JP4518415B2 - コイルばね又はスタビライザを製造するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載した形式の、鋼からコイルばね又はスタビライザを製造するための方法に関する。

ＤＥ４３４０５６８Ｃ２号特許明細書には、鋼線を継続的に熱処理するための方法が開示されていて、この方法は次の方法ステップを有する。

−８５〜１００℃／秒の速度でオーステナイト温度域に鋼線を迅速に加熱し、
−この鋼線を１０〜６０秒間オーステナイト温度域に維持し、
−この鋼線を８０℃／秒よりも速い速度で室温まで焼入れし、
−８５〜９５℃／秒の速度で焼き戻し温度まで迅速に加熱し、
−６０〜１００秒間、この焼き戻し温度に維持し、
−５０℃／秒よりも速い水冷のために通常の速度で鋼線を冷却する。

このステップ２と３の間で鋼線は、Ａ_ｃ３点温度のすぐ上で圧延される。この場合、鋼線は最初のパスで楕円形にされ、第２のパスで円形に圧延され、次いで補正ノズルを通して引かれる。

ＤＥ１９５４６２０４Ｃ１号特許明細書には、焼き入れ鋼から硬質の対象物を製造するための方法と、ばねの製造のためにこの方法を使用することが記載されている。０．４〜０．６％のＣ、１％以下のＳｉ、１．８％以下のＭｎ、０．８〜１．５％のＣｒ、０．０３〜０．１０％までのＮｂ、０〜０．２％のＶ（以上質量％）を有し、それ以外は鉄である鋼は、以下のように処理される。

−前材料を、１０５０〜１２００℃のオーステナイト温度域で溶体化熱処理し、
−その直後に、前材料を再結晶化温度以上の温度で第１段階の熱変形をし、
−その直後に前材料を、再結晶化温度以下でかつＡ_ｃ３点温度以上の温度で第２段階の熱変形をし、
−次いで、圧延加工物を、Ａ_ｃ３点温度以上の温度に、さらなる変形および処理過程を実行するために維持し、
−次いでマルテンサイト温度以下まで冷却し、
−これに続いて最後に焼き戻しする。

ＤＥ１９６３７９６８Ｃ２号特許明細書には、板ばね及び／又は板ばねアームのためのばね板を高温熱加工で製造するための方法が記載されている。この方法は、２段階式の熱加工的な放物線ばね製造法に基づくものである。この方法の根底を成すステップは以下の通りである。

−出発材料を、４〜３０℃／秒の加熱速度でオーステナイト化温度まで加熱し、
−オーステナイト化温度は１１００±１００℃であって、
材料をオーステナイト化温度から第１の圧延段階の温度まで、１０〜３０℃／秒の冷却速度で冷却し、
−次いで、第１の圧延段階で１０５０±１００℃の温度で、ばね板の長さにわたって一定ではない１５〜１８％の形状変化をもって、一回のまたは複数回のパスにより前圧延加工し、
−第１の圧延段階の温度から第２の圧延段階の温度へと、１０〜３０℃／秒の冷却速度で冷却し、
−第２の圧延段階では、８８０±３０℃の温度で、ばね板の長さにわたって一定の１５〜４５％の形状変化をもって、一回のまたは複数回のパスによって負荷下で調節可能なローラによって最終圧延する。

最後にＤＥ１９８３９３８３Ｃ２号特許明細書に、ねじり負荷されるばね部材のための鋼の熱加工処理方法が開示されている。この場合、出発材料を再結晶化温度以上の温度に加熱し、次いでこのような再結晶化温度以上の温度で少なくとも２つの変形ステップで変形し、動的及び／又は静的なオーステナイトの再結晶化が行われるように形成する。このような形式の変形形成物である再結晶化されたオーステナイトは、焼入れされて、焼き戻しされる。使用のためには、０．３５〜０．７５％の炭素含量を有するシリコンクロム鋼が使用される。この鋼はバナジウムまたは他の合金エレメントと微量合金化されている。

