(57)【要約】【課題】  疲労強度が向上されたばねを提供する。【解決手段】  ばね１０は、鋼材層１２と、鋼材層１２の表面に形成された窒化物を含有する化合物層１４とを有している。化合物層１４は、ε相を含んでおり、そのε相の圧縮残留応力が８００〜１４００ＭＰａとされている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材層と、鋼材層の表面に形成された窒化物を含有する化合物層とを有しており、
化合物層は、ε相を含んでおり、そのε相の圧縮残留応力が８００〜１４００ＭＰａとされている、ばね。
【請求項２】
ε相の半価幅が４．０未満とされている、請求項１に記載のばね。
【請求項３】
ε相の圧縮残留応力が１１００〜１３００ＭＰａとされている、請求項１又は２に記載のばね。
【請求項４】
鋼材層は、質量％で、Ｃ：０．６０〜０．８０、Ｓｉ：１．３０〜２．５０、Ｍｎ：０．３０〜１．００、Ｃｒ：０．４０〜１．４０を含有すると共に、Ｍｏ：０．０５〜０．２５、Ｖ：０．０５〜０．６０、Ｗ：０．０８〜０．２０の少なくとも１つを含有し、残部が鉄および不可避的不純物を含有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のばね。
【請求項５】
ばねを製造する方法であり、
ばね線材の表面に形成された表面キズを除去する工程と、
表面キズが除去されたばね線材を窒化処理する工程と、
窒化処理工程後に、ばね線材の表面にショットピーニング処理する工程と、を有しており、
ショットピーニング処理工程では、複数回のショットピーニングが行われ、最後に行われるショットピーニングに用いられる投射材の硬度が１１００〜１３００ＨＶとされている、ばねの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示の技術は、ばねに関する。詳しくは、ばね（例えば、弁ばねやクラッチ用のばね等）の疲労強度を向上するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ばねの疲労強度を向上するために、ショットピーニングによって材料の表面に圧縮残留応力を付与する技術が知られている（例えば、特許文献１等）。この技術では、投射材の粒径及び材質を変えて複数回のショットピーニングを行う。これによって、高い硬度を有するばねに対しても疲労強度が向上できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１１８９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本明細書は、より疲労強度が向上されたばね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】
【０００５】
本明細書が開示するばねは、鋼材層と、鋼材層の表面に形成された窒化物を含有する化合物層とを有している。化合物層は、ε相を含んでおり、そのε相の圧縮残留応力が８００〜１４００ＭＰａとされている。
【０００６】
このばねでは、鋼材層の表面に窒化物の化合物層が形成され、その化合物層に含まれるε相の圧縮残留応力が８００〜１４００ＭＰａとされている。後述するように、本願発明者が鋭意検討した結果、鋼材層の表面に化合物層（窒化物）が形成されたばねでは、化合物層に含まれるε相に付与された圧縮残留応力によって、ばねの疲労強度が飛躍的に向上することが判明した。このばねでは、化合物層に含まれるε相が８００〜１４００ＭＰａに調整されることで、優れた疲労強度を有することができる。
【０００７】
また、本明細書は、上述したばねを製造するための新規な方法を提供する。この方法は、ばね線材の表面に形成された表面キズを除去する工程と、表面キズが除去されたばね線材を窒化処理する工程と、窒化処理工程後に、ばね線材の表面にショットピーニング処理する工程と、を有している。そして、ショットピーニング処理工程では、複数回のショットピーニングが行われ、最後に行われるショットピーニングに用いられる投射材の硬度が１１００〜１３００ＨＶとされている。
【０００８】
