JP6053916B2 - ばね用鋼線およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、耐へたり性と疲労特性を向上させたばね用鋼線およびその製造方法に関する。

ばね用鋼線およびその製造方法としては、例えば特許文献１には、表層部の急熱急冷のサイクルを繰り返し行い、表層部と中心部との温度差を利用して自己冷却させることで強制冷却を行うことなく表層部の結晶粒を微細化し、かつ、中心部をＡ１変態点を越えるまで繰り返し熱サイクルさせる事で全断面をマルテンサイト組織とする技術が提案されている。

また、特許文献２には、鋼線の表面側のみ焼入れマルテンサイトになるような加熱条件（温度、冷却速度）で加熱・急冷するパターン焼入れを行い、この鋼線を再加熱して焼戻しを行いながら温間コイリングを施すことにより、表層マルテンサイトの変態歪による表面圧縮残留応力を発生させる技術が提案されている。

特公平２−３５０２２号公報 特公平７−９１５８５号公報

懸架ばねの小型軽量化には高い設計応力が要求されており、高応力化に対しては耐へたり性、耐久性の観点からばね材を高強度化する必要がある。しかしながら、高強度化すると遅れ破壊に対する感受性や、融雪材などにより発生した腐食ピット等の欠陥に対する感受性が増大するため、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、等の元素を多量に添加して上記のような環境脆化の感受性を低減した合金が開発されている。しかしながら、そのような合金は、ＳＵＰ７、ＳＵＰ１２等と比較して、汎用性が低く、材料コストが高いという問題があった。

一方、環境脆化を改善する手法としては、結晶粒微細化が有効であることが知られている。結晶粒微細化に関しては急速加熱急速冷却が有効であり、高周波焼入れを用いた手法が採用されている。また、軽量化のため高応力設計でばねを使用するには、耐へたり性を確保するために硬さを上げる必要がある。しかしながら、硬さを上げると、き裂伝播速度が高まり、疲労特性を悪化させる。

したがって、本発明は、合金元素の添加に頼らず、製造プロセスによって耐へたり性と疲労特性を向上させることができるばね用鋼線およびその製造方法を提供することを目的としている。

本発明者等は、製造プロセスによって環境脆化の改善を図る手法として、高周波焼入れの後に、更に表面輪郭部に高周波焼入れを施すことに思い至った。これにより、鋼線の表層部の結晶粒を超微細化し、なお且つ輪郭焼入れによるＨＡＺ軟化現象を利用して、表面の硬さを高くしながらき裂進展部位の硬さを低くすることが可能となり、耐へたり性と疲労特性の向上とを両立することが可能となる。

本発明は上記知見に基づいてなされたもので、焼入れ焼戻しにより得られる組織を有するばね用鋼線であって、表面の第１層と、該第１層よりも中側の第２層と、該第２層よりも中側で中心に至る第３層とからなり、該第２層は、結晶粒度が＃９．０〜１１．５であり、第１層および第３層よりも硬さが１６７ＨＶ以上低く、第１層の結晶粒度は＃１２．５以上であって第２層よりも＃２．０以上大きく、第１層および第３層の硬さは５００〜７００ＨＶであり、第２層の硬さが４００〜６５０ＨＶであり、第１層の厚さが０．３〜１．５ｍｍであり、第２層の厚さが０．５〜３．０ｍｍであることを特徴としている。

ばねの表面に孔食による腐食ピットが形成されると、腐食ピットの底部で初期き裂が発生し、き裂が伝播して急激な破壊へと進展する。本発明は、硬い焼戻し組織である第１、第３層の間に、それらよりも軟質な焼戻し組織からなる第２層を設けている。このような本発明では、第１層に形成された腐食ピットで初期き裂が発生しても、第１層よりも軟質な第２層でき裂の伝播が遅延する。すなわち、第２層がき裂進展のバリア層として作用する。したがって、本発明では、腐食疲労特性（環境脆化特性）を向上させることができる。

また、本発明では、第１、第３層を焼入れ焼戻し組織としているから、全体として表面とほぼ同程度の平均硬さを有する。したがって、本発明では耐へたり性を向上させることができる。

次に、本発明は上記ばね用鋼線の製造方法であって、鋼線の全体をオーステナイト変態点よりも高い温度に加熱してから焼入れする焼入れ工程と、鋼線の表層のみオーステナイト変態点よりも高い温度に加熱し、中心部は次工程での焼戻し温度よりも低い温度の状態から冷却する輪郭焼入れ工程と、鋼線の全体を加熱する焼戻し工程とを備えたことを特徴としている。

本発明によれば、第２層により疲労特性が向上され、硬さの高い第１層および第３層により耐へたり性が向上される等の効果が得られる。

実施形態のばね用鋼線を示す軸断面図である。 実施形態のばね用鋼線の熱処理パターンを示すグラフである。

図１は実施形態のばね用鋼線を示す軸断面図である。このばね用鋼線は、中心から第３層３、第２層２および第１層からなっている。第１層１は第２層２と比べて平均結晶粒径が小さいことが望ましい。第１層１を超微細結晶粒組織とすることにより粒界面積が増加し、腐食ピットから結晶内へ侵入した水素イオンが多くの結晶粒界にトラップされて無害化される。加えて、ＰやＳ、微細炭化物などの粒界への偏析が抑制されるため、水素脆化特性がさらに向上される。

