JPH11246914A - High strength valve spring and its manufacture - Google Patents

High strength valve spring and its manufacture

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JPH11246914A
JPH11246914A JP6411198A JP6411198A JPH11246914A JP H11246914 A JPH11246914 A JP H11246914A JP 6411198 A JP6411198 A JP 6411198A JP 6411198 A JP6411198 A JP 6411198A JP H11246914 A JPH11246914 A JP H11246914A
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JP
Japan
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valve spring
less
strength
spring according
strength valve
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Pending
Application number
JP6411198A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toshinori Aoki
利憲 青木
Masami Wakita
将見 脇田
Takayuki Sakakibara
隆之 榊原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chuo Hatsujo KK
Chuo Spring Co Ltd
Original Assignee
Chuo Hatsujo KK
Chuo Spring Co Ltd
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Publication date
Application filed by Chuo Hatsujo KK, Chuo Spring Co Ltd filed Critical Chuo Hatsujo KK
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a valve spring having fatigue strength more improved than that of the conventional one by selecting an optimum stock and properly combining subsequent spring manufacturing stages. SOLUTION: A steel which has a composition containing, by weight ratio, 0.5-0.8% C, 1.2-2.5% Si, 0.4-0.8% Mn, 0.7-1.0% Cr <=0.005% Al and <=0.005% Ti, and in which the maximum nonmetallic inclusion has 15 μm, is used as a stock. At the time of oil tempering treatment, hardening temperature is made to 950 to 1,100 deg.C. After coiling, shot peening is applied at least twice by using shots of >=Hv 720 to regulate compressive residual stress to >=85 kgf/mm<2> .

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、主に自動車用内燃
機関の弁ばねとして用いられる、耐疲労性・耐へたり性
及び耐遅れ破壊性に優れた高強度弁ばね及びその製造方
法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-strength valve spring mainly used as a valve spring for an internal combustion engine of an automobile and having excellent fatigue resistance, sag resistance and delayed fracture resistance, and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】内燃機関の弁ばね用線材として、JIS
には弁ばね用オイルテンパー線(SWO-V:JIS G3561)、
弁ばね用クロムバナジウム鋼オイルテンパー線(SWOCV-
V:JISG3565)、及び、弁ばね用シリコンクロム鋼オイ
ルテンパー線(SWOSC-V:JIS G3566)等が規定されてい
るが、従来、耐疲労強度及び耐へたり性に優れるSWOSC-
Vが主に利用されてきた。
2. Description of the Related Art As a wire rod for a valve spring of an internal combustion engine, JIS
Oil-tempered wire for valve spring (SWO-V: JIS G3561)
Chrome vanadium steel oil-tempered wire for valve springs (SWOCV-
V: JISG3565) and silicone chrome steel oil-tempered wire for valve springs (SWOSC-V: JIS G3566), etc., but conventionally, SWOSC- which has excellent fatigue resistance and sag resistance
V has been mainly used.

【0003】一方、環境保護及び資源保護の観点より、
自動車に対しては排気の清浄化及び燃費向上への努力が
常に要請されているが、これらに対して大きく寄与する
のが車体の軽量化であり、車体を構成する各部品につい
ても軽量化への努力がたゆまず続けられている。
On the other hand, from the viewpoint of environmental protection and resource protection,
Efforts to purify the exhaust and improve fuel efficiency are constantly being demanded of automobiles, but the major contribution to this is the weight reduction of the vehicle body, and the components that make up the vehicle body are also being reduced in weight. Effort is continuing.