先行技術により公知の、鋼から成る対象物を熱加工処理する方法は、主として多段階的な変形ステップに基づいている。この場合、後に最終製品において生じるパラメータを得るためには、出発材料を多数回にわたって冷却・加熱しなければならない。

本発明の課題は、最終製品の負荷プロフィールに合わせて調節した特性パラメータの所望の改善を可能にするような、請求項１の上位概念に記載の形式の鋼からコイルばね又はスタビライザを製造するための方法を提供することである。

この課題は請求項１の特徴を有する方法により解決された。

この方法の有利な構成は請求項２から２１に記載されている。

本発明による方法では、出発材料をまず最初に、再結晶化温度以上の温度に加熱し、次いでロッド全長にわたって温度補償を行う。さらに、ロッドの加熱温度を、ローラギャップへの進入までほぼ一定に維持する。このような作業ステップにより、ロッドのできるだけ均質な組織構造が、その長さにわたって並びに横断面にわたって、ローラギャップへの進入前に得られ、このような組織構造は、続く変形プロセスにとって有利である。傾斜圧延のプロセス特有の特性および圧延パラメータの所望の設定に基づき、一段階の変形プロセスで、ロッドの縁部領域で材料の所定のねじれが生じ、ロッド横断面にわたって変形勾配が生じる。傾斜圧延加工時の変形方向が、圧延素材軸線に対して傾斜して延びていて、最大変形がロッドの縁部領域に位置しているので、変形に基づく組織の延伸はこの縁部区域で特に顕著であり、組織方向は、変形方向に相応して、同様に圧延素材軸線に対して傾斜して延びている。臨界的な変形度の超過後は、動的な再結晶化プロセスが縁部区域で特に集中的に生じ、これによりロッド横断面にわたって外部から内部に向かう再結晶化度の勾配が確認される。変形プロセスに続くＡ_ｃ３点以上の後加熱では、静的な再結晶化が完全なものとされる。これにより特に縁部領域で、微粒子のオーステナイトが生じる。硬化とこれに続く焼き戻し後は、縁部区域が高い硬度の微細なマルテンサイト組織を有する。

本発明は、先行技術により公知の手段に比べて大きな利点を有している。傾斜圧延による所望の一段階の変形と、それに合わせて規定された熱処理との組み合わせの結果、処理されたロッドは横断面にわたって、縁部領域で最大値が得られる強度プロフィールを有する。傾斜圧延により生じる、円形ロッドの縁部領域における組織のねじり方向は、ねじり負荷される構成部分の主応力方向に相応し、従ってこれにより生じるロッドの特性は特にばね工業における使用のために最良の前提となる。本発明の方法によりロッド横断面にわたって生じる組織の分布は、最終加工された円形ロッドにおいて、曲げ負荷およびねじり負荷の際にロッド横断面にわたって生じる応力プロフィールに相応する特性プロフィールを生ぜしめる。このような形式の鋼により製造されたスタビライザまたはコイルばねは、負荷が同じ場合は有利にはより小さい重量を有する。

このような有利な強度効果を形成するために、１つの変形ステップしか必要ではなく、続く処理段階は主として所定の熱において行われるので、結果として、出発材料のためには１つの加熱過程しか必要ない。このことは方法の条件として著しいエネルギ節約と時間の節約となる。従って本発明の方法は公知の方法に比べて、最終製品の負荷に合わせた強度特性および粘性特性の改善のみならず、さらにプロセスステップが最小限であることにより経済的にも有利である。

