JP4615208B2

JP4615208B2 - 弁ばねの製造方法

Info

Publication number: JP4615208B2
Application number: JP2003390245A
Authority: JP
Inventors: 礼光天野; 隆之榊原; 将見脇田
Original assignee: Chuo Hatsujo KK
Current assignee: Chuo Hatsujo KK
Priority date: 2002-11-20
Filing date: 2003-11-20
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2023-11-20
Also published as: JP2004183099A

Description

本発明は、自動車の内燃機関用の弁ばね及びその製造方法、特に表面窒化処理に関する。

弁ばねにおいて疲労強度を上げるには、表面硬さを上げることが有効である。従来より、疲労強度の向上を目的とした表面処理として、窒化が行われている。窒化処理は長い時間を要するので、低コスト化を図る上では窒化時間の短縮が大きな課題である。窒化時間を短縮する方法としては、窒化処理時の処理ガス(多くの場合、アンモニアガスが使用される)の濃度を上げ、窒素ポテンシャルを高める方法と、処理温度を上げる方法とがある。

窒素ポテンシャルを上げると、表面に窒化鉄(Fe₂N、Fe₃N等。以下、Fe_2-3Nと表す。)の化合物層が生成する。Fe_2-3Nは非常に硬いため、弁ばねのように繰り返し負荷を受ける部材に使用した場合には早期に亀裂が入り、弁ばね全体の破断に至る。特許文献１には、ばね鋼ではないが、ダイス鋼の窒化処理において生成される表面白層について記載されている。

一方、窒化処理は、弁ばね全体に対する熱処理(焼入れ・焼戻し)を施した後に行わなければならないが、窒化処理温度を上げると、焼戻しにより調整した素材の硬さが下がり、内部強度が低下するという問題がある。特許文献２には、510〜620℃の高温窒化処理が記載されている。そこで、現在、弁ばねの窒化処理は400〜500℃の低温で行われている。

特開平8-104973号公報特開平7-286256号公報野村、「材料とプロセス」(1996), 500 ヤー・デー・コガン「金属学と金属の熱処理」(1984), 10（Я.Д.КОГАН：Металловедение и термическая обработка металло）不二越表面強化研究会「知りたい表面強化」(1988), 101

本発明の目的は、弁ばねの素材鋼の化学成分に応じた最適な窒化処理条件(温度及び時間)を簡単に計算する方法を提供することである。この方法を用いることにより、素材の内部硬さを下げることなく、表面強化の効果を最大限に生かした窒化処理を行うことができ、高寿命の弁ばねを製造することができる。なお、計算に際しては、表面硬さをHv700以上、内部硬さをHv550以上、窒化深さを30μmとすることを目標とした。

本発明である弁ばねの製造方法は、重量比にしてC:0.50〜1.00%、Si:1.20〜2.50%、Mn:1.0%以下、Ni:0.5%以下、Cr:0.40〜1.50%を含有する鋼を素材とするコイルばねを、次式(1)〜(3)の全てを満足する温度T(絶対温度K)及び時間t(s)で窒化処理を施すことを特徴とする。
(1) (-1.60Si+0.20Cr+2.14)>=0の場合、T>{700-(1205Si+2.2Cr-867)}/(-1.60Si+0.20Cr+2.14)
(-1.60Si+0.20Cr+2.14)<0 の場合、T<{700-(1205Si+2.2Cr-867)}/(-1.60Si+0.20Cr+2.14)
(2) T<{550-(236Si+735)}/(-0.23Si-0.42)
(3) t>{0.015/exp((40.4C-2.8Mn-7.9Ni-21.5)-(254C-40.7Ni-96.4)*1000/R/T)}²

更に、0.5%以下のMo、0.60%以下のVが添加された鋼の場合は、次式を使用する。
(1) (-1.60Si+0.20Cr+2.14)>=0の場合、T>{700-(1205Si+2.2Cr-867)}/(-1.60Si+0.20Cr+2.14)
(-1.60Si+0.20Cr+2.14)<0 の場合、T<{700-(1205Si+2.2Cr-867)}/(-1.60Si+0.20Cr+2.14)
(2) (-0.23Si+1.85Mo-0.42)>=0の場合、T>{550-(236Si-1054Mo+735)}/(-0.23Si+1.85Mo-0.42)
(-0.23Si+1.85Mo-0.42)<0 の場合、T<{550-(236Si-1054Mo+735)}/(-0.23Si+1.85Mo-0.42)
(3) t>{0.015/exp((40.4C-2.8Mn-15.5V+17.2Mo-7.9Ni-21.5)-(254C-105V+127Mo-40.7Ni-96.4)*1000/R/T)}²

