JPH062074A - 焼入れ性の優れたばね用鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高強度と高靱性を兼ね備えた比較的廉価なば
ね用鋼を提供する。 【構成】 ばね用鋼を、Ｃ：0.55〜0.70％，Si：0.15〜
0.40％，Mn：0.80〜1.30％，Ｐ： 0.015％以下，Ｓ：
0.015％以下，Cr：0.80〜1.25％，Mo：0.05〜0.20％，
Ｖ：0.05〜0.20％，Al：0.010 〜0.060 ％，Ti：0.05〜
0.20％，Ｂ：0.0003〜0.0040％を含むと共に、残部がFe
及び不可避的不純物から成る化学組成に構成し、例えば
図５に示す如き高強度，高靱性を確保する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、土木建設機械等の懸
架用巻ばねや緩衝用巻ばねといった“高強度が要求され
る巻ばね材”として好適な、焼入れ性に優れていて高強
度でかつ靱性の良好なばね用鋼に関するものである。

【０００２】

【従来技術とその課題】一般に、土木建設機械や産業機
械等に使用される懸架用巻ばねや緩衝用巻ばねには、Ｊ
ＩＳに規定されるＳＵＰ９鋼（Mn−Cr鋼）もしくはＳＵ
Ｐ１１鋼（Mn−Cr−Ｂ鋼）が適用されている。これらの
鋼は、焼入れ性の観点から素径が５０mmφ以下の線材と
され、これより熱間加工（コイリング）によって図１に
示す如き巻ばねに成形された後、焼入れ・焼戻し処理が
施され使用に供されていた。

【０００３】また、より高強度の巻ばねが要求される場
合には断面を大きくとることによって強度アップを図る
のが通常であり、このような“太径ばね”の適用も行わ
れていた。ところが、断面を大きくするとばねの単重が
大きくなり、最近の軽量化指向に逆行することになる。
そのため、重量増加を伴うことなく性能向上が達成でき
る高強度巻ばね用鋼（焼入れ性に優れると共に焼戻し軟
化抵抗の高いばね鋼）の検討が必要となってきた。つま
り、材質的な高強度化はそのまま軽量化につながるの
で、より強度の高いばね用鋼が強く望まれた訳である。

【０００４】ただ、ばね用鋼としては、高強度に加え、
安定した寿命を得るのに必要な高靱性をも兼ね備えてい
ることが必要となるが、前記要求に応え得る強度と靱性
（例えばロックウェルＣスケ−ル硬さが４５以上でシャ
ルピ−衝撃値が５kgf-ｍ/cm²以上）を具備したばね鋼に
関する報告は数少なく、実用材として十分満足できる鋼
の開発が待たれていた。

【０００５】このようなことから、本発明が目的とした
のは、土木建設機械等の更なる性能向上にも十分に対処
することが可能な“高強度と高靱性を兼ね備えた比較的
廉価なばね用鋼”を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成すべく、特にＪＩＳのＳＵＰ１１鋼を検討基礎材
として鋭意研究を重ねたところ、次のような新しい知見
を得ることができた。 a) 不純物中の特にＰ及びＳの含有量を共に特定の低い
値にまで低減すると、粒界偏析の軽減及び清浄化が際立
つようになって粒界が著しく強化され、鋼の靱性が顕著
に向上する。 b) また、Moの増量とTi，Ｖの添加により鋼組織の微細
化が著しく促進され、この点からも粒界偏析が軽減され
て鋼の靱性向上効果は一段と顕著化する。

【０００７】c) 更に、Cr，Mo，Ｖの複合添加は鋼の焼
戻し軟化抵抗を著しく高めるので高温焼戻しが可能とな
り、これによる靱性向上効果も加味されて得られる鋼は
秀でた靱性を示すようになる上、Cr，Mo，Ti，Ｂの添加
による著しい焼入れ性向上作用のために非常に高い強度
の実現も可能となる。

【０００８】d) 従って、これらの成分調整を行った鋼
は、高強度（優れた焼入れ性）で高い焼戻し軟化抵抗を
有し、かつ高靱性を示すので、例えば７５mmφ材とした
場合、中心部の焼入れ硬さがロックウエルＣスケ−ル硬
さ〔Ｈ_R Ｃ〕で４５以上もの高い値となり、またシャル
ピ−衝撃値：５kgf-ｍ/cm²以上の高靱性を実現すること
も可能となって、更なる性能向上が要求される土木建設
機械類の巻ばね材としても十分に満足できる特性を備え
たものとなる。

【０００９】本発明は、上記知見事項等に基づく更なる
研究により完成されたもので、「ばね用鋼を、 Ｃ：0.55〜0.70％（以降、 成分割合を表す％は重量％と
する), Si：0.15〜0.40％， Mn：0.80〜1.30％， Ｐ： 0.015
％以下， Ｓ： 0.015％以下， Cr：0.80〜1.25％， Mo：0.05〜
0.20％， Ｖ：0.05〜0.20％， Al：0.010 〜0.060 ％， Ti：0.
05〜0.20％， Ｂ：0.0003〜0.0040％ を含むと共に、 残部がFe及び不可避的不純物から成る化
学組成に構成することにより、 高強度，高焼戻し軟化抵
抗性，高靱性を備えしめた点」に大きな特徴を有してい
る。

