JP2003293085A - Hard drawn spring having excellent fatigue strength - Google Patents

Hard drawn spring having excellent fatigue strength

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JP2003293085A
JP2003293085A JP2002100361A JP2002100361A JP2003293085A JP 2003293085 A JP2003293085 A JP 2003293085A JP 2002100361 A JP2002100361 A JP 2002100361A JP 2002100361 A JP2002100361 A JP 2002100361A JP 2003293085 A JP2003293085 A JP 2003293085A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hard drawn spring which exhibits fatigue strength equal to or greater than that of a spring obtained by using an oil tempered steel wire. <P>SOLUTION: The hard drawn spring has a composition containing 0.5 to 0.7% C, 1.0 to 2.0% Si, 0.5 to 1.5% Mn and 0.5 to 1.5% Cr, and the balance Fe with inevitable impurities. The difference between the surface residual stress at the inside of the spring (R<SB>+</SB>) and the surface residual stress at the outside of the spring (R<SB>-</SB>), i.e., [(R<SB>+</SB>)-(R<SB>-</SB>)], is ≤500 MPa. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、強い冷間引き抜き
加工を施して使用されるばね(加工ばね)に関するもの
であり、殊に伸線ままで焼入れ焼戻し処理せずとも優れ
た疲労強度を発揮する硬引きばねに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a spring (working spring) used after being subjected to a strong cold drawing process, and particularly exhibits excellent fatigue strength without being quenched and tempered as drawn. The present invention relates to a hard tension spring.

【0002】[0002]

【従来の技術】自動車等の軽量化や高出力化に伴い、エ
ンジンやサスペンション等に使用される弁ばねや懸架ば
ねにおいても高応力化が指向されている。また、ばねへ
の負荷応力の増大に伴い、疲労強度に優れたばねが要求
されている。
2. Description of the Related Art With the weight reduction and higher output of automobiles and the like, higher stress is also directed toward valve springs and suspension springs used in engines and suspensions. Further, as the load stress on the spring increases, a spring having excellent fatigue strength is required.

【0003】近年、弁ばねや懸架ばね等の大部分は、オ
イルテンパー線と呼ばれる焼入れ・焼戻しの施された鋼
線を、常温でばね巻き加工して製造されているのが一般
的である。
In recent years, most of valve springs, suspension springs, etc. are generally manufactured by quenching and tempering steel wire called oil temper wire, which is spring-wound at room temperature.

【0004】上記の様なオイルテンパー線では、焼戻し
マルテンサイト組織であるので、高強度を得るのに都合
が良く、また疲労強度や耐へたり性に優れるという利点
があるものの、焼入れ・焼戻し等の熱処理に大掛かりな
設備と処理コストを要するという欠点がある。
Since the oil tempered wire as described above has a tempered martensite structure, it is convenient for obtaining high strength and has the advantage of being excellent in fatigue strength and settling resistance, but it is hardened and tempered. There is a drawback that the heat treatment of requires large-scale equipment and treatment cost.

【0005】一方、負荷応力が比較的低く設計された一
部のばねには、(フェライト+パーライト)組織または
パーライト組織の炭素鋼を伸線加工して強度を高めた線
材(「硬引き線」と呼ばれている)を、常温でばね巻き
加工したものが使用されている。こうしたばねとして、
JIS規格にはピアノ線(JIS G3522)の中
で、特に「弁ばねまたはこれに準ずるばね用」として、
「ピアノ線SWP−V種」を定めている。
On the other hand, for some springs designed to have a relatively low load stress, a wire rod ("hard drawn wire") having a strength increased by wire-drawing a carbon steel of (ferrite + pearlite) structure or pearlite structure It is called)) and is spring-rolled at room temperature. As such a spring,
According to the JIS standard, among piano wires (JIS G3522), especially for "valve springs or springs equivalent thereto",
"Piano wire SWP-V type" is defined.

【0006】上記の様な硬引き線によって製造されるば
ね(以下では、このばねを「硬引きばね」と呼ぶ)は、
熱処理を必要としないので低コストになるという利点が
ある。しかしながら、こうした硬引き線で製造されたば
ねでは、疲労強度が低いという欠点があり、近年要望の
高まっている様な高応力ばねは実現できない。
The spring manufactured by the above-described hard-drawing wire (hereinafter, this spring is referred to as "hard-pulling spring") is
Since there is no need for heat treatment, there is an advantage of low cost. However, a spring manufactured with such a hard-drawn wire has a drawback that its fatigue strength is low, and a high-stress spring which has been increasingly demanded in recent years cannot be realized.

【0007】低コストに製造できるという利点のある硬
引きばねにおいて、より高応力化を図る技術も様々検討
されており、こうした技術として例えば特開平11−1
99981号には、「オイルテンパー線と同等の特性を
備えたピアノ線」として、共析〜過共析鋼パーライトの
伸線加工方法を工夫することによって、特定のセメンタ
イト形状を得る方法が提案されている。しかしながらこ
うした方法においても、伸線方向を入れ替えるなど、工
程の複雑化による製造コストの上昇は避けられない。
Various techniques for increasing the stress in a hard tension spring, which has the advantage that it can be manufactured at low cost, have been studied, and as such a technique, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 11-1
99981 proposes a method of obtaining a specific cementite shape by devising a wire drawing method for eutectoid to hypereutectoid steel pearlite as "piano wire having characteristics equivalent to oil tempered wire". ing. However, even in such a method, an increase in manufacturing cost due to complication of the process such as switching the drawing direction is inevitable.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明はこうした状況
の下になされたものであって、その目的は、オイルテン
パー線を用いたばねと同等以上の疲労強度を発揮する硬
引きばねを提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made under these circumstances, and an object thereof is to provide a hard-pull spring which exhibits fatigue strength equal to or higher than that of a spring using an oil temper wire. It is in.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成し得た
本発明の硬引きばねとは、C:0.5〜0.7%、S
i:1.0〜2.0%、Mn:0.5〜1.5%、C
r:0.5〜1.5%を夫々含有し、残部がFeおよび
不可避不純物からなる鋼線をばね成形したものであり、
ばね内側における表面残留応力(R+)と、ばね外側に
おける表面残留応力(R-)の差[(R+)−(R-)]
が500MPa以下である点に要旨を有するものであ
る。本発明で用いる鋼線においては、更に(a)Ni:
0.05〜0.5%、(b)Mo:0.3%以下(0%
を含まない)等を含有することも有効である。
Means for Solving the Problems The hard tension spring of the present invention capable of achieving the above object is C: 0.5 to 0.7%, S.
i: 1.0 to 2.0%, Mn: 0.5 to 1.5%, C
r: 0.5 to 1.5% each, each of which is a spring-formed steel wire with the balance being Fe and unavoidable impurities,
A surface residual stress in the spring interior (R +), the surface residual stress in the spring outside - the difference (R) [(R +) - (R -)]
Has a gist of 500 MPa or less. In the steel wire used in the present invention, (a) Ni:
0.05-0.5%, (b) Mo: 0.3% or less (0%
It is also effective to include such).