本発明に関しては、コガンが純鉄の場合について窒化相ごとに異なる拡散係数を与えて計算をしている(非特許文献２)。しかし、材料成分の影響を考慮に入れた場合の硬さ分布についてシミュレーションを行った例は見当たらない。

そこで、拡散層における窒素濃度分布と硬さ分布の類似性を利用して、硬さ分布を(1)表面硬さ、(2)内部硬さ、(3)窒化深さの3つのパラメータで表現し、実測値からの重回帰分析により材料成分の各パラメータに対する効果を求め、硬さ分布の予測式を作った。

以下に、これらのシミュレーションの方法及び結果をまとめて説明する。

１．窒化モデル
1.1 窒化
ガス窒化の反応式は(１)式のように表される。

(1)

1.2 拡散方程式
拡散による濃度変化は(２)式の拡散方程式で表現できる。

(2)
ここで、Cは窒素濃度、Dは窒素の拡散係数である。

1.3 相境界の移動
鋼は、それに含まれる窒素濃度により、α相(窒素を固溶)、γ'相(Fe₄N)、ε相(Fe_2-3N)の3つの窒化相が存在する。窒素ガスのポテンシャルが低い場合にはα相だけを考えればよいが、窒素ポテンシャルが高くなってくると、2つ以上の相異なる相が発生し、境界面が発生する。(図１)

相境界での窒素原子のやりとりに応じて相境界が移動し、移動速度は(３)式のように表現できる。

(3)
(3)式のξは相境界の位置を示し、添字の1,2は相境界を挟む2つの領域を示す。x>ξの領域を1、x<ξの領域を2として区別した。

1.4 純鉄中の窒素の拡散係数
一般的に拡散係数はD = D₀・exp(-Q/RT)・f(C)の形の式で表現される。ここで、振動数項D₀及び活性化エネルギーQは材質によって決まる係数であり、f(C)は濃度依存性がある場合の係数である。これらの値は、純鉄の場合について図２のような実験値が示されている。今回の計算では、図２の純鉄での窒素の拡散係数を用いて計算を行った。

1.5 各窒化相の固溶限(固溶窒素濃度)
計算における各窒化相の窒素の固溶限界値(上限値Max、下限値Min)は、純鉄の場合の値を用いた(図３)。

1.6 表面窒素濃度
窒化開始の時点では既に、雰囲気ガスと平衡な窒素濃度を持つ薄い窒化層が鋼表面に存在すると仮定した。

２．計算結果及び考察
2.1 濃度２段窒化(540℃×2時間)
NH₃＋H₂混合ガスのガス組成を、図４のパターン１(a)、パターン２(b)で変化させた。その場合の化合物層深さ及び拡散層深さの計算結果を図５に示す。

パターン１とパターン２で拡散層深さに差の出ない理由は、ガス雰囲気によらず、表面に化合物層がある限りは化合物層から拡散層へと窒素が供給され続けるためと考えられる。つまり、拡散層の成長は温度と時間だけで決まり、雰囲気ガスには影響を受けないと考えられる。

一方、化合物層の成長についてはパターンにより違いが見られ、パターン２の方がパターン１よりも約２倍の化合物層深さが得られた。パターン１と２の化合物層深さの比はガス組成NH₃100%の時間比とほぼ同じであることから、化合物層はNH₃ 100%の時の時間に比例して成長しているのではないかと推測される。

３．実験による検証
3.1 窒素濃度分布と硬さ分布の関係
拡散層に限定すれば、窒化による鋼の硬化は、鋼の格子に窒素原子が侵入して格子を歪ませることにより生じている。つまり窒素濃度が高い程、硬いという関係にある。窒素濃度と硬さの関係を図６に示す。窒素濃度の測定にはEPMAを用い、硬さ測定にはマイクロビッカース硬さ試験機を用いた。図６から判断すると、窒素濃度と拡散層の硬さには線形の相関があると思われる。

