JPS60116720A - 耐へたり性の優れたばねの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明（Ｉ′ｉ、例えば自動車の懸架ばねとして使用
される特に常温で耐へたり性に優れ、しかも耐久性１（
富むばねの製造方法に関する。

自動車用等の輸送機器に使われるばねには耐へたり性、
耐久性が要求される。特に最近の自動屯業界の重要な課
題は軽量化であり懸架ばねについても軽量化の要望が強
い。

ばねにとって軽量化することは、ばねの負荷応力の上昇
の問題に連がる。そこで近年、高応力設計を可能にする
ために、耐へたり性と耐久性とに優れたばねが強く要望
されてきた。

ばねを繰返し圧縮して長時間使用した後、圧縮力を開放
するときに復元長さの減少を来さない性質、すなわち耐
へたり性は針設上重要な因子であるが、これは米国の自
動車について安全基準（自動車のバンパー高さの経年変
化の規定）が発端になってへたりに対する考え方が厳し
くなってきたからであった・ 従来技術 耐へたり性を改善する手段としてばね鋼の高硬度化が有
効であることは周知であるが、この高硬度化はばねの早
期破壊の原因となるので実現が困難であった。ばねが早
期破壊しないためには靭性があること、すなわち耐久性
がないといけないからである。すなわちばねとしては耐
へたり性と耐久性の両性質をイｊすることが必要なので
あ今。

従来、ばねＩｒ１ｆｉとして要求される機械的強度を向
−］ニさせるために、炭素含有量を高めたり、種々の６
金元素を添加したりすることが試みられている。

ｕｓａ４ｓｏｔ　「ばね鋼材」には各種のばね鋼が規定
されているが、それらは耐へたり性が十分ではない。

例えば従来耐へたり性の優れたばねとしてＩｔｓＳＵＰ
７ばね鋼か多く用いられているが、懸架ばねの軽量化に
対する要求は厳しく、ｌｌ５ＳＵＰ７を用いたばねより
も、さらに耐へ゛たり性の優れたばねの開発が強く望ま
れてきた。

発明の目的 本発明は上記業界の要望に応え、耐へだり性において従
来のばねよりも遥かに優れ、しかも耐久性を兼備するば
ねの製造方法の開発を目的とする。

発明の構成 一般に、鋼を冷間加工し、その後荷重を除去して時効さ
せることを歪時効と云うが、本発明者は種々の研究実験
により、ばね鋼を歪時効処理することが降伏点を上昇さ
せて耐へたり性を改善する上で極めて有効であるこを見
出しだ・ ばね鋼の歪時効処理の効果を十分に発揮するには、鋼に
Ｎを添加し且つ酸可溶性（Ｓｏｊｌ）ＡＡを低く抑える
ことによって鋼中の固溶Ｎを増大させることが重要であ
り、Ｎが鋼中に固溶Ｎとして存在することが冷間加工に
よって導入された転位を固定させ、効果的に降伏点を上
昇させる。

ＡｌばＮとの親和力が大きいので、Ａｌが鋼中に存在す
るとＡＩＮとなり、Ｎを固定して」１記Ｎの降伏点を上
昇させる効果を減少させる。これよりしてＡ７Ｉ含有量
を低減させることによって固溶Ｎを増大させ得るとの知
見を得た。

もう一つの知見は鋼中酸素を減少させる点である。上記
の固溶Ｎ増大による歪時効処理は耐へたり性を改善する
ことに有効であるか、反面ばねを脆くし、早期折損の原
因となる問題がある。

本発明者は鋼中の酸化物系介在物を低減させることかこ
の早期折損の問題を解決する手段として効果的であるこ
と、すなわち鋼中に存在する酸化物系介在物が疲労破壊
あるいは脆性破壊の起点になるので、これを１成域させ
ることが高硬度下での靭性を増大させ、その結果、耐久
性を向上させる手段となることを確認した。

なおまた前記基本元素の池に、ばねの用途、要求性能に
応じてＳ　ｉ、　Ｃｒ、　Ｖ、　Ｎｂ、　Ｂの各種元素
の１種あるいは１種以上を添加することにより耐へたり
性、耐久性の一層殴れるばねの製作が１げ能となる。

既述のとおり、本発明の方法は歪時効によりばねの１（
１１ｊへたり性を改善する点に特徴を有するものである
。然してこの歪時効処理は、何等特殊な工程を導入する
ことなく、通常のばね製造工程で実施される冷間セツテ
ィング（歪の導入）、および塗装後の乾燥熱（時効処理
）によっても有効に行われｆｆｌ、るのであるが、本発
明者はさらに実験の結果、冷間歪の導入量および時効温
度に一定の制限を設けることによって、耐へたり性に一
層優れた効果をもつばねが得られることを発見した。

