WO2023120475A1 - 圧縮コイルばねおよびその製造方法 - Google Patents

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compression coil
spring
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mass
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聡史 岡部
透 白石
啓太 高橋
俊 平井
政隆 水本
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日本発條株式会社
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    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface
    • C21D7/06—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface by shot-peening or the like
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/02—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for springs
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C38/54—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with boron
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/02—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20—Recycling

Definitions

  • the present invention relates to compression coil springs used, for example, in automobile engines and clutches, and more particularly to technology for suppressing the occurrence of cracks by appropriately controlling the amount of retained austenite.
  • the coil spring disclosed in Patent Document 1 can suppress the generation of residual stress due to cold working by performing coiling after heating the steel wire rod to the austenite region by high-frequency heating, and has excellent fatigue resistance. is said to be able to obtain
  • Patent Document 2 discloses an oil-tempered wire whose metal structure is 5 to 20% by volume of retained austenite and tempered martensite. According to this oil-tempered wire, the retained austenite that is intentionally included undergoes deformation-induced transformation due to plastic working during spring forming, resulting in an increase in the hardness of the surface layer of the spring. It is said that the fatigue strength is remarkably improved.
  • the coil spring described in Patent Document 1 delays crack propagation by applying compressive residual stress more deeply than before, and does not suppress the occurrence of cracks themselves. Moreover, in the technique described in Patent Document 2, the retained austenite almost disappears during the cold coiling and the subsequent annealing process.
  • the present invention aims to provide a compression coil spring by optimizing the tempering conditions so that an appropriate amount of retained austenite exists in the vicinity of the surface, thereby suppressing the occurrence of cracks due to this retained austenite.
  • the present invention contains 0.45 to 0.8% C, 0.15 to 3.0% Si, 0.3 to 1.0% Mn, and the balance is iron and inevitable impurities, in terms of mass%. It has a composition, and on the coil inner diameter side of the arbitrary cross section of the effective part of the coil spring, when a compressive load is applied to the spring, the compressive residual stress value at no load in the direction of approximately the maximum principal stress is zero.
  • the depth is a crossing point
  • the volume fraction ⁇ R of retained austenite at the crossing point depth is 0.1 to 8.0% by volume
  • the average hardness at the crossing point depth is 570 to 700 HV.
  • Material component C 0.45 to 0.8% C contributes to strength improvement. If the C content is less than 0.45%, the effect of improving the strength is not sufficiently obtained, resulting in insufficient fatigue resistance and sag resistance. On the other hand, when the C content exceeds 0.8%, the toughness is lowered and cracks are likely to occur. Therefore, the C content should be 0.45 to 0.8%.
  • Si 0.15-3.0% Si is effective in deoxidizing steel, and contributes to strength improvement and temper softening resistance improvement. If the Si content is less than 0.15%, these effects cannot be sufficiently obtained. On the other hand, if the Si content exceeds 3.0%, the toughness is lowered, cracking is likely to occur, and decarburization is promoted, resulting in a decrease in wire rod surface strength. Therefore, the Si content is set to 0.15 to 3.0%.
  • Mn 0.3-1.0% Mn contributes to improvement of hardenability. If the Mn content is less than 0.3%, it becomes difficult to ensure sufficient hardenability, and the effect of fixing S (MnS generation), which is harmful to ductility and toughness, becomes poor. On the other hand, when the Mn content exceeds 1.0%, the ductility is lowered, and cracks and surface scratches are likely to occur. Therefore, the content of Mn is set to 0.3 to 1.0%.
  • these additive elements are the minimum required elements for constituting the present invention, and do not limit the addition of other elements. That is, in the present invention, one or more of the elements Cr, B, Ni, Ti, Cu, Nb, V, Mo, and W, which are generally used as the chemical composition of spring steel, are added at 0.00%. 005 to 4.5%, it can be added as appropriate according to the purpose, and as a result, it is possible to manufacture coil springs with higher performance or more suitable for applications. For example, the case of adding Cr will be described below.
