JP2006063379A - High strength coil spring and its production method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、オートマティック車における自動変速機のクラッチトーションのダンパースプリングやエンジンの弁ばねなどに使用する高強度コイルばねに関する。 The present invention relates to a high-strength coil spring used for a damper spring of a clutch torsion of an automatic transmission or an engine valve spring in an automatic vehicle.
現在、弁ばねの材料として規格化されているのは、ＪＩＳＧ３５６１のＳＷＯ−Ｖ、ＳＷＯＣＶ−ＶおよびＳＷＯＳＣ−Ｖの３種類である。なかでもシリコンクロム鋼オイルテンパー線であるＳＷＯＳＣ−Ｖは、耐疲労強度および耐へたり性に優れているため広範囲に使用されている。しかし、自動車エンジン用のバルブスプリングや自動変速機用のダンパースプリングなどに用いられるコイルばねでは、高速回転化やコンパクト化とともに低コスト化のニーズが高いために、高強度、高耐疲労性を有しかつ安価なコイルばねが常に求められている。 At present, there are three types of JISG3561 SWO-V, SWOCV-V and SWOSC-V that are standardized as materials for valve springs. Among these, SWOSC-V, which is a silicon chrome steel oil tempered wire, is widely used since it has excellent fatigue strength and sag resistance. However, coil springs used for valve springs for automobile engines and damper springs for automatic transmissions have high strength and high fatigue resistance because there is a high need for high-speed rotation, compactness, and low cost. However, there is a constant demand for coil springs that are inexpensive.
発明者らは既に高強度のオイルテンパー線を素材として安価で耐衝撃性の高い高強度コイルばねを提案したが（特許文献１参照）、近年、さらに高強度、高耐疲労性を有するコイルばねが求められるようになった。
本発明は、従来の高強度コイルばねよりもさらに高い強度と耐疲労性とを有する安価な高強度コイルばねとその製造方法を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide an inexpensive high-strength coil spring having higher strength and fatigue resistance than conventional high-strength coil springs, and a method for manufacturing the same.
本発明の高強度コイルばねは、質量％で、Ｃ：０．５５〜０．７５％、Ｓｉ：１．８０〜２．７０％、Ｍｎ：０．１〜０．９％、Ｃｒ：０．７０〜１．５０％、Ｖ：０．０５〜０．５０％、Ｃｏ：０．０５〜０．４０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ｃｕ：０．２％以下、最大非金属介在物が１５μｍである鋼のオイルテンパー線を素材とし、窒化処理により形成される白層の厚さが４μｍ以下で、かつ表層部（表面から０．０２ｍｍ付近）の硬さがＨｖ７００〜９００、および表面から０．３ｍｍの内部硬さがＨｖ５８０以上であることを特徴とする。
The high-strength coil spring of the present invention is, in mass%, C: 0.55 to 0.75%, Si: 1.80 to 2.70%, Mn: 0.1 to 0.9%, Cr: 0.00. 70 to 1.50%, V: 0.05 to 0.50%, Co: 0.05 to 0.40%, with the balance being Fe and unavoidable impurities. Among the unavoidable impurities, P : 0.05% or less, S: 0.025% or less, Cu: 0.2% or less, and a white layer formed by nitriding using a steel oil tempered wire having a maximum non-metallic inclusion of 15 μm. The thickness is 4 μm or less, the hardness of the surface layer portion (near 0.02 mm from the surface) is
ここで、オイルテンパー線は、引張強さが、２０００ＭＰａ以上、絞りが３８％以上であることが望ましい。また、このような本発明の高強度コイルばねの表面の最大粗さＲmaxが５μｍ以下であることが好ましい。 Here, the oil tempered wire preferably has a tensile strength of 2000 MPa or more and a drawing of 38% or more. Further, it is preferable that the maximum roughness R max of the surface of the high-strength coil spring to the present invention is 5μm or less.
また、本発明の高強度コイルばねは、窒化処理を省略することで、表面から０．３ｍｍの内部硬さがＨｖ６００以上であることが望ましい。 The high strength coil spring of the present invention desirably has an internal hardness of 0.3 mm from the surface of Hv600 or more by omitting the nitriding treatment.
本発明の高強度コイルばねの好ましい形態は、質量％で、Ｃ：０．６３〜０．６８％、Ｓｉ：２．１〜２．３％、Ｍｎ：０．５〜０．７％、Ｃｒ：１．１〜１．３％、Ｖ：０．１〜０．３％、Ｃｏ：０．１〜０．３％を含有するものである。 The preferable form of the high-strength coil spring of the present invention is mass%, C: 0.63 to 0.68%, Si: 2.1 to 2.3%, Mn: 0.5 to 0.7%, Cr : 1.1 to 1.3%, V: 0.1 to 0.3%, Co: 0.1 to 0.3%.