【００１０】次に、本発明において鋼の構成成分量を前
記の如くに限定した理由を、その作用と共に詳述する。

【作用】Ｃ Ｃは、鋼の焼入れ性や強度確保のためばかりでなく、結
晶組織の微細化のためにも必要な成分であるが、その含
有量が0.55％未満では十分な焼入れ性を確保できない上
に所望の強度を達成することもできず、一方、0.70％を
超えて含有させると焼入れ時の焼き割れ感受性が増加
し、また他の合金成分と関連して靱性劣化を招くことか
ら、Ｃ含有量は0.55〜0.70％と定めた。ただ、出来れば
0.55〜0.65％に調整するのが好ましいと言える。

【００１１】Si Siは鋼の脱酸元素として有効である上、強度確保のため
にも必要な成分であるが、その含有量が0.15％未満では
所望の効果が得られず、一方、0.40％を超えて含有させ
ると偏析して靱性の劣化を招くことから、Si含有量を0.
15〜0.40％と定めた。

【００１２】Mn Mnも鋼の脱酸元素として作用するほか、焼入れ性を向上
させるのに最も有効な成分であるが、その含有量が0.80
％未満では前記作用による所望の効果が得られず、一
方、1.30％を超えて含有させると粒界脆化現象が生じて
靱性の劣化を来たす。また、多量に含有させるとＳと結
合して割れの起点となるため、これらの観点からすれば
Mn含有量は極力低い方が望ましいと言える。このような
ことから、Mn含有量は0.80〜1.30％と定めたが、好まし
くは0.80〜1.20％に調整するのが良い。

【００１３】Ｐ 不可避の不純物元素であるＰは、どのような熱処理を施
してもその粒界偏析を消滅させることはできないが、Ｓ
の低減と共にその含有量を特に 0.015％以下にまで低減
した場合には「粒界強度を低下させ靱性を劣化させる」
というＰの悪影響が顕著に改善されるため、Ｐ含有量を
0.015％以下に制限した。

【００１４】Ｓ やはり不可避的な不純物元素であるＳは、Mnと結合して
生成したMnＳが割れの起点となる上、化合物ではなくて
単独の形態であっても粒界に偏析して脆化を促進するた
め、その含有量は極力低く制限する必要がある。しか
し、本発明鋼においては、Ｐの低減と共にその含有量を
特に 0.015％以下にまで低減すると前記悪影響が著しく
小さくなることから、Ｓ含有量は 0.015％以下と定め
た。

【００１５】Cr Crは、鋼の焼入れ性を向上させ、かつ鋼に焼戻し軟化抵
抗を付与する作用がある。特に、Mo，Ｖとの複合添加は
鋼の焼戻し軟化抵抗性改善に著効を奏する。しかし、Cr
含有量が0.80％未満では前記作用による所望の効果が得
られないことからCr含有量の下限を0.80％とし、一方、
多量添加は経済的な不利につながるために経済性を考慮
して上限を1.25％と定めた。

【００１６】Mo Moも、鋼の焼入れ性を向上させ、かつ鋼に焼戻し軟化抵
抗を付与する作用がある。特に、Cr，Ｖとの複合添加を
行った場合の焼戻し軟化抵抗性改善効果は著しく、高い
焼戻し温度（例えば５００℃以上）の採用を可能とする
が、そのため靱性改善にも有効であると言える。しか
し、Mo含有量が0.05％未満では前記作用による所望の効
果が得られないためMo含有量の下限を0.05％とし、一
方、Moは高価な元素であって多量添加はコスト上昇につ
ながることから、経済性を考慮して上限を0.20％と定め
た。

【００１７】Ｖ Ｖにも鋼の焼戻し軟化抵抗性を改善する作用があり、か
つ結晶粒の粗大化防止にも有効である。上述のように、
Cr，Moと複合して添加すると焼戻し軟化抵抗性の改善効
果は極めて著しくなる。しかし、その含有量が0.05％未
満では前記作用による所望の効果が得られず、一方、0.
20％を超えて含有させると熱間加工性，被削性，靱性の
低下を招くことから、その含有量は0.05〜0.20％と定め
た。

【００１８】Al（sol.Al） Alは、鋼脱酸の安定化，結晶組織の均質化及び細粒化を
図るのに有効な成分であるが、その含有量が 0.010％未
満では所望の効果が得られず、一方、 0.060％を超えて
含有させるとその効果が飽和するばかりか、介在物の増
大によって疵が発生し靱性も劣化することから、Al含有
量は 0.010〜 0.060％と定めた。

【００１９】Ti Tiは、鋼の焼入れ性を一段と向上させる作用を有してお
り、特に製品寸法が大きい場合に高強度を確保する上で
はCr，Mo，Ｂと共に欠かせない成分であるが、その含有
量が0.05％未満では前記作用による所望の効果が得られ
ず、一方、0.20％を超えて含有させると靱性に悪影響を
及ぼすようになることから、Ti含有量は0.05〜0.20％と
定めた。

