(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】  ばねは、螺旋状にコイリングされたばね線材１０を有している。ばね線材１０の表面には、ばね線材の長手方向に伸び、かつ、その長手方向に直交する方向の幅が１０μｍ以下となる複数のミクロポケット１６が形成されている。各ミクロポケット１６の深さｄが２．０μｍ以下である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
螺旋状にコイリングされたばね線材を有しており、
そのばね線材の表面には、ばね線材の長手方向に伸び、かつ、その長手方向に直交する方向の幅が１０μｍ以下となる複数のミクロポケットが形成されており、
各ミクロポケットの深さが２．０μｍ以下であることを特徴とするばね。
【請求項２】
ばね線材は、鋼材層と、鋼材層の表面に形成された窒化物の化合物層とを有している、請求項１に記載のばね。
【請求項３】
鋼材層は、質量％で、Ｃ：０．５０〜０．８０、Ｓｉ：１．３０〜２．５０、Ｍｎ：０．３０〜１．００、Ｃｒ：０．４０〜１．４０を含有する、請求項１又は２に記載のばね。
【請求項４】
鋼材層は、ＭｏとＶとＷとＮｉとＮｂの少なくとも１つをさらに含有する、請求項３に記載のばね。
【請求項５】
ばねの製造方法であり、
ばね線材を螺旋状にコイリングするコイリング工程と、
コイリング工程後のばね線材の表面に第１の投射材を投射する第１ショットピーニング工程と、
第１ショットピーニング工程後に、ばね線材の表面を窒化する窒化工程と、
窒化工程後のばね線材の表面に第２の投射材を投射する第２ショットピーニング工程と、を有しており、
コイリング工程後のばね線材の表面には、ばね線材の長手方向に伸び、かつ、その長手方向に直交する方向の幅が１０μｍ以下となる複数のミクロポケットが形成されており、
第１ショットピーニング工程後において、ミクロポケットの深さが２．０μｍ以下となるように、第１ショットピーニング工程が行われることを特徴とするばねの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する技術は、ばね及びばねの製造方法に関する。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、螺旋状にコイリングしたばね線材の表面を窒化処理し、その後、アモルファス粒子を用いたショットピーニングを行う。これによって、表面粗さを低く抑えながら、疲労強度の向上が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３４６４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の技術では、ばねの表面粗さを低く抑えると共にばねの表面に圧縮残留応力を付与することで、ばねの高疲労強度化が図られている。しかしながら、本願発明者の検討によると、ばねの疲労強度が高くなってばねに作用する応力が高くなると、表面欠陥による影響が大きくなり、特許文献１の技術では十分に疲労強度を向上することができない場合があることが判明した。特に、ばね線材の径が比較的に小径（例えば、２．０〜６．５ｍｍ）のばねでは、高疲労強度が求められるため、表面欠陥による影響が極めて大きくなる。本明細書は、ばねの疲労強度をより向上するための技術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、螺旋状にコイリングされたばね線材を有している。ばね線材の表面には、ばね線材の長手方向に伸び、かつ、その長手方向に直交する方向の幅が１０μｍ以下となる複数のミクロポケットが形成されている。そして、各ミクロポケットの深さが２．０μｍ以下である。
【０００６】
このばねでは、ばね線材の表面に形成されるミクロポケットの深さが２．０μｍ以下となる。本願発明者が鋭意検討したところ、ばね製造時（伸線加工時）にばね線材の表面に形成されるミクロポケット（いわゆる、伸線キズ）の深さｄがばねの疲労強度に極めて重要であることが判明した。後で詳述するように、ミクロポケットの深さｄが２．０μｍ以下であると、疲労強度が飛躍的に向上する。このばねでは、ミクロポケットの深さｄが２．０μｍ以下であるため、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、上記のばねを製造するためのばねの製造方法を開示する。すなわち、本明細書に開示するばねの製造方法は、ばね線材を螺旋状にコイリングするコイリング工程と、コイリング工程後のばね線材の表面に第１の投射材を投射する第１ショットピーニング工程と、第１ショットピーニング工程後に、ばね線材の表面を窒化する窒化工程と、窒化工程後のばね線材の表面に第２の投射材を投射する第２ショットピーニング工程と、を有している。コイリング工程後のばね線材の表面には、ばね線材の長手方向に伸び、かつ、その長手方向に直交する方向の幅が１０μｍ以下となる複数のミクロポケットが形成されている。第１ショットピーニング工程後において、ミクロポケットの深さが２．０μｍ以下となるように、第１ショットピーニング工程が行われる。
【０００８】
この製造方法によると、ばね線材の表面に窒化処理をする前に第１ショットピーニング工程を実施する。このため、ばね線材の表面が硬化する前に、ばね線材の表面のミクロポケットの深さを小さくすることができる。これによって、高疲労強度のばねを効率的に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（ばね線材）の断面図。
【図２】ばね線材の表面に形成されるミクロポケットを模式的に示す図（ばね線材の表面を拡大して示す断面図）。
【図３】ばね線材の表面を平面視したときのミクロポケットの形状を模式的に示す図。
【図４】本実施例のばねの製造工程を示すフローチャート。
【図５】ミクロポケットの深さと１０８回疲労強度の関係を実測した実験結果を示す図。
