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JP4152364B2 - High strength coil spring and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description

本発明は、オートマティック車における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などに使用する高強度コイルばねに関する。   The present invention relates to a high-strength coil spring used for a damper spring of a clutch torsion of an automatic transmission or an engine valve spring in an automatic vehicle.

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など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とともに低コスト化のニーズが高いために、高強度、高耐疲労性を有しかつ安価なコイルばねが常に求められている。   At present, there are three types of JISG3561 SWO-V, SWOCV-V and SWOSC-V that are standardized as materials for valve springs. Among these, SWOSC-V, which is a silicon chrome steel oil tempered wire, is widely used since it has excellent fatigue strength and sag resistance. However, coil springs used for valve springs for automobile engines and damper springs for automatic transmissions have high strength and high fatigue resistance because there is a high need for high-speed rotation, compactness, and low cost. However, there is a constant demand for coil springs that are inexpensive.

発明者らは既に高強度のオイルテンパー線を素材として安価で耐衝撃性の高い高強度コイルばねを提案したが(特許文献1参照)、近年、さらに高強度、高耐疲労性を有するコイルばねが求められるようになった。
特開2003−193197号公報
The inventors have already proposed a high-strength coil spring that is inexpensive and has high impact resistance using a high-strength oil tempered wire as a raw material (see Patent Document 1). Recently, the coil spring has higher strength and higher fatigue resistance. Is now required.
JP 2003-193197 A

本発明は、従来の高強度コイルばねよりもさらに高い強度と耐疲労性とを有する安価な高強度コイルばねとその製造方法を提供することを課題とする。   An object of the present invention is to provide an inexpensive high-strength coil spring having higher strength and fatigue resistance than conventional high-strength coil springs, and a method for manufacturing the same.

本発明の高強度コイルばねは、質量%で、C:0.63〜0.68%、Si:2.1〜2.3%、Mn:0.5〜0.7%、Cr:1.1〜1.3%、V:0.1〜0.3%、Co:0.1〜0.3%を含有し、残部が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、引張強さが2000MPa以上、絞りが38%以上である鋼のオイルテンパー線を素材とし、窒化処理により形成される白層の厚さが4μm以下で、かつ表層部(表面から0.02mm付近)の硬さがHv700〜900、および表面から0.3mmの内部硬さがHv580以上であり、かつ表面の最大粗さR max が5μm以下でさらに平均応力が750MPaで振幅応力が640MPaの時に1×10 7 回以上の耐久性をもつことを特徴とする。 The high-strength coil spring of the present invention is, in mass%, C: 0.63 to 0.68%, Si: 2.1 to 2.3%, Mn: 0.5 to 0.7%, Cr: 1. 1 to 1.3%, V: 0.1 to 0.3%, Co: 0.1 to 0.3% , the balance consists of Fe and inevitable impurities, P of the inevitable impurities, : 0.05% or less, S: 0.025% or less, Cu: 0.2% or less, maximum non-metallic inclusions of 15 μm, tensile strength of 2000 MPa or more, drawing of 38% or more of oil tempered wire The thickness of the white layer formed by nitriding is 4 μm or less, the hardness of the surface layer portion (around 0.02 mm from the surface) is Hv 700 to 900, and the internal hardness is 0.3 mm from the surface Hv 580 or more, the maximum surface roughness R max is 5 μm or less , and the average stress is 750 MPa. And having an endurance of 1 × 10 7 times or more when the amplitude stress is 640 MPa .

上記の条件の組合わせで製造することにより、耐疲労性の高い高強度コイルばねを得ることができる。   A high-strength coil spring with high fatigue resistance can be obtained by manufacturing under a combination of the above conditions.

(ばね素材)
本発明になる高強度コイルばねは、質量%で、質量%で、C:0.63〜0.68%、Si:2.1〜2.3%、Mn:0.5〜0.7%、Cr:1.1〜1.3%、V:0.1〜0.3%、Co:0.1〜0.3%を含有し、残部が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。
(Spring material)
The high-strength coil spring according to the present invention is in mass%, and in mass%, C: 0.63 to 0.68%, Si: 2.1 to 2.3%, Mn: 0.5 to 0.7% , Cr: 1.1 to 1.3%, V: 0.1 to 0.3%, Co: 0.1 to 0.3% , the balance being Fe and inevitable impurities, inevitable impurities Among them, P: 0.05% or less, S: 0.025% or less, Cu: 0.2% or less, and using a steel oil tempered wire having a maximum non-metallic inclusion of 15 μm as a material. It is a feature.

