JPH032352A - 高疲労強度ばね鋼線及び冷間成型ばね用鋼線の製造方法 - Google Patents

高疲労強度ばね鋼線及び冷間成型ばね用鋼線の製造方法

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JPH032352A
JPH032352A JP13553889A JP13553889A JPH032352A JP H032352 A JPH032352 A JP H032352A JP 13553889 A JP13553889 A JP 13553889A JP 13553889 A JP13553889 A JP 13553889A JP H032352 A JPH032352 A JP H032352A
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JP
Japan
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steel wire
spring steel
less
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fatigue strength
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JP13553889A
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Yoshiro Koyasu
子安 善郎
Hisashi Uchida
尚志 内田
Tsukasa Takada
高田 司
Toshio Tomono
伴野 俊夫
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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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] 本発明は自動車のエンジンの弁ばね用等に用いられる疲
労強度の優れたばね鋼線および、ばね用鋼線の製造方法
に関するものである。
[従来の技術] 従来自動車のエンジン等に使用されている弁ばねは、J
IS G3561、JIS3565、JIS3566、
等で規定されている、いわゆるオイルテンパー線を冷間
でばねに成型加工して使用されているのが一般的である
ところで近年自動車エンジンの高出力化、車体の軽量化
のため、エンジン弁ばねの高応力化の要望が極めて高く
、これに対応するため高疲労強度のばねが強く求められ
ているが、これらJISで規定されている既存の材料で
は、この要求を満たすことが難しくなってきている。
この要求に応えるため、合金元素量を増したばね鋼が提
案されている(例えば特開昭59−177352号公報
、特開昭62−107044号公報、特開昭62−17
7152号公報)。
さらに疲労強度を高めるため窒化処理、ショットピーニ
ング等により表面を硬化して使用されるのが一般的にな
りつつある。
このばねに使用されるオイルテンパー線は、鋼線を変態
点以上に加熱後、油中に焼入れ、その後鉛洛中で焼戻し
を行ない強度を調整して製造されるいわゆるOT線であ
る。
[発明が解決しようとする課題] しかしこれらの鋼によるオイルテンパー線によっても、
益々厳しくなるばねの高疲労強度化の要求を満たすこと
は出来なかった。
又このオイルテンパー処理工程は、焼入れ媒体に油を使
用しているため作業環境が悪く、熱処理に費用が掛ると
いう問題点を抱えていた。
[課題を解決するための手段] 本発明者らは上記の問題点を解決するため、ばねの高疲
労強度化を検討し、ばね鋼線の化学成分を適正な配分と
すると共に、鋼中の非金属介在物の量、大きさ、組成を
制御したばね鋼線から、冷間成型用の高強度鋼線を製造
する新しい方法を見出し発明を完成した。
すなわち本発明は重量%で C: 0.55〜0.70%、 Si : 1.00〜
2.50%Mn : 0.50〜1.50% と Ni :  1.00〜4.00%、  Cr :  
0.50〜2.50%Mo :  0.10〜0.90
% のうち2 fmないし3種と、 V : 0.05〜0.50%、 Nb : 0.05
