JPH06228734A

JPH06228734A - クラッチダイヤフラムスプリング用鋼の製造方法

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Publication number: JPH06228734A
Application number: JP3745193A
Authority: JP
Inventors: Tsunetoshi Suzaki; 恒年洲▲崎▼; Tomoyoshi Iwao; 知義岩尾; Toshiro Yamada; 利郎山田; Akinari Ishikawa; 明成石川; Harunori Itou; 晴規伊藤
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd; Aisin Corp
Priority date: 1993-02-02
Filing date: 1993-02-02
Publication date: 1994-08-16

Abstract

(57)【要約】【目的】耐温間ヘタリ性，強度及び疲労強度に優れ、
高温雰囲気に曝されるクラッチダイヤフラムスプリング
として使用される鋼を提供する。【構成】Ｃ：０．４〜０．８重量％，Ｓｉ：１．０〜
２．５重量％，Ｍｎ：０．５〜２．０重量％，Ｃｒ：
０．１〜１．５重量％及びＭｏ：０．１〜０．５重量％
を含み、更に必要に応じてＶ：０．０５〜０．５重量
％，Ｎｂ：０．０５〜０．５重量％及びＴｉ：０．０５
〜０．５重量％の１種又は２種以上を含む鋼を焼入れ焼
き戻しした後、中心部硬さがＨＶ４００以上になるよう
に窒化処理する。窒化処理後に、ショットピーニングし
ても良い。窒化処理は、焼入れされたままの鋼に直接施
し、焼戻しを省略することも可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冶金学的に温間に相当
する高温雰囲気に曝されるクラッチダイヤフラムスプリ
ング用鋼を製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種装置の高出力化に伴って、装置を構
成している部品は、従来に比較して過酷な環境に曝され
る状態で使用されるようになってきている。たとえば、
自動車のクラッチに組み込まれる部品は、従来では常温
又はその近傍で使用されていたのに対し、高出力化を狙
った設計では冶金学的に温間ともいえる高温の雰囲気に
曝される。使用雰囲気の苛酷化に応じて、クラッチに組
み込まれるクラッチダイヤフラムスプリング等の皿バネ
は、温間においても優れた耐ヘタリ性が要求される。

【０００３】また、消費エネルギーを少なくするため、
自動車に組み込まれる各種部品を軽量・小型化すること
が検討されている。この点でも、高い強度がクラッチダ
イヤフラムスプリングに要求される。更に、付与される
応力の増加に応じて、高い疲労強度をもつことも必要と
なる。このような使用環境の変化に伴って、クラッチダ
イヤフラムスプリング用バネ鋼は、耐温間ヘタリ性，高
強度及び高疲労強度を同時に満足することが望まれてい
る。耐温間ヘタリ性は、たとえば特開平４−５２２２４
号公報，特開平４−２４６１２４号公報等で紹介されて
いる方法で向上させることができる。しかし、これらの
方法によるとき、耐温間ヘタリ性の改善は図られるもの
の、得られる疲労強度は一般に知られている引張り強さ
に依存する値を超えることはない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】疲労強度を向上させる
方法として、高強度化及び表面処理が挙げられる。疲労
強度は、一般的に高強度化により改善され、硬さＨＶ４
００程度までは硬さに応じて向上する。しかし、ＨＶ４
５０を超える硬さでは、疲労強度はほぼ一定の値を示
す。これは、硬度の上昇に伴って切欠き感受性が高ま
り、表面傷や介在物の存在による材質劣化が原因である
と考えられる。場合によっては、高強度化によって疲労
強度が却って低下するケースもある。浸炭，窒化，ショ
ットピーニング等の表面処理を施すと、疲労強度が向上
することが知られている。しかし、浸炭による方法で
は、浸炭時に鋼材が９３０℃程度の高温に加熱されるた
め、オーステナイト粒の粗大化に起因した靭性の低下が
みられる。また、製造コストがかさみ、焼入れ歪みが大
きく、粒界酸化や表層部の焼入れ不良等が発生し易く、
逆に疲労強度が低下する場合がある。

【０００５】これに対し、窒化処理は、何れの方法によ
ってもＦｅ−Ｎ二元状態図における共析温度（５９２
℃）以下で行われる。そのため、変態による焼入れ歪み
がなく、種々の産業用部品に多用されている。しかし、
一般的に使用されているＳＣＭ４３５，ＳＮＣＭ４３
１，ＳＡＣＭ６４５等の鋼材では、比較的高い疲労強度
は得られるものの、中心部硬さがＨＶ４００を超えるこ
とはない。したがって、高い応力が負荷される部品とし
て、窒化処理されたこれらの鋼材を使用することができ
ない。

