JPWO2015037246A1 - ばね用鋼およびばねの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1には、C、Si、Mn、P、S、Cu、Ni、Cr、Mo、V、Nb、Ti、Al、NおよびBの添加量を制御し、As、SnおよびSbの合計の添加量、ならびにCuとNiの添加量を制御することにより低脱炭および優れた耐遅れ破壊特性を実現した、高強度ばね鋼が開示されている。特許文献1には、As、SnおよびSbの合計の添加量と脱炭深さの関係が記載されているが、As、SnおよびSbの合計の添加量を適正化してもフェライト脱炭を抑制するには至っておらず、このことから、フェライト脱炭の内層側に生成する脱炭も抑制することができるとは限らない。
記
A=[C]/([Si]+[Sb]+[Sn]) ・・・(1)
B=[Si]/([Sn]+[Sb]) ・・・(2)
C=[Sb]+[Sn] ・・・(3)
但し、[ ]は該括弧内成分の含有量(質量%)
1.C:0.45質量%以上0.65質量%未満、
Si:0.15質量%以上0.70質量%以下、
Mn:0.10質量%以上1.00質量%以下、
Cr:0.20質量%以上1.50質量%以下、
P:0.025質量%以下、
S:0.025質量%以下、
O:0.0015質量%以下、
Sb:0.010質量%以上0.030質量%未満および
Sn:0.010質量%以上0.030質量%以下
を、下記(1)式で算出されるA値が0.65以上3.50以下、下記(2)式で算出されるB値が3.10以上34.00以下、(3)式で算出されるC値が0.020質量%以上0.050質量%以下の条件下に含有し、残部が不可避的不純物およびFeからなる成分組成であるばね用鋼。
記
A=[C]/([Si]+[Sb]+[Sn]) ・・・(1)
B=[Si]/([Sn]+[Sb]) ・・・(2)
C=[Sb]+[Sn] ・・・(3)
但し、[ ]は該括弧内成分の含有量(質量%)
Al:0.50質量%以下、
Cu:1.0質量%以下、
Ni:2.0質量%以下、
W:2.0質量%以下、
Nb:0.1質量%以下、
Ti:0.2質量%以下、
V:0.5質量%以下、
Mo:1.0質量%以下および
B:0.005質量%以下
のうちから選ばれる1種または2種以上を含有する前記1に記載のばね鋼。
記
D=6883.66×[Sb]−5213.09×[Sn]+0.65×T−543.76・・・(4)
C:0.45質量%以上0.65質量%未満
Cは、必要な強度を確保するために必須の元素であり、0.45質量%未満では所定の強度確保が難しく、また所定強度を確保するためには、合金元素の多量添加が必要となって、合金コストの上昇を招くことから、0.45質量%以上とする。また、含有するC量が少ないと、脱炭を生成し易くなる。一方、0.65質量%以上の添加は靭性の低下を招く。以上のことから、C量は0.45質量%以上0.65質量%未満とする。好ましくは、0.46質量%以上である。
Siは、脱酸剤として、また、固溶強化や焼戻し軟化抵抗を向上させることにより鋼の強度を高め、鋼の耐へたり性を向上する元素であり、0.15質量%未満では所定の強度確保が難しく、また所定強度を確保するためには、合金元素の多量添加が必要となって、合金コストの上昇を招くことから、0.15質量%以上とする。しかし、Siは脱炭を促進する元素かつスケール中にファイアライトを生成させスケール剥離性を低下させる元素である。このため、Siが0.70質量%を超えて添加されると脱炭が促進するとともに、スケールが剥離し難くなる。よって、Siの上限は0.70質量%とする。以上のことから、Si量は0.15質量%以上0.70質量%以下とする。好ましくは、0.69質量%以下である。
Mnは、鋼の焼入れ性を向上させて強度を高めるのに有効であるため、0.10質量%以上添加する。しかし、1.0質量%を超える添加は、鋼を過度に高強度化するため、母材靭性の低下を招く。よって、Mnの上限は、1.00質量%とする。以上のことから、Mn量は、0.10質量%以上1.00質量%以下とする。好ましくは、0.12質量%以上である。
S:0.025質量%以下
