(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量%で、C:0.55〜1% Si:0.05〜4% Mn:0.0５〜２％、Al:0.005〜0.1%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物よりなり、面積率最大の相が焼戻しマルテンサイトであり、旧オーステナイト粒の長さと幅の比(以後アスペクト比とする)が2以上であり、かつ鋼材の疲労試験を、大気中の疲労限の90%の応力で行う際に、疲労寿命が107回未満に低下しない拡散性水素量(室温から500℃に加熱する際に放出される水素量)の上限値(以後、疲労限界水素量とする)が0.1ppm以上であり、引張強度が1700MPa以上であることを特徴とする耐水素疲労特性の優れた高強度ばね用鋼。
【請求項２】
質量%で、Ti:0.005〜0.5% Cr:0.05〜2%、Mo:0.05〜2% Ni:0.05〜5%、Cu:0.05〜1% V:0.05〜2% Nb:0.005〜0.2% Ta:0.005〜0.5% W:0.05〜0.5%及びB:0.0003〜0.005%の1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1記載の耐水素疲労特性の優れた高強度ばね用鋼。
【請求項３】
請求項1または2に記載の高強度ばね用鋼を製造する方法であって、700℃〜900℃の温度域で30%以上の圧下率を与える熱間加工工程を経た後、焼入れして面積率最大の相をマルテンサイト組織にし、その後、焼戻処理を行うことを特徴とする耐水素疲労特性の優れた高強度ばね用鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車等のエンジンの弁ばねや懸架ばね、スタビライザー、トーションバー等に用いられる1700MPa以上の引張強度を有する高強度ばねに関し、特に重要なばね特性である耐水素疲労特性の優れた高強度ばね用鋼、及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等に数多く使用されている高強度ばねは、例えばJIS G 3565〜3567及び4801等に規定されているばね用鋼を用いて熱間圧延後、所定の線径まで引き抜き加工し、オイルテンパー処理後にばね加工する、あるいは引き抜き加工後に加熱してばね加工し、焼入れ焼戻しを行う、という方法によって製造される。近年炭酸ガス排出低減などの、環境問題対応のために、自動車には燃費低減のため、軽量化が求められている。その一環として、焼入れ焼戻し後の引張強度を1800MPa以上に高めたばねが求められている。しかしながら一般にばねを高強度化すると、腐食環境下における疲労特性が劣化するため、早期折損が懸念される。腐食疲労特性を劣化させる一因として、腐食反応の進行に伴って発生する水素による脆化があげられ、その改善策としては、種々の合金元素を多量に添加して高強度化を図るという方法が採用されてきたが、この方法では素材のコストが高くなるという問題がある。また、水素疲労特性を抑制する方法としては、結晶粒を微細化させる方法や、微細析出物を生成させる方法が有力と考えられているが、いずれの提案も本発明者らの試験では、大幅な水素脆化特性の改善には至っていない。
【０００３】
以上のように、従来の技術では、耐水素疲労特性を抜本的に向上させた高強度ばねを製造することには限界があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の如き実状に鑑みなされたものであって、耐水素疲労特性の良好で且つ引張強度が1700MPa以上の高強度ばね用鋼を実現するとともにその製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、まず焼入れ・焼戻し処理によって製造した種々の強度レベルのばね用鋼を用いて、水素疲労挙動を詳細に解析した。その結果、疲労限以下の応力で、疲労寿命が鋼材中の水素によって低下することを明らかにした。また、疲労寿命の低下は、外部環境から鋼材中に侵入し、鋼材中を室温で拡散しうる拡散性水素に起因して発生していることを明らかにした。拡散性水素は、鋼材を１００℃／ｈｏｕｒの速度で加熱した際に得られる温度-鋼材からの水素放出速度の曲線において、約１００℃の温度にピークを有する曲線として測定できる（図１）。従って、環境から侵入した水素を鋼材中の何らかの部分に捕捉することによって拡散しないようにすれば、水素を無害化することが可能になり、疲労寿命低下が抑制される。そこで、耐水素疲労特性について、水素疲労が発生しない「疲労限界水素量」を求めることにより評価した。