WO2012093506A1 - 腐食疲労強度に優れるばね - Google Patents

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less
corrosion fatigue
dislocation density
steel
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隆紀 久野
脇田　将見
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中央発條株式会社
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    • C21D2211/008—Martensite

Definitions

  • the present application relates to a spring.
  • the present invention relates to a spring that has high strength but excellent corrosion fatigue strength.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-261055 discloses a spring having a prior austenite average particle diameter D of 20 ⁇ m or less and an average martensite lath length of 30% or less of the prior austenite average particle diameter D.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-261055 describes that a spring having such characteristics has high strength and high toughness.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2008-261055 is referred to as Patent Document 1.
  • the spring described in Patent Document 1 does not necessarily satisfy the characteristics required for the spring.
  • a spring used for a vehicle suspension system or the like is required to have high durability even in an environment where the spring corrodes.
  • the durability of the spring when the spring is corroded is referred to as corrosion fatigue strength.
  • a cyclic corrosion fatigue test is known as a test method for measuring the level of corrosion fatigue strength.
  • the level of corrosion fatigue strength is determined by the number of repetitions when a spring breaks.
  • An object of the technology disclosed in the present specification is to provide a spring that is high in strength but excellent in corrosion fatigue strength.
  • the technology disclosed in this specification is based on the fact that the dislocation density of the steel material constituting the spring and the prior austenite grain size of the steel material are set to predetermined conditions, so that the Rockwell hardness is as high as HRC 53 to 56.
  • the present invention provides a spring that does not break even after repeated corrosion fatigue tests are performed 40,000 times.
  • the spring disclosed herein has a Rockwell hardness of HRC53 to HRC56. Further, in the spring, in the range of Rockwell hardness HRC53 to HRC56, the dislocation density ⁇ (cm ⁇ 2 ) when Rockwell hardness is H satisfies the following formula (1).
  • the austenite grain size number is NO. 10 or more. ⁇ ⁇ 1.4 ⁇ 10 11 ⁇ H-6.7 ⁇ 10 12 (1)
  • the prior austenite grain size number is NO. If it is less than 10, it will not pass 40,000 repeated corrosion fatigue tests. That is, in the spring having Rockwell hardness of HRC55, the old austenite grain size number is NO. Only when it is 10 or more and the dislocation density is 1.0 ⁇ 10 12 or more, it passes the 40,000 times repeated corrosion fatigue test.
  • the present inventors have found the above conditions by variously examining the relationship between the prior austenite grain size and the dislocation density. As a result, the inventors have succeeded in obtaining a spring that does not break even after repeated corrosion fatigue tests are performed 40,000 times.
  • the dislocation density of the spring is substantially proportional to the Rockwell hardness of the spring.
  • the Rockwell hardness is in the range of HRC53 to HRC56
  • the condition regarding the dislocation density for passing the corrosion fatigue test is Satisfied.
  • the dislocation density ⁇ is 1.0 ⁇ 10 12 . That is, the following formula (2) is used to study the relationship between Rockwell hardness and dislocation density for springs with different steel grades that have passed 40,000 repeated corrosion fatigue tests, and from the steel grade with the smallest dislocation density ⁇ . It is the obtained calculation formula.
  • the repeated corrosion fatigue test will be described.
  • a fine hole (pit) is formed on the surface of the spring due to corrosion (hereinafter referred to as a corrosion pit), and stress is concentrated on the corrosion pit. It is difficult to suppress the formation of corrosion pits in the spring. Therefore, a spring is desired in which the fatigue strength does not decrease even when corrosion pits are generated.
  • the corrosion fatigue strength of the spring can be quantified by a repeated corrosion fatigue test. That is, the corrosion fatigue strength of the spring steel can be evaluated by repeatedly performing the corrosion fatigue test and repeating the number of times until the spring breaks. Details of the corrosion fatigue test will be described later.
  • the spring disclosed in this specification may contain tempered martensite and may contain 2.1% to 2.4% by mass of Si (silicon). If the Si amount is adjusted to the above range, the spring can be adjusted to a desired strength by quenching and tempering. Typically, if the Si amount is adjusted to the above range, the Rockwell hardness of the spring can be easily adjusted to HRC53 to HRC56.
  • tempered martensite means that the spring steel is transformed from an austenite structure to a martensite structure by rapid cooling after heating at a high temperature, and further, a predetermined temperature (than the temperature at which it transforms to austenite). It is the one cooled after being heated to (low temperature).
  • the number of carbides having a minimum length of less than 15 nm among the carbides contained in the tempered martensite may be 40% or more of the total number of carbides.
  • the “minimum length” in the present specification refers to the length of the short side of the rectangle when a rectangle in contact with the outer edge of the carbide is formed.
  • the diameter of the sphere corresponds to the “minimum length”.
  • the thickness (width) of the carbide corresponds to the “minimum length”.
  • the spring disclosed in this specification is, by mass%, carbon 0.35% to 0.55%, manganese 0.20% to 1.50%, and chromium 0.10% to 1.50%.
  • one or more elements selected from nickel, molybdenum, and vanadium are further included.
  • Nickel 0.40% to 3.00%, molybdenum 0.05% to 0.50%, Vanadium may be contained in an amount of 0.05% to 0.50%, with the balance being iron and inevitable impurities.
  • manganese may be 0.40% or more and 0.50% or less.
  • nickel may be 0.50% or more and 0.60% or less.
  • the corrosion fatigue strength of the spring can be improved.
  • a spring that passes the 40,000 times repeated corrosion fatigue test can be obtained. For example, whether or not the dislocation density of the spring when the Rockwell hardness is HRC55 is 1.0 ⁇ 10 12 or more can be determined by the following formula (1).
  • the dislocation density of the spring when the Rockwell hardness is HRC55 is 1.0 ⁇ 10 12 or more.
  • the dislocation density of the spring when the Rockwell hardness is HRC55 is less than 1.0 ⁇ 10 12 .
  • the test method of the repeated corrosion fatigue test will be described later. ⁇ ⁇ 1.4 ⁇ 10 11 ⁇ H-6.7 ⁇ 10 12 (1)
  • the above formula (1) is a formula derived by changing the Rockwell hardness and calculating the dislocation density at each Rockwell hardness for springs of various compositions. Details will be described later.
  • tempered martensite is contained in the steel material constituting the spring.
  • strength can be easily obtained by quenching and tempering by adjusting Si contained in steel materials to 2.1% or more and 2.4% or less by mass%.
  • Si contained in steel materials typically, by adjusting Si to 2.1% or more and 2.4% or less by mass%, a spring having a Rockwell hardness of about HRC53 to HRC56 can be easily obtained.
  • HRC53 to HRC56 When the amount of Si in the steel material is less than 2.1%, large size carbides are likely to precipitate in the tempered martensite. As a result, high corrosion fatigue strength is maintained while maintaining high strength (HRC53 to HRC56). It may be difficult to obtain a spring.
  • the amount of Si contained in the steel constituting the spring is preferably set to 2.1% or more and 2.4% or less. More preferably, the amount of Si is 2.2% or more and 2.4% or less.
  • the spring disclosed in the present example may satisfy only the above-described conditions of dislocation density and prior austenite grain size, but preferably further satisfies the above-described range of Si content. By satisfying the above-described range of the Si amount, a spring excellent in strength and corrosion fatigue strength can be easily obtained.
  • the carbide contained in the steel constituting the spring will be described.
  • carbon steel When carbon steel is quenched from austenite, it transforms into martensite. Then, it becomes tempered martensite by heating the carbon steel to a predetermined temperature.
  • Carbides are present in the tempered martensite.
  • the size of carbides in tempered martensite affects strength and corrosion fatigue strength.
  • the number of carbides having a minimum length of less than 15 nm is preferably adjusted to be 40% or more of the total number of carbides.
  • a carbide having a minimum length of less than 15 nm may be referred to as “small size carbide”, and a carbide having a minimum length of 15 nm or more may be referred to as “coarse carbide”.
  • carbonized_material contained in tempered martensite becomes like this. Preferably it is 50% or more of the total number of carbides, More preferably, it is 60% or more of the total number of carbides.
  • Spring steel (or spring) is mass%, carbon (C) is 0.35% to 0.55%, manganese (Mn) is 0.20% to 1.50%, chromium (Cr) 0.10% or more and 1.50% or less.
