JP2774808B2 - 高強度ばねの製造方法 - Google Patents

高強度ばねの製造方法

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JP2774808B2 JP1034426A JP3442689A JP2774808B2 JP 2774808 B2 JP2774808 B2 JP 2774808B2 JP 1034426 A JP1034426 A JP 1034426A JP 3442689 A JP3442689 A JP 3442689A JP 2774808 B2 JP2774808 B2 JP 2774808B2
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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、例えば自動車の懸架用板ばねや巻ばね,ト
ーションバー等の各種ばね、あるいはばねに類似した部
材に利用される高強度ばねの製造方法に関する。
[従来の技術] ばねの高強度化を図るための手段として、従来、焼戻
し硬さを上げて材料そのものの強度を上げる方法や、曲
げ応力を付与した状態でテンション側にショットピーニ
ングを行なうストレスピーニングによって圧力残留応力
を増加させて疲労強度を向上させる方法、あるいはセッ
チング時の応力を増加させて耐へたり性を向上させる方
法などが行なわれている。ところが、例えばSUP9の場
合、ビッカース硬さがHv516以上になると、延性に乏し
いためにストレスピーニング時の初期応力やセッチング
時の応力を高くした場合に折損することがある。
一方、延性の低下をある程度防ぐ手段としてモディフ
ァイド・オースフォーミング(修正オースフォーミン
グ)なる加工熱処理が知られている。修正オースフォー
ミングは、第7図に示されたヒートパターンのように、
素材をオーステナイト化温度まで加熱するとともに、安
定オーステナイト域では圧延等の加工を行ない、その後
に直ちに焼入れを行なうことにより、残留オーステナイ
トとマルテンサイトが混在した組織を得るようにしてい
る。
[発明が解決しようとする課題] 前述した修正オースフォーミングによって得られる組
織は、結晶粒が微細化するため延性をあまり低下させる
ことなく強度を向上させることができるが、ベースとな
る組織が焼戻しマルテンサイトであるため延性に限界が
ある。このため、SUP9の場合、修正オースフォーミング
によってストレスピーニングやセッチング時の折損限界
硬さをHv550程度まで向上できるが、これ以上の高硬さ
になるとやはり折損するようになる。このため、Nb,Vの
再結晶抑制元素やMo等の強化元素を添加することにより
折損限界硬さを向上させる対策がとられている。こうし
て、現在のところHv580程度まで限界が向上したが、こ
れ以上の硬さでは折損してしまう。
また、修正オースフォーミングは素材が高温の安定オ
ーステナイト域にあるうちに全ての加工を終了しなけれ
ばならないため加工時間の制約が大きく、場合によって
は加工終了時点で素材温度がかなり低下してしまい、焼
入れが不足することがある。そうかといって、素材の一
部を再加熱すれば、せっかくのオースフォーミング効果
が大きく減ぜられてしまう。
また従来のオースフォーミングと修正オースフォーミ
ングは、いずれも焼戻しを行なわなければ所望硬さに調
質することが困難であった。
従って本発明の目的は、ストレスピーニングやセッチ
ング時に折損することがないように延性に富んだ高硬さ
のばねが得られるとともに大きな圧縮残留応力を付与で
き、しかも所望のばね形状への成形加工が容易であり、
しかも焼戻し工程を経ることなく所望の硬さに調質でき
るような高強度ばねの製造方法を提供することにある。
[課題を解決するための手段] 上記目的を果たすために本発明者が開発した高強度ば
ねの製造方法は、鋼製素材をオーステナイト化温度まで
加熱する工程と、オーステナイト温度域あるいは過冷オ
ーステナイト域で上記素材の断面積を減少させる第一次
塑性加工(圧延やドローイング等)を行なう工程と、上
記第一次塑性加工後の素材を過冷オーステナイト温度に
保持することによってベイナイト変態を生じさせかつ一
部に残留オーステナイトを残すとともに所定のばね形状
への成形(板ばねの場合は目玉成形やキャンバ加工等)
を行なう第二次塑性加工工程と、上記第二次塑性加工工
程の後にショットピーニングを行なうことによって表層
部の残留オーステナイトをマルテンサイト化させる工程
とを具備したことを特徴とする。
ここで過冷オーステナイト温度とは、以下に述べるよ
うに平衡状態図における過冷オーステナイト域を意味し
ている。周知のように過冷とは、材料を急冷したとき、
変態温度が過ぎても変態現象がみられず、高温での液体
または固溶体状態が維持される現象を言う。すなわち融
