JPS63250441A - 高強度ばね用鋼線 - Google Patents

高強度ばね用鋼線

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JPS63250441A
JPS63250441A JP8533987A JP8533987A JPS63250441A JP S63250441 A JPS63250441 A JP S63250441A JP 8533987 A JP8533987 A JP 8533987A JP 8533987 A JP8533987 A JP 8533987A JP S63250441 A JPS63250441 A JP S63250441A
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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) 本発明は、高強度ばね用鋼及び同訓を利用した弁ばね用
鋼線に係り、特に内燃機関用弁ばね、クラッチばね又は
ブレーキばね等の機械用ばねに用いられるものに関する
(従来の技術) 耐疲労性や耐へたり性が要望される代表的な弁ばね用鋼
としては5i−Crllのオイルテンパー線が用いられ
ている。
これらのワイヤーの引張強さは線径に応じた概略式とし
て、 T、S、=71.d〜172+155 ここで、T、S、:引張強さくkgf/nu2)d :
素線径(mmφ) で与えられる。
具体的にこの式に基づいて引張強さを求めると、41I
IIlφのワイヤーでT、S、は約190kgf/II
I!12となる。
また、弁ばね用オイルテンパー線として5WR567B
等のピアノ線用が用いられることがある。
このときのワイヤーの引張強さはS i −Cr鋼のオ
イルテンパー線よりも更に低く、4 、0 amφのワ
イヤーで目標とされる引張強さは約165kgf/■2
である。
更に、弁ばね用ワイヤーとして、伸線加工されたま−の
ワイヤーが用いられる場合もある。その代表的な例とし
て、5WRS82Aを伸線加工したワイヤーが挙げられ
るが、その引張強さは約170kgf/震2である、 そして、従来の弁ばね用ワイヤーに関する規格としては
次のようなものがある。
(JIS規格等) JIS  G3566、JIS  G3561、JIS
  G3565、 JSMA(日本ばね工業会規格) (発明が解決しようとする問題点) 一般に、圧縮・引張コイルばねにおいて、ばねの高さH
(a+m)、並びに軸方向力が作用した場合の索線に生
じるねじり応力(kgf/mm2)はそれぞれ次式で与
えられる。
)I=A−Na−d        ・・・・・・■τ
=8・P −D/(π・d3)    ・・・・・・■
但し。
A:定数、Na:有効巻数、d:素線径(am)P:ば
ねにかかる荷重(kgf) D:コイル平均径(IIIll) ところで、弁ばねの高さを低くすることによって、弁ば
ねのみではなく、弁の駆動系全体及びそれを保護してい
るブロックを軽量化することができるが、ばねの高さを
低くするためには、前記の式かられかるように、有効巻
数Naを減少サセ、素線径dを小さくすることが必要と
なる。
しかし、この場合には、前記0式かられかるように、ば
ねに作用する繰り返し応力が大きくなるため、ばねの疲
労寿命が低下してしまうという相反関係がある。
またエンジン等においては、その出力を向上させるため
にはエンジンの回転数を上げることが最も有効である。
従って、エンジン等の要部に使用されているばねについ
ては、その固有振動数を大きくすることが望まれること
が少なくない。
なお、固有振動数f1は f、=3.56X10’ ・d/(Na−D”)−・−
・■(JIS  B2704) で与えられる。
このためには、有効巻数Naを減少させ、ばねの素線径
dを大きくすることが必要となる。
しかし、素線径dを大きくすると軽量化に不適当である
ため、索線径dを一定にして有効巻数Naを減少させる
ことになるが、この場合にもばねに作用する繰り返し応
力が大きくなるため、ばねの疲労寿命が低下してしまう
