JP2012036418A - 高強度ばねとその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】従来の技術と比較して、より高強度のばねを提供する技術を提供する。
【解決手段】 本願の高強度ばね２は、鋼材層１２と、鋼材層１２の表面に形成された窒化物の化合物層１４とを有する。鋼材層１２は、質量％で、Ｃ：０．５５〜０．７５、Ｓｉ：１．５０〜２．５０、Ｍｎ：０．３０〜１．００、Ｃｒ：０．８０〜２．００、Ｗ：０．０５〜０．３０、残部が鉄および不可避的不純物を含有する。そして、鋼材層１２中に析出している炭化物１６の平均長さが０．１２μｍ以下で平均幅が０．０４μｍ以下となっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、耐久性（耐疲労性）及び耐へたり性に優れた高強度ばね及びその製造方法に関する。
近年、自動車エンジンの高回転数化や軽量コンパクト化のために、自動車エンジン等に用いられるばねに対して高強度化が要望されている。その方策の一つとして、特許文献１の技術が提案されている。特許文献１の技術では、Ｃ（炭素），Ｓｉ(ケイ素)，Ｍｎ（マンガン），Ｃｒ（クロム），Ｍｏ（モリブデン），Ｖ（バナジウム）等の合金元素を含有し、Ｐ（リン）やＳ（硫黄）を０．０１５％以下とすると共に、非金属介在物の大きさを１５μｍ以下とした素材鋼が用いられる。この素材鋼に熱処理を行うことで所望の機械的特性を付与し、次いで、ばね形状に成形し、その後、窒化処理を実施している。
また、ばねを高強度化するための他の方策としては、特許文献２の技術が知られている。特許文献２の技術では、Ｃ（炭素），Ｓｉ（ケイ素），Ｍｎ（マンガン），Ｃｒ（クロム）等の合金元素に加えて、Ｗ（タングステン）を含有する素材鋼が用いられている。
特開２００３−１０５４９７ 特開２００３−１６６０３２
本願は、特許文献１や特許文献２の技術と比較して、より高強度のばねを提供することを目的とする。
本願発明者らは、まず、特許文献１に記載する技術を基礎とし、特許文献１に記載する素材鋼にＷを添加することで、従来よりも高強度のばねが製造できないかを試みた。しかしながら、Ｗを含有する素材鋼から成形されたばねに、特許文献１に記載する加工法を実施しても、ばねの強度が十分には向上しなかった。そこで、本願発明者らは、Ｗを含有する素材鋼から成形されたばねの強度を向上する方法を種々検討した。その結果、素材鋼に添加するＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｗ等の元素の量を規定するとともに、ばね中に析出する炭化物の大きさを制御することによって、従来技術と比較してばねの強度を飛躍的に向上できることを見出した。本願の技術は、こうした知見に基づいて創作された。
本明細書に開示される高強度ばねは、鋼材層と、鋼材層の表面に形成された窒化物の化合物層とを有する。鋼材層は、質量％で、Ｃ：０．５５〜０．７５、Ｓｉ：１．５０〜２．５０、Ｍｎ：０．３０〜１．００、Ｃｒ：０．８０〜２．００、Ｗ：０．０５〜０．３０、残部が鉄および不可避的不純物を含有する。そして、鋼材層中に析出している炭化物の平均長さが０．１２μｍ以下で平均幅が０．０４μｍ以下となっている。
上記のばねは、上記範囲内に調整された成分を含有するばねの表面に、窒化物の化合物層を備えることによって、ばね表面の硬さが向上される。さらに、ばね中に析出している炭化物の大きさが、平均長さが０．１２μｍ以下で、平均幅が０．０４μｍ以下とすることによって、ばね中で炭化物が微細に分散された状態となる。これにより、ばね内部の強度を向上することができる。これらによって、従来と比較して高強度なばねとなる。