  • C is preferably contained in the spring steel in an amount of 0.35% to 0.55% by mass.
  • C contained in the spring steel is within this range, a high-strength spring is easily obtained by quenching and tempering.
  • the amount of C is less than 0.35%, it is difficult to obtain high strength by quenching and tempering.
  • the C content exceeds 0.55%, the toughness of the spring steel may be reduced. As a result, there is a risk that quench cracking may occur during water quenching in the manufacturing process of spring steel.
  • the C content exceeds 0.55%, the corrosion fatigue strength of the spring may be reduced.
  • the amount of C contained in the spring steel is preferably 0.45% or more and 0.50% or less, although there is a relationship with other alloy components.
  • the amount of C is within this range, it is easy to achieve good strength, and it becomes easy to obtain a spring having good corrosion fatigue strength even in relation to other alloy components.
  • the upper limit of the amount of C is 0.49%, more preferably 0.48%.
  • the lower limit of the C content is preferably 0.46%, more preferably 0.47%.
  • Mn is preferably contained in the spring steel in an amount of 0.20% to 1.50% by mass.
  • Mn contained in the spring steel is within this range, a spring having high corrosion fatigue strength can be easily obtained.
  • the amount of Mn exceeds 1.50%, the corrosion fatigue strength of the spring tends to decrease, and when the amount of Mn is less than 0.20%, the strength and hardenability of the spring tend to be insufficient.
  • the amount of Mn is outside the range of 0.20% or more and 1.50% or less, the steel material tends to be easily broken during rolling in the manufacturing process of the spring steel.
  • the upper limit of the amount of Mn contained in the spring steel is 0.70%, more preferably 0.45%.
  • the lower limit of the amount of Mn contained in the spring steel is 0.40%.
  • Cr is contained in the spring steel by 0.10% or more and 1.50% or less by mass.
  • Cr contained in the spring steel is within this range, a high-strength spring can be easily obtained, and the hardenability can be improved.
  • the amount of Cr is less than 0.10%, the above effect is hardly obtained. If the Cr content exceeds 1.50%, the structure of the steel material after tempering tends to be non-uniform, and the spring sag resistance may be reduced. More preferably, the upper limit of the amount of Cr contained in the spring steel is 0.30%. Further, the lower limit of the amount of Cr contained in the spring steel is more preferably 0.15%, and particularly preferably 0.25% or more.
  • the spring steel is one or more selected from nickel (Ni), molybdenum (Mo) and vanadium (V) in mass%, Ni: 0.40% to 3.00%, Mo: It may contain 0.05% or more and 0.50% or less, and V: 0.05% or more and 0.50% or less. Thereby, a spring with good toughness can be obtained while high corrosion fatigue strength is obtained.
  • the spring steel preferably contains all elements of Ni, Mo and V at the above concentrations.
  • Ni contained in the spring steel is preferably 0.40% to 3.00% by mass.
  • the corrosion resistance of the spring can be improved. That is, when Ni contained in the spring steel is within the above range, a spring that is not easily rusted can be obtained. If the amount of Ni is less than 0.40%, the effect of making the spring difficult to rust is insufficient. On the other hand, if the Ni content exceeds 3.00%, the effect of improving the corrosion resistance of the spring tends to be saturated. That is, when the Ni content is up to 3.00%, the corrosion resistance of the spring is improved as the Ni content increases.
  • the Ni amount contained in the spring steel is preferably 3.00% or less in view of other characteristics. More preferably, the upper limit of the amount of Ni is 1.00%, and more preferably 0.55%. More preferably, the lower limit of the amount of Ni contained in the spring steel is 0.50%.
  • the spring steel preferably contains at least Ni among Ni, Mo and V described above.
  • Mo contained in the spring steel is preferably 0.05% to 0.50% by mass. When Mo contained in the spring steel is within this range, the corrosion fatigue strength of the spring can be further increased. If the amount of Mo is less than 0.05%, the effect of improving the corrosion fatigue strength of the spring cannot be sufficiently obtained. If the Mo amount exceeds 0.50%, the effect of improving the corrosion fatigue strength of the spring tends to be saturated. From the balance with other characteristics, the Mo amount contained in the spring steel is preferably 0.50% or less. The amount of Mo is more preferably 0.20% or less, and particularly preferably 0.10% or less.
  • V contained in the spring steel is preferably 0.05% to 0.50% by mass.
  • the crystals of the spring steel are easily refined. That is, when V contained in the spring steel is in the above range, the prior austenite grain size number tends to be large (the prior austenite grain size is small). If the amount of V is less than 0.05%, the effect of refining the crystals of spring steel cannot be sufficiently obtained. If the amount of V exceeds 0.50%, the toughness of the spring tends to decrease. On the other hand, if the amount of V exceeds 0.50%, corrosion pits are likely to be formed on the surface of the spring, which may be the starting point of crack fracture. The fact that corrosion pits are easily formed means that the durability of the spring is likely to be lowered.
  • the amount of V contained in the spring steel is more preferably 0.15% or less, and further preferably 0.10% or less.
  • the spring steel may contain P (phosphorus). However, P tends to weaken the grain boundaries of spring steel. Therefore, P contained in the spring steel is preferably 0.010% or less by mass%, and more preferably 0.005% or less.
  • Spring steel may contain S (sulfur). S, like P, has a tendency to weaken the grain boundaries of the spring steel. Therefore, S contained in the spring steel is preferably 0.010% or less by mass%, and More preferably, it is 005% or less.
  • the spring steel may contain Cu (copper).
  • Cu contained in the spring steel is preferably 0.25% or less by mass%, more preferably 0.01% or less.
  • the spring steel can contain Ti (titanium: preferably 0.005% or more and 0.030% or less by mass%) in addition to the alloy components described above. Further, B (boron: preferably 0.0015% or more and 0.0025% or less by mass%) can be contained. Spring steel contains inevitable impurities in addition to the above-described alloy components, and the balance is Fe (iron).
  • the spring can be manufactured by applying a known hot forming method, cold forming method, or warm forming method to spring steel.
  • a known hot forming method, cold forming method, or warm forming method to spring steel.
  • the manufacturing method of a coil-shaped spring is demonstrated.
  • the spring steel is processed into round steel, wire, wire, or plate material.
  • spring steel is formed into a coil shape.
  • warm shot peening is performed on the spring steel formed into a coil shape.
  • the spring can be manufactured by hot setting the coiled spring steel.
  • steps such as heat treatment, cold shot peening, and cold setting may be performed.
  • a car suspension coil spring can be manufactured.
  • the coil forming process may be performed hot (temperature above the temperature at which the spring steel is recrystallized), warm (temperature below the temperature at which the spring steel is recrystallized) or cold (typically Room temperature).
  • Various known methods can be used as a method for forming spring steel into a coil shape.
  • the spring steel may be formed into a coil shape using a coiling machine, or the spring steel may be formed into a coil shape by a method of winding it around a mandrel.
  • the heat treatment process is performed after the coil forming process.
  • the heat treatment process is performed by a different method depending on whether the coil forming process is performed hot, warm or cold.
  • the coil forming process is performed hot, in the heat treatment process, the spring steel formed into a coil shape is quenched and tempered. Quenching and tempering imparts strength and toughness to the coil.
  • the coil forming step is performed cold, low temperature annealing is performed on the spring steel formed into a coil shape. By performing the low temperature annealing, the residual stress inside the coil and the surface (typically, the tensile residual stress) can be removed.
  • the quenching and tempering of the coil and the low temperature annealing of the coil can be performed by various known methods.
  • the coil subjected to the above heat treatment is warm shot peened.
  • Warm shot peening imparts a large compressive residual stress to the coil surface.
  • durability and corrosion fatigue strength of the coil (coiled spring) are improved.
  • the temperature at which shot peening is performed can be appropriately set within a temperature range that is equal to or lower than the recrystallization temperature of the wire and higher than room temperature.
  • the coil temperature can be set to about 150 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.
  • various known methods can be used as a shot method of the steel ball.
  • the hot setting process is performed with the coil temperature warm.
  • a directional compressive residual stress is applied to the coil.
  • the coil exceeds the elastic limit, and plastic deformation occurs in the coil.