有利には、円形ロッドの形の出発材料を、１００〜４００Ｋ／秒の加熱速度で７００〜１１００℃の温度にまで誘導加熱する。次いで、少なくとも１０秒間ロッドのその長さにわたってロッドの加熱温度の補償が行われる。これにより、ロッド長さにわたる温度差は５Ｋを超過しないことが保証される。適当な後加熱装置により、ロッドの加熱温度は、ローラギャップへの進入まで一定に保持される。変形自体は、ロッドがまっすぐのままローラギャップを貫通する１つのステップにおいて傾斜圧延によって行われる。出発材料の材料に応じて有利には７００〜１１５０℃の温度領域で変形される。出発直径と最終直径の直径比は、ロッドの傾斜圧延が、１．３よりも大きい平均延伸度λで行われ、最大の変形が少なくともΨ＝０．３であるように選択されている。例えばロール回転数や送り速度といった圧延パラメータの所望の調節を介して、特別な角度関係を有するロール輪郭の特別な選択により、縁部領域における最大変形はロッドの直径の０．６５〜１．０にあり、ロッド横断面にわたって所望の変形勾配が得られる。有利には傾斜圧延プロセスは、圧延素材において５０Ｋの最大局部温度上昇が超えられないように制御される。

変形に基づき、臨界的な変形程度が超過された後は動的な再結晶化プロセスが進行する。このプロセスはロッドの芯領域よりも縁部区域で、最大の変形に基づきより顕著に生じる。ロッド横断面にわたる変形勾配の形成に所望のように影響を与えることにより、一連の動的な再結晶化において既に、圧延素材横断面にわたって異なる組織分布の最初の徴候が生じる。これにより金属組織学的な試みにより、本発明により圧延されたロッドにおいて再結晶化された状態で、縁部領域から芯領域の方向で微細なオーステナイト結晶割合が著しく減少することが示されている。

ローラ素材横断面にわたって生じる異なる組織構造はさらに、傾斜圧延の典型的な特性により付加的に強化される。傾斜圧延では変形方向が圧延素材軸線に対して傾斜して延びるので、特に圧延素材の縁部領域において、比較的高い変形に基づき特別な組織の延伸が生じる。変形方向に相応して、組織の延伸も圧延素材軸線に対して傾斜して延びていて、縁部領域で材料のねじれが生じることになる。本発明による方法のプロセスでは、ロッドの縁部領域における組織のねじれ方向がロッドの長手方向軸線に対して３５〜６５°の角度であって、ねじれ負荷された構成部分の主応力方向に相応する。

一段階で行う傾斜圧延の記載した方法形式では、圧延したいロッドが、その全長において、一定のローラギャップジオメトリを有したローラギャップを貫通する。この方法形式は、ロッドをロッド全長にわたって同じ一定の直径有するように形成すべき場合に選択される。本発明による方法によりさらに、選択的な方法形式が可能であって、その場合、ローラギャップジオメトリが運転状態で、圧延したいロッドがロールギャップを貫通する間に変化される。このようなフレキシブルな作業形式は、ロールを必要に応じて、変形中に軸方向及び／又は半径方向で調節することができる傾斜圧延フレームによって実現される。このようにして、本発明による方法により、ロッド長さにわたって可変な直径を有した円形ロッドの製造が可能である。傾斜圧延されたロッドは、圧延フレームから出た直後に、Ａ_ｃ３点よりも高い温度で後加熱される。後加熱は、ロッドの長さにわたって生じる温度差が５Ｋに制限されるように行われる。

後の使用目的に応じて、傾斜圧延加工され、再結晶化温度にまで後加熱されたロッドは所定の熱において、コイルばねを形成するようにコイリングされたり、スタビライザを形成するように曲げられる。コイリングされた、もしくは曲げられた構成部分は次いで硬化され、次いで焼き戻しされる。

トーションバースプリングの製造のために設けられているロッドは、後加熱後に冷間状態で、その端部が機械的に加工され、次いでＡ_ｃ３点よりも高い温度に加熱され、焼入れされて焼き戻しされる。

最終加工されたロッドにおけるマクロ検査は、傾斜圧延と熱処理の本発明による組み合わせの結果、ロッド横断面にわたって典型的な組織分布を示している。直接的な縁部区域は、高い硬度の微細な粒子のマルテンサイト組織を有している。縁部領域は、ロッド軸線に対して傾斜して延びるような一貫した組織の延びを有していて、そのねじれ方向は、ねじり負荷された構成部分の主応力方向に相応する。芯区域のパーライト・マルテンサイト混合組織は、縁部領域の組織よりも粗い粒子であって、ねじれの特徴を有していない。

