WO2002050328A1 - Tige de fil d'acier pour ressort etire dur, tige de fil etire pour ressort etire dur, ressort etire dur et procede de production de ce ressort - Google Patents

Description

明細書

硬引 き ばね用鋼線材、 硬引 き ばね用 伸線材お よ び硬引 き ばね並びに硬引 き ばねの製造方法 技術分野

こ の発明 は、 自 動車エ ン ジ ン の弁 ばね、 ク ラ ッ チ ばねお よ びブ レーキ ばね等 の 素材 と し て有用 な硬引 き ばね用鋼線材、 お よ び こ の ばね用鋼線 材を使用 し た硬引 き ばね用伸線材や ばね、 並びに こ う し た硬引 き ばね を 製造す る 為 の有用 な方法等に関する も ので あ る 。 背景技術

自 動車等の軽量化や高 出力化 に伴い 、 弁 ばね、 ク ラ ッ チばね、 ブ レー キばね等にお いて も 高応力化が指向 さ れ、 疲労強度お よ び耐へた り 性に 優れた ばねが要求 さ れて い る 。 特 に 、 弁 ばねの高応力化 に対す る 要求が 強い傾向 に あ る のが実状であ る 。

近年、 弁 ばねの大部分は、 オイ ルテ ンパ ー線 と 呼ばれる焼入れ · 焼戻 し の施 さ れた鋼線 を 、 常温でばね巻き 加工 し て製造さ れて い る の が一般 的であ る 。 こ う し た ばね の製造方法 と し て 、 例 え ば J I S 規格で は一般 のオイ ルテ ンパ ー線 （ J I S G 3 5 6 0 ) と は別 に、 弁ばね用 オイ ル テ ンパー線 ( J I S G 3 5 6 1 ) を規定 し てお り 、 鋼種、 不純物 レべ ル、 き ず深 さ 等 を よ り 厳 し く 管理す る 様 に要求 さ れて い る 。

上記 の様な オイ ルテ ン パ ー線では、 焼戻 し マルテ ンサイ ト 組織で あ る ので、 高強度 を得 る の に都合が良 く 、 ま た疲労強度ゃ耐へた り 性 に優れ る と い う 利点があ る も の の 、 焼入れ · 焼戻 し等の熱処理 に大掛か り な設 備 と処理 コ ス 卜 を要する と い う 欠点があ る 。

一方、 負荷応力 が比較的低 く 設計 さ れた一部の弁ばね には、 フ ェ ラ イ ト ' パー ラ イ ト 組織ま た はパー ラ イ ト 組織の炭素鋼 を伸線加工 し て強度 を 高 め た線材 （「硬引 き 線」 と 呼 ばれて い る ） を 、 常温で ばね巻 き加工 し た も の が使用 さ れて い る 。 こ う し た ばね と し て、 J I S 規格 に は ピア ノ 線 （ J I S G 3 5 2 2 ) の 中 で、 特 に 「弁ばね ま た は こ れ に準ずる ばね用 」 と して、 「 ピ ア ノ 線 V種」 を定めて い る 。

上記の様な硬引 き線 に よ っ て製造 さ れる ばね （以下で は、 こ の ばねを 「硬引 き ばね」 と 呼ぶ） は、 熱処理 を必要 と し な い の で低 コ ス ト に な る と い う 利点があ る 。 し カゝ し なが ら 、 フ ェ ラ イ ト ' パー ラ イ ト 組織ま た は パ ー ラ イ ト 組織を伸線 し た線材では、 疲労特性ゃ耐へた り 性が低 い と い う 欠点があ り 、 こ う し た線材 を 素材 と し て用 い て も 、 近年要望の高 ま つ て い る 様な高応力 ばねは実現で きな い。

低コ ス 卜 に製造で き る と い う 利点 の あ る 硬引 き ばね にお い て、 よ り 高 応力化 を 図 る技術 も 様々 検討 さ れてお り 、 こ う し た技術 と し て例 え ば特 開平 1 1 一 1 9 9 9 8 1 号 に は、 オース テ ンパー線 と 同等の特性 を備え た ピア ノ 線 と して、 共析〜過共析鋼パー ラ イ 卜 の伸線加工方法 を工夫す る こ と に よ っ て、 特定のセ メ ン タ イ ト 形状を得 る 方法が提案 さ れて い る し か し なが ら こ う し た方法 にお いて も 、 伸線方向 を入れ替え る な ど、 ェ 程 の複雑化 に よ る 製造 コ ス ト の上昇は避け ら れな い。

本発明 は こ う し た状況の下 に な さ れた も ので あ っ て、 その 目 的 は、 ォ ィ ルテ ンパー線を用 いた ばね と 同等以上の疲労強度お よ び耐へた り 性 を 発揮する 硬引 き ばね を製造す る 為 の ばね用鋼線材、 ばね用伸線材、 お よ び こ の様な硬引 き ばね、 並びに こ う し た硬引 き ばね を低 コ ス ト で製造す る 為 の有用 な方法等 を提供す る こ と に あ る 。 発明 の 開示

上記の 目 的 を達成 し得た本発明 の硬引 き ばね用鋼線材 と は、 C ： 0 . 5 〜 0 . 7 質量％ 未満、 S i : 1 . 4 〜 2 . 5 質量％ 、 M n ： 0 . 5 〜 1 . 5 質量％ 、 C r ： 0 . 0 5 ~ 2 . 0 質量％ お よ び V : 0 . 0 5 〜 0 4 0 質量％ を夫々 含有する と共 に、 パ ー ラ イ ト 組織の面積率 R p が下記 ( 1 ) 式 を満足する も のであ る 点 に要 旨 を有する も ので あ る 。

R p (面積 ％ ) ≥ 5 5 X [ C ] + 6 1 - ( 1 )

但 し 、 [ C ] は C の含有量 （質量％ ) を示す。

こ の 硬引 き ばね用鋼線材 に お い て は 、 （ a ) N i ： 0 . 0 5 〜 0 . 5 質量 ％ 含有 さ せ る こ とや 、 （ b ) パ 一 ラ イ ト 組織中 の フ ェ ラ イ ト に 、 円 相 当 直径で 5 0 n m以下の V ， C r 炭化物、 炭窒化物お よび V と C r の 複合炭化物 、 複合炭窒化物が合計で 1 0 個 / / m² 以上で あ る 要件 を 満 足 さ せ る こ と 等 も 有効であ り 、 こ れ に よ つ て硬引 き ばねの特性 を更 に改 善する こ と がで き る 。

ま た 、 上記 目 的 を達成 し得た本発明 の硬引 き ばね用伸線材 と は、 C ： 0 . 5 〜 0 . 7 質量％未満、 S i : l . 4 〜 2 . 5 質量 ％ 、 M n : 0 .

