JP2870156B2 - コイルばね及びその製造方法 - Google Patents
コイルばね及びその製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は耐食性、耐摩耗性の他、特に耐熱性に優れた
炭化物析出硬化型Co合金のコイルばね及びその製造方法
に関するものである。
炭化物析出硬化型Co合金のコイルばね及びその製造方法
に関するものである。
［従来の技術］ 従来より用途を問わず耐熱性及び耐食性に優れた合金
としてFe系、Ni系、Co系の超合金があげられる。このう
ちFe系、Ni系合金はFe-Cr-Ni合金、Ni-Cr合金として添
加元素等による合金開発が行なわれており、いずれも熱
間加工、冷間線引が容易なため、コイルばねも得られて
いる。
としてFe系、Ni系、Co系の超合金があげられる。このう
ちFe系、Ni系合金はFe-Cr-Ni合金、Ni-Cr合金として添
加元素等による合金開発が行なわれており、いずれも熱
間加工、冷間線引が容易なため、コイルばねも得られて
いる。
一方、前記三系の中で最も耐熱性、耐食性に優れると
されるCo合金は、Cr、Ｗ、Ｃを添加したものを中心に開
発がされている。
されるCo合金は、Cr、Ｗ、Ｃを添加したものを中心に開
発がされている。
［発明が解決しようとする課題］ しかし、Co合金は前記の優れた特性を備えるものの、
硬い材料であるため線引加工などの塑性加工により線材
を得ることが困難であり、従って、コイルばねを得るこ
とも困難であった。又、線材を得た場合であってもCo合
金の耐熱性向上のキーとなる炭化物の析出が疲労特性の
低下を招く（炭化物が起点となり破断するおそれがあ
る）。さらに、材料強度そのものが低いため（ビッカー
ス硬度（Hv）で400〜500が一般）、疲労強度が劣るなど
の問題があった。
硬い材料であるため線引加工などの塑性加工により線材
を得ることが困難であり、従って、コイルばねを得るこ
とも困難であった。又、線材を得た場合であってもCo合
金の耐熱性向上のキーとなる炭化物の析出が疲労特性の
低下を招く（炭化物が起点となり破断するおそれがあ
る）。さらに、材料強度そのものが低いため（ビッカー
ス硬度（Hv）で400〜500が一般）、疲労強度が劣るなど
の問題があった。
［課題を解決するための手段］ 上記Co合金は硬い材料であるため、線引加工が困難で
ある点を考慮してみると、通常の溶解鋳造材では、炭化
物がデンドライトに沿って析出し、しかも非常に大きく
析出しているため、そのマトリックスと析出物の間に沿
って加工時割れを生ずる。
ある点を考慮してみると、通常の溶解鋳造材では、炭化
物がデンドライトに沿って析出し、しかも非常に大きく
析出しているため、そのマトリックスと析出物の間に沿
って加工時割れを生ずる。
これを改善するため、鋳造時、５×10℃/sec以上の冷
却速度でインゴットを凝固させるか、５×10℃/sec以上
の冷却速度で凝固した粉末を固化するなどの方法で炭化
物を７μｍ以下にすれば、線材加工が可能になることを
見出した。
却速度でインゴットを凝固させるか、５×10℃/sec以上
の冷却速度で凝固した粉末を固化するなどの方法で炭化
物を７μｍ以下にすれば、線材加工が可能になることを
見出した。
又、Co合金線材の疲労強度の向上についても考察する
と、コイリングする前の材料は焼鈍（1150℃）したもの
をそのまま所望の形状にコイリングし、その後550〜650
℃×（30〜180分）時効処理を行なうと、線表面の硬度
がHv＝600以上あり、中心部より表面の硬度がHv＝100以
上高いコイルばねが得られることがわかった。
と、コイリングする前の材料は焼鈍（1150℃）したもの
をそのまま所望の形状にコイリングし、その後550〜650
℃×（30〜180分）時効処理を行なうと、線表面の硬度
がHv＝600以上あり、中心部より表面の硬度がHv＝100以
上高いコイルばねが得られることがわかった。
しかし、上記のコイルばねでは、疲労の起点が炭化物
とマトリックスの境界であることがあり、必ずしも特性
的に優れているとはいえない。
とマトリックスの境界であることがあり、必ずしも特性
