JP7549459B2 - Compression spring - Google Patents
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Description
本発明は、たとえば自動車のエンジンやクラッチ内で使用される圧縮コイルばねに関し、特に、高応力下の使用環境においても優れた耐疲労性を有する圧縮コイルばねに関する。 The present invention relates to a compression coil spring used, for example, in an automobile engine or clutch, and in particular to a compression coil spring that has excellent fatigue resistance even in a high-stress operating environment.
近年、環境問題を背景に自動車への低燃費化の要求が年々厳しくなっており、自動車部品に対する小型軽量化がこれまで以上に強く求められている。この小型軽量化の要求に対し、たとえばエンジン内で使用されるバルブスプリングや、クラッチ内で使用されるクラッチトーションスプリングをはじめとする圧縮コイルばね部品においては、材料の高強度化や、表面処理による表面強化の研究が盛んであり、その結果をもってコイルばねの特性として重要な耐疲労性の向上や、耐へたり性の向上を図ってきている。 In recent years, with environmental issues as a backdrop, the demand for improved fuel efficiency in automobiles has been getting stricter every year, and there is a stronger demand than ever before for automobile parts to be made smaller and lighter. In response to this demand for smaller and lighter parts, there has been active research into increasing the strength of materials and strengthening surfaces through surface treatments, for compression coil spring parts such as valve springs used in engines and clutch torsion springs used in clutches, and as a result, efforts have been made to improve fatigue resistance and settling resistance, which are important characteristics of coil springs.
材料の高強度化や窒化やショットピーニングなどの表面強化技術が進歩し、その結果、疲労折損の起点が表面ではなく内部に移行してきている。また、内部起点については、その殆どが介在物を起点としたものであることが知られている。 Advances in material strength and surface strengthening technologies such as nitriding and shot peening have resulted in the initiation of fatigue breakage moving from the surface to the interior. It is also known that most internal initiation points originate from inclusions.
内部起点による破壊に対しては、圧縮残留応力を付与することが有効である。たとえば、特許文献1では、高周波加熱で線材をオーステナイト域に加熱後、コイリングを行うことで、加工による残留応力の発生を防止することができ、優れた耐疲労性を得ることができるとされている。 To prevent internally initiated fracture, it is effective to impart compressive residual stress. For example, Patent Document 1 claims that by heating the wire to the austenite region using high-frequency heating and then coiling it, it is possible to prevent the generation of residual stress due to processing and obtain excellent fatigue resistance.
しかしながら、特許文献1に記載された技術のように圧縮残留応力を付与しても、介在物を起点とする内部破壊はゼロとはならないことが判明している。すなわち、圧縮残留応力を付与しても、結晶粒間の歪や結晶粒内の歪が大きい場合に介在物折損の確率が上がることが分かった。 However, it has been found that even if compressive residual stress is applied as in the technology described in Patent Document 1, internal fracture originating from inclusions cannot be reduced to zero. In other words, it has been found that even if compressive residual stress is applied, the probability of inclusion breakage increases when the strain between crystal grains or within crystal grains is large.
したがって、本発明は、結晶粒間の歪と結晶粒内の歪を低減することによって介在物を起点とする折損を抑制して耐疲労性を向上させた圧縮コイルばねを提供することを目的としている。 Therefore, the present invention aims to provide a compression coil spring that reduces strain between and within crystal grains, thereby suppressing breakage caused by inclusions and improving fatigue resistance.
本発明者は、上記事象から、結晶粒間の歪と結晶粒内の歪が小さい場合には、介在物折損の確率が減少するとの知見を得て、適切な高周波加熱条件、コイリング条件、焼入れ焼戻し条件を組み合わせることにより、結晶粒間の歪と結晶粒内の歪を低減させることが可能であることを見出した。 The inventor learned from the above phenomenon that the probability of inclusion breakage decreases when the strain between and within crystal grains is small, and discovered that it is possible to reduce the strain between and within crystal grains by combining appropriate high-frequency heating conditions, coiling conditions, and quenching and tempering conditions.
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、重量%で、Cを0.45~0.8%、Siを0.15~3.0%、Mnを0.3~1.2%、Crを0.5~2.0%含むと共に任意成分として、Niを1.5%以下、Vを0.5%以下、Moを1.5%以下、Wを0.5%以下のうち1種または2種以上を含み、残部が鉄および不可避不純物からなる円相当直径dが1.5~10.0mmの鋼線材を用いた圧縮コイルばねであって、前記圧縮コイルばねの有効部任意横断面のコイル内径側表面から0.2mm深さとd/4深さ(dは線材径)において以下の物理的特性を有することを特徴とする圧縮コイルばねである。
(1)SEM/EBSD(Electron Back Scatter Diffraction)法によるGOS(Grain Oriented Spread)マップの測定で、GOS値が3°未満の結晶粒の面積率が85%以上である。
(2)SEM/EBSD法によるKAM(Karnel Average Misorientation)マップの測定で、KAM値が3°未満のピクセルの面積率が95%以上である。
(3)硬さが580~700HVである。
The present invention has been made based on the above findings, and is a compression coil spring using a steel wire having a circle equivalent diameter d of 1.5 to 10.0 mm, containing, by weight, 0.45 to 0.8% C, 0.15 to 3.0% Si, 0.3 to 1.2% Mn , 0.5 to 2.0% Cr , and one or more of 1.5% or less Ni, 0.5% or less V, 1.5% or less Mo, and 0.5% or less W as optional components, with the balance being iron and unavoidable impurities, wherein the compression coil spring has the following physical properties at a depth of 0.2 mm and a depth of d/4 (d is the wire diameter) from the surface of the inner diameter side of the coil in an arbitrary cross section of an effective portion of the compression coil spring.
(1) When a grain oriented spread (GOS) map is measured by a SEM/EBSD (Electron Back Scatter Diffraction) method, the area ratio of crystal grains having a GOS value of less than 3° is 85% or more.
(2) In a KAM (Kernel Average Misorientation) map measured by the SEM/EBSD method, the area ratio of pixels having a KAM value of less than 3° is 95% or more.
(3) The hardness is 580 to 700 HV.
ここで、GOS値とは、各結晶粒内における全ピクセル間の方位差の平均値をその結晶粒の値として示した結晶粒間における歪勾配を表す指標である。「GOS値が3°未満」を「GOS<3°」と表す。本発明では、GOS<3°の結晶粒が占める観察視野全体に対する面積率を85%以上と規定する。GOS<3°の結晶粒が占める観察視野全体に対する面積率が85%以上であると、結晶粒間の歪が少ない組織が得られていることを意味する。 Here, the GOS value is an index representing the strain gradient between crystal grains, where the average value of the orientation difference between all pixels in each crystal grain is the value of that crystal grain. "GOS value less than 3°" is represented as "GOS < 3° ". In the present invention, the area ratio of crystal grains with GOS < 3° to the entire observation field is specified to be 85% or more. When the area ratio of crystal grains with GOS < 3° to the entire observation field is 85% or more, it means that a structure with little strain between crystal grains is obtained.
また、KAM値とは、注目するピクセルと隣接する6つのピクセル間の方位差の平均値を計算しその値を中心のピクセルの値として示した結晶粒内における歪勾配を表す指標である。「KAM値が3°未満」を「KAM<3°」と表す。本発明では、KAM<3°のピクセルが占める観察視野全体に対する面積率を95%以上と規定する。KAM<3°のピクセルが占める観察視野全体に対する面積率が95%以上であると、結晶粒内の歪が低減された結晶粒が得られていることを意味する。 The KAM value is an index representing the strain gradient within a crystal grain, calculated as the average value of the orientation differences between a pixel of interest and six adjacent pixels, and expressed as the value of the central pixel. "KAM value less than 3°" is represented as "KAM < 3° ". In the present invention, the area ratio of pixels with KAM < 3° to the entire observation field is specified as 95% or more. When the area ratio of pixels with KAM < 3° to the entire observation field is 95% or more, it means that a crystal grain with reduced strain within the crystal grain has been obtained.