【０００６】ショットピーニングでは、焼戻し温度を適
切に選択することによって、高い中心部硬さを維持した
ままで表層部に高い圧縮応力を付与することができ、疲
労強度が向上する。しかし、中心部硬さが高くなるに従
って、ショットピーニングにより付与される塑性歪みが
小さく、圧縮残留応力が小さくなる。その結果、切欠き
感受性が高くなり、表面粗さの劣化によって却って疲労
強度が劣化する場合もある。

【０００７】このように、従来の高強度化，表面処理等
によっては、高温雰囲気で使用されるクラッチダイヤフ
ラムスプリングとして必要な耐温間ヘタリ性及び強度を
もち、引張り強さに依存する値以上の疲労強度を有する
バネ鋼を得ることができない。本発明は、このような問
題を解消すべく案出されたものであり、特定された成分
・組成をもつ鋼に焼入れ焼戻しを施した後で窒化処理す
ることにより、耐温間ヘタリ性，高疲労強度及びＨＶ４
００以上の中心部硬さの３者を同時に兼ね備えたクラッ
チダイヤフラムスプリング用鋼を提供することを目的と
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のクラッチダイヤ
フラムスプリング用鋼製造方法は、その目的を達成する
ため、Ｃ：０．４〜０．８重量％，Ｓｉ：１．０〜２．
５重量％，Ｍｎ：０．５〜２．０重量％，Ｃｒ：０．１
〜１．５重量％及びＭｏ：０．１〜０．５重量％を含む
鋼を焼入れ焼き戻しした後、中心部硬さＨＶ４００以上
が維持されるように窒化処理することを特徴とする。本
発明で使用する鋼は、必要に応じてＶ：０．０５〜０．
５重量％，Ｎｂ：０．０５〜０．５重量％及びＴｉ：
０．０５〜０．５重量％の１種又は２種以上を含むこと
ができる。窒化処理された鋼は、更に疲労強度を向上さ
せるため、ショットピーニングすることも可能である。
また、焼戻しを省略し、焼入れされたままの鋼に窒化処
理を施し、窒化処理時の加熱で焼戻しを併用することも
できる。

【０００９】

【作用】本発明者等は、優れた耐温間ヘタリ性，高強
度，高疲労強度が同時に満足されるように、成分系及び
処理条件に関して詳細に調査・研究した。その結果、特
定された成分・組成をもつ鋼に焼入れ焼戻しを施し、次
いで窒化処理を行うとき、耐温間ヘタリ性，高強度及び
高疲労強度の何れにおいても優れた特性を呈する鋼が得
られることを見い出した。本発明で使用する鋼では、Ｓ
ｉ添加によって焼戻し軟化抵抗を上昇させ、必要強度が
得られる焼戻し温度を窒化処理温度以上の高い温度に設
定することができ、窒化処理した後で中心部硬さが低下
することが抑制される。そのため、従来の鋼では不可能
であった窒化によって高疲労強度と共に、高応力が付与
される部品として必要な高強度が同時に得られる。

【００１０】ところで、ヘタリは、微小な歪みが加えら
れている状態で時間経過するとき、バネに塑性変形が生
じる現象である。ミクロ的にみると、加えられた歪みに
よって導入された転位や、歪み付与前に存在していた転
位が移動し、ヘタリが発生する。このヘタリ発生のメカ
ニズムからしても、Ｓｉの添加は有効である。すなわ
ち、Ｓｉ添加によって焼き戻し軟化抵抗が高まり、バネ
として要求される強度を得るために必要な焼戻しをより
高温で行うことができる。その結果、焼戻し後の転位密
度が減少し、熱的にも安定化した金属組織が得られる。
また、Ｓｉと共に添加されたＭｏは、焼戻し時に微細な
炭化物となって析出する。炭化物Ｍｏ₂ Ｃは、転位の移
動を妨げるインヒビターとして働く。また、Ｃｒ及び必
要に応じてＴｉを添加しているので、窒化処理によって
拡散層が表層部に形成される。拡散層の形成により、硬
さが上昇すると共に、高い圧縮残留応力が付与される。
その結果、疲労強度の顕著な向上がみられる。

【００１１】本発明に従ったクラッチダイヤフラムスプ
リング用鋼においては、このように熱的に安定した状態
で、導入される転位の密度が少なく、しかも転位の移動
が有効に阻止される。その結果、非常に優れた耐温間ヘ
タリ性が得られる。窒化処理後にショットピーニングを
行うとき、鋼表面に圧縮残留応力が付与され、表層部か
ら硬質の化合物層が除去される。その結果、疲労強度が
更に向上する。なお、窒化処理は、焼戻しを省略し、焼
入れしたままの鋼に直接施すことも可能である。この場
合、窒化処理時の加熱で、焼戻しが同時に行われる。

