JP5523241B2 - Spring and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、耐疲労性に優れたばねおよびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a spring excellent in fatigue resistance and a method for manufacturing the same.

たとえば、自動車のエンジン用弁ばねの材料は、JIS規格で炭素鋼オイルテンパー線(SWO−V)、Cr−V鋼オイルテンパー線(SWOCV−V)、Si−Cr鋼オイルテンパー線(SWOSC−V)などがあり、従来、耐疲労性や耐へたり性の観点からSi−Cr鋼オイルテンパー線が広く使用されている。近年、自動車の燃費向上のため弁ばねは軽量化が強く要求されており、素線の引張強さはばねの設計応力の増加を図るため上昇する傾向にある。しかしながら、JIS規格のオイルテンパー線のように、金属組織が焼戻しマルテンサイトの場合、素線の高強度化に伴い疵あるいは介在物等の欠陥に対する切欠き感受性が著しく増加するため、冷間ばね成形(コイリング)時の折損や、使用中に脆性的な破壊形態を示す傾向が強くなることが問題となっていた。   For example, the material of a valve spring for an automobile engine is JIS standard carbon steel oil temper wire (SWO-V), Cr-V steel oil temper wire (SWOCV-V), Si-Cr steel oil temper wire (SWOSC-V). Conventionally, Si—Cr steel oil tempered wires have been widely used from the viewpoint of fatigue resistance and sag resistance. In recent years, there has been a strong demand for weight reduction of valve springs in order to improve the fuel efficiency of automobiles, and the tensile strength of strands tends to increase in order to increase the design stress of the springs. However, when the metal structure is tempered martensite, such as JIS standard oil tempered wire, the notch susceptibility to defects such as wrinkles or inclusions increases remarkably as the strength of the wire increases. There has been a problem that breakage during (coiling) and a tendency to show a brittle fracture form during use become strong.

また、コイルばねにおいては、コイリング時に圧縮外力を受けた方向にはコイリング後に引張残留応力が発生し、コイリング時に引張外力を受けた方向にはコイリング後に圧縮残留応力が発生するため、素線の引張強さが高いほどこれら残留応力値が大きくなる傾向があった。さらに、コイルばねを圧縮変形させた場合、コイル内側は表面において最も高い引張応力が負荷されることが知られている。したがって、冷間成形したコイルばねを圧縮変形させる場合、コイル内側はコイリング後の引張残留応力に加え、ばね圧縮時の高い引張応力が作用し、疲労破壊の起点となる場合が多い。   Also, in coil springs, tensile residual stress is generated after coiling in the direction of compressive external force during coiling, and compressive residual stress is generated after coiling in the direction of tensile external force during coiling. These residual stress values tended to increase as the strength increased. Furthermore, it is known that when the coil spring is compressed and deformed, the highest tensile stress is applied to the inside of the coil on the surface. Therefore, when compressively deforming a cold-formed coil spring, the inside of the coil is often subjected to high tensile stress during spring compression in addition to the tensile residual stress after coiling, and often becomes the starting point of fatigue failure.

そのため、高い作用応力に対してコイルばねの耐疲労性を維持する必要があり、これに対する対応策としては素線表層に高い圧縮残留応力を深い範囲に亘って形成することが挙げられる。たとえば、ショットピーニングにより素線表層に圧縮残留応力を形成することで、ばねの耐疲労性を向上させることが広く行われてきた。   Therefore, it is necessary to maintain the fatigue resistance of the coil spring against a high acting stress, and a countermeasure for this is to form a high compressive residual stress in the surface layer of the wire over a deep range. For example, it has been widely practiced to improve the fatigue resistance of a spring by forming a compressive residual stress in the surface layer of the wire by shot peening.

しかしながら、近年、素線は高硬度化に伴い降伏強度が増加しているため、ショットピーニングにより与えられる表層の塑性ひずみ量は減少し、圧縮残留応力層(表面から圧縮残留応力がゼロとなる位置までの距離、以下、同様)を深く形成することが困難となりつつある。   However, in recent years, since the yield strength of strands has increased with the increase in hardness, the amount of plastic strain on the surface layer given by shot peening has decreased, and the compressive residual stress layer (position where the compressive residual stress is zero from the surface) It is becoming difficult to form a deep distance (hereinafter the same).

また、ショットピーニングにより最表層の圧縮残留応力を高めることにより、表面を起点とした早期折損は抑制されるものの、作用応力と残留応力の合成応力(素材内部が受ける正味応力)分布が素線の径方向で最大となる深さは、近年の設計応力の増加により、素線径や作用応力等によるが表面から200〜600μm程度の領域である。そして、その範囲の中に20μm程度の介在物が存在すると、介在物に、素材の疲労強度を上回り折損起点となる程度の応力集中が生じる。そこで、これらの課題を解決すべく以下の方法が提案されている。   Also, by increasing the compressive residual stress of the outermost layer by shot peening, early breakage starting from the surface is suppressed, but the combined stress (net stress received inside the material) distribution of acting stress and residual stress is The maximum depth in the radial direction is a region of about 200 to 600 μm from the surface, although it depends on the wire diameter and the acting stress due to the recent increase in design stress. If inclusions of about 20 μm are present in the range, stress concentration is generated in the inclusions so as to exceed the fatigue strength of the material and become a breakage starting point. In order to solve these problems, the following methods have been proposed.

特許文献1には、JIS規格鋼の化学成分にV等の元素を添加したオイルテンパー線材を用いて製造した耐疲労性に優れたばねが開示されている。しかしながら、このような添加元素は結晶粒の微細化等により鋼材の靭性を高め耐疲労性の向上に寄与するが、材料コストが高くなる問題があった。   Patent Document 1 discloses a spring having excellent fatigue resistance manufactured by using an oil tempered wire in which an element such as V is added to a chemical component of JIS standard steel. However, such an additive element contributes to the improvement of fatigue resistance by increasing the toughness of the steel material by refining crystal grains, but there is a problem that the material cost becomes high.

特許文献2には、Ba、Al、Si、MgまたはCaの添加量を調整した鋼材を用いて成形した疲労特性に優れたSiキルド鋼線ばねが開示されている。しかしながら、これら添加元素をバランスよく含有させるためには鋼精錬工程上の管理が著しく困難となり、結果的に高コストになってしまうことが推察される。   Patent Document 2 discloses a Si-killed steel wire spring having excellent fatigue characteristics formed by using a steel material in which the amount of addition of Ba, Al, Si, Mg or Ca is adjusted. However, in order to contain these additive elements in a well-balanced manner, it is presumed that management in the steel refining process becomes extremely difficult, resulting in high costs.

特許文献3には、鋼の化学成分を調整し、疲労起点となる介在物の大きさを小さくするとともに結晶粒径を小さくすること等により疲労強度に優れたばねが開示されている。そのようなばねでは、疲労強度の増加はみられるが、その疲労強度レベル(最大せん断応力τmax=約1200MPa)は、近年の軽量高強度弁ばねに要求される実用強度(τmax=約1300〜1400MPa)と比較して低い。   Patent Document 3 discloses a spring having excellent fatigue strength by adjusting the chemical composition of steel to reduce the size of inclusions that become fatigue starting points and to reduce the crystal grain size. In such a spring, an increase in fatigue strength is observed, but the fatigue strength level (maximum shear stress τmax = about 1200 MPa) is a practical strength (τmax = about 1300 to 1400 MPa) required for a light weight high strength valve spring in recent years. ) Is low.

