JP5540433B2

JP5540433B2 - 耐へたり性と耐久性に優れたバネ及びその製造方法

Info

Publication number: JP5540433B2
Application number: JP2010265767A
Authority: JP
Inventors: 伸栄高村; 稔中野
Original assignee: Sumitomo SEI Steel Wire Corp
Current assignee: Sumitomo SEI Steel Wire Corp
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2030-11-29
Also published as: JP2012117092A

Description

本発明は、自動車のパワートレインにおいて使用される弁バネやクラッチ用バネ等の高強度バネ及びその製造方法に関する。

自動車用エンジンの弁バネやクラッチ用バネ等の自動車のパワートレインに係るバネ部材においては、エンジンの高回転化や小型軽量化に対応するため、耐へたり性と耐久性に優れた材料の開発が常に進められている。一般に耐へたり性や耐久性を向上させるためには、バネ部材の硬度を高くすることが効果的であるため、従来、鋼材に添加する元素の含有率を調整したり伸線後の熱処理の条件を最適化して引張強度を高め、これにより内部硬度を高めることが行われてきた。また、コイリング後のバネに対して窒化処理やショットピーニング処理を施して表面を硬くしたり残留圧縮応力を付与したりすることも行われてきた。

例えば、特許文献１には窒化処理により深さ２０〜５０μｍの窒化層を設けると共に、内部硬度がＨｖ５４０以上となるように処理されたバネが開示されている。そして、このバネは、ショットピーニング処理により残留圧縮応力を表層部に高く付与し、内部深くにもある程度の残留圧縮応力を付与し得ることが示されている。

特開平９−１１２６１４号公報

しかしながら、従来の弁バネでは、例えば最大応力１３５０ＭＰａ、平均応力７５０ＭＰａ、振幅応力６００ＭＰａ程度の高負荷において１０万回の耐久性と、残留せん断歪で０.０２％以下の耐へたり性とを達成するためには、Ｖ等を添加したオイルテンパー線（ＳＷＯＳＣ−ＶＨｖ）を例えば５.４ｍｍ程度の比較的太い径に加工して使用することが必要であった。このため、近年ますます小型軽量化している自動車のニーズに応えることが困難な状況にあった。

本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであり、耐へたり性及び耐久性に優れている上、細線化によって軽量化が可能な高強度バネ及びその製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明が提案する高強度バネは、Ｃを０.５０〜０.７０質量％、Ｓｉを１.８０〜２.２０質量％、Ｍｎを０.５０〜０.８０質量％、Ｃｒを０.５０〜０.８０質量％、及びＶを０.１０〜０.２０質量％含み、残部が不可避不純物を除いてＦｅからなり、引張強度が２２００ＭＰａ級、旧オーステナイト結晶粒の粒度番号（ＪＩＳＧ０５５１）が１２〜１３のオイルテンパー線をコイリングして得られるバネであって、窒化処理により設けられた窒化層を最表面部に有し、最表面部の残留圧縮応力が７００〜９００ＭＰａであって、且つ内部硬度がＨｖ６００〜７００ｋｇ／ｍｍ^２であることを特徴としている。

また、本発明が提案する高強度バネの製造方法は、Ｃを０.５０〜０.７０質量％、Ｓｉを１.８０〜２.２０質量％、Ｍｎを０.５０〜０.８０質量％、Ｃｒを０.５０〜０.８０質量％、及びＶを０.１０〜０.２０質量％含み、残部が不可避不純物を除いてＦｅからなる鋼に対して高周波加熱による急速加熱で９３０〜９４０℃まで加熱してその温度で保持してから焼入れを行い、更に４００〜４５０℃で保持してから急速冷却によって焼戻しを行い、得られたオイルテンパー線をコイリング加工後に窒化処理し、更にショットピーニング処理を行うことを特徴としている。

本発明によれば、自動車のパワートレインで使用される高強度バネに要望される高い耐へたり性と耐久性を損なうことなくバネを細線化することが可能となり、よって軽量化を実現することができる。

本発明の高強度バネは、弁バネやクラッチ用のバネ等に代表されるような自動車のパワートレインにおいて使用されるバネであり、高サイクル条件下での高い耐へたり性と耐久性を有していることが要件となる。この要件に対応するため、本発明の高強度バネは、その線材に使用するオイルテンパー線において、添加元素の組成、引張強度、及び旧オーステナイト結晶粒の粒度番号が調整されている。更に、コイリング後に施した窒化処理により最表面部に窒化層が設けられており、所定の内部硬度を有しつつ所定の残留圧縮応力が最表面部に付与されている。

