(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱した中空状のばね鋼素材を材料清浄度及び表面性状を高めるために液圧により押し出し加工したシームレスばね鋼管を用いてコイル状又は棒状又は曲げ部を有する棒状に形成した中空体に、圧縮残留応力を付与する表面処理を施した
ことを特徴とする中空ばね。
【請求項２】
請求項１記載の中空ばねであって、
前記ばね鋼素材の加熱は、前記押し出し加工により肌荒れを生じない１０５０℃以上１３００℃未満である
ことを特徴とする中空ばね。
【請求項３】
請求項１又は２記載の中空ばねであって、
前記液圧は、静水圧である
ことを特徴とする中空ばね。
【請求項４】
請求項３記載の中空ばねであって、
前記押し出し加工時に、油脂系に黒鉛を加えた潤滑剤を用いた
ことを特徴とする中空ばね。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載の中空ばねであって、
前記コイル状又は棒状又は曲げ部を有する棒状の中空体の断面の肉厚ｔ及び外径Ｄの比をｔ／Ｄ＝０．１０〜０．３５に設定した
ことを特徴とする中空ばね。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに記載の中空ばねであって、
硬さがＨＶ＝５００以上である
ことを特徴とする中空ばね。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかに記載の中空ばねであって、
前記シームレスばね鋼管の少なくとも外表面を研削した
ことを特徴とする中空ばね。
【請求項８】
請求項１〜７の何れかに記載の中空ばねであって、
前記表面処理は、前記中空体の外表面及び内表面に施した
ことを特徴とする中空ばね。
【請求項９】
請求項１〜８の何れかに記載の中空ばねであって、
前記コイル状の中空体の断面外形及び断面内形又は棒状の中空体の曲げ部における断面外形及び断面内形の相対位置は、円形同心である
ことを特徴とする中空ばね。
【請求項１０】
請求項１〜８の何れかに記載の中空ばねであって、
前記コイル状の中空体の断面外形及び断面内形又は棒状の中空体の曲げ部における断面外形及び断面内形の相対位置は、偏心している
ことを特徴とする中空ばね。
【請求項１１】
請求項１〜８の何れかに記載の中空ばねであって、
前記中空体の少なくとも断面外形が、非円形形状である
ことを特徴とする中空ばね。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れかに記載の中空ばねであって、
前記シームレスばね鋼管の内周面又は外周面の少なくとも一方に形成された連続疵の深さが、前記内周面又は外周面から５０μｍ以下である
ことを特徴とする中空ばね。
【請求項１３】
請求項１〜１１の何れかに記載の中空ばねであって、
前記シームレスばね鋼管は、金属組織中に非金属介在物を含有し、
管軸と直交方向における前記非金属介在物の最大厚さが５０μｍ以下である
ことを特徴とする中空ばね。
【請求項１４】
請求項１〜１３の何れかに記載の中空ばねであって、
前記シームレスばね鋼管の内周面又は外周面の少なくとも一方の表面粗度が、平均粗さＲａ＝１２．５μｍ以下である
ことを特徴とする中空ばね。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空体の中空コイルばねや中空棒状ばねである中空ばねに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の軽量化の波に乗ってパネル材のアルミ化、シャーシ及び主要ボディのハイテン化等が進んでいる。そして、この軽量化のニーズについては、自動車の排ガス等による地球温暖化が国際的に大きく取り上げられ、排ガスに含まれるＣＯ２の削減が大きな課題として注目されている中で、更に高まっている。
自動車において、ＣＯ２の削減方法として講じられる手段としては、新動力源の開発（ハイブリッドエンジン、燃料電池モータ方式、バッテリモータ方式）又は現行の改良に分けられる。この現行の改良の中で大きく取り上げられている手段は、「燃焼方法の改善」、「軽量化による動力源の省力化」などが上げられる。特に、欧州圏では２０１０年に燃料規制が導入されるため、自動車メーカ各社は、凌ぎを削って即効性のある自動車全体の軽量化に努めている。
このような要求に応える為に、近年では自動車に使用するスプリングの軽量化も行われ、例えば、中空コイルばねに関して提案がなされている。
しかし、使用されるばね素管は、比較的低炭素（０．４５％以下のレベル）かつ低合金鋼しか実用化されておらず、しかも材料清浄度及び表面性状が低いものであった。このため、材料強度が低く、高応力ではばねのへたり（永久変形）、破損が発生するため設計応力を低くせざるを得ず、軽量化効果が低かった。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２３０２２１号公報
【特許文献２】特開平７−１２１６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
解決しようとする問題点は、材料強度が低く、高応力ではばねのへたり（永久変形）、破損が発生するため設計応力を低くせざるを得ず、軽量化効果が低かった点である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、中空ばねの軽量化効果と耐疲労強度アップとの両立を図るため、加熱したばね鋼素材を材料清浄度及び表面性状を高めるために液圧により押し出し加工したシームレスばね鋼管を用いてコイル状又は棒状又は曲げ部を有する棒状に形成した中空体に、圧縮残留応力を付与する表面処理を施したことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の中空ばねは、加熱したばね鋼素材を材料清浄度及び表面性状を高めるために液圧により押し出し加工したシームレスばね鋼管を用いてコイル状又は棒状又は曲げ部を有する棒状に形成した中空体に、圧縮残留応力を付与する表面処理を施したため、中空ばねの材料強度が高く、高応力でも中空ばねのへたり（永久変形）、折損が抑制されるため設計応力を高くすることができ、軽量化効果と耐疲労強度アップとの両立を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
軽量化効果と耐疲労強度アップとの両立を図るという目的を、材料清浄度及び表面性状を高めたシームレスばね鋼管を用いて実現した。
【実施例１】
【０００８】
［中空コイルばね］