また、特許文献3には、さらに高い疲労強度を得るために窒化処理を追加することが記載されている。しかしながら、窒化によって表面硬度の増加による耐疲労性の向上が見込めるものの、窒化処理後に疲労強度を低下させる原因となり得る表層の鉄窒素化物を完全に除去しなくてはならず、製造工程が複雑になり、かつ窒化処理費用も高いため結果的に高コストになる。   Patent Document 3 describes that a nitriding treatment is added to obtain higher fatigue strength. However, although nitriding is expected to improve fatigue resistance by increasing the surface hardness, it is necessary to completely remove iron nitride on the surface layer, which can cause a decrease in fatigue strength after nitriding, and the manufacturing process is complicated. And the cost of nitriding treatment is high, resulting in high cost.

特許文献4には、硬引線((フェライト+パーライト)組織またはパーライト組織の伸線加工線材)を用いて、コイルばね成形後におけるコイル内側とコイル外側の残留応力の差(残留応力差)を500MPa以下に制御することによって成される疲労強度に優れた硬引きばねが開示されている。特許文献4に開示された技術では、従来より広く使用されているオイルテンパー線を製造するために必要な焼入れ、焼戻し処理のコストを削減できるメリットはあるが、残留応力差を500MPa以下にするためには鋼の化学成分を調整する他に、ばね成形後400℃以上で焼鈍する必要があり、素材の強度が低下し、結果的に近年の要求に応えられる高強度のばねを得ることは困難であった。   In Patent Document 4, the difference (residual stress difference) between the coil inner side and the coil outer side after forming the coil spring (residual stress difference) is set to 500 MPa using a hard drawn wire ((ferrite + pearlite) structure or drawn wire with a pearlite structure). A hard spring having excellent fatigue strength, which is achieved by controlling the following, is disclosed. The technique disclosed in Patent Document 4 has an advantage of reducing the cost of quenching and tempering necessary for producing an oil tempered wire that has been widely used conventionally, but in order to reduce the residual stress difference to 500 MPa or less. In addition to adjusting the chemical composition of the steel, it is necessary to anneal at 400 ° C. or higher after forming the spring, which reduces the strength of the material and consequently makes it difficult to obtain a high-strength spring that can meet recent demands. Met.

特許文献5には、JIS規格のばね鋼の化学成分にMoやV等を加え、オーステンパー処理をした冷間成形性に優れた高疲労強度ばね用鋼線が開示されている。この技術は、降伏比(引張強度に対する降伏強度の割合)を0.85以下とすることで、冷間成形後に残留するコイル内側の引張残留応力を小さくすることを目的としたものである。しかしながら、降伏比が0.85以下の線材を用いてコイリングし、かつ、冷間成形後に焼鈍を行っても、冷間成形後に発生した引張残留応力を内部に亘って十分低下させることは難しく、その後ショットピーニングを行っても深い圧縮残留応力を形成することは困難であり、耐疲労性の向上にも限界があった。また、特許文献5は、ばね用鋼線の組織の構成や比率について記載していない。   Patent Document 5 discloses a high fatigue strength spring steel wire excellent in cold formability by adding Mo, V or the like to the chemical components of JIS standard spring steel and performing austempering treatment. This technique aims to reduce the tensile residual stress inside the coil remaining after cold forming by setting the yield ratio (ratio of yield strength to tensile strength) to 0.85 or less. However, even if coiling is performed using a wire having a yield ratio of 0.85 or less, and annealing is performed after cold forming, it is difficult to sufficiently reduce the tensile residual stress generated after cold forming over the inside, Even after shot peening, it was difficult to form a deep compressive residual stress, and there was a limit to improving fatigue resistance. Moreover, patent document 5 is not describing about the structure and ratio of the structure | tissue of the steel wire for springs.

特開昭64−83644JP-A 64-83644 特開2008−163423JP2008-163423 特開2005−120479JP 2005-120479 A 特許第4330306号Japanese Patent No. 4330306 特開平2−57637JP-A-2-57637

本発明は、上記従来技術の有する課題を解決するためになされたもので、材料コストの低減や製造工程の簡略化を図るとともに、耐疲労性に優れたばねおよびその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and aims to reduce the material cost and simplify the manufacturing process, and provide a spring excellent in fatigue resistance and a method for manufacturing the spring. And

本発明者等は、高強度弁ばねの疲労強度について鋭意研究した。その結果、コイリング後に発生する残留応力は、ばねの成分やコイリング後の焼鈍条件の調整によりある程度低減することは可能であるが、鋼の高強度を維持しつつ疲労に対して残留応力を無害化することは困難であることから、コイリング後にばねをオーステナイト化温度まで加熱し、コイリングで発生した残留応力を実質的にゼロとすることが有効であるとの考えに至った。また、オーステナイト化温度まで加熱したばねに対して、引き続きオーステンパー処理を特定の条件で行い、強度と延性及び靭性のバランスに優れた組織とすることで、母材自体の耐疲労性が向上することを見出した。さらに、ショットピーニングを行うことにより、素線表層の残留オーステナイトが加工誘起変態によりマルテンサイトに変態し、この変態が体積膨張を伴うため表層に高い圧縮残留応力が深く形成され、疲労き裂の進展を抑制し耐疲労性の向上に寄与することが判った。   The present inventors have intensively studied the fatigue strength of high-strength valve springs. As a result, the residual stress generated after coiling can be reduced to some extent by adjusting the spring components and annealing conditions after coiling, but the residual stress is made harmless against fatigue while maintaining high strength of steel. Therefore, it was considered effective to heat the spring to the austenitizing temperature after coiling so that the residual stress generated by coiling is substantially zero. In addition, the austenitizing temperature of the spring that has been heated to the austenitizing temperature is subsequently subjected to austempering treatment under specific conditions, and the fatigue resistance of the base material itself is improved by making the structure excellent in the balance between strength, ductility, and toughness. I found out. Furthermore, by performing shot peening, the retained austenite of the wire surface layer is transformed into martensite by the process-induced transformation, and this transformation is accompanied by volume expansion, resulting in the formation of high compressive residual stress in the surface layer and the development of fatigue cracks. It was found that this contributes to the improvement of fatigue resistance.

そして、本発明者等は、表層に高い圧縮残留応力が深く形成されたコイルばねは、素材としてJIS規格のオイルテンパー線やこれと同組成の硬引線等の低廉材を用いることができる他、適切な熱履歴条件を選定して所定の組織を構成するとともに合金元素の濃度の条件を満たせば、特に複雑な熱処理工程を用いず、後の工程で通常のショットピーニングを用いることにより製造できることを見出した。また、従来行われていた窒化処理を省略しても市場要求に応じた高耐疲労性を有することを見出し、処理コストの低減や工程の簡略化が図れることを見出した。   The inventors of the present invention can use a low-priced material such as a JIS standard oil tempered wire or a hard-drawn wire having the same composition as the coil spring in which a high compressive residual stress is deeply formed on the surface layer. If an appropriate thermal history condition is selected to constitute a predetermined structure and satisfy the alloy element concentration condition, it can be manufactured by using ordinary shot peening in a later process without using a particularly complicated heat treatment process. I found it. Further, it has been found that even if the conventional nitriding treatment is omitted, it has high fatigue resistance according to the market demand, and the processing cost can be reduced and the process can be simplified.

