KR100500597B1 - 피로저항 특성에 우수한 스프링과 그 스프링을 제조하기위한 표면처리방법 - Google Patents

Abstract

질화처리된 스프링의 표면으로, 질화된 최표층 경도보다도 연하고, 또한, 경도 Hv500 내지 800, 입경 500 내지 900㎛의 경질금속입자를 40 내지 90m/sec로 표층의 미세균열발생을 방지하면서 투사하고, 투사에 의한 압축잔류응력을 비교적 스프링의 내부까지 부여한다. 이 스프링 표면으로, 모든 입자의 평균지름이 80㎛이하, 또한, 개개의 입자가 각각 평균지름10㎛이상 100㎛미만, 형상으로서 구형상 또는 구에 가까운 모가 난 부분이 없는, 비중 7.0 내지 9.0, 경도 Hv600이상 1100이하, 또한, 질화 후의 스프링의 최표층 경도와 동등이하의 경도를 보유하는 다수의 미세금속입자를 속도 50 내지 190m/sec로, 스프링 표면층의 가공경화를 일으키지만, 회복재결정에 의한 연화가 일어나기보다는 저온으로 제어하면서 투사하여, 표층미세균열을 발생하지 않고 극표면에 높은 압축잔류응력을 부여, 이것에 의해서 피로강도의 우수한 밸브 스프링 등을 얻는다.

Description

피로저항 특성에 우수한 스프링과 그 스프링을 제조하기 위한 표면처리방법{ SPRING EXCELLENT IN FATIGUE RESISTANCE PROPERTY AND SURFACE TREATMENT METHOD FOR PRODUCING THE SPRING}

본 발명은 내연기관용 밸브 스프링, 자동차 등의 트랜스미션용 크러치 스프링이나 고강도 박판스프링 등을, 미세한 경질금속 입자투사에 의해서 고성능화하는 표면처리방법과 그 표면처리방법으로 제작한 고성능 스프링에 관한 것이다.

본 발명에 관련된 종래 기술에 있어서는 이하의 것이 있다.

1. 일본 특공평 2-17607호「금속으로 만든 제품의 표면가공열처리법」

이 기술은, 만든 제품 경도와 동등 이상의 경도를 보유하는 40 내지 200㎛의 숏(shot)을 속도 100m/sec이상의 속도로 투사하여, 표면부근의 온도를 A3 변태점이상으로 상승시키는 표면가공처리법에 관한 것이다.

이 방법은 공작물 표면층의 충돌에 의한 발열에 의해서 피가공재의 오스테나이트(austenite)화와 급냉에 의한 금속조직의 변화를 일어나게 하는 방법이며, 본 특허와는 기술사상과 내용이 다르다.

2. 일본 특개평 9-279229호「강제 공작물의 표면처리방법」

이 공보에 의한 기술에서는, 20 내지 100㎛ø인 다수의 경질금속입자를 강제 공작물 표면으로 속도 80m/sec이상으로 충돌시켜, 공작물의 표면의 승온한계를 150℃이상으로 하여 회복ㆍ재결정온도보다는 저온으로 제조하는 것이 주된 내용으로하고 있다.

3. 일본 특개평 10-118930호「스프링의 숏피닝(shot peening) 방법 및 스프링으로 만든 제품」

0.64% C-Si-Mn-Cr-Mo-V계의 강제 스프링에 질화를 실시하고, 이어서 0.5 내지 1.0㎜지름의 숏으로 숏 피닝 후, 투사재의 비중이 12 내지 16, 입경이 0.05 내지 0.2㎜ 또한 경도가 Hv1200 내지 1600의 피닝으로, 표면의 잔류응력σR=-1950MPa, 반복수 5×10⁷회로, 피로한도는 700±620MPa가 얻어 진다. 이 피로한도응력은 본 특허의 청구항 8의 피로강도에 이르지 않는다.

이 특허의 목적과 방법은 본원 발명과 다른 부분이 있지만, 이 특허에서는 치수 0.05 내지 0.2㎜, 비중 12 내지 16으로 고경도 또 고가로 생산력이 한정되는 초경합금입자를 이용하는 것인데 비하여, 본원 발명에서는 0.01 내지 0.08㎜ 지름의 보다 싼가격으로 입수가 용이한 철계 등의 금속입자를 사용한다. 또한, 그 결과 얻어지는 피로강도도, 이 종래 특허에 비하여 본원 발명에서는 우수한 효과를 얻을 수 있다.

4. 일본 특허제 2613601호(일본 특개평1-83644호)「고강도 스프링」

중량으로 C 0.6 내지 0.7%, Si 1.2 내지 1.6%, Mn 0.5 내지 0.8%, Cr 0.5 내지 0.8%, V, Mo, Nb, Ta의 1 종류 또는 2 종류 이상의 합계 0.05 내지 0.2%, 나머지가 철 및 불순물이고, 비금속 개재물의 크기가 최대 15㎛이하, 표면 거칠기 Rmax 15㎛이하, 표면근방의 최대압축잔류응력이 85 내지 110㎏f/㎟(833 내지 1079MPa)인 스프링이 기재되어 있다. 이 특허에서는, 표층근방의 최대압축잔류응력이 110㎏f/㎟(=1079MPa)를 초과하면 제조가 곤란하게 되고, 표면거칠기의 저하를 초래하고, 오히려 피로강도가 저하하는 바가 기재되어 있다. 이 발명자 중 한 사람과 그 외의 연구개발자가, 이 특허출원 후의 1990년 4월 3일, 독일ㆍ뒤셀도르프의 ESF(Eu ropean Spring Federation) 주최의 스프링기술국제회의에서 이 발명기술로 제조된 스프링의 성능을 상세하게 설명하고 있다. 이 논문의 타이틀은 자동차 엔진용 고강도 스프링(A High Strength Spring for Automotive Engine)으로, 저자는 M.Abe, K.Saitoh, N.Takamura 및 H.Yamamoto 이다. 이 논문에 기재되어 있는 특허 2613601호 발명의 해당 스프링의 표층최대압축잔류응력은 동 논문 제 9도로부터, 약950MPa, 최표면의 최대압축잔류응력은 약 820MPa, 동 논문 제 2표로부터 이 스프링의 표면거칠기는 Rmax 10.6㎛이다. 그 피로한계는, 동 논문 제 11도로부터, 반복수 5×10⁷회에서 τm= 588MPa, τa=±(450 내지 480)MPa정도이고, 본원 발명 청구항 9 및 10에 해당하지 않는다.

한 편, 본원 발명에서는, 표층의 압축잔류응력최대치가 1079MPa를 초과되어도 스프링의 표면거칠기의 증대를 초래하지는 않는다. 게다가, 잔류응력은 최표면 또는 극표면 근방에 최대가 되고, 표면에서의 피로파괴를 효과적으로 방지할 수 있으므로, 질화를 하지 않아도, 본원 발명의 청구항 10, (2)식의 피로한계를 만족하는 스프링을 얻는 것이 이루어진다.

5. 일본 특개평 5-339763호 「코일 스프링의 제조방법」

숏 피닝에 의해서 표면거칠기가 저하되고 제어하여 디스케일(descale)한 후 질화하고 이어서 0.8㎜지름의 컷트와이어로 숏 피닝하는 것에 의해서, 스프링 제조에서 표면거칠기 Rmax를 5㎛이하로 하여, 5×10⁷회의 응력반복수에서, 60±57㎏f/㎟ (558±559MPa)의 피로강도를 얻었다라는 기재가 있다. 그러나, 이 방법으로 얻어진 실시예기재의 데이타에서는, 피로강도는 본원 청구항8의 (1)식을 만족하지 않는다. 또한, 이 방법특허로는, 본원 발명의 의한 미세입자 투사가 개시되어 있지 않다.

6. 일본 특개평 7-214216호 「고강도 스프링의 제조방법」

철강 선재 스프링에 전해연마를 실시하고, 그 후 질화처리, 이어서 제 1단째의 숏으로서 경도 Hv600 내지 800, 지름이 0.6 내지 1.0㎜의 입자를 사용하고, 이어서 제 2단 숏으로서 0.05 내지 0.2㎜정도의 지름으로 경도가 Hv700 내지 900의 범위의 입자를 사용하는 것이 좋다라고 기재가 있지만, 0.05㎜ 내지 0.2㎜의 입자치수에 관한 그 이상의 분석이나 해석 및 고찰은 되어 있지 않다. 또한, 실시예에서는, 제 2단 숏으로서 입경 0.15㎜, 경도 Hv로 800의 강구를 사용하고, 반복수 5×10⁷회에 있어서의 스프링의 피로한계는 평균응력 637MPa, 진폭응력±560MPa가 보고되어 있어서, 본원 발명의 청구항 8기재의 스프링 피로한계를 나타내는 (1)식을 만족하지 않는다. 또한, 제 2단 입자투사조건의 규정이 본원 발명과는 다르다.

7. 일본 특개평 5-177544호「코일 스프링의 제조법」

이 특허는 스프링 성형 후, 질화를 실시하고, 이어서 숏 피닝을 실시하는 방법이다. 이 숏 피닝으로는, 우선 제 1단 숏 피닝, 저온소둔, 다음으로 제 1단숏 피닝보다도 작은 숏을 사용한 제 2단 숏 피닝을 순차실시하는 방법이다. 이 발명의 상세한 설명란에서는, 제 2단 숏 피닝으로서 치수 0.05 내지 0.20㎜정도로 그 경도 Hv700 내지 900인 것을 사용하고, 그것을 고압으로 투사하는 것이 잔류응력적으로 바람직하다라고 기재되어 있다. 그러나, 0.05㎜지름의 입자투사와 0.1㎜지름 또는 0.2㎜지름의 입자투사의 효과의 차 등에 관해서 그 이상의 상세한 해석이나 해설은 되어 있지 않고, 실시예에서는 직경 0.1㎜의 강구를 사용하고, Hv800, 투사압력 5㎏f/㎠의 조건으로 제 2단 숏 피닝을 실시하고 있다. 그 결과 얻어진 피로한계는, 반복수 5×10⁷회에서 평균응력τm=686MPa, 진폭응력τA=±567MPa로 기재되어 있고, 그 극표층의 압축잔류응력은 도 3에서 1400MPa에 이르지 않고, 어느 값도 본원 발명 8항을 만족하지 않는다.

도 1은, 질화 후 0.6㎜ 지름의 강제(鋼製)입자를 투사하고, 또한 강제미세입자(신품평균지름 63㎛)를 투사한 고장력 스프링 표면의 압축잔류 응력과 투사속도의 관계곡선도이다.

도 2는, 도 1과 같은 0.6㎜입자투사 후의 질화 스프링으로의 평균 63㎛ 지름 고속도강 미세입자 투사속도 90m/sec와 190m/sec인 경우의 압축잔류응력곡선이다.

도 3은, 도 1과 같은 질화, 0.6㎜입자투사 된 고속도 스프링으로의 제 2단 입자투사에 의한 압축잔류응력과 투사입자지름의 관계곡선도이다.

도 4는, 호칭지름 50㎛인 2 종류의 강제입자투사에 의한 스프링으로의 충돌속도가, 투사 후의 스프링의 피로(疲勞) 진동한계폭응력에 미치게 하는 효과를 나타내는 도이다. 이 도는 도 5의 데이타의 일부를 추출하여 재정리한 것이다.

도 5는, 스프링강 박판스프링에 대하여 경질금속 입자투사의 영향을 조사한 결과로, 재질이 고탄소강 및 고속도강인 투사입자의 평균직경과 입자투사 후의 피로진동한계폭응력(평균응력, 786N/㎟으로 일정)의 관계를 나타낸다. 도 안의 숫자는 입자의 충돌속도이다.

도 6은, 경질금속 입자투사에 의한 박판스프링의 높이 감소를 측정한 결과를 나타낸다. 이 도는, 도 4, 5의 데이타와 동일한 시험에 있어서의 측정에서 취한 것이다. 플롯(plot)점에 첨가한 숫자는 호칭입자지름을 나타낸다.

도 7은, 4.0㎜지름 피아노선으로 제조한 밸브 스프링의 표층부의 X선에 의한 철소재 잔류응력분표곡선이다.

상기 종래 기술란에 이미 개개의 기술사항마다 문제점을 지적했다. 종래 기술에서는, 표면질화한 비교적 표층경도가 높은 스프링에 대응하는 숏투사방법으로서, 50㎛이상 200㎛이하의 지름의 초경입자투사(종래 기술3), 또한, 강제 공작물의 피로특성개선으로 20 내지 100㎛의 입자투사는 언급되어 있고, 입자지름 등의 한정은 대충 되어 있지만(종래 기술2, 6 및 7도 마찬가지), 직접 유효하고 적절한 투사방법과 투사된 스프링의 성능의 관계가 애매모호하였다.

그 외, 종래 기술 3의 특허에서는, 사용하는 초경입자의 값은 높아, 투사입자의 경제성에 문제가 있다고 추정된다. 또한, 실시예의 스프링 피로강도도 본 발명에 비해서 낮은 위치에 있는 것에서, 기술적 과제를 충분히 해명ㆍ해결한다라고는 사료되지 않는다.

종래로부터, 내연기관용 밸브 스프링 그 외 자동차용의 각종 스프링의 소형경량화를 도모하는 것이 강하게 요구되어 왔다. 본 발명은 이와 같은 요청을 감안해서, 각종 스프링의 피로강도를 종래이상으로 상승시켜, 그것에 의해서 자동차 등의 주행성능의 향상, 소형경량화에 의한 연비개선 등을 실현할 수 있는 스프링 가공방법과 스프링을 실현하는 것을 목적으로 한다. 이와 같은 우수한 성능의 스프링을 실현하기 위해서는, 고응력의 반복하에서의 스프링 표층에서의 미세균열의 발생, 성장의 저지 및 스프링 표층 바로 밑의 내부에 존재하는 비금속 개재물에서의 미세균열의 성장을 방지하는 것이 기술과제가 된다. 본 발명 청구항1과 2(질화공정있음), 4(질화공정없음) 및 6(질화공정있음, 없음)은 이 기술과제에 대응하는 기술이고, 이 기술에 의해서 생산된 고성능 스프링이 청구항 8 내지 12이다. 이 청구항은 상기 두 개의 기술과제에 대응하는 회답을 비교적 경제적으로 제공하는 것이다. 이 밖에, 비교적 엷은 판이나 가늘은 선 스프링의 피로강도향상의 방법이 청구항 3, 마찬가지로 이 기술로 생산되는 스프링이 청구항 13이다. 청구항 5, 6의 기술은 상기 청구항 1 내지 4의 기술에 대응하여, 특히 표층에서의 피로파괴를 방지하는 효과가 크다.

