JPH04246124A - 焼入れ性，耐温間へたり性に優れたバネ用鋼の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、焼入れ・焼戻しを施し
た後、温間で使用され、焼入れ性及び耐温間へたり性に
優れたバネ用鋼の製造方法に関する。

【０００２】

【従来技術】最近、装置の大型化，高出力化に伴って、
装置に組み込まれたバネは、温間雰囲気に晒されるよう
になってきている。たとえば、自動車のクラッチにダイ
ヤフラムスプリング等の皿バネが組み込まれているが、
自動車用エンジンの高出力化，足回りの４ＷＤ化等に伴
ってクラッチに加わる負荷が増大している。その結果、
使用雰囲気温度は、従来最高１５０℃程度であったもの
が、温間といえる２５０〜３５０℃まで上昇している。 この種のダイヤフラムスプリングとしては、ＳＫ５等の
炭素工具鋼が主として使用されている。しかしながら、
炭素工具鋼鋼では、温度の上昇に従ってバネのへたりが
急激に進行する。この点で、温間における耐へたり性に
優れた鋼が強く求められている。

【０００３】耐へたり性を材質面から向上させる手段と
して、鋼に対するＳｉ含有量を増加させればよいことが
知られている。たとえば、ＪＩＳ　　Ｇ４８０１に規定
されているＳＵＰ６や更にＳｉ含有量が多いＳＵＰ７等
が、耐へたり性を要求されるバネとして使用されている
。また、ＳｉやＭｎ等を増量すると共に、Ｍｏを添加す
ることにより、焼入れ性を高めた鋼が特開平２−２４０
２４０号公報で紹介されている。他方、熱処理等で耐へ
たり性を向上させる手段としては、焼入れ・焼戻し後に
塑性歪みを加え、２５０〜３５０℃で歪時効を行わせる
ことも知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、Ｓｉを多量に
含むＳＵＰ６，ＳＵＰ７等の鋼は、室温での耐へたり性
に優れているものの、昇温に伴って耐へたり性が劣化し
、温間で十分な特性を呈さない。また、塑性歪みを付与
した後で歪時効を行うとき、バネ製造工程に多数の熱処
理が必要とされることから、製造コストが上昇する。 この点で、特殊な熱処理を必要とすることなく、焼入れ
・焼戻しのままで耐温間へたり性に優れた材料が望まれ
ている。

【０００５】ところで、鋼素材をバネとして使用する際
、所定のバネ特性を付与するため焼入れ・焼戻しの熱処
理が施されている。この熱処理においては、焼入れが長
時間にわたるとき、脱炭，粒界酸化等が進行する。その
結果、バネとして使用する際の疲労強度が低下する。 この点、バネ用鋼材には、熱処理時にオーステナイト化
されたとき、炭化物の迅速な固溶化が必要とされる。

【０００６】本発明は、このような要求に応えるべく案
出されたものであり、可動な転位の密度を減少すると共
に転位の移動自体を抑制することにより、温間雰囲気で
使用されるバネに要求される重要な特性である耐温間へ
たり性に優れたバネ用鋼を得ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のバネ用鋼製造方
法は、その目的を達成するため、Ｃ：０．４〜０．８重
量％，Ｓｉ：０．５〜２．５重量％，Ｍｎ：０．３〜２
．０重量％，Ｃｒ：０．１〜１．５重量％，Ｍｏ：０．
１〜１．５重量％を含有し、且つ−７≦４×Ｓｉ（％）
−１０×Ｃｒ（％）≦５の条件を満足する鋼に熱間圧延
及び焼鈍を施した後、冷延率１０〜８０％で冷間圧延し
、次いで５５０〜７３０℃で焼鈍を行い、平均炭化物粒
径が２μｍ以下である焼鈍材を焼入れ・焼き戻しするこ
とを特徴とする。

【０００８】ここで使用する鋼は、前述した合金成分の
外に、更にＶ及びＮｂの１種又は２種を合計で０．０５
〜０．５重量％含むことができる。また、この鋼におけ
るＡｌ含有量は、０．０２０重量％以下に抑えることが
好ましい。

