JPH0257637A - 高疲労強度ばねの製造方法及びそれに用いるばね用鋼線 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、強度が２００ｋｇｆ／ｍｍ”以上で且つ疲労
強度の高い冷間成形コイルばねの製造方法及びそれに用
いるばね用鋼線に関するものである。

（従来の技術） 車両の軽量化のニーズあるいはエンジンの高出力化に伴
い懸架ばね、弁ばね等において高設計応力が可能なコイ
ルばね用銅が求められている。設計応力は「最新ばね技
術」　（日本ばね工業会）１１８真に記載されているよ
うに一般に疲労強度とへたり特性に依存するが、市場に
おける疲労による折損が少ないことからへたり特性で設
計応力を決めているのが実状であった。ところが、材料
面では高Ｓｉ材の５ＵＰ７，５ＡＥ９２５４さらにＶ、
Ｎｂを添加した鋼が開発され、また工法面ではホットセ
ソチングの実用化によりへたり特性は格段に改善されて
きた。このため高設計応力化が可能な疲労強度に優れた
ばね用銅が現在求められている。

従来、冷間成形コイルばねは、ＪＩＳ３５６０゜３５６
１．３５６５．３５６６に規定されている鋼材あるいは
５ＡＥ９２５４等を用いて所定の寸法に仕上げた線を最
終工程で油焼入れ・焼戻しを行って所定の機械的性質を
与えた後冷間成形によって製造されている。このような
冷間成形コイルばねの疲労強度は、基本的にはばね材の
降伏強度と冷間成形によって生じるばね表面の引張り残
留応力で決まり、降伏強度が高いほど、引張り残留応力
が小さいほど疲労強度は増加する。強度だけを高めるな
らば現行のＪＩＳ規格等の鋼を用いて、焼入れ後の焼戻
し温度を低くすることで可能であるが、実際にこのよう
な低温焼戻し材を冷間でコイルばねを製造する際に問題
点が２つ生じる。１つは低温焼戻し材は延性が少ないた
めに冷間コイルばね成形時に折損しやすくなることであ
る。もう１つは成形できたとしても、強度が高いほど成
形後の引張り残留応力が増加するため、降伏強度が高く
てもコイルばねの疲労強度は逆に低下してしまうことで
ある。従って、ばね成形後引張り残留応力を低減させる
ために４００〜５００℃という降伏強度が低下する高温
で１５〜３０分燃鈍せざるをえないのが現状であった。

このように冷間成形コイルばねの高疲労強度化には、冷
開成形性及び強度と引張り残留応力という相反する特性
のために限界があった。

これに対して、冷開成形性を向上させる従来の知見とし
て特開昭６０−８９５５３号公報にはＮｉを２％以上添
加することにより焼入れ後の残留オーステナイトを１０
％以上にさせ高強度ばね用銅の冷開成形性を向上させる
ことが提案されているが、Ｎｉを添加しているためコス
トが高くなるという問題点がある。

一方、冷間ばね成形で生じる引張り残留応力は高温の燃
鈍で低下することから、焼戻し軟化抵抗の強いＭｏ、　
　Ｖ、　Ｎｂ等を添加し高強度化、高疲労強度化を図る
ことも行われているが、高温で焼鈍するために強度低下
をいかに少なくするかにかかっており、高疲労強度化に
は限界があった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は上記の如き実状に鑑みなされたものであって、
強度が２００ｋｇｆ／ｍｍ”以上の高強度材の冷間ばね
成形性を向上させるとともにばね成形後の引張り残留応
力を低下させて、コイルばねの高疲労強度化を実現する
方法を提供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段、作用） 本発明者らは上記の問題点解決のために鋭意研究した結
果、強度が２００　ｋｇｆ／ＩＩｎ＋＋”以上の高強度
材の冷間ばね成形性を向上させ、残留応力を低減させる
ためには降伏比を０．８５以下にする必要があり、また
鋼材組成と熱処理条件を最適に選択することにより降伏
比を０．８５以下にすることができるという全く新たな
知見を見い出した。さらに冷間ばね成形後、ばね成形に
よる歪を利用した歪時効硬化処理を施すことにより降伏
強度を格段に上げることができ、この結果ばねの高疲労
強度化が図られるという新知見を得て本発明をなしたも
のである。