【００２０】Ｂ Ｂには鋼の焼入れ性を向上させる作用があり、高強度を
確保する上で欠かせない成分であるが、その含有量が0.
0003％未満では前記作用による所望の効果が得られず、
一方、0.0040％を超えて含有させると靱性の劣化を招く
ことから、Ｂ含有量は0.0003〜0.0040％と定めた。

【００２１】なお、本発明に係る鋼材を製造するには、
前記化学組成に調整された鋼を溶製して連続鋳造もしく
は造塊法により鋼片とし、これに熱間又は冷間加工を施
して所定の形状としてから焼入れ焼戻し処理すれば良
い。これにより、Ｈ_R Ｃ４５以上，シャルピ−衝撃値５
kgf ・ ｍ/cm²以上の特性を有した鋼材が安定して得ら
れ、例えば土木建設機械及び産業機械等の巻ばねとした
場合には従来に無い優れた性能を発揮することとなる。

【００２２】そして、本発明鋼を使用して例えば巻ばね
の高強度を図った場合には、下表の通りに軽量化が可能
となる。

【００２３】続いて、本発明を実施例により更に具体的
に説明する。

【実施例】通常の方法によって表１に示す化学組成の鋼
Ａ乃至Ｏを溶製した。次いで、これらの鋼を連続鋳造法
又は造塊法にて鋼片とし、これを１２００〜１２５０℃
に加熱してから常法に従って直径３０mmの丸棒に圧延し
た後、図２に示すジョミニ−テスト用試験片を切り出
し、これを用いて表２に示す熱処理条件で焼入れ・焼戻
し処理するジョミニ−テストを実施した。なお、焼戻し
は５５０℃，５００℃の２条件とした。また、この試験
の後、ジョミニ−テスト用試験片から衝撃試験片を加工
してシャルピ−衝撃値を求めた。これらの結果を表２に
示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】表２に示される結果からも明らかなよう
に、本発明に係る鋼は何れも土木建設機械や産業機械等
の巻ばねとしては高性能な目標性能を満足しており、優
れた焼入れ性を有していて強度・靱性が共に良好である
ことが分かる。

【００２７】なお、図３は表１に示した比較鋼の焼入れ
・焼戻しジョミニ−テスト結果を整理して示したグラフ
であり、図４は表１に示した本発明鋼の焼入れ・焼戻し
ジョミニ−テスト結果を整理して示したグラフである
が、この図３と図４との対比からも明らかなように、本
発明鋼では特定範囲に含有量が調整されたＣ，Mn，Cr，
Mo，Ｖ，Ｂ等の相乗効果により焼戻し軟化抵抗が比較鋼
に比して大きくなっていることも分かる。更に、図５は
表２に示した結果（焼戻し後の硬さと衝撃値）を整理し
て示すグラフであるが、この図５からも、本発明鋼は比
較鋼に比べて強度（硬度）及び靱性（衝撃値）が共に著
しく優れることを確認できる。

【００２８】ところで、上記試験とは別に、表１に示し
た各化学組成の鋼を用いて土木建設機械の懸架用巻ばね
（焼入れ・焼戻し材）を作成し、この実機巻ばねでの耐
久テストを実施したが、その結果も表２に併せて示し
た。表２に示す実機耐久テストの結果からも分かるよう
に、本発明鋼に係る巻ばねは比較鋼に係るそれに比べて
約２倍の寿命を有していた。

【００２９】

【効果の総括】以上に説明した如く、この発明によれ
ば、高価な合金元素を極力制限しつつも従来材に比べて
著しく優れた強度，靱性を示す廉価なばね用鋼を提供す
ることができ、土木建設機械や産業機械等の巻ばねに適
用することでその性能向上，軽量化に大きく寄与するこ
とが可能となるなど、産業上極めて有用な効果がもたら
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】巻ばねの形状説明図である。

【図２】ジョミニ−テスト用試験片の寸法説明図であ
る。

【図３】比較鋼に関する焼入れ・焼戻しジョミニ−テス
ト結果を整理して示したグラフである。

【図４】本発明鋼に関する焼入れ・焼戻しジョミニ−テ
スト結果を整理して示したグラフである。

【図５】本発明鋼と比較鋼についての、焼戻し後の硬さ
と衝撃値を対比したグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量割合にて Ｃ：0.55〜0.70％， Si：0.15〜0.40％， Mn：0.80〜
   1.30％， Ｐ： 0.015％以下， Ｓ： 0.015％以下， Cr：0.80〜
   1.25％， Mo：0.05〜0.20％， Ｖ：0.05〜0.20％， Al：0.010
   〜0.060 ％， Ti：0.05〜0.20％， Ｂ：0.0003〜0.0040％ を含むと共に、残部がFe及び不可避的不純物から成るこ
   とを特徴とする、焼入れ性の優れたばね用鋼。