【０００９】

【作　　用】本発明者等は、焼入れ性及び耐温間へたり
性に及ぼす合金元素の作用及び製造条件の影響等につい
て、幅広い検討を行うと共に、数多くの実験を積み重ね
た。その結果、焼き戻した後の強度が同一の場合、より
高温で焼戻し転位密度が減少し、温間で歪みが加わった
際に可動な転位が減少し、その結果、耐温間へたり性が
向上することが判った。また、焼戻し時に微細な炭化物
を析出させることにより、転位の移動が妨げられ、耐温
間へたり性が著しく向上することを知見した。そこで、
これらの現象を効果的に発揮させるため、ＳＫ５等の炭
素工具鋼等に比較してより高温で焼き戻し、且つ焼戻し
時の軟化抵抗を高めると共に、バネとして必要な特性を
もち、同時に微細な炭化物が析出するように、合金成分
を調整する。これにより、耐温間へたり性に著しく優れ
た鋼が得られる。

【００１０】以下、本発明を具体的に説明する。本発明
にあっては、従来の鋼に比較してより高温で焼き戻した
際にバネとして必要な硬さを確保するため、Ｓｉを添加
している。そして、Ｓｉ添加に起因して黒鉛化が発生す
ることは、Ｃｒの添加によって抑制している。

【００１１】しかし、Ｃｒは、炭化物形成元素の中でも
とりわけ炭化物中に固溶する元素であるため、焼入れ前
の球状化した炭化物中に濃縮され、オーステナイト化時
の炭化物の固溶速度を著しく低下させる。そこで、この
Ｃｒの悪影響を抑え、焼入れ性及び耐温間へたり性を両
立させるため、ＳｉとＣｒとの間に次式の関係を成立さ
せる。 −７≦４×Ｓｉ（％）−１０×Ｃｒ（％）≦５

【００１
２】また、従来の炭素工具鋼に比較して高い温度で焼戻
しを行うことに加え、Ｍｏを添加することによって、Ｍ
ｏ炭化物の析出が可能となる。このＭｏ炭化物は、へた
りの原因である転位の移動を阻止し、耐へたり性を向上
させる上で有効な析出物である。

【００１３】必要に応じてＶ，Ｎｂの１種又は２種を添
加するとき、オーステナイト粒の粗大化が防止されると
共に、Ｍｏ炭化物と同様に炭化物の析出物によって耐温
間へたり性が一層向上する。

【００１４】従来から知られているように、Ｓｉ含有量
が高くなるに従って、鋼材の表層部における脱炭反応が
著しく進行する。したがって、耐へたり性を向上させる
ためにＳｉを多量に含有させる場合、低温で短時間の焼
入れが必要である。この条件下で所定の焼入れ性を得る
ため、冷間圧延及び焼鈍後の平均炭化物粒径を２μｍ以
下にする。これにより、高Ｓｉ鋼にバネとしての特性を
付与することが可能となる。

【００１５】また、疲労強度に関しては、鋼中の酸素と
結合して介在物を形成するＡｌを０．０２０重量％以下
に抑えるとき、疲労破壊の起点となる硬質な介在物が減
少する。その結果、硬さが上昇した状態における疲労強
度の低下を防ぐことが可能となる。

【００１６】以下、本発明における合金成分及び製造条
件について説明する。 Ｃ：　　Ｃは、鋼の強度を高める上で重要な元素である
。 そして、焼入れ・焼戻しにより、バネ用鋼として必要な
強度を得る上から、少なくとも０．４重量％含有させる
ことが必要である。しかし、Ｃの含有量が多すぎると、
焼き割れが発生し易くなるばかりでなく、靭性が劣化す
る。そこで、Ｃ含有量の上限を０．８重量％に設定した
。

【００１７】Ｓｉ：　　炭素工具鋼と比較して高温で焼
戻しを行った際に、バネとして必要な強度を確保させる
と共に、焼戻し軟化抵抗を高める上で重要な元素である
。 この作用を発揮させるため、Ｓｉを０．５重量％以上の
含有量で含ませる。しかし、Ｓｉ含有量が２．５重量％
を超えるとき、バネ用鋼として有害な内部酸化や脱炭等
が生じ易くなるばかりでなく、熱間圧延や焼鈍等の際に
黒鉛化が促進される。そこで、Ｓｉの上限を２．５重量
％に設定した。

