JPH11246941A - 高強度弁ばね及びその製造方法 - Google Patents
高強度弁ばね及びその製造方法Info
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- JPH11246941A JPH11246941A JP6411298A JP6411298A JPH11246941A JP H11246941 A JPH11246941 A JP H11246941A JP 6411298 A JP6411298 A JP 6411298A JP 6411298 A JP6411298 A JP 6411298A JP H11246941 A JPH11246941 A JP H11246941A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 最適の素材を選択した上、その後のばねの製
造工程を適切に組み合わせることにより、従来のものよ
りも疲労強度を上昇し、へたりを減少した弁ばねを提供
する。 【解決手段】 素材として、Ｃ：０．５〜０．８％（重
量比）、Ｓｉ：１．２〜２．５％、Ｍｎ：０．４〜０．
８％、Ｃｒ：０．７〜１．０％、Ａｌ：０．００５％以
下、Ｔｉ：０．００５％以下であって、最大非金属介在
物が１５μｍである鋼を使用する。オイルテンパー処理
の際、焼入れ加熱温度を９５０℃以上１１００℃以下と
する。コイリング後、４８０℃以上で窒化処理を施して
表面硬さをＨｖ９００以上とした上、Ｈｖ７２０以上の
ショット球を用いて少なくとも２回のショットピーニン
グを施して、表面近傍の圧縮残留応力が１３０kgf/mm2
以上となるようにする。
造工程を適切に組み合わせることにより、従来のものよ
りも疲労強度を上昇し、へたりを減少した弁ばねを提供
する。 【解決手段】 素材として、Ｃ：０．５〜０．８％（重
量比）、Ｓｉ：１．２〜２．５％、Ｍｎ：０．４〜０．
８％、Ｃｒ：０．７〜１．０％、Ａｌ：０．００５％以
下、Ｔｉ：０．００５％以下であって、最大非金属介在
物が１５μｍである鋼を使用する。オイルテンパー処理
の際、焼入れ加熱温度を９５０℃以上１１００℃以下と
する。コイリング後、４８０℃以上で窒化処理を施して
表面硬さをＨｖ９００以上とした上、Ｈｖ７２０以上の
ショット球を用いて少なくとも２回のショットピーニン
グを施して、表面近傍の圧縮残留応力が１３０kgf/mm2
以上となるようにする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、主に自動車用内燃
機関の弁ばねとして用いられる、耐疲労性・耐へたり性
及び耐遅れ破壊性に優れた高強度弁ばね及びその製造方
法に関する。
機関の弁ばねとして用いられる、耐疲労性・耐へたり性
及び耐遅れ破壊性に優れた高強度弁ばね及びその製造方
法に関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関の弁ばね用線材として、ＪＩＳ
には弁ばね用オイルテンパー線（SWO-V：JIS G3561）、
弁ばね用クロムバナジウム鋼オイルテンパー線（SWOCV-
V：JISG3565）、及び、弁ばね用シリコンクロム鋼オイ
ルテンパー線（SWOSC-V：JIS G3566）等が規定されてい
るが、従来、耐疲労強度及び耐へたり性に優れるSWOSC-
Vが主に利用されてきた。
には弁ばね用オイルテンパー線（SWO-V：JIS G3561）、
弁ばね用クロムバナジウム鋼オイルテンパー線（SWOCV-
V：JISG3565）、及び、弁ばね用シリコンクロム鋼オイ
ルテンパー線（SWOSC-V：JIS G3566）等が規定されてい
るが、従来、耐疲労強度及び耐へたり性に優れるSWOSC-
Vが主に利用されてきた。
【０００３】一方、環境保護及び資源保護の観点より、
自動車に対しては排気の清浄化及び燃費向上への努力が
常に要請されているが、これらに対して大きく寄与する
のが車体の軽量化であり、車体を構成する各部品につい
ても軽量化への努力がたゆまず続けられている。
自動車に対しては排気の清浄化及び燃費向上への努力が
常に要請されているが、これらに対して大きく寄与する
のが車体の軽量化であり、車体を構成する各部品につい
ても軽量化への努力がたゆまず続けられている。
【０００４】このため、弁ばね用線材についても、疲労
強度を更に高め、へたりを低下させるための提案が種々
なされている。例えば、特開平８−１７６７３０号公報
では、重量％でＣ：０．５〜０．８％、Ｓｉ：１．２〜
２．５％、Ｍｎ：０．４〜０．８％、Ｃｒ：０．７〜
１．０％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物から成
り、不可避的不純物であるＡｌ含有量が０．００５％以
下、同Ｔｉ含有量が０．００５％以下である鋼に焼入れ
加熱温度を９５０℃以上１１００℃以下として焼入れ焼
戻しを施したオイルテンパー線が、高強度弁ばね用とし
て提案されている（請求項１）。この公報では更に、素
材鋼にＶ：０．０５〜０．１５％を含有させたオイルテ
ンパー線（請求項２）、それに加えてＭｏ：０．０５〜
０．５％、Ｗ：０．０５〜０．１５％、Ｎｂ：０．０５
〜０．１５％のうち少なくとも１種以上を含有させたオ
イルテンパー線（請求項３）が提案されている。また、
同一出願人に係る特開平９−７１８４３号公報では、同
様の成分量を含有する鋼を用い、焼入れ焼戻し後の残留
γ（オーステナイト）を体積比で１〜５％とした高靱性
ばね用オイルテンパー線を提案している（請求項１、
