JP3532416B2

JP3532416B2 - 耐食性および耐腐食疲労性に優れたばね用鋼

Info

Publication number: JP3532416B2
Application number: JP19709598A
Authority: JP
Inventors: 淳杉本; 俊昭黒木; 勇夫植田
Original assignee: Hino Motors Ltd; Aichi Steel Corp
Current assignee: Hino Motors Ltd; Aichi Steel Corp
Priority date: 1998-07-13
Filing date: 1998-07-13
Publication date: 2004-05-31
Anticipated expiration: 2018-07-13
Also published as: JP2000026938A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車・鉄道車両
等の輸送機器の懸架ばねとして使用される耐食性・耐腐
食疲労性に優れたばね用鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車等の輸送機器においては燃
費向上等をねらいとして車両重量の軽量化が非常に強く
求められている。構成部品の１つである懸架ばねについ
ても軽量化要求が強く、主としてばねの高応力設計によ
り軽量化がはかられている。ばねの高応力設計に対して
は材料の高強度化が不可欠であるため、現在ではばね鋼
は非常に高い強度(硬度)レベルで使用されている。しか
し、材料強度(硬度)の上昇に伴い切欠感受性が増大する
ため、懸架ばねの分野において腐食疲労の問題が懸念さ
れるようになってきている。

【０００３】懸架ばねは通常外部の環境に直接さらされ
る箇所に配置されており、またばね鋼はJIS G 4801をみ
ても明らかなように低合金鋼であるため耐食性が低い。
したがって腐食に対する対策が必要であり、通常懸架ば
ねは塗装を施された状態で使用される。しかし使用中の
飛び石等により塗装が局部的に損傷して鋼が露出し、そ
こから腐食が進行する可能性が考えられる。また特に積
雪の多い地域では冬期に路面の凍結防止のため融雪剤が
散布され、これがより厳しい腐食環境を作り出してい
る。これらの状況により、ばね鋼に腐食が発生すると全
面的な腐食とともに孔食状(腐食ピット)の腐食が進行
し、その腐食ピット底に応力が集中して亀裂が発生・進
展しばねの折損にいたる可能性がある。こういった状況
の中、耐食性・耐腐食疲労性に優れたばね鋼が要求され
るようになってきており、いくつかの発明が開示されて
いる。例えば、特開昭59-173246ではCu添加による耐食
性向上、特開平2-301541ではCr、Mo、Cu、Co、Ｗ添加に
よる表面酸化層生成による耐食性向上、特開平5-195153
ではNi、Cu、Co等の添加による耐食性向上の発明が開示
されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら懸架ばね
のさらなる軽量化、信頼性の向上といった観点から、よ
り一層の耐食性・耐腐食疲労性の向上が望まれるように
なってきている。これに対して耐食性向上元素の増量
(高合金化)や、窒化等の表面処理などが考えられるが、
いずれも大きなコストアップにつながってしまう。本発
明は上記の状況を鑑みてなされたものであり、コストを
大幅に上昇させずに耐食性・耐腐食疲労性に優れたばね
用鋼を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】発明者らは上記の課題に
対して、Ni、Cuの熱処理スケール直下での濃化現象を利
用することを着想した。耐食性向上をねらったNi、Cuの
添加は一般的な手法であり、低合金耐候性鋼や耐食性向
上をねらったばね鋼においてもその発明は開示されてい
る。これはNi、Cuが腐食時に鋼表面に生成する錆層中に
濃化したり、錆層を緻密化し、これが腐食促進元素のCl
の侵入を抑制することにより、耐食性を向上させると考
えられる。

【０００６】しかし、Ni、Cuは酸化雰囲気における高温
加熱時に熱処理スケール直下に濃化するという現象があ
り、これが耐食性向上に利用できないかと発明者らは考
えた。Ni、Cuは熱処理スケール直下にマトリックス中の
数倍のレベルで濃化するため、少ない添加量でも鋼表層
部のみNi、Cu量の高い耐食性に優れた層を生成できる。
しかし一方、このNi、Cuの濃化層には問題点もあり、N
i、Cuの量によっては熱間加工性が悪化したり、熱処理
スケールの剥離性に影響を与えてしまう。熱処理スケー
ルの剥離性が悪いと、熱間圧延時にスケールをかみこむ
ことによる表面キズの発生を招く恐れがある。またその
他の問題として、脱炭がある。Ni、Cuの濃化層を十分生
成させるには、酸化雰囲気中において十分加熱させるこ
とが必要となるが、これは同時に脱炭の増加を招くこと
にもなる。脱炭とは鋼を酸化雰囲気中で加熱時に、鋼中
の炭素が雰囲気中の酸素と反応して鋼表層より抜けてし
まう現象であり、鋼表層の強度を低下させ疲労強度を著
しく低下させてしまう。したがって、Ni、Cuの濃化層を
耐食性向上に利用するには、上記の問題、熱間加工性、
熱処理スケール剥離性、脱炭の問題をクリアすることが
前提条件となる。

