WO2003083151A1 - Steel wire for hard drawn spring excellent in fatigue strength and resistance to settling, and hard drawn spring - Google Patents

Description

明細書 疲労強度および耐へた り 性に優れた硬引 きばね用鋼線並び 硬引き ばね 技術分野

本発明は、 強い冷間引き抜き加工を施 して使用 される ばね (加工ばね） の素材 と して有用 なばね用鋼線、 およびばね用 鋼線を使用 したばねに関する も のであ り 、 殊に伸線まで焼入 れ焼戻 し処理せずと も優れた疲労強度と耐へた り 性を発揮す る ばねを得る こ と のでき る硬引 きばね用鋼線、 およびこ う し た特性を発揮する こ と のでき る硬引 きばねに関する も のであ る 。 背景技術

自動車等の軽量化や高出力化に伴い、 エンジ ンゃサスペ ン シ ヨ ン等に使用 される弁ばねや懸架ばねにお いて も高応力化 が指向されてい る。 また、 ばねへの負荷応力 の増大に伴い、 疲労強度および耐へた り 性に優れたばねが要求されてい る 。

近年、 弁ばねや懸架ばね等の大部分は、 オイ ルテンパー線 と呼ばれる焼入れ · 焼戻 し の施 さ れた鋼線を、 常温でばね巻 き加工 して製造されてい る のが一般的であ る。

上記の様なオイ ルテ ンパー線では、 焼戻 しマルテンサイ ト 組織である ので、 高強度を得る の に都合が良 く 、 また疲労強 度ゃ耐へた り 性に優れる と い う 利点があ る も のの、 焼入れ - 焼戻 し等の熱処理に大掛か り な設備 と処理コ ス ト を要する と い う 欠点があ る 。 方、 負荷応力が比較的低 く 設計さ れたー部のばねには、

(フ ェ ラィ 卜 + パ一ラィ 卜 ） 組織またはパ一 ライ ト組織の炭 素鋼を伸線加ェ して強度を高めた線材 ( 「硬引 き線」 と呼ば れてい る ) を、 曰

吊 し ばね巻き加工 した も のが使用 されてい る 。 こ う したばねと して、 J I S 規格には ピァ ノ 線 （ J I S

G 3 5 2 2 ) の 中で、 特に 「弁ばねまたは これに準ずる ばね 用」 と して、 「 ピア ノ 線 S W P - V種」 を定めている

上記の様な硬引き線によ つ て製造さ れ.る ばね （以下では、 こ の ばねを 「硬引きばね」 と呼ぶ） は、 熱処理を必要と しな い ので低コ ス 卜 になる と い う 利点があ る。 しか しなが り 、 し Ό し た硬引 き線で製造されたばねでは、 疲労強度ゃ耐へた り 性が低い と い う 欠点があ り 、 近年要望の高ま つ てい る様な高 応力 ばねは実現でさない。

低コ ス 卜 に製造でき る と い う 利点の あ る硬引 き ばねにおい て、 よ り 高応力化を図る技術も様々検討されてお り 、 こ う し た技術 と して例えば特開平 1 1 — 1 9 9 9 8 1 号には、 「ォ ィ ルテ ンパ一線と同等の特性を備えた ピア ノ 線」 と して、 共 析〜過共析鋼パ一ライ 卜 の伸線加工方法を工夫する こ と によ つ て、 特定のセ メ ン夕 イ ト形状を得る方法が提案されてい る しか しなが ら こ う した方法において も 、 伸線方向を入れ替え るな ど、 工程の複雑化によ る製造コ ス ト の上昇は避け られな い。

本発明は こ う した状況の下になされたも のであ っ て、 その 目 的は、 オイ ルテンパー線を用 いたばねと 同等以上の疲労強 度と耐へた り 性を発揮する硬引 きばねを製造する為のばね用 鋼線、 およびこ の様な硬引きばねを提供する こ と にあ る。 発明の開示

上記の 目 的を達成し得た本発明の硬引き ばね用鋼線と は、

C ： 0 . 5 〜 0 . 7 % 、 S i ： 1 . 0 〜 1. 9 5 % 、 M n ： 0 . 5 〜 1 . 5 % 、 C r ： 0 . 5 〜 1 . 5 % を夫々含有 し 、 残部が F e および不可避不純物か らな り 、 且つ 円相当直径で 0 . 1 m以上の炭化物が 5 個 / 1 0 0 z m ²以下であ る 点 に要旨を有する も のであ る 。 こ のばね用鋼線においては、 更 に （ a ) N i : 0 . 0 5 〜 0 . 5 %、 ( b ) M o ： 0 . 3 % 以下 （ 0 % を含ま ない） 等を含有させる こ と も有効であ る 。

上記の様なばね用鋼線を用 いてばね成形 して製造する こ と によ っ て、 優れた疲労強度および耐へた り 性を発揮する こ と ができる硬引きばねが得 られる 。 また こ う した硬引きばねに お いては、 ばね内側にお ける表面残留応力 （ R + ) と 、 ばね 外側 にお ける 表面残留応力 （ R - ) の差 [ ( R + ) - ( R ― ) ] が 5 0 0 M P a 以下であ る こ とが好ま し い。

ま た 、 本発 明 の硬 引 き ばね に お い て は 、 下記 （ 1 ) 〜 ( 5 ) の要件を満足する も のであ る こ とが好ま し い。

( 1 ) 表面に 2 回以上の シ ョ ッ ト ピ一ニ ングが施された も の であ る

( 2 ) 上記シ ョ ッ ト ピーニング後のばね内側における表面残 留応力 （ R _s + ) と、 ばね外側にお ける表面残留応力 （ R _s ― ) の差 [ ( R _{s +} ) - ( R _s _ ) ] が 3 0 0 M P a 以下で あ る

