(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼入可能な鋼線材を高周波誘導加熱又は直接通電加熱により５０℃／ｓｅｃ以上の加熱速度で急速加熱し、１１００℃以下のオーステナイト領域の温度に６０ｓｅｃ以下の短時間の保持後、急速冷却して焼入れした後、高周波誘導加熱又は直接通電加熱により前記加熱速度で急速加熱して４００〜７００℃の温度範囲に６０ｓｅｃ以下の短時間の保持後、急速冷却して焼戻しを行う第１熱処理工程と、この第１熱処理を施した線材を室温においてコイルばねに成型する成型工程と、この成型したコイルばねを第１熱処理の焼戻し温度より低い温度で低温焼なましを施す低温焼なまし工程と、この低温焼なまししたコイルばねを高周波誘導加熱又は直接通電加熱により３０℃／ｓｅｃ以上の加熱速度で急速加熱し、１０００℃以下のオーステナイト領域の温度に１２０ｓｅｃ以下の短時間の保持後、急速冷却して焼入れした後、３００〜６００℃の温度範囲で加熱保持して焼戻しを行う第２熱処理工程とを有する高靭性・高抗張力コイルばねの製造方法。
【請求項２】
焼入可能な鋼線材を高周波誘導加熱又は直接通電加熱により５０℃／ｓｅｃ以上の加熱速度で急速加熱し、１１００℃以下のオーステナイト領域の温度に６０ｓｅｃ以下の短時間の保持後、急速冷却して焼入れした後、高周波誘導加熱又は直接通電加熱により前記加熱速度で急速加熱して４００〜７００℃の温度範囲に６０ｓｅｃ以下の短時間の保持後、急速冷却して焼戻しを行う第１熱処理工程と、この第１熱処理を施した線材を１５０℃以上で前記第１熱処理工程の焼戻し温度より低い温度においてコイルばねに温間成型する成型工程と、この成型したコイルばねを高周波誘導加熱又は直接通電加熱により３０℃／ｓｅｃ以上の加熱速度で急速加熱し、１０００℃以下のオーステナイト領域の温度に１２０ｓｅｃ以下の短時間の保持後、急速冷却して焼入れした後、３００〜６００℃の温度範囲で加熱保持して焼戻しを行う第２熱処理工程とを有する高靭性・高抗張力コイルばねの製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載された工程により製造された高靭性・高抗張力コイルばね。
【請求項４】
前記第１熱処理を施した線材は、１３０ｋｇｆ／ｍｍ２  以上１５０ｋｇｆ／ｍｍ２  以下の引張強さを有し、第２熱処理を施したコイルばねは１５０ｋｇｆ／ｍｍ２  〜２３０ｋｇｆ／ｍｍ２  の引張強さを有する請求項３に記載の高靭性・高抗張力コイルばね。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、二輪車・自動車用サスペンション、シャッタ、その他一般産業機械等に用いられる高靭性・高抗張力コイルばねに関する。
【０００２】
【従来の技術】
コイルばねの製造方法には、熱間成型法と冷間成型法がある。熱間成型法は、一般に炉加熱により長時間加熱されるため脱炭が生じやすく、かつ熱間の材料強度が低いため表面傷がつきやすいなどの欠点があり、その欠点の少ない冷間成型法が望ましい。しかし、素材の径が大きく強度が高い場合にはコイルばね形状への冷間成型は困難であるという問題点がある。また、いずれの製造方法によってもコイル成型後に焼入熱処理を行う場合、熱処理歪みによりコイルの変形が生じ易く焼入れ後に歪み矯正工程が必要となるが、高強度の大径素線のコイルばねでは焼入れ後の矯正が困難であるという問題点があった。かかる問題点を改善した冷間成型コイルばねの製造法として、特公昭５６−１３５６８号公報において、高周波誘導加熱による急速加熱の特徴を生かした高強度高靭性を有し冷間加工性の高い高周波焼入れ焼戻し線材と、この線材を用いてコイルばね成型してすぐれた耐疲労・耐へたり性を持つコイルばねの製造方法が提案された。
【０００３】
