JP3780381B2

JP3780381B2 - 高強度コイルばねおよびその製造方法

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Publication number: JP3780381B2
Application number: JP2001391317A
Authority: JP
Inventors: 覚近藤
Original assignee: Togo Seisakusho Corp
Current assignee: Togo Seisakusho Corp
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2001-12-25
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2021-12-25
Also published as: JP2003193197A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オートマティック車の自動変速機のクラッチトーションのダンパースプリングやエンジンの弁ばねに使用する高強度コイルばねに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、弁ばねの材料として規格化されているのは、ＪＩＳＧ３５６１のＳＷＯ−Ｖ、ＳＷＯＣＶ−ＶおよびＳＷＯＳＣ−Ｖの３種類である。なかでもシリコンクロム鋼オイルテンパー線であるＳＷＯＳＣ−Ｖは、耐疲労強度および耐へたり性に優れているため広範囲に使用されている。しかし、自動車エンジン用のバルブスプリングや自動変速機用のダンパースプリング（以降、ばねと称す）等に用いられるコイルばねでは、高速回転化やコンパクト化のニーズが高いために、つねに高強度化、高耐疲労性、または軽量化などが求められている。これらの要求に応えるべく、材料組成や熱処理方法などの改良について多くの研究がなされている。
【０００３】
例えば、特開平１１−２４６９４３号公報では、重量％でＣ：０．５〜０．８％、Ｓｉ：１．２〜２．５％、Ｍｎ：０．４〜０．８％、Ｃｒ：０．７〜１．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、不可避的不純物であるＡｌ含有量が０．００５％以下、同Ｔｉ含有量が０．００５％以下であって、最大非金属介在物が１５μｍである鋼に、焼入れ加熱温度を９５０℃以上１１００℃以下として焼入れ・焼戻しを施したオイルテンパー線を素材として使用し、コイリング後、窒化処理を施したことを特徴とする高強度弁ばねについて開示している。ここでは、Ｓｉの添加量を通常よりも高くすることにより、焼戻し温度を上げることを可能にし、さらにこの焼戻し温度の上昇に伴って窒化処理温度をも上げることで、ばねの表面硬さを硬くして疲労強度および耐へたり性の向上を図ったものである。
【０００４】
しかし、この窒化処理温度を上昇可能とする方法では、Ｓｉ添加量が高いこと、および処理温度が高いことから、従来の方法に比べて表面近傍に窒化物や炭窒化物を主体としたいわゆる白層が発生しやすくなる。この白層は非常に硬くて脆いという性質があるため、特に自動変速機のクラッチトーション用のダンパースプリングなどの大きな衝撃力を受けるような場合には、スプリングの耐衝撃性の低下に繋がるこという大きな難点が考えられる。さらに、高温での窒化処理はコストアップ要因ともなり、昨今のコスト削減要請には応えられない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、安価で耐衝撃性の高い高強度コイルばねとその製造方法を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明になる高強度コイルばねは、重量比で、Ｃ：０．