JPS6089553A - 高強度ばね用鋼および前記鋼を使用した高強度ばねの製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、自動車、最空機、各種産業機械等において
使用される高強度ばねの製造に適用される高強度ばね用
銅に関し、かつまた前記高強度ばね用銅を使用した高強
度ばねの製造方法に関するものである。

（従来技術） 例えば、内燃機関に使用される弁ばねは、１５０°Ｃ近
傍の温度下で使用されることが多く。

しかも高速圧縮による繰返し荷重を受けており、最も苛
酷な使い方をされるばねのひとつであるといえる。従来
、内燃機関の弁ばねに使用されるばね用銅としては、 オイルテンパー線が一般的であり、日本工業規格（Ｊ　
Ｉ　Ｓ）においても、 ｓｗｏ−ｖ　（ゴｆばね用炭素鋼オイルテンパー線；Ｊ
ＩＳ　Ｇ３５６１） ｓｗｏｃｖ−ｖ　（弁ばね用クロムバナジウム鋼オイル
テンパー線、ＪＩＳ　Ｇ３５６５）ｓｗｏｓｃ−ｖ（弁
ばね用シリコンクロム鋼オイルテンパー線；ＪＩＳ　Ｇ
３５６６） が規定されている。

これらのうち、ｓｗｏｓｃ−ｖ材の疲労強度および耐へ
たり性は、他の弁ばね用オイルテンパー線に比べて優れ
ていることから、内燃機関の弁ばね素材として多用され
ている。そして、さらに高い疲労強度が要求される場合
には、この鋼に窒化あるいは軟窒化処理を施し、表面硬
度を高めて疲労強度の改善を図っている。

ところが最近の内燃機関の開発動向をみると、従来より
もざらに高出力であってしかもｕ量であることが要求さ
れてきている。そのため、弁ばねにおいても、高応力設
計、高寿命が要求され、より一層厳しい条件下におかれ
るようになってきている。この高出力、軒量化の要求に
対してはもはや従来の表面処理等では十分に対応するこ
とができず、新材料の開発が必要となってきている。

（発明の目的） この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、特
に内燃機関の高回転・高出力化に対応して高応力および
高寿命を可能とする高強度弁ばね材料として使用するこ
とができ、内燃機関に限定されず、他の使用分野におい
ても高応力および高ブイ命を可能とする高強度ばね用銅
を提供することを目的とし、さらに、前記ばね用銅を使
用して高強度ばねを製造する方法を提供することを目的
としている。

（９２明の構成） この発明によるばね用銅は、重量％で、Ｃ：０．４０〜
０．７５％、Ｓｉ：１．０〜３０％、Ｍｎ：０．５−１
．５％、Ｎｉ：２．Ｏ〜６．０％、Ｃｒ：０．１〜１．
５％、ＭＯ二〇、０５〜１．０％、Ｖ：０．０５〜０５
％を含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなることを特徴
としており、その実施態様では、不純物中において［Ｓ
コニ０．０１Ｑ％、［０コ≦０．００１５％、［Ｎ］≦
０．０１０％に規制し、また、焼入れ後の残留オーステ
ナイト昂が１０％以」二であるようにし、例えばＣ１Ｎ
ｉ、Ｓｉの３元素について、３５・Ｃ（％）＋２・Ｓｉ
（％）＋Ｎｉ（％）≧２３％に規制して残留オーステナ
イト！い、を１０％以」−とするようにしたことを特徴
としている。また、上記高強度ばね用銅を使用して高強
度ばねを製造するこの発明による高強度ばねの製造方法
は、前記成分の高強度はね用銅を使用して、焼入れ後所
定のばね形状に冷間成形を行い、その後位もどし処理を
施して所定の強度を与えるようにしたことを猫徴として
いる。

この発明による高強度ばね用銅は、上記の成分からなる
ものであって、高靭なマＩ・リックス中に微細な炭化物
を析出させかつ結晶粒の微細化をはかり、調質によって
強度を調節するようにしたものである。

このようにしたこの発明による高強度ばね用銅は、高強
度のレベルを達成することができると共に、コイルはね
等の所定のはね形状に成形するだめの冷開成形が可能で
あることも大きな特長である。この場合、冷開成形性の
点については、焼入れ状態での残留オーステナイＩ・を
より望ましくは１０％以−にとし、この段階で冷間成形
（例えば、コイル成形）を施す工程を採用するのか有効
である。これに対して、通常のオイルテンパー線の場合
には、焼入れ・焼もとじを連続して行って調質した後に
、冷間成形（例えばコイル成形）する工程を採用してお
り、この発明による高強度ばね用銅を使用して高強度ば
ねを製造する場合には、従来とかなり異なる工程によっ
て高強度ばねを製造することが可能である。