以下に、本発明に規定する数値範囲の限定理由を説明する。まず、本発明に用いる鋼線材の化学成分の限定理由について説明する。本発明においては、Cを0.45~0.8%、Siを0.15~3.0%、Mnを0.3~1.2%、Crを0.5~2.0%を少なくとも含む鋼線材を用いる。なお、以下の説明において、「%」は「重量%」を意味する。 The reasons for limiting the numerical ranges stipulated in the present invention will be explained below. First, the reasons for limiting the chemical components of the steel wire rod used in the present invention will be explained. In the present invention, a steel wire rod containing at least 0.45-0.8% C, 0.15-3.0% Si, 0.3-1.2% Mn , and 0.5-2.0% Cr is used. In the following explanation, "%" means "weight %".
(1)材料成分
C:0.45~0.8%
Cは、強度向上に寄与する。Cの含有量が0.45%未満では、強度向上の効果が十分に得られないため、耐疲労性、耐へたり性が不十分となる。一方、Cの含有量が0.8%を超えると、靭性が低下して割れが発生し易くなる。このため、Cの含有量は0.45~0.8%とする。
(1) Material component C: 0.45-0.8%
C contributes to improving strength. If the C content is less than 0.45%, the effect of improving strength is not sufficiently obtained, and fatigue resistance and sag resistance become insufficient. If the C content exceeds 0.8%, the toughness decreases and cracks tend to occur. Therefore, the C content is set to 0.45 to 0.8%.
Si:0.15~3.0%
Siは、鋼の脱酸に有効であると共に、強度向上や焼戻し軟化抵抗向上に寄与する。Siの含有量が0.15%未満では、これらの効果が十分に得られない。一方、Siの含有量が3.0%を超えると靭性が低下して割れが発生し易くなると共に、脱炭を助長し線材表面強度の低下を招く。このため、Siの含有量は0.15~3.0%とする。Siの含有量は0.5%以上が望ましく、1.0%以上がさらに望ましい。
Si:0.15~3.0%
Silicon is effective in deoxidizing steel and also contributes to improving strength and temper softening resistance. If the silicon content is less than 0.15%, these effects cannot be sufficiently obtained. If the content exceeds 3.0%, the toughness decreases, making cracks more likely to occur, and it also promotes decarburization, resulting in a decrease in the wire rod surface strength. The Si content is preferably 0.5% or more, and more preferably 1.0% or more.
Mn:0.3~1.2%
Mnは焼入れ性の向上に寄与する。Mnの含有量が0.3%未満では、十分な焼入れ性を確保し難くなり、また、延性および靭性に有害となるSの固着(MnS生成)の効果も乏しくなる。一方、Mnの含有量が1.2%を超えると、延性が低下し、割れや表面キズが発生し易くなる。このため、Mnの含有量は0.3~1.2%とする。
Cr:0.5~2.0%
Crは脱炭を防止するのに有効であると共に、強度向上や焼戻し軟化抵抗向上に寄与し、耐疲労性の向上に有効である。また、温間での耐へたり性向上にも有効である。このため、本発明においては、Crを0.5~2.0%含有する。Crの含有量が0.5%未満では、これらの効果を十分に得られない。一方、Crの含有量が2.0%を超えると、靭性が低下し、割れや表面キズが発生し易くなる。
Mn: 0.3-1.2%
Mn contributes to improving hardenability. If the Mn content is less than 0.3%, it becomes difficult to ensure sufficient hardenability, and the effect of fixing S (MnS formation), which is detrimental to ductility and toughness, is suppressed. On the other hand, if the Mn content exceeds 1.2%, the ductility decreases and cracks and surface scratches tend to occur. For this reason, the Mn content is set to 0.3 to 1.2%. Let us assume that.
Cr:0.5~2.0%
Cr is effective in preventing decarburization, and also contributes to improving strength and tempering softening resistance, and is effective in improving fatigue resistance. It is also effective in improving sag resistance in warm conditions. For this reason, in the present invention, the Cr content is set to 0.5 to 2.0%. If the Cr content is less than 0.5%, these effects cannot be obtained sufficiently. If the amount exceeds 2.0%, the toughness decreases, and cracks and surface scratches tend to occur.
なお、これら添加元素は本発明を構成するうえで最低必要な元素であって、他元素の添加を限定するものではない。すなわち、本発明においては、ばね鋼の成分組成として一般的に用いられているNiを1.5%以下、Vを0.5%以下、Moを1.5%以下、Wを0.5%以下のうち1種または2種以上をその目的に応じて適宜添加することが可能であり、その結果、より高性能、若しくは、用途により適したコイルばねの製造も可能となる。 These added elements are the minimum elements necessary to constitute the present invention, and do not limit the addition of other elements. In other words, in the present invention, it is possible to appropriately add one or more of the following elements generally used as the composition of spring steel: Ni 1.5% or less, V 0.5% or less, Mo 1.5% or less, and W 0.5% or less, depending on the purpose, and as a result, it is possible to manufacture coil springs with higher performance or more suitable for the application .
(2)GOS<3°
本発明では、圧縮コイルばねの有効部任意横断面のコイル内径側表面から0.2mm深さとd/4深さ(dは線材径)におけるSEM/EBSD法によるGOSマップの測定で、GOS<3°の結晶粒の面積率が85%以上である。GOS値が3°未満と小さいこと、すなわち、結晶粒間の歪が小さいことにより、介在物感受性が減少し、かつ、圧縮残留応力が入りやすくなる。したがって、そのような結晶が面積率で85%以上であるから、耐疲労性を向上させることができる。
(2) GOS < 3°
In the present invention, the area ratio of crystal grains with a GOS < 3° is 85% or more in a GOS map measured by SEM/EBSD method at a depth of 0.2 mm and a depth of d/4 (d is the wire diameter) from the coil inner diameter side surface of an arbitrary cross section of the effective portion of the compression coil spring. Since the GOS value is small, less than 3°, that is, the strain between crystal grains is small, the inclusion sensitivity is reduced and compressive residual stress is easily introduced. Therefore, since the area ratio of such crystals is 85% or more, fatigue resistance can be improved.
(3)KAM<3°
本発明では、圧縮コイルばねの有効部任意横断面のコイル内径側表面から0.2mm深さとd/4深さにおけるSEM/EBSD法によるKAMマップの測定で、KAM<3°のピクセルの面積率が95%以上である。KAM値が3°未満と小さいこと、すなわち、ピクセル間の歪が小さいことにより、介在物感受性が減少し、かつ、圧縮残留応力が入りやすくなる。したがって、そのようなピクセルが面積率で95%以上であるから、耐疲労性を向上させることができる。
(3) KAM < 3°
In the present invention, in a KAM map measurement by SEM/EBSD method at a depth of 0.2 mm and a depth of d/4 from the inner diameter surface of the coil in an arbitrary cross section of the effective portion of the compression coil spring, the area ratio of pixels with KAM < 3° is 95% or more. Since the KAM value is small, less than 3°, that is, the distortion between pixels is small, the inclusion sensitivity is reduced and compressive residual stress is easily introduced. Therefore, since the area ratio of such pixels is 95% or more, fatigue resistance can be improved.