しかしながら、強度の高い大径の素線のコイルばねや、口径比が小さく曲率半径の小さいコイルばねの冷間コイル成型はなお困難であるという問題点があった。一方、大径高強度コイルばねが要求される車両用サスペンションばねなどでは、軽量化の要請等により一層高強度で安価なばねが要求されるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、高周波誘導加熱等を用いた短時間加熱による焼入・焼戻しによれば通常炉の熱処理よりも微細組織が得られ高靭性が得られる高周波誘導加熱の特徴を生かし、大径の高強度のコイルばねの冷間成型を容易にし、かつコイルばね焼き入れ後の変形を少なくして変形矯正工程を軽減することにより、軽量・安価な大径の高強度・高靭性のコイルばねとその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の高靭性・高抗張力コイルばねの製造方法は、焼入可能な鋼線材を高周波誘導加熱又は直接通電加熱により５０℃／ｓｅｃ以上の加熱速度で急速加熱し、１１００℃以下のオーステナイト領域の温度に６０ｓｅｃ以下の短時間の保持後、急速冷却して焼入れした後、高周波誘導加熱又は直接通電加熱により前記加熱速度で急速加熱して４００〜７００℃の温度範囲に６０ｓｅｃ以下の短時間の保持後、急速冷却して焼戻しを行う第１熱処理工程と、この第１熱処理を施した線材を室温においてコイルばねに成型する成型工程と、この成型したコイルばねを第１熱処理の焼戻し温度より低い温度で低温焼なましを施す低温焼なまし工程と、この低温焼なまししたコイルばねを高周波誘導加熱又は直接通電加熱により３０℃／ｓｅｃ以上の加熱速度で急速加熱し、１０００℃以下のオーステナイト領域の温度に１２０ｓｅｃ以下の短時間の保持後、急速冷却して焼入れした後、３００〜６００℃の温度範囲で加熱保持して焼戻しを行う第２熱処理工程とを有するものである。
【０００６】
また、上記目的を達成するために本発明の高靭性・高抗張力コイルばねの製造方法は、焼入可能な鋼線材を高周波誘導加熱又は直接通電加熱により５０℃／ｓｅｃ以上の加熱速度で急速加熱し、１１００℃以下のオーステナイト領域の温度に６０ｓｅｃ以下の短時間の保持後、急速冷却して焼入れした後、高周波誘導加熱又は直接通電加熱により前記加熱速度で急速加熱して４００〜７００℃の温度範囲に６０ｓｅｃ以下の短時間の保持後、急速冷却して焼戻しを行う第１熱処理工程と、この第１熱処理を施した線材を１５０℃以上で前記第１熱処理工程の焼戻し温度より低い温度においてコイルばねに温間成型する成型工程と、この成型したコイルばねを高周波誘導加熱又は直接通電加熱により３０℃／ｓｅｃ以上の加熱速度で急速加熱し、１０００℃以下のオーステナイト領域の温度に１２０ｓｅｃ以下の短時間の保持後、急速冷却して焼入れした後、３００〜６００℃の温度範囲で加熱保持して焼戻しを行う第２熱処理工程とによってもよい。
【０００７】
前記請求項３及び４に記載される高靭性・高抗張力コイルばねは、前記請求項１及び２に記載される製造方法によって製造されるものに限定され、前記請求項１及び２の工程により製造された本発明の高靭性・高抗張力コイルばねの前記第１熱処理を施した線材は、１３０ｋｇｆ／ｍｍ2 以上１５０ｋｇｆ／ｍｍ2 以下の引張強さを有し、第２熱処理を施したコイルばねは１５０ｋｇｆ／ｍｍ2 〜２３０ｋｇｆ／ｍｍ2 の引張強さを有することが本発明の性能を発揮するために望ましい。
【０００８】
【作用】
鋼線材を高周波誘導加熱又は直接通電加熱により５０℃／ｓｅｃ以上の加熱速度で急速加熱し、１１００℃以下のオーステナイト領域の温度に６０ｓｅｃ以下の短時間の保持後、急速冷却して焼入れした後、高周波誘導加熱又は直接通電加熱により前記加熱速度で急速加熱して４００〜７００℃の温度範囲に６０ｓｅｃ以下の短時間の保持後、急速冷却して焼戻しを行う第１熱処理を施すことにより、１３０ｋｇｆ／ｍｍ２  以上の引張強さの高強度でかつ靭性が高く、次工程のコイルばね冷間成型における冷間加工性の良好な素線が得られる。これは高周波加熱などの急速加熱・短時間保持後急冷する焼入れ熱処理により、通常炉の熱処理に比し組織が微細で高靭性が得られるという既知の事実に加え、さらに急速加熱・短時間保持の焼戻し熱処理により一層冷間加工性が向上するという特公昭５６−１３５６８号公報において開示された事実によるものである。