２）。この公報ではまた、焼入れ焼戻し後において、粒
子径が０．０５μｍ以上である炭化物の組織内密度が、
組織観察写真上で５ケ／μｍ2以下であるとしたオイル
テンパー線も提案し（請求項３、４）、これらの組み合
わせでもよいとしている（請求項５、６）。そして、そ
の具体的製造方法として、請求項１、２、５、６の場合
には焼入れ焼戻し工程における焼戻しを加熱速度１５０
℃／ｓｅｃ以上で４５０〜６００℃に加熱し、加熱開始
から水等の冷媒を用いた冷却開始までの時間を１５秒以
内とすること、請求項３、４、５、６の場合には、焼入
れ加熱を加熱速度１５０℃／ｓｅｃ以上で１１００℃以
下でＴ（℃）＝５００＋７５０・Ｃ（炭素量）＋５００
・Ｖ（バナジウム量）で決まる温度以上の範囲に加熱
し、加熱開始から水又は油による冷却開始までの時間を
１５秒以内とすること、等を開示している。
強度を更に高め、へたりを低下させるための提案が種々
なされている。例えば、特開平８−１７６７３０号公報
では、重量％でＣ：０．５〜０．８％、Ｓｉ：１．２〜
２．５％、Ｍｎ：０．４〜０．８％、Ｃｒ：０．７〜
１．０％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物から成
り、不可避的不純物であるＡｌ含有量が０．００５％以
下、同Ｔｉ含有量が０．００５％以下である鋼に焼入れ
加熱温度を９５０℃以上１１００℃以下として焼入れ焼
戻しを施したオイルテンパー線が、高強度弁ばね用とし
て提案されている（請求項１）。この公報では更に、素
材鋼にＶ：０．０５〜０．１５％を含有させたオイルテ
ンパー線（請求項２）、それに加えてＭｏ：０．０５〜
０．５％、Ｗ：０．０５〜０．１５％、Ｎｂ：０．０５
〜０．１５％のうち少なくとも１種以上を含有させたオ
イルテンパー線（請求項３）が提案されている。また、
同一出願人に係る特開平９−７１８４３号公報では、同
様の成分量を含有する鋼を用い、焼入れ焼戻し後の残留
γ（オーステナイト）を体積比で１〜５％とした高靱性
ばね用オイルテンパー線を提案している（請求項１、
２）。この公報ではまた、焼入れ焼戻し後において、粒
子径が０．０５μｍ以上である炭化物の組織内密度が、
組織観察写真上で５ケ／μｍ2以下であるとしたオイル
テンパー線も提案し（請求項３、４）、これらの組み合
わせでもよいとしている（請求項５、６）。そして、そ
の具体的製造方法として、請求項１、２、５、６の場合
には焼入れ焼戻し工程における焼戻しを加熱速度１５０
℃／ｓｅｃ以上で４５０〜６００℃に加熱し、加熱開始
から水等の冷媒を用いた冷却開始までの時間を１５秒以
内とすること、請求項３、４、５、６の場合には、焼入
れ加熱を加熱速度１５０℃／ｓｅｃ以上で１１００℃以
下でＴ（℃）＝５００＋７５０・Ｃ（炭素量）＋５００
・Ｖ（バナジウム量）で決まる温度以上の範囲に加熱
し、加熱開始から水又は油による冷却開始までの時間を
１５秒以内とすること、等を開示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来提案され
ているものは多くは素材としての鋼か、せいぜい上記の
ような線材（オイルテンパー線）段階までであり、最終
製品である弁ばねを製造する段階まで、高疲労強度・耐
へたり性を実現するための方策を規定したものはなかっ
た。しかし、いかに良好な素材を用いたとしても、その
後の製造工程が不適切であれば素材の性能が十分に発揮
されないばかりか、弁ばねの製造自体を困難にし、場合
によっては逆に疲労強度や耐へたり性を悪化させる危険
性がある。
ているものは多くは素材としての鋼か、せいぜい上記の
ような線材（オイルテンパー線）段階までであり、最終
製品である弁ばねを製造する段階まで、高疲労強度・耐
へたり性を実現するための方策を規定したものはなかっ
た。しかし、いかに良好な素材を用いたとしても、その
後の製造工程が不適切であれば素材の性能が十分に発揮
されないばかりか、弁ばねの製造自体を困難にし、場合
によっては逆に疲労強度や耐へたり性を悪化させる危険
性がある。
【０００６】本発明はこのような課題を解決するために
成されたものであり、その目的とするところは、最適の
素材を選択した上、その後のばねの製造工程を素材に応
じた適切なものとすることにより、従来のものよりも耐
疲労性、耐へたり性を向上した弁ばねを提供することに
ある。具体的には、耐疲労性においては、弁ばね素線の
剪断応力τ＝７０±６０kgf/mm2で２．５×１０7回以上
の繰り返し負荷に耐えるとともに、耐へたり性において
は、表面の最大剪断応力τmax＝１００kgf/mm2で１２０
℃×４８時間保持したときの残留剪断歪γが８×１０-5
以下となるような高強度弁ばねを提供するものである。
また、本発明では、遅れ破壊に対する耐性をも考慮し
て、その特性の向上を図っている。
成されたものであり、その目的とするところは、最適の
素材を選択した上、その後のばねの製造工程を素材に応
じた適切なものとすることにより、従来のものよりも耐
疲労性、耐へたり性を向上した弁ばねを提供することに
ある。具体的には、耐疲労性においては、弁ばね素線の
剪断応力τ＝７０±６０kgf/mm2で２．５×１０7回以上
の繰り返し負荷に耐えるとともに、耐へたり性において
は、表面の最大剪断応力τmax＝１００kgf/mm2で１２０
℃×４８時間保持したときの残留剪断歪γが８×１０-5
以下となるような高強度弁ばねを提供するものである。
また、本発明では、遅れ破壊に対する耐性をも考慮し
て、その特性の向上を図っている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明に係る高強度弁ばねは、ｉ）重量比に
