JPH10196697A

JPH10196697A - 環境脆性の良好な高強度ばね

Info

Publication number: JPH10196697A
Application number: JP9003271A
Authority: JP
Inventors: Takenori Nakayama; 武典中山; Takashi Iwata; 多加志岩田; Masaki Shimotsusa; 正貴下津佐; Nobuhiko Ibaraki; 信彦茨木; Hiroshi Kakou; 浩家口; Shigenobu Nanba; 茂信難波
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1997-01-10
Filing date: 1997-01-10
Publication date: 1998-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】高強度で、しかも高い耐環境脆性（腐食疲労
や遅れ破壊などの環境脆化を起こし難い特性）を有する
環境脆性の良好な高強度ばねを提供する。【解決手段】１８００ＭＰａ以上の引張強度を有する
ばね鋼母材の表面の少なくとも一部が犠牲アノードとし
て機能する防食膜で被覆されてカソード防食される。ま
た、ばね鋼母材に炭窒化物形成元素が添加されてばね鋼
母材中に炭窒化物が分散される。このため、防食膜を形
成することにより発生する水素を、当該炭窒化物がトラ
ップして腐食疲労や遅れ破壊などの抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ばね鋼母材の表面
の少なくとも一部に犠牲アノードとして機能する防食膜
を被覆したばね、特に腐食疲労や遅れ破壊などの環境脆
性に強く、しかも高い強度を有するばねに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球環境保全の立場から、自動車
に代表される輸送機に対して排ガスや燃費低減の要求が
高まっており、このような要求を満足すべく輸送機の軽
量化が望まれている。この軽量化対策の一環として、輸
送機に用いられるばねの高応力化が指向されており、焼
入れ焼戻し後の強度で１８００ＭＰａ以上を示すような
高強度のばね用鋼をばね母材として用いることが提案さ
れている。

【０００３】しかしながら、一般に、鋼を高強度化する
と、腐食環境下における疲労や遅れ脆性などの環境強度
が著しく劣化し、腐食耐久寿命が低下することが知られ
ている。したがって、ばねの高応力化を図る場合、この
ような環境脆性の低下を防止する必要があり、例えば特
開昭６２−４９０３５号公報などに記載された技術、つ
まりばね鋼母材の表面の少なくとも一部にばね鋼母材よ
りも卑な金属、例えば亜鉛を電気めっきすることで、当
該亜鉛めっき膜を犠牲アノードとして機能させてばねを
電気化学的に防食することが提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
にして電気めっきを実行すると、電気めっきを施すとき
に発生した水素がばね鋼母材に侵入して、いわゆるめっ
き脆化を生じるおそれがある。また、犠牲アノード機構
によってばね鋼母材を電気化学的に防食するときには、
局部電池の原理に基づいて陰極部である鋼母材表面に水
素が発生し、これがばね鋼母材中に侵入して遅れ破壊を
生じるという問題がある。

【０００５】また、電気めっき以外の表面処理により犠
牲アノードとして機能する金属膜を形成した場合、例え
ば特開平７−３４９１号公報に記載されたように亜鉛を
刷毛めっきした場合であっても犠牲アノード作用の発揮
に際しては同様に局部電池の形成による水素発生を起こ
してばね鋼母材への水素侵入による遅れ破壊が生じ、十
分な環境脆性が得られない。このように、従来において
は、高応力化というニーズと、環境脆性に強いというニ
ーズとをともに満足するばねは存在していなかった。

【０００６】この発明は、上記のような問題に鑑みてな
されたものであり、高強度で、しかも高い耐環境脆性
（腐食疲労や遅れ破壊などの環境脆化を起こし難い特
性）を有する環境脆性の良好な高強度ばねを提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、ばね鋼母材
の表面の少なくとも一部が犠牲アノードとして機能する
防食膜で被覆されたばねであって、上記目的を達成する
ため、前記ばね鋼母材に炭窒化物形成元素を添加するこ
とで前記ばね鋼母材中に炭窒化物を微分散させている。

【０００８】この発明では、犠牲アノードとして機能す
る防食膜をばね鋼母材の表面の少なくとも一部に被覆す
ることでカソード防食するとともに、当該防食膜の欠点
である耐環境脆性の低下を、ばね鋼母材中に分散された
炭窒化物が防いでいる。すなわち、防食膜を形成するこ
とにより発生する水素を上記炭窒化物がトラップして腐
食疲労や遅れ破壊などの抑制する。