図１は、本発明の実施例１に係る中空ばねとして、中空コイルばねの断面図である。中空コイルばね１は、自動車用の懸架ばね又は弁ばね等として用いるものであり、加熱したばね鋼素材を液圧により押し出し加工して材料清浄度及び表面性状を高めたシームレスばね鋼管を用いてコイル状の中空体に形成するとともに圧縮残留応力を付与する表面処理を施した。
【０００９】
前記中空コイルばね１を構成する中空体の断面の肉厚ｔ及び外径Ｄの比を、ｔ／Ｄ＝０．１０〜０．３５好ましくは０．２０〜０．３０に設定した。図２は、ｔ／Ｄと軽量化率などとの関係を示した図表、図３は、ｔ／Ｄと軽量化率及び穴部応力の関係を示すグラフ、図４は、ｔ／Ｄと密着高さ増加率及び穴部応力の関係を示すグラフである。
【００１０】
図２〜図４のように、ｔ／Ｄを小さくして軽量化率を上げると、穴部３の内径側応力も相対的に高くなり（図３）、外径Ｄの増大により、密着高さも高くなる（図４）。従って、密着高さを抑えつつ軽量化率を上げることが重要である。
【００１１】
ここで、中空コイルばね１の穴部３の内表面に圧縮残留応力を与えたとき、疲労強度は、９７０ＭＰａ、同与えないとき、６００ＭＰａである。従って、中空コイルばね１の穴部３の内表面に圧縮残留応力を与えないときは、図２のように、強度的にｔ／Ｄ＝０．２５の設定が限界となり、この限界値で最も軽量となる。中空コイルばね１の穴部３の内表面に圧縮残留応力を与えるとｔ／Ｄ＝０．１０の設定も可能であり、ｔ／Ｄ＝０．２５の設定よりもさらに軽量となる。ｔ／Ｄ＝０．３５の設定はｔ／Ｄ＝０．２５の設定よりも重くなるが、従来のものに比較すると軽量化を図ることができ、許容される範囲である。
【００１２】
これらを総合的に判断し、軽量化率の変化に変曲点が見られる点を特定し、ｔ／Ｄ＝０．１０〜０．３５の範囲を決定した。
【００１３】
前記中空コイルばね１は、硬さがＨＶ＝５００以上となっており、図１のように断面外形５（外周円）及び断面内形６（穴部３の内周円）の形状及び相対位置が、ほぼ円形同心となっている。中空コイルばね１の断面外形５及び断面内形６の相対位置は、前記中空コイルばね１を構成する中空体のコイル径と材料硬度の設定とにより確保した。
【００１４】
［中空コイルばねの製造工程］
図５は、前記中空コイルばね１の製造工程を示すブロック図である。図５のように、中空コイルばね１は、熱間静水圧押し出し工程７，皮削り工程９，圧延工程１１，コイル成形工程１３，熱処理工程１５，端面研削工程１７，ショット・ピーニング工程１９，セッチング工程２１，塗装工程２３を順次経て形成される。
【００１５】
前記熱間静水圧押し出し工程７では、加熱したばね鋼素材を液圧、例えば静水圧により押し出し加工して材料清浄度及び表面性状を高めたシームレスばね鋼管を形成する。なお、熱間静水圧押し出し工程７のより詳細な説明は後述するが、ばね鋼素材の加熱は、１０５０℃以上１３００℃未満であり、押し出し加工時に油脂系に黒鉛を加えた潤滑剤を用いると押し出し抵抗を減らし、シームレスばね鋼管を円滑に押し出し成形することができる。従って、非金属介在物が少なく肌荒れのないシームレスばね鋼管を得ることができる。
【００１６】
前記皮削り工程９では、シームレスばね鋼管の少なくとも外表面を研削して表面の脱炭、微小な疵を削り取り、表面性状をより高める。この皮削り工程９では、外表面及び内表面双方を研削することもできる。
【００１７】
前記圧延工程１１では、皮削り後のシームレスばね鋼管を圧延により伸ばす。この圧延工程１１により次工程のコイル成形工程１３での加工量を減らすことができる。
【００１８】
前記コイル成形工程１３では、圧延後のシームレスばね鋼管をコイル状の中空体に成形する。
【００１９】
前記熱処理工程１５では、焼き入れ、焼き戻し熱処理によりコイル状の中空体にばねとしての弾性を付与する。この工程で、焼き入れ、焼き戻し熱処理後に窒化処理による表面処理を行い、穴部３の内表面に１００ＭＰａ程度の圧縮残留応力を付与することもできる。従って、本実施例では、後工程のショット・ピーニング工程１９と併せて圧縮残留応力を付与する表面処理を中空コイルばね１の外表面及び穴部３の内表面に施した構成となっている。但し、内表面の圧縮残留応力付与は省略することもできる。
また、熱処理工程１５では、浸炭焼き入れ・焼き戻し熱処理により穴部３の内表面に２００ＭＰａ以下の圧縮残留応力を付与することもできる。或いは、焼き入れ、焼き戻し熱処理後に穴部３の内表面に後述する内面ショットを施し圧縮残留応力を付与することもできる。
さらには、シームレスばね鋼管をオイルテンパー処理してから前記コイル成形工程１３によりコイル状の中空体に成形し、ひずみ取りの熱処理後に、前記焼き入れ、焼き戻し熱処理＋窒化処理、又は浸炭焼き入れ・焼き戻し熱処理、又は焼き入れ、焼き戻し熱処理＋内面ショットを施し、穴部３の内表面に圧縮残留応力を付与することもがきる。
前記端面研削工程１７では、コイル状の中空体の端面を研削して端面処理を行う。
前記ショット・ピ−ニング工程１９では、硬質の微小粒を衝突させ、コイル状の中空対の外表面に圧縮残留応力を付与する表面処理を行う。
前記セッチング工程２１では、コイル状の中空体を圧縮した後解放し、ばねとしてのへたりを防止する。
前記塗装工程２３では、必要に応じて塗装を行い、中空コイルばね１として完成する。
［熱間静水圧押し出し工程］
図６は、前記熱間静水圧押し出し工程の工程図、図７は、熱間静水圧押し出し加工装置の断面図である。
【００２０】
本実施例に係るシームレスばね鋼管は、図６に示す各工程を含む製造工程により製造することができる。例えば、図６の工程（Ａ）は、ビレット成形工程、図６の工程（Ｂ）は、第１の加熱工程、図６の工程（Ｃ）は、熱間静水圧押出し工程、図６の工程（Ｄ）は、第２の加熱工程、図６の工程（Ｅ）は、研削工程、図６の工程（Ｆ）（Ｇ）は、伸展工程、図６の工程（Ｈ）は、第３の加熱工程、図６の工程（Ｉ）は、酸洗工程、図６の工程（Ｊ）は、研削工程である。
【００２１】
なお、本実施例では、図６に示すように、（Ｉ）の酸洗工程後に（Ｊ）の曲がり矯正工程を含み、（Ｄ）の第２の加熱工程後に（Ｅ）の研削工程を含むが、これらを省略することも可能である。
【００２２】
ビレット成形工程（Ａ）では、ばね鋼素材２５を、中空状、例えば円筒状のビレット２７（中空ビレット）に成形する。かかる成形は、鍛造等により行うことができる。
【００２３】
第１の加熱工程（Ｂ）では、このビレット２７を加熱炉に入れて１０５０℃以上１３００℃未満で加熱処理を行い、軟化させる。加熱炉は、電気炉、ガス炉などを使用することができる。
【００２４】
このときの加熱時間は、ビレット２７が十分に軟化できれば、特に限定されるものではない。また、この加熱時間はビレット２７の大きさなどを考慮して適宜変更することができる。
【００２５】