次に、この説明による高強度はね用銅の成分範囲（重量
％）の限定理由を説明する。

Ｃ（炭素）； Ｃは、鋼の強度を高めるのに有効な元素であるが、０．
４０％未満でははねとしての必要な強度を（ｆることか
できす、０．７５％を超えると網状のセメンタイトが出
やすくなり、ばねの疲労強度が損われるので、０．４０
〜０．７５％の範囲とした。

Ｓｉ（けい素）； Ｓｔは、フェライト中に固溶することにより銅の強度を
向」ニし、ばねの耐へたり性を向上させるのに有効な元
素であるが、１．０％未満ではばねとして必要な酎へた
り性を得ることができず、３．０％を超えると靭性か劣
化し、且つ熱処理により遊１！４Ｄ＆素を生しる恐れが
あるため、１．０〜３．０％の範囲とした。

Ｍｎ（マンカン）： Ｍｎは、錆の脱酸に有効であると共に銅の焼入性を向上
させるのに有効な元素であり、このためには０．５％以
上含有させることが必要である。

しかし、１．５％を超えると焼入性が過大になって靭性
を劣化すると共に焼入れ時の変形の原因となりやすいの
で、０゜５〜１．５％の範囲とした。

Ｎｉにンケル）； Ｎｉｊ±、本特許鋼においては焼入れ・焼もどし後の靭
性改善を向上するという目的のほかに、焼入れに際して
意図的に残留オーステナイトを多量に形成させ、これを
利用して冷開成形（例えば冷間コイリング成形）を可能
ならしめることも重要な目的の１つである。したがって
、２．０％未満では十分な靭性改善と残留オーステナイ
トが確保できず、また６％を超えると靭性改善効果が飽
和しかつコストも」１昇するので２．０〜６．０％の範
囲とした。

Ｃｒ（クロム）； Ｃｒは、高炭素鋼の脱炭および黒鉛化を防止するのに有
効な元素であるが、０．１％未満ではこれらの効果を十
分に期待することができず、１．５％を超えると靭性が
劣化するので、０．１〜１．５％の範囲とした。

Ｍｏ（モリブデン）： ＭＯは、ばねの酎へたり性を改善するのに有効な元素で
あり、０．０５％未満ではそのような効果が十分に１１
ｔられす、また１、０％を超えるとその効果が飽和しか
つオーステナイト中に溶解されない複合炭化物が形成さ
れる。そして、この複合炭化物の量が増加して大きな塊
状となった場合には、非金属介在物と同等の害をもたら
すので鋼の疲労強度を低下させる恐れがある。したがっ
て、ＭＯは０．０５〜１．０％の範囲とした。

■（バナジウム）： ■は、低温圧延時における結晶粒微細化効果か大きく、
はね特性の向上および信頼性の増大を得ることができ、
また焼入れ焼もどし吟の析出硬化にも寄与する元素であ
り、このような効果を得るためには０．０５％以上含有
させることが必要である。しかし、０．５％を超えると
靭性が劣化すると共にばね特性を低下させるので、０．
０５〜０．５％の範囲とした。

そのほか、鋼の被削性を改善させるために、Ｓ二０４％
以下、Ｔｅ：０．１５％以下、Ｐｂ：０．３％以下、Ｂ
ｉ：０．３％以下、Ｓｅ：０．３％以下、Ｃａ：Ｏ，０
１％以下の範、囲でこれらの１種以上を適宜含有させる
こともでき、析出硬化によって強度像高めるとともに耐
候性を高めるために、Ｃｕ：０．３〜３％の範囲で含有
させることもでき、結晶粒の微細化をはかるために、Ａ
父：０．０１−０．１％、Ｔｉ　・０．０１〜０．３％
、Ｎｂ：０．０１〜０．３％、Ｔａ：０．０１−０．３
％、Ｚｒ＋０．０１〜０．３％の範囲でこれらの１種以
」二を含有させることもでき、焼入性を増大させるため
に、Ｂ：０．０００５〜０．０１％を添加することもで
きる。