本発明のばねは、上記知見に基づいてなされたもので、質量%で、C:0.5〜0.7%、Si:1.0〜2.0%、Mn:0.1〜1.0%、Cr:0.1〜1.0%、P:0.035%以下、S:0.035%以下、残部が鉄及び不可避不純物からなる成分を有し、任意の横断面において、面積比率でベイナイトを65%以上、残留オーステナイトを4〜13%含む組織を有し、前記残留オーステナイト中の平均炭素濃度が0.65〜1.7%であり、任意の横断面において、該横断面の円相当直径をD(mm)としたときに、圧縮残留応力層が表面から0.35mm〜D/4の範囲まで形成され、その最大圧縮残留応力が800〜2000MPaであり、任意の横断面において、中心の硬さが550〜650HVであり、表面から深さ0.05〜0.3mmの範囲に、前記中心の硬さより50〜500HV大きい高硬度層が形成されていることを特徴とする。   The spring of the present invention was made on the basis of the above knowledge, and in mass%, C: 0.5 to 0.7%, Si: 1.0 to 2.0%, Mn: 0.1 to 1. 0%, Cr: 0.1-1.0%, P: 0.035% or less, S: 0.035% or less, the balance having a component composed of iron and inevitable impurities, It has a structure containing 65% or more of bainite and 4 to 13% of retained austenite, and the average carbon concentration in the retained austenite is 0.65 to 1.7%. When the equivalent circle diameter is D (mm), the compressive residual stress layer is formed from the surface to a range of 0.35 mm to D / 4, and the maximum compressive residual stress is 800 to 2000 MPa. , The hardness at the center is 550 to 650 HV, and the depth from the surface In the range of .05~0.3Mm, characterized in that 50~500HV large high hardness layer than the hardness of the center is formed.

また、本発明のばねの製造方法は、質量%で、C:0.5〜0.7%、Si:1.0〜2.0%、Mn:0.1〜1.0%、Cr:0.1〜1.0%、P:0.035%以下、S:0.035%以下、残部が鉄及び不可避不純物からなる成分を有する線材をばねの形状に成形する成形工程と、Ac3点〜(Ac3点+250℃)の温度でオーステナイト化した後、20℃/秒以上の速度で冷却し、Ms点〜(Ms点+60℃)の温度で400秒以上保持し、次いで20℃/秒以上の冷却速度で室温まで冷却する熱処理工程と、 熱処理後のばねにショットを投射するショットピーニング工程と備えたことを特徴とする。   Moreover, the manufacturing method of the spring of this invention is the mass%, C: 0.5-0.7%, Si: 1.0-2.0%, Mn: 0.1-1.0%, Cr: 0.1 to 1.0%, P: 0.035% or less, S: 0.035% or less, forming step of forming a wire having a component composed of iron and inevitable impurities into a spring shape, and Ac3 point After austenitizing at a temperature of ~ (Ac3 point + 250 ° C), cool at a rate of 20 ° C / second or more, hold at a temperature of Ms point to (Ms point + 60 ° C) for 400 seconds or more, and then 20 ° C / second or more And a shot peening step of projecting shots onto the spring after heat treatment.

ここで、Ac3点とは材料が加熱中にフェライト+オーステナイトの2相域からオーステナイト単相域に移行する境界温度であり、Ms点とは冷却中にマルテンサイトが生成を開始する温度である。また、本発明における「中心」とは、横断面が円形であれば円の中心であるが、例えば矩形や楕円形など円形でない場合には重心を意味する。   Here, the Ac3 point is a boundary temperature at which the material shifts from a ferrite + austenite two-phase region to an austenite single-phase region during heating, and the Ms point is a temperature at which martensite starts to form during cooling. The “center” in the present invention means the center of a circle if the cross section is circular, but means the center of gravity if it is not circular such as a rectangle or an ellipse.

本発明によれば、高価な合金元素を含有せず、入手が容易なJIS規格のばね鋼組成の素線を用い、複雑な熱処理や表面硬化処理を必要とせず、素線表層に高硬度層と厚い高圧縮残留応力層を有する耐疲労性に優れたばねを得ることができる。また、本発明のばねは、合金元素量が少なくリサイクル性にも優れ、かつ製造工程の簡略化や、処理時間の短縮化による生産性の向上や省エネルギー化が可能である。   According to the present invention, a strand of a spring steel composition of JIS standard that does not contain an expensive alloy element and is easily available, and does not require complicated heat treatment or surface hardening treatment, and has a high hardness layer on the surface of the strand. Thus, a spring having a thick high compressive residual stress layer and excellent fatigue resistance can be obtained. In addition, the spring of the present invention has a small amount of alloying elements and is excellent in recyclability, and can simplify the manufacturing process and improve productivity and save energy by shortening the processing time.

本発明の実施例において素線横断面の同一エリアにおける反射電子像による観察結果(a)、C元素マップによる測定結果(b)、結晶構造(相)マップによる測定結果(c)を示す組織図である。In the Example of this invention, the organization chart which shows the observation result (a) by the backscattered electron image in the same area of a strand cross section, the measurement result (b) by a C element map, and the measurement result (c) by a crystal structure (phase) map It is. 図1(b)のI〜ll線上のC濃度分析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the C density | concentration analysis result on the I-ll line | wire of FIG.1 (b).

まず、本発明に用いる鋼の化学成分の限定理由について説明する。なお、以下の説明において「%」は「質量%」を意味する。   First, the reasons for limiting the chemical components of the steel used in the present invention will be described. In the following description, “%” means “mass%”.

C:0.5〜0.7%
Cは、1800MPa以上の高強度を確保するためと、室温で所望の残留オーステナイト比率を得るために重要な元素であり、そのような効果を得るために0.5%以上含有させることが必要である。しかしながら、Cの濃度が過剰になると、軟質相である残留オーステナイト比率が増え過ぎて所望の強度を得ることが困難になるため、0.7%以下に抑える。
C: 0.5 to 0.7%
C is an important element for securing a high strength of 1800 MPa or more and for obtaining a desired retained austenite ratio at room temperature. In order to obtain such an effect, it is necessary to contain 0.5% or more. is there. However, when the concentration of C is excessive, the ratio of retained austenite, which is a soft phase, is excessively increased and it becomes difficult to obtain a desired strength.

Si:1.0〜2.0%
Siは、ベイナイトの構成要素であるベイニティックフェライトからオーステナイトへCが排出される際にオーステナイト地からの炭化物の生成を抑制する作用を持ち、本発明の要件にあるCが高濃度で固溶した残留オーステナイトを得るためには不可欠の元素である。また固溶強化に寄与する元素であり、高強度を得るために有効な元素である。そのような効果を得るために、Siの濃度は1.0%以上必要である。しかしながら、Siの濃度が過剰であると、軟質な残留オーステナイト比率が高くなり、逆に強度の低下を招くため2.0%以下に抑える。
Si: 1.0-2.0%
Si has the effect of suppressing the formation of carbides from austenite when C is discharged from bainitic ferrite, which is a constituent of bainite, to austenite, and C, which is a requirement of the present invention, is dissolved in a high concentration. It is an indispensable element to obtain retained austenite. It is an element that contributes to solid solution strengthening and is an effective element for obtaining high strength. In order to obtain such an effect, the Si concentration needs to be 1.0% or more. However, if the Si concentration is excessive, the soft retained austenite ratio increases and conversely causes a decrease in strength, so it is suppressed to 2.0% or less.