【０００７】発明者らは上記の問題をクリアするため
に、Ni、Cuの量と耐食性、熱間加工性、熱処理スケール
剥離性との関係について調査し、知見を得た。その結
果、鋼に耐食性向上に有効な量のNi、Cuを添加するだけ
でなく、その量のバランスを調整することにより、耐食
性、熱間加工性、熱処理スケール剥離性に優れた成分系
を見出した。さらにこれを脱炭の少ない成分系に適用す
ることにより、脱炭量を抑えてNi、Cuの濃化層を十分生
成できる成分系を見出すことができた。

【０００８】第一の発明は、重量比にしてC:0.40〜0.70
%、Si:0.05〜0.50%、Mn:≦0.40%、Ｓ:≦0.015%、Cu:0.0
5〜0.50%、Ni:0.20〜2.00％、Cr:0.50〜3.00%、Al:0.00
3〜0.100%を含有し、かつ0.005%≦S≦0.015%の場合1.0
≦Ni/Cu≦15の関係を満足し、S＜0.005%の場合1.0≦Ni/
Cu≦10の関係を満足し、残部Feおよび不可避不純物から
なることを特徴とする耐食性・耐腐食疲労性に優れたば
ね用鋼である。次の発明は、重量比にしてC:0.40〜0.70
%、Si:0.05〜0.50%、Mn:≦0.40%、Ｓ:≦0.015%、Cu:0.0
5〜0.50%、Ni:0.20〜2.00%、Cr:0.50〜3.00%、Al:0.003
〜0.100%を含有し、さらにMo:0.05〜0.50%、V:0.05〜0.
50%、Nb:0.01〜0.50%、Ti:0.003〜0.100%、B:0.0003〜
0.0200%のうち１種または２種以上を含有し、かつ0.005
%≦S≦0.015%の場合1.0≦Ni/Cu≦15の関係を満足し、S
＜0.005%の場合1.0≦Ni/Cu≦10の関係を満足し、残部Fe
および不可避不純物からなることを特徴とする耐食性・
耐腐食疲労性に優れたばね用鋼である。次の発明は、重
量比にしてC:0.40〜0.70%、Si:0.05〜0.50%、Mn:≦0.40
%、Ｓ:≦0.015%、Cu:0.05〜0.50%、Ni:0.20〜2.00%、C
r:0.50〜3.00%、Al:0.003〜0.100%を含有し、さらにMo:
0.05〜0.50%、V:0.05〜0.50%、Nb:0.01〜0.50%、Ti:0.0
03〜0.100%、B:0.0003〜0.0200%のうち１種または２種
以上を含有し、さらにREM:0.001〜0.500%を含有し、か
つ0.005%≦S≦0.015%の場合1.0≦Ni/Cu≦15の関係を満
足し、S＜0.005%の場合1.0≦Ni/Cu≦10の関係を満足
し、残部Feおよび不可避不純物からなることを特徴とす
る耐食性・耐腐食疲労性に優れたばね用鋼である。

【０００９】次に、本発明における構成成分の限定理由
について述べる。 C：0.40〜0.70% Cは、ばねとして必要な強度・焼入性を確保するための
必須元素であり、0.40%以上、望ましくは0.45%以上必要
である。しかし、多量に含有させると靱性が低下すると
ともに焼割れが生じやすくなるため、上限を0.70%、望
ましくは0.60%以下とする。 Si：0.05〜0.50% Siは、製鋼時の脱酸材として不可欠であるため下限を0.
05%、望ましくは0.10%以上とする。しかし、多量に含有
させると、加熱時に脱炭を生じやすくなる。本発明にお
いては、脱炭を抑制することが重要であるため、上限を
0.50%、望ましくは0.40%以下とする。

【００１０】Mn：≦0.40% Mnは、焼入性を高めるのに必要な元素であり、通常ばね
鋼では0.60〜1.00%含有されている。しかし、Mnは不純
物のSと結合してMnSとなって鋼中に析出し、これが腐食
時に起点となるため、本発明では低減させる必要があ
り、上限を0.40%以下とする。S：≦0.015%Sは、鋼中に
不純物として含有される元素であり、靭性を低下させる
とともに、MnSとなって腐食時の起点となるため、低減
させる必要があり、上限を0.015%、望ましくは0.010%以
下とする。