〜0.50%のうち1種ないし2種を含有し、残部は実
質的にFeからなるばね鋼線であり、鋼中に含まれる非
金属介在物は ■ 圧延線材のし断面において、含有する長さρと幅d
の比(JZ/d )が5以下の非粘性介在物指数が10
以下であること ■ 上記非粘性介在物中最大の介在物大きさが15μ以
下であること ■ 又該非粘性介在物が、5i02:30〜70%、^
1203:20%以下、CaO二30%以下、MgO:
30%以下の組成の非粘性介在物であり、 上記ばね鋼線を850℃以上の温度に加熱後、空気中で
0.5〜b 後、300〜600℃の範囲で焼戻すことを特徴とする
冷開成型ばね用鋼線の製造方法である。
本発明者らはばねの疲労寿命向上を検討し、鋼の化学成
分、疲労破壊の起点となる介在物の影響、鋼線の製造方
法と、多角的に研究し、上記の化学成分系を見出すと共
に、次の様な実験を行なった。
第1図は引張強さ230kg/+nm2のの強度を有す
るオイルテンパー線について中村式回転曲げ疲労試験を
行ない、5000万回疲労強度と非粘性介在物指数の関
係を示す図である。非粘性介在物指数は、圧延線材のし
断面において、長さ(fL)と巾(d)の比が1/d≦
5の介在物について、日本ばね工業会「ばね用鋼材にお
ける非金属介在物の顕微鏡試験方法」 (昭和63年1
月20日)によって測定したものである。
この図から非粘性介在物指数が10以下とすることによ
り、疲労強度が向上することが判る。
第2図は、5000万回疲労寿命付近の試験応力で試験
し、破断に至った試験片の破壊起点を観察し、疲労起点
が介在物であった場合その介在物の大きさで疲労寿命を
層別して示した図である。介在物の大きさは上記の介在
物顕微鏡試験方法で介在物の大きさを測定する方法に従
って測定した。
第2図から介在物の大きさを15μ以下にすることによ
り疲労寿命が極めて高(なることが判る。すなわち疲労
破壊の起点となる非粘性介在物の最大の大きさを15μ
以下にすることが重要である。
更にこれらの非金属介在物の組成を分析した結果、介在
物の組成が、5i(h:30〜70%、AJ2203 
: 20%以下、CaO: 30%以下、MgO: 3
0%以下となっている場合に、非粘性介在物指数が10
以下となり且つ、大きさは15μ以下となることを見出
した。
さらに上記の成分と介在物を有するばね鋼から冷間成型
用の鋼線を製造する場合、油中へ焼入することなく空気
中で0.5〜b 却速度で冷却し、その後300〜δOO℃の温度で焼戻
しすることにより、必要な強度を有する高強度鋼線を製
造できることを見出し本発明を完成したものである。
[作  用] 以下に本発明の構成要件の限定理由について説明する。
Cは熱処理によりばねとして必要な強度を得るための元
素であり、0.55%未満では強度が得られず、一方0
.70%を越すと靭性、延性の低下が著しく、その結果
冷間でのばねへの成型が困難となるので避けなければな
らない。
Stは脱酸作用と共に、フェライト地に固溶し、強度を
上げ、耐へたり性を確保するため1.00%以上必要で
あるが2.50%を越すと、靭性の低下をもたらすと共
に、製造時の脱炭が激しくなり良好な圧延線材が製造で
きなくなるので避けなければならない。
Mnは脱酸および焼入性を高め強度と靭性を確保するた
め必要な元素で、このため0.50%以上必要である。
1.50%を越すと、製造時の困難性が増すと共に鋼線
の靭性が損われるので避けなければならない。
Ni、Cr、Moは焼入性を上げあるいは焼戻し軟化抵
抗を高め、あるいは微細な炭化物を析出することにより
、ばねの強度と靭性を向上せしめる元素で2種ないし3
種を複合添加することが有効である。
このためNiは1.00〜4.00%添加する必要があ
る。1.00%未満ではその効果が現れず、また4、0
0%を越えて添加してもそれ以上の効果が得られないの
で特許請求の範囲から除いた。
Crは0.50%以上必要であり、2.50%を越すと
へたり性が劣化するので避けなければならない。
Moは焼戻し軟化抵抗を高め、また微細な炭化物を析出
することによりばねに強度と靭性を付与するために必要
な元素で、そのためには0.1θ%以上必要である。0
.90%を越えて添加してもそれ以上の効果が得られな
いため特許請求の範囲から除いた。
Nb、 Vは結晶粒の微細化、析出硬化により、強度の
向上、へたり性の改善を行なうため添加する元素で0.
