KR101789944B1 - 코일 스프링 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

내피로성이 뛰어난 코일 스프링을 제공하는 것. C：0.40~0.70%, Si：1.50~3.50%, Mn：0.30~1.50%, Cr：0.10~1.50%, V：0.50~1.00%, Al：0.01% 이하(0%를 포함하지 않음)를 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물인 강철로 이루어지고, 표층으로부터 0.3㎜ 깊이 위치에 있어서의 구 오스테나이트 결정의 평균 결정 입도 번호가 11.0 이상인 동시에, 상기 구 오스테나이트 결정의 입도 번호차는, 최대 빈도의 입도 번호에 비해 3 미만의 범위 내에 있고, 한편, 표층으로부터 깊이 0.30~1.00㎜의 침탄 경화층을 구비하는 동시에, 표층으로부터 깊이 방향 (1/4)×직경의 위치에 있어서의 비커스 경도의 평균값이 600 이상인 것.

Description

코일 스프링 및 그 제조 방법{COIL SPRING, AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}

본 발명은 코일 스프링 및 그 제조 방법에 관한 것이고, 상세하게는 내피로성이 뛰어난 코일 스프링 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

코일 스프링은 자동차의 엔진, 클러치, 서스펜션 등에서 밸브 스프링, 클러치 스프링, 서스펜션 스프링 등으로서 사용되고 있다. 코일 스프링은 장기간에 걸쳐서 높은 응력에서 반복하여 사용되기 때문에, 고 레벨의 내피로성이 요구되고 있다.

예를 들면 엔진에 있어서의 밸브 스프링용의 선재(線材)로서 JIS에는, 밸브 스프링용 오일 템퍼선(SWO-V：JIS G 3561), 밸브 스프링용 크롬 바나듐강 오일 템퍼선(SWOCV-V：JIS G 3565), 및 밸브 스프링용 실리콘 크롬강 오일 템퍼선(SWOSC-V：JIS G 3566) 등이 규정되어 있고, 종래, 피로 강도가 뛰어난 SWOSC-V가 주로 사용되어 왔다.

이들 선재는 압연재를 신선(伸線) 후에 담금질·뜨임 처리를 실행하여, 필요한 강도로 된 것이며, 이를 이용하여, 필요한 형상의 스프링으로 코일링한 후, 질화, 숏 피닝(shot peening), 템퍼링, 셋팅 등의 처리를 실행하는 것에 의해, 내피로성이 뛰어난 스프링을 얻는 것이 밸브 스프링의 일반적인 제조 방법이다.

환경 보호나 자원 보호의 관점으로부터, 자동차에 대한 배기의 청정화, 연비 향상에의 요구가 높지만, 이들에 대해서 크게 기여하는 것이 차량의 경량화이며, 차체를 구성하는 각 부품에 대해서도 경량화를 향한 노력이 끊임없이 계속되고 있다.

밸브 스프링에 대해서는, 그 내피로성을 더욱 높이는 것에 의해 밸브 스프링의 컴팩트화가 가능하고, 게다가 엔진의 경량화에 기여하는 것이 가능하다. 그 때문에, 밸브 스프링의 내피로성을 개선하기 위한 제안이 이루어지고 있다.

예를 들면 특허문헌 1에는, 소정의 성분 조성을 갖고, 표면에 침탄 경화층(0.05~1.00㎜)을 구비하는 동시에, 표면으로부터 0.02㎜의 위치에 있어서의 경도를 소정의 범위(650~1000Hv)로 하는 것에 의해서, 내피로성을 향상시키는 기술이 개시되어 있다.

일본 공개 특허 제 2012-77367 호 공보

상기 특허문헌 1의 내피로성은 5000만회 레벨이지만, 근년의 자동차는 보다 더욱 경량화나 고출력화가 진행되어 있고, 이에 따라, 더욱 뛰어난 내피로성을 갖는 코일 스프링이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 사정에 주목하여 이루어진 것이며, 그 목적은 내피로성이 뛰어난 코일 스프링, 및 이러한 내피로성이 뛰어난 코일 스프링의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결할 수 있는 본 발명이란, C：0.40~0.70%(%는 「질량%」의 의미, 화학 성분 조성에 대해서 이하 동일), Si：1.50~3.50%, Mn：0.30~1.50%, Cr：0.10~1.50%, V：0.50~1.00%, Al：0.01% 이하(0%를 포함하지 않음)를 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물인 강철로 이루어지고, 표층으로부터 0.3㎜ 깊이 위치에 있어서의 구 오스테나이트 결정의 평균 결정 입도 번호가 11.0 이상인 동시에, 상기 구 오스테나이트 결정의 입도 번호차는, 최대 빈도의 입도 번호에 비해 3 미만의 범위 내에 있고, 또한, 표층으로부터 깊이 0.30~1.00㎜의 침탄 경화층을 구비하는 동시에, 표층으로부터 깊이 방향 (1/4)×직경의 위치에 있어서의 비커스 경도의 평균값이 600 이상인 것에 요지를 갖는다.

