ばねおよびその製造方法
【課題】材料コストの低減や製造工程の簡略化を図るとともに、耐疲労性を向上させた高圧縮残留応力層を有するばねおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ:０.５〜０.７％、Ｓｉ:１.０〜２.０％、Ｍｎ:０.１〜１.０％、Ｃｒ:０.１〜１.０％、Ｐ:０.０３５％以下、Ｓ:０.０３５％以下、残部が鉄及び不可避不純物からなる成分を有する鋼材に対し、ばね形状に成形する成形工程と、Ａｃ３点〜（Ａｃ３点＋２５０℃）の温度でオーステナイト化後、２０℃/秒以上の速度で冷却し、（Ｍｓ点−２０℃）〜（Ｍｓ点＋６０℃）の温度で４００秒以上等温保持し、次いで２０℃/秒以上の冷却速度で室温まで冷却する熱処理工程と、永久ひずみを与えるセッチング工程と、ショットを投射するショットピーニング工程とを順番に行う。
【解決手段】質量％で、Ｃ:０.５〜０.７％、Ｓｉ:１.０〜２.０％、Ｍｎ:０.１〜１.０％、Ｃｒ:０.１〜１.０％、Ｐ:０.０３５％以下、Ｓ:０.０３５％以下、残部が鉄及び不可避不純物からなる成分を有する鋼材に対し、ばね形状に成形する成形工程と、Ａｃ３点〜（Ａｃ３点＋２５０℃）の温度でオーステナイト化後、２０℃/秒以上の速度で冷却し、（Ｍｓ点−２０℃）〜（Ｍｓ点＋６０℃）の温度で４００秒以上等温保持し、次いで２０℃/秒以上の冷却速度で室温まで冷却する熱処理工程と、永久ひずみを与えるセッチング工程と、ショットを投射するショットピーニング工程とを順番に行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧縮残留応力層を有するばねおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のエンジン用弁ばね材料は、ＪＩＳ規格において炭素鋼オイルテンパー線（ＳＷＯ−Ｖ）、Ｃｒ−Ｖ鋼オイルテンパー線（ＳＷＯＣＶ−Ｖ）、Ｓｉ−Ｃｒ鋼オイルテンパー線（ＳＷＯＳＣ−Ｖ）等があり、従来、耐疲労性や耐へたり性の観点からＳｉ−Ｃｒ鋼オイルテンパー線が広く使用されている。近年、自動車の燃費向上のため弁ばねは軽量化が強く要求されており、ばねの設計応力の増加を図るため、素線の引張強さを増加させる傾向にある。しかしながら、高強度化に伴い、ＪＩＳ規格のオイルテンパー線は疵あるいは介在物等の欠陥に対する切欠き感受性が著しく増加しているため、冷間ばね成形（コイリング）時の折損や、使用中に脆性的な破壊形態を示す傾向が強くなることが問題となっている。また、ばねはコイリング時に圧縮外力を受けた方向にはコイリング後に引張残留応力が、コイリング時に引張外力を受けた方向にはコイリング後に圧縮残留応力がそれぞれ発生し、素線の引張強さが高いほどこれら残留応力値が大きくなる傾向がある。さらに、コイルばねを圧縮変形させた場合、素線においてコイル内側の表面に最も高い引張応力が掛かることが知られている。したがって、冷間成形したコイルばねを圧縮変形させる場合、コイル内側はコイリング後の引張残留応力に加え、ばね圧縮時の高い引張応力が重畳し、疲労強度の低下を招く場合が多い。
【０００３】
これに対する１つの手段としては、素線表面で高くかつ深い内部に至る圧縮残留応力を付与することが挙げられる。たとえば、ショットピーニングによって素線表層に圧縮残留応力を付与することで耐疲労性を向上させることが広く行われている。また、ショットピーニングにより表層の圧縮残留応力を高めることにより、表面を起点とした早期折損を低減することができる。しかしながら、高硬度化に伴い素線の降伏強度が増加するため、ショットピーニングにより与えられる表層の塑性ひずみ量が減少し、圧縮残留応力が残留する領域（素線表面から圧縮残留応力がゼロとなる位置までの深さ方向の距離）を厚く形成することが困難となっている。そこで、これらの課題を解決すべく以下の方法が提案されている。
【０００４】
特許文献１には、ＪＩＳ規格鋼の化学成分にＶ等の元素を添加したオイルテンパー鋼材を用いて製造した耐疲労性に優れたばねについて記載されている。しかしながら、これら添加元素は結晶粒の微細化等により鋼材の靭性を高め、耐疲労性の向上に寄与するが、材料コストが高くなる。
【０００５】
特許文献２には、鋼の化学成分を調整し、疲労起点となる介在物の大きさを小さくするとともに結晶粒径を小さくすること等によって疲労強度を向上させたばねについて記載されている。このばねは、疲労強度の向上はみられるが、その疲労強度レベル（最大せん断応力τｍａｘ＝約１２００ＭＰａ）は近年の軽量高強度弁ばねに要求される実用強度（τｍａｘ＝約１３００〜１４００ＭＰａ）と比較して低い。また、特許文献２では、さらに高い疲労強度を得るために窒化処理を追加することとしている。しかしながら、窒化は表面硬度の増加による耐疲労性の向上が見込めるものの、疲労強度を低下させる原因となり得る表層の鉄窒素化物を窒化処理後に完全に除去する必要があるため、製造工程が複雑となり、かつ窒化処理費用も高いため、結果的に高コストになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６４−８３６４４号公報
【特許文献２】特開２００５−１２０４７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、材料コストの低減や製造工程の簡略化を図るとともに、耐疲労性を向上させた高圧縮残留応力層を有するばねおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、高強度弁ばねの疲労強度について鋭意研究を行った。その結果、コイリング後に発生する残留応力は、鋼成分やその後の焼鈍条件の調整によってある程度低減可能であるが、鋼の高強度を維持しつつ疲労強度への影響を無くすことは根本的に困難であるとの考えに至った。そこで、コイリング後のばねをオーステナイト化温度まで加熱することによって、コイリングで発生した残留応力を実質的にゼロとすることが有効であるとの考えに至った。また、オーステナイト化温度まで加熱したばねに対して、引き続きオーステンパー処理を行い、強度と延性及び靭性のバランスに優れた組織とすることで、母材自体の耐疲労性が向上することを見出した。
【０００９】
さらに、次いで行われるセッチングやショットピーニングによって、素線表層の残留オーステナイトは加工誘起変態によってマルテンサイトに変態する。このとき、体積膨張を伴うため、深い内部に至る圧縮残留応力層が形成され、疲労き裂の進展を抑制し、耐疲労性を向上できることがわかった。特に、セッチング時のせん断歪みを０.０１９０〜０.０２２０とすることで、ショットピーニングよりも深い内部まで圧縮残留応力を付与することができ、内部を起点とした疲労破壊を防止し耐疲労性を向上することができることが分かった。
【００１０】
なお、セッチングにより素線表面は降伏変形するため、素線表面の圧縮残留応力は損なわれる。しなしながら、ばねの製造工程の最後に通常行われているセッチングの後に、さらにショットピーニングを行うことで、素線表面の圧縮残留応力を回復することができることが分かった。また、このショットピーニングによって、それまでの工程で生じた微小亀裂を除去して表面性状を改善することができるため、表面の微小亀裂を起点とした疲労破壊を防止し、耐疲労性を向上することができることが分かった。
【００１１】
本発明においては、コイリング前の素材としてＪＩＳ規格のオイルテンパー線や同組成の硬引線等の低廉材を用いることができ、焼入れ焼戻しといった複雑な熱処理を用いず、かつ通常のセッチングやショットピーニングを用いることにより、高圧縮残留応力層を有するばねを製造できることを見出した。しかも、従来行われていた窒化処理を省略することにより、製造コストの低減を図ることができる。
【００１２】