5 ~ 1 . 5 質量 ％ 、 C r ： 0 . 0 5 〜 2 . 0 質量％ お よ び V : 0 . 0 5 〜 0 . 4 0 質量％ を夫々 含有す る と共 に、 パー ラ イ ト 組織の面積率 R p が下記 （ 1 ) 式を満足 し 、 且つ線材の 引張強 さ T S が下記 （ 2 ) 式 を満 足す る も ので あ る 点 に要旨を有する も のであ る 。

R p (面積％ ) ≥ 5 5 X [ C ] + 6 1 - ( 1 )

但 し 、 [ C ] は C の含有量 （質量％ ) を示す。

一 13.1d³ + 160d²- 671d+ 3200≥ T S ≥ 一 13.1d³+ 160d²— 671d+ 2800

- ( 2 )

但 し 、 d : 線材の直径 （ m m ) [ 1 . 0 ≤ d ≤ 1 0 . 0 ]

こ の硬引 き ばね用伸線材にお いて は、 N i : 0 . 0 5 - 0 . 5 質量％ 含有 さ せる こ と も 有効であ る 。

上記の様な ばね用鋼線材ま た は ばね用伸線材を用 い る こ と に よ っ て、 高応力 を発揮す る 硬引 き ばねが得 ら れ る 。 ま た、 こ の硬引 き ばね にお い て は、 ばね内側 にお ける表層残留応力 が圧縮か ら 引張 り に転ずる 深 さ が 0 . 0 5 m m以上の も のであ る こ と が好 ま し く 、 よ り 好 ま し く は こ の こ の深さ が 0 . 1 5 m m以上の も のであ る 。 更に 、 こ の硬引 き ばね に は、 そ の表面 に窒化処理 を施す こ と も有効で あ る 。

上記の様な硬引 き ばねを 製造する に 当 た り 、 シ ョ ッ ト ピーニ ン グ後に 室温以上の温度で、 下記 （ 3 ) 式を満足す る 応力 て （ M P a ) を少な く と も 1 回付与する 様 にすれば良 い。 ま た、 こ の製造方法 にお い て は、 応 力 て を 付与する と き の温度 は 1 2 0 °C 以上で あ る こ と が好ま し い。

τ ≥線材 の 引張強 さ T S ( M P a ) X 0 . 5 - ( 3 ) 図面の簡単な説明

図 1 は、 鋼 中 の炭素含有量 と パー ラ イ ト 面積率の関係 を示 し た グ ラ フ で あ る 。 発明 を実施す る た め の最良 の形態

本発明者 ら は、 上記 目 的 を達成す る こ と ので き る硬引 き ばね用鋼 の実 現 を 目 指 し て様々 な角 度か ら検討 し た。 その結果、 鋼線材の化学成分組 成を厳密 に規定す る と共 に、 線材中 のパー ラ イ ト 組織面積率を含有炭素 量 と の 関係で適切な範囲 [前記 （ 1 ) 式で規定する 範囲 ] に制御 し た鋼 線材で は、 オイ ルテ ンパー線を用 い た ばね と 同等以上の疲労強度お よ び 耐へた り 性 を発揮す る硬引 き ばね得 ら れる こ と を見出 し 、 本発明 を完成 し た。

本発 明 の ばね用鋼線材で は、 化学成分組成を適切 に調整する 必要があ る が、 そ の 範囲限定理由 は下記の通 り で あ る 。

C ： 0 . 5 〜 0 . 7 質量 ％未満

C は、 伸線材の 引 張強度 を高 め 、 疲労特性ゃ耐へた り 性を確保する た め に有用 な元素で あ り 、 通常の ピ ア ノ 線では 0 . 8 質量 ％ 前後含有 さ れ て い る が、 本発明で 目 的 と し て い る 様な高強度 の伸線材 にお い て は、 C の含有量が 0 . 7 質量％ 以上 にな る と 欠陥感受性を高 く し、 表面疵ゃ介 在物か ら の亀裂を発生 し て疲労寿命が劣化する こ とが分か っ た ので、 0 . 7 質量 ％未満 に限定 し た。 但 し 、 C 含有量が 0 . 5 質量 ％未満 に な る と 、 高応力 ばね と して必要な引張強 さ が確保でき な い ばか り か、 疲労亀裂発 生 を助長する 初析フ ェ ラ イ ト の量が多 く な つ て疲労特性 を劣化 さ せる の で、 C 含有量の下限は 0 . 5 質量％ と する 必要があ る 。

S i ： 1 . 4 〜 2 . 5 質量 ％

S i は、 固溶強化 に よ っ て伸線材 の 引張強 さ を高め 、 疲労特性 と耐へ た り 性 の改善 に貢献する元素で あ る 。 C 含有量を低め に し た分だけ S i を 高 め に含有 さ せる 必要があ り 、 こ う し た観点か ら そ の下限は 1 . 4 質 量 ％ と し た。 しか し なが ら 、 S i の含有量が 2 . 5 質量 ％ を超 えて過剰 に な る と 、 表面の脱酸ゃ疵等が増加 し て耐疲労性が悪 く な る 。 尚 、 S i 含有量の好ま し い下限は 1 . 7 質量 ％ 程度であ り 、 好 ま し い上限は 2 . 2 質量 ％ 程度であ る 。

