JPS5827955A - 焼入性、耐へたり性の優れたばね用鋼 - Google Patents

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】 本発明は焼入性、耐へたり性の浸れたばね用銅に関する
ものである。

近年、自動車軽址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ってきた。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。

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
たばね用銅が求められている。

従来、耐へたり性の優れたばね用銅としては。

ばね用鋼中の８１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、５ＵＰ６よりもさらにＳｉ量の高
いＳＵＰ　７が多く用いられるようになってきた。

しかるに、懸架ばねの軽凰化に対する要求は厳しいもの
があり、５ＵＰ７よりも更に耐へたり性の優れたばね用
銅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
銅に適量のＶ、　Ｎｌ）、　Ｍｏを１種ないし２種以上
“　添加することにより、５ＵＰ７よりもさらに耐へた
り性が優れ、かつ、ばね用銅として必要な耐疲労性。

靭性についても５ＵＰ７　と同等な性能を有するばね用
銅を開発して出願（特願昭５５−１０８０２０号）した
。

しかし、比較的大型の自動車等に使用される大物のコイ
ルばね、１・−ジョ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ェライＶ−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、　Ｎ））、　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、前記の大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８１
ばね用銅に適量のＶ、　Ｎｌ、　Ｍｏを１種ないし２種
以上添加するとともにＭｎ　を多量に含有させることに
よって太物のコイルばね、１−−ジョンバーおよび厚物
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
の優れたばね用銅の開発に成功したものである。

また１本発明は必要に応じてＢ、　Ｃｒを添加して焼入
性をさらに向上させ、かつ、Ｎｉ、希土類九誹添加して
焼入性に加えて靭性を向上させるものであり、さらにＡ
ｌ、Ｔｉ、Ｚｒを添加し、結晶粒を微細化させることに
より、１酎へたり性をより向上させのであり、かつ、ば
ね用銅として必要な耐疲労性についてもＳＵＰ　７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１重量比にしてＣ０，５０〜０８０％、Ｓ
ｉ１．５０−２．５０％、　Ｍｎ　１．６０〜２．５０
％を含有し、これに■００５〜０５０％、　Ｎｌ）　０
．０５〜０５０％、Ｍｏ０．０５〜０５０％のうち１種
ないし２種以上を含有したもので、第２発明は第１発明
に、さらにＢＯ，０Ｏ０５〜０．０１００％。

Ｃｒ　０．２０〜１．００％、　Ｎｉ　Ｏ，２０〜２．
００％、希土類元素０３０％以下のうち１種ないし２種
以上を含有させ第１発明鋼の焼入性をさらに向上させ、
かつ靭性を改善したもので、第３発明鋼は第１発明鋼に
さ　５らにＡ１００３〜０１０％、　Ｔｉ　Ｏ，０２〜
０．１０％、２１００２〜０１０％のうちＩ　Ｎｉない
し２種以」二を含有させ第１発明鋼の結晶粒を微細化し
耐へたり性をさらに内向上機構を以下に説明する。

Ｖ、Ｎｌ）、Ｍｏは鋼中において炭化物を形成し、この
Ｖ炭化物、Ｎｂ炭化物、Ｍｏｐ化物（以下９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１１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」ニ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０ さらに２本発明鋼はＮｌ）、　Ｖ、　ＭＯを含有するこ
とにより２通常のばね用銅の焼入れ温度である９００℃
から焼入れだ場合においても、その後の焼もどし過程で
再析出し、２次硬化を生ずる。これは同−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湿度範囲を
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な耐へたり
性を得るとともにフェ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、Ｃｒ、Ｎｉ、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＋　Ａｔ、　Ｔ　Ｉ、　Ｚ　ｒ等の結晶粒＠細化元
素は、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
とともにそのわ１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、大型の自動車等に使用される太物のコイルばね
、１・−ジョ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。

Ｃｒ、Ｎｉ、希土類元素を添加させることにまり熱処即
時、芯部まてマルテンザイｌ−組織が得られ、耐へたり
性を損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星を０．５０−０．８０％としたのは、０５０％以下
では焼入れ、焼もどしにより亮応力ばね用銅として十分
な強度が得られないためであり、０８０％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１５０〜２５０％としたのは、１５０％以下で
はＳｉの有するフェライ１−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
」こり遊離炭素を生じる恐れがあるためである。

Ｍｎを１．６０〜２５０％としたのは、Ｍｎはフェライ
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
、１６０％以下では焼入性向」二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。

