JP4612527B2 - Hollow spring - Google Patents
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Description
本発明は、中空体の中空コイルばねや中空棒状ばねである中空ばねに関する。 The present invention relates to a hollow spring that is a hollow coil spring or a hollow rod-shaped spring.
近年、自動車の軽量化の波に乗ってパネル材のアルミ化、シャーシ及び主要ボディのハイテン化等が進んでいる。そして、この軽量化のニーズについては、自動車の排ガス等による地球温暖化が国際的に大きく取り上げられ、排ガスに含まれるCO2の削減が大きな課題として注目されている中で、更に高まっている。
自動車において、CO2の削減方法として講じられる手段としては、新動力源の開発(ハイブリッドエンジン、燃料電池モータ方式、バッテリモータ方式)又は現行の改良に分けられる。この現行の改良の中で大きく取り上げられている手段は、「燃焼方法の改善」、「軽量化による動力源の省力化」などが上げられる。特に、欧州圏では2010年に燃料規制が導入されるため、自動車メーカ各社は、凌ぎを削って即効性のある自動車全体の軽量化に努めている。
このような要求に応える為に、近年では自動車に使用するスプリングの軽量化も行われ、例えば、中空コイルばねに関して提案がなされている。
しかし、使用されるばね素管は、比較的低炭素(0.45%以下のレベル)かつ低合金鋼しか実用化されておらず、しかも材料清浄度及び表面性状が低いものであった。このため、材料強度が低く、高応力ではばねのへたり(永久変形)、破損が発生するため設計応力を低くせざるを得ず、軽量化効果が低かった。
In recent years, with the wave of weight reduction of automobiles, panel materials have been made aluminum, chassis and main bodies have been made high tensile, and so on. The need for weight reduction has further increased as global warming due to exhaust gas from automobiles has been taken up internationally, and reduction of CO 2 contained in exhaust gas has attracted attention as a major issue.
In automobiles, measures taken as a CO 2 reduction method can be divided into development of a new power source (hybrid engine, fuel cell motor system, battery motor system) or current improvements. The means that have been greatly taken up in this current improvement are “improvement of combustion method” and “labor saving of power source by weight reduction”. Particularly in Europe, fuel regulations will be introduced in 2010, so automakers are striving to reduce the weight of the entire vehicle that has immediate effects.
In order to meet such demands, the weight of springs used in automobiles has been reduced in recent years. For example, proposals have been made regarding hollow coil springs.
However, only a relatively low carbon (0.45% or less) and low alloy steel has been put to practical use as a spring element tube, and the material cleanliness and surface properties are low. For this reason, the material strength is low, and spring stress (permanent deformation) or breakage occurs at high stress, so the design stress has to be lowered, and the weight reduction effect is low.
解決しようとする問題点は、材料強度が低く、高応力ではばねのへたり(永久変形)、破損が発生するため設計応力を低くせざるを得ず、軽量化効果が低かった点である。 The problem to be solved is that the material strength is low, and the spring stress (permanent deformation) or breakage occurs at high stress, so the design stress has to be lowered, and the weight reduction effect is low.
本発明は、中空ばねの軽量化効果と耐疲労強度アップとの両立を図るため、加熱したばね鋼素材を材料清浄度及び表面性状を高めるために液圧により押し出し加工したシームレスばね鋼管を用いてコイル状又は棒状又は曲げ部を有する棒状に形成した中空体に、圧縮残留応力を付与する表面処理を施したことを最も主要な特徴とする。 The present invention uses a seamless spring steel pipe obtained by extruding a heated spring steel material by hydraulic pressure in order to increase the material cleanliness and surface properties in order to achieve both a light weight effect of the hollow spring and an increase in fatigue strength. The most important feature is that a hollow body formed into a coil shape, a rod shape, or a rod shape having a bent portion is subjected to a surface treatment for imparting compressive residual stress.
本発明の中空ばねは、加熱したばね鋼素材を材料清浄度及び表面性状を高めるために液圧により押し出し加工したシームレスばね鋼管を用いてコイル状又は棒状又は曲げ部を有する棒状に形成した中空体に、圧縮残留応力を付与する表面処理を施したため、中空ばねの材料強度が高く、高応力でも中空ばねのへたり(永久変形)、折損が抑制されるため設計応力を高くすることができ、軽量化効果と耐疲労強度アップとの両立を図ることができる。 The hollow spring of the present invention is a hollow body formed into a rod shape having a coil shape, a rod shape, or a bent portion by using a seamless spring steel pipe obtained by extruding a heated spring steel material with a hydraulic pressure in order to enhance material cleanliness and surface properties. In addition, since the surface treatment for imparting compressive residual stress is applied, the material strength of the hollow spring is high, and the design stress can be increased because the hollow spring sag (permanent deformation) and breakage are suppressed even at high stress. It is possible to achieve both a light weight effect and an increased fatigue strength.
軽量化効果と耐疲労強度アップとの両立を図るという目的を、材料清浄度及び表面性状を高めたシームレスばね鋼管を用いて実現した。 The objective of achieving both a light weight effect and improved fatigue strength was achieved using seamless spring steel pipes with improved material cleanliness and surface properties.
[中空コイルばね]
図1は、本発明の実施例1に係る中空ばねとして、中空コイルばねの断面図である。中空コイルばね1は、自動車用の懸架ばね又は弁ばね等として用いるものであり、加熱したばね鋼素材を液圧により押し出し加工して材料清浄度及び表面性状を高めたシームレスばね鋼管を用いてコイル状の中空体に形成するとともに圧縮残留応力を付与する表面処理を施した。
[Hollow coil spring]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a hollow coil spring as a hollow spring according to
前記中空コイルばね1を構成する中空体の断面の肉厚t及び外径Dの比を、t/D=0.10〜0.35好ましくは0.20〜0.30に設定した。図2は、t/Dと軽量化率などとの関係を示した図表、図3は、t/Dと軽量化率及び穴部応力の関係を示すグラフ、図4は、t/Dと密着高さ増加率及び穴部応力の関係を示すグラフである。
The ratio of the thickness t and the outer diameter D of the cross section of the hollow body constituting the
図2〜図4のように、t/Dを小さくして軽量化率を上げると、穴部3の内径側応力も相対的に高くなり(図3)、外径Dの増大により、密着高さも高くなる(図4)。従って、密着高さを抑えつつ軽量化率を上げることが重要である。
As shown in FIGS. 2 to 4, when t / D is reduced to increase the weight reduction rate, the inner diameter side stress of the
ここで、中空コイルばね1の穴部3の内表面に圧縮残留応力を与えたとき、疲労強度は、970MPa、同与えないとき、600MPaである。従って、中空コイルばね1の穴部3の内表面に圧縮残留応力を与えないときは、図2のように、強度的にt/D=0.25の設定が限界となり、この限界値で最も軽量となる。中空コイルばね1の穴部3の内表面に圧縮残留応力を与えるとt/D=0.10の設定も可能であり、t/D=0.25の設定よりもさらに軽量となる。t/D=0.35の設定はt/D=0.25の設定よりも重くなるが、従来のものに比較すると軽量化を図ることができ、許容される範囲である。
Here, when compressive residual stress is applied to the inner surface of the
これらを総合的に判断し、軽量化率の変化に変曲点が見られる点を特定し、t/D=0.10〜0.35の範囲を決定した。 These were judged comprehensively, the point where an inflection point was seen in the change of the weight reduction rate was specified, and the range of t / D = 0.10-0.35 was determined.
前記中空コイルばね1は、硬さがHV=500以上となっており、図1のように断面外形5(外周円)及び断面内形6(穴部3の内周円)の形状及び相対位置が、ほぼ円形同心となっている。中空コイルばね1の断面外形5及び断面内形6の相対位置は、前記中空コイルばね1を構成する中空体のコイル径と材料硬度の設定とにより確保した。
The
[中空コイルばねの製造工程]
図5は、前記中空コイルばね1の製造工程を示すブロック図である。図5のように、中空コイルばね1は、熱間静水圧押し出し工程7,皮削り工程9,圧延工程11,コイル成形工程13,熱処理工程15,端面研削工程17,ショット・ピーニング工程19,セッチング工程21,塗装工程23を順次経て形成される。
[Hollow coil spring manufacturing process]
FIG. 5 is a block diagram showing a manufacturing process of the
前記熱間静水圧押し出し工程7では、加熱したばね鋼素材を液圧、例えば静水圧により押し出し加工して材料清浄度及び表面性状を高めたシームレスばね鋼管を形成する。なお、熱間静水圧押し出し工程7のより詳細な説明は後述するが、ばね鋼素材の加熱は、1050℃以上1300℃未満であり、押し出し加工時に油脂系に黒鉛を加えた潤滑剤を用いると押し出し抵抗を減らし、シームレスばね鋼管を円滑に押し出し成形することができる。従って、非金属介在物が少なく肌荒れのないシームレスばね鋼管を得ることができる。
In the hot isostatic pressing
前記皮削り工程9では、シームレスばね鋼管の少なくとも外表面を研削して表面の脱炭、微小な疵を削り取り、表面性状をより高める。この皮削り工程9では、外表面及び内表面双方を研削することもできる。 In the skin-cutting step 9, at least the outer surface of the seamless spring steel pipe is ground to decarburize the surface and scrape fine wrinkles to further enhance the surface properties. In the skinning step 9, both the outer surface and the inner surface can be ground.
前記圧延工程11では、皮削り後のシームレスばね鋼管を圧延により伸ばす。この圧延工程11により次工程のコイル成形工程13での加工量を減らすことができる。
In the
前記コイル成形工程13では、圧延後のシームレスばね鋼管をコイル状の中空体に成形する。
In the
前記熱処理工程15では、焼き入れ、焼き戻し熱処理によりコイル状の中空体にばねとしての弾性を付与する。この工程で、焼き入れ、焼き戻し熱処理後に窒化処理による表面処理を行い、穴部3の内表面に100MPa程度の圧縮残留応力を付与することもできる。従って、本実施例では、後工程のショット・ピーニング工程19と併せて圧縮残留応力を付与する表面処理を中空コイルばね1の外表面及び穴部3の内表面に施した構成となっている。但し、内表面の圧縮残留応力付与は省略することもできる。
また、熱処理工程15では、浸炭焼き入れ・焼き戻し熱処理により穴部3の内表面に200MPa以下の圧縮残留応力を付与することもできる。或いは、焼き入れ、焼き戻し熱処理後に穴部3の内表面に後述する内面ショットを施し圧縮残留応力を付与することもできる。
さらには、シームレスばね鋼管をオイルテンパー処理してから前記コイル成形工程13によりコイル状の中空体に成形し、ひずみ取りの熱処理後に、前記焼き入れ、焼き戻し熱処理+窒化処理、又は浸炭焼き入れ・焼き戻し熱処理、又は焼き入れ、焼き戻し熱処理+内面ショットを施し、穴部3の内表面に圧縮残留応力を付与することもがきる。
前記端面研削工程17では、コイル状の中空体の端面を研削して端面処理を行う。
前記ショット・ピ−ニング工程19では、硬質の微小粒を衝突させ、コイル状の中空対の外表面に圧縮残留応力を付与する表面処理を行う。
前記セッチング工程21では、コイル状の中空体を圧縮した後解放し、ばねとしてのへたりを防止する。
前記塗装工程23では、必要に応じて塗装を行い、中空コイルばね1として完成する。
[熱間静水圧押し出し工程]
図6は、前記熱間静水圧押し出し工程の工程図、図7は、熱間静水圧押し出し加工装置の断面図である。
In the
In the
Furthermore, after the seamless spring steel pipe is treated with oil tempering, it is formed into a coiled hollow body by the
In the end
In the shot and pinning
In the
In the
[Hot isostatic pressing process]
FIG. 6 is a process diagram of the hot isostatic pressing process, and FIG. 7 is a cross-sectional view of the hot isostatic extrusion processing apparatus.