という相反関係がある。
以上のことから、ばねの疲労寿命を保証するためには、
ばねの素材の強度を向上させることが必要となる。
現在使用されているばね用ワイヤーの代表的素材である
5i−Cr鋼でも、オイルテンパー処理での焼もどし温
度を下げることによって高強度ワイヤーは得られるが、
この場合には次のような問題点が生じる。
焼もどし処理は溶融鉛を使用することにより行われるが
、現行の5i−Cr鋼で高強度化を図るためには、素線
径4 、 Ommφのワイヤーで溶融鉛温度を400℃
以下にしなければならない。しかし、溶融鉛の融点は3
27℃であり、この処理温度では処理鋼線の表面に鉛が
付着してしまうという問題がある。
更に、引張強さを220kgf/am”以上にすると延
性が極端に低下し、ばねコイリング時での折損や疲労寿
命の低下を招いてしまうという問題がある。
一般に成形されたばねは、ばね成形時の歪除去と弾性限
の向上のためブルーイング処理がなされるが、この際に
現行の5i−Cr鋼で高強度を維持するためにはブルー
イング温度が低くなり、上記の問題点について充分な効
果が得られなくなる。
そこで1本発明は、上記従来技術の欠点を解消し、高強
度でも高い延性を有し、且つ高いブルーイング処理温度
でもその強度を維持する鋼を提供することを目的とする
ものである。
(問題点を解決するための手段) 上記目的を達成するため、本発明者は、化学成分をバラ
ンスよく調整し、特に低C1高Cr、極低Al化により
所期の高強度化を図ったものであり、また弁ばね用11
Mとしては更にオイルテンパー処理で引張強さを調整し
て疲労特性の向上を図ったものであり、その要旨とする
ところは、次のとうりである。
すなわち、高強度ばね用鋼に係る本発明は、C:0.3
−0.5%未満、Si:0.8〜2.0%、Mn:0.
1−1.0%、Cr:1.2〜2.5%、Afl≦0゜
005%及びO≦30ppmを含み、更に必要に応じて
V:0.05〜0.5%、Mo:0.05〜0.5%、
Nb:0.05〜0.5%及びTa:0.05〜0゜5
%のうちの1種又は2種以上を含み、残部がFe及び不
可避的不純物からなることを特徴とするものである。
また、弁ばね用鋼線に係る本発明は、上記化学成分を有
する鋼をオイルテンパー処理により、引張強さT 、 
S 、(kg f / no”)が素線径d (mm)
に対して。
71 d−172+ 173≦T、S、≦71 d −
”” + 201なる関係を有するように調整したこと
を特徴とするものである。
以下に本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。
まず、本発明鋼の化学成分を限定した理由について説明
する。
C: Cは強度を増大するために有効な元素であるが、0.3
%未満では十分な強度を得ることができず。
また0、5%以上では1本発明鋼のようにCrfitが
1.2%以上の錆では靭性が劣化するので、0.3〜0
.5%未満とした。
Sj: Siは脱酸に有効で、1つオイルテンパー処理した場合
の強度増大に大きく寄与する元素であるが、0.8%未
満では高強度にすることが困難になる。一方、2.5%
を超えると脱炭を助長して表面の強度を低下させるばか
りでなく、Alの混入源となる。後述するように、Al
の増加は非延性介在物を生成せしめるため、ばねの疲労
特性が悪くなる。従って、Si量は0.8〜2.5%と
した。
Mn: 焼入焼もどし処理では、鋼の焼入性が重要であり、この
ためにはMnの添加がなされなければならない。また、
鋼の靭延性に有害なSを固定する役割を果たすため、あ
る程度のMnの添加が必要とする。しかし、添加しすぎ
ると、処理鋼の延性が低下し、高強度ワイヤーが得られ
なくなる。従って、Mn量は0.1〜1.0%とした。
Cr: 脱炭を防止するのに有効な元素であり、また。
鋼の焼もどし軟化抵抗を大きくするため、高強度化に有
効である(第1図参照)。しかし、1.2%未満ではそ
の効果は少なく、2.5%を超えると既述のような低C
の範囲でも靭性が劣化するので、Cr縫は1.2〜2.
