JPH11140589A - 高疲労強度鋼線およびばねとそれらの製造方法 - Google Patents

高疲労強度鋼線およびばねとそれらの製造方法

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JPH11140589A JP9322495A JP32249597A JPH11140589A JP H11140589 A JPH11140589 A JP H11140589A JP 9322495 A JP9322495 A JP 9322495A JP 32249597 A JP32249597 A JP 32249597A JP H11140589 A JPH11140589 A JP H11140589A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 焼入れ・焼戻しを行わずに伸線加工により得
られる耐熱性と疲労強度とに優れた鋼線・ばねとその製
造方法を提供する。 【解決手段】 mass％でＣ：０．８〜１．０，Ｓｉ：
０．８〜１．５を含むパーライト組織の鋼線で構成さ
れ、鋼線横断面において、表面から１００μmまでの硬
度の平均が内部の硬度の平均よりもマイクロビッカース
硬度で５０以上高い。この鋼線は、上記化学成分，組織
の鋼線をシェービングしてからパテンティングし、伸線
した後、３５０〜４５０℃で歪み取り焼鈍を行い、その
後にショットピーニングを行うことで得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は耐熱性および疲労強
度に優れた鋼線およびばねとそれらの製造方法に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】ばね用鋼線として、Ｃ：０．６〜０．
８，Ｓｉ：０．１５〜０．３５，Ｍｎ：０．３〜０．９
mass％を含むものが知られている。このばね用鋼線は、
圧延→パテンティング（γ化加熱→恒温変態）→伸線→
（コイリング）→歪み取り焼鈍（３００±３０℃）の工
程を経て製造される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のばね用
鋼線では耐熱性，疲労強度共に十分とはいえない。一
方、Ｓｉの含有量を高めることで耐熱性が向上すること
はパラレルワイヤをはじめとする鋼線において知られて
いる。ただし、耐熱性といってもその狙いは様々であ
り、パラレルワイヤでの耐熱性は溶融亜鉛メッキ（４５
０℃×３０秒）された後にＴＳの変化が小さいことが本
来の狙いである。しかし、本発明鋼線が用いられる自動
車のエンジン回りのばね等の場合、重要なのは１００〜
２００℃の温度域でのへたりが小さいことであり、さら
に疲労特性も兼ね具えることである。このため、単にパ
ラレルワイヤの化学成分をばねに応用してもばね材とし
て十分な特性は得られていない。すなわち、パラレルワ
イヤでＳｉを添加することによって疲労特性が向上する
との報告もあるが、これらは引張力の繰り返し疲労であ
り、ばね材の疲労とは本質的に要求特性が異なる。パラ
レルワイヤでは表面の硬度低下があっても疲労特性への
影響が小さいが、Ｓｉ含有量の高いばね用鋼線では疲労
特性への影響が大きいことがわかった。
【０００４】また、鋼線製造の最終工程で熱処理（焼入
れ・焼戻し）を施すことで耐熱性，疲労強度共に優れた
鋼線（オイルテンパー線）を得ることが知られている
が、焼入れ・焼戻しを施す場合はコストが高くなるとい
う問題がある。
【０００５】従って、本発明の主目的は、焼入れ・焼戻
しを行わない、すなわち伸線加工により得られる耐熱性
と疲労強度の優れた鋼線およびばねとそれらの製造方法
を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
消するもので、その特徴は、mass％でＣ：０．８〜１．
０，Ｓｉ：０．８〜１．５を含むパーライト組織の鋼線