【0010】また、本発明のばねにおいては、下記
(1)〜(5)の要件を満足するものであることが好ま
しい。 (1)表面に2回以上のショットピーニングが施された
ものである。 (2)上記ショットピーニング後のばね内側における表
面残留応力(Rs+)と、ばね外側における表面残留応力
(Rs-)の差[(Rs+)−(Rs-)]が300MPa以
下である。 (3)表面粗さが最大高さRyで10μm以下である。 (4)表面に窒化処理が施されたものである。 (5)ばね径Dと線径dの比(D/d)が9.0以下で
ある。
Further, the spring of the present invention preferably satisfies the following requirements (1) to (5). (1) The surface is shot peened two or more times. (2) The difference [(R s + ) − (R s− )] between the surface residual stress (R s + ) inside the spring and the surface residual stress (R s− ) outside the spring after the above shot peening is 300 MPa or less. . (3) The surface roughness is 10 μm or less at the maximum height Ry. (4) The surface is nitrided. (5) The ratio (D / d) of the spring diameter D and the wire diameter d is 9.0 or less.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】本発明者らは、上記目的を達成す
ることのできる硬引きばねの実現を目指して様々な角度
から検討した。その結果、化学成分組成を適切に調整す
ると共に、ばね成形後(コイリング後)におけるばね内
側とばね外側の残留応力の差(以下、単に「残留応力
差」と呼ぶことがある)を500MPa以下に制御する
ことによって、優れた疲労強度が達成されることを見出
し、本発明を完成した。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present inventors have studied from various angles in order to realize a hard tension spring that can achieve the above object. As a result, while appropriately adjusting the chemical composition, the difference in residual stress between the spring inner side and the spring outer side (after coiling) (hereinafter sometimes simply referred to as "residual stress difference") is 500 MPa or less. It was found that excellent fatigue strength can be achieved by controlling, and the present invention has been completed.

【0012】本発明の硬引きばねにおいては、用いる鋼
線(伸線材)の化学成分組成も適切に調整する必要があ
るが、その範囲限定理由は下記の通りである。
In the hard tension spring of the present invention, it is necessary to properly adjust the chemical composition of the steel wire (drawn material) to be used, but the reason for limiting the range is as follows.

【0013】C:0.5〜0.7% Cは、伸線材の引張強度を高め、疲労強度や耐へたり性
を確保するために有用な元素であり、通常のピアノ線で
は0.8%前後含有されているが、本発明で目的として
いる様な高強度の伸線材においては、Cの含有量が0.
7%を超えると欠陥感受性を増大させ、また表面疵や介
在物からの亀裂を発生して疲労寿命が劣化するので、
0.7%以下とした。しかしながら、C含有量が少なく
なり過ぎると、高応力ばねとして必要な引張強さが確保
できないばかりか、疲労強度および耐へたり性を劣化さ
せるので、C含有量は0.5%以上とする必要がある。
尚、C含有量の好ましい下限は0.63%であり、好ま
しい上限は0.68%である。
C: 0.5 to 0.7% C is an element useful for increasing the tensile strength of a wire drawing material and ensuring fatigue strength and sag resistance, and 0.8 for ordinary piano wire. %, But in the high-strength wire drawing material intended in the present invention, the content of C is 0.
If it exceeds 7%, the susceptibility to defects is increased, and cracks from surface flaws and inclusions occur and the fatigue life deteriorates.
It was set to 0.7% or less. However, if the C content becomes too small, not only the tensile strength required for a high stress spring cannot be secured, but also the fatigue strength and sag resistance will deteriorate, so the C content must be 0.5% or more. There is.
The preferred lower limit of the C content is 0.63%, and the preferred upper limit is 0.68%.

【0014】Si:1.0〜2.0% Siは、製鋼時の脱酸剤として必要な元素であり、また
フェライト中に固溶して焼戻し軟化抵抗を上げ、耐へた
り性を向上させる上で重要な元素である。こうした効果
を発揮させるためには、1.0%以上含有させる必要が
ある。しかしながら、Siの含有量が2.0%を超えて
過剰になると、靭性や延性が悪くなるばかりでなく、表
面の脱炭や疵等が増加して耐疲労性が悪くなる。尚、S
i含有量の好ましい下限は1.2%程度であり、好まし
い上限は1.6%程度である。
Si: 1.0 to 2.0% Si is an element necessary as a deoxidizing agent during steel making, and is solid-dissolved in ferrite to increase temper softening resistance and improve sag resistance. It is an important element above. In order to exert such effects, it is necessary to contain 1.0% or more. However, if the Si content exceeds 2.0% and becomes excessive, not only the toughness and ductility deteriorate, but also the surface decarburization, flaws and the like increase, and the fatigue resistance deteriorates. Incidentally, S
The preferable lower limit of the i content is about 1.2%, and the preferable upper limit is about 1.6%.