このように、熱間静水圧押出温度を特定の範囲に規定することによって、非金属介在物の最大大きさ、および単位面積当たりの個数を適切に制御することができ、優れた耐久性を有するシームレス鋼管を製造することができる。
【００２６】
熱間静水圧押出し工程（Ｃ）では、１０５０℃以上１３００℃未満に加熱したビレット２７を、液圧により押し出し加工を行わせるため、熱間静水圧押出し装置２９を用いて熱間静水圧押出し加工することでシームレス鋼管中間体４１を製造する。
【００２７】
なお、熱間静水圧押出し工程（Ｃ）における、ビレット２７の押出し温度は、第１の加熱工程（Ｂ）の加熱温度、すなわち、１０５０℃以上１３００℃未満とするのがよい。ばねの耐久性に影響を及ぼす鋼中介在物の個数・サイズの観点からは、押出し温度は１１００℃以上１２８０℃未満の間が最も好適であるが、治工具類の損疵を考慮すると、低温側で行われる方が治工具の損疵を軽減できるメリットが得られる。したがって、押出し温度の推奨範囲は下限範囲をやや下げて、１０５０℃以上１２００℃未満で設定すべきであるが、より品質を重視するのであれば１１００℃以上１２００℃未満で設定するのがよい。
【００２８】
また、金属組織中の非金属介在物の単位面積当たりの個数・サイズ（最大厚さ）の観点から押出し温度が設定される理由は以下の通りである。押出し温度が上昇すると非金属介在物が軟化し、押出しによって変形・分断されて微細化が進む。しかしながら、結晶化とそれに伴う結晶成長も同時に進行するために、押出し温度が高すぎると結晶化により非金属介在物の粗大化が懸念される。一方、非金属介在物の軟化温度は、ばね鋼素材の場合には１１００℃以上１２８０℃未満であり、軟化温度以上の押出し温度を設定することが推奨される。また、金属組織の変形による非金属介在物の変形・分断効果は、非金属介在物と金属組織の相対的な強度差に依存する。そのため、押出し温度が高すぎて軟化した非金属介在物以上に金属組織の強度が低下してしまうと結晶化の進行と同時に微細化効果が損なわれる。したがって、押出し温度は非金属介在物の軟化温度以上であって、かつ、できるだけ低い温度とするのが好ましい。
【００２９】
一方、熱間静水圧押出しの際の金型寿命は、押出し温度が高いほど短くなるために、トータルコストを勘案した場合には、より低い押出し温度とするのがよい。そこで、押出し温度を５０℃低く設定し、１０５０℃を押出し温度の下限とする。これよりも低い押出し温度では非金属介在物の悪影響を無視できなくなるほか、押圧力も大きくなり過ぎるために、品質が悪くなったり、設備に対する負担が増したりするなどの問題があり、不適である。
【００３０】
また、熱間静水圧押出し加工の特長は、前記した特定の温度範囲で熱間静水圧押出し加工を行った場合に、ばね鋼素材と熱間静水圧押出し装置２９の工具との摩擦が、通常の押出装置に比較して小さいため、シームレス鋼管中間体４１の表面状態を平滑にすることができる点にある。その結果、例えば、シームレス鋼管中間体４１の表面は美麗であり、平均粗さＲａを５０μｍ以下とすることが可能であるほか、表面の結晶粒も小さくなる傾向がある。したがって、これによって製造されたシームレスばね鋼管４７を、例えば、コイルばねという製品に加工して使用される場合、中空ばねの最表面で応力が最大となるために、微細な結晶粒を有することや表面粗度が小さく表面欠陥（疵、皺など）が少ないことは、ばねの長寿命化に繋がる。
【００３１】
第２の加熱工程（Ｄ）では、シームレス鋼管中間体４１を加熱炉で加熱する。このときの加熱温度は、６５０〜７５０℃とするのがよい。なお、加熱時間は、当該シームレス鋼管全体が加熱されればよく、特に限定されるものではないが、例えば、０．１〜１．０時間とするとよい。加熱温度が６５０℃未満であったり、加熱時間が０．１時間未満であったりすると、シームレス鋼管中間体４１の加熱が十分ではないために、次工程の研削や伸展をスムーズに行うことができない。一方、加熱温度が７５０℃を超えると、焼入れ温度に達し、好ましくない。また、加熱時間が１時間を超えても加熱の効果が飽和し、経済的に好ましくない。
【００３２】
研削工程（Ｅ）では、加熱したシームレス鋼管中間体４１の内周面に形成された脱炭層を除去するための研削加工を行う。なお、研削寸法は、使用するばね鋼素材の種類や第１の加熱工程および第２の加熱工程によって異なってくるので、予め実験等を行い、適宜条件を設定するのが好ましい。
【００３３】
本実施例のシームレスばね鋼管の製造方法では、前記第２の加熱工程（Ｄ）後に、加熱した前記シームレス鋼管中間体４１中間体の内周面を研削加工する研削工程（Ｅ）をさらに含んでいる。
【００３４】
このように、第２の加熱工程（Ｄ）加熱処理によって生成された脱炭層を研削することで焼き入れしない部分をなくし、表面硬さを均一化させることで耐久性に優れ、かつ信頼性の高いシームレス鋼管中間体４１を製造することができる。
【００３５】
伸展工程では、加熱されたシームレス鋼管中間体４１を伸展させる。シームレス鋼管中間体４１の伸展は、ピルガーミル圧延（Ｆ）および引き抜き加工（Ｇ）のうち少なくとも１つにより行うことができる。
【００３６】
例えば、引き抜き加工（Ｇ）で適度の圧延を行った後に、ピルガーミル圧延（Ｆ）でダイスを用いる抽伸（引抜き）を行ってもよい。
【００３７】
ピルガーミル圧延（Ｆ）は、シームレス鋼管中間体４１を両側から押しつけて偏平にする加工であるが、これによってシームレス鋼管中間体４１が伸びるので、次工程での抽伸加工を減らすことができる。ここで、ピルガーミル圧延（Ｆ）は、シームレス鋼管中間体４１に対して単に２方向から偏平に押圧して圧延するのではなく、例えば、均等に３方向、４方向またはそれ以上の方向から押圧して圧延することによって、より真円度を高めてシームレス鋼管中間体４１を伸展することが可能であり、引き抜き加工（Ｇ）をさらに積極的に省力化することができる。
【００３８】
なお、このピルガーミル圧延（Ｆ）を、例えば、過剰に行うと、抽伸した場合にシームレス鋼管中間体４１の円周方向に肉厚のバラツキを生じるので、省略することも可能である。なお、引き抜き加工（Ｇ）を繰り返して行う場合には、ピルガーミル圧延（Ｆ）の圧延加工で代用することも可能である。しかし、この場合であっても、最終的には引き抜き加工（Ｇ）による抽伸加工を行い、減面加工されたシームレス鋼管中間体４１の真円度を確保するようにするのが好ましい。
【００３９】
次に、伸展（抽伸）したシームレス鋼管中間体４１は加工硬化してしまうので、第３の加熱工程（Ｈ）で、シームレス鋼管中間体４１を６５０〜７５０℃に加熱することで焼鈍する。第３の加熱処理温度が６５０℃未満であると、焼鈍が不十分であり、好ましくない。一方、第３の加熱処理温度が７５０℃を超えると、最早焼鈍の効果が飽和するので経済的に好ましくない。
【００４０】