【０００９】具体的には、前記炭窒化物形成元素とし
て、Ｔｉ：０．００１〜０．５％Ｎｂ：０．００１〜０．５％Ｔａ：０．００１〜０．５％の少なくとも１種の元素を添加すると共に、Ｎ：０．００１〜０．０２％を含有している。

【００１０】また、前記防食膜としては、前記ばね鋼母
材よりも電気化学的に卑な金属またはその合金からなる
金属膜や、非金属膜中に前記ばね鋼母材よりも電気化学
的に卑な金属またはその合金を多数分散させた複合膜が
用いられている。さらに、前記ばね鋼母材として、Ｃ：
０．７％以下、Ｓｉ：０．１〜４．０％およびＭｎ：
０．０１〜２．０％を含有するばね鋼を採用することが
できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】この発明にかかるばねは、１８０
０ＭＰａ以上の引張強度を有するばね鋼を母材とし、当
該ばね鋼母材の表面の少なくとも一部に犠牲アノードと
して機能する防食膜が被覆されている。この防食膜とし
ては、例えば亜鉛、アルミニウム、マグネシウムなどで
代表されるばね鋼母材よりも電気化学的に卑な金属、あ
るいはそれらの金属元素を少なくとも１つ以上含む合金
からなる膜を用いることができる。また、防食膜として
上記金属膜や合金膜の他に、上記金属あるいはその合金
を非金属膜中に多数分散してなる複合膜を用いることが
できる。このような複合膜としては、例えば金属亜鉛末
（ジンクダスト）を塗膜（非金属膜）中に多数含有する
塗料であるジンクリッチペイント、複合めっきおよび複
合セラミックスなどが含まれる。なお、ばね鋼母材への
防食膜の被覆方法には、電気めっき法や溶融めっき法を
はじめとして、真空蒸着法、スパッタリング法、イオン
プレーティング法、ＣＶＤ法やイオン注入法などの気相
コーティング法があり、いずれの被覆方法を用いてもよ
い。

【００１２】このようにしてばね鋼母材の表面の少なく
とも一部に防食膜を被覆し、当該防食膜とばね鋼母材と
で構成される局部電池によって防食膜の一部が溶解し、
これが犠牲アノードとなってばね鋼母材にカソード電流
を与えるように構成することで、ばね鋼母材をカソード
防食し、高応力のばねを効果的に電気化学的に防食する
ことができる。

【００１３】ところが、ばね鋼母材を犠牲アノードによ
り電気化学的に防食する場合、上記において説明したよ
うに、水素が発生し、遅れ破壊を発生させたり、腐食疲
労に基づくクラックの進展を促進するなどの有害作用を
及ぼす（後で説明する比較例を参照）。特に、防食膜が
ばね鋼母材に対して電気化学的に卑であればある程、防
食効果が高まるものの、その反面、発生する水素量も増
加し、より重大な悪影響を及ぼすことになる。また、防
食膜の形成方法（被覆方法）によっては、防食膜の被覆
時に水素が発生し、上記と同様の問題が生じる。特に、
亜鉛の防食膜を電気めっきでばね鋼母材表面に被覆する
場合、当該めっき時に水素が発生し、水素吸蔵によるめ
っき脆化に至る危険性が極めて高いものとなっている。
また、真空蒸着やスパッタリングなどの気相コーティン
グ法により防食膜をばね鋼母材表面に被覆する場合であ
っても、従来より周知のように、ばね鋼母材表面の酸化
皮膜を予備的に還元する処理が行われており、当該還元
処理によってばね鋼母材に水素が侵入する。さらに、い
ずれの被覆方法を採用したとしても、酸化スケールの酸
洗い処理時に少なからずばね鋼母材の水素吸蔵が生じ、
これが脆化促進の要因の一つをなっている。このよう
に、ばね鋼母材の表面に防食膜を全面あるいは局部的に
被覆する場合には、いかなる被覆方法を採用するかに拘
らず、水素による悪影響（腐食疲労や遅れ破壊などの環
境脆化）を抑制することが重要となる。