ここで、オイルテンパー線の組成を上記の範囲に限定する限定理由は以下の通りである。   Here, the reason for limiting the composition of the oil temper wire to the above range is as follows.

C:0.55〜0.75%
Cは鋼線の強度を高めるために必須の元素であるが、0.55%未満では充分な強度が得られず、0.75%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。好ましくは、0.63〜0.68%である。
C: 0.55-0.75%
C is an essential element for increasing the strength of the steel wire. However, if it is less than 0.55%, sufficient strength cannot be obtained, and if it exceeds 0.75%, the toughness is lowered, and the steel wire is more susceptible to scratches. Increases and decreases reliability. Preferably, it is 0.63 to 0.68%.

Si:1.80〜2.70%
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。1.80%未満ではその十分な効果がなく、2.70%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。好ましくは、2.1〜2.3%である。
Si: 1.80 to 2.70%
Si is an element effective for improving the strength of ferrite and improving sag resistance. If it is less than 1.80%, the sufficient effect is not obtained, and if it exceeds 2.70%, cold workability is lowered and decarburization by hot workability or heat treatment is promoted. That is, the moldability of the coil spring is reduced. Preferably, it is 2.1 to 2.3%.

Mn:0.1〜0.9%
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、0.1%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。好ましくは、0.5〜0.7%である。
Mn: 0.1 to 0.9%
Mn improves the hardenability of the steel and fixes S in the steel to prevent its damage. However, if it is less than 0.1%, there is no effect, and if it exceeds 0.9%, the toughness decreases. Preferably, it is 0.5 to 0.7%.

Cr:0.70〜1.50%
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。0.70%未満ではその効果が少なく、1.50%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。好ましくは、1.1〜1.3%である。
Cr: 0.70 to 1.50%
Cr, like Mn, improves the hardenability of steel and gives toughness by patenting after hot rolling, and after hardening, increases softening resistance during tempering and increases strength. It is an effective element. If it is less than 0.70%, the effect is small, and if it exceeds 1.50%, solid solution of carbides is suppressed, the strength is reduced, and the hardenability is excessively increased, resulting in a decrease in toughness. Preferably, it is 1.1 to 1.3%.

V:0.05〜0.50%
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、0.50%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。好ましくは、0.1〜0.3%である。
V: 0.05 to 0.50%
V is an element that forms carbides during tempering and increases the softening resistance. However, if it is less than 0.05%, the formation of carbides is extremely small, so the effect is small. On the other hand, if it exceeds 0.50%, the carbide becomes coarse during quenching heating, resulting in a decrease in toughness. Preferably, it is 0.1 to 0.3%.

Co:0.05〜0.40%
Coは焼入れ焼き戻し後の靭性を向上させるのに有効な元素である。靭性向上の効果を得るためには0.05%以上含有することが好ましい。しかし、0.40%以上含有してもこの効果は飽和してしまい靭性のさらなる向上は認められない。より好ましくは0.1〜0.3%である。
Co: 0.05-0.40%
Co is an element effective for improving the toughness after quenching and tempering. In order to acquire the effect of a toughness improvement, it is preferable to contain 0.05% or more. However, even if the content is 0.40% or more, this effect is saturated and no further improvement in toughness is observed. More preferably, it is 0.1 to 0.3%.

次に、鋼線の最大非鉄金属介在物は15μmである。この非金属介在物はAl23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。 Then, the maximum non-ferrous metal inclusions of the steel wire is Ru 15μm der. The non-metallic inclusions are often made of Al 2 O 3 or TiO, but these inclusions are hard, so if they are present near the surface of the steel wire, the fatigue strength is significantly reduced. If the maximum non-ferrous metal inclusion is smaller than 15 μm, it is not a problem.

本発明に用いるオイルテンパー線は、引張強さが2000MPa以上、絞りが38%以上である。引張強さが2000MPa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2100〜2300MPa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。 Oil-tempered wire for use in the present invention has a tensile strength of at least 2000 MPa, Ru der diaphragm 38% or more. If the tensile strength is less than 2000 MPa, the fatigue strength of the spring is lowered, which is not desirable. Preferably it is 2100-2300 MPa. Further, if the aperture is less than 38%, the formation of the spring becomes a problem, so 38 to 55% is appropriate.