【0015】Mn:0.5〜1.5% Mnは製鋼時の脱酸に有効な元素であり、またパーライ
ト組織を緻密且つ整然化させ、疲労特性の改善に貢献す
る元素である。こうした効果を発揮させる為には、Mn
は少なくとも0.5%含有させる必要がある。しかし、
過剰に含有させると、熱間圧延時やパテンティング処理
時にベイナイト等の過冷組織が生成し易くなり、伸線性
を著しく悪化するので、1.5%以下とすべきである。
尚、Mn含有量の好ましい下限は0.6%程度であり、
好ましい上限は1.0%程度である。
Mn: 0.5 to 1.5% Mn is an element effective for deoxidation during steel making, and is an element that makes the pearlite structure dense and orderly and contributes to improvement of fatigue properties. In order to exert such effects, Mn
Must be contained at least 0.5%. But,
If it is contained in excess, a supercooled structure such as bainite is likely to be formed during hot rolling or patenting treatment, and wire drawability is significantly deteriorated. Therefore, the content should be 1.5% or less.
The preferable lower limit of the Mn content is about 0.6%,
A preferable upper limit is about 1.0%.

【0016】Cr:0.5〜1.5% Crは、パーライトラメラ間隔を小さくして、圧延後ま
たは熱処理後の強度を上昇させ、耐へたり性を向上させ
るのに有用な元素である。こうした効果を発揮させるた
めには、Cr含有量は0.5%以上とする必要がある。
しかしながら、Cr含有量が過剰になると、パテンティ
ング中にベイナイト組織が生成し易くなり、また粗大な
炭化物を析出し易くなり、疲労強度および耐へたり性が
劣化するので、1.5%以下とする必要がある。尚、C
r含有量の好ましい下限は0.7%程度であり、好まし
い上限は1.0%程度である。
Cr: 0.5 to 1.5% Cr is an element useful for reducing the pearlite lamella spacing, increasing the strength after rolling or heat treatment, and improving the sag resistance. In order to exert such effects, the Cr content needs to be 0.5% or more.
However, if the Cr content is excessive, a bainite structure is likely to be generated during patenting, coarse carbides are likely to be precipitated, and fatigue strength and sag resistance are deteriorated. There is a need to. Incidentally, C
The preferable lower limit of the r content is about 0.7%, and the preferable upper limit is about 1.0%.

【0017】本発明で用いる鋼線における基本的な化学
成分組成は上記の通りであり、残部は実質的にFeから
なるものであるが、必要により所定量のNiやMoを含
有させることも有効である。これらを含有させるときの
範囲限定理由は、下記の通りである。
The basic chemical composition of the steel wire used in the present invention is as described above, and the balance consists essentially of Fe, but it is also effective to include a predetermined amount of Ni or Mo if necessary. Is. The reason for limiting the range when these are contained is as follows.

【0018】Ni:0.05〜0.5% Niは焼入れ性を高めると共に靭性を高め、ばね加工時
の折損トラブルを抑制すると共に疲労強度を向上させる
のに有効な元素である。こうした効果を発揮させるため
には、Ni含有量は0.05%以上とするのが好まし
い。しかしながら、過剰に含有させると熱間圧延時やパ
テンティング時にベイナイト組織が生成し、伸線加工性
を著しく悪化させるのでその上限は0.5%とするのが
好ましい。
Ni: 0.05 to 0.5% Ni is an element effective for improving hardenability and toughness, suppressing breakage troubles during spring processing, and improving fatigue strength. In order to exert such effects, the Ni content is preferably 0.05% or more. However, if it is contained excessively, a bainite structure is generated during hot rolling or patenting, and wire drawability is significantly deteriorated. Therefore, its upper limit is preferably 0.5%.

【0019】Mo:0.3%以下(0%を含まない) Moは焼入れ性を確保すると共に軟化抵抗を向上させる
ことによって耐へたり性を向上させるのに有効な元素で
ある。こうした効果は、その含有量が多くなるにつれて
大きくなるが、過剰に含有させるとパテンティングの処
理時間が長くなり過ぎ、また延性も劣化するのでその上
限は0.3%とするのが好ましい。
Mo: 0.3% or less (not including 0%) Mo is an element effective for improving the sag resistance by ensuring the hardenability and improving the softening resistance. Such an effect increases as the content thereof increases, but if the content is excessive, the patenting treatment time becomes too long and the ductility deteriorates, so the upper limit is preferably set to 0.3%.

【0020】本発明で用いる鋼線には、上記の各種成分
以外にも硬引きばねの特性を阻害しない程度の微量成分
を含み得るものであり、こうした鋼線も本発明の範囲に
含まれものである。上記微量成分としては不純物、特に
P,S,As,Sb,Sn等の不可避不純物が挙げられ
る。
The steel wire used in the present invention may contain, in addition to the above-mentioned various components, trace amounts of components that do not impair the characteristics of the hard spring, and such steel wires are also included in the scope of the present invention. Is. The trace components include impurities, especially inevitable impurities such as P, S, As, Sb and Sn.

【0021】本発明の硬引きばねにおいては、前述の如
く残留応力差を500MPa以下に制御することも重要
な要件であるが、この要件を規定した理由は次の通りで
ある。ばね成形(コイリング)により付与される残留応
力は、ばねの内側と外側でバランスしているので、コイ
リング後の上記残留応力差が大きいと、それだけ内側の
引張残留応力が高くなる。引張りの残留応力(引張り残
留応力)高いと疲労亀裂の発生および進展を助長し、疲
労強度が低下してしまうことになる。また、ショットピ
ーニングにより付与される圧縮残留が小さくなってしま
う。
In the hard tension spring of the present invention, it is also an important requirement to control the residual stress difference to 500 MPa or less as described above, but the reason for defining this requirement is as follows. Since the residual stress imparted by the spring forming (coiling) is balanced between the inside and the outside of the spring, the larger the residual stress difference after coiling, the higher the tensile residual stress inside. When the tensile residual stress (tensile residual stress) is high, the occurrence and propagation of fatigue cracks are promoted, and the fatigue strength is reduced. In addition, the compression residue applied by shot peening becomes small.

【0022】上記知見に基づき、本発明者は、ばね内側
と外側の残留応力差[(R+)−(R-)]と疲労強度の
関係を調査したところ、その差が500MPa以下とな
るようにすれば、疲労強度が著しく改善されることが判
明したのである。
Based on the above findings, the present inventor investigated the relationship between the residual stress difference [(R + ) − (R )] inside and outside the spring and the fatigue strength, and found that the difference was 500 MPa or less. It was found that the fatigue strength was remarkably improved by the above.