【００１４】そこで、本発明の実施形態にかかるばねで
は、ばね鋼母材にＴｉ、ＮｂやＴａなどの炭窒化物形成
元素が添加されて、前記ばね鋼母材中に微細な炭窒化物
が多数分散析出されているので、防食膜の被覆前処理お
よび被覆処理によって発生し、ばね鋼母材中に侵入して
くる水素やリンなどの不純物を当該炭窒化物がトラップ
して環境脆化を抑制している。また、微細な炭窒化物に
よってばね鋼母材自体の強度・靭性が高められており、
ばね全体の高応力化を図っている。

【００１５】また、炭窒化物形成元素のばね鋼母材への
添加により耐環境脆性を高める上では、炭窒化物形成元
素としてＴｉ、ＮｂおよびＴａの少なくとも１種の元素
を、０．００１〜０．５％の範囲で含有させるととも
に、Ｎを０．００１〜０．０２％の範囲で含有させるの
が好ましい。これは、Ｔｉ、ＮｂおよびＴａの少なくと
も１種の元素を炭窒化物形成元素として添加し、炭窒化
物を形成するためには少なくとも当該元素を０．００１
％以上添加するとともに、ばね鋼母材中にＮを０．００
１％以上含有する必要がある一方、逆に当該炭窒化物形
成元素が０．５％を越えて、またＮが０．０２％を越え
て含有されると、製造プロセスの凝固過程でばね鋼に粗
大な炭窒化物が生成され、また粗大炭窒化物の個数が増
大してばねの疲労特性を劣化させるおそれがあるという
理由からである。なお、炭窒化物形成元素としてＴｉ、
ＮｂおよびＴａを微量ずつ添加した場合であっても、そ
れらの総量が０．００１％以上であれば、Ｔｉ、Ｎｂお
よびＴａの少なくとも１種の元素を炭窒化物形成元素と
して添加した場合と同様の効果が得られる。

【００１６】さらに、粗大析出物が起点となってばね疲
労寿命を低下させるという危険性を回避するために、炭
窒化物形成元素として添加されたＴｉ、ＮｂあるいはＴ
ａは０．１％以下に調整するとともに、Ｎは０．０１％
以下、さらに好ましくは０．００７％以下に調整するの
が望ましい。

【００１７】ところで、上記においては、引張強度が１
８００ＭＰａ以上のばね鋼母材の表面の少なくとも一部
に犠牲アノードとして機能する防食膜を被覆するととも
に、当該ばね鋼母材が炭窒化物形成元素を含有するよう
に構成することで、高強度で、しかも高い耐環境脆性を
有するばねを提供しているが、ばね鋼母材の成分を以下
のように調整することでばね鋼母材自体の特性（強度、
靭性、へたり性および疲労など）を改善して優れたばね
を提供することが可能となる。以下、その理由について
説明する。

【００１８】Ｃ：０．７％以下Ｃは鋼中に必須的に含まれてくる元素であり、微量でも
存在すればその存在量に応じて焼入れ焼戻し後の強度
（硬さ）の向上に寄与する。そしてＣ量が０．３％未満
では、焼入れ焼戻し後の強度（硬さ）がやや不十分とな
り、一方０．７％を超えると、焼入れ焼戻し後の靭延性
が劣化するばかりでなく、耐食性にも悪影響が現われて
くる。ばね鋼としての強度と靭性を考慮すると、より好
ましいＣ量は０．３〜０．５５％、更に耐水素脆性や腐
食疲労特性のより確実な改善を図る上では０．３０〜
０．５０％の範囲が好ましい。

【００１９】Ｓｉ：０．１〜４．０％Ｓｉは固溶強化元素として強度向上に寄与する元素であ
り、０．１％未満ではマトリックス強度が不足気味にな
る嫌いがある。しかし４．０％を超えて過多に添加する
と、焼入れ加熱時に炭化物の溶け込みが不十分となり、
均一にオーステナイト化させるのにより高温の加熱が必
要となって表面の脱炭が進み、ばねの疲労特性が悪くな
る。ばね素材としての強度と硬さおよび脱炭抑制という
観点から、Ｓｉのより好ましい範囲は１．０〜２．０％
の範囲である。

