【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
本発明は高強靭ばね用鋼材に関するものであ
る。
コイルばね、トーシヨンバー等のばね材には、
疲労強度が高いこと、特にねじり疲労強度が高い
ことが最も必要な特性として要求される。
一方、この種のばねの使用時においては、曲
げ、ねじり等の応力は中立線を中心として表面に
向かうに従つて増加し、表面層に最大応力がかか
る。
しかるに、従来、ばね、例えばコイルばねを製
造するには、ばね用鋼材を引抜後、オイルテンパ
ー処理を行つて、高強度とした線材を冷間で、コ
イルに成形するか、又はコイル成形後、焼入焼戻
処理を行つて強度を付与するという方法によつて
おり、いづれも、通常の熱処理によつて全断面に
亘つて均一な焼入焼戻組織を得ることを目標とし
ている。
これに対し本発明は、ばね使用時における曲
げ、ねじり等の応力分布に対応した強度を有し、
かつ最表面層は高強度、高靭性の超微細組織を有
する高疲労強度のばね用鋼材を提供しようとする
ものである。
鋼材の全断面に急熱急冷のサイクルが繰返し行
うことによつて全断面に亘り結晶粒の微細化を進
め、鋼材の強度や疲労強度を増大させることは公
知である。すなわち、鋼を急速加熱して全断面を
Ac3変態点以上とし、その後直ちに全断面を強制
冷却して温度を常温に下げてα→γへの結晶構造
の変態を数回繰返すと、結晶粒は次第に微細化さ
れ、最終的には全断面に亘り、結晶粒度ASTM
No.13〜14程度の超微細組織が得られる。
しかし、それは鋼材の全断面に亘つて均一な超
微細組織であるということであるから、これをば
ね用鋼材として用いると、使用時における曲げ、
ねじりなどの応力分布に対して不必要な強化処理
を行うことゝなつて好ましくなく、かつ、鋼材全
断面を加熱、冷却する処理を繰返すことによりエ
ネルギー消費も大きいという問題点がある。
これに関連し、本発明者の実験結果によれば高
周波誘導加熱法により、鋼材の表面層のみをAc3
変態点（鋼種、組成成分によつて決まる）以上に
短時間急速加熱した後、加熱を停止すると、この
状態では中心部は未だ常温に近く、熱伝導による
鋼材の自己冷却作用によつて表面層の温度を直ち
に変態点以下に低下する。このα→γ→αの熱サ
イクルを繰返すと、加熱停止時における中心部の
温度も漸次上昇し、Ac3変態点温度との差が少く
なる。この場合、加熱停止時に、表面温度を常温
に迄低下させる必要はなく、Ar1変態点以下に低
下ばせれば、同様に、結晶粒の微細化効果をえら
れることが判明している。
本発明はこのように実験結果に基づくものであ
る。
本発明を図に示した実施例を引用しつゝ以下詳
細に説明する。
図は、鋼材に高周波誘導加熱による、連続熱処
理を行つた場合における鋼材表面と中心部との温
度の変化を示したものであり、縦軸は温度、横軸
は時間を示す。
この場合、加熱条件、すなわち被加熱鋼材の径
および被加熱鋼材の送り速度との関係において、
送り通路に置かれる誘導加熱コイルL1，L2，L3
……の数、コイル長l1，l2，l3……、隣接する誘
導加熱コイルのコイル間隔d1，d2，d3……、誘導
加熱コイルへへの投入電力密度P1，P2，P3……
等の諸元を適宜設定することによつて、図に示す
ごとく、表面温度はＡ曲線で示すように、Ac3変
態点以上およびAr1変態点以下となるような熱サ
イクルを繰返し、又中心部温度はＢ曲線で示すご
とくＡ線より相当遅れた昇温曲線として表わされ
る。この場合、表面層にはα−γの変態が４回繰
返され、その間に中心部の温度は、漸次上昇し、
４回目の加熱でAc3変態点以上に加熱されて、全
体加熱又はそれに近い加熱状態となる。この状態
で全体焼入れされる。
なお、図において点線で示したA1は変態点を
概念的に示したものである。
このようにすることによつて、鋼材の中心部よ
り表面層に向うに従い、α−γの変態繰返しの効
果が働いて、鋼材の中心部から表面層に至るに従
い、より微細化された微細焼入組織が得られるこ
とになる。この場合、前述したごとく、α−γ変
態を起させるために、加熱停止時に表面層の温度
を強制冷却によつて、常温迄下げる必要はなく、
鋼材の自己冷却で、同様の目的を十分達すること
ができることが判明している。従つて、例えば、
被加熱材の通路に沿い、所定間隔をおいて誘導加
熱コイルを複数個配置しておき、上記加熱コイル
によるAc3変態点以上への昇温、被加熱材の自己
冷却によるAr1点以下への降温という所定の熱サ
イクルを繰返すことによつて、前述した鋼材全断
面を加熱、冷却する処理を繰返す場合と比し、1/
６程度のエネルギー消費で、かつコイルばね用鋼
材に最も最適な熱処理条件をうることができる。
換言すれば、鋼材全断面を加熱するに要する電
力エネルギーを１とし、４回熱サイクルを繰返す
とした場合、前述した場合においては全断面加熱
を４回繰返すので、１×４＝４であるのに対し、
本発明においては鋼材全断面の1/6程度の断面の
表層加熱を４回繰返すのであるから1/6×４＝4/6
ですみ、前述の場合に対して1/6程度（４：24）
の電力エネルギー消費で十分であつて、それによ
つて伴う省エネルギー効果はきわめて顕著であ
り、しかもそれによつて使用時の応力分布に対応
した強度分布の鋼材が得られるのである。
焼入れが完了したら、被加熱材が線材であれ
ば、連続的に、また定尺の棒状材であれば、焼入
れと連続的又は、別のラインでなど適宜の方法に
より、高周波誘導加熱法その他の公知の加熱法を
用いて焼戻しを行つて、鋼材に所要の機械的性質
を与える。
本発明者は本発明の効果を確認するため種々の
実験を試みた。その一部を示すと次のとおりであ
る。
実験例 １
(1) 実験条件
(1) 試験片
直 径 10mm
材 質 S35C ボロン入
(2) 加熱条件
表面温度 880℃〜900℃
加熱時間 ２秒間
加熱サイクル ４回
焼入液 水
(2) 実験結果
試験片の焼入焼戻後の断面の結晶粒度を、同
一試験片に同一加熱条件で一回、高周波焼入、