窒素濃度分布と硬さ分布に線形の相関があるとすれば、硬さ分布は濃度分布と同じく誤差関数で近似できるはずである。そこで硬さ分布を(４)式で近似する。

(4)
窒素濃度分布と硬さの相関は拡散層のみを考慮したものである。ここで、aは表面硬さ、bは内部硬さにそれぞれ対応し、[a-b]は表面硬さと内部硬さとの差を表す。

ここでの窒化深さの定義は、化合物層深さと拡散層深さを加えた深さである。硬さなどの基準を決めてグラフから窒化深さを読む方法では誤差が入りやすいので、誤差の影響を取り除くという観点から硬さ分布全体から深さを求めることにした。

3.2 計算の検証(濃度２段窒化)
シミュレーションで用いた窒化条件と同じ温度、同じ濃度パターンで、SAE9254相当にバナジウムを添加した鋼材を用いて窒化を行い、化合物層の厚さと拡散層の厚さを測定した。

まず、試料断面の硬さ分布をマイクロビッカース硬さ計にて荷重100gで測定し、測定した硬さ分布を(5)式で近似した時の2√(Dt)を窒化深さと定義した(図７)。次に、化合物層深さは図８の表面組織写真より測定した。そして、窒化深さから化合物層深さを差し引いて拡散層深さの実測値とした(図９)

実測値でもシミュレーションと同じように、拡散層深さにはあまり差がみられず、化合物層で約２倍程度の差が発生した。

シミュレーションの結果と実験結果とでは、化合物深さ・拡散層深さいずれにしても５倍程度の差があるが、これは計算の際に純鉄での窒素の拡散係数を用いて計算したためであり、実際には添加元素の影響を見積もる必要があると思われる。

４．濃度２段窒化のまとめ
・シミュレーションと実験を比較した結果、拡散層の成長、化合物層の成長ともに、似た傾向が見られ、シミュレーションの有効性が確認できた。
・濃度２段窒化により、拡散層を成長させつつ、化合物層の成長を抑えることが可能である。
・化合物層がある限りは、雰囲気のガス組成によらず、拡散層は成長する。
・化合物層は時間に比例して成長し、拡散層は時間の1/2乗に比例して成長する。

５．ばね材料成分の効果(重回帰分析)
ばねの窒化においては400℃〜500℃で窒化されることが多いので、各種ばね材において窒化温度400℃〜500℃、ガス組成アンモニア100％で窒化を行い、硬さ分布を特徴付けるパラメータa、b、2√(Dt)を、非線形最小二乗法による近似から求め、材料成分の影響を重回帰分析により計算した。

窒化に用いた材料は10鋼種である。材料の成分範囲を図１０に示す。

5.1 表面硬さ
表面硬さについて、材料成分の２次以上の項を無視して、材料成分の1次式で近似すると(５)式のように表現できる。

(5)
k_i ^a：各材料成分の表面硬さに対する効果
C_i：各材料成分の濃度[重量%]

有意性の低い成分を無視して重回帰分析を行った結果を図１１に示す。
Cr、Moには表面硬さを上げる傾向がある。

5.2 内部硬さ
内部硬さについても同様に重回帰分析を行った結果を図１２に示す。
Si、Moには、内部硬さの軟化を防ぐ傾向がある。

(6)
k_i ^b：各材料成分の内部硬さに対する効果

5.3 窒化深さ(拡散係数)
拡散係数は

(7)
の形で表される。拡散係数Dの対数が材料成分の1次式で近似
できるとした場合、拡散係数Dは材料成分の指数関数となるので、

(8)
図１３に示すように、Vは窒化深さを増加させる傾向がある。

以上の重回帰分析の結果をまとめると、弁ばねの窒化深さが30μm以上、表面硬さがHv700以上、内部硬さがHv550以上という条件を満たすためには、含有成分と窒化温度T(絶対温度K)及び時間t(秒)の関係は、次の3つの不等式を全て満たさなければならないことになる。
(-1.5985Si+0.202Cr+0.5238Mo+2.1414)T+
(1204.9Si+2.2Cr-867.4)>700 (9)
(-0.2275Si+1.8458Mo-0.4153)T+
(236.4Si-1053.6Mo+734.7)>550 (10)
2√(t)exp((40.4C-2.8Mn-15.5V+17.2Mo-7.9Ni-21.5)-
(253.5C-105.3V+127Mo-40.7Ni-96.4)*1000/R/T)>0.03 (11)
これらの式を変形することにより、第２発明が導かれたものである。