体または固溶体が、凝固温度または溶解度線下にも冷却
されても拡散現象などが過渡的現象であるため時間的ず
れを生じることを言う。ばね鋼の一例の場合、平衡状態
図からみると約760℃以下からフェライトが生じはじ
め、740℃以下ではフェライトとセメンタイトの共存域
となるが、オーステナイト状態から冷却する場合、臨界
冷却温度以上の急速な冷却速度で冷却すると、冷却前の
オーステナイト状態がある程度の時間保持される。この
状態を平衡状態図上のオーステナイトと区別して過冷オ
ーステナイト状態(準安定オーステナイト状態)と呼
び、そのような状態を生じる温度が過冷オーステナイト
温度域である。またこの明細書で第一次塑性加工とは、
圧延やドローイングのように材料の断面積を減少させる
中間加工を言い、第二次塑性加工とは、板ばねの場合は
目玉部の成形やキャンバ付与、コイルばねの場合はコイ
リング加工といった製品形状への加工を言う。
[作用] 安定オーステナイト域あるいは過冷オーステナイト域
で圧延等の第一次塑性加工が行なわれることによって加
工硬化した素材は、過冷オーステナイト温度域で一定時
間保持されることによってベイナイトに変態するととも
に残留オーステナイトが残る。ベイナイトと残留オース
テナイトが混在した組織は、ベイナイトのみの組織に比
べて延性が大きいため、目玉部の成形やキャンバの付与
あるいはコイリング加工等の第二次塑性加工を比較的容
易に行なうことができ、しかも等温保持中に上記の第二
次塑性加工を行なえばよいから、加工時間の制約が少な
い。その後に急冷されることによって焼入れが行なわれ
た組織に、ショットピーニングが実施されることによっ
て、表層部の残留オーステナイトがマルテンサイトに変
化し、硬さが向上するとともに充分な圧縮残留応力が付
与される。
[実施例] 以下に本発明の一実施例について、第1図の工程説明
図あるいは第2図の温度履歴図等を参照して説明する。
本実施例は、いわゆるロングテーパ板ばねを製造する場
合である。この種の板ばねは、センター部の板厚が最も
厚く、板端の目玉部に向かって板厚が漸減する。
まず、ばね鋼(SUP9+0.20V+0.25Mo)からなる素材
を850℃ないし1000℃のオーステナイト化温度まで加熱
する。そして圧延ロールを用いることにより、第3図に
模式的に示されているようなテーパ形状に成形する。こ
の塑性加工すなわち断面積を減少させる第一次塑性加工
は、加工率が50%を越えないようにして行なう。センタ
ー部の加工率は約20%である。ここでいう加工率とは、
圧延前の素材の厚さをt0,圧延による減少厚をt1とした
場合に、t1/t0×100で表わされる値である。
上記工程で圧延された組織は加工硬化を生じ、後に行
なわれる冷却によって残留オーステナイトを生じさせる
ことができるようになる。第4図に示されるように、加
工率が大きいほど残留オーステナイトの発生量が多くな
ることが知られているが、第5図に示されるように加工
率40〜50%付近に耐久回数の最大値があり、加工率が50
%を越えるあたりから耐久回数の減少が認められるとと
もに残留オーステナイトが急増する傾向となるため、加
工率は最大でも50%までとする。第3図に示されている
テーパ板ばね用素材11の場合、目玉部12の付根近傍にお
ける加工率が最大になるから、この箇所の加工率が50%
を越えないように圧延ロールの圧下量を制御する。そし
て圧延後にセンタ孔等の孔あけ加工を行なう。以上の一
連の加工は素材が700℃以下に下がらないうちに完了さ
せる。
上記圧延工程が終了したのちに、素材を350℃ないし5
00℃の過冷オーステナイト温度まで急冷させるととも
に、過冷オーステナイト域に等温保持する。等温保持の
手段としては、上記温度に保持された炉を使用する以外
に、例えばソルトバスに浸漬する方法も採用できる。こ
の等温保持工程において、素材の組織がベイナイト変態
を生じるとともに、一定の含有率で残留オーステナイト
が残る。なお、上記冷却過程で素材温度が一時的に350
℃以下に下がってしまうと、組織中に微量ながらマルテ
ンサイトを生じるが、その量は僅かであるため特に問題
にはならない。この等温保持工程においてベイナイト変
態時の温度と保持時間等を調節することにより、マルテ
ンサイトと残留オーステナイトの量を加減することがで
きるとともに、焼戻しを行なわずしてHv410ないしHv650
の範囲で任意硬さの調質が行なえる。
上記の等温保持工程において、ベイナイトへの変態中
あるいはベイナイト変態が終了した後に、目玉部の巻回
成形やキャンバ付与等の成形加工すなわち所定のばね形
状に曲げる第二次塑性加工が行なわれ、所定の製品形状
に仕上げられる。第6図にSUP6の場合を示したように、
ベイナイトと残留オーステナイトからなる組織は、ベイ
ナイトのみの組織に比較して、強度が同一であれば均一
伸びが大きくなり、延性が大幅に向上する。従って目玉
の巻回成形のような強加工にも充分耐える。