게다가 상기 코일 스프링의 화학 성분 조성으로서, Ni：1.50% 이하(0%를 포함하지 않음) 및/또는 Nb：0.50% 이하(0%를 포함하지 않음)를 포함하는 것도 바람직한 실시형태이다.

상기와 같은 내피로성이 뛰어난 코일 스프링을 제조하는 것에 대해서는, 진공 침탄 처리를 1000℃ 이상으로 하는 것이 추천된다.

본 발명에 의하면, 화학 성분 조성 및 구 오스테나이트 결정 입도를 적절히 제어하는 동시에, 코일 스프링 표층으로부터의 침탄 경화층의 깊이, 및 비커스 경도를 적절히 제어하는 것에 의해, 내피로성이 뛰어난 코일 스프링을 제공할 수 있다. 또한 본 발명의 방법에 의하면, 상기 내피로성이 뛰어난 코일 스프링을 제공할 수 있다.

도 1은 코일 스프링의 침탄 경화층 측정 위치, 및 1/4×직경 위치의 비커스 경도 측정 위치의 개략 설명도,
도 2는 코일 스프링의 구 오스테나이트 결정 입도의 측정 위치의 개략 설명도.

본 발명자들은 종래보다 더욱 내피로성을 향상시켜, 후기하는 실시예에 있어서의 파단 수명 시험에서 6,000만회를 넘는 결과를 이루는 뛰어난 내피로성을 갖는 코일 스프링을 제공할 수 있도록, 여러 각도에서 검토하였다. 특허문헌 1에서는, C 첨가량을 높이는 동시에, 금속 조직을 제어하고 있지만, 그것만으로는 6,000만회 레벨의 파단 수명을 얻을 수 없었다(특허문헌 1의 실시예 4, 및 해당 실시예를 모의한 표 2의 No. 8).

그래서 본 발명자들은 보다 뛰어난 내피로성을 달성할 수 있도록, 화학 성분 조성, 및 금속 조성 등에 대해 검토한 결과, 코일 스프링의 인성(靭性)과 강도가 코일 스프링 사용중의 피로 파손에 영향을 미치고 있으며, 이들을 적절히 제어하는 것에 의해, 내피로성을 큰 폭으로 향상시킬 수 있다는 지견을 얻었다.

우선, 코일 스프링의 강도를 높이기 위해서는, 코일 스프링을 형성하고 있는 강철의 표층(이하, 간단히 「표층」이라고 함)으로부터 어느 정도의 침탄 경화층의 깊이와, 강철 내부(1/4×코일 스프링을 형성하고 있는 강선의 직경 D, 이하 「1/4×D」라고 표기함)의 비커스 경도를 충분히 확보할 필요가 있다. 침탄 경화층의 깊이나 비커스 경도를 충분히 확보하기 위해서는 침탄 처리시의 온도를 높게 할 필요가 있지만, 고온에서 침탄 처리한 것만으로는, 파단 수명을 향상시킬 수 없었다. 그 이유는, 고온에서 침탄 처리를 하면, 구 오스테나이트의 결정립이 조대화하거나, 구 오스테나이트의 결정 입도의 편차(입도 번호차가 있는 것： 이하 「혼립」이라고 함)가 발생하여 코일 스프링의 인성이 현저하게 저하하고, 오히려 파단 수명이 악화되기 때문이다.

이러한 문제에 대해서, 본 발명자들이 예의 연구를 거듭한 결과, 강철의 화학 성분 조성을 적절히 제어하는 것에 의해, 상기 문제를 해결할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 특히 화학 성분 조성 중, V 양을 높이는 것에 의해, 고온에서 침탄 처리해도 구 오스테나이트의 결정 입도의 조대화를 억제하고, 또한 혼립도 억제할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

그리고 본 발명에서는 이하의 화학 성분 조성을 만족하는 것을 전제로서, 또한 침탄층 깊이, 비커스 경도, 구 오스테나이트 결정 입도도 적절히 제어하는 것에 의해, 내피로성 향상에 필요한 강도와 인성의 밸런스를 유지하는 것이 가능해지고, 상기 뛰어난 내피로성을 갖는 코일 스프링을 제공할 수 있는 것을 견출하여 본 발명에 도달하였다.