( 3 ) 表面粗さが最大高 さ R y で 1 0 ^ m以下である

( 4 ) 表面に窒化処理が施された も のであ る

( 5 ) ばね径 D と線径 d の比 （ D Z d ) が 9 . 0 以下であ る 図面の簡単な説明

図 1 は、 炭化物個数 と引張強度 （伸線後） の関係を示 した グラ フであ る 。

図 2 は、 炭化物個数と残留せん断歪の関係 を示 したグラ フ であ る 。

図 3 は、 炭化物個数 と疲労寿命の関係 を示 した グラ フであ る 。 発明 を実施する ための最良の形態

本発明者 ら は、 上記 目 的を達成する こ と のでき る硬引 きば ね用鋼線の実現 を 目 指 して様々 な角度か ら検討 した。 その結 果、 鋼線の化学成分組成を厳密に規定する と共に、 鋼線中の. 炭化物の形態を適切に制御すれば、 疲労強度 と耐へた り 性が 改善でき る と の着想が得 られた。 即ち、 パテ ンティ ング後に 比較的大きな析出物 （炭化物） が析出 してい る と、 伸線加ェ が思つ たよ う に得 ら れないだけでな く 、 疲労強度 と耐へた り 性が低下する こ とが判明 したの であ る 。 具体的 ：二 は、 円相当 直径で 0 . 1 m以上の炭化物の個数を、 断面視野 1 0 0 m ² 当 た り で 5 個以下 と なる よ う に制御すれば、 疲労強度お よび耐へた り 性が格段に向上できる こ と を見出 し、 本発明を 完成 した。

こ こ で、 本発明で対象 とする炭化物は、 析出物 と して存在 する粒状の も の を意味 し、 セメ ン夕 イ ト 相は含まない も ので あ る 。 尚、 上記 「円相当直径」 とは、 炭化物の大きさ に着目 して、 その面積が等 し く なる よ う に想定 した 円 の直径を求め た も のであ る

本発明の ばね用鋼線は、 化学成分組成も適切 に調整する必 要があ るが、 その範囲限定理由 は下記の通 り であ る。

C ： 0 . 5 0 . 7 %

C は、 伸線材の引張強度を咼め、 疲労強度ゃ耐へた り 性を 確保するため に有用な元素であ り 、 通常の ピア ノ 線では 0 . 8 % 前後含有さ れているが、 本発明で 目 的 と してい る様な高 強度の伸線材においては、 C の含有量が 0 . 7 % を超え る と 加工の際に折れ易 く な り 、 また表面疵ゃ介在物か ら の亀裂を 発生 して疲労寿命が劣化する ので、 0 . 7 %以下と した。 し か しなが ら 、 C含有量が少な く な り 過ぎる と、 高応力ばねと して必要な引張強さが確保できないば り か、 疲労強度 Oよ び耐へた り 性を劣化させる ので、 C含有量は 0 . 5 %以上 と する必要があ Ό 。 尚 、 C含有量の好ま し い下限は 0 . 6 3 % であ り 、 好ま し い上限は 0 . 6 8 %であ る

S i ： 1 . 0 〜 1 . 9 5 %

S i は、 製鋼時の脱酸剤 と して必要な元素であ り 、 ま た フ ェ ライ 卜 中 に固溶 して焼戻 し軟化抵抗を上げ、 耐へた り 性を 向上さ せる効果を発揮する。 こ う した効果を発揮させる ため には、 1 . 0 %以上含有させる必要があ る 。 しカゝ しなが ら 、 S i の含有量が 1 . 9 5 % を超えて過剰になる と、 靱性や延 性が悪 く なる ばか り でな く 、 表面の脱炭ゃ疵等が増加 して耐 疲労性が悪 く な る 。 尚、 S ί 含有量の好 ま し い下限は

2 %程度であ り 、 好ま し い上限は 1 . 6 %程度である。

M n ： 0 . 5 %

M n は製鋼時の脱酸に有効な元素であ り 、 またパーラィ 卜 組織を緻密且つ整然化させ、 疲労特性の改善に貢献する元素 であ る。 こ う した効果を発揮させる為 には、 Μ η は少な く と も 0 . 5 %含有 させる必要があ る。 しカゝ し、 過剰に含有させ る と 、 熱間圧延時ゃパテ ンティ ング処理時にベイ ナイ ト等の 過冷組織が生成 し易 く な り 、 伸線性を著 し く 悪化する ので、

1 . 5 %以下とすべきであ る。 尚、 M n 含有量の好ま し い下 限は 0 . 6 %程度であ り 、 好ま し い上限は 1 . 0 %程度であ る。

C 5 5 %

C r は、 パ一ライ 卜 フ メ フ 間隔を小さ く して、 圧延後また は熱処理後の強度を上昇させ、 耐へた り 性を向上させる の に 有用 な元素であ る 。 こ う した効果を発揮させる ためには、 C r 含有量は 0 . 5 %以上 とする必要があ る 。 しか しなが ら 、 C r 含有量が過剰になる と、 パテ ンティ ング中 にペイ ナイ 卜 組織が生成 し易 く な り 、 また粗大な炭化物を析出 し易 く な り 疲労強度および耐へた り 性が劣化する ので、 1 . 5 %以下 と する必要があ る 。 尚、 C r 含有量の好ま し い下限は 0 . 7 % 程度であ り 、 好ま し い上限は 1 . 0 %程度であ る

本発明のばね用鋼線材における基本的な化学成分組成は上 記の通 り であ り 、 残部は実質的に F e 力 ら なる も のであ る が 必要によ り 所定量の N i や M o を含有させる こ と も有効であ る。 これ ら を含有させる と きの範囲限定理由 は、 下記の通 り であ る

N i ： 0 0 5 0 5 %

N i は焼入れ性を高め る と共に靭性を高め、 ばね加工時の 折損 ト ラ ブルを抑制する と共に疲労強度を向上させる の に有 効な元素であ る 。 こ う した効果を発揮させる ため には、 N i 含有量は 0 . 0 5 %以上 とする のが好ま し い。 しか しなが ら 過剰に含有させる と熱間圧延時ゃパテンティ ング時にベイ ナ ィ 卜 組織が生成 し、 伸線加工性を著し く 悪化させる のでその 上限は 0 . 5 % とする のが好ま し い。

