JPS6041699B2

JPS6041699B2 - 焼入性、耐へたり性の優れたばね用鋼

Info

Publication number: JPS6041699B2
Application number: JP7463981A
Authority: JP
Inventors: 俊郎山本; 良平小林; 衛栗本; 敏夫小曽根
Original assignee: Chuo Hatsujo KK; Aichi Steel Corp
Current assignee: Chuo Hatsujo KK; Aichi Steel Corp
Priority date: 1981-05-16
Filing date: 1981-05-16
Publication date: 1985-09-18
Also published as: JPS57188651A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は焼入性、耐へたり性の優れたばね用鋼に関する
ものである。

近年、自動車軽量化の一環として懸架ばねの軽量化が強
く求められるようになつてきた。

この要求に対して、ばねの設計応力を上昇させ、高応力
状態で使用することにより軽量化を図ることが効果的と
されている。しかし、現用のばね用鋼を高応力下で使用
すると、耐久性と、へたりが増加するという問題が生じ
、後者の「へたり」は、ばね高さの減少、しいては車高
の減少として現われ、バンパー高さが低下するため安全
上大きな問題となる。

そこで、近年高応力設計を可能とする耐へたり性の優れ
たばね用鋼が求められている。

従来、耐へたり性の優れたばね用鋼としては、ばね鋼中
のＳｉが耐へたり性に有効な元素であるこ１１２Ｌ−、
、−ツ、゛−ムッ゛ＣＩＴＤＱ１、７を１１＋こｌ−
ｑ書１の高いＳＵＰ７が多く用いられるようになつてき
た。

しかるに、懸架ばねの軽量化に対する要求は厳しいもの
があり、ＳＵＰ７よりもさらに耐へたり性の優れたばね
用鋼の開発が強く望まれていた。本願出願人はこのよう
な背景の下に、先に高Ｓｉばね用鋼に適量のＶ、Ｎｂを
１種ないし２種添加することにより、ＳＵＰ７よりもさ
らに耐へたり性が優れ、かつ、ばね用鋼として必要な耐
疲労性、靭性についてもＳＵＰ７と同等な性能を有する
ばね用鋼を開発して出願（特願昭５５−１０８０２賜）
した。しかし、比較的大型の自動車等に使用される大物
のコイルばね、トーシヨンバーおよび厚物の重ね板ばね
においては、熱処理時、芯部まで焼が入、り難いことに
より、芯部の組織はベイナイトあるいはフエライーパー
ライトとなり、マルテンサイト組織に比べて硬さが低く
、Ｖ、Ｎｂによる耐へたり性向上効果が著しく損なわれ
る。

本発明者等は、前記の大物または厚物のばねに）対して
も十分に耐へたり性を得るべき研究を重ねた結果、高Ｓ
ｉばね用鋼に適量のりあるいはＶ、Ｎｂを添加するとと
もに、さらにＢを添加し、かつＮｏ、００８０％以下と
することによつて大物のコイルばね、トーシヨンバーお
よび厚物の重ね板ばね５においても熱処理時、芯部まで
マルテンサイト組織が得られ、耐へたり性を損うことの
ない焼入性の優れたばね用鋼の開発に成功したものであ
る。

以下に本発明について詳述する。本発明は重量比にして
ＣＯ．５Ｏ−０．８０％、Ｓｉｌ．５Ｏ〜２．５０％、
ＭｎＯ．５Ｏ〜１．５０％と、ＶＯ．Ｏ５〜０．５０％
あるいはＶＯ．Ｏ５〜０．５０％、ＮｂＯ．Ｏ５〜０．
５０％と、かつＢＯ．ＯＯＯ５〜０．０１％を含有し、
さらにＮＯ．ＯＯ８Ｏ％以下とし、残部実質的にＦｅよ
りなる焼入性、耐へたり性に優れ、かつ、耐疲労性、靭
性が良好なばね用鋼である。

