(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
素材の両端部を溶接することにより無端状に形成されたリング状ばねにおいて、
前記素材は、重量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５０〜２．１０％、Ｃｒ：０．５０〜１．５０％、Ｍｎ：１．０〜２．０％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
前記素材として、下記式（１）で示される炭素当量Ｃｅｑが０．５〜０．７５重量％であるとともに硬さが３５０ＨＶ以上である鋼材を用い、
前記素材の両端部の境界部に形成された溶接金属部と、前記溶接金属部の周囲に形成されるとともに前記溶接により加熱された溶接熱影響部とを有し、
引張強度が１０００ＭＰａ以上であることを特徴とするリング状ばね。
Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｃｒ］／５ …式（１）（なお、式（１）では、［ ］は各元素の含有量（重量％）を表す。）
【請求項２】
前記溶接金属部の溶接開始部は、外周部および内周部のうち引張応力が高い方の周部に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリング状ばね。
【請求項３】
皿形状をなす皿ばね、あるいは、山部および谷部を有する波形状をなす波形ばねであることを特徴とする請求項１または２に記載のリング状ばね。
【請求項４】
前記山部および前記谷部は、前記溶接金属部とは異なる位置に形成されていることを特徴とする請求項３に記載のリング状ばね。
【請求項５】
曲げ成形により素材を略リング状に形成する曲げ成形工程と、
前記略リング状の素材の端部同士を溶接し、無端状の素材リングを得る溶接工程とを含み、
前記溶接工程では、前記素材の両端部の境界部に溶接金属部を形成するとともに、前記溶接により加熱された溶接熱影響部を前記溶接金属部の周囲に形成し、前記リング状ばねは１０００ＭＰａ以上の引張強度を有することを特徴とする請求項１に記載のリング状ばねの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、皿ばねや波形ばね等のリング状ばねおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
皿ばねや波形ばね等のリング状ばねは、たとえば輸送機械のクラッチ装置のクラッチ締結時に生じるショックを吸収するために用いられている。リング状ばねの製造方法では、従来、プレス加工によって板材から略リング状のブランクを打ち抜く手法が用いられていたが、その手法では、材料歩留りが悪かった。そこで材料歩留りの向上を図るために、曲げ成形によりリング状に形成した素材の端部同士を溶接する手法が知られている（たとえば特許文献１，２）。【０００３】
皿ばねの製造方法では、素材の端部同士を溶接する手法を用いる場合、たとえば図４に示す工程が行われる。まず、素材を準備し（ステップＳ１１）、曲げ成形により素材を略リング状に形成し（ステップＳ１２）、略リング状の素材の端部同士を溶接する（ステップＳ１３）。これにより無端状の素材リングが得られる。次いで、素材リングを皿形状（略円錐形状）に冷間成形（皿成形）を行うことにより皿ばね材を得る（ステップＳ１４）。続いて、皿ばね材に焼入れおよび焼き戻しを行うことにより（ステップＳ１５，Ｓ１６）、皿ばねが得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１０６２７７号公報
【特許文献２】特開２００１−２２５１１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、素材の端部同士を溶接する手法では、溶接された素材の端部同士が溶接金属部となり、その周囲の部分は溶接時の加熱の影響を受けた溶接熱影響部となる。この場合、溶接金属部には硬化領域が形成され、溶接熱影響部は軟化領域が形成されるたから、皿ばねとして必要な強度を確保するために、冷間成形後に焼入れおよび焼き戻しを皿ばね材に行う必要があった。このように焼入れおよび焼き戻しが必要となり、工程数が増えるため、製造コストの増大を招き、製品が高価なものとなってしまう。【０００６】