M o—： _0 .— 3 %以下 （一 0 % を含まない

M o は焼入れ性を確保する と共に軟化抵抗を向上させる こ と によ っ て耐へた り 性を向上させる の に有効な元素であ る 。 こ う した効果は、 その含有量が多 く なる につれて大き く なる が、 過剰に含有させる とパテ ンティ ングの処理時間が長 く な り 過ぎ、 また延性も劣化する のでその上限は 0 . 3 % とする のが好ま し い。

本発明のばね用鋼線には、 上記の各種成分以外にも ばね用 鋼の特性を阻害 しな い程度の微量成分を含み得る ものであ り こ う した鋼線材も本発明 の範囲 に含まれものであ る。 上記微 量成分と しては不純物、 特に P ， S , A s , S b ， S n 等の 不可避不純物が挙げられる。

本発明のばね用鋼線においては、 上述の如 く 円相当直径で 0 . 1 m以上の炭化物が 1 0 0 m ² 当 た り 5 個以下 とす る こ と も重要な要件であ る。 パテ ンティ ング後に観察される 炭化物 （ F e ₃ C 等） の う ち 、 比較的サイ ズの /J、 さな も の で は、析出硬化に よ っ て強度を上昇さ せる こ と にな る。 しカゝ し なが ら 、 大きなサイ ズの析出物が析出 してい る場合には、 マ ト リ ッ ク ス 中 の炭素がこ の炭化物によ っ て奪われ、 その量が 元々含まれてい る よ り も 少な く なる 。 パテンティ ング後の強 度や伸線加工後の強度の上昇は炭素量によ つ て影響される部 分が大き く 、 マ ト リ ッ ク ス 中 の C量が少な く なる と、 パテ ン ティ ング後や伸線後に思 う ほ どの強度が得 ら れず、 疲労強度 ゃ耐へた り 性が低下する こ とが判明 した。

そ こで、 本発明者 らか、 炭化物の形態が疲労強度ゃ耐へた り 性に与える影響について検討 した と こ ろ、 特にその大き さ (円相当直径） が 0 . 1 m以上 と なる よ う な大きな炭化物 が、 観察視野 1 0 0 m ² 当 た り 5 個を超えて存在する と疲 労強度 と耐へた り 性が極端に低下する こ とが判明 したのであ る 。

本発明のばね用鋼線で炭化物を上記のよ う な形態に制御す る には、 熱間圧延の加熱温度を 1 1 0 0 °C以上に して炭化物 の溶け込みを促進する と共に、 圧延後に炭化物の析出温度域 であ る 4 0 0 〜 6 0 0 °C の温度範囲 を 5 °C / s e c 以上の冷 却速度ででき る だけ速やかに冷却する こ とが有効であ る。 但 し、 こ の ときの冷却速度が速すぎる とべイ ナィ 卜 が生成 して 加工性が劣化する ので、 冷却速度は 1 0 °C Z s e c 以下とす る こ とが好ま し い。

.また、 パテンティ ング時には、 その加熱温度を 8 8 0 〜 9 5 0 °C (好ま し く は 9 0 0 〜 9 4 0 °C程度） に制御する こ と によ っ て炭化物の析出 を低減する こ とができる 。 こ の ときの 加熱温度を 9 5 0 °C よ り も高 く する と、 オーステナイ ト結晶 粒度が粗大化 し 、 靭性および延性が却っ て低下する他、 焼入 れ性が増大して過冷組織が生 じ る こ と になる。 また、 未固溶 の炭化物の溶け込みを促進する には、 所定の加熱温度での保 持時間 を 5 0 秒以上 とする こ とが推奨さ れる。

上記の様なばね用鋼線を用 いて伸線加工およびばね巻き加 ェを施す こ と に よ っ て、 希望する特性を発揮する ばね （硬引 き ばね） が得 ら れる のであ るが、 本発明の硬引 きばねにおい ては、 ばね成形後 （コ ィ リ ング後） にお ける ばね内側 と ばね 外側の残留応力 の差 （以下、 単に 「残留応力差」 と呼ぶ こ と があ る） を 5 0 0 M P a 以下に制御する こ と によ っ て、 更に 優れた疲労強度が達成さ れる こ と を見出 してい る。 こ う した要件を規定 した理由 は次の通 り であ る 。 ばね成形 (コ ィ リ ング） によ り 付与される残留応力 は、 ばねの内側 と 外側でバラ ンス してい る ので、 コ ィ リ ング後の上記残留応力 差が大きい と、 それだけ内側の引張残留応力が高 く な る。 引 張 り の残留応力 （引張 り 残留応力） 高い と疲労亀裂の発生お よび進展を助長 し、 疲労強度が低下して し ま う こ とになる 。 また、 シ ョ ッ ト ピーニ ングによ り 付与される圧縮残留が小 さ く なつ て し ま う 。

上記知見に基づき、 本発明者は、 ばね内側 と外側の残留応 力差 [ ( R + ) — ( R _ ) ] と疲労強度の 関係 を調査 した と こ ろ、 その差が 5 0 O M P a 以下 とな る よ う にすれば、 疲労 強度が著し く 改善さ れる こ とが判明 したのであ る 。

と こ ろで、 ばねを成形 した と き には、 ばね内側には引張方 向の残留応力 （引張 り 残留応力） 生じてお り 、 ばね外側には その製造条件によ っ ては引張 り 残留応力が生 じている場合 と 圧縮方向の残留応力 （圧縮残留応力） が生 じてい る場合があ る。 従っ て、 本発明にお ける残留応力差を測定する と き には こ う した点を も考慮する必要があ る。 即ち 、 両側の表面残留 応力が引張 り 残留応力 の場合には、 単純にその差を測定すれ ばよ いが、 ばね外側の残留応力 （ R _ ) が圧縮残留応力 の場 合には、 その残留応力 をマイ ナス と して差 し引 いた値 とな る 例えば、 ばね内側の引張 り 残留応力が 1 5 0 M P a 、 外側の 圧縮残留応力が 5 O M P a であ る場合には、 その残留応力 の 差 [ ( R + ) — ( R — ) ] は、 （ 1 5 0 ) — ( — 5 0 ) = 2 O O M P a と い う こ と になる。

