JPS62156251A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ばね用鋼、特に自動車等の懸架装置に用いら
れる耐へたり性、耐疲労性に優れたばね用鋼およびその
製造方法に関するものである。

〔従来技術〕

この種のばね用鋼は、自動車用として懸架用ばね、ある
いはエンジンの弁ばねの素材として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も最も重要な
ものは、繰返し使用後の信頼性すなわち耐疲労性と、エ
ネルギ蓄積能の劣化すなわちいわゆる「へたり」と呼ば
れる現象に対する抵抗性である。

特に、近年自動車等の輸送機械においては、走行エネル
ギの低減のために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て軽量化を達成すると
いう傾向が顕著になってきた。

このような要請にこたえるために、ばね用鋼もＪ　ｌ５
−５ＵＰ６よりＳｉ含有量が高く、耐へたり性が優れた
一５ＵＰ７が広く使用されるようになってきた。しかし
、さらに軽量化を進めるため、５ＵＰ７より優れた耐へ
たり性を有するばね用鋼として、例えば特公昭５９−４
１５０２あるいは特開昭６０−１０３１５５公報に開示
されているように、５ＵＰ７にＶ、Ｎｂｌｔｌ種以上含
有させたばね用鋼が開発され使用されている。

〔解決しようとする問題点〕

しかし、自動車等の軽量化に対する要請はますます高ま
り、前記５ＵＰ７にＶ、Ｎｂを１種以上含有させたばね
用鋼と同等あるいはさらに高性能で、より高い応力のも
とての使用に耐えられ、耐へたり性、耐疲労性のさらに
優れたばね用鋼およびその製造方法の開発が望まれてい
た。

〔問題点を解決するための手段〕 本発明者は前記の軽重化に対する厳しい要請に十分に対
応でき、耐へたり性、耐疲労性においてさらに優れたば
ね用鋼を得るべく、耐へたり性。

耐疲労性に及ぼす各種元素の影響についで研究を重ねた
結果、前記Ｖ、Ｎｂのほか、特に固溶Ｎ、すなわち他の
元素と結合していないＮは、鋼中において侵入型として
結晶内に固溶し、特に転位付近に侵入し易い元素である
こと、このようにＮが侵入した転位は移動が困難となる
ことからへたりが減少し、耐へたり性を大巾に改善する
ことを見出した。また、ＡＩは比較的安価な非鉄金属で
あるが、その適量添加は溶解時の脱酸作用のほか、溶鋼
中のＮと結合してＡＩＮを生成し、焼入時の結晶粒粗大
化を防止し、かつ耐力比、絞り値を向上させるという優
れた作用を有する元素である。

さらに、本発明鋼に対しては、焼入、　ＶＥもどしを施
した後、ショットピーニング、セッチングという冷間加
工を行うことによって転位密度を上昇させ、ついで１５
０〜３００℃で時効処理を施すことによって転位を固定
し、耐へたり性をさらに向上させることができることを
見出した。

以上の知見に基づき、本発明者は、ＦｅにＣ１Ｓｉ、Ｍ
ｎ、Ｃｒ、特にＮ、固溶ＮおよびＡＩの特定量を含有さ
せ、さらにこれにＶ、Ｎｂのうちの１種ないし２種を含
有させることによって耐へたり性の優れたばね用鋼素材
の化学成分を特定し、また、前記ばね用鋼素材に対して
特定の処理を施すことよりなる耐へたり性の優れたばね
用鋼の製造方法を発明した。

すなわち、本発明の第１は重量比にして、Ｃ；０．５〜
０．８％、　Ｓ　ｉ；　１．４〜２．５％、Ｍｎ；０．
５〜１．５％、Ｃｒ；０．２〜１％、　　Ａ　ｌ　；　
０．０１５〜０．０５％、　Ｎ；　０．０１２〜０．０
３％を含有し、かつ固溶Ｎ　；　０．００３％以上で、
残部Ｆｅならびに不純物元素からなるものであり、第２
は第１発明の鋼にＶｏ、０３〜０．５％、　Ｎ　ｂ　０
．０１〜０．５％のうち１種ないし２種を含有させ第１
発明の鋼の耐へたり性をさらに向上させたものである。