PおよびSは、粒界に偏析して鋼の母材靭性の低下を招く。以上のことから、これらの元素はできるかぎり低減するのが好ましい。よって、PおよびSはいずれも0.025質量%以下とする。なお、下限は特に限定しないが、0.0002質量%未満とするには、高いコストを必要とすることから、工業的には0.0002質量%までの低減とすることが好ましい。
Crは、鋼の焼入れ性を向上させ強度を増加させる元素である。そのため、0.20質量%以上は添加する。一方で、1.50質量%超の添加は、鋼を過度に高強度化するため、母材靭性の低下を招く。また、Crは1.50質量%を超えるとスケール中に含有されるようになり、アンカー効果によりスケール剥離性が低下する。以上のことから、Cr量は0.20質量%以上1.50質量%以下とする。
Oは、SiやAlと結合し、硬質な酸化物系非金属介在物を形成して、ばね特性の低下を招くため、可能な限り低い方が良いが、本発明では、0.0015質量%までは許容される。なお、下限は特に限定しないが、0.0002質量%未満とするには、高いコストを必要とすることから、工業的には0.0002質量%までの低減とすることが好ましい。
Sbは、素材を加熱した際に表層に濃化して、加熱時に表層のC量が低下することを抑制する作用を有する。この作用を発現させるために、Sbは0.010質量%以上にて添加する。しかし、Sbは0.030質量%以上添加すると、素材加熱時に液体金属となり、旧オーステナイト粒界に侵食し、アンカー効果によりスケール剥離性を低下させる。以上のことから、Sbは0.010質量%以上0.030質量%未満とする。好ましくは、0.029質量%以下である。
Snは、素材を加熱した際に表層に濃化して、加熱時に表層のC量が低下することを抑制する作用を有する。さらにSnは、鋼を加熱した際に生成するスケールの厚さを薄くする作用を有し、上述したSb添加によるスケール剥離性の低下を抑制する作用も有する。この作用を発現させるために、Snは0.010質量%以上にて添加する。しかし、Snは0.030質量%を超えて添加すると、素材加熱時に液体金属となり、旧オーステナイト粒界に侵食し、アンカー効果によりスケール剥離性が低下する。以上のことから、Snは0.010質量%以上0.030質量%以下とする。好ましくは、0.029質量%以下である。
下記(1)式で算出されるA値は、脱炭の抑制に影響を与える指数であり、A値が3.50超になることは、添加するCの添加量が多くなるか、添加するC量が同じでも添加するSb、Sn量が少なくなることである。すなわち、添加するC量が多くなると靭性の低下を招き、またSb、Sn量が少なくなると、脱炭の増加を招く。一方、0.65未満になると、添加するC量が少なくなるか、添加するSi量やSb、Sn量が多くなるため、スケール剥離性が低下する。以上のことから、A値は0.65以上3.50以下とする。好ましくは、0.66以上である。
記
A=[C]/([Si]+[Sb]+[Sn]) ・・・(1)
但し、[ ]は該括弧内成分の含有量(質量%)
下記(2)式で算出されるB値は、脱炭の抑制に影響を与える指数であり、また、スケールの厚さ、ならびにスケール組成を制御するための指標である。B値が3.10未満になると添加するSbやSnの量が多くなり、それらが素材加熱時に液体金属となり、旧オーステナイト粒界に侵食し、アンカー効果によりスケール剥離性を低下する。一方、B値が34.00超になると、添加するSi量が多くなり、脱炭が促進される。以上のことから、B値は3.10以上34.00以下とする。好ましくは、3.13以上である。
記
B=[Si]/([Sn]+[Sb]) ・・・(2)
但し、[ ]は該括弧内成分の含有量(質量%)
下記(3)式で算出されるC値は、脱炭の抑制、さらに素材加熱時にSbやSnが液体金属となって旧オーステナイト粒界に侵食し、アンカー効果によりスケール剥離性を低下させることの抑制、に影響を与える指数である。このC値が0.020質量%未満になると、脱炭が促進する。また、0.05質量%超になると素材加熱時にSbやSnが液体金属となり、旧オーステナイト粒界に侵食し、アンカー効果によりスケール剥離性が低下するようになる。以上のことから、C値は0.020質量%以上0.050質量%以下とする。
記
C=[Sb]+[Sn] ・・・(3)
但し、[ ]は該括弧内成分の含有量(質量%)
Al: 0.50質量%以下、Cu:1.0質量%以下、Ni:2.0質量%以下、W:2.0質量%以下、Nb:0.1質量%以下、Ti:0.2質量%以下、V:0.5質量%以下、Mo:1.00質量%以下およびB:0.005質量%以下のうちの1種または2種以上