  • the sag resistance of the coil is improved.
  • the temperature at which hot setting is performed is higher than room temperature, and can be appropriately set within a temperature range below the temperature at which the spring steel is recrystallized.
  • hot setting can be performed in a temperature range of about 150 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. By performing hot setting in such a temperature range, the amount of plastic deformation generated in the coil can be increased, and the sag resistance of the coil can be improved.
  • Hot setting can be performed by various known methods. For example, in the case of a car suspension coil spring, the settling allowance ⁇ h can be appropriately determined according to the total length L of the car suspension coil spring (or the total length Ls when the coil spring is set).
  • the cold shot peening process is performed with the coil temperature at room temperature.
  • the durability of the coil can be further improved.
  • the diameter of the steel ball used by cold shot peening is smaller than the diameter of the steel ball used by warm shot peening. For example, when the diameter of a steel ball used for warm shot peening is 1.2 mm, the diameter of the steel ball used for cold shot peening is 0.8 mm.
  • the cold setting process is performed with the coil temperature at room temperature.
  • the sag resistance of the coil can be further improved.
  • the cold setting sag ⁇ c can be appropriately determined according to the total length L of the automobile suspension coil spring (the total length Ls when set). Note that the cold setting sag ⁇ c is preferably smaller than the warm setting sag ⁇ h.
  • hot setting may be performed after the spring steel is formed into a coil shape, and then warm shot peening may be performed.
  • the above-described cold shot peening process and cold setting process can be omitted, and only the warm shot peening process and hot setting process can be performed.
  • other steps other than the above steps may be included. For example, you may perform the process of water-cooling spring steel after hot setting.
  • a spring having high strength and excellent durability such as corrosion fatigue strength can be obtained.
  • These springs can be suitably used for coil springs, leaf springs, torsion bars, stabilizers and the like used in vehicle suspension systems and the like.
  • the prior austenite grain size, dislocation density, and small size carbide ratio were measured.
  • the manufacturing method of the sample used for the measurement will be described.
  • a spring steel wire was quenched and heated after surface grinding, then formed into a coil hot, and further quenched and tempered to obtain a spring.
  • the spring was used as a measurement sample.
  • the quenching heating condition of the wire was set at 990 ° C. with high frequency induction heating, and the tempering condition was adjusted so that the spring hardness (hardness after tempering) was HRC55.
  • the outline of the obtained spring is shown in Table 2 below.
  • springs having a spring hardness of HRC53 were also produced by adjusting the tempering conditions.
  • the method for measuring the prior austenite grain size will be described.
  • the prior austenite grain size was calculated based on JIS G0551 using the spring of HRC55 obtained by the above production method. The results are shown in Table 3.
  • a method for measuring the dislocation density will be described.
  • the dislocation density a sample for measurement was prepared using a spring of HRC55 in the same manner as the old austenite grain size. First, a part of the spring was cut out on a plane orthogonal to the longitudinal direction. Next, after the surface was mirror-finished, electrolytic polishing was performed using an aqueous ammonium chloride solution to prepare a sample for measurement. About the obtained sample, the X-ray-diffraction measurement of the center part of the cross-section which carried out electropolishing was implemented. Table 4 shows the conditions of the X-ray diffraction measurement.
  • the background and the K ⁇ 2 component were removed from the measurement profile. Background removal was performed at 5 points on both ends using the Sonnevelt method. The K ⁇ 2 component was removed at a strength ratio of 0.50 using the Rachinger method.
  • the dislocation density ( ⁇ ) of the spring was calculated using a pseudo Vogt function for the diffraction profile from which the background and the K ⁇ 2 component were removed. The results of dislocation density are shown in Table 3. For Examples 1 to 3, the dislocation density was also calculated for the spring adjusted to HRC53. FIG. 1 shows the relationship between spring hardness (HRC) and dislocation density (cm ⁇ 2 ).
  • a method for calculating the dislocation density using the pseudo-Forked function is disclosed, for example, in “Evaluation of Stress and Strain by Synchrotron Radiation, Publisher: Yokendo”.
  • a method for calculating the dislocation density using the pseudo-Forked function will be briefly described below.
  • the dislocation density was calculated by approximating the diffraction profile with a pseudo-Forked function, calculating the particle size and strain, and using the following formula 1 from the obtained particle size and strain.
  • Equation 1 d is the particle diameter
  • ⁇ is the strain
  • b is the Burgers vector.
  • Equation 2 The reason why the particle diameter and strain can be calculated from the pseudo-Forked function is that the width broadening due to distortion of the diffraction profile can be approximated by a Gaussian function, and the spread due to particle diameter can be approximated by a Cauchy function.
  • the pseudo-Forked function can be expressed by Equation 2 below.
  • I G (2 ⁇ ) represents a Gaussian function
  • I c (2 ⁇ ) represents a Cauchy function
  • ⁇ represents a Gaussian fraction.
  • Equation 3 J is the integrated intensity, 2 ⁇ is the diffraction angle, 2 ⁇ 0 is the peak position, and B is the half width.
  • the peak intensity is expressed by the following formula 4, and the relationship between the integral value ⁇ and the half width B is expressed by the following formula 5.
  • the peak intensity is represented by the following formula 7, and the relationship between the integral value ⁇ and the half width B is represented by the following formula 8.
  • the broadening due to distortion of the diffraction profile can be approximated by a Gaussian function
  • the broadening due to the particle diameter can be approximated by a Cauchy function. Therefore, when the integration width of the Gaussian function is ⁇ G and the integration width of the Cauchy function is ⁇ c, the strain ⁇ and the particle diameter d are expressed by Equations 9 and 10, respectively.
  • Equation 9 By substituting Equation 9 and Equation 10 into Equation 1, the dislocation density can be calculated.
  • a method for measuring the proportion of small size carbides contained in the spring will be described.
  • a method for preparing a measurement sample will be described.
  • the spring was cut out to 10 ⁇ 5 ⁇ 3 to 5 mm, the cut surface was mirror-finished, and then electropolished using an electrolytic solution.
  • an electrolytic solution in which 8 vol% perchloric acid, 10 vol% butoxyethanol, 70 vol% ethanol and 12 vol% distilled water were mixed was used as the electrolytic polishing liquid. .
  • the electropolished surface of the sample was observed with a FE-SEM (Field Emission-Scanning Electron Microscope). The observation was performed at a magnification of 25000 times for a general portion of the electropolished surface. Thereafter, the observed sites were photographed at three locations, and carbides were identified on the photos. The photo was also taken at 25000 times. The size on the photograph is 5.13 ⁇ 3.82 ⁇ m.
  • FIG. 2 shows the relationship between the carbide size and the cumulative ratio with respect to the total number of carbides.
  • the horizontal axis of the graph indicates the carbide size (nm), and the vertical axis indicates the cumulative ratio (%) with respect to the total number of carbides.
  • FIG. 2 shows the cumulative ratio for the samples of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.
  • Table 3 shows the proportion of carbides (small size carbides) whose carbide size is 15 nm or less for the samples of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.
  • An aqueous ammonium chloride solution was used as the electrolyte when applying pits.
  • the corrosive environment uses 5% NaCl aqueous solution as the corrosive solution, and only the artificial pit portion is corroded for 16 hours with a spraying device, and then the periphery of the artificial pit portion is covered with absorbent cotton containing 5% NaCl aqueous solution. The surroundings were wrapped in ethylene wrap to prevent drying.
  • the corrosion fatigue test was repeatedly performed on the above samples, and the number of repetitions until the samples were broken (hereinafter referred to as corrosion durability times) was evaluated.
  • the repetition rate was 2 Hz
  • vibration was applied by parallel compression using a flat seat.
  • the test height of the repeated corrosion fatigue test is such that the principal stress condition in the absence of artificial pits at the artificial pit application position is 507 ⁇ 196 MPa (maximum load (4031 N) height 220 mm, minimum load (2079 N) height) 270 mm).
  • Table 3 also shows the results of repeated corrosion fatigue tests (the number of corrosion durability).
  • Table 5 shows the results of classifying the samples of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 based on the numerical values of dislocation density and the prior austenite grain size number.
  • the dislocation density shown in Table 5 is a value when the Rockwell hardness is HRC55.