また第３および第５はいわゆる熱間巻きばねに関するも
ので、第１または第２発明の鋼に対し、それぞれ熱間圧
延によりばね素材に成形し、ついで前記ばね素材を所定
の温度に加熱し、ばねに成形した後、焼入。

焼もどし処理を行う工程と、ついでショットピーニング
およびセツチングという冷間加工を行う工程と、１５０
〜３００℃で時効処理を施す工程とによって第１または
第２発明の鋼の耐へたり性をさらに向上させたものであ
る。さらに第４および第６はいわゆる冷間巻きばねに関
するもので、第１または第２発明に対し、それぞれ熱間
圧延によりばね素材に成形し、ついで前記ばね素材にパ
テンチング処理を施した後、伸線加工を行う工程と、オ
イルテンパー処理を行った後、ばねに成形する工程と、
ついで低温焼なましを施した後、ショットピーニングお
よびセッチングという冷間加工を行う工程と、１５０〜
３００℃で時効処理を施す工程とによって第１または第
２発明の鋼の耐へたり性をさらに向上させたものである
。

つぎに、本発明鋼の化学成分限定理由についで説明する
。

Ｃは焼入、焼もどしによりばねとして必要な硬さを確保
する元素であり、少なくとも０．５％以上含有させる必
要があり下限を０．５％とした。しかし、Ｃを含有しす
ぎると焼入時に焼き割れが発生し易くなるため上限を０
．８％とした。

Ｓｉはフェ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元素であるが、１．４％未
満では十分な効果が得られないため下限を１．４％とし
た。しかし、Ｓｉを２．５％を越えて含有させても耐へ
たり性向上の効果が飽和し、かつ熱処理時、遊離炭素を
生じ易くなるため上限を２．５％とした。

Ｍｎは焼入性の向上に有効な元素であるが、ばねの中心
部まで十分に焼きが入るためには０．５％以上含有させ
る必要があるので下限を０．５％とした。しかし、１．
５％を越えて含有させると靭性の劣化が著しいため上限
を１．５％とした。

ＣｒはＭｎと同様に焼入性を向上させ、かつ脱炭防止に
効果のある元素であり、これらの効果を得るには０．２
％以上含有させる必要があり下限を０．２％とした。し
かし、Ｃｒを１％を越えて含有させると耐へたり性向上
効果力を阻害されるので上限を１％とした。

ＡＩは本発明鋼の特徴の一つをなす重要な元素であって
、溶解時には脱酸剤として作用するほか、溶鋼中のＮと
結合してＡＩＮを生成し、焼入時の結晶粒粗大化を防止
し、かつ耐力比、紋り値を向上させる作用がある。第１
図に示したようにＡＩ含有量が０．０１５％未満では結
晶粒が粗大化し、かつ必要な耐力比が得られないため、
下限を０．０１５％とした。しかし、Ａ　ｌ　ｔ−０，
０５％を越えて含有させると鋼の清浄度を害し耐、疲労
性が損なわれるため上限を０．０５　　％とした。

Ｎは前記ＡＩＮを生成し、結晶粒を微細化するほか、鋼
中において侵入型として結晶内に固溶し、Ｎが侵入した
転位は移動が困難となることから、耐力比、耐へたり性
を改善する元素である。また、Ｎを含有した鋼は焼入、
焼もどしを施した後、セッチング、ショットピーニング
という冷間加工を行い、ついで１５０〜３００℃で時効
処理を施すことによって、転位密度を増加させるととも
に転位を固定し、耐へたり性を向上させることができる
。

