JP2012214859A - Spring, and method for producing the same - Google Patents

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典利 高村
Fumio Yamamoto
文男 山本
Yoshiki Ono
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Takeshi Suzuki
健 鈴木
Shinpei Kurokawa
真平 黒川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spring that has a high compression residual stress layer having improved fatigue resistance and that has increased simplicity of the production process and reduced materials cost, and to provide a method for producing the spring.SOLUTION: A steel material contains 0.5-0.7 mass% C, 1.0-2.0 mass% Si, 0.1-1.0 mass% Mn, 0.1-1.0 mass% Cr, ≤0.035 mass% P, ≤0.035 mass% S, and the remainder comprising iron and inevitable impurities. The steel material is processed by the following steps in sequence: a forming step of forming the steel material into spring shape; a heat treatment step of austenitizing it at a temperature in a range of (a temperature of Ac3 point) to (the temperature of Ac3 point +250°C), cooling it at a speed of ≥20°C/sec, isothermally holding it for 400 seconds or more at a temperature in a range of (Ms point -20°C) to (Ms point +60°C), and cooling it to a room temperature at cooling speed of ≥20°C/sec; a setting step of giving a permanent strain to it; and a shot peening step of impacting it with shot.

Description

本発明は、高圧縮残留応力層を有するばねおよびその製造方法に関する。   The present invention relates to a spring having a high compressive residual stress layer and a manufacturing method thereof.

自動車のエンジン用弁ばね材料は、JIS規格において炭素鋼オイルテンパー線(SWO−V)、Cr−V鋼オイルテンパー線(SWOCV−V)、Si−Cr鋼オイルテンパー線(SWOSC−V)等があり、従来、耐疲労性や耐へたり性の観点からSi−Cr鋼オイルテンパー線が広く使用されている。近年、自動車の燃費向上のため弁ばねは軽量化が強く要求されており、ばねの設計応力の増加を図るため、素線の引張強さを増加させる傾向にある。しかしながら、高強度化に伴い、JIS規格のオイルテンパー線は疵あるいは介在物等の欠陥に対する切欠き感受性が著しく増加しているため、冷間ばね成形(コイリング)時の折損や、使用中に脆性的な破壊形態を示す傾向が強くなることが問題となっている。また、ばねはコイリング時に圧縮外力を受けた方向にはコイリング後に引張残留応力が、コイリング時に引張外力を受けた方向にはコイリング後に圧縮残留応力がそれぞれ発生し、素線の引張強さが高いほどこれら残留応力値が大きくなる傾向がある。さらに、コイルばねを圧縮変形させた場合、素線においてコイル内側の表面に最も高い引張応力が掛かることが知られている。したがって、冷間成形したコイルばねを圧縮変形させる場合、コイル内側はコイリング後の引張残留応力に加え、ばね圧縮時の高い引張応力が重畳し、疲労強度の低下を招く場合が多い。   The valve spring material for automobile engines includes carbon steel oil temper wire (SWO-V), Cr-V steel oil temper wire (SWOCV-V), Si-Cr steel oil temper wire (SWOSC-V), etc. in JIS standards. In the past, Si-Cr steel oil tempered wires have been widely used from the viewpoint of fatigue resistance and sag resistance. In recent years, there has been a strong demand for lighter valve springs in order to improve the fuel efficiency of automobiles, and there is a tendency to increase the tensile strength of the strands in order to increase the design stress of the springs. However, along with the increase in strength, JIS standard oil tempered wires have significantly increased notch susceptibility to defects such as wrinkles or inclusions, which can cause breakage during cold spring forming (coiling) and brittleness during use. The tendency to show a typical form of destruction is a problem. In addition, the spring has a tensile residual stress after coiling in the direction of compressive external force during coiling, and a compressive residual stress after coiling in the direction of tensile external force during coiling. These residual stress values tend to increase. Furthermore, it is known that when a coil spring is compressed and deformed, the highest tensile stress is applied to the inner surface of the coil. Therefore, when compressively deforming a cold-formed coil spring, a high tensile stress at the time of spring compression is superimposed on the inside of the coil in addition to the tensile residual stress after coiling, often resulting in a decrease in fatigue strength.

これに対する1つの手段としては、素線表面で高くかつ深い内部に至る圧縮残留応力を付与することが挙げられる。たとえば、ショットピーニングによって素線表層に圧縮残留応力を付与することで耐疲労性を向上させることが広く行われている。また、ショットピーニングにより表層の圧縮残留応力を高めることにより、表面を起点とした早期折損を低減することができる。しかしながら、高硬度化に伴い素線の降伏強度が増加するため、ショットピーニングにより与えられる表層の塑性ひずみ量が減少し、圧縮残留応力が残留する領域(素線表面から圧縮残留応力がゼロとなる位置までの深さ方向の距離)を厚く形成することが困難となっている。そこで、これらの課題を解決すべく以下の方法が提案されている。   One means for this is to apply a compressive residual stress that is high and deep inside the wire surface. For example, fatigue resistance is widely improved by applying compressive residual stress to the surface layer of the wire by shot peening. Further, by increasing the compressive residual stress of the surface layer by shot peening, it is possible to reduce early breakage starting from the surface. However, since the yield strength of the strand increases with increasing hardness, the amount of plastic strain on the surface layer given by shot peening decreases, and the region where compressive residual stress remains (the compressive residual stress becomes zero from the surface of the strand) It is difficult to form a thick (distance in the depth direction to the position). In order to solve these problems, the following methods have been proposed.

特許文献1には、JIS規格鋼の化学成分にV等の元素を添加したオイルテンパー鋼材を用いて製造した耐疲労性に優れたばねについて記載されている。しかしながら、これら添加元素は結晶粒の微細化等により鋼材の靭性を高め、耐疲労性の向上に寄与するが、材料コストが高くなる。   Patent Document 1 describes a spring having excellent fatigue resistance manufactured using an oil temper steel material in which an element such as V is added to a chemical component of JIS standard steel. However, these additive elements increase the toughness of the steel material by refining crystal grains and contribute to the improvement of fatigue resistance, but the material cost increases.

特許文献2には、鋼の化学成分を調整し、疲労起点となる介在物の大きさを小さくするとともに結晶粒径を小さくすること等によって疲労強度を向上させたばねについて記載されている。このばねは、疲労強度の向上はみられるが、その疲労強度レベル(最大せん断応力τmax=約1200MPa)は近年の軽量高強度弁ばねに要求される実用強度(τmax=約1300〜1400MPa)と比較して低い。また、特許文献2では、さらに高い疲労強度を得るために窒化処理を追加することとしている。しかしながら、窒化は表面硬度の増加による耐疲労性の向上が見込めるものの、疲労強度を低下させる原因となり得る表層の鉄窒素化物を窒化処理後に完全に除去する必要があるため、製造工程が複雑となり、かつ窒化処理費用も高いため、結果的に高コストになる。   Patent Document 2 describes a spring in which the fatigue strength is improved by adjusting the chemical composition of steel, reducing the size of inclusions that become fatigue starting points, and reducing the crystal grain size. Although this spring shows an improvement in fatigue strength, its fatigue strength level (maximum shear stress τmax = about 1200 MPa) is compared with the practical strength (τmax = about 1300 to 1400 MPa) required for a light weight high strength valve spring in recent years. And low. In Patent Document 2, nitriding treatment is added to obtain higher fatigue strength. However, although nitriding is expected to improve fatigue resistance due to an increase in surface hardness, it is necessary to completely remove iron nitride on the surface layer that can cause a decrease in fatigue strength after nitriding, so the manufacturing process becomes complicated, In addition, the nitriding cost is high, resulting in high cost.