본원 발명에서 말하는 투사속도는 스프링 표면으로의 투사입자충돌 직전의 속도이다. 입자투사방법으로서 본원 발명은, 임펠라(impeller)방식과 공기 등의 가스를 담체로 하는 호닝(honing)방식을 채용한다. 또한, 외부응력을 정적(靜的) 또는 정해진 탄력상태로 투사하여, 스프링에 입자를 투사하는 소위 응력 피닝을 채용하여도 미세입자 등의 입자투사효과를 손상시키지 않고, 오히려 표층압축잔류응력을 더욱 개선하여, 피로 절손방지효과가 있으므로, 응력부하로 입자를 투사하는 방법도 본원 발명의 방법에 포함된다. 단, 응력 피닝에는 특수한 전용치구 또는 장치가 필요하여, 비용증가를 초래한다. 본 발명의 청구항 8 내지 12의 청구항은, 응력 피닝에 의한 것이 아니고, 응력 또는 탄력을 부여하지 않고 입자투사를 실시된 스프링에 관한 것으로, 응력 피닝에 의하지 않아도 얻어지는 고피로강도 스프링이다.

그 외, 본원 발명의 미세입자투사는 스프링을 미리 100 내지 250℃정도의 온도로 가열하여 행하여도 그 효과는 잃어버리지 않고, 본 발명방법에 포함된다. 또한, 마찬가지로, 본원 청구항기재의 입자투사와 다음의 보다 미세한 입자투사의 사이에, 및 최종 입자투사공정 후에 150 내지 250℃의 변형시효 경화처리 또는 저온소둔을 실시하는 것이나 입자투사 후에 온간/냉간 셋팅을 실시하는 것도 본원 발명의 내용에 포함된다.

스프링이 받는 응력이 높게 되면, 스프링 표층에 큰 응력이 걸리고, 표층부가 응력반복을 견디지 못하고 미세균열을 발생한다. 이 미세균열을 방지하기 위해서는, 우선, 스프링 표층의 잔류응력을 압축상태로하고, 또한 그 절대치를 가능한 한 높게 하는 것이 필요하다. 압축잔류응력은 그 탄성한계이상으로 부여할 수 없지만, 본 발명은 이것을 극복하기 위하여, 미세입자투사에 의한 스프링 표층의 가공경화에 의해서 탄성한계향상을 동시에 실현하여, 압축잔류응력을 높은 수준으로 끌어 올린다. 아울러, 스프링 표층의 연인성(延靭性)을 손상하지 않는 항복점이나 경도를 가능한한 상승시키는 것에 의해서, 반복응력에 의한 슬라이딩 변형을 방지하고, 표층의 미세균열의 생성과 성장을 방지한다. 이 외에, 입자투사에 의해서, 스프링 표층에 미세한 움푹한 곳이나 균열이 생기면, 이것이 피로균열의 원인이 되므로, 입자투사로 표층에 이와 같은 표면결함을 만들지 않는 배려와 투사조건이 필요하다. 이와 같은 요건을 만족하기 위하여, 본 발명에서는, 10㎛이상 100㎛미만의 지름, 더욱 바람직하게는 10 내지 80㎛지름의 최적 형상과 물성을 보유하는 미세금속입자를 최적 속도조건으로 투사한다. 특히, 본 발명에서는, 스프링 표층에 있어서, A3변태점을 넘지 않게 투사속도와 투사밀도를 올려 가면, 회복ㆍ재결정을 발생함이 없을 때에도 스프링 표층에 미세한 균열 또는 강가공에 의한 표층의 연인성 열화를 생기게 하여, 저속투사의 경우보다도 더 피로강도가 저하되는 것이 판명되었다. 스프링 표층에 이와 같은 미세균열을 생기지 않도록, 또한, A3변태점보다도 저온에서, 또한, 철소재가 회복재결정을 발생하는 것보다도 저온에서, 표층에 가공경화 또는 변형시효(strain aging)는 가공경화를 충분히 일으키지만 연인성 열화나 미세균열을 발생하지 않도록 미세입자를 적절한 조건으로 투사하는 것으로서, 우수한 특성의 스프링을 얻는 것이 가능하다. 선지름이 2㎜정도이상 또는 판두께가 1.5㎜ 내지 2㎜정도이상의 스프링에는, 질화 후 또는 질화하지 않는 스프링에 0.2 내지 0.9㎜지름의 철계입자투사를 하여 내부에 깊은 잔류응력을 부여하기 때문에 상기 미세입자투사를 행하는 것이 필요하다. 이때, 우선 상기 0.2㎜ 내지 0.9㎜지름의 입자투사로하여, 우선 0.5 내지 0.9㎜지름의 입자를 투사, 연이어 0.2 내지 0.4㎜지름의 입자투사를 행하는 것도 포함된다(청구항 5, 6).

다음으로, 스프링 표층 밑의 내부의 비금속 개재물에 의한 피로절손의 방지를 위해서는, 대략적으로 말해서, 다음의 세 개의 방법이 있다. 그 하나는, 스프링용 재료에 포함되는 비연성 비금속 개재물의 치수저감이다. 유해한 개재물의 최소치수(임계치수)는, 스프링의 경도가 높게 되는 만큼 작게 되고, 개재물 주위의 철소재의 경도가 Hv520 내지 580정도의 경우, 20 내지 15㎛정도이고, 마찬가지로 그것이 Hv580 내지 630에서는, 10㎛정도이다. 따라서, 스프링 재료내부에 존재하는 비금속 개재물의 치수가 임계치수이상이면, 그 최대치수에 따르는 스프링 재료의 내부경도를 규제하는 것이 필요하다. 두번째의 방법은, 유해한 비금속 개재물의 존재하는 경우의 주위의 잔류응력을 압축상태로 유지하고, 그것에 의해서 개재물 주위의 미세균열의 성장을 방지한다. 이 때문에, 0.5 내지 0.90㎜ 내지 1.0㎜까지로의 비교적 지름이 큰 라운드 컷 와이어를, 속도 40 내지 90m/sec로 투사해서, 스프링 표면에서 0.2㎜ 내지 0.5㎜의 깊이까지 압축잔류응력을 부여하는 것이 종래로부터 행해지고 있다. 스프링의 선지름 또는 판두께가 1.5 내지 2.0㎜이상 2.5㎜이하의 경우, 0.2 내지 0.4㎜지름의 라운드 컷 와이어를 40 내지 90m/sec의 속도로 투사하여, 0.06 내지 0.13㎜정도의 깊이위치로 압축잔류응력을 부여하여 개재물에서의 절손을 방지하는 것도 필요하다. 이 때, 투사속도가 빠르게 되면, 스프링 재료표층에는, 국부적으로 불균일한 변형영역이 발생하여 표층에 미세한 오목홈이나 균열을 생기게 되어 스프링 표층에서의 피로절손을 일으키기 쉽게 되므로, 상술한 바와 같이 이와 같은 결함이 없도록 투사하는 것이 필요하다. 이와 같은 미세균열 등의 발생을 방지로는, 투사속도는 90m/sec를 상한으로 하고, 구체적인 스프링마다의 최대투사속도를 결정할 필요가 있다. 또한, 투사속도가 40m/sec 보다 낮으면, 잔류응력 부여효과가 작게 되어 충분한 깊이까지 부여할 수 없으므로 하한속도는 40m/sec로 하였다.

제 3의 방법은, 개재물을 포함한 스프링 재료의 경도를 내리는 것이지만, 경도를 무턱대고 내리면, 스프링의 중요한 특성의 하나인 처짐이 크게 되고, 스프링 성능이 손상되므로, 이 방법은 무턱대고 채용할 수 없다. 이 때문에, 본원 발명의 청구항 8 내지 10 및 12에서는, 0.2 내지 0.5㎜깊이의 위치에 있어서의 경도가 적어도 Hv520이상이 되도록 한다. 통상, 개재물을 기점으로 하는 스프링의 피로파괴는 스프링 표면에서의 깊이 0.2 내지 0.5㎜에서 일어나고, 이 깊이영역의 철소재의 경도와 피로강도는 밀접한 관계이다. 유해한 탄화물, 질화물, 붕화물 등을 포함하는 개재물의 파괴파면에 있어서의 평균치수를 20㎛미만 내지 15㎛정도이하로 되도록 제강공장에서의 개재물제어와 제선공장에서의 열처리 등으로의 탄화물 등의 치수제어를 하는 것에 의해서, 이 깊이영역에 있어서의 경도 Hv520 내지 580의 경우, 개재물 등에 의한 피로파괴는 방지할 수 있다. 본원 발명 청구항 9에서는, 개재물의 스프링 파단면에서의 평균치수가 10㎛이하로 되도록 제어한다면, 표면에서 0.2 내지 0.5㎜깊이위치에 있어서의 경도가 Hv630이하로 개재물 등에 의한 피로절손을 방지할 수 있으므로, 본원 발명 청구항 8에서는, 0.2 내지 0.5㎜깊이위치에 있어서의 경도를 Hv630이하로 한정한다. 청구항 9의 질화가 없는 경우의 고강도 스프링의 개재물의 한정도 상기와 거의 마찬가지의 취지로 그 최대치수를 경도에 따라서 한정하였다. 청구항 12에서는 질화가 없는 경우의 실리콘크롬강 스프링의 개재물최대치수와 경도의 관계를 한정하였지만, 이 경우, 0.2 내지 0.5㎜깊이에 있어서의 경도는 Hv520 내지 600이 되므로, 개재물 치수는 15㎛정도이하로 할 필요가 있다.

상기 개재물 함유상태는, 스프링용 재료의 종류에 의해서도 변한다. 즉, 일반적으로 Si, Cr,Mo, V, Nb, W, Al 등의 합금첨가량의 증대는 스프링용 철강재료의 비연성 비금속 개재물의 레벨을 악화시킨다. 피아노선의 경우, 현재의 상태의 기술로 10㎛이상의 개재물은 거의 아무것도 없는 것이 많다. 밸브 스프링용 합금강 오일템퍼(oil temper)의 경우, 유해한 개재물로서 Al₂O₃(알루미나),MgOㆍAl₂ O₃(첨정석), SiO₂(이산화규소) 등이 있다. 이 경질의 비연성 산화물계 개재물은 제강 시의 연성 개재물로의 형태제어에 의해서 무해화될 수 있다. 한 편, VC, NbC, TiC, TiN 등의 탄화물 또는 질화물 또는 탄질화물은 구형상 또는 모가 난 형상을 유지한 것으로, V, Nb, Ti 등의 원소를 비교적 많이 함유한 스프링용 강재의 경우, 이 대책으로서, 소둔의 가열조건의 검토, 제강단계로의 원재료에서의 Ti 등의 혼입방지, 등의 방책에 의해서 무해화 또는 그 생성방지를 도모하지 않으면 않된다. 유해 개재물의 존재에 의한 스프링의 피로절손방지로는, 스프링 강재에 포함되는 V, Nb, Ti 등의 함유량을 극력저감시키는 것이 요망되지만, 청구항 8의 성분강①에는 V 및/또는 Nb는 각각 0.03 내지 0.60%, 0.02 내지 0.20%의 첨가로 결정입 미세화에 유효하게 스프링의 연인성을 개선함과 아울러, 질화를 촉진한다. 성분강①에 첨가되는 Ni는 스프링강의 연인성 개선효과가 있고, 고강도로 조질(調質)된 스프링의 피로손상방지 및 피로균열 전파방지에도 유효한 것으로 사료된다. 그러나, 0.5%를 초과하면, 선재 및 선의 가공에 있어서, 잔류 오스테나이트를 생성하기 쉬워지므로, 오히려 제조 도중의 스프링강의 연인성을 저하시키므로, 상한을 0.5%로 하였다. 또한, 성분강①로의 Co첨가는 펄라이트(pearlite)변태 등의 고온에서의 냉각시의 변태시간을 감소시켜, 선의 제조 중에 있어서의 금속조직을 냉간 가공성이 우수한 미세 펄라이트화하는 등의 효과를 가져오고, 선의 제조를 용이하게 한다. 그러나, 3.0%를 초과하여 첨가하여도, 경제적으로 고가인 원소이고, 비용의 할인에 효과가 적게 되므로, 첨가량 상한은 3.0%로 하였다.

청구항 8의 성분강① 또는 ②에 대응하여, Mo, Cr 및 Al의 첨가는 모두 스프링 질화 시의 질소진입을 촉진한다. 어느 원소도 그 첨가량이 지나치게 증가하면, 스프링의 극표면에 질소화합물이 석출되어 스프링 내부의 깊이방향으로의 확산침투가 방해되어, 스프링의 피로내구성 향상효과가 적어 진다. 이 때문에, 본 발명에서는, Mo, Cr 및 Al의 첨가량 상한을 각각 질량%로 0.6%, 1.8% 및 0.5%로 하였다. W은 내연성을 높이고, 스프링의 탈탄방지에 유효하지만, 성분강① 또는 ②에 0.5%를 초과하여 첨가하면 담금질성이 과도하게 되어서 소둔회수가 증가되는 등, 제조상의 번잡과 비용상승이 현저하게 되므로 그 상한을 0.5%로 한다. 성분강①에서, C는 강의 강도를 향상시켜, 피로강도를 위해서도 필요하고, 0.5%를 하회하면 그 효과가 적어지게 되므로, 그 하한을 0.5%로 한다. 또한, C가 0.8%를 초과하면 강도향상효과가 적게 되어 취성을 나타내므로, 그 상한을 0.8%로 하였다. 또, 표층에 탈탄층이 있어도, 그 정도가 극단으로 되지 않으면, 질화에 의해서 경도는 보상되는 것이므로, 이와 같은 탈탄된 재료도 본원 발명의 방법을 적용할 수 있다. Si는 스프링의 강도와 내침강성(creep resistance)에 좋은 효과를 발휘한다. 또한, 담금질, 뜨임하여 강화하는 스프링에서는, 1.2%보다 소량으로는 효과가 적고, 2.5%를 초과하면 제조시의 탈탄 조장이나 연인성 열화에 의한 가공성에 문제가 생기기 쉬우므로, 그 하한과 상한은 성분강①에 있어서 1.2% 및 2.5%로 한다.

이 외, 본 발명에서는, 청구항 8의 ④의 성분을 가지는 마레이징(maraging )강에서도 피로강도 향상효과가 있으므로, 이것을 ④로 하여 청구범위에 포함하였다.

마레이징강은 800 내지 900℃정도의 고온가열에 의한 합금원소 용체화(溶體化)와 오스테나이트화(용체화)처리, 냉각에 의해서 비교적 연약한 마텐사이트( martensite)로 되고, 이것에 냉간으로 선연신처리를 실시하고, 가공경화시켜서부터 스프링성형을 한다. 이 뒤 500℃ 근방에서 시효처리를 실시하여 강도와 스프링성을 얻는다. 이 후에 질화처리를 실시하여 청구항 1 또는 2기재의 방법으로 피로강도를 높이는 것이 가능하다. 또한, 질화하지 않고 청구항 3, 4의 방법으로 우수한 피로강도를 유지하는 스프링을 얻는 것이 가능하다. 마레이징강 스프링은 저합금강 선스프링에 비해서 우수한 내침강성을 보유하는 것이므로, 시효 후의 인장강도는 1900MPa이상으로 그 성능을 발휘할 수 있고(청구항 9), 특히 내침강성과 내피로성이 요구되는 용도에 적용하고 있다. 또한, 용체화 처리로는 스테인레스강이나 고망간강 등의 고합금강에 적용되는 열처리이므로, 탄화물 등을 고온으로 고용(강의 조직의 중간에 융합시키는)시킨 상태에서 급냉하여, 석출물을 재석출하지 않고 평상시 온도를 유지하는 열처리이다.