【０００９】
この第１熱処理を施した線材をコイルばねに成型加工する。このコイルばね成型加工は室温の冷間加工が簡便であるが、素線径が大きくて常温強度が高くなり冷間加工の困難な場合は、１５０℃以上の第１熱処理の焼戻し温度より低い温度で温間加工することができる。第１熱処理の焼戻し温度より低い温度で成型加工するのは、素線の強度を低下させないためであり、１５０℃以上の加工温度であれば後述するコイルばね成型加工後の低温歪取り焼なましを省略できる利点があるからである。この第１熱処理を施した線材は１３０ｋｇｆ／ｍｍ２  以上１５０ｋｇｆ／ｍｍ２  以下の引張強さが望ましい。これは、１３０ｋｇｆ／ｍｍ２  以下では第２熱処理後の変形減少の効果が十分に発揮できず、１５０ｋｇｆ／ｍｍ２  以上では剛性が高すぎて冷間コイル成型が困難となるからである。即ち、１３０ｋｇｆ／ｍｍ２  〜１５０ｋｇｆ／ｍｍ２  の引張強さの範囲の第１熱処理を施した素線であれば、前述のごとく冷間加工性が良好で１４ｍｍ径以上の太径の素線でも冷間コイル成型が可能で、第２熱処理後に高い性能のコイルバネが得られる。
【００１０】
この冷間成型したコイルばねを第１熱処理の焼戻し温度より低い温度で低温焼なましを施す。第１熱処理の焼戻し温度より低い温度の焼なましであればコイル素線の強度を低下させることがないからであるが、冷間成型の加工歪みを除去するには焼なまし温度は３００℃以上であることが望ましい。即ち、この低温焼なましによりコイルばね冷間成型による加工歪みが除去され、成型後の焼入れにおけるコイルの変形が減少され、通常の引抜き素材を冷間成型後に焼入れした場合には必要となる熱処理後のコイルの歪取り矯正の工程を省くことができる。前述した１５０℃以上の第１熱処理の焼戻し温度より低い温度の温間加工の場合は加工歪みが減少されるのでこの低温焼なましを省略しても良い。
【００１１】
上記の低温焼なまししたコイルばねを、高周波誘導加熱などにより３０℃／ｓｅｃ以上の加熱速度で１０００℃以下のオーステナイト領域の温度に急速加熱し、１２０ｓｅｃ以下の短時間保持して急速冷却して焼入れした後、所要の焼戻し硬さが得られるように３００〜６００℃の温度を選択して焼戻しを行う第２熱処理を施す。このように第１熱処理後に冷間成型して、成型後に第２熱処理を行う２段熱処理が施された１５０ｋｇｆ／ｍｍ２  以上の高強度のコイルばねは、引抜のままの素材をコイルばね成型して、成型後に通常の焼入・焼戻しの熱処理を行う製造方法に比して、焼入時のコイルばねの変形が少なく、熱処理後のコイルの変形矯正の工程を省くことができ原価が低減できる。また、通常の冷間・熱間成型によるものより組織が微細で耐久性の高いコイルばねが得られる。
【００１２】
第２熱処理を施したコイルばね材が１５０ｋｇｆ／ｍｍ２  〜２３０ｋｇｆ／ｍｍ２  の引張強さが望ましいのは、１５０ｋｇｆ／ｍｍ２  以下のコイルばねはコイル成型後に熱処理しなくても、１５０ｋｇｆ／ｍｍ２  の高周波焼入・焼戻し線材（例えば高周波熱錬株式会社登録商標ＩＴＷ）を使用して冷間成型が可能だからである。また、２３０ｋｇｆ／ｍｍ２  を上限としたのは、これ以上では靭性が低下するからである。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明を一実施例について具体的に説明する。本発明のコイルばねは図１及び表１に示す工程で作成した。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
即ち、図１及び表１に示すように、まず素材は第１熱処理工程で高周波誘導加熱により９８０℃まで急速加熱し、３０秒間保持の後水冷して焼入し、連続して高周波誘導加熱により６４０〜７３０℃まで急速加熱後、３０秒間保持して水冷して焼戻し処理を行いコイル素線を作成した。次にコイルばね成型工程において、この調質された素線をコイルばね成型機を用いて冷間で所定のコイルばね形状にコイル成型した。この成型されたコイルばねは、低温焼きなまし工程で、電気炉を用いて詳細を後述する第１熱処理の焼戻し温度より低い焼きなまし温度に加熱・保持後冷却して低温焼なましを行った。