Ｖ、　ＮＩＰ、　ＭＯ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。

このような働ぎを奏するＶ、　Ｎｂ、　Ｍｏの含有量を
それぞれ０．０５〜０５０％としたのは、０．０５％以
下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、　Ｎｌ）、　Ｍｏはそれぞれを単独で添加
するほかに、２種ないし３種を複合添加することにより
、　Ｖ、　Ｎｌ、、　ＭＯを単独で添加した場合に比べ
。

より低い湿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。

Ｂｉを０．０００５−０．０１００％としたのは、　Ｏ
，０Ｏ０５９ｔｌ以下では焼入性向」二効果および耐へ
たり性向」二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、熱間脆性が現われるためである。

Ｃｒ量を０．２０〜１．００％としたのは、０２０％以
下では十分な焼入性効果がないためであり、１．００％
を越えて含有させると、本発明のように高ＳＩ鋼では組
織の均一性が損なわれ、耐へたり性を阻害するためであ
る。

Ｎｌ、希土類元素は本発明鋼においては焼入性および靭
性を改善する元素である。

Ｎ１を０．２０〜２００％としたのは、０２０％以下で
は焼入性および靭性改善効果が不十分であり、Ｎ１２０
０％を越えて含有させると、焼入れに際して残留オース
テナイトが多量に形成される恐れがあるためである。希
土類元素はＮｉと同様に焼入性および靭性な改善する元
素であり、０．８０％以下としたのはそれ以」二含有さ
せると結晶粒が粗大化する恐れがあるためである。

ＡＩ、　Ｔ　ｉ、　Ｚ　ｒ　は本発明鋼においては結晶
粒な盪細化し耐へたり性を改善する元素である。

Ａ、ｔ　Ｏ，０８−０，１０％、　Ｔ　ｉ　０．０２−
０．１０％、　Ｚ　ｒ　Ｏ，０２〜０．１０％としたの
は、下限以下ではそれぞれ耐へたり性向上効果が不十分
であり、上限を越えて含有させた場合にはＡ４　Ｔ１．
　Ｚｒの窒化物量が増加し、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もって明
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
。

Ｊ、／、、下ふｈ 第　　１　　表 第１表においてＡ１−Ａ１４鋼は本発明鋼で、Ａ１−Ａ
２鋼は第１発明鋼、Ａ３〜ＡＩＯ鋼は第２発明鋼、Ａ１
１〜Ａ１４鋼は第３発明鋼で、Ｂ　ｌ鋼は従来鋼で５Ｕ
Ｐ７である。

前記第１表の供試鋼のうちＡＩ、Ａ２．ＡＩｌ〜Ａ　Ｉ
４　ＭおよびＢＩ鋼を素拐として第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・焼もどし処理を行った後、素線の剪
断応力τ−１１５ｋｇ／”ｚ　　となるようにセノチン
グを加えてへたり試験片を作製した。

そしてこの試験片を２０℃の一定温度で、素線の剪断応
力τ−１０５にφｌｌ＋２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。

第　　２　　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、Ｎｌ〕を添
加した鋼は、いずれも従来鋼であるＢｌ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１本発明鋼であるＭｎ量を高め、Ｖ、Ｎ１１を添
加するとともにＡ４Ｔｌを添加した鋼も同様従来鋼であ
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、へたり景は前記長期加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に要した荷
重Ｐ２とを測定し、その差△Ｐ（−Ｐ＋　　Ｂ２）より
次式を用いて算出したものて。

剪断ひずみの単位を有し、残留剪断ひずみど称する値を
もって評価した。

Ｇ：横弾性率（ｋ’ｊｒ／ｍｍ２）Ｄ　：コイル中心径
（閣）ｄ：素線径（闘） Ｋ：ワールの修正係数（コイルバ吋、の形状により定ま
る定数） つぎに供試鋼のうちＡｌｌ〜Ａ、　１４鋼およびＢｌ鋼
について、８５０〜１１００℃の湿度で加熱し、酸化法
乙 により測定したオーステナイト結晶粒度を第十図に示し
た。第６図から明らかなように、Ｖ、Ｎｌ、およびＡ４
’ｒｉを含有させたＡＩｌ〜Ａ］４鋼は従来鋼５ＵＰ７
であるＢｌ鋼よりも徽細な結晶粒が得られている。

また本発明鋼のＡｌ、Ａ２．ＡＩｌ〜Ａ１４鋼および従
来鋼のＢｌ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１０〜１１０ｋＱＩ″／ｗ＋＋２
と変動する負荷を繰返し与え疲労試験を行った結果、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
かった。