特開昭64−83644号公報JP-A-64-83644 特開2005−120479号公報JP 2005-120479 A

本発明は、材料コストの低減や製造工程の簡略化を図るとともに、耐疲労性を向上させた高圧縮残留応力層を有するばねおよびその製造方法を提供することを目的とする。   It is an object of the present invention to provide a spring having a high compressive residual stress layer with improved fatigue resistance and a method for manufacturing the same while reducing the material cost and simplifying the manufacturing process.

本発明者らは、高強度弁ばねの疲労強度について鋭意研究を行った。その結果、コイリング後に発生する残留応力は、鋼成分やその後の焼鈍条件の調整によってある程度低減可能であるが、鋼の高強度を維持しつつ疲労強度への影響を無くすことは根本的に困難であるとの考えに至った。そこで、コイリング後のばねをオーステナイト化温度まで加熱することによって、コイリングで発生した残留応力を実質的にゼロとすることが有効であるとの考えに至った。また、オーステナイト化温度まで加熱したばねに対して、引き続きオーステンパー処理を行い、強度と延性及び靭性のバランスに優れた組織とすることで、母材自体の耐疲労性が向上することを見出した。   The inventors of the present invention conducted intensive research on the fatigue strength of high-strength valve springs. As a result, the residual stress generated after coiling can be reduced to some extent by adjusting the steel composition and subsequent annealing conditions, but it is fundamentally difficult to eliminate the effect on fatigue strength while maintaining the high strength of the steel. It came to the idea that there was. Therefore, it has been considered that it is effective to substantially reduce the residual stress generated by coiling by heating the coiled spring to the austenitizing temperature. In addition, it has been found that the fatigue resistance of the base metal itself is improved by performing austempering treatment on the spring heated to the austenitizing temperature and making the structure excellent in balance between strength, ductility and toughness. .

さらに、次いで行われるセッチングやショットピーニングによって、素線表層の残留オーステナイトは加工誘起変態によってマルテンサイトに変態する。このとき、体積膨張を伴うため、深い内部に至る圧縮残留応力層が形成され、疲労き裂の進展を抑制し、耐疲労性を向上できることがわかった。特に、セッチング時のせん断歪みを0.0190〜0.0220とすることで、ショットピーニングよりも深い内部まで圧縮残留応力を付与することができ、内部を起点とした疲労破壊を防止し耐疲労性を向上することができることが分かった。   Furthermore, the retained austenite on the wire surface layer is transformed into martensite by processing-induced transformation by subsequent setting and shot peening. At this time, it was found that a compressive residual stress layer reaching deep inside was formed due to volume expansion, and the progress of fatigue cracks could be suppressed and fatigue resistance could be improved. In particular, by setting the shear strain during setting to 0.0190 to 0.0220, compressive residual stress can be applied to the deeper interior than shot peening, preventing fatigue failure starting from the interior, and fatigue resistance. It was found that can be improved.

なお、セッチングにより素線表面は降伏変形するため、素線表面の圧縮残留応力は損なわれる。しなしながら、ばねの製造工程の最後に通常行われているセッチングの後に、さらにショットピーニングを行うことで、素線表面の圧縮残留応力を回復することができることが分かった。また、このショットピーニングによって、それまでの工程で生じた微小亀裂を除去して表面性状を改善することができるため、表面の微小亀裂を起点とした疲労破壊を防止し、耐疲労性を向上することができることが分かった。   In addition, since the strand surface yields and deforms by setting, the compressive residual stress of the strand surface is impaired. However, it has been found that the compressive residual stress on the surface of the strand can be recovered by performing shot peening after the usual setting at the end of the spring manufacturing process. In addition, this shot peening can remove the microcracks that have occurred in the previous process and improve the surface properties, thus preventing fatigue failure starting from microcracks on the surface and improving fatigue resistance. I found out that I could do it.

本発明においては、コイリング前の素材としてJIS規格のオイルテンパー線や同組成の硬引線等の低廉材を用いることができ、焼入れ焼戻しといった複雑な熱処理を用いず、かつ通常のセッチングやショットピーニングを用いることにより、高圧縮残留応力層を有するばねを製造できることを見出した。しかも、従来行われていた窒化処理を省略することにより、製造コストの低減を図ることができる。   In the present invention, a low-priced material such as a JIS standard oil tempered wire or a hard-drawn wire having the same composition can be used as a material before coiling, and no complicated heat treatment such as quenching and tempering is used, and normal setting and shot peening are performed. It has been found that a spring having a high compressive residual stress layer can be produced by using it. In addition, the manufacturing cost can be reduced by omitting the conventional nitriding treatment.

すなわち、本発明のばねの製造方法は、質量%で、C:0.5〜0.7%、Si:1.0〜2.0%、Mn:0.1〜1.0%、Cr:0.1〜1.0%、P:0.035%以下、S:0.035%以下、残部が鉄及び不可避不純物からなる成分を有する鋼材に対し、ばね形状に成形する成形工程と、Ac3点〜(Ac3点+250℃)の温度でオーステナイト化後、20℃/秒以上の速度で冷却し、(Ms点−20℃)〜(Ms点+60℃)の温度で400秒以上等温保持し、次いで20℃/秒以上の冷却速度で室温まで冷却する熱処理工程と、永久ひずみを与えるセッチング工程と、ショットを投射するショットピーニング工程とを順番に行うことを特徴とする。   That is, the manufacturing method of the spring of the present invention is, in mass%, C: 0.5 to 0.7%, Si: 1.0 to 2.0%, Mn: 0.1 to 1.0%, Cr: 0.1 to 1.0%, P: 0.035% or less, S: 0.035% or less, a forming step of forming a spring material into a steel material having a component composed of iron and inevitable impurities, and Ac3 After austenitizing at a temperature of point to (Ac3 point + 250 ° C.), it is cooled at a rate of 20 ° C./second or more, and is kept isothermal at a temperature of (Ms point−20 ° C.) to (Ms point + 60 ° C.) for 400 seconds or more. Next, a heat treatment step for cooling to room temperature at a cooling rate of 20 ° C./second or more, a setting step for imparting permanent strain, and a shot peening step for projecting shots are performed in order.

また、本発明のばねは、質量%で、C:0.5〜0.7%、Si:1.0〜2.0%、Mn:0.1〜1.0%、Cr:0.1〜1.0%、P:0.035%以下、S:0.035%以下、残部が鉄及び不可避不純物からなる成分を有し、任意の横断面において、面積比率でベイナイトを65%以上、残留オーステナイトを4〜13%、残部(0%を含む)がマルテンサイトである組織を有し、残留オーステナイト中の平均炭素濃度が0.65〜1.7%であり、任意の横断面において、表面の圧縮残留応力が900〜2000MPaであり、かつ表面から0.3mmの位置の圧縮残留応力が200MPa以上であり、任意の横断面において、芯部の平均ビッカース硬さが550〜650HVであることを特徴とする。ここで、素線の横断面の円相当直径が1.5〜5.0mmであると好ましい。また、本発明のばねは、コイルばねであることが好ましい。なお、本発明のばねは、スタビライザー、板ばね、テンションロッド、皿ばね等に用いてもよい。   Moreover, the spring of this invention is the mass%, C: 0.5-0.7%, Si: 1.0-2.0%, Mn: 0.1-1.0%, Cr: 0.1 ~ 1.0%, P: 0.035% or less, S: 0.035% or less, the remainder having a component consisting of iron and inevitable impurities, and in any cross section, bainite is 65% or more in area ratio, 4-13% of retained austenite, the balance (including 0%) has a structure that is martensite, the average carbon concentration in the retained austenite is 0.65-1.7%, The compressive residual stress of the surface is 900 to 2000 MPa, the compressive residual stress at a position of 0.3 mm from the surface is 200 MPa or more, and the average Vickers hardness of the core is 550 to 650 HV in an arbitrary cross section. It is characterized by. Here, it is preferable that the equivalent circle diameter of the cross section of the strand is 1.5 to 5.0 mm. The spring of the present invention is preferably a coil spring. In addition, you may use the spring of this invention for a stabilizer, a leaf | plate spring, a tension rod, a disc spring, etc.