さらに、　［３］はばねの疲労強度を損なう元素であり
、　［３］含有昂が低いほどはねとしての信頼性を高め
ることができるので、使用目的等に応して、その」１限
をＯ，，０１０％に規制することも望ましく、　［０］
は酸化物系の介在物を生成し、これが疲労破壊の起点と
なりやすいので、使用目的等に応じてその上限を０．０
０１５％に規制することも望ましく、　［Ｎ］はＴｉＮ
系の介在物を生成して鋼の疲労強度を低下させるの で、使用目的等に応じてその上限を０．０１０％に規制
することも望ましい。

さらに、焼入れ後の残留オーステナイト量が１０％以上
となるようにして冷間成形性を高め、焼入れ後に所定の
はね形状に冷開成形できるようにすることも望ましく、
この場合、例えばＣ１Ｎｉ、Ｓｉの３元素について、３
５・Ｃ（％）＋２俸Ｓｉ（％）＋Ｎｆ（％）≧２３％と
なるように規制して焼入れ後の残留オーステナイト量が
１０％以上となるようにすることも望ましい。

（実施例） 次に、この発明の実施例を比較例とともに説明するが、
従来、ばね鋼の高強度化を判定する尺度としでは、実際
にばねを成形してこれを適当な荷重である時間締めイ旧
すておき、締め付は前後のへたり量で判定する方法があ
る。このへたり量は、材料の硬さと良い相関を示し、材
料の硬さが高くなる程へたり量は少なくなる傾向を示す
。一方、引張強さと硬さの間にも良い相関のあることが
知られている。

従って、ばねの高強度化の程度を評価するには、へたり
量を測定する代わりに材料の引張強さを測定することに
よって行うことが可能である。

そこで、以下の試験例においては、酎へたり性と引張強
さでもってばねの高強度化を判定することとした。

そこで、まず、表１に示すＮ０９１〜Ｎｏ、３９の化学
成分の鋼を溶製したのち造塊し、分解圧延。

線材圧延を行ってばね用鋼線を製造した。次いで、これ
ら各線材から、引張試験片、へたり試験片および疲労試
験片を切り出し、９００°Ｃ×３０分油冷の焼入れ後所
定の温度に焼もどしを施したのち所定の試験片形状に仕
上げた。その後、以下に示す各試験を行った。

（試験例１１ 表１のうち、Ｎｏ、ｌ　〜Ｎｏ、７の供試鋼は、Ｃの機
械的性質に及ぼす影響を調べるために準備したものであ
る。第１図および第２図に引張試験結果を示すが、Ｃが
０．４０％を下回ると第１図に示すように引張強さσＢ
は大きく低下し、ばねとして強度不足であり、また０、
７５％を上回ると第２図に示すように絞りか大きく低下
するので、ばねとして靭性不足である。ところて、ＪＩ
Ｓ　Ｇ３５６５に規定する弁ばね用クロムバナジウム錆
オイルテンパー線では、絞りは線径が３．５ｍｍφ以上
で４０％、線径が３．５ｍ＋ｎφ以下では４５％以上と
規定しており、また、引張強さσＢについては、線径か
８ｍｍφでｌ　８０　ｋｇｆ　／ｍｔｎ２と規定されて
いるか、この発明による高強度ばね用銅では、」＝記規
定よりもさらにすぐれた引張強さσＢ２００　ｋｇｆ　
／　ｍｍ２以」二が得られるようにしたものであり、供
試εＦＩＮｏ、　２〜６のものはこれを満足することか
明らかである。

次に、同一試料で耐へたり性についても調べた。この場
合、実体コイルばねを用いる試験の代わりにねじクリー
プ試験により評価した。このときの試験条件は、せん断
予歪を試験片に与え、この試験片に対して雰囲気温度１
５０℃のもとで負荷応力１００　ｋｇｆ　／　ｍｍ２を
９６ｈｒ負荷して、その１１！、、のせん断クリープひ
ずみノｉを測定した。この結果を同じく表１に示す。

表１に示すように、本発明鋼では残留剪断ひずみ量が比
較鋼に比べてかなり低く、ばねの高強度化に十分対応で
きるものである。

［試験例２］ 表１のうち、Ｎｏ、８〜Ｎｏ、１４の供試鋼は、Ｓｉの
機械的性質に及ぼす影響を調べることを目的としてＢ’
Ｌ　Ｉｆｆ　Ｌだものである。また、第３図は耐力比（
σｏ　、２／σＢ）、第４図は絞りによってそれぞれＳ
ｌの効果を評価した結果を示すものである。