本発明の高強度コイルばねの製造方法は、質量％で、Ｃ：０．５５〜０．７５％、Ｓｉ：１．８０〜２．７０％、Ｍｎ：０．１〜０．９％、Ｃｒ：０．７０〜１．５０％、Ｖ：０．０５〜０．５０％、Ｃｏ：０．０５〜０．４０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ｃｕ：０．２％以下、最大非金属介在物が１５μｍである鋼のオイルテンパー線を素材とし、コイルばねを成形するコイリング工程と、表面のスケールを除去するマイクロショット工程と、表面硬度を向上させる窒化処理工程と、残留応力を付与する二段ショットピーニング工程とを有することを特徴とする。ここで、窒化処理工程は４２０〜４８０℃で加熱することが望ましい。 The manufacturing method of the high-strength coil spring of this invention is the mass%, C: 0.55-0.75%, Si: 1.80-2.70%, Mn: 0.1-0.9%, Cr : 0.70 to 1.50%, V: 0.05 to 0.50%, Co: 0.05 to 0.40%, the balance consisting of Fe and unavoidable impurities, Of these, P: 0.05% or less, S: 0.025% or less, Cu: 0.2% or less, and coiling for forming a coil spring using a steel oil tempered wire having a maximum non-metallic inclusion of 15 μm. The method includes a step, a micro-shot step for removing scale on the surface, a nitriding treatment step for improving surface hardness, and a two-stage shot peening step for applying residual stress. Here, the nitriding treatment step is desirably heated at 420 to 480 ° C.
かかる高強度コイルばねの製造方法においては、マイクロショット工程と窒化処理工程とを省略してもよい。 In the manufacturing method of such a high-strength coil spring, the microshot process and the nitriding process may be omitted.
上記の条件の組合わせで製造することにより、耐疲労性の高い高強度コイルばねを得ることができる。 A high-strength coil spring with high fatigue resistance can be obtained by manufacturing under a combination of the above conditions.
（ばね素材）
本発明になる高強度コイルばねは、質量％で、Ｃ：０．５５〜０．７５％、Ｓｉ：１．８０〜２．７０％、Ｍｎ：０．１〜０．９％、Ｃｒ：０．７０〜１．５０％、Ｖ：０．０５〜０．５０％、Ｃｏ：０．０５〜０．４０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ｃｕ：０．２％以下であって、最大非金属介在物が１５μｍである鋼のオイルテンパー線を素材とすることを特徴とするものである。
(Spring material)
The high-strength coil spring according to the present invention is, in mass%, C: 0.55 to 0.75%, Si: 1.80 to 2.70%, Mn: 0.1 to 0.9%, Cr: 0 .70 to 1.50%, V: 0.05 to 0.50%, Co: 0.05 to 0.40%, with the balance being Fe and inevitable impurities. : 0.05% or less, S: 0.025% or less, Cu: 0.2% or less, characterized by using steel tempered wire having a maximum non-metallic inclusion of 15 μm as a raw material It is.
ここで、オイルテンパー線の組成を上記の範囲に限定する限定理由は以下の通りである。 Here, the reason for limiting the composition of the oil temper wire to the above range is as follows.
Ｃ：０．５５〜０．７５％
Ｃは鋼線の強度を高めるために必須の元素であるが、０．５５％未満では充分な強度が得られず、０．７５％を越えると靱性が低下し、さらに鋼線のキズ感受性が増大して信頼性が低下する。好ましくは、０．６３〜０．６８％である。
C: 0.55-0.75%
C is an essential element for increasing the strength of the steel wire. However, if it is less than 0.55%, sufficient strength cannot be obtained, and if it exceeds 0.75%, the toughness is lowered, and the steel wire is more susceptible to scratches. Increases and decreases reliability. Preferably, it is 0.63 to 0.68%.
Ｓｉ：１．８０〜２．７０％
Ｓｉはフェラ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。１．８０％未満ではその十分な効果がなく、２．７０％を越えると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。すなわち、コイルばねの成形性を低下させることになる。好ましくは、２．１〜２．３％である。
Si: 1.80 to 2.70%
Si is an element effective for improving the strength of ferrite and improving sag resistance. If it is less than 1.80%, the sufficient effect is not obtained, and if it exceeds 2.70%, cold workability is lowered and decarburization by hot workability or heat treatment is promoted. That is, the moldability of the coil spring is reduced. Preferably, it is 2.1 to 2.3%.
Ｍｎ：０．１〜０．９％
Ｍｎは鋼の焼入れ性を向上させ、鋼中のＳを固定してその害を阻止するが、０．１％未満ではその効果がなく、０．９％を越えると靱性が低下する。好ましくは、０．５〜０．７％である。
Mn: 0.1 to 0.9%
Mn improves the hardenability of the steel and fixes S in the steel to prevent its damage. However, if it is less than 0.1%, there is no effect, and if it exceeds 0.9%, the toughness decreases. Preferably, it is 0.5 to 0.7%.