本発明は以上の知見に基づいてなされるものであって、
その要旨とするところは、重量％で、Ｃ：０．３〜１．
３％　　　　Ｓｉ：０．８〜２．５％Ｍｎ：０．５〜２
．０％　　　　Ｃｒ：０．５〜２．０％を含み、その他
必要に応じて Ｍｏ：０，１〜０．５％　　　　Ｖ：０．０５〜０．５
％Ｔｉ：０．００２〜０．０５％　Ｎｂ：０．００５〜
０．２％Ｂ　：　０．０００３〜０．０　１％　Ｃｕ：
０．１〜２．０％八へ　：ｏ、ｏｔ〜０．１％　　　Ｎ
：０．０１〜０．０５％の１種または２種以上を含有し
、残部はＦｅ及び不可避不純物よりなる鋼について、オ
ーステナイト化処理後２５０〜５００℃に３秒〜３０分
保定した後空冷または急冷ことにより降伏比を０．８５
以下とし、引続き所定の形状に冷間ばね成形した後２０
０〜４５０℃で歪時効硬化処理を施すことを特徴とする
高疲労強度ばね用ｍ線及び高疲労強度ばねの製造方法に
関するものである。

以下に本発明の詳細な説明する。

まづ本発明の対象とする鋼の成分限定理由について述べ
る。

ＣＴＣは製品に所要の強度を付与するために必須の元素
であるが、０．３％未満では目的とする２００ｋｇｆ／
ｍｎ＋”以上の強度が得られず、一方１．３％を越えて
も強度はもはや増加しないので０．３〜１．３％の範囲
に限定した。

Ｓｉ：Ｓｉは固溶体硬化作用によって強度を高めるため
、ばねの耐へたり性を向上させるとともに本発明の最も
重要な点である冷間ばね成形前の降伏比を０．８５以下
にするために不可欠な元素であるが、０．８％未満では
降伏比を０．８５以下にすることが困難になり、一方２
．５％を越えると上記の効果が飽和するため０．８〜２
．５％に限定した。

Ｍｎ　：　Ｍｎは脱酸、脱硫のために必要であるばかり
でなり、鋼の焼入性を向上させさらに降伏比を０．８５
以下にするために有効な元素であるが、０６５％未満で
は上記の効果が得られず、一方２％を越えると上記の効
果が飽和するため０．５〜２，０％の範囲に制限した。

Ｃｒ　：　Ｃｒは焼入性を向上させＣの黒鉛化を防止す
るためと降伏比を０．８５以下にするために有効な元素
であるが、０．５％未満では前記作用の効果が得られず
、一方２．０％を越えると靭性が低下することから、０
．５〜２．０％に制限した。

以上が本発明の対象とする鋼の基本成分であるが、本発
明においては、この他に鋼の焼入性を向上させるととも
にオーステナイト化処理時の結晶粒度の粗大化の防止並
びにばね成形前の降伏比を低下させるためにＭｏ、　Ｖ
、’　Ｔｉ、、Ｎｂ、　　Ｂ、　Ｃｕｔ　ＡＮ。

Ｎの１種または２種以上を含有せしめることもできる。

Ｍｏ　：　Ｍｏは焼入性と焼戻し軟化抵抗を増加させる
のに有効な元素であるが０．１％未満では効果がなく、
一方０．５％を越えても添加量に見合うだけの効果がな
いのでこれを上限とした。

■：■はＭｏと同様に焼入性と焼戻し軟化抵抗を増加さ
せる効果の他に、オーステナイト化処理時の結晶粒度の
粗粒化を抑制する効果があるが、０．０５％未満では前
記作用の効果が得られず、一方０．５％を越えても効果
が飽和するため０．０５〜０．５％に限定した。

