JPS63157835A

JPS63157835A - バネ用鋼

Info

Publication number: JPS63157835A
Application number: JP31282587A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Kato; 哲男加藤; Shozo Abeyama; 阿部山　尚三; Makoto Saito; 誠斉藤
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1987-12-10
Filing date: 1987-12-10
Publication date: 1988-06-30

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】（技術分野）本発明は改善された特性を有するバネ用鋼に係り、特に
靭性に優れ、また耐へタリ性、耐熱性等に優れたバネを
工業的に有利に製造し得るバネ用鋼に関するものである
。

（背景技術）従来より、バネ用鋼としては、Ｊ　Ｉ　５−Ｇ−４８０
１に規定されているＳＵＰ称呼のものが、それぞれの用
途に応じて種々用いられているが、近年における各種製
品乃至は部品の高性能化の要請に従って、そこに用いら
れているバネ、更にはそれを構成する鋼素材にも、各種
の特性、例えば靭性、強度、耐ヘタリ性、耐熱性等の性
能の向上が要請されている。加えて、そのような優れた
特性を有するバネを容易に製造し得るようにすることは
、経済的にも有利なことである。

（解決課題）かかる事情の下において、本発明は、上記の要請に応え
得るバネ用鋼を提供するものであって、特に靭性に優れ
、また耐ヘタリ性、耐熱性等の性能に優れた、有用なバ
ネ特性を有するバネを与え得るバネ用鋼を提供すること
にあり、またそのような優れた特性を有するバネを有利
に製造し得る鋼材料を提供するものである。

（解決手段）そして、本発明は、上記した課題を解決するものであっ
て、その特徴とするところは、重量で、０．３５〜１．
１０％の炭素（Ｃ）、２．５％以下のケイ素（Ｓｉ）、
１．５％以下のマンガン（Ｍｎ）、並びに５．０％以下
のクロム（Ｃｒ）を含み、残部が鉄及び不可避的不純物
からなるバネ用鋼にあり、これによって、バネの靭性、
耐ヘタリ性などの特性の向上が有利に図られ得ると共に
、そのような有用な特性を有するバネが、効率的に且つ
容易に製造し得ることとなったのである。

また、かくの如き本発明に従うバネ用鋼たる金属素材に
は、更に必要に応じて、特定の成分（元素）が含有せし
められ、それによって、有用な特性が付与されるもので
ある。即ち、本発明は、また、重量で、０．３５〜１．
１０％の炭素、２．５％以下のケイ素、１．５％以下の
マンガン、及び５．０％以下のクロムを含み、且つ１．
０％以下のバナジウム（Ｖ）、０．１％以下のアルミニ
ウム（ＡＡ）、０．５％以下のチタン（Ｔｉ）、０．５
％以下のニオブ（Ｎｂ）、０．５％以下のジルコニウム
（Ｚｒ）からなる群より選ばれた１種若しくはそれ以上
の成分を含む、残部が鉄及び不可避的不純物からなるバ
ネ用鋼を提供するものである。

（具体的構成）ところで、かかる本発明に従うバネ用鋼における各成分
の含量範囲の決定理由は、次の通りである。

Ｃ：鋼中の含有量が０．３５％未満となると、コイル成
形後の熱処理に際し、焼入カタサが出に＜＜、充分なバ
ネ特性が得られない。

また、１．１０％を超えるようになると、初析炭化物が
巨大化して疲れ寿命を劣化せしめるので、好ましくない
。従って、Ｃは、０．３５〜１．１０％の範囲内で含有
せしめる必要がある。

Ｓｉ：このＳｉは、その含有量が多ければ多い程、バネ
の耐へタリ性を向上させるので、好ましい元素であるが
、２．５％を超えるようになると、Ｓｉの偏析が大とな
り、焼入加熱時に初析フェライトが残留し、疲れ寿命を
劣化させるので、好ましくない。従って、Ｓｉの含有量
は、２．５％以下としなければならない。

