JPH05148581A

JPH05148581A - 高強度ばね用鋼および高強度ばねの製造方法

Info

Publication number: JPH05148581A
Application number: JP34001291A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Nagamatsu; 孝彦永松; Masao Toyama; 雅雄外山
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1991-11-28
Filing date: 1991-11-28
Publication date: 1993-06-15

Abstract

(57)【要約】【目的】ばね用鋼の成分に工夫を加え、靭性、へたり
特性および疲労特性を改善した高強度ばね用鋼、および
その様なばね用鋼を用いて高強度ばねを製造する方法を
提供する。【構成】Ｃ：0.35〜0.65％，Ｓｉ：１〜３％，Ｍｎ：
0.5 〜２％，Ｎｉ：４％以下，Ｃｒ：２超〜３％，Ｍ
ｏ：0.05〜１％，Ｖ：0.05〜0.5 ％を夫々含有し、残部
鉄および不可避不純物からなり、必要によりＮｂ，Ｔ
ｉ，Ａｌ，Ｂ，Ｗ，Ｃｕ等を所定量含有する。また上記
の様な成分のばね用鋼を用いて、所定の成形を行なうこ
とによって、希望する特性のばねを得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の弁ばねや懸
架ばね等に使用される高強度ばね用鋼および上記用途に
最適な高強度ばねの製造方法に関し、特に材料強度が20
0kgf/mm²以上であり、しかもばね特性として要求される
疲労寿命およびへたり特性を十分に満足することのでき
る高強度ばねの製造方法およびその様な高強度ばねを製
造する為のばね用鋼に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ばね用鋼の化学成分はJIS G3565 〜G356
7, G4801等に規定されており、それから製造された圧延
材に対して所定の線径まで伸線加工し、その後オイルテ
ンパー処理後ばね加工（冷間成形ばね）したり、圧延材
を伸線加工した後、加熱してばね成形した後焼入れ焼戻
し（熱間成形ばね）を行なうこと等により、各種ばねが
製造されている。近年ばねに対する要求が次第にきびし
くなるにつれ、各種の合金鋼に夫々熱処理を施したもの
が多く利用されている。

【０００３】従来のばね鋼においては、焼入れ焼戻し後
の強度が160 〜190kgf/mm²程度であるのが一般的である
が、強度が200kgf/mm²以上の高強度ばね用鋼が要求され
る様になってきた。一方ばねの重要特性としては、高い
疲労寿命および耐へたり性が要求される。高疲労寿命を
得るために、冷間および熱間でショットピーニングが施
される。また良好な耐へたり性を得るために、製造の終
りの方の工程でセッチングが行なわれる。しかしながら
従来のばね用鋼では、強度、疲労寿命およびへたり特性
のすべてを満足することはできなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこの様な事情
に着目してなされたものであって、その目的は、強度が
200kgf/mm²以上であり、しかも疲労特性およびへたり特
性も良好な高強度ばねを製造する方法およびその様な高
強度ばねを得る為のばね用鋼を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明の高強度ばね用鋼とは、Ｃ：0.35〜0.65％，Ｓｉ：
１〜３％，Ｍｎ：0.5 〜２％，Ｎｉ：４％以下，Ｃｒ：
２超〜３％，Ｍｏ：0.05〜１％，Ｖ：0.05〜0.5 ％を夫
々含有し、残部鉄および不可避不純物からなる点に要旨
を有するものである。本発明に係る高強度ばね用鋼は、
上記の元素を基本成分とするものであるが、必要に応じ
てＮｂ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ，Ｗ，Ｃｕ等を含有するもので
あってもよい。

【０００６】また上記の様な各種ばね用鋼を用い、(1)
熱間ばね成形後焼入れ焼戻し処理を施し、更にセッチン
グおよびショットピーニングを施すこと、または(2) オ
イルテンパー処理を施した後、冷間ばね成形し、更にセ
ッチングおよびショットピーニングを施すこと、等によ
って希望する特性の高強度ばねが得られる。

【０００７】

【作用】ばねの疲労寿命を向上させるためには、素材の
靭性向上を図る必要がある。本発明者らは高強度を維持
しつつ靭性向上の図れるＣ範囲として、0.35〜0.65％を
選んだ。そしてこの範囲におけるへたり特性を改善する
手段について様々な角度から検討したところ、特にＣｒ
は耐へたり性を向上させるのに有効であり、Ｃｒを少な
くとも２％超添加させることによって、へたり特性が著
しく改善させることがわかった。即ち図１は耐へたり性
を示す残留剪断歪量とＣｒ添加量との関係を示すグラフ
であり、従来ではＣｒの添加量は１％以下であったが、
本発明で規定する様にＣｒ添加量を２％超とすることに
よって耐へたり性が著しく改善されることを見出し、本
発明を完成した。本発明に係る高強度ばね用鋼における
化学成分限定理由は下記の通りである。

