JP2881222B2 - 高強度高延性オイルテンパー線およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［従来の技術］ 現在、自動車や自動２輪車などのエンジンに用いられ
ている螺旋状に巻かれた弁ばね（以下弁ばねと略記）
は、高応力で作動しておりまた作動回数も多い。さらに
使用温度も高温度化する傾向にある。このように弁ばね
の使用環境はかなり厳しく、このため弁ばねには信頼性
の高い、弁ばね用ピアノ線、弁ばね用炭素鋼オイルテン
パー線、弁ばね用クロムバナジウム鋼オイルテンパー
線、弁ばね用シリコンクロム鋼オイルテンパー線などが
用いられている。特に高出力のエンジンには上記材料中
でも疲労強度が高く耐熱性もよいオイルテンパー線が多
く用いられている。しかしエンジンの一層の高出力化を
達成するために、更に疲労強度が優れた弁ばね材料に対
する要望が強い。

一般に弁ばね用のオイルテンパー線は、所定の線径に
伸線した材料を連続的にオーステナイト化状態にした
後、パーライト変態やベイナイト変態を起こさないよう
な冷却速度で焼入れを行い、次に焼戻しを行う工程で製
造されている。このときオイルテンパー線の金属組織は
焼戻しマルテンサイト組織と、不可避的に残留する体積
比で４％以下の残留オーステナイトで構成されている。
このオイルテンパー線はばねに成形加工されるが、この
ばね成形加工性能は金属組織の大部分を占める焼戻しマ
ルテンサイト組織の延性や靱性に依存している。

ばね用材料を高強度化すると疲労強度の向上が期待で
きる。しかし高強度化すると、従来のオイルテンパー線
の焼戻しマルテンサイト組織の延性や靱性だけでは、ば
ね成形加工に必要な延性や靱性を確保し難い。また材料
の切り欠き感受性が高くなってばね成形加工時に折損を
起こすことがある。

［発明が解決しようとする課題］ このような観点から本発明が解決しようとする課題
は、高強度のばね材料において、ばね成形加工に必要な
延性や靱性を有し、かつ高い疲労強度を兼ね備えたばね
材料を提供することにある。

［課題を解決するための手段および作用］ 本発明者等は、従来の弁ばね用のオイルテンパー線の
金属組織はほとんどが焼戻しマルテンサイト組織である
が、これに延性に富んだ残留オーステナイトを意図的に
含有させることにより、ばね成形加工に十分な延性や靱
性を備えたばね材料が得られることを知得した。

即ち、意図的に含有させた前記残留オーステナイト
は、ばね成形加工時に受ける塑性加工によって加工誘起
変態をおこし、ばね表層の硬さの増加をもたらし、この
ために成形加工したばねの疲労強度が顕著に向上するこ
とを知得した。

本発明は、上記の知見に基づきなされたもので、即ち
本発明は、重量比で、C:0.40〜0.80％,Si:0.70〜2.50
％,Mn:0.40〜1.50％,Cr:0.40〜1.50％を含有し、Mo:0.1
0〜0.25％,V:0.05〜0.60％から選ばれる１種または２種
を含有する鋼線を用いる。この鋼線を加熱してオーステ
ナイト化状態とし、次にMs点とMf点の間の温度となるよ
うに焼入れをする。焼入れた際に鋼線の温度がMf点以下
とならないようにすることにより、マルテンサイトと残
留オーステナイトの混合組織で焼入れ工程を終えること
ができる。その後残留オーステナイトが完全には分解し
ないように焼戻しを行うことにより、体積比で５〜20％
の残留オーステナイトを含有し、残部が焼戻しマルテン
サイトよりなる混合組織で構成されたばね用鋼線が得ら
れる。このばね用鋼線は、ばね成形加工性能に優れ、ま
た残留オーステナイトの加工誘起変態によるばね表層の
硬さの増加で、ばね疲労強度が向上する。

以下に本発明を更に具体的に説明する。

C:Cは鋼の強度を高めるのに有効な元素であり、本発
明に必要な残留オーステナイトを残すためと必要な残留
オーステナイトを出すためには、0.40％以上が必要であ
る。また0.80％以上にしても強度の上昇が少なく延性を
劣化させる原因となるので0.40〜0.80％とした。

Si:Siはオーステナイト相を安定化させる元素で本発
明に必要なオーステナイトを残すためには、0.70％以上
必要である。また2.50％以上になると鋼線の加工性能が
悪くなりまた熱処理時に脱炭を生じ易くなってしまうた
め、Siは、0.70〜2.50％とした。

Mn:Mnは材料の焼入れ性能の向上に働く元素で0.40％
以下ではその効果は少ない。また1.50％以上になると靱
性の劣化が起こる。このため、Mnは、0.40〜1.50％とし
た。