すなわち、本発明のばねの製造方法は、質量％で、Ｃ:０.５〜０.７％、Ｓｉ:１.０〜２.０％、Ｍｎ:０.１〜１.０％、Ｃｒ:０.１〜１.０％、Ｐ:０.０３５％以下、Ｓ:０.０３５％以下、残部が鉄及び不可避不純物からなる成分を有する鋼材に対し、ばね形状に成形する成形工程と、Ａｃ３点〜（Ａｃ３点＋２５０℃）の温度でオーステナイト化後、２０℃/秒以上の速度で冷却し、（Ｍｓ点−２０℃）〜（Ｍｓ点＋６０℃）の温度で４００秒以上等温保持し、次いで２０℃/秒以上の冷却速度で室温まで冷却する熱処理工程と、永久ひずみを与えるセッチング工程と、ショットを投射するショットピーニング工程とを順番に行うことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のばねは、質量％で、Ｃ:０.５〜０.７％、Ｓｉ:１.０〜２.０％、Ｍｎ:０.１〜１.０％、Ｃｒ:０.１〜１.０％、Ｐ:０.０３５％以下、Ｓ:０.０３５％以下、残部が鉄及び不可避不純物からなる成分を有し、任意の横断面において、面積比率でベイナイトを６５％以上、残留オーステナイトを４〜１３％、残部（０％を含む）がマルテンサイトである組織を有し、残留オーステナイト中の平均炭素濃度が０.６５〜１.７％であり、任意の横断面において、表面の圧縮残留応力が９００〜２０００ＭＰａであり、かつ表面から０.３ｍｍの位置の圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上であり、任意の横断面において、芯部の平均ビッカース硬さが５５０〜６５０ＨＶであることを特徴とする。ここで、素線の横断面の円相当直径が１.５〜５.０ｍｍであると好ましい。また、本発明のばねは、コイルばねであることが好ましい。なお、本発明のばねは、スタビライザー、板ばね、テンションロッド、皿ばね等に用いてもよい。
【００１４】
本発明によれば、高価な合金元素を含有せず、入手が容易なＪＩＳ規格のばね鋼組成の鋼線を用い、複雑な熱処理や表面硬化処理を行わなくても、素線表層に高圧縮残留応力層を有する耐疲労性に優れたばねを得ることができる。また、本発明のばねによると、合金元素量が少なくリサイクル性にも優れ、かつ製造工程の簡略化や、処理時間の短縮化による生産性の向上や省エネルギー化が可能である。
【００１５】
まず、本発明に用いる鋼の化学成分の限定理由について説明する。なお、以下の説明において「％」は「質量％」を意味する。
【００１６】
・Ｃ：０.５〜０.７％
Ｃは、所望の高強度を確保するためと、室温で所望の残留オーステナイト比率を得るために重要な元素であり、０.５％以上含有させることが必要である。しかしながら、Ｃ濃度が過剰になると、軟質相である残留オーステナイト比率が増え過ぎて所望の強度を得難くなるため、０.７％以下に抑える。このため、Ｃの含有量は０．５〜０．７％とする。
【００１７】
・Ｓｉ:１.０〜２.０％
鋼材をオーステナイト化後、等温保持することによってベイニティックフェライトを生成させてオーステナイト中にＣを排出させる。これにより、高Ｃ濃度の残留オーステナイトを得ることができる。Ｓｉは、ベイニティックフェライトからオーステナイト中へＣを排出させる際、炭化物の生成を抑制する作用があり、本発明に規定する高Ｃ濃度の残留オーステナイトを得るためには不可欠の元素である。また、Ｓｉは固溶強化に寄与する元素であり、高強度を得るために有効な元素である。これらの効果を得るため、Ｓｉは１．０％以上含有させる。ただし、Ｓｉ量が過剰であると、軟質な残留オーステナイト比率が高くなり、逆に強度の低下を招くため２.０％以下に抑える。このため、Ｓｉの含有量は１.０〜２.０％とする。
【００１８】
・Ｍｎ:０.１〜１.０％
Ｍｎは、脱酸元素として添加されるが、オーステナイトを安定化させる元素でもあり、本発明に規定する残留オーステナイトを得るためには０.１％以上含有させることが望ましい。一方、Ｍｎの含有量が過剰であると偏析が生じ加工性が低下し易くなるため、１.０％以下に抑える。このため、Ｍｎの含有量は０.１〜１.０％とする。
【００１９】
・Ｃｒ:０.１〜１.０％
Ｃｒは、鋼材の焼入れ性を高めて高強度化を容易にすることができる元素である。また、パーライト変態を遅延させる作用もあり、オーステナイト化加熱後の冷却時に安定してベイナイト組織を得る（パーライト組織を抑制する）ことができるため、０.１％以上含有させる。ただし、１.０％を超えて過剰に含有させると鉄炭化物を生じ易くなり、残留オーステナイトが生じ難くなるため、１.０％に抑える。このため、Ｃｒの含有量は０.１〜１.０％とする。
【００２０】
・Ｐ:０.０３５％以下およびＳ:０.０３５％以下
ＰおよびＳは、粒界偏析による粒界破壊を助長する元素であるため、その含有量は低い方が望ましく、上限を０.０３５％とする。好ましくは、０.０１％以下である。
【００２１】
次に、本発明のばねの製造方法について説明する。
・成形工程
成形工程は鋼材を所望の形状に成形する工程であり、コイリングであることが好ましい。成形する際の鋼材の温度は特に限定しないが、製造コストを抑制するため通常行われる冷間成形が好ましい。成形方法はばね形成機（コイリングマシン）を用いる方法や、芯金を用いる方法等を利用すればよい。
【００２２】
・座面研削工程
本工程は必要に応じて行い、ばね形状の鋼材の両端面をばねの軸芯に対して直角な平面になるように研削する。
【００２３】
・熱処理工程
成形後の鋼材をオーステナイト化し、等温保持してから、その後冷却を行う。オーステナイト化を行う前の鋼材の組織については特に制限されない。例えば、熱間鍛造や線引き加工した条鋼材を使用できる。オーステナイト化の温度は、Ａｃ３点〜（Ａｃ３点＋２５０℃）である必要がある。Ａｃ３点未満ではオーステナイト化せず、所望のベイナイト比率を得難くくなる。また、（Ａｃ３点＋２５０℃）を超えると、旧オーステナイト粒径が粗大化し易くなり、延性の低下を招く恐れがある。オーステナイト化後に等温保持する温度までの冷却速度は速いほど良く、２０℃／ｓ以上の冷却速度で行う必要があり、好ましくは５０℃／ｓ以上である。冷却速度が２０℃／ｓ未満では、冷却途中でパーライトが生成するため所望の組織構成を得難くくなる。
【００２４】
等温保持する温度は（Ｍｓ点−２０℃）〜（Ｍｓ点＋６０℃）である必要があり、所望の組織を得るために非常に重要な制御因子である。（Ｍｓ点−２０℃）未満では変態初期にマルテンサイトが多く生成されるため、延性の向上が阻害され、所望のベイナイト比率を得難くくなる。一方、（Ｍｓ点＋６０℃）を超える場合は、引張強さが低下するため、強度が低くなる。また、等温保持を行う時間は、４００秒以上である必要があり、これも非常に重要な制御因子である。等温保持時間が４００秒未満であると、ベイナイト変態がほとんど進行しないため、ベイナイト比率が小さくなる。一方、等温保持時間が長過ぎても、生成されるベイナイト量は飽和し、生産コストの増大を招くので、３時間以内とすることが望ましい。等温保持後の冷却速度は、均一な組織を得るため速いほど良く、２０℃／ｓ以上の冷却速度が必要であり、好ましくは５０℃／ｓ以上である。具体的には油冷や水冷が良い。一方、冷却速度が２０℃／ｓ未満では、本発明に規定する組織以外の組織（パーライト等）が発生してしまう。
【００２５】
・セッチング工程
セッチングは、塑性ひずみを与えることにより、弾性限を著しく向上させて永久変形量を低減するために行う。また、２００〜３００℃でセッチングを行うこと（温間セッチング）により耐へたり性を一層向上させることができる。セッチング工程において、ばねの素線表面に作用するせん断歪みが０.０１９０〜０.０２２０であることが好ましい。これは、厚く高い圧縮残留応力を得るために重要な制御因子である。セッチング時に素線表面に作用するせん断歪みが０.０１９０未満では十分な圧縮残留応力層を得ることができず、本発明で規定する表面から０．３ｍｍの位置での圧縮残留応力を得ることができない。また、０.０２２０を超える場合は、素線表層に予き裂が生じ、使用時にき裂が進展し、所望の寿命より早期に折損する可能性が高くなる。
【００２６】
・ショットピーニング工程
ショットピーニングは、ばねに金属等からなるショットを衝突させ、表面に圧縮残留応力を付与するもので、これによりばねの耐疲労性が著しく向上する。本発明では、成形によって発生した残留応力は熱処理工程後において実質的にゼロとなっており、ショットピーニングによりばねの素線表面で高くかつ深い内部に至る圧縮残留応力層を形成させることができる。
【００２７】
なお、ショットピーニング工程を複数回行うことが好ましく、後に実施するショットピーニング工程に用いるショットの球相当直径は、先に実施するショットピーニング工程に用いるショットの球相当直径より小さいことが好ましい。これにより、先に実施したショットピーニングにより増加した表面粗さを低減することができる。また、セッチング工程の前に、１回以上のショットピーニング工程を行うことが好ましい。
【００２８】
ショットピーニングで使用するショットは、カットワイヤやスチ−ルボ−ル、ＦｅＣｒＢ系などの高硬度粒子等を用いることができる。また、圧縮残留応力は、ショットの球相当直径や投射速度、投射時間、および多段階の投射方式で調整することができる。