  • Cr 0.5-2.0% Cr is effective in preventing decarburization, contributes to improvement in strength and temper softening resistance, and is effective in improving fatigue resistance. It is also effective in improving resistance to sag in warm conditions. Therefore, in the present invention, it is preferable to further contain 0.5 to 2.0% of Cr. If the Cr content is less than 0.5%, these effects cannot be sufficiently obtained. On the other hand, when the Cr content exceeds 2.0%, the toughness is lowered, and cracks and surface scratches are likely to occur.
  • Crossing Point Depth A hot-formed compression coil spring breaks on the inner diameter side of the coil where repeated tensile stress acts.
  • the crossing depth is the depth from the surface at which the value of the compressive residual stress at no load in the direction of approximately the maximum principal stress when a compressive load is applied to the spring is zero.
  • the crossing point depth is 0.10 mm or more from the surface when a wire with a wire diameter of 1.5 mm or more and less than 3.0 mm is used, and when a wire with a wire diameter of 3.0 mm or more and less than 5.0 mm is used,
  • the depth from the surface is preferably 0.25 mm or more.
  • the present invention defines the following physical characteristics at the depth position of the crossing point on the inner diameter side of the coil.
  • [3] Retained austenite rate ⁇ R 0.1 to 8.0% by volume Breakage due to fatigue of the compression coil spring occurs on the inner diameter side of the coil where tensile stress acts.
  • the retained austenite ratio ⁇ R is 0.1% by volume or more at the crossing point depth from the coil inner diameter side surface, the energy due to repeated stress applied during use is not used for damage to the metal structure, but is induced by working. used for transformation. Therefore, fatigue of the compression coil spring is delayed, and crack generation is suppressed.
  • the retained austenite ratio ⁇ R exceeds 8.0% by volume, the compression coil spring tends to become fatigued. Therefore, in the present invention, the retained austenite rate ⁇ R is specified as 0.1 to 8.0% by volume.
  • the retained austenite rate ⁇ R is preferably 7.5% by volume or less, more preferably 7.0% by volume or less.
  • Hardness 570-700HV
  • the strength of the steel wire itself is also important in order to satisfy the required fatigue resistance. That is, the hardness at the crossing point depth position from the coil inner diameter side surface of the arbitrary cross section of the effective part of the coil spring must be in the range of 570 to 700 HV, and if it is less than 570 HV, the material strength Since it is too low, sufficient fatigue resistance cannot be obtained, and sag resistance cannot be obtained.
  • the hardness exceeds 700 HV, the notch sensitivity increases due to the decrease in toughness. The risk of premature breakage due to cracks originating from the part increases. Therefore, in the present invention, the hardness is defined as 570-700HV.
  • the present invention is suitable for compression coil springs of the following specifications, which require a large degree of workability during hot coiling and high fatigue resistance.
  • the present invention provides a steel wire with a circle-equivalent diameter (a diameter of a perfect circle calculated from the cross-sectional area of the wire, including non-circular cross sections such as squares and ovals) of, for example, 1.5 to 10.0 mm. Applicable to generally cold-formed compression coil springs with an index of 3-20.
  • valve springs and clutch torsions that require a large degree of workability during hot coiling (that is, a large tensile residual stress on the inner diameter side of the coil generated by coiling work in cold forming) and high fatigue resistance are required. It is suitable for compression coil springs having an equivalent circle diameter of 1.5 to 10.0 mm and a spring index of 3 to 8, which are used in springs and the like.
  • the shape of the coil spring in the present invention can be applied to coil springs of other shapes, such as a cylindrical shape, which is typical of coil springs, in which the outer diameter of the coil does not change substantially over all turns.
  • deformed springs such as conical, bell-shaped, hourglass-shaped, and barrel-shaped.
  • Coil spring manufacturing method In a method of manufacturing a compression coil spring, a steel wire rod containing iron and unavoidable impurities as the balance is heated to the austenite region, hot-formed, and then quenched and tempered . It is characterized in that the integrated tempering parameter I used, which is expressed by Equation 2 below, is 19-23.
  • T tempering temperature (K)
  • t tempering time (h)
  • Q activation energy (cal/mol)
  • R gas constant (cal/K/mol).
