JP4261089B2

JP4261089B2 - 高強度・高耐疲労コイルばねの製造方法

Info

Publication number: JP4261089B2
Application number: JP2001262891A
Authority: JP
Inventors: 一博川嵜; 栄市曽我; 徳義高岡; 正則荒川
Original assignee: Neturen Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2021-08-31
Also published as: JP2003073737A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、二輪車・自動車用サスペンション、シャッタ、その他ダイセットなど一般産業機械等に用いられる高強度・高耐力コイルばね、とくに大径素線のコイルばねの製造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コイルばねの製造方法としては熱間成形法と冷間成形法がある。熱間成形法は、一般に炉加熱により長時間加熱されるため脱炭が生じやすく、かつ熱間の材料強度が低いため成形時に表面傷がつきやすいなどの欠点があり、その欠点の少ない冷間成形法が望まれる。
【０００３】
冷間成形コイルばねの製造法として、高周波誘導加熱による急速加熱の特徴を生かして高周波焼入れ焼戻しした高強度の熱処理線材を用いて、図２に示すように冷間コイル成形した後、炉加熱により歪取り焼なましをするコイルばねの製造方法が提案されている（特公昭５９−１３５６８号公報）。
【０００４】
しかし、図２の特公昭５９−１３５６８号公報の方法は、小径素線のコイルばねには適するが、強度の高い大径素線のコイルばねや、口径比が小さく曲率の大きいコイルばねでは、冷間コイル成形が困難であるという問題点がある。
【０００５】
そこで、これらの高強度で素線径が大きいコイルばねは、図３に示すように強度を下げて高周波焼入れ焼戻しした熱処理線材を用いて、これを冷間コイル成形し、この成形したコイルを図に示すように高強度に高周波焼入れした後、炉加熱により焼戻しして硬さを調整する方法により製造されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方、自動車などの性能向上と軽量化のために、大径素線のコイルばねにおいても、過負荷時にも早期破損などの生じない、一層疲労強度が大きく信頼性の高いコイルばねが要請されている。
【０００７】
そこで本発明は、上記要請に応える信頼性の高い大素線径の高強度・高靭性のコイルばねの製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
一般にコイルばねにおける早期破損の原因は、熱処理における焼き割れ、遅れ破壊や衝撃破壊が考えられるが、焼戻しにおける焼戻し脆性も考慮に入れなければならない。そこで図３に示す大径素線のコイルばねにおいても、最終の炉加熱焼戻しにおける焼戻し脆性の発生を防止することを検討しなければならない。
【０００９】
発明者らは、従来から高周波焼入れ・高周波焼戻しした線材が高周波焼入れ・炉焼戻しした線材よりも炭化物がより微細に分散析出しており、粒界への析出量がより少ないことを見いだしており（川嵜一博他：鉄と鋼、７４（１９８８）Ｐ３４２）、これにより高周波焼戻しした線材が炉焼戻しした線材よりも疲労強度が高いことを理論づけた。
【００１０】
このような焼戻しにおける挙動について、発明者らは以下に述べる「椅子取りゲーム説」を提唱する。図４は、この椅子取りゲーム説を模式的に図示したものである。すなわち、焼戻し加熱中に炭素が炭化物として析出するサイト（椅子）を捜すとして、高周波焼戻しでは加熱後、数乃至数１０秒の短時間で冷却される（笛を吹かれる）ために、手近な椅子に座らざるを得ないことから微細かつ分散した状態で析出し、析出しやすい大きな椅子がある粒界には到達集合しにくく粒界析出量が少なくなる（図４左）と考えた。一方、炉焼戻しでは、数１００乃至数１０００秒の長時間加熱されるので、笛が吹かれる前にゆっくり椅子を選んで座り、例えばオストワルド成長により、炭化物が粒界にも多く集合しやすくなる（図４右）と考えた。
