JP2012077367A

JP2012077367A - コイルばね及びその製造方法

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Publication number: JP2012077367A
Application number: JP2010226154A
Authority: JP
Inventors: Akira Yoshida; 晃吉田; Tomonori Miyazawa; 智則宮澤; Yoshio Okada; 義夫岡田; Fumio Yamamoto; 文男山本; Satoru Tendo; 悟天道; Noritoshi Takamura; 典利高村; Kengo Tsurugai; 健吾鶴貝; Sumie Suda; 澄恵須田; Kei Masumoto; 慶増本; Tadayoshi Fujiwara; 忠義藤原
Original assignee: NHK Spring Co Ltd; Kobe Steel Ltd; Nissan Motor Co Ltd; Shinko Wire Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd; Kobe Steel Ltd; Nissan Motor Co Ltd; Kobelco Wire Co Ltd
Priority date: 2010-10-06
Filing date: 2010-10-06
Publication date: 2012-04-19
Anticipated expiration: 2030-10-06
Also published as: JP5693126B2

Abstract

【課題】疲労強度及び耐へたり性に優れ、例えば自動車用エンジンの弁ばねやトランスミッション用ばねとして好適な高強度コイルばねと、このようなコイルばねの製造方法を提供すること。
【解決手段】質量比で、０．５％を超え０．９％以下のＣ、０．８〜３．５％のＳｉ、０．３〜３．０％のＭｎ、０．５〜３．５％のＣｒ、必要に応じて、さらに０．０５〜１．５％のＮｉと共に、０．０５〜１．５％のＭｏ、０．０５〜０．５％のＶ及び０．０１〜０．５％のＮｂから成る群から選ばれた少なくとも１種の元素を含有し、残部がＦｅと不可避的不純物である鋼を用い、浸炭処理によって、深さ０．０５〜１．００ｍｍの浸炭硬化層を形成すると共に、表面から０．０２ｍｍの位置における硬さを６５０〜１０００Ｈｖとなるようにする。
【選択図】なし

Description

本発明は、主に自動車用内燃機関のコイルばねとして用いられる、耐疲労性・耐へたり性に優れた高強度コイルばね及びその製造方法に関する。

内燃機関における弁ばね用の線材として、ＪＩＳには、弁ばね用オイルテンパー線（ＳＷＯ−Ｖ：ＪＩＳＧ３５６１）、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：ＪＩＳＧ３５６６）等が規定されており、従来、耐疲労強度及び耐へたり性に優れるＳＷＯＳＣ−Ｖが主に使用されてきた。
これらの線材は、工場で前もって焼き入れ・焼き戻し処理を行い、所要の強度とされたものであり、これを用いて、所要の形状のばねにコイリングした後、窒化、ショットピーニング、テンパー、セッチング、などの処理を行うことにより、耐疲労強度や耐へたり特性に優れたばねを得るのが弁ばねの一般的な製造方法である。

一方、環境保護や資源保護の観点から、自動車に対する排気の清浄化、燃費向上への要求が高いが、これらに対して大きく寄与するのが車両の軽量化であり、車体を構成する各部品についても軽量化に向けた努力が絶えず続けられている。

弁ばねについては、その疲労強度をさらに高め、へたりを低下させることで弁ばねのコンパクト化が可能であり、さらにはエンジンの軽量化に寄与することが可能である。
そのため、弁ばね用線材そのものの高強度化により、弁ばねの疲労強度を改善するための種々の提案がなされている。

一方、一般に浸炭焼入れ焼戻しをした機械部品は疲労強度が向上することが良く知られている。この原理を利用し、例えば特許文献１では、重量％でＣ：０．３〜０．５％、Ｓｉ：０．５〜２．０％、Ｍｎ：０．５〜１．０％、Ｃｒ：０．２〜２．５％を含有し、その他Ｆｅ及び不可避の不純物から成る鋼を用い、浸炭焼入れ焼戻ししたことを特徴とする高強度かつ耐久性に優れたばねが提案されている（請求項１）。
その他、この特許文献では、さらに素材鋼に、Ｖ：０．０２〜０．５％あるいはＮｂ：０．０２〜０．５％を１種類以上添加した鋼を用いたばね（請求項２）、それに加えＮｉ：０．５〜２．０％あるいはＭｏ：０．１〜０．６％を添加した鋼を用いたばね（請求項３）が開示されている。