したがって、本発明は、高強度を有することができる低価なリング状ばねおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のリング状ばねは、素材の両端部を溶接することにより無端状に形成されたリング状ばねであって、素材は、重量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５０〜２．１０％、Ｃｒ：０．５０〜１．５０％、Ｍｎ：１．０〜２．０％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、素材として、下記式（１）で示される炭素当量Ｃｅｑが０．５〜０．７５重量％であるとともに硬さが３５０ＨＶ以上である鋼材を用い、素材の両端部の境界部に形成された溶接金属部と、溶接金属部の周囲に形成されるとともに前記溶接により加熱された溶接熱影響部とを有し、引張強度が１０００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｃｒ］／５ …式（１）（なお、式（１）では、［ ］は各元素の含有量（重量％）を表す。）
【０００８】
本発明のリング状ばねは、素材の両端部を溶接することにより得られるものであるから、溶接金属部および溶接熱影響を有する。この場合、溶接金属部および溶接熱影響を有した状態で引張強度が１０００ＭＰａ以上であるリング状ばねであり、たとえば皿ばねおよび波形ばねとして十分な引張強度を有するから、焼入れおよび焼き戻しが不要となる。したがって、プレス加工によりリング状のブランクを打ち抜く従来の手法と比較して、材料歩留りの向上および材料コストの低減を図ることができるのはもちろんのこと、素材の端部同士を溶接する従来の手法と比較して、製造工程を省略することができるから、製造コストの低減を図ることができる。その結果、製品の低価格化を図ることができる。また、焼入れおよび焼き戻しを行わないから、製品の変形を防止することができる結果、製品の寸法精度の向上を図ることができる。【００１１】
以下、各元素について上記数値限定の根拠を説明する。なお、以下の説明において「％」は「重量％」を意味する。【００１２】
［Ｃ：０．１０〜０．３０％］
Ｃは、溶接部の強度を確保するために重要な元素である。Ｃの含有量が０．１０％未満になると、溶接部の強度が不足する。一方、Ｃの含有量が０．３０％を超えると、マルテンサイト等の硬化組織が増加し、焼入れ硬化層が形成されてしまい、靭性が低下する。したがって、溶接部の強度および靭性の向上を図るために、Ｃの含有量を０．１０〜０．３０％に設定している。【００１３】
［Ｓｉ：０．５０〜２．１０％］
Ｓｉは、固溶強化元素として、溶接部の強度を確保するために重要な元素である。Ｓｉの含有量が０．５０％未満になると溶接部の強度が不足し、Ｓｉの含有量が２．１０％を超えると、強度確保の効果が飽和する上に、溶接性も低下する。したがって、溶接部の強度および溶接性の向上を図るために、Ｓｉの含有量を０．５０〜２．１０％に設定している。【００１４】
［Ｃｒ：０．５０〜１．５０％］
Ｃｒは、溶接部の強度を増加させるための有用元素である。Ｃｒの含有量が０．５０％未満になると溶接部の強度が不足し、Ｃｒの含有量が１．５０％を超えると、靭性が低下する。したがって、溶融部の強度および靭性の向上を図るために、Ｓｉの含有量を０．５０〜１．５０％に設定している。【００１５】
［Ｍｎ：１．０〜２．０％］
Ｍｎは、固溶強化元素として、強度を向上させるだけでなく、Ｓによる熱間脆性を防止するための有用元素である。Ｍｎの含有量が１．０％未満になると強度が不足し、Ｍｎの含有量が２．０％を超えると加工性の低下を招く。したがって、強度および加工性の向上を図るために、Ｍｎの含有量を１．０〜２．０％に設定している。【００１６】
［Ｐ：０．０２５％以下］
Ｐの含有量が大き過ぎると、加工性および溶接性の低下を招くから、Ｐの含有量を極力小さくすることが望ましい。０．０２５％以下のＰの含有量は、リング状ばねでは加工性および溶接性の確保のために許容できる値である。【００１７】
［Ｓ：０．０２５％以下］
Ｓの含有量が大き過ぎると、延性の低下を招くから、Ｓの含有量を極力小さくすることが望ましい。０．０２５％以下のＳの含有量は、リング状ばねでは延性の確保のために許容できる値である。【００１８】