本発明によれば、高価な合金元素を含有せず、入手が容易なJIS規格のばね鋼組成の鋼線を用い、複雑な熱処理や表面硬化処理を行わなくても、素線表層に高圧縮残留応力層を有する耐疲労性に優れたばねを得ることができる。また、本発明のばねによると、合金元素量が少なくリサイクル性にも優れ、かつ製造工程の簡略化や、処理時間の短縮化による生産性の向上や省エネルギー化が可能である。   According to the present invention, a steel wire having a spring steel composition of JIS standard that does not contain an expensive alloying element and is easily available can be highly compressed on the surface layer of the wire without complicated heat treatment and surface hardening treatment. A spring having a residual stress layer and excellent in fatigue resistance can be obtained. In addition, according to the spring of the present invention, the amount of alloying elements is small, the recyclability is excellent, the manufacturing process can be simplified, and the productivity can be improved and the energy can be saved by shortening the processing time.

まず、本発明に用いる鋼の化学成分の限定理由について説明する。なお、以下の説明において「%」は「質量%」を意味する。   First, the reasons for limiting the chemical components of the steel used in the present invention will be described. In the following description, “%” means “mass%”.

・C:0.5〜0.7%
Cは、所望の高強度を確保するためと、室温で所望の残留オーステナイト比率を得るために重要な元素であり、0.5%以上含有させることが必要である。しかしながら、C濃度が過剰になると、軟質相である残留オーステナイト比率が増え過ぎて所望の強度を得難くなるため、0.7%以下に抑える。このため、Cの含有量は0.5〜0.7%とする。
C: 0.5-0.7%
C is an important element for securing a desired high strength and for obtaining a desired retained austenite ratio at room temperature, and it is necessary to contain 0.5% or more. However, if the C concentration is excessive, the ratio of retained austenite, which is a soft phase, is excessively increased and it becomes difficult to obtain a desired strength. For this reason, the C content is set to 0.5 to 0.7%.

・Si:1.0〜2.0%
鋼材をオーステナイト化後、等温保持することによってベイニティックフェライトを生成させてオーステナイト中にCを排出させる。これにより、高C濃度の残留オーステナイトを得ることができる。Siは、ベイニティックフェライトからオーステナイト中へCを排出させる際、炭化物の生成を抑制する作用があり、本発明に規定する高C濃度の残留オーステナイトを得るためには不可欠の元素である。また、Siは固溶強化に寄与する元素であり、高強度を得るために有効な元素である。これらの効果を得るため、Siは1.0%以上含有させる。ただし、Si量が過剰であると、軟質な残留オーステナイト比率が高くなり、逆に強度の低下を招くため2.0%以下に抑える。このため、Siの含有量は1.0〜2.0%とする。
・ Si: 1.0-2.0%
After the steel material is austenitized, bainitic ferrite is generated by isothermal holding, and C is discharged into the austenite. Thereby, a retained austenite having a high C concentration can be obtained. Si has an effect of suppressing the formation of carbides when C is discharged from bainitic ferrite into austenite, and is an indispensable element for obtaining high C concentration retained austenite as defined in the present invention. Si is an element contributing to solid solution strengthening, and is an effective element for obtaining high strength. In order to obtain these effects, Si is contained by 1.0% or more. However, if the amount of Si is excessive, the ratio of soft retained austenite is increased, and conversely, the strength is decreased, so the content is suppressed to 2.0% or less. For this reason, content of Si shall be 1.0-2.0%.

・Mn:0.1〜1.0%
Mnは、脱酸元素として添加されるが、オーステナイトを安定化させる元素でもあり、本発明に規定する残留オーステナイトを得るためには0.1%以上含有させることが望ましい。一方、Mnの含有量が過剰であると偏析が生じ加工性が低下し易くなるため、1.0%以下に抑える。このため、Mnの含有量は0.1〜1.0%とする。
・ Mn: 0.1-1.0%
Mn is added as a deoxidizing element, but is also an element that stabilizes austenite. It is desirable to contain 0.1% or more in order to obtain retained austenite specified in the present invention. On the other hand, if the Mn content is excessive, segregation occurs and the workability is liable to decrease, so the content is suppressed to 1.0% or less. For this reason, content of Mn shall be 0.1-1.0%.

・Cr:0.1〜1.0%
Crは、鋼材の焼入れ性を高めて高強度化を容易にすることができる元素である。また、パーライト変態を遅延させる作用もあり、オーステナイト化加熱後の冷却時に安定してベイナイト組織を得る(パーライト組織を抑制する)ことができるため、0.1%以上含有させる。ただし、1.0%を超えて過剰に含有させると鉄炭化物を生じ易くなり、残留オーステナイトが生じ難くなるため、1.0%に抑える。このため、Crの含有量は0.1〜1.0%とする。
・ Cr: 0.1-1.0%
Cr is an element that can enhance the hardenability of the steel material and facilitate high strength. Moreover, since it also has an effect of delaying pearlite transformation and can stably obtain a bainite structure (suppress pearlite structure) at the time of cooling after austenitizing heating, it is contained in an amount of 0.1% or more. However, if it is excessively contained exceeding 1.0%, iron carbide tends to be generated, and retained austenite is hardly generated, so that it is suppressed to 1.0%. For this reason, the Cr content is set to 0.1 to 1.0%.

・P:0.035%以下およびS:0.035%以下
PおよびSは、粒界偏析による粒界破壊を助長する元素であるため、その含有量は低い方が望ましく、上限を0.035%とする。好ましくは、0.01%以下である。
P: 0.035% or less and S: 0.035% or less Since P and S are elements that promote grain boundary segregation due to grain boundary segregation, the content is preferably low, and the upper limit is 0.035. %. Preferably, it is 0.01% or less.

次に、本発明のばねの製造方法について説明する。
・成形工程
成形工程は鋼材を所望の形状に成形する工程であり、コイリングであることが好ましい。成形する際の鋼材の温度は特に限定しないが、製造コストを抑制するため通常行われる冷間成形が好ましい。成形方法はばね形成機(コイリングマシン)を用いる方法や、芯金を用いる方法等を利用すればよい。
Next, the manufacturing method of the spring of this invention is demonstrated.
-Forming process The forming process is a process of forming a steel material into a desired shape, and is preferably coiling. Although the temperature of the steel material at the time of shaping | molding is not specifically limited, In order to suppress manufacturing cost, the cold forming normally performed is preferable. As a forming method, a method using a spring forming machine (coiling machine), a method using a cored bar, or the like may be used.

・座面研削工程
本工程は必要に応じて行い、ばね形状の鋼材の両端面をばねの軸芯に対して直角な平面になるように研削する。
-Seat surface grinding process This process is performed as necessary, and both end surfaces of the spring-shaped steel material are ground so as to be a plane perpendicular to the axis of the spring.