【0023】ところで、ばねを成形したときには、ばね
内側には引張方向の残留応力(引張り残留応力)生じて
おり、ばね外側にはその製造条件によっては引張り残留
応力が生じている場合と圧縮方向の残留応力(圧縮残留
応力)が生じている場合がある。従って、本発明におけ
る残留応力差を測定するときには、こうした点をも考慮
する必要がある。即ち、両側の表面残留応力が引張り残
留応力の場合には、単純にその差を測定すればよいが、
ばね外側の残留応力(R-)が圧縮残留応力の場合に
は、その残留応力をマイナスとして差し引いた値とな
る。例えば、ばね内側の引張り残留応力が150MP
a、外側の圧縮残留応力が50MPaである場合には、
その残留応力の差[(R+)−(R-)]は、(150)
−(−50)=200MPaということになる。
By the way, when a spring is molded, residual stress in the tensile direction (tensile residual stress) is generated inside the spring, and tensile residual stress is generated outside the spring depending on the manufacturing conditions. Residual stress (compressive residual stress) may occur. Therefore, when measuring the residual stress difference in the present invention, it is necessary to consider these points as well. That is, when the surface residual stress on both sides is tensile residual stress, the difference may be simply measured,
When the residual stress (R ) on the outer side of the spring is a compressive residual stress, the residual stress has a value minus the residual stress. For example, the tensile residual stress inside the spring is 150MP
a, when the outer compressive residual stress is 50 MPa,
The residual stress difference [(R + ) − (R )] is (150)
-(-50) = 200 MPa.

【0024】上記のように本発明では、コイリング後の
ばね内側とばね外側の残留応力差を500MPa以下と
することによって、硬引きばねの疲労強度が向上できた
ものであるが、疲労強度を評価する指標として前記残留
応力差を規定した理由は次の通りである。ばねに架かる
応力(せん断応力)は、内側と外側で同じという訳では
なく、ばね内側の応力が外側とりも高くなる。例えば、
ばね径Dと線径dの比(D/d:以下、「ばね指数」と
呼ぶ)が2.0〜9.0であれば、下記(1)式で示さ
れるワールの修正係数A1は1.16〜2.06となっ
て、その1.16〜2.06倍だけ高い応力が架かるこ
とになる(例えば、「ばね」、ばね技術研究会編、丸善
発行)。 A1=〔(4c−1)/(4c−4)〕+〔0.615/c〕‥(1) 但し、c:ばね指数(D/d) 一方、ばね外側に関するばね修正係数A2は、下記
(2)式で示されることになり、この式によればばね外
側に架かる応力は、ばね指数が2.0のときに0.44
3倍になる。 A2=〔(4c+1)/(4c+4)〕+〔0.615/c〕‥(2) 但し、c:ばね指数(D/d)
As described above, according to the present invention, by setting the residual stress difference between the spring inner side and the spring outer side after coiling to 500 MPa or less, the fatigue strength of the hard-pull spring can be improved. The reason why the residual stress difference is defined as an index is as follows. The stress applied to the spring (shear stress) is not the same on the inside and the outside, and the stress on the inside of the spring is also high on the outside. For example,
If the ratio of the spring diameter D and the wire diameter d (D / d: hereinafter referred to as “spring index”) is 2.0 to 9.0, the correction coefficient A 1 of the whirl shown by the following equation (1) is The stress becomes 1.16 to 2.06, and a stress that is 1.16 to 2.06 times as high as that is applied (for example, “spring”, edited by Spring Technology Research Group, published by Maruzen). A 1 = [(4c-1) / (4c-4)] + [0.615 / c] (1) where c: spring index (D / d) On the other hand, the spring correction coefficient A 2 for the outside of the spring is According to this equation, the stress applied to the outside of the spring is 0.44 when the spring index is 2.0.
It triples. A 2 = [(4c + 1) / (4c + 4)] + [0.615 / c] (2) where c: spring index (D / d)

【0025】このように、ばね内側には大きなせん断応
力が架かり、また引張残留応力が高ければ、更にばね特
性は悪化する。こうした観点からすれば、ばね内側の残
留応力を規定すれば良いことになるのであるが、伸線し
た状態でも表面は引張り残留応力を有しており、その値
は伸線加工条件や材質によっても変化するので、ばねコ
イリング後でもその加算効果によって、表面の引張り残
留応力は変わることになって、残留応力として規定する
のは困難になる。そこで、本発明では、ばね内側とばね
外側の残留応力の差を規定することによって、疲労強度
の指標としたものである。
As described above, if a large shear stress is applied to the inside of the spring and the tensile residual stress is high, the spring characteristics are further deteriorated. From this point of view, it suffices to specify the residual stress inside the spring, but the surface has tensile residual stress even in the drawn state, and its value depends on the drawing conditions and the material. Since it changes, the tensile residual stress of the surface changes due to the addition effect even after the spring coiling, and it is difficult to define it as the residual stress. Therefore, in the present invention, the difference in residual stress between the inner side of the spring and the outer side of the spring is defined as an index of fatigue strength.

【0026】上記残留応力の差を500MPa以下とす
るための条件としては、例えばコイリング後の歪取り焼
鈍温度を400℃以上となるように制御すれば良い。従
来のピアノ線では、歪取り焼鈍温度を400℃以上で行
うと強度が低下し、疲労強度や耐へたり性が低下してし
まっていたのであるが、本発明の硬引きばねにおいて
は、耐熱性に良好な結果を与えるSiを多量に含有する
鋼線を素材とするものであるので、400℃以上で歪取
り焼鈍を行っても強度の低下が殆どなく、コイリング歪
を除去できるのである。
As a condition for making the difference in residual stress 500 MPa or less, for example, the strain relief annealing temperature after coiling may be controlled to be 400 ° C. or more. In the conventional piano wire, when the strain relief annealing temperature is performed at 400 ° C. or higher, the strength is lowered, and the fatigue strength and the sagging resistance are lowered. Since a steel wire containing a large amount of Si that gives good results on the property is used as a material, even if strain relief annealing is performed at 400 ° C. or higher, there is almost no decrease in strength and the coiling strain can be removed.