Cr:CrはMnと共に材料の焼入れ性能の向上に働く元素
であるが0.40％以下ではその効果は少ない。また1.50％
以上になると炭化物の固溶を抑制し強度の劣化をまね
く。このためCrは、0.40〜1.50％とした。

本発明はまた、以下の元素の１種または２種を含有さ
せる。

V:Vはばねの耐へたり性を改善するのに有効な元素で
ある。また焼戻し時の析出硬化にも寄与する元素であ
る。0.05％以下ではその効果が表れず0.60％以上になる
と伸線加工性能が悪くなる。このためＶは、0.05〜0.60
％とした。

Mo:MoはＶと共にばねの耐へたり性の向上に有効な元
素であり、かつ焼戻し軟化抵抗を高め耐熱性を与える。
0.10％以下では、その効果は少なくまた0.25％以上にな
ると伸線加工性能が悪くなる。このためMoは、0.10〜0.
25％の範囲とした。

第１図に本発明法（Ａ）と従来方法（Ｂ）の熱処理履
歴を比較して示した。１および１′は材料をオーステナ
イト状態まで加熱する工程である。この工程では本発明
法（Ａ）と従来方法（Ｂ）に違いはない。

第１図で２及び２′は焼入れ工程である。従来方法
（Ｂ）では完全な焼入れを行うため、材料の温度がMf点
程度となるように焼入れ媒体温度をMf点近くの２′の温
度で保持しているのに対し、本発明法（Ａ）では焼入れ
時に材料がMs点とMf点の間の温度２になるように焼入れ
媒体中に焼入れを行う。この理由は、Ms点より開始する
マルテンサイト変態を途中で停止させ、本発明に必要な
残留オーステナイト相を確保するためである。

ここでMs点とMf点は主に炭素量など化学成分によって
決ることが明らかになっており、本発明の化学成分の鋼
では、Ms点が400〜180℃でMf点が170〜−50℃と把握さ
れる。このため焼入れ媒体の温度を、必要とする残留オ
ーステナイト量により−50〜400℃の間で調節する。ま
た焼入れ媒体中での保持時間は、オーステナイト化され
た材料が焼入れ媒体温度と同じ温度になるまでの時間で
よい。

第１図で３および３′は焼戻し工程である。本発明で
は残留オーステナイトを保持して焼戻しする。残留オー
ステナイトを保持した焼戻しは、300℃〜600℃の焼戻し
温度に90秒以下の間保持する事によって行う。焼戻し温
度での保持時間が、第１図の従来方法（Ｂ）の３′の如
くに、例えば200秒以上で長いと、本発明の方法で形成
した残留オーステナイトはすべてベイナイトに分解す
る。従って焼戻し温度における本発明の保定時間は第１
図（Ａ）の３の如くに150秒以下で、好ましくは90秒以
下である。この保定時間で焼戻しマルテンサイトを得る
には焼戻し温度は300℃以上が必要であるが、しかし600
℃を超えると残留オーステナイトが完全にベイナイトに
分解してしまう。

本発明では、目的とするオイルテンパー線の強度と必
要な残留オーステナイト量を得るために、焼戻し温度と
焼戻時間は上記の範囲内で適宜調整する。

第１図で４および４′は焼戻し後の冷却である。本発
明では焼戻し後は、残留オーステナイトを保持して急冷
する。残留オーステナイトを保持した冷却は、焼戻し装
置から取出した材料を、直ちに200℃以下まで冷却する
事によって行う。この理由は、焼戻し装置から取出した
後も材料中の残留オーステナイトの分解が続いているた
めであり、また200℃以下と定めた理由は、残留オース
テナイトの分解が200℃以下になると停止するからであ
る。

以上の処理によって、金属組織が体積比で５〜20％の
残留オーステナイトと焼戻しマルテンサイトで構成され
た、本発明の高強度高延性オイルテンパー線が得られ
る。

本発明では残留オーステナイトの比率を５〜20％とす
るが、５％未満では鋼線の延性や靱性の改善が不十分
で、また疲労強度の向上も少ない。また残留オーステナ
イトの比率が20％を超えると材料の強度が低下する。