第３図に示すように、Ｓｔが１．０％よりも低くなると
耐力比は大きく低下し、ばねとしての機能を十分に発揮
できなくなる。また、第４図に示すように、Ｓｉが３．
０％を上回ると絞りが大きく低下し、この場合にもばね
として靭性不足となる。さらに、ねじりクリープ試験に
より鮒へたり性を評価した結果は表１に示しであるが、
本発明鋼は比較鋼に比べて残留せん断ひずみ量は低く、
Ｓｉが１０〜３．０％の場合にはばねの高強ＩＫ化に十
分対応できるものである。

［試験例３１ 表１のうち、Ｎｏ、１５〜Ｎ０１２９に示す供試鋼は、
Ｎｉの機械的性質に及ぼす影響を調べることを目的とし
て準（（ｉｉ　Ｌだものである。そして、第５図および
第６図はそれぞれ引張強さσＢおよび絞りによってＮｉ
の効果を評価したものである。表１および第５図、第６
図に示すように、Ｃ含有量が０．５０％前後の場合、Ｎ
ｉが２０％未満である（Ｎｏ、１５）と絞りが大きく低
下し、ばねとして靭性不足である。一方、Ｎｉが６．０
％を上回る（Ｎｏ、２７）と、靭延性は十分であるが、
強度的に下降の傾向を示し、Ｎｉの効果が飽和する。

なお、Ｎｏ、２８．２９はＣをそれぞれ０．７４％、０
．８２％含む高Ｃ材の靭延性を改善するためにＮｉを６
〜７％前後含有させたものであるが、第６図に示すよう
にＮｉを多くしても十分な絞りは得られず、Ｎｉによる
靭延性の改善効果はＣ含有量か０．７５％までと判断さ
れる。

さらに、ねじりクリープ試験により耐へたり性を評価し
た結果は表１に示しであるが、本発明鋼は比較鋼に比べ
て残留せん断ひずみ量は低く、Ｎｉを２．０〜６．０％
の範囲内にしたものでは、ばねの高強度化に十分対応で
きるものである。

［試験例４］ 表１のうちＮｏ、　３０〜Ｎｏ、３４（Ｄ供試鋼は、Ｓ
の腐食疲労強度に及ぼす影響を調べることを目的として
準備したものである。

ここで、腐食疲労試験は線材から回転曲げ疲労試験片を
準イＩｈし、９００’ＣＸ３０分加熱後油冷。

４００°Ｃ×２時間加熱後空冷の焼入れ焼もどし処理を
したあと塩水噴霧中に１２０時間放置し、試駒片表面に
腐食ピットを生成させたあとで疲労試験を実施した。

表１に耐久限度の値を示すが、Ｓをｏ、ｏｉ。

％以下に規制したものでは明らかに疲労強度が向」二し
ているのが認められる。

［試験例５］ 表１のうちＮｏ、　３５〜Ｎｏ、　３９の供試鋼は、［
０］　、［Ｎ］の疲労強度に及ぼす影響を調べることを
目的として準備した試料である。

疲労試験片は上記準備した線材から回転曲げ疲労試験片
を切り出し、９００°Ｃ×３０分加熱後油冷、４００°
Ｃ×２時間加熱後空冷の焼入れ焼もどし処理をしたあと
大気中で疲労試験を実施した。

表１に耐久限度の値を示すが、［０コを０．００１５％
以下に、　［Ｎ］を０．０１０％以下に規制してそれぞ
れ酸化物系介在物、ＴｉＮ系介在物を減少させたものは
、疲労強度が向上しているのが認められる。

［試験例６１ この発明による高強度ばね用銅の線材から冷間成形によ
ってコイルばねを製造する場合には、焼入れ状態で生成
する残留オーステナイトを利用して冷間成形させるが、
それには例えば以下に示す工程が考えられる。

（１）焼入れ→冷間成形→焼もどし く２）焼入れ→冷開成形→サブセロ処理→焼もどしく３
）焼入れ→仮焼もどし→冷間成形→焼もどしここに示す
工程はいずれにしても焼入れ状態での残留オーステナイ
トを利用する点が共通している。

そこで、表２に示すように、残留オーステナイトが異な
る試料を表１の中から選択して焼入れ後コイル形状に冷
開成形し、その際の成形性を割れの発生状況、スプリン
グ／へツタ量により判定した。この結果を表２に示す。

