JP2010133558A

JP2010133558A - 硬化されたばね鋼、ばねエレメント及びばねエレメントを製造する方法

Info

Publication number: JP2010133558A
Application number: JP2009266839A
Authority: JP
Inventors: Joerg Neubrand; ノイブラントイェルク; Maik Hartwig; ハルトヴィヒマイク
Original assignee: Muhr und Bender KG
Current assignee: Muhr und Bender KG
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2009-11-24
Publication date: 2010-06-17
Also published as: EP2192201B1; DE102009011118A1; EP2192201A1

Abstract

【課題】ばね鋼若しくはばねエレメントの表面領域における材料気孔による、起こり得る臨界ノッチ応力の不都合な作用を減じる。
【解決手段】ばねワイヤ１は長手方向軸線Ｌに沿って延在し、横断面の座標は、Ｘ（表面からの深さ）とＹ（深さにわたる半径）とによって示されている。ばねワイヤ１は表面層２とコア領域３とを有し、表面層２は外側にばねワイヤ１の表面４を形成する。ばねワイヤ１は表面層２の領域において、コア領域３における硬さよりも僅かな硬さを有している。軟化された表面層２は、横断面において見て、長手方向軸線Ｌを中心にして全周にわたって配置されている。しかし軟化された表面層２を単に部分的に設けることもできるので、表面層２は単に部分的に周面にわたって提供することもでき、かつ／又は単に部分的に長さにわたって延在している。
【選択図】図１

Description

本発明は、硬化されたばね鋼、ばねエレメント及びばねエレメントを製造する方法に関する。

ばねエレメントの寿命は、実質的に外側からの影響により発生した応力、材料、実施される熱処理、場合によっては、ショットブラスティング処理により左右される。目標は、深い表面領域まで可能な限り高い圧縮内部応力を形成することである。公知のばね製造方法、特に圧縮コイルばねの常温成形時に、表面下、約２００〜４００μｍの深さにおいて内部応力は耐久性を向上させる圧縮応力から、耐久性を悪化させる引張内部応力へと正負符号を変える。ショットブラスティングにより製造されたヘルツ式の圧力に基づき、内部応力分配が形成される。内部応力分配において圧縮内部応力の最大点は、用いられる方法に応じてばね鋼の表面下の約５０〜１５０μｍの深さにある。

ばね内にて作用する応力は表面において最大であり、コアに向かって減少する。さらに、材料気孔、例えば粗度、亀裂、スケール、腐食ピット、表面付近の含有物等においてノッチ応力が発生する。ノッチ応力は巨視的な応力を何倍も超過することがある。一般的に、ノッチ応力は、ばね鋼の硬さが高ければ高いほどそれに応じて大きいものである。このことはばね鋼の低下する延性と同じ意味を持つ。これにより、特にノッチ応力に基づく応力腐食割れにより損傷しやすくなる。

腐食の危険性は、変化する周辺条件、及び重量の最適化、比較的高い材料降伏及び材料強度に対する高まる要求により重要性を増している。つまり、ばねの重量を減じることが試みられている。ばねの重量の低減は、ばね鋼の材料特性を改良することによりもたらすことができる。その際、運転中に引き起こされるばね鋼の疲れ及びすましに対抗するために、一般的にはばね鋼は調質される、つまり、加熱によりオーステナイト化され、次いで焼入れされ、新たに加熱することにより焼戻しされる。

例えばＤＥ１９８５２７３４Ａ１には、改良された腐食疲れ強度を備えたばねが記載されている。ばね鋼の製造のために、５０，５〜５５，０ＨＲ（ロックウェル硬さ）にまで硬化される規定の組成を有する鋼が使用される。硬化の後に適度な温度においてショットピーニング処理が行われる。温度は、表面領域における硬さ降下が避けられるように選択される。

ＤＥ１００３２３１３において合金された鋼から成るコイルばねが公知になっている。コイルばねは硬化されていて、約６１０ＨＶ０，１（ビッカース硬さ）のコア硬さを有している。磨耗耐性を高めるために、約１００μｍの厚さを有する拡散層が設けられている。１０μｍの深さにおける拡散層の硬さは７５０ＨＶ０，１よりも大きくなっている。