【００１８】Ｍｎ：　　Ｍｎは、鋼の脱酸に有効である
と共に、焼入れ性を向上させる元素である。これらの効
果を得るためには、Ｍｎを０．３重量％以上含有させる
ことが必要である。しかし、Ｍｎ含有量が２．０重量％
を超えるとき、焼入れ・焼戻し後に靭性の劣化が著しく
なり、またＭｓ点の低下に伴ってマルテンサイト変態が
十分に行われなくなる。そこで、Ｍｎ含有量の上限を２
．０重量％に設定した。

【００１９】Ｃｒ：　　多量のＳｉを含有させることに
より促進される黒鉛化及び内部酸化を抑制すると同時に
、Ｍｎと同様に焼入れ性を向上させる上で重要な元素で
ある。Ｃｒの作用を有効に発揮させるためには、０．１
重量％以上の含有量が必要である。しかし、Ｃｒ含有量
が１．５重量％を超えるとき、焼入れ・焼戻し後の靭性
の劣化が著しくなり、且つ冷間圧延，焼鈍後にＣｒが球
状炭化物中に著しく濃縮される。その結果、オーステナ
イト化時における炭化物の固溶が著しく遅滞する。この
点で、Ｃｒ含有量の上限を１．５重量％に設定すると共
に、Ｓｉ含有量との間に次式で規定される関係を維持す
る。これにより、脱炭及び黒鉛化が同時に防止される。 −７≦４×Ｓｉ（％）−１０×Ｃｒ（％）≦５

【００２
０】Ｍｏ：　　Ｍｏは、冷延，焼鈍後において鋼中で炭
化物を形成している。このＭｏは、鋼がＡｃ３　変態点
以上の温度に加熱されたときオーステナイト相に固溶し
、焼入れ時にマルテンサイト相に固溶する。そして、焼
戻し時に炭化物として微細に析出することにより、耐温
間へたり性を著しく向上させる。この点で、Ｍｏは、重
要な働きをする元素であり、０．１重量％以上含有させ
ることが必要である。しかし、Ｍｏ含有量が０．５重量
％を超えるとき、耐へたり性を向上させる効果が飽和す
るばかりでなく、Ａｃ３　変態点以上の温度に加熱され
た際にオーステナイト相に固溶しない比較的粗大な未溶
解炭化物の量が多くなる。この未溶解炭化物は、非金属
介在物と同様に疲労強度を低下させる。そこで、本発明
においては、Ｍｏ含有量の上限を０．５重量％に設定し
た。

【００２１】Ｖ，Ｎｂ：　　Ｖ，Ｎｂは、Ｍｏと同様に
冷間圧延，焼鈍後において鋼中で炭化物を形成する。そ
して、鋼がＡｃ３　変態点以上の温度に加熱されたとき
、オーステナイト相に固溶しないＶ，Ｎｂの未溶解炭化
物は、オーステナイト粒の粗大化を防止する。一方、オ
ーステナイト相に固溶しているＶ，Ｎｂは、Ｍｏと同様
に焼戻し時に微細な炭化物として析出することにより、
耐温間へたり性を向上させる。この点で、Ｖ，Ｎｂは、
重要な役割を受け持つ元素であり、０．０５重量％以上
含有させることが必要である。しかし、０．５重量％を
超えてＶ，Ｎｂを含有させるとき、Ａｃ３　変態点以上
の温度に加熱された際にオーステナイト相に溶解しない
比較的粗大な未溶解炭化物の量が増加し、非金属介在物
と同様に疲労強度を低下させる。そこで、Ｖ，Ｎｂ含有
量の上限を０．５重量％に設定した。

【００２２】Ａｌ：　　バネとして使用される鋼材には
、繰返しの曲げ疲労やねじり疲労等が加えられる。この
種の疲労に対して、硬質の介在物は非常に有害な影響を
与える。そこで、硬質介在物の代表的なものであるＡｌ
系介在物に起因する悪影響を抑制するため、Ａｌの含有
量を０．０２０重量％以下に押さえることが好ましい。