【００２９】
次に、全組織における面積比率の限定理由について説明する。
・ベイナイト：６５％以上
ベイナイトとは、オーステナイト化された鋼材を低温にて等温変態させることによって得られる金属組織であり、ベイニティックフェライトと鉄炭化物で構成される。素地のベイニティックフェライトは転位密度が高く、鉄炭化物は析出強化効果があるため、ベイナイト組織をもって強度を高めることができる。さらに、本発明のベイナイト組織は鉄炭化物がベイニティックフェライト基地に微細析出した構造であり、粒界強度の低下が少なく高強度であっても延性及び靭性の低下が小さい。このように、ベイナイトは高強度と高延性を得るために不可欠な組織である。そして、所望の高強度高延性を得るためには、ベイナイトは面積比率で６５％以上必要である。
【００３０】
通常、等温保持における未変態オーステナイトは、その後室温まで冷却されることによりマルテンサイトや残留オーステナイトとなる。ベイナイト面積比率が６５％未満となる場合では、未変態オーステナイト中のＣ濃度が小さくなるため、その後の冷却によってマルテンサイトが多く生成される。マルテンサイト比率が高くなると、高強度は得られるが、切欠き感受性が著しく高くなるため、疲労強度が低下する。このことからも、ベイナイトは面積比率で６５％以上とする。
【００３１】
・残留オーステナイト：４〜１３％
残留オーステナイトは、ＴＲＩＰ（Transformation−induced plasticity；変態誘起塑性）現象を利用することによって、延性及び靭性を向上させて切欠き感受性を低減させるのに有効である。ＴＲＩＰ現象は、塑性変形によって体積膨張を伴う加工誘起変態が起き、加工誘起マルテンサイトが生成されることによって材料の延性や靭性が著しく向上する現象である。残留オーステナイトは、き裂先端の応力集中部で加工誘起マルテンサイト変態を起こし、その体積膨張によって応力集中度を軽減することができるため、き裂の進展速度を低下させる作用がある。さらに、残留オーステナイトは、ショットピーニングによって加工誘起マルテンサイト変態を起こすため、その体積膨張によって表面で高くかつ深い内部に至る圧縮残留応力層を形成することができる。このため、残留オーステナイト比率は４％以上とするが、過剰であると材料強度の低下が著しくなるため、１３％以下に抑える。
【００３２】
・マルテンサイト：残部（０％を含む）
マルテンサイトは、所望の引張強さを確保する場合に応じて適当量含有させても良い。また、ベイナイトと残留オーステナイトの合計が１００％となり、マルテンサイトが０％となる場合も含む。
【００３３】
・残留オーステナイト中の平均炭素濃度：０.６５〜１.７％
残留オーステナイトは、そのＣ濃度が高いほど加工誘起マルテンサイト変態を開始する引張ひずみが高いため、結果的に高い延性及び靭性によって切欠き感受性を低下させる効果がある。また、残留オーステナイトの加工誘起マルテンサイト変態による体積膨張は、残留オーステナイトのＣ濃度が高いほど大きく、き裂先端における応力集中の緩和や表面で高くかつ深い内部に至る圧縮残留応力の生成を促進するため、耐疲労性の向上により有効である。これらのことから、所望の優れた耐疲労性を得るためには、残留オーステナイトの平均Ｃ濃度は０.６５％以上必要となる。また、残留オーステナイトは、そのＣ濃度が高くなり過ぎると著しく安定化し、これにより単なる軟質相としてのみ作用するため、１.７％を上限とする。
【００３４】
次に、ばね素線の任意の横断面における諸特性の限定理由について説明する。
・圧縮残留応力
ばねの表層の圧縮残留応力はセッチングおよびショットピーニングにより与えられる。ただし、本発明では通常のセッチングやショットピーニングで得られる圧縮残留応力に加え、素線の残留オーステナイトの加工誘起マルテンサイト変態によって、表面でさらに高くかつ深い内部に至る圧縮残留応力層が形成される。本発明では表面の圧縮残留応力を９００〜２０００ＭＰａとする。表面の圧縮残留応力が９００ＭＰａ未満であると、ばね表面に存在する微小き裂のき裂進展を防止することができず、表面起点の疲労破壊を抑制するには不十分である。一方、表面の最大圧縮残留応力が著しく高いと、素線内部での応力バランスに起因した引張残留応力によって内部破壊が発生し易くなるため、２０００ＭＰａを上限とする。
【００３５】
また、本発明における素線径範囲において外部負荷による作用応力と残留応力との合成応力を考慮すると、表面から深さ２００μm〜Ｄ/４程度の範囲は、疲労破壊の起点となり易い。表面から深さ０.３ｍｍの位置での圧縮残留応力が２００ＭＰａ未満であると、内部起点の疲労破壊を抑制するには不十分である。このため、表面から深さ０.３ｍｍの位置での圧縮残留応力を２００ＭＰａ以上とする
【００３６】
・芯部の平均ビッカース硬さ
素線芯部の平均ビッカ−ス硬さは、必要な荷重に耐え得る強度を確保するために５５０ＨＶ以上とする。一方、硬さが過剰に高い場合は鋼材自体の切欠き感受性が増加し、疲労強度が低下する恐れがあるため、芯部のビッカ−ス硬さは６５０ＨＶ以下に抑える。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、材料コストの低減や製造工程の簡略化を図ることができ、耐疲労性を向上させた高圧縮残留応力層を有するばねを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明のばねの製造工程と従来のばねの製造工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明を具体的に説明する。図１（Ａ）〜（Ｃ）に本発明のばねの製造工程の一例を示す。まず、質量％で、Ｃ:０.５〜０.７％、Ｓｉ:１.０〜２．０％、Ｍｎ:０.１〜１.０％、Ｃｒ:０.１〜１.０％、Ｐ:０.０３５％以下、Ｓ:０.０３５％以下、残部が鉄及び不可避不純物からなる組成のオイルテンパー鋼材を用いて、コイリングマシンによりばね形状に冷間コイリングを行う（成形工程）。そして、ばね形状の鋼材に対して、Ａｃ３点〜（Ａｃ３点＋２５０℃）の温度でオーステナイト化後、２０℃/秒以上の速度で冷却し、（Ｍｓ点−２０℃）〜（Ｍｓ点＋６０℃）の温度で４００秒以上保持し、次いで２０℃/秒以上の冷却速度で室温まで冷却を行う（熱処理工程）。これにより、本発明の組織を得ることができる。また、オーステナイト化温度まで鋼材を加熱することにより、コイリングで発生した残留応力を実質的にゼロにすることができる。
【００４０】
次に、２００〜３００℃に加熱し、かつ素線表面に作用するせん断ひずみが０.０１９０〜０.０２２０となるようにばね形状の鋼材に対して塑性ひずみを与える（セッチング工程）。このとき、素線表層の残留オーステナイトが加工誘起変態によりマルテンサイトに変態する。これは体積膨張を伴うため、深い圧縮残留応力が形成され、疲労き裂の進展を抑制し、耐疲労性を向上することができる。また、塑性ひずみを与えることにより、弾性限を著しく向上させ、永久変形量を低減し、耐へたり性を向上することができる。
【００４１】
そして、ショットを投射するショットピーニング工程を行う。例えば、図１（Ａ）に示すように、セッチング工程後、ショットピーニング工程を３回行う。また、図１（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、セッチング工程の前にショットピーニング工程を行っても良い。このとき、第一段目としてラウンドカットワイヤーを、第二段目として第一段目よりも小さい球相当直径のラウンドカットワイヤーを、第三段目として第二段目よりも小さい球相当直径の砂粒を用いる。上記熱処理工程において、コイリングで発生した残留応力を実質的にゼロにしているため、このショットピーニングによって素線表面でさらに高くかつ深い内部に至る圧縮残留応力層を形成することができる。そして、ショットピーニングにより、素線表層の残留オーステナイトは加工誘起変態によりマルテンサイトに変態するため、深い圧縮残留応力が形成され、疲労き裂の進展を抑制し、耐疲労性をさらに向上することができる。また、セッチングにより素線表面が降伏変形するため、表面の圧縮残留応力が損なわれるが、セッチングの後にショットピーニングを施すことで素線表面の圧縮残留応力を回復しつつ表面粗さを改善でき、表面を起点とした疲労破壊を防止し、耐疲労性を著しく向上することができる。
