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WO2013115266A1 - リング状ばねおよびその製造方法 - Google Patents

リング状ばねおよびその製造方法 Download PDF

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WO2013115266A1
WO2013115266A1 PCT/JP2013/052080 JP2013052080W WO2013115266A1 WO 2013115266 A1 WO2013115266 A1 WO 2013115266A1 JP 2013052080 W JP2013052080 W JP 2013052080W WO 2013115266 A1 WO2013115266 A1 WO 2013115266A1
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WO
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ring
shaped spring
welding
weld metal
spring
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2013/052080
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English (en)
French (fr)
Inventor
典利 高村
高橋　文雄
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NHK Spring Co Ltd
Original Assignee
NHK Spring Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to JP2013556471A priority patent/JP6033796B2/ja
Priority to US14/374,320 priority patent/US9593731B2/en
Priority to EP13742940.3A priority patent/EP2811198B1/en
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    • F16F2226/04—Assembly or fixing methods; methods to form or fashion parts
    • F16F2226/048—Welding

Definitions

  • the present invention relates to a ring-shaped spring such as a disc spring and a wave spring, and a manufacturing method thereof.
  • a ring-shaped spring such as a disc spring or a wave spring is used to absorb a shock generated when a clutch of a clutch device of a transport machine is engaged, for example.
  • a method of punching a substantially ring-shaped blank from a plate material by press working has been used, but this method has a poor material yield. Therefore, in order to improve the material yield, a technique is known in which end portions of a material formed into a ring shape by bending are welded (for example, Patent Documents 1 and 2).
  • a material is prepared (step S11), the material is formed into a substantially ring shape by bending (step S12), and ends of the substantially ring-shaped material are welded together (step S13). Thereby, an endless material ring is obtained.
  • a disk spring material is obtained by cold forming (dish forming) the material ring into a dish shape (substantially conical shape) (step S14).
  • a disc spring is obtained by quenching and tempering the disc spring material (steps S15 and S16).
  • the end portions of the welded materials become weld metal portions, and the surrounding portions become weld heat affected portions affected by the heating during welding.
  • the disc spring is subjected to quenching and tempering after cold forming in order to ensure the necessary strength as a disc spring. There was a need to do to the material. Such quenching and tempering is required, the number of steps is increased, leading to increase in manufacturing cost, product becomes expensive.
  • an object of the present invention is to provide a low-cost ring-shaped spring that can have high strength and a method for manufacturing the same.
  • the ring-shaped spring of the present invention is an endless ring-shaped spring formed by welding both end portions of a material, and includes a weld metal portion formed at a boundary portion between both end portions of the material, and a weld metal portion. It has a welding heat-affected zone formed around and heated by welding, and has a tensile strength of 1000 MPa or more.
  • the ring-shaped spring of the present invention is obtained by welding both ends of the material, it has a weld metal part and welding heat influence.
  • it is a ring-shaped spring having a tensile strength of 1000 MPa or more in a state having a weld metal part and welding heat effect.
  • quenching and tempering are unnecessary. Become. Therefore, compared with the conventional method of punching ring-shaped blanks by press working, it is possible to improve the material yield and reduce the material cost, as well as the conventional method of welding the ends of the material Compared with, the manufacturing process can be omitted, so that the manufacturing cost can be reduced. As a result, the price of the product can be reduced. Further, since quenching and tempering are not performed, deformation of the product can be prevented, and as a result, the dimensional accuracy of the product can be improved.
  • the ring-shaped spring of the present invention can have various configurations.
  • the chemical component of the material of the ring-shaped spring of the present invention when the C content is increased, a hardened hardened layer is formed and the toughness is reduced. Therefore, it is necessary to reduce the C content.
  • the strength decreases, so it is necessary to add an element other than C to improve the strength by actions such as solid solution strengthening and crystal grain refinement.
  • the chemical composition of the material is, for example,% by weight: C: 0.10 to 0.30%, Si: 0.50 to 2.10%, Cr: 0.50 to 1.50%, Mn: 1 .0 ⁇ 2.0%, P: 0.025% or less, and, S: to 0.025% or less, it is possible to use an embodiment in which the balance of Fe and unavoidable impurities.
  • C is an important element for ensuring the strength of the weld. If the C content is less than 0.10%, the strength of the welded portion is insufficient. On the other hand, when the content of C exceeds 0.30%, the hardened structure such as martensite is increased, a hardened hardened layer is formed, and the toughness is lowered. Therefore, the C content is set to 0.10 to 0.30% in order to improve the strength and toughness of the weld.
  • Si 0.50 to 2.10%
  • Si is an important element as a solid solution strengthening element for securing the strength of the welded portion.
  • the Si content is less than 0.50%, the strength of the welded portion is insufficient.
  • the Si content exceeds 2.10%, the effect of securing the strength is saturated and the weldability is also reduced. Therefore, in order to improve the strength and weldability of the welded portion, the Si content is set to 0.50 to 2.10%.