上記の高強度ばねは、さらに鋼材層が、質量％で、Ｍｏ：０．０５〜０．３０、及び／又は、Ｖ：０．０５〜０．３０を含有することができる。ばねにＭｏ、及び／又は、Ｖが上記の範囲で包含されていることによって、ばね中に炭化物が微細状態で析出され、ばね内部の強度が増大する。すなわち、これらの元素を１種または２種を添加することによって、ばねの強度を向上することができる。
上記の窒化物の化合物層の厚さは５μｍ以下とすることができる。化合物層の厚さを５μｍ以下とすることで、化合物層の脆さによる強度の低下を防ぐことができる。
なお、上述した高強度ばねは、例えば、下記の製造方法によって好適に製造することができる。すなわち、この製造方法は、質量％で、Ｃ：０．５５〜０．７５、Ｓｉ：１．５０〜２．５０、Ｍｎ：０．３０〜１．００、Ｃｒ：０．８０〜２．００、Ｗ：０．０５〜０．３０を含有する素材鋼を、ばね形状に成形する工程と、ばね形状に成形する工程の後に、４５０℃以上５４０℃以下で窒化処理を実行する工程とを備える。
本実施形態の高強度ばねを示す図。 図１の断面を示す図。 本実施形態の高強度ばねの製造手順を説明するためのフローチャート。 本実施形態の高強度ばねと比較例のばねの炭化物の平均長さの比較を示す図。 本実施形態の高強度ばねと比較例のばねの炭化物の平均幅の比較を示す図。 本実施形態の高強度ばねと比較例のばねの化合物層厚さの比較を示す図。 本実施形態の高強度ばねと比較例のばねの耐久回数の比較を示す図。 本実施形態の高強度ばねの圧縮残留応力分布を示す図。
本実施形態にかかる高強度ばね２を図面に基づいて説明する。高強度ばね２は、自動車エンジン用の弁ばねとして用いられる。図１に示すように、高強度ばね２は、コイル状に成形されたばね線材（素材鋼）１０により構成されており、ばね線材１０間には所定の間隔が設けられている。図２は、高強度ばね２の断面図を示す。
図２に示すように、ばね線材１０は、鋼材層１２と化合物層１４から構成されている。鋼材層１２は、ばね線材１０を熱処理等することによって形成される。鋼材層１２（すなわち、ばね線材１０）は、Ｃ（炭素）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）、Ｗ（タングステン）、鉄および不可避的不純物を含有している。それぞれの元素の割合は、質量％で、Ｃが０．５５〜０．７５％、Ｓｉが１．５０〜２．５０％、Ｍｎが０．３０〜１．００％、Ｃｒが０．８０〜２．００％、Ｗが０．０５〜０．３０％の範囲とされており、残部がＦｅ（鉄）および不可避的不純物となっている。Ｃを０．５５％以上としたのは、Ｃが０．５５％未満となると、耐久性と耐へたり性の双方を満足することが難しくなるためである。また、Ｃを０．７５％以下としたのは、Ｃが０．７５％を超えると、成形性が低下し、加工時の割れや折損等の可能性が高くなるためである。Ｓｉを１．５０％以上としたのは、Ｓｉが１．５０％未満となると、十分な耐へたり性を得ることができないためである。Ｓｉを２．５０％以下としたのは、Ｓｉが２．５０％を超えると、熱処理時の脱炭量が許容範囲を超え、耐久性に悪影響を与えるためである。Ｍｎを０．３０％以上としたのは、Ｍｎが０．３０％未満では、十分な強度を得ることができないためである。また、Ｍｎを１．００％以下としたのは、Ｍｎが１．００％を超えると、残留オーステナイト量が多くなり過ぎるためである。Ｃｒを０．８０％以上としたのは、Ｃｒが０．８０％未満であると、十分な固溶強度及び焼入れ性を得ることができないためである。また、Ｃｒを２．００％以下としたのは、Ｃｒが２．００％を超えると、残留オーステナイト量が多くなり過ぎるためである。Ｗを０．０５％以上とするのは、Ｗが０．０５％未満では、Ｗを添加した効果（焼入れ性の向上、高強度化等）を得ることができないためである。また、Ｗを０．３０％以下とするのは、Ｗが０．３０％を超えると、粗大な炭化物を生じ、延性などの機械的特性を悪化させるためである。