  • each of Examples 1 to 3 has a higher number of corrosion durability times than Comparative Examples 1 to 3.
  • the number of times of corrosion durability exceeded 40,000 times.
  • the dislocation density is less than 1.0 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 and the prior austenite grain size number is NO.
  • a sample of less than 10 (Comparative Example 1) has the smallest number of corrosion durability. Even when the dislocation density is 1.0 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 or more, the prior austenite grain size number is NO. Samples of less than 10 (Comparative Example 2) also do not exceed 40,000 times of corrosion durability. The former austenite grain size number is NO.
  • the sample having a dislocation density of less than 1.0 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 does not exceed 40,000 times of corrosion durability.
  • the dislocation density when the Rockwell hardness is HRC55 is 1.0 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 or more, and the prior austenite grain size number is NO. If it is 10 or more, the number of times of corrosion durability exceeds 40,000 times.
  • the dislocation density tends to increase as the Rockwell hardness value increases, regardless of the spring composition.
  • the slopes of the graphs are almost equal. Therefore, even if the Rockwell hardness of the spring is not HRC55, it is possible to calculate the dislocation density when the Rockwell hardness is HRC55.
  • the spring of Example 3 has a dislocation density of 1.0 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 when the Rockwell hardness is HRC55.
  • the straight line positioned above the straight line in Example 3 has a dislocation density of 1.0 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 or more when the Rockwell hardness is HRC55. That is, if the following formula (1) is satisfied, the dislocation density when the Rockwell hardness is HRC55 is 1.0 ⁇ 10 12 cm ⁇ 2 or more. ⁇ ⁇ 1.4 ⁇ 10 11 ⁇ H-6.7 ⁇ 10 12 (1)
  • each of Examples 1 to 3 has a feature that the cumulative proportion of small size carbides is 40% or more. More specifically, the cumulative proportion of small size carbides of Examples 1-3 is over 50%. As the proportion of small size carbides increases, the level of corrosion fatigue strength increases. Each of Examples 1 to 3 has a feature that the Si amount is 2.1% or more (see Table 1). As is clear from Tables 1 and 3, the level of corrosion fatigue strength increases as the amount of Si in the spring increases.

Abstract

　本明細書で開示するばねは、ロックウェル硬さがＨＲＣ５３～ＨＲＣ５６である。そのばねは、ロックウェル硬さＨＲＣ５３～ＨＲＣ５６の範囲において、ロックウェル硬さをＨとしたときの転位密度ρ（ｃｍ－２）が、式（１）を満足しており、旧オーステナイト結晶粒度番号がＮＯ．１０以上である。 （式１）ρ≧１．４×１０１１×Ｈ－６．７×１０１２

Description

腐食疲労強度に優れるばね
　本出願は、２０１１年１月６日に出願された日本国特許出願第２０１１－００１５２４号に基づく優先権を主張する。その出願の全ての内容は、この明細書中に参照により援用されている。本出願は、ばねに関する。特に、高強度でありながら、腐食疲労強度に優れるばねに関する。
　近年、高強度のばねが求められるようになってきている。一般的に、ばねの高強度化を図ると、靭性、腐食疲労強度等が劣化する傾向が見られる。特開２００８－２６１０５５号公報には、旧オーステナイト平均粒径Ｄが２０μｍ以下で、平均マルテンサイトラス長さが旧オーステナイト平均粒径Ｄの３０％以下であるばねが開示されている。特開２００８－２６１０５５号公報には、そのような特徴を有するばねは、高強度であるとともに高い靭性を有すると記載されている。以下の説明では、特開２００８－２６１０５５号公報を特許文献１と称す。
　特許文献１に記載されているばねであっても、ばねに要求される特性を必ずしも十分に満足しているとはいえない。特に、車両用懸架装置等に使用されるばねでは、ばねが腐食するような環境中でも高い耐久性を有することが求められている。以下の説明では、ばねが腐食した状態におけるばねの耐久性を、腐食疲労強度と称する。腐食疲労強度のレベルを測る試験方法として、繰返し腐食疲労試験が知られている。繰返し腐食疲労試験は、ばねの一部に脆弱部を形成し、ばねが腐食する環境中で、ばねに繰返し荷重を加える。繰返し腐食疲労試験では、ばねに破損が生じたときの繰返し回数で腐食疲労強度のレベルを判断する。高い腐食疲労強度が要求される分野では、繰返し腐食疲労試験を４万回行っても破損しないばねが求められている。本明細書で開示する技術は、高強度でありながら、腐食疲労強度に優れたばねを提供することを目的とする。
　本明細書で開示する技術は、ばねを構成している鋼材の転位密度と、その鋼材の旧オーステナイト結晶粒度とを所定の条件とすることで、ロックウェル硬さがＨＲＣ５３～５６と高強度でありながら、繰返し腐食疲労試験を４万回実施しても破損しないばねを提供するものである。
　本明細書で開示するばねは、ロックウェル硬さがＨＲＣ５３～ＨＲＣ５６である。さらに、そのばねは、ロックウェル硬さがＨＲＣ５３～ＨＲＣ５６の範囲において、ロックウェル硬さをＨとしたときの転位密度ρ（ｃｍ－２）が、下記式（１）を満足しており、旧オーステナイト結晶粒度番号がＮＯ．１０以上である。