【００１１】
したがって、炉加熱による焼戻しでは炭化物などが粒界にも多く集合しやすくなり、高周波焼戻しより寿命が短くなるものと考えられる。
【００１２】
このように、高周波焼入れ・高周波焼戻しした線材は炭化物が微細分散されるので、応力集中が分散され、微視き裂の発生や合体が遅れるために、靭性や遅れ破壊、疲労強度において優れることが説明される。
【００１３】
そこで、コイルばねの一層の寿命の向上のためには、コイル成形、高周波焼入れ後の焼戻しを炉加熱でなく、高周波誘導加熱によることが望ましい。しかしながら、線材における高周波加熱は均一に加熱することが容易であるが、コイル体で高周波加熱する場合はコイル体の外側を誘導加熱コイルにより加熱するので、高周波加熱ではコイル全体を均一な焼入れ硬さに焼戻しすることが困難であるという問題点がある。
【００１４】
そこで、上記目的を達成するために本発明の高強度・高耐疲労コイルばねの製造方法は、高周波誘導加熱又は直接通電加熱により急速加熱焼入れ焼戻しを行って１３００ＭＰａ以上、１５００ＭＰａ以下の引張強さの冷間コイル成形が可能な硬さに熱処理を施した熱処理鋼線を、冷間でコイルばね形状にコイル成形し、該成形したコイルを高周波誘導加熱により焼入れ温度に急速加熱冷却して焼入れし、高周波誘導加熱により本焼戻しの温度又はそれ以下の温度に急速加熱して１２０ｓｅｃ以下の短時間保持後冷却する仮焼戻しを行い、該コイルを炉加熱により焼戻し温度に加熱保持して、１５００ＭＰａ〜２３００ＭＰａの引張強さにする本焼戻しを行うことを特徴とするものである。
【００１５】
ここでいう冷間コイル成形が可能な硬さの熱処理線材とは、ほぼ１５００ＭＰａ以下の強度を有するものをいう。また、冷間のコイル成形には、熱処理鋼線の焼戻し温度より低い温度で加工する温間のコイル成形も含むものである。
【００１６】
すなわち、本発明の製造工程は、従来工程のようにコイル成形、高周波加熱焼入れ後の焼戻しを直ちに炉加熱焼戻しするのでなく、高周波加熱焼入れ後の炉加熱焼戻しの前に、一度高周波誘導加熱により仮焼戻しを行った後、炉加熱により本焼戻しを行うことを特徴とするものである。この際の仮焼戻しの温度は、本焼戻しの温度又はそれ以下の温度に急速加熱し短時間保持冷却される。この高周波の短時間加熱により前述した椅子取りゲームの微細炭化物を析出させ、次の炉加熱による焼戻しにおいてこの微細炭化物を芯としてさらに炭化物を成長させることにより粒界析出を小さくするものである。上記のような仮焼戻しにおいては、焼入れ時の硬さに大きな変化はなく、本焼戻しにおいて所定硬さを得る焼戻し温度に設定して焼戻しを行なうので、コイル全体が均一な熱処理硬さと安定した品質（靭性）が得られるとともに、粒界析出が少なく早期破壊などの生じない熱処理ができる。
【００１７】
また、高周波誘導加熱焼入れ焼戻しを行った熱処理鋼線を使用して、コイル成形するのは、発明者らが特開平８−１３４５４５号公報において開示したように、コイル成形後の焼入れにおけるより変形を減少できるからである。
【００１８】
本発明の高強度・高耐疲労コイルばねの製造方法は、高周波誘導加熱又は直接通電加熱により急速加熱し、１１００℃以下のオーステナイト領域の温度に６０ｓｅｃ以下の短時間保持後、急速冷却して焼入れし、該焼入れ後高周波誘導加熱又は直接通電加熱により急速加熱して４００〜７００℃の温度に６０ｓｅｃ以下の短時間の保持後、冷却して焼戻しを行った熱処理線材を、冷間でコイルばね形状に成形し、該成形したコイルを高周波誘導加熱により急速加熱し、１０００℃以下のオーステナイト領域の温度に１２０ｓｅｃ以下の短時間保持後、急速冷却して焼入れし、該焼入れしたコイルを高周波誘導加熱により急速加熱し、３００〜６００℃の温度で１２０ｓｅｃ以下の短時間保持して仮焼戻しを行い、該仮焼戻ししたコイルを炉加熱により３００〜６００℃の温度で１８００ｓｅｃ以上保持して本焼戻しを行うことが望ましい。