(4)硬さ
高負荷応力下で使用されるバルブスプリングやクラッチトーションスプリング等としては、要求される耐疲労性と耐へたり性を満足するために、線材自体の強度も重要である。すなわち、圧縮コイルばねの有効部任意横断面のコイル内径側表面から0.2mm深さとd/4深さにおける硬さが580~700HVであることが必要である。硬さがこのような範囲であると、破壊起点となる0.1~0.4mmの深さにおける圧縮残留応力を十分に得ることができる。このため、内部起点の破壊が防止され、高い耐疲労性を得ることができる。
(4) Hardness For valve springs, clutch torsion springs, etc. used under high load stress, the strength of the wire itself is also important in order to satisfy the required fatigue resistance and sag resistance. That is, the hardness at a depth of 0.2 mm and a depth of d/4 from the inner diameter side surface of the coil in any cross section of the effective part of the compression coil spring must be 580 to 700 HV. If the hardness is in this range, sufficient compressive residual stress can be obtained at a depth of 0.1 to 0.4 mm, which is the fracture origin. Therefore, fracture at the internal origin is prevented, and high fatigue resistance can be obtained.
硬さが580HV未満の場合は、その材料強度の低さから十分な耐疲労性と耐へたり性が得られない。また、硬さが700HVを超えた場合は、靭性の低下に伴う切欠き感受性の高まりから、コイリング時にツール類との擦れにより発生した表面キズや、ショットピーニングで形成される線材表面粗さの谷部を起点とした亀裂発生による早期折損の危険性が増大し、信頼性が重要な自動車部品として用いるには不適となる。なお、硬さは、580HV~690HVであるとより好ましい。 If the hardness is less than 580HV, the material strength is so low that sufficient fatigue resistance and settling resistance cannot be obtained. Furthermore, if the hardness exceeds 700HV, the notch sensitivity increases with the decrease in toughness, increasing the risk of early breakage due to surface scratches caused by rubbing against tools during coiling and cracks that originate from valleys in the wire surface roughness formed by shot peening, making the material unsuitable for use as an automobile part where reliability is important. A hardness of 580HV to 690HV is more preferable.
(5)平均結晶粒径
圧縮コイルばねの有効部任意横断面のコイル内径側表面から0.2mm深さおよび/またはd/4深さにおけるSEM/EBSD法によるIPF マップ(方位角度差3°以上の境界を粒界とする)の測定で、平均結晶粒径が2.0μm以下であることが好ましい。平均結晶粒径が2.0μmを超えた場合には、十分な耐疲労性を得難くなる。そして、平均結晶粒径が小さいこと、すなわち、旧γ粒内のブロックやラスが微細であることは、亀裂進展に対する抵抗が大きいため、耐疲労性の向上に対し好適である。
(5) Average grain size It is preferable that the average grain size is 2.0 μm or less when an IPF map (boundaries with an orientation angle difference of 3° or more are regarded as grain boundaries) is measured at a depth of 0.2 mm and/or a depth of d/4 from the inner diameter surface of the coil in any cross section of the effective portion of the compression coil spring by the SEM/EBSD method. If the average grain size exceeds 2.0 μm, it becomes difficult to obtain sufficient fatigue resistance. And, a small average grain size, i.e., blocks and laths in prior γ grains are fine, is preferable for improving fatigue resistance because it has a high resistance to crack propagation.
(6)表面粗さ
高負荷応力下で使用されるバルブスプリングやクラッチトーションスプリング等としては、要求される耐疲労性を満足するために、上述の圧縮残留応力分布と共に表面粗さも重要である。本発明者が破壊力学的計算とその検証実験を行った結果、表面起点による亀裂の発生・進展に対しては、表面キズの深さ(すなわち、表面粗さRz(最大高さ))を20μm以下とすることで、その影響を無害化できることが判明している。このため、表面粗さRzが、20μm以下であることが好ましい。Rzが20μmを超える場合、表面粗さの谷部が応力集中源となり、その谷部を表面起点とした亀裂の発生・進展が起こり易くなるため、早期折損を招き易くなる。
(6) Surface Roughness For valve springs, clutch torsion springs, etc. used under high load stress, in order to satisfy the required fatigue resistance, the above-mentioned compressive residual stress distribution as well as the surface roughness are important. As a result of the inventor's fracture mechanics calculation and its verification experiment, it has been found that the effect of cracks originating from the surface and their propagation can be neutralized by making the depth of the surface scratches (i.e., the surface roughness Rz (maximum height)) 20 μm or less. For this reason, it is preferable that the surface roughness Rz is 20 μm or less. If Rz exceeds 20 μm, the valleys of the surface roughness become a stress concentration source, and cracks are likely to occur and propagate with the valleys as the surface origin, which leads to early breakage.
表面粗さは、コイリング時におけるツール類との擦れや、ショットピーニング処理により形成されるものである。ショットピーニング処理により形成される表面粗さについては、線材の硬さと、ショットの粒径・硬さ・投射速度といった条件との組み合わせによりその大きさが決まる。よって、線材の硬さに対し、Rzが20μmを超えないようショットピーニングの条件は適宜設定する必要がある。 Surface roughness is formed by friction with tools during coiling and by shot peening. The magnitude of the surface roughness formed by shot peening is determined by a combination of the hardness of the wire and conditions such as the grain size, hardness, and projection speed of the shot. Therefore, it is necessary to set the shot peening conditions appropriately so that Rz does not exceed 20 μm relative to the hardness of the wire.
(7)残留応力
ばねの線材表面近傍に圧縮残留応力を付与することにより、耐疲労性を高めることができる。圧縮残留応力は、ばねに圧縮荷重を負荷した場合の略最大主応力方向、すなわち、コイル内径側表面から上記した所定深さにおける線材の軸方向に対し+45°方向のものである。
(7) Residual Stress By applying compressive residual stress to the vicinity of the wire surface of the spring, the fatigue resistance can be improved. The compressive residual stress is in the direction of the approximate maximum principal stress when a compressive load is applied to the spring, i.e., in the direction of +45° to the axial direction of the wire at the above-mentioned predetermined depth from the inner diameter side surface of the coil.
ばねにおける線材表面から内部に亘る圧縮残留応力分布は、ショットピーニングと必要に応じてセッチングにより与えられる。ショットピーニングによって線材の表面から例えば20μm以下の深さまで凹凸にする塑性加工が行われ、その塑性加工によって深部まで圧縮残留応力が付与される。特に、実質的に破壊起点となっている深さ0.1~0.4mm程度の範囲の圧縮残留応力を更に大きくすることが重要である。そして、その線材内部での圧縮残留応の大きさを示す指標としては、クロッシングポイントが、たとえば線径1.5mm以上3.0mm未満の線材を用いた場合は、表面から深さ0.10mm以上、線径3.0mm以上5.0mm未満の線材を用いた場合は、表面から深さ0.20mm以上、線径5.0mm以上の線材を用いた場合は、表面から深さ0.25mm以上であることが好ましい。クロッシングポイントとは、線材内部において、無負荷時に圧縮残留応力がゼロとなる表面からの深さであり、クロッシングポイントが深いことは、圧縮残留応力が表面から深くまで入っていることを示唆している。また、いずれの場合も、ばねの内径側における表面の無負荷時の最大圧縮残留応力値としては、高負荷応力が作用するバルブスプリングやクラッチトーションスプリングを対象とした場合は、620MPa以上であることが好ましい。このように圧縮残留応力分布を設定することにより、耐疲労性に優れた圧縮コイルばねを得ることができる。 The compressive residual stress distribution from the wire surface to the inside of the spring is given by shot peening and, if necessary, setting. Shot peening is performed to make the wire uneven from the surface to a depth of, for example, 20 μm or less, and the compressive residual stress is given to the deep part by the plastic processing. In particular, it is important to further increase the compressive residual stress in the range of about 0.1 to 0.4 mm deep, which is the actual starting point of the fracture. As an index showing the magnitude of the compressive residual stress inside the wire, the crossing point is preferably, for example, 0.10 mm or more deep from the surface when a wire with a wire diameter of 1.5 mm or more and less than 3.0 mm is used, 0.20 mm or more deep from the surface when a wire with a wire diameter of 3.0 mm or more and less than 5.0 mm is used, and 0.25 mm or more deep from the surface when a wire with a wire diameter of 5.0 mm or more is used. The crossing point is the depth from the surface at which the compressive residual stress becomes zero inside the wire when no load is applied, and a deep crossing point suggests that the compressive residual stress penetrates deep from the surface. In either case, the maximum compressive residual stress value on the surface on the inner diameter side of the spring when no load is applied is preferably 620 MPa or more in the case of a valve spring or a clutch torsion spring that are subjected to high load stress. By setting the compressive residual stress distribution in this manner, a compression coil spring with excellent fatigue resistance can be obtained.
