JPH062933B2 - 冷間成形用太径高強度ばね鋼線の製造方法 - Google Patents

冷間成形用太径高強度ばね鋼線の製造方法

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JPH062933B2
JPH062933B2 JP62074296A JP7429687A JPH062933B2 JP H062933 B2 JPH062933 B2 JP H062933B2 JP 62074296 A JP62074296 A JP 62074296A JP 7429687 A JP7429687 A JP 7429687A JP H062933 B2 JPH062933 B2 JP H062933B2
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    • F16FSPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00Springs
    • F16F1/02Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
    • F16F1/021Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant characterised by their composition, e.g. comprising materials providing for particular spring properties

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、冷間成形用太径高強度ばね鋼線の製造方法に
関する。
(従来の技術) 従来、コイルばねを製造する場合は、細径線材からなる
コイルばねでは、素材線材を熱処理もしくは引抜きによ
り高強度化して冷間でコイリング成形し、また線径8m
mφ以上の太径線材からなるコイルばねでは、高強度化
後の鋼線材はコイリングが困難であるとの理由から、定
尺に切断した素材線材を熱間でコイリング成形したうえ
熱処理により高強度化するという手法であつた。然しな
がら、本出願人は従来の熱間成形に依存する太径線材か
らなるコイルばね製造方法では肌荒れ、脱炭、仕上がり
精度ならびに生産性等の諸問題が存在することに着目
し、鋭意研究の結果、たとえ太径の線材からなるコイル
ばねでも冷間成形で製造し得る方法を開発した。
上記開発の成果は特許出願され、例えば特公昭59−1
3568号(特許第1332667号)として公知であ
るが、当該特許発明を第4図に従つて概説すれば、巻戻
しスタンド1から巻戻される8〜16mmφ程度までの
太径素材線材Wを順次巻取りスタンド2に巻き取る間
に、矯直機3により曲がり矯正したのち、複数箇所に配
置したピンチローラ4で所定の張力を付与しつつ、高周
波誘導加熱ないし直接通電加熱等の急速加熱手段51お
よび急冷手段52からなる焼入れ装置5を用いた所定の
焼入れ、急速加熱手段61および急冷手段62からなる
焼戻装置6を用いた極めて短時間の闇戻(言わば焼戻中
断的手法)をするという熱処理工程に付し、冷間成形性
に富む太径高強度鋼線………通例では引張強さ180Kg
f/mm2前後、ときには200Kgf/mm2以上の仕上がり…
……を得、斯く得られた太径高強度鋼線を冷間でコイリ
ング成形し、その後所定の後工程に付してコイルばね製
品とするものである。
(従来技術に存する問題点) 上記特許発明に従う熱処理工程に付して得られた太径の
高強度鋼線は極めて冷間成形加工性に優れているので、
通常のコイリングマシンにより冷間で容易にコイリング
成形可能である。
ところで、コイリングマシンによる成形では、順次軸線
方向へ送給される鋼線の進行方向を複数のフインガ−ピ