ＤＥ２２３４８９１Ａにおいて、調質可能な鋼から成る硬質のコア及び軟質のシェルを備えた熱間圧延製品を製造する方法が公知である。鋼は加熱され、熱間圧延され、焼入れされて焼戻しされる。

ＤＥ４１３８９９１において、鋼ボディの表面領域とコア領域との間に種々異なる機械的な特性を形成する方法が開示されている。鋼ボディは常温硬化処理され、次いで表面領域及びコア領域は種々異なる温度に加熱される。

ＤＤ２６７５１３Ａ１には、表面ゾーンにおける強度よりも高い強度をコア領域において有するプレストレスコンクリート構造物において使用するための高張力鋼が開示されている。

ＤＥ１９８５２７３４Ａ１ＤＥ１００３２３１３ＤＥ２２３４８９１ＡＤＥ４１３８９９１ＤＤ２６７５１３Ａ１

本発明の目的は、ばね鋼若しくはばねエレメントの表面領域における材料気孔による、起こり得る臨界ノッチ応力の不都合な作用を減じることである。

上記目的を達成するために、本発明に係る硬化されたばね鋼は、ばね鋼が表面層を有しており、表面層内部における硬さが内側から外側へと低下するようになっている。

例えば表面亀裂の底部、つまり亀裂の先端におけるノッチ応力の効果は、材料の硬さ若しくは延性に基づくので、これにより亀裂の拡がりは遅くなるか、又はそれどころか回避される。これにより高められた材料の強さにより、ばねエレメントの構成部材質量を減じることができ、かつ／又はばねエレメントの寿命を高めることができる。硬化されたばね鋼はこの関係において、組織の適切な変化及び転化により高められている機械的な耐久性を有するばね鋼であると理解される。このことは有利には、後に急速な冷却を伴う熱処理により達成される。硬化処理後になおさらなる処理、例えば焼戻しされるようなばね鋼が明らかに含まれている。硬化処理そしてそれに続く焼戻しから成る熱処理は、調質と称呼される。調質により、材料の高い延性と同時に高い強度がもたらされる。

本発明の実質的な利点は、表面軟化により比較的高い出発強度を有する構成部材を変形させることもできるという点である。硬化処理若しくは調質後の望まれないワイヤ破断という危険性は著しく減じられる。このことは表面領域における延性の向上により達成される。つまり、本発明によれば、同じ積分引張強度において従来の構成部材と比較して延性が高められ、延性は軟化されていない構成部材よりも最高１５％高くてよい。本発明に係る、内側から外側へと減少する硬さを備えたばね鋼の別の利点は、ワイヤの変形可能性が高められることにある。

ばね鋼として工業的なばねの製造のための材料が挙げられる。工業的なばねは、外側から加えられる力作用を吸収し、蓄積し、次いで再び放出することができる構成部材である。ばね鋼のための材料として、基本的には硬化可能な全ての鋼が考えられる。ばね特性は、ばね鋼の場合には種々異なる合金エレメントの付加により達成される。シリコン、マンガン、クロム、バナジウム又はモリブデンが個々に、又は組み合わせて考えられる。特に、ばねに関する要求に対しては、シリコンクロム鋼、シリコンクロムバナジウム鋼、クロムバナジウム鋼がよく適している。

有利には、ばね鋼はその全横断面おいて硬化処理若しくは調質されている。つまり、ばね鋼の完全な硬化若しくは完全な調質のことである。硬化若しくは調質後に、表面層若しくは縁層は熱処理により軟化される。有利にはこのことは、比較的高周波の誘導性の加熱により行うことができる。過熱とは５０ｋＨｚ又は６０ｋＨｚを越えた周波数の使用を意味するものと理解されたい。誘導性の加熱は比較的短い期間に行うことができる。基本的に、表面層の軟化のために誘電性の加熱とは異なる他の熱処理も利用可能である。

ばねエレメントの寿命にとって臨界的な腐食ピットは、３００〜４００μｍのサイズ範囲における深さを有していることが明らかになったので、表面層は、有利には少なくとも３００μｍ、特に少なくとも５００μｍ、場合によってはそれどころか最高で８００μｍの厚さを有している。したがって、表面亀裂の亀裂の先端、若しくは腐食ピットの底部における材料の延性の向上、ひいてはノッチ応力の不都合な作用の低減が達成される。硬化、焼戻し若しくは軟化のためのパラメータの選択及びばねエレメントの厚さに応じて、表面層はばねエレメントの半径の最大１／４であってもよい。表面層は特別な構成ではそれどころか８００μｍよりも大きく、最高で２０００μｍの厚さを有していてもよい。