鋼材層１２中には、ばね線材１０を熱処理等することによって形成される炭化物１６が析出している。炭化物１６は球状、針状又はフィルム状の略平面形状を呈し、その大きさは、平均長さが０．１２μｍ以下で平均幅が０．０４μｍ以下の範囲となっている。炭化物６の平均長さを０．１２μｍ以下で、かつ、平均幅を０．０４μｍ以下とすることで、鋼材層１２中に炭化物が微細に分散された状態とすることができる。また、こうした炭化物は、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｆｅ等の金属元素との化合物として存在している。
鋼材層１２の表面には、全面に亘って化合物層１４が形成されている。化合物層１４の厚みｈは、５μｍ以下となっている。化合物層１４の厚みｈが５μｍ以下であるため、化合物層の脆さによる強度の低下を防ぐことができる。化合物層１４は、上記の鋼材層１２に含まれるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｆｅおよび不可避的不純物の他に、Ｎ（窒素）を含んでおり、化合物層１４にはＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｆｅ等の金属元素とＮとの化合物（窒化物）が存在している。化合物層１４中のＮの濃度は特に限定しないが、例えば質量％でＮが０．００１〜０．００７％の範囲とされている。
上記の高強度ばね２によれば、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｗの割合が上記の範囲内であるばね線材１０を用いることによって、焼鈍や窒化処理等の熱処理により鋼材層１２中に析出される炭化物の粗大化を低減することができる。また、鋼材層１２中に析出される炭化物１６が、平均長さが０．１２μｍ以下で平均幅が０．０４μｍ以下の球状、針状又はフィルム状の略平面形状の微細構造となっているため、ばね中で炭化物が微細に分散された状態となっている。これによって、鋼材層１２の強度が向上するとともに、靱性が向上する。さらに、鋼材層１２の表面に窒化物の化合物層１４を有することで、高強度ばね２の表面が硬化され、強度を高く保つことができる。また、この化合物層１４の厚さを５μｍ以下とすることで、化合物層の脆さによる強度の低下が防止されている。
なお、上記のばね線材１０は、Ｍｏ（モリブデン）、及び／又は、Ｖ（バナジウム）をさらに含有してもよい。ばね線材１０に含有されるＭｏは、質量％で０．０５〜０．３０とすることができる。Ｍｏを含有することで、それ自体が鋼の強度を向上させるとともに、焼入れ性を向上することができる。なお、Ｍｏを０．０５％以上とするのは、Ｍｏが０．０５％未満では、十分な強度が得られないためである。また、Ｍｏが０．３０％以下としたのは、Ｍｏが０．３０％を超えると、残留オーステナイトの安定化作用が無視し得なくなるためである。また、ばね線材１０に含有されるＶは、質量％で０．０５〜０．３０とすることができる。Ｖを含有することで、鋼材層１２中に析出する炭化物は、微細な炭化物となる。すなわち、鋼材層中に析出する炭化物の大きさを微細にすることができるため、より鋼材層１２の強度を向上することができる。なお、Ｖを０．０５％以上としたのは、Ｖが０．０５％未満では、十分な量の炭化物が生成せず、結晶粒成長防止効果を得ることができないためである。また、Ｖを０．３０％以下としたのは、Ｖが０．３０％を超えると、バナジウム炭化物自体が成長して大きくなり、耐久性に悪影響を与えるためである。