(コイルばね)
上記の組成を有する本発明の高強度コイルばねは、窒化処理により形成される白層の厚さが4μm以下である。
(Coil spring)
In the high-strength coil spring of the present invention having the above composition, the thickness of the white layer formed by nitriding is 4 μm or less.

コイルばねを窒化処理することによりコイルの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形成される。この白層は非常に硬くて脆いという性質を有するために、コイルばねの耐衝撃性を低下させる要因となる。このため、窒化処理後の白層の厚さは4μm以下とする。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コイルばねにおいては2μm以下であることが望ましい。   By nitriding the coil spring, a so-called white layer mainly composed of nitride or carbonitride is formed near the surface of the coil. Since this white layer has the property of being very hard and brittle, it becomes a factor of reducing the shock resistance of the coil spring. For this reason, the thickness of the white layer after nitriding is set to 4 μm or less. In particular, in a coil spring that receives a large impact force such as a damper spring for a clutch torsion of an automatic transmission, it is desirable that it be 2 μm or less.

また、コイルばねの表層部(表面から0.02mm付近)の硬さは、Hv700〜900である。窒化処理後のコイルばねの表層部硬さが、Hv700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ので、所定の疲労強度を賦与することができない。一方、Hv900を越えると靭性が低下して所定の耐衝撃性を得ることができない。より好ましくはHv750〜850である。   Moreover, the hardness of the surface layer part (around 0.02 mm from the surface) of the coil spring is Hv 700 to 900. If the surface layer hardness of the coil spring after nitriding is less than Hv700, a sufficient compressive residual stress cannot be formed by the two-step shot peening in the next step, and therefore a predetermined fatigue strength cannot be imparted. On the other hand, if it exceeds Hv900, the toughness decreases and the predetermined impact resistance cannot be obtained. More preferably, it is Hv750-850.

さらにコイルばねの表面から0.3mmの内部硬さはHv580以上である。この内部硬さが低いと内部を起点とするばねの折損が発生することがあり、耐疲労性が低下する。内部硬さはHv600以上であることが好ましい。   Furthermore, the internal hardness of 0.3 mm from the surface of the coil spring is Hv580 or more. If the internal hardness is low, the spring may break from the inside, resulting in a decrease in fatigue resistance. The internal hardness is preferably Hv600 or more.

以上のようなコイルばねの白層の厚さや表層部硬さ、および内部硬さは、窒化処理の温度や時間、あるいは、コイリング後の低温焼鈍し処理の温度や時間などを適宜に選択して組み合わせることにより調整することができる。   For the thickness, surface layer hardness, and internal hardness of the coil spring as described above, the temperature and time of nitriding treatment or the temperature and time of low-temperature annealing treatment after coiling are appropriately selected. It can be adjusted by combining.

また、ショットピーニング後のコイルばねの表面は、その最大粗さRmaxが5μm以下である。maxが5μmを越えると疲労破壊の起点となることがあるので適当ではない。より好ましくは4μm以下である。なお、JISB0601(2001年1月改訂)では最大高さ粗さの表記はRzと改訂されたが、従前の十点平均粗さRzとの誤解を避けるために本明細書では最大粗さをRmaxと表記する。 The surface of the coil spring after the shot peening, the maximum roughness R max is Ru der less 5 [mu] m. If R max exceeds 5 μm, it may be a starting point for fatigue failure, which is not appropriate. More preferably, it is 4 μm or less. In JISB0601 (revised January 2001), the description of the maximum height roughness was revised as Rz. However, in order to avoid misunderstanding with the previous ten-point average roughness Rz, in this specification the maximum roughness is defined as R. Expressed as max .

(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、コイルばねを成形するコイリング工程、表面のスケールを除去するマイクロショット工程、表面硬度を向上させる窒化処理工程、残留応力を付与する二段ショットピーニング工程などを経由して得ることができる。
(Manufacturing method of coil spring)
The high-strength coil spring of the present invention is a coiling process for forming a coil spring using the oil tempered wire having the above mechanical properties, a micro-shot process for removing surface scale, and a nitriding process for improving surface hardness. It can be obtained via a two-stage shot peening process that imparts residual stress.