この方法は、電解水素チャージにより種々のレベルの拡散性水素量を含有させた後、回転曲げ疲労試験中に試料から大気中に水素が抜けることを防止するためにＣｄめっきを施し、その後、大気中で所定の荷重を負荷し、疲労破壊が発生しなくなる拡散性水素量を評価するものである。図２R>２に拡散性水素量と疲労寿命の関係について解析した一例を示す。試料中に含まれる拡散性水素量が少なくなるほど疲労寿命が長くなり、拡散性水素量がある値以下では疲労破壊が発生しなくなる。この水素量を「疲労限界水素量」と定義する。疲労限界水素量が高いほど鋼材の耐水素疲労特性は良好であり、鋼材の成分、熱処理等の製造条件によって決まる鋼材固有の値である。
【０００６】
そこで、高強度ばねの疲労限界水素量を増加させる手段、即ち耐水素疲労特性を上げるべく、オーステナイト結晶粒度、焼入れ焼戻し条件の影響等について検討を重ねた結果、次のことが判明した。
【０００７】
すなわち、熱間加工仕上げ温度を未再結晶温度域である７００℃〜９００℃としこの温度域での圧下率を３０％以上、好ましくは５０％以上とし、加工直後に冷却することによって表層から少なくとも０．５ｍｍ以上の深さまでの旧オーステナイト結晶粒が伸長化され、表層から少なくとも０．５ｍｍの深さまでの旧オーステナイト粒のアスペクト比が２以上、前記の好ましい条件下で４以上であり、かつ面積率最大の層がマルテンサイトであるような組織を得ることができる。このような組織では１７００ＭＰａを超えるような高強度域でも疲労限界水素量が大幅に増加し、耐水素疲労特性が向上するという知見を見出した。
【０００８】
本発明は以上の知見に基づいてなされたものであって、その要旨とするところは、下記の通りである。
(1)  質量%で、C:0.55〜1% Si:0.05〜4% Mn:0.0５〜２％、Al:0.005〜0.1%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物よりなり、面積率最大の相が焼戻しマルテンサイトであり、旧オーステナイト粒の長さと幅の比(以後アスペクト比とする)が2以上であり、かつ鋼材の疲労試験を、大気中の疲労限の90%の応力で行う際に、疲労寿命が107回未満に低下しない拡散性水素量(室温から500℃に加熱する際に放出される水素量)の上限値(以後、疲労限界水素量とする)が0.1ppm以上であり、引張強度が1700MPa以上であることを特徴とする耐水素疲労特性の優れた高強度ばね用鋼。
(2)  質量%で、Ti:0.005〜0.5% Cr:0.05〜2%、Mo:0.05〜2% Ni:0.05〜5%、Cu:0.05〜1%  V:0.05〜2% Nb:0.005〜0.2% Ta:0.005〜0.5% W:0.05〜0.5%及びB:0.0003〜0.005%の1種または2種以上を含有することを特徴とする上記（1）記載の耐水素疲労特性の優れた高強度ばね用鋼。
(3)  前記(1)または(2)に記載の高強度ばね用鋼を製造する方法であって、700℃〜900℃の温度域で30%以上の圧下率を与える熱間加工工程を経た後、焼入れして面積率最大の相をマルテンサイト組織にし、その後、焼戻処理を行うことを特徴とする耐水素疲特性の優れた高強度ばね用鋼の製造方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
【００１０】
疲労限界水素量：疲労限界水素量が０．１ｐｐｍ未満であると、対疲労特性が不十分なため、０．１ｐｐｍ以上とする。
【００１１】
組織：高強度を得るため、組織は面積率最大の相が焼き戻しマルテンサイトであることが好ましい。本発明において、焼戻しマルテンサイトの面積率は鋼棒のＣ断面ｔ/４部又はボルトのＣ断面ｔ/４を光学顕微鏡で200〜1000倍で10視野観察した場合の平均値である。その他の組織として、残留オーステナイト、ベイナイト、フェライト、パーライトを含有することができる。
【００１２】
アスペクト比：本発明で目的とする高強度ばね用鋼の耐水素疲労特性の向上に対して最も重要な点である旧オーステナイト粒のアスペクト比の限定理由について述べる。図３に焼戻しマルテンサイト組織からなるばねの疲労限界水素量に及ぼす旧オーステナイト粒のアスペクト比の影響について解析した一例を示す。アスペクト比が２未満では疲労限界水素量の向上効果が少ない、即ち耐水素疲労特性向上効果が少ないため、アスペクト比を２以上に限定した。好ましくは３以上である。アスペクト比の上限は特に定めることなく本発明の効果を得ることができるが，遅れ破壊特性以外の良好な機械的性質を得るためには，８以下とすることが好ましい
【００１３】