【００１９】
このように、コイルばねの素線になる熱処理鋼線は、高周波誘導加熱などにより急速加熱し、１１００℃以下のオーステナイト領域の温度に６０ｓｅｃ以下の短時間保持後焼入れした後、高周波誘導加熱などにより急速加熱して４００〜７００℃の温度範囲に６０ｓｅｃ以下の短時間保持の焼戻しを行うことにより、１３００ＭＰａ以上の引張強さの高強度でかつ靭性が高く、次工程の冷間コイル成形における加工性の良好な素線が得られる。これは高周波加熱などの急速加熱・短時間保持後急冷する焼入れ熱処理により、通常炉の熱処理に比し組織が微細で高靭性が得られ冷間加工性が向上するという特公昭５９−１３５６８号公報において開示した事実によるものである。
【００２０】
上記の熱処理鋼線をコイルばねに成形加工する。このコイルばね成形加工は室温の冷間加工が簡便であるが、素線径が大きくて常温強度が高く冷間加工の困難な場合は熱処理鋼線の焼戻し温度より低い温度で温間加工することができる。
【００２１】
上記の熱処理線材を冷間でコイル成形し、成形したコイルばねを高周波誘導加熱により１０００℃以下のオーステナイト領域の温度に急速加熱し、１２０ｓｅｃ以下の短時間保持して急速冷却して焼入れする。そして、この焼入れしたコイルを高周波誘導加熱により急速加熱し、３００〜６００℃の温度で１２０ｓｅｃ以下の短時間保持して仮焼戻しを行う。この仮焼戻しによって、前述のように微細炭化物を析出させ、後工程の炉加熱による焼戻しにおいてこの微細炭化物を芯として炭化物を成長させることにより粒界析出を小さくするものである。
【００２２】
上記の仮焼戻ししたコイルを通常加熱炉により３００〜６００℃の温度で１８００ｓｅｃ以上保持して本焼戻しを行い所要の強度に調整する。この本焼戻しの際に、炭化物などが前記仮焼戻しによって微細に析出した炭化物を核として凝集して分散するので、炭化物などの粒界析出が減少される。これにより、組織が微細で耐久性の高いコイルばねが得られる。
【００２３】
この熱処理線材は、１３００ＭＰａ以上、１５００ＭＰａ以下の引張強さを有し、コイル焼入れ後仮焼戻しと本焼戻しとを施したコイルばねは１５００ＭＰａ〜２３００ＭＰａの引張強さを有することが望ましい。
【００２４】
これは、前記特開平８−１３４５４５に開示したように１３００ＭＰａ未満ではコイル成形、焼入れ熱処理後の変形減少の効果が十分に発揮できず、１５００ＭＰａ以上では剛性が高すぎて冷間コイル成形が困難となるからである。即ち、１３００〜１５００ＭＰａの引張強さの熱処理鋼線を使用すれば、冷間加工性が良好で太径の素線でも冷間コイル成形が可能で高い性能のコイルばねが得られる。
【００２５】
成品コイルばねに１５００〜２３００ＭＰａの引張強さが望ましいのは、１５００ＭＰａ未満の低い強度のコイルばねはコイル成形後に熱処理しなくても、その強度の高周波焼入れ・焼戻し線材を使用して冷間成形が可能だからである。また、２３００ＭＰａを上限としたのは、これ以上では靭性が低下するからである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について具体的に説明する。本発明のコイルばねは、図１に示す工程で作成した。比較のために図３に示す従来工程についても試験した。その実施例を以下に説明する。
【００２７】
［実施例］
表１に示す成分の材質ＳＡＥ９２５４の１７ｍｍ径の素材を用い、下記寸法の供試コイルばねを作成した。その条件を本発明方法と従来方法とを比較して表２に示す。
コイルばね寸法：ばね線径：１７．０ｍｍφ
コイルの外径：１１３．０ｍｍφ
自由高さ：２６４ｍｍ
巻数：６．７２
【００２８】
【表１】