【００１６】
次に第２熱処理工程において、低温焼なましされたコイルばねを高周波誘導加熱により９８０℃まで６５秒で急速加熱して、３０秒間保持後急冷して焼き入れした後、電気炉を用いて４２０℃で４０分間保持急冷して焼戻し処理を行った。この第２熱処理を施されたコイルばねは、仕上げ工程において端面研削、ショットピーニング、セッティングを施しコイルばね成品になった。
【００１７】
以下にさらに具体的に本発明の実施例について説明する。
第１の実施例の供試ばね材質は表２に示す成分のＳＡＥ９２５４の１７ｍｍ径の素材を用い、前述した表１に示す条件で供試コイルばねを作成した。
【００１８】
【表２】
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【００１９】
即ち、本発明のコイル素線として、表１に示す条件で製造した１３０ｋｇｆ／ｍｍ２  （１３０調質材Ｂ）及び１５０ｋｇｆ／ｍｍ２  （１５０調質材Ｃ）に熱処理した２種類の調質材素線と、比較材として、引き抜きのままの１１０ｋｇｆ／ｍｍ２  の素線（引抜材Ａ）とを使用し、自動コイルばね成型機を用いて冷間成型により次の仕様のコイルばねを作製した。
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このコイルバネ形状を図２に示す。
【００２０】
前記３種類の強度の素線（以下、引抜材Ａ、１３０調質材Ｂ、１５０調質材Ｃという）から成型したコイルばねを表１に示すように、それぞれについて低温焼なましを行わないものと、４００℃×４０分、及び５００℃×４０分の低温焼なましを行ったものの３条件のコイルばねを作成した。このコイルばねを、横置きした状態で高周波誘導加熱により９８０℃まで加熱して急冷し焼入した。その後、電気炉を用い４２０℃×４０分加熱後冷却して焼戻しした。このときの機械的性質は表１に示すように、いずれも引張り強さ：１８１４Ｎ／ｍｍ２  （１８５ｋｇｆ／ｍｍ２  ）が得られた。
【００２１】
前記の冷間成型加工後の高周波焼入前と焼入後のコイルばねの寸法変化を測定した。その結果を図３及び図４に示す。図の結果を要約すると、以下のようになる。
【００２２】
図３のコイル外径の変化は、引抜材Ａは低温焼きなましの有無に拘らず外径が約１ｍｍ大きくなる。１３０調質材Ｂ及び１５０調質材Ｃは、低温焼きなましなしの場合は外径が約１．３ｍｍ小さくなるが、４００℃及び５００℃の低温焼なましを行ったものはいずれの焼なまし温度でも外形変化は少なくほぼ０．３ｍｍ以下になった。
【００２３】
図４の自由高さの変化は、引抜材Ａは焼入後の高さの変化が大きく、低温焼きなましの有無に拘らず約５ｍｍ減少しその変動も大きい。１３０調質材Ｂは、低温焼なまし温度の高い方が変化が少ないが、４００℃の低温焼なましでも変化量の値は０．５〜１．５ｍｍ程度である。１５０調質材Ｃは、低温焼なましの有無に関係なく変化量は約０．１ｍｍと非常に少ない。
【００２４】
前記表１に示す１３０調質材Ｂから製造した図２に示すの形状の強度１８１４Ｎ／ｍｍ２  （１８５ｋｇｆ／ｍｍ２  ）のコイルばねを端面研削した後、下記条件でコイルばね疲労試験を行った。
試験条件
試験機：定ひずみ型疲労試験機  繰返数：５Ｈｚ
試験条件：τ＝５８８±４９０Ｎ／ｍｍ２  （６５±５０ｋｇｆ／ｍｍ２  ）
試験本数：５本
５本の試験片は、すべて３０万回で折損せず、その耐疲労値は少なくとも他の製法によるコイルばねと同様又はそれ以上であることが認められた。
【００２５】
前記第１の実施例は円筒型コイルばねについて寸法変化を実験したが、第２の実施例として、焼入れで変形しやすい、たる型ばねについて実験した。その条件は下記の通りである。
使用素線
材質：  ＳＡＥ９２５４
線径：  １７．０ｍｍ
引張り強さ：１２７０Ｎ／ｍｍ２  （１２９．５ｋｇｆ／ｍｍ２  ）