Ｃｒ：０．７０〜１．５０％
ＣｒはＭｎと同様に、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、焼き入れした後、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。０．７０％未満ではその効果が少なく、１．５０％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の低下をもたらす。好ましくは、１．１〜１．３％である。
Cr: 0.70 to 1.50%
Cr, like Mn, improves the hardenability of steel and gives toughness by patenting after hot rolling, and after hardening, increases softening resistance during tempering and increases strength. It is an effective element. If it is less than 0.70%, the effect is small, and if it exceeds 1.50%, solid solution of carbides is suppressed, the strength is reduced, and the hardenability is excessively increased, resulting in a decrease in toughness. Preferably, it is 1.1 to 1.3%.
Ｖ：０．０５〜０．５０％
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％未満では炭化物の形成が極めて少ないためにその効果は小さい。また、０．５０％を越えると焼入れ加熱時に炭化物が粗大化して靱性の低下を招く結果となる。好ましくは、０．１〜０．３％である。
V: 0.05 to 0.50%
V is an element that forms carbides during tempering and increases the softening resistance. However, if it is less than 0.05%, the formation of carbides is extremely small, so the effect is small. On the other hand, if it exceeds 0.50%, the carbide becomes coarse during quenching heating, resulting in a decrease in toughness. Preferably, it is 0.1 to 0.3%.
Ｃｏ：０．０５〜０．４０％
Ｃｏは焼入れ焼き戻し後の靭性を向上させるのに有効な元素である。靭性向上の効果を得るためには０．０５％以上含有することが好ましい。しかし、０．４０％以上含有してもこの効果は飽和してしまい靭性のさらなる向上は認められない。より好ましくは０．１〜０．３％である。
Co: 0.05-0.40%
Co is an element effective for improving the toughness after quenching and tempering. In order to acquire the effect of a toughness improvement, it is preferable to contain 0.05% or more. However, even if the content is 0.40% or more, this effect is saturated and no further improvement in toughness is observed. More preferably, it is 0.1 to 0.3%.
次に、鋼線の最大非鉄金属介在物は１５μｍであることが望ましい。この非金属介在物はＡｌ2Ｏ3やＴｉＯからなることが多いが、これらの介在物は硬質であるため、鋼線の表面付近に存在した場合には疲労強度を著しく低下させる。最大非鉄金属介在物は１５μｍより小さければあまり問題とはならない。 Next, the maximum non-ferrous metal inclusion in the steel wire is desirably 15 μm. The non-metallic inclusions are often made of Al 2 O 3 or TiO, but these inclusions are hard, so if they are present near the surface of the steel wire, the fatigue strength is significantly reduced. If the maximum non-ferrous metal inclusion is smaller than 15 μm, it is not a problem.
本発明に用いるオイルテンパー線は、引張強さが２０００ＭＰａ以上、絞りが３８％以上であることが望ましい。引張強さが２０００ＭＰａ未満では、ばねの疲労強度が低下して望ましくない。好ましくは２１００〜２３００ＭＰａである。また、絞りが３８％未満では、ばねの成形が問題となるので、３８〜５５％が適当である。 The oil tempered wire used in the present invention desirably has a tensile strength of 2000 MPa or more and a drawing of 38% or more. If the tensile strength is less than 2000 MPa, the fatigue strength of the spring is lowered, which is not desirable. Preferably it is 2100-2300 MPa. Further, if the aperture is less than 38%, the formation of the spring becomes a problem, so 38 to 55% is appropriate.
（コイルばね）
上記の組成を有する本発明の高強度コイルばねは、窒化処理により形成される白層の厚さが４μｍ以下である。
(Coil spring)
In the high-strength coil spring of the present invention having the above composition, the thickness of the white layer formed by nitriding is 4 μm or less.
コイルばねを窒化処理することによりコイルの表面近傍に窒化物や炭窒化物を主体としたいわゆる白層が形成される。この白層は非常に硬くて脆いという性質を有するために、コイルばねの耐衝撃性を低下させる要因となる。このため、窒化処理後の白層の厚さは４μｍ以下とする。特に自動変速機のクラッチトーション用のダンパースプリングなどの大きな衝撃力を受けるようなコイルばねにおいては２μｍ以下であることが望ましい。 By nitriding the coil spring, a so-called white layer mainly composed of nitride or carbonitride is formed near the surface of the coil. Since the white layer has a property of being very hard and brittle, it becomes a factor of reducing the impact resistance of the coil spring. For this reason, the thickness of the white layer after nitriding is set to 4 μm or less. In particular, in a coil spring that receives a large impact force such as a damper spring for a clutch torsion of an automatic transmission, it is desirable that it be 2 μm or less.
また、コイルばねの表層部（表面から０．０２ｍｍ付近）の硬さは、Ｈｖ７００〜９００である。窒化処理後のコイルばねの表層部硬さが、Ｈｖ７００未満では次工程の二段ショットピーニングで十分な圧縮残留応力を形成することができないので、所定の疲労強度を賦与することができない。一方、Ｈｖ９００を越えると靭性が低下して所定の耐衝撃性を得ることができない。より好ましくはＨｖ７５０〜８５０である。
Moreover, the hardness of the surface layer part (around 0.02 mm from the surface) of the coil spring is
さらにコイルばねの表面から０．３ｍｍの内部硬さはＨｖ５８０以上である。この内部硬さが低いと内部を起点とするばねの折損が発生することがあり、耐疲労性が低下する。内部硬さはＨｖ６００以上であることが好ましい。 Furthermore, the internal hardness of 0.3 mm from the surface of the coil spring is Hv580 or more. If the internal hardness is low, the spring may break from the inside, resulting in a decrease in fatigue resistance. The internal hardness is preferably Hv600 or more.