5%とした。
A Q: Alを0.005%以上添加した材料では多数のAl2
0.が生成し、このA11t、O,は非延性であるだけ
でなく、非常に硬度が高いため、疲労試験において早期
破壊が発生する。このため、Alの添加量は極力抑える
べきであり、0.005%以下にする必要がある。
0: Oは鋼中のAl、Siなどと結び付いてS i 02系
、Al、O,系の介在物を生成する。これらの介在物は
疲労に有害であるので、少なくするにはOを30ppL
11以下に規制する必要がある。
V、Mo、Nb、 Ta: これらの元素は析出強化を付与する元素であり。
高強度化に効果があるので、必要に応じて単独又は複合
して適数添加することができる。
すなわち、■の添加は結晶粒を微細にし、処理鋼の靭延
性の向上に寄与する。また、耐へたり性の改善にも有効
である。更に、■ばばね成形後の歪取り焼鈍及びオイル
テンパー処理において二次析出強化を図るため、焼もど
し軟化抵抗が大きくなり、高強度化に有効である。しか
し、0.05%以下ではその効果は非常に小さくなる。
一方、オイルテンパー処理におけるオーステナイト化時
に過度にVを添加すると溶は込まず、未溶解炭化物がオ
イルテンパー材に残ってしまい。
この未溶解炭化物が粗大になると処理材の延性が低下す
る。従って、この添加量には上限があり。
0.5%である。以上のことから、V量を0.05〜0
.5%とした。
また、Mo、Nb、Taは、■と同様に析出強化を付与
する元素であり、高強度化に効果がある。
しかし、各元素とも0.05%以下ではその効果が小さ
く、一方、0.5%を超えると粗大な未溶解炭化物がで
きるため、各元素の添加量はそれぞれ0.05〜0.5
%の範囲とした。
なお、P、S等々の不可避的不純物を規制するのが望ま
しい。例えば、鋼中にPが多く存在すると偏析の原因と
なり、素材の靭延性を損う恐れがあるので、Pを0.0
20%以下にするのが望ましい、またS含有量が高くな
るとワイヤーの絞り値を低下させることになるので、高
強度ワイヤーで良好な絞り値を得るにはSを0.010
%以下にするのが望ましい。
次に、特に弁ばね用鋼線の場合、オイルテンパー処理に
より引張強さを限定した理由について説明する。
一般的にばねの素線の疲労限はワイヤーの引張強度が高
いほど向上する。
しかし、引張強さT、Sが素線径dに対して。
T、S、=71d−””+155で与えられる強度より
10 (kg f / mm”)程度大きくても疲労限
の向上は顕著でなく、目的を達成することができない。
一方、T、S、= 71 d−””+ 201で与えら
れる強度より大きくなると靭延性が不足し、コイリング
時に折損が増えるだけでなく、疲労限も低下してゆく。
従って、前記鋼をオイルテンパー処理し、引張強さを素
線径に対して、 71 d −1/” + 173≦T、S、≦7]、 
d −” + 201なる関係を有するように調整する
ことにより、弁ばね用W4線を得ることとした。
次に、本発明の一実施例を示す。
(実施例) 第1表に示した化学成分(wt%)を有する供試鋼(a
〜d)につき素線径4.2mmφのワイヤーを製造し、
オイルテンパー処理した後に中村式回転曲げ疲労試験機
で疲労試験を行い、疲労限度を求めた。
その結果は第2表に示す。同表より、本発明鋼であるa
、bは高強度で優れた疲労特性を示しているが、比較m
e、dは高強度にすること自体が困難であった。特に比
較adはAllの量が多く、Al2203系の非金属介
在物が多数鋼中に存在していたため、疲労限が低い。
[以下余白) (発明の効果) 以上詳述したように、本発明によれば、鋼の化学成分を
バランスよく調整したので、高強度で且つ高延性、耐疲
労性等の優れたばね用鋼を提供することができる。
また、かNる鋼を使用することにより、従来からの5i
−CrfAと同様の焼もどし及びブルーイング処理温度
で処理することによって、引張強さが素線径に対してT
、S、= 71 ti−”+ 173(kgf/ma+