M n ： 0 . 5 〜 1 . 5 質量 ％

M n は、 パー ラ イ ト 組織を緻密且つ整然化 さ せ、 疲労特性の改善に貢 献する 元素で あ る 。 こ う し た効果を発揮さ せる 為 に は、 M n は少な く と も 0 . 5 質量 ％含有 さ せる 必要があ る が、 過剰 に含有 さ せる と 熱間圧延 時ゃパ テ ンテ ィ ン グ処理時 に ペイ ナイ ト 組織が生成 し 易 く な り 、 疲労特 性 を劣化 さ せる ので、 1 . 5 質量％ 以下 とすべき であ る 。 尚 、 M n 含有 量の好 ま し い下限は 0 . 7 質量 ％程度で あ り 、 好 ま し い 上限は 1 . 0 質 量 ％程度で あ る 。

C r ： 0 . 0 5 ~ 2 . 0 質量 ％

C r は、 パー ラ イ ト ラ メ ラ 間隔を 小 さ く し て、 圧延後、 ま た は熱処理 後の強度 を上昇さ せ、 耐へた り 性 を 向上 さ せる の に有用 な元素で あ る 。 こ う し た効果 を発揮さ せ る た め に は、 C r 含有量は 0 . 0 5 質量％ 以上 と する 必要があ る 。 し か し なが ら 、 C r 含有量が過剰 に な る と 、 パテ ン テ ィ ン グ時間が長 く な り 過ぎ、 ま た靭性ゃ延性が劣化す る ので、 2 . 0 質量 ％ 以下 とする 必要があ る 。

V ： 0 . 0 5 〜 0 . 4 0 質量 ％

V は、 パ ー ラ イ ト ノ ジ ュ ールサイ ズを微細 に し て伸線加工性、 ばねの 靱性お よ び耐へた り 性等を改善する の に有用 な元素で あ る 。 こ う し た効 果 を発揮 さ せ る 為 に は、 V は 0 . 0 5 質量 ％ 以上含有 さ せる 必要があ り 、 好 ま し く は 0 . 1 0 質量％ 以上含有 さ せる のが良い。 し か し なが ら 、 0 . 4 0 質量 ％ を超えて過剰 に含有 さ せて も 、 熱間圧延時ゃパテ ンテ ィ ン グ 処理時 に ペイ ナイ ト 組織が生成 し 易 く な り 、 疲労寿命 を劣化 さ せ る こ と に な る 。

本発 明 の ばね用鋼線材 にお け る 基本的な化学成分組成は上記 の通 り で あ る が、 必要 に よ っ て 0 . 0 5 〜 0 . 5 質量 ％ の N i を含有 さ せ る こ と も 有用 で あ る 。 N i を含有 さ せ る と き の範囲お よ びそ の理 由 は下記の通 り で あ る 。

N i ： 0 . 0 5 〜 0 . 5 質量 ％

N i は、 切 り 欠き感受性 を低 め る と 共に靭性 を 高め 、 ばね巻き加工時 の折損 ト ラ プル を抑制する と共 に、 疲労寿命 を 向上 さ せ る の に有効な元 素で あ る 。 こ う し た効果を発揮 さ せ る 為 に は、 0 . 0 5 質量 ％ 以上含有 さ せ る こ と が好 ま し い。 し か し なが ら 、 N i を過剰 に含有 さ せ る と 、 熱 間圧延時ゃパ テ ンテ ィ ン グ処理時 にペイ ナイ ト 組織が生成 し 易 く な り 、 逆効果 と な る の で、 0 . 5 質量 ％ 以下 とす る のが良い 。 尚、 N i 含有量 の よ り 好 ま し い下限は、 0 . 1 5 質量 ％ で あ り 、 よ り 好 ま し い 上限は 0 . 3 0 質量 ％ で あ る 。

本発 明 の ばね用 鋼線材 に お い て 、 上記で説 明 し た化学成分組成以外 (残部） は実質的 に F e か ら な る も の であ る が、 上記の 各種成分以外に も ばね用鋼 の特性 を 阻害 し な い 程度 の微量成分 を含み得る も の で あ り 、 こ う し た鋼線材 も本発明 の範囲 に含 ま れ も ので あ る 。 上記微量成分 と し て は、 例 え ば焼入れ性向上の為 に添加 さ れる こ と の あ る M o ： 0 . 5 質 量 ％ 以下程度や 、 製鋼 時 の 脱酸剤 と し て含有 さ れ る A 1 ： 0 . 0 5 質 量 ％以下程度が挙げ ら れ、 ま た不純物、 特 に P ， S , A s , S b， S n 等の不可避不純物 （ P や S で 0 . 0 2 % 以下程度、 A s ， S b お よ び S n で 0 . 0 1 % 以下程度） が挙げ ら れる 。

本発明 の ばね用 鋼線材 にお い て は、 線材中 のパ一 ラ イ ト 組織面積率を 含有炭素量 と の 関係で適切な範囲 [前記 （ 1 ) 式で規定する 範囲 ] に制 御する 必要があ る が、 こ の理 由 は下記の通 り で あ る 。

本発明 に用 い ら れる鋼材の C 含有量は、 前述 の如 く 、 0 . 5 〜 0 . 7 質量％未満 と共析成分よ り も 低 く し な ければな ら な い ので あ る が、 こ の 様な鋼材か ら 線材 を通常の方法で製造する と 初析 フ ェ ラ イ ト 組織が生成 し 、 こ の初析フ ェ ラ イ ト 組織は疲労破壊の起点 と な っ て疲労寿命 を劣化 さ せる こ と に なる 。 こ う し た不都合 を 回避す る 為 には、 初析フ ェ ラ イ ト を でき る だけ少な く し 、 パ一 ラ イ ト 組織分率 を 高 く する こ とが必要 にな る 。

図 1 は、 鋼 中 の炭素含有量 と パー ラ イ ト 面積率の 関係 を示 し た も ので あ る 。 一般的な炭素鋼では、 パー ラ イ ト 面積率が比較的低い組織で あ る が、 本発明 の鋼線材では、 上記 し た観点か ら パ ー ラ イ ト 面積率が炭素含 有量 と の 関係か ら 比較的高 い組織 と な っ て い る ので あ る 。

