(57)【要約】【課題】エネルギー効率、生産性、および、製品の品質を低下させることなく、冷間成形により得られたコイルばねの成形時の残留応力除去のための焼鈍を行うことができるコイルばねの熱処理方法を提供する。【解決手段】直線状の線材のコイルばねＷへの成形終了後に除荷すると、コイルばねＷの内側部分（コイルばねＷの中心側に面している部分）には引張残留応力が残り、コイルばねＷの外側部分（コイルばねＷの中心側とは反対側に面している部分）には圧縮残留応力が残る。コイルばねＷに通電加熱を行うことにより、コイルばねＷに焼鈍を行う（ステップＳ２）。これにより、コイルばねＷから冷間成形時の上記残留応力を除去することができる。通電加熱は、たとえばコイルばねＷが３６０℃〜５００℃の範囲内の温度で加熱されるように１０〜２０秒間行うことが好適である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷間成形により得られたコイルばねに焼鈍を行うことにより、前記冷間成形時の残留応力を除去し、
前記焼鈍は、前記コイルばねへの通電加熱により行うことを特徴とするコイルばねの熱処理方法。
【請求項２】
前記焼鈍では、前記コイルばねを所定温度まで加熱した後、前記コイルばねの温度を前記所定温度で保持することなく、前記コイルばねに冷却を行うことを特徴とする請求項１に記載のコイルばねの熱処理方法。
【請求項３】
前記焼鈍は、３６０℃〜５００℃の範囲内で行うことを特徴とする請求項１または２に記載のコイルばねの熱処理方法。
【請求項４】
前記焼鈍後の前記コイルばねに急冷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コイルばねの熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷間成形により得られたコイルばねの熱処理方法に係り、特に、冷間成形後に行う焼鈍の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等に使用される懸架用コイルばねの製造方法では、熱間成形加工法あるいは冷間成形加工法が用いられている。熱間成形加工法では、直線状の線材を８００℃以上に加熱して成形してコイルばねを得、コイルばねに焼入れや焼戻し等の熱処理を行う。冷間成形加工法では、焼入れや焼戻し等の熱処理を行った直線状の線材（オイルテンパー線等の熱処理材）を常温でコイル状に成形してコイルばねを得る。
【０００３】
熱処理材の冷間成形加工法では、直線状の線材をコイル状に成形するため、成形終了後に除荷すると、コイルばねの内側部分（中心側に面している部分）には引張残留応力が残り、コイルばねの外側部分（中心側とは反対側に面している部分）には圧縮残留応力が残る。それら残留応力はコイルばねの寿命低下への影響が大きいことから、成形後にガス炉や電気炉等を用い、炉内部の温度を３５０〜５００℃に保持した雰囲気炉で低温焼鈍を行うことにより、それら応力を除去している。
【０００４】
たとえば非特許文献１では、熱処理材としてばね用Ｓｉ−Ｃｒ鋼オイルテンパー線を用い、雰囲気炉を用いた低温焼鈍を行うことを開示している。この技術では、そのオイルテンパー線の最表面から１ｍｍまでの残留応力の平均値は在炉時間に応じて減少し、在炉時間が３０分を超えると、ほとんど変化しなくなる。たとえば特許文献２は、焼入れ・焼き戻しを直線状の線材に行い、その線材に冷間成形を行ってコイルばねを得、焼鈍によりコイルばねの歪取りを行うことを開示している。この技術では、冷間成形前の直線状の線材の焼入れ・焼き戻しは、通電あるいは誘導加熱により行い、成形後の焼鈍は、雰囲気炉を用いて長時間行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５５−３１１０９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ばね論文集、第３９号、１９９４年、１０１〜１３０頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、コイルばねでは、線材の硬度が高くなるに従い、繰り返し荷重に対する耐久性が向上する。近年では、コイルばねの軽量化への要求も強くなっていることから、冷間成形用熱処理材として、硬くて、かつ抗張力の高い線材が用いられ、高応力までの使用が可能となっている。
【０００８】
しかしながら、熱処理材を線状から同形状のコイルばねに冷間成形を行う場合、熱処理材の抗張力の高い場合には、抗張力の低い場合と比較して、残留応力が大きくなるため、上記のように残留応力によるコイルばねの寿命低下が問題となる。
【０００９】