以上、本実施形態の高強度ばね２の構成について説明した。次に、上記の高強度ばね２の製造に好適な方法を図３を参照して説明する。
（高強度ばねの製造方法）
図３に示すように、まず、ばね線材１０をコイリングマシンによってコイル状に成形する（ステップＳ２）。ばね線材１０は、質量％で、Ｃ：０．５５〜０．７５、Ｓｉ：１．５０〜２．５０、Ｍｎ：０．３０〜１．００、Ｃｒ：０．８０〜２．００、Ｗ：０．０５〜０．３０、残部が鉄および不可避的不純物を含有している。なお、ばね線材１０には、質量％で、Ｍｏ：０．０５〜０．３０、及び／又は、Ｖ：０．０５〜０．３０をさらに含有することができる。
ばね線材１０を所定長さだけコイル状に成形すると、ばね線材１０の端部を切断する（ステップＳ４）次いで、コイル状に成形されたばね線材１０に低温焼鈍を施し（ステップＳ６）、次いで、このコイル状に成形されたばね線材１０の端面を研削する（ステップＳ８）。これにより、ばね線材１０がばね形状に成形される。
次いで、ばね形状に成形されたばね線材１０を窒素ガス雰囲気下で窒化処理を施す（ステップＳ１０）。これによって、ばね線材１０の表面に窒化物を有する化合物層１４が形成され、ばね線材１０の中心部に、窒化物を含有しない鋼材層１２が形成される（図２参照）。窒化処理は、温度条件を４５０℃以上５４０℃以下、処理時間を１〜４時間とすることで、ばね線材１０の表面に形成される窒化物の化合物層１４の厚さが５μｍ以下となるとともに、鋼材層１２中に析出される炭化物が、平均長さが０．１２μｍ以下で平均幅が０．０４μｍ以下となる。
次いで、このばね線材１０の耐久性を向上するために、ばね線材１０の表面にショットピーニング処理を実施する（Ｓ１２）。ショットピーニング処理は、複数回に分けて行うことができる。例えば、窒化直後のばね線材１０の表面に第１段目のショットピーニング（ショット球φ０．６ｍｍ）を行い、次いで、第２段目のショットピーニング（ショット球φ０．３ｍｍ）を行い、さらに、第３段目のショットピーニング（ショット球φ０．１ｍｍ）を行うことができる。このようにショット球の径を変えながら多段階にショットピーニングを行うと、ばね線材１０に効果的に圧縮残留応力を付与することができる。
ステップＳ１２でショットピーニングを行うと、次いで、ばね線材１０に低温焼鈍を施し（ステップＳ１４）、さらにばね線材１０にセッチングを実行する（ステップＳ１６）。これにより、ばね線材１０から高強度ばね２が得られる。
以上、本実施形態の高強度ばね２の好適な製造方法について説明した。次に、本実施形態に係るタングステンを含むばね線材を用いて製作した高強度ばね（以下、本願鋼材例という）と、タングステンを含まないばね線材で製作した高強度ばね（以下、比較鋼材例という）とで、鋼材層中に析出する炭化物の平均長さと平均幅等を測定した例を説明する。
本願鋼材例の高強度ばねを製作するために、質量％で、Ｃ：０．５５〜０．７５、Ｓｉ：１．５０〜２．５０、Ｍｎ：０．３０〜１．００、Ｃｒ：０．８０〜２．００、Ｗ：０．０５〜０．３０、Ｍｏ：０．０５〜０．３０、Ｖ：０．０５〜０．３０、残部が鉄および不可避的不純物を含有するばね線材を用いた。具体的には、表１に示す組成のばね線材を用いた。また、比較鋼材例の高強度ばねを製作するために、質量％で、Ｃ：０．５５〜０．６５、Ｓｉ：１．２０〜２．５０、Ｍｎ：０．３０〜０．６０、Ｃｒ：０．４０〜２．００、Ｍｏ：０．０５〜２．００、Ｖ：０．０５〜０．３０、残部が鉄および不可避的不純物を含有するばね線材を用いた。具体的には、表１に示す組成のばね線材を用いた。
Figure 2012036418