まず初めに、前記の化学成分組成を有するオイルテンパー線を冷間コイリングしてばね形状に成形する。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く、一般的には大気雰囲気中で350〜500℃で3〜60分の加熱処理を施すとよい。好ましくは、400〜480℃で5〜20分の加熱処理である。   First, an oil temper wire having the above-described chemical composition is cold coiled to form a spring shape. Thereafter, it is preferable to perform low-temperature heat treatment to remove residual stress and residual distortion generated during coil forming. Generally, heat treatment is preferably performed at 350 to 500 ° C. for 3 to 60 minutes in an air atmosphere. Preferably, the heat treatment is performed at 400 to 480 ° C. for 5 to 20 minutes.

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。   Next, a descale process is performed prior to nitriding. The descaling process is a step of removing the oxide film on the surface of the coil-formed spring material, and enables uniform nitriding by removing the oxide film.

なお、ディスケール処理では、ばね素材の表面の最大粗さRmaxを5μm以下にするのが好ましい。Rmax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ことがある。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粗さRmaxを5μm以下にすることができる。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。 In the descaling process, it is preferable that the maximum roughness R max of the surface of the spring material is 5 μm or less. When R max exceeds 5 μm, the uniformity of nitriding becomes insufficient, and surface polishing of the obtained coil spring may be necessary. The descale treatment is performed by shot peening using a condition that causes relatively weak blasting, that is, micro-shot, so as not to increase the surface roughness of the spring material. Examples of micro shots include a method of using relatively soft glass beads and abrasive grains, using a fine cut wire having a diameter of 0.3 mm or less, or using a steel shot having a diameter of 0.3 mm or less. it can. By these methods, the maximum roughness R max of the surface roughness of the spring material can be reduced to 5 μm or less. By performing descale by micro shot, the oxide film can be removed and nitriding in the next step can be facilitated.

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、白層の形成を4μm以下に抑制するためにアンモニアガスによる軟窒化処理とし、400〜480℃で2〜4時間の窒化処理が望ましい。窒化処理温度が400℃未満では、コイルばねの表面層が硬化不足となり、また、480℃を越えると内部硬さが低下して、耐疲労性の高い高強度コイルばねを得ることが出来ない。   The nitriding treatment can be performed in an atmosphere such as nitrogen gas or ammonia gas. In order to suppress the formation of the white layer to 4 μm or less, soft nitriding treatment with ammonia gas is performed at 400 to 480 ° C. for 2 to 4 hours. Nitriding is desirable. When the nitriding temperature is less than 400 ° C., the surface layer of the coil spring becomes insufficiently cured, and when it exceeds 480 ° C., the internal hardness is lowered and a high-strength coil spring with high fatigue resistance cannot be obtained.

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。長時間処理はコスト的にも好ましくない。   Furthermore, if the nitriding time is less than 2 hours, the formation of a hardened layer accompanying the nitriding treatment becomes non-uniform, and if it exceeds 4 hours, a more effective nitrided layer suitable for long-time treatment cannot be obtained. Long-time treatment is not preferable in terms of cost.

次に、窒化処理後のコイルばねに2段ショットピーニングを施す。ショットピーニングは、表面部が窒化処理されて硬化したコイルばねに残留応力を付与して、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。残留応力は表層部分で高く且つ内部深くまで賦与することが望ましく、そのため、ショット方法の異なる第1と第2との2段のショットピーニングを施すことが好ましい。   Next, two-stage shot peening is applied to the coil spring after nitriding. Shot peening is performed for the purpose of increasing the fatigue strength of the coil spring by applying residual stress to the coil spring that has been hardened by nitriding the surface portion. The residual stress is desirably high in the surface layer portion and deeply applied to the inside, and therefore, it is preferable to perform two-stage shot peening of the first and second different shot methods.

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。   In the first shot peening process, first, a shot having a large particle diameter is projected onto a coil spring at a high speed, for example, to apply a residual stress to a deep position inside the surface.

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投射し、表面部にさらに大きな残留応力を付与する。この工程では第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。   In the second shot peening process, a shot having a particle diameter smaller than that used in the first shot peening process is used for projection, and a larger residual stress is applied to the surface portion. In this step, the effect can be further enhanced by using one having a higher hardness than the shot used in the first shot peening step or by projecting the shot at a high speed.

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。   By the above steps, since the residual stress on the surface is high and the residual stress can be applied to a deep position inside, the fatigue strength of the coil spring can be greatly improved.

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。   The shot used in the first shot peening step is preferably a shot having a diameter of 0.4 to 1.0 mm and a hardness in the range of Hv 500 to 800 in order to apply residual stress to a deep position inside.