  • Cr 0.50 to 1.50%
  • Cr is a useful element for increasing the strength of the weld.
  • the Cr content is less than 0.50%, the strength of the welded portion is insufficient, and when the Cr content exceeds 1.50%, the toughness decreases. Accordingly, the Si content is set to 0.50 to 1.50% in order to improve the strength and toughness of the molten part.
  • Mn 1.0 to 2.0%
  • Mn is a useful element for preventing hot brittleness caused by S as a solid solution strengthening element as well as improving strength.
  • the Mn content is set to 1.0 to 2.0%.
  • P 0.025% or less If the content of P is too large, workability and weldability are deteriorated. Therefore, it is desirable to make the content of P as small as possible.
  • a P content of 0.025% or less is an acceptable value for securing workability and weldability in a ring-shaped spring.
  • the chemical composition of the material of the ring-shaped spring of the present invention, C, Cr, and, in order to obtain the above effect by Mn effectively, more preferable ranges are as follows. That is, in weight%, C: 0.15 ⁇ 0.25%, Si: 0.50 ⁇ 2.10%, Cr: 0.8 ⁇ 1.1%, Mn: 1.3 ⁇ 1.7%, A preferred embodiment is one containing P: 0.025% or less and S: 0.025% or less, with the balance being Fe and inevitable impurities.
  • the above chemical composition is a basic composition
  • at least one of Ni, Mo, Ti, V, and Nb may be added as appropriate in order to further improve the strength and toughness of the weld metal part.
  • a steel material having a carbon equivalent Ceq represented by the following formula (1) of 0.5 to 0.75% by weight and a hardness of 350 HV or more is used. Embodiments containing the following can be used.
  • [] represents the content (% by weight) of each element.
  • Ceq [C] + [Mn] / 6 + [Si] / 24 + [Ni] / 40 + [Cr] / 5 + [Mo] / 4 + [V] / 14 ...
  • the carbon equivalent Ceq is set to 0.5 to 0.75% by weight in order to effectively ensure the strength necessary for the ring-shaped spring and improve the toughness. Further, by setting the hardness of the material (base material) to 350 HV or higher, it is possible to effectively ensure the strength necessary for the material after welding.
  • the welding start part of the weld metal part is formed in a peripheral part having a higher tensile stress among the outer peripheral part and the inner peripheral part.
  • a ring-shaped spring for example, disc spring forms a dish-shaped or can be used wave spring forming a wave shape having crests and valleys.
  • a wave spring it is preferable that the peaks and valleys where the generated stress peaks are formed at different positions from the weld metal.
  • the method for manufacturing a ring-shaped spring of the present invention includes a bending process for forming a material in a substantially ring shape by bending, and a welding process for welding end portions of the substantially ring-shaped material to obtain an endless material ring.
  • a weld metal part is formed at the boundary between both ends of the material, a weld heat affected part heated by welding is formed around the weld metal part, and the ring spring has a tensile strength of 1000 MPa or more. It has strength.
  • the manufacturing method of the ring-shaped spring of the present invention can obtain the same effect as the ring-shaped spring of the present invention.
  • the ring-shaped spring or the manufacturing method thereof of the present invention it is possible to obtain an effect such as can achieve both high strength and low cost of the product.
  • FIG. 1 It is a flowchart showing the manufacturing process of the manufacturing method of the ring-shaped spring of one Embodiment which concerns on this invention.
  • (A), (B) is the schematic showing the suitable example of the welding of the manufacturing method of the ring-shaped spring of one Embodiment concerning this invention. It is a part of the expanded view showing the side of the schematic structure of the specific example of the wave spring as a ring-shaped spring of one Embodiment which concerns on this invention. It is a flowchart showing the manufacturing process of the manufacturing method of the conventional ring-shaped spring.
  • FIG. 1 is a flowchart showing a manufacturing process of a method for manufacturing a ring-shaped spring according to an embodiment of the present invention.
  • material preparation step S1
  • bending step S2
  • welding step S3
  • dish forming step S4
  • low-temperature annealing step S5
  • step S1 materials are prepared (step S1).
  • the material, its tensile strength is used material such that more than 1000MPa ring shaped spring obtained from the material in a state having a weld metal portion and weld heat-affected zone.
  • a steel material having a carbon equivalent Ceq represented by the following formula (1) of 0.5 to 0.75% by weight and a hardness of 350 HV or more is used. It is preferred to contain:
  • [] represents the content (% by weight) of each element.
  • Ceq [C] + [Mn] / 6 + [Si] / 24 + [Ni] / 40 + [Cr] / 5 + [Mo] / 4 + [V] / 14 ...
  • the material is weight%, C: 0.10 to 0.30%, Si: 0.50 to 2.10%, Cr: 0.50 to 1.50%, Mn: 1 .0 ⁇ 2.0%, P: 0.025% or less, and, S: to 0.025% or less, the balance being preferably be composed of Fe and unavoidable impurities. More preferable contents of C, Cr, and Mn are, by weight, C: 0.15-0.25%, Cr: 0.8-1.1%, Mn: 1.3-1. 7%.
  • the material can be obtained, for example, by drawing a material that has been quenched after austenitization, or a material that has undergone austempering treatment and a material that has undergone patenting treatment.
  • a form of the material a wire material, a plate material such as a flat plate material or a strip material, or the like is used. In this case, various forms such as a long material, a hoop material / coil material, and a standard material can be used.