本実施例に係るシームレスばね鋼管は、図6に示す各工程を含む製造工程により製造することができる。例えば、図6の工程(A)は、ビレット成形工程、図6の工程(B)は、第1の加熱工程、図6の工程(C)は、熱間静水圧押出し工程、図6の工程(D)は、第2の加熱工程、図6の工程(E)は、研削工程、図6の工程(F)(G)は、伸展工程、図6の工程(H)は、第3の加熱工程、図6の工程(I)は、酸洗工程、図6の工程(J)は、研削工程である。 The seamless spring steel pipe according to the present embodiment can be manufactured by a manufacturing process including each process shown in FIG. For example, the process (A) in FIG. 6 is a billet forming process, the process (B) in FIG. 6 is a first heating process, the process (C) in FIG. 6 is a hot isostatic extrusion process, and the process in FIG. (D) is the second heating step, step (E) in FIG. 6 is the grinding step, steps (F) and (G) in FIG. 6 are the extension steps, and step (H) in FIG. The heating step, step (I) in FIG. 6 is a pickling step, and step (J) in FIG. 6 is a grinding step.
なお、本実施例では、図6に示すように、(I)の酸洗工程後に(J)の曲がり矯正工程を含み、(D)の第2の加熱工程後に(E)の研削工程を含むが、これらを省略することも可能である。 In this embodiment, as shown in FIG. 6, the (J) bending correction process is included after the pickling process (I), and the grinding process (E) is included after the second heating process (D). However, these can be omitted.
ビレット成形工程(A)では、ばね鋼素材25を、中空状、例えば円筒状のビレット27(中空ビレット)に成形する。かかる成形は、鍛造等により行うことができる。
In the billet forming step (A), the
第1の加熱工程(B)では、このビレット27を加熱炉に入れて1050℃以上1300℃未満で加熱処理を行い、軟化させる。加熱炉は、電気炉、ガス炉などを使用することができる。
In a 1st heating process (B), this
このときの加熱時間は、ビレット27が十分に軟化できれば、特に限定されるものではない。また、この加熱時間はビレット27の大きさなどを考慮して適宜変更することができる。
The heating time at this time is not particularly limited as long as the
このように、熱間静水圧押出温度を特定の範囲に規定することによって、非金属介在物の最大大きさ、および単位面積当たりの個数を適切に制御することができ、優れた耐久性を有するシームレス鋼管を製造することができる。 In this way, by defining the hot isostatic pressing temperature within a specific range, the maximum size of non-metallic inclusions and the number per unit area can be appropriately controlled and have excellent durability. Seamless steel pipe can be manufactured.
熱間静水圧押出し工程(C)では、1050℃以上1300℃未満に加熱したビレット27を、液圧により押し出し加工を行わせるため、熱間静水圧押出し装置29を用いて熱間静水圧押出し加工することでシームレス鋼管中間体41を製造する。
In the hot isostatic extrusion process (C), the hot
なお、熱間静水圧押出し工程(C)における、ビレット27の押出し温度は、第1の加熱工程(B)の加熱温度、すなわち、1050℃以上1300℃未満とするのがよい。ばねの耐久性に影響を及ぼす鋼中介在物の個数・サイズの観点からは、押出し温度は1100℃以上1280℃未満の間が最も好適であるが、治工具類の損疵を考慮すると、低温側で行われる方が治工具の損疵を軽減できるメリットが得られる。したがって、押出し温度の推奨範囲は下限範囲をやや下げて、1050℃以上1200℃未満で設定すべきであるが、より品質を重視するのであれば1100℃以上1200℃未満で設定するのがよい。
In addition, the extrusion temperature of the
また、金属組織中の非金属介在物の単位面積当たりの個数・サイズ(最大厚さ)の観点から押出し温度が設定される理由は以下の通りである。押出し温度が上昇すると非金属介在物が軟化し、押出しによって変形・分断されて微細化が進む。しかしながら、結晶化とそれに伴う結晶成長も同時に進行するために、押出し温度が高すぎると結晶化により非金属介在物の粗大化が懸念される。一方、非金属介在物の軟化温度は、ばね鋼素材の場合には1100℃以上1280℃未満であり、軟化温度以上の押出し温度を設定することが推奨される。また、金属組織の変形による非金属介在物の変形・分断効果は、非金属介在物と金属組織の相対的な強度差に依存する。そのため、押出し温度が高すぎて軟化した非金属介在物以上に金属組織の強度が低下してしまうと結晶化の進行と同時に微細化効果が損なわれる。したがって、押出し温度は非金属介在物の軟化温度以上であって、かつ、できるだけ低い温度とするのが好ましい。 The reason why the extrusion temperature is set from the viewpoint of the number and size (maximum thickness) per unit area of nonmetallic inclusions in the metal structure is as follows. When the extrusion temperature rises, the non-metallic inclusions are softened, and are deformed and divided by the extrusion, so that miniaturization proceeds. However, since crystallization and accompanying crystal growth proceed simultaneously, if the extrusion temperature is too high, there is a concern that the nonmetallic inclusions become coarse due to crystallization. On the other hand, the softening temperature of the nonmetallic inclusion is 1100 ° C. or higher and lower than 1280 ° C. in the case of a spring steel material, and it is recommended to set an extrusion temperature equal to or higher than the softening temperature. Further, the deformation / splitting effect of the nonmetallic inclusions due to the deformation of the metal structure depends on the relative strength difference between the nonmetallic inclusions and the metal structure. Therefore, if the strength of the metal structure is lowered more than the nonmetallic inclusions softened due to the extrusion temperature being too high, the effect of refining is impaired simultaneously with the progress of crystallization. Therefore, it is preferable that the extrusion temperature be equal to or higher than the softening temperature of the nonmetallic inclusions and as low as possible.
一方、熱間静水圧押出しの際の金型寿命は、押出し温度が高いほど短くなるために、トータルコストを勘案した場合には、より低い押出し温度とするのがよい。そこで、押出し温度を50℃低く設定し、1050℃を押出し温度の下限とする。これよりも低い押出し温度では非金属介在物の悪影響を無視できなくなるほか、押圧力も大きくなり過ぎるために、品質が悪くなったり、設備に対する負担が増したりするなどの問題があり、不適である。 On the other hand, since the die life at the time of hot isostatic extrusion becomes shorter as the extrusion temperature becomes higher, it is better to set the extrusion temperature lower when the total cost is taken into consideration. Therefore, the extrusion temperature is set low by 50 ° C., and 1050 ° C. is set as the lower limit of the extrusion temperature. If the extrusion temperature is lower than this, the adverse effects of non-metallic inclusions cannot be ignored, and the pressing force becomes too large, causing problems such as poor quality and increased load on the equipment. .
また、熱間静水圧押出し加工の特長は、前記した特定の温度範囲で熱間静水圧押出し加工を行った場合に、ばね鋼素材と熱間静水圧押出し装置29の工具との摩擦が、通常の押出装置に比較して小さいため、シームレス鋼管中間体41の表面状態を平滑にすることができる点にある。その結果、例えば、シームレス鋼管中間体41の表面は美麗であり、平均粗さRaを50μm以下とすることが可能であるほか、表面の結晶粒も小さくなる傾向がある。したがって、これによって製造されたシームレスばね鋼管47を、例えば、コイルばねという製品に加工して使用される場合、中空ばねの最表面で応力が最大となるために、微細な結晶粒を有することや表面粗度が小さく表面欠陥(疵、皺など)が少ないことは、ばねの長寿命化に繋がる。
Further, the feature of hot isostatic extrusion is that when hot isostatic extrusion is performed in the specific temperature range described above, the friction between the spring steel material and the tool of the hot
第2の加熱工程(D)では、シームレス鋼管中間体41を加熱炉で加熱する。このときの加熱温度は、650〜750℃とするのがよい。なお、加熱時間は、当該シームレス鋼管全体が加熱されればよく、特に限定されるものではないが、例えば、0.1〜1.0時間とするとよい。加熱温度が650℃未満であったり、加熱時間が0.1時間未満であったりすると、シームレス鋼管中間体41の加熱が十分ではないために、次工程の研削や伸展をスムーズに行うことができない。一方、加熱温度が750℃を超えると、焼入れ温度に達し、好ましくない。また、加熱時間が1時間を超えても加熱の効果が飽和し、経済的に好ましくない。 In the second heating step (D), the seamless steel pipe intermediate 41 is heated in a heating furnace. The heating temperature at this time is preferably 650 to 750 ° C. The heating time is not particularly limited as long as the entire seamless steel pipe is heated. For example, the heating time is preferably 0.1 to 1.0 hour. If the heating temperature is less than 650 ° C. or the heating time is less than 0.1 hour, the seamless steel pipe intermediate 41 is not sufficiently heated, so that the next process cannot be smoothly ground or extended. . On the other hand, when the heating temperature exceeds 750 ° C., the quenching temperature is reached, which is not preferable. Moreover, even if heating time exceeds 1 hour, the effect of a heating will be saturated and it is not economically preferable.
研削工程(E)では、加熱したシームレス鋼管中間体41の内周面に形成された脱炭層を除去するための研削加工を行う。なお、研削寸法は、使用するばね鋼素材の種類や第1の加熱工程および第2の加熱工程によって異なってくるので、予め実験等を行い、適宜条件を設定するのが好ましい。
In a grinding process (E), the grinding process for removing the decarburization layer formed in the internal peripheral surface of the heated seamless steel pipe
本実施例のシームレスばね鋼管の製造方法では、前記第2の加熱工程(D)後に、加熱した前記シームレス鋼管中間体41中間体の内周面を研削加工する研削工程(E)をさらに含んでいる。 The manufacturing method of the seamless spring steel pipe of the present embodiment further includes a grinding step (E) for grinding the inner peripheral surface of the heated seamless steel pipe intermediate 41 intermediate after the second heating step (D). Yes.
このように、第2の加熱工程(D)加熱処理によって生成された脱炭層を研削することで焼き入れしない部分をなくし、表面硬さを均一化させることで耐久性に優れ、かつ信頼性の高いシームレス鋼管中間体41を製造することができる。
In this way, the decarburized layer generated by the second heating step (D) heat treatment is ground to eliminate the portion that is not quenched, and the surface hardness is made uniform, resulting in excellent durability and reliability. A high seamless steel pipe
伸展工程では、加熱されたシームレス鋼管中間体41を伸展させる。シームレス鋼管中間体41の伸展は、ピルガーミル圧延(F)および引き抜き加工(G)のうち少なくとも1つにより行うことができる。
In the extension process, the heated seamless steel pipe
例えば、引き抜き加工(G)で適度の圧延を行った後に、ピルガーミル圧延(F)でダイスを用いる抽伸(引抜き)を行ってもよい。 For example, after performing moderate rolling by drawing (G), drawing (drawing) using a die may be performed by pilger mill rolling (F).