  • the activation energy Q is derived from Takeshi Inoue's article "New Tempering Parameters and Tempering Effect Along Its Continuous Heating Curve” published in “Tetsu to Hagane Vol. 66 (1980) No. 10" Application to the integration method", and is shown in the following formula 3. Note that “b/a” is, for example, ⁇ 2.0 ⁇ 10 4 . Also, the gas constant R is a fixed constant, eg, 1.99.
  • the present invention has been made by obtaining optimum tempering conditions by setting tempering time as a parameter in addition to tempering temperature conditions. That is, when the cumulative tempering parameter I is less than 19, retained austenite remains, but martensite also remains without being tempered, and the notch sensitivity is increased due to the decrease in toughness due to the hardness being too high. Increased risk of breakage.
  • a high-frequency heating coil For heating the steel wire, it is preferable to use a high-frequency heating coil to raise the temperature of the steel wire from room temperature to the austenite region within 2.5 seconds, as this suppresses coarsening of the metal structure.
  • a coiling device equipped with a coiling tool consisting of a coiling pin or a coiling roller for processing the steel wire into a coil shape and a pitch tool for pitching, the steel wire is applied to the core bar. It is suitable because the degree of freedom in forming is increased compared to conventional hot coiling that involves winding.
  • the compression coil spring it is preferable to subject the compression coil spring to shot peening treatment and setting treatment.
  • the shot peening treatment imparts compressive residual stress to the compression coil spring, which can improve fatigue resistance.
  • the setting treatment can enhance the settling resistance.
  • the setting treatment cold setting, warm setting, or the like can be appropriately selected.
  • the shot peening treatment consisted of a first shot peening treatment with shot having a particle diameter of 0.6 to 1.2 mm, a second shot peening treatment with shot having a particle diameter of 0.2 to 0.8 mm, and a shot peening treatment with a particle diameter of 0.02 mm.
  • a multistage shot peening treatment comprising a third shot peening treatment with shots of ⁇ 0.50 mm is preferred.
  • the surface roughness increased by shot peening performed earlier can be reduced by shot peening performed later.
  • tension shot peening or warm shot peening can be performed while compressing the compression coil spring.
  • the present invention provides hard drawn wires such as carbon steel wire, hard steel wire, piano wire and spring steel wire used as spring materials, carbon steel oil tempered wire, chromium vanadium steel oil tempered wire, silicon chromium steel oil tempered wire, silicon It can be applied to oil-tempered wires such as chrome-vanadium steel oil-tempered wires. In particular, it is suitable for application to inexpensive hard-drawn wires. This is because hot coiling using a high-frequency heating coil has better fatigue resistance than conventional cold-formed springs that use expensive oil-tempered wires to which high-grade elements are added, even if inexpensive wires are used. This is because it is possible to obtain a spring of
  • a suitable amount of retained austenite is present in the vicinity of the surface, and the retained austenite suppresses the occurrence of cracks, making it possible to obtain a highly durable compression coil spring.
  • the steel wire rod was heated to 900°C by a coiling device equipped with a high-frequency heating coil, coiled, and then quenched with oil at 60°C. Thereafter, tempering treatment was performed with the integrated tempering parameters listed in Table 2 (Invention Examples 1 to 3, Comparative Examples 3 and 4). In the cold forming method, annealing was performed at 400° C. after coiling (Comparative Examples 1 and 2).
  • the volume fraction of retained austenite ⁇ R at an arbitrary position was measured at a depth of 0.2 mm from the surface on the inner diameter side of the coil.
  • the 0.2 mm depth means that the value of the compressive residual stress when no load is applied in the substantially maximum principal stress direction when a compressive load is applied to the spring on the inner diameter side of the coil spring with a wire diameter of 4.1 mm is zero. This is the crossing point depth when the depth from the surface is the crossing point.
  • Fatigue resistance breakage rate
  • a fatigue test was performed at room temperature (in the atmosphere) using a hydraulic servo fatigue tester (Saginomiya Seisakusho).