ショットピーニング処理において多段ショットピーニングを施す場合は、後に実施するショットピーニング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。具体的には、ショットピーニング処理は、粒径0.6~1.2mmのショットによる第1のショットピーニング処理と、粒径0.2~0.8mmのショットによる第2のショットピーニング処理と、粒径0.02~0.50mmのショットによる第3のショットピーニング処理からなる多段ショットピーニング処理であることが好ましい。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後に実施するショットピーニングによって低減することができる。 When multiple shot peening is performed in the shot peening process, it is preferable that the sphere-equivalent diameter of the shot used in the later shot peening is smaller than the sphere-equivalent diameter of the shot used in the earlier shot peening. Specifically, it is preferable that the shot peening process is a multi-stage shot peening process consisting of a first shot peening process using shots with a particle size of 0.6 to 1.2 mm, a second shot peening process using shots with a particle size of 0.2 to 0.8 mm, and a third shot peening process using shots with a particle size of 0.02 to 0.50 mm. This allows the surface roughness increased by the earlier shot peening to be reduced by the later shot peening.
なお、ショットピーニング処理におけるショット径や段数は上記に限らず、要求性能に応じて、必要とする残留応力分布や表面粗さ等が得られれば良い。したがって、ショット径や材質、段数等は適宜選択する。また、投射速度や投射時間によっても導入される圧縮残留応力分布は異なってくるため、これらも必要に応じて適宜設定する。 The shot diameter and number of stages in the shot peening process are not limited to those mentioned above, and it is sufficient if the required residual stress distribution and surface roughness, etc., can be obtained according to the required performance. Therefore, the shot diameter, material, number of stages, etc. are selected appropriately. In addition, the induced compressive residual stress distribution also differs depending on the projection speed and projection time, so these are also set appropriately as necessary.
(8)コイルばね形状
本発明は、コイリング時の加工度が大きく、高い耐疲労性と耐へたり性の両立が必要とされる、次に挙げる仕様の圧縮コイルばねに好適である。本発明は、線材の円相当直径(線材横断面積から算出した真円とした場合の直径、角形や卵形をはじめとした非円形断面も含む)が1.5~10mm、ばね指数が3~20である、一般的に冷間成形されている圧縮コイルばねに利用できる。
(8) Coil Spring Shape The present invention is suitable for compression coil springs with the following specifications, which require a large degree of processing during coiling and require both high fatigue resistance and sag resistance: The present invention can be used for generally cold-formed compression coil springs with a wire equivalent circle diameter (the diameter calculated from the wire cross-sectional area when the wire is treated as a perfect circle, including non-circular cross sections such as rectangular and oval) of 1.5 to 10 mm and a spring index of 3 to 20.
中でも、コイリング時の加工度が大きく(すなわち、冷間成形ではコイリング加工により発生するコイル内径側の引張残留応力が大きい)、かつ、高い耐疲労性が必要とされるバルブスプリングやクラッチトーションスプリング等で使用される円相当直径が1.5~10.0mm、ばね指数が3~8である圧縮コイルばねに対し好適である。 In particular, it is suitable for compression coil springs with a circle equivalent diameter of 1.5 to 10.0 mm and a spring index of 3 to 8, which are used in valve springs and clutch torsion springs, etc., which require a large degree of processing during coiling (i.e., the tensile residual stress generated on the inner diameter side of the coil due to the coiling process during cold forming) and high fatigue resistance.
また、従来の熱間成形法とは異なり、後述するコイルばね成形機を用いるため、本発明におけるコイリング加工では芯金が不要である。したがって、成形できるばね形状の自由度が高い。すなわち本発明におけるコイルばね形状としては、コイルばねとして代表的な全巻目でコイル外径にほぼ変化がない円筒形をはじめ、これ以外の形状のコイルばねにも適用できる。たとえば、円錐形、釣鐘形、鼓形、樽形等の異形ばねの成形も可能である。 Also, unlike conventional hot forming methods, the coiling process of the present invention does not require a core bar because a coil spring forming machine, which will be described later, is used. This allows for a high degree of freedom in the spring shapes that can be formed. In other words, the coil spring shapes of the present invention can be applied to coil springs of other shapes, including cylindrical shapes, which are typical of coil springs and in which the outer diameter of the coil remains almost constant throughout all turns. For example, it is also possible to form irregularly shaped springs, such as conical, bell, drum, and barrel shapes.
また、本発明の圧縮コイルばねは、連続的に鋼線材を供給するためのフィードローラと、鋼線材をコイル状に成形するコイリング部と、鋼線材を所定巻数コイリングした後に後方より連続して供給されてくる鋼線材とを切離するための切断手段とを有し、コイリング部は、フィードローラにより供給された鋼線材を適切な位置へ誘導するためのワイヤガイドと、ワイヤガイドを経由して供給された鋼線材をコイル形状に加工するためのコイリングピンもしくはコイリングローラからなるコイリングツールと、ピッチを付けるためのピッチツールとを備えており、さらに、フィードローラの出口からコイリングツールの間において鋼線材を2.5秒以内でオーステナイト域まで昇温する加熱手段とを有するコイルばね成形機により成形され、ショットピーニング処理を施されていることが望ましい。 The compression coil spring of the present invention is preferably formed by a coil spring forming machine having a feed roller for continuously supplying steel wire, a coiling section for forming the steel wire into a coil, and a cutting means for cutting off the steel wire continuously supplied from the rear after coiling the steel wire a predetermined number of turns, and the coiling section is equipped with a wire guide for guiding the steel wire supplied by the feed roller to an appropriate position, a coiling tool consisting of a coiling pin or coiling roller for processing the steel wire supplied via the wire guide into a coil shape, and a pitch tool for applying a pitch, and further includes a heating means for heating the steel wire to the austenite region within 2.5 seconds between the outlet of the feed roller and the coiling tool, and is then subjected to a shot peening treatment.
本発明の圧縮コイルばねにおいては、加熱手段が高周波加熱であり、ワイヤガイド内における鋼線材の通過経路上若しくはワイヤガイドにおける鋼線材出口側末端とコイリングツールとの空間における鋼線材の通過経路上に鋼線材と同心となるよう高周波加熱コイルが配置されていることが好ましい。なお、鋼線材を短時間でオーステナイト域まで昇温できれば良いため、高周波加熱以外の通電加熱やレーザ加熱によって加熱を行っても良い。 In the compression coil spring of the present invention, the heating means is high-frequency heating, and it is preferable that a high-frequency heating coil is arranged concentrically with the steel wire on the passage path of the steel wire in the wire guide or on the passage path of the steel wire in the space between the outlet end of the steel wire in the wire guide and the coiling tool. Note that since it is sufficient to heat the steel wire to the austenite range in a short time, heating may be performed by electrical heating or laser heating other than high-frequency heating.