본 발명은, ①가공공정에서 질화(질화첨가가 주목적의 저온침탄질화도 함유)처리하는 스프링(청구항 8)과 그 제조방법(청구항 1, 2 및 5와 7), ②가공공정에서 질화 및 저온침탄질화를 하지 않는 스프링(청구항 9내지 13)과 그 제조방법(청구항 3, 4 및 6과 7)으로 이루어져 있다.

①의 질화처리하는 스프링에서는, 질화 전에 행하는 디스케일 처리방법으로서, 산세척, 전해연마, 숏 피닝 등이 종래부터 알려져 있다. 산세척으로는 스프링 표면의 수소취성에 의한 미세균열생성 등의 문제가 있고, 본 발명에는 적용되지 않는다. 전해연마는 대량생산에 적용하기에는 그 장치가 매우 커지는 등의 문제점을 가지고 있는 것으로, 본 발명에서는 질화 전의 디스케일에, 숏 피닝(입자투사)을 채택하지만, 유해한 표면의 미세균열이나 국소적 전단변형대를 발생하지 않도록 그 투사속도, 투사입자지름 등을 조정할 필요가 있다. 질화 전의 입자투사에 의한 이와 같은 표층결함은 질화처리 후에도 삭감하지 않고 남는다. 질화 전의 디스케일을 위해서 입자투사를 실시하는 경우, 비교적 깊이에 또한 비교적 저온으로 질화를 촉진하기에는 재질은 강계 등으로, 0.3 내지 0.8㎜의 비교적 큰 입자를 스프링 표면에 40 내지 90m/sec의 어느 한 속도로 손상을 주지 않도록 투사하는 것이 좋다. 또한, 스프링에 응력이 걸릴 때에, 스프링 끝 근처의 이웃하는 선끼리가 접촉을 일으키기 쉽지만, 이와 같은 선간 접촉부에 디스케일링을 충분히 일으켜서 질화시에 질소의 진입을 촉진하여, 스프링 끝 근방에서의 피로파괴를 방지하기에는 상기 0.3 내지 0.8㎜입자투사 이후에 10㎛이상 100㎛미만, 더욱 바람직하게는 10 내지 80㎛지름의 미세입자투사가 효과를 발휘하는 것으로 판명되었다. 이 때의 투사조건으로서, 표층에 피로에 유해한 미세균열이나 국소적 변형대를 하지 않고 미세입자투사를 하기에는, 그 투사속도는 50 내지 160m/sec, 더욱 바람직하게는 60 내지 140m/sec로 하고, 또한 미세입자투사 시의 스프링 표층온도를 회복ㆍ재결정을 일으키는 보다 저온으로 제어하는 것이, 표층결함방지에 유효한 것으로 판명되었다. 질화온도가 500℃이하 450℃정도이상에서는, 미세입자투사에 의한 표면의 소성변형영역의 깊이는 비교적 얕지만, 질소는 0.3 내지 0.8㎜지름의 입자투사와 손색이 없는 깊이까지 진입하는 것으로 판명되었으므로, 0.3 내지 0.8㎜의 입자투사를 하지 않고 미세입자투사만을 실시하는 것도 유효하다. 청구항 2는 이와 같은 목적과 이유에서 그 투사조건을 한정하였다.

질화처리 또는 저온침탄질화처리는 500℃정도이하의 온도로 실시되고, 주로 질소, 경우에 따라서는 일부 탄소도 부가하여 스프링 표층부에 도입하는 처리이고, 스프링 표층부에 있어서의 질소(경우에 따라서 탄소도 소량)침입의 결과, 압축잔류응력을 표층부에 높게 부여한다. 본원 발명의 미세입자투사는 질화 후의 스프링 표면경도 Hv800 내지 1100정도인 비교적 단단한 스프링에도 효과가 좋은 것으로 확인되었다. 질화 후의 0.2 내지 0.9㎜지름의 입자투사는 압축잔류응력의 깊이를 질화 상태보다도 더욱 깊은 위치까지 가져 온다. 이 때문에, 표면 근방에서 0.5㎜깊이위치로의 비금속 개재물이나 미세균열에서의 피로파괴를 방지하는 효과를 발휘한다.

상기한 바와 같이 비교적 큰 0.2 내지 0.9㎜지름의 철계 입자투사 후에, 게다가 본원 발명의 미세금속입자의 최적조건에서의 투사에 의해서, 표층에서와 내부 비금속 개재물에서의 피로절손을 고응력으로의 반복 부하 하에서도 방지할 수 있다.

질화 후의 입자투사는, 우선, 경도 Hv500 내지 800으로서, 또한, 처리된 스프링의 최표층 경도(최표면에서 5㎛정도의 깊이위치에서의 마이크로 비커스(micro vickers)경도)보다도 연하고, 입자지름 200 내지 900㎛의 강 등의 경질금속입자를 40m/sec 내지 90m/sec로 투사하고, 이것에 의해 표층의 유해한 미세균열생성을 방지하면서 압축잔류응력을 스프링의 비교적 내부까지 부여하든지(청구항 1 및 2), 또는 0.5 내지 0.9㎜지름의 경도 Hv500 내지 800의 입자투사를 실시하고, 이어서 0.2 내지 0.4㎜지름의 경도 Hv500 내지 800의 입자투사를 하여, 표층의 유해한 미세균열 등을 방지하면서 비교적 표층 근처를 포함하는 내부의 압축잔류응력을 높게 부여한다.(청구항 7).

이것에 연달아서, 경도 Hv600이상 Hv1100이하, 또한, 상기 입자투사 전의 질화 상태의 스프링 최표층 경도와 동등 또는 동등 이하의 경도를 보유하고, 모든 투사입자 평균지름 80㎛이하, 개개의 입자의 평균지름 10㎛이상 100㎛미만, 더욱 바람직하게는 모든 입자의 평균지름65㎛이하, 개개의 입자 평균지름 10 내지 80㎛, 비중 7.0 내지 9.0, 형상으로서 구형 또는 구형에 비교적 가까운 금속입자를 속도 50 내지 190m/sec의 속도로, 또한, 더욱 바람직하게는, 속도 60m/sec 내지 140m/s ec로 투사한다(본원 발명의 이와 같은 미세경질 금속입자 투사기술을, 이하, SS처리(supershot peening)라 함).

도 1은 C:0.60%, Si:1.45%, Mn:0.68%, Ni:0.28%, Cr:0.85%, V:0.07%(단위: 질량%)을 함유하는 스프링강에 질화 후, 0.6㎜지름의 고탄소강 입자(경도 Hv550)를 속도70m/sec로 투사한 표면경도 Hv930의 스프링 표면으로의, 투사미세입자에 의한 충돌속도가 투사 후의 표면근방의 압축잔류응력에 미치는 영향을 구한 실험결과이고, 최표층과 표층 10㎛깊이에서의 압축잔류응력을 서로 1900(N/㎟)이상의 고응력으로하는 충돌속도가 95m/sec전후에서 최적인 것이 판명되었다. 여기에서, 투사입자의 호칭지름(nominal shot diameter)은 50㎛으로, n=60개의 측정으로 모든 입자 평균지름은 초기품(신품)으로 약 63㎛, 최대 입자의 평균지름은 80㎛이하, 최소 입자 평균지름은 50㎛, 개개의 입자 각각의 최대/최소 지름비 1.1이하가 대부분 극히 일부에 1.5이상의 입자가 혼재하지만 예리한 모서리를 가지지 않는 구형 또는 구형에 가까운 타원구입자로서, 평균경도는 Hv860, 비중8.2 이었다. 또한, 온도제어에 관해서는, 충돌에 의한 스프링 표면질화층의 철소재(질소화합물을 제외)의 순간적 승온한계를, 질소원자와의 상호작용하에 유효하게 가공경화를 일으키지만, 스프링 표면층의 회복재결정에 의한 연화가 일어나는 것 보다는 저온으로 제어하면서 투사하였다. 이와 같은 온도제어가 이루어지는 것의 확인은, 숏 후의 시료 공작물 표층의 마이크로 비커스 경도측정이나 전자현미경에 의한 고배율조직관찰 등의 방법으로 이루어진다.

상기 실험의 결과를 나타내는 도 1에서 판명된 바와 같이, 속도v=90 내지 152m/sec의 사이에서, 표층근방(최표층 내지 10㎛깊이)의 최대 압축잔류응력치는 1800MPa를 초과하여, 양호한 분포를 나타내었다. 특히, v=90m/sec의 조건에서는 최표면의 압축잔류응력은 거의 2000MPa로 되고, 분포도 양호하므로, 피로강도 향상효과가 큰 것으로 판명되었다. 즉, v152m/sec, 모든 입자 평균지름 63㎛인 고속도강 입자투사에서는, 공작물 표면근방에 국부적인 단열 전단대나 질화화합물층의 균열 등의, 피로수명을 저해할 가능성이 있는 결함은 거의 발생하지 않는다. 그러나, 동일한 입자투사에서도 속도가 170 내지 190m/sec를 초과하면, 표면근방에 미세균열이나 강변형대가 출현함과 아울러, 잔류응력도 보다 저속의 경우에서 저하된다. 이 때문에, 본 발명에서는, 미입자 투사속도의 상한을 190m/sec로 하였다. 여기에, 미세입자 투사속도가 190m/sec보다 빠르게 되면, 질화표면에 미세균열이 생성하거나, 또는, 표층의 가공취화에 의해서 피로내구향상효과가 작게 된다. 또한, 이 미세입자치수가 스프링 피로강도에 미치는 영향은 투사입자의 중에 모가 난 예리한 각편형상의 입자가 존재하면, 피로강도 향상효과가 적어지게 되고, 또한, 평균지름이 100㎛이상의 큰 입자가 혼재하면, 피로강도 향상효과가 손상된다. 게다가, 최표층과 10㎛깊이의 응력곡선이 교차하는 점에 있어서의 숏 속도는 95m/sec이지만, 이 교차점의 전후 20%의 숏 속도(76 내지 114m/sec)에서는 표층압축잔류응력이 1800MP a이상으로 되고, 비교적 두터운 표층범위로 큰 압축잔류응력이 형성가능하게 되는 것으로 판명되었다. 또, 10㎛깊이까지의 표면층의 압축잔류응력이 최대치를 얻는 조건보다도 저속측에서 피로강도향상이 보다 기대되고, 투사속도 60m/sec이상에서 잔류응력은 1700MPa정도이상으로 양호한 피로시험결과가 얻어진다. 또한, 투사속도가 130 내지 150m/sec, 평균 140m/sec이하에서도 마찬가지로 피로특성에 특히 좋은 결과가 기대되어지므로, 바람직한 속도로서 60 내지 140m/sec를 본원 발명의 범위로 한다. 상기 모든 입자 평균지름 63㎛인 미세입자 투사속도가 90m/sec, 190m/sec인 경우의 잔류응력분포를 도 2에 나타낸다.

삭제

다음으로, 입자의 경도를 약간 내려서 Hv700으로 하고, 모든 입자 평균지름은 호칭 50㎛, 실질 40㎛, 최대 입자지름이 약 75㎛인 강입자를 사용하여 상기와 마찬가지의 실험을 하였다. 이 결과, 속도 190m/sec의 경우, 고속도강 입자투사와 마찬가지로, 화합물층의 마이크로 균열발생과 일부 벗겨 떨어짐이 확인되었다. 또한, 속도 v=60m/sec 내지 140m/sec의 경우, 표층근방의 최대 압축잔류응력은 상기 고속도강 입자투사의 때보다 약간 작은 것인 1700MPa를 초과하는 값을 나타내고, 내구성 향상에 큰 효과가 기대할 수 있는 것으로 판명되었다. 이 때 사용한 공시질화 스프링의 표면경도는 Hv930정도이다. 미세입자 투사완료 후의 스프링 표층경도는 미세한 증가인 Hv950정도로 멈추었지만, 상술한 바와 같이, 공작물 최표층 경도와 동등이하의 경도의 입자투사로 공작물 표층에 큰 압축잔류응력이 형성되는 것이 확인되었다.

도 3은 고강도 밸브 스프링용 오일 템퍼선에 질화처리 후, 0.6㎜의 고탄소강 입자투사를 실시한 도 1의 시험으로 공시한 것과 동일한 스프링에 치수가 다른 입자투사를 하여, 횡축에 투사입자 초기호칭지름(봉지에 넣은 신품에 표시인 호칭지름)을 취하고, 종축에 표면의 압축잔류응력을 재서 정리한 도이다. 모두 투사입자의 재질은 비중 8.2의 고속도강으로, 입자의 초기 평균경도는 호칭지름 50㎛에서 Hv860(초기의 모든 입자 평균지름은 실제 측정에서 거의 63㎛), 호칭지름이 크게 되는 것과 아울러 저하하고, 호칭지름 200㎛에서 Hv770이다. 또한, 도 안의 숫자는 입자의 스프링 표면으로의 충돌속도(단위:m/sec)이다. 이 도에서, 호칭지름 100㎛입자투사에서는, 50㎛의 경우에 비해서 표면의 압축잔류응력 부여효과는 대폭적으로 저하하는 것이 명백해 진다. 또한, 호칭지름 100㎛의 신품입자 중에, 최대입자의 평균지름은 125㎛, 동일한 신품의 호칭지름 50㎛의 입자 중의 최대 입자 평균지름은 80㎛이었다(어느 것도 n=60의 측정결과). 어느 입자도 예리한 각을 지니지 않고, 주로 구형상으로, 일부, 구에 비교적 가까운 타원구형상이었다.

