JPH01287222A - ばね用材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、例えば自動車の弁ばねや懸架用ばね等に好適
な高耐久性を有するばね用材料に関する。

［従来の技術］ 一般的な熱処理によって調質されたばね用材料の断面内
硬さ分布は第８図に模式的に示されるように表面から中
心部にわたって硬さがほぼ均等である。

これに対し浸炭あるいは窒化処理が行なわれた材料は、
第９図に示されるように表面部の硬さが高くなっている
。浸炭あるいは窒化によって表面を強化した飼料は、硬
化深さが浅い割には硬さのピーク値ａと中心部の硬さｂ
との差（ａ−ｂ）が大きい。硬度差（ａ−ｂ）がビッカ
ース硬さ（ＨＭＶ）で１５０を越えるようになると、硬
さが変化する箇所Ｃ付近に応力集中を生じやすくなり耐
疲れ性はかえって低下する。

一方、特開昭６２−７４０２７号公報や特開昭［ｉ２−
２６００１５号公報あるいは特開昭［ｉ２−２６００２
０号公報などに示されているばね材料は、第１０図のよ
うに表面硬さｄを中心部硬さｂよりも低下させることに
よって切欠き感受性を緩和し、耐疲れ性を向上させてい
る。この場合、具体的には母材を熱処理によっである所
定硬さに調質後、高周波誘導加熱手段等の急速加熱手段
により、表面から所定の深さだけ軟化させている。

［発明が解決しようとする課題］ 硬さに関して言えば、耐疲れ性に最も影響を与えるのは
材料の表面からやや内側に入った部分である。ところが
前記先行技術によって表面部を軟化させた材料は、表面
部を除くほぼ断面全域が同じ硬さと延性をもつから、所
望の耐疲れ性を発揮させるために一定レベル以上の硬さ
にすると、コイルばね等に成形する際に大きな力が必要
であるなど加工しに＜＜、かつ成形後のスプリングバッ
ク量も大きいといった問題がある。

従って本発明の目的は、切欠き感受性を緩和できるだけ
でなく優れた耐疲れ性を有しかつ加工性もよいばね用材
料を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を果たすために本発明のばね用材料は、表面か
らやや内側に入った表層部に硬さのピークを生じさせ、
しかも表面の硬さが上記ピーク値よりも小さく、かつ表
層部よりも中心側の部分の硬さも上記ピーク値よりも小
さい硬さ分布となるように調質したものである。

［作用コ 本発明のばね用材料においては、表面硬さを下げること
によって切欠き感受性が緩和されるとともに、耐疲れ性
の向上に最も効果のある表面からやや内側に入ったとこ
ろの表層部に硬さのピークがある。そしてこのピーク位
置よりも中心側の部分の硬さが下がっているから、表面
部のみが軟化している材料に比べると絞りで５〜２０％
はど延性を大きくすることができ、同じ耐疲れ性であれ
ば延性が小さい分たけコイルばね等への成形が容易であ
る。

［実施例コ 第２図に模式的に示されたオースドローイング装置１を
用いて、母材としての鋼線Ａのドローイングを行なう。

鋼線Ａは一例として線径４ｍｍのｓｕｐ　７であり、こ
れを線径３．８ｍｍまで減面させる。

減面率は約ｌＯ％である。この装置１は、加熱手段２と
、冷却槽３と、ダイス４と、冷却手段５と、引抜き用の
チャック６などを備えている。なお、加熱手段２と冷却
槽３との間に冷却空気を噴出する予備冷却手段７を設け
てもよい。ダイス４のダイス角αは１５°であるが、α
＝４５°まで適用できる。

加熱手段２としては急速加熱が可能な通電加熱装置ある
いは高周波誘導加熱装置が適するが、通常の加熱炉であ
ってもよい。冷却槽３には、冷却媒体の一例として鋼線
ＡのＭｓ点以上の温度（４００〜５００°Ｃ）の溶融鉛
８が収容されている。

ダイス４はこの溶融船中に浸漬されている。チャック６
は鋼線Ａを長手方向に引っ張るものであるが、引っ張り
と同時に軸回りに回転させることによって、鋼線Ａをね
じりながらダイス４を通過させるようにしてもよい。冷
却手段５は、ダイス４から引出された鋼線ＡをＭｓ点以
下の温度まで急冷するのに使われ、−例として低温の空
気を吹付けるノズルあるいは水等の冷却媒体を吹付ける
ノズルなどを備えている。

チャック６によって鋼線Ａを引っ張りながら、加熱手段
２によって鋼線Ａをオーステナイト化温度（例えば９５
０℃）まで急速加熱する。予備冷却手段７を通過するこ
とにより表面温度が６００℃程度まで下がった鋼線Ａは
冷却槽３に導入されるとともに溶融鉛８によって過冷オ
ーステナイト化温度（例えば４００°）まで急冷される
。引抜き速度は２５ｍｍ１ｓｅｃである。