・熱処理工程
成形後の鋼材をオーステナイト化し、等温保持してから、その後冷却を行う。オーステナイト化を行う前の鋼材の組織については特に制限されない。例えば、熱間鍛造や線引き加工した条鋼材を使用できる。オーステナイト化の温度は、Ac3点〜(Ac3点+250℃)である必要がある。Ac3点未満ではオーステナイト化せず、所望のベイナイト比率を得難くくなる。また、(Ac3点+250℃)を超えると、旧オーステナイト粒径が粗大化し易くなり、延性の低下を招く恐れがある。オーステナイト化後に等温保持する温度までの冷却速度は速いほど良く、20℃/s以上の冷却速度で行う必要があり、好ましくは50℃/s以上である。冷却速度が20℃/s未満では、冷却途中でパーライトが生成するため所望の組織構成を得難くくなる。
-Heat treatment process The formed steel is austenitized and kept isothermal, and then cooled. The structure of the steel material before austenitization is not particularly limited. For example, it is possible to use a strip steel material that has been hot forged or drawn. The austenitizing temperature needs to be from Ac3 point to (Ac3 point + 250 ° C.). If it is less than Ac3 point, it does not become austenite, and it becomes difficult to obtain a desired bainite ratio. Moreover, when it exceeds (Ac3 point +250 degreeC), a prior-austenite particle size will become easy to coarsen and there exists a possibility of causing a fall of ductility. The faster the cooling rate to the temperature at which the temperature is maintained isothermally after austenite is better, it is necessary to carry out at a cooling rate of 20 ° C./s or higher, preferably 50 ° C./s or higher. When the cooling rate is less than 20 ° C./s, it becomes difficult to obtain a desired structure because pearlite is generated during cooling.

等温保持する温度は(Ms点−20℃)〜(Ms点+60℃)である必要があり、所望の組織を得るために非常に重要な制御因子である。(Ms点−20℃)未満では変態初期にマルテンサイトが多く生成されるため、延性の向上が阻害され、所望のベイナイト比率を得難くくなる。一方、(Ms点+60℃)を超える場合は、引張強さが低下するため、強度が低くなる。また、等温保持を行う時間は、400秒以上である必要があり、これも非常に重要な制御因子である。等温保持時間が400秒未満であると、ベイナイト変態がほとんど進行しないため、ベイナイト比率が小さくなる。一方、等温保持時間が長過ぎても、生成されるベイナイト量は飽和し、生産コストの増大を招くので、3時間以内とすることが望ましい。等温保持後の冷却速度は、均一な組織を得るため速いほど良く、20℃/s以上の冷却速度が必要であり、好ましくは50℃/s以上である。具体的には油冷や水冷が良い。一方、冷却速度が20℃/s未満では、本発明に規定する組織以外の組織(パーライト等)が発生してしまう。   The isothermal holding temperature needs to be (Ms point−20 ° C.) to (Ms point + 60 ° C.), which is a very important control factor for obtaining a desired tissue. If it is less than (Ms point −20 ° C.), a lot of martensite is generated in the early stage of transformation, so that the improvement of ductility is hindered and it becomes difficult to obtain a desired bainite ratio. On the other hand, when it exceeds (Ms point + 60 ° C.), the tensile strength is lowered, so that the strength is lowered. In addition, the time for performing isothermal holding needs to be 400 seconds or more, which is also a very important control factor. When the isothermal holding time is less than 400 seconds, the bainite transformation hardly progresses, so the bainite ratio becomes small. On the other hand, even if the isothermal holding time is too long, the amount of bainite produced is saturated and causes an increase in production cost. The cooling rate after isothermal holding is preferably as fast as possible in order to obtain a uniform structure. A cooling rate of 20 ° C./s or higher is required, and preferably 50 ° C./s or higher. Specifically, oil cooling or water cooling is good. On the other hand, when the cooling rate is less than 20 ° C./s, a structure (such as pearlite) other than the structure defined in the present invention is generated.

・セッチング工程
セッチングは、塑性ひずみを与えることにより、弾性限を著しく向上させて永久変形量を低減するために行う。また、200〜300℃でセッチングを行うこと(温間セッチング)により耐へたり性を一層向上させることができる。セッチング工程において、ばねの素線表面に作用するせん断歪みが0.0190〜0.0220であることが好ましい。これは、厚く高い圧縮残留応力を得るために重要な制御因子である。セッチング時に素線表面に作用するせん断歪みが0.0190未満では十分な圧縮残留応力層を得ることができず、本発明で規定する表面から0.3mmの位置での圧縮残留応力を得ることができない。また、0.0220を超える場合は、素線表層に予き裂が生じ、使用時にき裂が進展し、所望の寿命より早期に折損する可能性が高くなる。
-Setting process Setting is performed in order to significantly improve the elastic limit and reduce permanent deformation by applying plastic strain. Moreover, sag resistance can be further improved by performing setting at 200 to 300 ° C. (warm setting). In the setting step, it is preferable that the shear strain acting on the surface of the wire of the spring is 0.0190 to 0.0220. This is an important control factor for obtaining a thick and high compressive residual stress. If the shear strain acting on the surface of the strand during setting is less than 0.0190, a sufficient compressive residual stress layer cannot be obtained, and a compressive residual stress at a position of 0.3 mm from the surface defined in the present invention can be obtained. Can not. Further, if it exceeds 0.0220, a pre-crack is generated in the surface layer of the wire, the crack progresses at the time of use, and there is a high possibility that it breaks earlier than the desired life.

・ショットピーニング工程
ショットピーニングは、ばねに金属等からなるショットを衝突させ、表面に圧縮残留応力を付与するもので、これによりばねの耐疲労性が著しく向上する。本発明では、成形によって発生した残留応力は熱処理工程後において実質的にゼロとなっており、ショットピーニングによりばねの素線表面で高くかつ深い内部に至る圧縮残留応力層を形成させることができる。
Shot peening process Shot peening is a process in which a shot made of metal or the like is collided with a spring to impart a compressive residual stress to the surface, thereby significantly improving the fatigue resistance of the spring. In the present invention, the residual stress generated by the molding is substantially zero after the heat treatment step, and a compressive residual stress layer that is high and deep inside the spring wire surface can be formed by shot peening.

なお、ショットピーニング工程を複数回行うことが好ましく、後に実施するショットピーニング工程に用いるショットの球相当直径は、先に実施するショットピーニング工程に用いるショットの球相当直径より小さいことが好ましい。これにより、先に実施したショットピーニングにより増加した表面粗さを低減することができる。また、セッチング工程の前に、1回以上のショットピーニング工程を行うことが好ましい。   The shot peening process is preferably performed a plurality of times, and the sphere equivalent diameter of the shot used in the shot peening process performed later is preferably smaller than the sphere equivalent diameter of the shot used in the shot peening process performed earlier. Thereby, the surface roughness increased by the shot peening performed previously can be reduced. Moreover, it is preferable to perform one or more shot peening processes before the setting process.

ショットピーニングで使用するショットは、カットワイヤやスチ−ルボ−ル、FeCrB系などの高硬度粒子等を用いることができる。また、圧縮残留応力は、ショットの球相当直径や投射速度、投射時間、および多段階の投射方式で調整することができる。   As the shot used in shot peening, high-hardness particles such as a cut wire, a steel ball, and a FeCrB system can be used. Further, the compressive residual stress can be adjusted by a shot equivalent sphere diameter, a projection speed, a projection time, and a multi-stage projection method.