以上のようなコイルばねの白層の厚さや表層部硬さ、および内部硬さは、窒化処理の温度や時間、あるいは、コイリング後の低温焼鈍し処理の温度や時間などを適宜に選択して組み合わせることにより調整することができる。 For the thickness, surface layer hardness, and internal hardness of the coil spring as described above, the temperature and time of nitriding treatment or the temperature and time of low-temperature annealing treatment after coiling are appropriately selected. It can be adjusted by combining.
また、ショットピーニング後のコイルばねの表面は、その最大粗さＲmaxが５μｍ以下であることが好ましい。Ｒmaxが５μｍを越えると疲労破壊の起点となることがあるので適当ではない。より好ましくは４μｍ以下である。なお、ＪＩＳＢ０６０１（２００１年１月改訂）では最大高さ粗さの表記はＲｚと改訂されたが、従前の十点平均粗さＲｚとの誤解を避けるために本明細書では最大粗さをＲmaxと表記する。 Further, the surface of the coil spring after shot peening preferably has a maximum roughness R max of 5 μm or less. If R max exceeds 5 μm, it may be a starting point for fatigue failure, which is not appropriate. More preferably, it is 4 μm or less. In JISB0601 (revised January 2001), the description of the maximum height roughness was revised as Rz. However, in order to avoid misunderstanding with the previous ten-point average roughness Rz, in this specification the maximum roughness is defined as R. Expressed as max .
（コイルばねの製造方法）
本発明の高強度コイルばねは、前記の機械的性質を有するオイルテンパー線を用いて、コイルばねを成形するコイリング工程、表面のスケールを除去するマイクロショット工程、表面硬度を向上させる窒化処理工程、残留応力を付与する二段ショットピーニング工程などを経由して得ることができる。
(Manufacturing method of coil spring)
The high-strength coil spring of the present invention is a coiling process for forming a coil spring using the oil tempered wire having the above mechanical properties, a micro-shot process for removing surface scale, and a nitriding process for improving surface hardness. It can be obtained via a two-stage shot peening process that imparts residual stress.
まず初めに、前記の化学成分組成を有するオイルテンパー線を冷間コイリングしてばね形状に成形する。その後、低温熱処理を施してコイル成形時に生じた残留応力や残留歪みを除去することが好ましく、一般的には大気雰囲気中で３５０〜５００℃で３〜６０分の加熱処理を施すとよい。好ましくは、４００〜４８０℃で５〜２０分の加熱処理である。 First, an oil temper wire having the above-described chemical composition is cold coiled to form a spring shape. Thereafter, it is preferable to perform low-temperature heat treatment to remove residual stress and residual strain generated during coil forming. Generally, heat treatment at 350 to 500 ° C. for 3 to 60 minutes is preferably performed in an air atmosphere. Preferably, the heat treatment is performed at 400 to 480 ° C. for 5 to 20 minutes.
次に、窒化に先立ってディスケール処理を行う。ディスケール処理は、コイル成形されたばね素材の表面の酸化皮膜を除去する工程で、酸化皮膜を取除くことにより均一な窒化を可能とするものである。 Next, a descale process is performed prior to nitriding. The descaling process is a step of removing the oxide film on the surface of the coil-formed spring material, and enables uniform nitriding by removing the oxide film.
なお、ディスケール処理では、ばね素材の表面の最大粗さＲmaxを５μｍ以下にするのが好ましい。Ｒmaxが５μｍを越えると、窒化の均一性が不十分となり、また、得られたコイルばねの表面研磨が必要となることがある。ディスケール処理としては、ばね素材の表面粗さを増大させないように、比較的弱くブラストされるような条件、すなわち、マイクロショットを使用してショットピーニングして行う。マイクロショットとしては、比較的軟らかいガラスビーズや砥粒を使用するとか、直径０．３ｍｍ以下の細かいカットワイヤを使用する、あるいは直径０．３ｍｍ以下のスティールショットを使用する方法などを例示することができる。これらの方法により、ばね素材の表面粗さの最大粗さＲmaxを５μｍ以下にすることができる。ディスケールをマイクロショットで実施することで、酸化皮膜が除去できるとともに、次の工程の窒化を容易にすることができる。 In the descaling process, it is preferable that the maximum roughness R max of the surface of the spring material is 5 μm or less. When R max exceeds 5 μm, the uniformity of nitriding becomes insufficient, and surface polishing of the obtained coil spring may be necessary. The descale treatment is performed by shot peening using a condition that causes relatively weak blasting, that is, micro-shot, so as not to increase the surface roughness of the spring material. Examples of micro shots include a method of using relatively soft glass beads and abrasive grains, using a fine cut wire having a diameter of 0.3 mm or less, or using a steel shot having a diameter of 0.3 mm or less. it can. By these methods, the maximum roughness R max of the surface roughness of the spring material can be reduced to 5 μm or less. By performing descale by micro shot, the oxide film can be removed and nitriding in the next step can be facilitated.