【００４２】
以上のような工程によって作製した本発明のばねは、任意の横断面において、面積比率でベイナイトを６５％以上、残留オーステナイトを４〜１３％、残部（０％を含む）がマルテンサイトである組織を有し、残留オーステナイト中の平均炭素濃度が０.６５〜１.７％であり、任意の横断面において、表面の圧縮残留応力が９００〜２０００ＭＰａであり、かつ表面から０.３ｍｍの位置の圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上であり、任意の横断面において、芯部の平均ビッカース硬さが５５０〜６５０ＨＶである。したがって、本発明のばねは、耐疲労性に優れている。
【実施例】
【００４３】
図１（Ａ）〜（Ｄ）に示す各製造工程にしたがって、ばねの作製を行った。図１（Ａ）〜（Ｃ）には、本発明のばねの製造工程が示されており、セッチング工程の後や、セッチング工程の前後にショットピーニング工程を行う。また、図１（Ｄ）には、従来の製造工程が示されており、ショットピーニング工程の後にセッチング工程を行う。まず、表１に記載の化学成分からなるオイルテンパー鋼材ＳＷＯＳＣ−Ｖを用いて、コイリングマシンにより所定形状に冷間コイリング後、表２に示すようなばねを作製した。そして、表３に記載の条件で熱処理を行った。セッチングは、２３０℃で１０分間加熱後、表３に記載のせん断歪みを付与した。第１ショットピ−ニングは球相当直径０.８ｍｍのラウンドカットワイヤーを、第２ショットピーニングは球相当直径０.４５ｍｍのラウンドカットワイヤーを、第３ショットピーニングは球相当直径０.１ｍｍの砂粒を用いて行った。このようにして得られたばねに対し、以下の通り諸性質を調査した。その結果を表４に併記する。
【００４４】
・金属組織および残留オーステナイト中の平均Ｃ濃度
金属組織は、試料を３％ナイタール液に数秒間浸漬した後、次のように行った。ベイナイトはナイタールにより容易に腐食されるため、光学顕微鏡写真では黒色または灰色に見える。一方、マルテンサイトと残留オーステナイトはナイタールに対する耐食性が高いため、光学顕微鏡では白色に見える。この特性を利用し、光学顕微鏡写真を画像処理することでベイナイト（黒色及び灰色部）比率と、マルテンサイトおよび残留オーステナイト（白色部）の合計比率を求めた。残留オーステナイト比率は、試料に対してバフ研磨仕上げを行ってからＸ線回折法を用いて求めた。マルテンサイト比率は、上記光学顕微鏡写真から求めたマルテンサイトと残留オーステナイトの合計比率から、Ｘ線回折で求めた残留オーステナイト比率を差し引くことにより求めた。また、残留オーステナイト中の平均Ｃ濃度は、Ｘ線回折でオーステナイトの（１１１）、 （２００）、 （２２０）及び（３１１）の各回折ピ−ク角度から求めた格子定数ａ（ｎｍ）を用い、以下に示す式（１）の関係を用いて算出した。
[数１]
ａ（ｎｍ）＝ ０．３５７３＋０．００３３×（ｍａｓｓ％Ｃ） （１）
【００４５】
・芯部の平均ビッカ−ス硬さ
素線の横断面において、中心部でのビッカ−ス硬さを５点測定し、その平均値を求めた。
【００４６】
・表面圧縮残留応力および表面から０.３ｍｍの位置の圧縮残留応力
コイルばねの内径側表面において、素線の軸に対し４５°傾きかつばね押し込み荷重を負荷した時に引張ひずみが発生する方向の圧縮残留応力を、Ｘ線回折法を用いて測定した。また、コイルばね素線を全面化学研磨後上記測定を行い、これを繰返すことで深さ方向の残留応力分布を求め、その結果から表面から０.３ｍｍの位置の圧縮残留応力を求めた。なお、表面から０．３ｍｍの位置までの深さ方向において、圧縮残留応力は徐々に低下し、表面から０．３ｍｍの位置の圧縮残留応力が最も低い結果となった。
【００４７】
【表１】
【００４８】
【表２】
【００４９】
【表３】
【００５０】
【表４】
【００５１】
本発明の要件を満たすＮｏ．１〜３の試料は、表面圧縮残留応力が良好であり、かつ表面から０．３ｍｍの位置の圧縮残留応力も高い値であった。これは、セッチングによって素線表面が降伏変形するため圧縮残留応力が一旦損なわれるが、セッチング工程の後にショットピーニングを行うことによって表面の圧縮残留応力を回復できたためである。これに対し、本発明の条件を満足しないＮｏ．４〜９の試料は、以下の理由により、所定の圧縮残留応力値に満たなかった。
【００５２】
すなわち、Ｎｏ．４の試料は、セッチング工程の後にショットピーニングを行っておらず、セッチングによって素線表面が降伏変形し、圧縮残留応力が損なわれたままであるため、表面圧縮残留応力が低くなった。また、Ｎｏ．５の試料は、セッチング時にばね表面に作用するせん断ひずみが小さいため、表面圧縮残留応力はＮｏ．４の試料よりも高いが、表面から０．３ｍｍの位置の圧縮残留応力が低くなった。Ｎｏ．６の試料は、セッチング後にショットピーニングを施しているため、表面圧縮残留応力は高い。しかしながら、Ｎｏ．６の試料は、セッチング時にばね表面に作用するせん断ひずみが小さいため、厚く高い圧縮残留応力を得ることができず、表面から０．３ｍｍの位置の圧縮残留応力が低くなった。
【００５３】
Ｎｏ．７の試料は、等温保持温度が低過ぎるため、変態初期に生成するマルテンサイトが芯部硬さを過剰に増加させたり、また、残留オーステナイト中のＣ濃度が小さくなるため、圧縮残留応力が低くなった。また、Ｎｏ．８の試料では、等温保持時間が短いため、ベイナイト変態が進行し難く、ベイナイト比率が著しく小さくなり、その結果、マルテンサイト比率が高くなって芯部硬さが過剰に増加した。また、残留オーステナイトのＣ濃度が低いため、圧縮残留応力が低くなった。さらに、Ｎｏ．９の試料では、等温保持温度が高過ぎるため、軟質な残留オーステナイト比率が高くなり、芯部硬さが低くなった。そして、残留オーステナイトが加工誘起マルテンサイトに変態しても、硬さが低いため周囲の拘束力が小さく、表面圧縮残留応力や表面から０．３ｍｍの位置の圧縮残留応力が低くなった。
【００５４】
これらのことから、適切な条件で熱処理を行い、セッチング後にショットピーニングを施すことによって、高圧縮残留応力層を有する耐疲労性に優れたばねを得られることを確認できた。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧縮残留応力層を有するばねおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のエンジン用弁ばね材料は、ＪＩＳ規格において炭素鋼オイルテンパー線（ＳＷＯ−Ｖ）、Ｃｒ−Ｖ鋼オイルテンパー線（ＳＷＯＣＶ−Ｖ）、Ｓｉ−Ｃｒ鋼オイルテンパー線（ＳＷＯＳＣ−Ｖ）等があり、従来、耐疲労性や耐へたり性の観点からＳｉ−Ｃｒ鋼オイルテンパー線が広く使用されている。近年、自動車の燃費向上のため弁ばねは軽量化が強く要求されており、ばねの設計応力の増加を図るため、素線の引張強さを増加させる傾向にある。しかしながら、高強度化に伴い、ＪＩＳ規格のオイルテンパー線は疵あるいは介在物等の欠陥に対する切欠き感受性が著しく増加しているため、冷間ばね成形（コイリング）時の折損や、使用中に脆性的な破壊形態を示す傾向が強くなることが問題となっている。また、ばねはコイリング時に圧縮外力を受けた方向にはコイリング後に引張残留応力が、コイリング時に引張外力を受けた方向にはコイリング後に圧縮残留応力がそれぞれ発生し、素線の引張強さが高いほどこれら残留応力値が大きくなる傾向がある。さらに、コイルばねを圧縮変形させた場合、素線においてコイル内側の表面に最も高い引張応力が掛かることが知られている。したがって、冷間成形したコイルばねを圧縮変形させる場合、コイル内側はコイリング後の引張残留応力に加え、ばね圧縮時の高い引張応力が重畳し、疲労強度の低下を招く場合が多い。
【０００３】
これに対する１つの手段としては、素線表面で高くかつ深い内部に至る圧縮残留応力を付与することが挙げられる。たとえば、ショットピーニングによって素線表層に圧縮残留応力を付与することで耐疲労性を向上させることが広く行われている。また、ショットピーニングにより表層の圧縮残留応力を高めることにより、表面を起点とした早期折損を低減することができる。しかしながら、高硬度化に伴い素線の降伏強度が増加するため、ショットピーニングにより与えられる表層の塑性ひずみ量が減少し、圧縮残留応力が残留する領域（素線表面から圧縮残留応力がゼロとなる位置までの深さ方向の距離）を厚く形成することが困難となっている。そこで、これらの課題を解決すべく以下の方法が提案されている。
