JPH02217421A - 高疲労強度ばねの製造方法及びそれに用いる鋼線 - 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／ｍｗ”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頁）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、市場で
の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。しかしホットセッチ
ング、ストレスピーニング等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、パテンティング処理後常温で伸線加工を行って仕
上げられる冷間成形ばね用鋼線としては、ＪＩＳ　３５
２２等に記載されるピアノ線が長い間使用されてきた。

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。従って、コ
イルばねの高疲労強度化を達成するためには、できるだ
け降伏強度を高め且つ冷間ばね成形時に生じる残留応力
を低減させる必要があるが、ここで問題点が２つ生じる
。１つは伸線材の強度が高いほどばね成形後の引張り残
留応力が増加するため、強度を高くしてもコイルばねの
疲労強度そのものはほとんど高くならないことである。

もう１つは、冷間伸線加工材を用いたコイルばね特有の
現象であるが、残留応力が一定としても疲労強度に及ぼ
す降伏強度の効果が少ないことである。この原因は（ば
ね技術研究会昭和６３年度春期講演会前刷集、ばね技術
研究会、７頁）によれば、伸線方向と直角方向（以後Ｚ
方向と呼ぶ）の強度は伸線方向と平行方向（以後り方向
と呼ぶ）の強度に比べ低く、さらに伸線加工によるＺ方
向の強度増加はＬ方向に比べて少ないためと考えられて
いる。

このように伸線加工材を用いた冷間成形コイルばねの高
疲労強度化には１強度と引張り残留応力という相反する
特性とＺ方向の強度がＬ方向に比べ低いということのた
めに限界があった。

［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１
強度が２００ｋｇｆ／ａｍ”以上の高強度伸線加工材の
Ｚ方向の強度を増加させるとともに冷間ばね成形時に生
じる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、伸線加工材の２方向の強度を増加させるとともに冷
間ばね成形時に生じる引張り残留応力を低下させるため
には、冷間ばね成形前に伸線材にねじり角度で３度以上
のねじり塑性加工を施す必要があり、また鋼材組成ある
いは伸線加工後の熱処理条件を最適に選択することによ
り強度が２００ｋｇｆ／ａｍ”以上の伸線加工材におい
て３度以上のねじり塑性加工が可能という全く新たな知
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たものであって、
その要旨とするところは、重量％で。

Ｃ：０．７５〜１．１％、　　Ｓｉ：１．０〜２．０％
。

Ｍｎ　：　０．２〜１．０％、　　　Ｃｒ：０．１〜１
．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％。

Ａ　Ｑ　：　０．０１〜０．１％ の１種または２種以上を含有し、残部はＦｅ及び不可避
不純物よりなる鋼線について、パテンティング処理後７
５％以上の伸線減面率で伸線を行い、づ続きねじり角度
で３度以上のねじり塑性加工をするか、あるいは４００
〜６００℃で５〜３００秒焼鈍処理を行いねじり塑性加
工したる後、冷間ばね成形を行うことを特徴とする高疲
労強度ばね用鋼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。

まず本発明の対象とする鋼の成分限定理由について述べ
る。

Ｃ：Ｃはパテンティング材強度を高めるために必須の元
素であるが、０．７５％未満では最終的な伸線材強度と
して目標とする２００ｋｇｆ／鵬ｍ２以上の強度が得ら
れず、一方１．１％を越えるとパテンティング処理時に
初析セメンタイトがオーステナイト粒界に析出して伸線
性及び靭性を劣化させるので０゜７５〜１．１％の範囲
に限定した。

Ｓｉ：Ｓｉはパーライト中のフェライトを４強化させる
ためと鋼の脱酸のために有効であり、さらにねじり塑性
加工性を上げるために４００〜６００℃に焼鈍した際の
強度低下を抑制する効果を有するが。