焼戻処理したものゝそれと比較した。結果は第
１表に示すとおりであつた。
The present invention relates to a high strength steel material for springs. For spring materials such as coil springs and torsion bars,
High fatigue strength, especially high torsional fatigue strength, is the most required characteristic. On the other hand, when this type of spring is used, stress such as bending or torsion increases toward the surface around the neutral line, and the maximum stress is applied to the surface layer. However, conventionally, in order to manufacture springs, for example, coil springs, after drawing the spring steel material, oil tempering is performed to make the wire material high in strength, and then the wire material is cold-formed into a coil, or after the coil is formed, The method is to impart strength through quenching and tempering treatment, and in both cases, the goal is to obtain a uniform quenched and tempered structure over the entire cross section through normal heat treatment. In contrast, the present invention has strength corresponding to stress distribution such as bending and torsion when using a spring,
Furthermore, the present invention aims to provide a high fatigue strength spring steel material having an ultrafine structure with high strength and high toughness in the outermost layer. It is known that repeating cycles of rapid heating and cooling over the entire cross section of a steel material advances grain refinement over the entire cross section, thereby increasing the strength and fatigue strength of the steel material. In other words, the steel is heated rapidly and the entire cross section is
A c3 transformation point or above, then immediately force cooling the entire cross section to lower the temperature to room temperature, and repeating the transformation of the crystal structure from α to γ several times, the crystal grains gradually become finer and eventually all Across the cross section, grain size ASTM
An ultrafine structure of about No. 13 to 14 is obtained. However, since this means that the steel material has a uniform ultra-fine structure over the entire cross section, if this steel material is used as a spring steel material, it will bend during use.
There is a problem in that it is undesirable to perform unnecessary strengthening treatments on stress distribution such as torsion, and energy consumption is also large due to repeated heating and cooling treatments of the entire cross section of the steel material. In this regard, according to the inventor's experimental results, only the surface layer of the steel material can be heated using the high-frequency induction heating method.