형상이 예리한 가장자리를 가지는 미입자는 피로를 저해하는 경향을 초래하므로 바람직하지 않다. 또한, 예컨대, 평균지름 44㎛의 미세입자 개개의 입자지름은 편차가 크고, 그 중에 90이상 105㎛이하의 치수의 입자가 수%이상 혼재하고 있는 경우에, 피로강도 향상효과는 평균지름 44㎛, 최대 입자지름이 약75㎛의 경우에 비해서 적다. 이와 같이, 스프링의 피로강도 향상효과는, 모든 투사입자의 평균지름도 영향을 주지만, 그 이외에, 최대 입자지름이 큰 입자의 혼재가 피로강도를 저해한다. 그 때문에, 본 특허에서는, 대략 80㎛보다 큰 입자의 혼재는 피로강도 향상효과는 있지만 그 효과의 정도가 저하되기 때문에, 상한의 치수를 100㎛미만, 더욱 바람직하게는 80㎛으로 한다. 또한, 개개의 투사입자의 평균지름이 모든 입자의 평균지름 또는 호칭지름보다도 작은 입자는, 그 형상이, 모가 나지 않고, 비중 7.0 내지 9.0, 경도 Hv700이상, 1100이하의 구형상 또는 그것에 가까운 경우에는, 투사효과가 저해되지 않는다. 오히려, 개개의 입자 평균지름이 50㎛보다 적게 되면 스프링 극표층의 경도와 압축잔류응력 상승에 효과적이다. 그러나, 입자지름이 적게 됨에 따라서 경도와 잔류응력의 영향두께가 감소하므로, 본 발명의 처리방법(청구항 1과 2 및 5)에서는, 모든 입자 평균지름 20㎛이상을 바람직한 조건으로 한다. 또한, 10㎛이하의 미소입자는, 비교적 소량혼재하여도, 형상, 비중 등의 특징이 청구항기재의 입자에 준하지 않는 것은, 투사효과에 악영향는 없으므로 소량의 존재는 본 특허에 포함된다. 또한, 투사입자 호칭지름이 작게 됨과 아울러, 일반적으로, 그 치수의 편차가 없게 입자를 생산 또는 사용하는 것은 곤란하다. 따라서, 호칭지름이 정해져도, 실제로는 입자치수는 분포를 가지며, 이 분포를 가미하여 입자를 선정하지 않으면 좋은 효과가 얻어지지 않는다.

질화에 의해서, 표층의 경도가 Hv850정도 이상인 경우, 경도가 동등이하의 입자이어도, 충돌 시에 입자가 지닌 운동에너지의 일부는 스프링 표층의 변형에 소비되고, 이 때문에, 표층의 온도도 순간적이지만 상승한다. 이것에 의해서, 질화된 스프링 표층부의 항복과 소성변형이 진행되고, 고용질소원자와 운동전위와의 상호작용에 의한 전위증식의 촉진과 전위고착에 의한 경화가 진행함으로 사료된다. 미세입자의 경도가 Hv600보다 낮게 되면 스프링 표층에 있어서의 잔류응력 생성효율이 작게 되므로 그 하한을 Hv600으로 한다. 단지, Hv500 내지 600이면 스프링표층의 변형과 압축잔류응력 형성은 가능하므로, 경우에 따라서, 하한의 경도를 Hv500이상으로 하여도 좋다. 투사입자의 경도가 질화된 스프링 표면의 경도보다도 단단해지면, 스프링 표면에서의 미세균열을 생성하는 경향이 생기게 되어 스프링의 피로강도를 손상하므로, 여기에는 입자의 경도상한을 스프링의 표면경도와 동등이하로 한다.

여기에 「질소원자와의 상호작용하에서의 가공경화」에 관해서 설명하도록 한다.

질화된 스프링 강재표면에는 입실론절손 등의 철계 질소화합물이 형성되는 것이다. 게다가 그 내부에는, 강 중에 확산침투한 질소원자의 일부에 의해서 비교적 미세한 철질화물이 형성되어서 경도 상승에 기여한다. 그러나, 이것 이외에도 철소재 중에는 고용된 질소가 존재하고, 이 고용질소는 그 상태로 경도상승과 압축잔류응력 향상에 기여한다. 이 고용질소는, SS처리의 시에는 소성변형에 대응하는 저항이 되지만, 공작물 표층이 소성변형을 개시하면, 전위가 운동함과 동시에 발열의 영향을 받아서 질소원자의 철중의 확산속도가 상승하는 과정에서, 전위의 적어도 일부를 고착하고, 전위증식을 촉진하여 전위 셀(서브 그래인(sub-grain))를 미세화한다. 이것에 의해서, 스프링 사용 시의 표층의 반복 응력에 의한 미끄러지는 변형대의 발생을 방지하고, 그 결과로서 피로파괴의 미소균열생성을 방지하는 것으로 사료된다. 질소는 탄소에 비교해서 그 고용도는 훨씬 크고, 게다가 강 중의 망간이나 실리콘 등과의 공존에 의해서 그 고용도는 철-질소 이원계의 경우의 고용도보다도 훨씬 크게 되는 것으로 사료된다. 이 점에서도 스프링강에 대응하는 질화와 그 후의 SS처리는, 스프링 특성 때문에 매우 유효하다라고 할 수 있다.

이상과 같은 투사입자치수의 영향을 입각하여, 본원 발명에는 초기 모든 입자 평균지름을 80㎛이하, 또한 개개의 입자가 10㎛이상 100㎛미만, 형상으로서, 모가 나지 않은, 구형 또는 이것에 가까운 형상으로, 싼가격으로 입수가 용이한 철강계의 재질을 주로 생각하여 비중 7.0 내지 9.0, 경도는 Hv600 내지 1100, 또한, 스프링 표층의 입자투사 전의 경도와 동등이하로 한다. 더욱 바람직하게는, 초기 모든 입자 평균지름 65 내지 50 내지 20㎛, 개개의 입자 각각의 평균지름을 80㎛이하로 한다.

다음으로, ②의 질화(및 저온침탄질화)를 실시하지 않은 스프링의 피로강도향상에 관한 본 발명방법의 수단에 관해서 기재한다.

종래로부터 질화 또는 저온으로의 침탄질화처리에 의하지 않고, 스프링 표면의 압축잔류응력을 높이기 위해서는, (i)종래보다도 고강도의 재료를 사용하여 숏 피닝의 개선ㆍ공부를 하지만, (ii)종래와 마찬가지의 재료를 사용해서 숏 피닝의 개선ㆍ공부를 하는 경우가 있다. (i)및 (ii)의 숏 피닝 방법의 개선으로서는, 스프링에 미리 응력을 부하하여 입자투사를 실시하는 방법(응력 피닝)이나 2 내지 3단으로 나누어 입자투사를 실시하고, 순차투사입자지름을 작게 하는 방법, 스프링을 온간에 가열한 상태로 입자투사를 실시하는 방법 등이 알려져 있다. 스프링이 고강도로 됨에 따라, 그 탄성한계가 향상하므로, 보다 높은 잔류응력이 부여할 수 있다.

그러나, 예컨대, 상기 종래 기술4, 일본 특개소64-83644호「공강도 스프링」에 기재되어 있는 바와 같이, JIS규격G3561(1994)에 규정되어 있는 밸브 스프링용 실리콘크롬강 오일 템퍼선의 인장강도보다도 높은 인장강도를 보유하고, 그 산화성분도 상기 JIS규격과 다른 고강도 오일 템퍼선에 대응하여, 표층근방의 압축잔류응력을 종래의 기술로 1079MPa(110kgf/㎟)이상으로 부여하면, 스프링 특성의 신뢰성도 저하하는 것은, 잔류응력 이외에 표면의 미세균열생성 등이 관계하기 때문으로 사료된다. 본 발명에서는, 그러나, 질화를 실시하지 않고, 청구항 4 또는 4와 6, 또는 이들과 7의 방법에 의해서, 고강도 밸브 스프링용 오일 템퍼선에서 성형한 스프링으로, 스프링이 고강도가 될수록 스프링 재료의 탄성한계가 상승하는 경우도 있고, 극표면에 1200MPa 내지 1600MPa정도의 압축잔류응력이 얻어지고, 게다가, 피로강도를 저해하는 미세균열 등은 방지할 수 있는 것으로 판명되었다. 고강도 오일 템퍼선의 고강도로는, 현재 세계적으로 밸브 스프링에 적용되고 있는 JIS 밸브 스프링용 실리콘크롬강 오일 템퍼선의 인장강도보다도 인장강도를 높게 하였다. 예컨대 선지름 2.6㎜에서는 2060MPa를 초과하는 인장강도, 3.2㎜에서는, 2010MPa를 초과하는 인장강도, 동 4.0㎜에서는, 1960MPa를 초과하는 인장강도, 동 5.0㎜에서는 1910MPa를 초과하는 인장강도로, 선지름에 따라서, 이것의 수치보다도 300 내지 200MPa정도까지 인장강도레벨을 높게한 선이 적용되고 있다. 그 이유는, 인장강도가 지나치게 크면, 잔류응력부여의 점에서는 유리한 면이 있지만, 스프링 성형성에 문제가 생기는 것 및 비금속 개재물 등의 미소한 결함으로 피로파괴를 발생하기 때문이다. 청구항 9와 10은, 이와 같은 고강도 재료로 이용해서 질화를 실시하지 않고 얻어지는 고피로강도의 스프링이다. 또한, 청구항 11기재의 선연신 또는 압연으로 강화한 펄라이트조직강, 청구항 12기재의 범용되고 있는 JIS 실리콘크롬강 오일 템퍼선이나 청구항 13기재의 박판 스프링이나 얇은 선스프링 등에 대응하여서도 각각, 본 발명의 방법으로 높은 잔류응력과 피로강도개선이 가능한 것으로 판명되었다. 청구항 4(B)공정으로, 투사미세입자재질이 고탄소강 또는 고속도강 등으로 스프링과 유사재질이기 때문이고, 스프링과 동등의 탄성계수이므로, 탄성변형이 스프링 표층과 투사입자에 동시에 분재되어서 일어나는 것 및 입자형상이 모가 나 있는, 미세한 것이, 피로강도를 저해하는 미세균열의 생성이나 과도한 표층가공을 제어하는 하나의 원인으로 사료된다. 이와 같이, 표면의 압축잔류응력이 미세입자투사로 크게 상승하는 것은 표층에의 큰 소성변형에 의한 전위의 도입과 도입된 다수의 전위의 탄소원자에 의한 고착이 입자투사마다 반복 진행하는 것이 관련있다. 즉, 탄소원자의 공급은 원래 철탄산물의 형으로 스프링재료에 존재한 탄소가 미세입자투사에 의한 극단시간의 고압력과 온도상승에 의해서 열역학적으로 불안정하게 되고, 그 일부가 단시간에 분해하여, 그 결과 자유롭게 된 탄소원자가 전위의 둘레에 확산하여 전위의 탄성응력장을 완화함과 아울러 전위의 이동의 저항이 되어서, 전위의 증식을 촉진한다. 이 때문에, 전위 셀 구조가 미세화되고, 인연성을 손상하지 않기에 표층의 경화와 높은 압축잔류응력을 부여한다. 단지, 청구항 8의 ④의 거의 탄소를 함유하지 않는 마레이징강으로는, 미세입자투사에 의한 표면근방의 압축잔류응력증가와 경도의 증가는, 상기의 철탄화물의 분해보다도, 전위밀도의 증가가 주로 기여한다(질화하고 있는 경우는 질소화합물의 분해와 전위고착에 의한 전위의 이동도 저하가 전위밀도증가로 전위고착을 진행한다)라고 사료된다.

도 4는, C:0.57%, Si:1.5%, Mn:0.7%, Cr:0.68%(단위는 모두 질량%), 남은부분 불순물 및 철로 이루어지는 미세 펄라이트 조직의 냉간선연신, 그 후 냉간압연 마무리의 두께 0.97㎜, 평균표면경도 Hv537 내지 589의 판의 구부림 피로강도에 미치게 하는 호칭지름 50㎛(n=60개의 실측으로, 고탄소강 입자의 초기평균경도 Hv865 , 비중 7.5, 모든 입자 평균지름은 37㎛, 개개의 입자의 평균지름은 10 내지 75㎛으로 분포하고 있고, 모두 구형 또는 그것에 가깝고, 예리한 모서리를 가지지 않는다. 고속도강 입자의 초기평균경도 Hv860, 비중8.2, 모든 입자 평균지름은 63㎛, 최대 입자 평균지름 80㎛, 최소 입자 평균지름 50㎛)의 철계 미입자투사속도가 투사 후의 피로강도에 미치는 영향을 정리한 것이다. 이 경우, 충돌속도가 100m/sec의 근처에서 최적투사속도가 있는 것이 판명되었다. 입자투사에 의한 충돌속도가 107m/s ec 및 183m/sec의 고탄소강 입자투사에서는 최표면의 압축잔류응력은 모두 950MPa이었다. 이것에도 관계하지 않고, 전자의 피로강도가 후자보다 높은 것은 잔류응력 이외에 표층의 미세균열발생 또는 스프링 표면의 연인성이 관계하는 것을 나타낸다. 즉, 투사속도가 183m/sec인 경우, 스프링 표층의 미세균열생성, 연인성의 열화를 초래함으로 사료된다. 이와 같이 속도가 183m/sec로 되면, 피로강도 개선효과가 확인되지만, 투사속도 160m/sec이하의 경우보다도 그 효과는 작으므로 본원 발명 청구항 3, 4 및 6에서는 미세입자 투사속도를 160m/sec이하 더욱 바람직하게는 140m/sec이하로 한다. 투사속도가 50m/sec 보다 낮으면, 피로강도개선효과는 작게 되므로, 이것을 하한으로 하였다. 더욱 바람직하게는 60m/sec를 하한속도로 하였다. 또한, 투사입자의 모든 입자 평균지름을 변화시켜서, 상기와 동일한 재질의 입자투사를 도 4의 피가공 스프링과 같은 스프링에 실시하였다. 그 결과, 투사입자의 신품에서의 호칭지름이 100㎛, 200㎛, 300㎛으로 크게 됨에 따라, 입자투사 후의 스프링의 피로강도는 대폭적으로 저하하였다(도 5). 입자치수가 크게됨에 따라 피로강도 향상효과가 작게 되는 것은 극표층의 압축잔류응력 부여효과의 저하와 경도상승정도의 저하 등 때문으로 사료된다. 이 때문에, 본원 발명에는 투사입자의 모든평균지름은 80㎛이하, 또한, 개개의 입자의 평균지름은 100㎛미만으로 한다. 이것을 초과하면, 효과는 있지만 유효성은 저하된다.

본 발명으로, 질화하지 않은 스프링 표면으로의 투사금속입자의 최소평균입경을 10㎛으로 한 것은, 이 이하에서는 투사에 의한 압축잔류응력의 깊이가 수㎛이하로 되고, 충분한 압축잔류응력이 얻어지는 깊이가 얕게 되는 것이 좋다. 단지, 10㎛이하의 지름의 입자가 혼재하여도, 소량이면 품질상의 문제는 없다. 또한 최대평균입경을 100㎛미만으로 한 것은, 이 이상의 입경에서는 표층의 잔류응력과 경도개선효과가 작게 되기 때문이다.