Ｔｉ　：　ＴｉはＮと結合してＴｉＮを形成することに
よリオーステナイト化処理時の結晶粒度の粗大化を抑制
する効果があるが０．００２％未満ではその効果が不十
分であり、一方０．０５％を越えるとばね疲労に有害な
粗大なＴｉＮが生成するため０．００２〜０．０５％の
範囲に制限した。

Ｎｂ　：　Ｎｂはオーステナイト化処理時の結晶粒度の
粗大化を防止する効果があるが、０．００５％未満では
その効果が不十分であり、一方０．２％を越えると効果
が飽和するため０．００５〜０．２％に制限した。

Ｂ：Ｂは焼入性を向上させるために有効な元素であるが
０．０００３％未満ではその効果が十分発揮されず、一
方０．０１％を越えると粗大なり化合物を析出させて靭
性を劣化させるので、０゜０００３〜０．０１％に制限
した。

Ｃｕ　：　Ｃｕは焼入性を向上させるとともに降伏比を
低下させるのに有効な元素であるが、０．１％未満では
期待する効果が得られず、一方２，０％を越えるとＣｕ
の効果が飽和するため０．１〜２．０％に制限した。

Ａｌ：ＡｌはＴｉと同様な効果を有するが、０．０１％
未満ではその効果が発揮されず、一方０．１％を越えて
も効果が飽和するため０．０１〜０．１％に限定した。

ＮＵＮは八β、　Ｔｉ、　　Ｖと結合してそれぞれＡＩ
！Ｎ。

ＴｉＮ、　ＶＮを形成し、オーステナイト化処理時の結
晶粒粗大化を防止する作用を持ち、さらに降伏比を低下
させばね成形後の歪時効硬化に有効な元素であるが、０
．０１％未満では前記作用の硬化が顕著ではなく、一方
０．０５％を越えると効果が飽和するため０．０１〜０
．０５％に限定した。

次に本発明の最も重要な点である冷間成形前の鋼の降伏
比を０．８５以下とするためには、オーステナイト化処
理後２５０〜５００℃に３秒〜３０分保定した後空冷ま
たは急冷する必要がある。降伏比を０．８５以下にする
ことによって冷間ばね成形性を向上させるとともに冷間
ばね成形で生じる引張り圧縮残留応力を従来用いられて
いる油焼入れ・焼戻し材より格段に低減さ゛せることが
可能となる。

まづ降伏比を０．８５以下と限定した理由について説明
する。

鋼材組成と熱処理により引張り強度が２００ｋｇｆ／ｍ
ｍ”以上で且つ降伏比を変化させた場合の冷間ばね成形
性の尺度となる伸び並びに冷間ばね成形後の残留応力、
ばね疲労強度に及ぼす影響を調べた一層゛を第１表に示
す。ＪＩＳ３５６６であるＡ１１：及びＪＩＳ３５６６
をベースにＣ量を増加させたＢ。

Ｃ鋼は、通常行われている焼入れ・焼戻し処理によって
冷間ばね成形前に所定の強度を得たものである。焼入れ
・焼戻し材は、降伏比が０．９以上と高いために破断伸
びが小さく、特にＣ鋼は低温焼戻しを行ったため伸びが
低下し冷間ばね成形時に割れが発生した。またＡ、Ｂ鋼
の冷間ばね成形で生じる引張り残留応力は非常に高くな
る。このことは降伏強度を高くしても残留応力がこれに
ともない高くなるため、疲労強度は逆に低下することを
意味する。一方、本発明の鋼材組成と熱処理を施したり
、　　Ｅ、　　Ｆｍは降伏比が０．８５以下と従来工程
材に比べ低下しているため破断伸びにすぐれさらに残留
応力が非常に小さくなる。この結果本発明によるコイル
ばねの残留応力は従来の焼入れ・焼戻し材に比べ小さく
なるため疲労強度は後述するように焼入れ・焼戻し材よ
り格段に高くなる。