Ｍｎ：Ｍｎは、脱酸元素であると共に、鋼の焼入性を向
上させるので、好ましい元素であるが、１，５％を超え
ると、焼入操作時に焼ワレを生じ易くするので、その含
有量は、１゜５％以下とする必要がある。

Ｃｒ：このＣｒは、鋼の焼入性を増すと共に、焼もどし
軟化抵抗を高めるので、同一カタサを得るのに、より高
温度での焼もどしが可能であり、このため耐力比を高め
ることが出来、バネの設計応力を高くとることが出来る
。しかし、５％を超えると、熱間圧延後の冷却時に割れ
を生じ易いので、上限を５％とする。

■：Ｖは、結晶粒を微細化し、靭性を向上させるので、
好ましい元素であり、さらに高温強度特性を向上させる
ので、耐熱用途にその効果を発揮する。しかし、１％を
超えると、その効果は飽和するので、上限を１％とする
。

ＡＩｌ：この元素は、脱酸剤として鋼中の酸素を低減し
、非金属介在物を少な（するので、疲れ寿命向上に有効
であり、また結晶粒度を微細化し、衝撃遷移温度を低め
る。しかしながら、その含有量が０．１％を超えると、
靭性を劣化させるので、上限を０．１％とする。

Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ　：これらの元素は、微細な炭化物を
形成し、焼もどし抵抗性を増すので、好ましい元素であ
るが、その含有量が０．５％を超えると、靭性を害する
ので、各々その上限を０．５％とする。

なお、これらの元素の他、バネ用鋼材の工業的レベルで
の製造に際して不可避的に混入する燐、硫黄、ヒ素、ス
ズ、アンチモン、亜鉛、セレンを始めとする微量不純物
元素が、該鋼材に含まれるようになっても何等差支えな
い。また、前記各元素のうち、Ｃ，Ｓｔ、Ｍｎ、Ｃｒが
必須的に該鋼材に含まれる他、他の元素は、目的とする
バネ材に要求される性能により、必要に応じて、その所
定量範囲において含有せしめられることとなるのである
。

ところで、かくの如き本発明に係るハネ用鋼は、通常の
バネ製造工程に従って、目的とするバネ材に仕上げられ
るものであるが、また有利にはバネ用素材たるテーパー
ロッドに仕上げられることとなる。

なお、そのようなテーパーロッドの作製に際しては、先
ず、本発明に従うバネ用鋼からなる線材形態の金属素材
には、その軸方向に所定の温度勾配が付与せしめられる
こととなるが、この温度勾配のパターンは、該素材の材
質、寸法、加熱温度、引張条件などや、目的とするテー
パー形状によって種々異なり、一義的に限定することは
出来ず、それぞれの具体的場合に応じて、適宜決定され
ることとなる。しかし、一般的には、該金属素材の高温
部分は、後の引張操作によってより細くなる一方、低温
部分は、該高温部分に比してそれほど細くならない。そ
れ故、中央部に最小直径部分を有し、且つ該最小直径部
分の両側に、それから離れるに従って直径の漸次増大す
るテーパ一部分を有するテーパー材を形成せしめる場合
には、金属素材の軸方向において中央部で温度が高く、
該中央部より離れるに従って温度が低くなる山形形状の
パターンの温度勾配が、好適に採用されるのである。

尤も、かかる温度勾配の付与に際しては、該金属素材の
最高加熱温度が６００〜ｉ　ｏ　ｏ　ｏ　’ｃの範囲内
となるようにすることが望ましい。最高加熱温度が６０
０℃未満では、金属素材の破断伸びが低くなり（一般に
、４０％以下の破断伸びとなる）、目的とする最終テー
パー形状に成形される以前に局部絞りを惹起して破断し
てしまう虞があり、また最高加熱温度が１０００°Ｃを
超えるようになると、素材表面の酸化および脱炭が著し
くなり、最終的なバネ製品にした場合に、疲れ寿命が劣
化する等の好ましくない現象を惹起する。