表　２ 表２から明らかなように、残留オーステナイトが１０％
未満のものでは、同一条件での成形においてスプリング
バック量が大きく、これをなくすためにはより大きな成
形力を必要とし、割れが発生する場合のあることが礒認
された。また残留オーステナイトが１０％以上であれば
、これが多いほど冷開成形性は優れることがわかった。

また、表１に示すように、冷間成形が可能である残留オ
ースナナ４１４１０％以上を満足するには、Ｃ，Ｎｉ、
Ｓｉについての３５・Ｃ（％）＋２・Ｓｉ（％）＋Ｎｉ
％であられされるイ直（表１では「Ｙ仙」と略す。）が
２３％以上となるように規制すれば良いことがわかった
。

（発明の効果） 以上説明してきたように、この発明による高強度はね用
銅は、重量％で、Ｃ：０．４０〜０．７５％、Ｓｉ：１
．Ｏ〜３．０％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｎｉ：２．
Ｏ〜６．０％、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：０．０
５−１．０％、Ｖ：０．０５〜０．５％を含有し、残部
Ｆｅおよび不純物からなり、より望ましくは、不純物中
において、［Ｓ］≦０．０１０％。

［Ｏコ　≦０．００１５％　、　「Ｎ］　５０．０１０
％に規制し、使用目的等に応じて焼入れ後の残留オース
テナイト都が１０％以」二であるようにしたから、高強
度のばね用銅が得られるため、例えば内燃機関の弁ばね
素材として適したものであり、今後の内燃機関の高回転
・高出力化に対応させることが可能であって、高応力お
よび高寿命が得られるという非常にすぐれた効果を有し
、この発明による高張力ばね用銅を使用して焼入れ後所
定のばね形状に冷開成形を行い、その後位もどし処理を
施して所定の強度を与えることにより、高強度はねを得
・ることか可能であるという著大なる効果を有している
。

【図面の簡単な説明】

第１図およびｔ５２図はばね用銅の引張強さおよび絞り
に及ぼすＣの影響を調べた結果を示すグラフ、第３図お
よび第４図はばね用銅の耐力比および絞りに及ぼすＳｉ
の影響を調べた結果を示すグラフ、第５図および第６図
はばね用銅の引張強さおよび絞りに及ぼすＮｉの影響を
調べた結果を示すグラフである。 特許出願人　大同特殊鋼株式会社 代理人弁理士　小　塩　４．！％Ｂ ’？Ｐ：２図 史訳しとしシ凡Ｊ龜　（°Ｃ） 第２図 ソ９乳しどじ牙にバ［（’Ｃ） 第３１図 来トしピしう括、Ｂｃ） 第４図 吠５と゛し落胤　ＣＣ） 第５図 ψＬもどしり６度　（０Ｃ） 第６図 文色しと°しミＭＬ度　（０Ｃ）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、Ｃ：０．４０〜０．７５％、Ｓｉ：１
   ．Ｏ〜３．０％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｎｉ：２．
   Ｏ〜６．０％、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：０．０
   ５〜１．０％、Ｖ：０．０５〜０．５％を含有し、残部
   Ｆｅおよび不純物からなることを特徴とする高強度ばね
   用銅。
2. （２）不純物中において、　［Ｓ］≦ｏ、ｏｉｏ％。 ［０］≦０．００１５％、［Ｎ］≦０．０１０％に規制
   した特許請求の範囲第（１）項記載の高強度ばね用銅。
3. （３）焼入れ後の残留オーステナイｈａが１０％以」二
   である特許請求の範囲第（１）項または第（２）項記載
   の高強度ばね用銅。
4. （４）Ｃ，Ｎｌ、Ｓｔの３元素について、３５・Ｃ（％
   ）＋２・Ｓｉ（％）＋Ｎｉ（％）５２３％に規制して残
   留オーステナイト量を１０％以上とした特許請求の範囲
   第（３）項記載の高強度ばね用銅。
5. （５）重量％で、Ｃ：０．４０〜０．７五％　Ｓｔ：１
   ．Ｏ〜３．０％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｎｉ：２．
   ０〜６．０％、Ｃｒ：Ｏ，１〜１．５％、Ｍｏ　：　０
   　、０５〜１　、０％、Ｖ：０．０５〜０．５％を含有
   し、残部Ｆｅおよび不純物からなる高強度ばね用銅を使
   用し、焼入れ後所定のばね形状に冷開成形を行い、その
   後続もどし処理を施して所定の強度を与えることを特徴
   とする高強度ばねの製造方法。