05%以上必要である。また0、50%を越えて添加し
ても効果は飽和しているため、特許請求の範囲から除い
た。
次に本発明では介在物の形態、量さらに組成を規定して
いる。これは上述のように鋼の成分を規定し、後に述べ
る方法でばねを製造した場合に疲労破壊の起点となる硬
質の介在物を少なくすることにより疲労特性を向上せし
めるための技術であり、本発明のポイントの一つである
圧延線材のし断面において、長さ(fL)と巾(d)の
比がλ/d≦5の介在物について、日本ばね工業会「ば
ね用鋼材における非金属介在物の顕微鏡試験方法」 (
昭和63年1月20日)によって測定した非粘性介在物
指数が10を越えた場合、および非粘性非金属介在物中
の最大の介在物の大きさが15μを越えた場合、疲労特
性が低下するのでさけなければならない。
介在物の組成としては、5i02が30〜70%を含ん
でいることが必要である。30%未満では鋼中の酸化物
が増加し、又7o%を越えた場合、硬質な5i02が多
過ぎて疲労強度が低下する。
Al2O5については20%をこえると硬質の介在物の
量が増すので避けなければならない。
CaOの含有量が30%を越えると硬質の介在物となる
ので適正な範囲は30%以下である。
MgOについては30%を越えると硬質なMgO系介在
物となるのでその範囲を30%以下とした。
本ばね用銅から冷開成型用の鋼線を製造する場合、従来
の油中に焼入れ、その後鉛浴中で焼戻しをすることによ
り、いわゆるOT線を製造していた方法に代り、加熱後
単に空気中で冷却することにより焼入を行なう。
この場合加熱の温度は850℃以上が必要である。加熱
の温度がこれ以下では十分な強度と靭性が得られないの
で避けなければならない。
冷却は0.5〜b で行なう。冷却速度が0.5℃/sec未満では焼入後
十分な強度が得られないし、また一方40’C/sec
を越すと焼割れ等のトラブルの原因となるので何れも避
けなければならない。
焼戻し温度は300〜600℃の範囲である。
300℃未満では必要以上に強度が出過ぎて、靭性が損
われるので避けなければならない。一方600℃を越す
と急激に強度が低下するので、特許請求の範囲から除い
た。
[実施例] 以下に実施例を挙げてさらに詳細に説明する。
第1表に示した化学成分を有する鋼を、120し転炉、
取鍋精練、連続鋳造法により溶製、鋳造後直径8.35
mnの線材に圧延した。
この線材を焼鈍、酸洗、潤滑処理後伸線した。この伸線
材を連続炉で加熱冷却、焼戻しを行なった。
このようにして製造した鋼線からばねに冷間で成型、低
温焼鈍、窒化、ショットピーニング、セッチング等を経
て自動車用の弁ばねに加工した。
このばねについて、平均広カフ 0 kg/mm.応力
振幅50 kg/mu++2で疲労試験をした結果を第
1表に示す。
第1表に示す如く本発明になる弁ばねは、5000万回
を越えても折損することがなかった。
[発明の効果] 以上詳しく説明した如く、本発明はばねの疲労寿命向上
に成功したもので、疲労強度が向上した結果、ばねの設
計応力を高くとることができ、ばねの@量化、体積の低
減等を通じて自動車の性能向上、さらにこの高疲労寿命
ばねを加工するための鋼線の製造にあたって、空気中で
焼入することがかのうとなり、製造工程の簡略化も同時
に達成することができる等顕著な効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は引張り強さ230kg/mm2の強度を有する
オイルテンパー線についての疲労強度と非粘性介在物指
数の関係を示す図、 第2図はS000万回疲労寿命付近の試験応力で試験し
、破断した破面の起点部の介在物の大きさと疲労寿命の
関係を示す図である。 ばね用鋼材における非金属介在物の 顕微鏡試験法(日本ばね工業会 S63.1.203

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、重量%で C:0.55〜0.70%、Si:1.00〜2.50
    %Mn:0.50〜1.50% と、 Ni:1.00〜4.00%、Cr:0.50〜2.5
    0%Mo:0.10〜0.90%のうち2種ないし3種
    と、 V:0.05〜0.50%、Nb:0.05〜0.50
    %のうち1種ないし2種を含有し、残部は実質的にFe
    からなる圧延線材において、非金属介在物が圧延線材の
    L断面において、長さlと幅dの比(l/d)が5以下
    の非粘性介在物指数が10以下であり、かつ該非粘性介
    在物中最大の介在物大きさが15μ以下であることを特
    徴とする高疲労強度ばね鋼線。 2、非粘性介在物が、SiO_2:30〜70%、Al
    _2O_3:20%以下、CaO:30%以下、MgO
    :30%以下の組成の非粘性介在物である請求項1に記
    載の高疲労強度ばね鋼線。 3、請求項1または2記載のばね鋼線を850℃以上の
    温度に加熱後、空気中で0.5〜40℃/secの冷却
    速度で冷却しその後300〜600℃の範囲で焼戻すこ
    とを特徴とする冷間成型ばね用鋼線の製造方法。
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