窒化処理は、窒素ガスまたはアンモニアガス等の雰囲気中で行うことができるが、白層の形成を４μｍ以下に抑制するためにアンモニアガスによる軟窒化処理とし、４００〜４８０℃で２〜４時間の窒化処理が望ましい。窒化処理温度が４００℃未満では、コイルばねの表面層が硬化不足となり、また、４８０℃を越えると内部硬さが低下して、耐疲労性の高い高強度コイルばねを得ることが出来ない。 The nitriding treatment can be performed in an atmosphere such as nitrogen gas or ammonia gas. In order to suppress the formation of the white layer to 4 μm or less, soft nitriding treatment with ammonia gas is performed at 400 to 480 ° C. for 2 to 4 hours. Nitriding is desirable. When the nitriding temperature is less than 400 ° C., the surface layer of the coil spring becomes insufficiently cured, and when it exceeds 480 ° C., the internal hardness is lowered and a high-strength coil spring with high fatigue resistance cannot be obtained.
さらに、窒化処理時間が２時間未満では、窒化処理に伴う硬化層の形成が不均一となり、また、４時間を超えても長時間処理に見合う、より有効な窒化層を得ることは出来ない。長時間処理はコスト的にも好ましくない。 Furthermore, if the nitriding time is less than 2 hours, the formation of a hardened layer accompanying the nitriding treatment becomes non-uniform, and if it exceeds 4 hours, a more effective nitrided layer suitable for long-time treatment cannot be obtained. Long-time treatment is not preferable in terms of cost.
次に、窒化処理後のコイルばねに２段ショットピーニングを施す。ショットピーニングは、表面部が窒化処理されて硬化したコイルばねに残留応力を付与して、コイルばねの疲労強度を高めることを目的に実施するものである。残留応力は表層部分で高く且つ内部深くまで賦与することが望ましく、そのため、ショット方法の異なる第１と第２との２段のショットピーニングを施すことが好ましい。 Next, two-stage shot peening is applied to the coil spring after nitriding. Shot peening is performed for the purpose of increasing the fatigue strength of the coil spring by applying residual stress to the coil spring that has been hardened by nitriding the surface portion. The residual stress is desirably high in the surface layer portion and deeply applied to the inside, and therefore, it is preferable to perform two-stage shot peening of the first and second different shot methods.
第１ショットピーニング工程では、まず粒径の大きいショットを、例えば高速でコイルばねに投射して表面より内部の深い位置まで残留応力を付与させる。 In the first shot peening process, first, a shot having a large particle diameter is projected onto a coil spring at a high speed, for example, to apply a residual stress to a deep position inside the surface.
第２ショットピーニング工程では、第１ショットピーニング工程で使用したショットより粒径が小さいショットを使用して投射し、表面部にさらに大きな残留応力を付与する。この工程では第１ショットピーニング工程で使用したショットより硬度の高いものを使用したり、あるいはショットを高速で投射することでその効果をより高めることができる。 In the second shot peening process, a shot having a particle diameter smaller than that used in the first shot peening process is used for projection, and a larger residual stress is applied to the surface portion. In this step, the effect can be further enhanced by using one having a higher hardness than the shot used in the first shot peening step or by projecting the shot at a high speed.
以上の工程によって、表面の残留応力が高く、かつ内部の深い位置にまで残留応力が付与できるので、コイルばねの疲れ強さを大幅に向上させることができる。 By the above steps, since the residual stress on the surface is high and the residual stress can be applied to a deep position inside, the fatigue strength of the coil spring can be greatly improved.
第１ショットピーニング工程で使用されるショットとしては、内部の深い位置まで残留応力を付与するために、０．４〜１．０ｍｍの径で、硬さがＨｖ５００〜８００の範囲のものが好ましい。
The shot used in the first shot peening step is preferably a shot having a diameter of 0.4 to 1.0 mm and a hardness in the range of
また、第２ショットピーニング工程では表面部の残留応力を高めるために、第１ショットピーニング工程よりも小さい、径が０．０５〜０．３ｍｍ程度で、硬さがＨｖ７００〜９００のショットを使用することが好ましい。この場合には高圧エアーによるショットの投射が望ましく、この高圧での投射で表面付近に著しく高い残留応力を形成することができる。しかし、表面の最大高さ粗さＲmaxを５μｍ以下とするために、エアー圧力を０．１〜０．４ＭＰａとして１〜１０分程度のショットピーニングとすることがよい。
In the second shot peening process, in order to increase the residual stress of the surface portion, a shot having a diameter of about 0.05 to 0.3 mm and a hardness of
続いて、２段ショットピーニング後のコイルばねに低温焼きなましを施すことが望ましい。この低温焼き鈍しはショットピーニングによる異常に大きな内部歪みを除去する目的で行うものであり、一般的には２００〜３００℃で３〜６０分程度の加熱処理である。 Subsequently, it is desirable to subject the coil spring after the two-stage shot peening to low temperature annealing. This low-temperature annealing is performed for the purpose of removing abnormally large internal strain caused by shot peening, and is generally a heat treatment at 200 to 300 ° C. for about 3 to 60 minutes.