ピルガーミル圧延(F)は、シームレス鋼管中間体41を両側から押しつけて偏平にする加工であるが、これによってシームレス鋼管中間体41が伸びるので、次工程での抽伸加工を減らすことができる。ここで、ピルガーミル圧延(F)は、シームレス鋼管中間体41に対して単に2方向から偏平に押圧して圧延するのではなく、例えば、均等に3方向、4方向またはそれ以上の方向から押圧して圧延することによって、より真円度を高めてシームレス鋼管中間体41を伸展することが可能であり、引き抜き加工(G)をさらに積極的に省力化することができる。
Pilger mill rolling (F) is a process in which the seamless steel pipe
なお、このピルガーミル圧延(F)を、例えば、過剰に行うと、抽伸した場合にシームレス鋼管中間体41の円周方向に肉厚のバラツキを生じるので、省略することも可能である。なお、引き抜き加工(G)を繰り返して行う場合には、ピルガーミル圧延(F)の圧延加工で代用することも可能である。しかし、この場合であっても、最終的には引き抜き加工(G)による抽伸加工を行い、減面加工されたシームレス鋼管中間体41の真円度を確保するようにするのが好ましい。
In addition, if this pilger mill rolling (F) is performed excessively, for example, when it is drawn, a variation in thickness occurs in the circumferential direction of the seamless steel pipe
次に、伸展(抽伸)したシームレス鋼管中間体41は加工硬化してしまうので、第3の加熱工程(H)で、シームレス鋼管中間体41を650〜750℃に加熱することで焼鈍する。第3の加熱処理温度が650℃未満であると、焼鈍が不十分であり、好ましくない。一方、第3の加熱処理温度が750℃を超えると、最早焼鈍の効果が飽和するので経済的に好ましくない。 Next, since the stretched (drawn) seamless steel pipe intermediate 41 is work-hardened, the seamless steel pipe intermediate 41 is annealed by heating to 650-750 ° C. in the third heating step (H). If the third heat treatment temperature is less than 650 ° C., the annealing is insufficient, which is not preferable. On the other hand, when the third heat treatment temperature exceeds 750 ° C., the effect of the earliest annealing is saturated, which is not economically preferable.
そして、酸洗工程(I)では、焼鈍したシームレス鋼管中間体41を酸洗して、シームレス鋼管中間体41に付着している油脂(圧力媒体44)やスケールなどを除去する。 In the pickling step (I), the annealed seamless steel pipe intermediate 41 is pickled to remove oils and fats (pressure medium 44), scales, and the like attached to the seamless steel pipe intermediate 41.
引き抜き加工(G)は、1回当たり25%以下の縮径処理しか行うことができないので、前記した引き抜き加工(G)、第3の加熱工程(H)、酸洗工程(I)を所定回数繰り返すことで、所望の直径のシームレスばね鋼管47を製造するのが好ましい。
Since the drawing process (G) can only perform a diameter reduction process of 25% or less per time, the above-described drawing process (G), the third heating process (H), and the pickling process (I) are performed a predetermined number of times. By repeating, it is preferable to manufacture a seamless
なお、最後に、曲がり矯正工程(J)で曲がり矯正を行い、製品としての中空ばね用シームレス鋼管中間体41を製造するのがより好ましい。 In addition, it is more preferable to finally perform the bending correction in the bending correction step (J) to manufacture the hollow spring seamless steel pipe intermediate 41 as a product.
また、本実施例の中空ばね用シームレス鋼管の製造方法では、前記第2の加熱工程(D)に替えて、加熱されたシームレス鋼管中間体41を徐冷する徐冷工程(不図示)としてもよい。
Moreover, in the manufacturing method of the seamless steel pipe for hollow springs of a present Example, it replaces with said 2nd heating process (D), and also as a slow cooling process (not shown) which anneals the heated seamless steel pipe
通常、熱間静水圧押出しが行われ、縮径されたシームレス鋼管中間体41は、大気に曝されるため、前記した1050〜1300℃の温度から急速に冷却される。そのため、当該シームレス鋼管中間体41は、焼き入れが行われた状態となるため、硬度が非常に高くなる。このような状態であると、その後に行われる諸工程、例えば、研削工程(E)や伸展工程(ピルガーミル圧延(F)、引き抜き加工(G))などを行うことができない。
Normally, the seamless steel pipe
したがって、第1の加熱工程(C)で加熱してその金属組織の状態を一旦オーステナイト組織にした後、当該シームレス鋼管中間体41を当該徐冷工程(不図示)で徐冷することによって焼きなましを行うものである。 Therefore, after heating in the first heating step (C) to temporarily change the state of the metal structure to an austenite structure, annealing is performed by gradually cooling the seamless steel pipe intermediate 41 in the slow cooling step (not shown). Is what you do.
これにより、残留応力の除去、シームレス鋼管中間体41の軟化、切削性の向上、冷間加工性の改善を図ることができるので、例えば、第2の加熱工程を実施しないでも伸展工程(引き抜き加工(G)、ピルガーミル圧延(F))を行うことができる。つまり、製造の工程数を簡素化できる点でメリットがある。
As a result, the residual stress can be removed, the seamless steel pipe
徐冷は、熱間静水圧押出しを行ったシームレス鋼管中間体41が急冷しないよう、温度管理・徐冷速度管理のできる保温装置を用いることによって行うことができる。 Slow cooling can be performed by using a heat retaining device capable of temperature control and slow cooling rate control so that the seamless steel pipe intermediate 41 subjected to hot isostatic pressing does not rapidly cool.
このときの徐冷速度は、0.1〜0.3℃/秒とするのがよい。0.3℃/秒よりも徐冷速度が速いと、徐冷による焼きなまし効果が得られない。一方、0.1℃/秒よりも徐冷速度が遅いと、伸展工程に進むまでの時間が長くなり、生産効率が悪くなる。 The slow cooling rate at this time is preferably 0.1 to 0.3 ° C./second. When the slow cooling rate is faster than 0.3 ° C./second, the annealing effect by slow cooling cannot be obtained. On the other hand, if the slow cooling rate is slower than 0.1 ° C./second, the time required for proceeding to the extension process becomes longer, and the production efficiency becomes worse.
本実施例のシームレスばね鋼管47の製造方法では、前記第2の加熱工程(D)に替えて、熱間静水圧押出し加工された前記シームレス鋼管中間体41を徐冷する徐冷工程としてもよい。
In the manufacturing method of the seamless
このように、第2の加熱工程(D)に替えて、熱間静水圧押出し加工されたシームレス鋼管中間体41を徐冷することによっても、その金属組織中の炭化物を球状化する処理を行うことができるので、前記したような優れた耐久性だけでなく、さらに、冷間加工性、研削性(被削性)、靭性などを向上させたシームレスばね鋼管47を製造することができる。
Thus, it changes to a 2nd heating process (D), and also performs the process which spheroidizes the carbide | carbonized_material in the metal structure also by gradually cooling the seamless steel pipe
このように、本実施例のシームレスばね鋼管47は、熱間静水圧押し出し加工によって製造されたことにより、平滑な外周面および内周面を有するために、継続して伸縮動作を行った場合であっても破壊等の起点となりやすい箇所がない結果、疲労寿命などの耐久性に優れる。
As described above, the seamless
また、本実施例のシームレスばね鋼管47は、同径の中実の鋼管と比較して、概ね30〜40%の軽量化を図ることができる。
Moreover, the seamless
本実施例のシームレスばね鋼管47の製造方法によれば、穿孔等を行わず、熱間静水圧押出し加工によって容易にシームレスばね鋼管47を製造するので、工程数を減らすことができる。その結果、生産効率を高めることができるとともに、安価にこれを製造することが可能となる。
According to the manufacturing method of the seamless
また、本実施例のシームレスばね鋼管47の製造方法は、熱間静水圧押出し加工を行うので、外周面および内周面が平滑であり、高品質なシームレス鋼管を製造することができる。
Moreover, since the manufacturing method of the seamless
さらに、本実施例のシームレスばね鋼管47の製造方法は、マンネスマン穿孔やマンドレルミル圧延等を行わないので、容易にシームレスばね鋼管47を製造することができる。
Furthermore, since the manufacturing method of the seamless
図7は、前記熱間静水圧押出し工程(C)で用いる熱間静水圧押出し装置29の断面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view of the hot
本実施例に用いるシームレスばね鋼管47は、例えば中空円筒状のばね鋼素材のビレット27を熱間静水圧押出し加工したシームレス鋼管中間体41を基にして製造した。
The seamless
前記シームレスばね鋼管47は、熱間静水圧押出し加工することによって、熱間加工の段階から非常に平滑な表面(外周面および内周面)を具備することができる。
The seamless
この熱間静水圧押出し加工では、熱間静水圧押出し装置29によりシームレス鋼管中間体41を押出し加工する際に粘塑性の圧力媒体44を使用するので、例えば、1GPa(1万気圧)前後の大きな圧力をかけても熱間静水圧押出し装置29とシームレス鋼管中間体41との間の摩擦を大幅に軽減することが可能であり、連続疵や肌荒れがなく、表面性状に優れたシームレスばね鋼管47を製造することができる。
In this hot isostatic extrusion process, the
なお、ここで用いられる圧力媒体44としては、油脂系に黒鉛を加えた潤滑剤を用いるのが好適である。
As the
当該シームレスばね鋼管47の内周面および外周面に形成された連続疵の深さが表面から50μm以下としている。
The depth of continuous ridges formed on the inner and outer peripheral surfaces of the seamless
なお、連続疵とは、シームレスばね鋼管47の製造時に、熱間静水圧押出し装置の一部と接触するなどして、当該シームレスばね鋼管47の一端側から他端側に管軸方向へ向かって、その外周面や内周面に長く連続して形成される摺動疵をいう。
Note that the continuous rod means that the seamless
ここで、例えばコイルばねを継続して伸縮動作させて折損等が生じる場合、通常、コイルばね表面にある連続疵などの表面異常や、非金属介在物などから破壊や亀裂が生じることが原因となることが多い。 Here, for example, when the coil spring is continuously expanded and contracted to cause breakage or the like, it is usually caused by surface anomalies such as continuous wrinkles on the surface of the coil spring or breakage or cracks from non-metallic inclusions. Often becomes.
したがって、本実施例では、かかる連続疵の深さを外周面および内周面の各面から50μm以下、好ましくは45μm以下、より好ましくは40μm以下、さらに好ましくは35μm以下とすることにより、破壊等の起点となりやすい箇所をほとんどなくすことができる。
このように、押出し時にシームレスばね鋼管47の外周面および内周面に形成される連続疵の深さを、鋼管の表面(内周面および外周面)から50μm以下というように、非常に小さくしているので、継続して伸縮動作させた場合であっても破壊等の起点となりやすい箇所がほとんどないシームレス鋼管を具現することができる。
Therefore, in this embodiment, the depth of the continuous wrinkles is 50 μm or less, preferably 45 μm or less, more preferably 40 μm or less, and even more preferably 35 μm or less from each surface of the outer peripheral surface and the inner peripheral surface. It is possible to eliminate almost all of the points that are likely to be the starting point of.
