JP4809579B2

JP4809579B2 - 弁ばね

Info

Publication number: JP4809579B2
Application number: JP2003376750A
Authority: JP
Inventors: 英利吉川; 将見脇田
Original assignee: Chuo Hatsujo KK
Current assignee: Chuo Hatsujo KK
Priority date: 2003-11-06
Filing date: 2003-11-06
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2023-11-06
Also published as: JP2005139508A

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。窒化処理を弁ばねの疲労強度向上に結びつけるためには、表面を十分窒化させることにより必要な硬さを確保することと、十分な窒化深さを確保することが必要である。
特開平9-112614号公報特開平5-156351号公報特開2003-193197号公報特許第3142689号公報特許第3006432号公報

現在、弁ばねの窒化には、処理の容易な、アンモニアガスを主体とする処理ガスを用いたガス軟窒化が主に用いられている。このガス軟窒化処理において十分な表面硬さ及び窒化深さを得るためには、最低でも2〜4時間の窒化を行う必要があるとされている（特許文献３）。しかし、従来、このような窒化処理において、表面に化合物層が生成することが問題となっている。化合物層とは、Fe_2-3N等の鉄−窒素化合物から成る層のことである。鉄−窒素化合物は非常に硬い物質であり、非常に脆い。弁ばねの表面にこのような鉄−窒素化合物層が存在すると、弁ばね使用時の極めて早期にその層に亀裂が発生し、それがその層の下の素地（ばね鋼層）にまで伝播して早期に弁ばねが折損するという問題を生ずる（特許文献２）。

表面におけるこのような鉄−窒素化合物の生成を防止するため、処理時の雰囲気の窒素濃度を２段に変化させるという方法が知られている（特許文献５）。すなわち、最初は高濃度のアンモニア雰囲気で窒化を行って十分な量の窒素を鋼中に浸入させ、その後、雰囲気のアンモニア濃度を下げることにより、最表面における鉄−窒素化合物の生成を防止するとともに、既に生成した鉄−窒素化合物を内部に向けて拡散させる。

しかし、このような処理は当然、長時間を要するため、通常の生産工程において採用することは、その箇所において生産能率を大きく低下させることにつながる。

本発明は、このような鉄−窒素化合物の生成を抑えつつ、従来よりも短時間で従来と同様若しくは従来以上の表面窒化硬さ及び窒化深さを得ることのできる窒化処理方法を提供するものである。

上記のような課題を解決するために成された本発明に係るばねの製造方法は、重量比にしてC:0.60〜0.75%、Si:1.20〜2.20%、Mn:0.30〜0.90%、Cr:0.40〜1.40％、Mo:0.05〜0.25％、V:0.05〜0.60％を含有し、残部Fe及び不可避不純物からなる鋼を素材とするコイルばねを、480℃〜500℃の間の温度で30分〜110分の間の時間だけ、アンモニアガスを主体とする処理ガスによる窒化処理を施し、その後ショットピーニングを施し、ショットピーニング後の窒素化合物層の厚さを0.1〜3μmとすることを特徴とする。

或いは、その鋼のCr及びVの含有量がCr:0.40〜1.00%、V:0.05〜0.25%であってもよい。

上記窒化処理後は、表面圧縮残留応力が1600MPa以上となるようにショットピーニングを施すことが望ましい。

そのショットピーニングは、３回以上施すことが望ましい。

そして、その第１回目のショットピーニングではφ0.5〜0.7mmの硬質ショット球を使用し、第２回目のショットピーニングではφ0.2〜0.4mmの硬質ショット球を使用し、第３回目のショットピーニングではφ0.15mm以下のショット球を使用することが望ましい。

上記のような課題を解決するために成された本発明に係る弁ばねは、重量比にしてC:0.60〜0.75%、Si:1.20〜2.20%、Mn:0.30〜0.90%、Cr:0.40〜1.40%、Mo:0.05〜0.25%、V:0.05〜0.60%を含有し、残部Fe及び不可避不純物からなる鋼を素材とし、コイリング・アンモニアガス窒化処理・ショットピーニング前の化合物層の厚さを2〜5μmとし、第１回目のショットピーニングではφ0.5〜0.7mmの硬質ショット球を使用し、第２回目のショットピーニングではφ0.2〜0.4mmの硬質ショット球を使用し、第３回目のショットピーニングではφ0.15mm以下のショット球を使用したショットピーニング後、表面から0.02mmの硬さがHv750以上、表面の窒素化合物層の平均厚さが0.1〜3μmであり、表面圧縮残留応力が1600MPa以上であることを特徴とする。