次に、全組織における面積比率の限定理由について説明する。
・ベイナイト:65%以上
ベイナイトとは、オーステナイト化された鋼材を低温にて等温変態させることによって得られる金属組織であり、ベイニティックフェライトと鉄炭化物で構成される。素地のベイニティックフェライトは転位密度が高く、鉄炭化物は析出強化効果があるため、ベイナイト組織をもって強度を高めることができる。さらに、本発明のベイナイト組織は鉄炭化物がベイニティックフェライト基地に微細析出した構造であり、粒界強度の低下が少なく高強度であっても延性及び靭性の低下が小さい。このように、ベイナイトは高強度と高延性を得るために不可欠な組織である。そして、所望の高強度高延性を得るためには、ベイナイトは面積比率で65%以上必要である。
Next, the reason for limiting the area ratio in all tissues will be described.
-Bainite: 65% or more Bainite is a metal structure obtained by isothermal transformation of austenitic steel at a low temperature, and is composed of bainitic ferrite and iron carbide. Since the base bainitic ferrite has a high dislocation density and the iron carbide has a precipitation strengthening effect, the strength can be increased with a bainite structure. Furthermore, the bainite structure of the present invention is a structure in which iron carbide is finely precipitated on the bainitic ferrite matrix, and the decrease in grain boundary strength is small, and the decrease in ductility and toughness is small even when the strength is high. Thus, bainite is an indispensable structure for obtaining high strength and high ductility. And in order to obtain a desired high strength and high ductility, bainite needs 65% or more by area ratio.

通常、等温保持における未変態オーステナイトは、その後室温まで冷却されることによりマルテンサイトや残留オーステナイトとなる。ベイナイト面積比率が65%未満となる場合では、未変態オーステナイト中のC濃度が小さくなるため、その後の冷却によってマルテンサイトが多く生成される。マルテンサイト比率が高くなると、高強度は得られるが、切欠き感受性が著しく高くなるため、疲労強度が低下する。このことからも、ベイナイトは面積比率で65%以上とする。   Usually, untransformed austenite in isothermal holding becomes martensite and retained austenite by cooling to room temperature thereafter. When the bainite area ratio is less than 65%, the C concentration in the untransformed austenite becomes small, so that a lot of martensite is generated by the subsequent cooling. When the martensite ratio is increased, high strength is obtained, but notch sensitivity is remarkably increased, so that fatigue strength is reduced. Also from this, bainite is made 65% or more by area ratio.

・残留オーステナイト:4〜13%
残留オーステナイトは、TRIP(Transformation−induced plasticity;変態誘起塑性)現象を利用することによって、延性及び靭性を向上させて切欠き感受性を低減させるのに有効である。TRIP現象は、塑性変形によって体積膨張を伴う加工誘起変態が起き、加工誘起マルテンサイトが生成されることによって材料の延性や靭性が著しく向上する現象である。残留オーステナイトは、き裂先端の応力集中部で加工誘起マルテンサイト変態を起こし、その体積膨張によって応力集中度を軽減することができるため、き裂の進展速度を低下させる作用がある。さらに、残留オーステナイトは、ショットピーニングによって加工誘起マルテンサイト変態を起こすため、その体積膨張によって表面で高くかつ深い内部に至る圧縮残留応力層を形成することができる。このため、残留オーステナイト比率は4%以上とするが、過剰であると材料強度の低下が著しくなるため、13%以下に抑える。
-Residual austenite: 4-13%
Residual austenite is effective in improving ductility and toughness and reducing notch sensitivity by utilizing the TRIP (Transformation-induced plasticity) phenomenon. The TRIP phenomenon is a phenomenon in which ductility and toughness of a material are remarkably improved by causing a processing-induced transformation accompanied by volume expansion by plastic deformation and generating processing-induced martensite. Residual austenite causes a work-induced martensitic transformation at the stress concentration portion at the crack tip, and the stress concentration can be reduced by its volume expansion. Further, since retained austenite undergoes work-induced martensitic transformation by shot peening, it is possible to form a compressive residual stress layer that is high in the surface and reaches deep inside by its volume expansion. For this reason, the retained austenite ratio is set to 4% or more, but if it is excessive, the material strength is remarkably lowered.

・マルテンサイト:残部(0%を含む)
マルテンサイトは、所望の引張強さを確保する場合に応じて適当量含有させても良い。また、ベイナイトと残留オーステナイトの合計が100%となり、マルテンサイトが0%となる場合も含む。
・ Martensite: balance (including 0%)
An appropriate amount of martensite may be contained depending on the case where a desired tensile strength is ensured. In addition, the case where the sum of bainite and retained austenite is 100% and martensite is 0% is included.

・残留オーステナイト中の平均炭素濃度:0.65〜1.7%
残留オーステナイトは、そのC濃度が高いほど加工誘起マルテンサイト変態を開始する引張ひずみが高いため、結果的に高い延性及び靭性によって切欠き感受性を低下させる効果がある。また、残留オーステナイトの加工誘起マルテンサイト変態による体積膨張は、残留オーステナイトのC濃度が高いほど大きく、き裂先端における応力集中の緩和や表面で高くかつ深い内部に至る圧縮残留応力の生成を促進するため、耐疲労性の向上により有効である。これらのことから、所望の優れた耐疲労性を得るためには、残留オーステナイトの平均C濃度は0.65%以上必要となる。また、残留オーステナイトは、そのC濃度が高くなり過ぎると著しく安定化し、これにより単なる軟質相としてのみ作用するため、1.7%を上限とする。
-Average carbon concentration in retained austenite: 0.65 to 1.7%
Residual austenite has an effect of reducing notch sensitivity due to high ductility and toughness as a result of higher tensile strain at which processing-induced martensitic transformation starts as the C concentration increases. In addition, the volume expansion due to work-induced martensitic transformation of retained austenite increases as the C concentration of retained austenite increases, which promotes relaxation of stress concentration at the crack tip and generation of compressive residual stress that is high and deep inside the surface. Therefore, it is more effective in improving fatigue resistance. For these reasons, in order to obtain the desired excellent fatigue resistance, the average C concentration of retained austenite is required to be 0.65% or more. Residual austenite is remarkably stabilized when its C concentration becomes too high, and thus acts only as a soft phase, so the upper limit is 1.7%.

次に、ばね素線の任意の横断面における諸特性の限定理由について説明する。
・圧縮残留応力
ばねの表層の圧縮残留応力はセッチングおよびショットピーニングにより与えられる。ただし、本発明では通常のセッチングやショットピーニングで得られる圧縮残留応力に加え、素線の残留オーステナイトの加工誘起マルテンサイト変態によって、表面でさらに高くかつ深い内部に至る圧縮残留応力層が形成される。本発明では表面の圧縮残留応力を900〜2000MPaとする。表面の圧縮残留応力が900MPa未満であると、ばね表面に存在する微小き裂のき裂進展を防止することができず、表面起点の疲労破壊を抑制するには不十分である。一方、表面の最大圧縮残留応力が著しく高いと、素線内部での応力バランスに起因した引張残留応力によって内部破壊が発生し易くなるため、2000MPaを上限とする。
Next, the reason for limitation of various characteristics in an arbitrary cross section of the spring element wire will be described.
・ Compressive residual stress The compressive residual stress of the spring surface is given by setting and shot peening. However, in the present invention, in addition to the compressive residual stress obtained by normal setting and shot peening, a compressive residual stress layer that is higher and deeper on the surface is formed by processing-induced martensitic transformation of the retained austenite of the wire. . In the present invention, the compressive residual stress on the surface is set to 900 to 2000 MPa. If the surface compressive residual stress is less than 900 MPa, it is not possible to prevent crack growth of a microcrack existing on the spring surface, which is insufficient for suppressing fatigue fracture at the surface origin. On the other hand, if the maximum compressive residual stress on the surface is remarkably high, internal fracture tends to occur due to the tensile residual stress caused by the stress balance inside the strand, so 2000 MPa is set as the upper limit.