【００１２】以下、本発明で使用するクラッチダイヤフ
ラムスプリング用鋼に含まれる合金元素及びその含有量
を説明する。Ｃ：鋼の強度を高める上で必要な合金元素である。焼
入れ焼戻しによってクラッチダイヤフラムスプリング用
鋼として要求される強度を得るために、０．４重量％以
上のＣを含有させることが必要である。しかし、０．８
重量％を超える多量のＣを含有すると、焼き割れが発生
し易くなると共に、靭性も低下する。したがって、本発
明においては、０．４〜０．８重量％の範囲にＣ含有量
を設定した。

【００１３】Ｓｉ：焼戻し軟化抵抗を高める上で、重
要な合金元素である。Ｓｉ添加によって、窒化処理温度
以上の高温で焼戻しを行うことが可能となる。Ｓｉは、
窒化処理によって生成される化合物層を薄くし、硬質の
化合物層が疲労強度に及ぼす悪影響を低減する上でも有
効に作用する。このような効果は、Ｓｉ含有量１．０重
量％以上で顕著になる。しかし、２．５重量％を超えて
多量のＳｉを含有させると、クラッチダイヤフラムスプ
リング用鋼として有害な内部酸化や脱炭が生じ易くな
る。また、過剰のＳｉ含有は、熱間圧延時や焼鈍時に黒
鉛化を促進させ、焼入れ加熱時間が長くなり靭性が劣化
する。したがって、本発明においては、１．０〜２．５
重量％の範囲にＳｉ含有量を定めた。

【００１４】Ｍｎ：溶鋼の脱酸に有効であると共に、
鋼の焼入れ性を向上させる。これらの効果を得るため
に、０．５重量％以上のＭｎを含有させることが必要で
ある。しかし、２．０重量％を超える多量のＭｎ含有量
では、焼入れ焼戻し後の靭性低下が著しくなる。したが
って、本発明においては、０．５〜２．５重量％の範囲
にＭｎ含有量を定めた。Ｃｒ：Ｓｉの含有によって促進される黒鉛化や内部酸
化が抑制されると共に、Ｍｎと同様に焼入れ性を向上さ
せる有効な合金元素である。また、窒化処理で形成され
る拡散層においてＮと化合物を形成し、硬さを上昇させ
ると共に高い圧縮残留応力を生じる。その結果、疲労強
度が上昇する。これらの効果は、０．１重量％以上のＣ
ｒ含有量で顕著になる。しかし、Ｃｒ含有量が１．５重
量％を超えると、焼入れ焼戻し後の靭性低下が著しくな
る。したがって、本発明においては、０．１〜１．５重
量％の範囲にＣｒ含有量を定めた。

【００１５】Ｍｏ：焼入れ加熱時にオーステナイト相
に固溶し、焼戻し時に微細な炭化物として析出する。析
出した炭化物は、転位の移動を阻止するインヒビターと
して働き、耐温間ヘタリ性を向上させる。また、Ｍｏの
添加によって焼戻し軟化抵抗が高められ、窒化処理後の
中心部硬さが高レベルに維持される。これらの効果は、
Ｍｏ含有量が０．１重量％以上で顕著になる。しかし、
０．５重量％を超える多量のＭｏを含有させると、焼入
れ加熱時にオーステナイト相に固溶されない比較的粗大
な未溶解炭化物の量が増加し、非金属介在物と同様に疲
労強度を低下させる原因となる。したがって、本発明に
おいては、０．１〜０．５重量％の範囲にＭｏ含有量を
設定した。

【００１６】Ｖ，Ｎｂ：必要に応じて添加される選択
成分であり、炭化物となって鋼中に存在し、焼入れ時の
加熱で一部がオーステナイト相に固溶する。固溶した
Ｖ，Ｎｂは、Ｍｏと同様に焼戻し時に微細な炭化物とな
って析出し、耐温間ヘタリ性を向上させる。他方、焼入
れ時にオーステナイト相に固溶されないＶ，Ｎｂの未溶
解炭化物は、オーステナイト粒の粗大化を阻止する。こ
のような効果を得るためには、０．１重量％以上のＶ及
び／又はＮｂを含有させることが必要である。しかし、
０．５重量％を超える多量のＶ及び／又はＮｂを含有さ
せると、焼入れ時にオーステナイト相に固溶されない比
較的粗大な未溶解炭化物の量が増加し、非金属介在物と
同様に疲労強度を低下させる原因となる。したがって、
Ｖ及び／又はＮｂを含有させるとき、その含有量を０．
１〜０．５重量％の範囲に設定する。