【００２３】また、製造条件は、次のようにバネ特性に
影響を与える。冷間圧延の圧延率が１０％未満であると
、Ａｃ１　変態点以下で焼鈍する際に炭化物の微細化が
進行せず、Ａｃ３　変態点以上の温度に加熱するとき炭
化物をオーステナイト相に固溶させるために長時間が必
要となり著しい脱炭が進行する。しかも、オーステナイ
ト粒径も粗大なものとなって、バネとしての特性が劣化
する。他方、圧延率が８０％を超えると、冷間圧延によ
る加工硬化が著しくなり、耳割れ等の形状不良が発生す
る。そこで、圧延率１０〜８０％の冷間圧延を行うこと
が重要である。

【００２４】また、７３０℃を超える高温で焼鈍を行う
とき、球状化した炭化物が粗大化し、Ａｃ３　変態点以
上の温度への加熱時に、オーステナイト相に炭化物を固
溶させるために長時間を要し、経済的でない。逆に、焼
鈍温度が５５０℃を下回ると、冷間圧延によって加工硬
化したフェライトが十分に回復せず、焼鈍後の硬度が高
くなって加工性を劣化させる。そこで、焼鈍温度は、５
５０〜７３０℃の温度範囲に設定した。

【００２５】焼鈍後の状態における炭化物の平均粒径が
２μｍ以下であると、焼入れに伴うオーステナイト化時
に炭化物が容易に固溶する。この点で、炭化物の平均粒
径を２μｍ以下に維持することが、焼入れを効率よく行
う上で必要である。

【実施例】次に、本発明の実施例を説明する。本実施例
においては、表１に示した成分・組成をもつ供試材を使
用した。なお、表１の記号Ａ〜Ｇは本発明で規定した成
分・組成の範囲にある鋼を示し、記号Ｈ〜Ｌは比較鋼を
示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】表１に示した成分の鋼を熱間圧延して板厚
３．５ｍｍの熱延板とし、この熱延板に焼鈍を施した。 そして、圧延率３５％の冷間圧延を行い、板厚２．３ｍ
ｍの冷延鋼板を製造した。

【００２８】この冷延鋼板を６５０〜７５０℃で１０時
間焼鈍し、平均炭化物粒径を変化させた供試材を得た。 焼入れ性試験としては、８５０℃までは１４０℃／秒で
、８５０℃から９００〜１１００℃の試験温度までは３
０℃／秒のヒートパターンで急速加熱した後、保持時間
を取ることなく急冷する焼入れを行い、焼入れ硬さによ
って焼入れ性を評価した。試験結果を、図１に示す。

【００２９】図１から明らかなように、成分が本発明で
規定する範囲にある供試材Ａでは、本発明に従った６５
０℃及び７００℃の温度で焼鈍したとき、平均炭化物粒
径が２μｍ以下となる。また、最低試験温度である９０
０℃においても、最高焼入れ硬さに達している。しかし
ながら、７５０℃で焼鈍し、平均炭化物粒径が２μｍを
超えるようになると、９５０℃程度まで焼入れ温度を上
げない限り、最高焼入れ硬さに達していない。

【００３０】これに対し、比較鋼Ｈは、ＳＩＣＲ値［＝
４×Ｓｉ（％）−１０×Ｃｒ（％）］が−７．４２と本
発明で規定する範囲の外にあるため、焼鈍後の炭化物中
にＣｒが著しく濃縮している。そのため、平均炭化物粒
径が２μｍ以下であるにも拘らず、最高焼入れ硬さに達
するのに１０００℃まで加熱する必要があった。

【００３１】この比較から明らかなように、本発明によ
るとき、より低温且つ短時間で炭化物をオーステナイト
相に固溶させ得ることが判る。

【００３２】次いで、板厚２．３ｍｍの冷延鋼板を６８
０℃で１０時間焼鈍し、引き続き９００℃で加熱した後
、油焼入れし、その後３０分間種々の温度で焼戻しを施
した。この焼入れ・焼戻し材を使用して、疲労特性及び
へたり性を次のようにして評価した。

【００３３】先ず、疲労試験は、両振の平面曲げ疲労で
行った。供試材として、本発明に従った鋼Ａ，Ｇ、比較
鋼Ｊ及びＡｌ以外は鋼Ａと同等の成分をもつ比較鋼Ｉを
使用した。試験温度は、２５０℃に設定した。試験結果
を、表２に示す。

