JPH06306542A

JPH06306542A - 疲労強度の優れたばね用鋼及びばね用鋼線

Info

Publication number: JPH06306542A
Application number: JP10318293A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kuramoto; 廣志藏本; Yasunobu Kawaguchi; 康信川口; Hitoshi Sato; 仁資佐藤
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1993-04-28
Filing date: 1993-04-28
Publication date: 1994-11-01

Abstract

(57)【要約】【目的】引張強さが205kgf/mm²レベル以上の高強度を
有し、且つ清浄度が高く靭延性および耐疲労特性に優れ
たばね用鋼およびばね用鋼線を提供することを目的とす
る。【構成】Ｃ：0.3 〜0.8 ％、Ｓｉ：0.8 〜4.0 ％、Ｍ
ｎ：0.2 〜1.5 ％、Ｃｒ：0.4 〜3.0 ％、Ｔｅ：0.002
〜0.10％、Ａｌ：0.005 ％以下、酸素：0.002 ％以下の
要件を満たすと共に、Ｃｅ：0.002 〜0.10％、Ｖ：0.05
〜0.5 ％、Ｎｂ：0.05〜0.5 ％、Ｍｏ：0.05〜0.5 ％、
およびＮｉ：0.1 〜3 ％よりなる群から選択される元素
の１種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避不純物より
なり、非金属介在物の最大粒径が15μｍ以下、および該
非金属介在物の組成が、ＳｉＯ₂ ：35〜87％、Ａｌ₂ Ｏ
₃ ：40％以下、ＣａＯ：50％以下、ＭｇＯ：30％以下で
ある疲労強度の優れたばね用鋼およびばね用鋼線を開示
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐疲労特性に優れたば
ね用鋼及びこの鋼を用いた高強度のばね用鋼線に関し、
このばね用鋼線は、極めて高い疲労強度が要求される自
動車用弁ばねやクラッチばね等の機械ばねとして用いら
れる冷間成形ばねや熱間成形ばね等として有用である。

【０００２】

【従来の技術】近年、排ガス低減や燃費低減を目的とす
る自動車の軽量化、高出力化の要望が高まるにつれて、
エンジンやサスペンション等に用いられる弁ばねや懸架
ばね等のばねにおいても高強力設計が指向されており、
負荷応力の増大に対応するため、耐疲労性や耐へたり性
においても一段と高性能のものが求められている。ばね
の中でも弁ばねにはとりわけ高い疲労強度が望まれてお
り、従来のばね用鋼の中で最も優れた疲労強度を有する
ものとされているＳＷＯＳＣ−Ｖ（ＪＩＳＧ3566）で
も対応が困難になってきた。

【０００３】一方、疲労強度の向上に素材の高強度化が
有効であることはよく知られており、たとえば特開昭63
-216951 号に見られる様に、合金元素を添加することに
よって高強度化を図ったばね用鋼が提案された。しかし
ばね用鋼では、素材が高強度化するにつれて非金属介在
物に起因する疲労折損の危険性が高まるため、他方では
こうした問題点を緩和するため介在物を小型化すること
によって疲労折損を抑制する方法も検討されている。

【０００４】更には、介在物を小型化するだけでなくそ
の絶対量も少なくすることが必要であり、そのための手
段として炉外精錬時に溶鋼を攪拌することにより介在物
を浮上分離させる方法も試みられているが、生産性の点
から攪拌時間には自ずと制限があるので、この方法によ
る介在物量の低減には限界がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の様な事
情に着目してなされたものであって、その目的は、鋼中
に存在する介在物を小さくすると共に、介在物の絶対量
も低減し、疲労強度の優れたばね用鋼およびばね用鋼線
を提供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
のできた本発明に係るばね用鋼の構成は、Ｃ：0.3 〜
0.8 ％、Ｓｉ：0.8 〜4.0 ％、Ｍｎ：0.2 〜1.5 ％、Ｃ
ｒ：0.4 〜3.0 ％、Ｔｅ：0.002 〜0.10％、Ａｌ：0.00
5 ％以下、酸素：0.002 ％以下の要件を満たすと共に、
Ｃｅ：0.002 〜0.10％、Ｖ：0.05〜0.5 ％、Ｎｂ：0.
05〜0.5 ％、Ｍｏ：0.05〜0.5 ％、およびＮｉ：0.1 〜
3.0 ％よりなる群から選択される元素の１種以上を含
み、残部がＦｅおよび不可避不純物よりなり、非金属介
在物の最大粒径が15μｍ以下、および該非金属介在物の
組成が、ＳｉＯ₂ ：35〜87％、Ａｌ₂ Ｏ₃ ：40％以下、
ＣａＯ：50％以下、ＭｇＯ：30％以下であるところに要
旨が存在する。そしてこのばね用鋼を伸線加工すると、
焼入れ・焼戻し後の引張強さが２０５kgf/mm²以上のば
ね用鋼線を得ることができる。

