(57)【要約】【課題】コイルばねの高強度化の要請に対応して、耐疲労特性が著しく高いコイルばね及び耐疲労特性が著しく高いコイルばねの安価な製造方法を提供する。【解決手段】ばね用高強度オイルテンパー線をコイリングして得たコイルばねの表面に窒化処理を施した後、平均粒径φ０．０３５〜０．２００ｍｍのアモルファス粒子を投射材としたショットピーニング処理を実施してコイルばねを製造する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％でC:０．５〜０．７％、Si：１．２〜２．５％、Mn：０．３〜１．０％、Cr：０．４〜２．０％、を含み、P：０．０２５％以下、S：０．０２５％以下に制限すると共に、必要に応じてMo：０．０５〜２．０％、V：０．０５〜０．３％の１種又は２種を含有し、残部鉄及び不可避的不純物を含むばね用線材を疵取加工、熱間圧延、皮むき、焼鈍しの各処理をした後、冷間伸線し、オイルテンパー処理後、コイリングし、ディスケール処理を行って得たコイルばねに、窒化処理を施した後、アモルファス粒子を投射材として用いてショットピーニング処理をすることを特徴とするコイルばねの製造方法。
【請求項２】
前記アモルファス粒子は、ビッカース硬さＨvが８００〜１１００、ヤング率が１００ＧＰa以下で、更に、その粒子の平均粒径がφ０．０３５〜０．２００ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のコイルばねの製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかに記載の製造方法により製造されたコイルばねであって、内部深さ２５μｍまでの最大圧縮残留応力が１４００ＭＰａ以上で、且つ、表面粗さＲzが５μｍ以下となることを特徴とするコイルばね。
【請求項４】
ばね用高強度オイルテンパー線材を使用し、疵取加工、熱間圧延、皮むき、焼鈍しの各処理をした後、冷間伸線し、オイルテンパー処理後、コイリングし、アモルファス粒子を投射材として用いてショットピーニング処理をすることを特徴とするコイルばねの製造方法。
【請求項５】
請求項２又は４のいずれかに記載の製造方法により製造されたコイルばねであって、内部深さ２５μｍまでの最大圧縮残留応力が６００ＭＰａ以上で且つ、表面粗さＲzが５μｍ以下となる特性を有することを特徴とするコイルばね。
【請求項６】
請求項１又は２のいずれかに記載の製造方法により製造されたコイルばねであって、表面粗さＲzを５μｍ以下とし、コイルばねを１３００ＭＰaの応力条件で圧縮した後、０．１ｍａｓｓ％硫酸、０．１ｍａｓｓ％二硫化炭素の濃度に調整された腐食液中に浸漬したときの２４時間後の折損率が３３．３％以下であることを特徴とするコイルばね。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コイルばねの製造方法及びコイルばねに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車用エンジンは燃費の向上、軽量化を目的として高回転化並びに高出力化が追及されている。これに対応するため、コイルばねの高疲労強度化への要求が高まっている。現在、コイルばねの表面強化法としては、化学的表面硬化法である窒化処理、即ち、鋼の表面から窒素を拡散侵入させ鋼の表面を硬くする処理方法と、物理的表面硬化法であるショットピーニング処理の併用が一般的である。特にショットピーニングはコイルばね表面付近に圧縮残留応力を与えることで疲労破壊起点の発生を防止している。
【０００３】
このようなコイルばねの高性能化に伴い、ショットピーニング処理工程においては、コイルばね表面に近い部分に極めて高い圧縮残留応力を付与する必要がある。従って一般的には、ばね材料の高硬度化及び窒化処理時の表面硬度の上昇に伴い、従来の投射材もより応力付与能の高い超硬等の高硬度なもの（特許文献1）やラウンドカットワイヤーが用いられることが一般的であった。
【特許文献１】特開平８−３２３６２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記のような従来の超硬等の高硬度投射材をショットピーニング処理に使用すると、コイルばねの表面粗さが粗くなり、表面の切り欠き効果による疲労亀裂が入りやすくなったり、表面が過度に塑性変形されることで最表面部の圧縮残留応力が低下して、目的とは逆に疲れ強さを下げてしまうことがあった。
また、一般材であるラウンドカットワイヤー（以下ＲＣＷと示す）は、硬鋼線材を伸線加工し、この伸線を切断した後、剛壁へ投射を行うことによりエッジに丸みを付与するという製法上の限界から０．２５ｍｍ以下の粒径で且つ高硬度の物を安価に製造することは難しく、課題のピーニング効果を達成可能なものは無かった。
