JPS6237108B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は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反応下で使用する
と、耐久性が低下し、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れ、バンパー高
さが低下するた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
とが知られるにつれて、CUP６よりもさらにSi
量の高い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、Moを１種ないし２種
以上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55−108020
号）した。 本発明はこのような背景の下に、本発明者等が
研究を重ねた結果、高Siばね用鋼に適量のＶある
いはＶとNbを添加するとともに結晶粒度を微細
化するA1を添加させことにより耐へたり性をさ
らに向上させることに成功したものである。 また、本発明は必要に応じてＢを添加して焼入
性を向上させ、かつ、Niを添加して焼入性に加
えて靭性を向上させるものであり、本発明は耐へ
たり性のみならず焼入性、靭性についても優れた
もので、かつ、ばね用鋼として必要な耐疲労性に
ついてもSUP７と同等の性能を有するものであ
る。 以下に本発明について詳述する。 第１発明鋼は、重量比にしてC0.50〜0.80％、
Si1.50〜2.50％、Mn0.70〜1.50％と、V0.20〜0.50
％あるいはV0.20〜0.50％、Nb0.05〜0.15％を含
有し、さらにAl0.03〜0.10％を含有したもので、
第２発明は第１発明にさらにB0.0005〜0.0020
％、Ni0.20〜0.50％を含有させ第１発明鋼の焼入
性、靭性を向上させたものである。本発明鋼にお
けるＶ、Nbの耐へたり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、焼入れ時の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、これが鋼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くをするも
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。 さらに、本発明鋼はNb、Ｖを含有することに
より、通常のばね用鋼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
なる。 また、Alは結晶粒微細化元素で、鋼中におい
て多くの場合窒化物を形成し、焼入れ時の加熱に
おいてこの窒化物がオーステナイト結晶粒の粗大
化を防止し得る。そして、このような微細な結晶
粒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。 さらに、焼入性を向上させるＢ、Niのうち、
特にＢは耐へたり性にも有効な元素である。 すなわち、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が侵入した転位は転動が
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、比較的大型の自動車等に使用される太
物のコイルばね、トーシヨンバーおよび厚物の重
ね板ばねにおいても、Ｂ、Niの焼入性向上元素
を添加させることにより熱処理時、芯部までマル
テンサイト組織が得られ、耐へたり性を損なうこ
とがないものである。 以下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。 Si量を1.50〜2.50％としたのは、1.50％以下で
はSiの有するフエ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0.70〜1.50％としたのは、0.70％以下で
は焼入性が不足して十分な強度が得られないため
でであり、1.50％を越えて含有させると靭性を阻
害するためである。 Ｖ、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Ｖ、Nbの含有量につ
いて、V0.20〜0.50％、Nb0.05〜0.15％としたの
は、Ｖが0.20％未満、Nbについては0.05％未満で
は上記の効果が十分に得られないためであり、か
つＷが0.50％を越えて、Nbが0.15％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量が増加し、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Ｖ、Nbはそれぞれを単独で添加する
ほかに、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。 Alは鋼中において微細な窒化物を形成し、こ
れがオーステナイト結晶粒界の移動を妨げること
により、結晶粒度の微細化を達成するものであ
る。Alを0.03〜0.10％としたのは、下限以下では
十分な結晶粒微細化を達成するだけの窒化物が得
られないためであり、0.10％を越えて添加しても
結晶粒微細化作用が飽和するとともに、窒化物が
粗大化し、耐久性の点から好ましくないためであ
る。 Ｂは焼入性を向上させる元素である。 Ｂ量を0.0005〜0.0020％としたのは、0.0005％
以下では焼入性向上効果および耐へたり性向上効
果が十分に得られないためであり、0.0020％を越
えて含有させるとボロン化合物が析出し、熱間脆
性が現れるためである。 Niは本発明鋼においては焼入性および靭性を
改善する元素である。 Niを0.20〜0.50％としたのは、通常電気炉を溶
製した鋼中には不純物としてNiが0.110％程度含
有されており、かつ、本発明において0.20％以下
では焼入性および靭性改善効果が不十分であり、
0.50％を越えて含有させても効果が飽和し、かつ
残留オーステナイトを形成する恐れがあるためで
ある。 つぎに本発明鋼の特徴を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
のである。

【表】 第１表においてA1、A3、A6鋼は本発明鋼で、
A1、A3鋼は第１発明鋼、A6鋼は第２発明鋼で、
B1鋼は従来鋼でSUP７である。 鋳造後、圧延比50以上で熱間圧延を施した第１
表の供試鋼のうちA1、A3鋼、B1鋼を素材として
第２表に示す諸元を有するコイルばねを成形し、
最終硬さがHRC45〜55となるように焼入・焼も
どし処理を行つた後、素線の剪断応力τ＝115
Kg／mm²となるようにセツチングを加えてへたり試
験片を作製した。そしてこの試験片を20℃の一定
温度で、素線の剪断応力τ＝105Kg／mm²となる荷
重を加え、96時間経過（以下、これを長期荷重と
いう）した後のコイルばねのへたり量を測定し
た。