第１層１〜第３層３の望ましい態様は以下のとおりである。
第１層１は焼戻しマルテンサイトまたはトルースタイトを主体とする組織であり、旧オーステナイト結晶粒度は＃１２．０〜１４．０、硬さは５００〜７００ＨＶであることが望ましい。粒度番号が＃１２．０を下回ると結晶粒界の水素トラップサイトとしての効果が不十分となる。また、硬さが５００ＨＶ未満では耐へたり性が低下し、７００ＨＶを超えると腐食耐久性および耐水素脆性が低下する。

第２層２はソルバイトを主体とする組織であり、旧オーステナイト結晶粒度は＃９．０〜１１．５、硬さは４００〜６５０ＨＶであることが望ましい。

第３層３は焼戻しマルテンサイトまたはトルースタイトを主体とする組織であり、旧オーステナイト結晶粒度は＃９．０〜１１．５、硬さは５００〜７００ＨＶであることが望ましい。硬さが５００ＨＶに満たないと、引張強度が低く耐へたり性が低下する。

第１層１の厚さは０．３〜１．５ｍｍであることが望ましい。厚さが０．３ｍｍを下回ると結晶粒微細化による水素脆化特性の改善が十分に発現しない。一方、厚さが１．５ｍｍを超えると、腐食ピットの底部から第２層２までの距離が長くき裂伝播が進行し易くなるため、腐食耐久性が低下する。

第２層２の厚さは０．５〜３．０ｍｍであることが望ましい。厚さが０．５ｍｍを下回ると軟化層厚さが小さいため、き裂進展寿命の改善効果が小さい。一方、厚さが３．０ｍｍを超えると、耐へたり性が低下する。

次に、図２を参照して実施形態のばね用鋼線の製造方法について説明する。実施形態の製造方法は、鋼線の全体をオーステナイト変態点よりも高い温度に加熱してから焼入れする焼入れ工程と、鋼線の表層のみオーステナイト変態点よりも高い温度に加熱し、表層下は中心方向への熱伝達による温度勾配を持ち中心部は次工程での焼戻し温度よりも低い温度の状態から焼入れする輪郭焼入れ工程と、鋼線の全体を加熱する焼戻し工程とを備えている。

上記のような熱処理ではラインの最初に鋼線を巻き出す材料供給手段を配置し、ラインの最後に鋼線を巻き取る巻き取り装置を配置する。焼入れ工程、輪郭焼入れ工程、および焼戻し工程では、鋼線は高周波加熱コイルに通され、次いで冷却ジャケットに通される。冷却ジャケットでは鋼線に冷媒が接触して鋼線を冷却する。

図２に示すように、焼入れ工程では、鋼線は全体がオーステナイト変態点（Ｔ_ＡＣ３）よりも高い温度に加熱される。そして、その温度で所定時間保持した後、急冷することでオーステナイトをマルテンサイトに変態させる。

図２に示すように、輪郭焼入れ工程では、表層から中心部に向かうに従って温度が徐々に低くなってゆき、温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３は、図２に示す温度条件の範囲内となる。すなわち、輪郭焼入れ工程では、鋼線の表層である第１層のみオーステナイト変態点（Ｔ_ＡＣ３）よりも高い温度（Ｔ１）に加熱する。具体的には、Ｔ１は８００〜１０００℃である。また、中心部の第３層は次工程での焼戻し温度（Ｔ_ｔｅｍｐ）よりも低い温度（Ｔ３）に加熱する。これにより、第３層の少なくとも一部は焼戻しマルテンサイトまたはトルースタイトとなる。

一方、第２層は、オーステナイト変態点（Ｔ_ＡＣ３）よりも低く、かつ、次工程での焼戻し温度（Ｔ_ｔｅｍｐ）よりも高い温度（Ｔ２）に加熱する。輪郭焼入れでは表層から中心に向かうにしたがって加熱される温度が徐々に低くなるため、このような加熱が可能となる。このため、第２層の少なくとも一部はソルバイトを主体とする組織となる。なお、５００〜６００℃を超えるような温度での焼戻しでは、ソルバイトとなり軟化が顕著におこることが知られている。

以上のような加熱状態から鋼線を急冷すると、第１層はオーステナイトからマルテンサイトへと変態する。第１層では、焼入れ工程における急速加熱によりオーステナイト結晶粒は微細化され、焼入れ（輪郭焼入れ）工程における急速加熱により、オーステナイト結晶粒はさらに微細化される。

次いで、鋼線は焼戻しされ、第１層のマルテンサイトは例えばトルースタイトや焼戻しマルテンサイトとなる。それらの結晶粒は２度の急速加熱により極めて微細となる。また、第２層は、輪郭焼入れ後から変わらずにソルバイトを主体とする組織であり、第１層よりも軟らかい層である。第３層はトルースタイトや焼戻しマルテンサイトを主体とする組織であり、結晶粒は第２層と同程度となる。なお、輪郭焼入れ工程で第２層は第３層よりも高い温度で加熱（焼戻し）されているため、第２層は第３層よりも軟らかい層である。