この製造方法では、窒化処理によってばね線材の表面が硬化する前に、ばね線材の表面の表面キズが除去される。このため、ばね線材の表面荒れを抑制しながら、表面キズを除去することができる。また、ショットピーニングに用いられる投射材の硬度を高硬度（１１００〜１３００ＨＶ）とすることで、窒化処理後のばね線材に大きな圧縮残留応力を付与することができる。その結果、疲労強度に優れたばねを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施例に係るばねの断面図。
【図２】本実施例に係るばねの製造過程を示すフローチャート。
【図３】本実施例に係るばねの表面に付与された圧縮残留応力（ε相とα相の圧縮残留応力の関係）を示すグラフ。
【図４】本実施例に係るばねに対して疲労強度を測定した結果（ε相の圧縮残留応力と疲労強度の関係）を示すグラフ。
【図５】本実施例に係るばねに対して疲労強度を測定した結果（ε相の半価幅と疲労強度の関係）を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。
【００１１】
（特徴１）  本明細書が開示するばねにおいて、ε相の半価幅は４．０未満とされていてもよい。ε相の半価幅が大きくなると、ε相の圧縮残留応力も大きくなり、ばねの疲労強度を向上することができる。ただし、後述の測定結果に示すように、ε相の半価幅が４．０以上となると、逆にばねの疲労強度は低下する。したがって、ε相の半価幅を４．０未満とすることで、ε相への圧縮残留応力の過剰な付与が防止され、ばねの疲労強度の低下を抑制することができる。
【００１２】
（特徴２）  本明細書が開示するばねにおいて、ε相の圧縮残留応力が１１００〜１３００ＭＰａとされていてもよい。このような構成によると、疲労強度をより向上することができる。
【００１３】
（特徴３）  本明細書が開示するばねにおいて、鋼材層は、質量％で、Ｃ：０．６０〜０．８０、Ｓｉ：１．３０〜２．５０、Ｍｎ：０．３０〜１．００、Ｃｒ：０．４０〜１．４０を含有すると共に、Ｍｏ：０．０５〜０．２５、Ｖ：０．０５〜０．６０、Ｗ：０．０８〜０．２０の少なくとも１つを含有し、残部が鉄および不可避的不純物を含有してもよい。このような構成によると、ばねを形成するための鋼材が適切な材料により形成されるため、疲労強度をより向上することができる。
【実施例】
【００１４】
実施例に係るばね１０について説明する。ばね１０は、自動車エンジン用の弁ばねとして用いられる。ばね１０は、コイル状に成形されたばね線材により構成されており、隣接するばね線材の間には所定の間隔が設けられている。
【００１５】
図１に示すように、ばね１０は、鋼材層１２と化合物層１４から構成されている。鋼材層１２は、ばね線材を熱処理等することによって形成される。鋼材層１２（すなわち、ばね線材）は、例えば、Ｃ（炭素）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）、Ｗ（タングステン）、鉄および不可避的不純物を含有していてもよい。この場合、それぞれの元素の割合は、質量％で、Ｃが０．６０〜０．８０％、Ｓｉが１．３０〜２．５０％、Ｍｎが０．３０〜１．００％、Ｃｒが０．４０〜１．４０％、Ｗが０．０８〜０．２０％の範囲とされており、残部がＦｅ（鉄）および不可避的不純物としてもよい。Ｃを０．６０％以上としたのは、Ｃが０．６０％未満となると、耐久性と耐へたり性の双方を満足することが難しくなるためである。また、Ｃを０．８０％以下としたのは、Ｃが０．８０％を超えると、成形性が低下し、加工時の割れや折損等の可能性が高くなるためである。Ｓｉを１．３０％以上としたのは、Ｓｉが１．３０％未満となると、十分な耐へたり性を得ることができないためである。Ｓｉを２．５０％以下としたのは、Ｓｉが２．５０％を超えると、熱処理時の脱炭量が許容範囲を超え、耐久性に悪影響を与えるためである。Ｍｎを０．３０％以上としたのは、Ｍｎが０．３０％未満では、十分な強度を得ることができないためである。また、Ｍｎを１．００％以下としたのは、Ｍｎが１．００％を超えると、残留オーステナイト量が多くなり過ぎるためである。Ｃｒを０．４０％以上としたのは、Ｃｒが０．４０％未満であると、十分な固溶強度及び焼入れ性を得ることができないためである。また、Ｃｒを１．４０％以下としたのは、Ｃｒが１．４０％を超えると、残留オーステナイト量が多くなり過ぎるためである。Ｗを０．０８％以上とするのは、Ｗが０．０８％未満では、Ｗを添加した効果（焼入れ性の向上、高強度化等）を得ることができないためである。また、Ｗを０．２０％以下とするのは、Ｗが０．２０％を超えると、粗大な炭化物を生じ、延性などの機械的特性を悪化させるためである。