してＣ：０．５〜０．８％、Ｓｉ：１．２〜２．５％、
Ｍｎ：０．４〜０．８％、Ｃｒ：０．７〜１．０％を含
有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物から成り、不可避的
不純物であるＡｌ含有量が０．００５％以下、同Ｔｉ含
有量が０．００５％以下であって、最大非金属介在物が
１５μｍである鋼に、ii）焼入れ加熱温度を９５０℃以
上１１００℃以下として焼入れ・焼戻しを施したオイル
テンパー線を素材として使用し、iii）コイリング後、
窒化処理を施し、更に、Ｈｖ７２０以上のショット球を
用いてショットピーニングを施した、ことを特徴とする
ものである。
に成された本発明に係る高強度弁ばねは、ｉ）重量比に
してＣ：０．５〜０．８％、Ｓｉ：１．２〜２．５％、
Ｍｎ：０．４〜０．８％、Ｃｒ：０．７〜１．０％を含
有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物から成り、不可避的
不純物であるＡｌ含有量が０．００５％以下、同Ｔｉ含
有量が０．００５％以下であって、最大非金属介在物が
１５μｍである鋼に、ii）焼入れ加熱温度を９５０℃以
上１１００℃以下として焼入れ・焼戻しを施したオイル
テンパー線を素材として使用し、iii）コイリング後、
窒化処理を施し、更に、Ｈｖ７２０以上のショット球を
用いてショットピーニングを施した、ことを特徴とする
ものである。
【０００８】ここで、上記ｉ）の素材鋼は更に、Ｖ：
０．０５〜０．１５％、Ｍｏ：０．０５〜０．５％、
Ｗ：０．０５〜０．１５％、Ｎｂ：０．０５〜０．１５
％のうち１種以上を含有してもよい。
０．０５〜０．１５％、Ｍｏ：０．０５〜０．５％、
Ｗ：０．０５〜０．１５％、Ｎｂ：０．０５〜０．１５
％のうち１種以上を含有してもよい。
【０００９】また、上記ii）の焼入れ焼戻し後のオイル
テンパー線において、残留オーステナイトが体積率で１
〜５％となるようにするとよい。
テンパー線において、残留オーステナイトが体積率で１
〜５％となるようにするとよい。
【００１０】同様に、上記ii）の焼入れ焼戻し後のオイ
ルテンパー線において、粒子径が０．０５μｍ以上であ
る炭化物の組織内密度が、組織観察写真上で５ケ／μｍ
2以下となるようにするとよい。
ルテンパー線において、粒子径が０．０５μｍ以上であ
る炭化物の組織内密度が、組織観察写真上で５ケ／μｍ
2以下となるようにするとよい。
【００１１】上記iii）の窒化処理は、望ましくは４８
０℃以上で行ない、表面硬さをＨｖ９００以上とする。
また、ショットピーニングは１回でもよいが、２回以上
行ない、表面近傍の圧縮残留応力を１３０kgf/mm2以上
とすることにより、より高強度の弁ばねを得ることがで
きる。
０℃以上で行ない、表面硬さをＨｖ９００以上とする。
また、ショットピーニングは１回でもよいが、２回以上
行ない、表面近傍の圧縮残留応力を１３０kgf/mm2以上
とすることにより、より高強度の弁ばねを得ることがで
きる。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明の高強度弁ばねではまず、
素材鋼のシリコン含有量を従来の弁ばね用シリコンクロ
ム鋼オイルテンパー線（SWOSC-V）よりも高く、１．２
〜２．５％とした。シリコンはフェライト及びマルテン
サイト中に固溶してそれらを強化するとともに、マルテ
ンサイト相の焼戻し時の［フェライト＋炭化物］への分
解を遅らせる作用を有する。つまり、オイルテンパー処
理時の相分解温度を高温側にシフトさせるため、同じ引
張強さを得るための焼戻し温度を従来よりも高くするこ
とができる。焼戻し温度の上昇は、転位の回復を促進
し、組織を安定化する。これは、疲労亀裂の起点を発生
し難くすることから、時間疲労強度を上げ且つ疲労限度
を上昇させる。また、遅れ破壊強度をも向上させる。
素材鋼のシリコン含有量を従来の弁ばね用シリコンクロ
ム鋼オイルテンパー線（SWOSC-V）よりも高く、１．２
〜２．５％とした。シリコンはフェライト及びマルテン
サイト中に固溶してそれらを強化するとともに、マルテ
ンサイト相の焼戻し時の［フェライト＋炭化物］への分
解を遅らせる作用を有する。つまり、オイルテンパー処
理時の相分解温度を高温側にシフトさせるため、同じ引
張強さを得るための焼戻し温度を従来よりも高くするこ
とができる。焼戻し温度の上昇は、転位の回復を促進
し、組織を安定化する。これは、疲労亀裂の起点を発生
し難くすることから、時間疲労強度を上げ且つ疲労限度
を上昇させる。また、遅れ破壊強度をも向上させる。
【００１３】焼戻し温度の上昇は、弁ばね使用時の温度
上昇による組織変化を防止し、転位の移動を困難にす
る。これは、耐へたり性の向上に大きく寄与する。
上昇による組織変化を防止し、転位の移動を困難にす
る。これは、耐へたり性の向上に大きく寄与する。
【００１４】従来、弁ばねの表面硬さを上昇させる有効
な方法として、表面窒化処理が行なわれていた。窒化処
理は、高温で行なうほど窒素の鋼中への侵入が容易とな
り、高い表面硬さを得ることができることは十分理解さ
れているが、窒化処理の温度がオイルテンパー処理の焼
戻し温度を越えると、線材の内部硬さが低下して、疲労
強度や耐へたり性に悪影響を及ぼす。このため、従来、
窒化処理温度を上げることは不可能と考えられていた。
本発明では、上記の通り、シリコンの強化作用を利用し
て焼戻し温度を上昇させることにより、高温窒化処理を