【0004】このため、弁ばね用線材についても、疲労
強度を更に高め、へたりを低下させるための提案が種々
なされている。例えば、特開平8−176730号公報
では、重量%でC:0.5〜0.8%、Si:1.2〜
2.5%、Mn:0.4〜0.8%、Cr:0.7〜
1.0%を含有し、残部Fe及び不可避的不純物から成
り、不可避的不純物であるAl含有量が0.005%以
下、同Ti含有量が0.005%以下である鋼に焼入れ
加熱温度を950℃以上1100℃以下として焼入れ焼
戻しを施したオイルテンパー線が、高強度弁ばね用とし
て提案されている(請求項1)。この公報では更に、素
材鋼にV:0.05〜0.15%を含有させたオイルテ
ンパー線(請求項2)、それに加えてMo:0.05〜
0.5%、W:0.05〜0.15%、Nb:0.05
〜0.15%のうち少なくとも1種以上を含有させたオ
イルテンパー線(請求項3)が提案されている。また、
同一出願人に係る特開平9−71843号公報では、同
様の成分量を含有する鋼を用い、焼入れ焼戻し後の残留
γ(オーステナイト)を体積比で1〜5%とした高靱性
ばね用オイルテンパー線を提案している(請求項1、
2)。この公報ではまた、焼入れ焼戻し後において、粒
子径が0.05μm以上である炭化物の組織内密度が、
組織観察写真上で5ケ/μm2以下であるとしたオイル
テンパー線も提案し(請求項3、4)、これらの組み合
わせでもよいとしている(請求項5、6)。そして、そ
の具体的製造方法として、請求項1、2、5、6の場合
には焼入れ焼戻し工程における焼戻しを加熱速度150
℃/sec以上で450〜600℃に加熱し、加熱開始
から水等の冷媒を用いた冷却開始までの時間を15秒以
内とすること、請求項3、4、5、6の場合には、焼入
れ加熱を加熱速度150℃/sec以上で1100℃以
下でT(℃)=500+750・C(炭素量%)+50
0・V(バナジウム量%)で決まる温度以上の範囲に加
熱し、加熱開始から水又は油による冷却開始までの時間
を15秒以内とすること、等を開示している。
[0004] For this reason, various proposals have been made to further increase the fatigue strength and reduce the sag of a valve spring wire. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-176730, C: 0.5 to 0.8% by weight, Si: 1.2 to
2.5%, Mn: 0.4-0.8%, Cr: 0.7-
Quenching heating temperature to steel containing 1.0%, the balance being Fe and unavoidable impurities, the Al content being unavoidable impurities being 0.005% or less, and the Ti content being 0.005% or less. An oil-tempered wire quenched and tempered at a temperature of 950 ° C. or more and 1100 ° C. or less has been proposed for a high-strength valve spring (claim 1). In this publication, furthermore, an oil-tempered wire containing V: 0.05 to 0.15% in the material steel (Claim 2), and in addition, Mo: 0.05 to 0.1%
0.5%, W: 0.05 to 0.15%, Nb: 0.05
There has been proposed an oil-tempered wire containing at least one of 0.15% to 0.15% (claim 3). Also,
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-71843 by the same applicant discloses a high toughness spring oil temper using steel containing the same component amount and having a volume ratio of residual γ (austenite) after quenching and tempering of 1 to 5%. The line is proposed (claim 1,
2). According to this publication, after quenching and tempering, the in-structure density of carbide having a particle size of 0.05 μm or more is
An oil-tempered wire having a thickness of 5 or less / μm 2 or less on a tissue observation photograph has also been proposed (claims 3 and 4), and a combination thereof may be used (claims 5 and 6). As a specific manufacturing method, in the case of claims 1, 2, 5, and 6, the tempering in the quenching and tempering step is performed at a heating rate of 150.
Heating to 450 to 600 ° C. at a rate of not less than 15 ° C./sec, and the time from the start of heating to the start of cooling using a refrigerant such as water is within 15 seconds. T (° C.) = 500 + 750 · C (carbon content%) + 50 at quenching heating at a heating rate of 150 ° C./sec or more and 1100 ° C. or less.
It discloses that heating is performed to a temperature not lower than a temperature determined by 0 · V (amount of vanadium) and the time from the start of heating to the start of cooling with water or oil is within 15 seconds.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来提案され
ているものは多くは素材としての鋼か、せいぜい上記の
ような線材(オイルテンパー線)段階までであり、最終
製品である弁ばねを製造する段階まで、高疲労強度・耐
へたり性を実現するための方策を規定したものはなかっ
た。しかし、いかに良好な素材を用いたとしても、その
後の製造工程が不適切であれば素材の性能が十分に発揮
されないばかりか、弁ばねの製造自体を困難にし、場合
によっては逆に疲労強度や耐へたり性を悪化させる危険
性がある。
However, most of the conventionally proposed materials are steel as a raw material, or at most, up to the above-mentioned wire (oil-tempered wire) stage, and manufacture a valve spring as a final product. Until this stage, no measures were specified to achieve high fatigue strength and sag resistance. However, no matter how good the material is, if the subsequent manufacturing process is inappropriate, not only the performance of the material will not be sufficiently exhibited, but also the manufacture of the valve spring itself will be difficult, and in some cases, fatigue strength and There is a risk of deteriorating sag resistance.

【0006】本発明はこのような課題を解決するために
成されたものであり、その目的とするところは、最適の
素材を選択した上、その後のばねの製造工程を素材に応
じた適切なものとすることにより、従来のものと同等以
上の疲労強度を有しつつ、特にへたりを減少した弁ばね
を提供することにある。具体的には、表面の最大剪断応
力τmax=90kgf/mm2で120℃×48時間保持したと
きの残留剪断歪γが5×10-4以下となるような高い耐
へたり性を有する弁ばねを提供するものである。また、
本発明では、遅れ破壊に対する耐性をも考慮して、その
特性の向上も図っている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such a problem, and it is an object of the present invention to select an optimum material and to perform a subsequent spring manufacturing process in an appropriate manner according to the material. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a valve spring having a fatigue strength equal to or higher than that of a conventional one, and in particular, having reduced sag. Specifically, a valve spring having high set resistance such that the residual shear strain γ when kept at 120 ° C. for 48 hours at the maximum shear stress τmax of the surface = 90 kgf / mm 2 is 5 × 10 −4 or less. Is provided. Also,
In the present invention, its characteristics are also improved in consideration of resistance to delayed fracture.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明に係る高強度弁ばねは、 i)重量比にしてC:0.5〜0.8%、Si:1.2
〜2.5%、Mn:0.4〜0.8%、Cr:0.7〜
1.0%を含有し、残部Fe及び不可避的不純物から成
り、不可避的不純物であるAl含有量が0.005%以
下、同Ti含有量が0.005%以下であって、最大非
金属介在物が15μmである鋼に、 ii)焼入れ加熱温度を950℃以上1100℃以下とし
て焼入れ・焼戻しを施したオイルテンパー線を素材とし
て使用し、 iii)コイリング後、高硬度ショット球を用いてショッ
トピーニングを施した、ことを特徴とするものである。
Means for Solving the Problems A high-strength valve spring according to the present invention, which has been made to solve the above-mentioned problems, comprises: i) a weight ratio of C: 0.5 to 0.8%; 2
-2.5%, Mn: 0.4-0.8%, Cr: 0.7-
1.0%, the balance being Fe and inevitable impurities, the inevitable impurities Al content is 0.005% or less, the Ti content is 0.005% or less, Ii) Using a tempered oil tempered wire with a quenching heating temperature of 950 ° C or higher and 1100 ° C or less, as a material, iii) Shot peening using a high hardness shot ball after coiling Which is characterized by the following.

