JPH03162550A - 高強度高延性オイルテンパー線およびその製造方法 - 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】 ［従来の技術コ 現在、自動車や自動２輪車松どのエンジンに用いられて
いる弁ばねは，高応力で作動しておりまた作動回数も多
い。さらに使用温度も高温度化する傾向にある。このよ
うに弁ばねの使用環境はがなり厳しく、このため弁ばね
には信頼性の高い，弁ばね用ピアノ線、弁ばね用炭素鋼
オイルテンパー線、弁ばね用クロムバナジウム鋼オイル
テンパー線、弁ばね用シリコンクロム鋼オイルテンパー
線などが用いられている。特に高出力のエンジンには上
記材料中でも疲労強度が高く耐熱性もよいオイルテンパ
ー線が多く用いられている。しかしエンジンの一層の高
出力化を達成するために、更に疲労強度が優れた弁ばね
材料に対する要望が強い。

一般に弁ばね用のオイルテンバー線は、所定の線径に伸
線した材料を連続的にオーステナイト化状態にした後、
パーライト変態やペイナイト変態を起こさないような冷
却速度で焼入れを行い、次に焼戻しを行う工程で製造さ
れている。このときオイルテンパー線の金属組織は焼戻
しマルテンサイト組織と、不可避的に残留する体積比で
４％以下の残留オーステナイトで構威されている。この
オイルテンパー線はばねに或形加工されるが，このばね
成形加工性能は金属組織の大部分を占める焼戻しマルテ
ンサイト組織の延性や靭性に依存している。

ばね用材料を高強度化すると疲労強度の向上が期待でき
る。しかし高強度化すると、従来のオイルテンバー線の
焼戻しマルテンサイト組織の延性や靭性だけでは、ばね
或形加工に必要な延性や靭性を確保し難い。また材料の
切り欠き感受性が高くなってばね或形加工時に折損を起
こすことがある。

［発明が解決しようとする課題コ このような観点から本発明が解決しようとする課題は、
高強度のばね材料において、ばね或形加工に必要な延性
や靭性を有し、かつ高い疲労強度を兼ね備えたばね材料
を提供することにある。

［課題を解決するための手段および作用］本発明者等は
、従来の弁ばね用のオイルテンパー線の金属組織はほと
んどが焼戻しマルテンサイト組織であるが、これに延性
に富んだ残留オーステナイトを意図的に含有させること
により、ばね或形加工に十分な延性や靭性を備えたばね
材料が得られることを知得した。

本発明者等は更に、意図的に含有させた前記残留オース
テナイトは、ばね成形加工時に受ける塑性加工によって
加工誘起変態をおこし、ばね表層の硬さの増加をもたら
し、このために成形加工したばねの疲労強度が顕著に向
上することを知得した。

本発明は、上記の知見に基づきなされたもので、即ち本
発明は、重量比で、Ｃ：０．４０〜０．８０％，Ｓｉ：
０．７０　〜２．５０％，　Ｍｎ：０．４０　〜１．５
０％，　Ｃ　ｒ　：　０　．　４　０　〜１　．５０％
を含有し，必要に応じてＭｏ：０．１０−０．２５％，
Ｖ：０．０５〜０．６０％から選ばれる１種または２種
を含有する鋼線を用いる。この鋼線を加熱してオーステ
ナイト化状態とし、次にＭｓ点とＭｆ点の間の温度とな
るように焼入れをする。焼入れた際に鋼線の温度がＭｆ
点以下とならないようにすることにより、マルテンサイ
トと残留オーステナイトの混合組織で焼入れ工程を終え
ることができる。その後残留オーステナイトが完全には
分解しないように焼戻しを行うことにより、体積比で５
〜２０％の残留オーステナイトを含有し、残部が焼戻し
マルテンサイトよりなる混合組織で構成されたばね用鋼
線が得られる．このばね用鋼線は、ばね成形加工性能に
優れ，また残留オーステナイトの加工誘起変態によるば
ね表層の硬さの増加で，ばね疲労強度が向上する。

以下に本発明を更に具体的に説明する．ＣＴＣは鋼の強
度を高めるのに有効な元素であり、本発明に必要な残留
オーステナイトを残すためと必要な残留オーステナイト
を出すためには、０．４０％以上が必要である。また０
．８０％以上にしても強度の上昇が少なく延性を劣化さ
せる原因となるので０．４０〜０．８０％とした。

Ｓｉ：Ｓｉはオーステナイト相を安定化させる元素で本
発明に必要なオーステナイトを残すためには、０．７０
％以上必要である。また２．５０％以上になると鋼線の
加工性能が悪くなりまた熱処理時に脱炭を生じ易くなっ
てしまうため、Ｓｉは、０．７０〜２．５０％とした。

Ｍｎ：Ｍｎは材料の焼入れ性能の向上に働く元素で０．
４０％以下ではその効果は少ない。またｌ．５０％以上
になると靭性の劣化が起こる。このため、Ｍｎは．　０
．４０〜■．５０％とした。