In this way, the depth of the continuous ridge formed on the outer peripheral surface and inner peripheral surface of the seamless
一方、連続疵の深さが、外周面および内周面の表面から50μmを超えると、継続して伸縮動作させた場合に、当該連続疵から破壊や亀裂が発生することがあるので好ましくない。 On the other hand, when the depth of the continuous wrinkles exceeds 50 μm from the outer peripheral surface and the inner peripheral surface, it is not preferable because the continuous wrinkles may be broken or cracked when continuously extended.
また、熱間静水圧押出し装置29を用いると、シームレスばね鋼管47の外周面および内周面の表面粗度について、その平均粗さRa=12.5μm以下というように、低くすることが可能である。
Further, when the hot isostatic
この平均粗さRaが12.5μm以下を超えると、肌荒れがひどいために、継続して伸縮動作をさせた場合に、破壊や亀裂の起点となりやすい箇所が多く含まれていることとなり、好ましくない。なお、平均粗さRaは、低いほど好ましい。平均粗さRaは、例えばRa=12μm以下とするのが好ましく、10μm以下とするのがより好ましく、8μm以下とするのがさらに好ましく、4μm以下とするのがさらにより好ましいが、その下限はない。
このように、本実施例のシームレスばね鋼管47は、その内周面および外周面の平均粗さRaを12.5μm以下と、非常に滑らかにしたので、継続して伸縮動作させた場合であっても破壊等の起点となりやすい箇所をさらになくすことができる。
When the average roughness Ra exceeds 12.5 μm or less, the skin is so rough that many points that are likely to be the starting points of breakage and cracking are included when the stretching operation is continued. . In addition, it is so preferable that average roughness Ra is low. The average roughness Ra is, for example, preferably Ra = 12 μm or less, more preferably 10 μm or less, further preferably 8 μm or less, and even more preferably 4 μm or less, but there is no lower limit. .
As described above, the seamless
なお、表面粗度は、シームレスばね鋼管47の内周面及び外周面における管軸方向に粗さを測定したもので規定するのが好ましい。
The surface roughness is preferably specified by measuring the roughness in the tube axis direction on the inner and outer peripheral surfaces of the seamless
熱間静水圧押出し装置29は、先部にダイス31が指示部材33を介して設けられたコンテナ35と、コンテナ35内に配置されたシール・ピストン37と、このシール・ピストン37を押圧するステム39と、シール・ピストン37およびステム39を貫通し、シームレス鋼管中間体41の内径を形成するマンドレル43とを有している。
The hot
この熱間静水圧押出し装置29は、予め高温(例えば、1050℃以上1300℃未満)に加熱して軟化させたビレット27をコンテナ35内に配置し、圧力媒体44を介してシール・ピストン37でビレット27を押圧する。この押圧によりダイス31とマンドレル43との間からビレット27を吐出させてシームレス鋼管中間体41を製造する。
This hot isostatic
具体的には、例えば、内径が50〜60mm、外径が140〜160mmの中空状のばね鋼素材のビレット2を、当該熱間静水圧押出し装置29を用いて熱間静水圧押出し加工する。この加工により、例えば、外径が30〜60mm、肉厚が4〜7mmのシームレスばね鋼管47を容易に製造することができる。
Specifically, for example, a
なお、前記したビレット2の内径および外径や、シームレスばね鋼管47の外径および肉厚は、適宜に変更することができることはいうまでもなく、前記範囲に限定されないことはいうまでもない。
Needless to say, the inner diameter and outer diameter of the
ここで、本実施例のシームレスばね鋼管47を製造するために用いられるばね鋼素材としては、例えば、SiCr鋼やCrV鋼より高強度のSiCrV鋼を用いることができる。具体的には、JIS・G3560、JIS・G3561などを好適に用いることができ、より具体的には、株式会社神戸製鋼所製KHV12N、KHV10N、KHV6N、KHV7、CRV、HRS6、SRS600、UHS1900、UHS2000などを特に好適に用いることができる。
Here, as a spring steel material used in order to manufacture the seamless
このような鋼材としては、その組成が、C:0.3〜1.0質量%、より好ましくは0.5〜0.7質量%未満、Si:0.1〜3.0質量%、より好ましくは1.0〜3.0質量%、Mn:0.05〜1.5質量%、より好ましくは0.5〜1.5質量%、Ni:0〜2.5質量%、より好ましくは0.05〜0.5質量%、Cr:0〜2.0質量%、より好ましくは0.05〜1.5質量%、Mo:0〜0.8質量%、V:0〜0.8質量%、より好ましくは0.05〜0.3質量%、Ti、Nb、Co、W:0〜0.5質量%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物であるものを好適に用いることができる。 As such a steel material, the composition thereof is C: 0.3 to 1.0 mass%, more preferably 0.5 to less than 0.7 mass%, Si: 0.1 to 3.0 mass%, and more. Preferably 1.0 to 3.0 mass%, Mn: 0.05 to 1.5 mass%, more preferably 0.5 to 1.5 mass%, Ni: 0 to 2.5 mass%, more preferably 0.05 to 0.5% by mass, Cr: 0 to 2.0% by mass, more preferably 0.05 to 1.5% by mass, Mo: 0 to 0.8% by mass, V: 0 to 0.8% Preferably containing 0.05% by mass, more preferably 0.05-0.3% by mass, Ti, Nb, Co, W: 0-0.5% by mass with the balance being Fe and inevitable impurities Can do.
(C:0.3〜1.0質量%)
Cは、伸線材、すなわちシームレスばね鋼管(シームレス鋼管を含む)の引張強さを高め、疲労特性や耐へたり性を確保するために有用な元素である。
(C: 0.3-1.0% by mass)
C is an element useful for increasing the tensile strength of a wire drawing material, that is, a seamless spring steel pipe (including a seamless steel pipe), and ensuring fatigue characteristics and sag resistance.
Cの含有量が1.0質量%を超えると欠陥感受性を増大させ、表面疵や非金属介在物からの亀裂を発生して疲労寿命が劣化する。 If the C content exceeds 1.0% by mass, the susceptibility to defects is increased, cracks from surface defects and non-metallic inclusions are generated, and the fatigue life is deteriorated.
しかし、C含有量が0.3質量%未満になると、高応力ばねとして必要な引張強さが確保できないばかりか、疲労亀裂発生を助長する初析フェライトの量が多くなって疲労特性を劣化させる。 However, when the C content is less than 0.3% by mass, not only the tensile strength necessary for a high stress spring can be secured, but also the amount of proeutectoid ferrite that promotes the occurrence of fatigue cracks increases and the fatigue characteristics deteriorate. .
したがって、本発明におけるCの含有量は、0.3〜1.0質量%に規定している。なお、より好ましい含有量としては、0.5〜0.7質量%未満である。 Therefore, the C content in the present invention is defined as 0.3 to 1.0 mass%. In addition, as more preferable content, it is less than 0.5-0.7 mass%.
(Si:0.1〜3.0質量%)
Siは、固溶強化によってシームレス鋼管の引張強さを高め、疲労特性と耐へたり性の改善に貢献する元素である。
(Si: 0.1-3.0% by mass)
Si is an element that contributes to improving fatigue characteristics and sag resistance by increasing the tensile strength of seamless steel pipes by solid solution strengthening.
Siの含有量が0.1質量%未満であると、前記した効果を得ることができない。 When the Si content is less than 0.1% by mass, the above-described effects cannot be obtained.
しかし、Siの含有量が3.0質量%を超えて過剰になると、表面の脱酸や疵などが増加して耐疲労性が悪くなる。 However, if the Si content exceeds 3.0% by mass, surface deoxidation, wrinkles, and the like increase, resulting in poor fatigue resistance.
したがって、本発明におけるSiの含有量は、0.1〜3.0質量%に規定している。なお、より好ましい含有量は1.0〜3.0質量%である。 Therefore, the Si content in the present invention is defined as 0.1 to 3.0% by mass. In addition, more preferable content is 1.0-3.0 mass%.
なお、Cの含有量を低めにした分だけSiを高めに含有させる必要がある。 In addition, it is necessary to contain Si as much as the C content is lowered.
(Mn:0.05〜1.5質量%)
Mnは、パーライト組織を緻密化かつ整然化させ、疲労特性の改善に貢献する元素である。
(Mn: 0.05 to 1.5% by mass)
Mn is an element that contributes to the improvement of fatigue properties by densifying and ordering the pearlite structure.
Mnの含有量が0.05質量%未満であると、前記した効果を得ることができない。 If the Mn content is less than 0.05% by mass, the effects described above cannot be obtained.
しかし、Mnの含有量を1.5質量%を超えて過剰に含有させると、熱間静水圧押出し時などにおいてベイナイト組織が生成しやすくなり、疲労特性を劣化させる。 However, if the Mn content exceeds 1.5% by mass, a bainite structure is likely to be formed during hot isostatic pressing and the fatigue characteristics are deteriorated.
したがって、本発明におけるMnの含有量は、0.05〜1.5質量%に規定している。なお、より好ましい含有量は0.5〜1.5質量%である。 Therefore, the Mn content in the present invention is specified to be 0.05 to 1.5 mass%. In addition, more preferable content is 0.5-1.5 mass%.
(Ni:0〜2.5質量%)
Niは、含有させないこととすることもできるが、切り欠き感受性を低くするとともに靭性を高める効果を有するので、含有させる方が好ましい。また、Niは、例えば、ばね巻き加工した場合などにおいて折損トラブルを抑制するとともに、疲労寿命を向上させる効果を有する。
(Ni: 0 to 2.5% by mass)
Ni may not be contained, but it is preferable to contain Ni because it has the effect of reducing notch sensitivity and increasing toughness. In addition, Ni has an effect of suppressing breakage trouble and improving the fatigue life when, for example, spring winding is performed.
このような効果を得るためには、Niを0.05質量%以上含有するとよい。 In order to acquire such an effect, it is good to contain 0.05 mass% or more of Ni.
しかし、Niの含有量が2.5質量%を超えて過剰になると、熱間静水圧押出し時などにおいて、ベイナイト組織が生成しやすくなり、逆効果となる。 However, if the Ni content exceeds 2.5% by mass and becomes excessive, a bainite structure is likely to be formed at the time of hot isostatic pressing or the like, which is counterproductive.
したがって、本発明におけるNiの含有量は、0〜2.5質量%に規定している。なお、より好ましくは0.05〜0.5質量%である。 Therefore, the content of Ni in the present invention is defined as 0 to 2.5% by mass. In addition, More preferably, it is 0.05-0.5 mass%.
(Cr:0〜2.0質量%)
Crは、含有させないこととすることもできるが、パーライトラメラ間隔を小さくして、熱間静水圧押出し後、または加熱処理後の強度を上昇させ、耐へたり性を向上させるので、含有させる方が好ましい。
(Cr: 0 to 2.0% by mass)
Cr may not be included, but the pearlite lamella spacing is reduced to increase the strength after hot isostatic pressing or heat treatment and improve sag resistance. Is preferred.
このような効果を得るためには、Crを0.05質量%以上含有するとよい。 In order to acquire such an effect, it is good to contain 0.05 mass% or more of Cr.