【0008】ここで、上記i)の素材鋼は更に、V:
0.05〜0.15%、Mo:0.05〜0.5%、
W:0.05〜0.15%、Nb:0.05〜0.15
%のうち1種以上を含有してもよい。
[0008] Here, the material steel of the above i) further comprises V:
0.05-0.15%, Mo: 0.05-0.5%,
W: 0.05 to 0.15%, Nb: 0.05 to 0.15
% May be contained.

【0009】また、上記ii)の焼入れ焼戻し後のオイル
テンパー線において、残留オーステナイトが体積率で1
〜5%となるようにするとよい。
In the oil tempered wire after the quenching and tempering of the above ii), the retained austenite has a volume ratio of 1%.
It is good to be set to 55%.

【0010】同様に、上記ii)の焼入れ焼戻し後のオイ
ルテンパー線において、粒子径が0.05μm以上であ
る炭化物の組織内密度が、組織観察写真上で5ケ/μm
2以下となるようにするとよい。
Similarly, in the oil-tempered wire after the quenching and tempering of ii), the density of the carbide having a particle diameter of 0.05 μm or more in the structure is 5 / μm on the structure observation photograph.
It is better to be 2 or less.

【0011】上記iii)におけるショット球の硬さはH
v600以上とし、望ましくはHv720以上とする。
In the above iii), the hardness of the shot ball is H
v600 or higher, preferably Hv720 or higher.

【0012】ショットピーニング処理は1回だけでも良
いが、2回以上施し、表面近傍の残留応力を85kgf/mm
2以上とすることにより疲労強度等をより向上させるこ
とができる。
The shot peening treatment may be performed only once, but is performed twice or more to reduce the residual stress near the surface to 85 kgf / mm.
By setting it to 2 or more, the fatigue strength and the like can be further improved.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】本発明の高強度弁ばねではまず、
素材鋼のシリコン含有量を従来の弁ばね用シリコンクロ
ム鋼オイルテンパー線(SWOSC-V)よりも高く、1.2
〜2.5%とした。シリコンはフェライト及びマルテン
サイト中に固溶してそれらを強化するとともに、マルテ
ンサイト相の焼戻し時の[フェライト+炭化物]への分
解を遅らせる作用を有する。つまり、オイルテンパー処
理時の相分解温度を高温側にシフトさせるため、同じ引
張強さを得るための焼戻し温度を従来よりも高くするこ
とができる。焼戻し温度の上昇は、転位の回復を促進
し、組織を安定化する。これは、疲労亀裂の起点を発生
し難くすることから、時間疲労強度を上げ且つ疲労限度
を上昇させる。また、遅れ破壊強度をも向上させる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the high strength valve spring of the present invention, first,
The silicon content of the material steel is higher than the conventional silicon chrome steel oil tempered wire (SWOSC-V) for valve springs,
2.52.5%. Silicon has a function of forming a solid solution in ferrite and martensite, strengthening them, and delaying the decomposition of the martensite phase into [ferrite + carbide] during tempering. That is, since the phase decomposition temperature at the time of oil tempering is shifted to a higher temperature side, the tempering temperature for obtaining the same tensile strength can be made higher than before. Raising the tempering temperature promotes dislocation recovery and stabilizes the structure. This increases the fatigue strength over time and raises the fatigue limit, since the starting point of the fatigue crack is hardly generated. It also improves the delayed fracture strength.

【0014】焼戻し温度の上昇は、弁ばね使用時の温度
上昇による組織変化を防止し、転位の移動を困難にす
る。これは、耐へたり性の向上に大きく寄与する。
An increase in the tempering temperature prevents a structural change due to an increase in temperature during use of the valve spring, and makes it difficult to move dislocations. This greatly contributes to improvement in sag resistance.

【0015】本発明に係る高強度弁ばねでは、上記の通
り、シリコンの強化作用を利用して焼戻し温度を上昇さ
せる他、焼戻し温度をやや低下させ、従来よりも高い硬
さの状態で弁ばねとして用いることも可能である。これ
により、疲労強度及び耐へたり性が向上することはもち
ろん、従来よりも高硬度のショット球を用いてショット
ピーニングを施すことにより、表面の圧縮残留応力を増
大させ、疲労強度を更に向上させることも可能となる。
In the high-strength valve spring according to the present invention, as described above, the tempering temperature is raised by utilizing the strengthening action of silicon, and the tempering temperature is slightly lowered, so that the valve spring has a higher hardness than before. It is also possible to use as. As a result, fatigue strength and sag resistance are improved. Of course, by performing shot peening using a shot ball having higher hardness than before, the compressive residual stress on the surface is increased, and the fatigue strength is further improved. It is also possible.

【0016】上記の基本的な思想の下、本発明では上記
特開平8−176730号及び特開平9−71843号
で提案されたオイルテンパー線を素材として採用するこ
ととした。従って、その成分及び組織限定条件は同公報
の記載を借りて以下に説明する。
Under the above basic concept, the present invention employs the oil-tempered wire proposed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 8-176730 and 9-71843 as a material. Therefore, the components and the tissue limiting conditions will be described below with reference to the description of the publication.