【００１６】
なお、鋼材層１２は、Ｗと共に、あるいは、Ｗに代えて、Ｍｏ（モリブデン）及び／又はＶ（バナジウム）を含有してもよい。Ｍｏを含有することで、それ自体が鋼の強度を向上させるとともに、焼入れ性を向上することができる。また、Ｖを含有することで、鋼材層１２中に析出する炭化物の大きさを微細にすることができ、より鋼材層１２の強度を向上することができる。鋼材層１２がＭｏ及び／又はＶを含有する場合、その元素の割合は、質量％で、Ｍｏが０．０５〜０．２５％の範囲、Ｖが０．０５〜０．６０％の範囲とされることが好ましい。Ｍｏを０．０５％以上とするのは、Ｍｏが０．０５％未満では、十分な強度が得られないためである。また、Ｍｏを０．２５％以下としたのは、Ｍｏが０．２５％を超えると、残留オーステナイトの安定化作用が無視し得なくなるためである。また、Ｖを０．０５％以上としたのは、Ｖが０．０５％未満では、十分な量の炭化物が生成せず、結晶粒成長防止効果を得ることができないためである。また、Ｖを０．６０％以下としたのは、Ｖが０．６０％を超えると、バナジウム炭化物自体が成長して大きくなり、耐久性に悪影響を与えるためである。
【００１７】
鋼材層１２の表面には、全面に亘って化合物層１４が形成されている。化合物層１４の厚みは７μｍ以下となっている。化合物層１４の厚みが７μｍ以下であるため、化合物層の脆さによる強度の低下を防ぐことができる。化合物層１４は、上記の鋼材層１２に含まれるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｆｅおよび不可避的不純物の他に、Ｎ（窒素）を含んでおり、化合物層１４にはＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｆｅ等の金属元素とＮとの化合物（窒化物）が存在している。化合物層１４中のＮの濃度は特に限定しないが、例えば質量％でＮが５．０〜６．１％の範囲とされている。
【００１８】
化合物層１４の最表面には、六方最密充填構造（ｈｃｐ）を有するε相（Ｆｅ４Ｎベース）が形成され、このε相中にはＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｗ等が固溶している。化合物層１４中のε相は硬くて脆い。本実施例では、このε相に圧縮残留応力を付与することで、ばね１０の耐久性の向上を図っている。すなわち、化合物層１４中のε相には、８００〜１４００ＭＰａの圧縮残留応力が付与されていることが好ましく、より好ましくは、ε相の圧縮残留応力が１１００〜１３００ＭＰａとされている。後述する実験結果に示されるように、圧縮残留応力が８００ＭＰａ未満では、疲労強度を十分に向上することができないためである。一方、圧縮残留応力が１４００ＭＰａを超えると、疲労強度が低下するためである。
【００１９】
また、ε相の半価幅（圧縮残留応力（ひずみ）が導入されているか否かを評価する指標であり、Ｘ線残留応力測定法により得られるＸ線強度のプロファイルから算出される）は４．０未満とされることが好ましい。すなわち、ε相の半価幅が大きくなると、ε相の圧縮残留応力も大きくなり、ばねの疲労強度を向上することができる。ただし、後述する実験結果に示すように、ε相の半価幅が４．０以上となると、逆にばねの疲労強度は低下する。したがって、ε相の半価幅を４．０未満とすることで、ε相への圧縮残留応力の過剰な付与が防止され、ばねの疲労強度の低下を抑制することができる。
【００２０】
なお、化合物層１４の表面粗さ（すなわち、ばね１０の表面粗さ）は、算術平均粗さ（Ｒａ）で０．９μｍ以下とされることが好ましい。化合物層１４の表面粗さＲａを０．９μｍ以下とすることで、化合物層１４の表面から応力集中の原因となる表面キズが除去される。これによって、ばねの疲労強度を向上することができる。
【００２１】
次に、上記のばね１０の製造方法を、図２を参照して説明する。図２に示すように、まず、ばね線材をコイリングマシンによってコイル状に成形する（Ｓ１２）。ばね線材は、質量％で、Ｃ：０．６０〜０．８０、Ｓｉ：１．３０〜２．５０、Ｍｎ：０．３０〜１．００、Ｃｒ：０．４０〜１．４０、Ｗ：０．０８〜０．２０、残部が鉄および不可避的不純物を含有している。なお、ばね線材には、質量％で、Ｍｏ：０．０５〜０．２５、及び／又は、Ｖ：０．０５〜０．６０をさらに含有することができる。
【００２２】