【0027】本発明の硬引きばねにおいては、化学成分
組成と残留応力差を規定することによって、優れた疲労
強度を達成し得たものであるが、こうした効果をより有
効に発揮させるためには、その表面に2回以上のショッ
トピーニングを施すことが有効である。弁ばねやそれに
準ずる高応力ばねは、ショットピーニングによって表層
に圧縮残留応力が付与された状態で使用されるのが通常
である。このショットピーニングは、高硬度の硬球(シ
ョット粒)を高速で被処理材表面に投射して圧縮の残留
応力を付与し、表面亀裂の発生を抑え、疲労強度を向上
させるのに有効な手段である。特に、高応力で使用され
るような部品においては、2回以上のショットピーニン
グを行うことが効果的である。
The hard tension spring of the present invention can achieve excellent fatigue strength by defining the chemical composition and residual stress difference, but in order to exert such effects more effectively, It is effective to subject the surface to shot peening twice or more. Valve springs and high-stress springs equivalent thereto are usually used in the state where compressive residual stress is applied to the surface layer by shot peening. This shot peening is an effective means for projecting high hardness hard spheres (shot particles) onto the surface of the material to be treated at high speed to give residual stress for compression, suppressing the occurrence of surface cracks and improving fatigue strength. is there. In particular, it is effective to perform shot peening twice or more in a component used under high stress.

【0028】また、上記のようなショットピーニング
は、ばね表面に圧縮残留応力を付与して、疲労亀裂の進
展を抑制するのに効果がある。ショットピーニングを行
うようなばねは、特に高応力で使用されるので、より高
い圧縮残留応力が必要となり、上記残留応力差をより厳
密に管理しなければならない。そのためには、上記残留
応力差材は300MPa以下であることが好ましい。
Shot peening as described above is effective in imparting compressive residual stress to the spring surface and suppressing the development of fatigue cracks. Since springs that perform shot peening are used with particularly high stress, higher compressive residual stress is required, and the above residual stress difference must be controlled more strictly. For that purpose, the residual stress difference material is preferably 300 MPa or less.

【0029】ところで、ばねの表面粗度が大きいと、こ
れを起点として疲労破壊が発生し易くなり、疲労強度が
低下することになる。そこで、疲労強度を向上させると
いう観点からすれば、ばねの表面粗さRy(最大高さ:
JIS B 0601)を10μm以下にすることが好
ましい。例えば、上記のような2回以上の高強度のショ
ットピーニングを行うと、表面が変形して表面粗さが大
きくなる場合がある。特に、硬引き線のような材料にお
いては、最弱部のフェライトがより大きく変形し、表面
粗度が大きくなることがある。表面粗度を上記のように
調整する手段については、限定されるものではないが、
例えばショットピーニング条件を適切に制御することに
よってそれを達成することができる。
By the way, when the surface roughness of the spring is large, fatigue fracture is likely to occur starting from this, and the fatigue strength is reduced. Therefore, from the viewpoint of improving fatigue strength, the surface roughness Ry (maximum height:
It is preferable to set JIS B 0601) to 10 μm or less. For example, when high-strength shot peening is performed twice or more as described above, the surface may be deformed to increase the surface roughness. In particular, in the case of a material such as a hard-drawn wire, the ferrite in the weakest part may be deformed more and the surface roughness may be increased. The means for adjusting the surface roughness as described above is not limited,
This can be achieved, for example, by properly controlling the shot peening conditions.

【0030】こうした表面粗さRyの制御も考慮した、
好ましいショットピーニング条件は、次の通りである。
1回目のショットピーニングにおいては、粒径:1.0
〜0.3mmのショット粒を用い、粒速:30〜100
m/sec、投射時間:20〜200分にて行う。この
とき用いるのショット粒の硬さは、ビッカース硬度(H
v)で500以上であることが好ましい。
Considering such control of the surface roughness Ry,
The preferable shot peening conditions are as follows.
Particle size in the first shot peening: 1.0
~ 0.3mm shot particles are used, particle speed: 30 ~ 100
m / sec, projection time: 20 to 200 minutes. The hardness of the shot particles used at this time is Vickers hardness (H
In v), it is preferably 500 or more.

【0031】次いで、2回目以降のショットピーニング
では、1回目よりも小さいショット粒を用いて実施す
る。このとき用いるショット粒の大きさは、1回目のシ
ョット粒径の1/10以下であることが好ましい。また
時間は、10〜200分程度とする。こうした2回目以
降のショットピーニングによって、表面粗さを小さくで
きるとともに、表面の圧縮残留応力を大きくするしこと
ができ、疲労強度を更に向上させることができる。尚、
本発明者によれば、硬引きばねでは、焼入れ・焼戻しし
たオイルテンパー線よりも、2回目以降のショットピー
ニングの効果が大きいことを確認している。
Next, in the second and subsequent shot peening, shot grains smaller than those in the first shot are used. The size of the shot particles used at this time is preferably 1/10 or less of the particle size of the first shot. The time is about 10 to 200 minutes. By such second and subsequent shot peening, the surface roughness can be reduced, the compressive residual stress on the surface can be increased, and the fatigue strength can be further improved. still,
The inventor of the present invention has confirmed that with the hard-pull spring, the effect of shot peening from the second time onward is greater than that from the tempered / tempered oil tempered wire.

【0032】本発明の硬引きばねにおいては、特に過酷
な応力条件で使用されることが予想される場合には、そ
の表面に窒化処理を施すことも有効である。こうした窒
化処理を施すことによって、疲労強度を更に改善するこ
とができる。こうした窒化処理に関しては、オイルテン
パー線で製造された弁ばねについては従来からその処理
が行なわれているが、硬引きばねについては、全く行わ
れていなかった。これは、通常の硬引き線の化学成分で
は窒化処理を施しても効果があまり期待できないと考え
られていたことや、窒化の際に伸線時に導入された歪が
開放されて強度が極端に低下すると考えられていたこと
等が原因である。
In the hard tension spring of the present invention, it is also effective to subject the surface thereof to nitriding treatment when it is expected to be used under particularly severe stress conditions. By performing such a nitriding treatment, the fatigue strength can be further improved. Regarding such a nitriding treatment, the treatment has been conventionally performed for the valve spring manufactured from the oil tempered wire, but not for the hard tension spring at all. This is because it was thought that the effect could not be expected even if nitriding was performed with the chemical composition of ordinary hard drawn wire, and the strain introduced during wire drawing during nitriding was released and the strength became extremely strong. The reason is that it was thought to decrease.