Mn:0.1〜1.0%
Mnは、精錬中の脱酸元素として添加されるが、オーステナイトを安定化させる元素でもあるため、本発明で規定する残留オーステナイトを得るためには、Mnは0.1%以上含有させることが望ましい。一方、Mnの濃度が過剰であると偏析が生じ加工性が低下しやすくなるため、1.0%以下に抑える。
Mn: 0.1 to 1.0%
Mn is added as a deoxidizing element during refining, but is also an element that stabilizes austenite. Therefore, in order to obtain retained austenite specified in the present invention, Mn is preferably contained in an amount of 0.1% or more. . On the other hand, when the concentration of Mn is excessive, segregation occurs and the workability is liable to be lowered.

Cr:0.1〜1.0%
Crは、鋼材の焼入れ性を高めて高強度化を促進する元素である。また、Crは、パーライト変態を遅延させる作用もあり、オーステナイト化加熱後の冷却時に安定してベイナイト組織を得る(パーライト組織を抑制する)ことができるため、Crは0.1%以上含有させることが望ましい。ただし、1.0%を超えて含有すると鉄炭化物を生じ易くなり、残留オーステナイトが生じ難くなるため、1.0%以下に抑える。
Cr: 0.1 to 1.0%
Cr is an element that enhances the hardenability of the steel material and promotes higher strength. In addition, Cr also has an effect of delaying pearlite transformation, and can stably obtain a bainite structure (suppress pearlite structure) during cooling after austenitizing heating, so Cr should be contained by 0.1% or more. Is desirable. However, if the content exceeds 1.0%, iron carbide tends to be generated, and retained austenite is less likely to be generated.

P,S:0.035%以下
PおよびSは、粒界偏析による粒界破壊を助長する元素であるため、低い方が望ましく、上限を0.35%とする。P,Sの濃度は、好ましくは、0.01%以下である。
P, S: 0.035% or less P and S are elements that promote grain boundary fracture due to grain boundary segregation, so a lower value is desirable, and the upper limit is set to 0.35%. The concentration of P and S is preferably 0.01% or less.

次に、任意の横断面における組織の面積比率の限定理由について説明する。なお、「横断面」とは、ばねの素線の長手方向と直交する断面をいう。   Next, the reason for limiting the area ratio of the tissue in an arbitrary cross section will be described. The “transverse section” refers to a cross section orthogonal to the longitudinal direction of the spring wire.

ベイナイト:65%以上
ベイナイトとは、オーステナイト化された鋼材を550℃程度以下でマルテンサイト変態開始温度を超える温度域にて等温変態させることによって得られる金属組織であり、ベイニティックフェライトと鉄炭化物で構成される。素地のベイニティックフェライトは転位密度が高く、また鉄炭化物は析出強化効果があるため、ベイナイト組織をもって強度を高めることができる。さらに、本発明の製造方法では、Si濃度の高い鋼を用い、かつ、Ms点〜(Ms点+60℃)に保持することにより、鉄炭化物の粗大化が抑制されるため、ベイナイト組織は鉄炭化物がベイニティックフェライト地に微細析出した構造となり、粒界強度の低下が少なく高強度であっても延靭性の低下が小さい。このように、ベイナイトは高強度と高延性を得るために不可欠な組織であり、その面積比率は高いほど望ましく、本発明に規定する高強度高延性を得るためには65%以上が必要である。一方、等温保持中の未変態オーステナイトは、その後室温まで冷却されることによりマルテンサイトや残留オーステナイトとなる。ベイナイト面積比率が65%未満となる条件は、等温保持時間が短いことを意味し、その段階での未変態オーステナイト中のCの濃縮度は小さいため、その後の冷却によりマルテンサイト比率が高くなる。したがって、ベイナイト面積比率が65%未満となる場合は、マルテンサイト比率が高くなるため高強度は得られるが、切欠き感受性が著しく高くなるため、優れた耐疲労性を得ることはできない。
Bainite: 65% or more Bainite is a metal structure obtained by isothermally transforming an austenitic steel material at a temperature range of about 550 ° C. or less and exceeding the martensitic transformation start temperature. Bainitic ferrite and iron carbide Consists of. The base bainitic ferrite has a high dislocation density, and the iron carbide has a precipitation strengthening effect, so that the strength can be increased with a bainite structure. Furthermore, in the production method of the present invention, the use of steel with a high Si concentration and holding at the Ms point to (Ms point + 60 ° C.) suppresses the coarsening of the iron carbide. Has a finely precipitated structure on the bainitic ferrite ground, and the decrease in grain boundary strength is small and the decrease in ductility is small even at high strength. Thus, bainite is an indispensable structure for obtaining high strength and high ductility, and its area ratio is preferably as high as possible. In order to obtain high strength and high ductility as defined in the present invention, 65% or more is necessary. . On the other hand, the untransformed austenite during isothermal holding becomes martensite and retained austenite by cooling to room temperature thereafter. The condition that the bainite area ratio is less than 65% means that the isothermal holding time is short. Since the concentration of C in the untransformed austenite at that stage is small, the martensite ratio is increased by subsequent cooling. Therefore, when the bainite area ratio is less than 65%, the martensite ratio is high, so that high strength is obtained, but notch sensitivity is remarkably increased, so that excellent fatigue resistance cannot be obtained.

残留オーステナイト:4%〜13%
残留オーステナイトは、TRIP(Transformation-induced plasticity;変態誘起塑性)現象による延性及び靭性の増加に起因した切欠き感受性の低減に有効である。また、残留オーステナイトは、き裂先端の応力集中部で加工(または歪み)誘起マルテンサイト変態(Deformation (Strain) Induced Martensitic Transformation)により体積膨張し、その周囲の拘束力によって圧縮応力が働き、応力集中度を軽減することでき裂の進展速度を低下させる作用があると考えられる。さらに、残留オーステナイトは、ショットピーニング工程で加工誘起変態によりマルテンサイトに変態する。このとき体積膨張を伴うため、表層に高い圧縮残留応力を深く形成することができる。残留オーステナイト比率は、ショットピ−ニングによる表面加工層では内部よりも低くなっているが、上記したき裂の進展の抑制効果を発揮するには任意の横断面において4%以上必要であり、過剰であると材料強度の低下が著しいため、13%以下に抑える。
Residual austenite: 4% to 13%
Residual austenite is effective in reducing notch sensitivity due to increased ductility and toughness due to the TRIP (Transformation-induced plasticity) phenomenon. Residual austenite expands in volume due to deformation (strain) induced martensitic transformation at the stress concentration part at the crack tip, and compressive stress acts by the surrounding restraint force, stress concentration. It is thought that there is an effect that the degree of crack growth can be reduced and the crack growth rate is reduced. Further, the retained austenite is transformed into martensite by processing-induced transformation in the shot peening process. At this time, since volume expansion is accompanied, high compressive residual stress can be deeply formed on the surface layer. The retained austenite ratio is lower than the inside in the surface processed layer by shot peening, but 4% or more is required in an arbitrary cross section to exhibit the above-described effect of suppressing crack propagation, If there is, the material strength is remarkably lowered, so it is suppressed to 13% or less.