的に優れているとはいえない。
これは、従来の鋳造法による材料には５μ超、例えば
７μｍ程度の大きな炭化物があるためで、これを５μｍ
以下の大きさにすれず破断はコイルばねの内面が起点と
なり、疲労特性が向上することがわかった。炭化物の大
きさを５μｍ以下に抑えるには１×102℃/sec以上の冷
却速度によるインゴット、もしくは粉末の固化材を用い
ればよい。
７μｍ程度の大きな炭化物があるためで、これを５μｍ
以下の大きさにすれず破断はコイルばねの内面が起点と
なり、疲労特性が向上することがわかった。炭化物の大
きさを５μｍ以下に抑えるには１×102℃/sec以上の冷
却速度によるインゴット、もしくは粉末の固化材を用い
ればよい。
このようにCo系合金を本来の特徴である耐熱性、耐食
性、耐摩耗性の他、例えばコイルばねのように優れた疲
労特性を要求されるものに加工するには同合金中に生じ
る炭化物の成長を抑えることが重要なことであり、Co系
合金の鋳造、もしくはCo合金粉末の冷却段階で、その冷
却速度を１×102℃/sec以上として、炭化物を５μｍ以
下の大きさに抑え、このCo系合金の線材加工、コイリン
グ加工を実現するものである。
性、耐摩耗性の他、例えばコイルばねのように優れた疲
労特性を要求されるものに加工するには同合金中に生じ
る炭化物の成長を抑えることが重要なことであり、Co系
合金の鋳造、もしくはCo合金粉末の冷却段階で、その冷
却速度を１×102℃/sec以上として、炭化物を５μｍ以
下の大きさに抑え、このCo系合金の線材加工、コイリン
グ加工を実現するものである。
このように本発明は上記の課題を解決すべくなされた
もので、耐熱性、耐食性、耐摩耗性及び疲労特性に優れ
た炭化物析出硬化型Co合金のコイルばね及びその製造方
法を提供するものである。
もので、耐熱性、耐食性、耐摩耗性及び疲労特性に優れ
た炭化物析出硬化型Co合金のコイルばね及びその製造方
法を提供するものである。
即ち、本発明のコイルばねは成分が重量％で26.0≦Cr
≦33.0,3.0≦Ｗ≦13.0,0.7≦Ｃ≦1.7,Fe＋Ni≦6.0,残部
実質Coからなる合金よりなり、炭化物の大きさが５μｍ
以下であって線表面の硬度がビッカース硬度で600以上
あり、かつ線中心部よりも線表面の硬度が前記硬度で10
0以上高いことを特徴としている。
≦33.0,3.0≦Ｗ≦13.0,0.7≦Ｃ≦1.7,Fe＋Ni≦6.0,残部
実質Coからなる合金よりなり、炭化物の大きさが５μｍ
以下であって線表面の硬度がビッカース硬度で600以上
あり、かつ線中心部よりも線表面の硬度が前記硬度で10
0以上高いことを特徴としている。
又上記コイルばねの製造方法は、前記成分構成からな
る合金塊を鋳造時１×102℃/sec以上の冷却速度で凝固
させたもの、又は同成分構成からなる粉末を１×102℃/
sec以上の冷却速度で固化したものを、熱間加工若しく
は冷間加工により所望の線径まで必要に応じて焼鈍を施
しながら加工して、その最終工程で焼鈍し、該焼鈍材を
コイリングした後、550〜650℃で30〜180分時効させる
というものである。
る合金塊を鋳造時１×102℃/sec以上の冷却速度で凝固
させたもの、又は同成分構成からなる粉末を１×102℃/
sec以上の冷却速度で固化したものを、熱間加工若しく
は冷間加工により所望の線径まで必要に応じて焼鈍を施
しながら加工して、その最終工程で焼鈍し、該焼鈍材を
コイリングした後、550〜650℃で30〜180分時効させる
というものである。
本発明コイルばねに用いるCo合金は上記のような成分
構成であるが、まずCrは26.0％未満では耐食性及び耐熱
性に劣り、33.0％超では硬くなりずきて加工が困難とな
る。次にＷは3.0％未満では耐熱性に劣り、13.0％超で
は硬すぎて加工が困難となる。又、Ｃは0.7％未満では
耐熱強度が低下し、1.7％超ではコイリングが困難とな
る。そして、不純物としてしのFe＋Niは耐食性の点から
６％以下とするのがよい。もっとも無理に減らそうとす
ればコスト高につながる。
構成であるが、まずCrは26.0％未満では耐食性及び耐熱