이하, 본 발명의 코일 스프링의 화학 성분 조성에 대해 설명한다.

C：0.40~0.70%

C는, 높은 응력이 부하되는 코일 스프링의 강도, 및 코일 스프링의 1/4×D 위치의 비커스 경도를 확보하기 위해 유용한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, C 함유량은 0.40% 이상, 바람직하게는 0.45% 이상, 보다 바람직하게는 0.50% 이상이다. 그렇지만 C 함유량이 과잉이 되면, 인성이 저하하는 동시에, 코일 스프링의 표면 결함이 증대하여 내피로성이 저하한다. 그 때문에 C 함유량은, 0.70% 이하, 바람직하게는 0.65% 이하, 보다 바람직하게는 0.60% 이하이다.

Si：1.50~3.50%

Si는, C와 같이, 비커스 경도의 확보에 유용한 원소이며, 또한 코일 스프링의 강도를 향상시켜, 내피로성, 내새깅성(sagging resistance)을 향상시키는데 유효한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Si 함유량은 1.50% 이상, 바람직하게는 1.80% 이상, 보다 바람직하게는 2.10% 이상이다. 그렇지만 Si 함유량이 과잉이 되면, 인성이 나빠지거나, 코일 스프링의 제조 과정에 있어서의 냉간 가공성이나 열간 가공성이 저하하거나, 제품 수율이 악화되거나 열 처리에 의한 탈탄이 조장되어 내피로성이 저하한다. 그 때문에 Si 함유량은, 3.50% 이하, 바람직하게는 3.30% 이하, 보다 바람직하게는 3.10% 이하이다.

Mn：0.30~1.50%

Mn은, 담금질성을 높여서 코일 스프링의 강도를 향상시키는데 유효한 원소이다. 또한 내피로성에 유해한 강철 중의 S를 MnS로 하여 고정시켜서 그 해를 저감하는 작용을 갖는다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Mn 함유량은 0.30% 이상, 바람직하게는 0.40% 이상, 보다 바람직하게는 0.50% 이상이다. 그렇지만 Mn 함유량이 과잉이 되면, 인성이 나빠질 뿐만이 아니라, 냉간 가공성이나 피로 강도가 저하한다. 그 때문에, Mn 함유량은 1.50% 이하, 바람직하게는 1.20% 이하, 보다 바람직하게는 0.90% 이하이다.

Cr：0.10~1.50%

Cr은, Mn와 마찬가지로 담금질성을 높여서 코일 스프링의 강도를 향상시키는데 유효한 원소이다. 또한 Cr는 C의 활동도를 저하시켜 열간 압연시나 열 처리시의 탈탄을 방지하는 효과도 갖는다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Cr 함유량은 0.10% 이상, 바람직하게는 0.15% 이상, 보다 바람직하게는 0.20% 이상이다. 그렇지만 Cr 함유량이 과잉이 되면, 진공 침탄 처리에서의 C 확산 계수가 현저하게 저하하기 때문에, 소망한 침탄 경화층의 형성이 곤란해지고, 내피로성이 저하한다. 또한 소망한 침탄 경화층을 확보하기 위해서 침탄 온도를 높게 하면, 구 오스테나이트 결정이 조대화하는 동시에, 혼립이 생기고, 내피로성이 악화된다. 그 때문에, Cr 함유량은 1.50% 이하, 바람직하게는 1.20% 이하, 보다 바람직하게는 0.90% 이하이다.

V：0.50~1.00%

V는, 구 오스테나이트 결정립을 미세화시키는데 유효한 원소이다. 특히 V는 소망한 침탄 경화층을 확보하기 위해서 침탄 온도를 높게 했을 때에 문제가 되는 구 오스테나이트 결정의 조대화나 혼립의 발생을 억제하는데 유효한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, V 함유량은 0.50% 이상, 바람직하게는 0.53% 이상, 보다 바람직하게는 0.56% 이상이다. 그렇지만 V 함유량이 과잉이 되면, V 탄화물을 많이 형성하여, 연성의 저하를 가져오고, 냉간 가공성이나 내피로성이 악화된다. 그 때문에, V 함유량은 1.00% 이하, 바람직하게는 0.90% 이하, 보다 바람직하게는 0.80% 이하이다.