また、第2ショットピーニング工程では表面部の残留応力を高めるために、第1ショットピーニング工程よりも小さい、径が0.05〜0.3mm程度で、硬さがHv700〜900のショット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。しかし、表面の最大高さ粗さRmaxを5μm以下とするために、エアー圧力を0.1〜0.4MPaとして1〜10分程度のショットピーニングとすることがよい。 In the second shot peening process, in order to increase the residual stress of the surface portion, a shot having a diameter of about 0.05 to 0.3 mm and a hardness of Hv 700 to 900 is used, which is smaller than that in the first shot peening process. It is preferable. In this case, it is desirable to project a shot with high-pressure air, and a remarkably high residual stress can be formed near the surface by this high-pressure projection. However, in order to set the maximum height roughness R max of the surface to 5 μm or less, it is preferable to set the air pressure to 0.1 to 0.4 MPa and to perform shot peening for about 1 to 10 minutes.

続いて、2段ショットピーニング後のコイルばねに低温焼きなましを施すことが望ましい。この低温焼き鈍しはショットピーニングによる異常に大きな内部歪みを除去する目的で行うものであり、一般的には200〜300℃で3〜60分程度の加熱処理である。   Subsequently, it is desirable to subject the coil spring after the two-stage shot peening to low temperature annealing. This low-temperature annealing is performed for the purpose of removing abnormally large internal strain caused by shot peening, and is generally a heat treatment at 200 to 300 ° C. for about 3 to 60 minutes.

以上のようにして、従来よりも安価で高い強度と靭性と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。   As described above, it is possible to obtain a high-strength coil spring having lower strength and higher strength and toughness than conventional ones. This high-strength coil spring can be suitably used as a damper spring for clutch torsion of an automatic transmission of an automatic vehicle or a valve spring of an engine.

以下、実施例により具体的に説明する。   Hereinafter, specific examples will be described.

[試料の調製]
参考例1)
コイルばねの素材として、C:0.65質量%(以下、特に明記しない限り質量%とする)、Si:2.23%、Mn:0.54%、Cr:1.18%、V:0.15%、Co:0.20%で、不可避的不純物としては、P:0.01%、S:0.005%、Cu:0.003%を含み、残部がFeとからなり、引張り強さが2246MPa、絞りが50%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15μmであった。
[Sample preparation]
( Reference Example 1)
As a material of the coil spring, C: 0.65% by mass (hereinafter referred to as mass% unless otherwise specified), Si: 2.23%, Mn: 0.54%, Cr: 1.18%, V: 0 .15%, Co: 0.20%, unavoidable impurities include P: 0.01%, S: 0.005%, Cu: 0.003%, with the balance being Fe, and tensile strength An alloy steel oil tempered wire having a length of 2246 MPa and a drawing of 50% was used. The maximum nonmetallic inclusion in the oil tempered wire was 15 μm.

前記のオイルテンパー線をコイリングし、線径:3.2mm、コイル中心径:20.2mm、総巻数:5.9巻、有効巻数:3.9巻、自由高さ:47.0mm、ばね定数:30.0N/mmのコイルばねを成形した。   Coiled with the above oil tempered wire, wire diameter: 3.2 mm, coil center diameter: 20.2 mm, total number of turns: 5.9 turns, effective number of turns: 3.9 turns, free height: 47.0 mm, spring constant : A 30.0 N / mm coil spring was molded.

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。   Next, this coil spring was heat-treated at 435 ° C. for 10 minutes to remove residual stress and residual strain generated during coil forming. Thereafter, a micro-shot for 20 minutes was performed using a steel ball having a diameter of 0.2 mm to remove the oxide film on the surface.

次に、アンモニアガス雰囲気下で440℃×3時間の窒化処理を施し、コイル表面に窒化層を形成した。   Next, nitriding treatment was performed at 440 ° C. for 3 hours in an ammonia gas atmosphere to form a nitride layer on the coil surface.

第1ショットピーニング工程は、窒化処理後に直径0.6mmのラウンドカットワイヤを使用して10分間のショットピーニングを行った。   In the first shot peening process, shot peening was performed for 10 minutes using a round cut wire having a diameter of 0.6 mm after nitriding.