残留オーステナイト中の平均C濃度:0.65%〜1.7%
残留オーステナイトは、そのC濃度が高いほど加工誘起マルテンサイト変態を開始する引張ひずみが高いため、結果的に高い延性及び靭性に起因した切欠き感受性の低下に寄与する。また、残留オーステナイトの加工誘起マルテンサイト変態における体積膨張率は、残留オーステナイトのC濃度が高いほど大きく、き裂先端における応力集中の緩和や高く深い圧縮残留応力の生成を促進するため、耐疲労性の向上により有効であると考えられる。残留オーステナイト中の平均C濃度は、後述する圧縮残留応力分布(800MPa以上の最大圧縮残留応力)を得るため0.65%以上必要である。一方、残留オーステナイト中のC濃度が高くなり過ぎると残留オーステナイトは著しく安定化し、これにより加工誘起変態しないまま単なる軟質相としてのみ作用するため1.7%を上限とする。
Average C concentration in retained austenite: 0.65% to 1.7%
Residual austenite has a higher tensile strain that initiates work-induced martensitic transformation as its C concentration increases, and consequently contributes to a reduction in notch sensitivity due to high ductility and toughness. In addition, the volume expansion coefficient in the processing-induced martensitic transformation of retained austenite increases as the C concentration of retained austenite increases, which promotes relaxation of stress concentration at the crack tip and generation of high deep compressive residual stress. It is thought that it is effective by improvement of. The average C concentration in the retained austenite needs to be 0.65% or more in order to obtain a compressive residual stress distribution (maximum compressive residual stress of 800 MPa or more) described later. On the other hand, if the C concentration in the retained austenite becomes too high, the retained austenite is remarkably stabilized, so that it acts only as a soft phase without any processing-induced transformation, so that the upper limit is 1.7%.

次に、ばねの横断面における諸特性の限定理由について説明する。
表層の圧縮残留応力分布
表層の圧縮残留応力は主にショットピーニングにより与えられる。ただし、本発明では通常のショットピーニングで得られる圧縮残留応力に加え、素材に存在する残留オーステナイトの加工誘起マルテンサイト変態によりさらに高い圧縮残留応力が深く形成される。表層の圧縮残留応力層の深さは、横断面の円相当直径をD(mm)としたときに、表面から0.35mm〜D/4とする。これは、表面から深さ200μm〜D/4程度の範囲は、例えば、ばね素線径が1.5〜15mmの範囲において、外部負荷による作用応力と残留応力との合成応力を考慮すると、疲労破壊の起点となりやすい箇所であるため、本厚さが0.35mm未満では内部起点の疲労破壊を抑制するには不十分である。また、本圧縮残留応力層の厚さが厚過ぎると、鋼材全体の応力バランスを維持するために、圧縮残留応力がゼロとなる深さ(クロッシングポンイント)よりさらに内側に存在する引張残留応力が著しく高くなり、この引張残留応力が外部負荷によりばね素線に発生する引張応力に加わってき裂の発生を促進するため、D/4を上限とする。
Next, the reasons for limiting the characteristics in the cross section of the spring will be described.
Compressive residual stress distribution on the surface layer The compressive residual stress on the surface layer is mainly given by shot peening. However, in the present invention, in addition to the compressive residual stress obtained by ordinary shot peening, a higher compressive residual stress is formed deeply by the processing-induced martensitic transformation of residual austenite present in the material. The depth of the compressive residual stress layer of the surface layer is set to 0.35 mm to D / 4 from the surface when the equivalent circle diameter of the cross section is D (mm). This is because, in the range of about 200 μm to D / 4 from the surface, for example, when the spring element wire diameter is in the range of 1.5 to 15 mm, the combined stress of the acting stress and the residual stress due to the external load is considered. Since this is a location that tends to be a starting point of fracture, if the thickness is less than 0.35 mm, it is insufficient to suppress fatigue fracture at the internal starting point. If the compressive residual stress layer is too thick, in order to maintain the stress balance of the entire steel material, there is a tensile residual stress that exists further inside than the depth (crossing point) where the compressive residual stress becomes zero. Since this tensile residual stress is added to the tensile stress generated in the spring element wire by an external load and promotes the generation of cracks, D / 4 is made the upper limit.

上記圧縮残留応力層の最大圧縮残留応力は800〜2000MPaとする。表層の最大圧縮残留応力は疲労き裂の発生および進展を抑制するために高いことが望ましく、高設計応力で使用することを考慮すると、最大値は800MPa以上必要である。一方、表層の最大圧縮残留応力が著しく高い場合、前述したようにクロッシングポイントより深い内部での応力バランスに起因した引張残留応力により内部破壊が発生する恐れが強まるため、2000MPaを上限とする。   The maximum compressive residual stress of the compressive residual stress layer is 800 to 2000 MPa. The maximum compressive residual stress of the surface layer is desirably high in order to suppress the generation and propagation of fatigue cracks, and the maximum value needs to be 800 MPa or more in consideration of use at a high design stress. On the other hand, when the maximum compressive residual stress of the surface layer is remarkably high, the risk of internal fracture due to the tensile residual stress due to the stress balance inside deeper than the crossing point increases as described above, so 2000 MPa is set as the upper limit.

硬度分布
ばねの中心(重心)の硬さはばねに必要な荷重に耐え得る強度を確保するために550HV以上必要である。一方、硬さが過剰に高い場合は、一般に伸びが小さくなるとともに鋼材自体の切欠き(き裂)感受性が増加し、疲労強度が低下する恐れがあるため、650HV以下に抑える。一方、ばねの表層の高硬度層はき裂の発生を抑制するために効果的であり、中心(重心)の硬さより50HV以上大きいことが必要である。しかし、高硬度層の硬さが高過ぎると脆くなるため、増加幅の上限は500HV以下である。さらに上記高硬度層の厚さは、き裂の発生を抑制するため0.05mm以上必要であるが、厚過ぎると鋼材自体の靭性低下を招くため0.3mm以下に抑制する。
The hardness of the center (center of gravity) of the hardness distribution spring needs to be 550 HV or more in order to ensure the strength that can withstand the load required for the spring. On the other hand, when the hardness is excessively high, the elongation is generally reduced and the notch (crack) sensitivity of the steel material itself is increased, and the fatigue strength may be lowered. On the other hand, the high hardness layer on the surface layer of the spring is effective for suppressing the occurrence of cracks, and is required to be 50 HV or more larger than the hardness of the center (center of gravity). However, if the hardness of the high hardness layer is too high, it becomes brittle, so the upper limit of the increase width is 500 HV or less. Further, the thickness of the high hardness layer is required to be 0.05 mm or more in order to suppress the occurrence of cracks, but if it is too thick, the toughness of the steel material itself is reduced, so that it is suppressed to 0.3 mm or less.

なお、本発明では、必須ではないがマルテンサイトを含むことができ、所望の引張強さを確保する場合に面積比率で5〜30%存在させることができる。マルテンサイトの面積比率が30%を超えると高強度は得られるが、切欠き感受性が高くなるため、優れた耐疲労性を得ることはできない。   In the present invention, although not essential, martensite can be included, and when a desired tensile strength is ensured, the area ratio can be 5 to 30%. When the area ratio of martensite exceeds 30%, high strength can be obtained, but notch sensitivity becomes high, so that excellent fatigue resistance cannot be obtained.