６〜０．７％、Ｓｉ：１．８〜２．２％、Ｍｎ：０．７〜０．９％、Ｃｒ：０．５〜０．８％、Ｖ：０．０５〜０．１５％、を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ｃｕ：０．２％以下であって、最大非金属介在物が１５μｍである鋼のオイルテンパー線を素材として使用し、コイリング、マイクロショット、耐衝撃性の高いばねを得るために４００〜４４０℃での窒化処理、直径が０．４〜１．０ｍｍで硬さがＨｖ５００〜８００である第１ショットによる第１ショットピーニング、該第１ショットよりも硬度の高い第２ショットによる第２ショットピーニングを施すことにより、表層部（表面から０．０２ｍｍ付近の）硬さがＨｖ６００〜８００でることを特徴とするものである。
【０００７】
ここで、オイルテンパー線は、引張強さが１９６０ＭＰａ以上、絞りが３８％以上であることが望ましい。
【０００８】
上記の条件の組合わせで製造することにより、耐衝撃性の高い高強度コイルばねを得ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（ばね素材）
本発明になる高強度コイルばねは、重量比で、Ｃ：０．６〜０．７％、Ｓｉ：１．８〜２．２％、Ｍｎ：０．７〜０．９％、Ｃｒ：０．５〜０．８％、Ｖ：０．０５〜０．１５％、を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ｃｕ：０．２％以下であって、最大非金属介在物が１５μｍである鋼のオイルテンパー線を素材とすることを特徴とするものである。
【００１０】
ここで、オイルテンパー線の組成の限定理由は以下の通りである。
【００１１】
Ｃ：０．６〜０．７％
Ｃは鋼線の強度を高めるために必須の元素であるが、０．６％未満では充分な強度が得られず、０．７％を越えると靱性が低下し、さらに鋼線のキズ感受性が増大して信頼性が低下する。
【００１２】
Ｓｉ：１．８〜２．２％
Ｓｉはフェライトの強度を向上させ、耐へたり性を向上させるのに有効な元素である。１．８％未満ではその十分な効果がなく、２．２％を越えると冷間加工性を低下させるとともに熱間加工性や熱処理による脱炭を助長する。すなわち、コイルばねの成形性を低下させることになる。
【００１３】
Ｍｎ：０．７〜０．９％
Ｍｎは鋼の焼入れ性を向上させ、鋼中のＳを固定してその害を阻止するが、０．７％未満ではその効果がなく、０．９％を越えると靱性が低下する。
【００１４】
Ｃｒ：０．５〜０．８％
ＣｒはＭｎと同様に、鋼の焼入れ性を向上させ、かつ熱間圧延後のパテンティング処理により靱性を付与し、焼き入れした後、焼戻し時の軟化抵抗性を高め、高強度化するのに有効な元素である。０．５％未満ではその効果が少なく、０．８％を越えると炭化物の固溶を抑制し、強度の低下を招くとともに、焼入れ性の過度の増大となって靱性の低下をもたらす。
【００１５】
Ｖ：０．０５〜０．１５％
Ｖは焼戻し時に炭化物を形成し、軟化抵抗を増大させる元素であるが、０．０５％未満では炭化物の形成が極めて少ないためにその効果は小さい。また、０．１５％を越えると焼入れ加熱時に炭化物が粗大化して靱性の低下を招く結果となる。
【００１６】
次に、鋼線の最大非鉄金属介在物は１５μｍであることが望ましい。この非金属介在物はＡｌ₂Ｏ₃やＴｉＯからなることが多いが、これらの介在物は硬質であるため、鋼線の表面付近に存在した場合には疲労強度を著しく低下させる。最大非鉄金属介在物は１５μｍより小さければあまり問題とはならない。
【００１７】
本発明に用いるオイルテンパー線は、引張強さが１９６０ＭＰａ以上、絞りが３８％以上であることが望ましい。引張強さが１９６０ＭＰａ未満では、ばねの疲労強度が低下して望ましくない。好ましくは１９６０〜２３００ＭＰａである。また、絞りが３８％未満では、ばねの成形が問題となるので、３８〜５５％が適当である。