なお、ばね線材をコイル状に成形した後は、ばね線材の端部を切断し、次いで、コイル状に成形されたばね線材に低温焼鈍を施し、さらに、このコイル状に成形されたばね線材の端面を研削する。これにより、ばね線材がばね形状に成形される。
【００２３】
次に、ばね形状に成形されたばね線材の表面に第１ショットピーニング処理（プレ・ショットピーニング処理）を実施する（Ｓ１４）。第１ショットピーニング処理は、ばね線材に圧縮残留応力を付与するためではなく、ばね線材の表面に形成されている表面キズを除去するために行われる。このため、硬度の低い投射材が用いられ、ばね線材の表面荒れも抑制される。その結果、第１ショットピーニング処理後のばね線材の表面粗さは、例えば、算術平均粗さ（Ｒａ）で１．１８μｍとなる。なお、第１ショットピーニング処理は、例えば、径φ０．３ｍｍ、硬度３９０〜５１０ＨＶの投射材を用いることができる。また、好ましくは投射材の投射速度を６０〜９０ｍ／ｓとすることができる。
【００２４】
次に、表面キズが除去されたばね線材にアンモニア雰囲気下で窒化処理を施す（Ｓ１６）。これによって、ばね線材の表面に窒化物を有する化合物層１４が形成され、ばね線材の中心部に、窒化物を含有しない鋼材層１２が形成される。窒化処理は、温度条件を４５０℃以上５４０℃以下（例えば、５００℃）、処理時間を１〜４時間（例えば、１．５時間）とすることができる。なお、処理時間を２時間未満とすると、化合物層１４の厚みを適切な厚み（例えば、５μｍ）に調整することができる。
【００２５】
次いで、ばね線材の耐疲労強度を向上するために、ばね線材の表面に第２ショットピーニング処理を実施する（Ｓ１６）。第２ショットピーニング処理は、複数回に分けて行うことができる。複数回のショットピーニングを行うことで、ばね線材の深い位置まで圧縮残留応力を付与することができる。第２ショットピーニング処理は、例えば、窒化直後のばね線材の表面に第１段目のショットピーニング（例えば、投射材の径φ０．６ｍｍ，投射材の硬度６５０〜７５０ＨＶ）を行い、次いで、第２段目のショットピーニング（例えば、投射材の径φ０．３ｍｍ，投射材の硬度６５０〜７５０ＨＶ）を行い、さらに、第３段目のショットピーニング（例えば、投射材の径φ０．１ｍｍ，投射材の硬度１１８０〜１２３０ＨＶ）を行うことができる。このように投射材の径及び硬度を変えながら多段階にショットピーニングを行うことで、ばね線材に効果的に圧縮残留応力を付与することができる。なお、上記の例では、第３段目のショットピーニング処理に硬度が１１００ＨＶ以上となる粒径φ０．１ｍｍの投射材を用いることで、窒化処理後のばね材の表面（すなわち、硬度の高い化合物層１４）に大きな圧縮残留応力を深い位置まで付与することができる。また、第１段目のショットピーニング、第２段目のショットピーニング及び第３段目のショットピーニングのそれぞれにおいて、投射材の投射速度は６０〜９０ｍ／ｓとすることが好ましい。
【００２６】
Ｓ１６で第２ショットピーニング処理を行った後は、ばね線材に低温焼鈍を実施し、次いで、ばね線材にセッチングを実行する。これにより、ばね線材からばね１０が製造される。
【００２７】
次に、ばね線材（質量％Ｃ：０．７３、Ｓｉ：２．１６、Ｍｎ：０．７１、Ｃｒ：１．００、Ｗ：０．１５、Ｍｏ：０．１３、Ｖ：０．１０、残部が鉄および不可避的不純物）を用いて実際に製造したばね（以下、実験例という）について、圧縮残留応力と疲労強度を測定した結果について説明する。測定では、コイリング後のばね線材に対して第１ショットピーニング処理、窒化処理、第２ショットピーニング処理（３段階のショットピーニング）を行い、これらの処理後に圧縮残留応力と疲労強度を測定した。実験例では、第２ショットピーニング処理の第３段目のショットピーニングに投射材Ａ（投射材の径φ０．１ｍｍ，投射材の硬度１１８０〜１２３０ＨＶ）を用いた。一方、比較例では、第２ショットピーニング処理の第３段目のショットピーニングに投射材Ｂ（投射材の径φ０．１ｍｍ，投射材の硬度７００〜８３０ＨＶ）を用いた。以下、図３〜５において、実験例の測定結果を投射材Ａとして表し、比較例の測定結果を投射材Ｂとして表す。なお、その他の条件は、実験例と比較例とで同一とした。すなわち、第１ショットピーニング処理は、径φ０．３ｍｍ、硬度３９０〜５１０ＨＶの投射材で実施した。窒化処理は、窒化温度５００℃、窒化時間１．５時間で実施した。第２ショットピーニング処理では、第１段目のショットピーニング（投射材の径φ０．６ｍｍ、投射材の硬度６５０〜７５０ＨＶ）と、第２段目のショットピーニング（投射材の径φ０．３ｍｍ，投射材の硬度６５０〜７５０ＨＶ）と、第３段目のショットピーニング（投射材Ａ又はＢ）を行った。
