JPS6130653A - 高強度ばね鋼 - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、ばね素材として利用される高強度ばね鋼に
関し、とくに素材となる鋼の成分および線材圧延後の冷
却条件を適切にコントロールし、必要に応じて線材圧延
後に冷間加工を行うことにより、従来の焼入れ・焼戻し
処理をしたものと同等の高い強度が得られる非調質高強
度ばね鋼に関するものである。

（従来技術） 従来、自動車用懸架ばねおよび産業用ばねは、熱開成形
と冷開成形の２通りで製造されている。

これらのうち、熱開成形によるばねの製造は、ばね素材
を熱間で巻いたあと２焼入れ・焼戻しを行うことにより
所望の強度に調質するものであり。

冷開成形によるばねの製造は、あらかじめばね素材に焼
入れ・焼戻しの熱処理を施したあと、冷開成形してばね
を製造するものである。ところで、最近では、自動車や
機械装を類等の製造において、加工工程の省略、エネル
ギー消費量の削減等によるコストの低減が強く要求され
ている。

（発明の目的） そこで１本発明者等はこれらの要求に対応するため、ば
ねの製造において加工工程の省略が実現されるようにす
ることを目的として、素材の成分、　　組成および製造
条件について種々検討した。その結果、一般のばね鋼成
分の炭素光ｆｔｃｅｑ（％）と圧延後の冷却速度Ｖ（”
Ｃ／５ｅｃ）との組合わせを適切に選定することにより
、圧延ままの状態で話調をベイナイトとマルテンサイト
の混合組織とし、この段階でばねに必要な強度特性およ
びばねの冷間成形に必要な延性を付与し、そのまま冷開
成形ばね素材として供給できることを確かめた。

（発明の構成） すなわち、この発明による非調質高強度ばね鋼は、主成
分が、Ｃ：０．２５〜０．７５重量％。

Ｓｉ：０．２０〜３．０重量％１Ｍｏ：０．７０重量％
以下である鋼を素材とし、前記鋼の炭素当量Ｃｅｑ　（
％）と圧延後の冷却速度Ｖ（”Ｃ／５ｅｃ）との組合わ
せによりマルテンサイト生成指数をＣｅｑ＋Ｖ／１００
で表わしたときに。

１．０≦Ｃｅｑ＋Ｖ／１００≦１．３を満足する範囲に
前記鋼の成分と圧延後の冷却速度とを調整してミクロ組
織がベイナイトとマルテンサイトの混合組織であること
を特徴としている。

また、線材圧延後に冷間加工を行うことによって、前記
Ｃｅｑ＋Ｖ／１００の１１が上記よりも低いときでも高
強度のばね鋼が非調質で得られることを確かめた。すな
わち、この発明の第二発明による非調質高強度ばね鋼は
、主成分が、Ｃ：０．２５〜０．７５重量％、Ｓｉ：０
．２０〜３．０重量％、Ｍｏ：０．７０重量％以下であ
る鋼を素材とし、前記鋼の炭素当量Ｃｅｑ　（％）と圧
延後の冷却速度Ｖ　（”Ｏ／ｓｅｃ　）との組合わせに
よりマルテンサイト生成指数をＣｅ　ｑ　＋Ｖ／１００
で表わしたときに、Ｃｅｑ＋Ｖ／１００≦１．３を満足
する範囲に前記鋼の成分と圧延後の冷却速度とを調整す
ると共に、圧延後の冷間加工により加工硬化させたこと
を特徴としている。

そして、この発明による非調質高強敵ばね鋼は、従来か
ら用いられているばね鋼の焼入れ・焼戻し材に匹敵する
強度特性の得られることを確認した。

そしてまた、従来のばね鋼成分に■およびＮｂ、Ｔａを
１種または２種以上添加し、話調のベイナイトあるいは
マルテンサイト組織中に微細な炭化物を析出させること
により、話調のばねとしての強度特性がより向上するこ
とも確認した。