【００１１】Cu：0.05〜0.50% Cuは、鋼の耐食性向上に有効な元素であり、腐食時に生
成する錆層中に濃化するとともに、熱処理スケール直下
に濃化層を生成することにより鋼の耐食性を向上、特に
腐食ピット深さの低減に有効である。この効果を得るの
に下限を0.05%、望ましくは0.10%以上とする。しかし、
多量に含有させると鋼の熱間加工性を阻害するため、上
限を0.50%、望ましくは0.40%以下とする。 Ni：0.20〜2.00% Niは、Cuと同様、耐食性向上に有効な元素であり、Cuと
ともに錆層中に濃化するとともに、熱処理スケール直下
に濃化層を生成することにより鋼の耐食性を向上、特に
腐食ピット深さの低減に有効である。この効果を得るの
に下限を0.20%、望ましくは0.30%以上とする。しかし、
2.00%を越えて含有させてもその効果は飽和してコスト
アップとなるため、上限を2.00%、望ましくは1.80%以下
とする。

【００１２】Cr：0.50〜3.00% Mnを低減している本発明において、CrはMn低減による焼
入性低下を補うとともに、鋼の耐食性を向上、特に全体
腐食量を低減させるのに不可欠な元素であり、0.50%以
上、望ましくは0.60%以上含有させる必要がある。しか
し、多量に含有させると靭性が劣化するため、上限を3.
00%、望ましくは2.50%以下とする。 Al：0.003〜0.100% Alは、脱酸のために不可欠の元素であるとともに、鋼中
のNと結合してAlNとなり結晶粒微細化にも効果があり、
0.003%以上、望ましくは0.005%以上必要である。しか
し、必要以上に添加させるとAl₂O₃等の酸化系介在物が
増加し、耐久性が低下するので、上限を0.100%、望まし
くは0.050%以下とする。

【００１３】Mo：0.05〜0.50% MoはCrと同様、鋼の焼入性を向上させるのに有効な元素
であり、また耐食性の向上にも有効である。これらの効
果を得るのに、0.05%以上、望ましくは0.10%以上含有さ
せる必要がある。しかし、多量に含有させると粗大な炭
化物が析出し靭性を劣化させるため、上限を0.50%、望
ましくは0.40%以下とする。 V：0.05〜0.50% Vは、炭窒化物を形成して結晶粒を微細化し、鋼の強度
・靭性を高めるのに有効な元素であり、0.05%以上、望
ましくは0.10%以上添加させる必要がある。しかし、多
量に含有させると加熱時に固溶しない炭窒化物が増加
し、マトリックスの強度が低下してしまうため、上限を
0.50%、望ましくは0.30%以下とする。

【００１４】Nb：0.01〜0.50% Nbは、Vと同様に炭窒化物を形成して結晶粒を微細化
し、鋼の強度・靭性を高めるのに有効な元素であり、0.
01%以上、望ましくは0.05%以上添加させる必要がある。
しかし、多量に含有させると加熱時に固溶しない炭窒化
物が増加し、マトリックスの強度が低下してしまうた
め、上限を0.50%、望ましくは0.30%以下とする。 Ti：0.003〜0.100% Tiは、Alと同様に結晶粒微細化に有効であり、0.003%以
上、望ましくは0.005%以上必要である。しかし、必要以
上に含有させると粗大なTiNが増加し、耐久性が低下す
るので、上限を0.100%、望ましくは0.050%以下とする。

【００１５】B：0.0003〜0.0200% Bは、鋼の焼入性を高めるのに有効な元素であるととも
に、P、S等の不純物の粒界偏析を抑制して靭性を向上さ
せるため、下限を0.0003%、望ましくは0.0010%以上とす
る。しかし、必要以上に含有させても焼入性向上効果は
飽和するとともに、BNが粒界に析出して靭性を低下させ
るため、上限を0.0200%、望ましくは0.0050%以下とす
る。 REM：0.001〜0.500% REMは、耐食性向上に有効であり、0.001%以上、望まし
くは0.003%以上必要である。しかし必要以上に含有させ
ると酸化物系介在物が増加して耐久性を低下させるた
め、上限を0.500%、望ましくは0.100%以下とする。