【００２０】Ｍｎ：０．０１〜２．０％Ｍｎは焼入れ性向上元素として０．０１％以上含有させ
るのがよい。しかし２．０％を超えると、焼入れ時に多
量の残留オーステナイトが出現し、強度や硬さを悪化さ
せることがあるので注意しなければならない。Ｍｎのよ
り好ましい含有量は０．１〜０．５％の範囲である。

【００２１】Ｐ：０．０１％以下Ｐは鋼中に不可避的に混入してくる不純物であり、粒界
偏析を起こして粒界強度を低下させ粒界破壊の原因とな
るので、０．０１％程度以下に抑えるべきである。

【００２２】Ｓ：０．０１％以下Ｓは他の元素と結合して硫化物系介在物を形成するが、
Ｓの含有量の増加に伴って硫化物系介在物のサイズおよ
び個数が増大して疲労特性に悪影響が現われてくるの
で、Ｓは０．０１％以下に抑えるべきである。

【００２３】Ｎｉ：５．０％以下Ｎｉは、微量でも存在すればその存在量に応じて焼入れ
焼戻し後の素材の靭性を高めると共に、生成する錆を非
晶質で緻密なものとして耐食性を高める作用があり、更
にばね特性として重要なへたり特性を改善する作用も有
しているが、５．０％を超えて含有させると焼入れ性が
過度に増大し、圧延後に過冷却組織が出易くなる。Ｎｉ
のより好ましい範囲は０．１〜２．０％の範囲である。

【００２４】Ｃｕ：１．０％以下Ｃｕは電気化学的に鉄より貴な元素であり、耐食性を高
める作用がある。こうした作用は、Ｃｕが微量でも存在
すればその存在量に応じて発揮されるが、０．０５％以
上の添加によって特に有効に発揮される。しかし、１．
０％を超えてもそれ以上の耐食性向上効果は期待でき
ず、むしろ熱間圧延による素材の脆化を引き起こす恐れ
が生じてくる。Ｃｕのより好ましい範囲は０．１〜０．
５％の範囲である。

【００２５】Ｃｒ：５．０％以下Ｃｒは、表層部に生成する錆を非晶質で緻密なものと
し、耐食性の向上に寄与する他、Ｍｎと同様に焼入れ性
向上にも有効に作用する。こうした効果は、Ｃｒが微量
でも存在すればその存在量に応じて発揮されるが、０．
０５％以上の添加によって特に有効に発揮される。しか
し、５．０％を超えて過度に添加すると、焼入れ時に炭
化物の溶け込みが起こりにくくなって強度や硬さに悪影
響を及ぼす様になる。Ｃｒのより好ましい含有量は０．
２〜１．５％の範囲である。

【００２６】Ｖ：０．５％以下Ｖは微量でも存在すればその存在量に応じて炭・窒・硫
化物よりなる微細析出物を形成して耐水素脆性および疲
労特性を一段と高める作用を発揮するばかりでなく、結
晶粒微細化効果を発揮して靭性や耐力を高め、更には耐
食性や耐へたり性の向上にも寄与する。しかし多過ぎる
と、焼き入れ加熱時にオーステナイト中に固溶されない
炭化物量が増大して満足な強度と硬さが得られにくくな
るので、０．５％以下、より好ましくは０．０５％以上
０．３％以下に抑えるべきである。

【００２７】Ｍｏ：１．０％以下Ｍｏは、微量でも存在すればその存在量に応じて焼入性
を向上させると共に、腐食溶解時に生成するモリブデー
トイオンの吸着作用によって耐食性を高める作用も有し
ており、更には粒界強度を高めて耐水素脆性を改善する
効果も発揮する。これらの作用は０．０５％以上、好ま
しくは０．１％以上含有させることによって有効に発揮
される。しかし、それらの効果は約１．０％で飽和する
ので、それ以上の添加は経済的に全く無駄である。