特開平０１−１６５７５１号公報

一般的に、浸炭焼き入れ、焼き戻しは、素材表層部のみを大幅に硬化させることにより、耐摩耗性や疲労強度向上のためになされるものである。従って、その表層部（浸炭層）は硬く、殆ど延性がないので、浸炭焼き入れ、焼き戻し後には、塑性加工を施すことはできない。即ち、浸炭焼き入れ、焼き戻しをした線材をコイリングすることはできないので、この熱処理をばねに適用しようとする時は、加工性の良い線材をばねに成形した後に浸炭焼き入れ、焼き戻しを実施することとなる。

ところで、従来開示されているもの（特許文献１）は、Ｃ量を０．５％までと規定しており、それ以上ではばねが脆くなり過ぎて、その用をなさなくなるとされているため、Ｃを０．５％以上添加したものはなかった。しかしながら、Ｃ含有量が０．５％までであると、素材のＣ量が低いために、焼き入れ、焼き戻し後の表層部以外の素材生地そのものの強度が不足し、耐疲労性や耐へたり性の向上には、おのずから限界があり、さらなる耐久性向上のためには、Ｃ量を０．５％を超えて添加することで高強度化させることが必須である。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、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、従来のものと比較して疲労強度を向上させたばねを提供することにある。
本来、ばねの使用状態においては、ばねは弾性限度内で使用されるものであるため、使用中に大きな組成変形を受けることはなく、従って、本来、ばね製品においては、さほど大きな延靭性は必要とされない。そこで、Ｃ量が０．５％を超える材料を用いて、浸炭焼き入れ、焼き戻しを施したばねの製造方法を研究した結果、ばね製造中に破断や欠陥を生じさせることがなく、かつ、ばねとして必要なレベルの靭性を有し、ばね使用中の耐久性や耐へたり性を大幅に向上させうることが明らかになった。

上記課題を解決するために為された本発明に係るコイルばねは、質量比で、０．５％を超え０．９％以下のＣと、０．８〜３．５％のＳｉと、０．３〜３．０％のＭｎと、０．５〜３．５％のＣｒと、必要に応じて、さらに０．０５〜１．５％のＮｉと共に、０．０５〜１．５％のＭｏ、０．０５〜０．５％のＶ及び０．０１〜０．５％のＮｂから成る群から選ばれた少なくとも１種の元素を含有し、残部がＦｅと不可避的不純物である鋼から成り、表面に深さ０．０５〜１．００ｍｍの浸炭硬化層を備えていると共に、表面から０．０２ｍｍの位置における硬さが６５０〜１０００Ｈｖであることを特徴とするものである。ただし、ここで言う硬化層深さとは母材硬度に対して硬度が向上している範囲のことを言う。

上記コイルばねの製造に際しては、上記組成の鋼に浸炭処理を施すことになるが、本発明の製造方法においては、上記浸炭処理を真空状態で行うことを特徴としている。

なお、上記記載のばねにおいて、線外径より１／４ｄの位置における硬さが５５０Ｈｖ以上であることがよい。より望ましくは７００Ｈｖ以上であることがよい。

また、上記記載のばねにおいて、、浸炭焼き入れ・焼き戻し後の母材の結晶粒度番号が９以上であることがよい。より望ましくは結晶粒度番号が１１以上であることがよい。

本発明によれば、質量比で、０．５％超過０．９％以下のＣを含有する鋼を用い、これに浸炭処理を施すことによって、浸炭硬化層の深さが０．０５〜１．００ｍｍ、表面から０．０２ｍｍの位置における硬さが６５０〜１０００Ｈｖとなるようにしたものであるから、疲労強度及び耐へたり性にさらに優れたコイルばねとすることができる。

本発明の高強度コイルばねではまず、素材鋼のＣ含有量を従来のもの（特許文献１）よりも高く、０．５％超過、０．９％以下とした。Ｃは鋼線の強度を高めるために必須の元素であり、さらに高強度を狙うため浸炭処理を行い表面層に硬化層を有することとした。また、高強度化に伴い靭性が低下することが懸念されるため、結晶粒を微細化することで靭性を向上させた。

上記の基本的な思想の下、高強度となるばね素材の化学成分を種々検討し、本発明に到ったものである。以下に、成分及び組織の限定条件の理由について説明する。

硬化層深さ：０．０５〜１．００ｍｍ、かつ
表面から０．０２ｍｍにおける硬さ：６５０Ｈｖ以上１０００Ｈｖ以下
浸炭処理においてはＣが表面から拡散し、表面層が硬化される。０．０５ｍｍ未満では浸炭の硬化が小さく、１．００ｍｍを超えると炭化物が粗大に析出するため強度が低下する。また、表面から０．０２ｍｍにおける硬さが６５０Ｈｖに満たないと絶対硬化量が小さく疲労強度が小さくなり、１０００Ｈｖを超えるた場合には靭性が不足するため本範囲とした。