この場合、雰囲気炉を用いた焼鈍を行う上記従来技術では、増大した応力を除去するために炉内の温度を上げたり、炉内で長時間均熱させる必要が生じる。しかしながら、この場合、炉内の温度を上げたり高温下で長時間均熱させると、硬度の低下が進むため、残留応力の除去量は、耐久性向上のために線材の硬度とのバランスを考慮した上で、決定する必要があり、その結果、線材の性能を十分に生かすことができない。
【００１０】
また、従来技術の雰囲気炉を用いた焼鈍では、在炉時間が長いため、バッチ式の炉を用いた場合、炉の密閉性向上を図ることができるから、熱損失が少なく、エネルギー効率は良いものの、生産性が悪くなる。他方、通過式の炉を用いた場合、生産性は向上するものの、炉体が大きくなり、かつ材料の投入・取出しのために密閉し続けることができないため、熱の損失が多くなり、エネルギー効率が悪くなる。
【００１１】
さらに、運転開始時に炉内温度が所定の温度で安定するまでは品質に問題が生じるため、材料の投入ができない。その結果、空炉で燃焼させる必要が生じるため、生産量が少ない場合には、エネルギー効率が著しく悪くなる。
【００１２】
したがって、本発明は、エネルギー効率、生産性、および、製品の品質を低下させることなく、冷間成形により得られたコイルばねの成形時の残留応力除去のための焼鈍を行うことができるコイルばねの熱処理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】
【００１３】
本発明のコイルばねの熱処理方法は、冷間成形により得られたコイルばねに焼鈍を行うことにより、冷間成形時の残留応力を除去し、焼鈍は、コイルばねへの通電加熱により行うことを特徴とする。
【００１４】
本発明のコイルばねの熱処理方法では、冷間成形により得られたコイルばねの焼鈍を通電加熱により行うから、従来技術の雰囲気炉を用いる場合と比べて、焼鈍を極めて短時間（たとえば１０秒〜１分程度）に行うことができる。したがって、通電加熱による焼鈍を行ったコイルばねは、従来技術の雰囲気炉を用いる場合と比較して、焼鈍後のコイルばねの残留応力を同じに設定した場合、硬度の低下が小さく、コイルばねを高応力発生下で使用する場合でも、安定して高寿命化を図ることができる。また、従来技術の雰囲気炉を用いる場合と同じ硬度となるまで加熱すると、残留応力をより小さな値となるまで低下させることができるので、耐久性向上を図ることができ、更なる高寿命化を図ることができる。
【００１５】
さらに、通電加熱では、コイルばねに直接電気を流すことにより、コイルばねを内部から昇温させているから、装置内の雰囲気の昇温が不要となり、その結果、エネルギー効率が高い。雰囲気の昇温が不要であるから、エネルギー効率は、焼鈍を行うコイルばねの量に依存しない。また、焼鈍を極めて短時間で行うことができるから、生産性が高く、焼鈍を行う装置構成が簡単なものとなる。雰囲気炉において在炉時間や、炉の密閉性、空炉での燃焼等により生じていた問題は通電加熱により解消することができるから、エネルギー効率、生産性、および、製品の品質の向上を更に図ることができる。
【００１６】
本発明のコイルばねの熱処理方法は種々の構成を用いることができる。たとえば、焼鈍では、コイルばねを所定温度まで加熱した後、コイルばねの温度を所定温度で保持することなく、コイルばねに冷却を行うことができる。焼鈍は、３６０℃〜５００℃の範囲内で行うことが好適である。また、たとえば焼鈍後のコイルばねに急冷を行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のコイルばねの熱処理方法によれば、冷間成形により得られたコイルばねの焼鈍を通電加熱により行うから、従来技術の雰囲気炉を用いる場合と比べて、極めて短時間で焼鈍を極めて短時間に行う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】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係るコイルばねの熱処理方法で用いる装置の概略構成を表す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るコイルばねの熱処理方法を適用したコイルばねの製造方法の工程を表す図である。
【図３】本発明の実施例に係る焼鈍後の試料の表面からの距離と残留応力との関係を表すグラフである。
【図４】本発明の実施例に係る焼鈍後の試料の表面からの距離と硬度との関係を表すグラフである。
【図５】本発明の実施例に係る焼鈍後の試料の耐久試験結果を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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、本発明の一実施形態に係るコイルばねＷの熱処理方法で用いる通電加熱装置１の概略構成を表す図である。通電加熱装置１０で行う熱処理は、たとえば歪取り焼鈍である。通電加熱装置１０は、コイルばねＷに通電する電極１２，１３を備えている。電極１２，１３には通電用ケーブル１４を通じて通電加熱用電源１１に接続されている。通電加熱用電源１１には、温度信号ケーブル１６を通じて、コイルばねＷの温度を測定する放射温度計１５が接続されている。コイルばねＷの温度測定手段として、放射温度計１５の代わりに、サーモグラフィや接触式温度計等を使用してもよい。