各パラメータ(表面硬さ、内部硬さ、窒化深さ)の実測値と予測式による計算値との比較を図１４に示す。実測値と予測値は非常に良く一致している。

６．まとめ
・表面の化合物層以外の硬さ分布は誤差関数で近似可能である。
・重回帰分析により硬さ分布の予測式を作った。
Cr、Moは表面硬さを上げる傾向がある。
Si、Moは内部硬さの軟化を防ぐ傾向がある。

窒化処理後の窒素濃度分布の模式図。純鉄の場合の各窒化相の拡散係数パラメータ値の表。純鉄の場合の各窒化相の固溶限界値の表。濃度２段窒化処理のパターン(a)及び単純窒化処理のパターン(b)の図。両パターンの化合物層深さと拡散層深さの計算値の表。鋼中の窒素濃度と硬さの関係のグラフ。試料表面断面の硬さ分布の測定値及びその近似曲線のグラフ。パターン１及びパターン２で窒化処理を行った試料の表面断面顕微鏡写真（×900）。パターン１及びパターン２で窒化処理を行った試料の化合物層深さ及び拡散層深さの実測値の表。重回帰分析で用いたばね材料成分の範囲を示す表。表面硬さに及ぼすSi、Cr、Moの効果を示すグラフ。内部硬さに及ぼすSi及びMoの効果を示すグラフ。拡散係数に及ぼすC、Mn、Mo、Vの効果を示すグラフ。求められた回帰式による予測値と実測値との対比を示すグラフ。

Claims

重量比にしてC:0.50〜1.00%、Si:1.20〜2.50%、Mn:1.0%以下、Ni:0.5%以下、Cr:0.40〜1.50%を含有する鋼を素材とするコイルばねを、次式(1)〜(3)の全てを満足する温度T(絶対温度K)及び時間t(s)で窒化処理を施すことを特徴とする弁ばねの製造方法。
(1) (-1.60Si+0.20Cr+2.14)>=0の場合、T>{700-(1205Si+2.2Cr-867)}/(-1.60Si+0.20Cr+2.14)
(-1.60Si+0.20Cr+2.14)<0 の場合、T<{700-(1205Si+2.2Cr-867)}/(-1.60Si+0.20Cr+2.14)
(2) T<{550-(236Si+735)}/(-0.23Si-0.42)
(3) t>{0.015/exp((40.4C-2.8Mn-7.9Ni-21.5)-(254C-40.7Ni-96.4)*1000/R/T)}²
重量比にしてC:0.50〜1.00%、Si:1.20〜2.50%、Mn:1.0%以下、Ni:0.5%以下、Cr:0.40〜1.50%、Mo:0.5%以下、V:0.60%以下を含有する鋼を素材とするコイルばねを、次式(1)〜(3)の全てを満足する温度T(絶対温度K)及び時間t(s)で窒化処理を施すことを特徴とする弁ばねの製造方法。
(1) (-1.60Si+0.20Cr+2.14)>=0の場合、T>{700-(1205Si+2.2Cr-867)}/(-1.60Si+0.20Cr+2.14)
(-1.60Si+0.20Cr+2.14)<0 の場合、T<{700-(1205Si+2.2Cr-867)}/(-1.60Si+0.20Cr+2.14)
(2) (-0.23Si+1.85Mo-0.42)>=0の場合、T>{550-(236Si-1054Mo+735)}/(-0.23Si+1.85Mo-0.42)
(-0.23Si+1.85Mo-0.42)<0 の場合、T<{550-(236Si-1054Mo+735)}/(-0.23Si+1.85Mo-0.42)
(3) t>{0.015/exp((40.4C-2.8Mn-15.5V+17.2Mo-7.9Ni-21.5)-(254C-105V+127Mo-40.7Ni-96.4)*1000/R/T)}²