より具体的に説明すると、本発明の高強度バネは、その素材となるオイルテンパー線が、Ｃを０.５０〜０.７０質量％、Ｓｉを１.８０〜２.２０質量％、Ｍｎを０.５０〜０.８０質量％、Ｃｒを０.５０〜０.８０質量％、及びＶを０.１０〜０.２０質量％含み、残部が不可避不純物を除いてＦｅである。

Ｃの含有率を０.５０〜０.７０質量％にする理由は、Ｃは鋼の強度を高めることができる元素であり、この範囲内でＣを含有することによって、高強度のバネが得られるからである。尚、Ｃの含有率が多すぎると、結晶粒界に析出するセメンタイトの影響により、高強度バネ材として所望される靱性が得られなくなるおそれがある。

Ｓｉの含有率を１.８０〜２.２０質量％にする理由は、この範囲内でＳｉを含めることによって、Ｓｉが鋼中に置換型元素として固溶して鋼の強度や耐熱性を高め、更に、焼き戻し時に析出する炭化物を均一に微細化し、パワートレイン用のバネに加工したときに耐へたり性を高める効果を良好に発揮させることができるからである。尚、Ｓｉの含有率が多すぎると、材料を硬化させるだけでなく脆化させ、コイリングの際に折損等の問題が生じやすくなるおそれがある。

Ｍｎの含有率を０.５０〜０.８０質量％にする理由は、この範囲内でＭｎを含めることによって、Ｍｎの特性である鋼の焼入れ性の向上、及び鋼中に不可避的に含まれるＳの固定化によるその悪影響の阻止の効果を良好に発揮させることができるからである。尚、Ｍｎの含有率が０.８０質量％を超えると、靱性が低下するおそれがある。

Ｃｒの含有率を０.５０〜０.８０質量％にする理由は、ＣｒはＭｎと同様に焼入れ性を高めると共に、微細なＣｒ炭化物を析出させることによって高強度化するのに効果的な元素であり、この範囲内でＣｒを含めることによってこれらの特性が良好に発揮されるからである。尚、Ｃｒの含有率が多すぎると、炭化物の固溶を抑制し強度低下を招くおそれがある。

Ｖの含有率を０.１０〜０.２０質量％にする理由は、Ｖは低温で加熱してもオーステナイト相に比較的容易に固溶する元素であり、鋼中で炭化物として存在してオーステナイト粒を微細化させると共に焼入性を向上させる元素であり、この範囲内でＶを含めることによってこれらの特性が良好に発揮されるからである。尚、Ｖの含有率が多すぎると、形成される炭化物が粗大化し靱性が低下するおそれがある。

上記した添加元素の含有率を有する鋼材に対して所定の熱処理を施すことによって、オイルテンパー線の断面におけるＪＩＳＧ０５５１に基づく旧オーステナイト結晶粒（旧γ結晶粒）の粒度番号を１２.０〜１３.０にすることができる。このように、微細化した結晶粒径を有するオイルテンパー線を得ることができるので、その引張強度を２２００ＭＰａ級にすることができ、よってコイリング後の高強度バネに優れたバネ疲労強度を付与することができる。また、バネ加工性も良好となる。尚、本発明においては、引張強度が２２００ＭＰａ級とは、引張強度が２１７０〜２２３０ＭＰａの範囲内にあることを意味している。

本発明においては、上記オイルテンパー線の線径を５.０ｍｍ以下とするのが好ましく、３.０〜５.０ｍｍがより好ましい。その理由は、線径が５.０ｍｍを超えると自動車のパワートレインに係る部材において要望される小型軽量化を実現することが困難になるからである。

上記したオイルテンパー線を得るための具体的な熱処理の方法としては、例えば、高周波加熱により９３０〜９４０℃に急速加熱し、この温度で５秒間保持し、冷却剤に水を使用して焼入れを行った後、４００〜４５０℃で１０秒間保持してから急冷して焼戻しを行う方法を挙げることができる。このように、本発明においては、オイルテンパー線を得るために使用する焼戻しの際の冷却剤には、オイルの他、水等を用いることができる。