しかし、Crの含有量が2.0質量%を超えて過剰になると、パテンティング時間が長くなり過ぎ、また靭性や延性が劣化する。 However, if the Cr content exceeds 2.0% by mass, the patenting time becomes too long, and the toughness and ductility deteriorate.
したがって、本発明におけるCrの含有量は、0〜2.0質量%に規定している。なお、より好ましくは0.05〜1.5質量%である。 Therefore, the Cr content in the present invention is defined as 0 to 2.0 mass%. In addition, More preferably, it is 0.05-1.5 mass%.
(Mo:0〜0.8質量%以下)
Moは、含有させないこととすることもできるが、焼入れ性を高めてばね用鋼の高強度化に寄与するので、含有させてもよい。
(Mo: 0 to 0.8 mass% or less)
Mo may not be contained, but may be contained because it contributes to increasing the strength of the spring steel by increasing the hardenability.
このような効果を得るためには、Moを0.2質量%以上含有するとよい。 In order to acquire such an effect, it is good to contain 0.2 mass% or more of Mo.
しかし、Moの含有量が、多過ぎると靭延性を極端に悪化させるので、0.8質量%以下に抑える必要がある。 However, if the Mo content is too large, the toughness is extremely deteriorated, so it is necessary to keep the content to 0.8% by mass or less.
したがって、本発明におけるMoの含有量は、0〜0.8質量%以下に規定している。 Therefore, the Mo content in the present invention is specified to be 0 to 0.8% by mass or less.
(V:0〜0.8質量%)
Vは、含有させないこととすることもできるが、パーライトノジュールサイズを微細にしてシームレス鋼管の加工性を改善するのに有用であるので、含有させる方が好ましい。また、Vは、例えば、ばね材などとした場合において、そのばね材の靭性および耐へたり性等を改善するのに有用である。
(V: 0 to 0.8% by mass)
V can be excluded, but it is useful to improve the workability of the seamless steel pipe by making the pearlite nodule size fine, so it is preferable to contain V. Further, V is useful for improving the toughness and sag resistance of the spring material, for example, when the spring material is used.
このような効果を得るためには、Vを0.05質量%以上含有するのが好ましい。 In order to acquire such an effect, it is preferable to contain V 0.05 mass% or more.
Vの含有量が0.8質量%を超えて過剰に含有させると、熱間静水圧押出し時などにおいて、ベイナイト組織が生成しやすくなり、疲労寿命を劣化させることになる。 If the V content exceeds 0.8% by mass and excessively contained, a bainite structure is likely to be formed during hot isostatic pressing, and the fatigue life is deteriorated.
したがって、本発明におけるVの含有量は、0〜0.8質量%に規定している。なお、より好ましくは0.05〜0.3質量%である。 Therefore, the content of V in the present invention is defined as 0 to 0.8 mass%. In addition, More preferably, it is 0.05-0.3 mass%.
(不可避的不純物)
本発明のシームレス鋼管における基本的な成分組成は前記の通りであり、残部は実質的にFeからなるものであるが、前記の各種成分以外にも鋼材を用いたシームレス鋼管の特性を阻害しない程度の微量成分を含み得るものであり、微量成分を含んだシームレス鋼管も本発明の範囲に含まれものである。前記微量成分としては不純物、特にP,S,As,Sb,Sn等の不可避的不純物が挙げられる。
(Inevitable impurities)
The basic component composition in the seamless steel pipe of the present invention is as described above, and the balance is substantially made of Fe, but does not hinder the characteristics of the seamless steel pipe using the steel material other than the various components described above. The seamless steel pipe containing a trace component is also included in the scope of the present invention. Examples of the trace component include impurities, particularly unavoidable impurities such as P, S, As, Sb, and Sn.
このように、本発明のシームレス鋼管1は、高い硬度を有するばね鋼を用いて製造するので、中空材であっても従来品のように一般構造用圧延鋼(JIS G 3101)や機械構造用炭素鋼(JIS G 4051)などを用いて製造された中実材と同程度の硬度を備えることができる。
Thus, since the
また、そのような硬い鋼材を用いるにもかかわらず、熱間静水圧押出し加工によってシームレス鋼管中間体に製造し、シームレス鋼管を製造する、つまり、穿孔等を行わないで製造することができるので、製造が容易かつ製造コストが安価である。なお、熱間静水圧押出し後に、適宜の冷間加工、熱処理等することによってさらに所望の性質を備えることも可能である。 Moreover, despite using such a hard steel material, it can be manufactured into a seamless steel pipe intermediate by hot isostatic pressing, to produce a seamless steel pipe, that is, without being drilled, etc. Easy to manufacture and inexpensive to manufacture. It is also possible to provide further desired properties by performing appropriate cold working, heat treatment, etc. after hot isostatic pressing.
したがって、本発明のシームレスばね鋼管47は、例えばビッカース硬度でHv500以上というように、従来では成し得なかった高い硬度を備えることができる。なお、本実施例のシームレスばね鋼管47は、これよりも高い硬度とすることができることはいうまでもなく、例えば、ビッカース硬度でHv550以上とすることや、より高い硬度としてはHv600以上、さらに高い硬度としてはHv650以上とすることもできる。
Therefore, the seamless
そして、本実施例のシームレスばね鋼管47は、金属組織中に非金属介在物を含有する。非金属介在物とは、例えば、CaO・SiO2・Al2O3系などのガラス状介在物をいうものとする。当該シームレスばね鋼管47の管軸と直交方向における非金属介在物の最大厚さは、50μm以下とするのがよい。なお、1千万回を超える寿命(伸縮動作)が要求される部材においては、これに含有される非金属介在物について、シームレス鋼管の管軸と直交する方向における最大厚さが30μm未満、かつ、100mm2当たりの個数が30個未満とするのがさらに好ましい。
And the seamless
管軸と直交方向の非金属介在物の最大厚さが50μmを超えると、例えば、繰り返し疲労部品などにおいては、応力集中し疲労破壊に及ぶおそれがあるため好ましくない。一方、非金属介在物は含有されない方が耐久性向上の観点から好ましいので、その下限はない。 If the maximum thickness of the nonmetallic inclusions in the direction perpendicular to the tube axis exceeds 50 μm, for example, in repeated fatigue parts, stress concentration may occur and fatigue failure may occur, which is not preferable. On the other hand, since it is preferable not to contain nonmetallic inclusions from the viewpoint of improving durability, there is no lower limit.
なお、非金属介在物の最大厚さおよび100mm2当たりの個数は、横断面を走査型電子顕微鏡により観察するなどの従来公知の手段によって測定することができる。 The maximum thickness of non-metallic inclusions and the number per 100 mm 2 can be measured by a conventionally known means such as observing the cross section with a scanning electron microscope.
以上説明したように、本発明のシームレスばね鋼管47は、連続疵の深さ、金属組織中に含まれる非金属介在物の最大長さ、最大厚さ、単位面積当たりの個数、組成成分の範囲、および、内周面と外周面の平均粗さRaを適切に制御したことにより、継続して伸縮動作させた場合であっても折損等することがないので、耐久性に優れている。また、本発明のシームレスばね鋼管47は、従来のシームレス鋼管よりも高い硬度を有し得る。
As described above, the seamless
また、中空材であるので、中実材と比較して30〜40%の軽量化を図ることができる。これは、車両部品として使用する場合のβチタン合金と略同等の軽量化を実現するものである。
[内面ショット]
図8は、前記内面ショットを示す概念図である。図8のように、コイル状の中空体49の片端末51の穴部53に対し、エア圧を利用したショット・ピーニング機のショット・ノズル55を向けてショット・ピーニングを行う。その後このショット・ピーニングは、中空体49の他の端末からも行う。ショット粒の粒径は、穴部53の直径の1/3以下とすることで、穴部53に確実に残留応力付与を行わせることができる。
また、穴部にショット粒を入れた状態で超音波を加えると、内面部に同様なショット・ピーニング効果を得ることもできる。
[材料清浄度及び表面性状]
表1は、熱間静水圧押し出し加工の実施と介在物との関係を示す。前記熱間静水圧押し出し工程7でのばね鋼素材の加熱温度(押し出し温度)950℃のときは、押し出し抵抗が強く押し出しができなかった。押し出し温度1000℃では、シームレスばね鋼管の非金属介在物の最大厚さが52μmと大きく、個数も32個/100mm2と多かった。押し出し温度1300℃以上では、シームレスばね鋼管の非金属介在物の最大厚さが58μm以上と大きく、個数も42個/100mm2以上と多かった。これに対し、押し出し温度1050℃以上1300℃未満では、非金属介在物の最大厚さが38μm以下と小さく、個数も20個/100mm2以下と少なかった。また、シームレスばね鋼管の肌荒れは、1300℃未満では発生しないのに対し、1300℃以上では、肌荒れが見られた。
従って、材料清浄度及び表面性状を高めるためには、上記熱間静水圧押し出し工程7でのばね鋼素材の押し出し温度を、1050℃以上1300℃未満に設定するのがよい。ばねの耐久性に影響を及ぼす鋼中非金属介在物の個数、大きさの観点から、より確実には押し出し温度を、1050℃〜1250℃に設定するのが好適である。治工具の損疵を考慮すると低温側で押し出し成形するのが有利であり、押し出し温度は、1050℃以上1200℃未満で設定すべきであり、品質を重視するのであれば、1100℃以上1200℃未満に設定するのが推奨される。
このような押し出し温度の設定により、シームレスばね鋼管47の材料清浄度及び表面性状を高めることができる。
[軽量化効果]
図10は、コイルばねの軽量化効果の比較を示す図表である。図10では、コイル内径:φ=45mm、使用最大荷重:2750Nとし、SiCr鋼の中実材料を用いたコイルばね(中実材料)、S45C等を用いた従来の中空コイルばね(従来中空材)、SiCr鋼、高強度SiCrV鋼を用いた実施例品の中空コイルばねについて比較した。
図10のように、従来の中空コイルばねは、材料に低炭素鋼が用いられ焼入れ後の硬さがHv440、引張り強さ(TS)が1480MPaであり、断面の外表面側(外側)においてコイル径の内径側応力を716MPaとしてTS比を48%に設定すると、質量は439gとなる。
これに対し、SiCr鋼を用いた実施例品の場合は、硬さがHv545、引張り強さ(TS)が1850MPa、高強度SiCrV鋼を用いた実施例品の場合は、硬さがHv580、引張り強さ(TS)が2020MPaとなり、TS比を48%に設定すると、質量はそれぞれ298g,255gとなり、巻き数等も少なくすることができ、より小型軽量の中空コイルばねにすることができる。
この性能は、図10のように中実材料と比較しても劣らず、むしろより軽量となっている。
従って、本実施例の中空コイルばねでは、軽量化効果を確実に得ることができ、固有振動数も図10の図表のように高めることができる。
[高強度SiCrV鋼の化学成分]
図11は、高強度SiCrV鋼の化学成分の一例を示す図表である。A鋼、B鋼の何れも、JIS規格のSiCr鋼以外のものとして開発したものであり、バナジウムV等を加え、高強度SiCrV鋼として上記軽量化効果を確実に得ることができる。
[耐久性]
図12〜図16は、中空コイルばねの耐久性に係り、図12は、自動車サスペンションの懸架ばねの押し出し温度に対する耐久試験データの図表、図13は、自動車エンジンの弁ばねの押し出し温度に対する耐久試験データの図表、図14は、自動車サスペンションの懸架ばねの熱処理後の硬さに対する耐久試験データの図表、図15は、図14の結果をプロットしたグラフ、図16は、自動車サスペンションの懸架ばねの内表面の圧縮残留応力に対する耐久試験データの図表である。図12の2,3,4,・・・は、表1に対応し、図13の押し出し条件A,B,C,D,・・・は、図9に対応している。
Moreover, since it is a hollow material, 30-40% of weight reduction can be achieved compared with a solid material. This realizes a weight reduction substantially equal to that of a β-titanium alloy when used as a vehicle part.
