JPH06158226A

JPH06158226A - 疲労特性に優れたばね用鋼

Info

Publication number: JPH06158226A
Application number: JP31355492A
Authority: JP
Inventors: Yuji Kawachi; 雄二河内; Hirofumi Maede; 弘文前出; Yoshiro Koyasu; 善郎子安
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-11-24
Filing date: 1992-11-24
Publication date: 1994-06-07

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は耐疲労性の優れたばね鋼製品を提供
することを目的とする。【構成】Ｓｉ；１．０〜２．５％を含有するばね用鋼
において、以下の条件を満足することを特徴とする疲労
特性に優れたばね用鋼。ａ）酸化物系介在物の組成が重量％で、ＳｉＯ₂：３
０〜６０％，Ａｌ₂Ｏ ₃：１０〜３０％，ＣａＯ：１０
〜３０％，ＭｇＯ：３〜１５％であり、かつそのサイズ
が円相当直径で１５μ以下であること。ｂ）チタンナイトライドのサイズが円相当直径で５μ
以下であること。【効果】介在物起点の疲労破壊が完全に解消され、耐
疲労性が大幅に向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車等の懸架装置、
エンジンの弁ばね等に使用されるばね用鋼に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】この種のばね用鋼は、懸架装置、エンジ
ン弁ばねに多量に使用されているが、一般機械において
も緩衝あるいはエネルギー蓄積のためのばね素材として
広く使用されている。これらのばね用鋼に要求される性
能の中で最も重要なもののひとつは、繰返し使用後の信
頼性即ち耐疲労性である。特に、最近では輸送機械にお
いて走行エネルギー低減のため、各部品の軽量化が進め
られており、ばねにおいてもその設計応力を高め、軽量
化を達成する傾向が顕著になってきており、耐疲労性を
より向上させる必要が生じてきている。

【０００３】このような要請に応じるため、ばね鋼、及
び製造技術に関して種々の技術革新がなされている。例
えば、特公平１−３５０４９号公報においては、高Ｓｉ
ばね鋼材の表面欠陥防止法として、熱間圧延の鋳片温度
制御法が開示されており、これにより表面キズ等の欠陥
の発生が抑制され、表面欠陥起因の疲労破壊を軽減で
き、耐疲労性が向上したとされている。

【０００４】また、特開昭６２−１７７１５２号公報に
おいては、疲労強度を確保できるばね鋼が提示されてお
り、〔Ｏ〕：０．００１５％以下、〔Ｎ〕：０．００５
％以下、〔Ｔｉ〕：０．００５％以下とすることによ
り、疲労破壊の起点となる酸化物及びチタンナイトライ
ド量を低減できるとしている。

【０００５】さらに、特公平３−６２７６９号公報にお
いては、高Ｓｉばね用清浄鋼を製造する方法に関し、溶
鋼処理のスラグ組成を適正範囲に制御することにより、
酸化物系介在物の延性を高め、圧延工程にて酸化物系介
在物を微細化し、これによりばね鋼の耐疲労性を向上さ
せた旨の記載が示されている。このように、従来は耐疲
労性向上のため、（１）疲労破壊の起点となる表面キズ
等の表面欠陥の防止技術と、（２）鋼材内部に存在する
介在物への応力集中による疲労破壊を防止するための介
在物の低減及び微細化技術が検討されてきた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、地球規
模の環境対策の必要性の高まりもあり、輸送機械におけ
る部品の軽量化ニーズは益々強まり、より耐疲労性に優
れたばね鋼の開発が強く望まれている。この要請にこた
えるためには従来の技術を超えた新たな発想に基ずく新
技術、新製品の開発が不可欠であり、本発明を提案する
に至った。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨とするとこ
ろは以下の通りである連続鋳造の鋳片を熱間圧延して製造された、Ｓｉ；１．
０〜２．５％を含有するばね用鋼において、以下の条件
を満足することを特徴とする疲労特性に優れたばね用
鋼。ａ）酸化物系介在物の組成が重量％で、ＳｉＯ₂：３
０〜６０％，Ａｌ₂Ｏ ₃：１０〜３０％，ＣａＯ：１０
〜３０％，ＭｇＯ：３〜１５％であり、かつそのサイズ
が円相当直径で１５μ以下であること。ｂ）チタンナイトライドのサイズが円相当直径で５μ以
下であること。

【０００８】

【作用】まず、本発明の対象鋼について述べる。本発明
対象鋼の成分組成は、ＪＩＳ規格ＳＵＰ６，ＳＵＰ７，
ＳＵＰ１０，ＳＵＰ１２で規定される弁ばね、及び懸架
ばね鋼々材の成分組成に注目し、これらの各鋼材の成分
組成を総合的に判断し、引張り強さ、伸び等の機械的性
質が良好でなければならないという条件を考慮し以下の
ように設定した。Ｃ：０．５０〜０．８０％Ｓｉ：１．００〜２．５０％Ｍｎ：０．４０〜１．５０％なお、上記以外の合金成分としてはＣｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎ
ｂ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｂをそれぞれ最大２．０％まで含有で
きる。また、Ｐ，Ｓ，Ｓｎ，Ａｓ等の微量不純物を許容
できる。