【0017】C:0.5〜0.8重量% Cは鋼線の強度を高めるために必須の元素であるが、
0.5%未満では十分な強度が得られず、逆に0.8%
を越えると靱性が低下し、さらに鋼線の疵感受性が増大
し、信頼性が低下するためである。
C: 0.5-0.8% by weight C is an essential element for increasing the strength of a steel wire.
If it is less than 0.5%, sufficient strength cannot be obtained, and conversely, 0.8%
If the ratio exceeds 1, the toughness decreases, the flaw sensitivity of the steel wire further increases, and the reliability decreases.

【0018】Si:1.2〜2.5重量% Siは上記の通りフェライト及びマルテンサイトの強度
を向上させ、耐へたり性を向上させるのに有効な元素で
ある。1.2%未満ではその十分な効果が無く、逆に
2.5%を越える場合は冷間加工性を低下させるととも
に熱間加工性や熱処理による脱炭を助長するからであ
る。
Si: 1.2 to 2.5% by weight Si is an element effective for improving the strength of ferrite and martensite and improving sag resistance as described above. If it is less than 1.2%, the effect is not sufficient, and if it exceeds 2.5%, on the other hand, the cold workability is lowered and the hot workability and decarburization by heat treatment are promoted.

【0019】Mn:0.4〜0.8重量% Mnは鋼の焼入性を向上させ、鋼中のSを固定してその
害を阻止するが、0.4%未満ではその効果がなく、逆
に0.8%を越えると靱性が低下するためである。
Mn: 0.4 to 0.8% by weight Mn improves the hardenability of steel and fixes S in the steel to prevent its harm. On the contrary, if it exceeds 0.8%, the toughness is reduced.

【0020】Cr:0.7〜1.0重量% CrはMn同様、鋼の焼入れ性を向上させ、かつ熱間圧
延後のパテンティング処理により靱性を付与し、焼入れ
した後、焼戻し時の軟化抵抗性を高め、高強度化するの
に有効な元素である。0.7%未満ではその効果が少な
く、逆に1.0%を越えると炭化物の固溶を抑制し,強
度の低下を招くとともに、焼入れ性の過度の増大となっ
て靱性をもたらすためである。
Cr: 0.7 to 1.0% by weight Cr, like Mn, improves the hardenability of steel, imparts toughness by patenting after hot rolling, hardens, and then softens during tempering. It is an element effective for increasing resistance and increasing strength. If it is less than 0.7%, the effect is small, and if it exceeds 1.0%, on the other hand, solid solution of carbides is suppressed, strength is reduced, and hardenability is excessively increased, resulting in toughness. .

【0021】V:0.05〜0.15重量% Vは焼戻し時に炭化物を形成し、軟化抵抗を増大させる
元素であるが、0.05%未満ではその効果が少ない。
また、0.15%を越えると焼入れ加熱時に炭化物を多
く形成し、靱性の低下をまねくからである。
V: 0.05 to 0.15% by weight V is an element which forms carbides during tempering and increases the softening resistance. However, if it is less than 0.05%, the effect is small.
On the other hand, when the content exceeds 0.15%, a large amount of carbide is formed during quenching and heating, leading to a decrease in toughness.

【0022】Mo:0.05〜0.5重量% Moは焼戻し時に炭化物を形成し、軟化抵抗を増大させ
る元素であるが、0.05%未満ではその効果は少な
く、また0.5%を越えると焼入れ加熱時に炭化物を多
く形成し、靱性の低下をまねくからである。
Mo: 0.05-0.5% by weight Mo is an element that forms carbides during tempering and increases the softening resistance. If it is less than 0.05%, its effect is small, and 0.5% If the temperature exceeds the above range, a large amount of carbides will be formed during quenching and heating, leading to a decrease in toughness.

【0023】Nb:0.05〜0.15重量% Nbは焼戻し時に炭化物を形成し、軟化抵抗を増大させ
る元素であるが、0.05%未満ではその効果が少な
い。また、0.15%を越えると焼入れ加熱時に炭化物
を多く形成し、靱性の低下をまねくからである。
Nb: 0.05 to 0.15% by weight Nb is an element that forms carbides during tempering and increases the softening resistance, but less than 0.05% has little effect. On the other hand, when the content exceeds 0.15%, a large amount of carbide is formed during quenching and heating, leading to a decrease in toughness.

【0024】Al、Ti:0.005重量%以下 これらはいずれも高融点非金属介在物であるAl23
TiOを形成する。これらの介在物は硬質で、鋼線表面
直下に存在した場合、疲労強度を著しく低下させる。こ
のため、不可避的不純物とはいえ、いずれも0.005
%以下とした。原料において、これら不純物濃度が低い
ものを用いればよい。
Al, Ti: 0.005% by weight or less All of these are high melting point non-metallic inclusions such as Al 2 O 3 ,
Form TiO. These inclusions are hard and, when present immediately below the surface of the steel wire, significantly reduce fatigue strength. For this reason, although they are unavoidable impurities, all of them are 0.005.
% Or less. As the raw material, those having a low impurity concentration may be used.

【0025】焼入れ加熱温度:950℃以上1100℃
以下 焼入れ加熱温度によって焼入れ時のV等の固溶量が決ま
り、温度が高いほど固溶量も大きい。950℃未満では
V等の固溶量が小さくなり、炭化物が多く析出する。ま
た、1100℃において本発明におけるV、W、Nbは
そのほとんどがFe中に固溶していると考えられるの
で、1100℃を越えても靱性の向上、軟化抵抗の増大
は認められないからである。
[0025] Quenching heating temperature: 950 ° C or higher and 1100 ° C
Hereinafter, the amount of solid solution such as V during quenching is determined by the quenching heating temperature, and the higher the temperature, the greater the amount of solid solution. If the temperature is lower than 950 ° C., the amount of solid solution such as V becomes small, and a large amount of carbide precipitates. Further, it is considered that most of V, W, and Nb in the present invention at 1100 ° C. are dissolved in Fe. Therefore, even when the temperature exceeds 1100 ° C., no improvement in toughness and no increase in softening resistance is observed. is there.