上記 （ 1 ) 式を満足す る 様な組織を得る 為 に は、 熱間圧延時 ま た はパ テ ンテ ィ ン グ処理時 に A e ₃ 変態点 （オー ス テナイ ト と フ ェ ラ イ 卜 が平 衡 に共存で き る 上限温度） よ り 高 い温度か ら 、 A e i 変態点 （ フ ェ ラ イ ト とセ メ ン タ イ ト が共存で き る 上限温度） 以下の温度 に でき る だけ急速 に冷却する こ と が有効で あ る 。 具体的 に は、 熱間圧延の場合 に は コ ンペ ァ 上の冷却条件を 上記温度領域 にお い て、 冷却速度 を 5 °C / s e c 以上 好 ま し く は 1 0 °C Z s e c 以上 に管理す る こ と が有効で あ る 。 但 し 、 必 要以上 に冷却 を続行する こ と は、 精細 なパー ラ イ ト 組織が得 ら れな く な り 、 ペイ ナイ 卜 の様な過冷組織が混入 し て靭性を劣化 さ せる の で、 冷却 条件 を コ ンベア の位置毎に管理 し 、 線材の温度が約 5 5 0 °C以下の領域 ま で は冷却 を緩め る こ と が推奨 さ れる 。

パ テ ン テ ィ ン グ処理 に お い て は、 A e ₃ 変態点か ら A e i 変態点 ま で の 冷却が比較的速 く な る が、 恒温保持に利用す る媒体 と し て は熱伝導率 の高 い も の を選定する こ と が望ま し い。 具体的 に は、 例 え ば流動槽よ り も 、 鉛浴や塩浴を利用す る こ と が望 ま し い。 更 に冷却 を速め る 為 に は、 オース テナイ ト 化加熱炉か ら 恒温保持炉へ入る 間 の プ ロ セス に冷却工程 を介在 さ せ、 こ の冷却工程 に よ っ て強制冷却す る こ と が好 ま し い。 ま た 冷却速度 を大き く する 為 に は、 線材の送給速度 を でき る だけ大き く する こ と も 有効で あ る 。 尚、 パ ー ラ イ ト 面積率 R p につ い て は、 伸線加工や そ の後 の ばね巻き加工 に よ っ て も大き く 変化す る こ と がな い ので、 面積 率 の測定は伸線加工後の線材や ばね製品 にお い て実施 し て も 良 い 。

上記 の様な ばね用鋼線材 にお いて、 パー ラ イ ト 中 の最弱部で あ る フ エ ラ イ ト を強化すれば、 耐へた り 性を改善でき る の で好 ま し い。 そ し て、 フ ェ ラ イ ト を強化する 為 に は、 フ ェ ラ イ ト 中 に微細な析 出物 を析出 さ せ る こ と 、 具体的 に は 円相 当 直径で 5 O n m以下 の V ， C r の炭化物、 炭 窒化物、 お よ び V と C r の複合炭化物、 複合炭窒化物 （以下、 こ れ ら を 総称 し て 「複合炭窒化物等」 と 呼ぶ こ と があ る ） が合計で 1 0 個 / ^ m ² 以 上 と な る 様 にす る こ と で あ る 。 尚 、 「 円相 当 直径」 と は、 該当 す る 析 出物 の大き さ に着 目 し て、 そ の面積が等 し く な る 様 に 想定 し た 円 の直 径 を求め た も ので あ る 。

本発明 の ばね用鋼線材 にお い て は、 上記の要件 を満足する 限 り 、 大 き さ が 円相 当直径で 5 0 n m を超え る 様な複合炭化物等 を 一部 に含んで い て も 良い が、 複合炭化物等はそ の殆 ど若 し く は全部が 5 0 n m以下の も の が あ る こ と が好ま し い 。 ま た、 複合炭化物等 の大き さ の下限につ いて は特 に 限定する も のではな い が、 実際問題 と し て例え ば 1 5 万倍の透過 型顕微鏡で確認でき る 大き さ の 限界は約 1 0 n mで あ る ので、 こ の値が 実質的 な下限 となる 。

と こ ろ で、 フ ェ ラ イ ト 中 に微細析出物 を多量 に分散 さ せて上記の条件 を満足 さ せ る ため に は、 例 え ば （ 1 ) 圧延終了後、 8 0 0 〜 9 0 0 °C近 傍 の オース テナイ ト 温度領域 を 2 °C Z s e c 以上で冷却 し （オース テナ ィ ト 領域で は あ ま り 析出 さ せ な い ）、 7 5 0 〜 4 0 0 °C の温度域 を 0 . 5 〜 l °C / s e c の 冷却速度で冷却 し た り 、 （ 2 ) 9 0 0 °C で加熱 し て 6 4 0 °C にて変態さ せた後、 4 0 0 °C までの温度域を 0 . 5 ~ 1 / s e c の 冷却速度で冷却す る 様 にすれば良 い。

上記 の様な ばね用鋼線材 を用 い て伸線加工お よ びばね巻 き加工 を施す こ と に よ っ て、 希望する 特性 を 発揮する ばねが得 ら れる の で あ る が、 こ う し た効果 を よ り 有効 に発揮 さ せる た め に は、 伸線加工線材 （ばね用伸 線材） が上記 （ 2 ) 式の閧係 を満足す る こ とが有効で あ る 。

上記 （ 2 ) 式に 関連 し て、 J I S G 3 5 2 2 — S W P — V に つ い て は、 引張強 さ が線材の直径に応 じ て規定 さ れてい る が、 一般ばね用 の S W P — B 等 よ り も低い T S に設定 さ れて い る 。 そ の理 由 は、 引張強 さ を 高 く し 過 ぎる と欠陥感受性の増加ゃ靭 · 延性の低下等 を招 き 、 伸線中 の 断線、 ばね加工中 の折損、 疲労破壊、 脆性破壊等の 問題が生 じ る 可能性 があ る か ら と考え ら れる 。