本発明のリング状ばねの材料の化学成分について、Ｃ、Ｃｒ、および、Ｍｎによる上記効果を効果的に得るために、より好適な範囲は以下の通りである。すなわち、重量％で、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｓｉ：０．５０〜２．１０％、Ｃｒ：０．８〜１．１％、Ｍｎ：１．３〜１．７％、Ｐ：０．０２５％以下、および、Ｓ：０．０２５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる態様が好適である。【００２０】
本発明においては、素材として、下記式（１）で示される炭素当量Ｃｅｑが０．５〜０．７５重量％であるとともに硬さが３５０ＨＶ以上である鋼材を用いる。なお、式（１）では、［ ］は各元素の含有量（重量％）を表す。
Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｎｉ］／４０＋［Ｃｒ］／５＋［Ｍｏ］／４＋［Ｖ］／１４ …式（１）
【００２１】
炭素当量Ｃｅｑが０．５重量％より低いと、リング状ばねに必要な強度を確保することができず、０．７５重量％より高いと、溶接金属部の硬度が大きくなり過ぎるため、靭性が低下する。したがって、リング状ばねに必要な強度の確保および靭性の向上を効果的に図るために、炭素当量Ｃｅｑを０．５〜０．７５重量％に設定している。また、素材（母材）の硬さを３５０ＨＶ以上にすることにより、溶接後の材料に必要な強度の確保を効果的に図ることができる。【００２２】
溶接金属部では、応力集中の原因の虞のある引けが発生する場合があるが、溶接開始部では、引けが発生し難く、溶接終了部では、引けが発生し易い。したがって、溶接金属部の溶接開始部は、外周部および内周部のうち引張応力が高い方の周部に形成されていることが好適である。【００２３】
リング状ばねとして、たとえば皿形状をなす皿ばね、あるいは、山部および谷部を有する波形状をなす波形ばねを用いることができる。波形ばねを用いる場合、発生応力がピークになる山部および谷部は、溶接金属部とは異なる位置に形成されていることが好適である。【００２４】
本発明のリング状ばねの製造方法は、上記したリング状ばねを製造するものであり、曲げ成形により素材を略リング状に形成する曲げ成形工程と、略リング状の素材の端部同士を溶接し、無端状の素材リングを得る溶接工程とを含み、溶接工程では、素材の両端部の境界部に溶接金属部を形成するとともに、溶接により加熱された溶接熱影響部を溶接金属部の周囲に形成し、リング状ばねは１０００ＭＰａ以上の引張強度を有することを特徴とする。
【００２５】
本発明のリング状ばねの製造方法は、本発明のリング状ばねと同様な効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明のリング状ばねあるいはその製造方法によれば、製品の高強度化と低価格化の両立を図ることができる等の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る一実施形態のリング状ばねの製造方法の製造工程を表すフロー図である。
【図２】（Ａ），（Ｂ）は、本発明に係る一実施形態のリング状ばねの製造方法の溶接の好適例を表す概略図である。
【図３】本発明に係る一実施形態のリング状ばねとしての波形ばねの具体例の概略構成の側面を表す展開図の一部である。
【図４】従来のリング状ばねの製造方法の製造工程を表すフロー図である。
【符号の説明】
【００２８】
１Ａ，１Ｂ…無端状の素材リング、２…波形ばね、１１…外周部、１２…内周部、１３，３３…溶接金属部、２１…凹部、３１…山部、３２…谷部
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る一実施形態のリング状ばねの製造方法の製造工程を表すフロー図である。本実施形態では、たとえば図１に示すように、素材準備（ステップＳ１）、曲げ成形（ステップＳ２）、溶接（ステップＳ３）、皿成形（ステップＳ４）、および、低温焼鈍（ステップＳ５）を順次行う。
【００３０】
まず、素材を準備する（ステップＳ１）。素材としては、その素材から得られたリング状ばねが溶接金属部および溶接熱影響部を有する状態でその引張強度が１０００ＭＰａ以上となるような素材を用いる。
【００３１】
素材として、下記式（１）で示される炭素当量Ｃｅｑが０．５〜０．７５重量％であるとともに硬さが３５０ＨＶ以上である鋼材を用い、その鋼材は重量％でＣ：０．３０％以下を含有することが好適である。なお、式（１）では、［ ］は各元素の含有量（重量％）を表す。
Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｎｉ］／４０＋［Ｃｒ］／５＋［Ｍｏ］／４＋［Ｖ］／１４