完成製品における良好な粘性パラメータおよび強度パラメータを調節するために、本発明による方法では出発材料として、ばね鋼、有利には０．８％よりも少ない炭素含有率を有するシリコンクロム鋼から成る円形ロッドが使用される。選択的にはこの鋼は、バナジウムまたはニオブを含む微量合金であって良い。

次に図面につき本発明の実施例を詳しく説明する。

唯一の図面には、シリコンクロム鋼から成る円形鋼ロッドの本発明による熱加工処理のための基本的構成が示されている。

処理すべきロッドは、誘導装置１において再結晶温度以上の温度に加熱される。この場合、その組織はオーステナイト化される。この実施例では、円形鋼ロッドは、１３０Ｋ／ｓの加熱速度で９８０℃の温度まで加熱される。誘導装置１に後置された補償炉２では、１５秒以上、ロッドの加熱温度の補償が行われ、これにより温度変化はロッドの長さにわたって４Ｋの傾きを有している。

この状態で、均質に温度調整された円形鋼ロッドは、ローラギャップに進入するまでその温度を一定に保持するために保持炉３に投入される。加熱されたロッドは補償炉２および保持炉３において、ローラコンベヤ６，７によって搬送される。

傾斜圧延フレーム４では、９８０℃に加熱された円形鋼ロッドが１つの圧延ステップで変形される。この場合、出発直径と最終直径の直径比は、平均延伸度λ＝１．５で処理され、最大の変形は少なくともΨ＝０．３であるように選択されている。圧延パラメータ、例えばロール回転数や送り速度の所望の調節と、特別な角度関係を有したローラ輪郭の特別な選択により、縁部領域の最大の変形は、ロッドの直径の０．６５〜１．０で実現され、従って所望の変形勾配がロッド横断面にわたって調節される。各圧延パラメータは互いに、変形プロセスに基づき、５０Ｋの最大の局部温度上昇が圧延素材において超過されないように合わせられている。傾斜圧延において圧延軸線に対して傾斜して延びる変形方向により圧延素材の縁部領域で、比較的高い変形に基づき顕著な組織の延伸が生じる。変形方向に応じて、このような組織の延伸は、圧延素材軸線に対して傾斜して延びていて、ロッドの縁部領域で材料のねじれが生じる。本発明による方法の経過では、組織のねじれ方向は、ロッドの長手方向軸線に対して３５〜６５の角度であって、ひいては、トーション負荷がかけられる構成部分の主応力方向に相応する。

圧延されたロッドは、傾斜圧延フレーム４から出ると、このフレームに後置された後加熱炉５に到り、ここで完全に静的な再結晶化を保証するために、Ａ_ｃ３点温度以上の後加熱が行われる。後加熱炉５を通るロッドの搬送はローラコンベヤ８によって行われる。後加熱炉５を出た後は、傾斜圧延されたロッドは引き渡しローラコンベヤ９によってさらに搬送される。引き渡しローラコンベヤ９からロッドは別の所定の加工ステップへと供給される。

図１には、巻成されたコイルばねを製造するための製造ラインが概略的に示されている。これによると、ロッドは引き渡しローラコンベヤ９を介して昇降テーブル１０に引き渡され、ここからＣＮＣばね成形機１１へと到る。ここでは、コイルばねを形成するためのコイリングが、再結晶後に所定の熱のもとで行われる。コイリング過程に続いて、今やコイルばねを形成するように巻成されたロッドは、硬化槽１２へと送られる。ここでロッドは焼き入れされ、その組織をマルテンサイトへと変態させる。次いで、硬化されたコイルばねは、図示されていない焼き戻し処理がなされる。