こ れ に対 し て本発明では、 欠 陥感受性 を下げて、 靭 · 延性 を高 め る こ と に よ っ て、 上記 （ 2 ) 式右辺 の値以上の T S 領域での ばねの製造 と 使 用 に適 し た も の と し たの で あ る 。 但 し 、 こ の 引張強 さ T S を高 く し 過ぎ る と 、 欠陥感受性ゃ靭 · 延性の低下 に よ る 悪影響が防ぎき れな い の で、 そ の上限 を 上記 （ 2 ) の左辺 の値まで と し た。 こ う し た要件 を満足す る 伸線材 は、 従来の伸線設備 に よ っ て伸線する こ と に よ つ て も 可能で あ る が、 特 に高強度な線材を塑性加工する こ と にな る ので、 断線 を起 こ さ な い 様 に そ の条件 を適切 に考慮す る こ と が望 ま れ る 。 こ う し た観点か ら 、 ( 1 ) 伸線前処理 と して リ ン酸塩被膜を施 し た上で潤滑剤 に は金属石鹼 を 用 い る こ と 、 （ 2 ) 伸線ダイ ス 個 々 の減面率は 1 5〜 2 5 % の 範囲 と す る こ と （但 し 、 残留応力 制御 の為 に最終ダイ ス のみ減面率 を下げて も 良 い）、 （ 3 ) 伸線中 の温度上昇を 防 ぐ為 に伸線速度を 上 げ過ぎな い様 に す る 、 等 に留意すべきであ る 。

本発明 に係 る ばねにお いて は、 ばね内側 にお け る表層残留応力 が圧縮 か ら 引 張 り に転ずる深さ が 0 . 0 5 m m以上で あ る こ と が好 ま し く 、 よ り 好 ま し く は こ の こ の深さ が 0 . 1 5 m m以上の も の で あ る 。 通常、 弁 ばねやそれ に準ずる 高応力 ばね に は、 シ ョ ッ ト ピーニ ン グに よ っ て表層 に圧縮残留応力 が付与さ れた状態で使用 さ れる のであ る が、 表層 （ばね 内側部分の表層） か ら 深さ 方法圧縮残留応力 を順次測定 し て い く と 、 或 る 深 さ か ら 引 張強 さ に転ずる 。 そ し て、 こ の深 さ （以下、 「 ク ロ ッ シ ン グポイ ン ト 」 と 呼ぶ） は、 シ ョ ッ ト ピーニ ン グ条件、 材料の硬さ 、 シ ョ ッ ト ピ一ニ ン グ前の母材の残留応力 分布等 に依存する 。 通常の硬引 き線 の表層 に は、 伸線加工に よ る 引張残留応力 が生 じて い る ので、 シ ョ ッ ト ピ一ニ ン グ後の残留応力 の ク ロ ッ シ ン グポイ ン ト は、 オイ ルテ ンパー線 な ど に 比べて小 さ く な る 傾向があ る 。 こ れ に対 し本発明 の線材では、 一 般 に硬引 き ばねよ り も高応力 での使用 を想定 し た も ので あ る こ と か ら 、 オイ ルテ ンパー線製ばねにお い てな さ れる 条件 よ り も強 く シ ョ ッ ト ビー ニ ン グ を施 し 、 ク ロ シ ン グポイ ン ト を意図的 に 0 . 0 5 m m以上、 よ り 好 ま し く は 0 . 1 5 m m以上 と な る 様 に管理する こ と が望ま し い。

尚 、 ク ロ シ ン グポイ ン ト が上記の 範囲 と な る 様にする 為 に は、 伸線加 ェ の 引 張残留応力 を低減す る 為 に 、 （ a ) 伸線時の最終 ダイ ス の減面 率 を 1 0 % 以下、 好 ま し く は 3 ~ 6 % 程度 と す る こ と 、 （ b ) ばね巻き 加 ェ の歪取焼鈍温度 を 3 6 0 °C 以上 に 高 め る こ と 、 （ c ) シ ョ ッ ト ピー ニ ン グ工程 にお いて平均直径 0 . 3 m m以上、 好ま し く は 0 . 6 m m以上 の シ ョ ッ ト粒 に よ る 投射を 少な く と も 1 度行な う こ と 、 等が有効であ る 本発明 の ばねには、 特に過酷な応力条件で使用 さ れる こ と が予想 さ れ る 場合 に は、 そ の表面 に窒化処理 を施す こ と も 有効であ る。 こ う し た窒 化処理 を施す こ と に よ っ て、 疲労強度 を更 に改善する こ とがで き る 。 こ う し た窒化処理 に 関 し ては、 オイ ルテ ンパー線の弁ばね につ い て は従来 か ら そ の処理が行なわれて い る が、 硬引 き ばね につ い て は、 全 く 行われ て いなか っ た。 こ れは、 硬引 き ばねで は、 それ ほ ど過酷な条件で使用 さ れた こ と がなか っ た こ と や、 通常の硬引 き線の化学成分では窒化処理 を 施 し て も効果が あ ま り 期待で きな い と考え ら れて い た こ と等が原因 で あ る 。

こ れ に対 し て、 本発明で規定する化学成分組成 を有す る線材を硬引 き し た後、 窒化処理 を施す と 、 疲労寿命が改善 さ れる こ と にな る 。 こ う し た効果が発揮 さ れる 理 由 は、 次の様 に考え る こ と がで き た。 即ち 、 本発 明 の ばねは C 含有量が低 い も のであ る ので、 パー ラ イ ト 組織を構成す る セ メ ン タ イ ト 相 に対 し て フ ェ ラ イ ト 相 の体積が高 く な つ てお り 、 且つ フ エ ラ イ ト を S i ， V , C r 等の合金元素で強化す る こ と によ っ て線材の 強度がフ ェ ラ イ ト 自 身の強度 に依存する 状態 に な っ て い る ので、 窒化 に よ っ て フ ェ ラ イ ト の強度 を高 め る こ と が疲労強度 の直接的な改善に紫が る も の と考え ら れる 。 尚、 本発明者 ら が確認 し た と こ ろ によれば、 窒化 処理 を施す こ と に よ る 効果は、 特 に表層 1 0 i m位置で硬さ を H V 6 0 0 以上 （好 ま し く は H V 7 0 0 以上） と な る 様 に処理 し た と き に大き い こ と が判 明 し た。