【００２８】
図３は、実験例のばね（投射材Ａとして表示）の圧縮残留応力と、比較例のばね（投射材Ｂとして表示）の圧縮残留応力を測定した結果を示している。測定方法にはＸ線残留応力測定法（ｓｉｎ２φ法）を用いた。図３から明らかなように、実験例のばねのε相には、比較例のばねのε相よりも、大きな圧縮残留応力が付与された。一方、実験例のばねのα相に付与される圧縮残留応力と、比較例のばねのα相に付与される圧縮残留応力との間には大きな相違は生じなかった。この測定結果から、３段目のショットピーニングに硬度の高い投射材を用いることで、ε相に大きな残留応力を付与できることが確認された。
【００２９】
図４は、実験例のばね（投射材Ａとして表示）と比較例のばね（投射材Ｂとして表示）に対して実施した疲労試験の測定結果を示している。疲労試験では、繰返し応力が１０７回のときの疲労強度と、繰返し応力が１０８回のときの疲労強度を測定した。図４から明らかなように、実験例のばねは、比較例のばねに対して、１０７回のときの疲労強度と１０８回のときの疲労強度のいずれもが高くなった。特に、実験例のばねでは、１０８回のときの疲労強度が約６５０ＭＰａと高い値となり、そのバラツキも小さくなった。すなわち、安定して高い疲労強度を得ることができた。また、ε相に付与される圧縮残留応力と疲労強度の関係は、ε相に付与される圧縮残留応力が大きくなるほど疲労強度も高くなった。特に、ε相に付与される圧縮残留応力が８００ＭＰａを超えると、１０７回の疲労強度は６５０ＭＰａ以上となり、１０８回のときの疲労強度も約６５０ＭＰａと高い値となった。ただし、ε相に付与される圧縮残留応力が１３００ＭＰａを超えると、疲労強度（特に、１０７回の疲労強度）は低下した。なお、ε相に付与される圧縮残留応力が１１００〜１３００ＭＰａの範囲では、１０７回の疲労強度は極めて高い値となった。
【００３０】
図５は、実験例のばね（投射材Ａとして表示）と比較例のばね（投射材Ｂとして表示）のそれぞれについて、圧縮残留応力を測定する際に取得される半価幅（詳細には、Ｘ線残留応力測定法により得られるＸ線強度の半価幅）と、疲労強度との関係を示している。図５から明らかなように、半価幅が大きくなるほど、ばねの疲労強度が向上した。ただし、半価幅が４．０以上となると、逆にばねの疲労強度は低下した。
【００３１】
上述した結果から明らかなように、実験例のばねでは、ε相に大きな圧縮残留応力が付与され、疲労強度が向上した。特に、ε相に８００〜１４００ＭＰａ（より好ましくは、１１００〜１３００ＭＰａ）の圧縮残留応力を付与することで、疲労強度を飛躍的に向上することができた。
【００３２】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００３３】
例えば、上述した実施例は、自動車エンジン用の弁ばねであったが、本発明はこのような形態に限られず、他のばね（例えば、クラッチ用のばね等）にも適用することができる。また、ばね線材には、Ｐ（リン）や、Ｓ（硫黄）等の不可避的不純物を含んでいてもよい。こうした不可避的不純物は、ばね強度の低下に繋がるため、濃度は低いほどよい。例えば、ばね線材に含まれるＰは、重量％で０．０２５％以下、Ｓは０．０２５％以下であることが好ましい。また、ばね線材の表面に実施する第２ショットピーニング処理時のショットピーニングの回数は、ばね線材に要求される耐久性に応じて適宜決定することができる。例えば、ばね線材に十分な圧縮残留応力を付与するためには、少なくとも２段階のショットピーニングを行うことが好ましく、より好ましくは３段階のショットピーニングを行うことが好ましい。
【００３４】
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３５】
１０：ばね
１２：鋼材層
１４：化合物層
【図１】
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【図２】
2015086890.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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