性に劣り、33.0％超では硬くなりずきて加工が困難とな
る。次にＷは3.0％未満では耐熱性に劣り、13.0％超で
は硬すぎて加工が困難となる。又、Ｃは0.7％未満では
耐熱強度が低下し、1.7％超ではコイリングが困難とな
る。そして、不純物としてしのFe＋Niは耐食性の点から
６％以下とするのがよい。もっとも無理に減らそうとす
ればコスト高につながる。
［試験例］ さて、このような成分構成からなる合金塊又は粉末を
線材へ加工するわけであるが、ここに試験例として冷却
速度を変えて溶解鋳造又は粉末押出法によりインゴット
を作り、各々2mmφまで線引加工を試みた（線材加工試
験）。尚、用いた合金の成分構成は重量％でCr29.8％,W
4.8％,C1.1％,Fe＋Ni2.6％，残部Coである。この結果を
表１に示す 以上のことから線引可能な条件として炭化物を７μｍ
以下の大きさとし、そのための冷却速度として少なくと
も５×10℃/secが必要であることが確認された。
線材へ加工するわけであるが、ここに試験例として冷却
速度を変えて溶解鋳造又は粉末押出法によりインゴット
を作り、各々2mmφまで線引加工を試みた（線材加工試
験）。尚、用いた合金の成分構成は重量％でCr29.8％,W
4.8％,C1.1％,Fe＋Ni2.6％，残部Coである。この結果を
表１に示す 以上のことから線引可能な条件として炭化物を７μｍ
以下の大きさとし、そのための冷却速度として少なくと
も５×10℃/secが必要であることが確認された。
次に上記溶解鋳造４、粉末押出７の２材に減面率０
（焼鈍材）、５、10％の線引加工を施し、コイリングを
行って折損状況を調べた（コイリング試験）。尚、上記
コイリングにより得られたコイルばねは線径2mmφ、コ
イル中心径20mmφ、自由長、50mm、有効巻数3.5であ
る。試験結果を表２に示す。
（焼鈍材）、５、10％の線引加工を施し、コイリングを
行って折損状況を調べた（コイリング試験）。尚、上記
コイリングにより得られたコイルばねは線径2mmφ、コ
イル中心径20mmφ、自由長、50mm、有効巻数3.5であ
る。試験結果を表２に示す。
以上の結果より減面率０即ち焼鈍材のみがコイリング
に適していることが確認された。
に適していることが確認された。
次にコイルばねの断面硬度分布と時効温度の関係につ
いて調べてみた（硬度−時効温度試験）。本試験に用い
たコイルばねは上記粉末押出７の焼鈍材で、時効時間は
１時間である。結果を第１図のグラフに示す。同グラフ
に示すようにいずれも表面から中心に向かうに従い硬度
は低下し、特に500℃及び700℃の場合に硬度の低いこと
が確認された。
いて調べてみた（硬度−時効温度試験）。本試験に用い
たコイルばねは上記粉末押出７の焼鈍材で、時効時間は
１時間である。結果を第１図のグラフに示す。同グラフ
に示すようにいずれも表面から中心に向かうに従い硬度
は低下し、特に500℃及び700℃の場合に硬度の低いこと
が確認された。
又、コイルばねの断面硬度分布と時効時間の関係につ
いても調べてみた（硬度−時効時間試験）。ここで用い
たコイルばねも前記硬度−時効温度試験に用いたものと
同じであり、時効温度は600度であった。その結果を第
２図のグラフに示す。同グラフに示すように、第１図同
様表面から中心に向かうに従い硬度は低下し、時効時間
20分のものは表面硬度がHv＝600を下回っていることが
判った。
いても調べてみた（硬度−時効時間試験）。ここで用い
たコイルばねも前記硬度−時効温度試験に用いたものと
同じであり、時効温度は600度であった。その結果を第
２図のグラフに示す。同グラフに示すように、第１図同
様表面から中心に向かうに従い硬度は低下し、時効時間
20分のものは表面硬度がHv＝600を下回っていることが
判った。
さらにコイルばねの重要な特性である疲労特性につい
ての試験を行なった。用いたコイルばねは、粉末押出
７、線径2.0mmφ、コイル中心径20mmφ、自由長40mm、
有効巻数3.5である。まず同じ硬度値を示すコイルばね
を炭化物の大きさで分け平均締付力40kg/mm2で試験を行
なった。（疲労試験１）。その結果を第３図のグラフに
