專利名稱：高疲勞強度板彈簧用鋼以及板彈簧零件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及，施行了高強度噴丸處理的板彈簧能顯示穩(wěn)定的優(yōu)異的疲勞強度，且高強度下的韌性以及氫脆化特性優(yōu)異的高疲勞強度板彈簧用鋼以及其制成的板彈簧零件。
背景技術(shù)：
作為汽車用懸架彈簧，使用板彈簧、用圓鋼材作為材料的彈簧負荷扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的彈簧(扭桿彈簧(Torsion-Bar)、穩(wěn)定器(Stabilizer)、(大直徑)螺旋彈簧(Coil spring)等。以下，酌情稱為圓鋼彈簧。)。螺旋彈簧一般多使用在轎車中，板彈簧多使用在卡車中。此板彈簧、圓鋼彈簧，是汽車懸掛零件中大重量零件中的一個，是為了使其輕量化，而從以前開始就持續(xù)研究其高強度化的零件。
此高強度化中，疲勞強度的改善是特別重要的，材料的高硬度化作為對此的一個對策。然而，據(jù)知圓鋼彈簧也好、板彈簧也好，若通過高硬度化來增強拉伸強度，在通常環(huán)境下，有改善疲勞強度的效果，但在腐蝕性環(huán)境下，相反地疲勞強度大幅下降。因此，單純的使高硬度化來增強拉伸強度的對策不能解決問題，是以前研發(fā)中最大的課題。此外，通常，板彈簧、圓鋼彈簧經(jīng)涂飾以后使用，由于安裝在靠近地面的部分中使用，行駛中被石頭等碰上，表面的涂飾就損傷了，于是就發(fā)生腐蝕，有引起斷裂的可能。此外，在冬季為了防止路面凍結(jié)，有時候撒引起腐蝕的原因的融雪劑。
由于這樣的理由，強烈希望即使是高硬度化其腐蝕疲勞強度也很難降低的鋼材的開發(fā)。對腐蝕環(huán)境下的強度，特別是疲勞特性的降低，從以前開始就進行了種種的研究，許多文獻中明確，腐蝕反應(yīng)發(fā)生的同時，發(fā)生了氫侵入鋼中，此氫是材料脆化的原因。于是，作為這種情況的對策，例如專利文獻I 3中所報告的技術(shù)。
已知技術(shù)文獻 專利文獻專利文獻I :日本專利特開平11-29839號公報 專利文獻2 :日本專利特開平9-324219號公報
專利文獻3 :日本專利特開平10-1746號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題然而，如上述的專利文獻等所述，作為氫脆性對策被提出的以往的彈簧鋼，大部分是以適用于氣門彈簧(Valve spring)、懸架彈簧等的螺旋彈簧，穩(wěn)定器、扭桿彈簧等以圓鋼材作為材料的圓鋼彈簧作為前提的物質(zhì)，對以適用于板彈簧作為前提的彈簧鋼的開發(fā)幾乎沒有。
因此，能解決圓鋼彈簧明顯不產(chǎn)生，但板彈簧明顯產(chǎn)生的特有的問題的最合適的成分系還沒有形成。
特別是最近，為了使板彈簧的疲勞強度改善，例如150 350°C的溫度范圍內(nèi)，且在負荷賦予板彈簧彎曲應(yīng)變的彎曲應(yīng)力的狀態(tài)下，嘗試進行噴丸處理(以下，此處理適當?shù)赜洖椤案邚姸葒娡杼幚怼?。雖然此高強度噴丸處理，有提高板彈簧的疲勞強度改善的效果，但在對進行過這個處理的板彈簧進行疲勞試驗的時候，可知有這樣的情況一部分的板彈簧沒有得到壽命充分改善的效果。此外，需要考慮的是，板彈簧與圓鋼彈簧的材料相比較，因為最終產(chǎn)品的截面積相當大，與棒鋼、線材等制成的圓鋼彈簧相比較軋制后的冷卻速度變小的同時，由于軋制而引起的截面積的減少率也變小，所以脫碳層容易殘留在最終廣品中。
進一步地，板彈簧中，需要解決的也包括與圓鋼彈簧共同的課題，即改善耐氫脆性、改善高硬度范圍內(nèi)的韌性，需要在考慮這一點的基礎(chǔ)上，提供最適合的板彈簧用鋼。本發(fā)明是為了解決這樣的問題點所做的事情，要提供即使在為了高強度化而增 強硬度，氫脆化成為問題的硬度范圍內(nèi)也能確保優(yōu)異的韌性，通過高強度的噴丸處理，能達到可靠地提高壽命的目的的高疲勞強度板彈簧用鋼以及板彈簧零件。