ρ≧１．４×１０１１×Ｈ－６．７×１０１２・・・（１）
　従来より、ばねの旧オーステナイト結晶粒度（あるいは、旧オーステナイト粒径）を調整したり、転位密度を調整することは行われてきた。しかしながら、旧オーステナイト結晶粒度のみ、あるいは、転位密度のみを調整するだけでは、４万回の繰返し腐食疲労試験に合格する高強度ばね（ロックウェル硬さがＨＲＣ５３～ＨＲＣ５６であるばね）は得られなかった。例えば、ロックウェル硬さをＨＲＣ５５としたばねでは、旧オーステナイト結晶粒度番号がＮＯ．１０以上であっても、転位密度が１．０×１０１２以上でなければ、４万回の繰返し腐食疲労試験に合格しない。一方、転位密度が１．０×１０１２以上であっても、旧オーステナイト結晶粒度番号がＮＯ．１０未満であれば、４万回の繰返し腐食疲労試験に合格しない。すなわち、ロックウェル硬さをＨＲＣ５５としたばねでは、旧オーステナイト結晶粒度番号がＮＯ．１０以上であり、かつ、転位密度が１．０×１０１２以上となる場合にのみ、４万回の繰返し腐食疲労試験に合格する。本発明者らは、旧オーステナイト結晶粒度と転位密度との関係について種々検討することにより、上記条件を見出した。それにより、本発明者らは、繰返し腐食疲労試験を４万回実施しても破損しないばねを得ることに成功した。
　なお、ばねの転位密度は、ばねのロックウェル硬さにほぼ比例する。ロックウェル硬さがＨＲＣ５３～ＨＲＣ５６の範囲においては、実際の転位密度が下記式（２）の計算式から得られる転位密度ρ以上であれば、腐食疲労試験に合格するための転位密度に関する条件を満足する。例えば、下記式（２）のＨ（ロックウェル硬さＨＲＣ）に５５を代入すると、転位密度ρは１．０×１０１２となる。すなわち、下記式（２）は、４万回の繰返し腐食疲労試験に合格した鋼材種の異なるばねについてロックウェル硬さと転位密度の関係を研究し、最も転位密度ρの値が小さくなる鋼材種から得た計算式である。よって、実際の転位密度が上記式（１）を満足するものであれば、腐食疲労試験に合格するための転位密度に関する条件を満足する。上記式（１）を用いることにより、ロックウェル硬さがＨＲＣ５３～ＨＲＣ５６の範囲において、４万回の繰返し腐食疲労試験に合格するか否かを判断することができる。
ρ＝１．４×１０１１×Ｈ－６．７×１０１２・・・（２）
　ここで、繰返し腐食疲労試験について説明する。ばねが腐食疲労により破壊する原因として、腐食によってばねの表面に微細な穴（ピット）が生じ（以下、腐食ピットと称す）、その腐食ピットに応力が集中することが挙げられる。ばねに腐食ピットが生成することを抑制することは困難である。そのため、腐食ピットが生成しても疲労強度が低下しないばねが望まれる。ばねの腐食疲労強度は、繰返し腐食疲労試験により数値化することができる。すなわち、腐食疲労試験を繰り返し行い、ばねが破壊するまでの繰り返し回数により、ばね用鋼の腐食疲労強度を評価することができる。腐食疲労試験の詳細については後述する。
　本明細書で開示するばねは、焼戻マルテンサイトを含んでいるとともに、Ｓｉ（ケイ素）を質量％で２．１％以上２．４％以下含んでいてもよい。Ｓｉ量を上記範囲に調整すれば、焼入れ焼戻しによりばねを所望の強度に調整することができる。典型的には、Ｓｉ量を上記範囲に調整すれば、ばねのロックウェル硬さをＨＲＣ５３～ＨＲＣ５６に容易に調整することができる。なお、本明細書でいう「焼戻マルテンサイト」とは、ばね用鋼を高温で加熱した後に急冷することによってオーステナイト組織からマルテンサイト組織に変態させ、さらに所定温度（オーステナイトに変態する温度よりも低温）に加熱した後に冷却したものをいう。
　本明細書で開示するばねは、焼戻マルテンサイトに含まれる炭化物のうち、最小長さが１５ｎｍ未満の炭化物の数が炭化物の全数の４０％以上であってもよい。なお、本明細書でいう「最小長さ」とは、炭化物の外縁に接する矩形を形成したときに、その矩形の短辺の長さのことをいう。炭化物の形状が球の場合、球の直径が「最小長さ」に相当する。炭化物が針状の場合、炭化物の厚み（幅）が「最小長さ」に相当する。
　本明細書で開示するばねは、質量％で、炭素を０．３５％以上０．５５％以下、マンガンを０．２０％以上１．５０％以下、クロムを０．１０％以上１．５０％以下含んでおり、さらに、ニッケル、モリブデン、バナジウムから選択される１種又は２種以上の元素を、ニッケル０．４０％以上３．００％以下、モリブデン０．０５％以上０．５０％以下、バナジウム０．０５％以上０．５０％以下含んでおり、残部が鉄及び不可避不純物からなるものであってもよい。
　さらに、本明細書で開示するばねは、マンガンが０．４０％以上０．５０％以下であってもよい。さらにまた、本明細書で開示するばねは、ニッケルが０．５０％以上０．６０％以下であってもよい。
ばねのロックウェル硬さと、転位密度の関係を示す。 炭化物のサイズと、炭化物の全数に対する累積割合の関係を示す。
　ばねの転位密度及び旧オーステナイト結晶粒度を適値に調整することにより、ばねの腐食疲労強度を向上させることができる。ばねの腐食疲労強度を向上させることにより、繰返し腐食疲労試験を４万回行っても破損しないばねを得ることができる。すなわち、ばねのロックウェル硬さがＨＲＣ５３～ＨＲＣ５６の範囲において、下記式（１）を満足し、ばねの旧オーステナイト結晶粒度番号をＮＯ．１０以上とすることにより、４万回の繰返し腐食疲労試験に合格するばねを得ることができる。例えば、ロックウェル硬さがＨＲＣ５５のときのばねの転位密度が１．０×１０１２以上であるか否かについては、下記式（１）で判断することができる。下記式（１）を満足する場合、ロックウェル硬さがＨＲＣ５５のときのばねの転位密度が１．０×１０１２以上となる。下記式（１）を満足しない場合、ロックウェル硬さがＨＲＣ５５のときのばねの転位密度が１．０×１０１２未満となる。繰返し腐食疲労試験の試験方法については後述する。
ρ≧１．４×１０１１×Ｈ－６．７×１０１２・・・（１）
　上記式（１）は、様々な組成のばねについて、ロックウェル硬さを変化させ、各々のロックウェル硬さのときの転位密度を計算することによって導かれた式である。詳細については後述する。
　ばねを構成している鋼材中に、焼戻マルテンサイトが含まれることが好ましい。その場合、鋼材中に含まれるＳｉを質量％で２．１％以上２．４％以下に調整することで、焼入れ焼戻しにより所望の強度のばねを容易に得ることができる。典型的には、Ｓｉを質量％で２．１％以上２．４％以下に調整することで、ロックウェル硬さがＨＲＣ５３～ＨＲＣ５６程度のばねを容易に得ることができる。鋼材中のＳｉ量が２．１％未満の場合、焼戻マルテンサイト中に大きなサイズの炭化物が析出しやすくなる、その結果、高い強度（ＨＲＣ５３～ＨＲＣ５６）を維持しつつ、高い腐食疲労強度のばねを得ることが困難になることがある。鋼材中のＳｉ量が２．４％を超えると、ばね用鋼を圧延するときに脱炭が生じやすくなる。その結果、高い強度を維持しつつ、高い腐食疲労強度のばねを得ることが困難になることがある。高い強度と高い腐食疲労強度を容易に両立するという観点から、ばねを構成している鋼材中に含まれるＳｉ量を２．１％以上２．４％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｓｉ量は、２．２％以上２．４％以下である。
　本実施例に開示するばねは、上記した転位密度及び旧オーステナイト結晶粒度の条件だけを充足していてもよいが、上記したＳｉ量の範囲をさらに充足していることが好ましい。上記したＳｉ量の範囲を充足していることにより、強度や腐食疲労強度に優れたばねを容易に得ることができる。
　ばねを構成している鋼材中に含まれる炭化物について説明する。炭素鋼をオーステナイトから急冷すると、マルテンサイトに変態する。その後、その炭素鋼を所定の温度に加熱することによって、焼戻マルテンサイトになる。焼戻マルテンサイト中には炭化物が存在する。ばねを製造するための鋼（以下、ばね用鋼という）では、焼戻マルテンサイト中の炭化物のサイズが、強度，腐食疲労強度に影響を及ぼす。焼戻マルテンサイトに含まれる炭化物のうち、最小長さが１５ｎｍ未満の炭化物の数が炭化物の全数の４０％以上になるように調整することが好ましい。なお、最小長さが１５ｎｍ未満の小サイズ炭化物の数が増加すると、相対的に最小長さが１５ｎｍ以上の粗大な炭化物の数が減少する。以下の説明では、最小長さが１５ｎｍ未満の炭化物を「小サイズ炭化物」と称し、最小長さが１５ｎｍ以上の炭化物を「粗大炭化物」と称すことがある。