【０００７】

【作用】本発明は、鋼線の高強度化、靭延性の確保、お
よび冷間・熱間ばね成形性の観点から、鋼材の化学成分
を上記の様に定めると共に、鋼中のＡｌおよび酸素含有
量を規定値以下に制御し、適量のＴｅを含有させること
により、非金属介在物（以下、単に介在物という）を浮
上分離し易くしてその絶対量を著しく低減せしめ、しか
もこうした介在物の浮上促進効果を粗大介在物に対して
優先的に発揮させることによって、残存する介在物の大
きさを非常に小さなものとし、更にはその介在物組成を
低融点のものとして、その後の加工においてより微細化
が図れる様にしたものである。

【０００８】そして、こうした介在物の微細化および絶
対量の低減により、鋼線の引張強さを205 kgf/mm² 以上
に上げても介在物による折損を低減でき、その結果とし
て疲労特性の優れたばね用鋼線を提供し得ることに成功
したものである。以下、本発明鋼の成分組成等を定めた
理由を明確にすることにより本発明の構成および作用効
果を詳述する。

【０００９】Ｃ：0.3 〜0.8 ％Ｃは高応力が負荷されるばね用鋼として十分な強度を得
るために欠くことのできない元素であり、目的達成のた
めには0.3 ％以上含有させなければならない。しかし多
過ぎると靭延性が悪くなるので0.8 ％以下に抑えなけれ
ばならない。Ｃのより好ましい含有率は0.5 〜0.8 ％で
ある。

【００１０】Ｓｉ：0.8 〜4.0 ％Ｓｉは脱酸効果が強く、かつフェライト中に固溶して鋼
素地の強度を高める作用があり、こうした効果は0.8 ％
以上含有させることによって有効に発揮される。しかし
Ｓｉ量が多くなり過ぎると靭延性が低下すると共に、表
面の脱炭や表面疵等が増大して耐疲労特性が悪くなるの
で、4.0 ％以下に抑えるべきである。

【００１１】Ｍｎ：0.2 〜1.5 ％Ｍｎも脱酸に有効であり、また焼入れ性を高めて高強度
を確保するためにも0.2 ％以上含有させなければならな
い。しかし多くなり過ぎると靭延性に悪影響が表われて
くるので1.5 ％以下に抑えなければならない。Ｍｎのよ
り好ましい含有率は0.4 〜1.3 ％の範囲である。

【００１２】Ｃｒ：0.4 〜3.0 ％ＣｒはＣの活量を低下させ、圧延時および熱処理時にお
ける脱炭を防止すると共に炭化物の黒鉛化を抑制するの
に有効な元素であり、こうした効果は鋼中に0.4 ％以上
含有させることによって有効に発揮される。しかし含有
量が多過ぎると靭延性が低下傾向を示す様になるので、
3.0 ％以下に抑えなければならない。Ｃｒのより好まし
い含有率は0.4 〜2.0 ％の範囲である。

【００１３】Ｔｅ：0.002 〜0.10％Ｔｅを添加すると溶鋼の濡れ性が低下して鋼中の介在物
が浮上しやすくなり、特に浮力の関係から大きな介在物
ほど浮上しやすくなるため、鋼中に残存する介在物の大
きさおよび絶対量を著しく低減することができる。さら
には強力な脱ガス剤としても役立ち硬質のＡｌ₂ Ｏ₃ 系
介在物を抑制し、低融点の介在物組成とする働きを有す
る。このような効果は0.002 ％未満では不十分であり、
0.10％を越えて添加してもＴｅは鋼中への溶解度が低い
ため溶鋼の濡れ性は飽和し、介在物に対する効果も飽和
すること、および鋼の靭延性を劣化させるため0.10％以
下に抑えなければならない。

【００１４】Ａｌ：0.005 ％以下、酸素：0.002 ％以下Ｔｅ添加により硬質のＡｌ₂ Ｏ₃ 系介在物は抑制される
が、Ａｌおよび酸素量が多過ぎると、残存する可能性を
生じてくるため、Ａｌは0.005 ％以下、酸素は0.002 ％
以下に抑えなければならない。