上記方法で熱処理されたオイルテンパー線は、一般的な冷間加工法によりコイリングしてバネにすることができる。コイリング後は、必要に応じて３００〜４００℃で熱処理を施して加工ひずみを除去したり、外径０.２ｍｍのスチールボールで２０分間程度ショットを行って表面の酸化膜を研磨してもよい。

次に、４００〜４４０℃のアンモニアガス雰囲気中で２時間程度の窒化処理を行い、最表面部に好適には厚み２０〜５０μｍ程度の窒化層を形成する。これにより、負荷応力のかかり易い最表面部の硬度を向上させることができるので、バネを高強度にすることができる。

さらにショットピーニング処理を行い、最表面部に７００〜９００ＭＰａの残留圧縮応力を付与する。これにより、疲労強度を高めることができる。最表面部の残留圧縮応力を７００〜９００ＭＰａにする理由は、７００ＭＰａ未満だと耐疲労性向上にあまり寄与しないからである。一方、９００ＭＰａより大きな硬度を付与するにはショットピーニング処理条件が厳しくなり、窒化層を損傷するおそれがある。

具体的なショットピーニング処理の方法としては、例えば、外径０.３ｍｍ、Ｈｖ７００のスチールボールを用い、これを投射速度３５メートル／秒、投射時間２０分でバネに投射する方法を挙げることができる。ショットピーニング時は、アークハイト値で０.５ｍｍＡ以下になるように投射速度や投射時間を調整するのが好ましい。これにより、Ｈｖ６００〜７００ｋｇ／ｍｍ^２の内部硬さを有し、且つ最表面部に７００〜９００ＭＰａの残留圧縮応力を付与することができる。

尚、内部硬さをＨｖ６００〜７００ｋｇ／ｍｍ^２に規定する理由は、内部硬さが６００ｋｇ／ｍｍ^２未満では耐へたり性が低下するからである。一方、７００ｋｇ／ｍｍ^２を超えると、内部に存在する介在物等の欠陥を起点として疲労破壊が生じやすくなるためである。

また、アークハイト値を０.５ｍｍＡ以下にすることにより、バネの線径が５.０ｍｍ以下と細い場合であっても、線の変形を抑えることができる。ここでアークハイト値とは、昭和５７年９月１日に社団法人日本ばね工業界から改訂第３版として発行された「ショットピーニング作業基準」の第４〜５頁に記載されている値であり、一定形状に成形されたみがき特殊帯鋼を試験片として、これにショットピーニングを施した場合の試験片の反り量を測定して、ｍｍＡの単位で表したものである。このように、アークハイト値は加工度の指標となるものでもある。

下記表１に示す成分組成を有する４種類のバネ用鋼線をそれぞれ溶解、圧延、熱処理及び伸線した後、下記表１に示す条件で熱処理して試料１〜４のオイルテンパー線を作製した。尚、試料１〜４のオイルテンパー線は、いずれも線径が４.８ｍｍとなるように伸線を行った。

これら試料１〜４のオイルテンパー線に対して、それぞれＪＩＳＧ０５５１に基づいて鋼線断面を鏡面研磨して旧オーステナイト結晶粒の粒度番号を計測した。更に、ＪＩＳＺ２２４１に基づいて引張強度を測定した。得られたこれら粒度番号及び引張強度を下記の表２に示す。

次に、上記試料１〜４のオイルテンパー線をそれぞれ冷間加工でコイリングして線径４.８ｍｍ、コイル外径３８.０ｍｍ、総巻数１６巻、自由長２７０ｍｍ、及びバネ定数１０Ｎ／ｍｍのバネを各試料ごとに作製した。これらバネに対して下記表３に示す温度条件で２時間に亘って窒化処理を施した後、外径０.３ｍｍ、Ｈｖ７００のスチールボールを用いてアークハイト値で０.５ｍｍＡ以下になるように調整しながらショットピーニング処理を施した。

これら窒化処理及びショットピーニング処理が施されたバネに対して、それぞれ窒化層の厚み、最表面部の残留圧縮応力、及び内部硬度を測定した。尚、最表面部の残留圧縮応力はＸ線によるｓｉｎ^２Ψ法（並傾法）により測定した。また、窒化層厚みはバネの横断面を研磨して光学顕微鏡を用いて測定し、内部硬度はマイクロビッカース硬さ試験機（３００ｇｆ）を用いて測定した。