本発明は上記の問題に鑑みて成されたもので、表面粗さを低く抑えることができると共に表面付近に高い圧縮残留応力を付与することができる、コイルばねの製造方法及びそのコイル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】
上記の目的を達成するために本発明におけるコイルばねの製造方法は、ばね用高強度オイルテンパー線材をコイリングして得たコイルばねの表面に窒化処理を施した後、アモルファス粒子を投射材として用いてショットピーニング処理をすることを特徴とする。
【０００６】
また本発明におけるコイルばねの製造方法は、前記アモルファス粒子のビッカース硬さＨvが８００〜１１００、ヤング率が１００ＧＰa以下であり、更にその粒子の平均粒径がφ０．０３５〜０．２００ｍｍのものを使用しショットピーニング処理したことを特徴とする。
【０００７】
また本発明におけるコイルばねは、上記の製造方法により製造されたコイルばねであって、内部深さ２５μｍまでの最大圧縮残留応力が１４００ＭＰａ以上で且つ、表面粗さＲzが５μｍ以下となる特性を有することを特徴する。
【０００８】
上記の目的を達成するために本発明におけるコイルばねの製造方法は、ばね用高強度オイルテンパー線材をコイリングした後、アモルファス粒子を投射材として用いてショットピーニング処理をすることを特徴とする。
【０００９】
また本発明におけるコイルばねは、上記の製造方法により製造されたコイルばねであって、内部深さ２５μｍまでの最大圧縮残留応力が６００ＭＰａ以上で且つ、表面粗さＲzが５μｍ以下となる特性を有することを特徴する。
【００１０】
さらに本発明におけるコイルばねは、表面粗さＲzを５μｍ以下とし、コイルばねを１３００ＭＰaの応力条件で圧縮した後、０．１ｍａｓｓ％硫酸、０．１ｍａｓｓ％二硫化炭素の濃度に調整された腐食液中に浸漬したときの２４時間後の折損率が３３．３％以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のアモルファス粒子を用いたショットピーニング処理により製造されたコイルばねは、高強度で疲労強度に優れ更に耐遅れ破壊性も良好である、しかも従来の超硬等を用いた製造方法と比較して極めて低コストである。
また、本発明の製造方法によれば、この高品質のコイルばねを容易に製造することが可能であり、近年、自動車用エンジンの燃費向上、軽量化を目的し、高回転化並びに高出力化に対する、コイルばねの市場ニーズに安価に対応する事が可能であり、工業的に利用価値が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明においては、質量％でC:０．５〜０．７％、Si：１．２〜２．５％、Mn：０．３〜１．０％、Cr：０．４〜２．０％、を含み、P：０．０２５％以下、S：０．０２５％以下に制限すると共に、必要に応じてMo：０．０５〜２．０％、V：０．０５〜０．３％の１種又は２種を含有し、残部鉄及び不可避的不純物を含むばね用線材を疵取加工、熱間圧延、皮むき、焼鈍しの各処理をした後、冷間伸線し、オイルテンパー処理後、コイリングし、ディスケール処理を行ってコイルばねを得る。そして得られたコイルばねにさらに窒化処理を施した後、アモルファス粒子を投射材として用いてショットピーニング処理をする。
【００１３】
アモルファス粒子を投射材として用いてショットピーニング処理をするとは、複数段のショットピーニング処理をする場合に、少なくとも1度はアモルファス粒子を投射材として用いることをいう。特に、２段ショットピーニング処理において、２段目にアモルファス粒子を投射材に用いると優れた効果が得られる。
以下に実施例により、一定の条件で成形したコイルばねについて各種のショットピーニングを施して、各々について圧縮残留応力及び表面粗さの測定を行った結果を説明する。
【実施例】
【００１４】
コイルばねの製造例：本製造例では、質量％でC:０．６４％、Si：２．０２％、Mn：０．３０％、Cr：０．８６％、P：０．０１０、S：０．００５％、V：０．１０％、引張り強さσB=２１２２MPａのばね用高強度オイルテンパー線を使用し、コイリング工程にあたる冷間コイリング成形を行うことにより線径がφ３．２ｍｍ、コイル中心径が２０．０ｍｍ、総巻数が６、有効巻数が４、自由長が４７ｍｍ、ばね定数が３２Ｎ／ｍｍのコイルばね素材を得た。
【００１５】