【００１５】Ｃｅ：0.002 〜0.10％、Ｖ：0.05〜0.5
％、Ｎｂ：0.05〜0.5 ％、Ｍｏ：0.05〜0.5 ％およびＮ
ｉ：0.1 〜3.0 ％よりなる群から選ばれる１種以上これらの元素のうちＣｅは、Ｔｅとの間で安定な化合物
を生成しＴｅ添加による靭延性の低下を緩和する働きを
もつ。この効果は0.002 ％未満では小さく、過剰に添加
してもその効果は飽和するため0.10％以下とするのが好
ましい。

【００１６】次にＶ、Ｎｂ、およびＭｏは、焼入れ・焼
戻し等の熱処理工程で結晶粒を微細化して靭延性を高
め、更には焼入れ・焼戻し等の熱処理工程で結晶粒を微
細化して靭延性を高め、更には焼入れ・焼戻し処理やば
ね成形後の歪取り焼鈍工程で２次析出効果を促進して高
強度化に寄与する作用があり、こうした効果はＶ、Ｎｂ
またはＭｏを0.05％以上含有させることによって有効に
発揮される。しかし過剰に含有させると、分塊等の段階
で巨大な炭化物あるいは窒化物を析出しやすくなるの
で、夫々0.5 ％以下に抑えなければならない。

【００１７】またＮｉも焼入れ・焼戻し後の靭延性を高
めるという効果からすると上記Ｖ、ＮｂやＭｏと同効元
素であり、しかも焼入れ性を高めて高強度化にも寄与す
る。こうした効果は0.1 ％以上含有させることによって
有効に発揮されるが、その効果は約3.0 ％で飽和し、そ
れ以上含有させると熱間圧延時にベーナイトあるいはマ
ルテンサイト組織が発生しやすくなり靭延性に悪影響が
表れてくる。

【００１８】本発明に係るばね用鋼の必須元素は以上の
通りであり、残部は鉄および不可避不純物からなるもの
であり、不可避不純物としてはＰ，Ｓ，Ｎ等が挙げられ
るが、これらはいずれも不純介在物として疲労特性に悪
影響を及ぼすものであるから、できるだけ少なく抑える
ことが望ましい。

【００１９】次に本発明では、介在物の大きさおよび組
成を規定する。これは、上述のように鋼の成分を規定し
且つ熱処理により高強度化した場合に、疲労破壊の起点
となる硬質の介在物を小さく且つ少なくすることにより
疲労特性を向上せしめるための重要な要件となる。

【００２０】まず介在物の最大粒径が15μｍを超える
と、疲労特性が明らかに低下してくるので、15μｍ以下
に抑えることが必須となる。このような介在物の形態を
与える組成としては、ＳｉＯ₂ を35〜87％を含んでいる
ことが必要である。35％未満ではＡｌ₂ Ｏ₃ 、ＣａＯま
たはＭｇＯ系の硬質介在物となり、また87％を超えると
硬質のＳｉＯ₂ に富む介在物が多過ぎて疲労強度が低下
する。

【００２１】Ａｌ₂ Ｏ₃ を多量に含む場合は、コランダ
ムやスピネルのような硬質の介在物が生成するため、Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ の上限は40％とする。またＳｉＯ₂ に富んだ硬
質介在物の生成を防止するためには、Ａｌ₂ Ｏ₃ を15％
以上含むものであることが望ましい。

【００２２】また介在物中のＣａＯの含有率が50％を超
えると硬質の介在物となるので、適正な範囲として50％
以下を定めた。ＭｇＯについては、30％を超えると硬質
なスピネル系介在物となるので、その範囲を30％以下と
した。

【００２３】本発明鋼の化学組成によれば、伸線加工後
の焼入れ・焼戻し処理によって従来鋼に比べ格段に高い
強度が得られ、また介在物の量、大きさも大幅に減少し
ているため従来鋼では達成できなかった高い疲労強度を
得ることができる。

【００２４】ただし、焼入れ・焼戻し後の鋼線の引張強
さが205kgf/mm²以下では従来鋼でも介在物による疲労破
壊は生じにくいため、本発明鋼は鋼線の引張強さが205k
gf/mm²以上でその効果を発揮する。

【００２５】次に実施例を挙げて本発明の構成および作
用効果をより具体的に説明するが、本発明はもとより下
記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記
の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施する
ことはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものであ
る。