【図６】ミクロポケットの深さと投射時間の関係を示す図。
【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ばね線材は、鋼材層と、鋼材層の表面に形成された窒化物の化合物層とを有していてもよい。ばね線材の表面に窒化物の化合物層を形成することで、ばねを高強度化することができる。
【００１２】
（特徴２）  本明細書が開示するばねにおいて、鋼材層は、質量％で、Ｃ：０．５０〜０．８０、Ｓｉ：１．３０〜２．５０、Ｍｎ：０．３０〜１．００、Ｃｒ：０．４０〜１．４０を含有していてもよい。さらには、鋼材層は、ＭｏとＶとＷとＮｉとＮｂの少なくとも１つをさらに含有していてもよい。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】
【００１３】
実施例に係るばね２０について説明する。ばね２０は、自動車エンジン用の弁ばねとして用いられる。ばね２０は、コイル状（螺旋状）に成形されたばね線材１０により構成されており、隣接するばね線材１０の間には所定の間隔が設けられている。本実施例では、ばね線材の径がφ２．０ｍｍ〜６．５ｍｍとされている。ばね線材の径がφ２．０〜６．５ｍｍの範囲では、ばね線材の表面に形成されるミクロポケット（後述）がばねの疲労強度に大きな影響を与える。
【００１４】
図１に示すように、ばね線材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）、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０．５０〜０．８０％、Ｓｉが１．３０〜２．５０％、Ｍｎが０．３０〜１．００％、Ｃｒが０．４０〜１．４０％、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０．５０％以上としたのは、Ｃが０．５０％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。
【００１５】
なお、鋼材層１２は、Ｗ（タングステン）をさらに含有していてもよい。鋼材層１２がＷを含有する場合、Ｗの割合は、質量％で０．０８〜０．２０％程度とすることが好ましい。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】
また、鋼材層１２は、Ｗと共に、あるいは、Ｗに代えて、Ｍｏ（モリブデン）とＶ（バナジウム）とＮｉ（ニッケル）とＮｂ（ニオブ）の少なくとも１種以上を含有してもよい。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。また、Ｎｉを含有することで、熱処理後の靱性、延性を高めることができる。また、Ｎｂを含有することで、結晶粒を微細化することができ、靱性、延性を向上することができる。鋼材層１２がＭｏ、Ｖ、Ｎｉ、Ｎｂの少なくともいずれかを含有する場合、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、Ｎｉが０．２０〜０．４０％の範囲、Ｎｂが０．００５〜０．３００％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。また、Ｎｉを０．２０％以上とするのは、Ｎｉが０．２０％未満では、靱性、延性を高める効果が得られないためである。Ｎｉを０．４０％以下としたのは、Ｎｉが０．４０％を超えると、靱性、延性を高める効果が飽和してしまうためである。また、Ｎｂを０．００５％以上とするのは、Ｎｂが０．００５％未満では、十分に結晶粒を微細化できないためである。Ｎｂを０．３００％以下としたのは、Ｎｂが０．３００％を超えると、焼入れ性が悪くなるためである。
【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、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、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】
図２，３に示すように、ばね線材１０の表面にはミクロポケット１６が形成されている。ミクロポケット１６は、ばね線材１０の表面に形成される微小な深さの傷であり、ばね線材１０の表面に複数形成されている。ミクロポケット１６は、主に素材（線材）を伸線加工する際に形成される伸線傷である。ミクロポケット１６が伸線加工によって形成されることから、ミクロポケット１６は、ばね線材１０の長手方向（図３のＸ軸方向）に伸びている。
【００１９】
各ミクロポケット１６の長手方向と直交する方向の幅ｗ（図３参照）は、１０μｍ以下とされる。すなわち、ミクロポケット１６の幅ｗが１０μｍを超えると、ばね線材１０の強度が大きく低下する。このため、ミクロポケットの幅ｗが１０μｍを超えないように、伸線加工時の加工条件等が調整されている。
【００２０】
なお、本実施例では、伸線したばね線材をコイリングした後に窒化処理を行うことで、その表面に化合物層１４が形成される。すなわち、伸線加工によりばね線材に伸線傷が形成された後に、ばね線材に窒化処理が行われる。したがって、図２に示すように、鋼材層１２に形成された伸線傷によって、化合物層１４の表面にも傷１６（すなわち、ミクロポケット１６）が形成される。このため、ミクロポケット１６の深さｄは、鋼材層１２の伸線傷の深さに比例した深さとなる。上記のことから明らかなように、鋼材層１２の伸線傷の深さを小さくすれば、ミクロポケット１６の深さｄも小さくなる。なお、本実施例では、ばね線材１０に形成されるミクロポケット１６の深さは２．０μｍ以下とされている。後述する実験結果に示すように、ばね線材１０の表面に形成されるミクロポケット１６の深さを２．０μｍ以下とすることで、ばね２０の疲労強度を飛躍的に向上することができる。
【００２１】