Al：0.01% 이하(0%를 포함하지 않음)

Al은, 탈산 원소이지만, 과잉으로 포함되면 AlN 등의 개재물을 형성한다. 이러한 개재물은 코일 스프링의 내피로성을 현저하게 저감시킨다. 그 때문에, Al함유량은 0.01% 이하, 바람직하게는 0.008% 이하, 보다 바람직하게는 0.006% 이하까지 저감시킬 필요가 있다.

본 발명의 코일 스프링을 구성하는 강철의 기본적인 화학 성분 조성은 상기대로이며, 잔부 성분은 실질적으로 철이다. 여기서 「실질적으로」란, 스크랩(scrap)을 포함한 강철 원료나 제철·제강 공정, 또한 제강 예비 처리 공정 등에서 불가피적으로 혼입해오는 미량 원소의 혼입을, 본 발명의 특징을 해치지 않는 범위에서 허용한다는 의미이다. 예를 들면 불가피 불순물로서 P(바람직하게는 0.016% 이하, 보다 바람직하게는 0.015% 이하)나 S(0.015% 이하)가 예시된다.

본 발명에서는, 또 다른 원소로서 필요에 따라 하기의 범위에서 Ni 및 Nb의 양쪽 모두, 또는 한쪽을 포함하고 있어도 좋다. 함유시키는 원소의 종류에 따라, 코일 스프링의 특성이 더욱 향상한다.

Ni：1.50% 이하(0%를 포함하지 않음)

Ni는, C에 의해서 고강도화한 코일 스프링의 인성을 향상시키는데 유효한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Ni 함유량은 바람직하게는 0.05% 이상, 보다 바람직하게는 0.10% 이상이다. 그렇지만 Ni 함유량이 과잉이 되면, 잔류 오스테나이트가 과도하게 생성하고, 내피로성이 저하한다. 그 때문에, Ni 함유량은 바람직하게는 1.50% 이하, 보다 바람직하게는 1.20% 이하, 더욱 바람직하게는 0.90% 이하이다.

Nb：0.50% 이하(0%를 포함하지 않음)

Nb는, 열간 압연, 및 담금질 뜨임 처리에 대해 결정립을 미세화하는 작용이 있고, 연성을 향상시키는데 유효한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Nb 함유량은 바람직하게는 0.01% 이상, 보다 바람직하게는 0.02% 이상이다. 그렇지만 Nb 함유량이 과잉이 되면, V 탄화물이 과잉으로 생성되어 연성을 악화시키고, 냉간 가공성이나 피로 강도가 저하한다. 그 때문에, Nb 함유량은 바람직하게는 0.50% 이하, 보다 바람직하게는 0.40% 이하, 더욱 바람직하게는 0.30% 이하이다.

내피로성을 향상시키려면, 화학 성분 조성을 상기와 같이 적절히 제어할 뿐만 아니라, 또한 금속 조직(구 오스테나이트 결정의 제어)이나 침탄 경화층, 비커스 경도를 적절히 제어하는 것도 중요하다.

구 오스테나이트 결정의 평균 결정 입도 번호：11.0 이상

코일 스프링의 표층으로부터 0.3㎜ 깊이 위치에 있어서의 구 오스테나이트 결정의 결정 입도 번호를 미세화하고, 인성을 향상시키는 것에 의해, 내피로성을 큰 폭으로 향상할 수 있다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, 구 오스테나이트 결정의 평균 결정 입도 번호는 11.0 이상, 바람직하게는 12.0 이상, 보다 바람직하게는 13.0 이상이다. 한편, 인성 향상의 관점에서는 구 오스테나이트 결정의 평균 결정 입도 번호의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 제조 용이성이나 합금 코스트를 고려하면, 대체로 15.0 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 14.0 이하이다.

구 오스테나이트 결정의 입도 번호차：최대 빈도의 입도 번호에 비해 3 미만의 범위 내

상기 표층으로부터 0.3㎜ 깊이 위치에 있어서 측정한 구 오스테나이트 결정의 결정 입도 번호의 편차가 크면, 상기 평균 입도 번호를 만족해도 인성이 현저하게 저하하고, 냉간 가공성이나 내피로성이 악화된다. 따라서 본 발명에서는, 측정한 각 구 오스테나이트 결정의 결정 입도 번호는, 또한 최대 빈도의 입도 번호와의 차이를 3 미만, 바람직하게는 2 이하, 보다 바람직하게는 1 이하로 할 필요가 있다. 또한, 본 발명에서는 이러한 입도 번호차의 조건을 충족하는 경우를 「혼립이 없다」라고 한다.