本発明の圧縮コイルばねは、連続的に鋼線材を供給するためのフィードローラと、鋼線材をコイル状に成形するコイリング部と、鋼線材を所定巻数コイリングした後に後方より連続して供給されてくる鋼線材とを切離するための切断手段とを有し、コイリング部は、フィードローラにより供給された鋼線材を適切な位置へ誘導するためのワイヤガイドと、ワイヤガイドを経由して供給された鋼線材をコイル形状に加工するためのコイリングピンもしくはコイリングローラからなるコイリングツールと、ピッチを付けるためのピッチツールとを備えており、さらに、フィードローラの出口からコイリングツールの間において鋼線材を2.5秒以内でオーステナイト域まで昇温する加熱手段とを有するコイルばね成形機により鋼線材を成形するコイリング工程と、コイリングした後に切離され温度が未だオーステナイト域にあるコイルをそのまま焼入れする焼入れ工程と、コイルを調質する焼戻し工程と、線材表面に圧縮の残留応力を付与するショットピーニング工程と、セッチング工程とを順に行う製造方法により製造することができる。 The compression coil spring of the present invention has a feed roller for continuously supplying steel wire, a coiling section for forming the steel wire into a coil, and a cutting means for cutting off the steel wire continuously supplied from the rear after coiling the steel wire by a predetermined number of turns. The coiling section has a wire guide for guiding the steel wire supplied by the feed roller to an appropriate position, a coiling tool consisting of a coiling pin or coiling roller for processing the steel wire supplied via the wire guide into a coil shape, and a pitch tool for pitching. The coil spring can be manufactured by a manufacturing method that sequentially performs the following steps: a coiling process for forming the steel wire using a coil spring forming machine having a heating means for heating the steel wire to the austenite range within 2.5 seconds between the outlet of the feed roller and the coiling tool; a quenching process for quenching the coil that has been separated after coiling and is still in the austenite range; a tempering process for tempering the coil; a shot peening process for imparting compressive residual stress to the surface of the wire; and a setting process.
本発明において、焼戻し工程は、焼入れ工程によって硬化されたコイルを適切な硬さと靭性を有するコイルに調質するのが本来の目的である。本発明においては、結晶粒間の歪を低減するとともに、結晶粒内の歪を低減するために行う。そのため、焼戻し温度は440~460℃に設定される。焼戻し温度が440℃未満では、結晶粒間の歪が残存するとともに、結晶粒内の歪の低減が充分ではなくなる。一方、焼戻し温度が460℃を超えると、コイル内径側表面から0.2mm深さとd/4深さにおける硬さが580HVに至らず、耐疲労性を向上させることができなくなる。 In the present invention, the original purpose of the tempering process is to temper the coil hardened by the quenching process into a coil with appropriate hardness and toughness. In the present invention, the tempering process is performed to reduce the distortion between the crystal grains as well as the distortion within the crystal grains. For this reason, the tempering temperature is set to 440 to 460°C. If the tempering temperature is less than 440°C, the distortion between the crystal grains remains and the distortion within the crystal grains is not sufficiently reduced. On the other hand, if the tempering temperature exceeds 460°C, the hardness at a depth of 0.2 mm and a depth of d/4 from the inner diameter side surface of the coil does not reach 580HV, and fatigue resistance cannot be improved.
表面弾性限の回復を目的とした低温時効処理を必要に応じ組み合わせても良い。ここで、低温時効処理はショットピーニング工程後、あるいは多段ショットピーニングの各段の間にて行うことができ、多段ショットピーニングにおける最終段として粒径0.02~0.30mmのショットによるショットピーニングを施す場合には、その前処理として行うことが、最表面の圧縮残留応力をより高める上で好適である。なお、セッチング工程においてへたり防止処理としてコイルに施すセッチングとしては、コールドセッチング、ホットセッチング等種々方法はあるが、所望する特性により適宜選択する。 It may be combined with low-temperature aging treatment to recover the surface elastic limit, if necessary. Here, low-temperature aging treatment can be performed after the shot peening process or between each stage of multi-stage shot peening. When shot peening with shots having a grain size of 0.02 to 0.30 mm is performed as the final stage of multi-stage shot peening, it is preferable to perform it as a pretreatment in order to further increase the compressive residual stress of the outermost surface. Note that there are various methods, such as cold setting and hot setting, for setting the coil as a treatment to prevent sagging in the setting process, and the method is selected appropriately depending on the desired characteristics.
上記のような製造方法のように熱間コイリングすることにより、加工による残留応力の発生を防止することができる。そして、鋼線材を2.5秒以内でオーステナイト域まで昇温することにより、結晶粒の粗大化を防ぐことができ、優れた耐疲労性を得ることができる。また、熱間コイリングを行うため、窒化処理のような表面強化処理を施さなくても、優れた耐疲労性を得ることができ、製造コストの低減を図ることができる。 By using hot coiling as in the manufacturing method described above, it is possible to prevent the generation of residual stress due to processing. Furthermore, by heating the steel wire to the austenite region within 2.5 seconds, it is possible to prevent the crystal grains from becoming coarse, and excellent fatigue resistance can be obtained. In addition, because hot coiling is performed, excellent fatigue resistance can be obtained without the need for surface strengthening treatment such as nitriding, and manufacturing costs can be reduced.
本発明は、ばね材として使用される炭素鋼線、硬鋼線、ピアノ線、ばね鋼線といった硬引線や、炭素鋼オイルテンパー線、クロムバナジウム鋼オイルテンパー線、シリコンクロム鋼オイルテンパー線、シリコンクロムバナジウム鋼オイルテンパー線といったオイルテンパー線等に対して適用が可能である。特に、安価な硬引線に適用することが好適である。これは、高周波加熱を利用した熱間成形によるため、安価な線材を利用しても高級元素が添加された高価なオイルテンパー線を使用した従来の冷間成形ばねよりも優れた耐疲労性のばねを得ることができるためである。 The present invention can be applied to hard-drawn wires used as spring materials, such as carbon steel wire, hard steel wire, piano wire, and spring steel wire, as well as oil-tempered wires, such as carbon steel oil-tempered wire, chrome vanadium steel oil-tempered wire, silicon chrome steel oil-tempered wire, and silicon chrome vanadium steel oil-tempered wire. It is particularly suitable for application to inexpensive hard-drawn wires. This is because hot forming using high-frequency heating makes it possible to obtain springs with superior fatigue resistance, even when inexpensive wire material is used, compared to conventional cold-formed springs that use expensive oil-tempered wire with added high-grade elements.
本発明によれば、結晶粒間の歪と結晶粒内の歪を低減することができるので、介在物を起点とする折損を抑制することができ、耐疲労性を向上させることができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the strain between crystal grains and within crystal grains, thereby suppressing breakage originating from inclusions and improving fatigue resistance.
以下、本発明の一実施形態を具体的に説明する。本発明においては、コイリング時に加熱を行うため、図1(A)に示すような熱間成形法を用いる。本実施形態では、線出機によって鋼線材をコイリングマシンへ供給し、コイリングマシンにおいて鋼線材を急速加熱後、コイル状に成形し、焼入れ槽において焼入れを行い、さらに焼戻しを行う。 One embodiment of the present invention will be described in detail below. In the present invention, a hot forming method as shown in FIG. 1(A) is used to heat the wire during coiling. In this embodiment, the steel wire is fed to a coiling machine by a wire feeder, where it is rapidly heated and then formed into a coil shape, quenched in a quenching tank, and further tempered.