【００１７】Ｔｉ：必要に応じて添加される選択成分
であり、窒化処理で形成される拡散層においてＮと化合
物を生成することによって、硬さを上昇させると共に高
い圧縮残留応力を付与する。その結果、疲労強度が上昇
する。これらの効果を得るためには、０．１重量％以上
のＴｉを含有させる必要がある。しかし、０．５重量％
を超える多量のＴｉを含有させても、増量に見合った性
質改善効果が得られず、鋼材コストの上昇を招く。した
がって、Ｔｉを添加するとき、その含有量を０．１〜
０．５重量％の範囲に設定する。

【００１８】このように合金成分及び含有量が調整され
た鋼は、所望の強度を得るために焼入れ焼戻しの熱処理
が施される。成分・組成が本発明で規定した範囲にある
鋼は、高い焼戻し軟化抵抗をもっており、クラッチダイ
ヤフラムスプリングとして要求される強度を得るために
必要な焼戻し温度が従来のバネ用鋼に比較して高温（た
とえば、５００〜６００℃）になる。高温の焼戻しによ
り、焼戻しマルテンサイト中の転位密度が低下する。ま
た、Ｍｏが微細な炭化物として析出する。転位密度の減
少及びＭｏ系炭化物の析出が相俟つて、耐温間ヘタリ性
が著しく向上する。

【００１９】窒化処理により、Ｃｒ，Ｔｉ等がＮと化合
物を形成し、中心部硬さに比較して硬質な拡散層が形成
されると共に、圧縮残留応力が付与される。その結果、
疲労強度が向上する。また、本発明に従った鋼では焼戻
し軟化抵抗が高く、焼戻し温度が窒化温度以上となって
いるので、窒化処理によって中心部硬さが低下すること
なく、疲労強度の更なる上昇及び高強度化が可能にな
る。窒化処理としては、本発明を拘束するものではない
が、塩浴窒化，ガス窒化，ガス軟窒化，イオン窒化等を
採用することができる。何れの方法によっても、鋼材表
面に拡散層が形成され、圧縮残留応力が付与される。

【００２０】窒化処理後に、ショットピーニングが必要
に応じて施される。ショットピーニングによって更に圧
縮残留応力が付与されると共に、表層の硬質で加工性に
乏しい化合物層が除去され、疲労強度が一層上昇する。
また、窒化処理によって中心部よりも硬質の拡散層が表
層部に形成されているため、ショットピーニングによる
表面粗さの劣化は、焼入れ焼戻しをしたままの鋼材をシ
ョットピーニングする場合に比較して小さくなる。その
ため、ショットピーニングをより効果的にするため、一
層ハードな条件を採用することができる。

【００２１】

【実施例】表１に成分・組成を示す鋼を転炉で溶製し、
スラブに連続鋳造した。なお、表１の鋼種Ａ〜Ｅは本発
明に従った鋼であり、鋼種Ｆ〜Ｉは比較鋼である。

【表１】

【００２２】スラブに通常の熱間圧延を施し板厚３．５
ｍｍの熱延板とし、焼鈍後に圧延率３５％で冷間圧延を
行った。冷延板を再び焼鈍した。焼鈍条件としては、何
れも焼鈍温度７１０℃及び均熱時間１０時間を採用し
た。焼鈍材を８８０℃に１０分間加熱した後、油焼入れ
し、硬さがＨＶ４５０となるように焼き戻した。焼入れ
焼戻し材から試験片を切り出し、ガス窒化を施した。窒
化条件としては、ＮＨ₃ ガス雰囲気中で試験片を温度５
２０℃に３５時間保持する条件を採用した。窒化処理前
後における中心部硬さの変化を表２に示す。

【表２】

【００２３】比較鋼Ｆ〜Ｉは、焼戻し軟化抵抗が小さい
ため、クラッチダイヤフラムスプリングとして要求され
る強度ＨＶ４５０を得るために焼戻し温度を５００℃以
下にすることが必要であった。そのため、高温に長時間
加熱される窒化処理を受けると、中心部硬さがＨＶ３５
０以下に低下し、クラッチダイヤフラムスプリングとし
て要求される強度を得ることができなかった。これに対
し、本発明に従った鋼Ａ〜Ｅでは、焼戻し軟化抵抗が高
いことから、窒化処理による硬さの低下はごく僅かであ
った。窒化処理された鋼にショットピーニングを施し、
窒化処理及びショットピーニングが疲労強度に与える影
響を調査した。なお、ショットピーニングは、硬さＨＶ
７００で径０．６ｍｍのショット粒を使用し、アークハ
イト０．２０ｍｍＡ及びカバレージ２００％の条件下で
行った。また、疲労試験は、両振平面曲げで行った。