本発明鋼におけるＶ，ＮｂおよびＢの耐へたり性焼入性
向上機構を以下に説明する。

Ｖ，Ｎｂは鋼中において炭化物を形成し、このＶ炭化物
、Ｎｂ炭化物（以下、合金炭化物という）は、焼入れ時
に加熱に際してオーステナイト中に溶解し、焼入れによ
りマルテンサイト中に過飽和に固溶される。

これを焼もどしすると、その過程で微細な合金炭化物が
再析出し、二次硬化を生じ、これが銅中において転位の
動きを阻止することにより耐へたり性を向上させる働き
をするものである。また、焼入れ時の加熱においてオー
ステナイト中に溶解されない合金炭化物は、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
。

このように微細化した結晶粒界は転位の移動−量を少な
くすることにより耐へたり性を向上させる。また、原子
状のＢは焼入性に有効な働きをする。

この原子状のＢは鋼中において侵入型として結晶内に固
溶するもので、特に転位付近に侵入し．易い。このよう
にＢが侵入した転位は移動が困難となることからへたり
減少に効果を有するものである。さらに、本発明鋼はＮ
ｂ，■を含有することにより、通常のはね用銅の焼入れ
温度である９００℃！から焼入れた場合においても、そ
の後の焼もどし過程で再析出し、２次硬化を生ずる。

これは同一焼もどし硬さ範囲を狙う場合、従来鋼に比較
して焼もどし温度範囲をより広い範囲とすることが可能
であり、狙いの硬さが安定して得られることにクなる。
このことを、さらに明らかにするとともにＢの作用につ
いて説明するため高Ｓｉ鋼をベースとして、後述の０．
２８％の■と０．００２９％のＢを含有させたＡ１鋼、
０．２１％のＶと０．０９％のＮｂ．ｌ５Ｏ．ＯＯ２ｌ
％のＢを含有させたＡ２鋼、０．２６％の■を含有させ
たＢ１鋼、さらに現用の高Ｓ１鋼であるＣ１鋼とを３０
０〜６００℃の間で焼もどしを行い、その硬さを測定し
た結果を第１図に示した。

第１図から明らかなように、■，ＮｂとＢを含有させた
Ａｌ，Ａ？判およびＶを単独で含有させたＢ１鋼はとも
に、通常の９００℃からの焼入れにおいても、二次硬化
の発生を示す硬さ増加のピークが５５０℃付近の焼もど
し温度）で認められる。これによりＢの添加によりニ次
硬化の発生が阻害されないことは明らかであり、また現
用のばね用鋼の硬さ規定範囲（ＨＲＣ４５〜５１）付近
の硬さを得るための焼もどし温度で、析出強化を十分利
用できることも明らかである。また、前記の鋼について
、焼入性温度８５０〜１１００゜Ｃの範囲で順次高くし
、５５０′Ｃて焼もどしした時の硬さを第２図に示した
。これによりＣ１鋼を除いて、Ａｌ，Ｍ錆およびＢ１鋼
においては焼入れ温度が高くなるにしたがつて硬さが上
昇していることがわかる。これは上述したオーステナイ
ト相に溶解する合金炭化物が焼入れ温度の上昇にともな
い増加し、これによりニ次硬化が顕著に生じたことを物
語つている。さらに、前記の鋼について、８５０〜１１
００℃の焼入温度で加熱し、酸化法により測定した、オ
ーステナイト結晶粒度を第３図に示した。

第３図から明らかなように、Ｖ，Ｎｂ（５Ｂを含有させ
たＡｌ，Ａ鋼は、Ｖを単独で含有させたＢ１鋼と同等の
オーステナイト結晶粒度を有しており、これよりＢ添加
により、合金炭化物による結晶粒の微細化オーステナイ
ト結晶粒の粗大化阻止作用が可等損なわれないことがわ
かる。また、前記の鋼のジョミニー曲線を第４図に示し
た。