可能とし、これによる表面硬さの上昇並びに疲労強度及
び耐へたり性の向上を目指したものである。なお、表面
硬さを上昇させたことに伴い、それに応じたショットピ
ーニング処理を施すことをも規定したものである。
な方法として、表面窒化処理が行なわれていた。窒化処
理は、高温で行なうほど窒素の鋼中への侵入が容易とな
り、高い表面硬さを得ることができることは十分理解さ
れているが、窒化処理の温度がオイルテンパー処理の焼
戻し温度を越えると、線材の内部硬さが低下して、疲労
強度や耐へたり性に悪影響を及ぼす。このため、従来、
窒化処理温度を上げることは不可能と考えられていた。
本発明では、上記の通り、シリコンの強化作用を利用し
て焼戻し温度を上昇させることにより、高温窒化処理を
可能とし、これによる表面硬さの上昇並びに疲労強度及
び耐へたり性の向上を目指したものである。なお、表面
硬さを上昇させたことに伴い、それに応じたショットピ
ーニング処理を施すことをも規定したものである。
【００１５】上記の基本的な思想の下、本発明では上記
特開平８−１７６７３０号及び特開平９−７１８４３号
で提案されたオイルテンパー線を素材として採用するこ
ととした。従って、その成分及び組織限定条件は同公報
の記載を借りて以下に説明する。
特開平８−１７６７３０号及び特開平９−７１８４３号
で提案されたオイルテンパー線を素材として採用するこ
ととした。従って、その成分及び組織限定条件は同公報
の記載を借りて以下に説明する。
【００１６】Ｃ：０．５〜０．８重量％Ｃは鋼線の強度
を高めるために必須の元素であるが、０．５％未満では
十分な強度が得られず、逆に０．８％を越えると靱性が
低下し、さらに鋼線の疵感受性が増大し、信頼性が低下
するためである。
を高めるために必須の元素であるが、０．５％未満では
十分な強度が得られず、逆に０．８％を越えると靱性が
低下し、さらに鋼線の疵感受性が増大し、信頼性が低下
するためである。
【００１７】Ｓｉ：１．２〜２．５重量％Ｓｉは上記の
通りフェライト及びマルテンサイトの強度を向上させ、
耐へたり性を向上させるのに有効な元素である。１．２
％未満ではその十分な効果が無く、逆に２．５％を越え
る場合は冷間加工性を低下させるとともに熱間加工性や
熱処理による脱炭を助長するからである。
通りフェライト及びマルテンサイトの強度を向上させ、
耐へたり性を向上させるのに有効な元素である。１．２
％未満ではその十分な効果が無く、逆に２．５％を越え
る場合は冷間加工性を低下させるとともに熱間加工性や
熱処理による脱炭を助長するからである。
【００１８】Ｍｎ：０．４〜０．８重量％ Ｍｎは鋼の焼入性を向上させ、鋼中のＳを固定してその
害を阻止するが、０．４％未満ではその効果がなく、逆
に０．８％を越えると靱性が低下するためである。
害を阻止するが、０．４％未満ではその効果がなく、逆
に０．８％を越えると靱性が低下するためである。
【００１９】Ｃｒ：０．７〜１．０重量％ ＣｒはＭｎ同様、鋼の焼入れ性を向上させ、かつ熱間圧
延後のパテンティング処理により靱性を付与し、焼入れ
した後、焼戻し時の軟化抵抗性を高め、高強度化するの
に有効な元素である。０．７％未満ではその効果が少な
く、逆に１．０％を越えると炭化物の固溶を抑制し，強
度の低下を招くとともに、焼入れ性の過度の増大となっ
て靱性をもたらすためである。
延後のパテンティング処理により靱性を付与し、焼入れ
した後、焼戻し時の軟化抵抗性を高め、高強度化するの
に有効な元素である。０．７％未満ではその効果が少な
く、逆に１．０％を越えると炭化物の固溶を抑制し，強
度の低下を招くとともに、焼入れ性の過度の増大となっ
て靱性をもたらすためである。
【００２０】Ｖ：０．０５〜０．１５重量％ Ｖは焼戻し時に炭化物を形成し、軟化抵抗を増大させる
元素であるが、０．０５％未満ではその効果が少ない。
また、０．１５％を越えると焼入れ加熱時に炭化物を多
く形成し、靱性の低下をまねくからである。
元素であるが、０．０５％未満ではその効果が少ない。
また、０．１５％を越えると焼入れ加熱時に炭化物を多
く形成し、靱性の低下をまねくからである。
【００２１】Ｍｏ：０．０５〜０．５重量％ Ｍｏは焼戻し時に炭化物を形成し、軟化抵抗を増大させ
る元素であるが、０．０５％未満ではその効果は少な
く、また０．５％を越えると焼入れ加熱時に炭化物を多
く形成し、靱性の低下をまねくからである。
る元素であるが、０．０５％未満ではその効果は少な
く、また０．５％を越えると焼入れ加熱時に炭化物を多
く形成し、靱性の低下をまねくからである。
【００２２】Ｎｂ：０．０５〜０．１５重量％ Ｎｂは焼戻し時に炭化物を形成し、軟化抵抗を増大させ
る元素であるが、０．０５％未満ではその効果が少な
い。また、０．１５％を越えると焼入れ加熱時に炭化物
を多く形成し、靱性の低下をまねくからである。
る元素であるが、０．０５％未満ではその効果が少な
い。また、０．１５％を越えると焼入れ加熱時に炭化物
を多く形成し、靱性の低下をまねくからである。
【００２３】Ａｌ、Ｔｉ：０．００５重量％以下 これらはいずれも高融点非金属介在物であるＡｌ2Ｏ3、
ＴｉＯを形成する。これらの介在物は硬質で、鋼線表面
直下に存在した場合、疲労強度を著しく低下させる。こ
のため、不可避的不純物とはいえ、いずれも０．００５
％以下とした。原料において、これら不純物濃度が低い
ものを用いればよい。
ＴｉＯを形成する。これらの介在物は硬質で、鋼線表面
直下に存在した場合、疲労強度を著しく低下させる。こ
のため、不可避的不純物とはいえ、いずれも０．００５
％以下とした。原料において、これら不純物濃度が低い