解決課題的手段本申請的發(fā)明人，對在進行高強度噴丸處理的時候，一部分的板彈簧發(fā)生早期斷裂的原因進行專心研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)生早期斷裂的板彈簧中，破壞的起點不在疲勞試驗中應(yīng)力最高的表面，而在內(nèi)部，確認內(nèi)部起點中粗大的貝氏體(Bainite)組織的存在，認為此貝氏體組織是壽命下降的原因。于是，如后所述，通過在O. 07 O. 15%的范圍內(nèi)積極地添加Ti，以滿足Ti/N ^ 10的條件，能抑制貝氏體組織的產(chǎn)生，其結(jié)果為即使進行高強度的噴丸處理也能得到穩(wěn)定優(yōu)異的疲勞壽命。
此外，本申請的發(fā)明人如同后述的，發(fā)現(xiàn)在制造板彈簧的時候鐵素體脫碳層難以形成，且能確保高硬度范圍內(nèi)有優(yōu)異的特性的成分系。發(fā)現(xiàn)通過與上述添加Ti結(jié)合實施對策，能制造能穩(wěn)定地確保高硬度范圍內(nèi)的優(yōu)異的疲勞壽命的板彈簧零件，從而完成本申請的發(fā)明。即，本發(fā)明的第I個方面是一種高疲勞強度板彈簧用鋼，其特征在于，以質(zhì)量％計，含有 c 0. 40 O. 54%, Si 0. 40 O. 90%, Mn 0. 40 I. 20%, Cr 0. 70 I. 50%,Ti 0. 070 O. 150%,B 0. 0005 O. 0050%,N 0. 0100% 以下，其余部分由 Fe 以及雜質(zhì)元
素組成，
Ti與N的含有率滿足Ti/N彡10。第2個方面是一種高疲勞強度板彈簧用鋼，其特征在于，以質(zhì)量％計，還含有C :O. 40 O. 54%, Si :0. 40 O. 90%,Mn :0. 40 I. 20%, Cr :0. 70 I. 50%, Ti :0. 070 O. 150%, B 0. 0005 O. 0050%, N 0. 0100% 以下，
進一步地，以質(zhì)量％計，含有選自Cu :0. 20 O. 50%, Ni :0. 20 I. 00%, V :0. 05 O. 30%以及Nb :0. 01 O. 30%中的一種以上，
剩余部分由Fe以及雜質(zhì)元素組成的，
Ti與N的含有率滿足Ti/N彡10。第3個方面是一種板彈簧零件，其特征在于，使用第I個方面或第2個方面的高疲勞強度板彈簧用鋼成形。
發(fā)明的效果
第I以及第2方面的高疲勞強度板彈簧用鋼含有上述的特定組成。
特別是，由于Ti以及Ti/N的范圍如上述規(guī)定的，所以能夠析出微細的TiC，淬火加熱時能獲得微細的奧氏體(Austenite)晶粒。因此，上述板彈簧用鋼，能抑制淬火回火時可能發(fā)生的粗大的貝氏體的生成。所以，即使使用上述板彈簧用鋼制造施行高強度噴丸處理的板彈簧零件，也能防止粗大的貝氏體作為起點的早期斷裂，能發(fā)揮優(yōu)異的疲勞強度。此外，微細的TiC可形成氫陷阱點。因此，即使氫侵入鋼中也難以引起氫脆化，上述的板彈簧用鋼能顯示優(yōu)異的耐氫脆化特性。
此外在上述板彈簧用鋼中，如上述，通過在使C的含有率比較低的同時，不產(chǎn)生脫炭量增加的問題的上述特定范圍內(nèi)含有Si，能使回火軟化阻力增高，而在更高的溫度下回火。進一步地，通過添加Ti以及B作為必須成分，提高耐氫脆性的同時達到改善晶界強度的目的。
結(jié)果，能在高硬度范圍內(nèi)，顯示優(yōu)異的韌性。特別的，在HV510以上的高硬度范圍內(nèi)，其效果變得顯著。像這樣，根據(jù)上述第I以及第2方面，能提供高疲勞強度板彈簧用鋼，其即使在為了高強度化而硬度增強、氫脆化成為問題的硬度范圍內(nèi)也能確保優(yōu)異的韌性，通過高強度的噴丸處理，能達到可靠地提高壽命的目的。此外，第3個方面的板彈簧零件是，使用第I方面或第2方面的高疲勞強度板彈簧用鋼成形的。具體的為，上述板彈簧零件可以這樣制造，將上述板彈簧用鋼成形為彈簧形狀，進行淬火以及回火制造成的。