第2ショットピーニング工程は、直径0.25mm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コイル表面に圧縮残留応力を付与した。次いで230℃、10分間の低温焼きなましを施して、異常に大きな内部歪みを除去して参考例1の高強度コイルばねを得た。 In the second shot peening process, a round cut wire having a diameter of 0.25 mm was projected with air for 5 minutes to perform shot peening and to apply compressive residual stress to the coil surface. Next, low-temperature annealing at 230 ° C. for 10 minutes was performed to remove abnormally large internal strain, and a high-strength coil spring of Reference Example 1 was obtained.

(実施例2)
参考例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450℃×3時間とした以外は、参考例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。
(Example 2)
Exactly the same shape, manufacturing process and manufacturing conditions as in Reference Example 1 except that an oil tempered wire having the same composition as in Reference Example 1 and the same mechanical properties was used, and the nitriding conditions were 450 ° C. × 3 hours. Thus, a high-strength coil spring of Example 2 was obtained.

(実施例3)
参考例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475℃×3時間とした以外は、参考例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。
(Example 3)
Except for using an oil tempered wire having the same composition as in Reference Example 1 and the same mechanical properties, the shape, manufacturing process and manufacturing conditions were exactly the same as in Reference Example 1 except that the nitriding conditions were 475 ° C. × 3 hours. Thus, a high-strength coil spring of Example 3 was obtained.

(比較例)
コイルばねの素材として、C:0.64%、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からなり、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、参考例1と同様の形状のコイルばねを形成し、その後、参考例1と同様にして比較例のコイルばねを得た。
(Comparative example)
As the material of the coil spring, C: 0.64%, Si: 2.06%, Mn: 0.78%, Cr: 0.70%, V: 0.07%, and unavoidable impurities are P: 0.008%, S: 0.014%, Cu: includes 0.04%, the balance being Fe, a tensile strength of 2103MPa, diaphragm with alloy steel oil-tempered wire 50.7% reference example 1 was formed, and then a comparative example coil spring was obtained in the same manner as in Reference Example 1.

[評価]
(評価方法)
上記で得られた各コイルばね(以後、試料という)について、白層の厚さ、表層部硬さ、内部硬さ、表面の最大粗さ、および疲労特性を測定した。なお、白層の厚さ、表層部硬さ、内部硬さ、表面の最大粗さは、コイルばねの内周側で各々所定の数点を測定した。測定方法は以下の通りである。
[Evaluation]
(Evaluation methods)
About each coil spring (henceforth a sample) obtained above, the thickness of the white layer, surface layer part hardness, internal hardness, the maximum roughness of the surface, and the fatigue characteristic were measured . The white layer thickness, surface layer hardness, internal hardness, and maximum surface roughness were measured at several predetermined points on the inner peripheral side of the coil spring. The measuring method is as follows.

(a)白層の厚さは、得られた各試料の断面を研磨し、ナイタールでエッチングして白層を明確にしてから金属顕微鏡で測定し、視野中の最大値と最小値とを求めた。   (A) The thickness of the white layer is determined by polishing the cross section of each obtained sample, etching with nital to clarify the white layer, and measuring with a metallurgical microscope to obtain the maximum and minimum values in the field of view. It was.

(b)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入った表層部と0.3mm入った内部とを各2箇所測定し、各々平均して求めた。なお、実施例2および比較例についてはコイルばね断面の硬さ分布を測定した(図1)。 (B) In the hardness test, the cross section of each obtained sample was polished, and the surface layer portion 0.02 mm from the surface of the spring to the inside and the inside containing 0.3 mm were obtained with micro Vickers (load 50 g). Two points were measured and each averaged. Incidentally, to measure the hardness distribution of the coil spring section for Comparative Examples and Best Embodiment 2 (FIG. 1).

(c)表面の最大粗さRmaxは、JISB0601(1982年版)に準拠して測定した。 (C) The maximum surface roughness R max was measured according to JIS B0601 (1982 edition).

(d)疲労特性は、星型ばね疲労試験機を用いて、平均応力:750MPa、応力振幅:640MPa、回転数:1800rpmで試験し、同時に試験に供した8個の試料のうち107回までに折損する試料の個数を折損確率として求めた。 (D) Fatigue properties were tested with a star spring fatigue tester at an average stress of 750 MPa, a stress amplitude of 640 MPa, and a rotation speed of 1800 rpm, and at the same time up to 10 7 times out of 8 samples subjected to the test. The number of samples that breaks was determined as the breakage probability.