Ｎのこのような耐へたり性、耐力比改善効果を得るため
には、０．０１２％以上含有させる必要があるので、下
限を０．０１２％とした。しかし、Ｎを０．０３％を越
えて含有させると、鋼塊の鋳造時にＮが泡となり、ブロ
ホールが発生し材料の内部欠陥を誘発するため上限を０
．０３　　％とした。

固溶Ｎには前記のとおり、歪時効処理により耐へたり性
を改善する作用がある。第２図は冷間成形したばねに時
効処理を施した場合の固溶Ｎｆｌと残留剪断歪との関係
を示す研究結果であるが、図から明らかなように、固溶
Ｎｆｆ１の増加により残留剪断歪は小さくなり、特に固
溶Ｎｍが帆００３％以上になると残留剪断歪が８．５　
ＸＩＯ””以下となって、優れた耐へたり性が得られる
ことを見出した。このため固溶Ｎの下限を０．００３％
とした。また、第３図は鋼のＡＩ、Ｎ含有量に基づいて
固溶Ｎ量を求めるとともに、逆に固溶Ｎ量からＡＩ、Ｎ
含有量の下限を規制する手段を示すものである。すなわ
ち、第３図の溶解度曲線ＺはＬｏｇ［Ａｌ］Ｘ［Ｎ　］
　”−７４００／　Ｔ　＋１．９５　（Ｄａｒｋｅｎに
よる式）に基づいて焼入温度８６０℃におけるＡＩ、Ｎ
の溶解度を示したものであり、例えば供試ｆ：１４Ｘの
ＡＩ含有量０．０３１％（横軸）と、Ｎ含有ｆｌｏ、０
１６５％（縦軸）から図上にこれに対応する点Ｘを求め
、ついでこの点Ｘから勾装置４／２７（Ｎ、ＡＩの原子
量比）の直線を引き、前記ＡＩ、Ｎの溶解度曲線Ｚとの
交点Ｙを求めると、この交点Ｙの縦軸上の値帆００４％
が固溶Ｎｆｆ１である。また、固溶Ｎ量０．００３％以
上を得るためには、ＡＩ、Ｎ含有量が第３図の点ハ、二
を結ぶ直線より上方に位置するようにそれぞれ下限を規
制する必要がある。

Ｖ、Ｎｂは鋼中において炭化物を形成し、これら炭化物
が焼入、焼もどし過程で微細な炭化物として析出し、こ
れが鋼中において転位の動きを阻止し、耐へたり性を改
善する。また、焼入時の加熱において、オーステナイト
中に溶解されなかった炭化物は、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ものであ
り、これらの効果を得るには■は０．０３％以上、Ｎｂ
は０゜０１％以上含有させる必要があり、その下限を■
は０．０３％、Ｎｂは０．０１％とした。しかし、Ｖ、
Ｎｂともに０．５％を越えて含有させると、オーステナ
イト中に溶解されないＶ、Ｎｂの未溶解炭化物量が増加
し、疲労強度を低下させる恐れがあるためＶ、Ｎｂとも
に上限を０．５％とした。

また、時効処理温度を１５０〜３００℃としたのは、時
効処理温度により耐へたり性の改善効果が影響され、第
４図に示したように、１５０℃以上の温度で時効処理を
施すことにより残留剪断歪が大巾に減少し、優れた耐へ
たり性が得られる。しかし、その温度が３００℃を越え
ると、過時効により軟化が始まるため残留剪断歪が増大
するので上限を３００℃とした。

〔作用〕

以上に述べたところから明らかなように、適量のＮはＡ
ＩＮとして結晶粒の粗大化を阻止し、また固溶Ｎが転位
の移動を妨げ、適量のＡＩは前記ＡＩＮとしての作用を
示し、またＶ、Ｎｂは炭化物として析出して同様に転位
の動きを阻止するとともにオーステナイト結晶粒を、微
細化する。また、本発明鋼に前記特定処理を施すことに
より転位密度が増加し、かつ転位が固定する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、特に前記諸元素が及ぼす作用および処
理の総合効果として、後述の実施例から明らかなように
、高５１ばね用鍋の耐へたり性。