When heating is stopped after a short period of rapid heating above the transformation point (determined by the steel type and composition), in this state the center is still close to room temperature, and the surface layer is heated by the self-cooling effect of the steel through heat conduction. immediately lower the temperature below the transformation point. When this thermal cycle of α → γ → α is repeated, the temperature at the center when heating is stopped also gradually increases, and the difference from the Ac 3 transformation point temperature becomes smaller. In this case, it has been found that there is no need to lower the surface temperature to room temperature when heating is stopped, and that if the surface temperature is lowered to below the Ar 1 transformation point, a similar effect of grain refinement can be obtained. The present invention is thus based on experimental results. The present invention will be explained in detail below with reference to embodiments shown in the drawings. The figure shows the change in temperature between the surface and center of a steel material when the steel material is subjected to continuous heat treatment by high-frequency induction heating, with the vertical axis representing temperature and the horizontal axis representing time. In this case, in relation to the heating conditions, that is, the diameter of the steel material to be heated and the feed rate of the steel material to be heated,
Induction heating coils L 1 , L 2 , L 3 placed in the feed path
..., the number of coils l 1 , l 2 , l 3 ..., the coil spacing between adjacent induction heating coils d 1 , d 2 , d 3 ..., the power density input to the induction heating coils P 1 , P 2 , P3 ...
By appropriately setting the specifications such as The part temperature is expressed as a temperature rise curve that lags considerably behind line A, as shown by curve B. In this case, the α-γ transformation is repeated four times in the surface layer, during which time the temperature in the center gradually increases,
In the fourth heating, the product is heated to the Ac 3 transformation point or higher, resulting in total heating or a heating state close to it. In this state, the entire piece is hardened. Note that A1 indicated by a dotted line in the figure conceptually indicates a transformation point. By doing this, the effect of repeated α-γ transformation works from the center of the steel material toward the surface layer, resulting in finer and finer sintered steel material. You will be able to get an organization to join. In this case, as mentioned above, in order to cause the α-γ transformation, it is not necessary to lower the temperature of the surface layer to room temperature by forced cooling when heating is stopped.
It has been found that self-cooling of steel is sufficient to achieve similar objectives. Therefore, for example,
A plurality of induction heating coils are arranged at predetermined intervals along the path of the material to be heated, and the heating coils raise the temperature to above the Ac 3 transformation point, and the self-cooling of the material to be heated reduces the temperature to below the Ar 1 point. By repeating a predetermined thermal cycle of cooling the steel material, the temperature is reduced by 1/
It is possible to obtain the most optimal heat treatment conditions for steel materials for coil springs with energy consumption of about 6. In other words, if the electrical energy required to heat the entire cross section of the steel material is 1, and the thermal cycle is repeated four times, in the case described above, heating of the entire cross section is repeated four times, so 1 x 4 = 4. For,
In the present invention, surface heating of a cross section of about 1/6 of the total cross section of the steel material is repeated four times, so 1/6 x 4 = 4/6
That's about 1/6th of the above case (4:24)
The electrical energy consumption is sufficient, the resulting energy saving effect is extremely significant, and moreover, it is possible to obtain a steel material with a strength distribution that corresponds to the stress distribution during use. After quenching is completed, if the material to be heated is a wire rod, it can be heated continuously, or if it is a rod-like material of a fixed length, it can be heated by high-frequency induction heating or other appropriate methods, either continuously with quenching or on a separate line. Tempering is carried out using known heating methods to impart the required mechanical properties to the steel. The present inventor attempted various experiments to confirm the effects of the present invention. Some of them are as follows. Experimental example 1 (1) Experimental conditions (1) Test piece Diameter 10mm Material S35C with boron (2) Heating conditions Surface temperature 880℃~900℃ Heating time 2 seconds Heating cycle 4 times Quenching liquid Water (2) Experimental results The grain size of the cross section of the test piece after quenching and tempering was determined by induction hardening,
It was compared with the tempered one. The results were as shown in Table 1.