  • the test stress was 735 ⁇ 686 MPa for steel types A and B, 735 ⁇ 711 MPa for steel types C and D, and 735 ⁇ 637 MPa for steel type E.
  • the test frequency was 20 Hz, and the number of tests was 8 or 7.
  • the fatigue resistance was evaluated by the breakage rate (number of breakages/number of test pieces) when vibrating ⁇ 10 7 times.
  • a compression coil spring with excellent fatigue resistance can be obtained by optimizing the tempering conditions.
  • the present invention can be used for compression coil springs such as valve springs used in engines and clutch torsion springs used in clutches.

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Abstract

焼戻し条件を最適化することにより、表面近傍に残留オーステナイトを適量存在させ、この残留オーステナイトによりき裂の発生を抑制する圧縮コイルばねを提供することを課題とする。　質量％で、Ｃを０．４５－０．８％、Ｓｉを０．１５－３．０％、Ｍｎを０．３－１．０％含み、残部が鉄および不可避不純物からなる組成を有し、コイルばねの有効部任意横断面のコイル内径側において、ばねに圧縮荷重を負荷した場合の略最大主応力方向における無負荷時の圧縮残留応力の値がゼロとなる表面からの深さをクロッシングポイントとし、クロッシングポイント深さにおいて残留オーステナイトの体積率γＲが０．１－８．０体積％であり、クロッシングポイント深さにおいて平均硬さが５７０－７００ＨＶである。

Description

圧縮コイルばねおよびその製造方法
　本発明は、たとえば自動車のエンジンやクラッチ内で使用される圧縮コイルばねに関し、特に、残留オーステナイトを適量に制御することにより、き裂の発生を抑制する技術に関する。
　近年、環境問題を背景に自動車への低燃費化の要求が年々厳しくなっており、自動車部品に対する小型軽量化がこれまで以上に強く求められている。この小型軽量化の要求に対し、たとえばエンジン内で使用されるバルブスプリングや、クラッチ内で使用されるクラッチトーションスプリングをはじめとする圧縮コイルばねにおいては、コイルばねの特性として重要な耐疲労性の向上や、耐へたり性の向上を図ってきている。
　たとえば、特許文献１に開示されたコイルばねは、高周波加熱によって鋼線材をオーステナイト域に加熱後に、コイリングを行うことで冷間加工による残留応力の発生を抑制することができ、優れた耐疲労性を得ることができるとされている。
　また、特許文献２は、金属組織が体積比で５～２０％の残留オーステナイトと焼戻しマルテンサイトであるオイルテンパー線を開示している。このオイルテンパー線によれば、意図的に含有させた残留オーステナイトは、ばね成形加工時に受ける塑性加工によって加工誘起変態をおこし、ばね表層の硬さの増加をもたらし、このために成形加工したばねの疲労強度が顕著に向上するとされている。
特許第３５９５９０１号 特開２００９－２２６５２３号公報
　特許文献１に記載のコイルばねは、従来よりも深く圧縮残留応力を付与することで、き裂の進展を遅らせるものであり、き裂の発生自体を抑えるものではない。また、特許文献２に記載の技術では、冷間コイリングおよびその後の焼鈍工程によって残留オーステナイトはほぼ消失してしまう。
　このような背景の下、本発明は、焼戻し条件を最適化することにより、表面近傍に残留オーステナイトを適量存在させ、この残留オーステナイトによりき裂の発生を抑制する圧縮コイルばねを提供することを目的としている。