さらに降伏比を低下させることによて鋼の延性が増加す
るため、従来冷間ばね成形が困難とされていた０、８％
Ｃ以上の鋼でもばね成形が可能となり一層のばねの高疲
労強度化が可能となる。以上のように冷間ばね成形時の
残留応力低減とばね成形性を向上させるためには降伏比
を０．８５以下にする必要があるが、望ましくは０．７
５以下がよい。

次に降伏比を０．８５以下とするための冷間ばね成形前
の熱処理条件として、オーステナイト化処理後２５０〜
５００℃に３秒〜３０分保定した後空冷あるいは急冷処
理を施すのであってこの処理によって本発明の対象とす
る成分系で０．８５以下にすることが可能である。まず
２５０〜５００’ｊ：の温度範囲であるが、５００℃を
超えるとパーライトが生成しやすくなるため本発明の目
標とするところの２００Ｋｇｆ／ｍｍ”以上の強度が得
られず、一方２５０℃未満に保定すると降伏強度が高く
なるため降伏比が０．８５以下とならないためである。

また保定時間は３秒未満では降伏比を０．８５以下とす
ることができず、一方３０分を超えても降伏比はほとん
ど変化せず、生産性も悪くなるため３゜分を限度とした
。

本発明の成分系と熱処理によってばね成形性が向上しま
たばね成形後の引張り残留応力は格段に低減するが、降
伏比が０．９以上ある従来工程で製造される焼入れ・焼
戻し材に比べ降伏比が小さいためにばね成形後は２００
〜４５０℃の温度範囲で冷間ばね成形歪を利用した歪時
効硬化処理を施し降伏比を上げる必要がある。−例とし
て塑性歪を付与した時の歪時効硬化処理温度と降伏強度
、降伏比の関係を第１図に示す。同図から明らかなよう
に歪時効硬化処理によって降伏強度が増加し°降伏比を
０．９以上に高めることができる。この結果最終的に低
残留応力と高降伏強度化によって、ばねの高疲労強度化
並びにへたりの低下が可能となる。歪時効硬化処理温度
としては２００℃未満では時効硬化を得るのに時間がか
かりすぎるため、一方４５０℃を超えると強度が低下す
るため２００〜４５０℃の温度範囲とした。保定時間は
特に規定しないが５分以上行えば十分である。

（実施例１） 第２表に供試材の化学組成ならびにオーステナイト化処
理後の熱処理条件を示す。同表中試験番号１〜３，５〜
８．１０〜１２が本発明例で、その他は比較例である。

これらの供試材はいずれも真空溶解により３００ｋｇ鋼
塊を溶製し、鍛造および熱間圧延、冷間伸線を行って製
造されたものである。これらの供試材を用いてオーステ
ナイト化処理後、所定の熱処理を施し、引張り試験を行
い０．２％降伏強度１引張強度、降伏比を求めた。これ
らの試験結果を第２表に併記する。

同表に見られるように本発明例はいずれも強度が２００
　Ｋｇｆ／ｍｍ２以上でかつ降伏比が０．８５以下とな
っている。この結果前述したように高強度材の冷間ばね
成形性が向上するとともに、ばね成形時に生じる残留応
力も従来の焼入れ・焼戻し材に比べ低下させることがで
きる。

これに対して比較例であるＮｏ４はＳｉ量が低いために
降伏比が０．８６と高くなっている。また比較例である
Ｎｏ９，１．３．１４はいずれもオーステナイト化処理
後の熱処理条件が不適切な例である。

即ち、Ｎｏ９は熱処理温度が高すぎて目標とする引張強
度２００Ｘｇｆ／ｍｓ”が得られず、またＮｏ１３は保
定時間が短すぎて、Ｎｏ１４は保定温度が低すぎていず
れも降伏比が０．８５以下にならなかった例である。