で構成され、鋼線横断面において、表面から１００μm
までの硬度の平均がその内部の硬度の平均よりもマイク
ロビッカース硬度で５０以上高いことにある。特に、内
部の硬度の平均がマイクロビッカース硬度で５００以上
で、かつこの硬度差が１５０以上であることが好まし
い。
【０００７】この鋼線にはさらにＭｏを０．０３〜０．
１mass％添加してもよい。また、Ｍｎ：０．３〜０．９
mass％，Ｃｒ：０．２mass％以下を含有してもよい。こ
の鋼線の引張強度は、十分な疲労強度を出すためには、
１９００Ｎ／mm2 以上が好適である。さらに、表面の圧
縮残留応力が３００MPa 以上であることが望ましい。
【０００８】また、本発明鋼線の製造方法は、mass％で
Ｃ：０．８〜１．０，Ｓｉ：０．８〜１．５を含むパー
ライト組織の鋼線をシェービングしてからパテンティン
グし、伸線した後に３５０〜４５０℃で歪み取り焼鈍を
行い、その後にショットピーニングを行うことを特徴と
する。ばねに加工する場合は、伸線と歪み取り焼鈍との
間でコイリングを行えばよい。そして、歪み取り焼鈍の
後に窒化処理も行うことが好ましい。さらに、このショ
ットピーニングまたは窒化処理とショットピーニングの
後に２５０℃前後で二次歪み取り焼鈍を行うことが好適
である。
【０００９】以下、本発明の構成を上記のように限定し
た理由を述べる。 ＜化学成分＞ Ｃ：疲労強度の観点から下限値を決め、伸線性の観点か
ら上限値を決めた。 Ｓｉ：耐熱性の向上に必要な元素である。下限値未満で
は十分な耐熱性が得られず、上限値を越えると鋼線表面
に疵が付きやすい。 Ｍｏ：下限値未満では耐熱性・疲労強度向上の効果が小
さく、上限値を越えるとパテンティングの時間が長く生
産性が劣る。 Ｍｎ：焼入れ性向上のために添加する。上限値を越える
と偏析が多くなりやすく、伸線性に劣る。 Ｃｒ：上限値を越えるとパテンティングの時間が長く生
産性に劣るからである。
【００１０】＜シェービング＞鋼線表面の低硬度層の除
去が目的である。鋼線の内部の硬度よりもマイクロビッ
カース硬度で５０以上硬度の低い層を除去することで疲
労特性を改善する。
【００１１】＜歪み取り焼鈍＞ばねの疲労特性向上のた
め３５０〜４５０℃で行う。この温度の焼鈍により、伸
線およびコイリングで生じた歪みを十分に除去する。こ
のような高温で歪み取り焼鈍を行っても、鋼線の強度は
Ｓｉが添加されているため低下しない。下限値未満では
疲労特性向上の効果が少なく、上限値を越えるとワイヤ
の強度，疲労強度も下がる。この焼鈍の時間は２０分程
度が効果と生産性の点で好ましい。
【００１２】＜ショットピーニング＞ばね用鋼線の疲労
強度は線表面の高い硬度と大きな圧縮応力が必要とされ
る。歪み取り焼鈍により十分に歪みが除去がなされるた
め、ショットピーニングにより圧縮の残留応力を付与し
やすく、疲労特性に優れる鋼線・ばねを製造することが
できる。
【００１３】＜窒化処理＞従来のピアノ線では残留応力
を与える窒化処理でマトリックスの強度低下が起こり、
窒化処理・ショットピーニングを行っても圧縮応力付与
の効果を十分に発揮できない。Ｓｉの含有量を高めた本
発明鋼線では耐熱性が改善され、マトリックスの強度低
下が小さいため、圧縮残留応力の付与が十分に疲労強度
改善に寄与する。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。 （試験例１）表１に示す化学成分のインゴット１００ｋ
ｇを真空溶解設備で溶解鋳造し、熱間鍛造，圧延により
１１mmφの線材を製造した。
【００１５】
【表１】
【００１６】これらの線材をシェービングにより表面層
を除去して１０mmφとし、下記のパテンティング，伸
線，歪み取り焼鈍を行ってパーライト組織の鋼線を得
た。 パテンティング：９５０→５８０℃鉛浴 伸線：１０mmφ→４mmφ 歪み取り焼鈍：３００，３５０，４００，４５０，５０
０℃で各２０分間
【００１７】そして、この鋼線を用いて、ショットピー