１．０％未満では上記の効果が期待できず、一方２．０
％を越えると上記の効果が飽和するため１．０〜２．０
％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
く、鋼の焼入性を向上させパテンティング材の強度を高
めるために有効な元素であるが、０゜２％未満では上記
の効果が得られず、一方１．０％を越えると上記の効果
が飽和しさらにパテンティング処理でパーライト変態を
完了させるために保持時間が長くなりすぎて実際的でな
いため０．２〜１．０％の範囲に制限した。

Ｃｒ：Ｃｒはパーライトのセメンタイト間隔を微細化さ
せてパテンティング材の強度を増加させ。

さらに伸線加工後焼鈍処理を施した時の強度低下を少な
くするとともにねじり塑性加工性を向上させるために有
効な元素であるが、０．１％未満では前記作用の効果が
得られず、一方１．０％を越えるとパテンティング処理
時間が長くなりすぎるため、０．１〜１．０％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１本発
明においては、この他に鋼の焼入性を向上させパテンテ
ィング材の強度を増加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伸線加工後の焼
鈍処理時の強度低下を減少させるためにＭｏ、　Ｖ　、
　Ｔｉ、　Ｎｂ、　Ａ　Ｑ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はパテンティング材強度を増加させ。

さらに焼鈍処理時の強度低下を減少させるために有効な
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。

ｖ：ｖはＭｏと同様にパテンティング材強度を増加させ
、焼鈍処理時の強度低下を減少させる効果の他に、窒化
物を形成することにより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り
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あるいはＴｉＣが生成するので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、　ｏ、ｏｏｓ％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ｏ、ｏｏｓ〜０．２％に制限した。

Ａｆｉ　：　ＡＱ−４＋Ｎｂ、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。

またコイルばね疲労に有害なＰ、Ｓの不純物元素の量は
特に規制はしないもののそれぞれ０．０１％以下が望ま
しい。

上記の成分範囲でパテンティング処理後、伸線減面率で
７５％以上の伸線加工を施す必要がある。

これは本発明で目標とする２００ｋｇｆ／ａｍ”以上の
強度が７５％未満の伸線加工度では得られないためであ
る。なおパテンティング処理後の強度としては１３５〜
１６０ｋｇｆ／■■２が上記の成分範囲で得ることがで
きる。

次に本発明の最も重要な点である冷間ばね成形前のねじ
り塑性加工について説明する。伸線加工材にねじり角度
で３度以上のねじり塑性加工を施すことによって伸線材
のＺ方向の強度を増加させるとともに冷間ばね成形時に
生じる引張り残留応力を格段に低減させることが可能と
なる。

まず本発明で言うところの３度以上のねじり角度とは、
第１図に示すような角度φが３度以上になることをいい
、ねじり塑性加工量を表すものである。このようなねじ
り塑性加工を種々のねじり角度で伸線材に施した場合の
り、Ｚ方向の強度変化、冷間ばね成形前の残留応力変化
及びばね成形後の残留応力変化の一例を第１表に示す、
ねじり角度がＯ１即ち従来方法である伸線加工ままの状
態あるいはねじり角度が３度未満では、Ｚ、方向の強度
がＬ方向に比べ極端に低く疲労強度が２方向の強度で律
速されることを示している。また伸線ままでは表層の残
留応力は引張りになっており、さらに冷間ばね成形時に
生じる引張り残留応力も高い、このようにＺ方向の強度
がＬ方向に比べ低く、またばね成形後の引張り残留応力
が高いことは、Ｌ方向の強度を高めてもコイルばねの疲
労強度が増加しないことを意味する。これに対して本発
明であるねじり塑性加工量を３度以上にした鋼線では、
Ｚ方向の強度が増加し、またねじり塑性加工によって伸
線材の残留応力が引張り側から圧縮側になるので冷間ば
ね成形時に生じる引張り残留応力はねじり塑性加工を施
さない鋼線に比べて格段に低い、この結果本発明による
コイルばねの疲労強度は、従来法で製造されるコイルば
ねよりも２方向の強度が高く、冷間ばね成形時に生じる
残留応力が低いため後述するように非常に高くなる。