（実施例２） 第１表、第２表のうち比較例であるＡ、Ｂと本発明例で
ある■、■、■、■、［相］、■の供試鋼についてコイ
ルばねの疲労試験と耐へたり性を調べるためにコイルば
ねの締め付は試験を行った。線径４１、ばね径２６ｍｍ
、ばね高さ６４ｍｎ＋、有効巻数５のコイルばねを冷間
成形後、第３表に示す温度で熱処理を行い、引続きショ
ットピーニング、セッチングをし、疲労試験ならびに締
め付は試験を行った。疲労試験は、ばね形状から計算さ
れる最大剪断応力が７０±５０　Ｋｇｆ／ｍｍ”になる
条件で１０’回まで行い、また最大剪断応力が１２０　
Ｋｇｆ／ｍｍ”になる荷重でコイルばねを締め付け、９
６時間放置した後のばね高さの変化からへたり特性の指
標となる残留歪を求めた。これらの結果を第３表に示す
。

第３表かられかるように、本発明により製造したコイル
ばねはいずれも比較例である焼入れ焼戻しで製造された
ものよりも疲労寿命が高くなっている。これは、降伏比
を０．８５以下に制限することによって焼入れ・焼戻し
材と比べ冷間ばね成形時に生じる残留応力が小さくなる
ことと、焼入れ・焼戻し材では冷間成形が困難な高強度
材の冷間ばね成形が可能になったことに起因する。また
本発明により製造されたコイルばねは残留剪断歪も焼入
れ・焼戻し材に比べ少ない。

（発明の効果） 以上の実施例からも明らかなごとく、本発明は鋼材組成
とオーステナイト化後の熱処理条件とを最適に選択する
ことによって引張強度２００Ｋｇｆ／ｍｍｔ以上のばね
用鋼線の降伏比を０．８５以下にし、冷間コイルばね成
形時に生じる残留窓・力を低下させるとともに冷間成形
性を向上させることが可能となる。さらに冷間ばね成形
後、成形歪を利用した歪時効硬化処理で降伏強度の高強
度化を図ることができ、最終的に残留応力の低減と降伏
強度の増加によりコイルばねの高疲労強度化を可能にし
たものであり、産業上の効果は極めて顕著なものがある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は鋼線に塑性歪を与えた時の歪時効硬化処理温度
と降伏強度変化、降伏比変化の関係を示す図。 特許出願人　　新日本製鐵株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、 Ｃ：０．３〜１．３％　Ｓｉ：０．８〜２．５％Ｍｎ：
   ０．５〜２．０％　Ｃｒ：０．５〜２．０％を含み、そ
   の他必要に応じて Ｍｏ：０．１〜０．５％　Ｖ：０．０５〜０．５％Ｔｉ
   ：０．００２〜０．０５％　Ｎｂ：０．００５〜０．２
   ％Ｂ：０．０００３〜０．０１％　Ｃｕ：０．１〜２．
   ０％Ａｌ：０．０１〜０．１％　Ｎ：０．０１〜０．０
   ５％の１種または２種以上を含有し、残部はＦｅ及び不
   可避不純物よりなる鋼について、オーステナイト化処理
   後２５０〜５００℃に３秒〜３０分保定した後空冷また
   は急冷し、引続き所定の形状に冷間ばね成形した後２０
   ０〜４５０℃で歪時効硬化処理を施すことを特徴とする
   高疲労強度ばねの製造方法。
2. （２）重量％で、 Ｃ：０．３〜１．３％　Ｓｉ：０．８〜２．５％Ｍｎ：
   ０．５〜２．０％　Ｃｒ：０．５〜２．０％を含み、そ
   の他必要に応じて Ｍｏ：０．１〜０．５％　Ｖ：０．０５〜０．５％Ｔｉ
   ：０．００２〜０．０５％　Ｎｂ：０．００５〜０．２
   ％Ｂ：０．０００３〜０．０１％　Ｃｕ：０．１〜２．
   ０％Ａｌ：０．０１〜０．１％　Ｎ：０．０１〜０．０
   ５％の１種または２種以上を含有し、残部はＦｅ及び不
   可避不純物よりなる鋼について、オーステナイト化処理
   後２５０〜５００℃に３秒〜３０分保定した後空冷また
   は急冷することにより降伏比を０．８５以下とすること
   を特徴とする高疲労強度ばね用鋼線。