上述板彈簧零件，由于使用上述第I或者第2方面的高疲勞強度板彈簧用鋼，所以即使在為了高強度化而增強硬度、氫脆化成為問題的硬度范圍內(nèi)也能確保優(yōu)異的韌性，通過高強度的噴丸處理，能達到可靠地提高壽命的目的。
特別的，在HV510以上的高硬度范圍內(nèi)，改善韌性的效果變得顯著。


圖I :表不實施例中,碳(C)量與沖擊值間的關(guān)系的說明圖。
圖2 :表不實施例中,娃(Si)量與沖擊值間的關(guān)系的說明圖。
圖3 :表示實施例中，硅(Si)量與脫碳層深度間的關(guān)系的說明圖。
圖4:表不實施例中,欽(Ti)量與舊Y晶體粒徑間的關(guān)系的說明圖。
圖5 :表不實施例中，Ti/N比率與舊Y晶體粒徑間的關(guān)系的說明圖。
圖6 :表示實施例中，鈦(Ti)量與氫脆化強度比間的關(guān)系的說明圖。
圖7 :表示實施例中，Ti/N比率與氫脆化強度比間的關(guān)系的說明圖。
圖8 :表示實施例中，硬度與沖擊值間的關(guān)系的說明圖。
具體實施例方式上述板彈簧用鋼，如上所述，含有上述特定的組成范圍的C、Si、Mn、Cr、Ti、B以及
N0
以下，對每個成分的含有率的范圍的限定理由進行說明。C :0.40 O. 54%
C是確保淬火回火處理后具有充分優(yōu)異的強度以及硬度所不可缺的元素。C的含有率不滿O. 4%的時候，彈簧的強度可能會不足。此外，如果C的含有率降低，為了得到高硬度特別是HV510以上的硬度，不得不在低的溫度下進行回火。其結(jié)果可能是，使氫脆化強度比變低，變得容易發(fā)生氫脆化。
另一方面，超過O. 54%的時候，在高硬度范圍內(nèi)即使添加Ti、B，韌性也可能有下降的傾向，同時可能容易弓I起氫脆化。為了使韌性格外提高，優(yōu)選上限不滿0.50%。此外，在本申請的發(fā)明中，C含有率限制在上述特定范圍內(nèi)且含有Ti以及B。因此，上述彈簧用鋼能兼?zhèn)涓咚降挠捕扰c韌性。
即，通常，在低硬度范圍內(nèi)C含有率低的韌性 變大。但是，作為本發(fā)明對象的彈簧零件，為了達到高硬度(優(yōu)選的為HV510以上)，C含有率在百分之零點四幾的時候，為了得到高硬度需要降低回火溫度，到低溫回火脆性范圍的可能性變高。結(jié)果，與C含有率為百分之零點五幾的時候相比反而產(chǎn)生下降這樣的逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象。但是，如同本發(fā)明，通過添加Ti、B兩者作為必須成分，作為百分之零點四幾這樣的彈簧用鋼，即使是低C含有率，也能提高在高硬度范圍內(nèi)的韌性，與C含有率超過O. 54%的情況相比能進一步地提高韌性。特別是，C含有率未滿O. 50%的情況下提高韌性的效果顯著。Si :0· 40 O. 90%
Si有提高回火軟化阻力的效果，即使是在意圖達到高硬度的時候，設(shè)定更高的回火溫度也成為可能。結(jié)果，是在確保高強度以及高韌性的同時，防止由于氫引起的脆化，使改善腐蝕疲勞強度成為可能的元素。
Si的含有率不滿O. 40%的時候，如果回火溫度不降低，就有不能得到目標的硬度，韌性恐怕不能充分改善。此外，這樣的情況下，有不能充分抑制氫脆化的可能。另一方面，超過O. 90%的情況下，與以圓鋼材作為材料的彈簧相比截面積大、軋制后的冷卻速度變小的板彈簧用鋼中，促進鐵素體脫炭，成為疲勞強度下降的原因。
此外，從可以進一步提聞朝性的觀點考慮，優(yōu)選Si的含有率超過O. 50%。Mn :0· 40 I. 20%
Mn是為了確保作為板彈簧用鋼所需要的淬火性而必不可缺的元素。
Mn的含有率不滿O. 40%的時候，確保作為板彈簧用鋼所需要的淬火性可能會變得困難。另一方面，超過I. 20%的時候，淬火性變得過剩，淬裂可能變得容易發(fā)生。Cr :0· 70 I. 50%