耐疲労性を著しく改善することができた。したがって、
ばね用素材として設計応力を高め、高応力下での使用に
耐えることができるので、自動車等の軽量化促進に十分
に対応することができる。また、製造も極めて容易であ
り、さらに比較的安価なＡｔを効果的に活用したため、
製造費を低減させることができるので、高い実用性を有
する。

〔実施例〕

つぎに、本発明鋼の特徴を、従来鋼、比較鋼と比べて実
施例によって明らかにする。

第１表はこれらの供試鋼の化学成分を示すものである。

第１表においてＡ−Ｇ鋼は本発明鋼、Ｈ〜Ｊ鋼は比較鋼
、Ｋ、ＬＨ４は従来鋼て−ある。

第２表は第１表の供試鋼を素材として、焼入。

焼もどし処理を施したものの機械的性質、結晶粒度につ
いで示したものである。焼入、焼もどしに際しては、本
発明鋼、比較鋼、従来鋼ともに同−硬さが得られるよう
にした。引張り強さ、０．２％耐力、伸び、紋りはＪＩ
Ｓ４号試験片を用いて測定し、結晶粒度は９００℃で２
０分加熱後、油焼入を施したものについで測定した。

第２表から明らかなように、引張り強さについでは、本
発明ｍＡ−Ｇ鋼は従来！に、Ｌｔｇと比べて同等あるい
はそれ以上の値を示した。耐力比についでは、本発明鋼
の中でもＶ、Ｎｂを含有するＤ〜Ｇ鋼が従来鋼に比べて
優れていた。また、比較ｆｌｉｌＨ２■鋼は耐力比が０
．９２　　程度と従来鋼と同様に低いものであり、Ｊ鋼
は０．２％耐力、紋り、耐力比が・低く、結晶粒が粗大
化していた。

また、第１表の供試鋼を素材として、圧延により１２ｍ
ｍφの線材を製造し、ついでバテンチング処理、焼なま
し処理を施した後、引き抜きにより１０゜３ｍｍφとし
、ついで連続的に焼入、焼もどじ処理を行いオイルテン
パー線を製造した。なお、焼入。

焼もどしに際しては、本発明鋼、比較鋼、従来鋼ともに
同−硬さが得られるようにした。このオイルテンパー線
の機械的性質、結晶粒度についでは、前記と同様な結果
が得られた。

つぎに、前記供試鋼を素材とし、第３表に示す諸元を有
するコイルばねを成形し、その耐へたり性を測定した。

なお、コイリングを熱間で行ったものについでは、前記
ばね素材を所定の温度に加熱し、ばねに成形した後、焼
入、焼もどし処理を行い、ついでショットピーニングと
、使用時の最大荷重以上の荷重で押し付はセツチング処
理を施した後、２５０℃で３０分時効処理し、第４表に
示したような条件で締付へたり試験を行った。また、コ
イリングを冷間で行ったものについでは、前記ばね素材
を所定の温度に加熱し、パテンチング処理を施し、つい
で焼なまし処理を行った後、伸線加工を行い、ついでオ
イルテンパー処理を施した後、ばねに成形した。ついで
４００℃で低温焼なまし処理を施した後、ショットピー
ニングを行い、使用時の最大荷重以上の荷重で押し付は
セツチング処理を施した後、２５０℃で３０分時効処理
し、第４表に示したような条件で締付へたり試験を行っ
た。

締付へたり試験とは、コイルばねなその線の表面の最大
剪断応力がある値（これを締付応力と呼ぶ）になるよう
にたわませ、その状態を両端に配設した平板とボルトに
より固定し、一定時間（これを締付時間と呼ぶ）ある環
境温度下で保持した後に、試験前と試験後のコイルばね
のへたりを測定するものである。コイルばねのへたりは
、コイルばねを一定の高さになるまで押し付けるのに要
する荷重の試験前と試験後の差ΔＰを、次式により線に
残留した剪断歪Δγの値に換算して示した。