線外径より１／４ｄの位置における硬さ：５５０Ｈｖ以上
ある一定の外力（荷重）が長時間負荷されると、ばねに加わる応力が弾性限度以内でも、ばねは永久変形し、この変形をへたりというが、内部硬さ（１／４ｄの位置）が５５０Ｈｖより小さいと耐へたり性に劣る傾向があるため、硬さは５５０Ｈｖ以上とすることが望ましい。

以下、本発明のコイルばねとその製造方法について、各合金成分の作用及びその数値限定理由と共に、さらに詳細に説明する。なお、本明細書において「％」は、特記しない限り、質量百分率を意味するものとする。
まず、本発明における各成分元素や作用と共に、それらの数値限定理由について説明する。

Ｃ：０．５％を超え、０．９％以下
Ｃは、鋼線の強度を高めるために必須の成分元素である。
すなわち、鋼のＣ含有量が０．５％以下では、十分な強度が得られず、逆に０．９％を超えると、靭性が低下すると共に、鋼線の疵感受性が増大し、信頼性が低下するため、上記範囲内とする必要がある。

Ｓｉ：０．８〜３．５％
Ｓｉは、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。
ただし、鋼のＳｉ含有量が０．８％未満では上記のような効果が十分に得られず、逆に３．５％を超える場合は、冷間加工性を低下させると共に、熱間加工性や熱処理による脱炭を助長することから、上記した範囲とすることが必要である。

Ｍｎ：０．３〜３．０％
Ｍｎは、鋼の焼入性を向上させると共に、鋼中のＳを固定してその害を低減する作用を有する。
しかし、Ｍｎ含有量が０．３％未満ではその効果がほとんど得られず、３．０％を超えると靭性が低下することから、上記範囲とする。

Ｃｒ：０．５〜３．５％
Ｃｒは、Ｍｎと同様に鋼の焼入性を向上させ、高Ｃかつ高Ｓｉ鋼におけるＣの黒鉛化を防止するために必要な成分である。
このとき、鋼中のＣｒ含有量が０．５％未満の場合にはその効果が十分ではなく、逆に３．５％を超えると炭化物の固溶を抑制し、強度の低下を招くと共に、焼入れ性が過度に増大して靭性の低下をもたらすため、上記範囲内とする必要がある。

Ｎｉ：０．０５〜１．５％
Ｎｉは、Ｃによって高強度化したばねに靭性を付与するのに有効な元素であるので、必要に応じて添加することができる。
しかし、Ｎｉ含有量が０．０５％に満たない場合は目的の効果が発揮されず、１．５％を超えると靭性が低下することから、添加するにしても０．０５〜１．５％の範囲内とする必要がある。

Ｍｏ：０．０５〜１．５％
Ｖ：０．０５〜０．５％
Ｎｂ：０．０１〜０．５％
これら元素は、いずれも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から、必要に応じて上記したそれぞれの数値範囲内で、これらのうちのいずれか１種、あるいは２種以上を組み合わせて添加することができる。
しかし、各添加量がそれぞれの下限値に満たない場合には、目的とする効果が十分に得られず、上限値を超えた場合には、焼入れ加熱時に炭化物を多く形成し、靭性の低下をもたらすことがあるので、添加する場合でも、上記したそれぞれの範囲内とする必要がある。

母材の結晶粒度：９以上
結晶粒の微細化によりばねの靭性が向上する。結晶粒度が９未満の場合にはばね内部の靭性が不足することがあるため本範囲とした。

本発明のコイルばねは、上記したように、０．５％超過０．９％以下のＣと、０．８〜３．５％のＳｉと、０．３〜３．０％のＭｎと、０．５〜３．５％のＣｒを含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である鋼、あるいはさらに０．０５〜１．５％のＮｉと、０．０５〜１．５％のＭｏ、０．０５〜０．５％のＶ及び０．０１〜０．５％のＮｂから成る群から選ばれた少なくとも１種の元素を含有する鋼から成るものである。そして、表面からの深さが０．０５〜１．００ｍｍの浸炭硬化層を備え、さらに表面から０．０２ｍｍの位置における硬さが６５０〜１０００Ｈｖのものである。

このようなコイルばねは、上記成分の鋼を熱間鍛造、熱間圧延して線材とし、パテンティング、伸線、オイルテンパーの後、コイルばねに成形し、これに浸炭処理、望ましくは真空浸炭処理を施すことによって製造することができる。
この後、疲労強度のさらなる改善の観点から、必要に応じて、ショットピーニングやセッチングを施すこともでき、これによって表面に、７５０ＭＰａ以上の圧縮残留応力を生じさせることが望ましい。さらには、表面硬度向上の手段として、浸炭処理の後、窒化処理を施すことも、必要に応じて望ましい。