本発明はこれらの知見に基〈もので、 Ｃ：　０．５０−０．７０％、Ｍｎ　：　０．５０−１
．５０％、Ｎｉ：０．０１０−０．０２０％、５ｏ７１
Ａｎ　：　０．０１０　％以下、鋼中Ｏ：０．００２チ
以下で、更に必要に応じ、Ｓｉ　：　０．５０〜２．５
０％。

Ｖ：０．０２〜０．３０係、Ｎｂ：０．０１〜０．３０
％のＬ種または２種以上、Ｃｒ　：　０．２０−１．０
％　、　Ｂ　：　０．０００５−０．００４０チの１種
または両種、の一方または双方を含み。

残部はＦｅおよび不可避的不純物よりなる鋼をコイルに
成形し、これに残留歪ｏ、ｉｏ〜１．０％を与えるよう
に冷間セツティングを施し、しかる後１５０〜３００’
Ｃに加熱処理を行うことを特徴とする耐へだり性の優れ
たばねの製造方法を要旨とする。

次に上記の如く成分の範囲および構成要件を特定した理
由を説明する。

Ｃ：Ｃはばね強度を得るのに必須の成分である。

０．５０％未満では十分な強度が得られず、０．７０％
を超えては靭性が阻害される。

Ｍｎ：Ｍｎは鋼に焼入性を付与するのに必須の成分であ
る。０．５０％未満では十分な効果が得られず、１．５
０係を超えると焼入性が過大となるだけでなく、靭叶が
１≦１」害される。

ＮＵＮは鋼中で遊離Ｎとして歪時効を促進させる。

０．０１０％未満では十分な効果が得られず、０．０２
０係を超えると時効効果が過大となり靭性を劣化させる
。

５ｏｅｓＡｅｘ鋼中に酸可溶性Ａ６として存在すると、
Ａ７！ＮとしてＮを固定してＮの歪時効に対する効果を
減殺するのでｏ、ｏｔｏ％以下に管理する必要がある。

鋼中０：鋼中０は鋼中にて酸化物介在物として存在し、
破壊靭性を劣化させて疲労破壊の原因となる０、００２
０％以下にすることによって酸化物介在物は大巾に減少
し、破壊靭性を改善して耐久性を向−ヒさせるため、歪
時効による耐久性の劣化を防止できる。なお酸素の低減
は例えば製鋼工程での脱ガス処理、あるいは真空溶解等
で達成することができる。

Ｃｔ：Ｗ４に焼入性の付与および脱炭層生成の抑制（炭
素の活量を低下）１７５両方の効果をもつ。ばねの線径
が太くて基礎成分では焼入性が不足する場合に、線径に
応じて添加する。０．２０％未満では焼入性の付与、脱
炭層生成の抑制の効果が十分でな（，１，０係を超えて
添加しても効果の改善はみられない。

Ｂ：低温焼戻時に鋼の破壊靭性を改善する。鋼中Ｏの減
少と同様、歪時効による耐久性の劣化を防止する。０．
、ＯＯＯ５％未満では十分な効果が得られず、０．００
４０％を超えて添加しても効果の改善はみられない。

Ｓｔ　、Ｖ、Ｎｂ　：　Ｓｉ　、Ｖ、Ｎｂはその中から
１種または２種以上を選択使用できる元素である。Ｖ、
Ｎｂは鋼中で炭化物として存在し、結晶粒を微細化する
ことにより、Ｓｌは焼戻時に析出する炭化物を微細均一
化することにより、耐へたり性を改善する。基礎成分鋼
の耐へたり性をさらに増強する場合に添加する。Ｓｉは
０．５０％未満は通常の脱酸剤として不可避的に混入す
る。０．５０％以上の添加により耐へたり性の効果が得
られる。２．５０％を超えて添加しても効果の改善はみ
られず、逆に熱処理時の脱炭層の生成が顕著になる。■
は０．０２チ、Ｎｂは０．０１俤を下回ると十分な上記
効果は得られず、共に０．３０％を超えても効果の改善
はみられず高価となるだけである。

なお鋼中に不可避的に混入する不純物については、Ｐを
０．０１５チ以下、Ｓを０．０１０チ以下ｓＴｔを０．
００５％以下に調整することも鋼の破壊靭性を改善する
手段として有効である。またばね鋼を熱処理して使用す
るときは焼入性のよいこと、鋼の表面に生ずる脱炭層を
薄くすることが耐久性を保つのに必要である。