図2にコイリングマシン成形部の概略を示す。図2に示すように、コイリングマシン成形部1は、連続的に鋼線材Mを供給するためのフィードローラ10と、鋼線材Mをコイル状に成形するコイリング部20と、所定巻数コイリングした後に後方より連続して供給されてくる鋼線材Mとを切り離すための切断刃30aおよび内型30bを備えた切断手段30と、フィードローラ10の出口からコイリングツール22の間において鋼線材Mを加熱する高周波加熱コイル40とを有する。コイリング部20は、フィードローラ10により供給された鋼線材Mを適切な位置へ誘導するためのワイヤガイド21と、ワイヤガイド21を経由して供給された鋼線材Mをコイル形状に加工するためのコイリングピン(もしくはコイリングローラ)22aからなるコイリングツール22と、ピッチを付けるためのピッチツール23とを備えている。
Figure 2 shows an outline of the coiling machine forming section. As shown in Figure 2, the coiling machine forming section 1 has a
コイリングマシンでの急速加熱は、高周波加熱コイル40によって行い、鋼線材を2.5秒以内でオーステナイト域に昇温させる。図3に高周波加熱コイル設置位置を示す。高周波加熱コイル40はワイヤガイド21の近傍に設置されており、鋼線材Mを加熱後、直ぐに成形出来るようにコイリング部20が設けられている。なお、高周波加熱コイルの設置位置は、鋼線材Mを加熱後、直ぐに成形できれば良いので、本実施形態で示した位置以外でも良い。
Rapid heating in the coiling machine is performed by a high-
コイリング部20では、ワイヤガイド21を抜けた鋼線材Mをコイリングピン22aに当接させて所定の曲率で曲げ、さらに下流のコイリングピン22aに当接させて所定の曲率で曲げる。そして、ピッチツール23に鋼線材Mを当接させて、所望のコイル形状となるようにピッチを付与する。所望の巻数となったところで、切断手段30の切断刃30aによって内型30bの直線部分との間でせん断によって切断して、後方より供給される鋼線材Mとばね形状の鋼線材Mとを切り離す。
In the
まず、重量%で、少なくともCを0.45~0.8%、Siを0.15~3.0%、Mnを0.3~1.2%含有し、円相当直径が1.5~10.0mmの鋼線材Mを用意する。この鋼線材Mを線出機(図示省略)によりフィードローラ10へ供給し、高周波加熱コイル40によって鋼線材Mを2.5秒以内でオーステナイト域に加熱後、コイリング部20においてコイリングを行う(コイリング工程)。
First, prepare a steel wire M containing, by weight, at least 0.45-0.8% C, 0.15-3.0% Si, and 0.3-1.2% Mn, and having a circular equivalent diameter of 1.5-10.0 mm. The steel wire M is fed to the
次に、コイリング後に切離され温度が未だオーステナイト域にあるコイルをそのまま焼入れ槽(図示省略)において焼入れ(焼入れ溶媒としては、たとえば60℃程度の油)を行い(焼入れ工程)、さらに焼戻し(たとえば440~460℃)を行う(焼戻し工程)。焼入れを行うことにより、マルテンサイト組織からなる高硬さ組織となり、さらに焼戻しを行うことにより、靭性に優れた焼戻しマルテンサイト組織とすることができる。ここで、焼入れ・焼戻し処理は一般的な方法を用いればよく、その焼入れ前の線材の加熱温度や焼入れ溶媒の種類・温度、そして焼戻しの温度や時間は、鋼線材Mの材質によって適宜設定する。 Next, the coil that has been separated after coiling and whose temperature is still in the austenite range is quenched (the quenching solvent is, for example, oil at about 60°C) in a quenching tank (not shown) (quenching process), and then tempered (for example, at 440-460°C) (tempering process). Quenching creates a high-hardness structure made of martensite, and further tempering creates a tempered martensite structure with excellent toughness. Here, the quenching and tempering processes can be performed using general methods, and the heating temperature of the wire before quenching, the type and temperature of the quenching solvent, and the tempering temperature and time are appropriately set depending on the material of the steel wire M.
さらに、鋼線材Mにショットピーニング処理(ショットピーニング工程)やセッチング処理(セッチング工程)を施すことにより、所望の耐疲労性を得ることができる。オーステナイト域に加熱した状態でコイリングを行うため、加工による残留応力の発生を防ぐことができる。このため、冷間成形法によって作製した従来のコイルばねに比べて、本発明におけるコイルばねは、ショットピーニングによって圧縮残留応力を付与し易く、ばねの内径側において表面から深くかつ大きい圧縮残留応力を効果的に付与することができる。さらに、セッチング処理を行うことにより、ばねとして使用した場合の最大主応力方向により深い圧縮残留応力分布が形成され、耐疲労性を向上することができる。 Furthermore, by subjecting the steel wire M to a shot peening treatment (shot peening process) or a setting treatment (setting process), the desired fatigue resistance can be obtained. Since the coiling is performed while the wire is heated to the austenite region, the generation of residual stress due to processing can be prevented. Therefore, compared to conventional coil springs produced by cold forming, the coil spring of the present invention is more easily given compressive residual stress by shot peening, and deep and large compressive residual stress can be effectively given from the surface on the inner diameter side of the spring. Furthermore, by performing the setting treatment, a deeper compressive residual stress distribution is formed in the maximum principal stress direction when used as a spring, improving fatigue resistance.
本実施形態においては、粒径0.6~1.2mmのショットによる第1のショットピーニング処理と、粒径0.2~0.8mmのショットによる第2のショットピーニング処理と、粒径0.02~0.30mmのショットによる第3のショットピーニング処理からなる多段ショットピーニング処理を行う。後に実施するショットピーニング処理において、先に実施するショットピーニング処理よりも小さいショットを用いるため、線材の表面粗さを平滑にすることができる。 In this embodiment, a multi-stage shot peening process is performed, consisting of a first shot peening process using shots with a particle size of 0.6 to 1.2 mm, a second shot peening process using shots with a particle size of 0.2 to 0.8 mm, and a third shot peening process using shots with a particle size of 0.02 to 0.30 mm. The latter shot peening process uses smaller shots than the earlier shot peening process, so the surface roughness of the wire can be smoothed.
ショットピーニングで使用するショットは、スチールカットワイヤやスチ-ルビーズ、FeCrB系をはじめとした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。 The shots used in shot peening can be steel cut wire, steel beads, high hardness particles such as FeCrB, etc. In addition, the compressive residual stress can be adjusted by the sphere equivalent diameter of the shot, the projection speed, the projection time, and the multi-stage projection method.
また、本実施形態では、セッチング処理としてホットセッチングを行い、100~300℃に加熱し、かつ線材表面に作用するせん断ひずみ量がばねとして実際に使用する場合の作用応力でのせん断ひずみ量以上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。 In addition, in this embodiment, hot setting is performed as the setting process, heating to 100 to 300°C and applying plastic strain to the spring-shaped steel material so that the amount of shear strain acting on the wire surface is equal to or greater than the amount of shear strain at the acting stress when actually used as a spring.
以上のような工程によって作製した本発明の圧縮コイルばねは、圧縮コイルばねの有効部任意横断面のコイル内径側表面から0.2mm深さとd/4深さにおいて以下の物理的特性を有する。 The compression coil spring of the present invention produced by the above process has the following physical properties at a depth of 0.2 mm and a depth of d/4 from the inner diameter surface of the coil in any cross section of the effective portion of the compression coil spring.