その後、４４０℃×１５分の低温焼戻しを行い、有害な残留応力を除去した。次に、両座面を研削し、自由長４７．０ｍｍのコイルばねとした。このとき、ばね定数３２Ｎ／ｍｍ であった。
【００１６】
その後、窒化工程にあたるガス窒化処理をアンモニア雰囲気４８０℃×４時間処理して、表面付近の窒化層０．０５０ｍｍの深さで、ビッカース硬さＨvが６００〜８５０となった。
【００１７】
次に、本発明でいうショットピーニング処理を行う。ショットピーニングは、１段目ショットピーニング処理として、後述する粒径φ０．６ｍｍ径を用いて行った。
【００１８】
また１段目ショットピーニング処理はインペラ−式のショットピーニング機（新東工業製）を用いて、投射速度７０ｍ/ｓｅｃ×投射時間４００ｓｅｃ間のショットピ−ニング処理を行った。このときのアークハイトは、０.４５ｍｍＡ以上、カバレージ９９％以上であった。
【００１９】
また前記ショット玉は、硬鋼線材を伸線加工して、この伸線を切断した後、剛壁へ投射を行うことによりエッジに丸みを付与したものであり、粒径φ０．６ｍｍは、平均ビッカース硬さＨｖ５６０を用いた。
【００２０】
次に２段目のショットピーニングの処理条件を示す。２段目に用いる投射材は、製品最表面に適切な残留応力を付与するために、１段目より小サイズで且つ高硬度の投射材を用いる。従って、今回鉄系材料を用いた硬さがＨvで８００以上のアモルファス粒子を採用した。
【００２１】
アモルファス粒子は、同一硬さの結晶系投射材に比較して、ヤング率が低いことが特徴である。サンプルＡは、ビッカース硬さＨvが９３０、ヤング率が８３ＧＰa、粒径が０．１ｍｍのアモルファス粒子を投射材として使用した。サンプルＢは、ビッカース硬さＨvが１４００、ヤング率が２１０ＧＰa、粒径が０．1ｍｍの超硬ショットを投射材として使用した。サンプルＣは、ビッカース硬さＨvが８００、ヤング率が２１０ＧＰa、粒径が０．２５ｍｍのＲＣＷを投射材として使用した。サンプルＤは、ビッカース硬さＨvが９３０、ヤング率が８３ＧＰa、粒径が０．０３ｍｍのアモルファス粒子を投射材として使用した。
【００２２】
また、２段目のショットピーニングの処理条件は、エアー式のショットピーニング機（新東工業製）により投射圧力０．２ＭＰａ×投射時間４２０ｓｅｃ間の投射を行った。このときのアークハイトは、サンプルＡが０．２５ｍｍＮ、サンプルＢが０．３１ｍｍＮ、サンプルＣが０．２４ｍｍＮ、サンプルＤが０．１７ｍｍＮであった。サンプルＡ、サンプルＢ、サンプルＣ、サンプルＤいずれのサンプルもカバレージ９９％以上であった。
【００２３】
次に、電気炉により２段目処理したコイルばねを加熱し、２００℃×１５分間の低温焼なましを実施して有害な残留応力の除去処理をおこなった。
【００２４】
次にサンプルＡ〜Ｃの各々について圧縮残留応力を測定した。測定方法は非破壊的方法として一般的なＸ線残留応力測定法を用いた。その結果を図１のグラフに示す。
【００２５】
図1のグラフから、ＲＣＷ（サンプルＣ）以外の超硬ショット（サンプルＢ）並びにアモルファス粒子（サンプルＡ）を投射材として用いた場合には、表面付近の圧縮残留応力が高く且つ、深さも十分な圧縮残留応力分布が得られることが判る。更に超硬ショット（サンプルＢ）並びにアモルファス粒子（サンプルＡ）は、ワークの表面に極めて近い位置に圧縮残留応力のピークがあり深さも十分で、コイルばねの疲れ強さ向上に有効であることが確認できる。
【００２６】
しかし、アモルファス粒子であっても粒子サイズ０．０３ｍｍであるサンプルＤは、ワーク表面に最大圧縮応力が得られるものの、表面から５０μｍに至るまでの分布が十分でなかった。このためコイルばねの疲れ強さ向上に特別な効果は得られなかった。
【００２７】
また、アモルファス粒子は、溶解された金属を極めて高い冷却速度で急冷凝固させる必要のある製造方法上の限界から０．２００ｍｍ以上の粒子を安価に得ることは困難であり、ショットピーニング用の投射材として使用することは経済的に有効でない。
【００２８】
次に、実施例のコイルばね（サンプルＡ）と比較例のコイルばね（サンプルＢ、サンプルＣ、サンプルＤ）との表面粗さを測定した結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
2004346424.tif 000002
【００３０】
表１から、アモルファス粒子（サンプルＡ）を投射材として用いた場合には、表面粗さがＲｚで５.０μｍ以下となり極めて平滑な表面が創生されることが判る。それに比し、ＲＣＷ（サンプルＣ）並びに超硬ショット（サンプルＢ）はＲｚで５.０μｍ以上の表面粗さであり平滑に仕上げることが困難である事がわかる。
【００３１】