　焼戻マルテンサイトに含まれる粗大炭化物の割合を減少させることにより、良好な強度を維持しつつ、腐食疲労強度に優れたばね用鋼が得られる。そのばね用鋼を用いてばねを製造すれば、ＨＲＣ５３～ＨＲＣ５６の強度を実現しつつ、腐食疲労強度が良好なばねを得ることができる。なお、焼戻マルテンサイトに含まれる小サイズ炭化物の割合は、好ましくは炭化物の全数の５０％以上であり、より好ましくは炭化物の全数の６０％以上である。
　ばね用鋼（あるいは、ばね）は、質量％で、炭素（Ｃ）を０．３５％以上０．５５％以下、マンガン（Ｍｎ）を０．２０％以上１．５０％以下、クロム（Ｃｒ）を０．１０％以上１．５０％以下含んでいてもよい。
　Ｃは、ばね用鋼に、質量％で０．３５％以上０．５５％以下含まれていることが好ましい。ばね用鋼に含まれるＣがこの範囲であると、焼入れ焼戻しによって高い強度のばねが得られやすい。Ｃ量が０．３５％未満の場合、焼入れ焼戻しによって高い強度が得られにくい。また、Ｃ量が０．５５％を超えると、ばね用鋼の靭性が低下するおそれがある。その結果、ばね用鋼の製造過程における水焼入れの際に、焼割れが生じるおそれがある。また、Ｃ量が０．５５％を超えると、ばねの腐食疲労強度が低下するおそれがある。高い腐食疲労強度を容易に得るという観点から、他の合金成分との関係もあるが、好ましくは、ばね用鋼に含まれるＣ量は、０．４５％以上０．５０％以下である。Ｃ量がこの範囲であると、良好な強度を実現しやすいとともに、他の合金成分との関係でも良好な腐食疲労強度のばねを得られやすくなる。より好ましくは、Ｃ量の上限は、０．４９％であり、さらに好ましくは０．４８％である。またＣ量の下限は、好ましくは０．４６％であり、より好ましくは０．４７％である。
　Ｍｎは、ばね用鋼に、質量％で０．２０％以上１．５０％以下含まれていることが好ましい。ばね用鋼に含まれるＭｎがこの範囲であると、高い腐食疲労強度のばねが得られやすい。Ｍｎ量が１．５０％を超えると、ばねの腐食疲労強度が低下する傾向にあり、Ｍｎ量が０．２０％未満であると、ばねの強度や焼入れ性が不足する傾向がある。また、Ｍｎ量が０．２０％以上１．５０％以下の範囲外の場合、ばね用鋼の製造過程における圧延の際に、鋼材が割れやすくなる傾向がある。より好ましくは、ばね用鋼に含まれるＭｎ量の上限は０．７０％であり、さらに好ましくは０．４５％である。また、より好ましくは、ばね用鋼に含まれるＭｎ量の下限は０．４０％である。
　Ｃｒは、ばね用鋼に、質量％で０．１０％以上１．５０％以下含まれていることが好ましい。ばね用鋼に含まれるＣｒがこの範囲であると、高い強度のばねが得られやすく、焼入れ性を向上させることもできる。Ｃｒ量が０．１０％未満であると、上記の効果が得られにくい。なお、Ｃｒ量が１．５０％を超えると、焼戻し後の鋼材の組織が不均一になり易く、ばねの耐へたり性を低下させるおそれがある。より好ましくは、ばね用鋼に含まれるＣｒ量の上限は０．３０％である。また、ばね用鋼に含まれるＣｒ量の下限は０．１５％であることがより好ましく、０．２５％以上であることが特に好ましい。
　ばね用鋼は、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）及びバナジウム（Ｖ）から選択される１種又は２種以上を、質量％で、Ｎｉ：０．４０％以上３．００％以下、Ｍｏ：０．０５％以上０．５０％以下、Ｖ：０．０５％以上０．５０％以下含んでいてもよい。これにより、高い腐食疲労強度が得られつつ、良好な靭性のばねが得られる。なお、ばね用鋼は、Ｎｉ、Ｍｏ及びＶの全ての元素を上記濃度で含んでいることが好ましい。
　ばね用鋼に含まれるＮｉは、質量％で０．４０％以上３．００％以下であることが好ましい。ばね用鋼に含まれるＮｉがこの範囲であると、ばねの耐腐食性を向上させることができる。すなわち、ばね用鋼に含まれるＮｉが上記範囲であると、錆にくいばねを得ることができる。Ｎｉ量が０．４０％未満であると、ばねを錆にくくする効果が不十分である。また、Ｎｉ量が３．００％を超えると、ばねの耐腐食性の向上効果が飽和する傾向にある。すなわち、Ｎｉ量が３．００％までは、Ｎｉ量の増加に伴ってばねの耐腐食性が向上する。しかしながら、Ｎｉ量が３．００％を超えると、Ｎｉ量を増加しても、Ｎｉ量が３．００％のときのばねの耐腐食性とほぼ同じである。そのため、他の特性との兼ね合いより、ばね用鋼に含まれるＮｉ量は３．００％以下であることが好ましい。より好ましくは、Ｎｉ量の上限は１．００％であり、さらに好ましくは、０．５５％である。また、より好ましくは、ばね用鋼に含まれるＮｉ量の下限は０．５０％である。ばね用鋼は、上記したＮｉ、Ｍｏ及びＶのうち、少なくともＮｉを含有していることが好ましい。
　ばね用鋼に含まれるＭｏは、質量％で０．０５％以上０．５０％以下であることが好ましい。ばね用鋼に含まれるＭｏがこの範囲であると、ばねの腐食疲労強度をより高くさせることができる。Ｍｏ量が０．０５％未満であると、ばねの腐食疲労強度の向上効果を十分に得ることができない。Ｍｏ量が０．５０％を超えると、ばねの腐食疲労強度の向上効果が飽和する傾向がある。他の特性との兼ね合いより、ばね用鋼に含まれるＭｏ量は０．５０％以下であることが好ましい。Ｍｏ量は、０．２０％以下であることがより好ましく、０．１０％以下であることが特に好ましい。
　ばね用鋼に含まれるＶは、質量％で０．０５％以上０．５０％以下であることが好ましい。ばね用鋼に含まれるＶがこの範囲であると、ばね用鋼の結晶が微細化されやすい。すなわち、ばね用鋼に含まれるＶが上記範囲であると、旧オーステナイト結晶粒度番号が大きく（旧オーステナイト粒径が小さく）なりやすい。Ｖ量が０．０５％未満であると、ばね用鋼の結晶を微細化する効果を十分に得ることができない。Ｖ量が０．５０％を超えると、ばねの靭性が低下しやすくなる。また、Ｖ量が０．５０％を超えると、ばねの表面に腐食ピットが形成されやすくなり、亀裂破壊の起点となるおそれがある。腐食ピットが形成されやすいということは、ばねの耐久性が低下しやすいことを意味する。ばね用鋼に含まれるＶ量は、０．１５％以下あることがより好ましく、０．１０％以下であることがさらに好ましい。
　ばね用鋼は、Ｐ（リン）を含有していてもよい。しかしながら、Ｐは、ばね用鋼の結晶粒界を脆弱化させる傾向がある。そのため、ばね用鋼に含まれるＰは、質量％で０．０１０％以下とすることが好ましく、０．００５％以下とすることがより好ましい。
　ばね用鋼は、Ｓ（硫黄）を含有していてもよい。Ｓは、Ｐと同様に、ばね用鋼の結晶粒界を脆弱化させる傾向がある、そのため、ばね用鋼に含まれるＳは、質量％で０．０１０％以下であることが好ましく、０．００５％以下であることがさらに好ましい。
　ばね用鋼は、Ｃｕ（銅）を含有していてもよい。ばね用鋼に含まれるＣｕは、質量％で０．２５％以下であることが好ましく、より好ましくは、０．０１％以下である。
　ばね用鋼は、以上説明した合金成分のほか、Ｔｉ（チタン：好ましくは、質量％で０．００５％以上０．０３０％以下）を含有することができる。また、Ｂ（ホウ素：好ましくは、質量％で０．００１５％以上０．００２５％以下）を含有することができる。ばね用鋼は、上記した合金成分に加えて不可避不純物を含有しており、残部はＦｅ（鉄）である。
　ここで、ばねの製造方法について説明する。ばねは、ばね用鋼に、公知の熱間成形法、冷間成形法、温間成形法を適用して製造することができる。以下に、コイル状のばねの製造方法について説明する。まず、ばね用鋼を丸鋼、線材又は線あるいは板材等に加工する。その後、ばね用鋼をコイル状に成形する。次に、コイル状に成形したばね用鋼に対して温間ショットピーニングを行う。その後、コイル状のばね用鋼に対してホットセッチングを行うことにより、ばねを製造することができる。上記した各工程の間に、熱処理、冷間ショットピーニング、冷間セッチング等の工程を経ることもある。上記の製造方法により、例えば、自動車懸架用コイルばねを製造することができる。
　コイル成形工程は、熱間（ばね用鋼が再結晶する温度以上の温度）で行ってもよいし、温間（ばね用鋼が再結晶する温度未満の温度）又は冷間（典型的には室温）で行ってもよい。また、ばね用鋼をコイル状に成形する方法としては、公知の種々の方法を用いることができる。例えば、コイリングマシンを用いてばね用鋼をコイル状に成形してもよいし、心金に巻き付ける方法によってばね用鋼をコイル状に成形してもよい。