【０００９】次に、本発明における耐疲労性向上の基本
的考え方と、そのための構成要件の詳細について述べ
る。本発明における耐疲労性向上の基本的考え方は、ば
ね鋼々材中の非金属介在物のサイズを徹底的に微細化
し、介在物への応力集中を抑制し鋼材の疲労強度を大幅
に向上させることにある。表面欠陥の防止は現状技術に
てほぼ完全に達成されており、残された課題は非金属介
在物への応力集中による疲労破壊の撲滅である。この様
な認識に基ずき、酸化物系介在物に留らず、全非金属介
在物の微細化を総合的に検討し、以下の重要な要件を導
出するに至った。

【００１０】そのひとつは、鋼材中に含まれる酸化物系
介在物の制御であり、そのサイズを円相当直径で１５μ
以下とすることである。鋼材中の非金属介在物は地鉄と
強度、硬さ等が異なるため、応力がかかりやすく、疲労
破壊の起点となることが知られている。本発明者らは、
この対策として酸化物のサイズを小さくすることを着想
し、好ましいサイズを検討した。その結果、酸化物系介
在物の場合、そのサイズを円相当直径で１５μ以下とす
ることにより、負荷応力１５０kgf ／mm²程度では全く
疲労破壊起点とならないことを究明した。

【００１１】円相当直径で１５μ以下の酸化物を製造す
るための方法は特定するものではない。本発明者らの経
験によれば、酸化物組成を制御することにより、酸化物
系介在物は延性が改善され圧延工程の圧下に伴い分断微
細化できる。このためには酸化物系介在物の組成が、重
量％で、ＳｉＯ₂：３０〜６０％，Ａｌ₂Ｏ₃：１０〜
３０％，ＣａＯ：１０〜３０％，ＭｇＯ：３〜１５％の
範囲が好ましい。さらに該組成酸化物に対して、Ｍｎ，
Ｆｅ，Ｎａ，Ｋ，Ｔｉ，Ｖ，Ｚｒ，Ｃｅに由来する酸化
物を総量で１０％以下複合するとさらに延性が向上す
る。

【００１２】ここに、酸化物系介在物の適正組成範囲は
以下の通りである。ＳｉＯ₂は３０％以上で好ましい延
性が得られるが、また６０％を超えると再び延性が低下
する。Ａｌ₂Ｏ₃は１０％未満では延性が低下し、３０
％を超えると酸化物が大型化し好ましくない。ＣａＯも
酸化物の融点を低下させ延性を維持するため１０％以上
必要であるが、３０％を超えると酸化物が大型化し好ま
しくない。また、ＭｇＯは酸化物の融点を低下させ延性
を維持するため３％以上必要であるが、１５％を超えて
もそれ以上の効果が期待できない。なお該組成酸化物に
対して、Ｍｎ，Ｆｅ，Ｎａ，Ｋ，Ｔｉ，Ｖ，Ｚｒ，Ｃｅ
に由来する酸化物の複合量を総量で１０％以下とするこ
とにより、酸化物の延性をさらに高めることができる
が、１０％を超えるとＴｉＯ₂等の硬質酸化物が析出し
好ましくない。

【００１３】この様な適正組成酸化物が個数比で全酸化
物系介在物の８０％以上とすることが好ましい。その理
由は以下の如くである。鋼の精錬工程では一部不可避的
な混入による本発明範囲外の酸化物系介在物が存在する
が、この量を全体の２０％未満とすることにより、ばね
鋼の疲労特性に悪影響を及ぼさないことが判明したため
である。

【００１４】以上のように酸化物系介在物を適正範囲に
コントロールすることにより、圧延工程での圧下により
酸化物系介在物の分断微細化が達成され、ばね鋼製品で
そのサイズを円相当直径で最大１５μ以下に微細化でき
る。さらに、これらの酸化物系介在物は軟質であり、よ
り応力がかかりずらい性質を有する。なお、本発明の適
正組成酸化物を造り込むための精錬方法についても特に
限定するものではない。一般には二次精錬におけるスラ
グ組成を精錬方式に応じてコントロールすることによ
り、本発明の適正組成酸化物を得ることができる。