…式（１）
【００３２】
具体的な化学組成について、素材は、重量％で、Ｃ：０．１０〜０．３０％、Ｓｉ：０．５０〜２．１０％、Ｃｒ：０．５０〜１．５０％、Ｍｎ：１．０〜２．０％、Ｐ：０．０２５％以下、および、Ｓ：０．０２５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることが好適である。Ｃ、Ｃｒ、および、Ｍｎについて、より好適な含有量は、重量％で、Ｃ：０．１５〜０．２５％、Ｃｒ：０．８〜１．１％、Ｍｎ：１．３〜１．７％である。
【００３３】
素材は、たとえばオーステナイト化後に急冷を行った材料、あるいは、オーステナイト化後にオーステンパー処理を施した材料およびパテンチング処理を施した材料に伸線加工を行うことにより得られる。素材の形態としては、線材や、平板材や帯材等の板材等を用いる。この場合、長尺材、フープ材/コイル材、および、定尺材等の種々の形態を用いることができる。素材の断面形状としては、角断面に限定されるものではなく、台形や楕円等の形状をなす異形断面であってもよい。
【００３４】
次いで、曲げ成形により素材をリング状に形成することにより、素材リングを得る（ステップＳ２）。この場合、たとえば素材の両端部の端面同士を突き合わせることにより突き合わせ部を形成する。なお、曲げ成形と同時に皿成形を行う
ことにより、素材を皿形状（略円錐形状）の素材リングとしてもよい。また、皿成形の代わりに波形成形を行うことにより、山部および谷部を有する波形状をなす素材リングとしてもよい。これらの場合、ステップＳ４の下記皿成形あるいは下記波形成形を省略することができる。
【００３５】
続いて、素材リングの突き合わせ部を溶接することにより、無端状の素材リングを得る（ステップＳ３）。無端状の素材リングは、素材の両端部の境界部に形成された溶接金属部と、溶接金属部の周囲に形成されるとともに溶接により加熱された溶接熱影響部とを有する。溶接手法は、各種手法を用いることができ、限定されないが、レーザ溶接が好適である。レーザ溶接では、照射スポットが小さいから、溶接熱影響部の形成を抑制することができる。溶接金属部のうちの凸状のビードは、必要に応じて除去してもよい。
【００３６】
たとえば皿ばねを製造する場合、軸線方向高さが低くなるようにして弾性変形する時に引張応力が発生する凹面側では、外周部の引張応力が内周部の引張応力よりも高くなるように、あるいは、内周部の引張応力が外周部の引張応力よりも高くなるように設計することができる。この場合、溶接で引けが発生する虞を考慮して次のように溶接方向を設定することが好適である。
【００３７】
図２（Ａ）は、外周部１１の引張応力が内周部１２の引張応力よりも高く設定される皿ばねの素材として用いる素材リング１Ａを示す。素材リング１Ａでは、外周部１１から内周部１２に向かう方向（矢印方向）に溶接を行うと、突き合わせ部に溶接金属部１３が形成される。この場合、引張応力が低い内周部１２に引けが生じて凹部２１が形成され、引張応力が高い外周部１１には形成されない。図２（Ｂ）は、内周部１２の引張応力が外周部１１の引張応力よりも高く設定される皿ばねの素材として用いる素材リング１Ｂを示す。素材リング１Ｂでは、内周部１２から外周部１１に向かう方向（矢印方向）に溶接を行うと、引張応力が低い外周部１１に引けが生じて凹部２１が形成され、引張応力が高い内周部１２には形成されない。このように溶接は、引張応力が高い周部から引張応力が低い周部へ向かう方向に行うことが好適である。
【００３８】
次に、皿成形を無端状の素材リングに行うことにより、略円錐形状の皿ばね（リング状ばね）を得る（ステップＳ４）。具体的には、冷間あるいは温間のプレス成形によって、無端状の素材リングを所定厚さの略偏平状態に潰すことにより、略円錐形状の皿ばねを得る。なお、皿成形の代わりに、冷間あるいは温間のプレスにより波形成形を行うことにより、波形ばね（リング状ばね）を得てもよい。たとえば図３に示す波形ばね２を製造する場合、山部３１および谷部３２は、溶接金属部３３とは異なる位置に形成されていることが好適である。
【００３９】
次いで、必要に応じて、リング状ばね（皿ばねあるいは波形ばね）に低温焼鈍を行うことにより、歪みを除去してもよい（ステップＳ５）。低温焼鈍は、たとえば２５０℃で６０分間行う。なお、加熱温度や時間は、必要に応じて調整をすることができる。リング状ばねを温間中で使用する場合、変形を抑制することができるから、低温焼鈍は好適である。