また、本発明における素線径範囲において外部負荷による作用応力と残留応力との合成応力を考慮すると、表面から深さ200μm〜D/4程度の範囲は、疲労破壊の起点となり易い。表面から深さ0.3mmの位置での圧縮残留応力が200MPa未満であると、内部起点の疲労破壊を抑制するには不十分である。このため、表面から深さ0.3mmの位置での圧縮残留応力を200MPa以上とする   Further, in consideration of the combined stress of the acting stress and the residual stress due to the external load in the wire diameter range in the present invention, the range of about 200 μm to D / 4 from the surface is likely to be the starting point of fatigue failure. When the compressive residual stress at a depth of 0.3 mm from the surface is less than 200 MPa, it is insufficient to suppress fatigue fracture at the internal origin. For this reason, the compressive residual stress at a depth of 0.3 mm from the surface is set to 200 MPa or more.

・芯部の平均ビッカース硬さ
素線芯部の平均ビッカ−ス硬さは、必要な荷重に耐え得る強度を確保するために550HV以上とする。一方、硬さが過剰に高い場合は鋼材自体の切欠き感受性が増加し、疲労強度が低下する恐れがあるため、芯部のビッカ−ス硬さは650HV以下に抑える。
-Average Vickers hardness of core part The average Vickers hardness of a wire core part shall be 550HV or more in order to ensure the intensity | strength which can endure a required load. On the other hand, when the hardness is excessively high, the notch sensitivity of the steel material itself increases, and the fatigue strength may be reduced. Therefore, the Vickers hardness of the core portion is suppressed to 650 HV or less.

本発明によれば、材料コストの低減や製造工程の簡略化を図ることができ、耐疲労性を向上させた高圧縮残留応力層を有するばねを得ることができる。   According to the present invention, the material cost can be reduced and the manufacturing process can be simplified, and a spring having a high compressive residual stress layer with improved fatigue resistance can be obtained.

本発明のばねの製造工程と従来のばねの製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the spring of this invention, and the manufacturing process of the conventional spring.

以下、本発明を具体的に説明する。図1(A)〜(C)に本発明のばねの製造工程の一例を示す。まず、質量%で、C:0.5〜0.7%、Si:1.0〜2.0%、Mn:0.1〜1.0%、Cr:0.1〜1.0%、P:0.035%以下、S:0.035%以下、残部が鉄及び不可避不純物からなる組成のオイルテンパー鋼材を用いて、コイリングマシンによりばね形状に冷間コイリングを行う(成形工程)。そして、ばね形状の鋼材に対して、Ac3点〜(Ac3点+250℃)の温度でオーステナイト化後、20℃/秒以上の速度で冷却し、(Ms点−20℃)〜(Ms点+60℃)の温度で400秒以上保持し、次いで20℃/秒以上の冷却速度で室温まで冷却を行う(熱処理工程)。これにより、本発明の組織を得ることができる。また、オーステナイト化温度まで鋼材を加熱することにより、コイリングで発生した残留応力を実質的にゼロにすることができる。   Hereinafter, the present invention will be specifically described. 1A to 1C show an example of a manufacturing process of the spring of the present invention. First, by mass, C: 0.5 to 0.7%, Si: 1.0 to 2.0%, Mn: 0.1 to 1.0%, Cr: 0.1 to 1.0%, Cold coiling is performed in a spring shape by a coiling machine using an oil temper steel material having a composition of P: 0.035% or less, S: 0.035% or less, and the balance being iron and inevitable impurities (forming step). And it austenitizes at the temperature of Ac3 point-(Ac3 point +250 degreeC) with respect to a spring-shaped steel material, Then, it cools at a speed | rate of 20 degrees C / sec or more, (Ms point-20 degreeC)-(Ms point +60 degreeC) ) At a temperature of 400 seconds or more, and then cooled to room temperature at a cooling rate of 20 ° C./second or more (heat treatment step). Thereby, the structure | tissue of this invention can be obtained. Moreover, the residual stress generated by coiling can be made substantially zero by heating the steel material to the austenitizing temperature.

次に、200〜300℃に加熱し、かつ素線表面に作用するせん断ひずみが0.0190〜0.0220となるようにばね形状の鋼材に対して塑性ひずみを与える(セッチング工程)。このとき、素線表層の残留オーステナイトが加工誘起変態によりマルテンサイトに変態する。これは体積膨張を伴うため、深い圧縮残留応力が形成され、疲労き裂の進展を抑制し、耐疲労性を向上することができる。また、塑性ひずみを与えることにより、弾性限を著しく向上させ、永久変形量を低減し、耐へたり性を向上することができる。   Next, a plastic strain is applied to the spring-shaped steel material so that the shear strain acting on the surface of the strand wire is heated to 200 to 300 ° C. and becomes 0.0190 to 0.0220 (setting step). At this time, the retained austenite of the wire surface layer is transformed into martensite by processing-induced transformation. Since this is accompanied by volume expansion, deep compressive residual stress is formed, fatigue crack growth can be suppressed, and fatigue resistance can be improved. Further, by giving plastic strain, the elastic limit can be remarkably improved, the amount of permanent deformation can be reduced, and the sag resistance can be improved.

そして、ショットを投射するショットピーニング工程を行う。例えば、図1(A)に示すように、セッチング工程後、ショットピーニング工程を3回行う。また、図1(B)および(C)に示すように、セッチング工程の前にショットピーニング工程を行っても良い。このとき、第一段目としてラウンドカットワイヤーを、第二段目として第一段目よりも小さい球相当直径のラウンドカットワイヤーを、第三段目として第二段目よりも小さい球相当直径の砂粒を用いる。上記熱処理工程において、コイリングで発生した残留応力を実質的にゼロにしているため、このショットピーニングによって素線表面でさらに高くかつ深い内部に至る圧縮残留応力層を形成することができる。そして、ショットピーニングにより、素線表層の残留オーステナイトは加工誘起変態によりマルテンサイトに変態するため、深い圧縮残留応力が形成され、疲労き裂の進展を抑制し、耐疲労性をさらに向上することができる。また、セッチングにより素線表面が降伏変形するため、表面の圧縮残留応力が損なわれるが、セッチングの後にショットピーニングを施すことで素線表面の圧縮残留応力を回復しつつ表面粗さを改善でき、表面を起点とした疲労破壊を防止し、耐疲労性を著しく向上することができる。   And the shot peening process which projects a shot is performed. For example, as shown in FIG. 1A, the shot peening process is performed three times after the setting process. Further, as shown in FIGS. 1B and 1C, a shot peening process may be performed before the setting process. At this time, a round cut wire as a first step, a round cut wire with a sphere equivalent diameter smaller than the first step as a second step, and a sphere equivalent diameter smaller than the second step as a third step Use sand grains. In the heat treatment step, since the residual stress generated by coiling is made substantially zero, a compressive residual stress layer that is higher and deeper on the surface of the strand can be formed by this shot peening. And, by shot peening, the retained austenite of the wire surface layer is transformed into martensite by processing-induced transformation, so that deep compressive residual stress is formed, which suppresses the growth of fatigue cracks and further improves fatigue resistance. it can. In addition, since the wire surface yields and deforms due to setting, the compressive residual stress on the surface is impaired, but by applying shot peening after setting, the surface roughness can be improved while restoring the compressive residual stress on the wire surface, Fatigue fracture starting from the surface can be prevented, and fatigue resistance can be remarkably improved.

以上のような工程によって作製した本発明のばねは、任意の横断面において、面積比率でベイナイトを65%以上、残留オーステナイトを4〜13%、残部(0%を含む)がマルテンサイトである組織を有し、残留オーステナイト中の平均炭素濃度が0.65〜1.7%であり、任意の横断面において、表面の圧縮残留応力が900〜2000MPaであり、かつ表面から0.3mmの位置の圧縮残留応力が200MPa以上であり、任意の横断面において、芯部の平均ビッカース硬さが550〜650HVである。したがって、本発明のばねは、耐疲労性に優れている。   The spring of the present invention produced by the process as described above has a structure in which an area ratio of 65% or more of bainite, 4 to 13% of retained austenite, and the balance (including 0%) is martensite in an arbitrary cross section. The average carbon concentration in the retained austenite is 0.65 to 1.7%, the compressive residual stress on the surface is 900 to 2000 MPa, and the position is 0.3 mm from the surface in any cross section. The compressive residual stress is 200 MPa or more, and the average Vickers hardness of the core is 550 to 650 HV in an arbitrary cross section. Therefore, the spring of the present invention is excellent in fatigue resistance.