さらに１Ｍｏの添加量をコントロールすれば、パーライ
トノーズとベイナイトノーズの位ｎを調整することがで
きるので・、強度調整がより容易となることも確かめた
。

この発明の一実施態様においては、素材となる鋼として
１重量％で、Ｃ：０．２５〜０．７５％、Ｓｉ：０．２
０〜３．０％、Ｍｎ：０．２０〜２，０％、Ｃｒ：０．
２０〜３．０％１Ｍ０＝０．７０％以下、および必要に
応じてＶ：０．５種丈たは２ＭＡ以上、残部Ｆｅおよび
不純物からなるものを使用することができ、疲労強電の
より一層の向上をはかるために、上記不純物中において
、５：０．０１０′＃、琶％以下、［Ｏ］　二〇、００
１５ｉ［［％以下に規制したものを使用することができ
る。

なお、この発明において炭素当量Ｃｅｑ（％）は、Ｃ（
％）＋Ｍｎ（％）／６＋Ｓｉ（％）／２４＋Ｃｒ（％）
１５＋Ｍｏ　　（％）　／４＋Ｖ（％）／１４＋Ｎｉ　
　（％）／４０で表わぎれるものを使用することができ
るが、若干係数や合金成分等に相違があるものを使用す
る場合もこの発明に含まれる。

次に、上記実施態様において使用しうるばね鋼素材の成
分範囲（重量％）の限定理由について説明すると次のと
おりである。

Ｃ（炭素）： Ｃは鋼の強度を高めるのに有効な元素であるが、０．２
５％未満ではばねとして・の必要な強度をイＩ多ること
ができにくくなり、０．７５％を超えるとばねの冷間コ
イリングに必要な靭延性が得かたくなるので、０．２５
〜０．７５％の範囲とするのがよい。

Ｓｉ（けい素）： Ｓｉはフェライト中に固溶することにより鋼の強度を向
上し、ばねの鋸へたり性を向上させるのに有効な元素で
あるが、０．２０％未満ではばねとして必要な酎へたり
性を得ることができにくくなり、３．０％を超えると靭
延性が劣化してばねの冷間コイリングができなくがる恐
れがあるため０．２０〜３．０％の範囲とするのがよい
。

Ｍｎ（マンガン）： Ｍｎは鋼の脱酸に有効であると共に鋼の焼入性を向上さ
せるのに有効な元素であり、このような効果を得るため
には、０．２０％以上含有させるのがよい。他方、２．
０％を超えると焼入性が過大になって靭延性が劣化し、
ばねの冷間コイリング性が悲くなるので０，２０〜２．
０％の範囲とするのがよい。

Ｃｒ（クロム）： Ｃｒは高炭素鋼の脱炭および黒鉛化を防止するのに有効
な元素であるが、０．２０％未満ではこれらの効果を十
分に期待することがむつかしく、３．０％を超えると靭
性が劣化するおそれがあるので、０．２０〜３．０％の
範囲とするのがよい。

Ｍｏ（モリブデン）： ＭＯはばねの酎へたり性を改善するのに有効な元素であ
ると回持に２未発ＩＩＪＪによる非ＢＪ賀ばね鋼の強靭
化元素であり、鋼の使用目的等に応じて。

ＭＯの添加を定めることによりパーライトノーズとベイ
ナイトノーズの位置を調整し、ざらに冷却　　　′条件
を組み合わせることにより強度調整を行うことが望まし
い、しかし、添加量が多いとコスト高となって工程省略
のメリットが得がたくなるため、０，７０％以下に限定
するのがよい。

■（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）　　、Ｔａ（タンタ
ル）： Ｖ、Ｎｂ、Ｔａは圧延時の結晶粒微細化効果が大きく、
ばね特性の向上および信頼性の増大を得ることができる
ので必要に応じて話力１けることが望ましい、しかし、
■は０．５％よりも多くなると製鋼」−の取扱いが困難
となりやす＜、Ｎｂ＋Ｔａ（いずれか一方が０である場
合を含む、）は０．５％よりも多くなると造塊時に炭化
物（ＮｂＣ，ＴａＣ）がス１＝リンガー状に生成し。