【００１６】0.005%≦S≦0.015%の場合1.0≦Ni/Cu≦1
5、S＜0.005%の場合1.0≦Ni/Cu≦10 Ni、Cuは前述のように耐食性を向上させる元素であり、
鋼の熱処理スケール直下に濃化層を生成することにより
優れた耐食性を得るが、この濃化層は熱間加工性、熱処
理スケール剥離性にも影響を与える。Ni、Cuのそれぞれ
の適切な含有率については既に記載したが、良好な熱間
加工性、熱処理スケール剥離性を得るには、さらにNi、
Cuの含有率の比が前記式を満足するように含有させるこ
とが必要である。Ni/Cuの下限については熱間加工性と
関係しており、Ni/Cuの値が1.0未満の場合、良好な熱間
加工性が得られなくなるため、下限を1.0、望ましくは
1.2以上とする。またNi/Cuの上限については、熱処理ス
ケール剥離性と関係している。熱処理スケール剥離性は
Sの含有率とも関連するため、S含有率によってNi/Cuの
上限を2種類設定している。0.005%≦S≦0.015%の場合、
Ni/Cuの値が15を越えると良好な熱処理スケール剥離性
が得られなくなるため、上限を15、望ましくは12以下と
する。またS＜0.005%の場合、Ni/Cuの値が10を越えると
良好な熱処理スケール剥離性が得られなくなるため、上
限を10、望ましくは8以下とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例について、
比較鋼および従来鋼との比較によって説明する。表1は
実施例に用いた供試材の化学成分を示すものである。

【００１８】

【表１】表1において、A〜J鋼は、本発明鋼である。K〜O鋼は一
部の成分が本発明の範囲外にある比較鋼であり、P〜R鋼
は成分は本発明の範囲内であるが、Ni/Cuの値が範囲外
である比較鋼であり、S鋼は従来鋼である。表1に示す化
学成分を有する鋼を溶解炉にて溶製し、鍛伸によりφ20
mmの棒材と50×15mmの板材を作製した。焼ならしを施し
た後にこれらの素材から、耐久性評価、耐食性評価、耐
腐食疲労性評価、熱間加工性評価、熱処理スケール剥離
性評価に用いる試験片を機械加工により作製した。

【００１９】耐久性評価は、40×10×200mm(コバ部5R)
の板状試験片を作製して900℃×30分→空冷の処理を行
った後に、900℃で油焼入れを行い、さらに450〜520℃
で焼もどしを施した。焼もどし温度は、全ての鋼種が硬
さHRC43〜48となるように調整した。この試験片にショ
ットピーニングを実施した後、4点曲げ疲労試験にて、
試験応力539±539MPaの条件で応力負荷の繰り返しを10
万回まで実施し、折損するかどうかの試験を行った。な
お耐久試験結果は、ばらつきを考慮して各鋼種3枚ずつ
試験片を用意し、繰り返し数が3枚全て10万回に達した
ものは○、途中で折損したものは×とした。また耐久試
験後、試験片を切断してフェライト脱炭層深さを光学顕
微鏡にて測定した。耐食性および耐腐食疲労性評価は、
以下の方法で行った。耐久試験で用いたのと同じ形状・
熱処理・ショットピーニングを施した試験片を各鋼種4
枚ずつ用意し、複合サイクル腐食試験に供した。複合サ
イクル腐食試験は、[0.5%NaCl水溶液噴霧(35℃)4hr. ＋
熱風乾燥(60℃)4hr.＋湿潤(49℃、湿度95〜100%)4hr.]
を１サイクルとして56サイクル実施した。腐食試験後、
各鋼種について試験片3枚を4点曲げ疲労試験にて、試験
応力539±539MPaの条件で疲労試験を行った。従来鋼で
あるＳ鋼の疲労寿命を１として、2倍以上の寿命を有し
たものを○とし、2倍に満たなかったものは×とした。
また各鋼種について試験片1枚は、腐食試験前にテープ
にて2000mmイの面積のみ露出させてマスキングを施した
後、腐食試験に供した。そして腐食試験前後の試験片重
量を測定することにより腐食減量を、腐食部の腐食ピッ
ト深さをレーザー顕微鏡を用いて測定し、耐食性を評価
した。

【００２０】熱間加工性評価は、φ10×100mmの試験片
を作製し、1000〜1200℃×10分加熱した後、その温度に
て加工速度50mm/sec.で引張加工を施した。そして試験
片表面に生成した微小な割れの有無を確認し、表面割れ
のみとめられたものは×、表面割れのみとめられなかっ
たものは○とした。熱処理スケール剥離性評価は、φ18
×20mmの試験片を作製し試験片上面(φ18mmの面)を#180
のエメリーペーパーで研磨した後、950℃×30分加熱→
空冷という熱処理を施した。その後熱処理スケールが付
着したままの試験片上面に、ロックウェル硬度計にて十
字状に5点圧痕を付与することにより、熱処理スケール
を剥離させた。そしてこの剥離部を写真撮影し、画像解
析装置にて熱処理スケールが剥離した面積ａおよび試験
片上面全体の面積ｂを測定し、a/bの値を各鋼種につい
て求めた。そしてa/bの値が従来鋼のS鋼と同等以上のも
のを○、低い値を示したものを×とした。各実験結果を
表2に示す。