次に冷同セツティングによる歪の導入量および加熱処理
すなわち塗装後の乾燥温度についてであるが、本発明者
は冷間歪の導入量および時効温度の影響を調査するため
に挾りクリープ試験を実施した。ばねのへたりは一種の
クリープ現象とされ、耐へたり性は涙りクリープ試験に
よって評価することができる。

第１図、第２図に該試験の結果を示す。

この試験の供試試料は後述実施例の項第１表に記載の試
料ｌおよびｌＯである。

供試資料は２０問直径に鍛伸した後半打部を１１趨直径
の試験片に粗加工の後、焼入焼戻処理してロックウェル
Ｃ硬度５１　（ＨＲＣ５１）に調整した後半打部ＩＱｍ
直径の試験片に仕上加工した。

第１図は冷間歪の導入量について調査した結果であり、
上記試験片にＯ〜１．５チの捩り歪を加え、さらに２０
０“ＣＸ　３０　ｍｉｉ’ｎの時効処理したものについ
ての結果である。

冷間歪の導入量を０．１０１以上にすることにより、９
６ｈｒ後のクリープ歪は大巾に減少して優れた耐へたり
性を示していることが判る。ところで実際　、のバネの
セツティング作業において１．０％を超えて残留歪を与
えることは、ばねのコイリング時に過大なピッチ角を要
し、セツティングの時にばねの座屈の原因となるので好
ましくない。従って残留歪の値を０．ｌＯ〜１．０俤の
範囲に選定した。

第２図は時効温度の影響を調査した結果である。

焼入・焼戻処理によりＨＲＣ５１に調整した前記供試片
に０．２　％の換り歪を加え、さらに１００〜３５０’
ＣＸ　３０　ｍｉｎの時効処理したものについての結果
である。１５０〜３００℃の時効処理をすることによリ
、９６ｈ【　後のクリープ歪は大巾に減少し優れた耐へ
たり性を有していることを示している。まだ３００°Ｃ
を超える時効温度でクリープ歪が増大する。

これはセツティングにより生じだ表向の圧縮残留応力が
低ドすることによるものと（毘定され、従って時効を品
度処理範囲を１．５０〜３００’Ｃに設定した。

実ｔイａ１クリｌ 第１表に供試試料のｆｌＺ学成分成分す、試料１−１３
は本発明成分範囲で、Ｎ含有量および酸可溶性Ｎ（Ｓｏ
ｅ−Ａｅ）含有量をそれぞれ０．０１０−０．０２０係
および（１，０１０％以下に調整し、酸素含有量（鋼中
０）を０．００２０％以下に調整しである。比較試料１
４〜１６はＪＩＳＳＯＰ７相当の従来のばねで５ｏｌＪ
−Ａｌが、高い場合（試刺番り・１４．１６）と鋼中０
の高い場合（試料番り°１５）で、いずれも本発明の成
分範囲外のものである。

第２表に各供試試料についての捩ルクリープ試験、シャ
ルピー衝撃試験、焼入硬度試験、脱炭試験の結果を示す
。

挨りクリープ試験は前述のロックウェルＣ硬度・ＨＲＣ
５１の゛に打部１０ｍ直径の試験片にばねのセツティン
グの歪に相当する０、２チの換り歪を加え、さらに塗装
後の乾燥に相当する２００°ＣＸ３０ｍ１ｎの時効処理
を施し、表面剪断応力τ−１１０ｋｇ１／ｍＡの候り応
力を加え常温９６　ｈｒ後のクリープ歪の結果を示した
。ばねのへたりは一種のクリープ現象とされ、耐へたり
性はこの結果により評価できる。

シャルピー衝撃試験は、供試試料を２０鴫直径に鍛伸し
た後に１１ｍｍ角に粗加工後、焼入焼戻処理してＨＲＣ
５１に調整した後、ＪＩＳａ号試験片に仕にげして常温
で試験した。その結果は衝撃値で示され、供試試料の靭
性が評価できる。

焼入硬度試験は、供試試料を鍛伸後１０ｍ直径および２
０Ｉ＋ｌｌ１１直径に機械加工し、９００°ＣＸ３０分
加熱後油焼入した後、表面硬度を測定した。これにより
供試試料の焼入性が評価できる。

脱炭試験は供試試料の鍛伸後、ｌＯａ直径に機械加工し
、９００°ｃｘ３分あるいは９００°Ｃｘ１Ｏ分の加熱
後、油焼入し、表面の脱炭層深さを顕微鏡にて測定シ、
ソノ結果をＤｍ−Ｔ（ＪＩＳＧ　０５５８による）で示
した。これにより供試試料の脱炭抑制効果が評価できる
。