【０００８】Ｃ：0.35〜0.65％Ｃは焼入れ焼戻し後の強度を確保するために必要な元素
である。Ｃ含有量が0.35％未満では、焼入後のマルテン
サイトの硬さが低くなり過ぎ、焼入れ焼戻し後の強度が
不足する。また0.65％を超えて過多に添加すると、焼入
れ焼戻し後の靭性が劣化し、希望する疲労特性が得られ
ない。更に、圧延時の過冷の発生を防止し、作業性を改
善すると共に、ばね製造時に表面脱炭および表面疵を除
去する為の切削や研削による素材加工が容易に行なえる
という観点からも上記範囲とする必要がある。

【０００９】Ｓｉ：１〜３％Ｓｉは固溶強化元素として必要であり、１％未満ではマ
トリックス強度が十分に得られない。しかしながら３％
を超えて添加すると、熱処理時に炭化物の溶け込みが不
十分になって、ばねにおける耐へたり性が劣化するばか
りか、内部酸化が進行してばねとして有害である脱炭を
生じさせる。Ｍｎ：0.5 〜２％Ｍｎが0.5 未満では、伸線性に悪影響を及ぼすＳを固定
するのに不十分であり、0.5 ％以上は必要である。また
上限を２％としたのは、耐へたり性に対して有害な残留
オーステナイト量を抑制するためである。

【００１０】Ｎｉ：４％以下Ｎｉは焼入れ焼戻し後の素材靭性を向上させる元素であ
るが、高価な元素であるため経済性を考慮して４％以下
とした。Ｃｒ：２超〜３％Ｃｒの添加はばね特性として重要な耐へたり特性を大幅
に改善することが種々の検討から明らかになった。２％
以下では高締め付加において十分な耐へたり性が得られ
ないことから、Ｃｒは少なくとも２％超を添加する必要
がある。またＣｒは焼入性向上に有効であり、耐熱性を
改善する元素でもある。しかしながらあまり多く添加し
すぎると焼入れ焼戻し処理時の加熱で未溶解炭化物が多
く発生するので上限は３％とすべきである。

【００１１】Ｍｏ：0.05〜２％Ｍｏは炭化物生成元素であり、焼戻し時に微細な合金炭
化物を析出させ、２次硬化を促進させることによって耐
へたり性および耐疲労性を向上させる。0.05％未満では
その効果が不十分であり、１％を超えても効果が飽和す
る。Ｖ：0.05〜0.5 ％Ｖは結晶粒度を微細化して耐力比を高め、耐へたり性を
改善するのに有効である。この結果を有効に発揮するに
は0.05％以上の添加が必要である。しかしながら0.5 ％
を超えて添加すると、焼入れ加熱時にオーステナイト中
に固溶されない合金炭化物量が増大し、大きな塊状物と
なって残存することから疲労寿命を低下させる。

【００１２】本発明の高強度ばね用鋼は、以上の元素を
基本成分とし、残部鉄および不可避不純物からなるもの
であるが、必要に応じてＮｂ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｂ，Ｗ，Ｃ
ｕ等を含有してもよい。これらの元素を添加するときの
含有量は下記の通りである。

【００１３】Ｎｂ：0.01〜0.1 ％，Ｔｉ：0.01〜0.1 ％ＮｂおよびＴｉはＶと同様に結晶粒度を微細化して耐力
比を高め、耐へたり性を改善するのに有効である。この
効果を有効に発揮させるには、夫々0.01％以上の添加が
必要であるが、0.1 ％を超えて過多に添加しても効果が
飽和すると共に、経済的にも不利である。Ａｌ：0.01〜0.1 ％Ａｌは脱酸を容易にする元素であり、0.01％以上の添加
でその効果が発揮される。しかしながら0.1 ％を超えて
添加しても、Ａｌ₂ Ｏ₃ の粗大介在物を生成して耐疲労
特性を低下させる。

【００１４】Ｂ：0.0005〜0.01％Ｂは焼入れ性および高強度を得るために有効な元素であ
り、その効果を有効に発揮させるには0.0005％以上の添
加が必要である。しかしながら0.01％を超えて添加して
も、効果が飽和すると共に、経済的にも不利である。Ｗ：0.05〜１％Ｗは鋼中で炭化物を形成し、焼戻し時に析出することに
より、微細析出強化を付与する元素であり、添加量が0.
05％未満では析出量が不足し、また１％を超えて添加し
ても効果が飽和する。Ｃｕ：0.1 〜１％Ｃｕは脱炭および耐食性改善に有効な元素であり、0.1
％未満では上記効果が発揮されない。しかしながら１％
を超えると粒界にＣｕが濃化して熱間加工時に粒界割れ
を起こすことがある。