ものを用いればよい。
【００２４】焼入れ加熱温度：９５０℃以上１１００℃
以下 焼入れ加熱温度によって焼入れ時のＶ等の固溶量が決ま
り、温度が高いほど固溶量も大きい。９５０℃未満では
Ｖ等の固溶量が小さくなり、炭化物が多く析出する。ま
た、１１００℃において本発明におけるＶ、Ｗ、Ｎｂは
そのほとんどがＦｅ中に固溶していると考えられるの
で、１１００℃を越えても靱性の向上、軟化抵抗の増大
は認められないからである。
以下 焼入れ加熱温度によって焼入れ時のＶ等の固溶量が決ま
り、温度が高いほど固溶量も大きい。９５０℃未満では
Ｖ等の固溶量が小さくなり、炭化物が多く析出する。ま
た、１１００℃において本発明におけるＶ、Ｗ、Ｎｂは
そのほとんどがＦｅ中に固溶していると考えられるの
で、１１００℃を越えても靱性の向上、軟化抵抗の増大
は認められないからである。
【００２５】窒化処理：４８０℃以上、表面硬さＨｖ９
００以上 窒化処理はオイルテンパー処理後に行われるため、オイ
ルテンパー処理時の焼戻し温度を越えることはできな
い。従来のオイルテンパー線では焼戻し温度が最高でも
４５０℃以下であったため、窒化処理も必然的にその温
度以下とせざるを得なかった。しかし、本願発明に係る
高強度弁ばねでは、前記の通り素材に高シリコン鋼を使
用したため、オイルテンパー時の焼戻し温度を高くする
ことができた。これにより、窒化処理も４８０℃以上と
いう高温で行うことが可能となったものである。
００以上 窒化処理はオイルテンパー処理後に行われるため、オイ
ルテンパー処理時の焼戻し温度を越えることはできな
い。従来のオイルテンパー線では焼戻し温度が最高でも
４５０℃以下であったため、窒化処理も必然的にその温
度以下とせざるを得なかった。しかし、本願発明に係る
高強度弁ばねでは、前記の通り素材に高シリコン鋼を使
用したため、オイルテンパー時の焼戻し温度を高くする
ことができた。これにより、窒化処理も４８０℃以上と
いう高温で行うことが可能となったものである。
【００２６】あらゆる化学処理は一般に高温になればな
るほど活性化される。窒化処理の場合、このように高温
で行うことにより、窒素（Ｎ）がより鋼中に侵入しやす
くなり、ばねの表面を硬化させることが可能となる。４
８０℃以下の温度では十分な表面硬さを得ることができ
ないためであり、また、Ｈｖ９００以下では従来のもの
よりも高い疲労強度を得ることができないためである。
るほど活性化される。窒化処理の場合、このように高温
で行うことにより、窒素（Ｎ）がより鋼中に侵入しやす
くなり、ばねの表面を硬化させることが可能となる。４
８０℃以下の温度では十分な表面硬さを得ることができ
ないためであり、また、Ｈｖ９００以下では従来のもの
よりも高い疲労強度を得ることができないためである。
【００２７】ショットピーニング：Ｈｖ７２０以上のシ
ョット球／少なくとも２回 ショットピーニングは弁ばねの表面に圧縮残留応力を付
与することにより、弁ばね使用時に表面に作用する最大
剪断応力を実質的に低下させ、疲労強度を著しく改善さ
せる。本発明に係る高強度弁ばねでは上記のように表面
硬さをＨｖ９００以上と非常に硬くしたため、通常の硬
さのショット球では十分な圧縮残留応力を付与すること
ができない。Ｈｖ７２０以上のショット球という条件
は、上記表面硬さを有する弁ばねに対して従来同様ある
いはそれ以上の圧縮残留応力を付与するに必要な条件と
して導き出されたものである。また、２回以上のショッ
トピーニングを施すことにより、圧縮残留応力値をより
大きくし、疲労強度を高めることができる。具体的に
は、表面近傍の圧縮残留応力値を１３０kgf/mm2以上と
することにより、疲労強度を大きく向上させることがで
きる。
ョット球／少なくとも２回 ショットピーニングは弁ばねの表面に圧縮残留応力を付
与することにより、弁ばね使用時に表面に作用する最大
剪断応力を実質的に低下させ、疲労強度を著しく改善さ
せる。本発明に係る高強度弁ばねでは上記のように表面
硬さをＨｖ９００以上と非常に硬くしたため、通常の硬
さのショット球では十分な圧縮残留応力を付与すること
ができない。Ｈｖ７２０以上のショット球という条件
は、上記表面硬さを有する弁ばねに対して従来同様ある
いはそれ以上の圧縮残留応力を付与するに必要な条件と
して導き出されたものである。また、２回以上のショッ
トピーニングを施すことにより、圧縮残留応力値をより
大きくし、疲労強度を高めることができる。具体的に
は、表面近傍の圧縮残留応力値を１３０kgf/mm2以上と
することにより、疲労強度を大きく向上させることがで
きる。
【００２８】残留オーステナイト（γ）：１〜５体積率
％ 焼戻しマルテンサイト中に存在する残留オーステナイト
相は鋼の靱性を向上させるが、体積率１％未満ではその
効果がなく、５％を越えるとばね使用中のマルテンサイ
ト変態によりへたり量が増える危険性があるからであ
る。
％ 焼戻しマルテンサイト中に存在する残留オーステナイト
相は鋼の靱性を向上させるが、体積率１％未満ではその
効果がなく、５％を越えるとばね使用中のマルテンサイ
ト変態によりへたり量が増える危険性があるからであ
る。
【００２９】粒子径０．０５μｍ以上の炭化物の組織内
密度：５ケ／μｍ2以下 粒子径０．０５μｍ以上の炭化物は組織内に存在する
と、ばね成形時等において破壊の起点となり得る。この
存在密度が組織観察写真上で５ケ／μｍ2を越えると靱
性が著しく低下するからである。
密度：５ケ／μｍ2以下 粒子径０．０５μｍ以上の炭化物は組織内に存在する
と、ばね成形時等において破壊の起点となり得る。この
存在密度が組織観察写真上で５ケ／μｍ2を越えると靱