以上のようにして、従来よりも安価で高い強度と靭性とを有する高強度コイルばねを得ることが出来る。この高強度コイルばねは、オートマティック車の自動変速機のクラッチトーション用ダンパースプリングやエンジンの弁ばねに好適に使用することができる。 As described above, it is possible to obtain a high-strength coil spring having lower strength and higher strength and toughness than conventional ones. This high-strength coil spring can be suitably used as a damper spring for clutch torsion of an automatic transmission of an automatic vehicle or a valve spring of an engine.
ところで、低コストが求められるコイルばねの場合には、コイルばねの表層部を硬化する窒化処理工程を省いてもよい。窒化処理工程を省くことにより、白層がなくて耐疲労性が高いさらに安価な高強度コイルばねを得ることができる。窒化処理工程を省略した場合には、コイリング後の低温熱処理を大気雰囲気中で４００〜４８０℃、５〜２０分の均熱処理とすることで、ばね表面から０．３ｍｍの内部硬さをＨｖ６２０以上とすることができる。 By the way, in the case of a coil spring that requires low cost, a nitriding treatment step for curing the surface layer portion of the coil spring may be omitted. By omitting the nitriding step, it is possible to obtain a cheaper high-strength coil spring having no white layer and high fatigue resistance. When the nitriding treatment step is omitted, the low-temperature heat treatment after coiling is performed at 400 to 480 ° C. for 5 to 20 minutes in an air atmosphere, so that the internal hardness of 0.3 mm from the spring surface is Hv620 or more. It can be.
以下、実施例により具体的に説明する。 Hereinafter, specific examples will be described.
［試料の調製］
（実施例１）
コイルばねの素材として、Ｃ：０．６５質量％（以下、特に明記しない限り質量％とする）、Ｓｉ：２．２３％、Ｍｎ：０．５４％、Ｃｒ：１．１８％、Ｖ：０．１５％、Ｃｏ：０．２０％で、不可避的不純物としては、Ｐ：０．０１％、Ｓ：０．００５％、Ｃｕ：０．００３％を含み、残部がＦｅとからなり、引張り強さが２２４６ＭＰａ、絞りが５０％の合金鋼オイルテンパー線を用いた。このオイルテンパー線の最大非金属介在物は１５μｍであった。
[Sample preparation]
Example 1
As a material of the coil spring, C: 0.65% by mass (hereinafter referred to as mass% unless otherwise specified), Si: 2.23%, Mn: 0.54%, Cr: 1.18%, V: 0 .15%, Co: 0.20%, unavoidable impurities include P: 0.01%, S: 0.005%, Cu: 0.003%, with the balance being Fe, and tensile strength An alloy steel oil tempered wire having a length of 2246 MPa and a drawing of 50% was used. The maximum nonmetallic inclusion in the oil tempered wire was 15 μm.
前記のオイルテンパー線をコイリングし、線径：３．２ｍｍ、コイル中心径：２０．２ｍｍ、総巻数：５．９巻、有効巻数：３．９巻、自由高さ：４７．０ｍｍ、ばね定数：３０．０Ｎ／ｍｍのコイルばねを成形した。 Coiled with the above oil tempered wire, wire diameter: 3.2 mm, coil center diameter: 20.2 mm, total number of turns: 5.9 turns, effective number of turns: 3.9 turns, free height: 47.0 mm, spring constant : A 30.0 N / mm coil spring was molded.
次に、このコイルばねを４３５℃で１０分間熱処理してコイル成形時に生じた残留応力や残留歪みを除去した。その後、直径が０．２ｍｍのスチールボールを使用して２０分間のマイクロショットを施して、表面の酸化皮膜を除去した。 Next, this coil spring was heat-treated at 435 ° C. for 10 minutes to remove residual stress and residual strain generated during coil forming. Thereafter, a micro-shot for 20 minutes was performed using a steel ball having a diameter of 0.2 mm to remove the oxide film on the surface.
次に、アンモニアガス雰囲気下で４４０℃×３時間の窒化処理を施し、コイル表面に窒化層を形成した。 Next, nitriding treatment was performed at 440 ° C. for 3 hours in an ammonia gas atmosphere to form a nitride layer on the coil surface.
第１ショットピーニング工程は、窒化処理後に直径０．６ｍｍのラウンドカットワイヤを使用して１０分間のショットピーニングを行った。 In the first shot peening process, shot peening was performed for 10 minutes using a round cut wire having a diameter of 0.6 mm after nitriding.