ニングのみを施したものと何も施さないものの３種類を
得て、さらに二次歪み取り焼鈍を（２５０℃×２０分）
行った。ショットピーニングは０．３mm径のスチールボ
ールで２０分行った。そして、上記の各鋼線に中村式の
回転曲げ疲労試験機で疲労試験を行い、その際の疲労限
を１０7 回とした。その結果を図１に示す。
【００１８】図１に示すように、Ｓｉの含有量が高く、
ショットピーニングを行った実施例１が最も疲労限界振
幅応力が大きく、疲労強度に優れることがわかる。ショ
ットピーニングを行わなかった比較例１やＳｉ量の低い
比較例２はいずれも実施例１よりも疲労強度が劣ってい
る。また、歪み取り焼鈍の温度は３５０〜４５０℃の場
合に好結果となっている。
【００１９】次に、これら３種類の鋼線について断面硬
度分布の測定を行った。なお、硬度測定の対象とした実
施例１，比較例１の歪み取り焼鈍温度は４００℃、比較
例２の同焼鈍温度は３００℃である。その結果を図２に
示す。
【００２０】図２に示すように、ショットピーニングを
施していない比較例１は表面部の硬度が低下している
が、ショットピーニングを行った実施例１と比較例２は
表面部の硬度が高くなっている。そして、実施例１の硬
度は比較例２のそれに比べて全般的に高くなっている。
特に、実施例１の表面から１００μm以内の平均硬度は
６７５Hmv で、その内部の平均硬度は６２０Hmv となっ
ており、高い硬度を維持できていることがわかる。
【００２１】なお、各鋼線の引張強度は次の通りであっ
た。 実施例１：２１４０Ｎ／mm2 比較例１：２１３０Ｎ／mm2 比較例２：１９６０Ｎ／mm2
【００２２】（試験例２）次に、前記実施例１の化学成
分におけるＣとＳｉの含有量を変え、各鋼線について前
記と同様の疲労試験を行った。なお、歪み取り焼鈍条件
は、０．２mass％Ｓｉのものが３００℃×２０分、他の
ものは４００℃×２０分である。その結果を図３に示
す。
【００２３】図３において、（×）は製造工程中に疵が
多発し、実際には製造できず、疲労試験も行えなかった
ことを示している。このグラフに示すように、Ｃの含有
量としては０．７〜１．０mass％，Ｓｉの含有量として
は０．８〜１．５mass％が好ましいことがわかる。
【００２４】（試験例３）さらに、試験例１における実
施例１（歪み取り焼鈍：４００℃×２０分）についてシ
ョット条件を変えた４種類のショットピーニングを行
い、鋼線断面における硬度分布を調べた。なお、ショッ
ト条件の変更はショット材の変更やショット時間の変更
により行う。この結果を図４に示す。このグラフに示す
ように、鋼線の表面から１００μm鋼線の内部の平均硬
度よりも５０以上高いものが得られている。各試験材の
疲労限界振幅応力は次の通りであった。 試験材Ａ：５７５Ｎ／mm2 試験材Ｂ：５９０Ｎ／mm2 試験材Ｃ：６６０Ｎ／mm2 試験材Ｄ：６９０Ｎ／mm2
【００２５】（試験例４）試験例１と同様の工程で歪み
取り焼鈍（４００℃×２０分）までを行い、その後、下
記の処理を行った鋼線（実施例２，３，比較例３）を得
て、断面の硬度分布を調べた。 実施例２：ショットピーニングを行って二次歪み取り焼鈍を行う。 化学成分：Ｃ：０．８２，Ｓｉ：１．３５，Ｍｎ：０．５１ Ｃｒ：０．０９mass％ 実施例３：窒化処理を行ってからショットピーニングと二次歪み取り焼鈍とを 行う。 化学成分：Ｃ：０．８２，Ｓｉ：１．３５，Ｍｎ：０．５１ Ｃｒ：０．０９mass％ 比較例３：窒化処理を行ってからショットピーニングと二次歪み取り焼鈍と を行う。 化学成分：Ｃ：０．８２，Ｓｉ：０．２１，Ｍｎ：０．５０ Ｃｒ：０．０９mass％ ショットピーニングおよび二次歪み取り焼鈍の条件は試
験例１と同様で、窒化処理条件は４５０℃×２時間であ
る。試験結果を図５に示す。
【００２６】このグラフに示すように、実施例２は鋼線
内部よりも表面から１００μmにおける表面硬度が５５H
mv 程度高く、実施例３は鋼線内部よりも表面から１０