【００２６】

【実施例】表１に示す化学成分のばね用鋼をＡｌキル
ド、およびＳｉキルドで溶製した。また、Ｔｅは取鍋に
粒状で添加した。その後圧延、焼鈍、皮削り、鉛パテン
ティング、伸線を行い、焼入れ・焼戻し処理を施して線
径3.2 mmφのオイルテンパー線を試作した。尚、表１に
は圧延線材における圧延方向の任意の断面（3600mm²)を
顕微鏡観察して得た介在物個数および介在物の最大粒径
を併記した。また、得られた各オイルテンパー線の引張
強さ、絞り率、コイリング時の折損の有無及びγ結晶粒
度No. を表２に示した。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【表２】

【００２９】表１からも明らかである様に、Ｔｅを添加
した鋼種Ｄ〜Ｈは介在物個数が少なくなっており、大き
さはＡｌ含有量の高い鋼種Ｈを除き10μｍ以下である。
これに対し鋼種Ａ〜ＣはＴｅを添加しなかった比較鋼で
あり、多数の介在物を含むと共にそのサイズも大きく清
浄度は低い。

【００３０】また、表２からも明らかである様に、Ｖ、
Ｎｂ、ＭｏまたはＮｉのうち１種以上を含有する鋼種Ｃ
〜Ｈは、いずれも205kgf/mm²以上の引張強さを示してい
るにもかかわらず高い絞り率を有しており、靭延性が良
好であってコイリング時に折損等は全く生じない。これ
に対し鋼種Ａ，Ｂは清浄度が低いうえＶ、Ｎｂ、Ｍｏ、
Ｎｉの量が不足するため靭延性不足で絞り率が小さく、
コイリング時に折損が発生している。

【００３１】次に、上記鋼種Ｃ（比較鋼）およびＥ（本
発明鋼）を使用し、焼戻し温度および歪取り焼鈍温度を
変えてほぼ同一の引張強さを与えたものについて鋼線の
疲労試験を行った結果を表３に示す。

【００３２】

【表３】

【００３３】表３からも明らかである様に、試験応力9
2.5kgf/mm² において、本発明鋼Ｅでは比較鋼Ｃに対し
て介在物折損率および合計折損率とも大幅に改善されて
いる。また、試験応力85.0kgf/mm² では引張強さ増加に
よる疲労特性向上効果が顕著である。

【００３４】尚図１は、表１に示した鋼種Ｃ（0.60％Ｃ
−1.6 ％Ｓｉ−0.7 ％Ｍｎ−0.7 ％Ｃｒ−0.21％Ｖ−0.
15％Ｎｂ）を基本組成とし、Ｔｅ含有量を種々変えた場
合の総酸素量に与える影響を調査した結果を示したグラ
フであり、Ｔｅを0.002 ％以上含有させることによって
総酸素量を著しく低下せしめ、介在物量低減効果が有効
に発揮されることが分かる。

【００３５】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、鋼
材の化学成分を特定し、殊に適量のＴｅを含有させるこ
とにより介在物の浮上分離および低融点を促進して清浄
度を高めると共に、Ｃｅ，Ｖ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｎｉの１種
以上を適量含有させることによって靭延性を改善し、高
強度で靭延性および疲労特性に優れたばね用鋼およびば
ね用鋼線を提供し得ることになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｔｅ含有量が鋼中の総酸素量に与える影響を示
すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：0.3 〜0.8 ％（重量％：以下同
じ）、Ｓｉ：0.8 〜4.0 ％、Ｍｎ：0.2 〜1.5 ％、Ｃｒ：0.4 〜3.0 ％、Ｔｅ：0.002 〜0.10％、Ａｌ：0.005 ％以下、酸素：0.002 ％以下の要件を満たすと共に、Ｃｅ：0.002 〜0.10％、Ｖ：0.05〜0.5 ％、Ｎｂ：0.05〜0.5 ％、Ｍｏ：0.05〜0.5 ％、およびＮｉ：0.1 〜3.0 ％よりなる群から選択される元素の１種以上を含み、残部
がＦｅおよび不可避不純物よりなり、非金属介在物の最
大粒径が15μｍ以下、および該非金属介在物の組成が、ＳｉＯ₂ ：35〜87％、Ａｌ₂ Ｏ₃ ：40％以下、ＣａＯ：50％以下、ＭｇＯ：30％以下であることを特徴とする疲労強度の優れたばね用鋼。
【請求項２】請求項１に記載されたばね用鋼を伸線加
工してなり、焼入れ・焼戻し後の引張強さが205kg/mm²
以上であることを特徴とするばね用鋼線。