[Inner shot]
FIG. 8 is a conceptual diagram showing the inner surface shot. As shown in FIG. 8, shot peening is performed by directing a
Further, when an ultrasonic wave is applied in a state in which shot grains are put in the hole portion, a similar shot peening effect can be obtained on the inner surface portion.
[Material cleanliness and surface properties]
Table 1 shows the relationship between the implementation of hot isostatic pressing and inclusions. When the heating temperature (extrusion temperature) of the spring steel material in the hot isostatic
Therefore, in order to improve the material cleanliness and the surface properties, it is preferable to set the extrusion temperature of the spring steel material in the hot
By setting such an extrusion temperature, the material cleanliness and surface properties of the seamless
[Lightening effect]
FIG. 10 is a chart showing a comparison of the effect of reducing the weight of the coil spring. In FIG. 10, a coil inner diameter: φ = 45 mm, a maximum use load: 2750 N, a coil spring using a solid material of SiCr steel (solid material), a conventional hollow coil spring using S45C, etc. (conventional hollow material) The hollow coil springs of the examples using SiCr steel and high-strength SiCrV steel were compared.
As shown in FIG. 10, the conventional hollow coil spring is made of low carbon steel as a material, has a hardness after quenching of
On the other hand, in the case of an example product using SiCr steel, the hardness is Hv 545, the tensile strength (TS) is 1850 MPa, and in the case of an example product using high strength SiCrV steel, the hardness is
This performance is not inferior to that of a solid material as shown in FIG.
Therefore, in the hollow coil spring of the present embodiment, the effect of reducing the weight can be surely obtained, and the natural frequency can be increased as shown in the chart of FIG.
[Chemical composition of high strength SiCrV steel]
FIG. 11 is a chart showing an example of chemical components of high-strength SiCrV steel. Both steel A and steel B were developed as other than JIS standard SiCr steel, and vanadium V or the like can be added to reliably obtain the above-described lightening effect as high-strength SiCrV steel.
[durability]
FIGS. 12 to 16 relate to the durability of the hollow coil spring, FIG. 12 is a chart of durability test data with respect to the extrusion temperature of the suspension spring of the automobile suspension, and FIG. 13 is an durability test with respect to the extrusion temperature of the valve spring of the automobile engine. Data chart, FIG. 14 is a chart of endurance test data against hardness after heat treatment of suspension springs of automobile suspension, FIG. 15 is a graph plotting the results of FIG. 14, and FIG. It is a chart of the endurance test data to the compressive residual stress of the surface. 12, 2, 3, 4,... Correspond to Table 1, and the extrusion conditions A, B, C, D,.
中空コイルばねに使用した試験材料は、懸架ばねの素材となるシームレスばね鋼管47が表1に示される状態で図11のA鋼、弁ばねの素材となるシームレスばね鋼管47が図9に示される状態(高清純度)で図11のB鋼である。
The test material used for the hollow coil spring is shown in FIG. 9 with the seamless
図12の懸架ばねの場合は、線径:φ10.0mm、穴径:φ5.0mm(肉厚2.5mm)、外側最大せん断応力:1,100MPa、熱処理後硬さ:Hv620の条件で試験した。押し出し条件2,3,4,5,6の何れも50万回の耐久で折損が無く、懸架ばねの要求耐久回数20〜30万回を大幅に上回った。
In the case of the suspension spring of FIG. 12, the test was performed under the conditions of wire diameter: φ10.0 mm, hole diameter: φ5.0 mm (wall thickness: 2.5 mm), outer maximum shear stress: 1,100 MPa, hardness after heat treatment: Hv620. .
図13の弁ばねの場合は、線径:φ5.6mm、穴径:φ2.8mm(肉厚1.4mm)、外側最大せん断応力:950MPa、熱処理後硬さ:Hv620の条件で試験した。押し出し条件A,B,Cの何れも3000万回の耐久で折損が無く、弁ばねの要求耐久回数1000万回を大幅に上回った。 In the case of the valve spring of FIG. 13, the test was performed under the conditions of wire diameter: φ5.6 mm, hole diameter: φ2.8 mm (wall thickness: 1.4 mm), outer maximum shear stress: 950 MPa, and hardness after heat treatment: Hv620. Extrusion conditions A, B, and C all had 30 million cycles of durability and no breakage, significantly exceeding the required 10 million cycles of valve springs.
図14の懸架ばねの場合は、加工後に熱処理により硬さを変えて試験したものであり、線径:φ10.0mm、穴径:φ5.0mm(肉厚2.5mm)、外側最大せん断応力:1,100MPa、押し出し温度:図9のEとした。 In the case of the suspension spring of FIG. 14, the hardness was changed by heat treatment after processing, and the wire diameter was φ10.0 mm, the hole diameter was φ5.0 mm (thickness 2.5 mm), and the outer maximum shear stress was: 1,100 MPa, extrusion temperature: E in FIG.
Hv620以上では、50万回の耐久で折損が無かった。Hv480では、1回目14,500回、2回目18,800回で外表面に折損が見られた。Hv505では、1回目198,000回、2回目215,000回で外表面に折損が見られた。Hv535では、1回目252,000回、2回目286,000回で外表面に折損が見られた。Hv580では、1回目407,000回、2回目472,000回で穴側表面に折損が見られた。これを、図15のようにプロットすると、Hv500に変曲点が存在し、熱処理後の硬さはHv500以上であるのがよい。 With Hv620 or more, there was no breakage after durability of 500,000 times. In Hv480, breakage was observed on the outer surface at the first 14,500 times and the second 18,800 times. In Hv505, breakage was observed on the outer surface in the first 198,000 times and the second 215,000 times. With Hv535, breakage was observed on the outer surface after the first 252,000 times and the second 286,000 times. With Hv580, breakage was observed on the hole side surface at the first 407,000 times and the second 472,000 times. When this is plotted as shown in FIG. 15, an inflection point exists in Hv500, and the hardness after heat treatment should be Hv500 or more.
図16の懸架ばねの場合は、線径:φ10.0mm、穴径:φ5.0mm(肉厚2.5mm)、外側最大せん断応力:1,100MPa、熱処理後硬さ:Hv580の条件で試験した。中空コイルばねの穴部の内表面に圧縮残留応力を付与していないBaseの場合、1回目407,000回、2回目472,000回で内表面に折損が見られた。これに対し、窒化処理、浸炭焼き入れ、ショット(内面ショット)により穴部の内表面に圧縮残留応力を付与した場合には、何れも50万回の耐久で折損が無く、懸架ばねの要求耐久回数20〜30万回を大幅に上回った。 In the case of the suspension spring of FIG. 16, the wire diameter: φ10.0 mm, hole diameter: φ5.0 mm (wall thickness: 2.5 mm), outer maximum shear stress: 1,100 MPa, hardness after heat treatment: Hv580 . In the case of Base in which compressive residual stress was not applied to the inner surface of the hole portion of the hollow coil spring, breakage was observed on the inner surface in the first 407,000 times and the second 472,000 times. On the other hand, when compressive residual stress is applied to the inner surface of the hole by nitriding, carburizing and quenching, or shot (inner surface shot), the durability is 500,000 times and there is no breakage, and the required durability of the suspension spring The number was significantly higher than the 200,000 to 300,000 times.
[具体例]
次に、本実施例に用いるのシームレスばね鋼管47およびその製造方法について、本実施例の要件を満たす具体例と本実施例の要件を満たさない比較例とを比較して説明する。
[Concrete example]
Next, the seamless
まず、鋼材として図11のB鋼として示す高強度ばね用鋼材を用いて試験No.1〜9に係る円筒状のビレットを作製した。これらのビレットは、外径143mm、内径52mmとなるよう作製した。そして、これらのビレットを、表1に示すように950〜1400℃の各温度で加熱した。そして、加熱した試験No.1〜9のビレットを、それぞれの温度(押出し温度)で熱間静水圧押出し装置により熱間静水圧押出し加工してシームレス鋼管を製造した。その後、試験No.1〜9のシームレス鋼管を680℃×16時間の球状化焼鈍処理後、ピルガーミル圧延および引き抜き加工を行い、外径10.6mm、内径5.9mmに伸展させた。そして、試験No.1〜9のシームレス鋼管を700℃×0.5時間加熱した後、これらを酸洗し、試験No.1〜9のシームレス鋼管とした。
First, using a steel material for high strength spring shown as steel B in FIG. Cylindrical billets according to 1 to 9 were produced. These billets were prepared to have an outer diameter of 143 mm and an inner diameter of 52 mm. And these billets were heated at each temperature of 950-1400 degreeC as shown in Table 1. And the heated test No. The billet of 1-9 was hot isostatically extruded by the hot isostatic extrusion apparatus at each temperature (extrusion temperature), and the seamless steel pipe was manufactured. Thereafter, test no. The
なお、熱間静水圧押出しを行う際の圧力媒体として、いずれも合成油をマトリックスとし二硫化モリブデン入りの潤滑油に黒鉛を混ぜた圧力媒体を用いた。 In addition, as a pressure medium at the time of hot isostatic extrusion, a pressure medium in which graphite was mixed with a lubricating oil containing molybdenum disulfide and a synthetic oil as a matrix was used.
このようにして作製した試験No.1〜9のシームレス鋼管に対して、非金属介在物の最大厚さ(μm)および単位面積当たりの個数(個数/100mm2)を測定し、さらに、押出性、肌荒れを評価した。
Test no. For the
非金属介在物の最大厚さ(μm)および単位面積当たりの個数(個数/100mm2)は、横断面を走査型電子顕微鏡で観察することによって測定した。 The maximum thickness (μm) of non-metallic inclusions and the number per unit area (number / 100 mm 2 ) were measured by observing the cross section with a scanning electron microscope.
押出性の評価は、熱間静水圧押出し加工の際に、これを問題なく実施できたものを「可能」と評価し、押出し抵抗が強すぎるなどの理由で熱間静水圧押出し加工をスムーズに実施できなかったものを「N.G」と評価した。 The evaluation of extrudability was evaluated as “possible” when the hot isostatic extrusion process was performed without problems, and the hot isostatic extrusion process was smoothed because the extrusion resistance was too strong. Those that could not be carried out were evaluated as “NG”.
肌荒れの評価は、試験No.1〜9のシームレス鋼管を目視検査することで行った。肌荒れがなかったものを「無し」と評価し、肌荒れが発生したものを「発生」と評価した。 The evaluation of rough skin was conducted according to Test No. 1 to 9 seamless steel pipes were visually inspected. Those without rough skin were evaluated as “None”, and those with rough skin were evaluated as “Generated”.