　本発明は、質量％で、Ｃを０．４５～０．８％、Ｓｉを０．１５～３．０％、Ｍｎを０．３～１．０％含み、残部が鉄および不可避不純物からなる組成を有し、コイルばねの有効部任意横断面のコイル内径側において、ばねに圧縮荷重を負荷した場合の略最大主応力方向における無負荷時の圧縮残留応力の値がゼロとなる表面からの深さをクロッシングポイントとし、前記クロッシングポイント深さにおいて残留オーステナイトの体積率γＲが０．１～８．０体積％であり、前記クロッシングポイント深さにおいて平均硬さが５７０～７００ＨＶであることを特徴とする。
　以下に、本発明に規定する数値範囲の限定理由を説明する。まず、本発明に用いる鋼線材の化学成分の限定理由について説明する。本発明においては、Ｃを０．４５～０．８％、Ｓｉを０．１５～３．０％、Ｍｎを０．３～１．０％を少なくとも含む鋼線材を用いる。なお、以下の説明において、「％」は「重量％」を意味する。
［１］材料成分
Ｃ：０．４５～０．８％
　Ｃは、強度向上に寄与する。Ｃの含有量が０．４５％未満では、強度向上の効果が十分に得られないため、耐疲労性、耐へたり性が不十分となる。一方、Ｃの含有量が０．８％を超えると、靭性が低下して割れが発生し易くなる。このため、Ｃの含有量は０．４５～０．８％とする。
Ｓｉ:０．１５～３．０％
　Ｓｉは、鋼の脱酸に有効であると共に、強度向上や焼戻し軟化抵抗向上に寄与する。Ｓｉの含有量が０．１５％未満では、これらの効果が十分に得られない。一方、Ｓｉの含有量が３．０％を超えると靭性が低下して割れが発生し易くなると共に、脱炭を助長し線材表面強度の低下を招く。このため、Ｓｉの含有量は０．１５～３．０％とする。
Ｍｎ:０．３～１．０％
　Ｍｎは焼入れ性の向上に寄与する。Ｍｎの含有量が０．３％未満では、十分な焼入れ性を確保し難くなり、また、延靭性に有害となるＳの固着（ＭｎＳ生成）の効果も乏しくなる。一方、Ｍｎの含有量が１．０％を超えると、延性が低下し、割れや表面キズが発生し易くなる。このため、Ｍｎの含有量は０．３～１．０％とする。
　なお、これら添加元素は本発明を構成するうえで最低限必要な元素であって、他元素の添加を限定するものではない。すなわち、本発明においては、ばね鋼の成分組成として一般的に用いられているＣｒ、Ｂ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗの元素のうち１種または２種以上を０．００５～４．５％、その目的に応じて適宜添加することが可能であり、その結果、より高性能、若しくは、用途により適したコイルばねの製造も可能となる。たとえば、Ｃｒを添加する場合について以下に述べる。
Ｃｒ:０．５～２．０％
　Ｃｒは脱炭を防止するのに有効であると共に、強度向上や焼戻し軟化抵抗向上に寄与し、耐疲労性の向上に有効である。また、温間での耐へたり性向上にも有効である。このため、本発明においてはさらに、Ｃｒを０．５～２．０％含有することが好ましい。Ｃｒの含有量が０．５％未満では、これらの効果を十分に得られない。一方、Ｃｒの含有量が２．０％を超えると、靭性が低下し、割れや表面キズが発生し易くなる。
［２］クロッシングポイント深さ
　熱間成形した圧縮コイルばねは、繰返し引張応力が作用するコイル内径側で折損する。本発明者の検討によれば、コイルばね内径側において、ばねに圧縮荷重を負荷した場合の略最大主応力方向における無負荷時の圧縮残留応力の値がゼロとなる表面からの深さをクロッシングポイントとし、前記圧縮コイルばねの有効部任意横断面のコイル内径側クロッシングポイント深さ位置において破壊の起点が多く存在することが判明している。クロッシングポイント深さは、線径１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ未満の線材を用いた場合は、表面から深さ０．１０ｍｍ以上、線径３．０ｍｍ以上５．０ｍｍ未満の線材を用いた場合は、表面から深さ０．２ｍｍ以上、線径５．０ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下の線材を用いた場合は、表面から深さ０．２５ｍｍ以上であることが望ましい。本発明では、コイル内径側クロッシングポイント深さ位置における以下の物理的特性を規定している。