【表】 そして、上記試験片の硬さに対するへたり量を
第１〜２図に示した。第１〜２図より明らかなよ
うに本発明鋼であるＶ、Nbを添加するとともに
A1、を添加したA1、A3鋼は、いずれも従来鋼で
あるB1鋼に比べ優れた耐へたり性を有している
ことが認められる。そして、本発明鋼の中でも
Ｖ、Nbを複合添加した鋼は、Ｖを単独添加した
鋼よりさらにすぐれた耐へたり性を有しているこ
とが分る。 なお、へたり量は前記長期荷重を加える前にコ
イルばねを一定の高さまで圧縮するに要した荷重
P₁と、前記長期荷重を加えた後に同一の高さまで
圧縮するに要した荷重P₂を測定し、その差△Ｐ
（＝P₁−P₂）より次式を用いて算出したもので、剪
断ひずみの単位を有し、残留剪断ひずみと称する
値をもつて評価した。 γＲ＝１／Ｇ・Ｋ８Ｄ／πｄ^３△Ｐ Ｇ：横弾性率（Kgｆ／mm²） Ｄ：コイル中心径（mm） ｄ：素線径（mm） Ｋ：ワールの修正係数（コイルばねの形状により
定める定数） また、本発明鋼のA1、A3鋼、B1鋼について前
記と同じ諸元を有するコイルばね素線に、剪断応
力が10〜110Kgｆ／mm²と変動する負荷を繰返し与
え疲労試験を行つた結果、いずれのコイルばねも
20万回繰り返しても折損しなかつた。 つぎに、A6鋼、B1鋼を素材として、第３表に
示す諸元を有する平行部径30mmφ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、シヨツト
ピーニング処理を施し、へたり試験片とした。へ
たり試験に先立つて、試験片平行部の表面に剪断
応力τ＝110Kgｆ／mm²が現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＝100Kgｆ／mm²となるトルクを加
え、そのまま96時間放置し、その後、ねじり角度
の減少量からYR＝△θ・ｄ／２に従つて残留
剪断歪量を求めた。

【表】 上記試験片の硬さに対するへたり量を第３図に
示した。第３図から明らかなようにＢを含有する
本発明鋼A6から作製した平行部径30mmφの試験
片のへたり量は、従来鋼であるB1鋼よりも非常
に優れている。これは、Ｂを含有させたことによ
り、30mmφ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。 また、供試鋼のうち、A6鋼およびB1鋼のジヨ
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A6鋼は、それを含有し
ないB1鋼と比較して、その焼入性は飛躍的に向
上していることがわかる。 さらに、供試鋼のうちA1、A3鋼およびB1鋼に
ついて、85〜1100℃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５
図に示した。第５図から明らかなように、Ｖ、
NbおよびA1を含有させたA1、A3鋼は、それら
を含有しないB1鋼に比べて優れたオーステナイ
ト結晶粒度を有している。 さらに、本発明鋼であるA6鋼、従来鋼、B1鋼
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／mm²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いことが確認さ
れた。 上述の如く本発明鋼は従来の高Siばね用鋼に適
量のＶ、Nbを単独あるいは複合して添加させる
ととも、Alを含有し、さらに必要に応じてＢ、
Niの２種を含有し、従来の高Siばね用鋼の耐へた
り性、焼入性を大幅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１〜３図は本発明鋼、従来鋼について焼入
れ、焼もどし処理後、HRC45〜55の硬さの試験
片のへたり量を示した線図、第４図はA6、B1鋼
について焼入性を示した線図、第５図はA1〜
A3、B1鋼について850〜1100℃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
図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量比にしてC0.50〜0.80％、Si1.50〜2.50
   ％、Mn0.70〜1.50％と、V0.20〜0.50％あるいは
   V0.20〜0.50％、Nb0.05〜0.15％を含有し、さら
   にAl0.03〜0.10％を含有させ、残り実質的にFeよ
   りなることを特徴とする耐へたり性の優れたばね
   用鋼。 ２ 重量比にしてC0.50〜0.80％、Si1.50〜2.50
   ％、Mn0.70〜1.50％と、V0.20〜0.50％を含有
   し、さらにAl0.03〜0.10％と、B0.0005〜0.0020
   ％、Ni0.20〜0.50％を含有させ、残り実質的にFe
   よりなることを特徴とする耐へたり性の優れたば
   ね用鋼。