有利には、表面層は３００〜８００μｍの深さまで、最大５９０ＨＶの硬さを有している。表面層の硬さはばね鋼の表面層から出発して深さが増すにつれて増大する。一般的に、深さにわたるばね鋼の硬さは、ばね鋼の横断面にわたるばね鋼の積分引張強度に基づく。積分引張強度が高まれば高まるほど、最高５９０ＨＶの硬さが存在することがある深さもそれだけ深くなる。したがって、表面層はばね鋼の積分引張強度が僅かである場合には、それどころか最高で１０００μｍの深さにまで、最高５９０ＨＶの硬さを有することもできる。

有利には、表面層において５０μｍの深さから、少なくとも２５０ＨＶ、有利には４５０ＨＶ、特に少なくとも５００ＨＶ又は５６０ＨＶの硬さが設けられている。

表面層に内方に接続するコア領域は、有利には、少なくとも３００μｍ、有利には少なくとも５００μｍ、特に少なくとも８００μｍの深さにおいて始まる。特別な構成では、コア領域はそれどころか２０００μｍの深さにおいて始めて始まっていてよい。コア領域の硬さは、有利には少なくとも５７０ＨＶ、特に少なくとも６００ＨＶである。特別な構成では、コア領域の硬さはそれどころか７３０ＨＶを越えていてよい。このことは比較的僅かな温度により焼戻し時に達成することができる。コア領域の中心において、硬さは製造条件に基づく微構造変化、例えば偏析によって低減されていていることがあるか、又は高められていることもある。

さらに上記目的は、ばねエレメントが既述したようなばね鋼から製造されていることにより達成される。有利には、ばね鋼は円形材料であり、例えばばねワイヤ、楕円形材料又は平坦材料、例えばスプリングストリップである。

ばねエレメントは巻成されてコイルばねに形成されていてもよい。最終的にばね鋼は、コイルばねの円形材料の巻条の内面に軟化された表面層を有することもできる。その結果、ノッチ応力の作用は減じられる。横断面で見て円形材料の残りの周面にわたって、軟化された表面層は設けられていない、つまりコア領域は表面にまで達する。巻条の内面における部分的な軟化に対して択一的又は付加的には、ばね鋼はコイルばねの円形材料の巻条の外面に軟化された表面層を有しているようになっていてもよい。これにより、ばねに形状を与える際に巻き破壊の可能性を回避することができる。しかし、横断面で見て軟化された表面層は円形材料の全周にわたって延在していることが前提とされている。

ばね鋼の横断面で見て、軟化された表面層を備えた１つ又は複数の領域が周にわたって単に部分的に設けられていてもよいということは明らかである。その結果、この規定の領域において材料特性を耐久性に適合させることが可能になる。

さらに上記目的は、ばね鋼を製造する方法により達成される。ばね鋼はまず硬化され、次いでばね鋼の表面層は熱処理により軟化される。ばね鋼の硬化若しくは調質は、有利には、全横断面がまず完全に硬化されることを意味する。しかし横断面の中央領域は絶対に完全に硬化される必要はない。軟化のための熱処理としては、特に誘導性の加熱が適しているが他の熱処理も排除されていない。軟化前及び軟化後には、ばね鋼の組織は微細針状のマルテンサイトである。マルテンサイトの組織は、硬化後の比較的迅速な冷却によりもたらされる。硬化後の冷却速度に応じて、ばね鋼の他の組織構造を製造することもできる。ばね鋼が比較的ゆっくりと冷却される場合、例えばベイナイト組織構造を製造することもできる。さらにゆっくりとした冷却の場合、ばね鋼のフェライト／パーライト組織構造の維持も考慮可能である。

