WO2023120491A1 - 圧縮コイルばねおよびその製造方法 - Google Patents

圧縮コイルばねおよびその製造方法 Download PDF

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less
coil spring
compression coil
depth
crossing point
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俊 平井
透 白石
聡史 岡部
啓太 高橋
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日本発條株式会社
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    • 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
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/46—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with vanadium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F16F1/04—Wound springs
    • F16F1/06—Wound springs with turns lying in cylindrical surfaces

Definitions

  • the present invention relates to compression coil springs used, for example, in automobile engines and clutches, and in particular to techniques for improving durability by limiting the size of ferrite contained therein.
  • Patent Document 1 proposes a high-strength steel material with a strength of 1200 MPa or more and superior fatigue properties to conventional steel materials.
  • the heterogeneous structure is a structure mainly composed of lath martensite, by setting the area fraction of ferrite to 3% or less, the heterogeneous structure becomes difficult to act as a starting point of internal fracture. (Paragraph 0020).
  • pro-eutectoid ferrite which first precipitates from austenite, tends to coarsen depending on the heating conditions.
  • the present situation is that the case where pro-eutectoid ferrite is the main component of the heterogeneous structure has not been studied.
  • the present invention aims to improve fatigue resistance by reducing large pro-eutectoid ferrite, which is the origin of fracture.
  • the inventor found that the lower the heating temperature, the better the durability. Furthermore, it was found that the fracture originates from the surface of the coil spring when cold forming, and that the fracture originates from structural cracks inside the coil spring when hot forming.
  • the present inventor investigated the broken portion of the hot-formed coil spring, the higher the heating temperature, the larger the structure at the starting point of the breakage. It was a hard tissue of about 610HV. Then, when the structure was corroded with an etchant, the large structure appeared white without being corroded, so it was found to be proeutectoid ferrite and the surrounding structure to be tempered martensite.
  • the present inventor obtained a histogram with the horizontal axis representing the luminance value from the observed grayscale image data (original data) of the tissue, and used this histogram.
  • a normal distribution was obtained by standardization, and when the average value of luminance values in the normal distribution was ⁇ and the standard deviation was ⁇ , binarization processing was performed using ⁇ +2 ⁇ as a threshold value to extract only the white tissue.
  • the present invention has been made based on the above findings, and contains 0.45 to 0.8% C, 0.15 to 3.0% Si, and 0.3 to 1.2% Mn in mass% Along with, as optional components Cr 0.5 to 1.9%, Ni 1.5% or less, V 0.5% or less, Mo 1.5% or less, W 0.5% or less 1
  • the average value of the brightness value is When ⁇ and the standard deviation of the brightness value are ⁇ , the equivalent circle diameter of the maximum white tissue after binarization processing is performed with ⁇ +2 ⁇ as the threshold value for binarization is 10 ⁇ m or less.
  • the average hardness is 500-700HV.
  • 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 0.3-1.2% 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 1.2%, the ductility is lowered, and cracks and surface scratches are likely to occur. Therefore, the content of Mn is set to 0.3 to 1.2%.
  • 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, 0.5 to 1.9% of Cr, 1.5% or less of Ni, 0.5% or less of V, and 1% of Mo, which are generally used as the chemical composition of spring steel, 0.5% or less and W of 0.5% or less, one or two or more of these can be appropriately added depending on the purpose, and as a result, the coil spring has higher performance or is more suitable for the application. can also be manufactured. For example, the case of adding Cr will be described below.
  • Cr 0.5-1.9% 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 1.9% 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 1.9%, the toughness is lowered, and cracks and surface scratches are likely to occur.
  • 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. As a point, it has been found that there are many fracture starting points at the depth positions of the crossing points on the inner diameter side of the effective portion of the compression coil spring.
  • 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.
  • the strength of the wire itself is also important for coil springs in order to satisfy the fatigue resistance and settling resistance required. That is, on the inner diameter side of the compression coil spring, the crossing point is defined as the depth from the surface at which the value of the compressive residual stress at no load in the substantially maximum principal stress direction when a compressive load is applied to the spring is zero.
  • the average Vickers hardness at the crossing point depth position from the coil inner diameter side surface of the effective part arbitrary cross section must be in the range of 500 to 700 HV. If it is less than 500 HV, the material strength is low. Sufficient fatigue resistance and sag resistance cannot be obtained.