上記のよ う に本発明では、 コ ィ リ ン グ後のばね内側 と ばね 外側の残留応力差を 5 0 O M P a 以下 とする こ と によ っ て、 硬引きばねの疲労強度が向上できた も のであ る が、 疲労強度 を評価する指標 と して前記残留応力差を規定した理由は次の 通 り であ る。 ばねに架かる応力 （せん断応力） は、 内側 と外 側で同 じ と い う 訳ではな く 、 ばね内側の応力が外側と り も高 く な る 。 例 え ば、 ばね径 D と線径 d の 比 （ D ノ d ： 以下、 「 ばね指数 」 と 呼ぶ ） が 2 . 0 〜 9 . 0 で あ れ ば、 下記 ( 1 ) 式で示さ れる ワールの修正係数 は 1 . 1 6 〜 2 .

0 6 となっ て、 その 1 . 1 6 〜 2 . 0 6 倍だけ高い応力が架 かる こ と になる （例えば、 「ばね」 、 ばね技術研究会編、 丸 善発行） 。

A ！ = 〔 ( 4 c - 1 ) / ( 4 c - 4 ) 〕 + 〔 0 . 6 1 5 Z c 〕 · · ( 1 )

但し、 c ： ばね指数 ( D / d )

一方、 ばね外側に関する ばね修正係数 A ₂ は、 下記 （ 2 ) 式で示される こ と にな り 、 こ の式によればばね外側に架かる 応力は、 ばね指数が 2 . 0 の と きに 0 . 4 4 3 倍になる。

A ₂ = 〔 ( 4 c + 1 ) Z ( 4 c + 4 ) 〕 + 〔 0 . 6 1 5 c 〕 · · ( 2 )

但し、 c ： ばね指数 （ D / d )

こ の よ う に、 ばね内側には大きなせん断応力が架か り 、 ま た引張残留応力が高ければ、 更にばね特性は悪化する。 こ う した観点か らすれば、 ばね内側の残留応力 を規定すれば良い こ と になる のであ る が、 伸線した状態でも表面は引張 り 残留 応力 を有 してお り 、 その値は伸線加工条件や材質によ っ て も 変化する ので、 ばねコ ィ リ ング後で もその加算効果によ っ て 表面の引張 り 残留応力 は変わる こ と になつ て、 残留応力 と し て規定する のは困難になる。 そ こで、 本発明では、 ばね内側 と ばね外側の残留応力 の差を規定する こ と によ っ て、 疲労強 度の指標と した も のであ る。

上記残留応力 の差を 5 0 O M P a 以下 とする ための条件 と しては、 例 えばコ ィ リ ング後の歪取 り 焼鈍温度を 4 0 0 °C以 上 とな るよ う に制御すれば良い。 従来の ピア ノ 線では、 歪取 り 焼鈍温度を 4 0 0 °C以上で行う と強度が低下 し、 疲労強度 ゃ耐へた り 性が低下 してし ま っ ていたのであ る が、 本発明の 硬引き ばねにお いては、 耐熱性に良好な結果を与える S i を 多量に含有する鋼線を素材 とする も ので あ る の で、 4 0 0 °C 以上で歪取 り 焼鈍を行っ て も強度の低下が殆 どな く 、 コイ リ ング歪を除去でき る のであ る。

本発明の硬引 き ばねにおける効果をよ り 有効に発揮させる ために は、 その表面に 2 回以上の シ ョ ッ ト ピーニングを施す こ とが有効であ る 。 弁ばねやそれに準ずる高応力 ばねは、 シ ョ ッ 卜 ピ一ニングによ っ て表層 に圧縮残留応力が付与された 状態で使用 さ れる のが通常であ る 。 こ の シ ョ ッ ト ピーニング は、 高硬度の硬球 (シ ョ ッ ト粒） を高速で被処理材表面に投 射して圧縮の残留応力 を付与し、 表面亀裂の発生を抑え、 疲 労強度を向上さ せる の に有効な手段であ る。

また、 上記の よ う なシ ョ ッ ト ピ一ニングは、 ばね表面に圧 縮残留応力 を付与 して、 疲労亀裂の進展を抑制する の に効果 があ る 。 シ ョ ッ ト ピーニングを行う よ う なばねは、 特に高応 力で使用 さ れる ので、 よ り 高い圧縮残留応力が必要と な り 、 上記残留応力差を よ り 厳密に管理 しなければな ら ない。 その ため には、 上記残留応力差材は 3 0 O M P a 以下であ る こ と が好ま しい。

と こ ろで、 ばねの表面粗度が大きい と、 これを起点 と して 疲労破壊が発生 し易 く な り 、 疲労強度が低下する こ とになる そ こで、 疲労強度を向上させる と い う 観点か らすれば、 ばね の表面粗さ R y (最大高さ ： J I S B 0 6 0 1 ) を 1 0 m以下にする こ とが好ま し い。 例えば、 上記のよ う な 2 回 以上の高強度の シ ョ ッ ト ピーニ ングを行う と、 表面が変形 し て表面粗さ が大き く なる場合があ る 。 特に、 硬引き線のよ う な材料にお いては、 最弱部のフ ェ ライ ト がよ り 大き く 変形 し 表面粗度が大き く なる こ とがあ る。 表面粗度を上記のよ う に 調整する手段については、 限定される も のではないが、 例え ばシ ョ ッ ト ピ一ニング条件を適切に制御する こ と によっ てそ れを達成する こ とができる。