次に、図２にアモルファス粒子、図３に超硬ショットの投射材表面ＳＥＭ写真を示す。図２、３の投射材表面のＳＥＭ観察から超硬ショットの表面（図３）は鋭角な凹凸であるがアモルファス粒子の表面（図２）は極めて滑らかであることが確認できる。
【００３２】
次に、図４にサンプルＡ、図５にサンプルＢの弁ばねの表面ＳＥＭ写真を示す。図４、５の観察からアモルファス粒子でピーニング処理した弁ばね（サンプルＡ）の表面（図４）は、超硬ショット（サンプルＢ）の表面（図５）と比較して極めて平滑な表面を創生できたことを確認できた。
【００３３】
このことより、アモルファス粒子は弁ばねの疲労寿命の観点から有害である鋭角な凹凸を付与することなくピーニング処理することが可能であることが明らかである。
【００３４】
また、窒化により表面が硬化している４種類のばねの中で、表面が平滑なばね（サンプルＡ）は他のばねに比べ、耐衝撃性や耐遅れ破壊性の向上が期待できる。
【００３５】
上記表１から、アモルファス粒子を投射材として用いたサンプルＡは、超硬ショット（サンプルＢ）やＲＣＷ（サンプルＣ）と比較して平滑なピーニング処理表面を創生した。且つ、図１に示されるように超硬ショット（サンプルＢ）と同等の圧縮残留応力が得られている。したがって、アモルファス粒子をピ−ニング処理用の投射材として使用した場合（サンプルＡ）、平滑な処理表面と高い圧縮応力が得られた結果として、疲労寿命が長いコイルばねを得ることが可能となる。
【００３６】
表２に、実施例のコイルばね（サンプルＡ）と比較例のコイルばね（サンプルＢ、サンプルＤ）との疲労強度の試験結果を示す。
【００３７】
【表２】
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【００３８】
疲労強度は、各サンプルの１×１０７回での値を表した。疲労強度はサンプルＡとサンプルＢが同等で、サンプルＤは明らかにサンプルＡとサンプルＢに比べ低い疲労強度となった。サンプルＡとサンプルＢは表面近傍の圧縮残留応力が高い為に疲労寿命が長くなったと考える。
【００３９】
上記表１から、アモルファス粒子を投射材として用いたサンプルＡは、超硬ショット（サンプルＢ）やＲＣＷ（サンプルＣ）と比較して平滑なピーニング処理表面を創生した。且つ、図１に示されるように超硬ショット（サンプルＢ）と同等の圧縮残留応力が得られている。
したがって、アモルファス粒子をピーニング処理用の投射材として使用した場合（サンプルＡ）、平滑な処理表面と高い圧縮残留応力が得られた結果として、耐遅れ破壊性の優れたコイルばねを得ることが可能となる。
【００４０】
表３に、実施例のコイルばね（サンプルＡ）と比較例のコイルばね（サンプルＢ）との耐遅れ破壊性の試験結果を示す。
【００４１】
【表３】
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※記号「×」は折損、「○」は未折損を示す。
【００４２】
耐遅れ破壊性の試験は、各サンプルを１３００ＭＰaの応力条件で圧縮した後、０．１ｍａｓｓ％硫酸、０．１ｍａｓｓ％二硫化炭素の濃度に調整された腐食液中に浸漬させてコイルばねが折損するまでの時間で評価した。そのときの腐食液の温度は１０〜１５℃であり試験数はＮ＝６で実施した。
【００４３】
サンプルＡが、２４時間経過時に４ケのコイルばねが未折損であるのに対し、サンプルＢは１ケのコイルばね以外は折損しておりサンプルＡは明らかに耐遅れ破壊性能に優れている事がわかる。
【００４４】
一般に局部腐食成長のメカニズムは材料のミクロな凹が、金属の溶出を促進して腐食電流密度が大きくなり、結果として局部的に腐食が速い速度で進行して孔食となるといわれている。サンプルＡはサンプルＢと比較して、圧縮残留応力は同等であるが、表１に示したように表面粗さＲzが５μｍ以下と平滑である特徴があり、その結果として腐食されにくく孔食の進行が遅い為に耐遅れ破壊性が優れた結果となったと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施例のコイルばね（サンプルＡ）と比較例のコイルばね（サンプルＢ、サンプルＣ、サンプルＤ）との残留応力測定結果を示すグラフである。
【図２】アモルファス粒子の投射材表面ＳＥＭ写真である。
【図３】超硬ショットの投射材表面ＳＥＭ写真である。
【図４】サンプルＡのコイルばねの表面ＳＥＭ写真である。
【図５】サンプルＢのコイルばねの表面ＳＥＭ写真である。
【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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