【００２８】Ａｌ，Ｂ，Ｃｏ，Ｗよりなる群から選択さ
れる少なくとも１種いずれも靭性を高めて耐へたり性の向上に寄与する元素
であり、またＡｌは結晶粒度を微細化して耐力比を向上
させ、Ｂは焼入性の向上により粒界強度を高める作用を
有し、ＣｏとＷは焼入れ焼戻し後の強度と硬さを高める
他、Ｂは表面に生成する錆を緻密化して耐食性を高め、
Ｗは腐食溶解時にタングステン酸塩イオンを形成して耐
食性の向上に寄与する。これら元素の作用は、Ａｌ：
０．００５％程度以上、Ｂ：１ｐｐｍ程度以上、Ｃｏ：
０．０１％程度以上、Ｗ：０．０１％程度以上の添加で
有効に発揮されるが、Ａｌが１．０％を超えると酸化物
系介在物の生成量が増大すると共にそのサイズも粗大化
して疲労特性に悪影響を及ぼし、ＢおよびＣｏの上記添
加効果は約５０ｐｐｍおよび５．０％で飽和するので、
それ以上の添加は経済的に無駄であり、またＷ量が１．
０％を超えると素材靭性に悪影響を及ぼす様になる。こ
れらの観点から上記元素のより好ましい含有量は、Ａ
ｌ：０．０１〜０．５％、Ｂ：５〜３０ｐｐｍ、Ｃｏ：
０．５〜３．０％、Ｗ：０．１〜０．５％の範囲であ
る。

【００２９】Ｃａ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｒｅｍの１種以上これらの元素はいずれも耐食性の向上に寄与する元素で
あり、又Ｃａは更に強脱酸元素としての作用を発揮して
鋼中の酸化物系介在物を微細化して靭性の向上にも寄与
する。これらの元素によって耐食性が高められる理由
は、次の様に考えられる。即ち鋼の腐食が進行していく
際に、腐食疲労の起点となる腐食ピット内では、Ｆｅ→Ｆｅ²⁺＋２ｅ^- Ｆｅ²⁺＋２Ｈ₂ Ｏ→Ｆｅ（ＯＨ）₂ ＋２Ｈ⁺ の反応が起こり、腐食ピット内部が酸性化すると共に、
電気的中性を保つために外部よりＣｌ^- イオンが集ま
り、腐食ピット内部の液性が厳しくなって腐食ピットの
成長が促進される。ところが鋼中に適量のＣａ，Ｌａ，
Ｃｅ，Ｒｅｍが存在するとこれらは鉄と共に溶解する
が、これらの元素は塩基性元素であるため液性も塩基性
化し、その結果、腐食ピット内部の液が中性化されて該
ピットのその後の成長が著しく抑制されるためと考えら
れる。こうした効果は、Ｃａで０．１ｐｐｍ以上、Ｌ
ａ，Ｃｅ，Ｒｅｍでは夫々０．００１％以上、より確実
には０．００５％以上含有させることによって有効に発
揮されるが、Ｃａ量が２００ｐｐｍ以上になると製鋼時
における炉壁耐火物の損傷が著しくなり、またＬａ，Ｃ
ｅ，Ｒｅｍの効果は夫々約０．１％で飽和するため、そ
れ以上の添加は経済的に無駄である。

【００３０】また、上記成分組成のばね鋼を懸架ばね等
のばねに加工する場合、鋳片を熱間圧延して線状に加工
した後焼入れ焼戻し処理し、或はオイルテンパー処理を
施して所定の素線硬さ（引張強度）に調質してからばね
状に加工されるが、その際、旧オーステナイト粒径が２
０μｍ以下（より好ましくは１５μｍ以下）、硬さがＨ
ＲＣ５０以上（より好ましくは５２以上）、破壊靭性値
Ｋ_ICが４０ＭＰａ√ｍ以上（より好ましくは５０ＭＰａ
√ｍ以上）となる様に調整することが望ましい。

【００３１】しかして、旧オーステナイト結晶粒径が２
０μｍ以下のものでは、該微細な結晶粒界に生成する前
記炭・窒・硫化物も極めて微細なものとなり、靭性や疲
労特性には殆んど悪影響を及ぼすことなく拡散性水素ト
ラップとしての機能を有効に発揮し得るものとなるから
である。この様な結晶粒径を得るには、オーステナイト
化熱処理条件を適正に調整すればよい。