（コイルばねの製造方法）
本発明の高強度コイルばねは、前記の機械的性質を有するオイルテンパー線を用いて、コイリング成形後、窒化処理の前に均一な窒化層を得るためにディスケーリング処理としてマイクロショットを行い、次に、第１ショットピーニングと第２ショットピーニングとを実施して得られる。
【００１８】
本発明のコイルばねに使用される線材は、窒化処理により表面部が窒化されて表面部の硬度が高くなる鋼材である。特に、高強度ばね用として従来より使用されているＭｏ、Ｖを含む合金鋼オイルテンパー線とか、合金鋼硬引線が適している。かかる線材は、酸化皮膜をもつものが好ましい。酸化皮膜は、その後の工程のコイリング成形を容易にする作用を有する。
【００１９】
まず初めに、ばね用低合金鋼オイルテンパー線を冷間コイリングしてばね状に成形する。その後、低温熱処理を施してコイル成形時に生じた残留応力や残留歪みを除去することが好ましい。また、合金鋼硬引線に対しては、焼入れ焼戻し処理を施してその硬度を高くするのが好ましい。
【００２０】
次に、窒化に先立ってディスケール処理を行う。ディスケール処理は、コイル成形されたばね素材の表面の酸化皮膜を除去する工程で、酸化皮膜を取除くことにより均一な窒化を可能とするものである。
【００２１】
なお、ディスケール処理では、ばね素材の表面粗さで、表面粗さの最大高さ粗さＲ_maxを５μｍ以下にするのが好ましい（ＪＩＳＢ０６０１「製品の幾何特性仕様（ＧＰＳ）−表面性状：輪郭曲線方式−用語、定義及び表面性状パラメータ」が２００１年１月に改正され、最大高さ粗さの表記はＲ_Zと改訂されたが、従前の十点平均粗さＲ_Zとの誤解を避けるために本明細書では、最大高さ粗さをＲ_maxと表記する）。Ｒ_maxが５μｍを越えると、窒化の均一性が不十分となり、また、得られたコイルばねの表面研磨が必要となる。
【００２２】
ディスケール処理としては、ばね素材の表面粗さを増大させないように、比較的弱くブラストされるような条件、すなわち、マイクロショットを使用してショットピーニングして行う。マイクロショットとしては、比較的軟らかいガラスビーズや砥粒を使用するとか、直径０．３ｍｍ以下の細かいカットワイヤを使用する、あるいは直径０．３ｍｍ以下のスティールショットを使用するという方法などを例示することができる。これらの方法により、ばね素材の表面粗さの最大高さ粗さＲ_maxを５μｍ以下にすることができる。
【００２３】
ディスケールをマイクロショットで実施することで、酸化皮膜が除去できるとともに、次の工程の窒化を容易にすることができる。
【００２４】
窒化処理は、窒素ガスまたはアンモニアガス等の雰囲気中で行うことができるが、窒化処理条件は、４００〜４７５℃で２〜４時間が望ましい。窒化処理温度が４００℃未満では、硬化不足となり、また、４７５℃を越えると内部硬さが低下して、衝撃性の高い高強度コイルばねを得ることが出来ない。
【００２５】
さらに、窒化処理時間が２時間未満では、窒化処理に伴う硬化層の形成が不均一となり、また、４時間を超えても、長時間処理に見合うより有効な窒化層を得ることは出来ないので、製造コストを押上げるという不都合を生じる。
【００２６】
以上の窒化処理で得られたコイルばねの表面硬さは、表面から０．０２ｍｍ入った位置での硬さが、Ｈｖ６００〜８００である。この硬さが、Ｈｖ６００未満では次工程の二段ショットピーニングで十分な圧縮残留応力を形成することができないために、コイルばねの疲労強度が低下する。一方、Ｈｖ８００を越えると耐衝撃性が低下してしまい、本発明の課題である耐衝撃性の高い高強度コイルばねを得ることが出来ない。
【００２７】
