JPH049860B2

JPH049860B2 -

Info

Publication number: JPH049860B2
Application number: JP61118207A
Authority: JP
Priority date: 1986-05-21
Filing date: 1986-05-21
Publication date: 1992-02-21
Also published as: JPS62274051A

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］本発明は、耐疲労性、耐へたり性に優れた弁ば
ね用鋼線に係り、特に内燃機関用弁ばね、クラッ
チばねまたはブレーキばね等の機械用ばねに用い
られるものに関する。［従来の技術］耐疲労性や耐へたり性が要望される代表的な弁
ばね用鋼としてはSi−Cr鋼のオイルテンパー線
が用いられている。これらのワイヤーの引張強さは線径に応じた概
略式として、 T.S＝71d^-1/2＋155 （T.S：引張強さ［Kgｆ／mm²］ｄ：素線径［mmφ］）で与えられる。具体的にこの式に基づいて引張強さを求める
と、４［mmφ］のワイヤーでT.Sは約190［Kgｆ／
mm²］となる。また、弁ばね用オイルテンパー線として
SWRS67B等のピアノ線用が用いられることがあ
る。このときのワイヤーの引張強さはSi−Cr鋼
のオイルテンパー線よりも更に低く、4.0［mmφ］
のワイヤーで目標とされる引張強さは約165［Kg
ｆ／mm²］である。更に、弁ばね用ワイヤーとして、伸線加工され
たままのワイヤーが用いられる場合もある。その
代表的な例として、SWRS82Aの伸線加工したワ
イヤーが挙げられるが、その引張強さは約170［Kg
ｆ／mm²］である。そして、従来の弁ばね用ワイヤーに関する規格
については次のようなものがある。 ≪JIS規格等≫ JIS G3566、JIS G3561、JIS G3565、JSMA
（日本ばね工業会規格）［発明が解決しようとする問題点］一般に、圧縮・引張りコイルばねにおいて、ば
ねの高さ（Ｈ［mm］）、軸方向力が作用した場合の
素線に生じるねじり応力（τ［Kgｆ／mm²］）は次式
で与えられる。Ｈ＝Ａ・Na・ｄ …… τ＝８・Ｐ・Ｄ／π・d³ …… 但し、Ａ：定数，Na：有効巻数ｄ：素線径［mm］Ｐ：ばねにかかる荷重［Kgｆ］Ｄ：コイル平均径［mm］ところで、弁ばねの高さを低くすることによつ
て、弁ばねのみではなく、弁の駆動系全体及びそ
れを保護しているブロツクを軽量化することがで
きる。従つて、ばねの高さを低くするためには、式
から有効巻数（Na）を減少させ、素線径(d)を小
さくすることが必要となる。しかし、この場合には式からばねに作用する
繰り返し応力が大きくなるため、ばねの疲労寿命
が低下してしまうという相反関係がある。また、エンジン等においてはその出力を向上さ
せるためにはエンジンの回転数を上げることが最
も有効である。従つて、エンジン等の要部に使用
されているばねについては、その固有振動数を大
きくすることが望まれることが少なくない。尚、固有振動数は f₁＝3.56×10⁵・ｄ／Na・D² …… （JIS B2704）で与えられる。このためには、有効巻数（Na）を減少させ、
ばねの素線径(d)を大きくすることが必要となる。しかし、素線径(d)を大きくすると軽量化に不適
当であるため、素線径(d)を一定にして有効巻数
（Na）を減少させることになるが、この場合にも
ばねに作用する繰り返し応力が大きくなるため、
ばねの疲労寿命が低下してしまうという相反関係
がある。以上のことから、ばねの疲労寿命を保証するた
めにはばねの素材の強度を向上させることが必要
となる。現在使用されているばね用ワイヤーの代表的素
材であるSi−Cr鋼でも、オイルテンパー処理で