본 발명에서는 상기 오스테나이트 결정립의 평균 결정 입도 번호를 만족하고, 또한 혼립을 억제하는 것에 의해, 내피로성을 개선할 수 있다.

침탄 경화층：코일 스프링의 표층으로부터 깊이 0.30~1.00㎜

적절한 침탄 경화층은 내피로성의 향상에 유효하다. 즉, 코일 스프링의 표면측을 충분히 경화하는 것에 의해서, 고부하 응력에서 반복하여 사용하는 경우에, 스프링 표면을 기점으로 하는 파손의 발생을 억제할 수 있다. 이러한 효과를 발휘하려면, 적어도 코일 스프링의 표층으로부터 깊이 0.30㎜ 이상, 바람직하게는 0.40㎜ 이상, 보다 바람직하게는 0.50㎜ 이상의 침탄 경화층이 형성되어 있을 필요가 있다. 그렇지만 침탄 경화층이 과잉이 되면, 탄화물이 조대하게 석출하기 때문에, 오히려 내피로성이 악화된다. 그 때문에 침탄 경화층은, 코일 스프링의 표층으로부터 깊이 1.00㎜ 이하, 바람직하게는 0.90㎜ 이하, 보다 바람직하게는 0.80㎜ 이하로 할 필요가 있다.

표층으로부터 깊이 방향 (1/4)×직경 D의 위치에 있어서의 비커스 경도의 평균값：600 이상

코일 스프링의 강철 내부의 적절한 비커스 경도(Hv)는 내피로성의 향상에 유효하다. 즉, 코일 스프링의 내부 경도가 낮으면 고부하 응력에서 반복하여 사용하는 경우에, 스프링에 부가하는 응력이 탄성 한도 이내에서도, 코일 스프링에 소성 변형이 생기고, 필요하게 되는 스프링 응력을 발휘할 수 없게 되어, 내피로성이 저하한다. 그 때문에, 내피로성 향상의 관점에서는 적어도 코일 스프링의 표층으로부터 깊이 방향 (1/4)×D 위치에 있어서의 비커스 경도의 평균값은 600 이상, 바람직하게는 670 이상, 더욱 바람직하게는 690 이상이다. 비커스 경도의 평균값의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 너무 단단해지면 인성이 저하하여 오히려 내피로성이 저하하는 일이 있기 때문에, 상기 비커스 경도의 평균값은 바람직하게는 750 이하, 보다 바람직하게는 730 이하이다.

상기와 같은 내피로성이 뛰어난 코일 스프링을 제조하는 것에 대해서는, 그 제조 조건도 적절히 제어하는 것이 바람직하다. 특히 상기 소정의 침탄 경화층의 깊이, 및 비커스 경도(평균값)를 확보하기 위해서는, 진공 침탄 처리시의 온도를 제어하는 것이 유효하다. 이하, 본 발명의 코일 스프링을 제조할 때의 바람직한 조건에 대해서 설명한다.

본 발명의 코일 스프링은, 상기 소정의 화학 성분 조성을 만족하는 강철을 용제, 열간 단조, 열간 압연하여 소망한 선경의 선재로 하고, 쉐이빙(shaving), 파턴팅(patenting), 신선, 오일 템퍼링 후, 스프링으로 성형하고, 이것에 진공 침탄 처리를 실시하는 것에 의해 제조할 수 있다. 이 후, 피로 특성을 더욱 향상시키기 위해서, 필요에 따라 숏 피닝이나 셋팅 등을 실시해도 좋다.

상기 용제, 열간 단조, 열간 압연 조건은 특별히 한정되지 않고, 일반적인 제조 조건을 채용하면 좋다. 예를 들면 상기 소정의 화학 성분 조성을 만족하는 강괴를 용광로에서 용제한 후, 이 강괴를 분괴 압연하여 소정 사이즈의 빌릿을 제작하고, 가공성에 영향을 주는 변형 저항의 억제와 구 오스테나이트 결정립의 조대화 억제의 관점으로부터 예를 들면 900℃~1100℃ 정도로 가열한 후, 소망한 압하율로 열간 압연하고, 소망의 선형의 선재로 하면 좋다. 그 후, 선재 표면의 탈산층을 소망의 두께로 쉐이빙 처리하여 제거하는 동시에, 쉐이빙 처리에 의해서 생기는 가공 경화층의 제거와, 신선성이 뛰어난 조직(예를 들면 펄 라이트)을 얻기 위해서, 패턴팅 처리나 IH(고주파 가열) 설비에서의 연화 풀림 처리 등을 실행한다.