上述した組成を有するばね線材を図３に示すフローに従って処理することで、高強度ばねを製作した。製作した高強度ばねの諸元は、線径φ３．２ｍｍ、中心径φ２０．０ｍｍ、総巻数６．００、有効巻数４．００、自由長４７．０ｍｍであった。製作した高強度ばねからテストピースを取得し、取得したテストピースを用いて、鋼材層中に析出する炭化物の平均長さ、平均幅、化合物層厚さ、疲労強度を測定した。測定は、窒化処理の温度条件を変えて製作した複数の高強度ばねのそれぞれについて行った。なお、窒化処理の時間は、いずれも２時間とした。測定結果を、表２に示す。なお、表２において耐久性は、狙い耐久強度（目標耐久強度（６００ＭＰａ））以上となったものを○とし、狙い強度未満となったものを×とした。
Figure 2012036418
図４，５は、本願鋼材例の高強度ばねと比較鋼材例の高強度ばねの鋼材層中に析出する炭化物の平均長さと平均幅を測定した結果を示している。図４の縦軸は鋼材層中に析出する炭化物の平均長さ（μｍ）、その横軸は窒化温度（℃）を表し、図５の縦軸は鋼材層中に析出する炭化物の平均幅（μｍ）、その横軸は窒化温度（℃）を表している。なお、炭化物の大きさの測定は、窒化処理を施したそれぞれのテストピースを鏡面研磨し、ナイタールでわずかにエッチングして炭化物を浮き出させた後、走査型電子顕微鏡によって５００００倍で数視野撮影した。次いで、撮影した写真毎に、写真中の炭化物を、炭化物の長手方向を長さ、長手方向と垂直となる方向を幅として測定した。最後に、各写真について求めた測定結果を平均して平均長さ、平均幅を求めた。
図４に示すように、本願鋼材例の高強度ばね（図中の○）では、鋼材層中に析出する炭化物の平均長さは、窒化温度が４５０℃〜５６０℃のときに０．０７μｍ以上０．１２μｍ以下となり、４４０℃の窒化温度では０．１２μｍを越えた。特に、本願鋼材例の高強度ばねは、窒化温度を４６０℃以上とすると、鋼材層中に析出する炭化物の平均長さを０．１０μｍより小さく抑えることができた。一方、比較鋼材例の高強度ばね（図中の△）では、鋼材層中に析出する炭化物の平均長さは、窒化温度が３８０℃〜５００℃のいずれにおいても０．１μｍ以下とはならなかった。
また、図５に示すように、本願鋼材例の高強度ばね（図中の○）では、鋼材層中に析出する炭化物の平均幅は、窒化温度が４４０℃〜５６０℃のいずれにおいても０．０２μｍ〜０．０２５μｍ程度であった。一方、比較鋼材例の高強度ばね（図中の△）では、窒化温度が５００℃のときに、鋼材層中に析出する炭化物の平均幅が０．０４μｍを超えた。
次いで、図６に、本願鋼材例の高強度ばねから取得したテストピースの窒化物の化合物層厚さを示す。縦軸は素材鋼表面から鋼材層までの化合物層厚さ（μｍ）、横軸は窒化温度（℃）を表す。なお、化合物層厚さは、テストピースの断面を鏡面研磨し、ナイタールでエッチングした後、光学顕微鏡によって４００倍に拡大して観察し、窒化物化合物層の厚さを計測することで測定した。図６に示すように、窒化処理の温度が上がるのに伴い、化合物層の厚さは増大した。化合物層が厚い程、表面は硬化するが、脆さも増すため、化合物層の厚さは５μｍ以下であることが好ましい。図６に示されるように、窒化温度が５６０℃となると化合物層の厚さは５μｍを越えた。
上述した結果から明らかなように、質量％で、Ｃ：０．５５〜０．７５、Ｓｉ：１．５０〜２．５０、Ｍｎ：０．３０〜１．００、Ｃｒ：０．８０〜２．００、Ｗ：０．０５〜０．３０を含有するばね線材に、４５０℃以上５４０℃以下で窒化処理を施すことによって、鋼材層中に析出する炭化物の平均長さが０．１２μｍ以下、平均幅が０．０４μｍ以下とすることができた。このようなばね線材は、タングステンを含まない比較鋼材例のばね線材や、本願鋼材例のばね線材に４５０℃未満、又は５４０℃を超える温度で窒化処理を施した場合と比較して、鋼材層中に析出する炭化物がより微細で分散された状態となる。すなわち、本願鋼材例２〜８（すなわち、本実施例）では、その他の場合と比較して、ばね内部の強度をより向上することができる。さらに、窒化温度が５４０℃以下とすることで、窒化物の化合物層を５μｍ以下とすることができ、化合物層の脆さによる強度の低下を防ぐことができる。