しかし、Vは0.5質量%、Nbは0.1質量%およびTiは0.2質量%を超えて添加すると、鋼中に炭化物が多量に生成し、高強度化して靭性の低下を招く。Nb、TiおよびVは、それぞれ上記の値を上限として添加するのが好ましい。また、Wは2.0質量%を超えて添加すると、高強度化して靭性が低下し、合金コストの上昇を招く。よって、Wは、2.0質量%を上限として添加するのが好ましい。Wは、1.0質量%を上限として添加することがより好ましい。
以上の成分組成を有する鋼素材は、転炉にて溶製されたものでも真空溶解にて溶製されたものでも使用できる。そして、鋼塊、スラブ、ブルームまたはビレットなどの鋼素材は、加熱されて熱間圧延に供され、好ましくは棒鋼あるいは線材に加工されてばね用鋼とされる。上記成分組成のばね用鋼は、熱間圧延時の加熱段階における脱炭が抑制されるとともに、この加熱段階において生成するスケールは剥離性がよいものとなるため、後工程においてばね形状への加工を施す際にスケールが素材表面に押込まれて押込み疵となることを防止できる。なお、熱間圧延後の棒鋼あるいは線材には必要に応じてショットピーニング等による脱スケール処理を施して、これをばね用鋼としてもよい。
ここで、D値は、加熱後のスケール厚さを表す指標である。すなわち、発明者らの調査によれば、上記した成分組成の鋼では、加熱後のスケール厚さは、Sb含有量(質量%)[Sb]、Sn含有量(質量%)[Sn]および加熱温度T(℃)により変化し、下記(4)式で算出されるD値で示される値と相関があることがわかった。そして、D値を125以下とすることで、加熱時に生成するスケールが薄くなり、スケール剥離性がより向上することがわかった。よって、D値が125以下となる加熱温度T(℃)とすることが好ましい。より好ましくは、19以上である。
記
D=6883.66×[Sb]−5213.09×[Sn]+0.65×T−543.76・・・(4)
耐脱炭性は、熱間圧延後の棒鋼から長手方向(圧延方向)に対して10mm切断して得られたサンプルに対して加熱、冷却(焼入れ)、焼戻し処理を行い、これらの処理後のサンプルに対して表層からの深さ方向への硬度変化を測定することで評価した。評価方法は次のとおりである。上記サンプルを大気雰囲気下で1000℃×30分加熱し、その後、60℃の油で冷却した。焼戻し処理としては、大気雰囲気下で400℃×60分加熱してから水冷した。その後、得られた試験片に対して、切断面(長手方向に対して垂直な(直径42mm)の断面:以下、C断面)の硬度測定を行えるように、樹脂に埋め込み、C断面の鏡面研磨後にこのC断面の硬度測定を行った。硬度測定は、JIS G 0558「鋼の脱炭層深さ測定方法」に記載の硬さ試験による測定方法に従い測定した。すなわち、条件は次のとおりである。株式会社アカシ製 微小硬さ試験機(HM-115、ビッカース硬さ)で荷重0.98Nで25μmピッチで測定を実施した。得られた結果に対して、ビッカース硬さがHV400未満の領域を全脱炭深さと定義した。
スケール剥離性は、熱間圧延後の棒鋼をその端部から長手方向(圧延方向)に10mmの位置で切断した試験片を、表2に示す種々の温度に加熱後、直ちに水冷を行い、この水冷時に試験片より剥離したスケールを観察した。また、熱処理後の試験片の表面(42mmφの表面)にセロハンテープを接着した後にこれを剥がして、テープに付着した剥離スケールを調査し、これに前記水冷時に剥離したスケールの観察結果を併せた判定とした。評価は、水冷時のスケール剥離性およびセロハンテープによるスケール剥離性ともに、次の5段階とした。
1:剥離大(剥離したスケールの円相当径の平均が5mm以上)
2:剥離中(剥離したスケールの円相当径の平均が3mm以上5mm未満)
3:剥離小(剥離したスケールの円相当径の平均が1mm以上3mm未満)
4:剥離微量(剥離したスケールの円相当径の平均が1mm未満)
5:剥離無し(スケールの剥離が無い)
スケール剥離性は、水冷時に剥離したスケールから判定した評価結果、ならびにテープに付着した剥離スケールから判定した評価結果の総和で評価を行い、合計が6点以下の場合、良好なスケール剥離性を有すると判断した。