そして、酸洗工程（Ｉ）では、焼鈍したシームレス鋼管中間体４１を酸洗して、シームレス鋼管中間体４１に付着している油脂（圧力媒体４４）やスケールなどを除去する。
【００４１】
引き抜き加工（Ｇ）は、１回当たり２５％以下の縮径処理しか行うことができないので、前記した引き抜き加工（Ｇ）、第３の加熱工程（Ｈ）、酸洗工程（Ｉ）を所定回数繰り返すことで、所望の直径のシームレスばね鋼管４７を製造するのが好ましい。
【００４２】
なお、最後に、曲がり矯正工程（Ｊ）で曲がり矯正を行い、製品としての中空ばね用シームレス鋼管中間体４１を製造するのがより好ましい。
【００４３】
また、本実施例の中空ばね用シームレス鋼管の製造方法では、前記第２の加熱工程（Ｄ）に替えて、加熱されたシームレス鋼管中間体４１を徐冷する徐冷工程（不図示）としてもよい。
【００４４】
通常、熱間静水圧押出しが行われ、縮径されたシームレス鋼管中間体４１は、大気に曝されるため、前記した１０５０〜１３００℃の温度から急速に冷却される。そのため、当該シームレス鋼管中間体４１は、焼き入れが行われた状態となるため、硬度が非常に高くなる。このような状態であると、その後に行われる諸工程、例えば、研削工程（Ｅ）や伸展工程（ピルガーミル圧延（Ｆ）、引き抜き加工（Ｇ））などを行うことができない。
【００４５】
したがって、第１の加熱工程（Ｃ）で加熱してその金属組織の状態を一旦オーステナイト組織にした後、当該シームレス鋼管中間体４１を当該徐冷工程（不図示）で徐冷することによって焼きなましを行うものである。
【００４６】
これにより、残留応力の除去、シームレス鋼管中間体４１の軟化、切削性の向上、冷間加工性の改善を図ることができるので、例えば、第２の加熱工程を実施しないでも伸展工程（引き抜き加工（Ｇ）、ピルガーミル圧延（Ｆ））を行うことができる。つまり、製造の工程数を簡素化できる点でメリットがある。
【００４７】
徐冷は、熱間静水圧押出しを行ったシームレス鋼管中間体４１が急冷しないよう、温度管理・徐冷速度管理のできる保温装置を用いることによって行うことができる。
【００４８】
このときの徐冷速度は、０．１〜０．３℃／秒とするのがよい。０．３℃／秒よりも徐冷速度が速いと、徐冷による焼きなまし効果が得られない。一方、０．１℃／秒よりも徐冷速度が遅いと、伸展工程に進むまでの時間が長くなり、生産効率が悪くなる。
【００４９】
本実施例のシームレスばね鋼管４７の製造方法では、前記第２の加熱工程（Ｄ）に替えて、熱間静水圧押出し加工された前記シームレス鋼管中間体４１を徐冷する徐冷工程としてもよい。
【００５０】
このように、第２の加熱工程（Ｄ）に替えて、熱間静水圧押出し加工されたシームレス鋼管中間体４１を徐冷することによっても、その金属組織中の炭化物を球状化する処理を行うことができるので、前記したような優れた耐久性だけでなく、さらに、冷間加工性、研削性（被削性）、靭性などを向上させたシームレスばね鋼管４７を製造することができる。
【００５１】
このように、本実施例のシームレスばね鋼管４７は、熱間静水圧押し出し加工によって製造されたことにより、平滑な外周面および内周面を有するために、継続して伸縮動作を行った場合であっても破壊等の起点となりやすい箇所がない結果、疲労寿命などの耐久性に優れる。
【００５２】
また、本実施例のシームレスばね鋼管４７は、同径の中実の鋼管と比較して、概ね３０〜４０％の軽量化を図ることができる。
【００５３】
本実施例のシームレスばね鋼管４７の製造方法によれば、穿孔等を行わず、熱間静水圧押出し加工によって容易にシームレスばね鋼管４７を製造するので、工程数を減らすことができる。その結果、生産効率を高めることができるとともに、安価にこれを製造することが可能となる。
【００５４】
また、本実施例のシームレスばね鋼管４７の製造方法は、熱間静水圧押出し加工を行うので、外周面および内周面が平滑であり、高品質なシームレス鋼管を製造することができる。
【００５５】
さらに、本実施例のシームレスばね鋼管４７の製造方法は、マンネスマン穿孔やマンドレルミル圧延等を行わないので、容易にシームレスばね鋼管４７を製造することができる。
【００５６】
図７は、前記熱間静水圧押出し工程（Ｃ）で用いる熱間静水圧押出し装置２９の断面図である。
【００５７】
本実施例に用いるシームレスばね鋼管４７は、例えば中空円筒状のばね鋼素材のビレット２７を熱間静水圧押出し加工したシームレス鋼管中間体４１を基にして製造した。
【００５８】
前記シームレスばね鋼管４７は、熱間静水圧押出し加工することによって、熱間加工の段階から非常に平滑な表面（外周面および内周面）を具備することができる。
【００５９】
この熱間静水圧押出し加工では、熱間静水圧押出し装置２９によりシームレス鋼管中間体４１を押出し加工する際に粘塑性の圧力媒体４４を使用するので、例えば、１ＧＰａ（１万気圧）前後の大きな圧力をかけても熱間静水圧押出し装置２９とシームレス鋼管中間体４１との間の摩擦を大幅に軽減することが可能であり、連続疵や肌荒れがなく、表面性状に優れたシームレスばね鋼管４７を製造することができる。
【００６０】
なお、ここで用いられる圧力媒体４４としては、油脂系に黒鉛を加えた潤滑剤を用いるのが好適である。
【００６１】
当該シームレスばね鋼管４７の内周面および外周面に形成された連続疵の深さが表面から５０μｍ以下としている。
【００６２】
なお、連続疵とは、シームレスばね鋼管４７の製造時に、熱間静水圧押出し装置の一部と接触するなどして、当該シームレスばね鋼管４７の一端側から他端側に管軸方向へ向かって、その外周面や内周面に長く連続して形成される摺動疵をいう。
【００６３】
ここで、例えばコイルばねを継続して伸縮動作させて折損等が生じる場合、通常、コイルばね表面にある連続疵などの表面異常や、非金属介在物などから破壊や亀裂が生じることが原因となることが多い。
【００６４】
したがって、本実施例では、かかる連続疵の深さを外周面および内周面の各面から５０μｍ以下、好ましくは４５μｍ以下、より好ましくは４０μｍ以下、さらに好ましくは３５μｍ以下とすることにより、破壊等の起点となりやすい箇所をほとんどなくすことができる。
このように、押出し時にシームレスばね鋼管４７の外周面および内周面に形成される連続疵の深さを、鋼管の表面（内周面および外周面）から５０μｍ以下というように、非常に小さくしているので、継続して伸縮動作させた場合であっても破壊等の起点となりやすい箇所がほとんどないシームレス鋼管を具現することができる。
【００６５】
一方、連続疵の深さが、外周面および内周面の表面から５０μｍを超えると、継続して伸縮動作させた場合に、当該連続疵から破壊や亀裂が発生することがあるので好ましくない。
【００６６】