【０００４】
特許文献１には、ＪＩＳ規格鋼の化学成分にＶ等の元素を添加したオイルテンパー鋼材を用いて製造した耐疲労性に優れたばねについて記載されている。しかしながら、これら添加元素は結晶粒の微細化等により鋼材の靭性を高め、耐疲労性の向上に寄与するが、材料コストが高くなる。
【０００５】
特許文献２には、鋼の化学成分を調整し、疲労起点となる介在物の大きさを小さくするとともに結晶粒径を小さくすること等によって疲労強度を向上させたばねについて記載されている。このばねは、疲労強度の向上はみられるが、その疲労強度レベル（最大せん断応力τｍａｘ＝約１２００ＭＰａ）は近年の軽量高強度弁ばねに要求される実用強度（τｍａｘ＝約１３００〜１４００ＭＰａ）と比較して低い。また、特許文献２では、さらに高い疲労強度を得るために窒化処理を追加することとしている。しかしながら、窒化は表面硬度の増加による耐疲労性の向上が見込めるものの、疲労強度を低下させる原因となり得る表層の鉄窒素化物を窒化処理後に完全に除去する必要があるため、製造工程が複雑となり、かつ窒化処理費用も高いため、結果的に高コストになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６４−８３６４４号公報
【特許文献２】特開２００５−１２０４７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、材料コストの低減や製造工程の簡略化を図るとともに、耐疲労性を向上させた高圧縮残留応力層を有するばねおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、高強度弁ばねの疲労強度について鋭意研究を行った。その結果、コイリング後に発生する残留応力は、鋼成分やその後の焼鈍条件の調整によってある程度低減可能であるが、鋼の高強度を維持しつつ疲労強度への影響を無くすことは根本的に困難であるとの考えに至った。そこで、コイリング後のばねをオーステナイト化温度まで加熱することによって、コイリングで発生した残留応力を実質的にゼロとすることが有効であるとの考えに至った。また、オーステナイト化温度まで加熱したばねに対して、引き続きオーステンパー処理を行い、強度と延性及び靭性のバランスに優れた組織とすることで、母材自体の耐疲労性が向上することを見出した。
【０００９】
さらに、次いで行われるセッチングやショットピーニングによって、素線表層の残留オーステナイトは加工誘起変態によってマルテンサイトに変態する。このとき、体積膨張を伴うため、深い内部に至る圧縮残留応力層が形成され、疲労き裂の進展を抑制し、耐疲労性を向上できることがわかった。特に、セッチング時のせん断歪みを０.０１９０〜０.０２２０とすることで、ショットピーニングよりも深い内部まで圧縮残留応力を付与することができ、内部を起点とした疲労破壊を防止し耐疲労性を向上することができることが分かった。
【００１０】
なお、セッチングにより素線表面は降伏変形するため、素線表面の圧縮残留応力は損なわれる。しなしながら、ばねの製造工程の最後に通常行われているセッチングの後に、さらにショットピーニングを行うことで、素線表面の圧縮残留応力を回復することができることが分かった。また、このショットピーニングによって、それまでの工程で生じた微小亀裂を除去して表面性状を改善することができるため、表面の微小亀裂を起点とした疲労破壊を防止し、耐疲労性を向上することができることが分かった。
【００１１】
本発明においては、コイリング前の素材としてＪＩＳ規格のオイルテンパー線や同組成の硬引線等の低廉材を用いることができ、焼入れ焼戻しといった複雑な熱処理を用いず、かつ通常のセッチングやショットピーニングを用いることにより、高圧縮残留応力層を有するばねを製造できることを見出した。しかも、従来行われていた窒化処理を省略することにより、製造コストの低減を図ることができる。
【００１２】
すなわち、本発明のばねの製造方法は、質量％で、Ｃ:０.５〜０.７％、Ｓｉ:１.０〜２.０％、Ｍｎ:０.１〜１.０％、Ｃｒ:０.１〜１.０％、Ｐ:０.０３５％以下、Ｓ:０.０３５％以下、残部が鉄及び不可避不純物からなる成分を有する鋼材に対し、ばね形状に成形する成形工程と、Ａｃ３点〜（Ａｃ３点＋２５０℃）の温度でオーステナイト化後、２０℃/秒以上の速度で冷却し、（Ｍｓ点−２０℃）〜（Ｍｓ点＋６０℃）の温度で４００秒以上等温保持し、次いで２０℃/秒以上の冷却速度で室温まで冷却する熱処理工程と、永久ひずみを与えるセッチング工程と、ショットを投射するショットピーニング工程とを順番に行うことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のばねは、質量％で、Ｃ:０.５〜０.７％、Ｓｉ:１.０〜２.０％、Ｍｎ:０.１〜１.０％、Ｃｒ:０.１〜１.０％、Ｐ:０.０３５％以下、Ｓ:０.０３５％以下、残部が鉄及び不可避不純物からなる成分を有し、任意の横断面において、面積比率でベイナイトを６５％以上、残留オーステナイトを４〜１３％、残部（０％を含む）がマルテンサイトである組織を有し、残留オーステナイト中の平均炭素濃度が０.６５〜１.７％であり、任意の横断面において、表面の圧縮残留応力が９００〜２０００ＭＰａであり、かつ表面から０.３ｍｍの位置の圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上であり、任意の横断面において、芯部の平均ビッカース硬さが５５０〜６５０ＨＶであることを特徴とする。ここで、素線の横断面の円相当直径が１.５〜５.０ｍｍであると好ましい。また、本発明のばねは、コイルばねであることが好ましい。なお、本発明のばねは、スタビライザー、板ばね、テンションロッド、皿ばね等に用いてもよい。
【００１４】
本発明によれば、高価な合金元素を含有せず、入手が容易なＪＩＳ規格のばね鋼組成の鋼線を用い、複雑な熱処理や表面硬化処理を行わなくても、素線表層に高圧縮残留応力層を有する耐疲労性に優れたばねを得ることができる。また、本発明のばねによると、合金元素量が少なくリサイクル性にも優れ、かつ製造工程の簡略化や、処理時間の短縮化による生産性の向上や省エネルギー化が可能である。
【００１５】
まず、本発明に用いる鋼の化学成分の限定理由について説明する。なお、以下の説明において「％」は「質量％」を意味する。
【００１６】
・Ｃ：０.５〜０.７％
Ｃは、所望の高強度を確保するためと、室温で所望の残留オーステナイト比率を得るために重要な元素であり、０.５％以上含有させることが必要である。しかしながら、Ｃ濃度が過剰になると、軟質相である残留オーステナイト比率が増え過ぎて所望の強度を得難くなるため、０.７％以下に抑える。このため、Ｃの含有量は０．５〜０．７％とする。
【００１７】
・Ｓｉ:１.０〜２.０％
鋼材をオーステナイト化後、等温保持することによってベイニティックフェライトを生成させてオーステナイト中にＣを排出させる。これにより、高Ｃ濃度の残留オーステナイトを得ることができる。Ｓｉは、ベイニティックフェライトからオーステナイト中へＣを排出させる際、炭化物の生成を抑制する作用があり、本発明に規定する高Ｃ濃度の残留オーステナイトを得るためには不可欠の元素である。また、Ｓｉは固溶強化に寄与する元素であり、高強度を得るために有効な元素である。これらの効果を得るため、Ｓｉは１．０％以上含有させる。ただし、Ｓｉ量が過剰であると、軟質な残留オーステナイト比率が高くなり、逆に強度の低下を招くため２.０％以下に抑える。このため、Ｓｉの含有量は１.０〜２.０％とする。
【００１８】
・Ｍｎ:０.１〜１.０％
Ｍｎは、脱酸元素として添加されるが、オーステナイトを安定化させる元素でもあり、本発明に規定する残留オーステナイトを得るためには０.１％以上含有させることが望ましい。一方、Ｍｎの含有量が過剰であると偏析が生じ加工性が低下し易くなるため、１.０％以下に抑える。このため、Ｍｎの含有量は０.１〜１.０％とする。
【００１９】
・Ｃｒ:０.１〜１.０％
Ｃｒは、鋼材の焼入れ性を高めて高強度化を容易にすることができる元素である。また、パーライト変態を遅延させる作用もあり、オーステナイト化加熱後の冷却時に安定してベイナイト組織を得る（パーライト組織を抑制する）ことができるため、０.１％以上含有させる。ただし、１.０％を超えて過剰に含有させると鉄炭化物を生じ易くなり、残留オーステナイトが生じ難くなるため、１.０％に抑える。このため、Ｃｒの含有量は０.１〜１.０％とする。