すなわち、SEM/EBSD法によるGOSマップの測定で、GOS<3°の結晶粒の面積率が85%以上であり、SEM/EBSD法によるKAMマップの測定で、KAM<3°のピクセルの面積率が95%以上であり、硬さが580~700HVである。したがって、本発明の圧縮コイルばねは、耐疲労性に優れている。 That is, in a measurement of a GOS map by the SEM/EBSD method, the area ratio of crystal grains with GOS < 3° is 85% or more, in a measurement of a KAM map by the SEM/EBSD method, the area ratio of pixels with KAM < 3° is 95% or more, and the hardness is 580 to 700 HV. Therefore, the compression coil spring of the present invention has excellent fatigue resistance.
[圧縮コイルばねの製造]
高周波加熱コイルを備えたコイリングマシン(図2、図3参照)を用いて圧縮コイルばねを製造した。表1に記載の化学成分からなるオイルテンパー線を用意し、コイリングマシンにより線材を900℃に加熱し、図1および表2に示す鋼種と製造工程により圧縮コイルばねを製造した。製造した圧縮コイルばねの諸元は、形状:円筒等ピッチ、クローズドエンド(端面研削有り)、線径:3.5mm、ばね指数:6.00、総(有効)巻数:5.75巻とした。
[Manufacturing of compression coil springs]
A compression coil spring was manufactured using a coiling machine (see Fig. 2 and Fig. 3) equipped with a high-frequency heating coil. An oil-tempered wire made of the chemical components shown in Table 1 was prepared, and the wire was heated to 900°C using a coiling machine to manufacture a compression coil spring using the steel types and manufacturing process shown in Fig. 1 and Table 2. The specifications of the manufactured compression coil spring were as follows: shape: cylindrical, uniform pitch, closed end (with end grinding), wire diameter: 3.5 mm, spring index: 6.00, total (effective) number of turns: 5.75 turns.
[試験方法]
(1)GOS<3°の結晶粒の面積率
SEM/EBSD法により、JEOL JSM-7000F(TSLソリューションズOIM Analysis ver7.2.1)を用いて、GOSマップを作成し、GOS値が3°未満(GOS<3°)の結晶粒の面積率を算出した。ここで、測定はコイルばねの有効部横断面内径側の表面から深さ0.2mmとd/4mmの位置において、10μm×30μmの範囲を観察倍率5000倍、測定ステップサイズ0.05μmで行い、方位角度差5°以上の境界を粒界とした。
[Test Method]
(1) Area ratio of crystal grains with GOS < 3° A GOS map was created using a JEOL JSM-7000F (TSL Solutions OIM Analysis ver7.2.1) by the SEM/EBSD method, and the area ratio of crystal grains with a GOS value of less than 3° (GOS < 3° ) was calculated. Here, the measurement was performed at a depth of 0.2 mm and d/4 mm from the surface on the inner diameter side of the cross section of the effective part of the coil spring, in a range of 10 μm x 30 μm, with an observation magnification of 5000 times and a measurement step size of 0.05 μm, and the boundaries with an orientation angle difference of 5° or more were defined as grain boundaries.
(2) KAM<3°のピクセルの面積率
SEM/EBSD法により、JEOL JSM-7000F(TSLソリューションズOIM Analysis ver7.2.1)を用いて、KAMマップを作成し、KAM値が3°未満(KAM<3°)となるピクセルの面積率を算出した。ここで、測定はコイルばねの有効部横断面内径側の表面から深さ0.2mmとd/4mmの位置において、10μm×30μmの範囲を観察倍率5000倍、測定ステップサイズ0.05μmで行った。
(2) Area ratio of pixels with KAM < 3° A KAM map was created using a JEOL JSM-7000F (TSL Solutions OIM Analysis ver7.2.1) by the SEM/EBSD method, and the area ratio of pixels with a KAM value of less than 3° (KAM < 3° ) was calculated. Here, measurements were performed at positions 0.2 mm deep and d/4 mm deep from the surface on the inner diameter side of the effective part cross section of the coil spring, over a range of 10 μm x 30 μm, with an observation magnification of 5000 times and a measurement step size of 0.05 μm.
(3)硬さ
ビッカース硬さ試験機(フューチャテック FM-600)を用いて測定荷重を200gfとして、コイルばねの有効部横断面内径側の表面からの深さ0.2mmとd/4mmにおいて、任意の位置5箇所で測定し、その平均値を算出した。
(3) Hardness Using a Vickers hardness tester (Future Tech FM-600), a measurement load of 200 gf was used to measure five arbitrary positions at depths of 0.2 mm and d/4 mm from the surface on the inner diameter side of the cross section of the effective portion of the coil spring, and the average value was calculated.
(4) 平均結晶粒径(dGS)
SEM/EBSD法により、JEOL JSM-7000F(TSLソリューションズOIM Analysis ver7.2.1)を用いて、平均結晶粒径を測定した。ここで、測定はコイルばねの線材横断面における表面から0.2mmとd/4mmの深さで行い、10μm×30μmの範囲を観察倍率5000倍、測定ステップサイズ0.05μm、方位角度差3°以上の境界を粒界として、平均結晶粒径を算出した。
(4) Average grain size ( dGS )
The average grain size was measured by the SEM/EBSD method using a JEOL JSM-7000F (TSL Solutions OIM Analysis ver7.2.1). Here, the measurement was performed at 0.2 mm from the surface and d The observation was performed at a depth of 10 μm×30 μm at a magnification of 5000 times, a measurement step size of 0.05 μm, and boundaries with an orientation angle difference of 3° or more were defined as grain boundaries to calculate the average crystal grain size.
(5) 表面粗さ(Rz(最大高さ))
非接触三次元形状測定装置(MITAKA NH-3)を用いてJIS0601に準拠して表面粗さの測定を行った。測定条件は、測定倍率:100倍、測定距離:4mm、測定ピッチ:0.002mm、カットオフ値:0.8mmとした。
(5) Surface roughness (Rz (maximum height))
The surface roughness was measured using a non-contact three-dimensional shape measuring device (MITAKA NH-3) in accordance with JIS 0601. The measurement conditions were: measurement magnification: 100 times, measurement distance: 4 mm, measurement pitch: 0.002 mm, cutoff value: 0.8 mm.
(6)耐疲労性(折損率、介在物折損率)
平行圧縮ばね耐久試験機を用いて疲労試験を行った。試験応力は、鋼種A,Bでは735±686MPaとし、鋼種C,Dでは735±711MPaとし、試験周波数は20Hz、
繰返し数は5×107回とし、折損率は折損数/試験本数、介在物折損率は介在物起点折損数/試験本数」で評価した。以上の試験結果を表3に示す。
(6) Fatigue resistance (breakage rate, inclusion breakage rate)
Fatigue tests were conducted using a parallel compression spring durability testing machine. The test stress was 735±686 MPa for steel types A and B, and 735±711 MPa for steel types C and D. The test frequency was 20 Hz.
The number of repetitions was 5×10 7 , and the breakage rate was evaluated as the number of breaks/number of test pieces, and the inclusion breakage rate was evaluated as the number of breaks originating from inclusions/number of test pieces. The test results are shown in Table 3.
