JPS6237110B2

JPS6237110B2 -

Info

Publication number: JPS6237110B2
Application number: JP12628581A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Yamamoto; Ryohei Kobayashi; Mamoru Kurimoto; Toshio Kosone
Original assignee: Chuo Hatsujo KK; Aichi Steel Corp
Current assignee: Chuo Hatsujo KK; Aichi Steel Corp
Priority date: 1981-08-11
Filing date: 1981-08-11
Publication date: 1987-08-11
Also published as: JPS5827960A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、耐へたり性のすぐれたばね用鋼に関
するものである。従来、自動車等の懸架装置に用いられるばね用
鋼としてはSUP6、SUP9が主なものであつた。近
年自動車の軽量化が要請され、懸架装置自体の軽
量化も強く求められるようになつてきた。これに
対して、懸架装置全般にわたつて各種の手段が試
みられているが、その中でもばね設計応力を上昇
させる手段が効果的とされている。このように高
応力設計にともない、従来の上記ばね用鋼を素材
としばねを製作した場合、へたりが増大するとい
う問題が発生した。特に乗用車に用いた場合へたりの増大はバンパ
高さの低下につながり安全上大きな問題となつ
た。そこで、各種の研究がなされた結果、ばね用
鋼中のSi含有量を増加させると耐へたり性が向上
するということを見い出し近時、SUP6よりもさ
らにSi含有量が多く、JISG4801に規定されるば
ね用鋼中では最も高SiのSUP7が乗用車懸架ばね
用鋼として広く使用されるに至つている。しかるに、懸架装置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、Nbを添加し、さらにCu、Co、Beのうち
１種を添加したうえに、さらに使用目的に応じて
Cu、Alと、またはCo、Tiを含有し、あるいは、
Ｂ、Crのうち１種またはTaを添加することによ
り、SUP7よりも耐へたり性及び焼入性がすぐ
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と同等の性能を有するばね用鋼
を開発したものである。Ｖ、NbおよびTaは鋼中においてそれぞれ炭化
物を形成し、これら合金炭化物は焼入れ時の加熱
に際して、オーステナイト中に溶解する。これを急冷して焼入れするとこれら元素を過飽
和に固溶したマルテンサイトが得られる。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
析出を始め、これが鋼中において転位の動きを阻
止し、二次硬化を生じ、Ｖ、Nbを添加しないば
ね用鋼よりも硬さを上昇させ、さらに耐へたり性
を向上させる働きをする。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し
得る。また、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。また、Cu、Co、Beは鋼中においてSiと同様に
置換型に固溶して、鋼に固溶強化を付与し、鋼の
耐へたり性を向上させる。一方、Al、Tiは多くの場合、鋼中においてＮ
と結合して窒化物を形成し、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効
果を有し、転位の移動量を少なくすることにより
鋼の耐へたり性向上に寄与する。また、Ｂ、Crはそれぞれ鋼の焼入性を高める
元素で、特に高い焼入性を必要とする太物、厚物
のばねに対しても前記添加元素による耐へたり性
向上を可能にするものである。二次硬化を生じるということは、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。このこ
とをさらに明らかにするため、後述の0.22％の
Ｖ、0.18％のTa、1.33％のCuを含有したA15鋼、
0.21％のＶ、0.12％のNb、0.20％のTa、さらに
1.30％のCuを含有したA16鋼とSUP7であるB1鋼
とを300〜650℃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図から明らかにように、析出強化元素であ
るＶ、NbとTa、Cuを適宜に含有させたA15、
A16鋼の本発明鋼では、硬さに対応する焼もどし
温度範囲は従来鋼に比べ広いことが認められると
同時に、二次硬化の生起を示す硬さの上昇が焼も
どし温度550℃のところに見ることができる。つぎに結晶粒の微細化効果については、0.21％
のＶ、1.31％のCu、0.048％のAlを含有するA7
鋼、0.19％のＶ、0.12％のNb、1.25％のCu、及び
0.057％のAlを含有するA8鋼、0.22％のＶ、0.59
％のCo、0.07％のTiを含有するA9鋼、0.20％の
Ｖ、0.14％のNb、0.68％のCo、0.05％のTiを含
有するA10鋼と従来鋼のSUP7であるB1鋼の各オ