第４図から明らかなようにＢを含有させたＡｌ，Ａ潔は
、Ｂを含有しないＢ１鋼およびＣ１鋼に比較して、その
焼入性は飛躍的に向上していることがわかる。上述のよ
うに本発明鋼は高Ｓ１ばね用鋼に適量■，Ｎｂ（５Ｂを
併せて含有させることにより、合金炭化物による二次硬
化と結晶粒の微細化作用および原子状Ｂによる焼入性の
向上と転位の固定化の作用を利用して焼入性、耐へたり
性に優れたはね用鋼が得られたものである。

つぎに本発明鋼の成分限定理由について説明する。

Ｃ量を０．５０〜０．８０％としたのは０．５０％以下
では焼入れ、焼もどしにより高応力ばね用鋼として十分
な強度が得られないためであり、０．８０％を越えて含
有させると過共析鋼となり靭性の低下が著しくなるため
である。

Ｓｌ量を１．５０〜２．５０％としたのは、１．５０％
以下ではＳ】の有する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という効果
が十分に得られないためであり、２．５０％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
理により遊離炭素を生じる恐れがあるためである。

Ｍｎ量を０．５０〜１．５０％としたのは、０．５０％
以下ではばね用鋼としての強度が不足し、さらに焼入性
の点でも不十分であるためであり、１．５０％を越えて
含有させると靭性を阻害するためである。

■，Ｎｂはいずれも本発明鋼においては耐へたり性を改
善する元素である。このような働きを奏する■，Ｎｂの
含有量をそれぞれ０．０５〜０．５０％としたのは、０
．０５％以下ては上記の効果が十分に得られないためで
あり、０．５０％を越えて含有させてもその効果が飽和
し、かつ、オーステナイト中に溶解されない合金炭化物
が増加し、大きな塊となることにより非金属介在物的な
作用により鋼の疲労強度を低下させる恐れがあるためで
ある。

これらの■，Ｎｂは２種を複合添加することにより、Ｖ
，Ｎｂを単独で添加した場合に比べ、より低い温度でオ
ーステナイト中への溶解を開始させ、また焼もどし過程
において微細な合金炭化物の析出は、二次硬化をより促
進させることにより耐へたり性をさらに向上させるもの
である。

Ｂ量を０．０００５〜０．０１％としたのは、０．００
０５％以下では焼入性向上効果および耐へたり性減少効
果が十分に得られないためであり、０．０１％を越えて
含有させるとボロン化合物が析出し、熱間脆性が現われ
るためである。Ｎ量を０．００８０％以下としたのは、
ＢがＮと結合し、原子状のＢが減少することにより、Ｂ
の効果が損なわれるのを防止するためてある。

つきに本発明鋼の特徴を、比較鋼、従来鋼と比べ実施例
でもつて明らかにする。

第１表はこれらの供試鋼の化学成分を示すものてある。

第１表においてＡｌ，Ａ潔は本発明鋼で、Ｂｌ，Ｂ２は
高Ｓ］銅に■，Ｎｂを添加した比較鋼で、Ｃ１は従来鋼
てＳＵＰ７てある。なお、Ａｌ，Ａ２鋼、Ｂｌ，Ｂ２鋼
およびＣ１鋼に含有される０．１１〜０．１３％のＣｒ
量は原材料より混入したものでいずれも不純物量である
。

第２表は鋳造後、圧延比５０以上で熱間圧延を施した第
１表の供試鋼を、焼もどし硬さがＩ（ＲＣ４８程度にな
るよう熱処理を行い、この時の引張り強さ、０．２％耐
力、伸び、絞り、衝撃値、ねじり強さを示したものであ
る。

引張強さ、０．２％耐力、伸び、絞りについては、ＪＩ
Ｓ４号試験片を用いて測定したものであり、衝撃値はＪ
ＩＳ３号試験片を用いて測定し、ねじり強さは平行部９
ＴＷＬ丸の試験片を用いて測定したものである。

第２表により明らかなようにＢを添加した本発明鋼であ
るＡｌ，Ａ′＄ｕは、■，Ｎｂを添加した比較鋼である
Ｂｌ，Ｂ２鋼と同等な機械的性質を示し、従来鋼である
Ｃ１鋼に比べて０．２％耐力が優れているものである。