８・Ｄ・ΔＰ Δγ＝□　Ｄ；コイル中心径（ｍｍ　）Ｇ−π−ｄ’　
　　　Ｇ；横弾性率（ｋｇ　ｆ　／　ｍｍ”）ｄ；素線
径（ｍｍ） 第５表は冷間でコイルに成形したもので、同表から明ら
かなように、従来鋼に、Ｌ鋼の残留剪断歪量が平均で１
０．３．１０．８Ｘ１０　　であり、また比較鋼Ｈ−Ｊ
鋼が１０．１〜９．７Ｘ１０−″であるのに対して、本
発明鋼のへたり量は８．２〜５．７　Ｘｌ０−′４．特
にＤ〜Ｇｇ！では７．２〜５．７Ｘ１０−夕と従来鋼、
比較鋼に比べて大巾に低いものであり、本発明鋼ではＡ
Ｉ。

ＮやＶ、Ｎｂを含有させることにより、耐へたり性が顕
著に向上した。

また、第６表は熱間でコイルに成形したもので、同表か
ら明らかなように、本発明ｆｌｌＡ−Ｇ１ｍは従来鋼に
、Ｌ鋼、比較ＩＨ−Ｊｍに比べて残留剪断歪量が少なく
、熱間て成形したコイルばねについでも優れた耐へたり
性を有することが確認された。

さらに、本発明鋼であるＡ−ＧＥについで、前記第３表
に示した諸元を有するコイルはね素線に、剪断応力が１
０−１１０Ｋｇｆ／ｍｍ２と変動する負荷を繰返し与え
疲労試験を行った結果、いずれのコイルはねも２０万回
繰返しをしても折損しなかった。