有利には、ばね鋼は従来のように硬化されるか若しくは調質される。ばね鋼はまずオーステナイト化温度に加熱され、有利には誘導式に加熱され、次いで焼入れされる。温度は、有利にはＡｃ_３点の上側、特に８００℃又は９００〜１０００℃にある。調質されたばね鋼を達成するために、ばね鋼は硬化後に焼戻しされる。そのためにばね鋼は新たに、有利には誘導式に加熱される。ばね鋼は、有利には４００〜５００℃又は５５０℃の温度に加熱される。したがって調質されたばね鋼が存在する。

後続の冷却後に、ばね鋼は再度短時間、有利には誘電式に加熱され、表面層は軟化される。表面軟化は、加熱の期間に基づき、有利には５００〜７５０℃の温度、特に５７０〜６１０℃の温度において行われる。

有利には、コア領域は５７０ＨＶを越えた、特に６００ＨＶを越えた、特別な構成では７３０ＨＶを越えた硬さに調節される。

有利には、表面層は少なくとも３００μｍ、有利には少なくとも５００μｍ、特に少なくとも８００μｍの厚さにわたって軟化される。有利には、表面層は５９０ＨＶの最大硬さに軟化される。特別な構成において、表面層はばね鋼の積分引張強度に基づき、それどころか８００μｍより大きな厚さにわたって２０００μｍまで軟化することができる。有利には表面層は５０μｍの深さから、２５０ＨＶ、有利には４５０ＨＶ、特に５００ＨＶ又は５６０ＨＶを下回る硬さには軟化されない。

本発明の別の観点に基づき、ばね鋼から成るばねエレメントを製造する方法が提案される。ばね鋼は上記一方法に基づき製造されている。圧縮コイルばねを製造するために、ばね鋼は巻成されて、コイルばねの形式のばねエレメントに形成される。表面層は、ばね鋼の巻成前、又は、ばね鋼の巻成後に軟化することができる。

本発明に係る硬化されたばね鋼は、ばね鋼が表面層を有しており、表面層内部において硬さが内側から外側へと低下することを特徴とする。

好ましくは、ばね鋼は、ばね鋼の全横断面において硬化されている。

好ましくは、表面層は熱処理により軟化されており、特に誘導性の加熱により軟化されている。

好ましくは、表面層は少なくとも３００μｍ、特に少なくとも５００μｍ、必要な場合には８００μｍまでの厚さを有している。

好ましくは、表面層は３００〜８００μｍの深さまで最大５９０ＨＶの硬さを有している。

好ましくは、表面層は５０μｍの深さから少なくとも４５０ＨＶ、特に少なくとも５００ＨＶの硬さを有している。

好ましくは、ばね鋼はコア領域を有しており、コア領域は少なくとも３００μｍ、有利には少なくとも５００μｍ、特に少なくとも８００μｍの深さにおいて始まる。

好ましくは、コア領域は少なくとも５７０ＨＶ、特に少なくとも６００ＨＶの硬さを有している。

本発明に係るばねエレメントは、特に円形材料、平坦材料又は楕円形材料を形成する上記ばね鋼から成っていることを特徴とする。

好ましくは、ばねエレメントは巻成されてコイルばねに形成されており、ばね鋼はコイルばねの巻条の内側及び／又は外側に軟化された表面層を有している。

本発明に係る、上記ばね鋼を製造する方法は、ばね鋼を硬化し、続いて熱処理によりばね鋼の表面層を軟化するステップを有することを特徴とする。

好ましくは、コア領域を５７０ＨＶ、特に６００ＨＶを超える硬さに硬化する。

好ましくは、表面層を少なくとも３００μｍの厚さ、特に少なくとも５００μｍの厚さ、必要な場合には８００μｍまでの厚さにわたって軟化する。

好ましくは、表面層を３００〜８００μｍの深さまで５９０ＨＶの最大硬さに軟化する。

好ましくは、表面層を５０μｍの深さから、４５０ＨＶ、特に５００ＨＶを下回る硬さに軟化しない。

本発明に係る、上記ばね鋼から成るばねエレメントを製造する方法は、ばね鋼を巻成してコイルばねの形式のばねエレメントを形成し、表面層を、特にばね鋼の巻成前に軟化することを特徴とする。