性が著しく低下するからである。
【００３０】これらの残留オーステナイト量及び／又は
炭化物量の規定は、次のような熱処理方法により実現す
ることが望ましい。
炭化物量の規定は、次のような熱処理方法により実現す
ることが望ましい。
【００３１】焼入れ焼戻し工程における焼入れ加熱に関
しては、加熱速度１５０℃／ｓｅｃ以上で、１１００℃
以下でＴ（℃）＝５００＋７５０・Ｃ＋５００・Ｖで決
まる温度以上（ただし、９５０℃以上）の範囲に加熱
し、加熱開始から水又は油による冷却開始までの時間を
１５秒以内とする。
しては、加熱速度１５０℃／ｓｅｃ以上で、１１００℃
以下でＴ（℃）＝５００＋７５０・Ｃ＋５００・Ｖで決
まる温度以上（ただし、９５０℃以上）の範囲に加熱
し、加熱開始から水又は油による冷却開始までの時間を
１５秒以内とする。
【００３２】冷却開始までの時間を１５秒以内としなけ
れば結晶粒が粗大化し、靱性が劣化し、加熱速度が１５
０℃／ｓｅｃ以下であれば冷却開始までの１５秒間で十
分な炭化物の固溶ができない。また、加熱温度が１１０
０℃以上であれば結晶粒粗大化による靱性劣化や脱炭が
起こり、Ｔ（℃）＝５００＋７５０・Ｃ＋５００・Ｖ以
下であれば、十分な炭化物の固溶ができない。
れば結晶粒が粗大化し、靱性が劣化し、加熱速度が１５
０℃／ｓｅｃ以下であれば冷却開始までの１５秒間で十
分な炭化物の固溶ができない。また、加熱温度が１１０
０℃以上であれば結晶粒粗大化による靱性劣化や脱炭が
起こり、Ｔ（℃）＝５００＋７５０・Ｃ＋５００・Ｖ以
下であれば、十分な炭化物の固溶ができない。
【００３３】焼入れ焼戻し工程における焼戻し加熱に関
しては、加熱速度１５０℃／ｓｅｃ以上で、４５０℃〜
６００℃に加熱し、加熱開始から水等の冷媒を用いた冷
却開始までの時間を１５秒以内とする。
しては、加熱速度１５０℃／ｓｅｃ以上で、４５０℃〜
６００℃に加熱し、加熱開始から水等の冷媒を用いた冷
却開始までの時間を１５秒以内とする。
【００３４】加熱速度を１５０℃／ｓｅｃ、冷却開始ま
での時間を１５秒以内としなければ、残留オーステナイ
ト相が体積率１％未満に消失してしまうためである。
での時間を１５秒以内としなければ、残留オーステナイ
ト相が体積率１％未満に消失してしまうためである。
【００３５】
【実施例】以下に、従来より一般に広く用いられている
シリコンクロム鋼オイルテンパー線（SWOSC-V）にバナ
ジウムを少量添加した鋼を比較材として、本発明に係る
高強度弁ばねの特性を実験結果により明らかにする。実
験に用いた発明材及び比較材の化学組成を図１に示す。
シリコンクロム鋼オイルテンパー線（SWOSC-V）にバナ
ジウムを少量添加した鋼を比較材として、本発明に係る
高強度弁ばねの特性を実験結果により明らかにする。実
験に用いた発明材及び比較材の化学組成を図１に示す。
【００３６】これらの両供試材は、共に真空溶解炉で溶
製した後、熱間鍛造、熱間圧延により6.5mm径の線材
（素線）とした。この素線からφ3.2mmオイルテンパー
線を得るまでの工程は図２に示す通りである。オイルテ
ンパー処理は各供試材により異なり、それぞれ図３に示
す条件で行った。オイルテンパー線の状態における両供
試材の引張強さ及び絞りは図４の通りであった。
製した後、熱間鍛造、熱間圧延により6.5mm径の線材
（素線）とした。この素線からφ3.2mmオイルテンパー
線を得るまでの工程は図２に示す通りである。オイルテ
ンパー処理は各供試材により異なり、それぞれ図３に示
す条件で行った。オイルテンパー線の状態における両供
試材の引張強さ及び絞りは図４の通りであった。
【００３７】こうして得たオイルテンパー線より、図５
に示す諸元を有する弁ばねを成形した。弁ばね成形後、
図６に示す条件で窒化処理を施した。発明材は、窒化温
度を従来同様の４５０℃と、更に高温とした４８０℃で
行なったが、図７に示す通り、窒化温度を高くすること
により表面硬さが上がり、また、硬化深さも大きくなっ
ている。なお、当然、高温処理により内部硬さはやや下
がっているが、それでも、４８０℃窒化処理材の内部硬
さは比較材の通常窒化処理材のそれとほぼ同等であり、
窒化深さも比較材とほぼ同等となっている。従って、本
発明材は内部強度を同等に保持したまま、表面硬さを従
来よりも上昇させることが可能となっている。なお、同
等の内部硬さを得るために比較材よりも高い温度で窒化
処理を施していることから、耐へたり性に関して、従来
よりも安定性に優れていることが予想される。これらの
特性については後述する。
に示す諸元を有する弁ばねを成形した。弁ばね成形後、
図６に示す条件で窒化処理を施した。発明材は、窒化温
度を従来同様の４５０℃と、更に高温とした４８０℃で
行なったが、図７に示す通り、窒化温度を高くすること
により表面硬さが上がり、また、硬化深さも大きくなっ
ている。なお、当然、高温処理により内部硬さはやや下
がっているが、それでも、４８０℃窒化処理材の内部硬
さは比較材の通常窒化処理材のそれとほぼ同等であり、
窒化深さも比較材とほぼ同等となっている。従って、本
発明材は内部強度を同等に保持したまま、表面硬さを従
来よりも上昇させることが可能となっている。なお、同
等の内部硬さを得るために比較材よりも高い温度で窒化
処理を施していることから、耐へたり性に関して、従来
よりも安定性に優れていることが予想される。これらの
特性については後述する。
【００３８】窒化後、図８に示す条件でショットピーニ
ングを行った。本発明材では、図７に示す通り表面硬さ
が高いため、従来よりも硬いショット球を用いる必要が