【００２０】
・Ｐ:０.０３５％以下およびＳ:０.０３５％以下
ＰおよびＳは、粒界偏析による粒界破壊を助長する元素であるため、その含有量は低い方が望ましく、上限を０.０３５％とする。好ましくは、０.０１％以下である。
【００２１】
次に、本発明のばねの製造方法について説明する。
・成形工程
成形工程は鋼材を所望の形状に成形する工程であり、コイリングであることが好ましい。成形する際の鋼材の温度は特に限定しないが、製造コストを抑制するため通常行われる冷間成形が好ましい。成形方法はばね形成機（コイリングマシン）を用いる方法や、芯金を用いる方法等を利用すればよい。
【００２２】
・座面研削工程
本工程は必要に応じて行い、ばね形状の鋼材の両端面をばねの軸芯に対して直角な平面になるように研削する。
【００２３】
・熱処理工程
成形後の鋼材をオーステナイト化し、等温保持してから、その後冷却を行う。オーステナイト化を行う前の鋼材の組織については特に制限されない。例えば、熱間鍛造や線引き加工した条鋼材を使用できる。オーステナイト化の温度は、Ａｃ３点〜（Ａｃ３点＋２５０℃）である必要がある。Ａｃ３点未満ではオーステナイト化せず、所望のベイナイト比率を得難くくなる。また、（Ａｃ３点＋２５０℃）を超えると、旧オーステナイト粒径が粗大化し易くなり、延性の低下を招く恐れがある。オーステナイト化後に等温保持する温度までの冷却速度は速いほど良く、２０℃／ｓ以上の冷却速度で行う必要があり、好ましくは５０℃／ｓ以上である。冷却速度が２０℃／ｓ未満では、冷却途中でパーライトが生成するため所望の組織構成を得難くくなる。
【００２４】
等温保持する温度は（Ｍｓ点−２０℃）〜（Ｍｓ点＋６０℃）である必要があり、所望の組織を得るために非常に重要な制御因子である。（Ｍｓ点−２０℃）未満では変態初期にマルテンサイトが多く生成されるため、延性の向上が阻害され、所望のベイナイト比率を得難くくなる。一方、（Ｍｓ点＋６０℃）を超える場合は、引張強さが低下するため、強度が低くなる。また、等温保持を行う時間は、４００秒以上である必要があり、これも非常に重要な制御因子である。等温保持時間が４００秒未満であると、ベイナイト変態がほとんど進行しないため、ベイナイト比率が小さくなる。一方、等温保持時間が長過ぎても、生成されるベイナイト量は飽和し、生産コストの増大を招くので、３時間以内とすることが望ましい。等温保持後の冷却速度は、均一な組織を得るため速いほど良く、２０℃／ｓ以上の冷却速度が必要であり、好ましくは５０℃／ｓ以上である。具体的には油冷や水冷が良い。一方、冷却速度が２０℃／ｓ未満では、本発明に規定する組織以外の組織（パーライト等）が発生してしまう。
【００２５】
・セッチング工程
セッチングは、塑性ひずみを与えることにより、弾性限を著しく向上させて永久変形量を低減するために行う。また、２００〜３００℃でセッチングを行うこと（温間セッチング）により耐へたり性を一層向上させることができる。セッチング工程において、ばねの素線表面に作用するせん断歪みが０.０１９０〜０.０２２０であることが好ましい。これは、厚く高い圧縮残留応力を得るために重要な制御因子である。セッチング時に素線表面に作用するせん断歪みが０.０１９０未満では十分な圧縮残留応力層を得ることができず、本発明で規定する表面から０．３ｍｍの位置での圧縮残留応力を得ることができない。また、０.０２２０を超える場合は、素線表層に予き裂が生じ、使用時にき裂が進展し、所望の寿命より早期に折損する可能性が高くなる。
【００２６】
・ショットピーニング工程
ショットピーニングは、ばねに金属等からなるショットを衝突させ、表面に圧縮残留応力を付与するもので、これによりばねの耐疲労性が著しく向上する。本発明では、成形によって発生した残留応力は熱処理工程後において実質的にゼロとなっており、ショットピーニングによりばねの素線表面で高くかつ深い内部に至る圧縮残留応力層を形成させることができる。
【００２７】
なお、ショットピーニング工程を複数回行うことが好ましく、後に実施するショットピーニング工程に用いるショットの球相当直径は、先に実施するショットピーニング工程に用いるショットの球相当直径より小さいことが好ましい。これにより、先に実施したショットピーニングにより増加した表面粗さを低減することができる。また、セッチング工程の前に、１回以上のショットピーニング工程を行うことが好ましい。
【００２８】
ショットピーニングで使用するショットは、カットワイヤやスチ−ルボ−ル、ＦｅＣｒＢ系などの高硬度粒子等を用いることができる。また、圧縮残留応力は、ショットの球相当直径や投射速度、投射時間、および多段階の投射方式で調整することができる。
【００２９】
次に、全組織における面積比率の限定理由について説明する。
・ベイナイト：６５％以上
ベイナイトとは、オーステナイト化された鋼材を低温にて等温変態させることによって得られる金属組織であり、ベイニティックフェライトと鉄炭化物で構成される。素地のベイニティックフェライトは転位密度が高く、鉄炭化物は析出強化効果があるため、ベイナイト組織をもって強度を高めることができる。さらに、本発明のベイナイト組織は鉄炭化物がベイニティックフェライト基地に微細析出した構造であり、粒界強度の低下が少なく高強度であっても延性及び靭性の低下が小さい。このように、ベイナイトは高強度と高延性を得るために不可欠な組織である。そして、所望の高強度高延性を得るためには、ベイナイトは面積比率で６５％以上必要である。
【００３０】
通常、等温保持における未変態オーステナイトは、その後室温まで冷却されることによりマルテンサイトや残留オーステナイトとなる。ベイナイト面積比率が６５％未満となる場合では、未変態オーステナイト中のＣ濃度が小さくなるため、その後の冷却によってマルテンサイトが多く生成される。マルテンサイト比率が高くなると、高強度は得られるが、切欠き感受性が著しく高くなるため、疲労強度が低下する。このことからも、ベイナイトは面積比率で６５％以上とする。
【００３１】
・残留オーステナイト：４〜１３％
残留オーステナイトは、ＴＲＩＰ（Transformation−induced plasticity；変態誘起塑性）現象を利用することによって、延性及び靭性を向上させて切欠き感受性を低減させるのに有効である。ＴＲＩＰ現象は、塑性変形によって体積膨張を伴う加工誘起変態が起き、加工誘起マルテンサイトが生成されることによって材料の延性や靭性が著しく向上する現象である。残留オーステナイトは、き裂先端の応力集中部で加工誘起マルテンサイト変態を起こし、その体積膨張によって応力集中度を軽減することができるため、き裂の進展速度を低下させる作用がある。さらに、残留オーステナイトは、ショットピーニングによって加工誘起マルテンサイト変態を起こすため、その体積膨張によって表面で高くかつ深い内部に至る圧縮残留応力層を形成することができる。このため、残留オーステナイト比率は４％以上とするが、過剰であると材料強度の低下が著しくなるため、１３％以下に抑える。
【００３２】
・マルテンサイト：残部（０％を含む）
マルテンサイトは、所望の引張強さを確保する場合に応じて適当量含有させても良い。また、ベイナイトと残留オーステナイトの合計が１００％となり、マルテンサイトが０％となる場合も含む。
【００３３】
・残留オーステナイト中の平均炭素濃度：０.６５〜１.７％
残留オーステナイトは、そのＣ濃度が高いほど加工誘起マルテンサイト変態を開始する引張ひずみが高いため、結果的に高い延性及び靭性によって切欠き感受性を低下させる効果がある。また、残留オーステナイトの加工誘起マルテンサイト変態による体積膨張は、残留オーステナイトのＣ濃度が高いほど大きく、き裂先端における応力集中の緩和や表面で高くかつ深い内部に至る圧縮残留応力の生成を促進するため、耐疲労性の向上により有効である。これらのことから、所望の優れた耐疲労性を得るためには、残留オーステナイトの平均Ｃ濃度は０.６５％以上必要となる。また、残留オーステナイトは、そのＣ濃度が高くなり過ぎると著しく安定化し、これにより単なる軟質相としてのみ作用するため、１.７％を上限とする。
【００３４】
次に、ばね素線の任意の横断面における諸特性の限定理由について説明する。
・圧縮残留応力