【0033】これに対して、本発明で規定する化学成分
組成を有する鋼線を硬引きした後、窒化処理を施すと、
ばねの疲労寿命が更に改善されることになる。こうした
効果が発揮される理由は、次の様に考えることができ
た。即ち、本発明で用いる鋼線では、フェライトをS
i,Cr等の合金元素で強化することによって線材の強
度がフェライト自身の強度に依存する状態になっている
ので、窒化によってフェライトの強度を高めることが疲
労強度の直接的な改善に繋がるものと考えられる。尚、
窒化処理によって製造されたばね表面の硬度は、0.0
2mm深さの位置で、ビッカース硬さ(HV)が600
以上、好ましくは700以上であることが好ましいが、
要求される疲労強度によってはHv500〜600程度
であっても良い。
On the other hand, when the steel wire having the chemical composition defined in the present invention is hard-drawn and then subjected to the nitriding treatment,
The fatigue life of the spring will be further improved. The reason why these effects are exhibited was as follows. That is, in the steel wire used in the present invention, ferrite is added to S
Since the strength of the wire material depends on the strength of the ferrite itself by strengthening it with an alloying element such as i, Cr, etc., increasing the strength of the ferrite by nitriding leads to a direct improvement of the fatigue strength. Conceivable. still,
The hardness of the spring surface produced by the nitriding treatment is 0.0
Vickers hardness (HV) of 600 at 2mm depth
Or more, preferably 700 or more,
Depending on the required fatigue strength, it may be about Hv500-600.

【0034】上記窒化処理を行う方法については、特に
限定するものではなく、ガス窒化、液体(塩浴)窒化の
他、イオン窒化等が採用できるが、例えばガス窒化する
ときの好ましい条件は次の通りである。即ち、アンモニ
アガス100%雰囲気、或はアンモニアガスを主体とし
て窒素ガス50%以下および二酸化炭素ガス10%以下
の雰囲気にて、350〜470℃×1〜6時間の条件で
窒化処理を行えば良い。
The method for carrying out the above nitriding treatment is not particularly limited, and gas nitriding, liquid (salt bath) nitriding, ion nitriding and the like can be adopted. For example, preferable conditions for gas nitriding are as follows. On the street. That is, the nitriding treatment may be performed under the conditions of 350 to 470 ° C. for 1 to 6 hours in an atmosphere of 100% ammonia gas, or in an atmosphere mainly composed of ammonia gas and 50% or less of nitrogen gas and 10% or less of carbon dioxide gas. .

【0035】本発明の効果は、前記ばね指数(D/d)
が9.0以下の小径ばねに適用したときに、一層発揮さ
れる。ばねにおいては、上記D/dはばね指数を示すも
のであるが、こうした比(D/d)となるばねでは、所
望の荷重応答を得るときのばね内側と外側の応力差が大
きく、ばね内側に高い応力が架かる。こうした高応力の
使用環境下でも、本発明のばねではその機能を維持する
ことができる。また、その効果は、(D/d)が小さく
なればなるほど大きくなるが、2.0よりも小さくなる
とショットピーニング等の表面加工の効果が得られにく
くなるので、その下限は2.0であることが好ましい。
The effect of the present invention is that the spring index (D / d) is
Is more exerted when applied to a small diameter spring having a value of 9.0 or less. In a spring, the above-mentioned D / d indicates a spring index, but in a spring having such a ratio (D / d), the difference in stress between the inside and outside of the spring when a desired load response is obtained is large and the inside of the spring is large. High stress is applied. Even under such a high-stress use environment, the spring of the present invention can maintain its function. Further, the smaller the value of (D / d), the greater the effect. However, if it is less than 2.0, the effect of surface processing such as shot peening becomes difficult to obtain, so the lower limit thereof is 2.0. It is preferable.

【0036】本発明の硬引きばねは、上記のような化学
成分組成を有する鋼線をコイリングして上記の要件を満
足させることによって、その目的を達成するものである
が、本発明で素材として用いる鋼線は、下記(a)およ
び/または(b)の要件を満足するものも用いることが
できる。こうした要件を満足させることによって、ばね
の疲労強度や耐へたり性を更に改善することができて好
ましい。 (a)鋼線中に存在する大きさ0.1μm以上(円相当
直径)の炭化物が、観察視野100μm2当たり5個以
下である (b)鋼線中に存在する酸化物系介在物の融点A(℃)
が下記(3)式を満足する A≦2×(TS/100)2−1.2×TS+3200‥(3)
The hard tension spring of the present invention achieves its purpose by coiling a steel wire having the above chemical composition to satisfy the above requirements. The steel wire to be used may be one that satisfies the requirements (a) and / or (b) below. By satisfying these requirements, the fatigue strength and sag resistance of the spring can be further improved, which is preferable. (A) The number of carbides having a size of 0.1 μm or more (circle equivalent diameter) present in the steel wire is 5 or less per 100 μm 2 of the observation field (b) The melting point of the oxide-based inclusions present in the steel wire A (℃)
Satisfies the following expression (3): A ≦ 2 × (TS / 100) 2 −1.2 × TS + 3200 (3)

【0037】以下、本発明を実施例によって更に詳細に
説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のもの
ではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することは
いずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following Examples are not intended to limit the present invention, and any modification of the design of the present invention can be made without departing from the spirit of the preceding and the following. Are included in the technical scope of.