【００３２】また、高強度懸架ばね等として満足のいく
耐久性や耐へたり性を確保するうえで、焼入れ焼戻し後
の素線硬さも重要であり、懸架ばねとして満足のいく耐
久性と耐へたり性を確保するには、焼入れ焼戻し後の素
線硬さでＨＲＣ５０以上、破壊靭性値で４０ＭＰａ√ｍ
以上を確保するのがよく、ＨＲＣ５０未満では耐久性や
耐へたり性が不足気味となり、また破壊靭性値が４０Ｍ
Ｐａ√ｍ未満では、靭性不足により満足のいく耐水素脆
性が発揮されにくくなる。耐久性、耐へたり性、耐水素
脆性等を総合的に考慮してより好ましい硬さはＨＲＣ５
２以上、破壊靭性値は５０ＭＰａ√ｍ以上である。

【００３３】

【実施例】次に本発明の実施例を示すが、本発明はもと
より下記実施例によって制限を受けるものではなく、前
後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施
することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の
技術的範囲に含まれる。

【００３４】実施例１表１に示すＮo.１〜１９の化学成分の鋼材を溶製した
後、造塊法または連続鋳造法によって鋳造し、その後分
塊圧延によって１５５ｍｍ角のビレットを作製し、更に
熱間圧延によって直径１４ｍｍの線材に加工した。各線
材を直径１２．５ｍｍまで引き抜き加工してから焼入れ
焼戻し処理を行ない、機械加工によって板状試験片を作
製した後、塩化浴（２．２mol ＺｎＣｌ₂ ：５．５mol
ＮＨ₄ Ｃｌベース）を用いて電気亜鉛めっき（めっき厚
さ１０μｍ）を施して犠牲アノードとして機能する防食
膜を形成し、当該試験片を試験に供した。なお、引張強
度については、焼戻し温度により調整した。

【００３５】同表中の「めっき脆性」については、電気
亜鉛めっき（膜厚１０μｍ）後、直ちに引張強度の６０
％の応力を負荷しながら放置しておき、割れを生じたも
のに対して同欄中に「●」を付す一方、割れを生じなか
ったものに対して同欄中に「○」を付している。

【００３６】また、試験片のうち割れを生じなかったも
のについてのみ引張強度の８０％の一定負荷を与えなが
ら、８時間の塩水噴霧処理（３５℃、５％ＮａＣｌ）と
１６時間の恒温恒湿処理（３５℃、６０％相対湿度）と
を繰り返す複合サイクル試験を行い、亜鉛めっき（防食
膜）の表面に赤錆が発生した時点で試験を停止すること
とし、その試験中に割れが生じたものに対して「遅れ破
壊」の欄中に「●」を付す一方、割れを生じなかったも
のに対して同欄中に「○」を付している。表１に本発明
の比較例（No. １〜６）および本発明例（No. ７〜１
９）の鋼材組成と、環境脆化（めっき脆性および遅れ破
壊）に対する性能試験結果を示す。

【００３７】

【表１】

【００３８】表１より次の様に考察することができる。
比較例（No. １〜６）から明らかなように引張強度が１
８００ＭＰａを超えるばね鋼母材に犠牲アノードとして
機能する防食膜（この実施例では電気亜鉛めっき膜）を
被覆すると、めっき脆化あるいは遅れ破壊が生じてばね
の環境脆性は低くなっているが、本発明で規定したよう
にばね鋼母材が炭窒化物形成元素を含有する本発明例
（No. ７〜１９）では、防食膜を被覆した場合であって
も、めっき脆化および遅れ破壊のいずれも発生していな
い。したがって、同表から、本発明によれば高い耐環境
脆性を有するばねが得られることがわかる。

【００３９】実施例２また、以下の実施例２から、上記したようにばね鋼母材
の鋼成分を調整することでばね鋼母材自体の特性を高め
ることができ、ばねの特性を高めることができることが
わかる。

【００４０】表２，３に示すＮo.２１〜５３の化学成分
の鋼材を溶製した後、造塊法または連続鋳造法によって
鋳造し、その後分塊圧延によって１５５ｍｍ角のビレッ
トを作製し、更に熱間圧延によって直径１４ｍｍの線材
に加工した。各線材を直径１２．５ｍｍまで引き抜き加
工してから焼入れ焼戻し処理を行ない、機械加工によっ
て破壊靭性試験片、水素脆化試験片、回転曲げ腐食疲労
試験片および回転曲げ疲労試験片を作製した。尚焼戻し
条件は、３５０〜４５０℃×１時間の範囲で硬さがＨＲ
Ｃ５３〜５５となる様に調整した。

