物系
介在物の平均粒子径とその分布を示すグラフである。
介在物の平均粒子径とその分布を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中山 武典 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 大西 新一 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内
Claims (8)
- 【請求項１】Ｃ ：０．３〜０．５％（重量％の意味、
以下同じ） Ｓｉ：１．０〜４．０％ Ｍｎ：０．２％以上０．５％未満 Ｎｉ：０．５〜４．０％ Ｃｒ：０．３〜５．０％ Ｍｏ：０．１〜２．０％ Ｖ ：０．１〜０．５％ を夫々含有し、残部鉄および不可避不純物からなり、 550-333[C]-34[Mn]-20[Cr]-17[Ni]-11[Mo] ≧300 （但し、［元素］は各元素の重量％を表す）の関係を満
足すると共に、被検面積１６０mm2 内において平均粒子
径５０μｍ以上の酸化物系介在物を含まず、且つ平均粒
子径２０μｍ以上の酸化物系介在物が１０個以下である
ことを特徴とする疲労強度の優れた高強度ばね用鋼。 - 【請求項２】Ｃ ：０．３〜０．５％（重量％の意味、
以下同じ） Ｓｉ：１．０〜４．０％ Ｍｎ：０．２％以上０．５％未満 Ｎｉ：０．５〜４．０％ Ｃｒ：０．３〜５．０％ Ｍｏ：０．１〜２．０％ Ｖ ：０．１〜０．５％ を夫々含有する他、 Ｎｂ：０．０５〜０．５％および／またはＣｕ：０．１
〜１．０％を含有し、残部鉄および不可避不純物からな
り、 550-333[C]-34[Mn]-20[Cr]-17[Ni]-11[Mo] ≧300 （但し、［元素］は各元素の重量％を表す）の関係を満
足することを特徴とする高強度ばね用鋼。 - 【請求項３】 更に他の元素として、Ａｌ：０．０１〜
０．１％および／またはＣｏ：０．１〜５．０％を含有
するものである請求項２に記載の高強度ばね用鋼。 - 【請求項４】 被検面積１６０mm2 内において平均粒子
径５０μｍ以上の酸化物系介在物を含まず、且つ平均粒
子径２０μｍ以上の酸化物系介在物が１０個以下であ
り、疲労強度の高められたものである請求項２または３
に記載の高強度ばね用鋼。 - 【請求項５】 不可避不純物における、酸素が１５ppm
以下、窒素が１００ppm 以下、燐が１００ppm 以下、硫
黄が１００ppm 以下に制限されたものである請求項１〜
４のいずれかに記載の高強度ばね用鋼。 - 【請求項６】 Ｃ、Ｓｉ、ＮｉおよびＣｒの各含有量が 50[Si]+25[Ni]+40[Cr]-100[C]≧230 （但し、［元素］は各元素の重量％を表す）の関係を満
たし、耐食性の改善されたものである請求項１に記載の
高強度ばね用鋼。 - 【請求項７】 Ｃ、Ｓｉ、ＮｉおよびＣｒの各含有量が 50[Si]+25[Ni]+40[Cr]-100[C]≧230 （但し、［元素］は各元素の重量％を表す）の関係を満
たし、耐食性の改善されたものである請求項２〜４のい
ずれかに記載の高強度ばね用鋼。 - 【請求項８】 不可避不純物における、酸素が１５ppm
以下、窒素が１００ppm 以下、燐が１００ppm 以下、硫
黄が１００ppm 以下に制限されたものである請求項６ま
たは７に記載の高強度ばね用鋼。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4232399A JP2842579B2 (ja) | 1991-10-02 | 1992-08-31 | 疲労強度の優れた高強度ばね用鋼 |
| DE4233269A DE4233269C2 (de) | 1991-10-02 | 1992-10-02 | Hochfester Federstahl |
| CA002079734A CA2079734C (en) | 1991-10-02 | 1992-10-02 | High-strength spring steel |
| US07/955,434 US5286312A (en) | 1991-10-02 | 1992-10-02 | High-strength spring steel |
| FR929211686A FR2682124B1 (fr) | 1991-10-02 | 1992-10-02 | Acier a ressort a haute resistance. |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28358891 | 1991-10-02 | ||
| JP3-283588 | 1991-10-02 | ||
| JP4232399A JP2842579B2 (ja) | 1991-10-02 | 1992-08-31 | 疲労強度の優れた高強度ばね用鋼 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05195153A true JPH05195153A (ja) | 1993-08-03 |
| JP2842579B2 JP2842579B2 (ja) | 1999-01-06 |
Family
ID=26530436
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4232399A Expired - Lifetime JP2842579B2 (ja) | 1991-10-02 | 1992-08-31 | 疲労強度の優れた高強度ばね用鋼 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5286312A (ja) |
| JP (1) | JP2842579B2 (ja) |
| CA (1) | CA2079734C (ja) |
| DE (1) | DE4233269C2 (ja) |
| FR (1) | FR2682124B1 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007114491A1 (ja) * | 2006-03-31 | 2007-10-11 | Nippon Steel Corporation | 高強度ばね用熱処理鋼 |
| JP2011074431A (ja) * | 2009-09-29 | 2011-04-14 | Chuo Spring Co Ltd | 腐食疲労強度に優れるばね用鋼、及びばね |
| JP2011074429A (ja) * | 2009-09-29 | 2011-04-14 | Chuo Spring Co Ltd | 腐食疲労強度に優れるばね用鋼及びばね |
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| US8789817B2 (en) | 2009-09-29 | 2014-07-29 | Chuo Hatsujo Kabushiki Kaisha | Spring steel and spring having superior corrosion fatigue strength |
| US9068615B2 (en) | 2011-01-06 | 2015-06-30 | Chuo Hatsujo Kabushiki Kaisha | Spring having excellent corrosion fatigue strength |
Families Citing this family (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3255296B2 (ja) * | 1992-02-03 | 2002-02-12 | 大同特殊鋼株式会社 | 高強度ばね用鋼およびその製造方法 |
| JP2932943B2 (ja) * | 1993-11-04 | 1999-08-09 | 株式会社神戸製鋼所 | 高耐食性高強度ばね用鋼材 |
| KR960005230B1 (ko) * | 1993-12-29 | 1996-04-23 | 포항종합제철주식회사 | 고강도 고인성 스프링용강의 제조방법 |
| JPH08158013A (ja) * | 1994-10-03 | 1996-06-18 | Daido Steel Co Ltd | 耐食性バネ用鋼 |
| US5951944A (en) * | 1994-12-21 | 1999-09-14 | Mitsubishi Steel Mfg. Co., Ltd. | Lowly decarburizable spring steel |
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