以上のようにＺ方向の強度を増加させ且つ冷間ばね成形
時に生じる残留応力を低下させる。ためには、ねじり角
度で３度以上のねじり塑性加工を施す必要があるが第１
表から明らかなようにねじり塑性加工量が増すほど２方
向の強度が増加し、またばね成形後の残留応力も低くな
るため、好ましくは５度以上がよい。

また本発明では、伸線加工材を４００〜６００℃で５〜
３００秒の焼鈍処理を施した後ねじり塑性加工を行って
もよい、焼鈍処理の目的は二つあり、一つは降伏強度を
低下させて冷間ばね成形時に生じる残留応力を少なくす
るためである。もう一つは、本発明の成分系における伸
線加工材の強度がおよそ２３０ｋｇｆ／■鵬２以上にな
るとねじり塑性加工時に亀裂が生じる場合があるので、
これを防止するためである。−例として、冷間ばね成形
時に生じる残留応力とねじり塑性加工性に及ぼす焼鈍処
理の効果を第２表に示す。焼鈍処理を施した鋼線の方が
、はね成形後の残留応力が低く、またねじり塑性加工性
もよい、従って、伸線材の強度がおよそ２３０ｋｇｆ／
＋ａ■２以上では、ねじり塑性加工前に焼鈍処理を施し
た方がコイルばねの品質上問題が少ない。

焼鈍処理条件としては、４００℃未満では上記の効果が
得られず、一方６００℃を超えると焼鈍処理による強度
低下が著しいため、　４００〜６００℃の温度範囲とし
た。また保定時間は５秒未満では焼鈍による上記の効果
が期待できず、一方３００秒を超えても上記の効果が向
上しないばかりか、実用的でないため５〜３００秒に限
定した。

［実施例１コ 第３表に供試材の化学組成ならびにパテンティング材強
度、伸線減面率、伸線加工後の焼鈍条件、引張強度、ね
じり塑性加工性を示す、同表中試験番号１〜５，７．１
０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を行って製造されたものである。な
おパテンティング処理はオーステナイト化処理後、５６
０〜５９０℃で３０秒保定した。また、伸線減面率は素
材線径を変えることにより変化させ、最終線径はすべて
４ＩＩＩｌφに仕上げた。

同表に見られるように本発明例はいずれも強度が目標と
する２００ｋｇｆ／ｍｍ”以上になっており、またねじ
り塑性加工性も良好である。この結果前述したように、
２方向の強度が増加するとともにばね成形時に生じる残
留応力も従来の伸線加工ままに比べ低下させることが可
能となり、疲労強度は格段に上昇させることができる。

これに対して比較例であるＮｏ、６は化学組成は適正で
あるが、伸線減面率が７０％と低いため強度が２００ｋ
ｇｆ／ａ１ｍ２に達していない、また比較例であるＮｏ
。

８．９はいずれも伸線加工後の焼鈍条件が不適切な例で
ある。即ち、Ｎｏ、８は焼鈍温度が低すぎて引張強度は
高いものの、ねじり塑性加工時に割れが発生した例であ
る。　Ｎｏ、９は逆に焼鈍温度が高すぎてねじり塑性加
工性は優れているものの目標とする引張強度２００ｋｇ
ｆ／鳳閣２が得られていない、またＮｏ。