こ う した表面粗さ R y の制御 も考慮 した、 好ま し いシ ョ ッ ト ピ一ニン グ条件は、 次の通 り であ る。 1 回 目 のシ ョ ッ ト ピ 一二 ングにおいては、 粒径 ： 1 . 0 〜 0 . 3 m mの シ ョ ッ ト 粒を用 い、 粒速 ： 3 0 〜 1 0 0 m Z s e c 、 投射時間 ： 2 0 〜 2 0 0 分にて行う 。 こ の とき用 レ る のシ ョ ッ ト粒の硬さ は ピ ツ カ一ス硬度 （ H v ) で 5 0 0 以上であ る こ とが好ま し い 次いで、 2 回 目 以降のシ ョ ッ ト ピーニングでは、 1 回 目 よ り も小さ い シ ョ ッ ト 粒を用 いて実施する。 こ の と き用い る シ ョ ッ ト粒の大き さ は、 1 回 目 の シ ョ ッ ト粒径の 1 / 1 0 以下 であ る こ とが好ま し い。 また時間は、 1 0 〜 2 0 0 分程度 と する 。 こ う した 2 回 目以降のシ ョ ッ ト ピ一ニングによっ て、 表面粗さ を小さ く でき る と と も に、 表面の圧縮残留応力 を大 き く する し こ と ができ、 疲労強度を更に向上させる こ とがで き る 。 尚、 本発明者によれば、 硬引 きばねでは、 焼入れ ' 焼 戻 し したオイ ルテ ンパー線よ り も、 2 回 目以降のシ ョ ッ ト ピ —ニ ングの効果が大きい こ と を確認 してい る 。 本発明の硬引 きばねにおいては、 特に過酷な応力条件で使 用 される こ とが予想される場合には、 その表面に窒化処理を 施す こ と も有効であ る。 こ う した窒化処理を施すこ と によ つ て、 疲労強度を更に改善する こ とができ る。 こ う した窒化処 理に関 しては、 オイ ルテ ンパー線で製造された弁ばねにつ い ては従来か らその処理が行なわれてい る が、 硬引きばねにつ いては、 全 く 行われていなかっ た。 これは、 通常の硬引 き線 の化学成分では窒化処理を施 して も効果があ ま り 期待できな い と考え られていた こ とや、 窒化の際に伸線時に導入された 歪が開放さ れて強度が極端に低下する と考え ら れていた こ と 等が原因であ る 。

これに対して、 本発明で規定する化学成分組成を有する鋼 線を硬引 き した後、 窒化処理を施す と 、 ばねの疲労寿命が更 に改善される こ と になる 。 こ う した効果が発揮される理由 は 次の様に考える こ とができた。 即ち 、 本発明で用 い る鋼線で は、 フ ェ ライ 卜 を S i , C r 等の合金元素で強化する こ 'と に よっ て線材の強度がフ ェ ライ ト 自 身の強度に依存する状態に なっ てい る ので、 窒化によっ て フ ェ ライ ト の強度を高め る こ とが疲労強度の直接的な改善に繋がる も の と考え られる。 尚 窒化処理によ っ て製造さ れたばね表面の硬度は、 0 . 0 2 m m深さ の位置で、 ピ ツ カ 一ス硬さ （ H V ) が 6 0 0 以上、 好 ま し く は 7 0 0 以上であ る こ とが好ま し いが、 要求される疲 労強度によ っ ては H v 5 0 0 〜 6 0 0 程度であ っ て も良い。

上記窒化処理を行う方法につ いては、 特に限定する も ので はな く 、 ガス窒化、 液体 （塩浴） 窒化の他、 イ オン窒化等が 採用でき るが、 例えばガス窒化する と き の好ま しい条件は次 の通 り であ る 。 即ち 、 ア ンモニアガス 1 0 0 %雰囲気、 或は ア ンモニアガス を主体 と して窒素ガス 5 0 %以下および二酸 化炭素ガス 1 0 %以下の雰囲気にて、 3 5 0 〜 4 7 0 ^oC X l 〜 6 時間の条件で窒化処理を行えば良い

本発明の効果は、前記ばね指数 （ D Z d ) が 9 . 0 以下の 小径ばねに適用 したと きに、 一層発揮される。 ばねにおいて は、 上記 D / d はばね指数を示すも のであ るが、 こ う した比 ( D Z d ) となる ばねでは、 所望の荷重応答を得る と きの ば ね内側 と外側の応力差が大き く 、 ばね内側に高い応力が架か る 。 こ う した高応力の使用環境下でも 、 本発明のばねではそ の機能を維持する こ とができ る 。 また、 その効果は、 ( D / d ) が小さ く なればなる ほ ど大き く な るが、 2 . 0 よ り も小 さ く なる と シ ョ ッ ト ピ一ニ ング等の表面加工の効果が得 ら れ に く く なる ので、 その下限は 2 . 0 であ る こ と が好ま し い。 実施例

以下、 本発明 を実施例によ っ て更に詳細に説明する が、 下 記実施例は本発明 を限定する性質の も のではな く 、 前 · 後記 の趣旨に徴レて設計変更する こ と はいずれも本発明の技術的 範囲 に含まれる も のであ る。 - 実施例 1

下記表 1 に示す化学成分組成の鋼 （ A〜 K ) を溶製 し、 熱 間圧延して直径 （線径） ： 8 . 0 m mの線材を作製した。 こ の と きの熱間圧延の条件は、 加熱温度 ： 1 1 5 0 °C、 圧延後 冷却速度 ： 6 . 3 °C / s e c と した。 その後、 皮削 り 、 ノ^テ ンティ ング処理および伸線処理を行っ て線径 ： 3 . 1 m mの 鋼線 と した。 こ の ときのパテ ンティ ングは、 下記表 2 に示 し た加熱温度でオーステナイ ト化 した後、 各鋼種に応じて 5 5 0 〜 6 5 0 °Cの鉛浴中で恒温変態させた。 また、 パテ ンティ ング時の加熱時間については、 下記表 2 の N o . 2 につ いて は、 1 3 0 秒、 N o . 3 につ い-ては 1 0 0 秒、 それ以外につ いては 2 4 0 秒 と して、 炭化物量を調整した。