これが通常の分塊圧延時に溶体化しがたくなることから
、いずれも０．５％以下に制限するのがよい。

Ｓ（いおう）： ＳはＭ　ｎ　Ｓ介在物を形成し、これが孔食の起点とな
り、ばね折損に至らしめることがあるので２Ｍｎ５の形
成を極力防止し、耐食性を付与する観点から、Ｑ、０１
０％以下とすることがより望ましい。

［Ｏ］　（酸素）； ［Ｏ］は酸化物系介在物を生成し、これが疲労破壊の起
点となりやすいので、使用目的等に応じて、その含有量
を規制するのが良い、この場合、０．００１５％以下で
あれば、疲労破壊の起点となりにくいので、０．００１
５％以下とすることがより望ましい。

（実施例） 表１に示すＮｏ、ｌ−陥、３３の化学成分を有する鋼を
電炉溶解したのち、造塊１分塊圧延１ＭＡ材圧延、冷間
引抜の工程によりばね用鋼線を製造した。なお、線材圧
延では圧延後の冷却速度を変えることにより、又冷間引
抜では減面率を変えることにより機械的特性の調整を行
った。なお、表１中のプルテンサイド生成指数は、Ｃｅ
ｑ　＋Ｖ　／　１００で表わしたもので、各試料のミク
ロ組織のマルテンサイ）ｆｔと炭素当量ｃｅｑおよび冷
却速度Ｖとの関係を式に表わしたものである。また、一
般に通常の熱処理ばね鋼（Ｓ　Ｕ　Ｐ）ではＳ、［Ｏ］
Ｉを規制しないため、特に、言及するものを除いては記
載していないが、およそＳ量は０．０１５０〜０．０２
０重量％、［Ｏ］量は０．００２〜０．００３重量％の
レベルである。

表１に、各供試鋼の引張強さ、伸び、絞りの値を示す。

表１に示すように、供試鋼Ｎｏ、１−ＮＯ，５のＣが０
．２０％レベルのものでは、ＭＯを多量に添加して炭素
当量Ｃｅｑの値を大きくしたとしても、また圧延後の冷
却速度を大きく取ったとしても、ばね用鋼線材として要
求される引張強さの最低ラインであるｌ　６０Ｋｇｆ／
ａ■２を満たすことはできなかだ。

また、供試鋼量、６〜Ｎ０１ｌＯのＣが０．２５％レベ
ルのものでは、Ｍｏを添加して炭素当量Ｃｅｑを高くし
てマルテンサイト生成指数を１．０以上としたり（Ｉｌ
ｋｌ、７の場合）、圧延後の冷却速度と引抜率とを適当
に組み合わせる（Ｎｏ。

９、ｌＯの場合）ことにより、マルテンサイト生成指数
が１．０以下でも引張強さ１６０　Ｋｇｆ／膳膳２以上
を満足できるものがあることがわかった。

さらに、供試鋼Ｔｈ、　１１−Ｎｏ、　２７のようにＣ
が０．３０〜０．６５％のレベルのものは１強度的には
１８０〜２１０Ｋｇｆ／＋ｎ２のほぼ安定したものが得
られることが確かめられた。

さらにまた、陽、２８〜１ｌｋ１．３１のようにＣが０
．７５％レベルのものでは、強度的には問題ないが、マ
ルテンサイト生成指数が１．３よりも大きくなった場合
に延性が低下して冷間コイリング性が悪くなり、ばねの
冷開成形が困難となるものがある。しかし、その場合に
はＮｏ、３０．３１のようにＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏ等の含有
量を低く抑えればよい。

さらにまた、Ｎｏ、３２．３３のようにＣが０．８５％
のレベルになると、延性の低下が著しく、冷開成形は不
可能であることが確かめられた。なお、この場合マルテ
ンサイト生成指数はいずれも１．３０を超えている。

次に、表１の中で供試鋼陥、４，１０，１３゜１６．１
Ｂ、２０，２８，３１，３４，３５゜３６の１１種の試
料を選択して表２に示す仕様の冷間成形コイルばねを製
造し、締付応力１１０ｋｇｆ／ａｍ２の下で７２ｈｒの
締付は試験を実施した。