【0026】ショットピーニング:Hv600以上のシ
ョット球使用 ショットピーニングは弁ばねの表面に圧縮残留応力を付
与することにより、弁ばね使用時に表面に作用する最大
剪断応力を実質的に低下させ、疲労強度を著しく改善す
る。しかし、従来、ショットピーニング処理に関しては
既に十分な改良が行なわれた結果、得られる圧縮残留応
力の大きさはほぼ最大の状態となっており、それ以上高
硬度のショット球を用いても、また、2回以上のショッ
トピーニングを施しても、それ以上大きい圧縮残留応力
を得ることができなかった。上述の通り、本発明に係る
高強度弁ばねでは素材として高シリコン鋼を使用してい
るため、従来と同等の硬さを得るための焼戻し温度を高
くすることができ、その結果、その時の組織は従来のも
のよりも安定したものとなっている。従って、従来より
も高硬度のHv600以上のショット球を用いることに
より、それに応じたより高い圧縮残留応力を得ることが
可能となる。
Shot Peening: Use of Shot Ball of Hv600 or More Shot peening substantially reduces the maximum shear stress acting on the surface of the valve spring when the valve spring is used by applying a compressive residual stress to the surface of the valve spring, thereby reducing fatigue strength. Significant improvement. However, conventionally, as a result of sufficiently improving the shot peening treatment, the magnitude of the obtained compressive residual stress is almost at a maximum, and even if a shot ball of higher hardness is used, Even if shot peening was performed twice or more, a larger compressive residual stress could not be obtained. As described above, in the high-strength valve spring according to the present invention, since high silicon steel is used as a material, the tempering temperature for obtaining the same hardness as the conventional can be increased, and as a result, the structure at that time Is more stable than the conventional one. Therefore, by using a shot ball of Hv600 or higher having a higher hardness than in the past, it is possible to obtain a correspondingly higher compressive residual stress.

【0027】また、既に述べた通り、本発明では焼戻し
温度を従来よりもやや低めにして、従来よりも高硬度と
したオイルテンパー線を用いることにより、疲労強度及
び耐へたり性を向上させることもできる。このように素
材を従来よりも硬くした場合、ショット球もそれに応じ
てHv720以上の高硬度のものを用いることにより、
十分な圧縮残留応力を得ることができる。
Further, as described above, in the present invention, the tempering temperature is set to be slightly lower than the conventional one, and the oil-tempered wire having a higher hardness than the conventional one is used to improve the fatigue strength and the sag resistance. Can also. When the material is harder than the conventional material, the shot ball is made of Hv720 or higher accordingly.
A sufficient compressive residual stress can be obtained.

【0028】上記いずれの場合でも、2回以上のショッ
トピーニング処理を施すことにより、より高い圧縮残留
応力を得ることができ、これにより高い疲労強度を得る
ことができる。具体的には、表面近傍の残留応力を85
kgf/mm2以上とすることが望ましい。また、表面からの
遅れ破壊の発生の防止にももちろん効果的である。
In any of the above cases, a higher compressive residual stress can be obtained by performing the shot peening treatment two or more times, whereby a higher fatigue strength can be obtained. Specifically, the residual stress near the surface is reduced to 85
kgf / mm 2 or more is desirable. It is also effective in preventing delayed fracture from the surface.

【0029】残留オーステナイト(γ):1〜5体積率
% 焼戻しマルテンサイト中に存在する残留オーステナイト
相は鋼の靱性を向上させるが、体積率1%未満ではその
効果がなく、5%を越えるとばね使用中のマルテンサイ
ト変態によりへたり量が増える危険性があるからであ
る。
Retained austenite (γ): 1 to 5% by volume% The retained austenite phase present in the tempered martensite improves the toughness of the steel. This is because the amount of set may increase due to martensitic transformation during use of the spring.

【0030】粒子径0.05μm以上の炭化物の組織内
密度:5ケ/μm2以下 粒子径0.05μm以上の炭化物は組織内に存在する
と、ばね成形時等において破壊の起点となり得る。この
存在密度が組織観察写真上で5ケ/μm2を越えると靱
性が著しく低下するからである。
In-tissue density of carbide having a particle diameter of 0.05 μm or more: 5 / μm 2 or less If carbide having a particle diameter of 0.05 μm or more is present in the tissue, it can be a starting point of fracture during spring molding or the like. This is because if the existing density exceeds 5 / μm 2 on a microscopic observation photograph, the toughness is significantly reduced.

【0031】これらの残留オーステナイト量及び/又は
炭化物量の規定は、次のような熱処理方法により実現す
ることが望ましい。
It is desirable that the definition of the amount of retained austenite and / or the amount of carbide is realized by the following heat treatment method.

【0032】焼入れ焼戻し工程における焼入れ加熱に関
しては、加熱速度150℃/sec以上で、1100℃
以下でT(℃)=500+750・C(炭素量%)+5
00・V(バナジウム量%)で決まる温度以上(ただ
し、950℃以上)の範囲に加熱し、加熱開始から水又
は油による冷却開始までの時間を15秒以内とする。
Regarding the quenching heating in the quenching and tempering step, the heating rate is 150 ° C./sec or more and 1100 ° C.
T (° C.) = 500 + 750 · C (carbon content%) + 5
Heating is performed at a temperature not lower than the temperature determined by 00 · V (amount of vanadium) (at least 950 ° C.), and the time from the start of heating to the start of cooling with water or oil is set to 15 seconds or less.