鋼種 E は J I S — S W P — V相当鋼 得 られた鋼線 （伸線材） につ いて、 炭化物の大きさ と個数 を測定した。 こ の と きの測定は、 鋼線の横断面でサンプ リ ン グ し 、 走査型顕微鏡 （ S E M ) にて D Z 4 の位置 （ D は直 径） を 5 0 0 0 倍の倍率で写真撮影 し、 得 ら れた写真 1 0 0 m ² 中で円相 当直径が 0 . 1 m以上の炭化物の個数を測 定した。 また、 伸線後の引 ,張強度 T S について測定した。 上記伸線材 を常温にてばね成形 し、 歪取 り 焼鈍 （ 4 0 0 °C X 2 0 分） 、 座研磨、 二段シ ョ ッ ト ピーニ ン グ、 低温焼鈍 ( 2 3 0 °C X 2 0 分） および冷間セ ツ チ ングを行っ た。 また 歪取 り 焼鈍相 当 のテンパー を加えた後の引張強度 T S につ い て測定 した。 また、 一部の も の （下記表 2 の N o . 3 ) につ いては、 N H ₃ 8 0 % + N ₂ 2 0 % 、 4 0 0 °C X 2 時間 の条 件でガス窒化処理 を施 した。

得 ら れた各ばねに 5 8 8 ± 4 4 I M P a の負荷応力下で疲 労試験を行ない、 破断寿命を測定 した。 また、 1 2 0 °C、 1 0 0 0 M P a の応力下で、 4 8 時間締め付けた後、 残留せん 断歪を測定し 、 耐へた り 性の指標 （残留せん断歪が小 さ い ほ ど耐へた り 性は良好） と した。

こ れ ら の結果 を、 各製造条件 （パテ ンテ ィ ン グの加熱温 度） 、 鋼線の 引張強さ T S (伸線後および歪取 り 焼鈍後） 、 炭化物の個数、 表面粗さ R y 、 窒化の有無等 と共に下記表 2 に示す。 また、 これ ら の結果に基づき、 炭化物個数と 引張強 度 （伸線後） の関係を図 1 に、 炭化物個数と残留せん断歪の 関係を図 2 に、 炭化物個数と疲労寿命の関係を図 3 に夫々 示 す。

パテンティング 引張強さ TS (MP a) 炭化物個数 表面粗さ Ry 残留せん断歪

No. 疲労寿命 鋼蒱 窒ィ 々几理

加熱温度 (°C) 伸線後 歪取り焼鈍後 [個 (1 0 0 ΐή) ] (/ m) (X10一⁴) (X10⁶回）

1 A 930 1915 1911 0 9. 8 なし 4. 2 10. 1

2 A 900 1881 1901 2 6. 7 なし 5. 3 8. 7

3 A 890 1853 1898 5 8. 4 あり 3. 7 15. 8

4 A 940 1944 1941 0 12. 4 なし 4. 8 5. 3

5 B 920 1938 1870 1 5. 5 なし 3. 1 9. 1

6 C 930 1955 2054 0 7. 9 なし 1. 9 11. 5

7 D 950 1910 1874 0 9. 2 なし 2. 2 10. 7

8 A 870 1843 1732 8 8. 6 なし 11. 1 3. 1

9 E 910 1770 1668 0 5. 8 なし 10. 1 2. 5

10 F 950 1953 1742 0 8. 3 なし 12. 8 0. 9

11 G 940 1831 1845 0 7. 3 なし 9. 5 4. 6

12 H 880 1743 1652 0 9. 8 なし 12. 5 1. 0

13 I 920 1733 1796 12 8. 3 なし 10. 8 2. 9

14 J 900 1921 1953 0 7. 2 なし 3. 5 10. 4

15 K 930 1967 1999 0 8. 3 なし 2. 7 12. 6

これ ら の結果か ら 、 次の様に考察できる 。 まず、 N o . 1 1 4 および 1 5 の も のは、 本発明で規定する要件の い ずれを も満足する ものであ り 、 疲労強度および耐へた り 性の いずれも優れた も の となっ てい る。 特に、 所定大きさ の炭化 物の個数を 5 個 / 1 0 0 m ² 以下 とする こ と に よ っ て優れ た特性が発揮さ れてい る こ とが分かる。

これに対して N o . 8 〜 1 2 の も のでは、 本発明で規定す る要件のいずれか を欠 く も のであ り 、 いずれかの特性が劣化 した も の となっ ている 。 即ち 、 N o . 8 の も のでは、 化学成 分組成は N o . 1 〜 4 の ち の と 同 じ も のであ るが、 パテ ンテ イ ング時の加熱温度が低 く な る こ と によつ て炭化物の析出量 が多 く なつ て い る ので、 伸線後に十分な強度が確保できず、 疲労寿命が短 く 、 且つ残留せん断歪も大き く なつ てい る 。

Ν ο . 9 の も の は、 J I S - S W P 一 V相 当 鋼 （ ピ ア ノ 線） であ なが、 C含有量が多 く なっ ている ので、 介在物を起 点 と した早期折損が発生 してお り 、 疲労寿命が短 く なつ てい る。 また、 S i 含有量が少ないので焼戻 し軟化抵抗が小さ く なっ てお り 、 しか も C r が含有されていないので残留せん断 歪が大き く なっ ている

Ν ο . 1 0 の も のは 、 N o . 9 よ り も更に C含有量が多い も のであ が、 N o . 9 と 同様に介在物を起点 と した早期折 損が発生 してお り 、 疲労寿命が更に短く なつ てい る。 また、 S i 含有量が少ないので焼戻 し軟化抵.抗が小さ く なつ てお り しか も C r が含有されていないので残留せん断歪が大き く な つ てい る。

N o 1 の も のでは、 C含有量が多く なつ て い る ので、 介在物を起点 と した早期折損が発生 してお り 、 疲労寿命が短 く なつ てい る 。