【００２０】
コイルばねＷは、他の部位と電気的に絶縁されるようにして固定され、この場合、コイルばねＷの配置方向は、特に限定されるものではなく、縦方向あるいは横方向でもよい。コイルばねＷの自重による変形や歪開放による形状変化を最小限に抑制するために、変形防止用固定具を別途用いてもよい。なお、コイルばねＷにおける電極１２，１３との接触しない両端部は、温度があまり上昇せず、十分な焼鈍・焼戻し効果は得られないケースがあるが、コイルばねＷでは、両端部は相手部品に密着しており、応力は圧縮時でも他の部位と比べて低いから、残留応力が他の部位と比べて大きくても、問題はない。
【００２１】
本実施形態の熱処理方法が適用されたコイルばねＷの製造方法について図２を参照して説明する。まず、焼入れや焼戻し等の熱処理を行った直線状の線材（オイルテンパー線等の熱処理材）を準備し（ステップＳ１）、その線材に冷間コイル成形を行うことによりコイルばねＷを得る（ステップＳ２）。この場合、直線状の線材をコイルばねＷに成形するため、成形終了後に除荷すると、コイルばねＷの内側部分（コイルばねＷの中心側に面している部分）には引張残留応力が残り、コイルばねＷの外側部分（コイルばねＷの中心側とは反対側に面している部分）には圧縮残留応力が残る。
【００２２】
次いで、コイルばねＷに通電加熱を行うことにより、コイルばねＷに焼鈍を行う。通電加熱は、たとえばコイルばねＷが３６０℃〜５００℃の範囲内の温度で加熱されるように１０〜２０秒間行う。焼鈍では、図１に示すように、コイルばねＷを電極１２，１３で固定し、通電加熱用電源１１からコイルばねＷへの通電を行う。この場合、放射温度計１５によるコイルばねＷの測定温度が所定温度に到達したときには、通電加熱用電源１１からコイルばねＷへの通電を強制的に中止する。
【００２３】
このような通電加熱を用いた焼鈍により、コイルばねＷから冷間成形時の上記残留応力を除去する。この場合、焼鈍後、コイルばねＷを所定温度まで加熱した後、コイルばねＷの温度を所定温度で保持することなく、コイルばねＷの冷却を行うことにより、コイルばねＷの残留応力および硬度が安定になる。この場合、冷却は、水冷や強制空冷による急冷とすることが好適である。続いて、コイルばねＷにショットピーニングセッチングを行った後（ステップＳ４）、塗装を行うことにより（ステップＳ５）、コイルばねＷの製品が得られる。
【００２４】
本実施形態では、冷間成形により得られたコイルばねＷの焼鈍を通電加熱により行うから、従来技術の雰囲気炉を用いる場合と比べて、焼鈍を極めて短時間（たとえば１０〜１分程度）に行うことができる。したがって、通電加熱による焼鈍を行ったコイルばねＷは、従来技術の雰囲気炉を用いる場合と比較して、焼鈍後のコイルばねの残留応力を同じに設定した場合、硬度の低下が小さく、コイルばねＷを高応力発生下で使用する場合でも、安定して高寿命化を図ることができる。また、従来技術の雰囲気炉を用いる場合と同じ硬度となるまで加熱すると、残留応力をより小さな値となるまで低下させることができるので、耐久性向上を図ることができ、更なる高寿命化を図ることができる。
【００２５】
さらに、通電加熱では、コイルばねＷに直接電気を流すことにより、コイルばねＷを内部から昇温させているから、装置内の雰囲気の昇温が不要となり、その結果、エネルギー効率が高い。雰囲気の昇温が不要であるから、エネルギー効率は、焼鈍を行うコイルばねＷの量に依存しない。また、焼鈍を極めて短時間で行うことができるから、生産性が高く、焼鈍を行う装置構成が簡単なものとなる。雰囲気炉での在炉時間や、炉の密閉性、空炉での燃焼等により生じていた問題は通電加熱により解消することができるから、エネルギー効率、生産性、および、製品の品質の向上を更に図ることができる。
【００２６】
コイルばねＷのように曲面形状を有する物品を通電加熱した場合には、その形状の内側（中心側）には、外側（中心とは反対側）よりも多くの電流が流れて温度が高くなるため、硬度が低下することが予想されるが、通電加熱による焼鈍では、加熱温度が低く、かつ通電時間が極めて短いから、内側と外側との硬度差について問題が生じる程の温度差にはならない。その結果、硬度が安定する。
【実施例】
【００２７】
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、熱処理材である線材への冷間コイル成形により得られたコイルばね（線径１０．８ｍｍ）を用い、そのコイルばねに対して、条件を変更して焼鈍を行い、各種試料を得た。
【００２８】