同様に、その素材鋼は、重量比にしてC:0.60〜0.75%、Si:1.20〜2.20%、Mn:0.30〜0.90%を含有する鋼であってもよい。

上記鋼は、更に、Cr:0.40〜1.40%、Mo:0.05〜0.25%、V:0.05〜0.60%のうちの1種又は2種以上を含有するものであってもよい。

或いは、上記鋼は、更に、Cr:0.40〜1.00%、Mo:0.05〜0.25%、V:0.05〜0.25%のうちの1種又は2種以上を含有するものであってもよい。

上記弁ばねはいずれも、窒化処理後に表面圧縮残留応力が1600MPa以上となるようにショットピーニングが施されていることが望ましい。

本発明に係る弁ばねの製造方法によると、弁ばねの最表面における窒素化合物層の生成が最小限に抑えられ、使用時のそこからの亀裂生成が抑制される。一方、所定の耐久性を確保するに必要な表面硬さ及び十分な窒素拡散層深さが得られるため、両効果が相まって、高い耐久性（疲労寿命）を持つ弁ばねを得ることができる。

発明を実施するための最良の形態及び効果

本発明に係る弁ばねの素材である鋼の各成分を上記のように規定したのは、次の理由からである。

C:0.60〜0.80%
炭素は鋼に強度を与えるために最も大きな影響を有する元素であり、本発明が目的とする高強度弁ばねとして十分な耐へたり性及び耐久性を有する程度の強度を与えるためには、0.60%以上含有していなければならない。しかし、0.80%を超えて含有させると、冷間成形が困難となる。また、靭性の低下による耐久性の低下も問題となる。
なお、上限を0.75%としたときでも、窒化処理により、必要な表面硬さを確保することができるほか、内部の硬さをやや下げ、より高い靭性を確保できるようになる。

Si:1.20〜2.20%
シリコンも炭素同様、鋼に強度を与える元素であるが、ばねの場合には、耐へたり性付与の効果が重要である。シリコン含有量が1.20%未満では、本発明が目的とする高強度弁ばねとして必要な耐へたり性を付与することができない。しかし、シリコンは同時に、加熱時の表面脱炭を助長する元素でもある。表面に最大の応力が加わる状態で使用されるばねの場合には、熱処理時の表面脱炭の生成に最も注意を払う必要がある。シリコン含有量が2.20%を超えると、熱処理（特に焼入れ加熱）時に、表面にフェライト脱炭が生成する可能性がある。

Mn:0.30〜0.90%
マンガンは、鋼に固溶してそれ自体でマトリックスの強度を上げる他、焼入性を向上させる効果も顕著に有する。ただし、オーステナイトを安定化させる効果も有するため、焼入れ後の残留オーステナイト量が増加する。マンガン含有量が0.30%未満では、本発明が目的とする高強度弁ばねとして必要な強度が得られない可能性がある。しかし、0.90%を超えて含有させると、熱処理後の残留オーステナイト量が多くなり、耐へたり性等に悪影響を
及ぼす可能性がある。

Cr:0.40〜1.40%
クロムはマンガンと同様、鋼に固溶してその強度を高めると共に、焼入性を向上させる。また、鋼に固溶した場合、その靭性を高める効果を有することが知られている。しかし、これもオーステナイトを安定化させる元素の一つであり、過度に添加すると熱処理後の残留オーステナイト量が増加する。本発明に係る弁ばねでは、特にその靭性向上効果を利用するためにクロムを添加したが、その含有量が0.40%未満では目的とする耐久性が得られない可能性がある。一方、1.40%を超えて添加しても、それ以上の靭性向上効果を望むことはできず、単にコストを増加させるのみである。また、熱処理後の残留オーステナイト量が増加し、前述のとおり耐へたり性に悪影響を及ぼす可能性がある。なお、他の元素（例えば炭素やマンガン）の含有量が高い場合には、上限を1.00%としてもその効果は十分発揮される。

Mo:0.05〜0.25%
モリブデンはそれ自身で鋼の強度を上げる他、焼入性向上の効果も大きい。これらの定性的効果はマンガンやクロムと同様であるが、その添加量はそれらよりも十分少なくてよい。本発明の素材鋼においてモリブデン含有量を0.05%以上としたのは、それ未満では本発明が目的とする十分な強度が得られないためであり、一方、0.25%を超えて添加してもその効果は飽和し、単にコストを増加させるに過ぎないためである。また、マンガン及びクロムと同様、熱処理後の残留オーステナイトを安定化するという悪影響についても考慮した。

V:0.05〜0.60%
バナジウムは鋼中において炭素と結合して炭化バナジウムとなるが、この炭化物は非常に微細であり、また、高温まで鋼中に固溶しない。従って、熱処理（オイルテンパー時の焼入れ）のための加熱に際して、オーステナイト結晶粒が成長することを防止し、鋼の靭性が低下するのを防止する効果がある。本発明においては、このバナジウムのオーステナイト結晶粒の粗大化防止効果に着目し、それを0.05〜0.60%添加することとした。これ未満では十分な量の炭化物が生成せず、このような結晶粒成長防止効果がほとんど期待できない。一方、結晶粒成長防止効果はこの上限値程度で十分発揮され、それを超えて添加すると逆にバナジウム炭化物自体が成長して大きくなり、耐久性（耐疲労性）に悪影響を与えるおそれがある。なお、クロム、モリブデン及びバナジウムは、いずれか1種のみでもよいが、複数種を添加した場合には、バナジウムの上限を0.25%としても構わない。