모든 투사입자의 최대평균치수를 80㎛으로한 것은, 모든 입자 평균치수 100㎛의 경우보다도 그 내구성 향상효과가 크게되기 때문이다. 비중 7.0 내지 9.0으로 한 것은, 비교적 싼가격 또한 용이하게 입수할 수 있는 철강재료로 만들어진 입자의 활용을 겨냥한 것이다. 강제스프링의 탄성계수의 약 196GN/㎡에 비해서, 초경합금에서는 450 내지 650GN/㎡이고, 탄성변형 및 소성변형은 투사된 입자보다도 오히려, 피투사 스프링 표면층에 집중하게 된다. 이 때문에, 초경합금에서는, 표면의 요철이 비교적 크게 되고, 또한, 단열 전단변형대 등의 불균일한 변형이 비교적 발생하기 쉽게 된다. 본 발명으로는, 과도하게 변형이 피가공재인 스프링에 집중하는 것을 피하는 목적도 있고, 철계입자사용을 의도하여 그 밀도를 7.0 내지 9.0으로 설정한다.

또한, 질화하지 않은 스프링에 대응하는 투사입자의 경도하한을 Hv350으로 한 것은, 피가공재 스프링 표면의 경도로서, Hv400 내지 600의 스프링이 많지만, 피가공재 경도보다도 약간 연약한 입자투사에서도, 본 발명의 효과가 발휘되기 때문이다.

또한, 투사입자 경도상한을 Hv1100을 한 것은, 비교적 싼가격으로 입수할 수 있는 강제입자의 경도의 상한으로서 Hv1100이 설정한 것과, 경도가 Hv1100이하에서는, 내피로성 향상효과가 충분히 확인되기 때문이다.

입경이 10 내지 100㎛미만, 비중 7.0 내지 9.0, 경도 Hv350 내지 1100의 경질금속입자의 투사속도하한을 50m/sec로 하는 이유는, 이 이하에서는, 투사 에너지/ 입자투영면적이 부족하여, 충분한 내구성 개선이 가능하지 않기 때문이다. 또한, 상기 입자의 투사속도의 상한은 160m/sec로 한 것은, 이것을 초과하는 속도에서는 투사에너지/ 입자투영면적이 너무 커져서, 스프링 표층의 압축잔류응력이 이 이하의 속도보다도 저하됨과 아울러, 표층의 미소균열생성이 촉진되어서, 스프링의 내구성 향상효과가 소비에너지의 비율로 저하되기 때문이다.

상술한 도 4, 도 5 등에 대응하는 질화되지 않는 박판 스프링의 샘플로, 모든 입자 평균지름 37㎛, 경도 Hv865의 고탄소강 입자를 90m/sec의 속도로 투사하여, 최종공정의 230℃의 저온소둔을 생략한 스프링과, 동일 가공공정으로 최종의 저온소둔이 실시된 스프링에 160℃로 처짐시험을 실시하였다. 그 결과, 최종의 230℃의 저온소둔이 생략된 스프링의 처짐은, 그것을 실시한 스프링과 동등하고, 우수한 내침강성을 나타낸다. 다른 면, 0.03㎜지름의 스틸 숏을 속도 100m/sec로 투사한 스프링 샘플에는 최종의 저온소둔을 시행한 쪽이 실시하지 않은 샘플 보다 양호한 내침강성을 나타낸다.

그 원인은 전자에는 강중의 탄화물의 변형이 후자보다도 과격하게 일어나고, 이것에 더하여 분해한 유리(遊離)탄소원자가 비교적 많고, 이 유리탄소가 160℃의 크리프(creep) 시험 중의 전위의 이동저지효과를 유효하게 발휘했기 때문으로 사료되어진다. 단지, 상기 230℃의 저온소둔 유무의 2 종류의 스프링에 실온으로 단시간의 셋팅을 동일응력조건으로 실시하면, 셋팅 침강은 저온소둔을 실시하지 않은 스프링의 쪽이 그것을 실시한 스프링보다도 커졌다.

이 경우로부터, 미세경질금속 입자투사만으로는, 투사로 스프링 표층에 생성한 전위의 고착이 불충분한 것이 판명되었다. 또한, 상기 160℃의 침강 시험의 침강이, 미리 실시하는 230℃의 저온소둔의 유무에 상관 없는 것은 미세경질금속 입자투사에 의해서, 0.3㎜지름의 금속입자투사보다도 스프링 표층부의 철탄화물, 시멘타이트(cementite)의 변형과 삭감이 촉진되어, 160℃에 승온될 때에 분해한 탄소원자에 의한 왜(歪)시효가 단시간에 진행하는 것을 의미하고 있다. 단지, 입자투사에 의한 스프링 표층의 순간적 발열에 의한 온도상승은, 동일 투사속도이면, 투사입자의 직경에 거이 반비례함으로 추정된다. 이것은, 동일 입자경도, 동일 스프링 재질이면, 충돌에 의한 스프링 표층의 변형에 필요로하는 시간은 입자지름에 비례하지만, 입자지름이 작게 되면, 변형에 필요한 시간이 짧게 되고, 변형 중의 변형열이 변형영역의 밖으로 도산하는 시간이 짧게 되는 결과, 변형영역의 온도가 상승하기 때문으로 사료된다(바우덴, 테이파이 저, 소네다한소 역, 고체의 마찰과 윤활, 제 4판, 마루제, 소화 50년 발행, 256페이지의 설명과 (8)식 참조. 여기서는 충돌물체의 접촉시간은, (질량M/입자반경r)의 평방근, 에 비례함으로의 설명이다. 이것에 의하면, r인 것으로, 결국 접촉시간은 r에 비례한다.).

본 발명의 미세입자투사에 의한 스프링 표층에서는, 충돌, 변형에 의한 발열과 탄소, 질소원자에 의한 탄력 시효경화가 0.3㎜지름이 입자보다도 보다 잘 진행하고 있는 것으로 사료된다. 또한, 시멘타이트가 변형되는 것은 시멘타이트는 온도가 상승하는 만큼 변형저항이 작게 되는 특성을 가지는 것이 하나의 원인으로 사료된다. 또한, 미세입자 투사속도가 180m/sec정도에서는, 시멘타이트가 변형, 일부 삭감함과 아울러, 분단이 촉진된다. 시멘타이트 분단은 변형에 의해 생성, 이동하는 철 중의 전위운동 저지효과를 작게 하기 때문에 투사속도와 함께 표면잔류응력이 저하하는 하나의 원인이 됨으로 사료된다. 또, 본 발명에 사용되는 투사미세입자의 평균입경에 대하여, 그 치수 편차가 크게 되어서, 보다 치수가 큰 입자의 비율이 크면, 내구성 향상효과가 작게 된다. 이 때문에, 최대 입자 평균지름은 대략 100㎛미만, 또한, 바람직하게는 80㎛이하로 할 필요가 있다.

본 발명의 미세입자투사에 의한 그 외의 작용효과로서, 미세입자투사에 의한 스프링 변형의 감소를 실현할 수 있고, 이 결과로서, 대량생산으로 스프링의 치수 벌어짐의 발생을 작게 할 수 있는 것으로 판명되었다. 이 이유는, 본 발명의 미세입자투사의 영향층이 비교적 얇고, 이것이 스프링의 대변형을 제어하는 것, 및 미세입자투사 시에 본 발명에서는 비교적 저속의 입자충돌에 의하고 있기 때문에, 보다 고속투사에 비해서 투사속도 벌어짐이 작게 될 수 있는 것으로 추정할 수 있다(도 6).

이와 같이 처리한 고탄소강제 스프링의 표면층을 투과전자현미경에 의해서 관찰하면, 표면의 변형에 의한 변형대의 안에서 비정상적으로 미세 또한 만곡을 수반하는 미세조직(서브 그래인)의 발달과, 시멘타이트 석출물의 일부의 분단과 그 간격의 미세화 및 철 중의 전위증가가 확인되지만, 본 발명의 최적투사속도로 미세입자를 투사한 경우, 시멘타이트 분단은 거의 일어나지 않는다. 또한, 회복재결정에 의한 명료한 미세조직(다각형화 조직)은 완전히 관찰되게 되었다. 또한, 마르텐사이트나 베이나이트(bainite)라고 하는 과냉각조직도 확인되게 되었다.

또한, 비교적 선지름 또는 판두께가 큰 스프링, 구체적으로는 선스프링으로는 1.5 내지 2.0㎜이상의 선지름에는 다단 숏 피닝에 의해서 그 표층의 상당히 내부까지 압축잔류응력을 부여하는 것이 유효하고, 자동차 등의 내연기관용 밸브 스프링과 같은 용도로 넓게 실시되고 있다. 본 발명에도 청구항 4의 (A)에 있는 바와 같이 0.2 내지 0.9㎜지름의 입자를 속도 40 내지 90m/sec로 투사하는 것은, 비교적 내부까지 압축잔류응력을 부여하여 비금속 개재물에서의 피로절손을 방지하기 때문이다. 단지, 선지름이 2.0 내지 2.5㎜보다도 큰 스프링에는, 0.5 내지 0.9㎜지름의 입자투사 후, 0.2 내지 0.4㎜지름의 입자투사로(청구항 7), 비교적 표층의 잔류응력을 높여서 내부와 표면근방에서의 균열발생을 어느 정도 방지하는 것이 가능하다. 이와 같은 0.2 내지 0.9㎜지름의 입자투사 후에는 표면의 압축잔류응력은 아직 불충분하고, 이것을 본원 발명의 미세입자투사에 의해서 피로파괴에 유해한 미세균열 등의 결함을 생기게 하는 것이 없고 높다. 다른 방향, 그 보다 작은 선지름 또는 판두께의 스프링에는, 질화없는 상태로, 본 발명의 방법인 미세금속 입자투사에 의한 피로강도향상을 도모하는 것도 본 발명(청구항 3)의 처리방법에 포함된다.

이와 같은 비교적 치수가 큰 입자투사의 결점을 극복하기 위해서, 본 발명(청구항 4)에서는, 상기 비교적 큰 치수의 입자투사 후에, 지름 10 내지 100㎛미만, 모든 입자 평균지름 20 내지 80㎛, 구형 또는 이것에 가까운 모가 나지 않은 비중 7.0 내지 9.0, 경도 Hv350 내지 1100의 경질금속 미입자를 속도 50 내지 160m/sec로 충분히 투사하는 것에 의해서 표층에 피로강도에 유해한 미소균열이나 큰 오목홈 등이 일어나지 않고, 균일하게 강가공층을 형성하여 높은 압축잔류응력을 부여한다.

본 발명에 있어서의 10 내지 100㎛미만 또는 바람직하게는 10 내지 80㎛의 입자투사의 카바레지 는, 목표로 하는 스프링의 내구성 개선이 필요한 부위에 대응하여, 100%이상으로 하는 것이 바람직하고, 상기 충분하게 투사하는 의미는 이것에 해당한다.

0.2 내지 0.9㎜지름의 입자의 초기경도하한을 Hv350으로 한것은 입자충돌의 반복에 의해서 스프링 표면보다도 경도가 낮은 입자는 변형이 반복되어서 차제에 가공경화하여, 그 경도가 상승한다. 또한, 경도가 저하해도 Hv350이상이면, 충돌의 에너지의 일부는 스프링 표층의 변형에 사용되므로, 여기서는, Hv350을 하한으로 하였다.

이와 같이, 상기 질화한 스프링보다도 표층경도가 낮은 질화를 하지 않는 스프링에 있어서도, 질화한 스프링과 유사한 조건에서 좋은 결과가 얻어지는 것이 판명되었다.

또한, 본원 발명의 투사입자의 초기경도로는, 신품에서의 값이고, 청구항의 경도, 그 외의 값은 신품의 그것이다. 본원 발명에 있어서, 투사하는 입자는 반복 사용에 의해서 차제에 마모ㆍ마감하므로, 실제로는 상기 신품의 치수보다도 작은 입자를 사용되는 것이 되고, 사용 중에 파괴에 의해서 예리한 모가 난 가장자리를 보유하는 입자로 변화하지 않는 것이 필요하다. 또한, 본 발명의 스프링의 제조공정에 있어서 냉간성형한 스프링의 250 내지 500℃정도의 온도에서의 잔류응력 제거를 위한 저온소둔실시, 코일 스프링 성형 후 또는 코일 스프링 성형 후의 잔류응력제거 소둔 후, 또는 질화 후 등의 좌면연마(coil ending ground), 미세입자투사 후 또는 그 전 공정의 0.2 내지 0.9㎜지름입자투사 후의 내침강성 개선을 위한 200 내지 250℃정도의 온도로 가열해서의 저온소둔, 동목적의 온간 또는 냉간의 셋팅, 등의 공정은 본 발명의 스프링제조에 포함된다.

본원 특허의 경질금속 입자투사의 효과는, 스프링 표층에서 피로파괴에 유해한 미소균열생성 또는 과대한 소성가공에 의한 스프링 표층의 연인성 열화를 일으키지 않고, 높은 압축잔류응력을 부여하는 것에 의하여, 피로파괴의 원인이 되는 스프링 표면 및 표층근방내부의 결함부에서의 미세균열의 전파를 방지하여, 피로내구성을 향상시키는 것이다. 본원 발명의 경질미세입자투사는 스프링 표층에 피로에 유해한 손상을 주지 않고, 스프링 극표층의 금속조직의 가공변형에 의한 가공경화를 실현하고, 그 결과로서 극히 높은 압축잔류응력을 부여한다. 이 미입자투사에 의한 순간적 발열과 고압에 의해서, 스프링 강 중 Fe₃C의 강변형과 일부 분해에 의한 삭감에 의해서 발생하는 고용C원자에 의한 전위고착과 전위증식이 촉진된다. 질화된 스프링 표층에는 고용질소가 미입자투사 시의 순간적 변형과 발열에 의해서, 상기 C원자와 마찬가지, 전위의 고착과 증식을 일으킨다. 이것에 의해서, 스프링 표층의 셀 구조의 미세화와 가공경화가 특히 촉진된다. 이것의 양상은 수만배의 투과전자현미경기구에 의해서 명확하게 되었다. 표층이 큰 가공경화는 표층의 탄성한계를 향상시켜, 그 결과, 탄성한계 내에 고정되는 잔류응력향상에 기여함으로 사료된다. 최고의 효과가 발휘될 수 있는 것은, 미세입자투사에 의한 스프링으로의 충돌속도가 60 내지 140m/sec이고, 이보다도 고속에서는, 효과는 있지만, 특히 질화 스프링에 관해서는 충돌속도와 함께 차제에 가공에 의한 잔류응력이 작게 됨과 아울러, 미세한 균열이나 가공에 의한 재질의 취화가 나타나고, 그 결과, 피로강도 향상효과도 작게 된다. 질화처리된 스프링에 대응하여 속도 190m/sec, 또한, 더욱 엄밀하게는, 170m/sec를 초과하면 특히 이것의 손상이 현저하게되고, 질화되지 않은 스프링에는, 160m/sec를 초과하면, 효과는 있지만, 최적조건에서 크게 벗어난다. 또한, 투사에 의한 충돌속도가 60m/sec 또는 50m/sec보다도 저하하면, 충돌의 영향으로 가공되는 깊이가 작게 되고, 잔류응력도 저하된다. 이 때문에, 피로강도 향상효과는 있지만, 최적조건에서도 분명하게 우수하지 않다.