図1(A)〜(D)に示す各製造工程にしたがって、ばねの作製を行った。図1(A)〜(C)には、本発明のばねの製造工程が示されており、セッチング工程の後や、セッチング工程の前後にショットピーニング工程を行う。また、図1(D)には、従来の製造工程が示されており、ショットピーニング工程の後にセッチング工程を行う。まず、表1に記載の化学成分からなるオイルテンパー鋼材SWOSC−Vを用いて、コイリングマシンにより所定形状に冷間コイリング後、表2に示すようなばねを作製した。そして、表3に記載の条件で熱処理を行った。セッチングは、230℃で10分間加熱後、表3に記載のせん断歪みを付与した。第1ショットピ−ニングは球相当直径0.8mmのラウンドカットワイヤーを、第2ショットピーニングは球相当直径0.45mmのラウンドカットワイヤーを、第3ショットピーニングは球相当直径0.1mmの砂粒を用いて行った。このようにして得られたばねに対し、以下の通り諸性質を調査した。その結果を表4に併記する。   A spring was manufactured in accordance with each manufacturing process shown in FIGS. 1A to 1C show a manufacturing process of the spring of the present invention, and a shot peening process is performed after the setting process and before and after the setting process. FIG. 1D shows a conventional manufacturing process, in which a setting process is performed after the shot peening process. First, using an oil temper steel material SWOSC-V having chemical components shown in Table 1, a coil as shown in Table 2 was prepared after cold coiling into a predetermined shape by a coiling machine. And it heat-processed on the conditions of Table 3. In the setting, the shear strain shown in Table 3 was applied after heating at 230 ° C. for 10 minutes. The first shot peening uses a round cut wire with a sphere equivalent diameter of 0.8 mm, the second shot peening uses a round cut wire with a sphere equivalent diameter of 0.45 mm, and the third shot peening uses a sand grain with a sphere equivalent diameter of 0.1 mm. I went. Various properties of the spring thus obtained were investigated as follows. The results are also shown in Table 4.

・金属組織および残留オーステナイト中の平均C濃度
金属組織は、試料を3%ナイタール液に数秒間浸漬した後、次のように行った。ベイナイトはナイタールにより容易に腐食されるため、光学顕微鏡写真では黒色または灰色に見える。一方、マルテンサイトと残留オーステナイトはナイタールに対する耐食性が高いため、光学顕微鏡では白色に見える。この特性を利用し、光学顕微鏡写真を画像処理することでベイナイト(黒色及び灰色部)比率と、マルテンサイトおよび残留オーステナイト(白色部)の合計比率を求めた。残留オーステナイト比率は、試料に対してバフ研磨仕上げを行ってからX線回折法を用いて求めた。マルテンサイト比率は、上記光学顕微鏡写真から求めたマルテンサイトと残留オーステナイトの合計比率から、X線回折で求めた残留オーステナイト比率を差し引くことにより求めた。また、残留オーステナイト中の平均C濃度は、X線回折でオーステナイトの(111)、 (200)、 (220)及び(311)の各回折ピ−ク角度から求めた格子定数a(nm)を用い、以下に示す式(1)の関係を用いて算出した。
[数1]
a(nm)= 0.3573+0.0033×(mass%C) (1)
-Average C density | concentration in a metal structure and a retained austenite A metal structure was performed as follows, after immersing a sample for several seconds in a 3% nital liquid. Because bainite is easily corroded by nital, it appears black or gray in optical micrographs. On the other hand, martensite and retained austenite appear white in the optical microscope because of their high corrosion resistance to nital. Utilizing this characteristic, the optical micrograph was subjected to image processing to determine the bainite (black and gray part) ratio and the total ratio of martensite and retained austenite (white part). The residual austenite ratio was determined using an X-ray diffraction method after buffing the sample. The martensite ratio was determined by subtracting the retained austenite ratio determined by X-ray diffraction from the total ratio of martensite and retained austenite determined from the optical micrograph. The average C concentration in the retained austenite is obtained by using a lattice constant a (nm) obtained from each diffraction peak angle of (111), (200), (220) and (311) of austenite by X-ray diffraction. It calculated using the relationship of the following formula | equation (1).
[Equation 1]
a (nm) = 0.3573 + 0.0033 × (mass% C) (1)

・芯部の平均ビッカ−ス硬さ
素線の横断面において、中心部でのビッカ−ス硬さを5点測定し、その平均値を求めた。
-Average Vickers hardness of core part In the cross section of a strand, five points of Vickers hardness in a center part were measured, and the average value was calculated | required.

・表面圧縮残留応力および表面から0.3mmの位置の圧縮残留応力
コイルばねの内径側表面において、素線の軸に対し45°傾きかつばね押し込み荷重を負荷した時に引張ひずみが発生する方向の圧縮残留応力を、X線回折法を用いて測定した。また、コイルばね素線を全面化学研磨後上記測定を行い、これを繰返すことで深さ方向の残留応力分布を求め、その結果から表面から0.3mmの位置の圧縮残留応力を求めた。なお、表面から0.3mmの位置までの深さ方向において、圧縮残留応力は徐々に低下し、表面から0.3mmの位置の圧縮残留応力が最も低い結果となった。
・ Surface compressive residual stress and compressive residual stress at a position of 0.3 mm from the surface Compression on the inner diameter side surface of the coil spring in a direction that causes a tensile strain when inclined by 45 ° with respect to the axis of the wire and a spring pushing load is applied Residual stress was measured using X-ray diffraction. Further, the above measurement was performed after the entire surface of the coil spring was chemically polished, and the residual stress distribution in the depth direction was obtained by repeating this measurement, and the compressive residual stress at a position of 0.3 mm from the surface was obtained from the result. In the depth direction from the surface to a position of 0.3 mm, the compressive residual stress gradually decreased, and the compressive residual stress at a position of 0.3 mm from the surface was the lowest.

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本発明の要件を満たすNo.1〜3の試料は、表面圧縮残留応力が良好であり、かつ表面から0.3mmの位置の圧縮残留応力も高い値であった。これは、セッチングによって素線表面が降伏変形するため圧縮残留応力が一旦損なわれるが、セッチング工程の後にショットピーニングを行うことによって表面の圧縮残留応力を回復できたためである。これに対し、本発明の条件を満足しないNo.4〜9の試料は、以下の理由により、所定の圧縮残留応力値に満たなかった。   No. satisfying the requirements of the present invention. Samples 1 to 3 had good surface compressive residual stress, and the compressive residual stress at a position of 0.3 mm from the surface was also a high value. This is because the compressive residual stress is temporarily lost because the surface of the element wire yields and deforms by setting, but the surface compressive residual stress can be recovered by performing shot peening after the setting step. On the other hand, No. which does not satisfy the conditions of the present invention. Samples 4 to 9 did not satisfy the predetermined compressive residual stress value for the following reason.