그 후, 신선 가공하여 소망의 선경으로 한 후, 오일 템퍼링 처리를 실시하여 스프링용 소선으로 한다. 그 다음에 소망의 코일 직경, 자유 높이, 권수로 스프링으로 성형한다. 이와 같이 침탄 처리 전에 스프링 형상으로 성형하는 이유는, 침탄 경화층을 형성하기 위한 침탄 담금질·뜨임 후는, 강철 표층부(침탄 경화층)가 단단하고, 연성이 낮아져, 코일 스프링으로 형성하는 것이 어렵기 때문이다.

스프링 형상으로 성형한 후, 진공 침탄 처리를 실시하지만, 본 발명에서는 상기 소정의 침탄 경화층 깊이, 및 비커스 경도를 얻기 위해서는 1000℃ 이상의 고온 침탄 온도로 진공 침탄 처리를 할 필요가 있다. 침탄 온도가 1000℃보다 낮으면, 소망의 침탄 경화층이나 비커스 경도를 얻을 수 없고, 내피로성이 저하한다. 바람직한 침탄 온도는 1020℃ 이상, 보다 바람직하게는 1040℃ 이상이다. 그렇지만 침탄 온도가 너무 높으면, 탄화물이 조대하게 석출되거나 너무 단단해져서 인성이 저하하고, 내피로성이 저하하는 일이 있다. 그 때문에, 침탄 온도는 바람직하게는 1100℃ 이하, 보다 바람직하게는 1080℃ 이하이다.

다음에 침탄 처리를 실시한다. 침탄 처리시에 탈탄이 많고, 또한 처리 온도의 편차가 커지면, 코일 스프링의 피로 강도가 저하한다. 그 때문에 본 발명에서는 탈탄이나 온도 편차를 억제하는 관점으로부터, 진공 침탄 처리를 실행한다. 또한 진공 침탄 처리를 1000℃ 이상의 온도로 실행하는 것에 의해, 균일한 침탄 경화층을 상기 소망의 두께로 형성할 수 있다. 침탄 시간, 및 확산 시간은 특별히 한정되지 않고, 상기 소망의 침탄 경화층이 형성되는 정도가 좋고, 예를 들면 침탄 시간 1분~10분, 확산 시간 1분~10분이 좋다.

상기 침탄 처리 후, A₁ 변태 온도 이하의 온도까지 가스 냉각, 또는 오일 담금질을 한다. 그 후, 재가열 처리(예를 들면 830℃~850℃에서 10~30분)를 실시하는 것도 바람직하고, 이에 의해서 구 오스테나이트 결정립의 보다 더 미세화를 달성할 수 있다. 또한 필요에 따라 인연성 향상을 위해 담금질 처리를 실시해도 좋다.

얻어진 코일 스프링은, 또한 내피로성의 향상을 목적으로 하여, 필요에 따라 일반적인 숏 피닝이나 셋팅을 실시해도 좋다.

본 발명의 코일 스프링을 제조하는 것에 대해서, 상기 이외의 조건에 대해서는 특별히 한정되지 않고, 일반적인 제조 조건을 채용하면 좋다.

이와 같이 하여 얻어진 코일 스프링은 상기한 것과 같이 엔진용 밸브 스프링이나 트랜스미션용 스프링 등의 각종 용도에 있어서, 내피로성이 뛰어난 코일 스프링으로서 이용할 수 있다.

본원은 2013년 7월 9일에 출원된 일본 특허 출원 제 2013-143514 호에 근거하는 우선권의 이익을 주장하는 것이다. 2013년 7월 9일에 출원된 일본 특허 출원 제 2013-143514 호의 명세서의 모든 내용이 본원에 참고를 위해 원용된다.

실시예

이하, 실시예를 들어서 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 물론 하기 실시예에 의해서 제한을 받는 것이 아니라, 전·후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적절하게 변경을 더해서 실시하는 일도 물론 가능하고, 그것들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