【００２９】
【表２】

【００３０】
すなわち、本発明方法と従来方法ともに、まず１７．０ｍｍφ径の素材鋼線を高周波誘導加熱により９８０℃まで急速加熱し、３０秒間保持の後水冷して焼入れし、連続して高周波誘導加熱により７３０℃まで急速加熱後、３０秒間保持、水冷の焼戻し処理を行い１３００ＭＰａの引張り強さ有する熱処理鋼線を作成した。次に、この熱処理鋼線をコイルばね成形機を用いて冷間で前記寸法のコイルばね形状にコイル成形した。
【００３１】
この成形されたコイルばねを高周波誘導加熱により９８０℃まで急速加熱して、６５秒間保持後急冷して焼入れした。この焼入れ硬さは約Ｈｖ６００であった。
【００３２】
上記工程までは本発明方法、従来方法ともに同じであるが、次に本発明方法では、高周波誘導加熱により４００℃まで急速加熱して２０秒間保持後急冷する仮焼戻し処理を行った。このとき、コイルばねの硬さは焼入れ硬さとほぼ同じかやや低い値のＨｖ６００〜５８０であった。その後電気炉を用いて４２０℃で４０分間保持後冷却する本焼戻し熱処理を行った。この熱処理が施されたコイルばねは、端面研削、ショットピーニング、セッティングを施しコイルばね成品とした。
【００３３】
一方、従来方法では前記の仮焼戻し処理を行なわず、高周波誘導加熱による焼入れ後に直ちに電気炉を用いて４２０℃で４０分間保持後冷却の焼戻し処理を行った。そして前記同様に端面研削、ショットピーニング、セッティングを施しコイルばね成品とした。
【００３４】
完成したばねの硬さ及び引張り強さは、本発明、従来方法ともにＨｖ５５０，１８５０ＭＰａであった。
【００３５】
上記工程で製造したコイルばねを端面研削した後、定ひずみ型疲労試験機を用いて疲労試験をした結果、従来方法に比し本発明方法が寿命において優れていることが認められた。
【００３６】
上述したように、本発明の高強度・高耐力コイルばねの製造方法は、高周波誘導加熱などにより急速加熱焼入れ焼戻しを行って冷間コイル成形が可能な硬さに熱処理を施した熱処理鋼線を冷間でコイル成形した後、高周波誘導加熱により焼入れ温度に急速加熱冷却してコイル焼入れし、高周波誘導加熱により本焼戻しの温度又はそれ以下の温度に急速加熱し短時間保持冷却して仮焼戻しを行い、該コイルを炉加熱により本焼戻しして、所要硬さにするものである。
【００３７】
すなわち本発明の製造工程は、従来工程のようにコイル成形、高周波加熱焼入れ後に直ちに炉加熱焼戻しするのでなく、高周波加熱焼入れ後の炉加熱焼戻しの前に高周波誘導加熱による仮焼戻しを行うことを特徴とするものである。この急速短時間加熱の仮焼戻しにより、微細炭化物を析出させ、炉加熱による本焼戻しにおいてこの微細炭化物を芯として炭化物を成長させることにより粒界析出を小さくし、かつ所定強度に調整する。これによって、コイル全体が均一な熱処理硬さが得られるとともに、粒界析出が少なく早期破壊などのない長寿命のコイルばねが得られる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高強度・高靭性コイルばねの製造方法によれば、高強度のコイルばねを高応力化しても長寿命化を図ることができコイルばねの信頼性が向上する。これにより重車両用の大径・高強度のコイルばねの製造が容易になり、高性能の自動車のサスペンションばねなどのばね寸法を縮減できて軽量化が可能になり、省エネルギが達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態のコイルばねの製造工程を図示した図である。
【図２】従来の小径コイルばねの製造工程を図示した図である。
【図３】従来の大径コイルばねの製造工程を図示した図である。
【図４】本発明に掛かる椅子取りゲーム説を説明する図である。

Claims

高周波誘導加熱又は直接通電加熱により急速加熱焼入れ焼戻しを行って１３００ＭＰａ以上、１５００ＭＰａ以下の引張強さの冷間コイル成形が可能な硬さに熱処理を施した熱処理鋼線を、冷間でコイルばね形状にコイル成形し、該成形したコイルを高周波誘導加熱により焼入れ温度に急速加熱冷却して焼入れし、高周波誘導加熱により本焼戻しの温度又はそれ以下の温度に急速加熱して１２０ｓｅｃ以下の短時間保持後冷却する仮焼戻しを行い、該コイルを炉加熱により焼戻し温度に加熱保持して、１５００ＭＰａ〜２３００ＭＰａの引張強さにする本焼戻しを行うことを特徴とする高強度・高耐疲労コイルばねの製造方法。
高周波誘導加熱又は直接通電加熱により急速加熱し、１１００℃以下のオーステナイト領域の温度に６０ｓｅｃ以下の短時間保持後、急速冷却して焼入れし、該焼入れ後高周波誘導加熱又は直接通電加熱により急速加熱して４００〜７００℃の温度に６０ｓｅｃ以下の短時間保持後、冷却して焼戻しを行った熱処理線材を、冷間でコイルばね形状に成形し、該成形したコイルを高周波誘導加熱により急速加熱し、１０００℃以下のオーステナイト領域の温度に１２０ｓｅｃ以下の短時間保持後、急速冷却して焼入れし、該焼入れしたコイルを高周波誘導加熱により急速加熱し、３００〜６００℃の温度で１２０ｓｅｃ以下の短時間保持して仮焼戻しを行い、該仮焼戻ししたコイルを炉加熱により３００〜６００℃の温度で１８００ｓｅｃ以上保持して本焼戻しを行うことを特徴とする請求項１に記載の高強度・高耐疲労コイルばねの製造方法。