【0033】冷却開始までの時間を15秒以内としなけ
れば結晶粒が粗大化し、靱性が劣化し、加熱速度が15
0℃/sec以下であれば冷却開始までの15秒間で十
分な炭化物の固溶ができない。また、加熱温度が110
0℃以上であれば結晶粒粗大化による靱性劣化や脱炭が
起こり、T(℃)=500+750・C+500・V以
下であれば、十分な炭化物の固溶ができない。
If the time until the start of cooling is not shorter than 15 seconds, the crystal grains become coarse, the toughness is deteriorated, and the heating rate is reduced to 15 seconds.
If the temperature is 0 ° C./sec or less, a sufficient solid solution of carbide cannot be obtained in 15 seconds until the start of cooling. When the heating temperature is 110
If it is 0 ° C. or more, toughness deterioration and decarburization occur due to coarsening of crystal grains, and if T (° C.) = 500 + 750 · C + 500 · V or less, a sufficient solid solution of carbide cannot be obtained.

【0034】焼入れ焼戻し工程における焼戻し加熱に関
しては、加熱速度150℃/sec以上で、450℃〜
600℃に加熱し、加熱開始から水等の冷媒を用いた冷
却開始までの時間を15秒以内とする。
Regarding the tempering heating in the quenching and tempering step, the heating rate is not less than 450 ° C. at a heating rate of 150 ° C./sec or more.
Heat to 600 ° C., and set the time from the start of heating to the start of cooling using a coolant such as water to be within 15 seconds.

【0035】加熱速度を150℃/sec、冷却開始ま
での時間を15秒以内としなければ、残留オーステナイ
ト相が体積率1%未満に消失してしまうためである。
Unless the heating rate is set to 150 ° C./sec and the time until the start of cooling is set within 15 seconds, the residual austenite phase disappears to a volume fraction of less than 1%.

【0036】[0036]

【実施例】以下に、従来より一般に広く用いられている
シリコンクロム鋼オイルテンパー線(SWOSC-V)にバナ
ジウムを少量添加した鋼を比較材として、本発明に係る
高強度弁ばねの特性を実験結果により明らかにする。実
験に用いた発明材及び比較材の化学組成を図1に示す。
EXAMPLES The characteristics of the high-strength valve spring according to the present invention were experimentally tested using, as a comparative material, a steel obtained by adding a small amount of vanadium to a conventionally used silicon chrome steel oil-tempered wire (SWOSC-V). Clarify by result. FIG. 1 shows the chemical compositions of the inventive material and the comparative material used in the experiment.

【0037】これらの両供試材は、共に真空溶解炉で溶
製した後、熱間鍛造、熱間圧延により6.5mm径の線材
(素線)とした。この素線からφ3.2mmオイルテンパー
線を得るまでの工程は図2に示す通りである。オイルテ
ンパー処理は各供試材により異なり、それぞれ図3に示
す条件で行った。オイルテンパー線の状態における両供
試材の引張強さ及び絞りは図4の通りであった。
Both of these test materials were melted in a vacuum melting furnace, and then hot forged and hot rolled into a 6.5 mm diameter wire (element wire). The steps required to obtain a φ3.2 mm oil-tempered wire from this wire are as shown in FIG. The oil tempering treatment differs depending on each test material, and was performed under the conditions shown in FIG. FIG. 4 shows the tensile strength and drawing of both test materials in the state of the oil-tempered wire.

【0038】こうして得たオイルテンパー線より、図5
に示す諸元を有する弁ばねを作製した。弁ばね成形後、
図6に示す条件でショットピーニングを行った。図4に
示すように、本発明材は熱処理後の状態で従来のものよ
りも高い硬さを有するため、ショット球もそれに応じて
硬いものを用いた。ショットピーニング後の表面の残留
応力分布を測定した結果を図7に示す。比較材と比較し
て、本発明材は1回のショットピーニング後でも比較材
よりも高い圧縮残留応力値を示し、2回目のショットピ
ーニング後には更に圧縮残留応力が増加し、85kgf/mm
2以上という条件を十分満足していることがわかる。
From the oil-tempered wire thus obtained, FIG.
A valve spring having the following specifications was manufactured. After forming the valve spring,
Shot peening was performed under the conditions shown in FIG. As shown in FIG. 4, the material of the present invention has a higher hardness in the state after the heat treatment than the conventional material. FIG. 7 shows the result of measuring the residual stress distribution on the surface after shot peening. Compared with the comparative material, the material of the present invention showed a higher compressive residual stress value than the comparative material even after one shot peening, and further increased the compressive residual stress after the second shot peening to 85 kgf / mm
It is understood that the condition of 2 or more is sufficiently satisfied.

【0039】こうして作製した弁ばねについて、耐へた
り性及び遅れ破壊強度について試験した結果を図8及び
図9により説明する。
The results of tests on the valve spring thus manufactured for set resistance and delayed fracture strength will be described with reference to FIGS. 8 and 9. FIG.