０μmにおける表面硬度が１５０Hmv 程度以上高い。ま
た、いずれの実施例も鋼線内部における平均硬度は５２
０Hmv 程度以上と高くなっている。これに対し、比較例
３は窒化処理時の高温により強度低下が大きく、鋼線内
部の硬度は４７０Hmv程度で、表面硬度も各実施例に比
べて低い。
【００２７】さらに、この実施例３の鋼線におけるＣと
Ｓｉの含有量を変更し、得られた鋼線の疲労限界振幅応
力を調べてみた。その結果を図６に示す。このグラフに
示すように、ＣとＳｉの含有量が多いほど疲労限界振幅
応力が大きいが、Ｓｉ量が２．０％のものは製造段階で
疵が多発して試験を行うことができなかった。また、Ｓ
ｉ量が０．５％以下では疲労限界振幅応力が大きく低下
することがわかる。
【００２８】次に、前記実施例２，３と比較例３につい
て表面の圧縮残留応力を測定した。その結果および鋼線
の表面・中心の硬度を表２に示す。
【００２９】
【表２】
【００３０】この表に示すように、いずれの実施例も表
面の圧縮残留応力が高く、疲労強度に優れ、ばね用鋼線
として最適であることがわかる。
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明鋼線は高い
耐熱性と疲労強度を具えており、ばね用鋼線に最適であ
る。また、本発明鋼線の製造方法は、焼入れ・焼戻し処
理を行うことなく本発明鋼線を製造することができ、低
コストで耐熱性と疲労強度を兼ね具えた鋼線を製造する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】歪み取り焼鈍温度と疲労限界振幅応力との関係
を示すグラフである。
【図２】線材断面の硬度分布を示すグラフである。
【図３】Ｓｉ量と疲労限界振幅応力との関係を示すグラ
フである。
【図４】鋼線断面の硬度分布とショット条件の違いとの
関係を示すグラフである。
【図５】窒化処理とショットピーニングを行った場合に
おける線材断面の硬度分布を示すグラフである。
【図６】窒化処理とショットピーニングを行った場合に
おけるＳｉ量と疲労限界振幅応力との関係を示すグラフ
である。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 mass％でＣ：０．８〜１．０，Ｓｉ：
    ０．８〜１．５を含むパーライト組織の鋼線で構成さ
    れ、 鋼線横断面において、表面から１００μmまでの硬度の
    平均が内部の硬度の平均よりもマイクロビッカース硬度
    で５０以上高いことを特徴とする高疲労強度鋼線および
    ばね。
  2. 【請求項２】 表面から１００μmまでの硬度の平均が
    内部の硬度の平均よりもマイクロビッカース硬度で１５
    ０以上高いことを特徴とする請求項１記載の高疲労強度
    鋼線およびばね。
  3. 【請求項３】 引張強度が１９００Ｎ／mm2 以上である
    ことを特徴とする請求項１記載の高疲労強度鋼線および
    ばね。
  4. 【請求項４】 表面の圧縮残留応力が３００MPa 以上で
    あることを特徴とする請求項１記載の高労強度鋼線およ
    びばね。
  5. 【請求項５】 鋼線の内部の硬度の平均がマイクロビッ
    カース硬度で５００以上であることを特徴とする請求項
    １記載の高疲労強度鋼線およびばね。
  6. 【請求項６】 mass％でＣ：０．８〜１．０，Ｓｉ：
    ０．８〜１．５を含むパーライト組織の鋼線をシェービ
    ングしてからパテンティングし、伸線した後に３５０〜
    ４５０℃で歪み取り焼鈍を行い、その後にショットピー
    ニングを行うことを特徴とする高疲労強度鋼線およびば
    ねの製造方法。
  7. 【請求項７】 歪み取り焼鈍の後に窒化処理も行うこと
    を特徴とする請求項６記載の高疲労強度鋼線およびばね
    の製造方法。
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