이하에 본 발명의 실시형태에 관한 설명이다.

(실시형태1)

질화에 의해서 밸브 스프링, 크러치 스프링 등의 내구성, 특히 내피로강도를 향상시키기 위해, 다음과 같은 공정이 종래로부터 채용되어지고 있다.

스프링용 합금강 오일 템퍼선(이하 OT선이라 함)→스프링성형(냉간 코일링)→잔류응력제거소둔→좌면연마→표면 스케일 제거→질화처리→숏 피닝→저온소둔

여기서, 질화 후의 숏 피닝으로서, 통상, 1단 숏의 경우는 입경 0.5 내지 0.9㎜정도의 Hv500 내지 800의 강구, 또는 컷 와이어 등의 다수의 경질금속입자를 투사한다. 또한 2단 숏의 경우는, 입경 0.5 내지 0.9㎜정도의 다수의 강구의 숏 후에, 입경 0.2 내지 0.4㎜정도의 다수의 금속입자를 투사한다.

본 발명에서는, 질화 후의 숏 피닝의 방법을 제공하고, 이것의 제 1단 후 또는 제 1단과 연달아 제 2단 후에 모든 입자 평균지름 80㎛이하이고 20㎛이상, 개개의 입자 평균지름 10㎛이상 100㎛미만, 형상으로서 구형 또는 그에 가까운 모가 난 부분이 없는, 비중 7.0 내지 9.0, 경도 Hv600 이상 Hv1100이하 또한 질화 후 또는 침탄질화 후의 스프링 표면경도와 동등이하의 경도를 보유하는 금속입자를 속도 50 내지 190m/sec로 투사하고, 스프링 표층의 가공경화와 미세균열생성방지를 효과적을 행하여 최표면층에 높은 잔류응력과 경도를 부여한다.

게다가, 이 공정 후, 저온소둔에 의해서 숏의 영향층(표층 150 내지 200㎛)에 있어서의 전위고착을 확실하게 하는 것에 의하여, 내피로성 및 내침강성에 있어서, 종래의 방법만에 의해서는 얻는 것이 불가능한 매우 향호한 내구성을 보유하는 스프링을 얻는 것이 가능하였다.

또한, 질화 전의 스케일 제거(디스케일) 방법에는, 산세척, 전해연마, 금속입자투사 등이 있지만, 본원 발명에는, 질화 전의 디스케일 처리방법을 청구항 2에 있어서 제공한다. 이 방법은 미세한 철계 등의 입자투사에 의해서 질화 후에 높은 피로내구성을 얻도록 하는 것이다.

실시형태1의 스프링의 제조과 성능에 관해서 이하에 기재한다.

청구항 2의 방법에 의해서, 질화 전의 디스케일, 그 후, 질화처리와 연달아 입자투사를 실시하여, 청구항 8에 해당하는 고성능 스프링을 제조하는 것이 가능하다.

C:0.59%, Si:1.90%, Mn:0.84%, Ni:0.27%, Cr:0.96%, V:0.09%(단위는 모두 질량%)를 함유하는 3.2㎜지름의 고강도 밸브 스프링용 오일 템퍼선(청구항 8의 ②의 재료)을 이용하여, 냉간 코일링, 420℃응력제거소둔, 좌면연마 후, 디스케일 처리로서 모든 입자 평균지름 37㎛, 각 입자의 평균지름이 75 내지 10㎛, 각입자의 최대지름비 1.2이하로 모가 나게 되고, 비중 7.5, 경도 Hv865의 입자를 속도107m/sec로 투사하여, 그 다음에, 질화하여 표층(깊이 3 내지 5㎛위치)의 경도 Hv910을 얻었다. 게다가, 0.6㎜지름, 경도 Hv550의 라운드 컷 와이어를 속도70m/sec로 충분히 투사하여 비교적 내부까지 압축잔류응력을 부여하였다. 이 때의 표층경도는 Hv930이었다. 이것에 연달아, 모든 입자의 평균지름이 37㎛, 개개의 입자 중, 최대입자의 평균지름이 75㎛이하, 개개의 입자최소지름이 거의 10㎛, 장단지름비 1.2이하로 모가 나지 않은 거의 구형상이며, 비중 7.6이고, 평균경도 Hv865인 고탄소강 입자를 평균속도 107m/sec로 충분히 투사하였다. 그 후, 220℃로 저온소둔을 실시하였다. 이 때의 표면경도는 Hv975이었다.

이 때의 스프링 최표층의 압축잔류응력은 2010MPa로 되었다. 또한, 이 때의 표면에서 0.2㎜깊이위치 및 0.5㎜깊이위치에서의 스프링의 경도는, 각각 Hv570 및 Hv545이었다. 또한, 강중의 비금속 개재물은 15㎛이하, 탄질화물은 10㎛보다 작게 되었다. 질화 상태의 이 스프링의 최표면의 경도는 Hv910이고, 투사한 0.6㎜지름의 탄소강 입자의 경도는 Hv550, 고탄소강 미세입자의 평균초기경도는 Hv865, 사용제의 동입자의 평균경도는 Hv960이었다. 이 스프링을 평균응력:686MPa로 진폭응력을 변화시켜서 일정 진폭응력 하에 1000회/min.의 속도로 피로시험하였다. 그 결과, 5×10⁷회에서, 피로한도는 진폭응력에 ±677MPa이상으로 되고, n=6개의 어느 스프링에도 절손하지 않았다. 이 스프링은 본 청구항 8에, 또한, 그 제조방법은 청구항 1 및 2에 해당한다.

다음으로, 디스케일 처리로서, 우선 0.6㎜지름, 경도 Hv550의 컷 와이어를 속도70m/sec로 스프링에 투사 후, 모든 입자 평균지름 37㎛의 고탄소강 입자를 속도 107m/sec로 투사하기 때문에 질화 후의 공정을 상기 실시형태 1의 스프링과 동일하게 한 스프링에 상기와 마찬가지의 피로 내구성을 확보할 수 있었다. 또한, 이 때, 디스케일 방법으로서 경도 Hv550의 0.6㎜ 컷 와이어만의 투사로는, 질화 후에 본 발명의 이단투사를 시행하여도, N=5×10⁷회에 있어서의 피로한계는 686MPa±647MPa로 되었다. 밸브 스프링용 코일 스프링의 피로강도는, 응력반복수N을 어느 일정치로 결정하면, 평균응력 τm과 진폭응력±τa에 의해서 표현할 수 있다. 여기서는, N=5×10⁷회로 결정하였다. 종래 기술에서는, τm=686MPa의 경우, τa로서 610 내지 620MPa정도의 값이 달성되고 있다. 그러나, 본 발명과 같이 τm=686MPa로 τa677MPa와 같은 높은 피로강도는 종래, 달성되지 않았다. 동일 품질, 형상의 스프링의 경우, 평균응력 τm이 크게 되면, 피로한계의 응력진폭τ a는 작게 되는 것은 종래로부터 알려져 있다. τm의 xMPa증가에 대응하여, 피로한계의 τa는 근사적으로 x/5저하하는 것이 판명되고 있다. 그 때문에, 피로한계 τm±τa는, (정수 1-x)±(정수 2+x/5)로 표시할 수 있다. 현재, 정수 1로서 800MPa를 취하면, 피로한계는 (800-x)±(정수2+x /5)로 표현할 수 있다. 상기 피로한계 686MPa±647MPa를 이 식에 적용시키면, 정수 2는 624.2MPa로 된다. 그래서, 본 발명에는, 피로한계응력으로서, 청구항 8에 기재한 바와 같이, 다음의 (1)식을 만족하는 스프링을 청구항에 포함한다.

삭제

즉, τm=800-x 일 때, τa620+x/5 …(1)

여기서, 단위:모두 MPa, x:변수로 0 이상 150이하

상기의, 질화 전에 0.6㎜지름의 철계 입자투사에 의해서 디스케일된 스프링은, 겨우 (1)식을 만족하였지만, 평균응력 686MPa, 진폭응력±677MPa라고 하는 높은 응력반복하여, 스프링 단말부에 선간접촉을 생성하여 피로파괴가 생기지 않는 것이 산발적으로 발생하였다. 그러나, 디스케일법으로서 0.6㎜지름의 입자투사에 연이어 본 발명의 SS처리를 충분히 실시하면, 이와 같은 선간접촉부의 피로파괴가 개선한 것으로, 이와 같은 SS처리를 포함한 2단 숏에 의한 디스케일도 본 발명에 포함된다.

(실시형태 1의 비교 스프링 ①과 ②)

또한, 상기 스프링에서, 제 2단의 미세입자투사를 생략한 비교스프링①은, 평균응력;686MPa로 피로한계도의 진폭응력은 ±510MPa로 되고, 청구항 8의 피로강도를 만족하지 않는다. 또한, 제 2단만을 변화시켜, 모든 입자 평균지름 약 72㎛, 최대 입자 평균지름 약 200㎛, 최소 입자지름 약 7㎛의 강입자를 공기압 0.5MP a로 투사(평균지름 72㎛입자의 충돌속도는 약 130m/sec)한 비교 스프링②를 시작하였다. 이 스프링의 피로한계응력은 평균응력이 상기 실시형태 1의 스프링과 같으므로, 진폭응력은 ±530MPa로 되고, 효과는 적게는 확인되지만 청구항 8을 만족하지는 않는다.

또한, 상기 실험은 질화 후에 0.6㎜지름, 경도 Hv50의 강입자를 투사하고나서 SS처리를 하였지만, 특히 선지름이나 판두께가 1.5 내지 2㎜이하의 공작물에 관해서, 이와 같은 사전투사를 하여도 이점은 적고, 오히려 질화 후 바로 SS처리를 행한 방법이, 내피로 저항성을 처음으로하는 성능면이나 비용면에서 유리하고, 실질본원 발명에 포함된다.

(실시형태2)

질화를 하지 않은 스프링에 관한 본 발명은 평균지름 10㎛이상 100㎛미만, 비중 7.0 내지 9.0, 경도 Hv350 내지 1100의 다수의 경질금속입자를 투사하여 스프링의 표면거칠기를 최대한 억제하면서, 또한, 국소적 과대변형(국소적 전단변형대, 단열변형대로도 말한다)을 발생하지 않고, 스프링 극표층에 비교적 균일하게 강가공층을 발생시킴과 동시에 극력 높은 잔류응력을 부여하는 것에 의하여, 질화를 시행하지 않아도 스프링 표면층에서의 피로절손을 방지하는 것을 겨냥한 스프링의 가공방법이다.

스프링의 표면에 경도 Hv350 내지 1100, 비중7.0 내지 9.0, 평균입경 10㎛이상 100㎛미만, 바람직하게는 10 내지 80㎛의 경질금속입자를 속도 50m/sec이상, 160m/sec이하, 바람직하게는 60m/sec 내지 140m/sec로 투사하는 것에 의하여, 표층근방에 내구성에 유해한 미소균열이나 불균일 전단변형대를 발생하지 않고, 극표층의 압축잔류응력을 높여서, 표층에서의 스프링의 피로절손을 방지한다. 이것에 의하여, 얇은 지름 피아노선이나 얇은 지름 오일 템퍼선으로 제조한 작은 물건 스프링이나 각종 박판 스프링의 피로강도, 내구성을 향상시킨다.

본 발명에서는 투사속도의 영향을 상세하게 조사연구하여, 종래, 미입자 투사속도v를 100m/sec이상으로 규정한 일본 특공평2-17607호「금속으로 만든 제품의 표면가공열처리방법」과 같이, A3변태점을 초과하지 않고, 또한, 속도V160m/sec로 투사하여 표면층의 변형이 과도하게 되지 않고, 속도V160m/sec, 바람직하게는 60m/secV140m/sec로 투사하고, 그 순간적 온도상승을 회복재결정을 일으키기 보다도 저온도로 제어함과 동시에 표층의 과도한 변형을 피하는 것에 의하여, 보다 높은 내구성을 얻는 것을 특징으로 한다.

테스트 스프링으로서, 이미 기재된 바와 같이 단면형상이 판두께 0.97㎜, 판폭 5.1㎜, 경도 Hv537 내지 589로, 화학성분이 0.55%C, 1.47%Si, 그 외를 포함한 패턴팅(patenting), 선연신, 냉간압연된 스프링강에, 스프링 가공공정이, 스프링성형→응력제거소둔→미세입자투사→저온소둔(230℃)의 순서로, 스프링 가공공정의 미세입자투사조건은 ①모든 입자 평균지름 37㎛(초기품), 경도 Hv865, 비중 7.6의 탄소강 미세입자, 및, ②모든 입자 평균지름 63㎛(초기품), 경도 Hv860, 비중 8.2의 고속도강 미세입자를 이용하였다. 게다가, 여러 가지의 속도로 스프링에 상기 미세입자를 충분히 투사하였다. 그 후, 스프링의 피로시험을 행하고, 미세입자 투사속도와 피로강도의 관계를 요구하였다. 그 결과를 도 3에 나타낸다. 이 때의 피로한계응력은 평균응력이 785MPa로, 반복수 10⁷회에서 파괴하지 않은 진폭응력을 취하고 있다. 그 결과, 탄소강 입자, 고속도강 입자 모두, 충돌속도가 60 내지 140m/sec에서 가장 양호한 피로강도 개선효과가 얻어지는 것이 판명되었다.

②의 고속도강 입자투사에서는, 충돌속도V가 50m/sec 내지 140m/sec로, 피로한계진폭응력이 700MPa를 초과함으로 사료된다. 또한, ①의 고탄소강 입자투사에서는 충돌속도V가 약 60m/sec 내지 약 160m/sec로 피로한계진폭응력이 700MPa를 초과함으로 사료되고, 매우 양호한 개선효과가 확인되어 진다.

상기 본 발명의 비교예로서, 숏 없는 스프링에서는, 피로한계진폭응력은 440MPa이고, 피로한계는 낮다. 또한, 0.3㎜지름 스틸 숏을 속도V=100m/sec로 충분히 투사한 스프링에는 피로한계진폭응력은 ±300MPa이고(이 샘플은 미입자투사를 0.3㎜지름의 스틸 숏에 대체하고, 이 이외의 공정은 실시형태 2의 스프링과 동일), 입자투사의 효과는 보이지 않는다.