シリコンクロム鋼から成る円形鋼ロッドの本発明による熱加工処理のための原則的な構成を示す図である。

符号の説明

１ 誘導装置、 ２ 補償炉、 ３ 保持炉、 ４ 傾斜圧延フレーム、 ５ 後加熱炉、 ６，７，８ ローラコンベヤ、 ９ 引き渡しローラコンベヤ、 １０ 昇降テーブル、 １１ ＣＮＣばね成形機、 １２ 硬化槽

Claims (20)

1. コイルばね又はスタビライザを鋼から製造するための方法であって、出発材料を再結晶温度以上の温度に加熱し、オーステナイト化し、温度補償するように保持した後、変形し、次いでマルテンサイトとなるように焼き入れし、焼き戻しする方法において、
   円形ロッドから出発し、該円形ロッドの加熱温度をロッド長さにわたって補償し、次いで円形ロッドを、傾斜圧延によってほぼまっすぐに維持しながら変形し、この場合、傾斜圧延加工を１つのステップで行い、縁部領域において材料の所定のねじれと、横断面にわたって所望の変形勾配が得られるように変形し、この場合、臨界変形度の超過後に動的な再結晶化プロセスが行われ、次いでＡ_ｃ３点以上の後加熱を行い、その後ロッドをコイルばねを形成するためにコイリングするか、またはスタビライザを形成するために湾曲させ、次いで硬化させ、焼き戻しすることを特徴とする、コイルばね又はスタビライザを鋼から製造するための方法。
2. 円形ロッドの縁部領域における組織のねじれ方向が、ねじり負荷をかけられたコイルばねもしくはスタビライザの主応力方向に等しい、請求項１記載の方法。
3. 縁部領域における組織のねじれ方向が、円形ロッドの軸線に関して３５°〜６５°である、請求項１記載の方法。
4. ロッドの傾斜圧延加工を、少なくとも１．３の平均延伸度で行う、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. ロッドの傾斜圧延加工において、ロッドをロッド軸線に対して傾斜する方向に変形し、ロッドの縁部領域における前記変形方向の最大の変形が、ロッドの直径の０．６５〜１．０倍であり、ひずみが少なくとも０．３である、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 出発材料の再結晶温度以上の温度への加熱において、１００〜４００Ｋ／秒の速度で材料を加熱する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 出発材料を再結晶温度以上１１００℃以下の温度に加熱する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 出発材料の再結晶温度以上の温度への加熱において、加熱を誘導加熱により行う、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. ロッドの加熱温度の補償を少なくとも１０秒以上行う、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 出発材料の再結晶温度以上の温度への加熱後の温度補償において、ロッド長さにわたる温度差が５Ｋを超過しない、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. ロッドの加熱温度を、ローラ間への進入まで一定に保持する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 傾斜圧延加工の際に、最大局所温度上昇が５０Ｋを超過しない、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. 傾斜圧延加工を７００〜１１５０℃の温度領域で行う、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
14. 傾斜圧延加工フレームのローラを変形中に調節し、円形ロッドをロッド長さにわたって可変な直径を有するように製造する、請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法。
15. 傾斜圧延加工に続く、Ａ_ｃ３点以上の後加熱の際に、ロッド長さにわたる温度差を最大５Ｋに制限する、請求項１から１４までのいずれか１項記載の方法。
16. ばね鋼が出発材料である、請求項１から１５までのいずれか１項記載の方法。
17. シリコンクロム鋼が出発材料である、請求項１から１５までのいずれか１項記載の方法。
18. 少なくともバナジウム又はニオブを含む微量合金鋼が出発材料である、請求項１から１５までのいずれか１項記載の方法。
19. 負荷の際に、横断面にわたってほぼ同じ応力分布を有していることを特徴とする、請求項１から１８までのいずれか１項記載の方法によって製造されたコイルばね。
20. ねじり負荷をかけられた部分が、負荷の際に、横断面にわたってほぼ同じ応力分配を有していることを特徴とする、請求項１から１８までのいずれか１項記載の方法によって製造されたスタビライザ。

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