【0038】[0038]

【実施例】実施例1 下記表1に示す化学成分組成の鋼(A〜J)を溶製し、
熱間圧延して直径(線径):8.0mmの線材を作製し
た。その後、皮削り、パテンティング処理および伸線処
理を行って線径:3.1mmの鋼線とした。このときの
パテンティングは、オーステナイト化温度を910℃と
し、各鋼種に応じて550〜650℃の鉛浴中で恒温変
態させた。
EXAMPLES Example 1 Steels (A to J) having the chemical composition shown in Table 1 below were melted,
It hot-rolled and produced the wire material of diameter (wire diameter): 8.0 mm. After that, the steel wire having a wire diameter of 3.1 mm was subjected to skinning, patenting treatment and wire drawing treatment. In the patenting at this time, the austenitizing temperature was set to 910 ° C., and isothermal transformation was performed in a lead bath at 550 to 650 ° C. depending on each steel type.

【0039】[0039]

【表1】 [Table 1]

【0040】その後、上記鋼種A,B,Cの伸線材につ
いて、ばね成形し(ばね指数:6.81)、歪取り焼鈍
(350,380、410℃×20分)、座研磨および
冷間セッチングを行った。
After that, the wire drawn materials of the steel types A, B and C were spring-formed (spring index: 6.81), strain relief annealing (350, 380, 410 ° C. × 20 minutes), seat polishing and cold setting. I went.

【0041】得られた各ばねに588±441MPaの
負荷応力下で疲労試験を行い、破断寿命を測定するとと
もに、ばね内側の残留応力(R+)とばね外側の残留応
力(R-)をX線回折によって測定して残留応力差
[(R+)−(R-)]を求めた。また、伸線材の引張強
度(伸線後および歪取り焼鈍後)についても測定すると
共に、その表面粗さRyについても測定した。その結果
を、歪取り焼鈍温度と共に下記表2に示す。
Each spring thus obtained was subjected to a fatigue test under a load stress of 588 ± 441 MPa to measure the rupture life, and the residual stress inside the spring (R + ) and the residual stress outside the spring (R ) were measured as X. The residual stress difference [(R + ) − (R )] was obtained by measurement by line diffraction. In addition, the tensile strength of the drawn wire material (after drawing and after strain relief annealing) was measured, and its surface roughness Ry was also measured. The results are shown in Table 2 below together with the strain relief annealing temperature.

【0042】[0042]

【表2】 [Table 2]

【0043】この結果から、明らかなように、残留応力
差が500MPa以下のものでは(No.3〜5)、優
れた疲労強度が達成されていることが分かる。これに対
して、残留応力差が500MPaを超えるものでは(N
o.1,2)、疲労強度が著しく劣化していることが分
かる。
From these results, it is clear that excellent fatigue strength is achieved when the residual stress difference is 500 MPa or less (No. 3 to 5). On the other hand, if the residual stress difference exceeds 500 MPa (N
o. 1) and 2), the fatigue strength is remarkably deteriorated.

【0044】実施例2 実施例1と同様にして得られた各伸線材(鋼種A〜H)
について、様々なばね指数のばねを成形し、歪取り焼鈍
(350,380、410℃×20分)、座研磨、二段
ショットピーニング、低温焼鈍(230℃×20分)お
よび冷間セッチングを行った。このとき、鋼種Cについ
ては、座研磨後、窒化処理をNH380%+N220%の
雰囲気下、420℃×2時間の条件で行い、二段ショッ
トピーニング、低温焼鈍(230℃×20分)および冷
間セッチングを行ったもの(後記表3のNo.11)も
準備した。
Example 2 Each drawn wire material obtained in the same manner as in Example 1 (steel types A to H)
For various types, springs with various spring indexes were formed, strain relief annealing (350, 380, 410 ° C x 20 minutes), spot polishing, two-step shot peening, low temperature annealing (230 ° C x 20 minutes) and cold setting were performed. It was At this time, with respect to the steel type C, after the spot polishing, the nitriding treatment was performed in an atmosphere of NH 3 80% + N 2 20% under the conditions of 420 ° C. × 2 hours, two-step shot peening, low temperature annealing (230 ° C. × 20 minutes). ) And cold-set (No. 11 in Table 3 below) were also prepared.

【0045】得られた各ばねに588±441MPaの
負荷応力下で疲労試験を行い、破断寿命を測定するとと
もに、ばね成形後(ショットピーニング前)におけるば
ね内側の残留応力(R+)とばね外側の残留応力
(R-)、およびショットピーニング後におけるばね内
側の残留応力(Rs+)とばね外側の残留応力(Rs-
をX線回折によって測定し、夫々の残留応力差
[(R+)−(R-)]および[(Rs+)−(Rs-)]を
求めた。また、実施例1と同様にして、伸線材の引張強
度(伸線後および歪取り焼鈍後)についても測定すると
共に、その表面粗さRyについても測定した。その結果
を、ばね指数および歪取り焼鈍温度と共に下記表3に示
す。
A fatigue test was performed on each of the obtained springs under a load stress of 588 ± 441 MPa to measure the fracture life, and the residual stress (R + ) on the inner side of the spring after spring forming (before shot peening) and the outer side of the spring were measured. the residual stress (R -), and shot peening the spring inside the residual stress after (Rs +) and spring outside the residual stress (R s-)
Was measured by X-ray diffraction, and respective residual stress differences [(R + )-(R )] and [(R s + ) − (R s −)] were obtained. Further, in the same manner as in Example 1, the tensile strength of the drawn wire material (after drawing and after strain relief annealing) was measured, and the surface roughness Ry thereof was also measured. The results are shown in Table 3 below together with the spring index and the strain relief annealing temperature.

【0046】[0046]

【表3】 [Table 3]

【0047】この結果から、次の様に考察できる。ま
ず、No.8〜13のものは、本発明で規定する要件の
いずれも満足するものであり、疲労強度が優れたものと
なっていることが分かる。
From this result, the following can be considered. First, No. It is understood that those of Nos. 8 to 13 satisfy all the requirements specified in the present invention, and have excellent fatigue strength.