(실시형태 3)

또한, 비교적 단면치수가 큰 고속도 스프링, 예컨대 선지름 2㎜이상의 질화되지 않은 스프링에서는, 본 발명 청구항 4 등에 기재한 것과 같이, 미입자 투사처리의 전처리로서, 0.2 내지 0.9㎜지름의 강계입자를 v=40 내지 90m/sec로 투사하여 비교적 내부까지 압축잔류응력을 부여한다. 이것에 의해서 압축잔류응력은 표면에서 수십 ㎛이상 넣은 장소에서 최고의 값에 다다르지만, 극표면층은 내부의 최고치에 비해서 낮은 값이 된다. 이 때문에, 이 상태로는, 스프링 표면근방을 기점으로하는 피로절손을 충분히 방지하는 것이 가능하지 않다. 이 점을 개선하기 위해서 상기 0.2 내지 0.9㎜지름 입자투사 후에, 속도 v=50 내지 160m/sec, 더욱 바람직하게는, v=60 내지 140m/sec, 입경 10 내지 100㎛미만, 더욱 바람직하게는, 입경 10 내지 80㎛, 비중 7.0 내지 9.0, 경도 Hv350 내지 1100의 경질금속입자를 투사하는 것이 행하여 진다.

실시형태 3의 스프링

선지름 3.2㎜, JIS, SWOSC-V보다도 높은 인장강도 2070MPa, 표층부의 경도 약 Hv620의 고강도 밸브 스프링용 오일 템퍼선(화학성분 C:0.61%, Si:1.46%, Mn:0.70%, Ni:0.25%, Cr:0.85%, V:0.06%, 단위는 모두 질량%, 이 재료는 청구항 8의 성분강②에 상당함)을 냉간에 코일 스프링에 성형하고, 코일링으로 생긴 잔류응력제거를 위한 400℃×20분의 저온소둔, 좌면연마, 0.6㎜지름 비중 약7.8, 경도 Hv550의 강입자의 속도 70m/sec로의 투사에 연달아, 호칭지름 50㎛, 실측의 초기품 모든 입자 평균지름 37㎛, 개개의 입자의 최대/최소 지름비 1.2이하로 모가 나지 않고, 비중 약7.5, 평균경도 Hv865의 철계입자에서, 그 각 입자의 평균지름이 10 내지 75㎛으로 분포하는 입자(단, n=60개의 측정치)를 충돌속도 107m/sec로 충분히 투사하였다. 게다가 220℃로 전위고착을 위한 저온소둔을 실시하고나서 냉간 셋팅으로 마무리하였다. 이와 같이 해서 제작한 실시형태3의 스프링 최표면의 X선에 의한 철소재의 압축잔류응력은 1350MPa로 스프링 내부에 넣음을 수반하여 그 보다도 잔류응력은 작게 되었다. 마찬가지로 그 극표면의 경도는 Hv690 내지 580이었다. 이 스프링의 피로시험을 실시한 결과, 반복수 5×10⁷회의 피로한계도는 n=10개의 시험스프링에서 절손이 없고, 평균응력 588MPa, 진폭응력 ±510MPa로 되었다. 이 코일스프링에 걸리는 평균응력을 최대로 690MPa로 상정하고, 평균응력 τm=690-x로 두면, 반복수N=5×10⁷회에 있어서의 피로한계진폭응력τa은, 실시형태 1로 설명한 τm과 τa의 환산의 사고방식에 의해, τa=489.6+x/5로 둔다. 이 식은, 그러나, 상기 1시험결과만을 수식화한 것이므로, 강선의 인장강도, 강의 종류, 선지름 등을 고려하여,

평균응력τm=690-x일 때,

피로한계진폭응력τa=±(470+x/5) …(2)

로 하였다. 이 때문에, 상기 실시형태 3의 스프링은 청구항 9 및 10의 (2)식을 만족하는 것이 판명되었다. 이 청구항 9의 본 발명 스프링은, 극표층(최표층)의 잔류응력으로서 1200MPa 내지 1600MPa를 보유하는 경우가 많고, 1100 내지 1700MPa의 범위를 본 발명 스프링으로서 정한다.

실시형태 3의 비교스프링③, ④

상기 실시형태 3의 스프링과 동일 로트(lot)의 오일 템퍼선으로, 이것과 거의 동일 공정이지만, 호칭지름이 50㎛인 철계 미입자투사만을 생략한 비교스프링 ③을 제작하였다. 이 때의 표층부의 최대압축잔류응력은 표면에서 약 40㎛내부로 들어간 장소에 발생하고, 그 값은 대충 820MPa이었다. 또한, 극표면의 압축잔류응력은 630MPa로, 청구항 9의 요구치를 만족하지 않는다. 이 피로시험결과는, 5×10⁷회의 피로한계가 평균응력 588MPa로, 진폭응력은 ±440MPa이고 청구항 10기재의 피로한계보다 낮게 되어 있다. 또한, 제 2단 투사로서, 호칭 100㎛, 실측 모든 입자 평균지름97㎛, 동 최대입자지름 130㎛, 동 최소지름 약 35㎛, 개개의 입자의 최대/최소지름비가 1.2이하의 고탄소강 입자를 속도 약85m/sec로 투사하고, 그 후, 이어서 실시형태 3의 스프링과 동일하게, 220℃로 저온소둔, 냉간 셋팅으로 마무리한 비교스프링④을 작성하였다.

그 반복수 5×10⁷회에 있어서의 피로시험결과는, 평균응력 588MPa로 진폭응력 ±461MPa이고, 청구항 10을 만족하지 않는다.

10 내지 100㎛지름미만의 입자를 투사되기 전의 스프링 표면의 경도와 투사입자의 경도의 관계이지만, 스프링이 질화되지 않는 경우, 질화되 경우보다 스프링 표층은 경도가 작고, 그 때문에 연성이 높고, 스프링 표면경도보다 경도가 높은 강제의 입자투사에서도, 투사속도가 160m/sec이하이면, 미세균열 등을 생성하여 곤란하다. 다른 방향, 역으로 투사입자경도가 스프링 표면보다 적어져도, 표층개선효과는 확인되어 진다. 특히, 100 내지 140m/sec를 초과하는 비교적 고속의 투사로, 피가공재 스프링의 경도가 Hv550내지 600이상의 고경도의 경우, 피가공재와 동등이하의 경도의 미세입자로 투사해도, 표면의 요철이 경감되고, 게다가 비교적 내부까지 잔류응력이 높은 값으로 넣는다. 또한, 투사입자의 경도가 낮으면 반복투사로 피가공재 스프링보다도, 투사입자 자신에 가공경화가 현저하게 일어나지만, 입자의 초기품경도가 Hv350을 하회하면 피가공재 스프링의 표층개질효과의 효율이 내려가므로, 청구항 3, 4, 5에 있어서, 한계경도를 Hv350으로 하였다. 또한, 탄소강이나 합금강제의 미세투사입자는 비교적 싼가격으로 입수할 수 있어, 경제적으로 되고, 그 경도는 Hv1100이하이고, 이와 같은 경제성 및 내구성에 유해한 스프링의 표면거칠기의 증대나 표층의 미세균열을 피하는 의미에서 초기품의 미세입자의 상한경도는 Hv1100으로 하였다.

(실시형태 4)

미세 펄라이트를 주로하는 선연신으로 가공경화한 강선으로 제조한 스프링에, 질화처리를 하지 않고, 비교적 큰 치수의 통상의 숏 피닝을 실시한 뒤, 호칭지름 50㎛지름의 미세입자투사를 하는 방법으로 제조한 청구항 11해당의 스프링을 수반하여 이하에 상술한다. 직경 4.0㎜, 인장강도, B= 1,735MPa, 평균경도 Hv로 약 450의 피아노선을 이용해서 자동차 내연기관용 밸브 스프링을 시험삼아 제작하였다. 냉간으로 피아노선을 스프링에 코일링 후, 350℃로 15분간의 응력제거소둔을 실시하고, 코일 내측표면의 인장잔류응력을 제거하고나서 좌면연마을 실시하였다. 이것에 직경 0.6㎜, 경도 Hv550의 컷 와이어를 충분히 투사한 후 220℃로 저온소둔을 실시하였다. 게다가 연달아서 모든 입자 평균지름 37㎛, 최대입자지름 약 76㎛, 비중 약 7.6, 경도 Hv865, 입자의 최대/최소지름비 1.2이하로 모가 나지 않은 형상의 고탄소강 입자를 107m/sec의 속도로 충분히 투사하였다. 연달아 이것에 220℃의 저온소둔을 실시하고, 이어서 냉간 셋팅을 실시하였다. 이 스프링의 최표층 압축잔류응력은 590MPa이었다(도 7).

이 때의 비교 스프링⑤로서, 상기 실시형태 4의 스프링의 50㎛지름의 미입자투사만 생략한 스프링(이 이외에는 동일 재료와 공정)을 작성하였다. 그 최표층의 압축잔류응력은 430MPa(도 7)로 청구항 11의 요건인 550MPa이상을 만족하지 않는다. 또한, 이미 하나의 비교 스프링⑥으로서 상기 본 발명스프링의 제 2단 투사에 대신해서, 비교예 2의 제 2단 투사와 동일 조건으로 호칭 100㎛의 입자를 투사하였다.

이와 같이 하여 시작한 본 발명의 실시형태 5의 밸브 스프링과 비교 스프링의 피로시험을 실시하였다. 시험은 1000회/분의 속도로, 각 응력수준 마다 n=15개의 스프링을 시험하였다. 그 결과는 하기와 같이 본 발명 실시형태 4의 스프링의 비교스프링에 대응하는 개선효과가 명료하였다. 전자는 청구항 11의 (3)식을 만족하지만, 비교스프링⑤와 ⑥은 그것을 만족하지 않는다.

피로강도 실시형태 4의 본 발명스프링 피로한계 τa461MPa

비교스프링⑤ 피로한계 τa=373MPa

동 ⑥ 피로한계 τa=402MPa

(모두, 평균응력τm=588MPa, 반복수:5×10⁷회)

여기서, 이 코일스프링에 걸리는 최대평균응력을 690MPa로 상정하여, 상기 (1)식, (2)의 경우에서 설명한 바와 같이, 평균응력과 진폭응력의 상환성을 고려하면, 평균응력τm=690-x에 대응하고, 상기 실시형태 4의 스프링의 피로한계 진폭응력τa는, τa440.6+x/5로 표현할 수 있다. 선지름, 선의 인장강도, 강의 종류 등을 감안하여, 본 발명에는, 하기 (3)식을 만족하는 스프링을 본 발명의 스프링으로 하고, 극표면의 압축잔류응력을 550MPa이상으로 한다(청구항 11).

평균응력τm=690-x일 때,

반복수 5×10⁷회에 있어서의 피로한계진폭응력 τa422+x/5 …(3)

여기서, x:0 내지 140

이 스프링(비교예는 ⑤만)의 잔류응력분포를 나타내는 도 7보다, 최표면에서 깊이 50㎛까지의 표층부의 잔류응력이 SS처리에 의해서 크게 개선된 것이 판명되었다. 또한, 이 스프링의 표면거칠기Rmax는 0.6㎜입자투사의 상태로는 13.2㎛, 0.6㎜입자투사 후 전체 입자 평균지름이 37㎛인 것을 투사한 후의 본 발명에 의한 스프링에는 9.2㎛이었다.

상기 시험으로, 실시형태 4의 스프링의 피로시험응력이 높은 경우, 스프링의 침강이 약간 크게 되었다. 이 침강 방지를 위해, 피아노선에 대신하여 규소 및/또한 크롬 등의 내침강성을 넉넉한 원소를 첨가한 펄라이트 조직냉간 선연신 타입의 강선을 사용하는 것이거나, 핫셋팅의 실시가 대책으로서 사료되고, 본 발명에 이것도 포함된다.

(실시형태 5)

3.2㎜지름의 JIS SWOSC-V, 밸브 스프링용 오일 템퍼선을 이용해서 밸브 스프링을 시작하였다. 이 밸브 스프링은, 질화처리 하지 않고 SS처리를 실시하여 제조하였다.

이 밸브 스프링의 제조공정은 다음과 같다. 즉, 스피링 코일링, 400℃ㆍ20분의 저온소둔, 0.6㎜지름의 철계 라운드 컷 와이어의 속도70m/sec로의 투사, 고탄소강 미입자SS처리(속도 107m/sec, 모든 입자 평균지름 40㎛, 최대 입자 평균지름 75㎛), 이어서, 220℃로 20분의 저온소둔, 최후에 냉간 셋팅을 실시하였다. 이 스프링의 극표층의 압축잔류응력은 1010MPa이었다. 이 스프링의 피로시험을 실시한 경우, 평균응력τm=588MPa, 반복수 N=5×10⁷회에서의 피로한계진폭응력은 466MPa로 되었다. 이 응력은, 평균응력을 690-x로 두면, 진폭응력τm은 τa=445.6+x/5로 표현할 수 있다. SWOSC-V 오일 템퍼선의 인장강도 편차, 선지름범위, 등을 고려하여 본 발명에는, 극표층의 철소재의 압축잔류응력을 900MPa이상으로하고, 다음의 (4)식과 같이 스프링의 피로강도를 정한다(청구항 9).

평균응력τm=690-x, 반복 응력τa로 하여, 5×10⁷회에 있어서의 피로한계응력이,

τa440+x/5 …(4)

본원 청구항 10의 (2)식, 청구항 11의 (3)식, 청구항 12의 (4)식은, 모두, 평균응력이 xMPa정도 만족하면, 피로한계 진폭응력이 (x/5)MPa 증가하는 것을 의미한다. 이 식은, 각 청구항에 있는 공정과 재료를 필수로 하는 시작스프링의 피로시험결과를 고려하여 이끌어진 것이고, 상술한 바와 같이 응력 피닝 처리에 의하지 않는 종래 기술에 의한 스프링에 비하여 최표층 잔류응력 또는 피로강도는 우위에 있다. 상술한 바와 같이, 응력부하의 상태(응력 피닝)로 본 발명의 미세립 숏을 실시하면, 더욱 피로강도와 잔류응력의 개선이 가능하다.

이상의 설명에서 판명된 바와 같이,

①질화처리를 실시하여 코일 스프링의 피로강도를 높이는 방법은 밸브 스프링과 같이 압축코일 스프링에는 효과적이지만, 원가가 높은 문제가 있다. 본 발명은 질화의 경우와 같이 대규모적인 설비를 요하지 않고, 비교적 싼가격으로 내구성을 향상하는 것이 가능한 표면처리법으로 스피링을 제공한다.

②질화에 의한 내구성 향상이 실질적으로 불가능한 탄소강 스프링, 예컨대, 피아노선, 경강선, 탄소강 오일 템퍼선이나 탄소강 박판 등으로 제조한 스프링에 대하여 대폭적인 내구성 향상이 가능하다.

③인장응력이 높게 작용하는 박판 스프링이나 인장응력 하에 사용하는 스프링에는, 질화 스프링은 피로강도가 안정되지 않아서 역으로 피로강도를 손상하는 경우도 있다라는 문제를 떠맡고 있다.