ンにより順次偏向させるよう案内してコイル状に巻回す
るが、鋼線を案内する当該フインガ−ピンの先端面は強
度の高い鋼線を押圧接触状態下に滑動させて偏向せしめ
るので、ときとして鋼線とフインガ−ピンとの間に焼き
つき現象が発生する。当該焼きつき現象は鋼線の仕上が
り強度が高ければ高いほど、またコイリング速度が速け
れば速いほど多発する傾向がある。
焼きつき現象が発生すると、巻回速度が不均一となるた
め仕上がつたコイルばね形状が精密に所定とならず、製
品寸法、従つてばね定数、ばね特性にばらつきを齎すこ
ととなり、さらには表面傷を生じて不良品とされる場合
もある一方、他方ではフインガ−ピンの早期損耗をも招
来し、問題点とされていた。
また、冷間成形用太径高強度ばね鋼線はコイリング成形
時に異音………熱処理時に鋼線周面に形成されたFeO,F
e2 O3,Fe3 O4等の酸化鉄ならびに水酸化鉄等が混在す
る厚さが2〜3μm程度の薄い被膜が巻回時の引張りと
圧縮とを受けてひび割れる音………が多発し、当該異音
も仕上がり強度の高さとコイリング速度の速さに比例し
て高頻度、かつ大きくなり、作業環境上から改善策が希
求されていた。
尚、実体的な問題点ではないが、被膜は上記の如く各種
酸化鉄や水酸化鉄等が混在しているので、仕上がり鋼線
の全長、全周にわたる肌色と質感を不統一とし、見ばえ
の点で不具合であつた。
(発明の目的) 本発明は、冷間成形用太径高強度ばね鋼線に存する上述
の問題点を解消するためになされたもので、コイリング
成形時に焼きつき現象を惹起する虞なく、かつ異音を発
生することのない成形加工性に優れた冷間成形用太径高
強度ばね鋼線の製造方法を提供することを目的とする。
即ち本願第1発明は、従来から例えば銃身,南部鉄瓶あ
るいは精密機械部品等、完成鉄鋼製品ないし完成鉄鋼部
品の摩耗や腐食防止を目的とした表面処理として実施さ
れていた黒染、即ちFe3 O4を主成分とする酸化被膜の形
成を、製造工程半ばのばね鋼線に適用することを特徴と
し、かつ完成した製品、即ちコイルばねとされた時に
は、当該黒染が残らないことを前提とし、Fe3 O4被膜の
有する緻密かつ脱落し難い性質を後工程として予定され
ている冷間でのコイリング成形時に利用しようとする技
術思想に立脚するものである。
而して、鋼線表層のFe3 O4を主成分とする酸化被膜の厚
みを5〜10μm範囲内とした理由は、4μm以下では
後述の作用を発揮させるには不足し、10μm以上では
過剰であるとともに、材料歩留りを低下させるので好ま
しくないからである。
また、酸化被膜は主成分としてFe3 O4の占める割合が大
であればある程好ましく、また粗雑で脱落し易いFe2 O3
が可及的に僅少であることが好ましい。成分比として
は、少なくとも; Fe3 O4…………50%以上 Fe2 O3…………10%以下 Fe O…………残余 であれば本願の目的が達せられる。
Fe3 O4を主成分とする酸化被膜の形成には過熱水蒸気処
理法、アルカリ黒色酸化法その他各種の方法があるが、
そのいずれによつて形成されたものでもよく、上記厚
み、ならびに成分比が満足されればその手法を問わず、
かつ当該酸化被膜の形成が後述する本願第2発明の如
く、高強度加熱処理中に行われるようと、はたまた高強
度加熱処理後の鋼線に行われようとその形成時期を問う
ものではない。ただし、高強度加熱処理後の鋼線に黒染
処理をする場合には、熱処理時に形成された各種酸化
鉄、水酸化鉄混在被膜を酸洗で除去して中和する等の表
面清浄化工程を付したうえで実施することとなり、かつ
焼戻温度以上の高温を用いた処理法は鋼線の強度低下を
招来するので、回避しなければならない。
(第1発明の作用) 本願第1発明は、高強度加熱処理済み鋼線の表層を覆う
酸化被膜の主成分がFe3 O4で,Fe2 O3が僅少であり、強
固に母材と結合しているので、当該被膜が冷間でのコイ