ダイス４から引抜かれた鋼線Ａは、冷却手段５によって
直ちにＭｓ点以下の温度まで急冷されることによって短
時間で組織が凍結される。しかも表層部にはダイス４か
らの引抜きによって加工硬化したマルテンサイト組織が
得られる。これを４５０°Ｃ・４５分間の焼戻しを行な
うことによって、第３図に示される硬さ分布のばね材料
Ａ′が得られる。

このような硬さ分布になる理由は、オースドローイング
された材料がもつ特有の焼入れ直後の硬さ分布と、焼戻
し軟化抵抗の相乗作用によるものと考えられる。第４図
に実線で示されるように、焼戻し軟化抵抗は表面側はど
大となる。つまり焼戻しを行なった時に表面側はど軟化
しにくい。これは、オースドローイングによる加工硬化
で表層部に歪んだ結晶が存在し、表層側はど転位の量が
多くて金属同志を強く結びつけているからである。

一方、オースドローイング直後つまり焼入れ直後の硬さ
分布は、同第４図に破線で示すようにほぼ均一であるが
、最表面においては加工熱の発生による温度上昇により
変態生成物が生じたり、僅かなから脱炭か生じる傾向に
あり、更に焼戻し時に外面側から加熱を受けるために内
部に比べて高い熱量にさらされるために最表面の硬さは
僅かに下がる。従って焼戻し後の硬さ分布は、前述した
ように表層部に硬さのピークが生じ、かつ表面の硬さが
上記ピーク値よりも小さいとともに表層部よりも中心側
の部分の硬さも上記ピーク値よりも小さくなる。

」−記硬さ分布をもつばね用材料は、表面が軟化してい
ることによって切欠き感受性が緩和されるとともに、耐
疲れ性の向上に最も効果のある表層部に硬さのピークが
ある。換言すると、硬さのピーク位置よりも中心側の部
分の硬さが下がっているから、表面部のみが軟化してい
る材料に比べると、同じ耐疲れ性であれば延性か大きい
分だけコイルはね等への成形が容易である。

第１図は本発明によるばね用制料の断面内硬さ分布を模
式的に表わしたものであり、硬さが変化し始める箇所ｅ
。から表面までの距離を１１、硬さのピーク位置ｅ〕か
ら表面までの距離を１２としたとき、Ｉ！１を１２の２
倍以上にするのが望ましい。なぜなら、第１図に２点鎖
線で示したようにｅｌがｅｏに近イてｊくほどｅｏにお
ける硬度変化が急になってｅ。（＝Ｉ近に応力か集中し
やすくなりここが疲労破壊の起点になることがあるから
である。本発明者らの研究によると、）、≧２Ｊ！。で
あれば硬さの変化点ｅ□での応力集中が充分に緩和され
、しかも硬さのピーク値Ａと中心側部分の硬さＢの差（
Ａ−Ｂ）をＨＭ　Ｖ　１５０以下とすることによって、
硬さの変化点ｅＱが疲労破壊の起点になることを防止で
きた。この図示例では表面の硬さＣが中心部の硬さＢよ
りも小さいが、ＣがＢよりも大きくてもよい。好ましい
硬さＡ、Ｂ、Ｃは、ＨＭ　Ｖ　３５０　≦Ｃ：ｌｌ；　
ＨＭ　Ｖ　５８０　。

ＨＭ　　Ｖ　　３５０　　≦Ｂ　　≦ＨＭ　　Ｖ　　６
５０　　。

ＨＭ　Ｖ　２０≦Ａ　−Ｂ　≦ＨＭ　Ｖ　１５０である
。

上記ばね用材料Ａ′は、コイルばねに成形された後に周
知のショットピーング処理が施される。

第５図に実線ｍで示したように、ショットピーニングさ
れた材料の内部には、いわゆるクロッシングポインｔ−
ｃ　ｏを境に表面側が圧縮の残留応力で、内部側が引っ
張りの応力となる。また圧縮残留応力が最大となるピー
ク位置ｃ１の深さは一般にクロッシングポイントｃｏの
深さの半分値である。

このばね材料の曲げあるいはねじり応力分布は、同図に
破線ｎで示されるように中心側はど応力が小さくなる。

このため、ばねとして使用される際の応力は、ｍとｎの
合力（線分ｇ）となり、最大応力を生じる位置ｃ２はク
ロッシングポイントｃｏより少し内側にある。

残留応力の観点からすると、耐疲れ性を左右するのは材
料表面からクロッシングポイントｃｏに至る圧縮残留応
力の分布状態とその領域での硬さである。これに対し、
材料の断面内硬さ分布の観点からするとから、耐疲れ性
を左右するのは材料表面からやや内側に入った箇所の硬
さである。このため、前述した硬さのピーク値Ｗｅ、が
ｃｌがらｃ２の間にくるようにショットピーニング前に
調質を行なえば、耐疲れ性を向」ニさせる上できわめて
好結果か得られる。