第２ショットピーニング工程は、直径０．２５ｍｍのラウンドカットワイヤを、エアーで５分間投射して、ショットピーニングを施しコイル表面に圧縮残留応力を付与した。次いで２３０℃、１０分間の低温焼きなましを施して、異常に大きな内部歪みを除去して実施例１の高強度コイルばねを得た。 In the second shot peening process, a round cut wire having a diameter of 0.25 mm was projected with air for 5 minutes to perform shot peening and to apply compressive residual stress to the coil surface. Next, low-temperature annealing was performed at 230 ° C. for 10 minutes to remove abnormally large internal strain, and the high-strength coil spring of Example 1 was obtained.
（実施例２）
実施例１と同一組成で、同一の機械的性質を有するオイルテンパー線を用いて、窒化処理条件を４５０℃×３時間とした以外は、実施例１と全く同様の形状と製造工程および製造条件で、実施例２の高強度コイルばねを得た。
(Example 2)
Except for using an oil tempered wire having the same composition as in Example 1 and having the same mechanical properties, the shape, production process and production conditions were exactly the same as in Example 1 except that the nitriding conditions were 450 ° C. × 3 hours. Thus, a high-strength coil spring of Example 2 was obtained.
（実施例３）
実施例１と同一組成で、同一の機械的性質を有するオイルテンパー線を用いて、窒化処理条件を４７５℃×３時間とした以外は、実施例１と全く同様の形状と製造工程および製造条件で、実施例３の高強度コイルばねを得た。
(Example 3)
Except for using an oil tempered wire having the same composition and the same mechanical properties as in Example 1, the nitriding treatment conditions were set to 475 ° C. × 3 hours. Thus, a high-strength coil spring of Example 3 was obtained.
（実施例４）
実施例１と同一組成で、同一の機械的性質を有するオイルテンパー線を用いて、実施例１と全く同様の形状のコイルばねを成形し、４３５℃で１０分間熱処理してコイル成形時に生じた残留応力や残留歪みを除去した。その後、マイクロショットと窒化処理工程とを省略した以外は、実施例１と同様の製造工程および製造条件で、実施例４の高強度コイルばねを得た。
Example 4
A coil spring having the same composition as in Example 1 and having the same mechanical properties was used to form a coil spring having the same shape as in Example 1, and heat treatment was performed at 435 ° C. for 10 minutes. Residual stress and residual strain were removed. Thereafter, a high-strength coil spring of Example 4 was obtained by the same manufacturing process and manufacturing conditions as Example 1 except that the microshot and the nitriding treatment process were omitted.
（比較例）
コイルばねの素材として、Ｃ：０．６４％、Ｓｉ：２．０６％、Ｍｎ：０．７８％、Ｃｒ：０．７０％、Ｖ：０．０７％で、不可避的不純物としては、Ｐ：０．００８％、Ｓ：０．０１４％、Ｃｕ：０．０４％を含み、残部がＦｅからなり、引張り強さが２１０３ＭＰａ、絞りが５０．７％の合金鋼オイルテンパー線を用い、実施例１と同様の形状のコイルばねを形成し、その後、実施例１と同様にして比較例のコイルばねを得た。
(Comparative example)
As the material of the coil spring, C: 0.64%, Si: 2.06%, Mn: 0.78%, Cr: 0.70%, V: 0.07%, and unavoidable impurities are P: An alloy steel oil tempered wire containing 0.008%, S: 0.014%, Cu: 0.04%, the balance being made of Fe, tensile strength of 2103 MPa and drawing of 50.7% is used. 1 was formed, and then a comparative example coil spring was obtained in the same manner as in Example 1.
［評価］
（評価方法）
上記で得られた各コイルばね（以後、試料という）について、白層の厚さ、表層部硬さ、内部硬さ、表面の最大粗さ、および疲労特性を測定した（実施例４については硬さ測定のみ）。なお、白層の厚さ、表層部硬さ、内部硬さ、表面の最大粗さは、コイルばねの内周側で各々所定の数点を測定した。測定方法は以下の通りである。
[Evaluation]
(Evaluation methods)
For each coil spring obtained above (hereinafter referred to as a sample), the thickness of the white layer, the surface layer hardness, the internal hardness, the maximum roughness of the surface, and the fatigue characteristics were measured (for Example 4, the hardness) Measurement only). The white layer thickness, surface layer hardness, internal hardness, and maximum surface roughness were measured at several predetermined points on the inner peripheral side of the coil spring. The measuring method is as follows.
（ａ）白層の厚さは、得られた各試料の断面を研磨し、ナイタールでエッチングして白層を明確にしてから金属顕微鏡で測定し、視野中の最大値と最小値とを求めた。 (A) The thickness of the white layer is determined by polishing the cross section of each obtained sample, etching with nital to clarify the white layer, and measuring with a metallurgical microscope to obtain the maximum and minimum values in the field of view. It was.