  • the crossing point is defined as 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 average Vickers hardness at the crossing point depth position from the coil inner diameter side surface of the arbitrary cross section of the effective part was set to 500 to 700 HV.
  • the present invention has a structure containing white structures (ferrite grains). Ferrite grains have the effect of improving the toughness of the compression coil spring, and should be 3.0 area % or more in order to obtain this effect. On the other hand, when the area ratio of ferrite exceeds 5.0%, hardness of 500 HV or more cannot be obtained. Therefore, the area ratio of ferrite is preferably 3.0 to 5.0%.
  • the structure other than ferrite may include tempered martensite or 0.1 to 8.0 area % of retained austenite.
  • the present invention relates to a hot-formed compression coil spring, in which the equivalent circle diameter of the wire (including the diameter of a perfect circle calculated from the cross-sectional area of the wire, including non-circular cross sections such as squares and ovals) is 1.5 mm. Applicable to generally cold formed compression coil springs with a spring index of 5-10.0 mm and a spring index of eg 3-8.
  • valve springs, clutch torsion springs, etc. which require a large degree of processing during coiling (that is, large tensile residual stress on the inner diameter side of the coil generated by coiling in cold forming) and high fatigue resistance. It can be suitably applied to a compression coil spring having an equivalent circle diameter of 1.5 to 10.0 mm.
  • 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.
  • 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 An oil-tempered wire such as a chrome-vanadium steel oil-tempered wire can be used.
  • the present invention contains 0.45 to 0.8% by weight of C, 0.15 to 3.0% of Si, and 0.3 to 1.2% of Mn, and optional components As Cr 0.5 to 1.9%, Ni 1.5% or less, V 0.5% or less, Mo 1.5% or less, W 0.5% or less 1 or 2 Including the above, a steel wire rod with an equivalent circle diameter of 1.5 to 10.0 mm, the balance being iron and inevitable impurities, is heated from room temperature to 900 to 950 ° C. within 2.5 seconds with a high-frequency heating coil, and 0.5 This is a method for manufacturing a compression coil spring, which is held for 2.0 seconds, then coiled using a coiling tool, and quenched and tempered to impart the following physical properties.
  • a steel wire is heated from room temperature to 900 to 950°C within 2.5 seconds with a high-frequency heating coil, held for 0.5 to 2.0 seconds, then coiled using a coiling tool and quenched.
  • the heating temperature is limited to 900 to 950° C., coarsening of the pro-eutectoid ferrite can be suppressed and the equivalent circle diameter of the maximum ferrite structure can be limited to 10 ⁇ m or less.
  • (A) is a photograph of the tissue at a depth of 0.2 mm from the coil inner diameter side surface of the compression coil spring of the example of the present invention, and (B) is a luminance histogram in (A).
  • (A) is a standardized tissue photograph of FIG. 1 (A), and (B) is a luminance histogram in (A).
  • (A) is a tissue photograph obtained by binarizing FIG. 2 (A), and (B) is a luminance histogram in (A).
  • a coiling device equipped with a high-frequency heating coil is used to heat the temperature shown in Table 2 within 2.5 seconds and hold it for the time shown in Table 2. After coiling, it is put into quenching oil. Quenched. Thereafter, tempering was performed at the temperatures shown in Table 2 (Invention Examples 1 to 5, Comparative Examples 1 and 2).
  • FIG. 1(A) is ferrite that is not corroded by the nital solution, and the surrounding area is tempered martensite.
  • FIG. 1B is a histogram obtained by image analysis of an observed grayscale image, with luminance on the horizontal axis and frequency on the vertical axis.
  • the original data shown in FIG. 1A was standardized by the following procedure.
  • the original data with luminance values of 0 to 255 were standardized so that the average ⁇ of the luminance values was 0 and the standard deviation ⁇ was 1.
  • those outside the range of ⁇ 3 ⁇ with respect to the average ⁇ of luminance values were treated as ⁇ 3 ⁇ .
  • FIG. 2(A) is a tissue image standardized as described above
  • FIG. 2(B) is a histogram obtained by image analysis of the standardized tissue image, with luminance on the horizontal axis and frequency on the vertical axis.
  • FIG. 3(A) is a tissue image after binarization and consists only of white and black portions.
  • FIG. 3B is a histogram obtained by image analysis of the binarized tissue image, with the horizontal axis representing the luminance and the vertical axis representing the frequency.