リング成形時に潤滑材層となつて鋼線・フインガ−ピン
間の焼きつき現象の発生を防止する作用、およびコイリ
ングに伴う引張り,圧縮を受けてもひび割れしないので
異音を発生させない作用がある。
しかも、当該酸化被膜を成形されたコイルばねを残留応
力除去(焼戻完遂をも含む)を目的として加熱炉内で数
十分間にわたり300〜500℃の温度範囲に加熱され
ると、粗雑なFe2 O3あるいは水酸化鉄に変質し、後工程
のシヨツトピ−ニングで完成に除去されるので、コイル
ばね自体の品質には全く影響を残さない。
さらに、全長、全周がFe3 O4を主成分とする被膜で覆わ
れた鋼線は肌色が均一で艶があつて見ばえが良い。
(発明の構成) 本発明は、 (1)巻戻しスタンドから巻戻される太径素材線材に急速
加熱・急冷手段を用いた焼入れ、および焼戻を順次施し
て巻取りスタンドへ巻き取る冷間成形用ばね鋼線の高強
度化熱処理工程において、 (2)上記焼入れ用の急速加熱手段を通過した線材が急冷
手段に至るまでの間で過熱水蒸気雰囲気内を通過するよ
うにし、 (3)昇温した線材が表層全周に均一な所定厚みのFe3O4
主成分とし、Fe2 O3が10%以下の酸化被膜を形成され
た後に急冷・焼入される如く設定したことを特徴とする
冷間成形用太径高強度ばね鋼線の製造方法にある。
(本発明の作用) 本願発明は、連続的に太径素材線材を高強度化熱処理す
る工程中の焼入れ時に、急速加熱手段を経た線材の昇温
加熱状態を利用して当該線材の表層に過熱水蒸気でFe3
O4を主成分とし、Fe2O3が僅少な酸化被膜を短時間で効
率的に形成する作用、および連続生産ラインでその長さ
を延長せずに当該被膜を形成し得るので生産性を一切阻
害せず、簡易に実施に可能とする作用がある。
尚、付言ではあるが、鋼線は焼入れに続いて焼戻に付さ
れるが、焼戻は300〜600℃範囲の極めて短時加熱
であり、直ちに急冷されるので、形成された上記被膜は
焼戻時に変質する虞はない。
(実施例) 本願発明を第1図(a)および(b)に示す実施例に従
つて以下に詳述する。
第1図の(a)は前記特許発明の高強度化熱処理ライン
における本発明実施部分である焼入れ装置5を示し、
(b)は(a)におけるX−X線断面図である。当該実
施例では、急速加熱手段51として高周波誘導加熱コイ
ルが、また急冷手段2として冷却水を噴射する冷却ジヤ
ケツトが用いられており、上記急速加熱手段51で加熱
されて表面温度が芯部よりやや高温の線材Wを全断面均
一温度としたうえで急冷すべく所定長の間隔とした急速
加熱手段51・急冷手段52間の線材送り通路上に本発
明の一実施例である雰囲気室7が配置されている。
上記雰囲気室7は内径が線材Wの外径の3〜5倍程度と
した、例えば金属パイプ等からなる耐熱性管材で、両開
端面がそれぞれ急速加熱手段51の出側および急冷手段
52の入側に近接して位置する如く、かつ例えば水平を
維持する線材送り通路に対し、急速加熱手段51側端面
方向が些少高くなるように傾斜させ、しかも線材Wが管
内壁に非接触状態で通等可能に配置されている。而し
て、上記の如く些少高くされ端面に近接する位置の管側
壁には71として示す貫通口が設けられ、かつ当該貫通
口71の開口する管外壁には72として示す水受けが固
着配置されている。当該水受け72はU字ないし凹形の
溝部材で、溝の一方側は貫通口71と導通し、他方側は
閉に形成してある。
図における8は給水管であり、ノズル81が水受け72
の開放上面の上方所定位置に在る如く配置され、バルブ
82により流量調整可能に構成されている。
上記実施例では、給水管8を介してノズル81から流量
調整された水を水受け72に流下させると、水受け72
内の水は貫通口71を経て雰囲気室7内に流れ込む。当
該雰囲気室7内に流れ込んだ水は緩い傾斜に従つて流下
するが、当該雰囲気室7内には急速加熱手段51を経て
所定焼入れ温度、即ち1000℃前後の温度に昇温して