ばねの表層の圧縮残留応力はセッチングおよびショットピーニングにより与えられる。ただし、本発明では通常のセッチングやショットピーニングで得られる圧縮残留応力に加え、素線の残留オーステナイトの加工誘起マルテンサイト変態によって、表面でさらに高くかつ深い内部に至る圧縮残留応力層が形成される。本発明では表面の圧縮残留応力を９００〜２０００ＭＰａとする。表面の圧縮残留応力が９００ＭＰａ未満であると、ばね表面に存在する微小き裂のき裂進展を防止することができず、表面起点の疲労破壊を抑制するには不十分である。一方、表面の最大圧縮残留応力が著しく高いと、素線内部での応力バランスに起因した引張残留応力によって内部破壊が発生し易くなるため、２０００ＭＰａを上限とする。
【００３５】
また、本発明における素線径範囲において外部負荷による作用応力と残留応力との合成応力を考慮すると、表面から深さ２００μm〜Ｄ/４程度の範囲は、疲労破壊の起点となり易い。表面から深さ０.３ｍｍの位置での圧縮残留応力が２００ＭＰａ未満であると、内部起点の疲労破壊を抑制するには不十分である。このため、表面から深さ０.３ｍｍの位置での圧縮残留応力を２００ＭＰａ以上とする
【００３６】
・芯部の平均ビッカース硬さ
素線芯部の平均ビッカ−ス硬さは、必要な荷重に耐え得る強度を確保するために５５０ＨＶ以上とする。一方、硬さが過剰に高い場合は鋼材自体の切欠き感受性が増加し、疲労強度が低下する恐れがあるため、芯部のビッカ−ス硬さは６５０ＨＶ以下に抑える。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、材料コストの低減や製造工程の簡略化を図ることができ、耐疲労性を向上させた高圧縮残留応力層を有するばねを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明のばねの製造工程と従来のばねの製造工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明を具体的に説明する。図１（Ａ）〜（Ｃ）に本発明のばねの製造工程の一例を示す。まず、質量％で、Ｃ:０.５〜０.７％、Ｓｉ:１.０〜２．０％、Ｍｎ:０.１〜１.０％、Ｃｒ:０.１〜１.０％、Ｐ:０.０３５％以下、Ｓ:０.０３５％以下、残部が鉄及び不可避不純物からなる組成のオイルテンパー鋼材を用いて、コイリングマシンによりばね形状に冷間コイリングを行う（成形工程）。そして、ばね形状の鋼材に対して、Ａｃ３点〜（Ａｃ３点＋２５０℃）の温度でオーステナイト化後、２０℃/秒以上の速度で冷却し、（Ｍｓ点−２０℃）〜（Ｍｓ点＋６０℃）の温度で４００秒以上保持し、次いで２０℃/秒以上の冷却速度で室温まで冷却を行う（熱処理工程）。これにより、本発明の組織を得ることができる。また、オーステナイト化温度まで鋼材を加熱することにより、コイリングで発生した残留応力を実質的にゼロにすることができる。
【００４０】
次に、２００〜３００℃に加熱し、かつ素線表面に作用するせん断ひずみが０.０１９０〜０.０２２０となるようにばね形状の鋼材に対して塑性ひずみを与える（セッチング工程）。このとき、素線表層の残留オーステナイトが加工誘起変態によりマルテンサイトに変態する。これは体積膨張を伴うため、深い圧縮残留応力が形成され、疲労き裂の進展を抑制し、耐疲労性を向上することができる。また、塑性ひずみを与えることにより、弾性限を著しく向上させ、永久変形量を低減し、耐へたり性を向上することができる。
【００４１】
そして、ショットを投射するショットピーニング工程を行う。例えば、図１（Ａ）に示すように、セッチング工程後、ショットピーニング工程を３回行う。また、図１（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、セッチング工程の前にショットピーニング工程を行っても良い。このとき、第一段目としてラウンドカットワイヤーを、第二段目として第一段目よりも小さい球相当直径のラウンドカットワイヤーを、第三段目として第二段目よりも小さい球相当直径の砂粒を用いる。上記熱処理工程において、コイリングで発生した残留応力を実質的にゼロにしているため、このショットピーニングによって素線表面でさらに高くかつ深い内部に至る圧縮残留応力層を形成することができる。そして、ショットピーニングにより、素線表層の残留オーステナイトは加工誘起変態によりマルテンサイトに変態するため、深い圧縮残留応力が形成され、疲労き裂の進展を抑制し、耐疲労性をさらに向上することができる。また、セッチングにより素線表面が降伏変形するため、表面の圧縮残留応力が損なわれるが、セッチングの後にショットピーニングを施すことで素線表面の圧縮残留応力を回復しつつ表面粗さを改善でき、表面を起点とした疲労破壊を防止し、耐疲労性を著しく向上することができる。
【００４２】
以上のような工程によって作製した本発明のばねは、任意の横断面において、面積比率でベイナイトを６５％以上、残留オーステナイトを４〜１３％、残部（０％を含む）がマルテンサイトである組織を有し、残留オーステナイト中の平均炭素濃度が０.６５〜１.７％であり、任意の横断面において、表面の圧縮残留応力が９００〜２０００ＭＰａであり、かつ表面から０.３ｍｍの位置の圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上であり、任意の横断面において、芯部の平均ビッカース硬さが５５０〜６５０ＨＶである。したがって、本発明のばねは、耐疲労性に優れている。
【実施例】
【００４３】
図１（Ａ）〜（Ｄ）に示す各製造工程にしたがって、ばねの作製を行った。図１（Ａ）〜（Ｃ）には、本発明のばねの製造工程が示されており、セッチング工程の後や、セッチング工程の前後にショットピーニング工程を行う。また、図１（Ｄ）には、従来の製造工程が示されており、ショットピーニング工程の後にセッチング工程を行う。まず、表１に記載の化学成分からなるオイルテンパー鋼材ＳＷＯＳＣ−Ｖを用いて、コイリングマシンにより所定形状に冷間コイリング後、表２に示すようなばねを作製した。そして、表３に記載の条件で熱処理を行った。セッチングは、２３０℃で１０分間加熱後、表３に記載のせん断歪みを付与した。第１ショットピ−ニングは球相当直径０.８ｍｍのラウンドカットワイヤーを、第２ショットピーニングは球相当直径０.４５ｍｍのラウンドカットワイヤーを、第３ショットピーニングは球相当直径０.１ｍｍの砂粒を用いて行った。このようにして得られたばねに対し、以下の通り諸性質を調査した。その結果を表４に併記する。
【００４４】
・金属組織および残留オーステナイト中の平均Ｃ濃度
金属組織は、試料を３％ナイタール液に数秒間浸漬した後、次のように行った。ベイナイトはナイタールにより容易に腐食されるため、光学顕微鏡写真では黒色または灰色に見える。一方、マルテンサイトと残留オーステナイトはナイタールに対する耐食性が高いため、光学顕微鏡では白色に見える。この特性を利用し、光学顕微鏡写真を画像処理することでベイナイト（黒色及び灰色部）比率と、マルテンサイトおよび残留オーステナイト（白色部）の合計比率を求めた。残留オーステナイト比率は、試料に対してバフ研磨仕上げを行ってからＸ線回折法を用いて求めた。マルテンサイト比率は、上記光学顕微鏡写真から求めたマルテンサイトと残留オーステナイトの合計比率から、Ｘ線回折で求めた残留オーステナイト比率を差し引くことにより求めた。また、残留オーステナイト中の平均Ｃ濃度は、Ｘ線回折でオーステナイトの（１１１）、 （２００）、 （２２０）及び（３１１）の各回折ピ−ク角度から求めた格子定数ａ（ｎｍ）を用い、以下に示す式（１）の関係を用いて算出した。
[数１]
ａ（ｎｍ）＝ ０．３５７３＋０．００３３×（ｍａｓｓ％Ｃ） （１）
【００４５】
・芯部の平均ビッカ−ス硬さ
素線の横断面において、中心部でのビッカ−ス硬さを５点測定し、その平均値を求めた。
【００４６】
・表面圧縮残留応力および表面から０.３ｍｍの位置の圧縮残留応力
コイルばねの内径側表面において、素線の軸に対し４５°傾きかつばね押し込み荷重を負荷した時に引張ひずみが発生する方向の圧縮残留応力を、Ｘ線回折法を用いて測定した。また、コイルばね素線を全面化学研磨後上記測定を行い、これを繰返すことで深さ方向の残留応力分布を求め、その結果から表面から０.３ｍｍの位置の圧縮残留応力を求めた。なお、表面から０．３ｍｍの位置までの深さ方向において、圧縮残留応力は徐々に低下し、表面から０．３ｍｍの位置の圧縮残留応力が最も低い結果となった。
【００４７】
【表１】
【００４８】
【表２】
【００４９】
【表３】