ショットピーニング工程は、表面部が窒化処理されて硬化したコイルばねの表面から内部深く、かつ表面での残留応力を大きく付与して、コイルばねの疲労強度を高めることを目的に実施するものである。そのため、第１ショットピーニング工程では、まず粒径の大きいショットを、例えば高速でコイルばねに投射して表面より内部の深い位置まで残留応力を付与させる。
【００２８】
第２ショットピーニング工程では、第１ショットピーニング工程で使用したショットより粒径が小さいショットを使用して再度投射を行う。この工程によって表面部にさらに大きな残留応力を付与する。第１ショットピーニング工程で使用したショットより硬度の高いものを使用したり、あるいはショットを高速で投射することでその効果をより高めることができる。
【００２９】
以上の工程によって、表面の残留応力が高く、かつ内部の深い位置にまで残留応力が付与できるので、コイルばねの疲れ強さを大幅に向上させることができる。さらに、最終の低温焼きなましを施すことが好ましい。
【００３０】
第１ショットピーニング工程で使用されるショットとしては、内部の深い位置まで残留応力を付与するために、０．４〜１．０ｍｍの径で、硬さがＨｖ５００〜８００の範囲のものが好ましい。
【００３１】
第２ショットピーニング工程では、ショットの径が第１ショットピーニング工程で使用したものよりも小さいものを使用することが望ましい。表面部の残留応力を高めるためには、ショット径は０．０５〜０．３ｍｍ程度で、その硬さがＨｖ７００〜９００のものを使用することが好ましい。この場合には高圧エアーによるのショットの投射が望ましく、この高圧での投射で表面付近に著しく高い残留応力を形成することができるのである。
【００３２】
その後、低温焼きなましを施すことが望ましい。
【００３３】
以上のようにして、従来よりも安価で高い耐衝撃性を有する高強度コイルばねを得ることが出来る。この高強度コイルばねは、オートマティック車の自動変速機のクラッチトーション用ダンパースプリングやエンジンの弁ばねに好適に使用することができる。
【００３４】
【実施例】
以下、実施例により具体的に説明する。
［試料の調製］
（実施例１）
コイルばねの線材として、Ｃ：０．６４重量％（以下、特に明記しない限り重量％とする）、Ｓｉ：２．０６％、Ｍｎ：０．７８％、Ｃｒ：０．７０％、Ｖ：０．０７％で、不可避的不純物としては、Ｐ：０．００８％、Ｓ：０．０１４％、Ｃｕ：０．０４％を含み、残部がＦｅとからなる合金鋼をオイルテンパーして、引張り強さが２１０３ＭＰａ、絞りが５０．７％の合金鋼オイルテンパー線を用いた。このオイルテンパー線の最大非金属介在物は１３μｍであった。
【００３５】
前記のオイルテンパー線をコイリングし、線径：２．３ｍｍ、コイル中心径：１１．７ｍｍ、総巻数：１１．５巻、有効巻数：９．５巻、自由高さ：５８．２ｍｍ、ばね定数：１７．９Ｎ／ｍｍ²のコイルばねを成形した。
【００３６】
次に、このコイルばねを４３５℃で１０分間熱処理してコイル成形時に生じた残留応力や残留歪みを除去した。その後、直径が０．２ｍｍで、硬度Ｈｖ５５０のスチールボールを使用して２０分間のマイクロショットを施して、表面の酸化皮膜を除去した。
【００３７】
次に、アンモニアガス雰囲気下で４２０℃、３時間のガス窒化を行い、コイル表面に窒化層を形成した。
【００３８】
第１ショットピーニング工程は、窒化処理後に直径０．６ｍｍでＨｖ６００のラウンドカットワイヤを使用して、７３ｍ／ｓの条件で１０分間のショットピーニングを行った。
【００３９】
第２ショットピーニング工程は、直径０．２５ｍｍでＨｖ８００のラウンドカットワイヤを、エアーで５分間投射して、ショットピーニングを施した。次いで２２５℃、１０分間の低温焼きなましを実施して、異常に大きな内部歪みを除去し、コイル表面に圧縮残留応力を付与して実施例１の高強度コイルばねを得た。（実施例２）