つぎに前記供試鋼を素材として、第３表に示す諸元を有
する平行部径３０７Ｓ！ｌφのトーシヨン・バーを製作
し、最終硬さがＨＲＣ４５〜５５となるように焼入れ、
焼もどし処理を行つた後、ショットピーニング処理を施
し、へたり試験片とした。へたり試験に先立って、試験
片平行部の表面に剪断応力γ＝１１０ｋ９ｆ／ＷｒｌＬ
が現われるようなトルクを両端に付加し、セツチングを
施した。セツチングの後剪断応力τ＝１００ｋ９ｆ／ｉ
となるトルクを加え、そのまま９６１寺間放置し、その
後、ねじれ角度の減少量からＹＲ＝ΔＱ−ｄ／２１に従
つて残留剪断歪量を求めた。上記試験片の硬さに対する
へたり量を第５図に示した。

第５図から明らかなようにＢを含有する本発明鋼Ａｌ，
Ａ２から作製した平行部径３０Ｔｗｔφの試験片のへた
り量は、従来鋼であるＣ１鋼よりも非常に優れており、
また比較鋼であるＢ１鋼と比較しても良い値を示してい
る。これはＢを含有させたことにより、３０Ｔｆ＄ｔφ
のトーシヨン・バーにおいても焼入れ処理により芯部ま
で完全にマルテンサイトの硬化組織を得ることができ耐
へたり性がノ損なわれなかつたことと、Ｂが侵入型とし
て結晶内、転位付近に侵入し、転位の移動が困難となる
ことによりへたり減少に効果があつたものと考えられる
。さらに、本発明鋼であるＡｌ，Ａ２鋼、比較鋼で・あ
るＢｌ，Ｂ＠から作製した上記トーシヨン・バーに対し
て、剪断応力６０±５０ｋｇｆ／Ｔｆ７ｌｔで繰り返し
負荷を与え疲労試験を行つた結果、いずれのトーシヨン
・バーも２０万回繰り返し負荷を与えても折損しなくＢ
添加による疲れ寿命に対する影響のなｌいことが確認さ
れた。

上述の如く本発明鋼は従来の高Ｓ１ばね用鋼に適量の■
あるいは■，Ｎｂを添加させるとともにＢを含有し、さ
らにＮを０．００８０％以下とすることにより、従来の
高Ｓ１はね用鋼の焼入性、耐へたり性を大巾に改善する
ことに成功したもので、かつ、ばね用鋼として必要な耐
疲労性、靭性についても従来鋼と比べそん色のないもの
で、特に乗用車懸架ばね用鋼として極めて高い実用性を
有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明鋼、比較鋼、および従来鋼について焼入
れ後、３００〜６００℃の間で焼もどしを行い、その硬
さを示した線図、第２図は第４図の鋼を８５０〜１２０
０℃の温度から油中に焼入れし、その後５５０′Ｃで焼
もどしをした時の硬さを示した線図、第３図は第１図の
鋼を８５０〜１１００′Ｃの焼入れ温度で加熱した場合
のオーステナイト結晶粒度を示した線図、第４図は第１
図の鋼について焼入性を示した線図、第５図は本発明鋼
、比較鋼および従来鋼について焼入れ、焼もどし処理後
、１１ＲＣ４５〜５５の硬さの試験片のへたり量を示し
た線図である。

Claims

【特許請求の範囲】

１重量比にしてＣ０．５０〜０．８０％、Ｓｉ１．５
０〜２．５０％、Ｍｎ０．５０〜１．５０％と、Ｖ０．
０５〜０．５０％あるいはＶ０．０５〜０．５０％、Ｎ
ｂ０．０５〜０．５０％と、かつＢ０．０００５〜０．
０１％を含有し、さらにＮ０．００８０％以下とし、残
り実質的にＦｅよりなることを特徴とする焼入性、耐へ
たり性の優れたばね鋼。