示す。同グラフに示すように最大７μｍの大きさの炭化
物をコイルばねは疲労特性が劣ることがわかった。
ての試験を行なった。用いたコイルばねは、粉末押出
７、線径2.0mmφ、コイル中心径20mmφ、自由長40mm、
有効巻数3.5である。まず同じ硬度値を示すコイルばね
を炭化物の大きさで分け平均締付力40kg/mm2で試験を行
なった。（疲労試験１）。その結果を第３図のグラフに
示す。同グラフに示すように最大７μｍの大きさの炭化
物をコイルばねは疲労特性が劣ることがわかった。
そこで、最大５μｍの大きさの炭化物を含むコイルば
ねのへたり量について試験を行なった（疲労試験２）。
試験方法は高温（400、500、600℃）中で一定（締付力4
0kg/mm2、締付時間１時間）の締付後にコイルばねのへ
たり量を測定するもので、用いたコイルばねは粉末押出
７、600℃×1Hr時効材である。結果を第４図のグラフに
示す。このグラフからわかるように表面硬度Hv＝600以
上のコイルばねでへたりが少なく、耐熱性に優れること
が確認された。
ねのへたり量について試験を行なった（疲労試験２）。
試験方法は高温（400、500、600℃）中で一定（締付力4
0kg/mm2、締付時間１時間）の締付後にコイルばねのへ
たり量を測定するもので、用いたコイルばねは粉末押出
７、600℃×1Hr時効材である。結果を第４図のグラフに
示す。このグラフからわかるように表面硬度Hv＝600以
上のコイルばねでへたりが少なく、耐熱性に優れること
が確認された。
最後に耐食性についての試験を行なった。これは１％
H2SO4液中で分極試験を実施し、電圧−電流特性を求め
るもので、試験に用いたコイルばねの組性及び結果を表
３に、電圧−電流特性のグラフを第５図に示す。
H2SO4液中で分極試験を実施し、電圧−電流特性を求め
るもので、試験に用いたコイルばねの組性及び結果を表
３に、電圧−電流特性のグラフを第５図に示す。
表３及び第５図のグラフに示すようにFe＋Niが５％
超、Crが26.0％未満の場合に耐食性が劣ることがわかっ
た。この他、Ｗ、Ｃの量を変え調べてみたがＷは3.0〜1
3.0％、Ｃは0.7〜1.7％の範囲内で耐食性に大きな影響
はなかった。尚、第５図のグラフに示すＸはFe-Cr-Ni合
金（SUS304）、ＹはNi-Cr-Fe合金（インコネル718）で
あり、これらとの比較からも本発明の開発材が耐食性に
優れていることがわかる。
超、Crが26.0％未満の場合に耐食性が劣ることがわかっ
た。この他、Ｗ、Ｃの量を変え調べてみたがＷは3.0〜1
3.0％、Ｃは0.7〜1.7％の範囲内で耐食性に大きな影響
はなかった。尚、第５図のグラフに示すＸはFe-Cr-Ni合
金（SUS304）、ＹはNi-Cr-Fe合金（インコネル718）で
あり、これらとの比較からも本発明の開発材が耐食性に
優れていることがわかる。
以上のような各種試験、検討の結果、疲労試験１より
線材中の炭化物の大きさを５μｍ以下とする必要があ
り、このことと線材加工試験の結果から溶解鋳造、粉末
押出いずれの方法においても冷却速度を１×102℃/sec
としなけければならない。又、疲労試験２より表面硬度
がHv＝600以上である必要があり、この結果と硬度−時
効温度試験の結果から時効温度は550〜650℃が最適であ
ることがわかった。さらに、硬度−時効時間試験の結果
と照らし合わせば、時効時間は30〜180分が最適である
ことが確認された。
線材中の炭化物の大きさを５μｍ以下とする必要があ
り、このことと線材加工試験の結果から溶解鋳造、粉末
押出いずれの方法においても冷却速度を１×102℃/sec
としなけければならない。又、疲労試験２より表面硬度
がHv＝600以上である必要があり、この結果と硬度−時
効温度試験の結果から時効温度は550〜650℃が最適であ
ることがわかった。さらに、硬度−時効時間試験の結果
と照らし合わせば、時効時間は30〜180分が最適である
ことが確認された。
［発明の効果］ 以上説明したように本発明コイルばねは、従来耐熱性
に優れているとされたFe系、Ni系合金よりもさらに耐熱
性に優れたもので高温環境下において有効な利用を図る