次に本発明のばねを製造する方法について説明する。本発明においては、上記化学成分の鋼材に対し、コイリング工程の後、ばねの両端面を研削する座研磨工程後、Ac3点〜(Ac3点+250℃)の温度でオーステナイト化後、20℃/秒以上の速度で冷却し、Ms点〜(Ms点+60℃)の温度で400秒以上保持し、次いで20℃/秒以上の冷却速度で室温まで冷却する熱処理工程の後、ショットピーニング工程を行うことによって製造される。Ac3点以上に加熱する前の鋼の組織については特に制限されない。例えば、熱間鍛造や線引き加工した条鋼材を素材として使用できる。以下、各工程について説明し、必要に応じて限定理由を述べる。   Next, a method for manufacturing the spring of the present invention will be described. In the present invention, the steel material having the above chemical composition is subjected to a coiling process, a seat polishing process for grinding both end faces of the spring, austenitized at a temperature of Ac3 point to (Ac3 point + 250 ° C.), and then 20 ° C./second. Cooling at the above speed, holding at a temperature of Ms point to (Ms point + 60 ° C.) for 400 seconds or longer, and then performing a shot peening step after a heat treatment step of cooling to room temperature at a cooling rate of 20 ° C./second or higher. Manufactured by. There is no particular limitation on the structure of the steel before heating to Ac3 point or higher. For example, a hot-forged or drawn steel strip can be used as the material. Hereinafter, each process will be described, and the reasons for limitation will be described as necessary.

コイリング工程
コイリング工程は、所望のコイル形状に冷間成形する工程である。成形方法はばね形成機(コイリングマシン)を用いる方法や、芯金を用いる方法等を利用すればよい。
Coiling process The coiling process is a process of cold forming into a desired coil shape. As a forming method, a method using a spring forming machine (coiling machine), a method using a cored bar, or the like may be used.

座面研磨工程
本工程は、ばねの両端面をばねの軸芯に対して直角な平面になるように研削するものであり、必要に応じて行う。
Seating surface polishing step This step is to grind both end surfaces of the spring so as to be a plane perpendicular to the axis of the spring, and is performed as necessary.

熱処理工程
コイリング後のばねをオーステナイト化後、冷却して等温保持し、その後冷却する処理である。等温保持は例えばソルトバスにばねを浸漬することで行うことができるが、それに限定されるものではなく鉛浴を用いるなど任意の方法を適用することができる。オーステナイト化を行う前の鋼の組織については特に制限されない。たとえば、熱間鍛造や線引き加工した条鋼材を素材として使用できる。オーステナイト化の温度は、Ac3点〜(Ac3点+250℃)である。Ac3点未満ではオーステナイト化せず、所望の組織を得ることができない。また、(Ac3点+250℃)を超える温度では、旧オーステナイト粒径が粗大化しやすくなり、延性の低下を招く恐れがある。
This is a treatment in which the spring after coiling is austenitized, cooled and kept isothermal, and then cooled. The isothermal holding can be performed, for example, by immersing a spring in a salt bath, but is not limited thereto, and any method such as using a lead bath can be applied. There are no particular restrictions on the structure of the steel before austenitization. For example, it is possible to use a hot-forged or drawn steel bar material as a raw material. The austenitizing temperature is from Ac3 point to (Ac3 point + 250 ° C.). If it is less than Ac3 point, it does not become austenite and a desired structure cannot be obtained. On the other hand, when the temperature exceeds (Ac3 point + 250 ° C.), the prior austenite grain size tends to be coarsened, which may cause a decrease in ductility.

オーステナイト化後に等温保持する温度までの冷却速度は速いほど良く、20℃/秒以上の冷却速度で行う必要があり、好ましくは50℃/秒以上である。この冷却速度が20℃/秒未満では、冷却途中でパ−ライトが生成し、本発明で規定する組織構成を得ることができない。等温保持する温度はMs点〜(Ms点+60℃)である必要があり、これは本発明のばねの製造方法として非常に重要な制御因子である。Ms点未満では変態初期に生成するマルテンサイトが延性の向上を阻害するほか、本発明で規定するベイナイト比率を得ることができない。一方、等温保持する温度が(Ms点+60℃)を超える場合は、残留オーステナイト比率が高過ぎ、引張強さが低下し、ばねとして荷重に耐える強度を得ることができない。等温保持する時間は、400秒以上である必要があり、これも本発明の製造方法として非常に重要な制御因子である。400秒未満ではベイナイト変態がほとんど進行しないため、マルテンサイト率が高くなりベイナイト比率が小さく、本発明に規定する組織を得ることはできない。なお、等温保持する時間が長過ぎても生成されるベイナイト量は飽和し、生産コストの増大を招くので、3時間以内とするのが望ましい。   The faster the cooling rate to the temperature at which the temperature is maintained isothermally after austenite, the better. When the cooling rate is less than 20 ° C./second, pearlite is generated during the cooling, and the structure defined in the present invention cannot be obtained. The temperature for isothermal holding needs to be from Ms point to (Ms point + 60 ° C.), which is a very important control factor for the method of manufacturing the spring of the present invention. Below the Ms point, martensite generated in the early stage of transformation inhibits the improvement of ductility, and the bainite ratio defined in the present invention cannot be obtained. On the other hand, when the temperature to hold isothermally exceeds (Ms point + 60 ° C.), the retained austenite ratio is too high, the tensile strength is lowered, and it is impossible to obtain the strength to withstand the load as a spring. The isothermal holding time needs to be 400 seconds or more, which is also a very important control factor for the production method of the present invention. If it is less than 400 seconds, the bainite transformation hardly proceeds, so the martensite ratio becomes high and the bainite ratio is small, and the structure defined in the present invention cannot be obtained. Even if the isothermal holding time is too long, the amount of bainite produced is saturated and the production cost is increased.

等温保持後の冷却速度は、均一な組織を得るため速いほど良く、20℃/秒以上の冷却速度が必要であり、好ましくは50℃/秒以上である。具体的には油冷や水冷が良い。一方、冷却速度が20℃/秒未満では、鋼材表面と内部で組織が不均一になりやすく、本発明に規定する組織を得ることができない場合がある。   The cooling rate after isothermal holding is preferably as fast as possible to obtain a uniform structure. A cooling rate of 20 ° C./second or more is required, and preferably 50 ° C./second or more. Specifically, oil cooling or water cooling is good. On the other hand, if the cooling rate is less than 20 ° C./second, the structure tends to be non-uniform on the steel material surface and inside, and the structure defined in the present invention may not be obtained.

ショットピーニング工程
ショットピーニングは、ばねに金属や砂などからなるショットを衝突させ、ばねの表面に圧縮残留応力を付与するもので、これによりばねの耐疲労性が向上する。本発明では通常のショットピーニングで得られる圧縮残留応力に加え、残留オーステナイトの加工誘起マルテンサイト変態によりさらに高い圧縮残留応力が深く形成される。ショットピーニングで使用するショットは、カットワイヤやスチールボール、FeCrB系などの高硬度粒子等を用いることができる。また、圧縮残留応力は、ショットの球相当直径や投射速度、投射時間、および多段階の投射方式で調整することができる。
Shot peening process Shot peening is a process in which a shot made of metal or sand is made to collide with a spring and compressive residual stress is applied to the surface of the spring, thereby improving the fatigue resistance of the spring. In the present invention, in addition to the compressive residual stress obtained by ordinary shot peening, a higher compressive residual stress is deeply formed by the processing-induced martensitic transformation of the retained austenite. For shots used in shot peening, cut wires, steel balls, high hardness particles such as FeCrB, and the like can be used. Further, the compressive residual stress can be adjusted by a shot equivalent sphere diameter, a projection speed, a projection time, and a multi-stage projection method.