一方、 本発明 の ばね を製造する に 当 た っ て は、 シ ョ ッ ト ピーニ ン グ後 に 、 室温以上好 ま し く は 1 2 0 °C以上の温度で、 前記 （ 3 ) 式 を満足す る 応力 て を少な く と も 1 回付与する こ と が有効であ る 。 一般に硬引 き ば ね は、 オイ ルテ ンパー線製ばね に比べて耐へた り 性が低い。 本発明 では 鋼材成分や線材引張強 さ の上昇に よ っ て耐へた り 性の改善を 図 る も の で あ る が、 そ の使用 目 的や使用 条件に よ っ ては更に高 い耐へた り 性が要求 さ れる 場合があ る 。 こ う し た場合 に は、 室温以上 （好 ま し く は 1 2 0 °C 以上 の温度） で、 前記応力 τ を 少な く と も 1 回付与する こ と が有効で あ る 。 こ れによ つ て、 伸線加工で導入さ れた転位を 固着 し 、 塑性変形 に対 する 抵抗を高 め る こ と ができ る と考え ら れる 。 尚 、 上記 （ 3 ) 式にお け る線材の引張強さ T S と は、 伸線加工材の と き に測定 さ れる値であ る 。 実施例

以下、 本発明 を 実施例 に よ っ て更 に詳細 に 説明す る が、 下記実施例 は本発明 を限定する'性質 の も のではな く 、 前 · 後記の趣旨に徴 し て設計 変更する こ と はいずれ も 本発明 の技術的範囲 に含 まれる も ので あ る 。

下記表 1 に示す化学成分組成の鋼 （ Α 〜 Ι) を 溶製 し 、 熱間圧延 し て 直径 ： 9 . 0 m mの鋼線材 を作製 し た。 こ の段階で、 各鋼線材 につ い て パー ラ イ ト 組織にお け る フ ェ ラ イ ト 中 に析出 し て い る化合物 の大き さ を 測定 し た。 化合物 の測定は、 薄膜レ プ リ カ 法 に よ り 抽出 し た化合物 を透 過型電子顕微鏡 （ T E M ) に て、 加速電圧 ： 2 0 0 K V 、 1 5 万倍の撮 影 を 行 っ た 。 こ れ に つ い て 、 フ ェ ラ イ ト 1 i m ² [ 1 5 万倍 の倍 率 で

( 1 5 0 m m ² ) ] 中 に析 出 し て い る 5 0 n m以下 の微細析出物 の個数 を測定 し た。 こ の と き の 測定部位 に つ い て は 、 （ a ) 表面部分がばね の 最大応力位置で あ る こ と 、 （ b ) 圧延材は、 圧延後、 S V処理 に よ っ て 表面 を削 り 落 とす こ と か ら 、 表面か ら 0 . 2 m mの深さ 位置 と し た。 ま た、 炭 · 窒化物の測定は、 T E M にて観察 さ れる複合炭窒化物等を 目 視 で判 断 し 、 目 視で判断で き な い微細な複合炭窒化物等 に つ い ては、 X 線 回折パ タ ー ン に よ っ て複合炭窒化物等で あ る こ と を確認 し 、 1 5 万倍で

1 0 〜 5 0 n mの大 き さ の複合炭窒化物等の個数 を測定 し た。 更に 、 測 定は各鋼材につ い て任意 の三視野で行な い 、 そ の平均値 を求め た （後記 表 2 参照）。

そ の後、 鋼 F 以外 に つ い て は全て軟化焼鈍を施 し 、 更に全ての鋼種 にお いて皮削 り 、 パ テ ン テ ィ ン グ処理お よ び伸線処理 を行な っ て各線径 と し た。 こ の と き、 パ テ ン テ ィ ン グ処理は、 オース テナイ ト化加熱温度 を 9 4 0 °C と し 、 線速 を 8 . O m / m i n と 比較的速め る と共 に 、 N o 1 〜 ； 1 0 , 1 2 , 1 5 につ い て は、 パ一 ラ イ ト 面積率 を 高 め る 為 に 6 2 0 ¾ の鉛炉 と の間で強制的 に 高圧エ ア ー を 吹き付け急冷後 に鉛炉に入 る 様 に し た。 鉛炉にて恒温保持後、 N o . 1 0 を 除 く サ ン プルはいずれ も 4 0 0 °C まで 0 . 5 〜 ： l °C / s e c の冷却速度 にて冷却 し た。 一方、 N o . 1 0 の も の は、 鉛炉 に て恒温保持後、 4 0 0 °C ま で 3 °C / s e c の 冷却速度で冷却 し た。

伸線はダイ ス枚数 8 枚の連続伸線機 を使用 し 、 最終ダイ ス 以外 の各ダ イ ス の減面率 を 1 5〜 2 5 % 、 最終ダイ ス を 5 % と設定 し 、 最終ダイ ス の 伸線速度を 2 0 0 mノ m i n にて実施 し た。 ま た、 伸線に伴 う 線材の 温度上昇 を 防 ぐ為 に 、 線材 を 直接水冷 し なが ら 冷却する 冷却伸線 を実施 し た。

伸線材 を 常温に て ばね成形 し 、 歪み取 り 焼鈍 （ 4 0 0 °C X 2 0 分）、 座研磨、 二段シ ョ ッ ト ピーニ ン グ、 低温焼鈍 （ 2 3 0 °C X 2 0 分） お よ びセ ツ チ ン グ （ て _{m a x} = 1 2 0 0 M P a 相 当 ） を 行な っ た。 N o . 4 〜 9 のサ ン プルにお いて は、 セ ツ チ ン グを低温焼鈍の余熱 を利用 し て 1 8 0 °C程度の温度で実施 し た。 ま た、 N o . 5， 6 の も の につ い て は、 4 6 0 °C にて 5 時間 の窆化処理 も施 し た。 パー ラ イ ト 面積率は、 パテ ン テ ィ ン グ後の鋼線の 断面積 に お ける光学顕微鏡写真 （ 4 0 0 倍 X I 0 視 野） を 、 コ ン ピ ュー タ で画像解析 し て評価 し た。