【0040】図8は、表面の最大剪断応力がτ=90kg
f/mm2となるような固定負荷を供試弁ばねに付与した状
態で、弁ばねを120℃の雰囲気下に置き、48時間放
置した後の残留剪断歪γを測定した結果のグラフであ
る。本発明材は比較材よりもはるかに良好な耐へたり性
を示しており、その残留剪断歪はτ<5×10-4という
目標値を十分満足している。
FIG. 8 shows that the maximum shear stress on the surface is τ = 90 kg.
FIG. 6 is a graph showing the results of measuring the residual shear strain γ after placing the valve spring in an atmosphere of 120 ° C. and allowing it to stand for 48 hours while applying a fixed load such as f / mm 2 to the test valve spring. . The material of the present invention shows much better sag resistance than the comparative material, and its residual shear strain sufficiently satisfies the target value of τ <5 × 10 −4 .

【0041】図9は、遅れ破壊特性を評価した試験の結
果を示すものである。すなわち、弁ばねにコイリングし
た後に生成する残留応力の値を種々に変化させ、各応力
値においてクラック(割れ)が発生するまでの時間を測
定した結果を表わすグラフである。本発明材は、クラッ
ク発生時間が比較材よりも遙かに長くなっていることが
わかる。
FIG. 9 shows the results of a test for evaluating delayed fracture characteristics. That is, it is a graph showing the result of variously changing the value of the residual stress generated after coiling the valve spring and measuring the time until a crack occurs at each stress value. It can be seen that the inventive material has a much longer crack generation time than the comparative material.

【0042】[0042]

【発明の効果】本発明に係る高強度弁ばねでは、素材鋼
のシリコン含有量を高くして、そのフェライト及びマル
テンサイトに対する固溶強化、及び、マルテンサイト相
の焼戻し時の[フェライト+炭化物]への分解を遅らせ
る作用を利用した。これは、オイルテンパー処理時の相
分解温度を高温側にシフトさせ、転位の回復を促進する
ため、素材の組織が安定化し、靱性が向上する。また、
弁ばね使用時の温度上昇による組織変化が防止され、転
位の移動を困難にする。これらにより、本発明に係る弁
ばねは、従来のものよりも良好な耐へたり性を有するも
のとなった。また、組織の安定化は耐遅れ破壊性にも有
効に作用し、この面からも実使用時の耐久性向上が期待
できるものとなっている。
In the high-strength valve spring according to the present invention, the silicon content of the material steel is increased to strengthen the solid solution of ferrite and martensite, and [ferrite + carbide] during tempering of the martensite phase. Utilizing the action of delaying the decomposition into water. This shifts the phase decomposition temperature during oil tempering to a higher temperature side and promotes the recovery of dislocations, so that the structure of the material is stabilized and the toughness is improved. Also,
Structural change due to temperature rise during use of the valve spring is prevented, making it difficult to move dislocations. As a result, the valve spring according to the present invention has better sag resistance than the conventional one. In addition, the stabilization of the structure effectively acts on the delayed fracture resistance, and from this aspect, the improvement of the durability in actual use can be expected.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 供試材の化学組成。FIG. 1 Chemical composition of test materials.

【図2】 オイルテンパー線までの製造工程。FIG. 2 shows a manufacturing process up to an oil-tempered wire.

【図3】 オイルテンパー処理条件。FIG. 3 shows oil tempering conditions.

【図4】 オイルテンパー線の引張特性。FIG. 4 shows tensile properties of an oil-tempered wire.

【図5】 弁ばね諸元。FIG. 5 shows valve spring specifications.

【図6】 ショットピーニング条件。FIG. 6 shows shot peening conditions.

【図7】 ショットピーニング後の残留応力分布。FIG. 7 shows residual stress distribution after shot peening.

【図8】 熱間締め付け試験結果。FIG. 8 shows the results of a hot tightening test.

【図9】 遅れ破壊試験結果。FIG. 9 shows the results of a delayed fracture test.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI C22C 38/18 C22C 38/18 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI C22C 38/18 C22C 38/18