以上の成形加工が終了したのち、急冷することによっ
て組織を凍結させる。そして急冷後のばねにショットピ
ーニングを行なうことによって耐へたり性を向上させ
る。ショットピーニングによって表層部の残留オーステ
ナイトがマルテンサイトに加工変態して膨張することに
より、ばね表層部の硬さがベイナイトよりも上昇すると
ともに圧縮残留応力が生じるため、耐疲労性にとって好
ましい硬さ分布が得られる。なお、ショットピーニング
前に残留オーステナイトが40%以上残っていると、ショ
ットピーニングを行なっても残留オーステナイトの一部
がマルテンサイトに変態せずにオーステナイトのまま残
る。最終製品にオーステナイトが残っていると耐へたり
性の低下をもたらすため、ショットピーニング前の残留
オーステナイト量が40%を越えないように調整を行な
う。
なお、ショットピーニング後に必要に応じてセッチン
グ工程および塗装工程等を経て製品となる。従来Hv516
〜650を高硬さ板ばねは、ストレスピーニング時やセッ
チング時に破損することがあったが、本実施例方法によ
って高強度化されたばねは、破損を全く生じることなく
ストレスピーニングとセッチングを行なうことができ
た。
前述した実施例ては素材の圧延を安定オーステナイト
域で行なっているが、本発明は圧延等の塑性加工を過冷
オーステナイト域で行なってもほぼ同等の効果が得られ
る。また本発明は板ばねに限らず、例えばコイルばね等
の線ばねにも適用できる。線ばねの場合にはダイス等の
治具を用いて、安定オーステナイト域あるいは過冷オー
ステナイト域でドローイング等の塑性減面加工を行な
う。トーションバーのように外径の太いばねの場合に
は、スェージングマシン等によって減面加工してもよ
い。
[発明の効果] 本発明方法によって製造された高強度ばねは、ベイナ
イトがベースになっており、延性が大きいため、ストレ
スピーニングやセッチング等を大きな応力のもとで行な
っても折損することがない。また、ベイナイトに変態す
る時の温度と保持時間を調整することにより、焼入れ状
態のままで調質が行なえ、焼戻しをせずにそのまま製品
として使用できるから、熱処理工程の簡略化が図れる。
また、延性のある大きなベイナイト+微量マルテンサイ
ト+残量オーステナイトの組織下で、目玉部の巻回成形
やキャンバ付与等の加工を、加工時間に余裕のある等温
保持中に行なえるから成形が容易であり、再加熱の必要
もない。そしてショットピーニングによる残留オーステ
ナイトのマルテンサイト化によって、耐疲労性と耐へた
り性にとって好ましい圧縮残留応力分布と硬さ分布が得
られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す工程説明図、第2図は
第1図に示された実施例の温度履歴図、第3図は圧延後
の形状を示す側面図、第4図は加工率と残留オーステナ
イト量との関係を示す図、第5図は加工率と耐久性との
関係を示す図、第6図は残留オーステナイトを含有する
ベイナイトの強度−延性バランスを示す図、第7図は従
来の修正オースフォーミングの温度履歴を示す図であ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C21D 9/00 - 9/44,9/50 C21D 7/00 - 8/10 B21D 11/00 B21F 35/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】鋼製素材をオーステナイト化温度まで加熱
    する工程と、 オーステナイト温度域で上記素材の断面積を減少させる
    第1次塑性加工を行なう工程と、 上記第一次塑性加工後の素材を過冷オーステナイト温度
    に保持することによってベイナイト変態を生じさせかつ
    一部に残留オーステナイトを残すとともに所定のばね形
    状に成形する第二次塑性加工工程と、 上記第二次塑性加工工程の後にショットピーニングを行
    なうことによって表層部の残留オーステナイトをマルテ
    ンサイト化させる工程と、 を具備したことを特徴とする高強度ばねの製造方法。
  2. 【請求項2】鋼製素材をオーステナイト化温度まで加熱
    する工程と、 過冷オーステナイト域で上記素材の断面積を減少させる
    第一次塑性加工を行なう工程と、 上記第一次塑性加工後の素材を過冷オーステナイト温度
    に保持することによってベイナイト変態を生じさせかつ
    一部に残留オーステナイトを残すとともに所定のばね形
    状に成形する第二次塑性加工工程と、 上記第二次塑性加工工程の後にショットピーニングを行
    なうことによって表層部の残留オーステナイトをマルテ
    ンサイト化させる工程と、 を具備したことを特徴とする高強度ばねの製造方法。
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