その結果を表３に示す。

表　　　　　　２ 表　　　　　　　３ 表３に示すように、残留せん断ひずみγの判断基準を５
〜６ＸＩＯ−４とすると、本発明鋼はいずれもこの基準
を満足し、現行の５ＵＰ７熱処理材に匹敵するレベルに
あることが確認された。

そして、なかでも耐へたり性に対しては、Ｎｂ、Ｖの添
加による効果が大きいことが認められた。すなわち、Ｎ
ｏ、１３（Ｎｂ：添加なし。

Ｖ：添加なし）、陽、１６（Ｎｂ：添加なし。

Ｖ：０．１１％）、Ｎｏ、１８（Ｎｂ：０．１２％、　
Ｖ　：　ｎ加なＬ）、Ｎｏ、２０　（Ｎｂ：０．１２％
、Ｖ：０．１２％）はいずれも硬さをＢＨＤ２．６５に
揃えてＮｂとＶの添加量をそれぞれ変えたものであるが
、Ｎｂ、Ｖの両方を添加した陽、２０は耐へたり性に対
し最も効果的に作用していることが明らかとなっている
。

次に、表１に示すうち供試鋼Ｎｏ、４．１０゜２０．２
１，２２，２３，２６，３１，３４゜３５．３６の１１
種の試料について、前出の表２に示したと同じ仕様の冷
間成形コイルばねを製造し、実体コイルばね疲労試験を
応力６０±５０ｋｇｆ／ａｍ２の下で実施した。その結
果を表４に示す。

表　　　　　　　４ 表４に示すように、本発明の非調質ばね鋼は、現行材の
５ＵＰ７熱処理ばね鋼（Ｎｂ、３４゜３５．３６）の寿
命に比べやや低下するものもあるものの、これを超える
ものもあり、いずれも判断基準の２０万回を十分に満足
しており、耐久性においても問題ないことが確認された
。

そして、特に［Ｏ］とＳの低減は疲労強度の向上に効果
的である。すなわち、Ｎｏ、２１（Ｓ：０．０１５３％
、（０］　　：０．００２１％）、陽、２２　（Ｓ：０
．０１４８％、　　［Ｏ１：０．０００８％）、陽、２
３　（Ｓ：０．００４５％、［Ｏ］　：０．０００９％
）はＳと［Ｏ１の低減効果をみたものであるが、Ｓと［
Ｏ］の両者を規制したものはいずれも５０万回を満足し
ており、疲労特性が著しく向上していることが認められ
る。