본 발명에서는, 스프링 표층에 가장 잘 들어맞게 미세입자에 투사하여, 효율좋게 강가공을 하는 것이 가능하고, 이것에 의해서, 인장 또는 굽힘응력 하에 사용하는 스프링이나 인장스프링 등의 내구성을 대폭적으로 향상하는 것이므로, 스프링의 경량소형화에 기여한다.

④본 발명의 미세입자투사의 속도가 작게 되면, 지나치게 고속으로 투사한 경우보다 입자투사에 의한 스프링의 변형량이 작게 되고, 스프링의 치수 벌어짐이 작게 된다. 이 때문에, 제조한 스프링의 품질의 안정성에 기여한다.

Claims (13)

1. (A)강제 스프링의 표층을 질화처리하는 공정과,

   (B)질화처리된 강제 스프링의 표면으로, 질화된 최표층 경도(최표면에서 5㎛정도의 깊이위치에서의 마이크로 비커스 경도)보다도 연하고, 또한, 경도 Hv500 내지 800, 입경 200 내지 900㎛의 경질금속입자를 40m/sec 내지 90m/sec로 투사하여, 투사(숏 피닝)에 의한 표층의 미세균열발생을 방지하고, 압축잔류응력을 강제 스프링의 내부까지 부여하는 공정과,

   (C) 상기 (B)공정의 후의 강제 스프링 표면으로, 모든 입자의 평균지름이 80㎛이하, 또한, 개개의 입자가 각각 평균지름 10㎛이상 100㎛미만, 형상으로서 구형상 또는 구에 가까운 모가 난 부분이 없는, 비중 7.0 내지 9.0, 경도 Hv600이상 Hv1100이하, 또한, 질화 후 또는 저온침탄질화 후의 강제 스프링의 최표층 경도(최표면에서 5㎛정도의 깊이위치에서의 마이크로 비커스 경도)와 동등이하의 경도를 보유하는 다수의 미세금속입자를 속도 50 내지 190m/sec로 투사하고, 또한, 충돌에 의한 강제 스프링 표면질화층의 철소재(질소화합물층을 제외)의 순간적 승온한계를, 강제 스프링 표면층의 가공경화를 일으키지만, 회복재결정에 의한 연화가 일어나기보다는 저온으로 제어하면서 투사하는 것에 의해서, 표면층의 가공경화와 미세균열발생방지를 유효하게 행하는 높은 압축잔류응력과 경도를 부여하는 공정을 보유하는 것을 특징으로 하는 강제인 강제 스프링의 표면처리방법.
2. (A)질화 전의 강제 스프링 표면으로, 직경 10㎛이상 100㎛미만 또한, 모든 입자 평균지름 80㎛이하, 더욱 바람직하게는 모든 입자 평균지름 65㎛이하, 개개의 입자 평균지름 10 내지 80㎛의 다수의 구형상 또는 이것에 가까운 모가 난 부분이 없는 비중 7.0 내지 9.0, 경도 Hv350 내지 900의 철계의 금속입자를 50m/sec이상 160m/sec이하의 충돌속도로서, 또한, 충돌에 의한 강제 스프링 표면의 승온한계를 강제 스프링의 철소재의 가공경화를 일으키지만 회복재결정을 일으키기보다도 저온으로 제어하고, 또한, 미세균열 을 생기게 하지 않도록 투사하는 공정과,

   (B) 상기 (A)공정 후의 강제 스프링의 표층을 질화처리하는 공정과,

   (C)질화처리된 강제 스프링의 표면으로, 질화된 최표층 경도(최표면에서 5㎛정도의 깊이위치에서의 마이크로 비커스 경도)보다도 연하고, 또한, 경도 Hv500 내지 800, 입경 200 내지 900㎛의 경질금속입자를 40m/sec 내지 90m/sec로 투사하여, 투사(숏 피닝)에 의한 표층의 미세균열발생을 방지하고, 압축잔류응력을 강제 스프링의 내부까지 부여하는 공정과,

   (D) 상기 (C)공정 후의 강제 스프링 표면으로, 모든 입자의 평균지름이 80㎛이하, 또한, 개개의 입자가 각각 평균지름 10㎛이상 100㎛미만, 형상으로서 구형상 또는 구에 가까운 모가 난 부분이 없고, 비중 7.0 내지 9.0, 경도 Hv600이상 Hv1100이하, 또한, 질화 후 또는 저온침탄질화 후의 강제 스프링의 최표층 경도(최표면에서 5㎛정도의 깊이위치에서의 마이크로 비커스 경도)와 동등이하의 경도를 보유하는 다수의 미세금속입자를 속도 50 내지 190m/sec로 투사하고, 또한, 충돌에 의한 강제 스프링 표면질화층의 철소재(질소화합물을 제외)의 순간적 승온한계를, 강제 스프링 표면층의 가공경화를 일으키지만, 회복재결정에 의한 연화가 일어나기 보다는 저온으로 제어하면서 투사하는 것에 의해서, 표면층의 가공경화와 미세균열발생방지를 유효하게 행하는 높은 압축잔류응력과 경도를 부여하는 공정을 보유하는 것을 특징으로 하는 표면처리방법.
3. 삭제
4. 성형해서 조질된, 표층의 경도 Hv400 내지 750인 강제 스프링의 표면으로, (A)경도 Hv350 내지 900이고, 입경 200 내지 900㎛의 경질금속입자를 속도 40m/sec 내지 90m/sec로 투사하여, 이것에 의해 표층의 유해한 미세균열의 발생을 방지하면서 압축잔류응력을 강제 스프링의 내부까지 부여하는 공정과,

   (B) 상기 (A)공정의 후의 강제 스프링 표면으로 상기 제 3항에 따른 표면처리방법을 실시하는 공정을 보유하는 것을 특징으로 하는 표층에 피로강도를 저해하는 유해한 미소균열을 생성하지 않고, 표면에서 30 내지 50㎛이하의 표층부의 경도와 압축잔류응력을 특히 향상시키는 강제 스프링의 내구성 개선을 도모하는 표면처리방법.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 모든 입자 평균지름이 80㎛이하, 개개의 입자 평균지름이 10㎛이상 100㎛미만의 입자와 그 투사조건을 다음과 같이 한정한 것을 특징으로 하는 표면처리방법.

   투사입자경도 : 초기품의 경도 Hv600 내지 1100

   투사입자치수 : 초기품의 개개의 입자평균치수 10㎛ 내지 80㎛

   모든 입자 평균지름 : 65㎛이하

   투사입자의 비중 : 7.0 내지 9.0

   강제 스프링으로의 충돌속도 : 60m/sec 내지 140m/sec
6. 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 모든 입자 평균지름이 80㎛이하, 개개의 입자 평균지름이 10㎛이상 100㎛미만의 입자와 그 투사조건을 다음과 같이 한정한 것을 특징으로 하는 표면처리방법.

   투사입자경도 : 초기품의 경도 Hv350 내지 1100

   투사입자치수 : 초기품의 개개의 입자평균치수 10㎛ 내지 80㎛

   모든 입자 평균지름 : 65㎛이하

   투사입자의 비중 : 7.0 내지 9.0

   강제 스프링으로의 충돌속도 : 60m/sec 내지 140m/sec
7. 제 1항 또는 제 4항에 있어서, 상기 제 1항의 (B)의 공정 또는 제 4항의 (A)의 공정에서, 200 내지 900㎛지름의 경질금속입자의 투사를 치수가 큰 500 내지 900㎛지름의 입자의 제 1단 투사와 치수가 작은 200 내지 400㎛지름의 제 2단투사로 나누어져서 실시하는 것을 특징으로 하는 강제 스프링의 표면처리방법.
8. 원형단면선 또는 이형단면선으로 제조한 강제 스프링으로, 제 1항의 공정을 필수공정으로 하고, 제조한 하기 ①에서 ④의 어느 하나의 화학성분강의 코일 스프링에, 그 극표층의 X선에 의한 철의 압축잔류응력이 1700MPa보다 크고, 또한, 스프링의 피로절손의 원인으로 되는 경질의 비금속 개재물, 탄화물, 탄질화물 및 질화물의 치수와 모재의 경도가 하기 본 청구항의 X 또는 Y를 만족하고, 반복수 5×10⁷에 있어서의 피로강도가 하기 (1)식을 만족하는 고내피로강도 강제 스프링.

   즉, 반복 응력이 τm±τa으로서, τm=800-x일 때,

   τa (620+x/5) ………(1)

   여기서, τm : 평균응력,

   τa : 진폭응력,

   x : 변수로 0 이상이고 150이하

   단위 : 모두 MPa

   X : 강제 스프링 안에 존재하는 유해한 비금속 개재물, 탄화물의 치수가 20㎛미만 내지 15㎛이하일 때, 강제 스프링 표면에서 200 이상 500㎛까지의 깊이위치에서의 모재의 경도를 Hv520이상 580이하로 제어한다.

   Y : 강제 스프링 안의 유해한 비금속 개재물, 탄화물의 치수를 10㎛이하로 제어했을 때, 강제 스프링 표면에서 200 이상 500㎛까지의 깊이위치에서의 모재의 경도를 Hv520이상 630이하로 제어한다.

   여기서, 성분강① 내지 ④는 다음과 같다.

   ① C : 0.50 내지 0.80%, Si : 1.20 내지 2.5%, Mn : 1.20, Cr : 1.80을 필수성분으로 하고 나머지가 철 및 불순물로 이루어지는 강제 스프링, 및 이것에 V : 0.03 내지 0.60% 및/또는 Nb : 0.02 내지 0.20%의 1 종 또는 2 종을 첨가한 강제 스프링.

   ② 상기 ①에 더해서, Ni : 0.5%이하 및/또는 Co : 3.0%이하의 1 종이상을 함유하는 강제 스프링.

   ③ 상기 ①또는 ②의 성분에 더해서, W : 0.5%이하 및/또는 Mo :0.6%이하 및/또는 Al : 0.5%이하를 첨가한 강제 스프링.

   ④ C : 0.05이하, Si : 0.8이하, Mn : 0.8%이하, Ni : 16 내지 26, Ti : 0.2 내지 1.6, Al : 0.4%이하, Co : 8.5이하, Mo : 5.5이하, Nb : 0.6이하, (상기에 더하여 0.1이하의 B, Zr, 및/또는 Ca를 부가해도 좋다), 나머지가 불가피 불순물과 철로 이루어지는 재료로 이루어지는 강제 스프링(화학조성의 단위 : 모두 질량%).
9. 제 8항의 성분강①에서 ③의 어느 하나의 재료에 담금질, 뜨임처리를 실시하여, 선지름에 따라서, JIS 밸브 스프링용 오일 템퍼선 SWOSC-V보다도 인장강도가 높게 되도록 조질한 후, 스프링 성형을 실시하고, 또한 잔류응력제거의 목적으로 저온소둔을 실시하거나, 또는, 스프링 성형 후 담금질, 뜨임처리를 실시하여 그 인장강도 또는 경도가 JIS 밸브 스프링용 오일 템퍼선 SWOSC-V보다도 높게 되도록 조질한 후, 또는, 제 8항의 성분강④의 재료로 제조한 강제 스프링에 이 재료에 용체화 처리를 실시하고, 그 후 더욱 냉간선연신 또는 압연을 실시하고 나서 스프링 성형하고, 이어서 시효처리하여 그 인장강도를 1900MPa이상으로 되도록 조질한 후, 제 4항의 공정에 따라서, 제조한 강제 스프링에서 그 표층근방의 잔류응력을 1100MPa를 초과하여 1700MPa이하, 표면경도가 Hv600이상이고 Hv800이하, 표면에서 200㎛ 내지 500㎛의 깊이위치에 있어서의 경도 Hv580 내지 630일 때, 비금속 개재물치수를 10㎛이하/표면에서 200 내지 500㎛의 깊이위치에 있어서의 경도를 Hv520이상이고 Hv580보다 작게 할 때, 비금속 개재물치수를 15㎛이하 내지 20㎛미만으로 한 것을 특징으로 하는 피로강도가 우수한 강제 스프링.
10. 제 9항에 있어서, 그 피로한계가 다음의 식을 만족하는 강제 스프링.

    반복 응력 τm±τa, 반복수 : 5×10⁷로 하여,

    τm=690-x일 때, τa470+x/5 ………(2)

    여기서, x : 0 내지 183, 단위 : MPa
11. 냉간선연신 또는 온간선연신한 미세 펄라이트를 주로 하는 피아노선 및 그 보다도 온간 내침강성에 우수한 강제 스프링용 저합금강선 및 유사한 강선으로 만들어진, 그 원형단면선의 선지름 또는 이형단면선의 평균지름 또는 두께가 1500㎛상의 스프링에, 스프링 성형후, 잔류응력제거를 위한 저온소둔을 실시하고, 이어서 200 내지 900㎛지름의 경질금속 입자투사 후 추가로 모든 입자의 평균지름이 65㎛이하, 또한, 개개의 입자가 각각 평균지름 10 내지 80 ㎛으로 모가 나지 않은 구형상 또는 그것에 가까운 형상을 보유하고, 비중 7.0 내지 9.0, 경도 Hv350이상 1100이하인 다수의 미세금속입자를 속도50 내지 160m/sec로 투사하고, 극표층의 가공경화를 일으키지만 회복ㆍ재결정을 일으키기보다는 저온으로 제어하는 것에 의해서 표층의 철소재의 X선압축잔류응력을 550MPa이상으로 하여, 다음의 피로한도이상의 특성을 보유하는 강제 스프링.

    반복 응력 τm ±τa, 반복수 : 5×10⁷로 하여,

    τm=690-x일 때, τa422+x/5 ………(3)

    여기서, 단위 : MPa, x : 0 내지 140
12. 통상의 JIS규격 밸브 스프링용 오일 템퍼선 SWOSC-V를 이용해서, 스프링 성형 후 잔류응력제거를 위한 저온소둔을 실시하고, 이어서 200 내지 900㎛지름의 경질금속입자를 투사하고, 추가로 그 후의 공정으로, 모든 입자의 평균지름이 65㎛이하, 또한, 개개의 입자가 각각 평균지름10 내지 80㎛로 모가 나지 않은 구형상 또는 구에 가까운 형상을 보유하고, 비중 7.0 내지 9.0, 경도 Hv500이상 1100이하의 다수의 미세금속입자를 속도50 내지 160m/sec로 투사하고, 극표층부의 가공경화를 일으키지만 회복ㆍ재결정을 일으키는 온도보다 저온으로 제어하는 것에 의해서, 그 극표층의 X선압축잔류응력을 900MPa이상, 표면에서 깊이 200 내지 500㎛에 있어서의 경도가 Hv520 내지 600으로, 비금속 개재물치수가 15㎛이하로서, 다음의 피로한도이상의 특성을 보유하는 강제 스프링.

    반복 응력 τm±τa, 반복수: 5×10⁷로 하여,

    τm=690-x일 때, τa440+x/5 ………(4)

    여기서, 단위 : MPa, x : 0 내지 208
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