表 1

得 ら れた各 ばね に 6 3 7 ± 5 8 8 Μ Ρ a の負荷応力 下で疲労試験 を行 な い 、 破断寿命を測定 し た。 ま た、 1 2 0 ^PC 8 8 2 M P a の応力下で 4 8 時間締め付けた後、 残留せん断歪 を測定 し 、 耐へた り 性の指標 （残 留せん断歪が小さ い ほ ど耐へた り 性は良好） と し た。

こ れ ら の 結果 を 、 各製造条件、 線材 の 引張強 さ T S （ 2 ) 式 の右辺 お よ び左辺の値、 ク ロ ッ シ ン グポイ ン ト 、 1 0 πι位置 （深 さ ） の硬さ 並びに析出物の個数等 と 共 に下記表 2 に示す。

尚 、 1 0 // m位置での硬さ は試料を既知 の角 度傾斜 さ せて樹脂に埋め 込み、 研磨 し たサ ン プル上で ビ ッ カ ース硬さ （荷重 3 0 0 g ) を測定 し 垂直方向 に換算する いわ ゆ る 「 コ ー ド 法」 に よ っ た。 ま た 、 残留応力 に つ い ては、 X線回折法 に よ っ た。 深さ 方向の プ ロ フ ァ イ ル につ い て は、 SI

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OZlll/lOdf/X3d 8 OS/ZO OAV 表 2

こ れ ら の結果か ら 、 次の様 に考察で き る 。 まず、 N o . 1 の も の は、 前記 （ 1 ) 式 を満足する も ので あ る が、 伸線時の減面率が低い た め に硬 引 き線の T S が前記 （ 2 ) 式の低い方 に外れた も の と な っ て い る 。 こ の 結果、 耐へた り 性の点では他よ り も 劣 る 結果 と な っ たが、 疲労寿命 につ い て は他 の実施例 に 匹敵する 長寿命 を 示 し て し た。

N o . 2 〜 9 、 お よ び 1 1 ， 1 2 の も の は 、 前 記 （ 1 ) 式 お よ び ( 2 ) 式 の い ずれ を も 満足 し 、 且つ 5 0 / m 以下 の析 出物 の 個数 の要 件 を満足す る も の で あ り 、 疲労寿命お よ び耐へた り 性の いずれ も 優れた も の と な っ て い る 。 こ の う ち 、 N o . 2 の も のでは、 N o . 3 と 同 じ鋼 線 を用 い て い る が、 シ ョ ッ ト ピーニン グ条件 を変化 （一段 目 の シ ョ ッ ト 粒 を 小 さ く し た も の） さ せた も ので、 ク ロ ッ シ ン グポイ ン ト が浅 く な つ て い る 。 こ れ に よ つ て、 N o . 2 の疲労寿命は N o . 3 の も の に 比べて 劣 っ て い る が、 耐へた り 性は同等 レベルで あ る 。

N o . 4 の も の は、 N o . 3 に対 し て 1 2 0 以上で の応力 付与 を実 施 し た も の で あ り 、 耐へた り 性は向上 し て い る が疲労寿命は同 レ ベルで あ る 。 N o . 5 の も のは、 N o . 4 に対 し て窒化処理 を施 し た も の であ り 、 耐へた り 性は同等で あ る が疲労寿命が向上 し て い る 。 N o . 6 の も の は、 素材や処理 内容は N o . 5 と 同等で あ る が、 伸線加工度 と 線材直 径が異な る も ので あ り 、 2 1 1 3 M P a の高 い 引張強 さ が得 ら れてお り 、 疲労寿命 も 向上 し て い る 。 N o . 7 は、 C 含有量が比較的低 い鋼種 を用 い た も の で あ り 、 ま た N 0 . 8 は逆に 高 い鋼種 を用 い た も の であ る が、 いずれ も 良好な耐へた り 性 と疲労特性 を示 し て い る 。 N o . 1 1 お よび 1 2 の も の は、 C r や V を比較的多 く 含有 さ せた も ので あ り 、 5 以下の析出物 の個数が更 に増加する と 共 に 、 へた り 性お よび疲労寿命が 更 に向上 し て い る 。

N o . 1 0 の も の は、 前記 （ 1 ) 式お よ び （ 2 ) 式の いずれを も 満足 す る が、 パテ ンテ ィ ン グ時の恒温変態保持後 4 0 0 X までの冷却速度が 速 く 、 析 出物 の 量が少 な く な つ た た め に 、 5 0 m 以下の析 出 物 の偭 数が 1 0 個未満 と な っ てお り 、 その結果、 N o . 2 〜 9 の も の に 比べる と耐へた り 性が若干劣 っ てい る が、 疲労寿命 に つ いては他の実施例 に 匹 敵する 長寿命 を示 し て い た。

こ れに対 し て、 N o . 1 3 〜 1 7 の も の は、 本発明で規定す る 要件の い ずれか を欠 く 比較例で あ り 、 いずれか の特性が劣化 し てい る こ と が分 か る 。 N o . 1 3 の も のでは、 化学成分組成は N o . 1 〜 6 の も の と 同 じ も ので あ る が、 パ テ ンティ ン グ処理時に ガス 冷却 を行なわなか っ た為 に 、 初析 フ ェ ラ イ 卜 が生 じ てパー ライ ト 面積率が本発明で規定す る 範囲 よ り も低 く な つ た も の で あ る 。 こ う し た こ と か ら 、 引張強さ T S に つ い て は N o . 7 と 同程度の値が得 ら れて い る に も 関わ ら ず、 疲労寿命が著 し く 低 く な つ て い る 。

N o . 1 4 の も の は、 J I S G 3 5 0 2 — S W R S 9 2 B 相 当 鋼 で あ り 、 耐へた り 性、 疲労寿命 と も に実施例 の も の よ り も 劣っ て い る 。 疲 労寿命が劣る の は、 C 含有量が高 く な つ て欠陥感受性が高 く な り 、 疲労 起点が早期 に形成 さ れたか ら と考え ら れる 。 ま た、 耐へた り 性が劣 る の は、 S i ， C r ， V等の含有量が少なか っ た こ と に よ る も の と考え ら れ る 。

N o . 1 5 の も ので は、 S i 含有量が高 く 、 C r や V も含有 し て Ι る が、 C含有量が高 く な つ た鋼種を用 い た も の で あ り 、 耐へた り 性は良好 で あ る が、 疲労寿命が劣っ て い る 。