【００５０】
【表４】
【００５１】
本発明の要件を満たすＮｏ．１〜３の試料は、表面圧縮残留応力が良好であり、かつ表面から０．３ｍｍの位置の圧縮残留応力も高い値であった。これは、セッチングによって素線表面が降伏変形するため圧縮残留応力が一旦損なわれるが、セッチング工程の後にショットピーニングを行うことによって表面の圧縮残留応力を回復できたためである。これに対し、本発明の条件を満足しないＮｏ．４〜９の試料は、以下の理由により、所定の圧縮残留応力値に満たなかった。
【００５２】
すなわち、Ｎｏ．４の試料は、セッチング工程の後にショットピーニングを行っておらず、セッチングによって素線表面が降伏変形し、圧縮残留応力が損なわれたままであるため、表面圧縮残留応力が低くなった。また、Ｎｏ．５の試料は、セッチング時にばね表面に作用するせん断ひずみが小さいため、表面圧縮残留応力はＮｏ．４の試料よりも高いが、表面から０．３ｍｍの位置の圧縮残留応力が低くなった。Ｎｏ．６の試料は、セッチング後にショットピーニングを施しているため、表面圧縮残留応力は高い。しかしながら、Ｎｏ．６の試料は、セッチング時にばね表面に作用するせん断ひずみが小さいため、厚く高い圧縮残留応力を得ることができず、表面から０．３ｍｍの位置の圧縮残留応力が低くなった。
【００５３】
Ｎｏ．７の試料は、等温保持温度が低過ぎるため、変態初期に生成するマルテンサイトが芯部硬さを過剰に増加させたり、また、残留オーステナイト中のＣ濃度が小さくなるため、圧縮残留応力が低くなった。また、Ｎｏ．８の試料では、等温保持時間が短いため、ベイナイト変態が進行し難く、ベイナイト比率が著しく小さくなり、その結果、マルテンサイト比率が高くなって芯部硬さが過剰に増加した。また、残留オーステナイトのＣ濃度が低いため、圧縮残留応力が低くなった。さらに、Ｎｏ．９の試料では、等温保持温度が高過ぎるため、軟質な残留オーステナイト比率が高くなり、芯部硬さが低くなった。そして、残留オーステナイトが加工誘起マルテンサイトに変態しても、硬さが低いため周囲の拘束力が小さく、表面圧縮残留応力や表面から０．３ｍｍの位置の圧縮残留応力が低くなった。
【００５４】
これらのことから、適切な条件で熱処理を行い、セッチング後にショットピーニングを施すことによって、高圧縮残留応力層を有する耐疲労性に優れたばねを得られることを確認できた。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ:０.５〜０.７％、Ｓｉ:１.０〜２.０％、Ｍｎ:０.１〜１.０％、Ｃｒ:０.１〜１.０％、Ｐ:０.０３５％以下、Ｓ:０.０３５％以下、残部が鉄及び不可避不純物からなる成分を有する鋼材に対し、ばね形状に成形する成形工程と、Ａｃ３点〜（Ａｃ３点＋２５０℃）の温度でオーステナイト化後、２０℃/秒以上の速度で冷却し、（Ｍｓ点−２０℃）〜（Ｍｓ点＋６０℃）の温度で４００秒以上等温保持し、次いで２０℃/秒以上の冷却速度で室温まで冷却する熱処理工程と、永久ひずみを与えるセッチング工程と、ショットを投射するショットピーニング工程とを順番に行うことを特徴とするばねの製造方法。
【請求項２】
前記成形工程はコイリングであることを特徴とする請求項１に記載のばねの製造方法。
【請求項３】
前記セッチング工程において、前記ばねの素線表面に作用するせん断歪みが０.０１９０〜０.０２２０であることを特徴とする請求項１または２に記載のばねの製造方法。
【請求項４】
前記ショットピーニング工程を複数回行い、かつ後に実施するショットピーニング工程に用いるショットの球相当直径は、先に実施するショットピーニング工程に用いるショットの球相当直径より小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のばねの製造方法。
【請求項５】
前記セッチング工程の前に、１回以上のショットピーニング工程を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のばねの製造方法。
【請求項６】
質量％で、Ｃ:０.５〜０.７％、Ｓｉ:１.０〜２.０％、Ｍｎ:０.１〜１.０％、Ｃｒ:０.１〜１.０％、Ｐ:０.０３５％以下、Ｓ:０.０３５％以下、残部が鉄及び不可避不純物からなる成分を有し、任意の横断面において、面積比率でベイナイトを６５％以上、残留オーステナイトを４〜１３％、残部（０％を含む）がマルテンサイトである組織を有し、前記残留オーステナイト中の平均炭素濃度が０.６５〜１.７％であり、任意の横断面において、表面の圧縮残留応力が９００〜２０００ＭＰａであり、かつ表面から０.３ｍｍの位置の圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上であり、任意の横断面において、芯部の平均ビッカース硬さが５５０〜６５０ＨＶであることを特徴とするばね。
【請求項７】
前記横断面の円相当直径が１.５〜1５.０ｍｍであることを特徴とする請求項６に記載のばね。
【請求項８】
前記ばねがコイルばねであることを特徴とする請求項６または７に記載のばね。
【請求項１】
質量％で、Ｃ:０.５〜０.７％、Ｓｉ:１.０〜２.０％、Ｍｎ:０.１〜１.０％、Ｃｒ:０.１〜１.０％、Ｐ:０.０３５％以下、Ｓ:０.０３５％以下、残部が鉄及び不可避不純物からなる成分を有する鋼材に対し、ばね形状に成形する成形工程と、Ａｃ３点〜（Ａｃ３点＋２５０℃）の温度でオーステナイト化後、２０℃/秒以上の速度で冷却し、（Ｍｓ点−２０℃）〜（Ｍｓ点＋６０℃）の温度で４００秒以上等温保持し、次いで２０℃/秒以上の冷却速度で室温まで冷却する熱処理工程と、永久ひずみを与えるセッチング工程と、ショットを投射するショットピーニング工程とを順番に行うことを特徴とするばねの製造方法。
【請求項２】
前記成形工程はコイリングであることを特徴とする請求項１に記載のばねの製造方法。
【請求項３】
前記セッチング工程において、前記ばねの素線表面に作用するせん断歪みが０.０１９０〜０.０２２０であることを特徴とする請求項１または２に記載のばねの製造方法。
【請求項４】
前記ショットピーニング工程を複数回行い、かつ後に実施するショットピーニング工程に用いるショットの球相当直径は、先に実施するショットピーニング工程に用いるショットの球相当直径より小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のばねの製造方法。
【請求項５】
前記セッチング工程の前に、１回以上のショットピーニング工程を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のばねの製造方法。
【請求項６】
質量％で、Ｃ:０.５〜０.７％、Ｓｉ:１.０〜２.０％、Ｍｎ:０.１〜１.０％、Ｃｒ:０.１〜１.０％、Ｐ:０.０３５％以下、Ｓ:０.０３５％以下、残部が鉄及び不可避不純物からなる成分を有し、任意の横断面において、面積比率でベイナイトを６５％以上、残留オーステナイトを４〜１３％、残部（０％を含む）がマルテンサイトである組織を有し、前記残留オーステナイト中の平均炭素濃度が０.６５〜１.７％であり、任意の横断面において、表面の圧縮残留応力が９００〜２０００ＭＰａであり、かつ表面から０.３ｍｍの位置の圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上であり、任意の横断面において、芯部の平均ビッカース硬さが５５０〜６５０ＨＶであることを特徴とするばね。
【請求項７】
前記横断面の円相当直径が１.５〜1５.０ｍｍであることを特徴とする請求項６に記載のばね。
【請求項８】
前記ばねがコイルばねであることを特徴とする請求項６または７に記載のばね。
【図１】
【公開番号】特開２０１２−２１４８５９（Ｐ２０１２−２１４８５９Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８１９６６（Ｐ２０１１−８１９６６）
【出願日】平成２３年４月１日（２０１１．４．１）
【出願人】（０００００４６４０）日本発條株式会社 (1,048)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１日（２０１１．４．１）
【出願人】（０００００４６４０）日本発條株式会社 (1,048)
【Ｆターム（参考）】
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