また、熱間静水圧押出し装置２９を用いると、シームレスばね鋼管４７の外周面および内周面の表面粗度について、その平均粗さＲａ＝１２．５μｍ以下というように、低くすることが可能である。
【００６７】
この平均粗さＲａが１２．５μｍ以下を超えると、肌荒れがひどいために、継続して伸縮動作をさせた場合に、破壊や亀裂の起点となりやすい箇所が多く含まれていることとなり、好ましくない。なお、平均粗さＲａは、低いほど好ましい。平均粗さＲａは、例えばＲａ＝１２μｍ以下とするのが好ましく、１０μｍ以下とするのがより好ましく、８μｍ以下とするのがさらに好ましく、４μｍ以下とするのがさらにより好ましいが、その下限はない。
このように、本実施例のシームレスばね鋼管４７は、その内周面および外周面の平均粗さＲａを１２．５μｍ以下と、非常に滑らかにしたので、継続して伸縮動作させた場合であっても破壊等の起点となりやすい箇所をさらになくすことができる。
【００６８】
なお、表面粗度は、シームレスばね鋼管４７の内周面及び外周面における管軸方向に粗さを測定したもので規定するのが好ましい。
【００６９】
熱間静水圧押出し装置２９は、先部にダイス３１が指示部材３３を介して設けられたコンテナ３５と、コンテナ３５内に配置されたシール・ピストン３７と、このシール・ピストン３７を押圧するステム３９と、シール・ピストン３７およびステム３９を貫通し、シームレス鋼管中間体４１の内径を形成するマンドレル４３とを有している。
【００７０】
この熱間静水圧押出し装置２９は、予め高温（例えば、１０５０℃以上１３００℃未満）に加熱して軟化させたビレット２７をコンテナ３５内に配置し、圧力媒体４４を介してシール・ピストン３７でビレット２７を押圧する。この押圧によりダイス３１とマンドレル４３との間からビレット２７を吐出させてシームレス鋼管中間体４１を製造する。
【００７１】
具体的には、例えば、内径が５０〜６０ｍｍ、外径が１４０〜１６０ｍｍの中空状のばね鋼素材のビレット２を、当該熱間静水圧押出し装置２９を用いて熱間静水圧押出し加工する。この加工により、例えば、外径が３０〜６０ｍｍ、肉厚が４〜７ｍｍのシームレスばね鋼管４７を容易に製造することができる。
【００７２】
なお、前記したビレット２の内径および外径や、シームレスばね鋼管４７の外径および肉厚は、適宜に変更することができることはいうまでもなく、前記範囲に限定されないことはいうまでもない。
【００７３】
ここで、本実施例のシームレスばね鋼管４７を製造するために用いられるばね鋼素材としては、例えば、ＳｉＣｒ鋼やＣｒＶ鋼より高強度のＳｉＣｒＶ鋼を用いることができる。具体的には、ＪＩＳ・Ｇ３５６０、ＪＩＳ・Ｇ３５６１などを好適に用いることができ、より具体的には、株式会社神戸製鋼所製ＫＨＶ１２Ｎ、ＫＨＶ１０Ｎ、ＫＨＶ６Ｎ、ＫＨＶ７、ＣＲＶ、ＨＲＳ６、ＳＲＳ６００、ＵＨＳ１９００、ＵＨＳ２０００などを特に好適に用いることができる。
【００７４】
このような鋼材としては、その組成が、Ｃ：０．３〜１．０質量％、より好ましくは０．５〜０．７質量％未満、Ｓｉ：０．１〜３．０質量％、より好ましくは１．０〜３．０質量％、Ｍｎ：０．０５〜１．５質量％、より好ましくは０．５〜１．５質量％、Ｎｉ：０〜２．５質量％、より好ましくは０．０５〜０．５質量％、Ｃｒ：０〜２．０質量％、より好ましくは０．０５〜１．５質量％、Ｍｏ：０〜０．８質量％、Ｖ：０〜０．８質量％、より好ましくは０．０５〜０．３質量％、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃｏ、Ｗ：０〜０．５質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物であるものを好適に用いることができる。
【００７５】
（Ｃ：０．３〜１．０質量％）
Ｃは、伸線材、すなわちシームレスばね鋼管（シームレス鋼管を含む）の引張強さを高め、疲労特性や耐へたり性を確保するために有用な元素である。
【００７６】
Ｃの含有量が１．０質量％を超えると欠陥感受性を増大させ、表面疵や非金属介在物からの亀裂を発生して疲労寿命が劣化する。
【００７７】
しかし、Ｃ含有量が０．３質量％未満になると、高応力ばねとして必要な引張強さが確保できないばかりか、疲労亀裂発生を助長する初析フェライトの量が多くなって疲労特性を劣化させる。
【００７８】
したがって、本発明におけるＣの含有量は、０．３〜１．０質量％に規定している。なお、より好ましい含有量としては、０．５〜０．７質量％未満である。
【００７９】
（Ｓｉ：０．１〜３．０質量％）
Ｓｉは、固溶強化によってシームレス鋼管の引張強さを高め、疲労特性と耐へたり性の改善に貢献する元素である。
【００８０】
Ｓｉの含有量が０．１質量％未満であると、前記した効果を得ることができない。
【００８１】
しかし、Ｓｉの含有量が３．０質量％を超えて過剰になると、表面の脱酸や疵などが増加して耐疲労性が悪くなる。
【００８２】
したがって、本発明におけるＳｉの含有量は、０．１〜３．０質量％に規定している。なお、より好ましい含有量は１．０〜３．０質量％である。
【００８３】
なお、Ｃの含有量を低めにした分だけＳｉを高めに含有させる必要がある。
【００８４】
（Ｍｎ：０．０５〜１．５質量％）
Ｍｎは、パーライト組織を緻密化かつ整然化させ、疲労特性の改善に貢献する元素である。
【００８５】
Ｍｎの含有量が０．０５質量％未満であると、前記した効果を得ることができない。
【００８６】
しかし、Ｍｎの含有量を１．５質量％を超えて過剰に含有させると、熱間静水圧押出し時などにおいてベイナイト組織が生成しやすくなり、疲労特性を劣化させる。
【００８７】
したがって、本発明におけるＭｎの含有量は、０．０５〜１．５質量％に規定している。なお、より好ましい含有量は０．５〜１．５質量％である。
【００８８】
（Ｎｉ：０〜２．５質量％）
Ｎｉは、含有させないこととすることもできるが、切り欠き感受性を低くするとともに靭性を高める効果を有するので、含有させる方が好ましい。また、Ｎｉは、例えば、ばね巻き加工した場合などにおいて折損トラブルを抑制するとともに、疲労寿命を向上させる効果を有する。
【００８９】
このような効果を得るためには、Ｎｉを０．０５質量％以上含有するとよい。
【００９０】
しかし、Ｎｉの含有量が２．５質量％を超えて過剰になると、熱間静水圧押出し時などにおいて、ベイナイト組織が生成しやすくなり、逆効果となる。
【００９１】
したがって、本発明におけるＮｉの含有量は、０〜２．５質量％に規定している。なお、より好ましくは０．０５〜０．５質量％である。
【００９２】
（Ｃｒ：０〜２．０質量％）
Ｃｒは、含有させないこととすることもできるが、パーライトラメラ間隔を小さくして、熱間静水圧押出し後、または加熱処理後の強度を上昇させ、耐へたり性を向上させるので、含有させる方が好ましい。
【００９３】