ーステナイト化温度におけるオーステナイト結晶
粒の大きさを酸化法によつて測定した結果を第２
図に示した。第２図をみると、AlあるいはTiの添加によ
り、オーステナイト結晶粒度は従来鋼に比べ、粒
度番号にして約３程度細かくなつていることが認
められる。また、第３図は、0.25％のＶ、1.30％のCu、
0.0030％のＢを含有したA11鋼、0.23％のＶ、
0.10％のNb、1.27％のCu、0.0021％のＢを含有し
たA12鋼、0.27％のＶ、1.34％のCu、0.62％のCr
を含有したA13鋼、0.21％のＶ、0.15％のNb、
1.29％のCu、0.65％のCrを含有したA14鋼と従来
鋼のSUP7であるB1鋼について焼入性を比較した
ものである。この図からＢまたはCrにより焼入
性が大幅に向上していることが分る。本発明鋼の化学組成はC0.50〜0.80％、Si1.50
〜2.50％、Mn0.50〜1.50％を含有し、これに
V0.05〜0.50％、あるいはV0.05〜0.50％、Nb0.05
〜0.50％を含有し、さらにCu0.20〜3.00％、
Co0.59〜1.00％、Be1.10〜2.00％のうち１種を含
有し、さらに使用目的に応じてCu0.20〜3.00％、
Al0.03〜0.10％と、またはCo0.59〜1.00％、
Ti0.02〜0.10％を含有させ、あいはB0.0005〜
0.0100％、Cr0.20超〜1.00％のうち１種を、ある
いはTa0.05〜0.50％を含有し、残り実質的にFe
よりなるものである。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0.50〜1.50％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。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の含有量をそ
れぞれ0.05〜0.50％としたのは、0.05％以下では
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
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。また、Cu、Co、Beはそれぞれ鋼中において置
換型に固溶して鋼を強化し、耐へたり性を改善す
る元素である。Cuの含有量を0.20〜3.00％とした
のは、0.20％以下では固溶強化として不足するた
めであり、3.00％を越えて添加すると熱間圧延性
を阻害する恐れがあるためである。またCoの含有量を0.59〜1.0％としたのは、
0.59％以下では効果が不十分であり、1.00％を越
えると靭性を劣化する恐れがあるためである。同様にBeの含有量を1.10〜2.00％としたのは、
Beは固溶強度能が大きい元素だが、1.10％以下で
は上記の効果が得られないためであり、2.00％を
越えて含有させてもSiの場合と同様効果が飽和す
るためである。また、結晶粒を微細化して耐へたり性を向上さ
せるAl、Tiの含有量をAlについては、0.03〜0.10
％、Tiについては0.02〜0.10％としたのは、それ
ぞれ、それ以下ではそれら窒化物の分布状態が疎
らとなり結晶粒の微細化に寄与しないからであ
り、0.10％を越えて含有しても上記の効果が飽和
し、かつ、熱間圧延性を阻害し、非金属介在物と
して鋼の靭性を劣化させる恐れがあるためであ
る。また、Ｂ、Crは焼入性を高め、焼入れに際し
て、太物、厚物のばねを中心部までマルテンサイ
ト組織にすることにより、析出強化、固溶強化、
結晶粒の微細化の効果を十分に発揮させる効果を
有する元素である。Ｂの含有量を0.0005〜0.0100％としたのは、
0.0005％以下では焼入性の向上が期待できないた
めであり、0.0100％を越えて含有させても効果が
飽和するためである。Crの含有量を0.20超〜1.00
％としたのは、0.20％以下では焼入性向上の効果
が十分でないためであり、1.00％を越えた場合に
は、焼入性向上の効果がほぼ飽和し、かつ本発明
鋼のようにSiを多く含有する鋼では、焼もどし組
織を不均一にする恐れがあるためである。また、Taは共にＶ、Nb同様に鋼中で炭化物を
形成し、焼もどし時に再析出することにより鋼に
析出強化を付与する元素である。またTaの含有
量を0.05〜0.50％としたのは、0.05％以下では、
析出量が不足するためであり、0.50％を越えて含
有させても効果が飽和し、かつ、未溶解炭化物が
非金属介在物として作用して鋼の靭性を劣化させ
る恐れがあるためである。そして、この場合もTaを単独で添加するほか
に、既に添加されているＶ、Nbと相乗効果を発
揮して、より低いオーステナイト化温度で合金炭
化物の溶解を開始させ２次硬化をさらに促進させ
るものである。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〜A18鋼は本発明鋼で、B1
鋼は従来鋼でSUP7である。これらはすべて鋳造
後、圧延比50以上で熱間圧延を施して供試材とし
た。そして前記供試鋼を素材として第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＝115Kg／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】