【表３】

【００２４】調査結果を示す表３から明らかなように、
本発明に従った鋼Ａ〜Ｅでは、窒化処理及び窒化後のシ
ョットピーニングによって高い圧縮残留応力及び中心部
硬さが得られている。また、窒化処理で硬質の拡散層が
形成されているため、ショットピーニングによる表面粗
さの上昇も低く抑えられている。そのため、１０００Ｎ
／ｍｍ² 前後の高い疲労限が得られている。これに対
し、窒化処理を施さない場合は、本発明に従った鋼Ａ及
び比較鋼Ｆ共に、それほど高い疲労強度が得られていな
い。また、比較鋼Ｆを窒化処理したものでは、中心部硬
さが著しく低下しており、低い疲労限が示されている。
焼入れ焼き戻しした鋼及び焼入れしたままの鋼に窒化処
理を施し、リラクセーション試験によって耐ヘタリ性を
評価した。リラクセーション試験は、試験温度３５０
℃，初期歪み１．０％及び保持時間１２時間を採用し、
保持前後における荷重の低下率をリラクセーション率と
して測定した。測定結果を表４に示す。

【表４】

【００２５】表４から明らかなように、比較鋼Ｆ〜Ｉ
は、高いリラクセーション率を示している。これは、比
較鋼Ｆ〜Ｉの焼戻し軟化抵抗が低く、焼戻し後に残留す
る転位の密度が高いことに由来する。これに対し、合金
成分，焼入れ温度及び焼戻し温度が共に本発明で規定し
た範囲にある鋼Ａ〜Ｅは、比較鋼Ｆ〜Ｉに比べて極めて
低いリラクセーション率を示し、耐温間ヘタリ性に優れ
ていることが判る。これは、鋼Ａ〜Ｅの焼戻し軟化抵抗
が高く、しかも焼戻し時或いは窒化処理時に析出した微
細なＭｏ系炭化物が転位の移動を阻止していることに起
因する。

【００２６】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、焼戻し軟化抵抗が高くなる合金設計を採用し、窒化
処理時の加熱で軟質化することを防止している。得られ
たクラッチダイヤフラムスプリング用鋼は、最も重要な
特性である耐温間ヘタリ性が非常に優れており、また高
強度及び高疲労強度を示す。そのため、高出力化に伴っ
て高温の過酷な雰囲気に曝される自動車のクラッチ等に
組み込まれた場合、長期間にわたって安定した特性を維
持する。

フロントページの続き (72)発明者山田利郎広島県呉市昭和町11番１号日新製鋼株式会社鉄鋼研究所内 (72)発明者石川明成愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地アイシン精機株式会社内 (72)発明者伊藤晴規愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地アイシン精機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：０．４〜０．８重量％，Ｓｉ：１．
０〜２．５重量％，Ｍｎ：０．５〜２．０重量％，Ｃ
ｒ：０．１〜１．５重量％及びＭｏ：０．１〜０．５重
量％を含む鋼を焼入れ焼き戻しした後、中心部硬さＨＶ
４００以上が維持されるように窒化処理することを特徴
とするクラッチダイヤフラムスプリング用鋼の製造方
法。
【請求項２】Ｃ：０．４〜０．８重量％，Ｓｉ：１．
０〜２．５重量％，Ｍｎ：０．５〜２．０重量％，Ｃ
ｒ：０．１〜１．５重量％及びＭｏ：０．１〜０．５重
量％を含み、更にＶ：０．０５〜０．５重量％，Ｎｂ：
０．０５〜０．５重量％及びＴｉ：０．０５〜０．５重
量％の１種又は２種以上を含む鋼を焼入れ焼き戻しした
後、中心部硬さＨＶ４００以上が維持されるように窒化
処理することを特徴とするクラッチダイヤフラムスプリ
ング用鋼の製造方法。
【請求項３】請求項１又は２記載の窒化処理後にショ
ットピーニングすることを特徴とするクラッチダイヤフ
ラムスプリング用鋼の製造方法。
【請求項４】請求項１〜３記載の窒化処理は、焼入れ
されたままの鋼に直接施されることを特徴とするクラッ
チダイヤフラムスプリング用鋼の製造方法。