【００４１】破壊靭性試験片はＣＴ試験片で、長さ約３
ｍｍの疲労予亀裂を導入したものを使用し、１０トン・
オートグラフ引張試験機を用いて大気中室温で試験を行
なった。腐食疲労試験は、３５℃の５％ＮａＣｌ水溶液
を試験片に滴下する方式で行ない、試験片には全て同一
条件のショットピーニング処理を行ない、応力７８４Ｍ
Ｐａ、回転速度１００ｒｐｍで行なった。水素脆化割れ
試験は、陰極チャージによる４点曲げで０．５ｍｏｌ／
１−Ｈ₂ ＳＯ₄ と０．０１ｍｏｌ／１−ＫＳＣＮ（チオ
シアン酸カリウム）混合溶液中に試験片を浸漬し、ポテ
ンショスタットを用いて−７００ｍＶｖｓＳＣＥの
電圧をかけて行なった。応力は曲げ応力で１４００ＭＰ
ａとした。回転曲げ疲労試験は、試験片に全て同一の条
件でショットピーニング処理を施し、応力８８１ＭＰ
ａ、試験本数各１０本とし、１．０×１０⁷ 回で試験中
止とした。

【００４２】またＴｉ，Ｎｂ，Ｖの炭・窒・硫化物の大
きさと個数の測定にはＥＰＭＡを使用した。即ち、回転
曲げ試験片の縦断面（中心線を通る）の表面から深さ
０．３ｍｍよりも内部において被検面積（長辺／短辺＝
５、表層から深さ０．３ｍｍの部分に長辺が接する）２
０ｍｍ² を網羅する様に自動運転して全介在物をピック
アップし、平均粒子径３μｍ以上の介在物の大きさと組
成分析を行なった。また平均粒子径が３μｍ未満の析出
物については、水素脆化試験後の試験片を使用し、ＥＰ
ＭＡおよびＡｕｇｅｒ電子分光装置を用いて各鋼種の合
計２０視野を観察して析出物の組成を同定すると共に、
写真撮影（１０００〜２００００倍）によってその大き
さと個数を測定し、個数については被検面積２０ｍｍ²
として換算して求めた。表２に本発明の鋼材組成を、ま
た表３に比較例の鋼材組成を示し、また表４，５に性能
試験結果を示す。

【００４３】

【表２】

【００４４】

【表３】

【００４５】

【表４】

【００４６】

【表５】

【００４７】表２〜５より次の様に考察することができ
る。本発明の規定要件を全て満足するＮｏ．２１〜４１
の実施例は、耐水素脆性、腐食疲労寿命、疲労特性のい
ずれにおいても良好な結果が得られている。特に耐水素
脆性について、Ｔｉ，Ｎｂを含まないＮｏ．４２，４３
の比較例と対比すると、実施例の方が格段に優れている
ことが分かる。

【００４８】また実施例の中でも、適量のＶを含むもの
は、Ｖを含まない他の実施例に比べて耐水素脆性、腐食
疲労寿命、疲労特性のいずれにおいても良好な結果を示
している。また、Ｃ含有量が０．３０〜０．５０％の最
適範囲内にある鋼種（Ｎｏ．２３〜４１）は破壊靭性値
が高く水素脆化割れ寿命も長くなっている。主たる含有
元素については規定要件を満足するものであっても、不
純物元素であるＰやＳ、あるいはＺｎ，Ｓｎ，Ａｓ，Ｓ
ｂ等の含有量が多く、その為に粗大介在物サイズと個数
が好適要件を外れる比較例（Ｎｏ．４６）では、水素脆
化割れ寿命の改善効果が殆んど発揮されなくなる。