  • the tissue image after binarization was image-analyzed to determine the area ratio of the white portion (ferrite), and a histogram of the circle-equivalent diameter of the white portion was obtained. As a result, the maximum equivalent circle diameter of the white portion was obtained.
  • Table 2 also shows the ferrite grain area ratio and the circle equivalent diameter of the maximum ferrite grain of each sample.
  • 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, the number of tests was 8 each, and the test stress was 30 million times.
  • the fatigue resistance was evaluated by the breakage rate (number of breakages/number of test pieces) during excitation.
  • the maximum ferrite grain circle equivalent diameter at a position 0.2 mm deep from the surface on the inner diameter side of the cross section of the effective portion of the coil spring is 10 ⁇ m or less, and the ferrite grain area ratio was 3.0 to 5.0%, and the hardness was 500 to 700 HV, resulting in a breakage rate of 0/8.
  • Comparative Example 1 the maximum ferrite grain circle equivalent diameter at a position 0.2 mm deep from the coil inner diameter side surface was 10.4 ⁇ m, and the hardness was 470 HV. Two of them were broken.
  • 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

破壊起点となる粗大化した初析フェライト粒を低減して耐疲労性を向上させた圧縮コイルばねを提供することを課題とする。　円相当径が１．５－１０．０ｍｍの鋼線材を用いた圧縮コイルばねであり、有効部任意横断面内径側において、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以下の物理的特性を有する圧縮コイルばねである。 （１）エッチング液を用いて金属組織を現出したあと、倍率１０００倍で撮影した金属顕微鏡像において、得られた観察グレースケール画像の輝度値の標準化を行った後、輝度値の平均値がμ輝度値の標準偏差がσであったとき、μ+２σを２値化の閾値として２値化処理を行ったあとの最大の白色組織の円相当径が１０μｍ以下である。 （２）硬さが５００－７００ＨＶ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、フェライトを含むがその大きさを制限することにより耐久性を向上させる技術に関する。
　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。
　特許文献１は、強度が１２００ＭＰａ以上で従来の鋼材より疲労特性に優れた高張力鋼材を提案している。特許文献１では、不均一組織がラスマルテンサイトを主体とする組織の場合に、フェライトの面積分率を３％以下とすることによって、不均一組織が内部破壊の起点として作用し難くなるとしている（段落００２０）。
特許第５４３９８１９号
　しかしながら、フェライトの面積分率を３％以下にしても、大きなフェライト粒があると、そこが内部組織割れの起点になることは回避できない。亜共析鋼において、オーステナイトから最初に析出する初析フェライトは、加熱条件によっては粗大化し易い。しかしながら、初析フェライトが不均一組織の主体となる場合については検討されていないのが現状であった。
　このような背景の下、本発明は、破壊起点となる大きな初析フェライトを低減して耐疲労性を向上させることを目的としている。
　本発明者は、コイルばね成形時の加熱温度と耐久性との関係を調査した結果、加熱温度が低い程耐久性に優れることを見いだした。さらに、冷間で成形した場合は破壊がコイルばねの表面を起点とすることと、熱間で成形した場合は破壊がコイルばねの内部の組織割れを起点とすることを見いだした。
　本発明者が熱間で成形したコイルばねの折損部位を調査したところ、加熱温度が高い程、折損起点の組織が大きく、その大きな組織の硬さは４７０ＨＶ程度の軟質組織であり、その周囲は６１０ＨＶ程度の硬質組織であった。そして、組織をエッチング液で腐食したところ、大きな組織は腐食されずに白く現出したため初析フェライトであることと、周囲の組織は焼戻しマルテンサイトであることが判明した。