このような効果を得るためには、Ｃｒを０．０５質量％以上含有するとよい。
【００９４】
しかし、Ｃｒの含有量が２．０質量％を超えて過剰になると、パテンティング時間が長くなり過ぎ、また靭性や延性が劣化する。
【００９５】
したがって、本発明におけるＣｒの含有量は、０〜２．０質量％に規定している。なお、より好ましくは０．０５〜１．５質量％である。
【００９６】
（Ｍｏ：０〜０．８質量％以下）
Ｍｏは、含有させないこととすることもできるが、焼入れ性を高めてばね用鋼の高強度化に寄与するので、含有させてもよい。
【００９７】
このような効果を得るためには、Ｍｏを０．２質量％以上含有するとよい。
【００９８】
しかし、Ｍｏの含有量が、多過ぎると靭延性を極端に悪化させるので、０．８質量％以下に抑える必要がある。
【００９９】
したがって、本発明におけるＭｏの含有量は、０〜０．８質量％以下に規定している。
【０１００】
（Ｖ：０〜０．８質量％）
Ｖは、含有させないこととすることもできるが、パーライトノジュールサイズを微細にしてシームレス鋼管の加工性を改善するのに有用であるので、含有させる方が好ましい。また、Ｖは、例えば、ばね材などとした場合において、そのばね材の靭性および耐へたり性等を改善するのに有用である。
【０１０１】
このような効果を得るためには、Ｖを０．０５質量％以上含有するのが好ましい。
【０１０２】
Ｖの含有量が０．８質量％を超えて過剰に含有させると、熱間静水圧押出し時などにおいて、ベイナイト組織が生成しやすくなり、疲労寿命を劣化させることになる。
【０１０３】
したがって、本発明におけるＶの含有量は、０〜０．８質量％に規定している。なお、より好ましくは０．０５〜０．３質量％である。
【０１０４】
（不可避的不純物）
本発明のシームレス鋼管における基本的な成分組成は前記の通りであり、残部は実質的にＦｅからなるものであるが、前記の各種成分以外にも鋼材を用いたシームレス鋼管の特性を阻害しない程度の微量成分を含み得るものであり、微量成分を含んだシームレス鋼管も本発明の範囲に含まれものである。前記微量成分としては不純物、特にＰ，Ｓ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｓｎ等の不可避的不純物が挙げられる。
【０１０５】
このように、本発明のシームレス鋼管１は、高い硬度を有するばね鋼を用いて製造するので、中空材であっても従来品のように一般構造用圧延鋼（ＪＩＳ  Ｇ  ３１０１）や機械構造用炭素鋼（ＪＩＳ  Ｇ  ４０５１）などを用いて製造された中実材と同程度の硬度を備えることができる。
【０１０６】
また、そのような硬い鋼材を用いるにもかかわらず、熱間静水圧押出し加工によってシームレス鋼管中間体に製造し、シームレス鋼管を製造する、つまり、穿孔等を行わないで製造することができるので、製造が容易かつ製造コストが安価である。なお、熱間静水圧押出し後に、適宜の冷間加工、熱処理等することによってさらに所望の性質を備えることも可能である。
【０１０７】
したがって、本発明のシームレスばね鋼管４７は、例えばビッカース硬度でＨｖ５００以上というように、従来では成し得なかった高い硬度を備えることができる。なお、本実施例のシームレスばね鋼管４７は、これよりも高い硬度とすることができることはいうまでもなく、例えば、ビッカース硬度でＨｖ５５０以上とすることや、より高い硬度としてはＨｖ６００以上、さらに高い硬度としてはＨｖ６５０以上とすることもできる。
【０１０８】
そして、本実施例のシームレスばね鋼管４７は、金属組織中に非金属介在物を含有する。非金属介在物とは、例えば、ＣａＯ・ＳｉＯ２・Ａｌ２Ｏ３系などのガラス状介在物をいうものとする。当該シームレスばね鋼管４７の管軸と直交方向における非金属介在物の最大厚さは、５０μｍ以下とするのがよい。なお、１千万回を超える寿命（伸縮動作）が要求される部材においては、これに含有される非金属介在物について、シームレス鋼管の管軸と直交する方向における最大厚さが３０μｍ未満、かつ、１００ｍｍ２当たりの個数が３０個未満とするのがさらに好ましい。
【０１０９】
管軸と直交方向の非金属介在物の最大厚さが５０μｍを超えると、例えば、繰り返し疲労部品などにおいては、応力集中し疲労破壊に及ぶおそれがあるため好ましくない。一方、非金属介在物は含有されない方が耐久性向上の観点から好ましいので、その下限はない。
【０１１０】
なお、非金属介在物の最大厚さおよび１００ｍｍ２当たりの個数は、横断面を走査型電子顕微鏡により観察するなどの従来公知の手段によって測定することができる。
【０１１１】
以上説明したように、本発明のシームレスばね鋼管４７は、連続疵の深さ、金属組織中に含まれる非金属介在物の最大長さ、最大厚さ、単位面積当たりの個数、組成成分の範囲、および、内周面と外周面の平均粗さＲａを適切に制御したことにより、継続して伸縮動作させた場合であっても折損等することがないので、耐久性に優れている。また、本発明のシームレスばね鋼管４７は、従来のシームレス鋼管よりも高い硬度を有し得る。
【０１１２】
また、中空材であるので、中実材と比較して３０〜４０％の軽量化を図ることができる。これは、車両部品として使用する場合のβチタン合金と略同等の軽量化を実現するものである。
［内面ショット］
図８は、前記内面ショットを示す概念図である。図８のように、コイル状の中空体４９の片端末５１の穴部５３に対し、エア圧を利用したショット・ピーニング機のショット・ノズル５５を向けてショット・ピーニングを行う。その後このショット・ピーニングは、中空体４９の他の端末からも行う。ショット粒の粒径は、穴部５３の直径の１／３以下とすることで、穴部５３に確実に残留応力付与を行わせることができる。
また、穴部にショット粒を入れた状態で超音波を加えると、内面部に同様なショット・ピーニング効果を得ることもできる。
［材料清浄度及び表面性状］
表１は、熱間静水圧押し出し加工の実施と介在物との関係を示す。前記熱間静水圧押し出し工程７でのばね鋼素材の加熱温度（押し出し温度）９５０℃のときは、押し出し抵抗が強く押し出しができなかった。押し出し温度１０００℃では、シームレスばね鋼管の非金属介在物の最大厚さが５２μｍと大きく、個数も３２個／１００ｍｍ２と多かった。押し出し温度１３００℃以上では、シームレスばね鋼管の非金属介在物の最大厚さが５８μｍ以上と大きく、個数も４２個／１００ｍｍ２以上と多かった。これに対し、押し出し温度１０５０℃以上１３００℃未満では、非金属介在物の最大厚さが３８μｍ以下と小さく、個数も２０個／１００ｍｍ２以下と少なかった。また、シームレスばね鋼管の肌荒れは、１３００℃未満では発生しないのに対し、１３００℃以上では、肌荒れが見られた。