第１の実施例と同様の方法により第１熱処理した調質材たる型コイルばね形状（図６に示す）
コイル最小内径：５３．０ｍｍ
コイル最大外径：１５０．０ｍｍ
総巻数：４．８巻
自由高さ：２０７ｍｍ
低温焼なまし条件：４００℃×４０ｍｉｎ
第２熱処理：焼入れ；高周波誘導加熱；加熱温度：９２５℃
保持時間：６０ｓｅｃ．後、急冷
焼戻し；電気炉加熱；４００℃×４０ｍｉｎ
硬さ：ＨＲＣ  ５２
引張り強さ：１９１０Ｎ／ｍｍ２  （１９４．８ｋｇｆ／ｍｍ２  ）
【００２６】
この、たる型コイルばねの高周波焼入の前後の寸法変化を表３に示す。その結果は、焼入れ後に最大内・外径とも平均で０．２２ｍｍ減少し、自由高さの変化も１．１６ｍｍ減少したのみで焼入れによる変化が少なく、従来の引き抜き材から冷間または熱間コイル成型後に熱処理したコイルばねに比し大幅に変形が低減され熱処理後の変形矯正工程が大幅に軽減できた。
【００２７】
【表３】
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【００２８】
上記のたる型コイルばねを下記条件でコイルばね疲労試験を行った。
試験条件
試験機：定ひずみ型疲労試験機  繰返数：５Ｈｚ
試験条件：τ＝７３５±４４１Ｎ／ｍｍ２  （８１±４５ｋｇｆ／ｍｍ２  ）
試験本数：８本
５本の試験片は、すべて５０万回で折損せず、その耐疲労値は少なくとも他の製法によるコイルばねと同様又はそれ以上であることが認められた。
【００２９】
上記の試験結果から、引抜きのままの引抜材Ａからコイルばねに成型したばねよりも、１３０調質材Ｂ、及び１５０調質材Ｃの調質後に成型したコイルばねのほうが焼入れ後の変形が少ないことが見出だされた。また変形しやすいたる型ばねについても同様の結果が得られた。通常コイルばねは、熱処理後に熱処理変形を修正する矯正工程がとられるが、ばねの強度が高くなるとこの矯正は困難であり、とくに１５０ｋｇｆ／ｍｍ２  以上の高強度ばねでは、冷間の矯正は極めて困難である。本発明によれば、前述のように焼入れによる変形が非常に少ないので、熱処理後の変形を修正する矯正工程が簡単になるか、または不要になるという利点があり、とくに剛性の大きい高強度のばねや変形が大きく矯正が困難なたる型コイルばねなどでこの利点が大きい。
【００３０】
上述したように、本発明のコイルばねは、引抜材を成型後に熱処理する従来工程に比し熱処理による変形が少なく、高強度では困難である熱処理後の矯正を省略または簡単にすることができ、かつコイルばね成型後に炉加熱により熱処理を行う従来の製造方法よりも表面脱炭が少なく耐疲労性が向上する。これにより、高強度・高靭性のコイルばねの製造コストを低減し、性能の高い信頼性あるコイルばねが得られる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高強度・高靭性コイルばねの製造方法によれば、コイルばねの熱処理後の矯正が省略できるので、従来方法では工数のかかる高強度高靭性のコイルばねが冷間成型により製造でき原価低減される。これにより重車両用の大径・高強度のコイルばねの製造が容易になり、高性能の自動車のサスペンションばねなどのばね寸法を縮減できて軽量化が可能になり、省エネルギが達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例のコイルばねの製造工程を図示した図である。
【図２】本発明第１実施例のコイルばねの外観寸法図である。
【図３】本発明第１実施例のコイルばねの焼入れによる外径変化を示す図である。
【図４】本発明第１実施例のコイルばねの焼入れによる自由高さの変化を示す図である。
【図５】本発明第２実施例のたる型コイルばねの外観寸法図である。
【符号の説明】
１  コイルばね
２  たる型コイルばね
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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