次に、上記のばね２０の製造方法を、図４を参照して説明する。図４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、素材（線材）を伸線加工することによって作製される。このため、ばね線材の表面には複数の伸線傷が形成されている。伸線後のばね線材の径は、φ２．０〜６．５ｍｍとされる。伸線後のばね線材は、公知のコイリングマシンによってコイル状（螺旋状）に成形される。なお、ばね線材は、質量％で、Ｃ：０．５０〜０．８０、Ｓｉ：１．３０〜２．５０、Ｍｎ：０．３０〜１．００、Ｃｒ：０．４０〜１．４０、残部が鉄および不可避的不純物を含有している。ばね線材には、さらに質量％で、Ｗ：０．０８〜０．２０、及び／又は、Ｍｏ：０．０５〜０．２５、及び／又は、Ｖ：０．０５〜０．６０、及び／又は、Ｎｉ：０．２０〜０．４０、及び／又は、Ｎｂ：０．００５〜０．３００を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伸線傷を除去する（すなわち、伸線傷の深さを浅くする）ために行われる。このため、第１ショットピーニング処理に用いられる投射材、及び、その投射速度と投射時間は、ばね線材の表面に形成されている伸線傷の深さに応じて決定される。すなわち、ばね線材の表面に形成されている伸線傷の深さが深いと、投射材の硬度を比較的に高く、及び／又は、投射速度を比較的に速く、及び／又は、投射時間を長く設定される。一方、ばね線材の表面に形成されている伸線傷の深さが浅いと、投射材の硬度を比較的に低く、及び／又は、投射速度を比較的に遅く、及び／又は、投射時間を短く設定される。これによって、ばね線材の表面に形成されている伸線傷の深さを浅くしながら、ショットピーニングによるばね線材の表面荒れが抑制される。その結果、第１ショットピーニング処理後のばね線材の伸線傷の深さは、例えば、約２．０μｍ以下となる。なお、第１ショットピーニング処理は、例えば、径φ０．３ｍｍ、硬度３９０ＨＶ以上の投射材を用いることができ、また、その投射材の投射速度を６０〜９０ｍ／ｓとすることができると共に、その投射時間を５〜６０分とすることができる。
【００２４】
次に、伸線傷の深さが浅く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４００℃以上５４０℃以下（例えば、４５０℃）、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、３μｍ）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７００〜１２３０ＨＶ）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、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２０が製造される。
【００２７】
次に、ばね線材（質量％Ｃ：０．５８、Ｓｉ：１．９７、Ｍｎ：０．７６、Ｐ：０．０１０、Ｓ：０．００８、Ｃｒ：１．００、Ｖ：０．０８６、Ｎｉ：０．２２、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について、ミクロポケット１６の深さと疲労強度との関係を測定した結果について説明する。測定に用いたばね線材の径はφ３．４ｍｍとした。また、ばね線材の表面に形成されるミクロポケット１６の深さは、第１ショットピーニング処理に用いられる投射材の投射時間を変えることで、０．８μｍ〜４．６μｍの範囲で変化させた。すなわち、図６に示すように、ミクロポケットの深さは、投射材の投射時間によって変化し、投射時間が長くなるとミクロポケットの深さが小さくなる。このため、投射材の投射時間を変えることで、ミクロポケットの深さを０．８μｍ〜４．６μｍの範囲に調整した。なお、図６に示す例では、径φ０．３ｍｍ、硬度６５０〜７５０ＨＶの投射材を用いて第１ショットピーニング処理を行っている。第１ショットピーニング処理以外の各製造工程は、全て同一条件で実施した。上記のように製作した各ばねについて、平均応力τｍ＝６８６ＭＰａとして、応力振幅を６１５ＭＰａと６４５ＭＰａの２水準で疲労試験を行い、１０８回の疲労強度を測定した。
【００２８】
図５は、ミクロポケットの深さ（横軸）と、１０８回の疲労強度（縦軸）の関係を示している。図５から明らかなように、ミクロポケットの深さが２．０μｍ以下のばねでは、疲労強度が６５０ＭＰａ以上となる一方、ミクロポケットの深さが２．０μｍを超えるばねでは、疲労強度が約６００ＭＰａとなった。したがって、ミクロポケットの深さを２．０μｍ以下とすることで、疲労強度がドラスティックに変化することが確認された。なお、ミクロポケットの深さは、レーザー顕微鏡でばねの表面を撮影し、撮影された画像からミクロポケット（幅１０μｍ以内）の深さを測定した。そして、各ミクロポケットの深さのうち最も深いミクロポケットの深さを、そのばねのミクロポケットの深さとした。
【００２９】
上述した結果から明らかなように、本実施例のばねでは、ばね線材の表面に形成されるミクロポケット１６の深さが２．０μｍ以下とされる。このため、ばね線材の表面から応力集中の起点となる深いミクロポケットが除去され、ばねの疲労強度を格段に向上することができる。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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】
【００３３】
１０：ばね
１２：鋼材層
１４：化合物層
【図１】
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【図２】
2015145712.tif 000004
【図３】
2015145712.tif 000005
【図４】
2015145712.tif 000006
【図５】
2015145712.tif 000007
【図６】
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