（発明の効果） 以上説明してきたように、この発明の第一発明による非
調質高強度ばね鋼は、主成分が、Ｃ：０．２５〜０．７
５重量％、Ｓｉ：０．２０〜３．０重量％、Ｍｏ：０．
７０重量％以下である鋼を素材とし、前記鋼の炭素当量
Ｃｅｑ（％）と圧延後の冷却速度Ｖ　（’０／ｓｅａ　
）との組合わせによりマルテンサイト生成指数をＣｅｑ
＋Ｖ／１００−ｔ’表わしたときに、１．０≦Ｃｅ　ｑ
　＋Ｖ／１００≦１．３を満足する範囲に前記鋼の成分
と圧延後の冷却速度とを調整してミクロ組織がベイナイ
トとマルテンサイトの混合組織であるようにしたもので
あり、この発明の第二発明による非調質高強度ばね鋼は
、主成分が、Ｃ：０．２５〜０．７５重量％、Ｓｉ：０
．２０〜３．０重量％、Ｍｏ：０．７０重量％以下であ
る鋼を素材とし、前記鋼の炭素当量Ｃｅｑ　（％）と圧
延後の冷却速度Ｖ　（”Ｏ／ｓｅｃ　）との組合わせに
よりマルテンサイト生成指数をＣｅｑ＋Ｖ／１００で表
わしたときに、Ｃｅｑ＋Ｖ／１００≦１．３を満足する
範囲に前記鋼の成分と圧延後の冷却速度とを調整すると
共に、圧延後の冷間加工により加工硬化させたものであ
るから、非調質であるにもかかわらず、従来の焼入れ・
焼戻ししたばね鋼に匹敵する強度、冷間コイリング性、
酎へたり性、疲労特性を有し、ばね製造に要求される加
工工程の省略、エネルギー消費量の削減等によるコスト
低減の要求を材料の面から対処することが可能であると
いう非常に優れた効果をもたらしうるものである。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）主成分が、Ｃ：０．２５〜０．７５重量％、Ｓｉ
   ：０．２０〜３．０重量％、Ｍｏ：０．７０重量％以下
   である鋼を素材とし、前記鋼の炭素当量Ｃｅｑ（％）と
   圧延後の冷却速度Ｖ（℃／ｓｅｃ）との組合わせにより
   マルテンサイト生成指数をＣｅｑ＋Ｖ／１００で表わし
   たときに、１．０≦Ｃｅｑ＋Ｖ／１００≦１．３を満足
   する範囲に前記鋼の成分と圧延後の冷却速度とを調整し
   てミクロ組織がベイナイトとマルテンサイトの混合組織
   であることを特徴とする非調質高強度ばね鋼。
2. （２）素材となる鋼が、重量％で、Ｃ：０．２５〜０．
   ７５％、Ｓｉ：０．２０〜３．０％、Ｍｎ：０．２０〜
   ２．０％、Ｃｒ：０．１０〜３．０％、Ｍｏ：０．７０
   ％以下、残部Ｆｅおよび不純物からなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第（１）項記載の非調質高強度ばね鋼
   。
3. （３）素材となる鋼が、重量％で、Ｃ：０．２５〜０．
   ７５％、Ｓｉ：０．２０〜３．０％、Ｍｎ：０．２０〜
   ２．０％、Ｃｒ：０．１０〜３．０％、Ｍｏ：０．７０
   ％以下、およびＶ：０．５％以下、Ｎｂ＋Ｔａ：０．５
   ％以下のうちの１種または２種以上、残部Ｆｅおよび不
   純物からなることを特徴とする特許請求の範囲第（１）
   項記載の非調質高強度ばね鋼。
4. （４）不純物中において、Ｓ：０．０１０重量％以下、
   ［Ｏ］：０．００１５重量％以下に規制したことを特徴
   とする特許請求の範囲第（２）項または第（３）項記載
   の非調質高強度ばね鋼。
5. （５）主成分が、Ｃ：０．２５〜０．７５重量％、Ｓｉ
   ：０．２０〜３．０重量％、Ｍｏ：０．７０重量％以下
   である鋼を素材とし、前記鋼の炭素当量Ｃｅｑ（％）と
   圧延後の冷却速度Ｖ（℃／ｓｅｃ）との組合わせにより
   マルテンサイト生成指数をＣｅｑ＋Ｖ／１００で表わし
   たときに、Ｃｅｑ＋Ｖ／１００≦１．３を満足する範囲
   に前記鋼の成分と圧延後の冷却速度とを調整すると共に
   、圧延後の冷間加工により加工硬化させたことを特徴と
   する非調質高強度ばね鋼。
6. （６）素材となる鋼が、重量％で、Ｃ：０．２５〜０．
   ７５％、Ｓｉ：０．２０〜３．０％、Ｍｎ：０．２０〜
   ２．０％、Ｃｒ：０．１０〜３．０％、Ｍｏ：０．７０
   ％以下、残部Ｆｅおよび不純物からなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第（５）項記載の非調質高強度ばね鋼
   。
7. （７）素材となる鋼が、重量％で、Ｃ：０．２５〜０．
   ７５％、Ｓｉ：０．２０〜３．０％、Ｍｎ：０．２０〜
   ２．０％、Ｃｒ：０．１０〜３．０％、Ｍｏ：０．７０
   ％以下、およびＶ：０．５％以下、Ｎｂ＋Ｔａ：０．５
   ％以下のうちの１種または２種以上、残部Ｆｅおよび不
   純物からなることを特徴とする特許請求の範囲第（５）
   項記載の非調質高強度ばね鋼。
8. （８）不純物中において、Ｓ：０．０１０重量％以下、
   ［Ｏ］：０．００１５重量％以下に規制したことを特徴
   とする特許請求の範囲第（６）項または第（７）項記載
   の非調質高強度ばね鋼。