【００３４】

【表２】

【００３５】表２から明らかなように、本発明に従った
鋼Ａは、焼入れ・焼戻し後の硬さが比較鋼Ｉとほぼ同等
であるにも拘らず、室温及び２５０℃における疲労強度
は何れも比較鋼Ｉに比べて優れていることが判る。これ
は、鋼ＡのＡｌ含有量が０．０２０重量％以下であるた
め、疲労破壊の起点となる硬質の介在物量が少ないこと
に起因するものと考えられる。また、本発明に従った鋼
Ｇも、鋼Ａと同様な疲労特性を示している。

【００３６】他方、比較鋼Ｊは、Ｓｉ含有量に比較して
Ｃｒ含有量が少なく、ＳＩＣＲ値が７．５０と本発明で
規定する範囲の外にあるため、焼鈍時に黒鉛化が生じ。 しかもオーステナイト化に長時間を要したことから脱炭
反応が進行した。その結果、疲労特性は、本発明に従っ
た鋼Ａ，Ｇよりも劣っている。

【００３７】更に、リラクセーション試験により耐へた
り性を評価した。試験温度は３５０℃、初期歪みは１．
０％、保持時間は１２時間にそれぞれ設定し、保持前後
での荷重の低下率をリラクセーション率として表した。 試験結果を、表３に示す。

【００３８】

【表３】

【００３９】比較鋼Ｈは、ＳＫ５相当の成分をもってお
り、リラクセーション率が著しく高いものである。また
、Ｍｏが添加されていない比較鋼Ｌ、及びＭｏは添加さ
れているもののＳｉ含有量が少ない比較鋼Ｍにあっては
、バネとして必要な強度を確保するために焼戻し温度が
低く、耐温間へたり性に有効なＭｏ炭化物を析出してい
ない。そのため、リラクセーション値は、何れもそれほ
ど低い値を示さない。これに対し、成分及び組成が本発
明で規定した範囲にある鋼Ａ〜Ｇでは、リラクセーショ
ン値が著しく低くなっており、耐温間へたり性に優れて
いることが判る。

【００４０】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、鋼の成分・組成及び製造条件を特定することにより
、低温且つ短時間で焼入れが可能で、しかも温間での耐
へたり性に優れたバネ用鋼が得られる。そして、得られ
たバネ用鋼は、過酷な使用雰囲気に晒される各種機器に
組み込まれたとき、長時間にわたって安定した特性を呈
し、機器の信頼性を向上させる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　急速加熱温度と焼入れ硬さの関係を示すグ
ラフ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　Ｃ：０．４〜０．８重量％，Ｓｉ：０
   ．５〜２．５重量％，Ｍｎ：０．３〜２．０重量％，Ｃ
   ｒ：０．１〜１．５重量％，Ｍｏ：０．１〜１．５重量
   ％を含有し、且つ−７≦４×Ｓｉ（％）−１０×Ｃｒ（
   ％）≦５の条件を満足する鋼に熱間圧延及び焼鈍を施し
   た後、冷延率１０〜８０％で冷間圧延し、次いで５５０
   〜７３０℃で焼鈍を行い、平均炭化物粒径が２μｍ以下
   である焼鈍材を焼入れ・焼き戻しすることを特徴とする
   焼入れ性，耐温間へたり性に優れたバネ用鋼の製造方法
   。
2. 【請求項２】　　Ｃ：０．４〜０．８重量％，Ｓｉ：０
   ．５〜２．５重量％，Ｍｎ：０．３〜２．０重量％，Ｃ
   ｒ：０．１〜１．５重量％，Ｍｏ：０．１〜１．５重量
   ％，Ｖ及びＮｂの１種又は２種を合計で０．０５〜０．
   ５重量％を含有し、且つ−７≦４×Ｓｉ（％）−１０×
   Ｃｒ（％）≦５の条件を満足する鋼に熱間圧延及び焼鈍
   を施した後、冷延率１０〜８０％で冷間圧延し、次いで
   ５５０〜７３０℃で焼鈍を行い、平均炭化物粒径が２μ
   ｍ以下である焼鈍材を焼入れ・焼き戻しすることを特徴
   とする焼入れ性，耐温間へたり性に優れたバネ用鋼の製
   造方法。
3. 【請求項３】　　請求項１又は２記載の鋼に含有される
   Ａｌを０．０２０重量％以下に抑えたことを特徴とする
   焼入れ性，耐温間へたり性に優れたバネ用鋼の製造方法
   。