いる線材Wが走行しており、雰囲気室7を流下する水は
上記線材Wが発散する輻射熱によつて直接、また輻射熱
で昇温した管壁に触れ、加熱されて気化・蒸発し、かつ
発生した水蒸気は輻射熱でさらに過熱状態となつて狭隘
な雰囲気室7内に充満する。従つて線材Wは高酸化性を
もつ過熱水蒸気雰囲気内を通過することとなり、その間
に高温の線材Wの表層は高効率で酸化されてFe3 O4を主
成分とし、Fe2 O3の生成が抑制された被膜が形成され
る。表層に被膜が形成された線材Wは雰囲気室7を出る
と直ちに急冷手段52へ進み、急冷・焼入れされること
となる。
この場合、水受け72に供給される水の流量は、水受け
72から貫通口71を経て雰囲気室7内に流れ込む水が
当該位置を通過する線材Wに触れないよう、かつ雰囲気
室7の長さとの関係において発生する過熱水蒸気雰囲気
が線材Wの表層に5〜10μm範囲内の厚みの被膜を形
成可能な如く調整されねばならない。
斯く表層に被膜が形成された後に急冷・焼入れされて焼
入れ装置5を通過した線材Wは第4図に示される焼戻手
段6を経て所定の強度,例えば190Kgf/mm2に仕上げ
られ、巻き取りスタンド2に巻き取られる。
(実験例) 本発明者は上記実施例に従つて高強度化熱処理された鋼
線が所期の如くFe33 O4を主成分とし、Fe2 O3を可及的
に僅少とした酸化被膜で被覆されたや否や、およびコイ
リング成形時の成形加工性を確認するため、以下の実験
をした。
☆供試体の作成:鋼種SAE9254相当材で,線材径
13.0mmφの素線をデスケール処理のうえ、線材径11.5
mmφに引抜き、本発明に従つた高強度化熱処理工程に
付した。処理上の各条件は以下のとおりであつた。
○線材送り速度……………130mm/sec ○焼入れ;急速加熱手段=高周波誘導加熱 急冷手段=水冷 加熱温度………980℃ ○急速加熱手段・急冷手段間の間隔………………………
1250mm ○雰囲気室;内径……………35mmφ 長さ…………820mm ○雰囲気室に供給する水の流量……………………………
……0.1dl/sec ○焼戻;急速加熱手段=高周波誘導加熱 急冷手段=水冷 焼戻温度…………560℃ ○引張強さ目標値…………180Kgf/mm ☆確性試験;上記本発明実施供試体を従来方に従つて得
た供試体と各項目ごと下記の方法,条件に従つた試験に
付して比較した。別表その結果を一括表示する。
○表面目視観察試験;表面を目視観察した。
○表面粗さ測定試験;表面粗さ計を用い、熱処理時下方
に該当した周面位置,当該周面位置の120゜周面位置
それぞれを長手方向沿いに計測し、計測値の変動巾RZ
を求めた。
○組織顕微鏡写真による被膜(スケール)厚み観察試
験;表層部の断面を顕微鏡写真図(400倍)により観
察し、被膜の厚みを求めた。
第2図(a)および(b)それぞれは本発明実施供試体
の,(c)および(d)それぞれは従来法実施供試体の
周方向および長手方向断面の顕微鏡写真である。
○被膜成分確認試験;被膜の成分をX線アナライザを用
いて分析した。
○スケール量測定試験;供試体の所定長を酸洗でスケー
ル落しして重量を計測し、熱処理前の素材(酸洗後)の
同一の長さ重量と比較して減少した割合%を求めた。
○コイリング成形試験;本発明実施供試体および従来法
実施供試体それぞれをコイリングマシンを用い、冷間で
下記形状のコイルばねを多数個作成し、コイリング成形
時の鋼線・フインガ−ピン間の焼きつき現象発生状態お
よび異音の発生状態、ならびに作成されたコイルばねの
形状状態を調査した。
コイルばね 中心径………… 61.7mm 有効巻数……… 5.5 総巻数………… 7.7 自由高さ………189.1mm 別表記載の試験結果から明らかな如く、本発明実施供試
体には、全周方向に5〜6μmの均一な厚みでFe3 O4
主成分とし、Fe2 O3が僅少な酸化被膜がほぼ均質に形成
されていることが確認され、従つて冷間でのコイリング