なお、所定のパターンの温度勾配を付与するための金属
素材の加熱手法としては、直接通電加熱法、高周波誘導
加熱法、ガス加熱法の他、赤外線加熱法、電気炉を使用
する傍熱加熱法などの公知のあらゆる加熱手法が採用さ
れ得、それらの中から、適当な加熱手段が適宜に選択さ
れることとなる。

そして、この選択された加熱手法による所定の温度勾配
の付与方法としては、一般に、（１）金属素材の軸方向
に所定の温度勾配が形成されるように該素材を加熱する
方法や、（２）金属素材を所定の高温度に加熱せしめた
後あるいは加熱せしめつつ、その軸方向に所定の温度勾
配が形成されるように冷却せしめることによって温度調
整する方法などが、好適に採用されるのである。より具
体的には、加熱領域内において金属素材に所定の温度勾
配を付与するために、該素材の軸方向の各位置における
加熱量または冷却量を、目的とするテーパー形状に従っ
て変化せしめるものであって、例えば、形成されるテー
パ一部の中央部から両端部（両側）に向かって複数個に
分割された各分割位置における送風量を増減せしめて、
冷却の程度を変化せしめたり、高周波誘導加熱において
、素材軸方向の各位置におけるコイル径またはピンチを
変化させたり、ガス加熱において、素材軸方向の各位置
におけるガス流量を変化せしめたり、複数列の抵抗加熱
素子の電気入力を調整したりする等の方法が、有効に用
いられる。

次いで、この所定の温度勾配が付与された金属素材には
、該素材の軸方向の引張力が加えられ、これによって該
温度勾配のパターンに応じて、該素材は、その軸方向に
直径を変化せしめて、所望のテーパー形状が形成される
のである。即ち、一般に、高温部分はより小さな直径と
され、また低温部分では、それほど直径は変化しない。

なお、この引張力は、一般に、金属素材の材質、形状、
目的とするテーパー形状に応じて所定の歪速度を与える
ように、前記温度勾配の付与された金属素材に対して加
えられることとなるが、目的とするテーパー形状のテー
パーロッドを効率的に得るためには、かかる引張操作に
おける金属素材の歪速度（加工歪速度）を制御すること
が重要であり、しかもかかる加工歪速度は、形成される
テーパーロッドの最小直径部分（均一最大絞り部分）に
おいて所定の範囲内に制御する必要がある。

このため、テーパーロッドの最小直径部分（均一最大絞
り部分）に相当する金属素材部分は、一般に最高加熱温
度部分における加工歪速度（Ａ）が０．５％／ｓｅｃ〜
１０００％／ｓｅｃとなるように、引張変形せしめられ
るものであり、これによって、目的とする形状のテーパ
ーロッドが、破断などの問題を惹起することなく、効率
的に且つ容易に得られるのである。なお、この歪速度が
０．５％／ｓｅｃ未満の低速では、軸方向に与えた温度
勾配が平坦化してしまうため、目的とするテーパー形状
を付与することが困難となるところから、かかる歪速度
の下限は０．５％／ｓｅｃ以上とする必要がある。

また、歪速度が１０００％／ｓｅｃを超える場合には、
塑性変形に伴う発熱が大きくなって、局部的な発熱を惹
起し、局部収縮を生じて破断する問題を発生するので、
その上限は１０００％／ｓｅｃ”までとする必要がある
。ここで、歪速度（イ）とは、最小直径部分における単
位時間当たりの変形量、より具体的には、断面積変化量
を指し、一般に次式に従って求められることとなる。

Ｘｔ但し、Ａｏ　：金属素材の原断面積（ｃＪ）Ａ　：テー
パーロッド（引張後の金属素材）の最小直径部分の断面
積（ｃＪ　）ｔ　：引張時間（ｓｅｃ　）そして、かかる引張操作によって得られたテーパーロッ
ドは、前記したようにテーパーコイルばねの材料として
好適に用いられるのである。このテーパーコイルばね用
のテーパーロッドを製造するには、長尺状の連続した線
材あるいは棒材に対して、軸方向に所定の間隔をおいて
間歇的に前記手法を適用し、テーパー成形加工した後、
該テーパー形状の最小直径部分で順次切断することによ
す、両端部分がテーパー形状（端部に向力・って漸次直
径が減少する）を呈するテーパーロッドを連続的に得る
ことが可能である。