従って、材料清浄度及び表面性状を高めるためには、上記熱間静水圧押し出し工程７でのばね鋼素材の押し出し温度を、１０５０℃以上１３００℃未満に設定するのがよい。ばねの耐久性に影響を及ぼす鋼中非金属介在物の個数、大きさの観点から、より確実には押し出し温度を、１０５０℃〜１２５０℃に設定するのが好適である。治工具の損疵を考慮すると低温側で押し出し成形するのが有利であり、押し出し温度は、１０５０℃以上１２００℃未満で設定すべきであり、品質を重視するのであれば、１１００℃以上１２００℃未満に設定するのが推奨される。
このような押し出し温度の設定により、シームレスばね鋼管４７の材料清浄度及び表面性状を高めることができる。
［軽量化効果］
図１０は、コイルばねの軽量化効果の比較を示す図表である。図１０では、コイル内径：φ＝４５ｍｍ、使用最大荷重：２７５０Ｎとし、ＳｉＣｒ鋼の中実材料を用いたコイルばね（中実材料）、Ｓ４５Ｃ等を用いた従来の中空コイルばね（従来中空材）、ＳｉＣｒ鋼、高強度ＳｉＣｒＶ鋼を用いた実施例品の中空コイルばねについて比較した。
図１０のように、従来の中空コイルばねは、材料に低炭素鋼が用いられ焼入れ後の硬さがＨｖ４４０、引張り強さ（ＴＳ）が１４８０ＭＰａであり、断面の外表面側（外側）においてコイル径の内径側応力を７１６ＭＰａとしてＴＳ比を４８％に設定すると、質量は４３９ｇとなる。
これに対し、ＳｉＣｒ鋼を用いた実施例品の場合は、硬さがＨｖ５４５、引張り強さ（ＴＳ）が１８５０ＭＰａ、高強度ＳｉＣｒＶ鋼を用いた実施例品の場合は、硬さがＨｖ５８０、引張り強さ（ＴＳ）が２０２０ＭＰａとなり、ＴＳ比を４８％に設定すると、質量はそれぞれ２９８ｇ，２５５ｇとなり、巻き数等も少なくすることができ、より小型軽量の中空コイルばねにすることができる。
この性能は、図１０のように中実材料と比較しても劣らず、むしろより軽量となっている。
従って、本実施例の中空コイルばねでは、軽量化効果を確実に得ることができ、固有振動数も図１０の図表のように高めることができる。
［高強度ＳｉＣｒＶ鋼の化学成分］
図１１は、高強度ＳｉＣｒＶ鋼の化学成分の一例を示す図表である。Ａ鋼、Ｂ鋼の何れも、ＪＩＳ規格のＳｉＣｒ鋼以外のものとして開発したものであり、バナジウムＶ等を加え、高強度ＳｉＣｒＶ鋼として上記軽量化効果を確実に得ることができる。
［耐久性］
図１２〜図１６は、中空コイルばねの耐久性に係り、図１２は、自動車サスペンションの懸架ばねの押し出し温度に対する耐久試験データの図表、図１３は、自動車エンジンの弁ばねの押し出し温度に対する耐久試験データの図表、図１４は、自動車サスペンションの懸架ばねの熱処理後の硬さに対する耐久試験データの図表、図１５は、図１４の結果をプロットしたグラフ、図１６は、自動車サスペンションの懸架ばねの内表面の圧縮残留応力に対する耐久試験データの図表である。図１２の２，３，４，・・・は、表１に対応し、図１３の押し出し条件Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，・・・は、図９に対応している。
【０１１３】
中空コイルばねに使用した試験材料は、懸架ばねの素材となるシームレスばね鋼管４７が表１に示される状態で図１１のＡ鋼、弁ばねの素材となるシームレスばね鋼管４７が図９に示される状態（高清純度）で図１１のＢ鋼である。
【０１１４】
図１２の懸架ばねの場合は、線径：φ１０．０ｍｍ、穴径：φ５．０ｍｍ（肉厚２．５ｍｍ）、外側最大せん断応力：１，１００ＭＰａ、熱処理後硬さ：Ｈｖ６２０の条件で試験した。押し出し条件２，３，４，５，６の何れも５０万回の耐久で折損が無く、懸架ばねの要求耐久回数２０〜３０万回を大幅に上回った。
【０１１５】
図１３の弁ばねの場合は、線径：φ５．６ｍｍ、穴径：φ２．８ｍｍ（肉厚１．４ｍｍ）、外側最大せん断応力：９５０ＭＰａ、熱処理後硬さ：Ｈｖ６２０の条件で試験した。押し出し条件Ａ，Ｂ，Ｃの何れも３０００万回の耐久で折損が無く、弁ばねの要求耐久回数１０００万回を大幅に上回った。
【０１１６】
図１４の懸架ばねの場合は、加工後に熱処理により硬さを変えて試験したものであり、線径：φ１０．０ｍｍ、穴径：φ５．０ｍｍ（肉厚２．５ｍｍ）、外側最大せん断応力：１，１００ＭＰａ、押し出し温度：図９のＥとした。
【０１１７】
Ｈｖ６２０以上では、５０万回の耐久で折損が無かった。Ｈｖ４８０では、１回目１４，５００回、２回目１８，８００回で外表面に折損が見られた。Ｈｖ５０５では、１回目１９８，０００回、２回目２１５，０００回で外表面に折損が見られた。Ｈｖ５３５では、１回目２５２，０００回、２回目２８６，０００回で外表面に折損が見られた。Ｈｖ５８０では、１回目４０７，０００回、２回目４７２，０００回で穴側表面に折損が見られた。これを、図１５のようにプロットすると、Ｈｖ５００に変曲点が存在し、熱処理後の硬さはＨｖ５００以上であるのがよい。
【０１１８】
図１６の懸架ばねの場合は、線径：φ１０．０ｍｍ、穴径：φ５．０ｍｍ（肉厚２．５ｍｍ）、外側最大せん断応力：１，１００ＭＰａ、熱処理後硬さ：Ｈｖ５８０の条件で試験した。中空コイルばねの穴部の内表面に圧縮残留応力を付与していないＢａｓｅの場合、１回目４０７，０００回、２回目４７２，０００回で内表面に折損が見られた。これに対し、窒化処理、浸炭焼き入れ、ショット（内面ショット）により穴部の内表面に圧縮残留応力を付与した場合には、何れも５０万回の耐久で折損が無く、懸架ばねの要求耐久回数２０〜３０万回を大幅に上回った。
【０１１９】
［具体例］
次に、本実施例に用いるのシームレスばね鋼管４７およびその製造方法について、本実施例の要件を満たす具体例と本実施例の要件を満たさない比較例とを比較して説明する。
【０１２０】
まず、鋼材として図１１のＢ鋼として示す高強度ばね用鋼材を用いて試験Ｎｏ．１〜９に係る円筒状のビレットを作製した。これらのビレットは、外径１４３ｍｍ、内径５２ｍｍとなるよう作製した。そして、これらのビレットを、表１に示すように９５０〜１４００℃の各温度で加熱した。そして、加熱した試験Ｎｏ．１〜９のビレットを、それぞれの温度（押出し温度）で熱間静水圧押出し装置により熱間静水圧押出し加工してシームレス鋼管を製造した。その後、試験Ｎｏ．１〜９のシームレス鋼管を６８０℃×１６時間の球状化焼鈍処理後、ピルガーミル圧延および引き抜き加工を行い、外径１０．６ｍｍ、内径５．９ｍｍに伸展させた。そして、試験Ｎｏ．１〜９のシームレス鋼管を７００℃×０．５時間加熱した後、これらを酸洗し、試験Ｎｏ．１〜９のシームレス鋼管とした。
【０１２１】
なお、熱間静水圧押出しを行う際の圧力媒体として、いずれも合成油をマトリックスとし二硫化モリブデン入りの潤滑油に黒鉛を混ぜた圧力媒体を用いた。
【０１２２】
このようにして作製した試験Ｎｏ．１〜９のシームレス鋼管に対して、非金属介在物の最大厚さ（μｍ）および単位面積当たりの個数（個数／１００ｍｍ２）を測定し、さらに、押出性、肌荒れを評価した。