【００１５】以下本発明を実施例によって更に詳細に説
明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のもので
はなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはい
ずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。

【００１６】

【実施例】表１に示す化学成分の発明鋼Ａ〜Ｎおよび既
存鋼を溶製した後、鍛造で115mmの角ビレットを製作
し、線材圧延によって11mmφの線材まで圧延した。得ら
れた圧延線材に対して、下記(1) または(2)の工程によ
ってばねを製造した。 (1) 熱処理→ばね成形→焼入れ焼戻し→セッチング→シ
ョットピーニング（熱間成形ばね） (2) オイルテンパー処理→ばね成形→セッチング→ショ
ットピーニング（冷間成形ばね）

【００１７】

【表１】

【００１８】得られたばねから引張り試験片、残留剪断
歪量試験片および大気耐久限度測定試験片を準備し、夫
々の試験に供した。残留剪断測定試験および耐久限度測
定試験における条件は下記の通りである。 (1) 残留剪断測定試験（耐へたり性）（ばね緒元）材料の線径：9.0 mm コイル平均径：85 mm 総巻き数：７巻有効巻き数：5.5 巻自由高さ：320 mm （セッチング応力）最大剪断応力＋10kgf/mm² （試験条件）締め付け応力：130kgf/mm² 試験温度：80℃ 試験時間：72時間（残留剪断歪の算出方法） τΔｐ＝８ＤΔｐ／πｄ³ (2) τ＝Ｇγ (3) (2) ，(3) 式より γΔｐ＝τΔｐ／Ｇ×100 （％）但し、τΔｐ：荷重損失量に相当するねじり応力(kgf/m
m²）ｄ：線径(mm) Ｄ：コイル平均径 Δｐ：荷重損失量Ｇ：横弾性係数(kgf/mm²）（8000kgf/mm² を採用）

【００１９】(2) 耐久限度試験（試験条件）試験温度：室温時間寿命：２０万回をクリアー表面状態：ショットピーニング肌（疲労限の判定）２０万回を２度クリヤーしたときの試験応力引張り試験結果を、ばね成形法とともに表２に示す。ま
た耐へたり性を表わす残留剪断歪量と、疲労特性を表わ
す大気耐久限度応力値を表３に示す。これらの結果から
明らかであるが、本発明鋼は、強度、耐へたり性および
疲労寿命のいずれも優れた特性を示していることがよく
わかる。

【００２０】

【表２】

【００２１】

【表３】

【００２２】

【発明の効果】以上述べた如く本発明によれば、強度が
200kgf/mm²以上であり、しかも疲労特性およびへたり特
性が良好な高強度ばねを製造する方法、およびその様な
高強度ばねを得る為の最適なばね用鋼が実現できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】残留剪断歪量とＣｒ添加量の関係を示すグラフ
である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：0.35〜0.65％（重量％の意味、以下
同じ），Ｓｉ：１〜３％，Ｍｎ：0.5 〜２％，Ｎｉ：４
％以下，Ｃｒ：２超〜３％，Ｍｏ：0.05〜１％，Ｖ：0.
05〜0.5 ％を夫々含有し、残部鉄および不可避不純物か
らなることを特徴とする高強度ばね用鋼。
【請求項２】請求項１に記載の高強度ばね用鋼におい
て、更にＮｂ：0.01〜0.1 ％およびＴｉ：0.01〜0.1 ％
から選ばれる１種または２種を含有するものである高強
度ばね用鋼。
【請求項３】請求項１または２に記載の高強度ばね用
鋼において、更にＡｌ：0.01〜0.1 ％を含有するもので
ある高強度ばね用鋼。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の高強度
ばね用鋼において、更にＢ：0.0005〜0.01％を含有する
ものである高強度ばね用鋼。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の高強度
ばね用鋼において、更にＷ：0.05〜１％を含有するもの
である高強度ばね用鋼。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の高強度
ばね用鋼において、更にＣｕ：0.1 〜１％を含有するも
のである高強度ばね用鋼。
【請求項７】請求項１〜６のいずれかに記載のばね用
鋼を用い、熱間ばね成形後焼入れ焼戻し処理を施し、更
にセッチングおよびショットピーニングを施して高強度
を得ることを特徴とする高強度ばねの製造方法。
【請求項８】請求項１〜６のいずれかに記載のばね用
鋼を用い、オイルテンパー処理を施して高強度を得た
後、冷間ばね成形し、更にセッチンクおよびショットピ
ーニングすることを特徴とする高強度ばねの製造方法。