［３］残留オーステナイト率γＲ：０．１～８．０体積％
　圧縮コイルばねの疲労による折損は、引張応力が作用するコイルの内径側で生じる。本発明では、コイル内径側表面からクロッシングポイント深さにおいて残留オーステナイトの率γＲが０．１体積％以上であるから、使用時に負荷される繰り返し応力によるエネルギーが金属組織のダメージに使われずに加工誘起変態に利用される。そのため、圧縮コイルばねの疲労化を遅らせ、き裂の発生が抑制される。一方、残留オーステナイト率γＲが８．０体積％を上回ると、圧縮コイルばねがへたり易くなる。よって、本発明では残留オーステナイト率γＲを０．１～８．０体積％と規定した。残留オーステナイト率γＲは７．５体積％以下が好ましく、７．０体積％以下がより好ましい。
［４］硬さ：５７０～７００ＨＶ
　バルブスプリングやクラッチトーションスプリング等に用いられる圧縮コイルばねとしては、要求される耐疲労性を満足するために、鋼線材自体の強度も重要である。すなわち、コイルばねの有効部任意横断面のコイル内径側表面からクロッシングポイント深さ位置での硬さが、５７０～７００ＨＶの範囲であることが必要であり、５７０ＨＶ未満の場合は、その材料強度の低さから十分な耐疲労性が得られず、さらに、耐へたり性が得られない。また、硬さが７００ＨＶを超えた場合は、靭性の低下に伴う切欠き感受性の高まりから、コイリング時にツール類との擦れにより発生した表面キズや、ショットピーニングで形成される線材表面粗さの谷部を起点とした亀裂発生による早期折損の危険性が増大する。よって、本発明においては、硬さは５７０～７００ＨＶと規定した。
［５］その他
（１）コイルばね形状
　本発明は、熱間コイリング時の加工度が大きく、高い耐疲労性が必要とされる、次に挙げる仕様の圧縮コイルばねに好適である。本発明は、鋼線材の円相当直径（線材横断面積から算出した真円とした場合の直径、角形や卵形をはじめとした非円形断面も含む）が例えば１．５～１０．０ｍｍ、ばね指数が３～２０である、一般的に冷間成形されている圧縮コイルばねに適用できる。
　中でも、熱間コイリング時の加工度が大きく（すなわち、冷間成形ではコイリング加工により発生するコイル内径側の引張残留応力が大きい）、かつ、高い耐疲労性が必要とされるバルブスプリングやクラッチトーションスプリング等で使用される円相当直径が１．５～１０．０ｍｍ、ばね指数が３～８である圧縮コイルばねに対し好適である。
　また、本発明におけるコイルばね形状としては、コイルばねとして代表的な全巻目でコイル外径にほぼ変化がない円筒形をはじめ、これ以外の形状のコイルばねにも適用できる。たとえば、円錐形、釣鐘形、鼓形、樽形等の異形ばねの成形も可能である。
（２）コイルバネの製造方法
　次に、本発明は、重量％で、Ｃを０．４５～０．８５％、Ｓｉを０．１５～３．０％、Ｍｎを０．３～１．０％含み、残部が鉄および不可避不純物からなる鋼線材をオーステナイト域まで加熱した状態で熱間成形し、次いで焼入れ焼戻しを行う圧縮コイルばねの製造方法において、下記数１で表される焼戻しパラメータλｉを用いた下記数２で表される積算焼戻しパラメータＩが１９～２３であることを特徴とする。
　ただし、数１中Ｔは焼戻し温度（Ｋ）、ｔは焼戻し時間（ｈ）、Ｑは活性化エネルギー（cal/mol）、Ｒは気体定数（cal/K/mol）である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ここで、活性化エネルギーＱは、「鉄と鋼第６６巻(1980)第１０号」に掲載された井上毅著の論文「新しい焼もどしパラメータとその連続昇温曲線に沿った焼もどし効果の積算法への応用」にて求めることができ、下記数３に示されている。なお、「ｂ／ａ」は例えば－２．０×１０４である。また、気体定数Ｒは、決まった定数であり例えば１．９９である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　本発明は、焼戻しの温度条件に加えて焼戻し時間もパラメータにして、最適な焼戻し条件を得てなされたものである。すなわち、積算焼戻しパラメータＩが１９未満であると、残留オーステナイトは残るが、マルテンサイトも焼き戻されずに残り、硬さが高すぎて靭性の低下に伴う切欠き感受性の高まりから、亀裂発生による早期折損の危険性が増大する。