実施例１と同一組成で、同一の機械的性質を有するオイルテンパー線を用いて、窒化処理条件を４４０℃、３時間とした以外は、実施例１と全く同様の形状と製造工程および製造条件で、実施例２の高強度コイルばねを得た。
（実施例３）
実施例１と同一組成で、同一の機械的性質を有するオイルテンパー線を用いて、窒化処理条件を実施例２と同様の４４０℃、３時間とし、第２ショットピーニングを、直径０．６ｍｍでＨｖ８００のラウンドカットワイヤを用いて、ショット速度を４０ｍ／ｓｅｃとして１０分間投射した以外は、実施例１と全く同様の形状と製造工程および製造条件で、実施例３の高強度コイルばねを得た。
（実施例４）
実施例１と同一組成で、同一の機械的性質を有するオイルテンパー線を用いて、窒化処理温度を４６０℃とした以外は、実施例１と全く同様の形状と製造工程および製造条件で、実施例４の高強度コイルばねを得た。
（実施例５）
実施例１と同一組成で、同一の機械的性質を有するオイルテンパー線を用いて、窒化処理温度を４７５℃とした以外は、実施例１と全く同様の形状と製造工程および製造条件で、実施例５の高強度コイルばねを得た。
（比較例１）
従来のＳＷＯＸＸ−Ｖ鋼材、すなわち、Ｃ：０．６４％、Ｓｉ：１．４％、Ｍｎ：０．７％、Ｃｒ：１．５％、Ｍｏ：０．５％、Ｖ：０．１５％で、不可避的不純物としては、Ｐ：０．００１５％、Ｓ：０．０３％、Ｃｕ：０．０２％のオイルテンパー線を用いて、実施例１と同様の形状のコイルばねを形成して比較例１とした。
【００４０】
ここで、オイルテンパー線の引張強さは、２１１０ＭＰａ、絞りは、４０％であった。また、窒化処理条件は５００℃、４時間とし、第１ショットピーニング工程は、窒化処理後に直径０．８ｍｍでＨｖ７００のラウンドカットワイヤを使用して、７３ｍ／ｓの投射速度で６０分間のショットピーニングを実施した。
【００４１】
第２ショットピーニング工程は、直径０．２５ｍｍでＨｖ８００のラウンドカットワイヤをエアーで５分間ショットして第２ショットピーニングとした。次いで２２５℃、１０分間の低温焼きなましを施して、実施例１と同様に異常に大きな内部歪みを除去し、コイル表面に圧縮残留応力を付与して比較例１の高強度コイルばねを得た。得られたコイルばねのばね定数は、１７．９Ｎ／ｍｍ²であった。
［評価］
（評価方法）
上記で得られた各試料を硬さ試験及び衝撃試験によって評価した。また、実施例２および実施例５については耐久試験を実施した。
【００４２】
硬さ試験は、得られた各試料の断面を研磨して、マイクロビッカース（荷重５０ｇ）で、ばねの表面から内部へ０．０２ｍｍ入った部分を測定した。結果を０．０２ｍｍの硬さとして表１に示す。
【００４３】
衝撃試験は、図１に示す衝撃試験機で測定した。すなわち、試料ばね１の下部にスペーサ５を配置し、潤滑油６の塗布してある試験台３上に載置する。次に、圧縮プレート２と一体的に接合されているリング状のケース４を試料ばね１の上部からはめ込んで、所定の荷重Ｗを負荷して試料ばねを圧縮する。この時の荷重Ｗは３７５Ｎである。しかる後に、スペーサ５を水平方向に急激にスライドさせて、試料ばね１の下部から除去する。試料ばね１は、瞬時にスペーサ５の厚さ分だけ下方に伸びて、試験台３の表面に激突することとなる。この激突の衝撃力による試料ばねの折損の有無を調べるものである。なお、スペーサ５を除去した場合の荷重Ｗは、２００Ｎであった。
【００４４】
試料ばねの個数は、実施例１〜５および比較例１ともに各５個ずつとし、折損しなかった試料ばねの個数をばね未折損数として、窒化処理温度およびばね表面から０．０２ｍｍ内部の硬さとともに表１に示した。
【００４５】
試料ばねの耐久試験は、実施例２および５についてのみ実施した。各実施例で得られた各８個の試料ばねについて、以下の条件で耐久試験を実施した。