の焼もどし温度を下げることによつて高強度ワイ
ヤーには得られるが、この場合には次のような問
題点が生じる。焼もどし処理は溶融鉛を使用することにより行
なわれるが、現行のSi−Cr鋼で高強度化を図る
ためには、素線径4.0［mmφ］のワイヤーで溶融鉛
温度を400℃以下にしなければならない。しかし、
溶融鉛の融点は327℃であり、この処理温度では
処理鋼線の表面に鉛が付着してしまう。また、引張強さを220［Kgｆ／mm²］以上にすると
延性が極端に低下し、ばねコイリング時での折損
や疲労寿命の低下を招いてしまう。一般に成形されたばねは、ばね成形時の歪除去
と弾性限の向上のためブルーイング処理がなされ
るが、この際に現行のSi−Cr鋼で高強度を維持
するためにはブルーイング温度が低くなり、上記
の問題点について充分な効果が得られなくなる。そこで、本発明は高強度でも高い延性を有し、
且つ高いブルーイング処理温度でもその強度を維
持する鋼を提供することを目的として創作され
た。［問題点を解決するための手段］本発明の要旨は、化学成分が重量％で、Ｃ：0.5〜0.8％（ただし0.5％は除く）、 Si：0.8〜2.0％、 Mn：0.1〜0.7％、 Cr：0.5〜2.0％、 Al：0.005％以下、Ｖ：0.05〜0.5％、Nb：0.05〜0.5％、Ta：0.05
〜0.5％の一種または二種以上、残部：Fe よりなる鋼をオイルテンバー処理し、引張強さを
素線径に対して、 71d^-1/2＋173≦T.S≦71d^-1/2＋203 （T.S：引張強さ［Kgｆ／mm²］ｄ：素線径［mm］）なる関係を有するように調整したことを特徴とす
る弁ばね用鋼線、に存在する。［作用］本発明の鋼について、化学成分を限定した理由
を説明する。Ｃ：Ｃは強度を大きくするために有効な元素である
が、0.5％以下では充分な強度を得ることができ
ない。一方、0.8％を越えると靱性が劣化する。
従つて、Ｃ量を0.5〜0.8％（0.5％は除く）とし
た。 Si： Siは脱酸に有効で、且つオイルテンパーした場
合の強度に大きく寄与する元素であり、0.8％未
満では高強度にすることが困難になる。一方、
2.0％を越えると脱炭を助長して表面の強度を低
下させるばかりでなく、Alの混入源となる。後
記するように、Alの増加は非延性介在物を生成
せしめるため、ばねの疲労特性が悪くなる。従つ
て、Si量を0.8〜2.0％とした。 Mn：焼入焼もどし処理では、鋼の焼入性が重要であ
り、このためにはMnの添加がなされなければな
らない。また、鋼の靱延性に有害なＳを固定する
役割を果たすため、ある程度のMnの添加が必要
となる。しかし、添加しすぎると、処理鋼の延性
が低下し、高強度ワイヤーが得られなくなる。従
つて、Mn量を0.1〜0.7％とした（第１図参照）。 Al： Alを0.005％以上添加した材料では多数の
Al₂O₃が生成する。このAl₂O₃は非延性であるだ
けでなく、非常に硬度が高いため、疲労試験にお
いて早期破壊が発生する。このため、Alの添加
量は極力おさえるべきであり、0.005％以下にす
る必要がある。Ｖ，Nb，Ta：Ｖの添加は結晶粒を微細にし、処理鋼の靱延性
の向上に寄与する。また、耐へたり性の改善にも
有効である。更に、Ｖばね成形後の歪取り焼鈍及
びオイルテンパー処理において二次析出強化を図
るため、焼もどし軟化抵抗が大きくなり、高強度
化に有効である。しかし、0.05％未満ではその効
果は非常に小さくなる。（第２図参照）。一方、オイルテンパー処理におけるオーステナ
イト化時に過度にＶを添加すると溶け込まず、末
溶解炭化物がオイルテンパー材に残つてしまい、
この末溶解炭化物が粗大になると処理材の延性が
低下する。従つて、この添加量には上限があり、
0.5％である。以上から、Ｖ量を0.05〜0.5％とした。また、Nb，Taは、Ｖと同様に析出強化を付与