（：ｒ：ＣｒはＭｎと共に材料の焼入れ性能の向上に働
く元素であるが０．４０％以下ではその効果は少ない。

また１．５０％以上になると炭化物の固溶を抑制し強度
の劣化をまねく。このためＣｒは、０．４０〜１．５０
％とした。

本発明はまた、必要に応じて以下の元素を含有させる。

ｖ：Ｖはばねの耐へたり性を改善するのに有効な元素で
ある。また焼戻し時の析出硬化にも寄与する元素である
。Ｏ．ＯＳ％以下ではその効果が表れず０．６０％以上
になると伸線加工性能が悪くなる。このためＶは、０．
０５〜０．６０％とした。

Ｍｏ：ＭｏはＶと共にばねの耐へたり性の向上に有効な
元素であり，かつ焼戻し軟化抵抗を高め耐熱性を与える
。０．１０％以下では，その効果は少なくまた０．２５
％以上になると伸線加工性能が悪くなる。このためＭｏ
は、０．１０〜０．２５％の範囲とした。

第１図に本発明法（Ａ）と従来方法（Ｂ）の熱処理履歴
を比較して示した。工および工′は材料をオーステナイ
ト状態まで加熱する工程である。この工程では本発明法
（Ａ）と従来方法（Ｂ）に違いはな１，Ｎ　。

第１図で２及び２′は焼入れ工程である。従来方ｍ（Ｂ
）では完全な焼入れを行うため、材料の温度がＭｆ点程
度となるように焼入れ媒体温度をＭｆ点近くの２′の温
度で保持しているのに対し，本発明法（Ａ）では焼入れ
時に材料がＭｓ点とＭｆ点の間の温度２になるように焼
入れ媒体中に焼入れを行う。この理由は、Ｍｓ点より開
始するマルテンサイト変態を途中で停止させ，本発明に
必要な残留オーステナイト相を確保するためである。

ここでＭｓ点とＭｆ点は主に炭素量など化学或分によっ
て決ることが明らかになっており，本発明の化学或分の
鋼では．Ｍｓ点が４００〜１８０℃でＭｆ点が１７０〜
−５０℃と把握される。このため焼入れ媒体の温度を、
必要とする残留オーステナイト量により−５０〜４００
℃の間で調節する。また焼入れ媒体中での保持時間は，
オーステナイト化された材料が焼入れ媒体温度と同じ温
度になるまでの時間でよい。

第↓図で３および３′は焼戻し工程である。本発明では
残留オーステナイトを保持して焼戻しする。残留オース
テナイトを保持した焼戻しは，３００℃〜６００℃の焼
戻し温度に９０秒以下の間保持する事によって行う．焼
戻し温度での保持時間が、第１図の従来方法（Ｂ）の３
′の如くに、例えば２００秒以上で長いと、本発明の方
法で形或した残留オーステナイトはすべてペイナイトに
分解する。従って焼戻し温度における本発明の保定時間
は第１図（Ａ）の３の如くに１５０秒以下で、好ましく
は９０秒以下である。この保定時間で焼戻しマルテンサ
イトを得るには焼戻し温度は３００℃以上が必要である
が、しかし６００℃を超えると残留オーステナイトが完
全にペイナイトに分解してしまう。

本発明では、目的とするオイルテンパー線の強度と必要
な残留オーステナイト量を得るために、焼戻し温度と焼
戻時間は上記の範囲内で適宜調整する。

第ｌ図で４および４′は焼戻し後の冷却である。

本発明では焼戻し後は，残留オーステナイトを保持して
急冷する。残留オーステナイトを保持した冷却は、焼戻
し装置から取出した材料を、直ちに２００℃以下まで冷
却する事によって行う。この理由は，焼戻し装置から取
出した後も材料中の残留オーステナイトの分解が続いて
いるためであり、また２００℃以下と定めた理由は、残
留オーステナイトの分解が２００℃以下になると停止す
るからである． 以上の処理によって、金属組織が体積比で５〜２０％の
残留オーステナイトと焼戻しマルテンサイトで構成され
た，本発明の高強度高延性オイルテンパー線が得られる
。

本発明では残留オーステナイトの比率を５〜２０％とす
るが、５％未満では鋼線の延性や靭性の改善が不十分で
、また疲労強度の向上も少ない。また残留オーステナイ
トの比率が２０％を超えると材料の強度が低下する。