（実施例）以下、本発明の実施例を示し、本発明を更に具体的に明
らかにするが、本発明が、これら実施例の記載によって
何等の制約をも受けるものではないことは、言うまでも
ないところである。

実施例　ＩＣ：０．６１％、Ｓｉ：２，３５％、Ｍｎ：０．８１％
及びＣｒ：０．１１％を含む、圧延、引抜によって得ら
れた鋼索材（直径６．３５ｍｍ）を用いて、その両端を
水冷チャックでつかみ、その軸方向の各位置における空
気噴出量が異なる空冷手段を併用しつつ、加熱領域が約
２００　ｍｍで、その中央部が８５０℃となる山形形状
の温度勾配を形成するように、直接通電加熱した。

その後、中央部の最小直径部分の歪速度（Ａ）を種々変
化せしめて、前記所定の温度勾配の鋼索材を引張、変形
させた。各歪速度における均−最大絞り率を求め、その
結果を第１表に示した。なお、均一最大絞り率（％）と
は、テーパー形状に変形されつつある素材にくびれ（破
断につながる）が発生するまでの変形量を示すものであ
って、（Ａｏ　　Ａ）　ｘ　１００　／　Ａｏ　、すな
わち（素材断面積−最小直径部分の断面積）Ｘ１００／
（素材断面積）にて示されるものである。また、第１表
の結果が第１図に示されている。

第１表並びに第１図の結果から明らかなように、加工歪
速度が０．５〜１０００％／ｓｅｃの領域で均一最大絞
り率が大きく、またその極大部分が位置しているのであ
り、そしてこのような大きな均一最大絞り率の領域にお
いて引張変形せしめることにより、目的とするテーパー
形状に、より加工し易くなるのである。すなわち、加工
工数が少なくて済むからである。

そして、この得られた各種のテーパー線材を用いて、そ
れぞれコイルバネを作製したところ、何れもバネ特性の
良好なコイルバネであることが認められた。

第　　　１　　　表実施例　２第２表に示す各種の化学成分を含む、球状化焼鈍、引抜
によって得られた鋼素材（線材）を用いて、実施例１に
従う加熱手法によって（最高加熱温度は第３表に示され
ている）加熱せしめて、所定の温度勾配を付与せしめた
後、第３表に示す加工歪速度（ｊ）にて、実施例１と同
様にして引張変形せしめた。得られた均一最大絞り率（
％）の結果を第３表に併せて示すが、いずれの鋼素材に
あっても、優れた均一最大絞り率を示すものであること
が認められた。

また、得られたテーパー線材を用いてコイルバネを作製
したところ、何れも優れたバネ特性を有するものである
ことが認められた。

第　　　２　　　表第　　　３　　　表（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明に従う鋼組成の
材料を用いることにより、靭性に優れ、また耐へタリ性
、耐熱性等の性能に優れた、有用なバネ特性を有するバ
ネを、有利に製造することが可能となったのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１で求められた最小直径部の歪速度と均
一最大絞り率との関係を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量で、０．３５〜１．１０％の炭素、２．５％
以下のケイ素、１．５％以下のマンガン、及び５．０％
以下のクロムを含み、残部が鉄及び不可避的不純物から
なるバネ用鋼。
（２）重量で、０．３５〜１．１０％の炭素、２．５％
以下のケイ素、１．５％以下のマンガン、及び５．０％
以下のクロムを含み、且つ１．０％以下のバナジウム、
０．１％以下のアルミニウム、０．５％以下のジルコニ
ウム、０．５％以下のニオブ、０．５％以下のチタンか
らなる群より選ばれた１種若しくはそれ以上の成分を含
む、残部が鉄及び不可避的不純物からなるバネ用鋼。