成形時に、当該被膜が有効に作用して鋼線・フインガ−
ピン間に焼きつきが生ぜず、異音の発生もなくスムース
なコイリング成形がなし得ることとなり、これに伴い形
成されたコイルばね形状にばらつきが一切無く、所定寸
法に仕上がつていることが確認され、本発明にかかる太
径高強度熱処理鋼線が冷間成形加工性に極めて優れてい
ることが実証された。
(他の実施例) 第3図は本発明の他の実施例を示す。第1図と同一の記
号・番号を付した要素は同一要素で同一作用をするが、
当該実施例では急速加熱手段51と急冷手段52との間
の線材送り通路上に配置される雰囲気室70が前記実施
例とは異なる構成である。即ち、雰囲気室70内には図
示しない過熱水蒸気供給源から供給される過熱水蒸気が
供給口701を介して供給され、排出口702を介して
排出される構成である。当該構成は、例えば線材径が比
較的小径で全断面均一加熱に要する時間が短くて済み、
これがため急速加熱手段51と急冷手段52との間が比
較的短尺の場合、あるいは急速加熱手段51が大出力
で、線材Wの走行速度が速い場合等、前記第1の実施例
では所定の厚みのFe3 O4を主成分とする被膜を形成し難
い場合等に用いられる。
(発明の効果) 本願発明により製造される冷間成形用太径高強度ばね鋼
線は、コイリング成形時に焼きつき現象を惹起する虞な
く、かつ異音を発生することもなく、極めて成形加工性
に優れているので、当該ばね鋼線を用いて製造される製
品は均一な仕上がりとなつて品質向上に多大の寄与をす
るとともに、フインガ−ピンの寿命を延長し、併せて作
業環境の改善に資することとなる。
また、本願発明の製造方法は、上記冷間成形用太径高強
度ばね鋼線を極めて効率的かつ簡易に製造可能であると
し大いに賞用される。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は太径線材の高強度化熱処理ラインにおけ
る本願発明実施部分の断面正面図、第1図(b)は第1
図(a)におけるX−X線断面図、第2図(a)および
(b)は本発明実施供試体の,(c)および(d)は従
来法実施供試体の金属組織顕微鏡写真図、第3図は本願
発明の他の実施例を示す断面正面図、第4図は太径線材
の高強度化熱処理ラインの概要を示す正面図である。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】巻戻しスタンドから巻戻される太径素材線
    材急速加熱・急冷手段を用いた焼入れ、および焼戻を順
    次施して巻取りスタンドへ巻き取る冷間成形用ばね鋼線
    の高強度加熱処理工程において、上記焼入れ用の急速加
    熱手段を通過した線材が急冷手段に至るまでの間で過熱
    水蒸気雰囲気内を通過するようにし、昇温した線材が表
    層全周に均一な所定厚みのFe3O4を主成分とし、Fe2O3
    10%以下の酸化被膜を形成された後に急冷・焼入され
    る如く設定したことを特徴とする冷間成形用太径高強度
    ばね鋼線の製造方法。
  2. 【請求項2】過熱水蒸気雰囲気が、急速加熱手段・急冷
    手段間の線材送り通路上に配置され、線材が非接触て通
    過可能な管状を呈する雰囲気室内に制御された流量で流
    される水を昇温した線材の輻射熱で蒸発・気化せしめて
    形成したものである特許請求の範囲第1項記載の冷間成
    形用太径高強度ばね鋼線の製造方法。
  3. 【請求項3】過熱水蒸気雰囲気が、急速加熱手段・急冷
    手段間の線材送り通路上に配置された雰囲気室内に供給
    源から供給される過熱水蒸気を充満・流通させて形成し
    たものである特許範囲の第1項記載の冷間成形用太径高
    強度ばね鋼線の製造方法。
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