【００４９】腐食耐久性を考慮してＮｏ２２〜２６の如
くＮｉ，Ｃｒ，Ｍｏを適量含有させたものでは、これら
を含まないＮｏ．２１の実施例（但し、少量のＣｒが含
まれている）に比べて腐食疲労寿命が格段に高まること
が分かる。更に、強度と靭性を高めるため適量のＡｌ，
Ｂ，Ｃｏ，Ｗを積極添加した鋼種（Ｎｏ．２７〜３０）
では、耐水素脆性、腐食疲労寿命のいずれにおいてもＮ
ｏ．２２〜２６と同等レベルの優れた特性を示してい
る。耐食性向上を目的として適量のＣａ，Ｌａ，Ｃｅ，
Ｒｅｍを添加した鋼種（Ｎｏ．３１〜３４）は、比較鋼
種（Ｎｏ．４２〜５３）に比べて腐食疲労寿命の向上が
明確に表われている。

【００５０】析出物のサイズと個数の影響を見ると、本
発明の好適要件を満たすものでは疲労試験による介在物
切損がなく、疲労特性に悪影響を及ぼしていないことが
分かる。これに対してＮｏ．４４，４５は、凝固時の冷
却速度を遅くすることにより粗大な介在物を多量生成さ
せた比較例であり、粗大介在物起因の折損の確率が高く
なり、疲労寿命が極端に低下している。

【００５１】鋼中の主要元素であるＣ，Ｓｉ，Ｍｎにつ
いては、Ｃ量が不足気味であるものでは焼入れ焼戻し後
の強度がやや低く、逆に多過ぎるもの（Ｎｏ．４７）で
は、破壊靭性値が低下すると共に水素脆化割れ寿命も悪
くなる傾向がうかがわれる。Ｓｉ量が不足気味であるも
のでは硬さやや不足し、逆に多過ぎるＮｏ．４８では靭
性がやや低くなっている。またＭｎ量が不足気味である
ものでは焼きが入りにくくなって硬さ不足となる傾向が
うかがわれる。更にＭｎ，Ｃｒ，Ｍｏ量が多過ぎるもの
（Ｎｏ．４９〜５１）では、残留オーステナイトが多量
に存在することによる硬さ不足の傾向が表われている。
また、ＮやＳ含有量が規定要件を外れる比較例（Ｎｏ．
５２，５３）では、Ｔｉ，Ｎｂ炭・窒・硫化物よりなる
粗大介在物の個数が多くなり、疲労特性等の劣化が著し
いことが分かる。

【００５２】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、ばね
鋼母材の表面の少なくとも一部を犠牲アノードとして機
能する防食膜で被覆することでカソード防食するととも
に、当該ばね鋼母材に炭窒化物形成元素を添加すること
で前記ばね鋼母材中に炭窒化物を微分散させているた
め、防食膜を形成することにより発生する水素をトラッ
プすることができ、腐食疲労や遅れ破壊などの抑制し、
耐環境脆性を向上させることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者茨木信彦神戸市灘区灘浜東町２番地株式会社神戸製鋼所神戸製鉄所内 (72)発明者家口浩神戸市西区高塚台１丁目５番５号株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者難波茂信神戸市西区高塚台１丁目５番５号株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ばね鋼母材の表面の少なくとも一部が犠
牲アノードとして機能する防食膜で被覆されたばねにお
いて、前記ばね鋼母材に炭窒化物形成元素が添加されて前記ば
ね鋼母材中に炭窒化物が微分散していることを特徴とす
る環境脆性の良好な高強度ばね。
【請求項２】前記ばね鋼母材が、前記炭窒化物形成元素として、Ｔｉ：０．００１〜０．５％（質量％を意味する、以下
同じ）Ｎｂ：０．００１〜０．５％Ｔａ：０．００１〜０．５％の少なくとも１種の元素を含有すると共に、Ｎ：０．００１〜０．０２％を含有する請求項１記載の環境脆性の良好な高強度ば
ね。
【請求項３】前記防食膜が、前記ばね鋼母材よりも電
気化学的に卑な金属またはその合金からなる請求項１ま
たは２記載の環境脆性の良好な高強度ばね。
【請求項４】前記防食膜が、前記ばね鋼母材よりも電
気化学的に卑な金属またはその合金を非金属膜中に多数
分散させたものである請求項１または２記載の環境脆性
の良好な高強度ばね。
【請求項５】前記ばね鋼母材が、Ｃ：０．７％以下、
Ｓｉ：０．１〜４．０％およびＭｎ：０．０１〜２．０
％を含有するばね鋼である請求項１ないし４のいずれか
に記載の環境脆性の良好な高強度ばね。