　以上のことから、本発明者は、組織から白色組織であるフェライトを定量化するために、組織の観察グレースケール画像データ（元データ）から輝度値を横軸としたヒストグラムを得、このヒストグラムを標準化して正規分布とし、正規分布における輝度値の平均値をμ、標準偏差をσとしたときに、μ＋２σを閾値として二値化処理を行って白色組織のみを抽出した。抽出した白色組織から、その面積率と最大円相当径を求めた結果、最大円相当径が１０μｍ以下の場合に疲労試験における折損率が大幅に低下することを見いだした。
　本発明は上記知見に基づいてなされたもので、質量％で、Ｃを０．４５～０．８％、Ｓｉを０．１５～３．０％、Ｍｎを０．３～１．２％含むと共に、任意成分としてＣｒを０．５～１．９％、Ｎｉを１．５％以下、Ｖを０．５％以下、Ｍｏを１．５％以下、Ｗを０．５％以下のうち１種または２種以上を含み、残部が鉄および不可避不純物からなる円相当径が１．５～１０．０ｍｍの鋼線材を用いた圧縮コイルばねであって、前記圧縮コイルばねの有効部任意横断面内径側において、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以下の物理的特性を有する圧縮コイルばねである。
（１）エッチング液を用いて金属組織を現出したあと、倍率１０００倍で撮影した金属顕微鏡像において、得られた観察グレースケール画像の輝度値の標準化を行った後、輝度値の平均値がμ、輝度値の標準偏差がσであったとき、μ+２σを２値化の閾値として２値化処理を行ったあとの最大白色組織の円相当径が１０μｍ以下である。
（２）平均硬さが５００～７００ＨＶである。
　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０．３～１．２％を少なくとも含む鋼線材を用いる。なお、以下の成分の説明において、「％」は「質量％」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:０．３～１．２％
　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１．２％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０．３～１．２％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を０．５～１．９％、Ｎｉを１．５％以下、Ｖを０．５％以下、Ｍｏを１．５％以下、Ｗを０．５％以下のうち１種または２種以上を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:０．５～１．９％
　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０．５～１．９％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１．９％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）最大白色組織の円相当径：１０μｍ以下
　白色組織はエッチング液で腐食されずに白く現出したフェライトである。円相当径が１０μｍを超えるフェライト粒が存在すると、そのフェライト粒が圧縮コイルばねの折損の起点となって耐疲労性が低下する。よって、最大フェライト粒の円相当径を１０μｍ以下とした。
（４）平均硬さ：５００～７００ＨＶ
　高負荷応力下で使用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としては、要求される耐疲労性と耐へたり性を満足するために、コイルばねとしては線材自体の強度も重要である。すなわち、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、圧縮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における平均ビッカ－ス硬さが、５００～７００ＨＶの範囲であることが必要であり、５００ＨＶ未満の場合は、その材料強度の低さから十分な耐疲労性と耐へたり性が得られない。
　また、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し、信頼性が重要な自動車部品として用いるには不適となる。よって、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、圧縮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における平均ビッカ－ス硬さを５００～７００ＨＶとした。
（４）白色組織の面積率：３．０～５．０％
　本発明は白色組織（フェライト粒）を含む組織を有する。フェライト粒は圧縮コイルばねの靱性を向上させる効果があり、その効果を得るためには３．０面積％以上必要である。一方、フェライトの面積率が５．０％を超えると、５００ＨＶ以上の硬さを得ることができない。よって、フェライトの面積率は３．０～５．０％が好ましい。なお、フェライト以外の組織としては、全て焼戻しマルテンサイトか、０．１～８．０面積％の残留オーステナイトが含まれてもよい。
（５）ばね指数：３～８