Cr是為了確保作為板彈簧用鋼所需要的淬火性而必不可缺的元素。
Cr的含有率不滿O. 70%的時候，確保作為板彈簧用鋼所需要的淬火性以及回火軟化阻力性可能會變得困難。另一方面，超過I. 50%的時候，淬火性變得過剩，淬裂可能變得容易發(fā)生。Ti :0· 070 O. 150%
Ti成為可以形成氫陷阱的TiC在鋼中存在，有提高耐氫脆性的效果。此外，與鋼中的C一起形成微小的TiC，使淬火回火組織微細化，可以抑制粗大的貝氏體的生成。此外，通過與N結(jié)合成為TiN，抑制BN的生成，具有防止不能得到添加B帶來的后述的效果的效果。
Ti的含有率不滿O. 70%的時候，可能不能充分地得到添加Ti帶來的上述的效果。另一方面，超過O. 15%的時候，有TiC容易粗大化的可能。B :0· 0005 O. 0050%B是為了確保作為板彈簧用鋼所需要的淬火性的元素，進一步地對改善晶界強度也有效果。
B的含有率不滿O. 0005%的時候，作為板彈簧用鋼所需要的淬火性的確保以及晶界強度的改善可能會變得困難。此外，B是含有極少量的就可以得到效果的元素，即使大量含有其效果也飽和了。從而，B含有率的上限可以是如上述的O. 0050%。N :0.0100% 以下
上述的B是非常容易與N結(jié)合的元素，與以作為雜質(zhì)含有的N結(jié)合，以BN存在的時候，可能不能充分地得到B帶來的上述效果。從而，使N的含有率在O. 0100%以下。Ti與N的含有率滿足Ti/N彡10。像這樣抑制粗粒的TiN的生成，能生成微細的TiC0結(jié)果能使晶粒微細化，提高疲勞強度。此外，能提高耐氫脆化特性。
Ti/N < 10的時候，由于TiC的生成不充分，就有晶粒就粗大化了，疲勞強度降低，有耐氫脆化特性劣化的可能。
此外，如后述的實施例中所示，作為Ti ^ O. 07、Ti/N ^ 10的鋼，能大幅抑制氫的充入引起的強度下降。上述第I個方面的板彈簧用鋼，如上所述，含有上述特定的組成范圍的C、Si、Mn、Cr、Ti、B,以及N,剩余部分由Fe以及雜質(zhì)元素組成。
另一方面，上述第2個方面的板彈簧用鋼，與上述的第I個方面同樣的，含有上述特定量的 C、Si、Mn、Cr、Ti、B，以及 N，進一步地含有選自 Cu 0. 20 O. 50%,Ni 0. 20 I. 00%,V :0. 05 O. 30%、以及Nb :0. 01 O. 30%中的I種以上，剩余部分由Fe以及雜質(zhì)元素組成。
像這樣的，含有選自上述特定含有率的Cu、Ni、V、以及Nb中的I種以上的時候，能更加提高硬度范圍內(nèi)的韌性、以及耐腐蝕性。
以下，對限定Cu、Ni、V以及Nb各個成分的含有率的各個范圍的理由進行說明。Cu以及Ni有抑制腐蝕環(huán)境下生成的腐蝕斑點的成長，提高耐腐蝕性的效果。
Cu以及Ni的含有率不滿O. 20%的時候，可能不能充分地得到由于這些添加元素帶來的提高改善耐腐蝕性的效果。此外，如果含有大量的Cu，由于改善耐腐蝕性的效果飽和，同時有熱加工性變差的可能，所以優(yōu)選的Cu的含有率的上限為O. 50%。此外，即使含有大量的Ni，改善耐腐蝕性的效果飽和了，成為高成本的原因，因此優(yōu)選的Ni的含有率的上限為
I.00%。此外，V以及Nb，使組織經(jīng)淬火回火微細化，有平衡良好地提高強度以及韌性的效
果O
V的含有率不滿O. 05 %的時候或者Nb的含有率不滿O. 01 %的時候，可能不能充分地得到這些添加元素帶來的晶粒細微化的效果。此外，即使含有大量的V以及Nb，韌性的效果也飽和了，成為高成本的原因，因此優(yōu)選的V以及Nb的含有率的上限為O. 30%。另外，上述板彈簧用鋼可以含有作為雜質(zhì)的脫酸處理中所需要的量的Al (O. 040%以下左右)，該脫酸處理為制造鋼時所必須的工序。上述板彈簧零件，可以由上述板彈簧用鋼成形，進行淬火以及回火制造成。像這樣經(jīng)回火可以形成馬氏體(Martensite)組織。此外，上述板彈簧零件，優(yōu)選在負荷彎曲應(yīng)力650 1900MPa的狀態(tài)下，且在室溫 400°C的溫度范圍內(nèi)，進行實施噴丸處理。
