JPH02129422A

JPH02129422A - 高強度コイルばねおよびその製造方法

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Publication number: JPH02129422A
Application number: JP28214188A
Authority: JP
Inventors: Susumu Yamamoto; 進山本; Toushi Shibata; 柴田　闘志
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1988-11-08
Filing date: 1988-11-08
Publication date: 1990-05-17
Anticipated expiration: 2013-07-16
Also published as: JP2775778B2

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〉この発明は高強度コイルばねおよびその製造方法に関す
るものであり、この発明によるコイルばねはエンジン用
その他耐疲れ性を高度に要求される高強度ばねとして有
効に用いられるものである。

〈従来の技術〉一般に、ばね材料の引張強度は高いほど望ましいが、あ
る限界を越えると靭性や疲労特性は逆に低下することが
知られている。これは転位密度が高くなりすぎ、マトリ
ックスが一種の脆化現象を示すためであるが、非金属介
在物や表面疵などの微小欠陥の切欠き感受性が高まるこ
とも、その大きな原因の一つである。

また、コイルばねは成形後テンパー処理され、ショット
ピーニング処理により表面に圧縮の残留応力を付加して
利用されるが、有効なショットピーニング処理は表面粗
さＲｍａｘが６〜２０μになってしまうため、これ以下
の表面疵を取り払うことは不可能であるうえにショット
による圧痕がかぶさり疵状になり疲労核になることも多
かった。勿論、その後各種の研摩処理によりＲｍａｘを
低減させることは可能であるが、表面層を取り払うため
、折角導入した圧縮の残留応力部がな（なり、疲労性能
は却って低下するのである。

〈発明が解決しようとする課題〉シリコンクロム鋼の非金属介在物を低減した清浄鋼を利
用すると、ばね用として最高の疲労特性を引出す条件も
従来とは異なったものになっていることが予想される。

即ち、現在のシリコンクロム鋼の引張強度は、従来材の
介在物および表面疵のレベルをベースに疲労特性が最良
になるよう設定されているが、清浄鋼では表面疵の問題
さえ解決すれば、引張強度を更に高くすることにより疲
労特性を向上させることが期待できる。

〈課題を解決するための手段〉上記に鑑みて、この発明はシリコンクロム清浄鋼線をば
ね成形後焼入れ、低温焼戻し処理を施して引張強度を高
（とり、ショットピーニング処理に引き続き、疲労性能
に悪影響を及ぼさない電解研摩処理を施すことにより表
面疵を取り除いて疲労性能を飛躍的に向上させることの
できる高強度コイルばねおよびその製造方法を見出した
のである。

即ち、この発明は（１）Ｃ：０．４〜１．０重量％、Ｓｉ　：　１．０〜
２．０重量％、Ｍｎ　：　０．４〜１．０重量％、Ｃｒ
：０．３〜１．５重量％、Ｖ　：　０．０１〜０．３重
量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりな
り、清浄度を０．０１％以下に調製した鋼線を所定のば
ね形状にコイリング成形し、焼入れ焼き戻し処理、ショ
ットピーニング処理、研摩処理して表面粗さＲｍａｘを
５μ以下としたことを特徴とする高強度コイルばね。

（２）Ｃ：０．４〜１．０重量％、Ｓｉ：１．０〜２．
０重量％、Ｍｎ　：　０．４〜１．０重量％、Ｃｒ：０
．３〜１．５重量％、Ｖ　：　０．０１〜０．３重量％
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、
清浄度を０．０１％以下に調製した鋼線を所定のばね形
状にコイリング成形し、焼入れ焼き戻し処理して引張強
度を調整した後、ショットピーニング処理、研摩処理を
行なって表面粗さＲＩＩＩａｘを５μ以下としたことを
特徴とする高強度コイルばねの製造方法。

を提供するものである。

く作用〉この発明で素材としてＣ：０．４〜１．０重量％、Ｓｉ
　：　１．０〜２．０重量％、Ｍｎ　：　０．４〜１．
０重量％、Ｃｒ：　０．３〜１．５重量％、Ｖ　：　０
．０１〜０．３重量％を含有し、残部がＦｅおよび不可
避的不純物よりなる鋼線を用いるに際し、（ｉ）清浄度
を０．０１％以下とするのは、上記成分組成の鋼線の非
金属介在物を原因とする疲労破壊を生じにく（するため
であり、真空脱ガス、スラグ条件の最適化等、脱酸法を
工夫することにより実現される。

（ｉｉ）コイリング成形後に焼入れ、焼戻しするのは、
コイリング成形前に焼入れすると、この発明のような高
強度材では靭性が不足気味となり、かつ疵感受性も強い
のでコイリング時に折損の危険が増大するためである。

（Ｈｉ）焼入れ、焼戻し処理で引張強度を従来の弁ばね
用シリコンクロム鋼オイルテンパー線についてＪＩＳＧ
−３５６６の表６で規定されている値よりｌＯ％高（と
るのは疵や介在物がな（なれば、マトリックス自体は従
来より強度を高（とっても十分靭性があり、疲労強度も
高くすることができるからである。