【表】
実験例 ２
(1) 試験線材
直 径 ９mm
材 質 Sup6
上記試験線材に図に示したごとく、連続高周波
焼入焼戻しをしたものゝ、引張強度と両振り曲げ
疲労強度を、公知のオイルテンパー線、通常の高
周波焼入焼戻処理のしたもの、および前述した鋼
材全断面を加熱、冷却する処理を繰返す方法で処
理したものと比較した。結果は第２表に示すとお
りであつた。[Table] Experimental example 2 (1) Test wire diameter 9mm Material Sup6 As shown in the figure, the above test wire was subjected to continuous induction quenching and tempering. Comparisons were made with tempered wires, those subjected to ordinary induction quenching and tempering, and those treated by the above-mentioned method of repeatedly heating and cooling the entire cross section of the steel material. The results were as shown in Table 2.
【表】
なお、「鋼材全断面を加熱、冷却する処理を繰
返した線材」の結晶粒度は13であつた。本発明の
素材としては、たとえばJIS SUP3、SUP4、
SUP6、SUP7、SUP9、SUP10或いはSAE9254、
SAE160、SAE9260等のごとき、ばね用鋼材なら
びに上記鋼材を基礎として所定元素を添加したも
の等のばね用鋼材を用いることができる。
以上の実験結果からも知られるように、本発明
によるばね用鋼材は中心部から表層部に向うに従
い、結晶粒度が微細化され、かつ表面層の結晶粒
度が超微細組織であるので、従来のオイルテンパ
ー線や高周波焼入焼戻線材では得られない超微細
組織のばね特性に適した強度分布を有するともに
従来の鋼材全断面に亘り、加熱、冷却する処理を
複数回繰返した結果、全断面に亘つて超微細組織
であるものに対しても数分の１の熱エネルギー付
与で、ばね材として同等ないし、それ以上の機械
的性質を有するので、不必要なエネルギーを消費
した上、過剰品質材をうる不合理性を避けること
ができる。従つて本題は従来のものと比し、劃期
的なエネルギーで、ばねの使用時における応力分
布に対応した強度分布を有する高強靭性のばね用
鋼材を提供する点において、その技術的効果は顕
著である。
なお、本発明を適用するに当つては、複数の加
熱コイルを所定間隔をおいて配置し、当該加熱コ
イル内に鋼材を送つた熱サイクルを繰返すという
方法によつても、また短尺の鋼材を固定とし、固
定加熱コイルで同様の熱サイクルを繰返すという
方法によつても、要は鋼材に上述したような熱サ
イクルを与えることができさえすればよい。[Table] The grain size of the "wire rod that has been repeatedly heated and cooled over the entire cross section of the steel material" was 13. Examples of materials used in the present invention include JIS SUP3, SUP4,
SUP6, SUP7, SUP9, SUP10 or SAE9254,
Spring steel materials such as SAE160, SAE9260, etc., as well as spring steel materials such as those based on the above steel materials and with predetermined elements added thereto, can be used. As is known from the above experimental results, the grain size of the spring steel material according to the present invention becomes finer from the center to the surface layer, and the grain size of the surface layer is an ultra-fine structure. It has a strength distribution suitable for the spring properties of ultra-fine structures that cannot be obtained with oil tempered wire or induction hardened and tempered wire. It requires only a fraction of the thermal energy to be applied to materials with an ultra-fine structure, and has mechanical properties equivalent to or better than that of a spring material, consuming unnecessary energy and resulting in excessive quality. You can avoid the irrationality of acquiring materials. Therefore, compared to conventional products, the technical effect of the present invention is to provide a steel material for springs with high strength and toughness that uses seasonal energy and has a strength distribution corresponding to the stress distribution when the spring is used. Remarkable. In applying the present invention, a method of arranging a plurality of heating coils at predetermined intervals and repeating a thermal cycle in which steel material is fed into the heating coils may also be used. Even by a method of fixing the steel material and repeating the same thermal cycle using a fixed heating coil, it is sufficient to apply the above-mentioned thermal cycle to the steel material.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]
図は本発明による熱サイクルを説明するための
説明図である。
t1〜t4……繰返し表面加熱時間。
The figure is an explanatory diagram for explaining a thermal cycle according to the present invention. t 1 to t 4 ... Repeated surface heating time.