ばねワイヤの形式の本発明に係るばね鋼の一区分を示した図である。本発明に係るばねワイヤの全直径にわたる概略的な硬さ経過を示したグラフである。表面層の領域における本発明に係るばねワイヤの硬さ経過を示したグラフである。本発明に係るばねワイヤの硬さ部分布の測定値を示したグラフである。コイルばねの形式の本発明に係るばねエレメントを示した図である。図ａ，ｂは、図５に示したコイルばねのばねワイヤの横断面図である。コイルばねの形式の本発明に係るばね鋼の製造過程の概略図である。表面軟化のための種々異なる温度において、表面層の領域における本発明に係るばねワイヤの硬さ経過の別のグラフである。第１の積分引張強度における本発明に係るばねワイヤの硬さ経過の測定値を示したグラフである。第２の積分引張強度における本発明に係るばねワイヤの硬さ経過の測定値を示したグラフである。

本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。

図１には、円形の横断面を有するばねワイヤ１の形をした本発明に係るばね鋼の一区分が示されている。基本的に、任意の横断面を有するばね鋼を、例えばスプリングストリップとして形成することもできる。ばねワイヤ１は長手方向軸線Ｌに沿って延在している。横断面の座標は、Ｘ（表面からの深さ）とＹ（深さにわたる半径）とによって示されている。ばねワイヤ１が表面層２とコア領域３とを有していることが概略的に示されている。表面層２は外側にばねワイヤ１の表面４を形成する。表面層２とコア領域３とは別体のエレメントとして理解されるのではなく、単に、種々異なる硬さ特性を見やすくするために役に立つ。ばねワイヤ１は積分要素である。後にグラフに基づき記載されるように、ばねワイヤ１は表面層２の領域において、コア領域３における硬さよりも僅かな硬さを有している。この実施の形態において、軟化された表面層２は、横断面において見て、長手方向軸線Ｌを中心にして全周にわたって配置されている。しかし軟化された表面層２を単に部分的に設けることもできるので、表面層２は単に部分的に周面にわたって提供することもでき、かつ／又は単に部分的に長さにわたって延在している。

ばね鋼は硬化可能な鋼から成っている。ばねに対する要求に特に良好に適しているのは、シリコンクロム鋼、シリコンクロムバナジウム鋼及びクロムバナジウム鋼である。

図２には、図１記載のばねワイヤの全横断面にわたる軸Ｘに沿った硬さ経過の曲線１６が概略的に記載されている。図３は、表面層の領域における軸Ｘに沿った硬さ経過を拡大して概略的に示した図である。横座標には、表面からの深さ若しくは表面からの距離が記載されている。縦座標には硬さが記載されている。図２，３については以下にまとめて記載する。

ばねワイヤの硬さは表面（深さ０ｍｍ）から出発して極力連続的に増大し、ばねワイヤのコア領域においてほぼ一定に経過する最大値にまで達する。ばねワイヤの中央において硬さは製造時に微細構造効果により、例えば偏析により異なることがあり、特に比較的低くい場合がある。硬さの上昇はそれぞれ外面から内面へとワイヤの表面の全ての点において存在する。

表面の領域において、約５００ＨＶ（ビッカース硬さ）の硬さが得られる。０，６ｍｍの深さまで硬さは可能な限り連続的に約５８０ＨＶの値にまで上昇する。この領域は軟化された表面層２であり、表面層の硬さはコア領域３の硬さよりも僅かである。硬さ経過は０，６ｍｍの深さから、表面に向かって硬さが再び減少する反対側の表面領域に達するまで一定である。硬さは４５０ＨＶの硬さ下限１７を一貫して下回らないことが望まれる。軟化された表面層２、つまり硬さが表面から出発して上昇する領域においては、硬さは５９０ＨＶの硬さ上限１８を超過しないことが望まれる。表面層２は最高で０，８ｍｍの比較的深い深さにまで達することもある。コア領域は明らかに６００ＨＶを越えた比較的高い硬さを有することもできる。