さらにまた、浸炭処理後に、Ａ１変態点以下の温度までガス冷却し、その後、例えば８３０〜８５０℃の温度範囲において１０〜３０分の再加熱処理を施すことも望ましく、これによって結晶粒の微細化が可能になる。

そして、このようにして得られたコイルばねは、例えば、自動車用エンジン向けの弁ばねや、トランスミッション用ばねとして好適に用いることができる。

以下、本発明を実施例及び比較例に基づいて、さらに詳述するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

表１に示す化学組成を有する鋼を真空溶解炉でそれぞれ溶製したのち、常法に基づいて熱間鍛造、熱間圧延により線径８．０ｍｍの線材とした。その後、線材の表層部０．１５ｍｍを皮削りして線材表層の脱炭層を除去したのち、中性ガス雰囲気中で加熱、オーステナイト化し、溶融鉛中でパーライト変態させる、いわゆる鉛パテンティングを施したのち、線径４．１ｍｍに伸線加工し、実験材の成分に適合した条件でオイルテンパー処理を施すことによってばね用素線を作製した。
次いで、この素線を用いてコイル平均径２４．６０ｍｍ、自由高さ４６．５５ｍｍ、巻数５．７５のコイルばねに成形した。

次に、得られたそれぞれのコイルばねに、表２に示すいずれかの条件のもとで真空浸炭処理を施した後、８５０℃で１５分間加熱後、５０℃に保持した油中に焼入れし、その後３５０℃で９０分間の焼戻しを施した。そして、さらにショットピーニングの後、ホットセッチングを行った。ショットピーニングは３段階に分けて行い、１段目から徐々に投射する粒径を小さくした。また、ホットセッチングは、２３０℃の温間で１６００ＭＰａ以上の応力でセッチングを行った。
なお、比較例１は、真空浸炭処理の代わりに窒化処理を行い、３段階のショットピーニング後にホットセッチングをしたものである。比較例２〜９については、所定の条件の真空浸炭処理を行ったものである。

以上によって得られた各コイルばねについて、浸炭硬化層の深さや、表面から０．０２ｍｍ位置及びｄ／４位置における硬さを測定すると共に、ＪＩＳＧ０５５１に基づいて、オーステナイト結晶粒度を測定した。

さらに、室温において、ばね形状から計算される最大せん断応力（τｍａｘ）が７６０±７１１ＭＰａとなる条件による疲労試験を行った。
また、上記ばねを１４７１ＭＰａの応力にて、温度１２０℃、４８時間に亘ってばねを圧縮して保持した後、保持を解法し、試験前後のへたり量を測定し、残留せん断歪率を算出した。これらの結果を表３に示す。

上記結果から明らかなように、本発明の実施例に係わるコイルばねは、いずれも破断寿命が長く、高強度かつ耐久性に優れることが確認された。

Claims

質量比で、０．５％を超え０．９％以下のＣと、０．８〜３．５％のＳｉと、０．３〜３．０％のＭｎと、０．５〜３．５％のＣｒを含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である鋼から成り、鋼のオーステナイト結晶の粒度番号が９以上であって、深さ０．０５〜１．００ｍｍの浸炭硬化層を備え、表面から０．０２ｍｍの位置における硬さが６５０〜１０００Ｈｖであることを特徴とするコイルばね。
質量比で、０．５％を超え０．９％以下のＣと、０．８〜３．５％のＳｉと、０．３〜３．０％のＭｎと、０．５〜３．５％のＣｒと、０．０５〜１．５％のＮｉと共に、０．０５〜１．５％のＭｏ、０．０５〜０．５％のＶ及び０．０１〜０．５％のＮｂから成る群から選ばれた少なくとも１種の元素を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である鋼から成り、鋼のオーステナイト結晶の粒度番号が９以上であって、深さ０．０５〜１．００ｍｍの浸炭硬化層を備え、表面から０．０２ｍｍの位置における硬さが６５０〜１０００Ｈｖであることを特徴とするコイルばね。
線径をｄとするとき、表面からｄ／４の位置における硬さが５５０Ｈｖ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のコイルばね。
請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のコイルばねを製造するに際し、浸炭処理を真空状態で行うことを特徴とするコイルばねの製造方法。
請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のコイルばねを製造するに際し、浸炭後、Ａ１変態点以下までガス冷却し、再度加熱処理を行ない、焼入れすることを特徴とするコイルばねの製造方法。
自動車用エンジンの弁ばね又はトランスミッション用ばねであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のコイルばね。