ことができる。
に優れているとされたFe系、Ni系合金よりもさらに耐熱
性に優れたもので高温環境下において有効な利用を図る
ことができる。
又、他の優れた特性として耐食性、耐摩耗性も兼ね備
えるため、これら複数の特性が要求される環境下でも用
いることが可能である。
えるため、これら複数の特性が要求される環境下でも用
いることが可能である。
第１図はコイルばねの断面硬度と時効温度の関係を示す
グラフ、第２図は断面硬度と時効時間の関係を示すグラ
フ、第３図及び第４図は表面硬度の異なるコイルばねに
ついて疲労試験の結果を示すグラフ、第５図は分極試験
による電圧−電流特性を示すグラフである。
グラフ、第２図は断面硬度と時効時間の関係を示すグラ
フ、第３図及び第４図は表面硬度の異なるコイルばねに
ついて疲労試験の結果を示すグラフ、第５図は分極試験
による電圧−電流特性を示すグラフである。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C22C 19/07 B21F 35/00 C22F 1/10
Claims (2)
- 【請求項１】成分が重量％で26.0≦Cr≦33.0,3.0≦Ｗ≦
13.0,0.7≦Ｃ≦1.7,Fe＋Ni≦6.0,残部実質Coからなる合
金よりなり、炭化物の大きさが５μｍ以下であって、線
表面の硬度がビッカース硬度で600以上あり、かつ線中
心部よりも線表面の硬度が前記硬度で100以上高いこと
を特徴とするコイルばね。 - 【請求項２】成分が重量％で26.0≦Cr≦33.0,3.0≦Ｗ≦
13.0,0.7≦Ｃ≦1.7,Fe＋Ni≦6.0,残部実質Coからなる合
金塊を鋳造時１×102℃/sec以上の冷却速度で凝固させ
たもの、又は前記成分からなる粉末を１×102℃/sec以
上の冷却速度で固化したものを、熱間加工若しくは冷間
加工により所望の線径まで必要に応じて焼鈍を施しなが
ら加工して、その最終工程で焼鈍し、該焼鈍材をコイリ
ングした後、550〜650℃で30〜180分時効させることを
特徴とするコイルばねの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21067590A JP2870156B2 (ja) | 1990-08-08 | 1990-08-08 | コイルばね及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21067590A JP2870156B2 (ja) | 1990-08-08 | 1990-08-08 | コイルばね及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0499241A JPH0499241A (ja) | 1992-03-31 |
| JP2870156B2 true JP2870156B2 (ja) | 1999-03-10 |
Family
ID=16593253
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21067590A Expired - Fee Related JP2870156B2 (ja) | 1990-08-08 | 1990-08-08 | コイルばね及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2870156B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111485138B (zh) * | 2020-04-23 | 2021-07-23 | 中国科学院金属研究所 | 一种冷加工态钴基合金棒丝材的制备方法 |
-
1990
- 1990-08-08 JP JP21067590A patent/JP2870156B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0499241A (ja) | 1992-03-31 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |