(57)【要約】【課題】特に近年高応力化が進みつつある自動車の弁ばねに好適に用いることのできる、耐へたり性・耐久性に優れたコイルばね（高強度コイルばね）を提供する【解決手段】鋼を素材として、引張強度１６００ＭＰａ以下の線材を作製し、該線材を冷間でコイル成形した後、残留オーステナイト量が３％以下となるように焼入れ・焼戻しを行う。素材としては、質量比にしてＣ：０．５０〜０．９０％及びＳｉ：０．８０〜２．１０％を含有する鋼を使用することが望ましい。熱処理は、高周波焼入れ及び高周波焼戻しを行うことが望ましい。なお、焼戻し後も急冷することが望ましい。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼を素材として、伸線加工を施すことにより引張強度１６００ＭＰａ以下の線材を作製し、該線材を冷間でコイル成形した後、残留オーステナイト量が３％以下となるように焼入れ・焼戻しを行うことを特徴とする高強度コイルばねの製造方法。
【請求項２】
質量比にしてＣ：０．５０〜０．９０％及びＳｉ：０．８０〜２．１０％を含有する鋼を素材とすることを特徴とする請求項１に記載の高強度コイルばねの製造方法。
【請求項３】
上記焼入れ及び／又は焼戻しを高周波加熱を用いて行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の高強度コイルばねの製造方法。
【請求項４】
上記焼入れ・焼戻し後、ショットピーニングを行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高強度コイルばねの製造方法。
【請求項５】
上記ショットピーニングを２段以上行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高強度コイルばねの製造方法。
【請求項６】
少なくとも１段のショットピーニングにおいてハードタイプのショット粒を用いることを特徴とする請求項５に記載の高強度コイルばねの製造方法。
【請求項７】
質量比にしてＣ：０．５０〜０．９０％及びＳｉ：０．８０〜２．１０％を含有する鋼を素材とし、減面率５０％以上で伸線加工を施すことにより引張強度を１６００ＭＰａ以下とした線材を作製し、該線材を冷間でコイル成形後、残留オーステナイトを３％以下となるように焼入れ・焼戻しを行うことを特徴とする高強度コイルばねの製造方法。
【請求項８】
質量比にしてＣ：０．５０〜０．９０％及びＳｉ：０．８０〜２．１０％を含有する鋼を素材とし、減面率５０％以上で伸線加工を施すことにより引張強度を１６００ＭＰａ以下とした線材を冷間でコイル成形後、残留オーステナイトを３％以下となるように焼入れ・焼戻しを行ったことを特徴とする高強度コイルばね。
【請求項９】
内部硬さがＨＶ６００〜６５０であることを特徴とする請求項８に記載の高強度コイルばね
【請求項１０】
破壊靱性値が７０〜１３０ｋｇｆ／ｍｍ３／２であることを特徴とする請求項８又は９に記載の高強度コイルばね。
【請求項１１】
質量比にしてＣ：０．５０〜０．９０％及びＳｉ：０．８〜２．１０％を含有する冷間成形高周波加熱調質高強度コイルばね用鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的線径の小さい（線径５ｍｍ以下程度）高強度コイルばねに関する。詳しくは、自動車エンジンに用いられる弁ばね等のように、高温環境下で繰り返し応力を受けながら使用されるという状況下において高い耐へたり性及び耐疲労性を有する高強度コイルばね、該ばねの製造方法、及びその材料として用いるばね用鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用エンジンの高出力化を達成し、かつ、車体の軽量化も達成するため、エンジンの弁ばね等に用いられているコイルばねには、耐へたり性及び耐疲労性を共に有することが強く要求されている。
【０００３】
このような高耐へたり性及び耐疲労性を共に有するコイルばねを得るためには、ばね用鋼として適切な材質を選択するとともに、適切な工程を選択してそれを順次行うことが必要である。
【０００４】
コイルばねを成形するには、高温で加熱してコイリングを行う熱間成形と、室温でコイリングを行う冷間成形とがある。熱間成形は加工が容易であるが、寸法及び形状の精度を上げることができない。冷間成形は、所期の形状及び寸法を得やすいが、加工が難しい。一般的に、加工性を考慮して、線径の小さいものは冷間で、線径の大きいものは熱間で成形される。
【０００５】
また、弁ばね等の高強度コイルばねでは所要の硬さを持つ微細組織が必要とされ、熱処理（焼入れ・焼戻し）が必須となるが、コイル加工と熱処理の順序により、次の２つの方法がある。
（１）コイル成形後、熱処理を行う方法。コイル成形には上記の通り、熱間の場合と冷間の場合がある。
（２）熱処理後、コイル成形を行う方法。この場合、熱処理後であるから、コイル成形は冷間でのみ行われる。
【０００６】
（１）の方法は正確なばね形状及び寸法を得るという点ではやや難があるが、熱処理によって強度の高いばねが得られるという利点がある。一方、（２）の方法では、精密な形状及び寸法のばねを成形することができるが、高強度のばねを得ることは難しい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の通り、高強度を主目的とする場合、コイル成形後に熱処理を行うという（１）の方法が望ましいが、ばねの場合、残留オーステナイトが大きな問題となる。すなわち、鋼の焼入れという熱処理は、鋼をオーステナイト域まで加熱して、それを急冷することにより硬いマルテンサイトに変態させることを意味するが、冷却速度が不十分な場合や鋼の成分によってはオーステナイトの一部がマルテンサイトに変態せずに、焼入れ後もそのまま残留する。これを残留オーステナイトと呼ぶが、ばねの場合、これは疲労強度の低下や使用時のへたり増加などの悪い影響を及ぼす。
【０００８】
このように残留したオーステナイトは、加工によってもマルテンサイトに変態し、消失する。上記（２）の方法では熱処理後にコイル成形するため、そのコイル成形処理によって残留オーステナイトが消滅する。しかし、（１）の方法ではコイル成形後に熱処理を行うため、焼入れで生じた残留オーステナイトが、焼き戻しにより一部は分解されるものの、多くはそのまま製品であるばねの中に残留し、耐久性劣化およびへたりの大きな原因となる（非特許文献１、特許文献１）。
【０００９】
【非特許文献１】
ばね論文集  第４３号（１９９８）ｐｐ．１−１２「オイルテンパー線の疲れ強さに及ぼす残留オーステナイトの影響」
【特許文献１】
特開平９−１４３６２１号公報
【００１０】
軽量化のためにばねの設計応力（使用応力）が徐々に高まりつつある現在、このように耐へたり性・耐久性を低下させる要因はできる限り除いておくことが望ましい。
【００１１】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、特に近年高応力化が進みつつある自動車の弁ばねに好適に用いることのできる、耐へたり性・耐久性に優れたコイルばね（高強度コイルばね）を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係る高強度コイルばねの製造方法は、鋼を素材として、伸線加工を施すことにより引張強度１６００ＭＰａ以下の線材を作製し、該線材を冷間でコイル成形した後、残留オーステナイト量が３％以下となるように焼入れ・焼戻しを行うことを特徴とするものである。
【００１３】
その素材としては、質量比にしてＣ：０．５０〜０．９０％及びＳｉ：０．８０〜２．１０％を含有する鋼を用いることが望ましい。また、その焼入れ・焼戻しの際の加熱は、高周波加熱を使用することが望ましい。なお、（焼入れ後はもちろん）焼戻し後も急冷することが望ましい。
【００１４】
上記熱処理後はショットピーニング、特に２段以上のショットピーニングを行うことが望ましい。
【００１５】
また、２段以上のショットピーニングを行う場合、少なくとも１段のショットピーニングにおいてはハードタイプのショット粒を用いることが望ましい。
【００１６】
上記方法により製造する高強度コイルばねは、その内部硬さをＨＶ６００〜６５０とすることが望ましい。
【００１７】
そして、破壊靱性値を７０〜１３０ｋｇｆ／ｍｍ３／２とすることが望ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る高強度コイルばねの素材である鋼の炭素及びシリコン含有量の上限及び下限設定理由は、それぞれ次のとおりである。
【００１９】
まず、炭素含有量は０．５０〜０．９０％と設定した。
炭素は鋼に強度を与えるために最も大きな影響を有する元素であり、弁ばねとして十分な耐へたり性及び耐久性を有する程度の強度を与えるためには、０．５０％以上含有していなければならない。しかし、０．９０％を超えて含有させると、冷間成形が困難となる。また、靭性の低下による耐久性の低下も問題となる。
【００２０】
次にシリコン含有量は０．８０〜２．１０％と設定した。
シリコンも炭素同様、鋼に強度を与える元素であるが、ばねの場合には、耐へたり性付与の効果が重要である。シリコン含有量が０．８０％未満では、ばねに十分な耐へたり性を付与することができない。しかし、シリコンは同時に、加熱時の表面脱炭を助長する元素でもある。表面に最大の応力が加わる状態で使用されるばねの場合には、熱処理時の表面脱炭の生成に最も注意を払う必要がある。シリコン含有量が２．１０％を超えると、上記条件で熱処理（焼入れ加熱）を行う際に、表面脱炭が生成する可能性を排除しきれない。
【００２１】
本発明に係る高強度コイルばねの製造方法では、このように炭素含有量及びシリコン含有量をそれぞれ適切な範囲に設定した鋼を素材として用い、まず引張強度１６００ＭＰａ以下の線材を作製する。引張強度を１６００ＭＰａ以下とするのは、後の冷間コイル成形を容易にするためである。この際、組織を緻密にするため、減面率５０％以上で伸線加工を施すことが望ましい。
【００２２】
この線材を冷間でコイル成形した後、焼入れ・焼戻しを行う。その際、残留オーステナイト量が３％以下となるように熱処理を行う。このようにするための熱処理条件（焼入れ温度・時間及び焼戻し温度・時間）は、予め実験を行うことにより、素材鋼の成分に応じて適宜定めるようにしておく。
【００２３】
焼入れ及び／又は焼戻しは、次の理由により、高周波加熱により行うことが望ましい。高周波加熱は迅速な昇温が可能であるため、表面脱炭の生成を最小限に抑え、内部においては結晶粒が成長する暇を与えないという効果を発揮する。さらに、温度管理が比較的容易であり、精度よく加熱することができるという利点を有する。これらにより、上記成分範囲を満たす素材鋼の殆どに対して、熱処理後の残留オーステナイト量を３％以下とすることができる。
【００２４】
このような効果や利点は、特に焼入れにおいて有用であるが、焼戻しにおいても、同効果（焼戻し硬さ）を得るために時間を短縮して温度をやや上げることにより、コイルばねにおいては耐へたり性を向上させ得るという有用な効果につながる。
【００２５】
焼入れ及び焼戻し条件は、内部硬さがＨＶ６００〜６５０となることを目標として決定する。内部硬さがＨＶ６００未満では、弁ばねとして必要な耐疲労性が確保されない。一方、内部硬さがＨＶ６５０を超えるような条件で熱処理を行うと、後述するように残留オーステナイトが増加し、耐へたり性が低下するようになる。また、靭性が低下し、僅かの疵によっても折損しやすくなるため、同様に耐疲労性が低下する。
【００２６】
従って、その靭性確保という観点より、破壊靱性値を７０〜１３０ｋｇｆ／ｍｍ３／２とすることが望ましい。
【００２７】
このようにして焼入れ・焼戻しを行った後ショットピーニングを行う。特に、それを２段以上行うことにより、ばね表面に大きな圧縮残留応力を付与することが可能となる。なお、ショットピーニングは冷間（室温）で行ってもよいし、温間（２５０〜３４０℃程度）で行ってもよい。
【００２８】
このショットピーニングに使用するショット粒として、少なくとも１段において、ノーマル粒よりも硬いハードタイプ（硬さＨｖ７５０以上）のショット粒を使用することが望ましい。これにより、より大きい圧縮残留応力を付与することができるとともに、熱処理による表面の荒れをより確実に修復することができるようになる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明に係る高強度コイルばねは、炭素含有量及びシリコン含有量をそれぞれ適正範囲に設定するとともに、伸線加工条件を規定し、かつ、残留オーステナイトが３％を超えないように熱処理をして得られるので、目的とする高い耐へたり性及び耐疲労性を双方共に有することができる。
【００３０】
従って、このような高強度コイルばねを、特に高温領域で繰り返し応力を受けながら使用される自動車エンジンの弁ばね等に用いることは、きわめて有効である。
【実施例】
【００３１】
以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。
まず、本発明に係る高強度コイルばねの素材として用いる鋼の最適成分含有量範囲を特定するために、炭素含有量及びシリコン含有量をそれぞれ変化させた鋼の耐へたり性について調べた。その結果を図１及び図２に示す。耐へたり性を評価する指標として、残留せん断歪を用いた。
【００３２】
図１からわかるように、炭素含有量がＣ：０．５０〜０．９０％の範囲において、残留せん断歪が１０×１０−４以下となっており、十分な耐へたり性が確保されている。
【００３３】
また、図２からわかるように、シリコン含有量がＳｉ：０．８０〜２．１０％の範囲において、残留せん断歪が１０×１０−４以下となっており、これも同様に十分な耐へたり性が確保されている。
【００３４】
次に、図３に示す化学組成を有する鋼を素材として用い、減面率５０％以上、引張強度１６００ＭＰａ以下という条件で伸線加工を施した。
【００３５】
このような条件で伸線した線材を冷間でコイル成形した後、高周波加熱によって熱処理した。熱処理条件は、
焼入れ：９００℃×１０秒間
焼戻し：２１０〜４２０℃×１０秒間
とした。
【００３６】
図４（ａ）に熱処理前の素材（伸線後）の顕微鏡写真を、（ｂ）に焼入れ・焼戻し後の顕微鏡写真をそれぞれ示す。
【００３７】
次に、熱処理条件を変化させることにより内部硬さを種々に変化させ、各硬さ水準における耐へたり性及び残留オーステナイト量の関係を調べた。その結果を図５に示す。耐へたり性を評価する指標としては、上記同様残留せん断歪を用いた。
【００３８】
図５から明らかなように、残留オーステナイトが増加すると残留せん断歪も増加する。従って、残留せん断歪を１０×１０−４以下とするためには、残留オーステナイト量を３％以下に抑えなければならない。
【００３９】
図５と同様の条件を用いることにより種々の硬さのばねを作製し、それぞれの耐久性試験を行った結果を図６に示す。なお、試験応力は６８６±５３０ＭＰａとした。図６からわかるように、内部硬さＨＶ６５０以上では靭性低下により介在物を起点とする折損が生じている。
【００４０】
次に、耐久性に及ぼすショットピーニングの影響について調べた。その結果を図７に示す。試験応力は同じく６８６±５３０ＭＰａとした。図７において、●は０．７ｍｍ径のノーマルショット粒を用い、ショットピーニングを１回だけ行った場合の結果である。●以外は、第１段目が０．６ｍｍ径、第２段目が０．３ｍｍ径のハードショット粒を用いて２段のショットを施した場合の結果を示している。
図７からわかるように、１０７回以上の耐久回数を確保するためには、ショットピーニング２段以上行い、その際（特に最終段）にハード粒を用いることが望ましい。
【００４１】
図８に、各硬さにおける破壊靭性値を示す。図８からわかるように、伸線を行うことにより焼入れ・焼戻し後の破壊靭性値が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ばね用鋼の炭素含有量と残留せん断歪の関係を示すグラフ。
【図２】ばね用鋼のシリコン含有量と残留せん断歪の関係を示すグラフ。
【図３】供試素材鋼の化学成分を示す表。
【図４】供試素材鋼の熱処理前（伸線後）の組織を示す顕微鏡写真（ａ）、及び焼入れ・焼戻し後の組織を示す顕微鏡写真（ｂ）。
【図５】残留オーステナイト量と残留せん断歪の関係を示すグラフ。
【図６】内部硬さと繰り返し耐久回数の関係を示すグラフ。
【図７】ショットピーニング条件を変化させた場合の、内部硬さと耐久回数の関係を示すグラフ。
【図８】供試素材鋼の破壊靱性値を示すグラフ。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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