第１図（Ａ）乃至（Ｄ）には４．０ｍｍφのシリコンク
ロムオイルテンパー線の焼戻し温度を従来材（ＪＩＳＧ
−３５６６相当の引張強度を得るための４００℃焼戻し
）より低下させた時の硬度、引張強度、絞り値、疲労強
度等の機械的特性に及ぼす影響を線図にて示したもので
ある。

第１図（Ａ）のように焼戻し温度を低下させると硬度は
当然のことながら上昇する。

引張強度と疲労強度（回転曲げ試験による）は第１図（
Ｂ）および第１図（Ｄ）にｂで示すように逆に低下して
いる。ところが、表面を電解研摩した場合には、焼戻温
度を低下させると、同図のａで示すように、逆にある温
度までは上昇する。（引張強度では２５０℃まで、疲労
強度では３５０℃まで）。即ち、従来法では表面欠陥の
ためマトリックス自体の強度を十分発揮していないこと
がわかる。

以上のことから焼入れ焼戻し処理後の強度を従来材より
上昇させても表面欠陥を低減させれば良好な性能が得ら
れることが解る。

第１図（２は絞り値に関する表面熱処理のままの鋼線す
と表面電解研摩した鋼線ａとの比較を示す線図である。

（ｉｖ）鋼線素線の焼入れ焼戻し後の深さ方向の残留応
力分布を第２図に線図にて示したが、同図によると表面
からの距離１００〜１５０μの深さのところに圧縮残留
応力が最大になる領域が存在する。

従って、ショットピーニング後の研摩処理によって取除
（部分が１００μ以下なら、むしろ最表面の圧縮残留応
力が増大するのでばね疲労特性には悪影響を及ぼさない
ものと考えられる。

この発明において用いる鋼線はＣ，Ｓｔ％Ｍｎ、Ｃｒ、
　Ｖ、　Ｆｅおよび不可避的不純物からなるものである
が、これら各成分の範囲をＣ：０．４〜１．０重量％、
Ｓｉ　：　１．０〜２．０重量％、Ｍｎ　：　０．４〜
１．０重量％、’　Ｃｒ　：　０．３〜１．５重量％、
Ｖ　：　０．０１〜０．３重量％とするのは次の理由か
らである。

即ち、Ｃは０．４重量％未満では十分な強度が得られず
、また１、０重量％を越えると焼入れ時に焼割れを起こ
し易くなる。

ＳＬは１．０重量％未満では耐熱性に劣り、２．０重量
％を越えると熱間圧延時に表面に疵が生じやすい。

Ｍｎは０．４重量％未満では焼入性に劣って強度不足と
なり、１．０重量％を越えると加工性が悪（なる。

Ｃｒは０．３〜１．５重量％の範囲が焼入れ性、耐熱性
を得るのに有効である。

■は０．０１〜０．３重量％の範囲が焼入れ性を良好に
保つ点で好ましい。

〈実施例〉以下、実施例によりこの発明の詳細な説明する。

第１表に示す化学成分および清浄度を有する線径４．Ｏ
ｍｍφの鋼線を作り、この鋼線を用いて第２表に示すよ
うな製造工程によって第３表に示す諸元を有するばねを
製造した。そして第４表に焼入れ焼戻し後の機械的特性
と平均締付は応力τｍ＝６０ｋｇ／　−１振巾応力てａ
　＝　５０ｋｇ／−でばね疲労試験を行なった時の破断
に至るまでの繰返し回数を示した。

なお、第３表の製造工程において、コイリング後に焼入
れ、焼戻し処理を行なって得たサンプルでは機械的特性
を測定しにくので、このものの機械的特性はコイリング
しない素線で以下同じ処理を施したサンプルについての
特性値で代用した。

また疲労試験はｎ＝４〜１１の平均値である。

第　　１　　　表供試鋼線の化学成分と清浄度第　　　　４　　　　表ばねの撮−的特性と疲労性能第表上記した表から、この発明の実施例であるＡ−１％Ａ−
２、Ｂ−１、Ｂ−２、Ｂ−３、Ｃ−１％Ｇ−２およびＣ
−３により得られるばねの疲労寿命は極めてすぐれてい
ることがわかる。

清浄度の悪いＤおよびＥタイプのばね、即ちＤ−１、Ｄ
−２、Ｄ−３、Ｄ−４、Ｄ−５、Ｅ−１は疲労性能が劣
っている。またＡタイプの化学成分の鋼線を用いたもの
でもばねへの製造工程において電解研摩を施さない、あ
るいは十分でないばね即ちＡ−３、Ａ−７の工程より得
られるばねは疲労性能が劣っている。

またＡ−７の従来の製造工程のものに電解研摩工程を加
えたＡ−８でもこの発明の実施例のものに比べると疲労
性能は劣っている。

更に、Ａ−４、Ａ−５およびＡ−６のようにこの発明の
実施例と類似の条件ではあっても焼戻し条件が適切でな
いために硬すぎたり、軟らかすぎても十分な疲労特性は
得られない。