  • the cross-sectional shape of the material is not limited to a square cross-section, and may be an irregular cross-section having a trapezoidal shape or an elliptical shape.
  • a material ring is obtained by forming the material in a ring shape by bending (step S2).
  • the abutting portion is formed by abutting the end surfaces of both ends of the material.
  • the material may be a dish-shaped (substantially conical) material ring by performing dish-molding simultaneously with bending.
  • the following dish forming or the following waveform forming in step S4 can be omitted.
  • an endless material ring is obtained by welding the butt portion of the material ring (step S3).
  • the endless material ring has a weld metal portion formed at a boundary portion between both end portions of the material, and a weld heat affected zone formed around the weld metal portion and heated by welding.
  • Various methods can be used as the welding method, and laser welding is preferable, although not limited thereto. In laser welding, since an irradiation spot is small, formation of a welding heat affected zone can be suppressed. You may remove the convex bead of a weld metal part as needed.
  • the tensile stress of the outer peripheral portion is higher than the tensile stress of the inner peripheral portion.
  • it can design so that the tensile stress of an inner peripheral part may become higher than the tensile stress of an outer peripheral part.
  • FIG. 2 (A) shows a material ring 1A used as the material of the disc springs being set higher than the tensile stress of the outer peripheral portion 11 of the tensile stress is the inner peripheral portion 12.
  • material ring 1A when performing welding in a direction toward the inner peripheral portion 12 from the outer peripheral portion 11 (arrow), the weld metal section 13 in the abutting portion is formed.
  • the inner peripheral portion 12 having a low tensile stress is contracted to form the concave portion 21 and is not formed on the outer peripheral portion 11 having a high tensile stress.
  • Figure 2 (B) shows a material ring 1B tensile stress of the inner peripheral portion 12 is used as the material of the disc springs being set higher than the tensile stress of the outer peripheral portion 11.
  • the outer peripheral portion 11 having a low tensile stress is dragged to form a recess 21 and the inner periphery having a high tensile stress.
  • the portion 12 is not formed.
  • the welding is preferably performed in a direction from a peripheral portion having a high tensile stress toward a peripheral portion having a low tensile stress.
  • a substantially conical disk spring (ring spring) is obtained (step S4).
  • an endless material ring is crushed into a substantially flat state having a predetermined thickness by cold or warm press forming to obtain a substantially conical disc spring.
  • the wave spring 2 shown in FIG. 3 it is preferable that the peak portion 31 and the valley portion 32 are formed at positions different from the weld metal portion 33.
  • the ring-shaped spring (disc spring or wave spring) may be subjected to low temperature annealing to remove the distortion (step S5).
  • Low temperature annealing is performed at 250 ° C. for 60 minutes, for example. The heating temperature and time can be adjusted as necessary.
  • the ring spring is used in the warm, deformation can be suppressed, so low temperature annealing is suitable.
  • the ring-shaped spring manufactured in this embodiment is obtained by welding both end portions of the material, it has a weld metal part and welding heat influence.
  • the tensile strength is 1000 MPa or more with the weld metal part and the influence of welding heat, and for example, it has sufficient tensile strength as a disc spring and a wave spring, so that quenching and tempering are not required. Therefore, the manufacturing cost can be reduced. As a result, the price of the product can be reduced. Further, since quenching and tempering are not performed, deformation of the product can be prevented, and as a result, the dimensional accuracy of the product can be improved.
  • the present invention has been described using the above embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible.
  • the ring-shaped spring may be subjected to shot peening for obtaining compressive residual stress, barrel polishing for improving surface cleanliness, or the like, if necessary.
  • a disc spring as a ring-shaped leaf
  • the disc spring may be used alone, or a plurality of disc springs may be arranged in series or in parallel. When a plurality of disc springs are used, for example, disc springs may be welded together to prevent displacement.
  • the tensile strength (TS after welding, unit: MPa) was measured for the disc springs of all samples A to K, and the durability test was performed. The results are shown in Table 2.
  • TS after welding unit: MPa
  • a disc spring was vibrated from a free height to a contact height using a displacement control type fatigue tester.
  • the sample which was not broken by the number of repetitions of 100,000 times was made into pass (o), and the broken sample was made into failure (x).
  • the broken samples describes a fracture starting point, "heat affected zone” is the heat affected zone, "weld metal” indicates the weld metal portion.
  • Samples B, C, and C of the present invention prepared using materials whose chemical composition, carbon equivalent, hardness, and tensile strength before welding are within the scope of the present invention.
  • D, J, and K did not break in the durability test, and the tensile strength after welding was 1000 MPa or more.
  • a ring-shaped spring produced using a material having a chemical composition, carbon equivalent, hardness, and tensile strength before welding within the scope of the present invention has a tensile strength of 1000 MPa or more without quenching. It was confirmed that it has high strength.