以上の実施例から明らかのように、本発明鋼においては
、従来の高Ｓｉばね用鋼に適量のＡＩ。

Ｎを含有させ、またはさらにこれにＶ、Ｎｂのうち１種
ないし２種の適量を含有させたものについで、焼入、ｖ
Ｅもどじ後、ショットピーニング、セッチングという冷
間加工を行い、ついで１５０〜３００℃で時効処理を施
すことによって、冷間てコイルに成形したものも、熱間
でコイルに成形したものもいずれもその耐へたり性を顕
著に改善することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明鋼（Ｃ０，６−Ｓ　ｉ２．０−Ｍｎ０゜
８−　Ｃｒ　Ｏ，４−Ｎ　Ｏ，０１５０）のＡ！含有ｆ
ｆ１（％）と結晶粒度との関係を、第２図は冷開成形ば
ねに時効処理を施した場合の固溶Ｎｆｌ！と残留剪断歪
との関係を、第３図はＡＩとＮのオーステナイト中への
溶解度曲線を、第４図は残留剪断歪に及ぼす時効温度の
影響をそれぞれ示したグラフである。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量比にして、Ｃ；０．５〜０．８％、Ｓｉ；１
   ．４〜２．５％、Ｍｎ；０．５〜１．５％、Ｃｒ；０．
   ２〜１％、Ａｌ；０．０１５〜０．０５％、Ｎ；０．０
   １２〜０．０３％を含有し、かつ固溶Ｎ；０．００３％
   以上で、残部Ｆｅならびに不純物元素からなる耐へたり
   性の優れたばね用鋼。
2. （２）重量比にして、Ｃ；０．５〜０．８％、Ｓｉ；１
   ．４〜２．５％、Ｍｎ；０．５〜１．５％、Ｃｒ；０．
   ２〜１％、Ａｌ；０．０１５〜０．０５％、Ｎ；０．０
   １２〜０．０３％を含有し、かつ固溶Ｎ；０．００３％
   以上で、さらにＶ；０．０３〜０．５％、Ｎｂ；０．０
   １〜０．５％のうち１種ないし２種を含有し、残部Ｆｅ
   ならびに不純物元素からなる耐へたり性の優れたばね用
   鋼。
3. （３）重量比にして、Ｃ；０．５〜０．８％、Ｓｉ；１
   ．４〜２．５％、Ｍｎ；０．５〜１．５％、Ｃｒ；０．
   ２〜１％、Ａｌ；０．０１５〜０．０５％、Ｎ；０．０
   １２〜０．０３％を含有し、かつ固溶Ｎ；０．００３％
   以上で、残部Ｆｅならびに不純物元素からなる鋼を、熱
   間圧延によりばね素材に成形し、ついで前記ばね素材を
   所定の温度に加熱し、ばねに成形した後、焼入、焼もど
   し処理を行う工程と、ついでショットピーニングおよび
   セッチングという冷間加工を行う工程と、１５０〜３０
   ０℃で時効処理を施す工程とよりなる耐へたり性の優れ
   たばね用鋼の製造方法。
4. （４）重量比にして、Ｃ；０．５〜０．８％、Ｓｉ；１
   ．４〜２．５％、Ｍｎ；０．５〜１．５％、Ｃｒ；０．
   ２〜１％、Ａｌ；０．０１５〜０．０５％、Ｎ；０．０
   １２〜０．０３％を含有し、かつ固溶Ｎ；０．００３％
   以上で、残部Ｆｅならびに不純物元素からなる耐へたり
   性の優れたばね用鋼を、熱間圧延によりばね素材に成形
   し、ついで前記ばね素材にパテンチング処理を施した後
   、伸線加工を行う工程と、オイルテンパー処理を行った
   後、ばねに成形する工程と、ついで低温焼なまし処理を
   施した後、ショットピーニングおよびセッチングという
   冷間加工を行う工程と、１５０〜３００℃で時効処理を
   施す工程とよりなる耐へたり性の優れたばね用鋼の製造
   方法。
5. （５）重量比にして、Ｃ；０．５〜０．８％、Ｓｉ；１
   ．４〜２．５％、Ｍｎ；０．５〜１．５％、Ｃｒ；０．
   ２〜１％、Ａｌ；０．０１５〜０．０５％、Ｎ；０．０
   １２〜０．０３％を含有し、かつ固溶Ｎ；０．００３％
   以上で、さらにＶ；０．０３〜０．５％、Ｎｂ；０．０
   １〜０．５％のうち１種ないし２種を含有し、残部Ｆｅ
   ならびに不純物元素からなる鋼を、熱間圧延によりばね
   素材に成形し、ついで前記ばね素材を所定の温度に加熱
   し、ばねに成形した後、焼入、焼もどし処理を行う工程
   と、ついでショットピーニングおよびセッチングという
   冷間加工を行う工程と、１５０〜３００℃で時効処理を
   施す工程とよりなる耐へたり性の優れたばね用鋼の製造
   方法。
6. （６）重量比にして、Ｃ；０．５〜０．８％、Ｓｉ；１
   ．４〜２．５％、Ｍｎ；０．５〜１．５％、Ｃｒ；０．
   ２〜１％、Ａｌ；０．０１５〜０．０５％、Ｎ；０．０
   １２〜０．０３％を含有し、かつ固溶Ｎ；０．００３％
   以上で、さらにＶ；０．０３〜０．５％、Ｎｂ；０．０
   １〜０．５％のうち１種ないし２種を含有し、残部Ｆｅ
   ならびに不純物元素からなる鋼を、熱間圧延によりばね
   素材に成形し、ついで前記ばね素材にパテンチング処理
   を施した後、伸線加工を行う工程と、オイルテンパー処
   理を行った後、ばねに成形する工程と、ついで低温焼な
   ましを施した後、ショットピーニングおよびセッチング
   という冷間加工を行う工程と、１５０〜３００℃で時効
   処理を施す工程とよりなる耐へたり性の優れたばね用鋼
   の製造方法。