つぎに前記供試鋼のうちへ３〜ＡＩＯ鋼およびＢｌ鋼を
素拐として、第３表に示す諸元を有する平行部径３０陥
φの１・−シロン・バーを製作し、最終硬さがＨｎＣ４
５〜５５となるように焼入れ、焼もどし処理を行った後
、ショットピーニング処理を施しへたり試験片とした。

へたり試験に先立って、試験片平行部の表面に剪断応力
τ−１１０ｋｙＶｍｍ２が現われるよりなトルクを両端
にイ」加し、セッチングを施した。セノチングの後、剪
断応力τ−１００ｈｆ／−２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
Ｙｎ−△θ・ｄ／２．／に従って残留剪断歪量を求めた
。

第　　３　　表 上記試験片の硬さに対るへたり量を第３〜４図に示した
。第３〜４図から明らかなようにＢ、　Ｃｒ、　Ｎ　ｉ
および希土類元素を含有する本発明鋼Ａ８〜ＡＩＯ鋼か
ら作製した平行部径３０闘φ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等
を含有させたことにより、３０ＩＩｌｌＩφのトーショ
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
損なわれなかったこととＢが侵入型として結晶内、転位
側近に侵入し、転位の移動が困難となることによりへた
り減少に効果があったものと考えられる。

また、供試鋼のうちへ３〜Ａ４０鋼およびＢｌ鋼のジョ
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、Ｃｒ、Ｎｉ、および希土類元素な含有させたＡ３
〜ＡＩＯ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〜ＡＩ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７図に示した。

第７図から明らかなように、Ｖ、ＮｂとＢ等を含有させ
たへ８〜ＡＩＯ鋼は、■を単独で含有させたＡｌ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９合金法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〜ＡＩＯ，Ｂｌ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ＪＩＳ　８号Ｕノツチ型シャルビ試験片を用い
て測定した。

第　　４　　表 ■ 第牙表より明らかなようにＮ１　あるいは希土類元素を
添加したＡ５．　Ａ６．　Ａ９．　ＡＩＯはそれらを含
有しないＡ８．　Ａ４．　Ａ、７．　Ａ８．　Ｂｌより
も靭性が優れており、　Ｎｉ、希土類元素を添加させた
場合には焼入れ性のみならず靭性も向」ニし得るもので
ある。

さらに１本発明鋼であるへ３〜Ａ１０鋼、従来鋼である
Ｂｌ鋼から作製した」二記Ｉ−−シロン・バーに対して
、剪断応力６０　吉５０　ｋｑｒ／ｍ２で繰り返し負荷
を与え疲労試験を行った結果、いずれのトーション・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。

て添加させ、かつ必要に応じてＢ、　Ｃｒ、　Ｎｉ、希
土類より、従来の高８１ばね用銅の焼入性、耐へたり性
を大［１］に改善することに成功したもので、かつ。

ばね用銅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銅と
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、　Ｈ＋ｔＣ４５〜５５の硬さの試験片のへたり
量を示した線図、第５図はへ３〜Ａ拵、Ｂ１℃の焼入れ
温度で加熱した場合のオーヌテナイト結晶粒度を示した
線図である。 １９− に１もビしｌ七　（月Ｒす

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　重量比にして００５０〜０．８０％、Ｓｉ１．５０
   〜２．５０％、　Ｍｎ　１．６０−２．５０％を含有し
   、さらにＶｏ、０５−０．５０％、　Ｎｂ　Ｏ，０５〜
   ０．５０％、Ｍｏ０．０５〜０５０％のうち１種２　重
   量比にしてＣ０，５０〜０８０％、Ｓｉ１．５０〜２．
   ５０％、　Ｍｎ　１．６０−２．５０％と、Ｖｏ、０５
   −０．５０％、　Ｎｌ）　０．０５−０６５０％、Ｍｏ
   ０．０５〜０５０％のうち１種ないし２種以上を含有し
   、さらにＢ　Ｏ，０００５−０，０１００％、Ｃｒ０．
   ２０−１．００％、ＮｉＯ，２０〜２．００％、希土類
   元素０８０％以下れたばね用銅。 ３、重量比にして００５０〜０８０％、ｓｉｉ、Ｉ５ｏ
   〜２．５０％、　Ｍｎ　１．６０〜２．５０％と、　Ｖ
   ｏ、０５−０．５０％、　Ｎｌ）　０．０５〜０５０％
   、Ｍｏ０．０５〜０５０％のうち１種ないし２種以上を
   含有し、さらにＡ１０．０８〜０１０％、Ｔｉ０．０２
   〜０１０％、　Ｚｒ　０．０２〜０．１０％のうち１種
   ないし２挿具