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 重量比にしてC:0.5〜0.8%、S
i:1.2〜2.5%、Mn:0.4〜0.8%、C
r:0.7〜1.0%を含有し、残部Fe及び不可避的
不純物から成り、不可避的不純物であるAl含有量が
0.005%以下、同Ti含有量が0.005%以下で
あって、最大非金属介在物が15μmである鋼に、焼入
れ加熱温度を950℃以上1100℃以下として焼入れ
・焼戻しを施したオイルテンパー線を素材として使用
し、コイリング後、高硬度ショット球を用いてショット
ピーニングを施したことを特徴とする高強度弁ばね。
1. A weight ratio of C: 0.5-0.8%, S
i: 1.2 to 2.5%, Mn: 0.4 to 0.8%, C
r: 0.7 to 1.0%, the balance being Fe and inevitable impurities, the inevitable impurities Al content is 0.005% or less, and the Ti content is 0.005% or less. Then, a steel having a maximum non-metallic inclusion of 15 μm, using a quenched and tempered oil-tempered wire with a quenching heating temperature of 950 ° C. or more and 1100 ° C. or less as a material, and after coiling, using a high-hardness shot ball A high strength valve spring characterized by shot peening.
【請求項2】 素材鋼が更に、V:0.05〜0.15
%、Mo:0.05〜0.5%、W:0.05〜0.1
5%、Nb:0.05〜0.15%のうち1種以上を含
有する請求項1記載の高強度弁ばね。
2. The steel material further comprises V: 0.05 to 0.15.
%, Mo: 0.05-0.5%, W: 0.05-0.1
The high-strength valve spring according to claim 1, which contains at least one of 5% and Nb: 0.05 to 0.15%.
【請求項3】 焼入れ焼戻し後のオイルテンパー線にお
いて、残留オーステナイトが体積率で1〜5%である請
求項1又は2記載の高強度弁ばね。
3. The high-strength valve spring according to claim 1, wherein the retained austenite has a volume ratio of 1 to 5% in the oil-tempered wire after quenching and tempering.
【請求項4】 焼入れ焼戻し後のオイルテンパー線にお
いて、粒子径が0.05μm以上である炭化物の組織内
密度が、組織観察写真上で5ケ/μm2以下である請求
項1〜3のいずれかに記載の高強度弁ばね。
4. The oil-tempered wire after quenching and tempering, wherein the density of the carbide having a particle diameter of 0.05 μm or more in the structure is 5 / μm 2 or less on a structure observation photograph. A high-strength valve spring as described in Crab.
【請求項5】 硬さHv600以上のショット球でショ
ットピーニングを施した請求項1〜4のいずれかに記載
の高強度弁ばね。
5. The high-strength valve spring according to claim 1, wherein shot peening is performed with a shot ball having a hardness of Hv600 or more.
【請求項6】 硬さHv720以上のショット球でショ
ットピーニングを施した請求項1〜4のいずれかに記載
の高強度弁ばね。
6. The high-strength valve spring according to claim 1, wherein shot peening is performed with a shot ball having a hardness of Hv720 or more.
【請求項7】 該ショットピーニングを少なくとも2回
施し、表面近傍の残留応力を85kgf/mm2以上とした請
求項5又は6に記載の高強度弁ばね。
7. The high-strength valve spring according to claim 5, wherein the shot peening is performed at least twice so that a residual stress near the surface is 85 kgf / mm 2 or more.
【請求項8】 重量比にしてC:0.5〜0.8%、S
i:1.2〜2.5%、Mn:0.4〜0.8%、C
r:0.7〜1.0%を含有し、残部Fe及び不可避的
不純物から成り、不可避的不純物であるAl含有量が
0.005%以下、同Ti含有量が0.005%以下で
あって、最大非金属介在物が15μmである鋼に、焼入
れ加熱温度を950℃以上1100℃以下として焼入れ
・焼戻しを施したオイルテンパー線をコイリング後、高
硬度ショット球を用いてショットピーニングを施すこと
を特徴とする高強度弁ばねの製造方法。
8. A weight ratio of C: 0.5 to 0.8%, S
i: 1.2 to 2.5%, Mn: 0.4 to 0.8%, C
r: 0.7 to 1.0%, the balance being Fe and inevitable impurities, the inevitable impurities Al content is 0.005% or less, and the Ti content is 0.005% or less. Then, after coiling a quenched and tempered oil-tempered wire at a quenching heating temperature of 950 ° C. or more and 1100 ° C. or less, steel having a maximum non-metallic inclusion of 15 μm is subjected to shot peening using a high-hardness shot ball. A method for manufacturing a high-strength valve spring, comprising:
【請求項9】 素材鋼が更に、V:0.05〜0.15
%、Mo:0.05〜0.5%、W:0.05〜0.1
5%、Nb:0.05〜0.15%のうち1種以上を含
有する請求項8記載の高強度弁ばねの製造方法。
9. The steel material further comprises V: 0.05 to 0.15.
%, Mo: 0.05-0.5%, W: 0.05-0.1
The method for producing a high-strength valve spring according to claim 8, comprising one or more of 5% and Nb: 0.05 to 0.15%.
【請求項10】 焼入れ処理において、加熱速度150
℃/sec以上で、1100℃以下でT(℃)=500
+750・C(炭素量%)+500・V(バナジウム量
%)で決まる温度以上(ただし、950℃以上)の範囲
に加熱し、加熱開始から水又は油による冷却開始までの
時間を15秒以内とする請求項8又は9に記載の高強度
弁ばねの製造方法。
10. A heating rate of 150 in the quenching process.
T (° C.) = 500 ° C./sec or more and 1100 ° C. or less
+ 750.C (carbon content%) + 500.V (vanadium content%) Heating to the temperature range or more (however, 950 ° C or more), and the time from the start of heating to the start of cooling with water or oil within 15 seconds The method for manufacturing a high-strength valve spring according to claim 8.
【請求項11】 焼戻し処理において、加熱速度150
℃/sec以上で、450℃〜600℃に加熱し、加熱
開始から水等の冷媒を用いた冷却開始までの時間を15
秒以内とする請求項8〜10のいずれかに記載の高強度
ばねの製造方法。
11. A heating rate of 150 in the tempering process.
At 450 ° C./sec or more, heating to 450 ° C. to 600 ° C., and the time from the start of heating to the start of cooling using a refrigerant such as water is 15 minutes.
The method for manufacturing a high-strength spring according to any one of claims 8 to 10, wherein the time is within seconds.
【請求項12】 硬さHv600以上のショット球でシ
ョットピーニングを施した請求項8〜11のいずれかに
記載の高強度弁ばねの製造方法。
12. The method for manufacturing a high-strength valve spring according to claim 8, wherein shot peening is performed with a shot ball having a hardness of Hv600 or more.
【請求項13】 硬さHv720以上のショット球でシ
ョットピーニングを施した請求項8〜11のいずれかに
記載の高強度弁ばねの製造方法。
13. The method for manufacturing a high-strength valve spring according to claim 8, wherein shot peening is performed with a shot ball having a hardness of Hv720 or more.
【請求項14】 該ショットピーニングを少なくとも2
回施す請求項12又は13に記載の高強度弁ばねの製造
方法。
14. The method of claim 1 wherein said shot peening is performed for at least
The method for manufacturing a high-strength valve spring according to claim 12 or 13, wherein the valve spring is applied.
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