次に、このバネを用いて耐へたり性と耐久性を評価した。耐へたり性は下記式１に基づいて算出した。一方、耐久性の評価は、平均応力７５０ＭＰａ、最大応力１３５０ＭＰａ、最小応力１５０ＭＰａ、及び振幅応力６００ＭＰａで表される負荷を室温で３.０Ｈｚの条件で１０万回に亘ってバネに繰り返した与えた時に、折損するか否かで評価した。これら耐へたり性と耐久性の評価結果を上記の窒化層厚み、最表面部での残留圧縮応力、及び内部硬度の測定結果と共に下記の表３に示す。

［式１］
残留せん断歪（％）＝１／Ｇ×Ｋ×（８×Ｄ）／(π×ｄ^３)×ΔＰ×１００

ここで、上記式１のＧは横弾性係数（ｋｇｆ／ｍｍ^２）、Ｋはコイルバネの形状によって定まる定数であるワールの修正係数、Ｄはコイル中心径（ｍｍ）、ｄは素線径（ｍｍ）、ΔＰはＰ１−Ｐ２である。Ｐ１は所定のせん断応力を加える前のコイルバネを所定の高さまで圧縮するのに要する荷重、Ｐ２は該せん断応力を加えた後のコイルバネを同一の高さまで圧縮するのに要する荷重である。

上記表３の結果より、試料１のオイルテンパー線を加工して得た本発明の要件を満たすバネは、線径５.０ｍｍ以下であるにもかかわらず、１０万回の繰り返し負荷が加えられても折損することなく、へたり量も著しく低かった。すなわち、優れた耐久性及び耐へたり性を有していることが分かった。

一方、試料２のオイルテンパー線を加工して得たバネは、各元素の含有率及び旧γ結晶粒の粒度番号が試料１と同等であるにもかかわらず、引張強度、残留圧縮応力、及び内部硬さが本発明の要件を満たしていなかったので、試料１に比べてへたり量が大きい上、１０万回までの繰り返し負荷に耐えることができなかった。

また、試料３のオイルテンパー線を加工して得たバネは、引張強度が本発明の要件を満たしていなかったので、へたり量が試料１に比べて大きかった。さらに試料４のオイルテンパー線を加工して得たバネは、引張強度及び残留圧縮応力が本発明の要件を満たしていなかったので、へたり量が試料１に比べて大きかった。

以上、本発明の高強度バネ及びその製造方法について実施例を挙げて説明したが、本発明は係る実施例に限定されるものではなく、本発明の主旨から逸脱しない範囲内で種々の実施態様が可能である。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲及びその均等物に及ぶものである。

Claims

Ｃを０.５０〜０.７０質量％、Ｓｉを１.８０〜２.２０質量％、Ｍｎを０.５０〜０.８０質量％、Ｃｒを０.５０〜０.８０質量％、及びＶを０.１０〜０.２０質量％含み、残部が不可避不純物を除いてＦｅからなり、引張強度が２２００ＭＰａ級、旧オーステナイト結晶粒の粒度番号（ＪＩＳＧ０５５１）が１２〜１３のオイルテンパー線をコイリングして得られる高強度バネであって、窒化処理により設けられた窒化層を最表面部に有し、最表面部の残留圧縮応力が７００〜９００ＭＰａであって、且つ内部硬度がＨｖ６００〜７００ｋｇ／ｍｍ^２であることを特徴とする高強度バネ。
線径が５.０ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の高強度バネ。
最大応力１３５０ＭＰａ、平均応力７５０ＭＰａ、及び振幅応力６００ＭＰａの負荷に対して１０万回の耐久性を有しており、且つ耐へたり量（残留せん断歪み）が０.０２％以下であることを特徴とする、請求項１または２記載の高強度バネ。
Ｃを０.５０〜０.７０質量％、Ｓｉを１.８０〜２.２０質量％、Ｍｎを０.５０〜０.８０質量％、Ｃｒを０.５０〜０.８０質量％、及びＶを０.１０〜０.２０質量％含み、残部が不可避不純物を除いてＦｅからなる鋼材を高周波加熱による急速加熱で９３０〜９４０℃まで加熱してその温度で保持してから焼入れを行い、更に４００〜４５０℃で保持してから急速冷却して焼戻しを行い、得られたオイルテンパー線をコイリング加工後に窒化処理し、更にショットピーニング処理を行うことを特徴とする高強度バネの製造方法。
高強度バネの線径が５.０ｍｍ以下であって、ショットピーニング処理をアークハイト値で０.５ｍｍＡ以下で行うことを特徴とする、請求項４に記載の高強度バネの製造方法。