加熱温度条件と、測定結果および評価結果と、を表1に示す。
Table 1 shows heating temperature conditions, measurement results, and evaluation results.
表1に示すように、試験No.1(950℃)のときは、押出し抵抗が強く、熱間静水圧押出しを行うことができなかった(N.G)。 As shown in Table 1, test no. When it was 1 (950 ° C.), the extrusion resistance was strong, and hot isostatic extrusion could not be performed (NG).
試験No.2(1000℃)では、シームレス鋼管の非金属介在物の最大厚さが52μmと大きく、個数も32個/100mm2と多かった。 Test No. 2 (1000 ° C.), the maximum thickness of the non-metallic inclusions in the seamless steel pipe was as large as 52 μm, and the number was as large as 32 pieces / 100 mm 2 .
一方、押出し温度が1300℃以上である試験No.7〜9では、シームレス鋼管の非金属介在物の最大厚さが58μm以上と大きいか、または、非金属介在物の個数も42個以上/100mm2と多かった。また、肌荒れも発生していた。試験No.1、試験No.2、および試験No.7〜9は比較例であった。 On the other hand, test No. whose extrusion temperature is 1300 degreeC or more is shown. In Nos. 7 to 9, the maximum thickness of the non-metallic inclusions in the seamless steel pipe was as large as 58 μm or more, or the number of non-metallic inclusions was as large as 42 or more / 100 mm 2 . Moreover, rough skin was also generated. Test No. 1, test no. 2 and test no. 7 to 9 were comparative examples.
これに対し、押出し温度1050℃以上1300℃未満である試験No.3〜6では、非金属介在物の最大厚さが38μm以下と小さく、個数も20個以下/100mm2と少なかった。また、肌荒れも発生していなかった。試験No.3〜6は、実施例であった。
On the other hand, test No. which is
したがって、表面の平滑性を高めるためには、前記した熱間静水圧押出し工程でのビレットの押出し温度を1050℃以上1300℃未満に設定するのがよいことがわかった。特に、例えば、コイルばねなどとした場合に、コイルばねの耐久性に影響を及ぼす金属組織中の非金属介在物の個数、大きさの観点から、より確実にはその押出し温度を1050〜1250℃に設定するのが好適であることがわかった。また、さらに、治工具の損傷を考慮すると、低温側で押出し成形するのが有利であり、その押出し温度は、1050℃以上1200℃未満で設定するのがよく、さらに品質を重視するのであれば、1100℃以上1200℃未満に設定するのが好ましいことがわかった。 Therefore, in order to improve the smoothness of the surface, it has been found that the extrusion temperature of the billet in the hot isostatic extrusion process described above should be set to 1050 ° C. or higher and lower than 1300 ° C. In particular, for example, in the case of a coil spring, the extrusion temperature is more preferably 1050 to 1250 ° C. from the viewpoint of the number and size of non-metallic inclusions in the metal structure that affect the durability of the coil spring. It was found that it is preferable to set to. Further, considering the damage of jigs and tools, it is advantageous to extrude on the low temperature side, and the extrusion temperature should be set at 1050 ° C. or more and less than 1200 ° C. If the quality is more important. It was found that the temperature is preferably set to 1100 ° C. or higher and lower than 1200 ° C.
このような押出し温度の設定により、シームレス鋼管の表面を平滑にすることができる。 By setting such an extrusion temperature, the surface of the seamless steel pipe can be smoothed.
[実施例の効果]
以上、本実施例の中空コイルばね1は、加熱したばね鋼素材を液圧により押し出し加工して材料清浄度及び表面性状を高めたシームレスばね鋼管47を用いてコイル状の中空体に形成すると共に圧縮残留応力を付与する表面処理を施したため、圧縮残留応力を均一に付与し易く、中空ばねの材料強度が高く、高応力でもばねのへたり(永久変形)、折損が抑制されるため設計応力を高くすることができ、軽量化効果と耐疲労強度アップとの両立を図ることができる。
前記シームレスばね鋼管47は、前記のように中空ビレットに加工されたばね鋼素材を加熱して軟化させ、熱間静水圧押し出し加工を行ってシームレス管を製造し、該シームレス管に所定の径までの減面加工を行う。
即ち、熱間静水圧押し出し加工を行えば、ばね鋼素材を流動状態にして成形するので、例えば、外径が300mm以上の中空ビレットから直接例えば外径が30〜60mmのシームレス管を製造することが可能となる。
前記ばね鋼素材は、1050℃以上1300℃未満に加熱された状態で、熱間静水圧押し出し加工が行われるのがよい。これによって、ばね鋼素材は溶融していないが軟化状態にあり、超高圧下で流動性が確保される。
なお、ここでばね鋼素材としては、例えば、弁ばね用として使用する場合には清浄度に留意して溶製した図11に示すA鋼等を使用することが好ましい。この場合の非金属介在物の状態を図9の図表に示す。
中空ビレットに加工されたばね鋼素材を加熱して軟化させ、熱間静水圧押し出し加工を行ってシームレス管を製造するので、径の大きい中空ビレットから小径(例えば、30〜60mm)のシームレス管を製造でき、更にこのシームレス管を所定のサイズまで減面加工(例えば、ピルガーミル、引抜き、抽伸)を行うことができる。また、圧延と異なり工具との摩擦が少ない静水圧押し出し加工のため、前述の製造方法によって製造されるシームレス管は、美麗且つ表面結晶粒が、微細である。
従って、シームレスばね鋼管47の製造工程が全体として簡略化され、より高品質で安価に製造可能となり、実際に車両に管状ばねを使用することが可能となった。
このようにして製造されたシームレスばね鋼管47は、前記のように通常の線材より30%〜40%の軽量化が見込め、車両部品として使用する場合のβチタン合金と略同等の軽量化が図れる。
幾つかの自動車部品に適用された場合の効果について,以下に説明する。
まず、エンジン性能を向上させるためには、エンジンの限界回転数を上げて出力を向上させる方法や吸排気ポートの形状を改良するなどの手段で、出力特性などを改善する。その中で、エンジンの限界回転数を決定している要素として、動弁系の運動がその大きな制限要因となっている。カム経由で伝達されたクランクシャフトの回転運動はバルブの上下運動につながり、弁ばねは上下運動するバルブを押えつけて押し戻す役目をしている。故に、カムの回転運動に対して弁ばね自体の上下運動が追従できなくなった時点がエンジンの限界回転数となる。従って、性能を向上させるためには、スプリング荷重を上げるか、スプリングを含むバルブなどの往復運動部分の慣性重量を低減させることが、必要不可欠となる。上記を満足する為には、スプリング自体の重量を低減し、なお且つ、小型化を行い、同時にスプリング荷重を維持、向上する事が望ましい(例えば、軽量化による弁ばね固有振動数の上昇に伴う、エンジン限界回転数の上昇)。
弁ばねの慣性重量軽減による燃費改善効果は大きく、一般的にばね重量の20%削減に対して,約0.5〜1.0%の燃費改善が図れ、大きな効果が期待できる。
次に、自動車サスペションの懸架ばねは乗り心地やコーナリングなどの走行性能に大きな影響を与え、その車の商品性を決める大きな要因である。このサスペンション性能は車の基本構造の他、懸架ばねを含むサスペンションそのものの特性やタイヤ部分のばね下重量に大きく依存する。サスペンションに用いられる懸架ばねは、車の全車重を支えることから高荷重対応になっており、そのために重量も大きくなっている。そこで、エンジンの弁ばねと同様に同部品を軽量化できれば、ばね下重量の軽減が可能である。例えば、ばね下荷重の軽量化効果は、ボディ軽量化効果に換算すると10倍もの効果が得られる。また、構造全体の小型化にも繋がり、乗り心地だけでなく、新構造品の採用という商品力をも向上させる。
最後に、現在のモータースポーツは自動車会社のブランド向上のための強力なツールとして位置づけられており,そこで主要な地位を築くことは自動車会社にとって重要な戦略となっている。特に、モータースポーツで使用した技術を市販する事は,自動車にとって大きな付加価値向上につながり、商品性を高める。現在、そのモータースポーツのトップブランドであるWRC又はJGTCなどにおいては、ばねなどの重要部品は、量産市販車と同じ素材を使わなければならない事などが義務付けられている。その為、構造を変更することで機能向上が図れる中空ばねなどは、機能的付加価値が非常にわかりやすく、価値が高い。
[Effect of Example]
As described above, the
The seamless
That is, if hot isostatic pressing is performed, the spring steel material is formed in a fluid state, and thus, for example, a seamless pipe having an outer diameter of 30 to 60 mm is manufactured directly from a hollow billet having an outer diameter of 300 mm or more. Is possible.
The spring steel material is preferably subjected to hot isostatic pressing while being heated to 1050 ° C. or higher and lower than 1300 ° C. As a result, the spring steel material is not melted but is in a softened state, and fluidity is ensured under ultrahigh pressure.
Here, as the spring steel material, for example, when used for a valve spring, it is preferable to use steel A shown in FIG. The state of non-metallic inclusions in this case is shown in the chart of FIG.
The spring steel material processed into a hollow billet is heated and softened, and a seamless tube is manufactured by hot isostatic pressing, so a seamless tube with a small diameter (for example, 30-60 mm) is manufactured from a hollow billet with a large diameter. Furthermore, the seamless pipe can be reduced to a predetermined size (for example, pilger mill, drawing, drawing). In addition, the seamless tube manufactured by the above-described manufacturing method is beautiful and the surface crystal grains are fine because of the hydrostatic pressure extrusion process with little friction with the tool unlike rolling.
Therefore, the manufacturing process of the seamless
As described above, the seamless
The effects when applied to several automotive parts are described below.
First, in order to improve the engine performance, the output characteristics and the like are improved by a method such as increasing the engine speed limit to improve the output or improving the shape of the intake / exhaust port. Among them, the movement of the valve train is a major limiting factor as a factor that determines the engine speed limit. The rotational movement of the crankshaft transmitted via the cam leads to the vertical movement of the valve, and the valve spring serves to press and push back the valve that moves up and down. Therefore, the time when the vertical movement of the valve spring itself cannot follow the rotational movement of the cam is the engine limit speed. Therefore, in order to improve performance, it is indispensable to increase the spring load or reduce the inertia weight of a reciprocating part such as a valve including the spring. In order to satisfy the above, it is desirable to reduce the weight of the spring itself, reduce the size, and maintain and improve the spring load at the same time (for example, as the natural frequency of the valve spring increases due to weight reduction) Increase in engine speed limit).
The fuel efficiency improvement effect by reducing the inertia weight of the valve spring is large. Generally, the fuel efficiency can be improved by about 0.5 to 1.0% with respect to the 20% reduction of the spring weight, and a great effect can be expected.
Next, the suspension spring of automobile suspension has a great influence on driving performance such as ride comfort and cornering, and is a major factor in determining the merchandise of the car. This suspension performance depends largely on the characteristics of the suspension itself including the suspension spring and the unsprung weight of the tire portion in addition to the basic structure of the vehicle. Suspension springs used for suspension support high loads because they support the entire weight of the vehicle, and the weight is therefore increased. Therefore, if the same parts can be reduced in weight as in the case of engine valve springs, the unsprung weight can be reduced. For example, the lightening effect of the unsprung load can be obtained 10 times as much as the body lightening effect. It also leads to downsizing of the entire structure, improving not only the ride comfort but also the product power of adopting a new structure.