　鋼線材の加熱は、高周波加熱コイルを用いて鋼線材を２．５秒以内で常温からオーステナイト域まで昇温すると、金属組織の粗大化が抑制されて好適である。また、鋼線材をコイル形状に加工するためのコイリングピンもしくはコイリングローラからなるコイリングツールと、ピッチを付けるためのピッチツールとを備えたコイリング装置により熱間コイリングを行うと、芯金に鋼線材を巻き付ける従来の熱間コイリングと比較して成形の自由度が増して好適である。
　本発明では、圧縮コイルばねにショットピーニング処理とセッチング処理を施すと好適である。ショットピーニング処理により圧縮コイルばねに圧縮残留応力が付与され、耐疲労性を高めることができる。また、セッチング処理により、耐へたり性を高めることができる。セッチング処理としては、冷間セッチングや温間セッチング等を適宜選択することができる。
　ショットピーニング処理は、粒径０．６～１．２ｍｍのショットによる第１のショットピーニング処理と、粒径０．２～０．８ｍｍのショットによる第２のショットピーニング処理と、粒径０．０２～０．５０ｍｍのショットによる第３のショットピーニング処理からなる多段ショットピーニング処理であることが好ましい。これにより、先に実施したショットピーニングにより増加した表面粗さを後に実施するショットピーニングによって低減することができる。あるいは、圧縮コイルばねを圧縮しながら行うテンションショットピーニングや温間ショットピーニングを行うこともできる。
　本発明は、ばね材として使用される炭素鋼線、硬鋼線、ピアノ線、ばね鋼線といった硬引線や、炭素鋼オイルテンパー線、クロムバナジウム鋼オイルテンパー線、シリコンクロム鋼オイルテンパー線、シリコンクロムバナジウム鋼オイルテンパー線といったオイルテンパー線等に対して適用が可能である。特に、安価な硬引線に適用することが好適である。これは、高周波加熱コイルを利用した熱間コイリングによると、安価な線材を利用しても高級元素が添加された高価なオイルテンパー線を使用した従来の冷間成形ばねよりも優れた耐疲労性のばねを得ることができるためである。
　本発明によれば、表面近傍に残留オーステナイトを適量存在させ、この残留オーステナイトによりき裂の発生を抑制して高耐久性の圧縮コイルばねを得ることができる。
［第１実施例］
　表１に記載の化学成分からなり、線径が４．１ｍｍのオイルテンパー線を用意した。そして、オイルテンパー線に対して、熱間成形法または冷間成形法によりばね指数６、有効部ピッチ角９°、有効部巻数３．２５巻、総巻数５．７５巻の圧縮コイルばねを作製した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　熱間成形法では、高周波加熱コイルを備えたコイリング装置により鋼線材を９００℃に加熱し、コイリングを行った後、６０℃の油によって焼入れした。その後、表２に記載の積算焼戻しパラメータで焼戻し処理を行った（発明例１～３、比較例３、４）。また、冷間成形法では、コイリング後、４００℃で焼鈍処理を行った(比較例１、２)。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　このようにして得られたサンプルに対し、以下の通り性質を調査した。その結果を表２に併記する。
（１）残留オーステナイト体積率γＲ
　Ｘ線回折法を用いてコイル内径側の表面から０．２ｍｍ深さにおいて任意の位置の残留オーステナイト体積率γＲを測定した。ここで、０．２ｍｍ深さとは、線径４．１ｍｍのコイルばね内径側において、ばねに圧縮荷重を負荷した場合の略最大主応力方向における無負荷時の圧縮残留応力の値がゼロとなる表面からの深さをクロッシングポイントとしたときの、クロッシングポイント深さである。
（２）硬さ
　ビッカース硬さ試験機（フューチャテック　ＦＭ－６００）を用いて測定荷重を２００ｇｆとして、コイルばねの有効部任意の横断面内径側の表面から深さ０．２ｍｍの位置５箇所で測定し、その平均値を算出した。