具体的に言えは、−船釣なりロッジングポイントｃ。の
深さは、線径４ｍｍの弁ばねザイズで０．１５〜０．２
５ｍｍ、線径Ｌ２ｍｍの懸架用ばねでも　０．２〜０．
３ｍｍである。ばね使用時に最大応力を生じる箇所ｃ２
はクロッシングポイントＣＱよりも僅かに内側、つまり
線径１２ｍｍの時にはおおむね０．４ｍｍ付近のところ
に生じる。一方、圧縮残留応力がピークとなる位置Ｃ１
の深さは一般的にクロッシングポイントｃｏの約１／２
であり、現行のショットピーニングでは最小で０．０５
　ｗｎが限界である。従って弁ばねサイズ（線径４ｍｍ
　　から懸架用ばねサイズ（線径１２ｍｍ）の範囲で使
われる場合には、第５図にハツチングで示したＣ１から
０２間の領域は、０．０５〜０．４ｍｍである。この範
囲にｅｌが入るようにするには、最小値０．０５ｍｍに
対して最大１２ｍｍ（半径Ｒ＝６）の線径ではノ２　／
　Ｒ＝　０．０５／６　＃０．００８が最小であり、ま
た最大値０．４ｍｍに対して最小線径４Ｍ（半径Ｒ＝２
）では１２２／Ｒ−０，４／２−０．２０となる。これ
らのことから本発明では、実用に供されるばねサイズで
耐疲れ性に最も効果のある硬さのピーク位置ｅ１の深さ
ノ２を・ ｏ、ｏｏｇ≦ノ２　／　Ｒ≦０．２０　　の範囲に入れ
ることを推奨する。

第６図に弁ばねサイズでの疲労試験結果を示す。

この場合の素材はｓｗｏｓｃ　　（Ｓ　ｉ　−Ｃｒ添加
オイルテンパー線）を用い、前述した条件でオースドロ
一イングと焼戻しを行なったものである。本発明による
ばね用材料は、既存のオイルテンパー線に比べて２倍は
ど疲労強度が向上することが確認された。同じく弁ばね
サイズでの残留せん断ひずみ（締付応力１２０　Ｋ’ｉ
　ｆ　／　Ｍ２．締付時間７２ｈｏｕｒ）については、
室温で　１．ＯＸ　ｔｏ−’　、　８０℃において７Ｘ
ｌＯ−’であり、同一条件でのオイルテンパー線の残留
せん断ひずみ（室温で２．ＯＸ　１０−’　、　８０”
Ｃで９Ｘ１０−４）に比べて耐へたり性にも優れている
。

上記実施例ではオースドローイングによる加工熱処理と
焼戻しによって所望の硬さ分布をもたせたが、これ以外
の方法によって前記硬さ分布を実現することもできる。

例えば第７図に示されるように、冷間引抜き等の冷間加
工によって材料の表面部を加工硬化させたのちに、高周
波誘導加熱等の急速加熱によって短時間の表面焼戻しを
行なうことにより、中心部の硬さをほとんど変化させず
に表面部のみを軟化させるようにしてもよい。

［発明の効果］ 本発明によれば、耐疲れ性に優れかつ延性が大きくコイ
ルばね等への成形が容易なばね用材料が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるばね材料の硬さ分布を
模式的に示す図、第２図はオースドローイングを実施す
るための装置の略縦断面図、第３図はオースドローイン
グと焼戻し後の材料の硬さを示す図、第４図は焼戻し軟
化抵抗と焼戻し後の硬さとの関係を示す図、第５図は残
留応力とばね使用時の応力の部体を示す図、第６図は弁
ばねサイズでの疲労試験結果を示す図、第７図は冷間加
工後の硬さ分布を示す図、第８図は普通熱処理を行なっ
た場合の硬さ分布を示す図、第９図は浸炭または窒化処
理による硬さ分布を示す図、第１０図は表面部を軟化さ
せた従来例の硬さ分布を示す図である。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 ΔＷＨで醜Ｙ−顛４・、］ ′：ｊ：：桑チＹ−￥八−，７ 田、Ｏ １０°０

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）表層部に硬さのピークがあり、しかも表面の硬さ
   が上記ピーク値よりも小さくかつ表層部よりも中心側の
   部分の硬さも上記ピーク値よりも小さい硬さ分布となる
   ように調質されたことを特徴とするばね用材料。
2. （２）上記硬さ分布において硬さが変化し始める箇所ｅ
   ＿０から表面までの距離をｌ＿１、硬さのピーク位置ｅ
   ＿１から表面までの距離をｌ＿２とした時、ｌ＿１≧２
   ｌ＿２である特許請求の範囲第１項記載のばね用材料。
3. （３）硬さのピーク位置ｅ＿１が、ショットピーニング
   によって付与される圧縮残留応力のピーク位置ｃ＿１か
   らばね使用時に最大応力を生じる位置ｃ＿２の間に入る
   ような硬さ分布とした特許請求の範囲第１項記載のばね
   用材料。