【表】しかし、焼入性を考慮したA11〜A14鋼につい
ては、表３に示した径φ30mmのトーシヨン・バー
に成形して試験片とし、τ＝110Kgｆ／mm²でセツ
チングした後、τ＝100Kgｆ／mm²の応力を付加
し、96時間放置した後のへたり量を求めた。

【表】そして、上記試験片の硬さに対するへたり量を
第４〜８図に示した。第４〜８図から明らかなように本発明鋼である
A1〜A18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たとが認められ
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とを測定し、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／ｄ^３△ＰＧ：横断性率（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
定まる定数）また、A11〜A14鋼について実施したトーシヨ
ンバーからのへたり量はねじり角度の減少量△θ
（rad）からYr＝△θ・ｄ／2lに従つて残留剪断歪
量に変えて求めた。ｄ：線径（mm）ｌ：有効長さ（mm）また、本発明鋼と従来鋼について、A1〜A10
鋼、A15〜A18鋼、B1鋼では前記のコイルばねを
用いて、またA11〜A14鋼については前記のトー
シヨン・バーを用いて、10〜110Kgｆ／mm²の条件
で疲労試験を実施したところ、いずれも20万回繰
り返しても折損することはなかつた。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し、
さらに適量のCu、Co、Beを単独で添加したうえ
に、使用目的に応じて適量のCu、Alとまたは
Co、Tiを添加し、あるいは適量のＢ、Crを添加
し、あるいは適量のTaを添加することにより従
来の高Siばね用鋼のすぐれた耐へたり性をさらに
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、本発明鋼と従来鋼について焼入れ
後、300〜650℃の間で焼もどしを行い、その硬さ
を示した線図で、第２図は、本発明鋼と従来鋼に
ついて各オーステナイト化温度におけるオーステ
ナイト結晶粒度を酸化法によつて求めた結果を示
す線図、第３図は、本発明鋼と従来鋼について焼
入れ性を比較した線図、第４〜８図は本発明鋼と
従来鋼について、焼入れ、焼もどし後の硬さを
HrC45〜55にした時のコイルばね試験片のへたり
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％、Si1.50〜2.50
％、Mn0.50〜1.50％と、V0.05〜0.50％あるいは
V0.05〜0.50％、Nb0.05〜0.50％を含有し、さら
にCu0.20〜3.00％、Co0.59〜1.00％、Be1.10〜
2.00％のうち１種を含有し、残り実質的にFeよ
りなることを特徴とする耐へたり性に優れたばね
用鋼。２重量比にしてC0.50〜0.80％、Si1.50〜2.50
％、Mn0.50〜1.50％と、V0.05〜0.50％あるいは
V0.05〜0.50％、Nb0.05〜0.50％を含有し、さら
にCu0.20〜3.00％、Al0.03〜0.10％を含有し、残
り実質的にFeよりなることを特徴とする耐へた
り性に優れたばね用鋼。３重量比にしてC0.50〜0.80％、Si1.50〜2.50
％、Mn0.50〜1.50％と、V0.05〜0.50％あるいは
V0.05〜0.50％、Nb0.05〜0.50％を含有し、さら
にCo0.59〜1.00％、Ti0.02〜0.10％を含有し、残
り実質的にFeよりなることを特徴とする耐へた
り性に優れたばね用鋼。４重量比にしてC0.50〜0.80％、Si1.50〜2.50
％、Mn0.50〜1.50％と、V0.05〜0.50％あるいは
V0.05〜0.50％、Nb0.05〜0.50％を含有し、さら
にCu0.20〜3.00％と、B0.0005〜0.0100％、
Cr0.20超〜1.00％のうち１種を含有し、残り実質
的にFeよりなることを特徴とする耐へたり性に
優れたばね用鋼。５重量比にしてC0.50〜0.80％、Si1.50〜2.50
％、Mn0.50〜1.50％と、V0.05〜0.50％あるいは
V0.05〜0.50％、Nb0.05〜0.50％を含有し、さら
にCu0.20〜3.00％と、Ta0.05〜0.50％を含有し、
残り実質的にFeよりなることを特徴とする耐へ
たり性に優れたばね用鋼。