N o . 1 2 の も のは、 C含有量が少ない も のであ り 、 パテ ンティ ング後の強度が低 く なつ てお り 、 伸線後に十分な強度 が得 ら れず、 疲労寿命が短 く 且つ残留せん断歪も大き く なつ てい る

N o 3 の も のは、 C r 含有量が多 く なつ てい る ので、 パテ ンティ ング時に炭化物が十分に固溶せず、 伸線後に十分 な強度が確保できず、 疲労寿命が短 く 、 また耐へた り 性が非 常に劣つ てい る 。

実施例 2

下記表 3 に示す化学成分組成の鋼 （ L 〜 U ) を溶製 し、 熱 間圧延 して直径 （線径） ： 8 . 0 m mの線材を作製した。 そ の後、 皮削 り 、 パテ ンティ ング処理および伸線処理を行っ て 線径 ： 3 . 1 m mの鋼線と した。 こ の と き のパテ ンティ ング は、 ォ一ス テナイ ト化温度を 9 1 0 °C と し、 各鋼種に応じて 5 5 0 〜 D 5 0 °C の鉛浴中で恒温変態させた。 また、 パテン ティ ン グ時の保持時間につ いては、 下記表 5 、 6 の N o . 2 0 、 3 1 につ いては、 3 0 0 秒、 N o . 3 0 につ レ、ては 3 0 秒、 それ以外につ いては 1 2 0 秒 と して、 炭化物量を調整し た。

表 3

得 られた鋼線 （伸線材） の う ち 、 鋼種 L ， M， Nの伸線材 について、 ばね成形し （ばね指数 ： 6 . 8 1 ) 、 歪取 り 焼鈍 ( 3 5 0 , 3 8 0 、 4 1 0 °C X 2 0 分） 、 座研磨および冷間 セ ツ チングを行っ てばね と した。

得 ら れた各ばねに 5 8 8 ± 4 4 I M P a の負荷応力下で疲 労試験を行い、 破断寿命を測定する と と も に、 ばね内側の残 留応力 （ R + ) と ばね外側の残留応力 （ R — ) を X線回折に よ っ て測定 して残留応力差 [ ( R ₊ ) - ( R — ) ] を求め た また、 伸線材の引張強度 （伸線後および歪取 り 焼鈍後） につ いて も測定する と共に、 その表面粗さ R y につ いても測定し た。 その結果を、 歪取 り 焼鈍温度と共に下記表 4 に示す。

引張強さ （MP a) 歪取り焼鈍 (R + ) 一 （R -） 表面粗さ Ry 疲労寿命

No. 鋼種 D/d

伸線後 歪取り焼鈍後 温度 CC) (MP a) ( xm) (X 10⁵)

16 L 6. 81 1942 1960 350 954 2. 7 1. 8

17 L 6. 81 1942 1963 380 764 3. 6 2. 7

18 L 6. 81 194.2 1949 410 253 3. 1 8. 7

19 M 6. 81 1856 1881 410 108 2. 4 10. 0

20 N 6. 81 1832 1854 10 333 2. 2 7. 9

の結果か ら 、 明 ら かなよ う 、 残留応力差が 5 0 0 M P a 以下の も のでは （ N o . 1 8 2 0 ) 、 優れた疲労強度が 達成されている こ とが分か る。 れに対して、 残留応力差が 5 0 O M P a を超える も のでは （ N o . 1 6 , 1 7 ) 疲労 強度が著し く 劣化 してい る こ とが分かる。

施例 3

施例 2 と同様に して得 られた各伸線材 （鋼種 L 〜 U ) に ついて、 様々 なばね指数のばねを成形 し、 歪取 り 焼鈍 （ 3 5 0 , 3 8 0 、 4 1 0 °C X 2 0 分） 、 座研磨、 二段シ ョ ッ ト ピ ング、 低温焼鈍 ( 2 3 0 °C X 2 0 分） および冷間セ ツ チ ングを行っ た。 こ の と き、 鋼種 N につ いては、 座研磨後、 窒 化処理 を N H ₃ 8 0 % + N ₂ 2 0 % の雰囲気下、 4 2 0 °C X

2 時間 の条件で行い 、 二段 シ ョ ッ ト ピーニ ン グ、 低温焼鈍

( 2 3 0 °C X 2 0 分） お よ び冷間セ ツ チ ン グ を行っ た も の

(後記表 5 の N o . 2 6 ) も準備 した。

得 ら れた各ばねに実施例 1 と 同様に して疲労試験を行い、 破断寿命を測定する と と も に、 残留せん断歪を測定した。 ま た、 ばね成形後 （シ ョ ッ ト ピーニング前） における ばね内側 の残留応力 （ R + ) と ばね外側の残留応力 （ R — ) 、 およ び シ ョ ッ ト ピー ニ ン グ後にお け る ばね内側 の残留応力 （ R _s

+ ) と ばね外側の残留応力 （ R _s - ) を X線回折によ っ て測 定 し 、 夫 々 の 残 留 応 力 差 [ ( R + ) - ( R _ ) ] お よ び

[ ( R s + ) 一 ( R s _ ) ] を求めた。 更に、 実施例 2 と 同 様に して、 伸線材の炭化物個数および引張強度 （伸線後およ び歪取 り 焼鈍後） について も測定する と共に、 その表面粗さ R y についても測定 した。 これ ら の結果を、 ばね指数および 歪取 り 焼鈍温度と共に下記表 5 、 6 に示す。 引張強 さ （ M P a ) 炭化物個数. 鋼種 D / d