測定結果を表1と図1に示す。   The measurement results are shown in Table 1 and FIG.

Figure 0004152364
Figure 0004152364

(評価結果)
実施例2および3は窒化温度以外は全て同一の条件で作製したものである。窒化温度の上昇に伴い、表層部硬さは上昇し、内部硬さは低下する傾向にあることが分かる。また、表層部硬さの上昇に伴い表面粗さは小さくなっている。白層厚さは実施例3で若干認められものの本発明の限定範囲内である。実施例2、3はこれらの特性を有するので、折損確率は0/8と極めて優れた疲労特性を有することが分かる。
(Evaluation results)
Examples 2 and 3 were all manufactured under the same conditions except for the nitriding temperature. It can be seen that the hardness of the surface layer portion increases and the internal hardness tends to decrease as the nitriding temperature increases. Further, the surface roughness is reduced as the surface layer hardness increases. Although the white layer thickness is slightly recognized in Example 3, it is within the limited range of the present invention. Since Example 2, 3 having these properties, fracture probability found to have excellent fatigue properties and 0/8.

ところが、素材以外は全て参考例1と同一条件で作製した比較例では、表層部硬さも内部硬さも参考例1に比べて低いものであった。このため疲労試験では同時に試験に供した8個中7個が折損してしまった。 However, in the comparative example produced under the same conditions as in Reference Example 1 except for the material, both the surface layer hardness and the internal hardness were lower than in Reference Example 1. For this reason, in the fatigue test, 7 out of 8 pieces subjected to the test were broken at the same time.

なお、図1にはばねの断面における半径方向の硬さ分布を実施例2および比較例とについて示した。実施例2は比較例に比べて表層近傍のみならず中心部まで高硬度であることが分かる。 Incidentally, the hardness distribution in the radial direction in the cross section of the spring shown for the comparative example and our Example 2 in Figure 1. It can be seen that Example 2 has a high hardness not only in the vicinity of the surface layer but also in the center as compared with the comparative example.

以上のように、本発明によれば、従来技術になる比較例よりもはるかに高い耐久性を有する高強度コイルばねを、製造コストを高めることなく得られることが分かった。   As described above, according to the present invention, it has been found that a high-strength coil spring having much higher durability than that of the comparative example that is the prior art can be obtained without increasing the manufacturing cost.

本発明の高強度コイルばねは、オートマティック車における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などに用いて好適である。   The high-strength coil spring of the present invention is suitable for use as a damper spring for a clutch torsion of an automatic transmission or an engine valve spring in an automatic vehicle.

ばねの断面における半径方向の硬さ分布の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the hardness distribution of the radial direction in the cross section of a spring.

Claims (1)

質量%で、C:0.63〜0.68%、Si:2.1〜2.3%、Mn:0.5〜0.7%、Cr:1.1〜1.3%、V:0.1〜0.3%、Co:0.1〜0.3%を含有し、残部が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、引張強さが2000MPa以上、絞りが38%以上である鋼のオイルテンパー線を素材とし、窒化処理により形成される白層の厚さが4μm以下で、かつ表層部(表面から0.02mm付近)の硬さがHv700〜900、および表面から0.3mmの内部硬さがHv580以上であり、かつ表面の最大粗さR max が5μm以下でさらに平均応力が750MPaで振幅応力が640MPaの時に1×10 7 回以上の耐久性をもつことを特徴とする高強度コイルばね。 In mass%, C: 0.63 to 0.68%, Si: 2.1 to 2.3%, Mn: 0.5 to 0.7%, Cr: 1.1 to 1.3%, V: 0.1 to 0.3%, Co: 0.1 to 0.3%, with the balance being Fe and unavoidable impurities, among the unavoidable impurities, P: 0.05% or less, S: 0.025% or less, Cu: 0.2% or less, the maximum non-metallic inclusions are 15 μm, the tensile strength is 2000 MPa or more, and the steel oil temper wire having a drawing of 38% or more is used as a raw material, and is formed by nitriding treatment. The thickness of the white layer is 4 μm or less, the hardness of the surface layer portion (around 0.02 mm from the surface) is Hv 700 to 900, the internal hardness of 0.3 mm from the surface is Hv 580 or more, and the maximum surface When the roughness R max is 5 μm or less, the average stress is 750 MPa, and the amplitude stress is 640 MPa A high-strength coil spring characterized by having a durability of 1 × 10 7 times or more .
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