本発明の試料１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３では、表１に示す加熱温度、加熱時間で通電加熱による焼鈍をコイルばねに行い、その後、コイルばねの温度を加熱温度で保持することなく、コイルばねに冷却を行った。なお、表１の冷却手法に記載の時間は、焼鈍終了時〜水冷による冷却開始までの時間である。比較試料１１では、通電加熱による焼鈍の代わりに、雰囲気炉を用いた焼鈍をコイルばねに行った点が、本発明の上記試料と異なり、それ以外は同様な手法とした。加熱・冷却の条件は、表１に示す。比較試料２１として、表１に示すように、冷間コイル成形で得られたコイルばね（以下、冷間コイルばね）であって、焼鈍を行わなかったものである。
【００２９】
以上のようにして得られた本発明の試料１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３および比較試料１１，２１のコイルばねを得、それらコイルばねの内側部分（中心側に面している部分）について硬度および残留応力の測定を行った。その結果を表１および図３，４に示す。なお、硬度は、コイルばねの外周より１／２Ｒ（Ｒは線材の半径）の位置でのロックウェルＣスケール硬さである。図３，４での内軸は、コイルばねの中心軸に向いている側（すなわち、内側）のことである。また、本発明の試料２２のコイルばねと比較試料１１のコイルばねについて大気中で耐久試験を行った。その結果を図５に示す。なお、耐久試験では、平均主応力を７３５ＭＰａとした。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
通電加熱による焼鈍を行った本発明の試料１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３のコイルばねでは、図３に示すように、冷間コイルばねである比較試料１２のコイルばねと比較すると判るように、内側部分の残留応力が除去され、表１および図３から判るように、冷間コイルばねである比較試料１１および雰囲気炉を用いた焼鈍を行った比較試料２１と比較して、略同等の硬度となった。これにより、通電加熱による焼鈍を行うことにより、コイルばねの残留応力の低減を図ることができるとともに、硬さの低下を防止することができることが判った。
【００３２】
表１および図３，４から判るように、通電加熱による焼鈍を行った本発明の試料１１〜１３，２１〜２３，３１〜３３のコイルばねについて、残留応力および硬さは、加熱条件（加熱温度および加熱時間）により変化するが、試料１１〜１３のコイルばねどうし、本発明の試料２１〜２３のコイルばねどうし，および、試料３１〜３３のコイルばねどうしを比較すると判るように、加熱終了後から冷却開始までの時間によりほとんど変化しなかった。これにより、雰囲気の影響を受け難い加熱後に速やかに冷却を行うと、コイルばねの残留応力の低減および硬さの向上に影響はなく、コイルばねの品質の安定化を図ることができることを確認した。
【００３３】
通電加熱による焼鈍を３４８℃で行った本発明の試料１１〜１３のコイルばねは、雰囲気炉を用いた焼鈍を行った比較試料１１と比較して、高硬度を有するが、残留応力があまり除去されていなかった。コイルばねの特性について、残留応力と硬度のバランスが寿命に大きな影響を与えるが、本発明の試料１１〜１３のコイルばねについて、比較試料２１と比較して、高硬度を有することを考慮しても、その特性には不十分な面があった。これにより、通電加熱により焼鈍では、加熱温度を３６０℃以上に設定することが好適であることを確認した。
【００３４】
図３から判るように、通電加熱による焼鈍を４０８℃で行った本発明の試料２１〜２３のコイルばねは、雰囲気炉を用いた焼鈍を行った比較試料１１のコイルばねと略同等の残留応力となった。また、表１から判るように、通電加熱による焼鈍を４０８℃で行った本発明の試料２１〜２３のコイルばねの硬度は、雰囲気炉を用いた焼鈍を行った比較試料１１のものと比較して、１〜１．５程度高かった。このように通電加熱による焼鈍を４０８℃で行った本発明の試料２１〜２３のコイルばねでは、雰囲気炉を用いた焼鈍を行った比較試料２１のコイルばねと比較して、硬度が優れていることを確認した。
【００３５】
図５から判るように、通電加熱による焼鈍を４０８℃で行った本発明の試料２２のコイルばねは、比較試料１１のコイルばねと比較して、高応力の使用条件でも、耐久性にばらつきがなく、耐久性が向上していることを確認した。これにより、通電加熱による焼鈍を行ったコイルばねは、耐久性が向上し、高寿命化を図ることができることが判った。
【符号の説明】
【００３６】
１０…通電加熱装置、Ｗ…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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