すなわち、No.4の試料は、セッチング工程の後にショットピーニングを行っておらず、セッチングによって素線表面が降伏変形し、圧縮残留応力が損なわれたままであるため、表面圧縮残留応力が低くなった。また、No.5の試料は、セッチング時にばね表面に作用するせん断ひずみが小さいため、表面圧縮残留応力はNo.4の試料よりも高いが、表面から0.3mmの位置の圧縮残留応力が低くなった。No.6の試料は、セッチング後にショットピーニングを施しているため、表面圧縮残留応力は高い。しかしながら、No.6の試料は、セッチング時にばね表面に作用するせん断ひずみが小さいため、厚く高い圧縮残留応力を得ることができず、表面から0.3mmの位置の圧縮残留応力が低くなった。   That is, no. In the sample No. 4, shot peening was not performed after the setting step, and the surface of the strand was yielded and deformed by the setting, and the compressive residual stress remained impaired. No. In the sample No. 5, since the shear strain acting on the spring surface during setting is small, the surface compressive residual stress is No. 5. Although higher than the sample of 4, the compressive residual stress at a position of 0.3 mm from the surface was low. No. Since the sample No. 6 is shot peened after setting, the surface compressive residual stress is high. However, no. In the sample No. 6, since the shear strain acting on the spring surface during setting was small, a thick and high compressive residual stress could not be obtained, and the compressive residual stress at a position of 0.3 mm from the surface was low.

No.7の試料は、等温保持温度が低過ぎるため、変態初期に生成するマルテンサイトが芯部硬さを過剰に増加させたり、また、残留オーステナイト中のC濃度が小さくなるため、圧縮残留応力が低くなった。また、No.8の試料では、等温保持時間が短いため、ベイナイト変態が進行し難く、ベイナイト比率が著しく小さくなり、その結果、マルテンサイト比率が高くなって芯部硬さが過剰に増加した。また、残留オーステナイトのC濃度が低いため、圧縮残留応力が低くなった。さらに、No.9の試料では、等温保持温度が高過ぎるため、軟質な残留オーステナイト比率が高くなり、芯部硬さが低くなった。そして、残留オーステナイトが加工誘起マルテンサイトに変態しても、硬さが低いため周囲の拘束力が小さく、表面圧縮残留応力や表面から0.3mmの位置の圧縮残留応力が低くなった。   No. In the sample No. 7, since the isothermal holding temperature is too low, martensite generated in the early stage of transformation excessively increases the core hardness, and the C concentration in the retained austenite decreases, so that the compressive residual stress is low. became. No. In the sample No. 8, since the isothermal holding time was short, the bainite transformation hardly progressed, and the bainite ratio was remarkably reduced. As a result, the martensite ratio was increased and the core hardness was excessively increased. Moreover, since the C concentration of the retained austenite was low, the compressive residual stress was low. Furthermore, no. In the sample No. 9, since the isothermal holding temperature was too high, the soft retained austenite ratio increased and the core hardness decreased. Even when the residual austenite was transformed into work-induced martensite, the hardness was low and the surrounding restraining force was small, and the surface compressive residual stress and the compressive residual stress at a position 0.3 mm from the surface were low.

これらのことから、適切な条件で熱処理を行い、セッチング後にショットピーニングを施すことによって、高圧縮残留応力層を有する耐疲労性に優れたばねを得られることを確認できた。   From these facts, it was confirmed that a spring excellent in fatigue resistance having a high compressive residual stress layer can be obtained by performing heat treatment under appropriate conditions and performing shot peening after setting.

Claims (8)

質量%で、C:0.5〜0.7%、Si:1.0〜2.0%、Mn:0.1〜1.0%、Cr:0.1〜1.0%、P:0.035%以下、S:0.035%以下、残部が鉄及び不可避不純物からなる成分を有する鋼材に対し、ばね形状に成形する成形工程と、Ac3点〜(Ac3点+250℃)の温度でオーステナイト化後、20℃/秒以上の速度で冷却し、(Ms点−20℃)〜(Ms点+60℃)の温度で400秒以上等温保持し、次いで20℃/秒以上の冷却速度で室温まで冷却する熱処理工程と、永久ひずみを与えるセッチング工程と、ショットを投射するショットピーニング工程とを順番に行うことを特徴とするばねの製造方法。   In mass%, C: 0.5-0.7%, Si: 1.0-2.0%, Mn: 0.1-1.0%, Cr: 0.1-1.0%, P: 0.035% or less, S: 0.035% or less, with a forming step of forming into a spring shape for a steel material having the balance of iron and inevitable impurities, and a temperature of Ac3 point to (Ac3 point + 250 ° C.) After austenitization, it is cooled at a rate of 20 ° C./second or more, kept isothermally at a temperature of (Ms point−20 ° C.) to (Ms point + 60 ° C.) for 400 seconds or more, and then at a cooling rate of 20 ° C./second or more. A method for manufacturing a spring, comprising sequentially performing a heat treatment step for cooling to a temperature, a setting step for imparting permanent strain, and a shot peening step for projecting shots. 前記成形工程はコイリングであることを特徴とする請求項1に記載のばねの製造方法。   The method of manufacturing a spring according to claim 1, wherein the forming step is coiling. 前記セッチング工程において、前記ばねの素線表面に作用するせん断歪みが0.0190〜0.0220であることを特徴とする請求項1または2に記載のばねの製造方法。   The method for manufacturing a spring according to claim 1 or 2, wherein, in the setting step, a shear strain acting on a surface of the wire of the spring is 0.0190 to 0.0220. 前記ショットピーニング工程を複数回行い、かつ後に実施するショットピーニング工程に用いるショットの球相当直径は、先に実施するショットピーニング工程に用いるショットの球相当直径より小さいことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のばねの製造方法。   The shot peening process is performed a plurality of times, and a sphere equivalent diameter of a shot used in a shot peening process performed later is smaller than a sphere equivalent diameter of a shot used in a shot peening process performed earlier. 4. A method for manufacturing a spring according to any one of 3 above. 前記セッチング工程の前に、1回以上のショットピーニング工程を行うことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のばねの製造方法。   The spring manufacturing method according to claim 1, wherein one or more shot peening processes are performed before the setting process. 質量%で、C:0.5〜0.7%、Si:1.0〜2.0%、Mn:0.1〜1.0%、Cr:0.1〜1.0%、P:0.035%以下、S:0.035%以下、残部が鉄及び不可避不純物からなる成分を有し、任意の横断面において、面積比率でベイナイトを65%以上、残留オーステナイトを4〜13%、残部(0%を含む)がマルテンサイトである組織を有し、前記残留オーステナイト中の平均炭素濃度が0.65〜1.7%であり、任意の横断面において、表面の圧縮残留応力が900〜2000MPaであり、かつ表面から0.3mmの位置の圧縮残留応力が200MPa以上であり、任意の横断面において、芯部の平均ビッカース硬さが550〜650HVであることを特徴とするばね。   In mass%, C: 0.5-0.7%, Si: 1.0-2.0%, Mn: 0.1-1.0%, Cr: 0.1-1.0%, P: 0.035% or less, S: 0.035% or less, with the balance being composed of iron and inevitable impurities, in any cross section, bainite is 65% or more in area ratio, residual austenite is 4 to 13%, The balance (including 0%) has a structure of martensite, the average carbon concentration in the retained austenite is 0.65 to 1.7%, and the surface compressive residual stress is 900 in any cross section. A spring characterized by having a compressive residual stress of 200 MPa or more at a position of 0.3 mm from the surface and having an average Vickers hardness of 550 to 650 HV in an arbitrary cross section. 前記横断面の円相当直径が1.5〜15.0mmであることを特徴とする請求項6に記載のばね。   The spring according to claim 6, wherein an equivalent circle diameter of the transverse section is 1.5 to 15.0 mm. 前記ばねがコイルばねであることを特徴とする請求項6または7に記載のばね。   The spring according to claim 6 or 7, wherein the spring is a coil spring.
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