【００１５】もうひとつの構成要件は、酸化物以外の非
金属介在物の制御である。本発明者らは酸化物以外の非
金属介在物と疲労破壊の関係についても精力的研究を重
ねた。その結果、特にチタンナイトライドが疲労破壊の
起点になることが多く、これを防止するには、チタンナ
イトライドを円相当直径で５μ以下のサイズに微細化す
ることが有効であることを明らかにした。これにより、
負荷応力１５０kgf ／mm²程度ではチタンナイトライド
起点の疲労破壊を完全に解消できる。酸化物系介在物に
加えてチタンナイトライドのサイズも微細にする必要性
は以下による。本発明者らは酸化物系介在物のサイズを
本発明の如き１５μ以下にせしめたばね鋼の疲労特性を
詳細に調査解析した。その結果、酸化物系介在物への応
力の集中はほぼ完全になくなり、酸化物系介在物起因の
疲労破壊を回避できるが、酸化物系以外特にチタンナイ
トライドへの応力の集中現象が出現し、チタンナイトラ
イドも微細化する必要性が明らかとなったのである。

【００１６】なお、本発明を満足するチタンナイトライ
ドを造り込むための精錬方法については特に限定するも
のではないが、本発明者らの経験によれば、鋼材中のＮ
及びＴｉ含有量の制御が重要である。即ち、Ｎ含有量は
０．００６％以下、Ｔｉ含有量は０．００３％以下が好
ましい。Ｔｉは意図的に添加するものではなく、Ｆｅ−
Ｓｉ等の鉄系合金の溶鋼への添加の際に混入するため、
合金中のＴｉ含有量が一定値以下の合金を使用する等す
ればよい。Ｎは溶鋼と空気の接触により、溶鋼中に混入
するケースが多いので、断気等の対策が有効である。

【００１７】以下に本発明の実施例ならびに比較例を記
載し、本発明の具体的効果について述べる。

【００１８】

【実施例】

ａ）本発明鋼高炉から排出された溶銑に脱Ｐ脱Ｓ処理を施し、続いて
当該溶銑を転炉に装入し、酸素吹錬を実施し、所定の
Ｃ，Ｐ，Ｓ含有量の母溶鋼１２０トンを得た。この母溶
鋼を取鍋に排出した後、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ等の鉄合金を
添加し、成分を本発明鋼の範囲内に調整した。用いた合
金のＴｉ含有量は０．０１重量％とし、この結果、最終
鋼材中のＴｉ含有量は０．００３％以下となった。また
取鍋内溶鋼上にはＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｍｇ
Ｏ系スラグを形成させ、鋼中酸化物系介在物組成を好ま
しい範囲に造り込んだ。この後、Ｎ含有量を０．００６
％以下とするためタンディッシュでの断気を施しながら
連続鋳造により断面サイズ１６２ｘ１６２mm角鋳片を製
造し、当該鋳片を棒鋼圧延し表１（記号１〜５）に示す
種々の本発明ばね用鋼線材（直径４．５mmφ）を製造し
た。

【００１９】

【表１】

【００２０】この線材中に含まれる酸化物系介在物及び
チタンナイトライドのサイズは表２に示すように円相当
直径で、それぞれ８．５，２．８μ以下と極めて微細で
あった。さらに線材の回転曲げ疲労試験を行なった結
果、表２に示す良好な成績が得られた。

【００２１】

【表２】

【００２２】ｂ）比較鋼本発明鋼と同様の方法で表１（記号６〜１２）に示すば
ね鋼線材を製造した。但し、この場合には用いた合金の
Ｔｉ含有量は最大０．１５重量％であり、ばね鋼線材の
Ｔｉ含有量は０．００３％より高い値のものもあった。
取鍋内溶鋼上のスラグ組成コントロールを特におこなわ
なかったチャージもあった。また連続鋳造タンディッシ
ュでの断気を実施しなかったチャージではＮ含有量が
０．００３％より高いレベルとなった。これらにより、
ばね用鋼用線材の介在物サイズ、回転曲げ疲労成績は表
２の如き好ましくないものとなった。

【００２３】

【発明の効果】以上、詳細に述べたように、本発明によ
り耐疲労性を大幅に向上した優れたばね用鋼製品を提供
できる体制が確立された。これにより、輸送機械の徹底
した軽量化がはかられ、排気ガスに起因する地球規模の
環境問題が緩和される等、産業界にとって極めて有益で
ある。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】連続鋳造の鋳片を熱間圧延して製造され
た、Ｓｉ：１．０〜２．５％を含有するばね用鋼におい
て、以下の条件を満足することを特徴とする疲労特性に
優れたばね用鋼。ａ）酸化物系介在物の組成が重量％で、ＳｉＯ₂：３
０〜６０％，Ａｌ₂Ｏ ₃：１０〜３０％，ＣａＯ：１０
〜３０％，ＭｇＯ：３〜１５％であり、かつそのサイズ
が円相当直径で１５μ以下であること。ｂ）チタンナイトライドのサイズが円相当直径で５μ
以下であること。