［実施例］ 以下本発明の実施例について説明する。

第１表に示した化学或分の線材を熱処理、伸線を繰り返
し，線径３　，　７ｍ＋ａの材料として、これに本発明
法と従来方法を施して比較した。

第２表に本発明法と従来方法の熱処理条件および処理後
のオイルテンパー線の機械的性質を示す。

まず，ばね成形加工性能の評価は、ばね成形加工が主に
曲げ加工であることを考慮して，引張試験での伸び値と
、曲げ加工試験での折損を起こすまでの曲げ角度とで評
価した。本発明材であるＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅは従来材Ａと同
程度の強度にもかかわらず、本発明材Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの
伸び値は第２表のＥＱ％欄に示す如く従来材Ａの伸び値
よりも高く，本発明によって残留オーステナイトを含有
させることにより延性が向上していることが明らかであ
る。尚第２表で残留オーステナイトγＲ％の含有量が多
い材料ほど、伸び値（ε悲％）が大きい。

曲げ加工試験での折損を起こすまでの角度と残留オース
テナイト量との関係を第２図に示した。残留オーステナ
イト量が増加するに伴い折損を起こすまでの曲げ角度が
大きくなり、曲げ加工での折損が起こりにくくなってい
ることがわかる。このように本発明材は従来材に比べて
同じ強度であっても、延性が大幅に増加し、このためば
ね或形加工性能の向上が認められる。

次に残留オーステナイトとばね或形加工時の加工誘起変
態について評価した。一般にばね成形加工時、線に働く
歪はばね外側及び内側の線の表面が最も高く、線の中心
部が最も低い。このように線断面中でＶ字型の歪の分布
をしている。このため残留オーステナイトとばね或形加
工時の加工誘起変態についての評価にあたり、ばね或形
加工時の歪の分布と近似するように、線にねじり加工を
施し歪の分布が線断面中でＶ字型になるようにして評価
した．第３図に、ねじり試験機を用いて第２表のＡ−Ｅ
にせん断歪を与えたときの、歪量と残留オーステナイト
（γＲ％）の変化、および強度上昇量（σＢの増加量）
の関係を示す。第３図にみられる如く，従来材Ａは塑性
加工を受けても強度の上昇は起こらないのに対して，残
留オーステナイトを５％以上含有させた本発明材．Ｂ，
Ｃ，Ｄ，Ｅは、塑性加工を受けることにより強度が増加
している．この理由は、第３図のせん断歪とγＲ（％）
の図にみられる如く、本発明材では残留オーステナイト
が歪を受けるに伴い加工誘起変態を起こし、マルテンサ
イト組織に変態したためである。

第４図は、第２表の本発明材Ｂと従来材Ａを用いて、ば
ね仕様がコイル平均径２２．２ｍＩ１、有効巻数４．５
、総巻数６．５、自由高さ５１　．　Ｏｍａ＋の弁ばね
を製造し，４２０℃，２０分の低温焼鈍、その後ショッ
トピニングを施し、更に２２０℃、２０分の２次低温焼
鈍を行ったばねの疲労試験の結果である。第４図から明
らかなように本発明材Ｂの方が疲労強度が高く寿命も長
い。

［発明の効果］ 本発明の高強度高延性オイルテンパー線は、延性の大幅
な向上が図られているため、ばね成形加工性能に優れ、
ばね或形加工での折損が防止できる。また本発明の高強
度高延性オイルテンパー線は残留オーステナイトの加工
誘起変態によりばね表層の硬さが上昇して疲労強度の向
上にも大きな効果を表すものである。

【図面の簡単な説明】

第↓図は、本発明法と従来方法の熱処理を比較する説明
図。 第２図は本発明材と従来材の曲げ加工試験における折損
までの角度と残留オーステナイト量の関係の例を示す図
， 第３図はせん断歪と残留オーステナイトの変化および強
度上昇量の例を示す図、 第４図は本発明材と従来材のばね疲労試験結果の例によ
るＳ−Ｎｆｉ図、 である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量比で Ｃ：０．４０〜０．８０％、Ｓｉ：０．７０〜２．５０
   ％Ｍｎ：０．４０〜１．５０％、Ｃｒ：０．４０〜１．
   ５０％を含有し、必要に応じて Ｍｏ：０．１０〜０．２５％、Ｖ：０．０５〜０．６０
   ％から選ばれる１種又は２種を更に含有し、かつ金属組
   織が体積比で５〜２０％の残留オーステナイトと焼戻し
   マルテンサイトであることを特徴とする、高強度高延性
   オイルテンパー線
2. （２）重量比で Ｃ：０．４０〜０．８０％、Ｓｉ：０．７０〜２．５０
   ％Ｍｎ：０．４０〜１．５０％、Ｃｒ：０．４０〜１．
   ５０％を含有し、必要に応じて Ｍｏ：０．１０〜０．２５％、Ｖ：０．０５〜０．６０
   ％から選ばれる１種または２種を更に含有する鋼線を、
   Ａ＿３点以上の温度に加熱してオーステナイト状態とし
   、次に該鋼線の温度がＭｓ点からＭｆ点の間の温度とな
   るように焼入れし、次に残留オーステナイトを保持して
   焼戻しし２００℃以下まで冷却することにより、金属組
   織が体積比５〜２０％の残留オーステナイトと焼戻しマ
   ルテンサイトである高強度高延性オイルテンパー線を製
   造する方法