伸線後 歪取 り 焼鈍後 [個/ ( 1 0 0 μπί) ] 1 L 6 . 8 1 1 9 4 2 1 9 6 0 1

2 L 6 . 8 1 1 9 4 2 1 9 6 3 2 3 L 6 . 8 1 1 9 4 2 1 9 4 9 2

4 M 3 . 6 5 1 8 5 6 1 8 8 1 5

5 N 2 . 8 7 1 8 3 2 1 8 5 4 4

6 N 2 . 5 5 1 8 3 2 1 8 5 4 0

7 O 8 . 5 5 1 9 0 5 1 9 7 0 2

8 P 7 . 0 2 1 9 1 1 1 9 4 5 0 9 Q 6 . 8 1 1 9 3 0 1 7 6 9 5

0 R 6 . 8 1 1 7 0 5 1 6 3 8 0

1 S 6 . 8 1 伸線中 に断線 2 T 6 . 8 1 1 9 3 7 1 9 4 9 5

3 u 6 . 8 1 1 9 8 5 2 0 1 6 4

(R "I ,") 一 (、R ) (R s . — (R s »-J )表面粗さ R v 残留せん断歪 疲労寿命

No. 鋼種 窒化処理

温度 (V) 10⁶回）

(M i ) V (X10— ⁴) (X

21 L 350 954 531 7. 3 なし 4. 1 0. 8

22 L 380 764 429 8. 1 なし 3. 7 3. 9

23 L 410 253 131 7. 9 なし 4. 5 8. 7

24 M 410 108 67 6. 7 なし 4. 0 12. 5

25 N 410 333 265 5. 4 なし 3. 7 9. 8

26 • N 10 401 176 6. 2 あり 2. 9 16. 3

27 O 410 96 45 11. 8 なし 3. 9 7. 0

28 P 410 179 103 5. 5 なし 3. 9 10. 8

29 Q 410 233 119 7. 6 なし 12. 0 2. 1

30 R 410 319 164 9. 5 なし 12. 1 0. 9

31 S 伸線中に断線

32 T 410 427 214 6. 9 なし 4. 1 11. 7

33 U 410 214 93 10. 8 なし 4. 3 13. 5

こ の結果か ら 、 次の様に考察でき る。 まず、 N o . 2 3 〜

2 8 、 3 2 、 3 3 の も のは、 本発明で規定する要件のいずれ も満足する も のであ り 、 疲労強度および耐へた り 性が優れた も の となっ てい る こ とが分かる。

これに対して N 0 . 2 1 , 2 2 , 2 9 、 3 1 の も のでは、 本発明で規定する要件の いずれか を欠 く ものであ り 、 いずれ かの特性が劣化 した も の となっ ている。 即ち 、 N o . 2 1 ， 2 2 の も のでは、 ばね内側と ばね外側の残留応力 の差 （ばね 成形後およびシ ョ ッ 卜 ピ一ニン グ後） が大き く なつ てい る の で、 疲労強度が著し く 劣化 してい る。

また N o . 2 9 の も のは 、 C含有量が多く なつ ている ので 欠陥感受性が高 く なつ てお り 、 また S i 含有量が低 く なつ て レ る ので、 歪取 り 焼鈍後に十分な強度が得ら れず、 疲労寿命 が短 く な り 、 且つ耐へた り 性も悪 く なつ てい る。

N o . 3 1 の も のは、 C含有量が少ない も のであ り 、 パテ ンティ ング後の強度が低 く なっ てお り 、 伸線後に十分な強度 が得 ら れず、 疲労寿命が短 く な り 、 且つ耐へた り 性も悪 く な つ てい る。

N o . 3 2 の も のは、 C r 含有量が多 く なつ てい る ので、 パテ ンティ ング時にべイ ナイ ト が生成し 、 伸線中 に断線が生 じていた。 産業上の利用可能性

本発明は以上の様に構成さ れてお り 、 伸線までオイ ルテンパ 一線を用 いたばね と 同等以上の疲労強度および耐へた り 性を 発揮する硬引 き ばねを製造する為のばね用鋼線、 およびこ の 様な硬引 きばねが実現できた。

Claims

請求の範囲

1 . C ： 0 . 5 〜 0 . 7 % (質量％ の意味、 以下同 じ） 、 S i ： 1 . 0 〜 1 . 9 5 % 、 ' M n : 0 . 5 〜 1 . 5 % 、 C r ： 0 . 5 〜 1 . 5 % を夫々含有し、 残部が F e および不可 避不純物か ら な り 、 且つ円相当直径で 0 . 1 β m以上の炭化 物が 5 個 / 1 0 0 z m ²以下であ る こ と を特徴 とする疲労強 度お'よび耐へた り 性に優れた硬引き ばね用鋼線

2 . 更に、 N i ： 0 . 0 5 〜 0 . 5 % を含有する も のであ る請求項 1 に記載の硬引きばね用鋼線。

3 . 更に、 M o ： 0 . 3 %以下 （ 0 % を含まない） を含有 する ものであ る請求項 1 または 2 に記載の硬引 きばね用鋼線

4 . 請求項 1 〜 3 のいずれかに記載のばね用鋼線をばね成 形 して製造さ れた も のである疲労強度および耐へた り 性に優 れた硬引きばね。

5 . ばね内側にお ける表面残留応力 （ R ₊ ) と、 ばね外側 にお ける表面残留応力 （ R — ) の差 [ ( R + ) - ( R _ ) ] が 5 0 0 M P a 以下であ る請求項 4 に記載の硬引きばね。

6 . 表面に 2 回以上のシ ョ ッ ト ビーニ ングが施された も の であ る請求項 5 に記載の硬引 きばね。

7 . シ ョ ッ ト ピーニ ング後における ばね内側における表面 残留応力 （ R _s + ) と、 ばね外側にお ける表面残留応力 （ R s - ) の差 [ ( R _s + ) - ( R s _ ) ] が 3 0 0 M P a 以下 であ る請永項 6 に記載の硬引 きばね。

8 . 表面粗さ が最大高さ R y で 1 0 j m以下である請求項 4 に記載の硬引 き ばね。

9 . 表面に窒化処理が施さ れた も のであ る請求項 4 に記載 の硬引 きばね。

1 0 . ばね径 D と線径 d と の比 （ D d ) が 9 . 0 以下で あ る請求項 4 に記載の硬引 きばね。