[評価結果]
発明例1~5では、コイル内径側表面から深さ0.2mm位置とd/4位置でのGOS<3°の結晶粒の面積率が85%以上、KAM<3°のピクセルの面積率が95%以上の値が得られており、結晶粒間および結晶粒内の歪が低減されていることが確認された。また、上記と同じ位置での硬さは580~700HVであり、これによって、折損率および介在物起点折損率が低く、介在物を起点とする耐疲労特性が向上していることが確認された。
[Evaluation Results]
In Examples 1 to 5, the area ratio of the crystal grains with GOS < 3° at the position 0.2 mm deep from the coil inner diameter side surface and at the position d/4 was 85% or more, and the area ratio of the pixels with KAM < 3° was 95% or more, confirming that the strain between and within the crystal grains was reduced. In addition, the hardness at the same positions as above was 580 to 700 HV, confirming that the breakage rate and the inclusion-originating breakage rate were low, and that the fatigue resistance properties originating from inclusions were improved.
また、発明例1~5では、平均結晶粒径は1.1μm以下であり、所望する平均結晶粒径2.0μm以下を十分に満足している。このような微細結晶粒が得られているのは、高周波加熱による急速加熱によるものである。すなわち、高周波加熱によって短時間で加熱を行うことで旧オーステナイト粒の結晶粒粗大化抑制、或いは微細化につながり、耐疲労性の向上に貢献している。 In addition, in Examples 1 to 5, the average crystal grain size is 1.1 μm or less, which fully satisfies the desired average crystal grain size of 2.0 μm or less. Such fine crystal grains are obtained by rapid heating using high-frequency heating. In other words, heating in a short period of time using high-frequency heating suppresses the coarsening of prior austenite grains or leads to their fineness, which contributes to improved fatigue resistance.
比較例1では、冷間成形でコイリングを行い、その後の焼鈍のみでは、結晶粒間の歪が大きくGOS<3°の結晶粒の面積率が85%未満になるとともに、結晶粒内の歪が解消されずにKAM<3°のピクセルの面積率が95%未満となった。その結果、折損率および介在物起点折損率が高く、介在物を起点とする耐疲労特性が低下していることが確認された。 In Comparative Example 1, coiling was performed by cold forming, and then annealing was performed only. The strain between crystal grains was large, and the area ratio of crystal grains with GOS < 3° was less than 85%, and the strain within the crystal grains was not eliminated, and the area ratio of pixels with KAM < 3° was less than 95%. As a result, the breakage rate and the inclusion-originating breakage rate were high, and it was confirmed that the fatigue resistance properties originating from inclusions were deteriorated.
比較例2では、冷間コイリングと焼鈍が行われているが、窒化による加熱が行われているため、比較例1と比較すると結晶粒内の歪が低減されてKAM<3°のピクセルの面積率が95%以上となった。しかしながら、結晶粒間の歪が大きくGOS<3°の結晶粒の面積率が85%未満であったため、折損率および介在物起点折損率が高く、介在物を起点とする耐疲労特性が低下していることが確認された。 In Comparative Example 2, cold coiling and annealing were performed, but heating by nitriding was performed, so that the distortion within the crystal grains was reduced and the area ratio of pixels with KAM < 3° was 95% or more compared to Comparative Example 1. However, the distortion between the crystal grains was large and the area ratio of crystal grains with GOS < 3° was less than 85%, so that the breakage rate and the inclusion-originating breakage rate were high, and it was confirmed that the fatigue resistance properties originating from inclusions were reduced.
比較例3では、発明例3と鋼種および製造工程が同じであるが焼戻し温度が400℃である。このため、結晶粒間の歪が残存するとともに、結晶粒内の歪の低減が充分ではなくなり、GOS<3°の結晶粒の面積率が85%未満になるとともに、KAM<3°のピクセルの面積率が95%未満となった。その結果、折損率および介在物起点折損率が高く、介在物を起点とする耐疲労特性が低下していることが確認された。 In Comparative Example 3, the steel type and manufacturing process were the same as those of Invention Example 3, but the tempering temperature was 400° C. As a result, strain remained between crystal grains and strain within the crystal grains was not sufficiently reduced, so that the area ratio of crystal grains with GOS < 3° was less than 85% and the area ratio of pixels with KAM < 3° was less than 95%. As a result, it was confirmed that the breakage rate and the inclusion-originating breakage rate were high, and the fatigue resistance properties originating from inclusions were deteriorated.
比較例4では、発明例3と鋼種および製造工程が同じであるが、焼戻し温度が460℃を超えているため、コイル内径側表面から0.2mm深さとd/4深さにおける硬さが580HVに至らず、耐疲労性を向上できていない。このため、折損率および介在物起点折損率が高く、介在物を起点とする耐疲労特性が低下していることが確認された。 In Comparative Example 4, the steel type and manufacturing process are the same as in Invention Example 3, but the tempering temperature exceeds 460°C, so the hardness at a depth of 0.2 mm and a depth of d/4 from the coil inner diameter side surface does not reach 580 HV, and fatigue resistance cannot be improved. For this reason, it was confirmed that the breakage rate and inclusion-originating breakage rate are high, and fatigue resistance properties originating from inclusions are reduced.
以上より、本発明によれば、結晶粒間の歪を低減するとともに、結晶粒内の歪を低減することができるので、介在物を起点とする折損を抑制することができ、耐疲労性に優れた圧縮コイルばねを得ることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the strain between crystal grains as well as the strain within the crystal grains, thereby suppressing breakage caused by inclusions and obtaining a compression coil spring with excellent fatigue resistance.
本発明は、自動車のエンジンやクラッチ内で使用される圧縮コイルばねのように高い耐疲労性が要求される圧縮コイルばねに好適に利用することができる。 The present invention can be suitably used for compression coil springs that require high fatigue resistance, such as those used in automobile engines and clutches.
1…コイリングマシン成形部、10…フィードローラ、20…コイリング部、21…ワイヤガイド、22…コイリングツール、22a…コイリングピン、23…ピッチツール、30…切断手段、30a…切断刃、30b…内型、40…高周波加熱コイル、M…鋼線材。 1... Coiling machine forming section, 10... Feed roller, 20... Coiling section, 21... Wire guide, 22... Coiling tool, 22a... Coiling pin, 23... Pitch tool, 30... Cutting means, 30a... Cutting blade, 30b... Inner mold, 40... High frequency heating coil, M... Steel wire material.
Claims (5)
(1)SEM/EBSD(Electron Back Scatter Diffraction)法によるGOS(Grain Oriented Spread)マップの測定で、GOS値が3°未満の結晶粒の面積率が85%以上である。
(2)SEM/EBSD法によるKAM(Karnel Average Misorientation)マップの測定で、KAM値が3°未満のピクセルの面積率が95%以上である。
(3)硬さが580~700HVである。 A compression coil spring using a steel wire having a circle equivalent diameter d of 1.5 to 10.0 mm, containing, by weight, 0.45 to 0.8% C, 0.15 to 3.0% Si, 0.3 to 1.2% Mn, 0.5 to 2.0% Cr, and one or more of 1.5% or less Ni, 0.5% or less V, 1.5% or less Mo, and 0.5% or less W as optional components, with the balance being iron and unavoidable impurities, wherein the compression coil spring has the following physical properties at a depth of 0.2 mm and a depth of d/4 (d is the wire diameter) from the surface of the inner diameter side of the coil in an arbitrary cross section of an effective portion of the compression coil spring.
(1) When a grain oriented spread (GOS) map is measured by a SEM/EBSD (Electron Back Scatter Diffraction) method, the area ratio of crystal grains having a GOS value of less than 3° is 85% or more.
(2) In a KAM (Kernel Average Misorientation) map measured by the SEM/EBSD method, the area ratio of pixels having a KAM value of less than 3° is 95% or more.
(3) The hardness is 580 to 700 HV.
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