次に、図７に本願鋼材例の高強度ばねの耐久性と、比較鋼材例の高強度ばねの耐久性を測定した結果を示す。耐久性の測定では、それぞれのテストピースに平均応力τｍ＝７３０ＭＰａとして、種々の振幅応力を負荷して耐久試験を行った。耐久試験の結果を図７に示す。図７の縦軸は疲労限度（振幅応力（ＭＰａ））、横軸は窒化処理時の温度（℃）を示している。図中、本願鋼材例の高強度ばねは●で表し、比較鋼材例の高強度ばねは▲で表している。
図７に示すように、本願鋼材例１〜８のテストピース（図中の●）は、いずれも比較鋼材例１〜３のテストピース（図中の▲）のいずれよりも高い耐久性を有していた。また、本願鋼材例２〜７のテストピースは、本願鋼材例１，８のテストピースと比較して高い耐久性を有し、いずれも６００ＭＰａ以上の疲労限度を有していた。
また、図８に、本願鋼材例１，３，５，７，８のそれぞれから得られたテストピースについて、その表面から深さ方向の圧縮残留応力分布を測定した結果を示している。縦軸はばね線材に残留する圧縮残留応力（ＭＰａ）を表し、横軸は圧縮残留応力測定部位のテストピースの表面からの深さ方向の距離を表す。圧縮残留応力分布の測定は、本願鋼材例１，３，５，７，８のテストピースに対して行った。図８に示すように、いずれのテストピースも同様の圧縮残留応力分布となり、窒化温度（４４０℃〜５６０℃）が変化しても殆ど変化がなかった。
上述した結果から明らかなように、タングステンを含むばね線材を用い、かつ、４５０℃以上５４０℃以下の温度で窒化処理を施した本実施形態の高強度ばねは、その他の高強度ばねと比較して、高い疲労強度を有することが確認できた。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、ばね線材には、Ｐ（リン）や、Ｓ（硫黄）等の不可避的不純物を含んでいてもよい。こうした不可避的不純物は、ばね強度の低下に繋がるため、濃度は低いほどよい。例えば、ばね線材に含まれるＰは、重量％で０．０２５％以下、Ｓは０．０２５％以下であることが好ましい。また、ばね線材の表面に実施するショットピーニングの回数は、ばね線材に要求される耐久性に応じて適宜決定することができる。例えば、ばね線材に十分な圧縮残留応力を付与するためには、少なくとも２段階のショットピーニングを行うことが好ましく、より好ましくは３段階のショットピーニングを行うことが好ましい。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
２ 高強度ばね、１０ 素材鋼、１２ 鋼材層、１４ 化合物層、１６ 炭化物

Claims (3)

  1. 鋼材層と、鋼材層の表面に形成された窒化物の化合物層とを有する高強度ばねであって、
    鋼材層は、質量％で、Ｃ：０．５５〜０．７５、Ｓｉ：１．５０〜２．５０、Ｍｎ：０．３０〜１．００、Ｃｒ：０．８０〜２．００、Ｗ：０．０５〜０．３０、残部が鉄および不可避的不純物を含有し、
    鋼材層中に析出している炭化物の平均長さが０．１２μｍ以下で平均幅が０．０４μｍ以下である、高強度ばね。
  2. さらに、鋼材層が、質量％で、Ｍｏ：０．０５〜０．３０、及び／又は、Ｖ：０．０５〜０．３０を含有する、請求項１に記載の高強度ばね。
  3. 前記窒化物の化合物層の厚さが５μｍ以下である、請求項１又は２に記載の高強度ばね。
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