セッチング工程
セッチングは、ばねに塑性ひずみを与えることにより、弾性限が向上することと、使用時のへたり量(永久変形量)を低減するために任意的に行う。また、セッチングにより残留オーステナイトが加工誘起マルテンサイトに変態する。200〜300℃でセッチングを行うこと(温間セッチング)により、耐へたり性を一層向上させることができる。
Setting process Setting is optionally performed in order to improve the elastic limit by applying plastic strain to the spring and to reduce the amount of sag during use (permanent deformation). Further, the retained austenite is transformed into work-induced martensite by setting. By performing setting at 200 to 300 ° C. (warm setting), it is possible to further improve the sag resistance.

表1に示す成分からなるオーステンパー線材を用いて、コイリングマシンにより所定形状に冷間コイリング後、表3に示す条件で熱処理を行った。熱処理は、ばねを加熱炉でAc3点〜(Ac3点+250℃)に加熱してオーステナイト化し、表3に示す温度T℃に保持したソルトバスに時間t(秒)保持し、その後冷却した。次いで、ショットピーニングは第一段目として球相当直径0.8mmのラウンドカットワイヤーを、第二段目として球相当直径0.45mmのラウンドカットワイヤーを、第三段目として球相当直径0.1mmの砂粒をそれぞれ使用した。さらに、ばねを230℃に加熱後、最大せん断応力τ=1473MPa相当のセッチングを行った。こうして製造したばねの諸元を表2に示す。このようにして得られたばねに対し、以下の通り諸性質を調査し、その結果を表3に示す。   Using an austemper wire composed of the components shown in Table 1, after cold coiling into a predetermined shape by a coiling machine, heat treatment was performed under the conditions shown in Table 3. In the heat treatment, the spring was heated to Ac3 point to (Ac3 point + 250 ° C.) in a heating furnace to be austenitized, held in a salt bath maintained at a temperature T ° C. shown in Table 3 for a time t (seconds), and then cooled. Next, shot peening uses a round cut wire with a sphere equivalent diameter of 0.8 mm as the first stage, a round cut wire with a sphere equivalent diameter of 0.45 mm as the second stage, and a sphere equivalent diameter of 0.1 mm as the third stage. Of sand grains were used. Further, after the spring was heated to 230 ° C., setting corresponding to the maximum shear stress τ = 1473 MPa was performed. Table 2 shows the specifications of the spring thus manufactured. Various properties of the spring thus obtained were investigated as follows, and the results are shown in Table 3.

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[組織の相の区別および残留オーステナイト中のC濃度]
組織の相の区別は、断面を研磨した試料を3%ナイタ−ル液に数秒間浸漬し、その後の組織を用いて次のように行った。まず、ベイナイトはナイタ−ルにより容易に腐食されるため、光学顕微鏡写真では黒色または灰色に見え、一方マルテンサイトと残留オーステナイトはナイタールに対する耐食性が高いため光学顕微鏡では白色に見える。この特性を利用し、光学顕微鏡写真を画像処理することでベイナイト(黒色及び灰色部)比率と、マルテンサイトおよび/または残留オーステナイト(白色部)の合計比率を求めた。残留オーステナイト比率は、バフ研磨仕上げの試料に対し、X線回折法を用いて求めた。マルテンサイト比率は、上記光学顕微鏡写真から求めたマルテンサイトと残留オーステナイトの合計比率から、X線回折で求めた残留オーステナイト比率を差し引くことにより求めた。残留オ−ステナイト中の平均C濃度は、X線回折でオーステナイトの(111)、 (200)、 (220)及び(311)の各回折ピーク角度から求めた格子定数a(nm)を用い、以下に示す関係式により算出した。これらの結果を表3に併記する。
[数1]
a(nm) = 0.3573 + 0.0033× (mass%C)
[Discrimination of structure phase and C concentration in retained austenite]
The tissue phase was distinguished by immersing a sample with a polished cross-section in a 3% nital solution for several seconds and using the subsequent tissue as follows. First, bainite is easily corroded by nitrite, so it looks black or gray in an optical micrograph, while martensite and residual austenite appear white in an optical microscope because of their high corrosion resistance to nital. Using this characteristic, the optical micrograph was subjected to image processing to determine the bainite (black and gray part) ratio and the total ratio of martensite and / or retained austenite (white part). The residual austenite ratio was determined by using an X-ray diffraction method for a buffed finish sample. The martensite ratio was determined by subtracting the retained austenite ratio determined by X-ray diffraction from the total ratio of martensite and retained austenite determined from the optical micrograph. The average C concentration in the retained austenite is the following using the lattice constant a (nm) obtained from each diffraction peak angle of (111), (200), (220) and (311) of austenite by X-ray diffraction. It calculated with the relational expression shown. These results are also shown in Table 3.
[Equation 1]
a (nm) = 0.3573 + 0.0033 x (mass% C)

また、この妥当性を他の手段により評価した。図1に、本発明の実施例No.3について、素線横断面の外周表面から中心に向かって1.025mmにある同一エリアにおける反射電子像(SEM(Scanning Electron Microscopy)による観察結果(a)、C元素マップ(FE−EPMA(Field Emission Electron Probe Micro Analyze)による測定結果(b)、結晶構造(相)マップ(EBSD(Electron Backscatter Diffraction)による測定結果(c)を示す。また、図2に、図1(b)中I〜ll線上のC濃度分析結果を示す。残留オーステナイトは個々でC濃度が異なり、図1(b)中AおよびBの各エリアの残留オーステナイト中C濃度はそれぞれ約1.2%〜1.5%、約1.3%〜1.7%の範囲であり、X線回折から求めた平均C濃度1.22%とほぼ同等であることから、X線回折による残留オーステナイト中C濃度の測定方法が妥当であると判断できる。   This validity was evaluated by other means. In FIG. 3, the backscattered electron image (SEM (Scanning Electron Microscopy) observation results (a), C element map (FE-EPMA (Field Emission) The measurement result (b) by Electron Probe Micro Analyze (b), the measurement result (c) by the crystal structure (phase) map (EBSD (Electron Backscatter Diffraction) are shown. FIG. 2 shows the I-ll line in FIG. 1 (b). Fig. 1 (b) shows the results of C concentration analysis for each of the remaining austenite, and the C concentration in the remaining austenite in each of the areas A and B in Fig. 1 (b) is about 1.2% to 1.5%. Since it is in the range of 1.3% to 1.7% and is almost equivalent to the average C concentration of 1.22% obtained from X-ray diffraction, a method for measuring the C concentration in residual austenite by X-ray diffraction is reasonable. Ah It can be judged.

[中心の硬さ]
横断面において、ばねの横断面の中心の周囲でビッカース硬さを5点測定し、その平均値を求めて中心の硬さとした。
[Center hardness]
In the cross section, five points of Vickers hardness were measured around the center of the cross section of the spring, and the average value was obtained as the center hardness.