ある。ショットピーニング後の表面の残留応力分布を測
定した結果を図９に示す。
ングを行った。本発明材では、図７に示す通り表面硬さ
が高いため、従来よりも硬いショット球を用いる必要が
ある。ショットピーニング後の表面の残留応力分布を測
定した結果を図９に示す。
【００３９】こうして作製した弁ばねについて、疲労強
度、耐へたり性及び遅れ破壊強度について試験した結果
を図１０〜図１２により説明する。
度、耐へたり性及び遅れ破壊強度について試験した結果
を図１０〜図１２により説明する。
【００４０】図１０は、ばね素線表面の剪断応力がτ＝
７０±６０kgf/mm2となるような負荷を弁ばねに繰り返
し付与したときの、折損までの回数（耐久回数）をプロ
ットしたグラフである。図１０に示す通り、発明材は窒
化温度にかかわらず比較材よりも良好な疲労強度を有し
ていることがわかるが、発明材では窒化温度が高い方が
耐久回数が上昇しており、本発明が目的とした窒化によ
る表面硬化が耐疲労性に有効に作用していることがわか
った。また、窒化温度を４８０℃としたときの試験片の
耐久回数はいずれも目標の２．５×１０7回を上回って
おり、統計上、Ｂ１０寿命線（全試験片中の１０％が折
損する繰り返し回数）が２．５×１０7回以上となるこ
とが示されている。
７０±６０kgf/mm2となるような負荷を弁ばねに繰り返
し付与したときの、折損までの回数（耐久回数）をプロ
ットしたグラフである。図１０に示す通り、発明材は窒
化温度にかかわらず比較材よりも良好な疲労強度を有し
ていることがわかるが、発明材では窒化温度が高い方が
耐久回数が上昇しており、本発明が目的とした窒化によ
る表面硬化が耐疲労性に有効に作用していることがわか
った。また、窒化温度を４８０℃としたときの試験片の
耐久回数はいずれも目標の２．５×１０7回を上回って
おり、統計上、Ｂ１０寿命線（全試験片中の１０％が折
損する繰り返し回数）が２．５×１０7回以上となるこ
とが示されている。
【００４１】図１１は、表面の最大剪断応力がτ＝１０
０kgf/mm2となるような固定負荷を供試弁ばねに付与し
た状態で、弁ばねを１２０℃の雰囲気下に置き、４８時
間放置した後の残留剪断歪γを測定した結果のグラフで
ある。図１１では、窒化温度による差は現われてないも
のの、いずれの窒化処理を行なっても発明材は比較材よ
りも良好な耐へたり性を有することが示されており、γ
＝８×１０-5以下という目標値を満足している。
０kgf/mm2となるような固定負荷を供試弁ばねに付与し
た状態で、弁ばねを１２０℃の雰囲気下に置き、４８時
間放置した後の残留剪断歪γを測定した結果のグラフで
ある。図１１では、窒化温度による差は現われてないも
のの、いずれの窒化処理を行なっても発明材は比較材よ
りも良好な耐へたり性を有することが示されており、γ
＝８×１０-5以下という目標値を満足している。
【００４２】図１２は、遅れ破壊特性を評価した試験の
結果を示すものである。すなわち、弁ばねにコイリング
した後に生成する残留応力の値を種々に変化させ、各応
力値においてクラック（割れ）が発生するまでの時間を
測定した結果を表わすグラフである。本発明材は、クラ
ック発生時間が比較材よりも遙かに長くなっていること
がわかる。
結果を示すものである。すなわち、弁ばねにコイリング
した後に生成する残留応力の値を種々に変化させ、各応
力値においてクラック（割れ）が発生するまでの時間を
測定した結果を表わすグラフである。本発明材は、クラ
ック発生時間が比較材よりも遙かに長くなっていること
がわかる。
【００４３】
【発明の効果】本発明に係る高強度弁ばねでは、素材鋼
のシリコン含有量を高くして、そのフェライト及びマル
テンサイトに対する固溶強化、及び、マルテンサイト相
の焼戻し時の［フェライト＋炭化物］への分解を遅らせ
る作用を利用した。これは、オイルテンパー処理時の相
分解温度を高温側にシフトさせ、転位の回復を促進する
ため、素材の組織が安定化し、靱性が向上する。焼戻し
温度の上昇は、また、高温窒化処理を可能とし、表面硬
さの上昇を可能とした。これらの作用により、疲労強度
の向上が可能となった。焼戻し温度の上昇は、一方、弁
ばね使用時の温度上昇による組織変化も防止し、転位の
移動を困難にする。このような組織の安定化は、耐へた
り性及び耐遅れ破壊性の向上にも有効に作用し、実使用
時の耐久性向上につながるものとなっている。
のシリコン含有量を高くして、そのフェライト及びマル
テンサイトに対する固溶強化、及び、マルテンサイト相
の焼戻し時の［フェライト＋炭化物］への分解を遅らせ
る作用を利用した。これは、オイルテンパー処理時の相
分解温度を高温側にシフトさせ、転位の回復を促進する
ため、素材の組織が安定化し、靱性が向上する。焼戻し
温度の上昇は、また、高温窒化処理を可能とし、表面硬
さの上昇を可能とした。これらの作用により、疲労強度
の向上が可能となった。焼戻し温度の上昇は、一方、弁
ばね使用時の温度上昇による組織変化も防止し、転位の
移動を困難にする。このような組織の安定化は、耐へた
り性及び耐遅れ破壊性の向上にも有効に作用し、実使用
時の耐久性向上につながるものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 供試材の化学組成。
【図２】 オイルテンパー線までの製造工程。
【図３】 オイルテンパー処理条件。
【図４】 オイルテンパー線の引張特性。
【図５】 弁ばね諸元。
【図６】 窒化処理条件。
【図７】 窒化後の表面硬さ分布。
【図８】 ショットピーニング条件。
【図９】 ショットピーニング後の残留応力分布。