図２，３に記載の曲線経過は単に概略的に記載されており、所望の硬さ経過を示している。硬さ経過は実際には記載の直線状の形状においてもたらすことはできない。

図４はばね鋼の表面近くの領域における硬さ経過の測定値を示している。図４記載のグラフには２つの曲線が記載されていて、１つは、硬化された若しくは焼入れされた、軟化された縁領域を備えていないばね鋼の硬さ経過を示した第１の曲線５である。もう１つは、表面層２の軟化後を表す硬さ経過を示した第２の曲線６である。曲線５に基づき、硬化された若しくは焼入れされたばね鋼は約０，１ｍｍの深さから、５９０ＨＶを越えた硬さを有しており、ひいては上限１８を越えている。この値はさらなる経過においてもはや下回らない。したがって、経験則から４００μｍの深さの腐食ピットの場合には、腐食ピット又は亀裂の亀裂先端の領域において高いノッチ応力がばね鋼の寿命に不都合に作用することになる。

延性ひいては高いノッチ応力の作用に対する材料の抵抗を改良するために、ばね鋼の表面層は短時間の加熱により軟化される。その結果、曲線６により示された硬さ経過が達成される。表面層２は表面から出発して０，３ｍｍ、有利には０，５ｍｍの最小厚さを有していることが望まれ、４５０ＨＶから最高で５９０ＨＶの硬さを有していることが望まれる。曲線６は表面から出発してコア領域３に向かって連続して上昇し、硬化された若しくは焼入れされたばね鋼の硬さ経過の曲線５にさらに接近し、コア領域３において曲線５へと移行する。したがって、コア領域は軟化されないばね鋼の領域として定義することができる。軟化された表面層は、本実施の形態においては規定通り約０，６ｍｍの厚さであり、この領域においては４５０〜５９０ＨＶの間の硬さに軟化されることが望まれる。表面層２とコア領域３との間には同様に軟化されるも５９０ＨＶの硬さを有する移行領域１９がもたらされる。移行領域１９の硬さはコア領域の硬さにまでさらに上昇する。

図５には、例えば幾何学的なばね中心線Ｍを有するコイルばね７の形式のばねエレメントが示されていて、細部Ｘがマークされている。

図６ａ，６ｂにはばねワイヤの２つの実施の形態の、図５に記載の細部Ｘの領域における横断面が記載されている。コイルばね７はばねワイヤから製造されている。

図６ａはコア領域８と表面層領域９とを示している。表面層領域９は周の一部分にわたってのみ延在している。表面層領域９はコイルばね７の外面に設けられている。軟化された第１の表面層領域９は、ばねワイヤの変形時、つまりコイルばね７を巻成する際に破損を回避することが望まれる。

図６ｂはコア領域８と、同様に周の一部分にしか延在していない表面層領域１０とを示している。表面層領域１０はコイルばね７の内側に設けられている。軟化された表面層領域１０はノッチ応力の不都合な作用を部分的に減じることが望まれる。

しかし基本的に、完全に全周にわたって延在する軟化された表面層２又は部分的に延在する２つの表面層領域９，１０をばねワイヤに設けることも可能である。図６ａ，６ｂにおいて軟化された表面層領域９，１０は確かに三日月形であるが、別の形状を有していてもよいか、又は周面の比較的大きな又は比較的小さな領域にわたって延在していてもよい。さらに、軟化された表面層はばねワイヤの全長にわたって、又はばねワイヤの長さの一部分にのみ延在していることができる。

図７にはばねワイヤ１の形式のばね鋼の製造が概略的に示してある。図７において、軟化はばねワイヤをさらに処理して、例えばコイルばねを形成する前に行われる。基本的に表面層の軟化は、ばねワイヤ１を変形させてコイルばね７に形成した後に行うこともできる。

まずばねワイヤ１を第１の誘導コイル１１を通して案内し、オーステナイト化温度まで加熱する。次いでばねワイヤ１は焼入れされる。このことはシャワー装置１２において行われる。次いでばねワイヤ１を第２の誘導コイル１３を通過し、焼戻し温度にまで加熱する。ばねワイヤ１の焼戻し温度は、有利には従来の誘導式の熱処理温度よりも３０℃低く、特に４２０〜４９０℃である。焼戻し温度はばねワイヤ１の所望の最終強度に基づく。所望の最終強度は、有利には１８００〜２０５０Ｎ／ｍｍ^２であることが望まれる。２０５０〜２２００Ｎ／ｍｍ^２のＲｍを備えた伸張性の高いばねワイヤにとって焼戻し温度は比較的低く、有利には３８０〜４２０℃である。