【００４０】
本実施形態で製造されるリング状ばねは、素材の両端部を溶接することにより得られるものであるから、溶接金属部および溶接熱影響を有する。この場合、溶接金属部および溶接熱影響を有した状態で引張強度が１０００ＭＰａ以上であり、たとえば皿ばねおよび波形ばねとして十分な引張強度を有するから、焼入れおよび焼き戻しが不要となる。したがって、製造コストを低減することができる。その結果、製品の低価格化を図ることができる。また、焼入れおよび焼き戻しを行わないから、製品の変形を防止することができる結果、製品の寸法精度の向上を図ることができる。
【００４１】
上記実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。たとえばリング状ばねの製造方法では、必要に応じて、圧縮残留応力を得るためのショットピーニングや、表面清浄度を向上するためのバレル研磨等をリング状ばねに施してもよい。また、たとえばリング状板ばねとして皿ばねを製造する場合、皿ばねの本体の内周部あるいは外周部に複数個の凸部（爪）を設けてもよい。たとえば皿ばねの使用形態について、皿ばねは単体で使用してもよいし、複数個の皿ばねを直列あるいは並列に配置して使用してもよい。複数個の皿ばねを用いる場合、たとえば位置ずれの防止のために、皿ばね同士を溶接してもよい。
【実施例】
【００４２】
以下、具体的な実施例を参照して本発明の実施形態をさらに詳細に説明する。【００４３】
実施例では、表１に示す化学組成、炭素当量Ｃｅｑ（単位：重量％）、硬さ（単位：ＨＶ）、および、引張強度（溶接前ＴＳ、単位：ＭＰａ）を有する各種素材を用いて皿ばねを作製し、皿ばねに耐久試験を行い、合否を判定した。【００４４】
【表１】
0006033796.tif 000002
【００４５】
具体的には、全ての試料Ａ〜Ｋについて、曲げ成形を素材（幅７ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ）に行い、素材リング（外径φ１００ｍｍ）を得た。この場合、素材の両端部を突き合わせた。次いで、突き合わせ部をレーザ溶接して無端状の素材リングを得、その素材リングに冷間皿成形を行うことにより、皿ばね（自由高さ２．５ｍｍ）を作製した。作製条件について、表１に示すように素材の化学組成等が異なる以外は、曲げ成形、レーザ溶接、および、皿成形は同じ条件で行った。【００４６】
全ての試料Ａ〜Ｋの皿ばねについて、引張強度（溶接後ＴＳ、単位：ＭＰａ）を測定し、耐久試験を行った。その結果を表２に示す。耐久試験では、変位制御型疲労試験機を用い、皿ばねを自由高さから密着高さまで加振した。表２に示す耐久試験結果について、繰り返し数１０万回で折損しなかった試料を合格（○）、折損した試料を不合格（×）とした。折損した試料について、破断起点を記載しており、「熱影響部」は溶接熱影響部、「溶接金属」は溶接金属部を示している。【００４７】
【表２】
0006033796.tif 000003
【００４８】
表１に示すように化学組成、炭素当量、硬さ、および、溶接前の引張強度が本発明範囲内にある素材を用いて作製した本発明試料Ｂ，Ｃ．Ｄ，Ｊ，Ｋは、表２から判るように、耐久試験において折損が生じず、溶接後の引張強度が１０００ＭＰａ以上であった。【００４９】
これに対して全ての比較試料Ａ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉは、耐久試験において折損が生じ、溶接後の引張強度が１０００ＭＰａ未満であった。比較試料Ａ，Ｇは、Ｃの含有量が０．３重量％未満ではあるが、素材（母材）の硬さが３５０ＨＶ未満で小さくて、強度が元々低い上に、熱影響により更に強度が低下したため、溶接熱影響部で折損したと考えられる。【００５０】
比較試料Ｅ，Ｆ，Ｈ，Ｉについては、Ｃの含有量が０．３重量％を超えているため、溶接金属部の硬さが大きくなり過ぎ、靭性が低下したため、疲労に対しても早期に破壊され、溶接金属部で折損したと考えられる。【００５１】
以上のように化学組成、炭素当量、硬さ、および、溶接前の引張強度が本発明範囲内にある素材を用いて作製したリング状ばねは、焼入れを行わなくても、引張強度が１０００ＭＰａ以上という高強度を有することを確認した。
【図１】
0006033796.tif 000004
【図２】
0006033796.tif 000005
【図３】
0006033796.tif 000006
【図４】
0006033796.tif 000007