【図１０】 耐久試験結果。
【図１１】 熱間締め付け試験結果。
【図１２】 遅れ破壊試験結果。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｃ２３Ｃ 8/26 Ｃ２３Ｃ 8/26 Ｆ０１Ｌ 3/10 Ｆ０１Ｌ 3/10 Ａ
Claims (12)
- 【請求項１】 重量比にしてＣ：０．５〜０．８％、Ｓ
ｉ：１．２〜２．５％、Ｍｎ：０．４〜０．８％、Ｃ
ｒ：０．７〜１．０％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的
不純物から成り、不可避的不純物であるＡｌ含有量が
０．００５％以下、同Ｔｉ含有量が０．００５％以下で
あって、最大非金属介在物が１５μｍである鋼に、焼入
れ加熱温度を９５０℃以上１１００℃以下として焼入れ
・焼戻しを施したオイルテンパー線を素材として使用
し、コイリング後、窒化処理を施し、更に、Ｈｖ７２０
以上のショット球を用いてショットピーニングを施した
ことを特徴とする高強度弁ばね。 - 【請求項２】 素材鋼が更に、Ｖ：０．０５〜０．１５
％、Ｍｏ：０．０５〜０．５％、Ｗ：０．０５〜０．１
５％、Ｎｂ：０．０５〜０．１５％のうち１種以上を含
有する請求項１記載の高強度弁ばね。 - 【請求項３】 焼入れ焼戻し後のオイルテンパー線にお
いて、残留オーステナイトが体積率で１〜５％である請
求項１又は２記載の高強度弁ばね。 - 【請求項４】 焼入れ焼戻し後のオイルテンパー線にお
いて、粒子径が０．０５μｍ以上である炭化物の組織内
密度が、組織観察写真上で５ケ／μｍ2以下である請求
項１〜３のいずれかに記載の高強度弁ばね。 - 【請求項５】 窒化処理を４８０℃以上で行ない、表面
硬さをＨｖ９００以上とした請求項１〜４のいずれかに
記載の高強度弁ばね。 - 【請求項６】 該ショットピーニングを少なくとも２回
施し、表面近傍の圧縮残留応力を１３０kgf/mm2以上と
した請求項１〜５のいずれかに記載の高強度弁ばね。 - 【請求項７】 重量比にしてＣ：０．５〜０．８％、Ｓ
ｉ：１．２〜２．５％、Ｍｎ：０．４〜０．８％、Ｃ
ｒ：０．７〜１．０％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的
不純物から成り、不可避的不純物であるＡｌ含有量が
０．００５％以下、同Ｔｉ含有量が０．００５％以下で
あって、最大非金属介在物が１５μｍである鋼に、焼入
れ加熱温度を９５０℃以上１１００℃以下として焼入れ
・焼戻しを施したオイルテンパー線を素材として使用
し、コイリング後、窒化処理を施し、更に、Ｈｖ７２０
以上のショット球を用いてショットピーニングを施すこ
とを特徴とする高強度弁ばねの製造方法。 - 【請求項８】 素材鋼が更に、Ｖ：０．０５〜０．１５
％、Ｍｏ：０．０５〜０．５％、Ｗ：０．０５〜０．１
５％、Ｎｂ：０．０５〜０．１５％のうち１種以上を含
有する請求項７記載の高強度弁ばねの製造方法。 - 【請求項９】 焼入れ処理において、加熱速度１５０℃
／ｓｅｃ以上で、１１００℃以下でＴ（℃）＝５００＋
７５０・Ｃ（炭素量％）＋５００・Ｖ（バナジウム量
％）で決まる温度以上（ただし、９５０℃以上）の範囲
に加熱し、加熱開始から水又は油による冷却開始までの
時間を１５秒以内とする請求項７又は８に記載の高強度
弁ばねの製造方法。 - 【請求項１０】 焼戻し処理において、加熱速度１５０
℃／ｓｅｃ以上で、４５０℃〜６００℃に加熱し、加熱
開始から水等の冷媒を用いた冷却開始までの時間を１５
秒以内とする請求項７〜９のいずれかに記載の高強度弁
ばねの製造方法。 - 【請求項１１】 窒化処理を４８０℃以上で行ない、表
面硬さをＨｖ９００以上とした請求項７〜１０のいずれ
かに記載の高強度弁ばねの製造方法。 - 【請求項１２】 該ショットピーニングを少なくとも２
回施す請求項７〜１１のいずれかに記載の高強度弁ばね
の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6411298A JPH11246941A (ja) | 1998-02-27 | 1998-02-27 | 高強度弁ばね及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6411298A JPH11246941A (ja) | 1998-02-27 | 1998-02-27 | 高強度弁ばね及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11246941A true JPH11246941A (ja) | 1999-09-14 |
Family
ID=13248675
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6411298A Pending JPH11246941A (ja) | 1998-02-27 | 1998-02-27 | 高強度弁ばね及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11246941A (ja) |
Cited By (13)
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-
1998
- 1998-02-27 JP JP6411298A patent/JPH11246941A/ja active Pending
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