　本発明は、熱間成形圧縮コイルばねであり、線材の円相当径（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１．５～１０．０ｍｍ、ばね指数が例えば３～８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、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径が１．５～１０．０ｍｍである圧縮コイルばねに好適に適用することができる。
　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。
（６）表面粗さＲｚ：２０μｍ以下
　高負荷応力下で使用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としては、要求される耐疲労性を満足するために、上述の圧縮残留応力分布と共に表面粗さも重要である。本発明者らが破壊力学的計算とその検証実験を行った結果、表面起点による亀裂の発生・進展に対しては、表面キズの深さ（すなわち、表面粗さＲｚ（最大高さ））を２０μｍ以下とすることで、その影響を無害化できることが判明している。このため、表面粗さＲｚが、２０μｍ以下であることが好ましい。Ｒｚが２０μｍを超える場合、表面粗さの谷部が応力集中源となり、その谷部を表面起点とした亀裂の発生・進展が起こり易くなるため、早期折損を招く。
　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を用いることができる。
（７）製造方法
　本発明は、重量％で、Ｃを０．４５～０．８％、Ｓｉを０．１５～３．０％、Ｍｎを０．３～１．２％含むと共に、任意成分としてＣｒを０．５～１．９％、Ｎｉを１．５％以下、Ｖを０．５％以下、Ｍｏを１．５％以下、Ｗを０．５％以下のうち１種または２種以上を含み、残部が鉄および不可避不純物からなる円相当径が１．５～１０．０ｍｍの鋼線材を高周波加熱コイルで常温から９００～９５０℃まで２．５秒以内で加熱し、０．５～２．０秒間保持した後コイリングツールを用いてコイリングし、焼入れ焼戻しを行って以下の物理的特性を付与する圧縮コイルばねの製造方法である。
（１）エッチング液を用いて金属組織を現出したあと、倍率１０００倍で撮影した金属顕微鏡像において、得られた観察グレースケール画像の輝度値の標準化を行った後、
　輝度値の平均値がμ、輝度値の標準偏差がσであったとき、μ+２σを２値化の閾値として２値化処理を行ったあとの最大の白色組織の円相当径が１０μｍ以下である。
（２）硬さが５００～７００ＨＶである。
　本発明では、鋼線材を高周波加熱コイルで常温から９００～９５０℃まで２．５秒以内で加熱し、０．５～２．０秒間保持した後コイリングツールを用いてコイリングし、焼入れする。特に、加熱温度を９００～９５０℃に制限しているから、初析フェライトの粗大化を抑制して最大のフェライト組織の円相当径を１０μｍ以下に制限することができる。
　本発明によれば、破壊起点となる初析フェライト組織を低減して耐疲労性を向上させた圧縮コイルばねを得ることができる。
（Ａ）は本発明の実施例の圧縮コイルばねのコイル内径側表面から深さ０．２ｍｍの位置の組織写真、（Ｂ）は（Ａ）における輝度のヒストグラムである。 （Ａ）は図１（Ａ）を標準化した組織写真、（Ｂ）は（Ａ）における輝度のヒストグラムである。 （Ａ）は図２（Ａ）を二値化した組織写真、（Ｂ）は（Ａ）における輝度のヒストグラムである。
（１）圧縮コイルばねの製造
　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、熱間コイリングによりばね指数６．００、有効部巻数３．２５巻、総巻数５．７５の圧縮コイルばねを作製した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　熱間コイリングでは、高周波加熱コイルを備えたコイリング装置により表２に示す温度に２．５秒以内で加熱するとともに表２に示す時間保持し、コイリングを行った後、焼入油に投入して焼入れした。その後、表２に記載の温度で焼戻しを行った（発明例１～５、比較例１、２）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
（２）物理的特性
　このようにして得られたサンプルに対し、以下のとおり物理的特性を調査した。その結果を表２に併記する。
１．最大の白色組織の円相当径および面積率
　各サンプルを切断してコイルばね有効部任意の横断面を研磨し、ナイタール液で腐食し、金属顕微鏡で１０００倍の倍率でコイル内径側の表面から０．２ｍｍ深さの箇所を観察した。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。その観察画像を図１（Ａ）に示す。図１（Ａ）において白く現出している部分がナイタール液で腐食されないフェライトであり、その周囲は焼戻しマルテンサイトである。図１（Ｂ）は、観察グレースケール画像を画像解析し、輝度を横軸にして頻度を縦軸にしたヒストグラムである。
　次に、図１（Ａ）に示す元データから以下の手順で標準化を行った。
　輝度値が０～２５５の元データを輝度値の平均μが０、標準偏差σが１となるように標準化した。その際に、輝度値の平均μに対して±３σより外れているものは、±３σとして処理した。
　次いで、輝度値の最小値が０となるように、輝度値全体に３を加算した。これにより、輝度値の最小値が０、最大値が６となった。次いで、全体を６で除算し、２５５を掛けた。これにより、輝度値は０～２５５となった。