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Description

リング状ばねおよびその製造方法
　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。
　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）。
　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。
特開平６－１０６２７７号公報 特開２００１－２２５１１２号公報
　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。
　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。
　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し、引張強度が１０００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
　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。
　本発明のリング状ばねは種々の構成を用いることができる。たとえば本発明のリング状ばねの材料の化学成分について、Ｃの含有量が大きくなると、焼入れ硬化層が形成され、靭性が低下するから、Ｃの含有量を小さくする必要がある。しかしながら、Ｃの含有量を小さくした場合、強度が低下するから、Ｃ以外の元素を加えて、固溶強化や結晶粒微細化等の作用により強度向上を図る必要がある。
　この場合、材料の化学成分について、たとえば重量％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態様を用いることができる。
　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。
［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。
［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。
［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。
［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。
［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。
［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。
　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。
　上記化学組成は基本組成であるが、溶接金属部の強度および靭性の更なる向上を図るために、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、および、Ｎｂの少なくとも一つを適宜添加してもよい。
　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、前記鋼材は重量％でＣ：０．３０％以下を含有する態様を用いることができる。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）
　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。
　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。
　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。
　本発明のリング状ばねの製造方法は、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。
　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。
　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。
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。 （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。 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。 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。
　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
　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。
　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。
　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）
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　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。
　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。
　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。
　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。

Claims (7)

  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。
  2. 　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を特徴とする請求項１に記載のリング状ばね。
  3. 　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、前記鋼材は、重量％でＣ：０．３０％以下を含有す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。
    　Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｎｉ］／４０＋［Ｃｒ］／５＋［Ｍｏ］／４＋［Ｖ］／１４
    …式（１）（なお、式（１）では、［ ］は各元素の含有量（重量％）を表す。）
  4. 　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１～３のいずれかに記載のリング状ばね。
  5. 　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１～４のいずれかに記載のリング状ばね。
  6. 　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５に記載のリング状ばね。
  7. 　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リング状ばねの製造方法。
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