　熱処理工程は、コイル成形工程後に行われる。熱処理工程は、コイル成形工程が熱間で行われたか、温間又は冷間で行われたかによって異なる方法で行われる。コイル成形工程が熱間で行われた場合、熱処理工程では、コイル状に成形したばね用鋼に焼入れと焼戻しを行う。焼入れ焼戻しにより、コイルに強度と靭性が付与される。コイル成形工程が冷間で行われた場合、コイル状に成形したばね用鋼に低温焼鈍を行う。低温焼鈍を行うことにより、コイル内部及び表面の残留応力（典型的には、引張りの残留応力）を除去することができる。コイルの焼入れ焼戻し、並びに、コイルの低温焼鈍は、公知の種々の方法によって行うことができる。
　温間ショットピーニング工程は、上記の熱処理が行われたコイルに対して温間でショットピーニングする。温間ショットピーニングにより、コイル表面に大きな圧縮残留応力が付与される。それにより、コイル（コイル状のばね）の耐久性、腐食疲労強度が向上する。ここで、ショットピーニングを行う温度は、線材の再結晶温度以下で、かつ、室温より高い温度となる温度範囲内で適宜設定することができる。例えば、コイルの温度を１５０℃以上４００℃以下程度とすることができる。なお、鋼球のショット方法としては、公知の種々の方法を用いることができる。
　ホットセッチング工程は、コイルの温度を温間とした状態で行う。ホットセッチングを行うことにより、コイルに方向性のある圧縮残留応力が付加される。これにより、コイルの耐久性が向上する。また、ホットセッチングを行うことにより、コイルが弾性限界を超え、コイルに塑性変形が生じる。これにより、コイルの耐へたり性が向上する。ホットセッチングを行う温度は、室温より高い温度であり、ばね用鋼が再結晶する温度未満の温度範囲内において適宜設定することができる。例えば、ホットセッチングは、１５０℃以上４００℃以下程度の温度範囲で行うことができる。このような温度範囲でホットセッチングを行うことにより、コイルに生じる塑性変形量を大きくすることができ、コイルの耐へたり性を向上させることができる。ホットセッチングは、公知の種々の方法によって行うことができる。なお、例えば自動車懸架用コイルばねの場合、セッチングのへたり代δｈは、自動車懸架用コイルばねの全長Ｌ（あるいは、コイルばねをセットしたときの全長Ｌｓ）に応じて適宜決定することができる。
　冷間ショットピーニング工程は、コイルの温度を常温にした状態で行う。上記した温間ショットピーニングに加えてさらに冷間ショットピーニングを行うことによって、コイルの耐久性をより向上させることができる。なお、冷間ショットピーニングで用いる鋼球の径は、温間ショットピーニングで用いる鋼球の径より小さいことが好ましい。例えば、温間ショットピーニングに使用する鋼球の径が直径１．２ｍｍの場合、冷間ショットピーニングに使用する鋼球の径は０．８ｍｍとする。温間ショットピーニングと冷間ショットピーニングを行うことより、先に行われる温間ショットピーニングでコイルに大きな圧縮残留応力が付与され、後に行われる冷間ショットピーニングでコイルの表面粗さが改善され、コイルの耐久性、腐食疲労強度等が一層向上する。なお、鋼球のショット方法としては、公知の種々の方法を用いることができる。
　冷間セッチング工程は、コイルの温度を常温にした状態行う。上記ホットセッチングに加えてさらに冷間セッチングを行うことによって、コイルの耐へたり性をより向上させることができる。例えば自動車懸架用コイルばねの場合、冷間セッチングのへたり代δｃは、自動車懸架用コイルばねの全長Ｌ（セットしたときの全長Ｌｓ）に応じて適宜決定することができる。なお、冷間セッチングのへたり代δｃは、温間セッチングのへたり代δｈより小さいことが好ましい。
　なお、ばね用鋼をコイル状に成形した後にホットセッチングを行い、その後温間ショットピーニングを行ってもよい。また、上記した冷間ショットピーニング工程及び冷間セッチング工程を省略し、温間ショットピーニング工程及びホットセッチング工程のみを行うこともできる。さらに、上記の各工程以外の他の工程を含んでいてもよい。例えば、ホットセッチング後にばね用鋼を水冷する工程を行ってもよい。
　以上説明したように、本明細書で開示する技術によれば、高強度でかつ腐食疲労強度など耐久性に優れるばねを得ることができる。これらのばねは、車両用懸架装置等で使用されるコイルばね，板ばね，トーションバー，スタビライザ等に好適に用いることができる。
　以下、実施例について説明する。なお、以下の実施例は、本発明を説明するための具体例であって、本発明を限定するものではない。
　以下の表１に示す化学組成を有する実施例及び比較例の鋼を、真空溶解炉で２トン溶解した後、分塊圧延し、その後線材に圧延することにより、ばね用鋼を製造した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示す化学組成を有するばね用鋼の線材について、旧オーステナイト結晶粒度、転位密度、小サイズ炭化物割合の測定を行った。まず、上記測定に用いた試料の製造方法について説明する。ばね用鋼の線材を、表面研削後、焼入れ加熱し、その後熱間でコイルに成形し、さらに焼入れ焼戻しすることにより、ばねとした。そのばねを測定用の試料とした。なお、線材の焼入れ加熱条件は高周波誘導加熱９９０℃に設定し、ばね硬さ（焼戻し後硬さ）がＨＲＣ５５になるように焼戻し条件を調整した。得られたばねの概要を以下の表２に示す。また、実施例１～３及び比較例２の鋼については、焼戻し条件を調整することにより、ばね硬さＨＲＣ５３のばねも製造した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　旧オーステナイト結晶粒度の測定方法について説明する。旧オーステナイト結晶粒度は、上記製造方法で得られたＨＲＣ５５のばねを用いて、ＪＩＳ Ｇ ０５５１に基づいて算出した。結果を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　次に、転位密度の測定方法について説明する。転位密度は、旧オーステナイト結晶粒度と同様にＨＲＣ５５のばねを用いて測定用の試料を作成した。まず、ばねの一部を、長手方向に直交する面で切り出した。次いで、その面を鏡面仕上げした後に、塩化アンモニウム水溶液を使用して電解研磨を実施し、測定用の試料を作成した。得られた試料について、電解研磨した横断面の中心部のＸ線回折測定を実施した。Ｘ線回折測定の条件を表４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　Ｘ線回折測定を実施した後、測定プロファイルから、バックグラウンド及びＫα２成分を除去した。バックグラウンド除去は、Ｓｏｎｎｅｖｅｌｔ法を利用して両端５点で行った。また、Ｋα２成分の除去は、Ｒａｃｈｉｎｇｅｒ法を利用して強度比０．５０で行った。
　ばねの転位密度（ρ）は、バックグラウンド及びＫα２成分を除去した回折プロファイルについて擬フォークト（ｐｓｅｕｄｏ　Ｖｏｉｇｔ）関数を用いて算出した。転位密度の結果は、表３に示す。なお、実施例１～３については、ＨＲＣ５３に調整したばねについても転位密度を算出した。ばねの硬さ（ＨＲＣ）と転位密度（ｃｍ－２）の関係について図１に示す。
　擬フォークト関数を用いて転位密度を計算する方法は、例えば、「放射光による応力とひずみの評価、出版社：養賢堂」に開示されている。以下に、擬フォークト関数を用いて転位密度を計算する方法について簡単に説明する。転位密度は、回折プロファイルを擬フォークト関数で近似し、粒子径とひずみを計算し、得られた粒子径とひずみから下記数式１を用いて計算した。数式１において、ｄは粒子径、εはひずみ、ｂはバーガースベクトルを示す。
　擬フォークト関数から粒子径とひずみを計算できる理由として、回折プロファイルのひずみによる幅広がりがガウス関数で近似でき、粒子径による広がりがコーシー関数で近似できることが挙げられる。擬フォークト関数は、下記数式２で示すことができる。数式２において、ＩＧ（２θ）はガウス関数を示し、Ｉｃ（２θ）はコーシー関数を示し、ηはガウス分率を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　ガウス関数ＩＧ（２θ）は、下記数式３で示すことができる。数式３において、Ｊは積分強度、２θは回折角、２θ０はピーク位置、Ｂは半価幅を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　上記数式３より、ピーク強度は下記数式４で示され、積分値βと半価幅Ｂの関係は下記数式５で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　また、コーシー関数Ｉｃ（２θ）は下記数式６で示すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　上記数式６より、ピーク強度は下記数式７で示され、積分値βと半価幅Ｂの関係は下記数式８で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　上記したように、擬フォークト関数では、回折プロファイルのひずみによる幅広がりがガウス関数で近似でき、粒子径による広がりがコーシー関数で近似できる。よって、ガウス関数の積分幅をβＧとし、コーシー関数の積分幅をβｃとすると、ひずみεと粒子径ｄは、夫々数式９及び１０で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　数式１に、数式９及び数式１０を代入することにより、転位密度を計算することができる。