ばねワイヤの温度は第２の誘導コイル１３の、有利には５０〜９０ｍｍ、特に７０ｍｍ下流側で測定される。誘導コイル１３に対して間隔を置いてずらした測定により、ばねワイヤ１のコア温度の決定が可能になる。

焼戻しに次いで、ばねワイヤ１は第３の誘導コイル１４を通過する。第３の誘導コイル１４においてばねワイヤ１は短時間、誘導式に加熱され、表面層を軟化する。加熱による表面の軟化は、有利には５００〜７５０℃、特に５７０〜６１０℃の間の温度において行われる。適切な周波数の選択により、表面に近い領域だけが加熱される。

誘導コイル１１，１３，１４は、図７においては単に概略的に記載されており、当然、ばねワイヤの硬化のための種々異なる従来の形式において形成されていてよい。領域１５及び／又は１５′において冷却ユニットを装置内に組み込むことができ、ばねワイヤの特別な材料特性は有利に調節される。（巻成の直前又は直後に）軟化するための誘導コイル１４が特に三日月形に形成されていてよく、ばねワイヤが単に部分的にばねワイヤの周面にわたって軟化されることを可能にする。加熱温度及び軟化温度は、前記温度とは異なっていてもよい。

図８には、特に種々異なる表面温度の場合の表面の加熱及びばねワイヤ１の硬さ、つまり表面の硬さ若しくはコアの硬さの関係が示されている。コアの強さは、ばねワイヤの所望の積分引張強度に基づくことが判る。

符号２０，２１，２２，２３，２４を備えた、種々異なる軟化温度に対する硬さの曲線経過が記載されている。軟化は、有利には５００〜７５０℃、特に５７０〜６１０℃間の温度において行われる。横座標には表面からの深さ、若しくは表面からの距離が、ミリメートル（ｍｍ）の単位で記載されている。縦座標には硬さが、硬さＨＶ１において記載されている。ばねワイヤの硬さは表面（深さ０ｍｍ）から出発して連続的に上昇し、ばねワイヤのコア領域においてはほぼ一定に経過している最大値に達する。

表面の領域及び表面層における硬さは表面温度に基づく。例えば５７０℃の比較的低い温度において、表面における硬さは特に高く、約５７０ＨＶであり、連続的に約０，８ｍｍの深さへと約６２０ＨＶの硬さにまで上昇する。上昇する硬さの領域は、コア領域３の硬さよりも低い硬さを有する軟化された表面層２である。０，８ｍｍの深さから、表面に向かって硬さが再度減少する、反対側に位置する表面領域に達するまで硬さ経過は一定である。

例えば曲線２３により示された比較的高い温度の場合には、表面における硬さはほとんど小さく、かつ、約５３０ＨＶであり、連続的に約１，０ｍｍの比較的深い深さまで上昇し、ここで約６３０ＨＶの値を有する。つまり、表面の軟化を達成するために加熱温度が比較的高い場合には表面層における硬さは著しく減少し、軟化は比較的深い深さまで行われる。このことは、表面を軟化するために６１０℃において加熱する場合の硬さ経過を示す曲線２５に基づき特に明らかになる。表面における硬さは単に約５００ＨＶであり、約１，２５ｍｍの深さまで連続的に上昇する。そこではばねエレメントは約６５０ＨＶの硬さを有している。

図９，１０は２つの実施の形態に基づいて、本発明に係る２つのばねワイヤ１の横断面全体にわたる硬さ経過の実際の測定値を示している。図９は２０８６Ｎ／ｍｍ^２のオーダにおける比較的高い積分引張強度を有するばねワイヤの硬さ経過を示している。図１０は２０００Ｎ／ｍｍ^２のオーダにおける比較的低い積分引張強度を有するばねワイヤの硬さ経過を示している。ばねワイヤの直径は１２，０５ｍｍである。図９，１０の両図面について以下、一緒に記載する。

図９，１０記載の両グラフにはそれぞれ２つの曲線が記載されている。２つの曲線のうち第１の曲線２６，２６′は、ばねワイヤの水平方向断面における硬化された若しくは熱処理されたばね鋼の硬さ経過を表し、第２の曲線２７，２７′はばねワイヤの鉛直方向断面における硬さ経過を表す。