Finally, current motor sports are positioned as a powerful tool for improving the brands of automobile companies, and building a major position there is an important strategy for automobile companies. In particular, marketing technology used in motorsports will lead to significant added value for automobiles and increase merchantability. At present, WRC or JGTC, which is the top brand of motor sports, requires that important parts such as springs should be made of the same material as mass-produced commercial vehicles. For this reason, hollow springs and the like whose functions can be improved by changing the structure are very easy to understand and have high value.
図17は、本発明の実施例2に係り、中空コイルばねの断面図である。 FIG. 17 is a cross-sectional view of a hollow coil spring according to the second embodiment of the present invention.
本実施例の中空コイルばね1Aは、断面外形5に対する断面内形6の相対位置が、中空コイルばね1Aを構成する中空体のコイル径方向の外側へ偏心している。従って中空コイルばね1Aの内径側の肉厚t1が、外径側の肉厚t2を基準にして相対的に厚くなっている。
In the
かかる中空コイルばね1Aの断面外形5及び断面内形6の相対位置は、前記中空コイルばね1Aを構成する中空体のコイル径と材料硬度の設定及び素材状態での相対位置により確保した。
The relative positions of the cross-sectional
従って、本実施例では、実施例1の効果に加えて、中空コイルばね1Aの外径側よりも相対的に高い応力が働く内径側の強度をより高めることができ、耐久性を向上させることができる。
Therefore, in the present embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the strength on the inner diameter side on which relatively higher stress is exerted than the outer diameter side of the
図18は、本発明の実施例3に係り、中空コイルばねの断面図である。 FIG. 18 is a cross-sectional view of a hollow coil spring according to a third embodiment of the present invention.
本実施例の中空コイルばね1Bは、断面外形5及び断面内形6の形状が、共に楕円形であり断面が中空コイルばね1Bを構成する中空体のコイル軸心方向に扁平形状となっている。断面外形5及び断面内形6の楕円は同心である。
In the
かかる中空コイルばね1Bの断面外形5及び断面内形6の相対位置は、中空体のコイル径と材料硬度の設定により確保した。前記扁平断面形状は、シームレスばね鋼管47の圧延処理により実現した。
The relative positions of the cross-sectional
従って、本実施例では、実施例1の効果に加えて、中空コイルばね1Bの高さを低くでき、かつ内径側及び外径側の応力を等しくすることができる。
Therefore, in the present embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the height of the
図19は、その他の変形例を示し、(a)、(b)、(c)は、各変形例の要部断面図である。 FIG. 19 shows other modified examples, and (a), (b), and (c) are cross-sectional views of main parts of the modified examples.
図9(a)は、中空コイルばね1Cの断面外形5を楕円形の扁平形状とし、断面内形6を、真円形状にしたものである。
FIG. 9A shows a hollow coil spring 1C having a cross-sectional
図9(b)は、中空コイルばね1Dの断面外形5をコイル内径側の曲率半径が小さくなる卵形とし、断面内形6を、真円形状にしたものである。
FIG. 9B shows a
図9(c)は、中空コイルばね1Eの断面外形5を楕円形(又は真円形)を基本形状としてコイル軸方向両面を平坦に形成し、断面内形6を、楕円形(又は卵形)としたものである。断面外形5を矩形に形成することもできる。
FIG. 9C shows that the cross-sectional
本実施例では、何れにしても、中空コイルばね1B,1C,1D,1Eを構成する中空体の少なくとも断面外形が、非円形形状に形成されたものである。
In this embodiment, in any case, at least the cross-sectional outer shape of the hollow body constituting the
本発明は、曲げ部を有する棒状の中空体である中空スタビライザに適用することもできる。中空スタビライザは、棒状の本体部の両端部にアームを有しており、本体部及びアーム間に曲げ部を有している。中空スタビライザの成形は、実施例1のコイル成形工程13に代え、アームを形成する工程とする。中空スタビライザの曲げ部での断面形状は、中空コイルばね1,1A,1Bと同様に設定され、肉厚の調整は曲げ部の曲率半径の方向で行われる。断面の扁平は、中空スタビライザ全体でも良い。
The present invention can also be applied to a hollow stabilizer that is a rod-shaped hollow body having a bent portion. The hollow stabilizer has arms at both ends of a rod-shaped main body, and has a bent portion between the main body and the arm. The forming of the hollow stabilizer is a step of forming an arm instead of the
図20は、中空スタビライザの耐久試験データの図表である。線径:φ25.0mm、穴径:φ12.5mm(肉厚6.25mm)、外側最大主応力:±700MPa、穴側最大主応力:±450MPaとした。 FIG. 20 is a chart of endurance test data of the hollow stabilizer. Wire diameter: φ25.0 mm, hole diameter: φ12.5 mm (thickness 6.25 mm), outer maximum principal stress: ± 700 MPa, hole side maximum principal stress: ± 450 MPa.
従来のS40Cを用いた中空スタビライザは、硬さがHv420であり、1回目85,000回、2回目95,000回で外表面に折損が見られた。本発明実施例の中空スタビライザでは、硬さがHv515で、1回目246,000回、2回目313,000回で穴部の内表面(穴部表面)に折損が見られたが、従来品に対して約3倍の寿命を達成することができた。さらに、硬さがHv550、590の何れも50万回の耐久で折損は無かった。 The conventional hollow stabilizer using S40C had a hardness of Hv420, and the outer surface was broken in the first 85,000 times and the second 95,000 times. In the hollow stabilizer of the embodiment of the present invention, the hardness was Hv515, and the inner surface (hole surface) of the hole portion was broken in the first 246,000 times and the second time 313,000 times. In contrast, about three times the life could be achieved. Further, the hardnesses of Hv550 and 590 were durable for 500,000 times and there was no breakage.
従って、中空スタビライザの場合も、実施例1と同様な効果を奏することができる。 Therefore, also in the case of a hollow stabilizer, the same effect as Example 1 can be produced.
また、棒状ばねとしては、曲げ部を有さないトーションバーとして構成することもできる。 Moreover, as a rod-shaped spring, it can also be comprised as a torsion bar which does not have a bending part.
1,1A,1B 中空コイルばね
3 穴部
5 断面外形
6 断面内形
47 シームレスばね鋼管
1, 1A, 1B
Claims (14)
ことを特徴とする中空ばね。 A compressed spring residue is formed in a hollow body that is formed into a coil shape, a rod shape, or a rod shape having a bent portion using a seamless spring steel pipe extruded from a heated hollow spring steel material by hydraulic pressure in order to enhance material cleanliness and surface properties. A hollow spring characterized by a surface treatment for applying stress.
前記ばね鋼素材の加熱は、前記押し出し加工により肌荒れを生じない1050℃以上1300℃未満である
ことを特徴とする中空ばね。 The hollow spring according to claim 1,
The hollow spring according to claim 1, wherein the heating of the spring steel material is performed at 1050 ° C. or higher and lower than 1300 ° C. so as not to cause roughening by the extrusion process.
前記液圧は、静水圧である
ことを特徴とする中空ばね。 The hollow spring according to claim 1 or 2,
The hollow spring according to claim 1, wherein the hydraulic pressure is a hydrostatic pressure.
前記押し出し加工時に、油脂系に黒鉛を加えた潤滑剤を用いた
ことを特徴とする中空ばね。 The hollow spring according to claim 3,
A hollow spring characterized by using a lubricant in which graphite is added to an oil and fat system during the extrusion process.
前記コイル状又は棒状又は曲げ部を有する棒状の中空体の断面の肉厚t及び外径Dの比をt/D=0.10〜0.35に設定した
ことを特徴とする中空ばね。 A hollow spring according to any one of claims 1 to 4,
A hollow spring characterized in that the ratio of the thickness t and the outer diameter D of the cross-section of the coil-shaped, rod-shaped or rod-shaped hollow body having a bent portion is set to t / D = 0.10 to 0.35.
硬さがHV=500以上である
ことを特徴とする中空ばね。 A hollow spring according to any one of claims 1 to 5,
A hollow spring having a hardness of H V = 500 or more.
前記シームレスばね鋼管の少なくとも外表面を研削した
ことを特徴とする中空ばね。 A hollow spring according to any one of claims 1 to 6,
A hollow spring characterized in that at least an outer surface of the seamless spring steel pipe is ground.
前記表面処理は、前記中空体の外表面及び内表面に施した
ことを特徴とする中空ばね。 A hollow spring according to any one of claims 1 to 7,
The hollow spring according to claim 1, wherein the surface treatment is performed on an outer surface and an inner surface of the hollow body.
前記コイル状の中空体の断面外形及び断面内形又は棒状の中空体の曲げ部における断面外形及び断面内形の相対位置は、円形同心である
ことを特徴とする中空ばね。 A hollow spring according to any one of claims 1 to 8,
A hollow spring characterized in that the cross-sectional outer shape and inner cross-sectional shape of the coil-shaped hollow body or the relative positions of the cross-sectional outer shape and inner cross-sectional shape at the bent portion of the rod-shaped hollow body are circular concentric.
前記コイル状の中空体の断面外形及び断面内形又は棒状の中空体の曲げ部における断面外形及び断面内形の相対位置は、偏心している
ことを特徴とする中空ばね。 A hollow spring according to any one of claims 1 to 8,
The hollow spring characterized in that the relative positions of the cross-sectional outer shape and the inner cross-sectional shape of the coil-shaped hollow body or the cross-sectional outer shape and the inner cross-sectional shape of the bent portion of the rod-shaped hollow body are eccentric.
前記中空体の少なくとも断面外形が、非円形形状である
ことを特徴とする中空ばね。 A hollow spring according to any one of claims 1 to 8,
A hollow spring, wherein at least a cross-sectional outer shape of the hollow body is a non-circular shape.
前記シームレスばね鋼管の内周面又は外周面の少なくとも一方に形成された連続疵の深さが、前記内周面又は外周面から50μm以下である
ことを特徴とする中空ばね。 The hollow spring according to any one of claims 1 to 11,
A hollow spring, wherein a depth of a continuous rod formed on at least one of an inner peripheral surface or an outer peripheral surface of the seamless spring steel pipe is 50 μm or less from the inner peripheral surface or the outer peripheral surface.
前記シームレスばね鋼管は、金属組織中に非金属介在物を含有し、
管軸と直交方向における前記非金属介在物の最大厚さが50μm以下である
ことを特徴とする中空ばね。 The hollow spring according to any one of claims 1 to 11,
The seamless spring steel pipe contains non-metallic inclusions in the metal structure,
A hollow spring, wherein the maximum thickness of the non-metallic inclusions in a direction perpendicular to the tube axis is 50 μm or less.
前記シームレスばね鋼管の内周面又は外周面の少なくとも一方の表面粗度が、平均粗さRa=12.5μm以下である
ことを特徴とする中空ばね。
A hollow spring according to any one of claims 1 to 13,
The hollow spring characterized in that the surface roughness of at least one of the inner peripheral surface or the outer peripheral surface of the seamless spring steel pipe is an average roughness Ra = 12.5 μm or less.
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