１１はＳｉ量が低すぎるために強度が２００ｋｇｆ／ｍ
＋ａ”に達していない例である。　Ｎｏ、１２はＣ量が
低すぎるためにパテンティング材強度が低く、強度が２
００ｋｇｆ／ａｍ”未満となっている＠　Ｎｏ−１３は
Ｃｒ量が多すぎるために、パテンティング処理時にパー
ライト変態が完全に終了することができなかった例であ
る。この結果、伸線減面率で５８％以上は伸線できず、
強度が低くかつねじり塑性加工性も悪くなっている。ま
たＮｏ、１４．１５はＳｉ量が低くＣｒを添加しかった
例であり、パテンティング材強度は本発明例に比べ非常
に低くなっている。この結果Ｎｏ、１４では目標とする
強度が得られず、またＮｏ、１５は強度を増加させるた
めに伸線減面率を上げ、さらに焼鈍処理を施したにもか
かわらず、ねじり塑性加工時に割れが発生している。

［実施例２］ 第３表のうち１，３，１０．１４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４ｍｍ、ばね径２６ｍ
ｍ　、ばね高さ６４ｍ閣、有効巻数５のコイルばねを冷
間成形後、３００℃で１０分の低温焼鈍を行い。

引続きショットピーニング及び２００℃で１０分の時効
処理、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６０±４０ｋｇｆ／＋＋ｍ”になる条件で１０
７回まで行い、また最大剪断応力が９０ｋｇｆ／１１ｍ
２になる荷重でコイルばねを締め付け、９６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４表に示す。

第４表から明らかなように１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伸線加工材ままで製造さ
れたものよりも疲労寿命が高くなっている。これは、伸
線加工材にねじり塑性加工を施すことによって伸線加工
材ままと比べてＺ方向の強度が高くなることと、冷間ば
ね成形時に生じる引張り残留応力が小さくなることに起
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
伸線加工材ままに比べ少ない。

［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
と伸線条件を最適に選択することによって引張強度を２
ＱＯｋｇｆ／ｗｍ”以上とし、さらにねじり塑性加工を
施すことによってＺ方向の強度を高めるとともに冷間コ
イルばね成形時に生じる残留応力を低下させることが可
能となる。この結果、最終的にＺ方向の降伏強度の増加
と残留応力の低減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図は本発明でのねじり角度の定義を示した図 である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、 Ｃ：０．７５〜１．１％、Ｓｉ：１．０〜２．０％、Ｍ
   ｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：０．１〜１．０％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
   ％Ａｌ：０．０１〜０．１％ の１種または２種以上を含有し、残部はＦｅ及び不可避
   不純物よりなる鋼線について、パテンティング処理後７
   ５％以上の伸線減面率で伸線を行い、引続きねじり角度
   で３度以上のねじり塑性加工をしたる後、冷間ばね成形
   を行う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：０．７５〜１．１％、Ｓｉ：１．０〜２．０％、Ｍ
   ｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：０．１〜１．０％を含み
   、その他必要に応じて Ｍｏ：０．１〜０．５％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｔ
   ｉ：０．００２〜０．０５％、Ｎｂ：０．００５〜０．
   ２％、Ａｌ：０．０１〜０．１％ の１種又は２種以上を含有し、残部はＦｅ及び不可避不
   純物よりなる鋼線で、パテンティング処理後７５％以上
   の伸線減面率で伸線を行い、引続きねじり角度で３度以
   上のねじり塑性加工を行ったことを特徴とする高疲労強
   度ばね用鋼線。
3. （３）重量％で、 Ｃ：０．７５〜１．１％、Ｓｉ：１．０〜２．０％、Ｍ
   ｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：０．１〜１．０％、を含
   み、その他必要に応じて Ｍｏ：０．１〜０．５％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｔ
   ｉ：０．００２〜０．０５％、Ｎｂ：０．００５〜０．
   ２％Ａｌ：０．０１〜０．１％ の１種または２種以上を含有し、残部はＦｅ及び不可避
   不純物よりなる鋼線で、パテンティング処理後７５％以
   上の伸線減面率で伸線を行い、引続き４００〜６００℃
   で５〜３００秒焼鈍処理を施したる後、ねじり角度で３
   度以上のねじり塑性加工を行ったことを特徴とする高疲
   労強度ばね用鋼線。