また、旧オーステナイト粒のアスペクト比は、上記試料において、粒界エッチングを施した後に光学顕微鏡で200〜1000倍で10視野観察した場合の平均値である。
【００１４】
鋼材成分：次に本発明の対象とする鋼の成分の限定理由について述べる。
【００１５】
C:Cはばねの強度を確保する上で必須の元素であるが、0.55%未満では所定の焼戻し温度範囲では所要の強度が得られず、一方1%を越えると靭性を劣化させるために、0.55〜1%の範囲に制限した。
【００１６】
Ｓｉ：Ｓｉは固溶体硬化作用によって強度を高める作用がある。0.05％未満では前記作用が発揮できず、一方、4％を超えると添加量に見合う効果が期待できないために、0.05〜4％の範囲に制限した。
【００１７】
Ｍｎ：Ｍｎは脱酸、脱硫のために必要であるばかりでなく、マルテンサイト組織を得るための焼入性を高めるために有効な元素であるが、0.05％未満では上記の効果が得られず、一方2％を越えるとオーステナイト域加熱時に粒界に偏析し粒界を脆化させるとともに耐遅れ破壊特性を劣化させるために0.05〜2％の範囲に制限した。
【００１８】
以上が本発明の対象とする鋼の基本成分であるが、本発明においては、さらにこの鋼に
Ａｌ：0.005〜0.1％            Ｔｉ：0.005〜0.5％
Ｃｒ：0.05〜2％、           Ｍｏ：0.05〜2％
Ｎｉ：0.05〜5％、           Ｃｕ：0.05〜1％
Ｖ：0.05〜2％             Ｎｂ：0.005〜0.2％
Ｔａ：0.005〜0.5％            Ｗ：0.05〜0.5％
及びＢ：0.0003〜0.005％
の１種または２種以上を含有せしめることができる。
【００１９】
Ａｌ：Ａｌは脱酸および熱処理時においてＡｌＮを形成することによりオーステナイト粒の粗大化を防止する効果とともにＮを固定する効果も有しているが、0.005％未満ではこれらの効果が発揮されず、0.1％を越えても効果が飽和するため0.005〜0.1％の範囲に限定した。
【００２０】
Ｔｉ：ＴｉはＡｌと同様に脱酸および熱処理時においてＴｉＮを形成することによりオーステナイト粒の粗大化を防止する効果とともにＮを固定する効果も有しているが、0.005％未満ではこれらの効果が発揮されず、0.5％を超えると焼入れ時に炭化物を固溶させるために高温に加熱する必要があり、疲労特性を劣化させる脱炭が生じるため0.005〜0.5％の範囲に限定した。
【００２１】
Ｃｒ：Ｃｒは焼入性の向上および焼戻し処理時の軟化抵抗を増加させるために有効な元素であるが、0.05％未満ではその効果が十分に発揮できず、一方2％を超えると靭性の劣化、冷間加工性の劣化を招くために0.05〜2％に限定した。
【００２２】
Ｍｏ：ＭｏはＣｒと同様に強い焼戻し軟化抵抗を有し熱処理後の引張強さを高めるために有効な元素であるが、0.05％未満ではその効果が少なく、一方2％を超えるとその効果は飽和しコストの上昇を招くために0.05〜2％に制限した。
【００２３】
Ｎｉ：Ｎｉは高強度化に伴って劣化する延性を向上させるとともに熱処理時の焼入性を向上させて引張強さを増加させるために添加されるが、0.05％未満ではその効果が少なく、一方5％を越えても添加量にみあう効果が発揮できないため、0.05〜5％の範囲に制限した。
【００２４】
Ｃｕ：Ｃｕは焼戻し軟化抵抗を高めるために有効な元素であるが、0.05％未満では効果が発揮できず、1％を超えると熱間加工性が劣化するため、0.05〜1％に制限した。
【００２５】
Ｖ：Ｖは焼入れ処理時において炭窒化物を生成することによりオーステナイト粒を微細化させる効果があるが、0.05％未満では前記作用の効果が得られず、一方2％を越えても効果が飽和するため0.05〜2％に限定した。
【００２６】
Ｎｂ：Ｎｂは再結晶温度を高め、アスペクト比の大きい旧オーステナイト粒を得るために有効な元素であるが、0.005％未満では上記効果が不十分であり、一方0.2％を越えるとこの効果が飽和するため0.005〜0.2％に制限した。
【００２７】
Ｔａ：ＴａもＮｂと同様にオーステナイト粒の微細化効果を有しているが、0.005％未満では前記の効果が発揮されず、0.5％を越えて添加しても効果が飽和するため、0.005〜0.5％に限定した。
【００２８】
Ｗ：Ｗは高強度ボルトの遅れ破壊特性を向上させるために有効な元素であるが、0.05％未満では前記の効果が発揮されず、一方、0.5％を越えて添加しても効果が飽和するため、0.05〜0.5％の範囲に限定した。
【００２９】
Ｂ：Ｂは粒界破壊を抑制し遅れ破壊特性を向上させる効果がある。更に、Ｂはオーステナイト粒界に偏析することにより焼入性を著しく高めるが、0.0003％未満では前記の効果が発揮されず、0.005％を超えても効果が飽和するため0.0003〜0.005％に制限した。