本発明範囲の試料はいずれも比較試料１４．１６に較べ
少ないクリープ歪を示しており、良好な耐へだり性を有
していることがわかる。特にＳｉ、Ｖ。

Ｎｂを単独あるいは複合添加した試料２，４．６，８゜
９．１０，１１．１２．１３　はすぐれた耐へだり性を
示すＯ 靭性についても低酸素鋼である本発明範囲の試料はいず
れも比較試料より良好な衝撃値を示している。比較試料
の中で、試料１５はＮ％Ａ８が本発明の成分範囲に入っ
ているため、耐へだり性は良好であるが、酸素が高く、
靭性が低いため実際のばハへの適用は困難である。本発
明範囲の試料の中でＢを添加した資料５．６，７．８，
１２．１３は特に優れた靭性を示している。

第２表には焼入性に及ぼすＣｒの影響も示されている。

本発明範囲の試料、比較試料ともにｌＯφサンプルでは
十分な焼入硬度が得られているものの、２０φサンプル
についてｔ／′ｉＣｒを添加した試料３．４，７，８，
１０．１１．１３のみが良好な焼入硬度を示している。

すなわち、大径ばねに対してはＣｒを添加ノーることか
有効である。

さらに脱炭肋性についてみると、比較試料１４゜１５＋
１６は加熱時間がｉｏ分になると顕著な脱炭を示してお
り、ばね製造の際に加熱時間等過大な管理を要すること
がわかる。然るに本発明範囲の試料１０は比較試料と同
水準の８１を含有しているものの、Ｃｒを同時添加する
ことにより脱炭抑制の効果が顕著であり、高Ｓｉｊ賛で
のＣｒの添加の有効性が示されている。

第　３　表 第　４　表 実施例２ 本発明の有効性をさらに確認するだめ、実体コイルばね
を試作し動的へたり試験を実施した。

前記第１表の試料１，１０，１１．Ｌ４．．１５　の鋼
を用いて第３図に示す工程で第３表に示す諸元のばねを
製作し、平均応力６５ｋｙｆ／ｍａ、応力振巾５０ｋｇ
４／ｍＡになるように常温で２００，０００回繰返し応
力を与へた後のへたりを測定した。その結果を第４表に
示す・同表はへたりを残留剪断歪量で表示したものであ
る・本発明範囲の試料で製作したばねはいずれも比較試
料１４で製作したばねより少なりへたり量を示し、特に
試料１０および１１のばねは非常に優れた耐へたり性を
示している。なお試料１５は、５ｏｌＪ−Ａ７Ｉ、Ｎは
本発明の範囲内であるか鋼中Ｏか高く、そのためこのば
ねは試験中に折１ｉｔした。

発明の効果 不発［１」方法により製造されるばねは、上述の如く、
極めて良好な聞・１へたり性と耐久性を兼備するので、
車輌等の軽量化や資材の節約等に貢献するところが大で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、候りクリープ歪に及ぼす冷間歪導入ｉトの影
響を示す曲線図。第２図は、捩りクリープ歪に及ばず時
効処理温度の影響を示す曲線図。第３図は、コイルばね
の製作工程図である。 出　願　人　住友金属工業株式会社 第　１　図 一沖づ情ｉ喜入量（％） 第　２　図 →Ｂ！　タカ、均、工叉温農ぐＣ） 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　Ｃ：　０．５０〜０．７０％、Ｍｎ　：　０．
   ５０〜１．５０％、Ｎ：０．０１０−０．０２０％、Ｓ
   ｏトＡｊｌ　：　０．０１０Ｓ以下、鋼中０：０．００
   ２チ以下で、更に必要に応じ、Ｓｉ：　０．５０−２．
   ５０％、　Ｖ　：　０．０２−０．３０％　、Ｎｂ　：
   　０．０１−０．３０％　Ｏ１種または２種以上、Ｃｒ
   　：　０．２０”１．０％　、　Ｂ　：０．０００５〜
   ０．００４０チの１種または両種、の一方または双方を
   含み、残部はＦｅおよび不可避的不純物よりなる鋼をコ
   イルに成形し、これに残留歪０．１０〜ｉ、ｏ　ｓを与
   えるように冷間セツティングを施し、しかる後１５０〜
   ３００°Ｃに加熱処理を行うことを特徴とする耐へたり
   性の浸れたばねの製造方法。