［実施例］ 以下本発明の実施例について説明する。

第１表に示した化学成分の線材を熱処理、伸線を繰り
返し、線径3.7mmの材料として、これに本 発明法と従来方法を施して比較した。

第２表に本発明法と従来方法の熱処理条件および処理
後のオイルテンパー線の機械的性質を示す。まず、ばね
成形加工性能の評価は、ばね成形加工が主に曲げ加工で
あることを考慮して、引張試験での伸び値と、曲げ加工
試験での折損を起こすまでの曲げ角度とで評価した。本
発明材であるB,C,D,Eは従来材Ａと同程度の強度にもか
かわらず、本発明材B,C,D,Eの伸び値は第２表のεｌ％
欄に示す如く従来材Ａの伸び値よりも高く、本発明によ
って残留オーステナイトを含有させることにより延性が
向上していることが明らかである。尚第２表で残留オー
ステナイトγＲ％の含有量が多い材料ほど、伸び値（ε
ｌ％）が大きい。曲げ加工試験での折損を起こすまでの
角度と残留オーステナイト量との関係を第２図に示し
た。残留オーステナイト量が増加するに伴い折損を起こ
すまでの曲げ角度が大きくなり、曲げ加工での折損が起
こりにくくなっていることがわかる。このように本発明
材は従来材に比べて同じ強度であっ ても、延性が大幅に増加し、このためばね成形加工性能
の向上が認められる。

次に残留オーステナイトとばね成形加工時の加工誘起
変態について評価した。一般にばね成形加工時、線に働
く歪はばね外側及び内側の線の表面が最も高く、線の中
心部が最も低い。このように線断面中でＶ字型の歪の分
布をしている。このため残留オーステナイトとばね成形
加工時の加工誘起変態についての評価にあたり、ばね成
形加工時の歪の分布と近似するように、線にねじり加工
を施し歪の分布が線断面中でＶ字型になるようにして評
価した。第３図に、ねじり試験機を用いて第２表のＡ〜
Ｅにせん断歪を与えたときの、歪量と残留オーステナイ
ト（γＲ％）の変化、および強度上昇量（σＢの増加
量）の関係を示す。第３図にみられる如く、従来材Ａは
塑性加工を受けても強度の上昇は起こらないのに対し
て、残留オーステナイトを５％以上含有させた本発明
材.B,C,D,Eは、塑性加工を受けることにより強度が増加
している。この理由は、第３図のせん断歪とγＲ（％）
の図にみられる如く、本発明材では残留オーステナイト
が歪を受けるに伴い加工誘起変態を起こし、マルテンサ
イト組織に変態したためである。

第４図は、第２表の本発明材Ｂと従来材Ａを用いて、
ばね仕様がコイル平均径22.2mm、有効巻数4.5、総巻数
6.5、自由高さ51.0mmの弁ばねを製造し、420℃,20分の
低温焼鈍、その後ショットピーニングを施し、更に220
℃、20分の２次低温焼鈍を行ったばねの疲労試験の結果
である。第４図から明らかなように本発明材Ｂの方が疲
労強度が高く寿命も長い。

［発明の効果］ 本発明の高強度高延性オイルテンパー線は、延性の大
幅な向上が図られているため、ばね成形加工性能に優
れ、ばね成形加工での折損が防止できる。また本発明の
高強度高延性オイルテンパー線は残留オーステナイトの
加工誘起変態によりばね表層の硬さが上昇して疲労強度
の向上にも大きな効果を表すものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明法と従来方法の熱処理を比較する説明
図。 第２図は本発明材と従来材の曲げ加工試験における折損
までの角度と残留オーステナイト量の関係の例を示す
図、 第３図はせん断歪と残留オーステナイトの変化および強
度上昇量の例を示す図、 第４図は本発明材と従来材のばね疲労試験結果の例によ
るＳ−Ｎ線図、 である。

フロントページの続き (72)発明者 小野田 光芳 千葉県習志野市東習志野７―５―１ 鈴 木金属工業株式会社内 (72)発明者 一ノ関 英明 千葉県習志野市東習志野７―５―１ 鈴 木金属工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−303036（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−83644（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−196357（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−145938（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−32355（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−13148（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−109144（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量比で C:0.40〜0.80％,Si:0.70〜2.50％ Mn:0.40〜1.50％,Cr:0.40〜1.50％ を含有し、Ｍ o:0.10〜0.25％,V:0.05〜0.60％ から選ばれる１種又は２種を更に含有し、かつ金属組織
   が体積比で５〜20％の残留オーステナイトと焼戻しマル
   テンサイトであることを特徴とする、弁ばね用の高強度
   高延性オイルテンパー線
2. 【請求項２】重量比で C:0.40〜0.80％,Si:0.70〜2.50％ Mn:0.40〜1.50％,Cr:0.40〜1.50％ を含有し、Ｍ o:0.10〜0.25％,V:0.05〜0.60％ から選ばれる１種または２種を更に含有する鋼線を、A₃
   点以上の温度に加熱してオーステナイト状態とし、次に
   該鋼線の温度がM_s点からMf点の間の温度となるように焼
   入れし、次に残留オーステナイトを保持して焼戻しし20
   0℃以下まで冷却することにより、金属組織が体積比５
   〜20％の残留オーステナイトと焼戻しマルテンサイトと
   することを特徴とする、弁ばね用の高強度高延性オイル
   テンパー線の製造方法