鋼線の材質はばね用鋼に限定されるものではなく、焼入れが可能な全ての鋼種を採用することができる。焼入れが可能な鋼種としては、Ｃを０．０５〜０．８質量％含むものが挙げられる。たとえば、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．８％、Ｓｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜２．５％、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｂの１種または２種以上を０．０５〜３．０％含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成を有する鋼種を用いることができる。

１．試料の作製
以下、実施例を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
［実施例１，２］
直径１２．６ｍｍのＳＵＰ１２材からなる鋼線を高周波加熱コイルにより９６０℃まで加熱しし、水冷した（焼入れ工程）。次いで、第１層が９００℃、第３層が４７０℃以下となるように鋼線を加熱し、目標温度に達したら直ちに水冷した（輪郭焼入れ工程）。次いで、鋼線を４７０℃で焼戻しを行った。

［比較例１］
輪郭焼入れを行わなかった以外は実施例１と同じ条件で比較例１の試料を作製した。

［比較例２］
鋼線の材質をＳＵＰ１２にＴｉを０．０２％、Ｍｏを０．３％添加したものに変更するとともに輪郭焼入れを行わなかった以外は実施例１と同じ条件で比較例２の試料を作製した。

２．物理的特性の測定
実施例１〜比較例２の試料に対して以下の測定を行った。
実施例１，２については、第１層、第２層、および第３層に対して、比較例１，２については内部の任意の箇所に対して、層の厚さ、結晶粒度、および硬さを測定するとともに、金属組織を観察した。その結果を表１に示す。

３．破壊試験
［腐食耐久テスト］
実施例１〜比較例２の試料を冷間でコイルばねに成形し同一の条件で焼鈍・ショットピーニング及び塗装を施した。コイルばねは、平均コイル径：１００ｍｍ、有効巻き数６．５巻、自由帳：３５５ｍｍとした。このコイルばねの塗装表面に一定間隔で直径１ｍｍの穴を空け、このコイルばねに対してＪＡＳＯ Ｃ６０４１に準拠して複合腐食サイクル試験（ＣＣＴ試験）を４サイクル行った後、コイルばねを上下方向に１５万回加振する耐久試験を行った。これらＣＣＴ試験と耐久試験とを交互に行い、コイルばねが折損するまでの耐久回数を調べた。なお、耐久試験は、応力（τ）＝５８８±３００（ＭＰａ）となる条件と、応力（τ）＝５８８±１２６（ＭＰａ）となる条件で行った。

［遅れ破壊テスト］
上記コイルばねを塗装しないで応力が１２７４ＭＰａとなるように圧縮して締結保持し、これを１％希硫酸に浸漬して折損に至るまでの時間を調査した。

４．試験結果
以上の破壊試験の結果を表２に示す。表２に示すように、振幅が３００ＭＰａでの腐食耐久テストでは、実施例２のコイルばねはＣＣＴ試験中に折損したが、それでも比較例１，２と比較すると優れた耐久性を示した。これは、実施例１，２では軟質な第２層を備えているからである。また、実施例１，２では、一定時間に達しても遅れ破壊に至らなかった。実施例１，２の第１層の結晶粒度が＃１３．０および＃１２．５と極めて微細な結果、水素脆化特性が向上したためである。なお、比較例２において遅れ破壊に至らなかったのは、比較例２のコイルばねの材質がＳＵＰ１２に結晶粒微細化元素であるＴｉを０．０２％、Ｍｏを０．３％添加したものであることから、結晶粒度が細かく水素脆化特性に優れた合金であったためである。

本発明は工業製品に組み込まれるあらゆるばねに利用可能である。

Claims (2)

1. 焼入れ焼戻しにより得られる組織を有するばね用鋼線であって、
   表面の第１層と、該第１層よりも中側の第２層と、該第２層よりも中側で中心に至る第３層とからなり、該第２層は、結晶粒度が＃９．０〜１１．５であり、第１層および第３層よりも硬さが１６７ＨＶ以上低く、
   前記第１層の結晶粒度は＃１２．５以上であって前記第２層よりも＃２．０以上大きく、
   前記第１層および前記第３層の硬さは５００〜７００ＨＶであり、前記第２層の硬さが４００〜６５０ＨＶであり、
   前記第１層の厚さが０．３〜１．５ｍｍであり、
   前記第２層の厚さが０．５〜３．０ｍｍであることを特徴とするばね用鋼線。
2. 請求項１に記載のばね用鋼線の製造方法であって、鋼線の全体をオーステナイト変態点よりも高い温度に加熱してから焼入れする焼入れ工程と、
   鋼線の表層のみオーステナイト変態点よりも高い温度に加熱し、中心部は次工程での焼戻し温度よりも低い温度の状態から冷却する輪郭焼入れ工程と、
   鋼線の全体を加熱する焼戻し工程と
   を備えたことを特徴とするばね用鋼線の製造方法。

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