本発明においては、アンモニアガスを主体とする処理ガスによる窒化処理を用いるとともに、その処理時間を従来よりも短くするため、窒化処理温度を従来よりも高い480℃〜500℃とした。これにより、十分な窒素の拡散層深さが確保されるとともに、最表面における化合物層の形成が抑制される。具体的には、化合物層の平均厚さは5μm以下となり、表面硬さ（最表面から0.02mm内部の硬さ）をHv750以上とすることができる。なお、このように窒化処理した弁ばねに対してショットピーニング処理を施すことにより、表面の化合物層の一部が消滅するため、最終的には表面の化合物層の平均厚さは3μm以下となる。ショットピーニング処理は上記の通り３回以上施すことにより、表面の化合物層を十分に除去した上で、要求耐久性能を確保するために必要な圧縮残留応力（1600MPa以上）を確保することができるようになる。この３回以上のショットピーニングを行う際、各回に使用するショット球の種類を上記のように設定することにより、上記の表面化合物層除去及び圧縮残留応力付与という効果の他、ショット球自身の耐久性（寿命）を長くして、弁ばねの製造コストを低減することができるようになる。

本発明の一実施例である弁ばねの特性を調査した。図１に、試験を行った発明品及び従来品の素材鋼の主要化学成分（質量％）を示す。このような成分を有する線材を用いて、図２に示す工程で弁ばねを製造した。この工程において、窒化処理はアンモニアガス分率（容量）75%の窒化処理ガスを使用して、480℃で60分、90分、120分及び240分の４種行った。ショットピーニングは３回行い、第１段目にはφ0.6mmの硬質ショット球を、第２段目にはφ0.3mmの硬質ショット球を、そして第３段目のショットピーニングではφ0.10mmのショット球を使用した。

各発明品及び従来品の窒化処理後の窒化層の硬さ分布を図３に示す。いずれも表面硬さはHv850を超えており、また、Hv700以上である深さ（窒化層深さ）はいずれも0.03mm（30μm）を超えている。発明品の480℃×60分〜120分の窒化では、表面から0.02mmでの硬さがHv780以上となっているが、従来品ではHv700以下となっている。

発明品において、窒化処理時間を種々変化させ、ショットピーニング後の最表面の化合物層の平均厚さを測定した結果を図４に示す。窒化処理時間90分では化合物層の平均厚さはいずれも3μm以下となっている。120分を超えると3μm以上となり、240分では約5μmとなっている。窒化処理時間90分(発明品)と240分(従来品)の表面の顕微鏡写真を図５に示す。なお、このようにショットピーニング後の化合物層の厚さを0.1〜3μmとするためには、ショットピーニング前の化合物層の厚さを2〜5μmとしておく必要がある。

これら各種厚さの化合物層を有する発明品に３段ショットピーニングを施した後の表面圧縮残留応力の値を測定した結果を図６に示す。化合物層が厚くなるにつれ、表面圧縮残留応力は増加している。化合物層がない場合には、表面圧縮残留応力も低くなっている。

最後に、各種化合物層厚さを持つ発明品の耐久性試験を行った。その結果を図７に示す。化合物層の平均厚さが3μm以上となると、耐久性が低下する傾向が見られる。また、化合物層が全く無い場合にも十分な耐久性が得られない。

本発明の実施例である発明品及び従来品弁ばねの素材の化学成分。発明品及び従来品弁ばねの製造工程図。発明品及び従来品弁ばねの窒化処理後の表面硬さ分布。発明材弁ばねの、窒化処理時間と表面化合物層厚さの関係を示すグラフ。発明品及び従来品弁ばねの表面化合物層の顕微鏡写真。発明材弁ばねの、表面化合物層厚さとショットピーニング後の表面圧縮残留応力の関係を示すグラフ。発明材弁ばねの、表面化合物層厚さと耐久性の関係を示すグラフ。

Claims

重量比にしてC:0.60〜0.75%、Si:1.20〜2.20%、Mn:0.30〜0.90%、Cr:0.40〜1.40%、Mo:0.05〜0.25%、V:0.05〜0.60%を含有し、残部Fe及び不可避不純物からなる鋼を素材とし、コイリング・アンモニアガス窒化処理後、ショットピーニング前の化合物層の厚さを2〜5μmとし、第１回目のショットピーニングではφ0.5〜0.7mmの硬質ショット球を使用し、第２回目のショットピーニングではφ0.2〜0.4mmの硬質ショット球を使用し、第３回目のショットピーニングではφ0.15mm以下のショット球を使用したショットピーニング後、表面から0.02mmの硬さがHv750以上、表面の窒素化合物層の平均厚さが0.1〜3μmであり、表面圧縮残留応力が1600MPa以上であることを特徴とする弁ばね。
上記鋼のCr及びVの含有量がCr:0.40〜1.00%、V:0.05〜0.25%であることを特徴とする請求項１に記載の弁ばね。