”)以上の引張強さを有するオイルテンパー線が得られ
るだけでなく、超微利粒を有する鋼線を製造することが
可能となる。
特に、このワイヤーを使用することにより、従来より高
い疲労強度を有した弁ばね用鋼線を得ることができ、更
に本発明鋼ではAI2が極端に低いレベルに押さえられ
ているため、疲労に有害な非延性介在物も非常に少なく
することができる。
従って、従来材(Si−Cril等)よりも高い疲労強
度を得ることが可能となり、エンジンの小型化や軽量化
に寄与するだけでなく、小型のばねで高出力の機能を内
燃機関に与えることが可能となる。
また高Cr量の添加により焼もどし軟化抵抗が向上し、
高強度鋼線の製造が可能になると共に、弁ばね用鋼線で
重要な耐熱性も向上する。
【図面の簡単な説明】
第1図は引張強さとブルーイング温度の関係に与えるC
rの効果を示す図である。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)重量%で(以下、同じ)、C:0.3〜0.5%
    未満、Si:0.8〜2.5%、Mn:0.1〜1.0
    %、Cr:1.2〜2.5%、Al≦0.005%及び
    O≦30ppmを含み、残部がFe及び不可避的不純物
    からなることを特徴とする高強度ばね用鋼。
  2. (2)前記不可避的不純物として、P≦0.020%、
    S≦0.010%に規制した特許請求の範囲第1項記載
    の高強度ばね用鋼。
  3. (3)C:0.3〜0.5%未満、Si:0.8〜2.
    5%、Mn:0.1〜1.0%、Cr:1.2〜2.5
    %、Al≦0.005%及びO≦30ppmを含み、更
    にV:0.05〜0.5%、Mo:0.05〜0.5%
    、Nb:0.05〜0.5%及びTa:0.05〜0.
    5%のうちの1種又は2種以上を含み、残部がFe及び
    不可避的不純物からなることを特徴とする高強度ばね用
    鋼。
  4. (4)前記不可避的不純物として、P≦0.020%、
    S≦0.010%に規制した特許請求の範囲第3項記載
    の高強度ばね用鋼。
  5. (5)C:0.3〜0.5%未満、Si:0.8〜2.
    5%、Mn:0.1〜1.0%、Cr:1.2〜2.5
    %、Al≦0.005%及びO≦30ppmを含み、残
    部がFe及び不可避的不純物からなる鋼であって、オイ
    ルテンパー処理により引張強さT.S.(kgf/mm
    ^2)が素線径d(mm)に対して、71d^−^1^
    /^2+173≦T.S.≦71d^−^1^/^2+
    201なる関係を有するように調整したことを特徴とす
    る弁ばね用鋼線。
  6. (6)前記不純物として、P≦0.020%、S≦0.
    010%に規制した特許請求の範囲第5項記載の弁ばね
    用鋼線。
  7. (7)C:0.3〜0.5%未満、Si:0.8〜2.
    5%、Mn:0.1〜1.0%、Cr:1.2〜2.5
    %、Al≦0.005%及びO≦30ppmを含み、更
    にV:0.05〜0.5%、Mo:0.05〜0.5%
    、Nb:0.05〜0.5%及びTa:0.05〜0.
    5%のうちの1種又は2種以上を含み、残部がFe及び
    不可避的不純物からなる鋼であって、オイルテンパー処
    理により引張強さT.S.(kgf/mm^2)が素線
    径d(mm)に対して、 71d^−^1^/^2+173≦T.S.≦71d^
    −^1^/^2+201なる関係を有するように調整し
    たことを特徴とする弁ばね用鋼線。
  8. (8)前記不純物として、P≦0.020%、S≦0.
    010%に規制した特許請求の範囲第7項記載の弁ばね
    用鋼線。
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