【0048】これに対してNo.6,7,14〜16の
ものでは、本発明で規定する要件のいずれかを欠くもの
であり、いずれかの特性が劣化したものとなっている。
即ち、No.6,7のものでは、ばね内側とばね外側の
残留応力の差(ばね成形後およびショットピーニング
後)が大きくなっているので、疲労強度が著しく劣化し
ている。
On the other hand, No. Nos. 6, 7, and 14 to 16 lack any of the requirements defined in the present invention, and any one of the characteristics is deteriorated.
That is, No. In Nos. 6 and 7, the difference in residual stress between the inside of the spring and the outside of the spring (after spring molding and after shot peening) is large, so the fatigue strength is significantly deteriorated.

【0049】またNo.14のものは、C含有量が多く
なっているので、欠陥感受性が高くなっており、またS
i含有量が低くなっているので、歪取り焼鈍後に十分な
強度が得られず、疲労寿命が短くなっている。
No. No. 14 has a high C content, and thus has a high defect susceptibility.
Since the i content is low, sufficient strength cannot be obtained after strain relief annealing and the fatigue life is shortened.

【0050】No.15のものは、C含有量が少ないも
のであり、パテンティング後の強度が低くなっており、
伸線後に十分な強度が得られず、疲労寿命が短くなって
いる。
No. No. 15 had a low C content and had a low strength after patenting.
Sufficient strength cannot be obtained after wire drawing and fatigue life is shortened.

【0051】No.16のものは、Cr含有量が多くな
っているので、パテンティング時にベイナイトが生成
し、伸線中に断線が生じていた。
No. No. 16 had a high Cr content, so bainite was generated during patenting and wire breakage occurred during wire drawing.

【0052】[0052]

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、伸
線ままでオイルテンパー線を用いたばねと同等以上の疲
労強度を発揮する硬引きばねが実現できた。
The present invention is constructed as described above, and it is possible to realize a hard-pull spring that exhibits fatigue strength equal to or higher than that of a spring using an oil-tempered wire as drawn.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F16F 1/02 F16F 1/02 B 1/06 1/06 A (72)発明者 茨木 信彦 神戸市灘区灘浜東町2番地 株式会社神戸 製鋼所神戸製鉄所内 (72)発明者 吉原 直 神戸市灘区灘浜東町2番地 株式会社神戸 製鋼所神戸製鉄所内 (72)発明者 吉田 茂次 京都市右京区梅津西浦町14番地 サンコー ル株式会社内 (72)発明者 原田 浩司 京都市右京区梅津西浦町14番地 サンコー ル株式会社内 Fターム(参考) 3J059 AB11 AD05 BA01 BC02 BC19 EA08 EA17 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) F16F 1/02 F16F 1/02 B 1/06 1/06 A (72) Inventor Nobuhiko Ibaraki Nada Ward, Kobe City Nadahama Higashimachi No. 2 Kobe Steel Works, Ltd. Kobe Steel Works (72) Inventor Nao Yoshihara Nadahama Higashicho, Nada-ku, Kobe City Kobe Steel Works Ltd. Kobe Steel Works (72) Inventor Shigeji Yoshida Umezu Nishiura-cho, Ukyo-ku, Kyoto 14th Suncole Co., Ltd. (72) Inventor Koji Harada 14th Umezu Nishiuramachi, Ukyo-ku, Kyoto City F-Term in Suncole Co., Ltd. (reference) 3J059 AB11 AD05 BA01 BC02 BC19 EA08 EA17

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 C:0.5〜0.7%(質量%の意味、
以下同じ)、Si:1.0〜2.0%、Mn:0.5〜
1.5%、Cr:0.5〜1.5%を夫々含有し、残部
がFeおよび不可避不純物からなる鋼線をばね成形した
ものであり、ばね内側における表面残留応力(R+
と、ばね外側における表面残留応力(R-)の差
[(R+)−(R-)]が500MPa以下であることを
特徴とする疲労強度に優れた硬引きばね。
1. C: 0.5 to 0.7% (meaning mass%,
The same shall apply hereinafter), Si: 1.0 to 2.0%, Mn: 0.5 to
A steel wire containing 1.5% and Cr: 0.5 to 1.5%, the balance of which is Fe and unavoidable impurities, is spring-formed. The surface residual stress (R + ) inside the spring is
And a difference in surface residual stress (R ) on the outer side of the spring [(R + ) − (R )] is 500 MPa or less, a hard-pull spring excellent in fatigue strength.
【請求項2】 前記鋼線は、更に、Ni:0.05〜
0.5%を含有するものである請求項1に記載の硬引き
ばね用鋼線。
2. The steel wire further comprises Ni: 0.05-
The steel wire for a hard spring according to claim 1, which contains 0.5%.
【請求項3】 前記鋼線は、更に、Mo:0.3%以下
(0%を含まない)を含有するものである請求項1また
は2に記載の硬引きばね用鋼線。
3. The steel wire for a hard spring according to claim 1, wherein the steel wire further contains Mo: 0.3% or less (not including 0%).
【請求項4】 表面に2回以上のショットピーニングが
施されたものである請求1〜3のいずれかに記載の硬引
きばね。
4. The hard tension spring according to claim 1, wherein the surface has been subjected to shot peening twice or more.
【請求項5】 ショットピーニング後におけるばね内側
における表面残留応力(Rs+)と、ばね外側における表
面残留応力(Rs-)の差[(Rs+)−(Rs-)]が30
0MPa以下である請求項4に記載の硬引きばね。
5. The difference [(R s + ) − (R s− )] between the surface residual stress (R s + ) inside the spring and the surface residual stress (R s− ) outside the spring after shot peening is 30.
The hard tension spring according to claim 4, which has a pressure of 0 MPa or less.
【請求項6】 表面粗さが最大高さRyで10μm以下
である請求項1〜5のいずれかに記載の硬引きばね。
6. The hard tension spring according to claim 1, wherein the surface roughness has a maximum height Ry of 10 μm or less.
【請求項7】 表面に窒化処理が施されたものである請
求項1〜6のいずれかに記載の硬引きばね。
7. The hardened spring according to claim 1, wherein the surface thereof is subjected to a nitriding treatment.
【請求項8】 ばね径Dと線径dとの比(D/d)が
9.0以下である請求項1〜7のいずれかに記載の硬引
きばね。
8. The hard tension spring according to claim 1, wherein a ratio (D / d) of the spring diameter D and the wire diameter d is 9.0 or less.
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