する元素であり、高強度化に効果がある。しか
し、0.05％未満ではその効果が小さく、一方、
0.5％を越えると粗大な未溶解炭化物ができるた
め、0.05〜0.5％とした。次に引張強さを限定した理由について説明す
る。一般的にばねの素線の疲労限はワイヤーの引張
強度が高いほど向上する。しかし、引張強さがT.S＝71d^-1/2＋155で与え
られる強度より10［Kgｆ／mm²］程度大きくても疲
労限の向上は顕著でなく、目的を達成することが
できない。一方、T.S＝71d^-1/2＋203で与えられ
る強度より大きくなると靱延性が不足し、コイリ
ング時に折損が増えるだけでなく、疲労限も低下
してゆく。従つて、前記の鋼をオイルテンパー処
理し、引張強さを素線径に対して、71d^-1/2＋173
≦T.S≦71d^-1/2＋203なる関係を有するように調
整することにより、弁ばね用鋼線を得ることとし
た。［実施例］第１表に示した供試験鋼（ａ〜ｋ）により素線
径4.2［mmφ］ワイヤーを製造し、オイルテンパー
した後に中村回転曲げ疲労試験機で試験を行い、
疲労限度を求めた。この結果は第２表に示されるが、本発明鋼であ
るａ，ｂ，ｇ〜ｋは高強度でも優れた疲労特性を
示しているが、比較鋼ｃ，ｄは強度を上げると逆
に疲労特性が悪くなる。尚、比較鋼ｅ，ｆは高強
度にすることが困難である。また、全供試鋼について、ばね定数2.5［Kgｆ／
mm］のコイルばねを製造し、ワイヤーの引張強さ
の1/2の応力でセツチングを施し、試験応力が80
［Kgｆ／mm²］となるように一定荷重を24［hr］、150
℃で加えて残留せん断歪を測定した。この結果は第２表に示されるが、本発明鋼は比
較鋼ｅ，ｆと同じ引張強さでもへたりが少なく、
また、高強度にすることによつて更に耐へたり性
が改善されていることが理解できる。［発明の効果］本発明鋼を使用することにより、従来からのSi
−Cr鋼と同様の焼もどし及びブルーイング処理
温度で処理することによつて、 T.S＝71d^-1/2＋173［Kgｆ／mm²］以上の引張強さを有するオイルテンパー線が得
られるだけでなく、超微細粒を有する鋼線を製造
することが可能となる。また、このワイヤーを使用することにより、従
来より高い疲労強度を有した弁ばね用鋼線を得る
ことができ、更に本発明鋼ではAlが極端に低い
レベルに押さえられているため、疲労に有害な非
延性介在物も非常に少なくすることができる。従つて、従来材（Si−Cr鋼等）よりも高い疲
労強度を得ることが可能となり、エンジンの小型
化や軽量化に寄与するだけでなく、小型のばねで
高出力の機能を内燃機関に与えることが可能とな
る。また、Ｖの添加によりオイルテンパー線にバナ
ジウムカーバイトを微細析出させ、且つ前記のよ
うに超微細粒を有した鋼線の製造が可能となるた
め、弁ばね用鋼線で重要な耐へたりや耐熱性も向
上せしめる。

【表】

【表】【図面の簡単な説明】

第１は横軸にMnの含有量を、縦軸に引張強さ
をとり、Mnの含有上限の限定理由を示すグラ
フ、第２図は横軸にブルーイング温度を、縦軸に
引張強さをとり、Ｖの含有量をパラメータとして
ブルーイング温度と引張強さの関係を示したグラ
フである。

Claims

【特許請求の範囲】１化学成分が重量％で、Ｃ：0.5〜0.8％（ただし0.5％は除く）、 Si：0.8〜2.0％、 Mn：0.1〜0.7％、 Cr：0.5〜2.0％、 Al：0.005％以下、Ｖ：0.05〜0.5％、Nb：0.05〜0.5％、Ta：0.05
〜0.5％の一種または二種以上、残部：Fe よりなる鋼をオイルテンパー処理し、引張強さを
素線径に対して、 71d^-1/2＋173≦T.S≦71d^-1/2＋203 （T.S：引張強さ［Kgｆ／mm²］ｄ：素線径［mm］）なる関係を有するように調整したことを特徴とす
る弁ばね用鋼線。