　次に、ばねに含まれる小サイズ炭化物割合の測定方法について説明する。まず、測定試料の作成方法について説明する。小サイズ炭化物割合を測定する試料については、ばねを１０×５×３～５ｍｍに切り出し、切断面を鏡面仕上げした後に、電解液を利用して電解研磨した。小サイズ炭化物割合を測定する試料を作成するときは、電解研磨液として、８ｖｏｌ％の過塩素酸、１０ｖｏｌ％のブトキシエタノール、７０ｖｏｌ％のエタノール及び１２ｖｏｌ％の蒸留水を混合した電解液を使用した。
　得られた試料の切断面について、その試料の電解研磨面をFE-SEM (Field Emission - Scanning Electron Microscope)で観察した。観察は、電解研磨面の一般的な部位について、２５０００倍でおこなった。その後、観察した部位を３箇所写真撮影し、写真上で炭化物を特定した。なお、写真撮影も、２５０００倍でおこなった。また、写真上のサイズは、５．１３×３．８２μｍである。
　特定された炭化物の全てについて、炭化物の最小長さ、すなわち、炭化物の幅を計測し、その炭化物のサイズを特定した。その後、炭化物の個数を５ｎｍ毎に計測し、夫々のサイズの個数を炭化物の全数で除すことにより、炭化物の全数に対するサイズ毎の割合を算出した。炭化物のサイズと、炭化物の全数に対する累積割合の関係を図２に示す。グラフの横軸は炭化物のサイズ（ｎｍ）を示し、縦軸は炭化物の全数に対する累積割合（％）を示す。なお、図２は、実施例１～３と比較例１の試料についての累積割合を示す。また、実施例１～３と比較例１の試料について、炭化物のサイズが１５ｎｍ以下の炭化物（小サイズ炭化物）の割合を表３に示す。
　腐食疲労試験の方法について説明する。腐食疲労試験は、上記製造方法で得られたばねに人工的にピットを付与し、腐食環境中で疲労試験（ＪＡＳＯＣ６０４）を行った。ピットは、ばねの主応力振幅が最大となる箇所（コイル端末から３．１巻）に付与した。ばねの上記箇所の外側表面に小さな穴のあいたマスキングをし、電解研磨により直径６００μｍ、深さ３００μｍの半球状の穴（人工ピット）を付与した。このピットによるねじり負荷における垂直応力（主応力）の応力集中係数は，有限要素法解析によると２．２である。ピットを付与するときの電解液としては、塩化アンモニウム水溶液を用いた。腐食環境は、腐食液として５％ＮａＣｌ水溶液を用いて、噴霧装置にて人工ピット部のみを１６時間腐食させた後、５％ＮａＣｌ水溶液を含ませた脱脂綿で人工ピット部の周辺を覆い、その周りをエチレンラップで包んで乾燥を防いだ状態とした。
　上記の試料について腐食疲労試験を繰返し実施し、試料が折損するまでの繰返し回数（以下、腐食耐久回数と称す）を評価した。繰返し腐食疲労試験は、繰返し速度2Hzとし、フラットな座を使用して平行圧縮で加振した。繰返し腐食疲労試験の試験高さは、人工ピット付与位置における人工ピットがない状態での主応力条件が５０７±１９６ＭＰａとなる条件（最大荷重（４０３１Ｎ）時高さ２２０ｍｍ、最小荷重（２０７９Ｎ）時高さ２７０ｍｍ）とした。繰返し腐食疲労試験の結果（腐食耐久回数）を、表３に併せて示す。表５は、実施例１～３及び比較例１～３の試料を、転位密度の数値と旧オーステナイト結晶粒度番号の数値に基づいて分類した結果を示す。表５に示す転位密度は、ロックウェル硬さＨＲＣ５５のときの値である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000015
　表３に示すように、実施例１～３は、比較例１～３と比べ、いずれも高い腐食耐久回数を有している。実施例１～３は、いずれも腐食耐久回数が４．０万回を超えている。表５に示すように、転位密度が１．０×１０１２ｃｍ－２未満であり、旧オーステナイト結晶粒度番号がＮＯ．１０未満の試料（比較例１）は、最も腐食耐久回数が少ない。転位密度が１．０×１０１２ｃｍ－２以上であっても、旧オーステナイト結晶粒度番号がＮＯ．１０未満の試料（比較例２）も腐食耐久回数が４万回を超えない。また、旧オーステナイト結晶粒度番号がＮＯ．１０以上であっても、転位密度が１．０×１０１２ｃｍ－２未満の試料（比較例３）も腐食耐久回数が４万回を超えない。表５に示すように、ロックウェル硬さＨＲＣ５５のときの転位密度が１．０×１０１２ｃｍ－２以上であり、旧オーステナイト結晶粒度番号がＮＯ．１０以上であれば、腐食耐久回数が４万回を超える。
　なお、図１に示すように、ばねの組成に依らず、ロックウェル硬さの値が大きいほど、転位密度が高くなる傾向がある。また、グラフの傾きもほぼ等しい。そのため、ばねのロックウェル硬さがＨＲＣ５５でなくても、ロックウェル硬さＨＲＣ５５のときの転位密度を計算することが可能である。図１の実施例３の直線は、転位密度をρとし、ロックウェル硬さをＨとしたときに、ρ＝１．４×１０１１×Ｈ－６．７×１０１２で示される。実施例３のばねは、表３に示すように、ロックウェル硬さＨＲＣ５５のときの転位密度が１．０×１０１２ｃｍ－２である。図１の実施例１及び２のように、実施例３の直線よりも上方に位置する直線は、ロックウェル硬さＨＲＣ５５のときの転位密度が１．０×１０１２ｃｍ－２以上になる。すなわち、下記式（１）を満足すれば、ロックウェル硬さＨＲＣ５５のときの転位密度が１．０×１０１２ｃｍ－２以上になる。
ρ≧１．４×１０１１×Ｈ－６．７×１０１２・・・（１）
　表３及び図２に示すように、実施例１～３は、いずれも、小サイズ炭化物の累積割合が４０％以上という特徴を有している。より詳細には、実施例１～３の小サイズ炭化物の累積割合は５０％を超えている。小サイズ炭化物の割合が増えるほど、腐食疲労強度のレベルが向上する。また、実施例１～３は、いずれも、Ｓｉ量が２．１％以上という特徴を有している（表１を参照）。表１及び表３から明らかなように、ばねのＳｉ量が増えるほど、腐食疲労強度のレベルが向上する。
　以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
 

Claims (6)

  1. 　ロックウェル硬さがＨＲＣ５３～ＨＲＣ５６であって、
    　ロックウェル硬さＨＲＣ５３～ＨＲＣ５６の範囲において、ロックウェル硬さをＨとしたときの転位密度ρ（ｃｍ－２）が、下記式（１）を満足しており、
    　　　ρ≧１．４×１０１１×Ｈ－６．７×１０１２・・・（１）
    　旧オーステナイト結晶粒度番号がＮＯ．１０以上であることを特徴とするばね。
  2. 　前記ばねが、焼戻マルテンサイトを含んでいるとともに、Ｓｉを質量％で２．１％以上２．４％以下含んでいる請求項１に記載のばね。
  3. 　前記焼戻マルテンサイトに含まれる炭化物のうち、最小長さが１５ｎｍ未満の炭化物の数が炭化物の全数の４０％以上であることを特徴とする請求項２に記載のばね。
  4. 　質量％で、炭素を０．３５％以上０．５５％以下、マンガンを０．２０％以上１．５０％以下、クロムを０．１０％以上１．５０％以下含んでおり、
    　さらに、ニッケル、モリブデン、バナジウムから選択される１種又は２種以上を、質量％で、ニッケル０．４０％以上３．００％以下、モリブデン０．０５％以上０．５０％以下、バナジウム０．０５％以上０．５０％以下含んでおり、
    　残部が鉄及び不可避不純物からなることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のばね。
  5. 　マンガンを０．４０％以上０．５０％以下含んでいることを特徴とする請求項４に記載のばね。
  6. 　ニッケルを０．５０％以上０．６０％以下含んでいることを特徴とする請求項４又は５に記載のばね。
     
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