하기 표 1에 나타내는 화학 조성의 강철 A~H(잔부는 철 및 불가피 불순물)가 되도록 강재를 진공 용해로에서 용제하고 열간 단조하여 155㎜ 정사각형의 빌릿을 제작하였다. 이 빌릿을 1000℃로 가열하고, 열간 압연하여 직경 8.0㎜의 스프링용 선재를 제작하였다. 이 스프링용 선재를 연화 풀림(660℃에서 2시간 보지)하고 나서, 해당 스프링용 선재의 표층부 0.15㎜를 쉐이빙하여 탈탄층을 제거하였다. 그 후, 해당 스프링용 선재를 중성 가스 분위기 중에서 온도 900℃ 이상으로 가열하여 일단 오스테나이트화하였다. 그 다음에, 해당 스프링용 선재에 납 패턴팅 처리(가열 온도 980℃, 연로 온도：620℃)를 실시하여, 조직을 펄라이트 변태시켰다. 그 후, 해당 스프링용 선재를 선경 4.1㎜까지 냉간 신선 가공하고, 각 선재 성분에 적절한 조건에서 오일 템퍼링 처리(가열 온도：900℃~1000℃, 담금질 오일 온도：60℃, 뜨임 온도：400~500℃)를 실행하여, 스프링용 소선을 제작하였다. 이 스프링용 소선을 이용하여 냉간 스프링 성형(코일의 평균 직경 24.60㎜, 자유 높이 46.55㎜, 유효 권수 5.75)하여 스프링을 얻었다.

다음에, 얻어진 스프링을 하기 표 2에 기재된 「침탄 온도」로 가열하고, 진공 침탄 처리(침탄 시간 5분, 확산 시간 3분)를 실시하였다. 그 후, 해당 스프링을 950℃에서 15분간 보지한 후, 50℃로 유지한 오일 중에 침지하여 담금질하고, 그 후, 뜨임(350℃, 90분간)을 실시하였다. 얻어진 스프링에 3단 숏 피닝을 실행하고(1단째로부터 서서히 투사하는 입경을 작게 함), 이어서 핫 세팅(230℃, τ_max=1600㎫ 상당)을 실행하였다. 얻어진 코일 스프링(시험재 No. 1~13)에 대해서 이하의 측정 및 시험을 실행하였다.

(침탄 경화층이 깊이)

침탄 경화층의 깊이는, 코일 스프링의 탄소 농도를 측정함으로써 특정하였다. 구체적으로는 도 1에 도시되는 바와 같이 코일 스프링을 형성하는 강선의 횡단면의 중심점으로부터 90도 간격으로 라인을 4개 인출하고, 각 라인상의 탄소(C)%농도가 첨가된 탄소(C)%와 동등하게 되는 깊이를 측정하였다. 측정치를 표 중의 「침탄 경화층의 깊이」란에 기입하였다. 본 발명에서는 침탄 경화층의 깊이가 0.30㎜~1.00㎜의 범위 내에 있는 경우를 합격으로 하였다.

(1/4×D 위치의 비커스 경도)

코일 스프링의 경도(Hv)는 비커스 경도계를 이용하여 측정하였다. 구체적으로는 도 1에 도시되는 바와 같이 코일 스프링을 형성하는 강선의 횡단면의 1/4×직경 D의 위치(d/4)를 90도 간격으로 인발한 4개의 라인상에서 측정하고(시험 하중 10㎏f), 그 평균값을 구하였다. 평균값을 표 중의 「비커스 경도」란에 기재하였다. 본 발명에서는 비커스 경도가 600 이상을 합격으로 하였다.

(구 오스테나이트 결정의 평균 결정 입도 번호)

코일 스프링의 구 오스테나이트 결정의 결정 입도의 측정 방법은 이하와 같다. 구체적으로는 우선, 도 2에 도시되는 바와 같이 코일 스프링의 횡단면의 중심점으로부터 45도 간격으로 8등분한 구획을 결정한다. 그리고 각각의 구획 내에 있어 코일 스프링을 형성하는 강선의 표층에서 중심부를 향해 0.3㎜ 깊이 위치에 있어서의 구 오스테나이트 결정의 결정 입도를 JIS G 0551에 근거하여 광학 현미경(배율 400배)으로 관찰(1시야 당 사이즈：250㎛×200㎛)을 실시하여, 측정하였다. 평균 측정치를 표 중의 「 구 γ결정의 평균 결정 입도 번호」란에 기재하였다. 본 발명에서는, 구 오스테나이트 결정의 평균 결정 입도 번호가 11.0 이상을 합격으로 하였다.

(구 오스테나이트 결정의 입도 번호차)

코일 스프링의 구 오스테나이트 결정의 입도 번호차의 판단 방법은 이하와 같다. 상기 측정한 각 구 오스테나이트 결정의 결정 입도 번호에 대해서, 최대 빈도의 입도 번호와의 차이가 3 이상 다른 결정립이 존재하는 경우를 혼립 있음으로 판단하였다. 표 중의 「혼립」란에, 혼립이 존재하는 경우는 「있음」이라고 기재하고, 혼립이 존재하지 않았던 경우는 「없음」이라고 기재하였다.