即，上述板彈簧零件，優(yōu)選實施高強度噴丸處理。在這個情況下，能發(fā)揮優(yōu)異的疲勞強度。此外，優(yōu)選上述板彈簧零件的維氏硬度(Vickers hardness)在510以上會很好。
本発明的板彈簧用鋼，適用于高硬度的板彈簧零件的時候，能發(fā)揮優(yōu)異的韌性以及疲
勞強度，如上所述在維氏硬度510以上的高硬度范圍內(nèi)，這樣的作用效果變得顯著。
維氏硬度通過在淬火后進行控制回火的溫度，例如控制得較低，可以調(diào)整到如上所述的510以上。
實施例實施例I
本例是對上述板彈簧用鋼所涉及的實施例和比較例進行說明。
首先，準備兩種以上的含有表I中所示的化學成分的板彈簧用鋼(樣本El 樣本E13、以及樣本Cl 樣本C10)。另外,關(guān)于表I中所述的成分中Cu、Ni,其中的一部分顯不作為雜質(zhì)的含有率。
表I中所不的板彈簧用鋼中，上述樣本El 樣本E13是本發(fā)明的鋼，上述樣本Cl 樣本C7是C、Si、Ti、TiN等的一部分成分的含有率與本發(fā)明的鋼不相同的比較鋼，樣本C8是以前的鋼SUP10，樣本C9是以前的鋼SUP11A，樣本ClO是以前的鋼SUP6。[表 I]
權(quán)利要求
1.一種高疲勞強度板彈簧用鋼，其特征在于，以質(zhì)量％計，含有c :0. 40 O. 54%,Si O.40 O. 90%,Mn :0. 40 I. 20%,Cr :0. 70 I. 50%,Ti :0. 070 O. 150%,B :0. 0005 O.0050%、N :0. 0100%以下，剩余部分由Fe以及雜質(zhì)元素組成， Ti與N的含有率滿足Ti/N彡10。
2.一種高疲勞強度板彈簧用鋼，其特征在于，以質(zhì)量％計，含有C :0. 40 O. 54%, Si O.40 O. 90%,Mn :0. 40 I. 20%,Cr :0. 70 I. 50%,Ti :0. 070 O. 150%,B :0. 0005 O.0050%, N 0. 0100% 以下， 以質(zhì)量％計，還含有選自Cu :0. 20 O. 50%,Ni :0. 20 I. 00%,V :0. 05 O. 30%以及Nb :0.01 O. 30%中的一種以上， 剩余部分由Fe以及雜質(zhì)元素組成， Ti與N的含有率滿足Ti/N彡10。
3.一種高疲勞強度板彈簧零件，其特征在于，使用權(quán)利要求I或者2中所述的板彈簧用鋼成形。
4.如權(quán)利要求3中所述的高疲勞強度板彈簧零件，其特征在于，在負荷彎曲應(yīng)力650 1900MPa的狀態(tài)下，且在室溫 400°C的溫度范圍，對所述板彈簧零件實施噴丸處理。
5.如權(quán)利要求3或4中所述的高疲勞強度板彈簧零件，其特征在于，其維氏硬度在510以上。
全文摘要
一種高疲勞強度板彈簧用鋼以及使用其成形的高疲勞強度板彈簧零件，所述高疲勞強度板彈簧用鋼，以質(zhì)量％計，含有C0.40～0.54％、Si0.40～0.90％、Mn0.40～1.20％、Cr0.70～1.50％、Ti0.070～0.150％、B0.0005～0.0050％、N0.0100％以下，剩余部分由Fe以及雜質(zhì)元素組成。板彈簧用鋼中，Ti與N的含有率滿足Ti/N≥10。優(yōu)選在負荷彎曲應(yīng)力650～1900MPa的狀態(tài)下，且在室溫～400℃的溫度范圍內(nèi)，對板彈簧零件實施噴丸處理(shot peening)。
文檔編號C22C38/54GK102803537SQ201080059378
公開日2012年11月28日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日
發(fā)明者杉本淳, 栗本清, 丹下彰, 后藤由利香, 明田守 申請人:愛知制鋼株式會社, 日本發(fā)條株式會社