【００３０】
不純物元素であるＰ、Ｓについては特に制限しないものの、耐水素疲労特性を向上させる観点から、それぞれ0.015％以下が好ましい範囲である。Ｎについては、Ａｌ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉの窒化物を形成することによって旧オーステナイト粒の微細化、降伏強度の増加の効果があるため、0.002〜0.1％が望ましい範囲である。
【００３１】
本発明の高強度ばねの製造方法では、所定の条件で熱間加工を行った後、直ちに焼入れてマルテンサイト組織にした後、焼戻しを行うものであるが、次にこの製造条件の限定理由について述べる。
【００３２】
熱間加工温度；熱間加工温度が９００℃を超えると熱間加工時の再結晶が顕著になり、アスペクト比が２以上のマルテンサイト組織を得ることが困難である。一方、熱間加工温度が700℃未満では所定のアスペクト比の組織を得るに十分な圧下率を確保できない。従って熱間加工温度を700℃〜９００℃，好ましくは７００〜８５０℃に限定した。
【００３３】
圧下率；アスペクト比が２以上のマルテンサイト組織を得るには未再結晶域で30％以上の圧下率が必要であるため圧下率を30％以上に限定した。
なお、本発明鋼のばね用鋼およびばねの引張強度の上限は特に定めることなく本発明の効果を得られるが、靭性を劣化させないためには、2200MPa以下が望ましい。
【００３４】
【実施例】
以下、実施例により本発明の効果をさらに具体的に説明する。
【００３５】
表１に示す化学組成を有するばね用鋼を焼入れ、表２に示す温度で焼戻しを行い、最大面積率が焼戻しマルテンサイトである組織に調整した。
【００３６】
上記の試料を用いて、機械的性質、組織形態、耐水素疲労特性について評価した結果を表１に示す。水素疲労特性は、前に述べた疲労限界水素量で評価を行い、負荷応力は大気中疲労限の90%の条件で実施した。
【００３７】
【表１】
0004116762.tif 000002
【００３８】
表２の試験Ｎｏ.１〜１６が本発明例で、その他は比較例である。同表に見られるように本発明例はいずれも熱間加工温度が７００℃〜９００℃で、圧下率が３０％以上であり、旧オーステナイト粒のアスペクト比が２以上であるような、最大面積相が焼戻しマルテンサイトである組織となっている。これらの鋼は疲労限界水素量が従来のばねに比べ高く、耐水素疲労特性の優れたばねが実現されている。
【００３９】
これに対して比較例であるＮｏ．１７は、Ｃ量が低いため、１７００ＭＰａ以上の強度が得られず、高強度ばね用鋼として使用できなかった例である。
【００４０】
比較例であるＮｏ．１８は、圧下率が低かったため、所定のアスペクト比の旧オーステナイト粒が得られず、疲労限界水素量が低かった例である。
【００４１】
比較例であるＮｏ．１９は、熱間加工温度が高かったために、所定のアスペクト比の旧オーステナイト粒が得られず、疲労限界水素量が低かった例である。
【００４２】
比較鋼であるＮｏ．２０は、熱間加工温度が低かったためにフェライトが析出し、所定の強度が得られなかった例である。
【００４３】
比較鋼であるＮｏ．２１はＳｉ含有量が高すぎたために、Ｎｏ．２３は、Ｃ含有量が高すぎるために、Ｎｏ．２４はＭｎ含有量が高すぎるために、いずれも疲労限界水素量が低かった例である。
【００４４】
比較鋼であるＮｏ．２２は、強度が高すぎたため、疲労限界水素量が低かった例である。
【００４５】
【表２】
0004116762.tif 000003
【００４６】
【発明の効果】
以上の実施例からも明らかなごとく、本発明は旧オーステナイト粒のアスペクト比を特定の値にすることによって、引張強度が１７００ＭＰａ以上の高強度ばねの水素疲労特性を大幅に向上させることを可能にするとともに、鋼の化学成分、熱間加工条件を最適に選択することによって、ばね用鋼及びその製造方法を確立したものであり、産業上の効果は極めて顕著なものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】昇温分析による水素放出曲線と、拡散性水素量を示す図である。
【図２】拡散性水素量と疲労寿命の関係の一例を示す図である。
【図３】旧オーステナイト粒のアスペクト比と、疲労限界水素量の関係を示す図である。
【図１】
0004116762.tif 000004
【図２】
0004116762.tif 000005
【図３】
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