【００４６】
すなわち、５４０±５２０ＭＰａの繰返し応力を、６００ｃｐｍの速度で各試料ばねに負荷し、繰返し回数が１×１０⁷で破損のない場合を合格とした。なお、この耐久試験は室温で実施した。この耐久試験条件は、従来品（比較例１）の合格基準である。
【００４７】
【表１】

【００４８】
（評価結果）
表１の実施例１、２、４および５から窒化温度の上昇に伴い０．０２ｍｍ硬さが上昇していることが分る。しかし、その範囲は、本発明の特徴であるＨｖ６００〜８００の間となっており、比較例１のＨｖ９００に比べて低く、靱性の改善されたことを示している。
【００４９】
また、衝撃試験によるばね未折損数は、実施例２では、試料ばね５本中５本全部が未折損であったが、比較例１では５本全てが折損してしまい、本発明による衝撃性の改善は顕著であることが分る。
【００５０】
実施例３は、第２ショット条件以外は実施例２と同様に実施して得られたものである。すなわち、第２ショット条件を変化させても比較例１の耐衝撃性を上回ることが分った。
【００５１】
実施例２および実施例５に対して実施した耐久試験では、いずれの場合も、繰返し回数が１×１０⁷回終了後でも８本の試料ばね全部が破損せず合格であった。
【００５２】
すなわち、本発明により、従来の比較例１と同程度の耐久性を有し、かつ比較例１よりも耐衝撃性の高い高強度コイルばねを得ることが出来た。
【００５３】
【発明の効果】
本発明では、コイルばねの素材であるオイルテンパー線の組成及び機械的性質を限定し、さらに製造方法、特に窒化処理温度を４００〜４７５℃に規定して、表面硬さ（表面から０．０２ｍｍの硬さ）をＨｖ６００〜８００とすることで、従来よりも安価で高い耐衝撃性を有する高強度コイルばねを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】試料ばねの衝撃試験方法を示す衝撃試験機の縦断面の概略図である。
【符号の説明】
１：試料ばね２：圧縮プレート３：試験台４：ケース５：スペーサ
６：潤滑油Ｗ：荷重

Claims

重量比で、Ｃ：０．６〜０．７％、Ｓｉ：１．８〜２．２％、Ｍｎ：０．７〜０．９％、Ｃｒ：０．５〜０．８％、Ｖ：０．０５〜０．１５％、を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ｃｕ：０．２％以下、最大非金属介在物が１５μｍである鋼のオイルテンパー線を素材とし、コイリング、マイクロショット、耐衝撃性の高いばねを得るために４００〜４４０℃での窒化処理、直径が０．４〜１．０ｍｍで硬さがＨｖ５００〜８００である第１ショットによる第１ショットピーニング、該第１ショットよりも硬度の高い第２ショットによる第２ショットピーニングを施し、表面から０．０２ｍｍの硬さがＨｖ６００〜８００であることを特徴とする高強度コイルばね。
前記オイルテンパー線は、引張強さが、１９６０ＭＰａ以上、絞りが３８％以上である請求項１記載の高強度コイルばね。
重量比で、Ｃ：０．６〜０．７％、Ｓｉ：１．８〜２．２％、Ｍｎ：０．７〜０．９％、Ｃｒ：０．５〜０．８％、Ｖ：０．０５〜０．１５％、を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ｃｕ：０．２％以下、最大非金属介在物が１５μｍである鋼のオイルテンパー線を素材として使用し、コイリング、マイクロショット、耐衝撃性の高いばねを得るために４００〜４４０℃での窒化処理、直径が０．４〜１．０ｍｍで硬さがＨｖ５００〜８００である第１ショットによる第１ショットピーニング、該第１ショットよりも硬度の高い第２ショットによる第２ショットピーニングを施し、表面から０．０２ｍｍの硬さがＨｖ６００〜８００であることを特徴とする高強度コイルばねの製造方法。