【００２１】

【表２】表2から明らかなように、比較鋼ＫはSi含有率が高くフ
ェライト脱炭が多いため、耐久性が低かった。また比較
鋼L、M、NはそれぞれMn、S含有率が高いこと、Cu、Ni含
有率が低いことにより腐食ピット深さが十分低減されな
いため、所定の腐食疲労性が得られないものであり、比
較鋼OはCr含有率が低く腐食減量が十分低減されないた
め、所定の腐食疲労性が得られないものである。また比
較鋼PはNi/Cuの値が低いために良好な熱間加工性が得ら
れないものであり、比較鋼Q、RはNi/Cuの値が高いため
に良好な熱処理スケール剥離性が得られないものであ
る。これに対して、本発明鋼であるA〜J鋼は、従来鋼に
比較してMn、S含有率を低減し、Cu、Niを添加すること
により、優れた耐食性・耐腐食疲労性と良好な耐久性と
熱間加工性・熱間加工性のすべてを満足させることがで
きた。

【００２２】

【発明の効果】本発明の耐食性・耐腐食疲労性に優れた
ばね用鋼は、以上の説明で明らかなように、Si含有率を
低減することによりフェライト脱炭を低減し、Mn、S含
有率の低減、Cu、Niを添加することにより優れた耐食性
・耐腐食疲労性と良好な耐久性を得るとともに、Ni/Cu
の値を規定することにより良好な熱間加工性・熱処理ス
ケール剥離性を得ることが確認できた。これにより従来
のばね鋼に対して耐食性・耐腐食疲労性に優れた信頼性
の高い懸架ばねを提供できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者黒木俊昭東京都日野市日野台３丁目１番地１日野自動車工業株式会社内 (72)発明者植田勇夫千葉県八千代市上高野1827番地４株式会社ホリキリ内 (56)参考文献特開平８−176737（ＪＰ，Ａ) 特開平２−301541（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 301 C22C 38/42 C22C 38/54

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比にしてC:0.40〜0.70%、Si:0.05〜
0.50%、Mn:≦0.40%、Ｓ:≦0.015%、Cu:0.05〜0.50%、N
i:0.20〜2.00％、Cr:0.50〜3.00%、Al:0.003〜0.100%を
含有し、かつ0.005%≦S≦0.015%の場合1.0≦Ni/Cu≦15
の関係を満足し、S＜0.005%の場合1.0≦Ni/Cu≦10の関
係を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなること
を特徴とする耐食性・耐腐食疲労性に優れたばね用鋼。
【請求項２】重量比にしてC:0.40〜0.70%、Si:0.05〜
0.50%、Mn:≦0.40%、Ｓ:≦0.015%、Cu:0.05〜0.50%、N
i:0.20〜2.00％、Cr:0.50〜3.00%、Al:0.003〜0.100%を
含有し、さらにMo:0.05〜0.50%、V:0.05〜0.50%、Nb:0.
01〜0.50%、Ti:0.003〜0.100%、B:0.0003〜0.0200%のう
ち１種または２種以上を含有し、かつ0.005%≦S≦0.015
%の場合1.0≦Ni/Cu≦15の関係を満足し、S＜0.005%の場
合1.0≦Ni/Cu≦10の関係を満足し、残部がFeおよび不可
避不純物からなることを特徴とする耐食性・耐腐食疲労
性に優れたばね用鋼。
【請求項３】重量比にしてC:0.40〜0.70%、Si:0.05〜
0.50%、Mn:≦0.40%、Ｓ:≦0.015%、Cu:0.05〜0.50%、N
i:0.20〜2.00%、Cr:0.50〜3.00%、Al:0.003〜0.100%を
含有し、さらにMo:0.05〜0.50%、V:0.05〜0.50%、Nb:0.
01〜0.50%、Ti:0.003〜0.100%、B:0.0003〜0.0200%のう
ち１種または２種以上を含有し、さらにREM:0.001〜0.5
00%を含有し、かつ0.005%≦S≦0.015%の場合1.0≦Ni/Cu
≦15の関係を満足し、S＜0.005%の場合1.0≦Ni/Cu≦10
の関係を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなる
ことを特徴とする耐食性・耐腐食疲労性に優れたばね用
鋼。