Ａ−９のように各工程の処理条件はこの発明の実施例と
同じでもその工程順序が異なると疲労性能が劣るうえに
ばねへの成形がしにくいという問題が生じる。

熱間でコイリングしたＢ−２および熱間でコイリングし
、その温度で焼入れしたＢ−３の何れも低温焼戻し以降
この発明の実施例と同様の工程を採用すると疲労性能は
優れたものとなる。

以上の実施例から、シリコンクロム鋼線を冷間あるいは
熱間を問わずコイリング加工した後、焼入れ焼戻し処理
を行なって引張強度をＪＩＳＧ−３５６６の弁ばね用シ
リコンクロム鋼オイルテンパー線の引張強度の値のほぼ
１０％増に調整し、次いでショットピーニング後、研摩
処理して表面粗さをＲｍａｘ≦５にすると、て＝６０±
５０ｋｇ／−の疲労試験でほぼ１０’の高寿命を有する
ことが認められた。

尚、この発明の実施例であるＡ−１と従来例であるＡ−
７の各工程後のコイル内側の残留応力分布の線図な第３
図に示した。なお同線図において実線は軸方向、点線は
接線方向を表わすものである。

この図からＡ−１ではショットピーニング前の残留応力
が±０になっているが、Ａ−７においては軸方向で引張
りの残留応力が残っていることがわかる。

従って、ショットピーニング後Ａ−７の軸方向の圧縮残
留応力がその分だけ小さ（なっており、疲労性能が劣っ
たものと考えられる。

一方、Ａ＝１　、　Ａ−７の何れもショットピーニング
後表面から深さ２０μまでの領域では、それより深い領
域より圧縮の残留応力より小さいことがわかる。

従って、研摩処理により２０μ以下の表面を取り去るこ
とは全体としての疲労性能に悪影響を及ぼさないことが
わかる。

実施例中のＡ−１およびＣ−１では研摩処理により取り
去った厚みは１５μで、Ｃ−２−では１２μであった。

〈発明の効果〉以上説明したように、この発明により得られるばねは極
めてすぐれた疲労性能を有しているので自動車エンジン
用弁ばねのように信頼性を要求される用途に非常に有用
である。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）乃至（Ｄ）はシリコンクロムオイルテンパ
ー線における焼戻し温度と機械的特性との関係な示す線
図であって、第１図（Ａ）は焼戻温度と硬度、第１図（
Ｂ）は焼戻温度と引張強度、第１図（２は焼戻温度と絞
り値、第１図（ＤＪは焼戻温度と疲労強度の関係を示し
、第２図は焼入れ焼戻し処理後の鋼線の深さ方向の残留
応力分布を表面からの距離と軸方向残留応力の関係から
示す線図、第３図（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の工程（Ａ
−１）と従来の工程（Ａ−７）におけるコイルばねのコ
イル内側の残留応力分布を示す線図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ｃ：０．４〜１．０重量％、Ｓｉ：１．０〜２．
０重量％、Ｍｎ：０．４〜１．０重量％、Ｃｒ：０．３
〜１．５重量％、Ｖ：０．０１〜０．３重量％を含有し
、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、清浄度を
０．０１％以下に調製した鋼線を所定のばね形状にコイ
リング成形し、焼入れ焼き戻し処理で引張強度をＪＩＳ
Ｇ−３５６６（１９８８年）、表６の値の１０％増に調
整し、ショットピーニング処理、研摩処理して表面粗さ
Ｒｍａｘを５μ以下としたことを特徴とする高強度コイ
ルばね。
（２）Ｃ：０．４〜１．０重量％、Ｓｉ：１．０〜２．
０重量％、Ｍｎ：０．４〜１．０重量％、Ｃｒ：０．３
〜１．５重量％、Ｖ：０．０１〜０．３重量％を含有し
、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、清浄度を
０．０１％以下に調製した鋼線を所定のばね形状にコイ
リング成形し、焼入れ焼き戻し処理して引張強度を調整
した後、ショットピーニング処理、研摩処理を行なって
表面粗さＲｍａｘを５μ以下としたことを特徴とする高
強度コイルばねの製造方法。
（３）鋼線のコイリング成形を冷間で行なうことを特徴
とする請求項２記載の高強度コイルばねの製造方法。
（４）鋼線のコイリング成形を熱間で行なうことを特徴
とする請求項２記載の高強度コイルばねの製造方法。
（５）鋼線のコイリング成形を８５０℃以上の高温で行
ないそのまま焼入れ処理することを特徴とする請求項（
２）記載の高強度コイルばねの製造方法。
（６）鋼線を８５０℃以上に加熱後４００〜６００℃の
温度でコイリング加工し、そのまま焼入れ処理すること
を特徴とする請求項（２）記載の高強度コイルばねの製
造方法。