　図２（Ａ）は以上のようにして標準化した組織画像であり、図２（Ｂ）は標準化した組織画像を画像解析し、輝度を横軸にして頻度を縦軸にしたヒストグラムである。
　次に、標準化したデータから以下の手順で二値化を行った。
　標準化された輝度値の平均値をμ、標準偏差をσとしたとき、μ＋２σを閾値とした（図２（Ｂ）における縦線）。そして、輝度値がμ＋２σ未満の部分（縦線の左側）を黒色（輝度値０）、μ＋２σ以上の部分（縦線の右側）を白色（輝度値２５５）として、二値化を行った。図３（Ａ）は二値化後の組織画像であり白色と黒色の部分のみからなっている。また、図３（Ｂ）は、二値化後の組織画像を画像解析し、輝度を横軸にして頻度を縦軸にしたヒストグラムである。
　次に、二値化後の組織画像を画像解析して白色部分（フェライト）の面積率を求め、白色部分の円相当径のヒストグラムを得た。これにより、最大の白色部分の円相当径が得られた。表２に各サンプルのフェライト粒面積率と最大フェライト粒の円相当径を併記した。
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。その算出結果を表２に併記した。
（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本であり、３千万回加振時の折損率（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、発明例１～５では、コイルばねの有効部任意の横断面内径側の表面から０．２ｍｍ深さの位置における最大フェライト粒円相当径が１０μｍ以下、フェライト粒面積率が３．０～５．０％、硬さが５００～７００ＨＶであり、その結果、折損率は０／８となった。
　これに対して、比較例１では、コイル内径側表面から０．２ｍｍ深さの位置における最大フェライト粒円相当径が１０．４μｍ、硬さが４７０ＨＶであり、その結果、圧縮コイルばねは８本中２本が折損した。
　また、比較例２では、コイル内径側表面から０．２ｍｍ深さの位置における最大フェライト粒円相当径が１１．５μｍであり、その結果、圧縮コイルばねは８本中５本が折損した。
　また、比較例１，２においては、焼入れ温度（高周波加熱コイルによる加熱温度）が９５０℃を超えているため、初析フェライトが粗大化し、最大フェライト粒の円相当径が１０μｍを上回り、このため上記のような折損率となった。
　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. 　重量％で、Ｃを０．４５～０．８％、Ｓｉを０．１５～３．０％、Ｍｎを０．３～１．２％含むと共に、任意成分としてＣｒを０．５～１．９％、Ｎｉを１．５％以下、Ｖを０．５％以下、Ｍｏを１．５％以下、Ｗを０．５％以下のうち１種または２種以上を含み、残部が鉄および不可避不純物からなる円相当径が１．５～１０．０ｍｍの鋼線材を用いた圧縮コイルばねであって、
    　前記圧縮コイルばねの有効部任意横断面内径側において、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以下の物理的特性を有する圧縮コイルばね。
    （１）エッチング液を用いて金属組織を現出したあと、倍率１０００倍で撮影した金属顕微鏡像において、得られた観察画像の輝度値の標準化を行った後、
    　輝度値の平均値がμ、輝度値の標準偏差がσであったとき、μ+２σを２値化の閾値として２値化処理を行ったあとの最大の白色組織の円相当径が１０μｍ以下である。
    （２）硬さが５００～７００ＨＶである。
  2. 　前記二値化後の白色組織の面積割合が３．０～５．０％である請求項１に記載の圧縮コイルばね。
  3. 　前記白色組織はフェライトであり、残部は焼戻しマルテンサイトまたは焼戻しマルテンサイトに０．１～８．０面積％含まれる残留オーステナイトである請求項２に記載の圧縮コイルばね。
  4. 　ばね指数が３～８である請求項１～３のいずれかに記載の圧縮コイルばね。
  5. 　表面粗さＲｚが２０μｍ以下である請求項１～３のいずれかに記載の圧縮コイルばね。
  6. 　重量％で、Ｃを０．４５～０．８％、Ｓｉを０．１５～３．０％、Ｍｎを０．３～１．２％含むと共に、任意成分としてＣｒを０．５～１．９％、Ｎｉを１．５％以下、Ｖを０．５％以下、Ｍｏを１．５％以下、Ｗを０．５％以下のうち１種または２種以上を含み、残部が鉄および不可避不純物からなる円相当径が１．５～１０．０ｍｍの鋼線材を高周波加熱コイルで常温から９００～９５０℃まで２．５秒以内で加熱し、０．５～２．０秒間保持した後コイリングツールを用いてコイリングし、焼入れ焼戻しを行って、圧縮コイルばねの有効部任意横断面内径側において、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位置において以下の物理的特性を付与する圧縮コイルばねの製造方法。
    （１）エッチング液を用いて金属組織を現出したあと、倍率１０００倍で撮影した金属顕微鏡像において、得られた観察グレースケール画像の輝度値の標準化を行った後、
    　輝度値の平均値がμ、輝度値の標準偏差がσであったとき、μ+２σを２値化の閾値として２値化処理を行ったあとの最大の白色組織の円相当径が１０μｍ以下である。
    （２）硬さが５００～７００ＨＶである。
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