ばねワイヤの内側２８，２８′からばねワイヤの外側２９，２９′までのばねワイヤの横断面にわたっての硬さの可能な限り対称的な経過を見て取ることができる。対称性からのある程度のずれは正確な測定又は与炭により発生することがある。さらに全ての曲線２６，２７，２６′，２７′において、表面層２の軟化後にもたらされる、表面層の領域における硬さの降下を見て取ることができる。

図９の硬さ経過は表面領域において多少急な勾配を示し、約５５０ＨＶの硬さの表面から、約１，０ｍｍの深さまで約６００ＨＶの硬さ値へと可能な限り線形に上昇する。さらに、内側、つまり約１，０ｍｍの深さから２，０ｍｍの深さに至るまで硬さはさらに、直線形ではなく曲線を描いて増大し、約６３０ＨＶの最大値にまで達する。２，０ｍｍの深さから、６，０ｍｍの位置にあるコアまでの間に硬さは再び軽微に減少し、約４，０ｍｍにおける約６１０ＨＶの極小点に達する。ほぼ６５０ＨＶを有する最大の硬さはばねワイヤのコアに存在する。この点は符号３０を用いて示してある。

図１０に記載されている硬さ経過は類似する。図１０においても表面領域の硬さはまず急激に増大し、さらに内部において比較的平坦な傾斜を描く。約２，０ｍｍの深さにおいて硬さは最大であり、約６１０ＨＶである。この点には符号３１′を付した。さらに内部において、つまり約２，０ｍｍの深さからコアまで、つまり６，０ｍｍの深さまで硬さは再び軽微に減少し、コア３０′において約６００ＨＶの極小点に達する。

図９，１０から全体的に、出発材料は、既に製造された本発明に係るばねワイヤの強度若しくは硬さを規定していることが判る。比較的高い２０８６Ｎ／ｍｍ^２の積分引張強度を有する出発材料が使用される図９においては、６５０ＨＶまでの最大の硬さを有する表面が軟化された既製のばねワイヤの硬さも比較的高い。これに対して図１０における比較的低い２０００Ｎ／ｍｍ^２の積分引張強度を有する出発材料を使用した実験では、表面を軟化した既製のばねワイヤの硬さも比較的低く、約６１０ＨＶである。

全体として本発明に係るばね鋼、及びこのばね鋼を製造する本発明に係る方法は、表面軟化により比較的高い出発強度を有する構成部材も変形することができる、という利点を提供する。このことは全体として構成部材の高められた強度若しくは硬さに繋がる。このことは、特に本発明に係るばね鋼から製造されているばねエレメントに当てはまる。ばねワイヤの表面軟化により、表面領域における延性の増加がもたらされる。こうして硬化若しくは調質後の不都合なワイヤ破損の危険性は著しく減少する。さらにワイヤ変形性が改良される。

１ばねワイヤ、２表面層、３コア領域、４表面、５，６曲線、７コイルばね、８コア領域、９第１の表面層領域、１０第２の表面層領域、１１第１の誘導コイル、１２シャワー装置、１３第２の誘導コイル、１４第３の誘導コイル、１５冷却ユニット、１６概略的な曲線、１７下限、１８上限、１９移行領域、２１〜２５（種々異なる軟化温度における）曲線、２６，２７（深さにわたる硬さ経過の）曲線、２８内側、２９外側、３０コア、３１最大点、Ｌ長手方向軸線、Ｘ，Ｙ軸

Claims

硬化されたばね鋼において、
前記ばね鋼は表面層を有しており、該表面層内部における硬さが内側から外側へと低下することを特徴とする、硬化されたばね鋼。
請求項１記載のばね鋼から製造されているばねエレメントであって、前記ばね鋼は特に円形材料、平坦材料又は楕円形材料を形成することを特徴とする、ばねエレメント。
ばね鋼を製造する方法において、
前記ばね鋼を硬化して、
続いて前記ばね鋼の表面層を熱処理により軟化する、
ステップを有することを特徴とする、ばね鋼を製造する方法。
請求項３に基づき製造されたばね鋼から成るばねエレメントを製造する方法において、
前記ばね鋼を巻成してコイルばねの形式のばねエレメントを形成し、表面層を、特に前記ばね鋼の巻成前に軟化することを特徴とする、ばね鋼から成るばねエレメントを製造する方法。