N o . 1 6 の も の は、 N o . 1 1 5 の も の よ り S i 含有量がやや少な い も ので あ り 、 耐へた り 性が低 く な つ て い る 。 ま た N o . 1 7 の も の は C 含有量は本発明 で規定する 範囲内 に あ る が、 S i 含有量がやや少な く な っ てお り 、 疲労特性は N o . 1 4 〜 1 6 よ り やや 良 い が、 本発明例 ほ ど の性能が得 ら れてお ら ず、 ま た耐へた り 性が非常 に劣っ て い る 。 産業上の利用 可能性

本発明 は以上 の様 に構成 さ れてお り 、 オイ ルテ ンパー線を用 い た ばね と 同等以上 の疲労強度お よ び耐へた り 性 を発揮する硬引 き ばね を製造す る為の ばね用 鋼線材、 ばね用伸線材、 お よ び こ の様な硬引 き ばね、 並び に こ う し た硬引 き ばねを低 コ ス ト で製造す る 為 の有用 な方法が実現で き た。

Claims

請求の範囲

1 . C ： 0 . 5 〜 0 . 7 質量％未満、 S i : l . 4 〜 2 . 5 質量 ％ 、 M n ： 0 . 5 ~ 1 . 5 質量 ％ 、 C r : 0 . 0 5 〜 2 . 0 質 量 ％ お よ び

V ： 0 . 0 5 〜 0 . 4 0 質量 ％ を夫々 含有す る と 共 に、 パ一 ラ イ ト 組織 の面積率 R p が下記 （ 1 ) 式 を満足す る も の で あ る こ と を特徴 とす る硬 引 き ばね用鋼線材。

（面積 ％ ) ≥ 5 5 [ (： ] + 6 1 "' ( 1 )

但 し 、 [ C ] は C の含有量 （質量％ ) を示す。

2 . 更に N i ： 0 . 0 5 〜 0 . 5 質量％ を含有す る も ので あ る 請求項 1 に記載の硬引 き ばね用鋼線材。

3 . パ一 ラ イ ト 組織中 の フ ェ ライ ト に、 円相 当 直径で 5 O n m以下の V ， C r 炭化物、 炭窒化物お よび V と C r の複合炭化物、 複合炭窒化物 が合計で 1 0 個 Z m² 以上で あ る 請求項 1 に記載の硬引 き ばね用 鋼線 材。

4 . C ： 0 . 5 〜 0 . 7 質量％未満、 S i : 1 . 4 〜 2 . 5 質量 ％ 、 M n ： 0 . 5 〜 ： I . 5 質量 ％ 、 C r : 0 . 0 5 〜 2 . 0 質量 ％ ぉ よ び

V ： 0 . 0 5 〜 0 . 4 0 質量 ％ を夫々 含有す る と 共 に、 パー ラ イ ト 組織 の面積率 R p が下記 （ 1 ) 式 を満足 し 、 且つ線材 の 引張強さ T S が下記

( 2 ) 式 を満足す る も ので あ る こ と を特徴 とす る 硬引 き ばね用 伸線材。

R p (面積 ％ ) ≥ 5 5 X [ C ] + 6 1 - ( 1 )

但 し 、 [ C ] は C の含有量 （質量％ ) を示す。

一 13. Id3 + 160d² - 671d + 3200≥ T S ≥一 13.1d³+ 160d² - 67 Id 4- 2800

- ( 2 )

但 し、 d : 線材の直径 （ m m ) [ 1 . 0 ≤ d ≤ 1 0 . 0 ]

5 . 更に N i ： 0 . 0 5 ~ 0 . 5 質量％ を含む も ので あ る請求項 4 に 記載の硬引 き ばね用伸線材。

6 . 請求項 1 に記載の ばね用鋼線材 を用 い て製造 さ れた も の で あ る 硬 引 き ばね。

7 . 請求項 4 に記載の ばね用伸線材 を用 い て製造さ れた も の で あ る硬 引 き ばね。

8 . ばね内側にお け る 表層残留応力 が圧縮か ら 引張 り に転ずる深 さ が 0 . 0 5 m m以上 の も のであ る請求項 6 に記載の硬引 き ばね。

9 . ばね内側にお ける 表層残留応力 が圧縮か ら 引張 り に転ずる深 さ が 0 . 1 5 m m以上の も ので あ る請求項 7 に記載の硬引 き ばね。

1 0 . ばね内側 にお け る 表層残留応力 が圧縮か ら 引張 り に転ずる 深さ が 0 . 1 5 m m以上の も ので あ る請求項 8 に記載の硬引 き ばね。

1 1 . ばね内側 にお ける 表層残留応力が圧縮か ら 引張 り に転ずる 深 さ が 0 . 1 5 m m以上 の も ので あ る請求項 9 に記載の硬引 き ばね。

1 2 . 表面 に窒化処理が施さ れた も ので あ る請求項 6 に記載の硬引 き ばね。

1 3 表面 に窒化処理が施 さ れた も ので あ る 請求項 7 に記載の硬引 き ばね。

1 4 . 請求項 6 に記載の硬引 き ばね を製造する に 当 た り 、 シ ョ ッ ト ビ 一二 ン グ後に 、 室温以上の温度で、 下記 （ 3 ) 式 を満足す る 応力 て ( Μ P a ) を少な く と も 1 回付与する こ と を特徴 と す る硬引 き ばね の製造方 法。

τ ≥線材の 引張強 さ T S ( M P a ) X 0 . 5 - ( 3 )

1 5 . BU 記応力 て を付与する と き の温度が 1 2 0 °C以上で あ る請求項 1 4 に記載の製造方法。

1 6 . 請求項 7 に記載の硬引 き ばね を製造す る に 当 た り 、 シ ョ ッ ト ピ 一二 ン グ後に、 室温以上 の温度で、 下記 （ 3 ) 式 を満足する応力 τ ( Μ P a ) を少な く と も 1 回付与する こ と を特徴 とす る硬引 き ばね の製造方 法。

τ ≥線材の 引張強さ T S ( M P a ) X 0 . 5 - ( 3 ) zz

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