(내피로성：피로 시험)

얻어진 각 시험재에 최대 전단 응력(τ_max) 588±441㎫의 전단 응력을 부하하여, 6,000만회까지의 피로 시험을 실행하였다. 시험재에 전단 응력을 6,000만회까지 부하할 수 있었던 경우(즉 파손하지 않았던 경우)는, 「A」판정(내피로성이 뛰어남)으로 하여, 표 중에 「＞6000」이라고 기재하였다. 또한 시험재에 전단 응력을 6,000만회 부하할 수 없었던 경우(즉, 도중에 파손한 경우)는, 「F」판정(내피로성이 뒤떨어짐)으로 하여, 표 중에 파단이 생긴 회수를 기재하였다.

표 1

표 2

이러한 결과로부터 다음과 같이 고찰할 수 있다. No. 1~7은 본 발명에서 규정하는 요건(화학 성분 조성, 결정 입도, 침탄 경화층의 깊이, 비커스 경도)을 만족하는 예이다. No. 1~7의 코일 스프링은, 모두 고부하 응력하에서의 파단 수명이 길고(A 판정), 내피로성이 뛰어난 것을 알 수 있다.

이에 대해, No. 8~13은 본 발명에서 규정하는 화학 성분 조성이나, 바람직한 제조 조건을 만족하지 않았기 때문에, 소정의 결정 입도, 침탄 경화층의 깊이, 비커스 경도 등을 확보하지 못하고, 내피로성이 뒤떨어지는 결과(F 판정)가 된 예이다.

No. 8, 9는 같은 강철 종류를 이용한 예이며, 이들은 특허문헌 1의 실시예 No. 4(특허문헌 1의 강철 종류 A, 침탄 조건 L)를 모의한 예이다. No. 8, 9는 V 첨가량이 적고, 또한 Cr 첨가량이 많은 예이며, C의 확산 계수가 현저하게 저하했기 때문에 침탄 경화층이 얕았다. 특히 No. 8은 침탄 온도도 낮았기 때문에, 충분한 침탄 경화층의 깊이를 확보하지 못하고, 내피로성이 좋지 않았다. 또한 No. 9는 본 발명의 추천하는 침탄 온도로 처리했지만, V 첨가량이 적었기 때문에, 구 오스테나이트 결정의 미세화 효과를 충분히 얻지 못하고, 혼립도 생기고 내피로성이 뒤떨어졌다.

No. 10은 V 첨가량이 적기 때문에, 소정의 침탄 온도로 처리하면 혼립이 생기고 내피로성이 뒤떨어졌다.

No. 11은 C, Si의 첨가량이 적고, 또한 침탄 처리 온도가 낮은 예이다. 이 예에서는 소정의 비커스 경도를 얻지 못하고, 내피로성이 뒤떨어졌다.

No. 12, 13은 침탄 온도가 낮았기 때문에, 소정의 침탄 경화층 깊이를 얻지 못하고, 내피로성이 뒤떨어졌다.

Claims (3)

1. C：0.40~0.70%(%는 「질량%」의 의미, 화학 성분 조성에 대해서 이하 동일),
   Si：1.50~3.50%,
   Mn：0.30~1.50%,
   Cr：0.10~1.50%,
   V：0.53~1.00%, 및
   Al：0.01% 이하(0%를 포함하지 않음)를 함유하고,
   잔부가 철 및 불가피 불순물인 강철로 이루어지고,
   표층으로부터 0.3㎜ 깊이 위치에 있어서의 구 오스테나이트 결정의 평균 결정 입도 번호가 11.0 이상인 동시에, 상기 구 오스테나이트 결정의 입도 번호차는, 최대 빈도의 입도 번호에 비해 3 미만의 범위 내에 있고, 또한, 표층으로부터 깊이 0.30~1.00㎜의 침탄 경화층을 구비하는 동시에, 표층으로부터 깊이 방향 (1/4)×직경의 위치에 있어서의 비커스 경도의 평균값이 600 이상인 것을 특징으로 하는
   코일 스프링.
2. 제 1 항에 있어서,
   Ni：1.50% 이하(0%를 포함하지 않음), 및/또는
   Nb：0.50% 이하(0%를 포함하지 않음)를 더 포함하는
   코일 스프링.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 코일 스프링의 제조 방법에 있어서,
   진공 침탄 처리를 1000℃ 이상에서 실행하는 것을 특징으로 하는
   코일 스프링의 제조 방법.

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