（ｂ）硬さ試験は、得られた各試料の断面を研磨して、マイクロビッカース（荷重５０ｇ）で、ばねの表面から内部へ０．０２ｍｍ入った表層部と０．３ｍｍ入った内部とを各２箇所測定し、各々平均して求めた。なお、実施例２、実施例４および比較例についてはコイルばね断面の硬さ分布を測定した（図１）。 (B) In the hardness test, the cross section of each obtained sample was polished, and the surface layer portion 0.02 mm from the surface of the spring to the inside and the inside containing 0.3 mm were obtained with micro Vickers (load 50 g). Two points were measured and each averaged. In addition, about Example 2, Example 4, and the comparative example, the hardness distribution of the coil spring cross section was measured (FIG. 1).
（ｃ）表面の最大粗さＲmaxは、ＪＩＳＢ０６０１（１９８２年版）に準拠して測定した。 (C) The maximum surface roughness R max was measured according to JIS B0601 (1982 edition).
（ｄ）疲労特性は、星型ばね疲労試験機を用いて、平均応力：７５０ＭＰａ、応力振幅：６４０ＭＰａ、回転数：１８００ｒｐｍで試験し、同時に試験に供した８個の試料のうち１０7回までに折損する試料の個数を折損確率として求めた。 (D) Fatigue properties were tested with a star spring fatigue tester at an average stress of 750 MPa, a stress amplitude of 640 MPa, and a rotation speed of 1800 rpm, and at the same time up to 10 7 times out of 8 samples subjected to the test. The number of samples that breaks was determined as the breakage probability.
測定結果を表１と図１に示す。 The measurement results are shown in Table 1 and FIG.
（評価結果）
実施例１、２および３は窒化温度以外は全て同一の条件で作製したものである。窒化温度の上昇に伴い、表層部硬さは上昇し、内部硬さは低下する傾向にあることが分かる。また、表層部硬さの上昇に伴い表面粗さは小さくなっている。白層厚さは実施例３で若干認められものの本発明の限定範囲内である。実施例１〜３はこれらの特性を有するので、折損確率は０〜１／８と極めて優れた疲労特性を有することが分かる。
(Evaluation results)
Examples 1, 2 and 3 were all produced under the same conditions except for the nitriding temperature. It can be seen that the hardness of the surface layer portion increases and the internal hardness tends to decrease as the nitriding temperature increases. Further, the surface roughness is reduced as the surface layer hardness increases. Although the white layer thickness is slightly recognized in Example 3, it is within the limited range of the present invention. Since Examples 1 to 3 have these characteristics, it can be seen that the breakage probability is 0 to 1/8 and extremely excellent fatigue characteristics.
ところが、素材以外は全て実施例１と同一条件で作製した比較例では、表層部硬さも内部硬さも実施例１に比べて低いものであった。このため疲労試験では同時に試験に供した８個中７個が折損してしまった。 However, in the comparative example produced under the same conditions as in Example 1 except for the material, both the surface layer hardness and the internal hardness were lower than in Example 1. For this reason, in the fatigue test, 7 out of 8 pieces subjected to the test were broken at the same time.
なお、図１にはばねの断面における半径方向の硬さ分布を実施例２、実施例４および比較例とについて示した。実施例２は比較例に比べて表層近傍のみならず中心部まで高硬度であることが分かる。また、実施例４は、窒化処理を施していないので表層部の硬さは低いものの、表面から０．１ｍｍ以上内部の硬さは実施例２とほぼ同様の分布を示しており、実施例１〜３に記載する窒化処理を施したコイルばねに比べて強度は低下するものの依然として高い強度を有することが確認できた。なお、実施例４ではマイクロショット工程と窒化処理工程とを省略したが、さらに２段ショットピーニングを１段ショットピーニングとすることで、より一層製造コストを低減することも可能となる。 FIG. 1 shows the hardness distribution in the radial direction in the cross section of the spring for Example 2, Example 4, and Comparative Example. It can be seen that Example 2 has a high hardness not only in the vicinity of the surface layer but also in the center as compared with the comparative example. Further, in Example 4, since the nitriding treatment was not performed, the hardness of the surface layer portion was low, but the internal hardness of 0.1 mm or more from the surface showed a distribution similar to that in Example 2, and Example 1 Although it decreased in strength compared with the coil spring subjected to the nitriding treatment described in -3, it was confirmed that the coil spring still has high strength. Although the micro-shot process and the nitriding process are omitted in the fourth embodiment, the manufacturing cost can be further reduced by further changing the two-stage shot peening to the one-stage shot peening.
以上のように、本発明によれば、従来技術になる比較例よりもはるかに高い耐久性を有する高強度コイルばねを、製造コストを高めることなく得られることが分かった。 As described above, according to the present invention, it has been found that a high-strength coil spring having much higher durability than that of the comparative example that is the prior art can be obtained without increasing the manufacturing cost.
本発明の高強度コイルばねは、オートマティック車における自動変速機のクラッチトーションのダンパースプリングやエンジンの弁ばねなどに用いて好適である。 The high-strength coil spring of the present invention is suitable for use as a damper spring for a clutch torsion of an automatic transmission or an engine valve spring in an automatic vehicle.
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