（３）耐疲労性（折損率）
　油圧サーボ型疲労試験機（鷺宮製作所）を用いて室温（大気中）において疲労試験を行った。試験応力は、鋼種Ａ、Ｂでは７３５±６８６ＭＰａとし、鋼種Ｃ、Ｄでは７３５±７１１ＭＰとし、鋼種Ｅでは７３５±６３７ＭＰａとし、試験周波数は２０Ｈｚ、試験数は各８本または７本であり、３×１０７回加振時の折損率（折損数／試験本数）で耐疲労性を評価した。
　表２に示すように、焼戻し時の積算焼戻しパメータが１９．５～２２．３の発明例１～５では、コイル内径表面から深さ０．２ｍｍの位置における残留オーステナイト（γ）の割合が０．２～５．８体積％であり、その結果、良好な耐疲労性が得られている。
　これに対して、冷間成形法により作製した比較例１、２では、コイル内径表面から深さ０．２ｍｍの位置に残留オーステナイトが存在せず、その結果、十分な耐疲労性が得られていない。
　また、焼戻し時の積算焼戻しパラメータが１９を下回る比較例３では、残留オーステナイトは６．５体積％残ったが、焼戻しが不十分なためにコイル内径表面から深さ０．２ｍｍの位置における硬さが７００ＨＶを超え、その結果、圧縮コイルばねは７本中６本が折損した。
　また、焼戻し時の積算焼戻しパラメータが２３を上回る比較例４では、オーステナイトが分解して残留せず、コイル内径表面から深さ０．２ｍｍの位置に残留オーステナイトが存在せず、その結果、十分な耐疲労性が得られていない。
　以上より、本発明の圧縮コイルばねによれば、焼戻し条件を最適化することにより、耐疲労性に優れた圧縮コイルばねを得ることができる。
　本発明は、エンジン内で使用されるバルブスプリングや、クラッチ内で使用されるクラッチトーションスプリングをはじめとする圧縮コイルばねに利用可能である。

Claims (6)

  1. 　質量％で、Ｃを０．４５～０．８％、Ｓｉを０．１５～３．０％、Ｍｎを０．３～１．０％含み、残部が鉄および不可避不純物からなる組成を有し、コイルばねの有効部任意横断面のコイル内径側において、ばねに圧縮荷重を負荷した場合の略最大主応力方向における無負荷時の圧縮残留応力の値がゼロとなる表面からの深さをクロッシングポイントとし、前記クロッシングポイント深さにおいて残留オーステナイトの体積率γＲが０．１～８．０体積％であり、前記クロッシングポイント深さにおいて平均硬さが５７０～７００ＨＶであることを特徴とする圧縮コイルばね。
  2. 　Ｃｒ、Ｂ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ等の元素のうち１種または２種以上を０．００５～４．５質量％含有することを特徴とする請求項１に記載の圧縮コイルばね。
  3. 　Ｃｒを０．５～２．０質量％含有することを特徴とする請求項２に記載の圧縮コイルばね。
  4. 　重量％で、Ｃを０．４５～０．８％、Ｓｉを０．１５～３．０％、Ｍｎを０．３～１．０％含み、残部が鉄および不可避不純物からなる組成を有する鋼線材をオーステナイト域まで加熱した状態で熱間成形し、次いで焼入れ焼戻しを行う圧縮コイルばねの製造方法において、
    　下記数１で表される焼戻しパラメータλｉを用いた下記数２で表される積算焼戻しパラメータＩが１９～２３であることを特徴とするコイルばねの製造方法。
    　ただし、数１中Ｔは焼戻し温度（Ｋ）、ｔは焼戻し時間（ｈ）、Ｑは活性化エネルギー（cal/mol）、Ｒは気体定数（cal/K/mol）である。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  5. 　Ｃｒ、Ｂ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ等の元素のうち１種または２種以上を０．００５～４．５質量％含有することを特徴とする請求項４に記載の圧縮コイルばねの製造方法。
  6. 　Ｃｒを０．５～２．０質量％含有することを特徴とする請求項５に記載の圧縮コイルばねの製造方法。
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