上述した直径42mmの棒鋼を大気雰囲気下で900℃×30分加熱し、その後、60℃の油で冷却した。焼戻し処理としては、大気雰囲気下で400℃×60分加熱してから水冷した。その後、得られた試験片に対して、表面から1/4D(Dは棒鋼の直径)の位置を中心としてASTM E8に記載の平行部の直径が6mmの引張試験片を採取し、評点間距離24mm、および引張速度5mm/分で試験を実施した。本発明では、引張強さが1730MPa以上あれば良好と判断した。なぜなら、引張強さが1730MPa未満では、ばねの疲労強度の低下を招くためである。
上述した直径42mmの棒鋼を大気雰囲気下で970℃×30分加熱し、その後、60℃の油で冷却した。焼戻し処理としては、大気雰囲気下で400℃×60分加熱してから水冷した。その後、得られた試験片に対して、表面から1/4D(Dは棒鋼の直径)の位置を中心としてJIS Z 2242に記載のUノッチ試験片を採取し、試験温度20℃で試験を実施した。靭性の評価は、試験温度20℃での衝撃特性が20J/cm2以上であれば良好と判断した。なぜなら、衝撃特性は、ばね鋼に求められる特性の一つであるため、本発明では、基準鋼の1.5倍以上であれば良好な靭性が得られたと判断し、20J/cm2以上の衝撃特性を良好とした。
スケール剥離性は、熱間圧延後の棒鋼をその端部から長手方向(圧延方向)に10mmの位置で切断した試験片を、表2に示す種々の温度に加熱後、直ちに水冷を行い、この水冷時に試験片より剥離したスケールを観察した。また、熱処理後の試験片の表面(42mmφの表面)にセロハンテープを接着した後にこれを剥がして、テープに付着した剥離スケールを調査し、これに前記水冷時に剥離したスケールの観察結果を併せた判定とした。評価は、水冷時のスケール剥離性およびセロハンテープによるスケール剥離性ともに、次の5段階とした。
1:剥離大(剥離したスケールの円相当径の平均が5mm以上)
2:剥離中(剥離したスケールの円相当径の平均が3mm以上5mm未満)
3:剥離小(剥離したスケールの円相当径の平均が1mm以上3mm未満)
4:剥離微量(剥離したスケールの円相当径の平均が1mm未満)
5:剥離無し(スケールの剥離が無い)
スケール剥離性は、水冷時に剥離したスケールから判定した評価結果、ならびにテープに付着した剥離スケールから判定した評価結果の総和で評価を行い、合計が7点以下の場合、良好なスケール剥離性を有すると判断した。
Claims (4)
- C:0.45質量%以上0.65質量%未満、
Si:0.15質量%以上0.70質量%以下、
Mn:0.10質量%以上1.00質量%以下、
Cr:0.20質量%以上1.50質量%以下、
P:0.025質量%以下、
S:0.025質量%以下、
O:0.0015質量%以下、
Sb:0.010質量%以上0.030質量%未満および
Sn:0.010質量%以上0.030質量%以下
を、下記(1)式で算出されるA値が0.65以上3.50以下、下記(2)式で算出されるB値が3.10以上34.00以下、(3)式で算出されるC値が0.020質量%以上0.050質量%以下の条件下に含有し、残部が不可避的不純物およびFeからなる成分組成であるばね用鋼。
記
A=[C]/([Si]+[Sb]+[Sn]) ・・・(1)
B=[Si]/([Sn]+[Sb]) ・・・(2)
C=[Sb]+[Sn] ・・・(3)
但し、[ ]は該括弧内成分の含有量(質量%) - 前記成分組成は、さらに、
Al:0.50質量%以下、
Cu:1.0質量%以下、
Ni:2.0質量%以下、
W:2.0質量%以下、
Nb:0.1質量%以下、
Ti:0.2質量%以下、
V:0.5質量%以下、
Mo:1.0質量%以下および
B:0.005質量%以下
のうちから選ばれる1種または2種以上を含有する請求項1に記載のばね用鋼。 - 請求項1または2に記載の成分組成である鋼素材を、熱間圧延して棒鋼あるいは線材とし、次いで熱間成形によりばね形状とするばねの製造方法。
- 前記熱間成形時の加熱温度T(℃)、前記鋼素材中のSb含有量[Sb](質量%)およびSn含有量[Sn](質量%)に関する、下記(4)式にて算出されるD値が125以下である請求項3に記載のばねの製造方法。
記
D=6883.66×[Sb]−5213.09×[Sn]+0.65×T−543.76・・・(4)
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