[高硬度層の厚さ]
横断面において、鋼材の外周表面から中心に向かってビッカース硬さを測定し、前記中心の硬さより50〜500HV大きい高硬度層に対し、表面からの厚さを測定した。
[Thickness of high hardness layer]
In the cross section, the Vickers hardness was measured from the outer peripheral surface of the steel material toward the center, and the thickness from the surface was measured for a high hardness layer 50 to 500 HV larger than the hardness of the center.

[残留応力分布]
鋼材の外周表面に対しX線回折法を用いて残留応力を測定した。また、鋼材を全面化学研磨後上記測定を行い、これを繰返すことで深さ方向の残留応力分布を求めた。
[Residual stress distribution]
Residual stress was measured on the outer peripheral surface of the steel using an X-ray diffraction method. Moreover, the above-mentioned measurement was performed after the entire surface of the steel material was chemically polished, and the residual stress distribution in the depth direction was determined by repeating this measurement.

[耐疲労性]
平均応力τmが735MPa、応力振幅τaが637MPaで疲労試験を行い、1×107回を越える耐久回数を示す条件を耐疲労性に優れる(表3で○)とし、それ以前に折損した条件を耐疲労性に劣る(表3で×)とした。表3に諸性質の調査結果を示す。
[Fatigue resistance]
A fatigue test was conducted with an average stress τm of 735 MPa and a stress amplitude τa of 637 MPa. The condition indicating the number of times of durability exceeding 1 × 107 times was excellent in fatigue resistance (O in Table 3). The fatigue properties were inferior (x in Table 3). Table 3 shows the survey results of various properties.

本発明で規定する条件を満たすNo.3および4は、優れた耐疲労性を示す。これに対し、本発明の規定を満足しないNo.1〜2および5は、以下の条件を満たしていないため、耐疲労性が不十分となった。すなわち、No.1は熱処理工程における等温保持温度がMs点より低いため、変態初期に生成するマルテンサイトが中心硬さの過剰な増加をもたらし、延性の向上を阻害する。   No. satisfying the conditions defined in the present invention. 3 and 4 show excellent fatigue resistance. On the other hand, No. which does not satisfy the provisions of the present invention. Since 1-2 and 5 did not satisfy the following conditions, fatigue resistance was insufficient. That is, no. In No. 1, since the isothermal holding temperature in the heat treatment step is lower than the Ms point, the martensite generated at the early stage of transformation causes an excessive increase in the center hardness and inhibits the improvement in ductility.

No.2は熱処理工程における等温保持時間が短いため、マルテンサイト比率が高く、その結果、ベイナイト比率が小さく、中心硬さの過剰な増加をもたらした。No.5は熱処理工程における等温保持温度が高過ぎるため、残留オーステナイト比率が高過ぎることにより、中心の硬さが低過ぎる。さらに、残留オ−ステナイトが加工誘起マルテンサイトに変態しても、硬さが低いことにより周囲の拘束力が小さく、圧縮残留応力が低くかつ浅い。   No. Since No. 2 had a short isothermal holding time in the heat treatment step, the martensite ratio was high, and as a result, the bainite ratio was small, resulting in an excessive increase in the center hardness. No. No. 5 has an isothermal holding temperature in the heat treatment step that is too high, so that the residual austenite ratio is too high, so that the center hardness is too low. Furthermore, even if the residual austenite is transformed into work-induced martensite, the surrounding restraint force is small due to the low hardness, the compressive residual stress is low and shallow.

本発明は、自動車のエンジン用弁ばね等のように耐疲労性が要求されるばねに適用することができる。   The present invention can be applied to a spring that requires fatigue resistance, such as a valve spring for an engine of an automobile.

Claims (5)

質量%で、C:0.5〜0.7%、Si:1.0〜2.0%、Mn:0.1〜1.0%、Cr:0.1〜1.0%、P:0.035%以下、S:0.035%以下、残部が鉄及び不可避不純物からなる成分を有し、
任意の横断面において、面積比率でベイナイトを65%以上、残留オーステナイトを4〜13%含む組織を有し、前記残留オーステナイト中の平均炭素濃度が0.65〜1.7%であり、
任意の横断面において、該横断面の円相当直径をD(mm)としたときに、圧縮残留応力層が表面から0.35mm〜D/4の範囲まで形成され、その最大圧縮残留応力が800〜2000MPaであり、
任意の横断面において、中心の硬さが550〜650HVであり、表面から深さ0.05〜0.3mmの範囲に、前記中心の硬さより50〜500HV大きい高硬度層が形成されていることを特徴とするばね。
In mass%, C: 0.5 to 0.7%, Si: 1.0 to 2.0%, Mn: 0.1 to 1.0%, Cr: 0.1 to 1.0%, P: 0.035% or less, S: 0.035% or less, with the balance being composed of iron and inevitable impurities,
In an arbitrary cross section, it has a structure containing 65% or more of bainite and 4 to 13% of retained austenite in an area ratio, and the average carbon concentration in the retained austenite is 0.65 to 1.7%.
In an arbitrary cross section, when the equivalent circle diameter of the cross section is D (mm), a compressive residual stress layer is formed in a range of 0.35 mm to D / 4 from the surface, and the maximum compressive residual stress is 800. ~ 2000 MPa,
In an arbitrary cross section, the center hardness is 550 to 650 HV, and a high hardness layer 50 to 500 HV larger than the center hardness is formed in the range of 0.05 to 0.3 mm deep from the surface. Spring characterized by.
任意の横断面において面積比率でマルテンサイトを5〜30%含むことを特徴とする請求項1に記載のばね。   The spring according to claim 1, wherein martensite is contained in an arbitrary cross section in an area ratio of 5 to 30%. 直径が1.5〜15mmの線材で形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載のばね。   The spring according to claim 1 or 2, wherein the spring is formed of a wire having a diameter of 1.5 to 15 mm. 質量%で、C:0.5〜0.7%、Si:1.0〜2.0%、Mn:0.1〜1.0%、Cr:0.1〜1.0%、P:0.035%以下、S:0.035%以下、残部が鉄及び不可避不純物からなる成分を有する線材をばねの形状に成形する成形工程と、
Ac3点〜(Ac3点+250℃)の温度でオーステナイト化した後、20℃/秒以上の速度で冷却し、Ms点〜(Ms点+60℃)の温度で400秒以上保持し、次いで20℃/秒以上の冷却速度で室温まで冷却する熱処理工程と、
熱処理後のばねにショットを投射するショットピーニング工程と備えたことを特徴とするばねの製造方法。
In mass%, C: 0.5 to 0.7%, Si: 1.0 to 2.0%, Mn: 0.1 to 1.0%, Cr: 0.1 to 1.0%, P: 0.035% or less, S: 0.035% or less, a molding step of molding a wire having a component made of iron and inevitable impurities into a spring shape,
After austenitizing at a temperature of Ac3 point to (Ac3 point + 250 ° C.), it is cooled at a rate of 20 ° C./second or more, held at a temperature of Ms point to (Ms point + 60 ° C.) for 400 seconds or more, and then 20 ° C. / A heat treatment step for cooling to room temperature at a cooling rate of at least 2 seconds;
A method for manufacturing a spring, comprising: a shot peening process for projecting a shot onto a spring after heat treatment.
前記ショットピーニング工程の後に、ばねに永久歪みを与えるセッチング工程を行うことを特徴とする請求項4に記載のばねの製造方法。


The method for manufacturing a spring according to claim 4, wherein a setting step for imparting permanent deformation to the spring is performed after the shot peening step.


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