【０１２３】
非金属介在物の最大厚さ（μｍ）および単位面積当たりの個数（個数／１００ｍｍ２）は、横断面を走査型電子顕微鏡で観察することによって測定した。
【０１２４】
押出性の評価は、熱間静水圧押出し加工の際に、これを問題なく実施できたものを「可能」と評価し、押出し抵抗が強すぎるなどの理由で熱間静水圧押出し加工をスムーズに実施できなかったものを「Ｎ．Ｇ」と評価した。
【０１２５】
肌荒れの評価は、試験Ｎｏ．１〜９のシームレス鋼管を目視検査することで行った。肌荒れがなかったものを「無し」と評価し、肌荒れが発生したものを「発生」と評価した。
【０１２６】
加熱温度条件と、測定結果および評価結果と、を表１に示す。
【０１２７】
【表１】
0004612527.tif 000002
【０１２８】
表１に示すように、試験Ｎｏ．１（９５０℃）のときは、押出し抵抗が強く、熱間静水圧押出しを行うことができなかった（Ｎ．Ｇ）。
【０１２９】
試験Ｎｏ．２（１０００℃）では、シームレス鋼管の非金属介在物の最大厚さが５２μｍと大きく、個数も３２個／１００ｍｍ２と多かった。
【０１３０】
一方、押出し温度が１３００℃以上である試験Ｎｏ．７〜９では、シームレス鋼管の非金属介在物の最大厚さが５８μｍ以上と大きいか、または、非金属介在物の個数も４２個以上／１００ｍｍ２と多かった。また、肌荒れも発生していた。試験Ｎｏ．１、試験Ｎｏ．２、および試験Ｎｏ．７〜９は比較例であった。
【０１３１】
これに対し、押出し温度１０５０℃以上１３００℃未満である試験Ｎｏ．３〜６では、非金属介在物の最大厚さが３８μｍ以下と小さく、個数も２０個以下／１００ｍｍ２と少なかった。また、肌荒れも発生していなかった。試験Ｎｏ．３〜６は、実施例であった。
【０１３２】
したがって、表面の平滑性を高めるためには、前記した熱間静水圧押出し工程でのビレットの押出し温度を１０５０℃以上１３００℃未満に設定するのがよいことがわかった。特に、例えば、コイルばねなどとした場合に、コイルばねの耐久性に影響を及ぼす金属組織中の非金属介在物の個数、大きさの観点から、より確実にはその押出し温度を１０５０〜１２５０℃に設定するのが好適であることがわかった。また、さらに、治工具の損傷を考慮すると、低温側で押出し成形するのが有利であり、その押出し温度は、１０５０℃以上１２００℃未満で設定するのがよく、さらに品質を重視するのであれば、１１００℃以上１２００℃未満に設定するのが好ましいことがわかった。
【０１３３】
このような押出し温度の設定により、シームレス鋼管の表面を平滑にすることができる。
【０１３４】
［実施例の効果］
以上、本実施例の中空コイルばね１は、加熱したばね鋼素材を液圧により押し出し加工して材料清浄度及び表面性状を高めたシームレスばね鋼管４７を用いてコイル状の中空体に形成すると共に圧縮残留応力を付与する表面処理を施したため、圧縮残留応力を均一に付与し易く、中空ばねの材料強度が高く、高応力でもばねのへたり（永久変形）、折損が抑制されるため設計応力を高くすることができ、軽量化効果と耐疲労強度アップとの両立を図ることができる。
前記シームレスばね鋼管４７は、前記のように中空ビレットに加工されたばね鋼素材を加熱して軟化させ、熱間静水圧押し出し加工を行ってシームレス管を製造し、該シームレス管に所定の径までの減面加工を行う。
即ち、熱間静水圧押し出し加工を行えば、ばね鋼素材を流動状態にして成形するので、例えば、外径が３００ｍｍ以上の中空ビレットから直接例えば外径が３０〜６０ｍｍのシームレス管を製造することが可能となる。
前記ばね鋼素材は、１０５０℃以上１３００℃未満に加熱された状態で、熱間静水圧押し出し加工が行われるのがよい。これによって、ばね鋼素材は溶融していないが軟化状態にあり、超高圧下で流動性が確保される。
なお、ここでばね鋼素材としては、例えば、弁ばね用として使用する場合には清浄度に留意して溶製した図１１に示すＡ鋼等を使用することが好ましい。この場合の非金属介在物の状態を図９の図表に示す。
中空ビレットに加工されたばね鋼素材を加熱して軟化させ、熱間静水圧押し出し加工を行ってシームレス管を製造するので、径の大きい中空ビレットから小径（例えば、３０〜６０ｍｍ）のシームレス管を製造でき、更にこのシームレス管を所定のサイズまで減面加工（例えば、ピルガーミル、引抜き、抽伸）を行うことができる。また、圧延と異なり工具との摩擦が少ない静水圧押し出し加工のため、前述の製造方法によって製造されるシームレス管は、美麗且つ表面結晶粒が、微細である。
従って、シームレスばね鋼管４７の製造工程が全体として簡略化され、より高品質で安価に製造可能となり、実際に車両に管状ばねを使用することが可能となった。
このようにして製造されたシームレスばね鋼管４７は、前記のように通常の線材より３０％〜４０％の軽量化が見込め、車両部品として使用する場合のβチタン合金と略同等の軽量化が図れる。
幾つかの自動車部品に適用された場合の効果について，以下に説明する。
まず、エンジン性能を向上させるためには、エンジンの限界回転数を上げて出力を向上させる方法や吸排気ポートの形状を改良するなどの手段で、出力特性などを改善する。その中で、エンジンの限界回転数を決定している要素として、動弁系の運動がその大きな制限要因となっている。カム経由で伝達されたクランクシャフトの回転運動はバルブの上下運動につながり、弁ばねは上下運動するバルブを押えつけて押し戻す役目をしている。故に、カムの回転運動に対して弁ばね自体の上下運動が追従できなくなった時点がエンジンの限界回転数となる。従って、性能を向上させるためには、スプリング荷重を上げるか、スプリングを含むバルブなどの往復運動部分の慣性重量を低減させることが、必要不可欠となる。上記を満足する為には、スプリング自体の重量を低減し、なお且つ、小型化を行い、同時にスプリング荷重を維持、向上する事が望ましい（例えば、軽量化による弁ばね固有振動数の上昇に伴う、エンジン限界回転数の上昇）。
弁ばねの慣性重量軽減による燃費改善効果は大きく、一般的にばね重量の２０％削減に対して，約０．５〜１．０％の燃費改善が図れ、大きな効果が期待できる。
次に、自動車サスペションの懸架ばねは乗り心地やコーナリングなどの走行性能に大きな影響を与え、その車の商品性を決める大きな要因である。このサスペンション性能は車の基本構造の他、懸架ばねを含むサスペンションそのものの特性やタイヤ部分のばね下重量に大きく依存する。サスペンションに用いられる懸架ばねは、車の全車重を支えることから高荷重対応になっており、そのために重量も大きくなっている。そこで、エンジンの弁ばねと同様に同部品を軽量化できれば、ばね下重量の軽減が可能である。例えば、ばね下荷重の軽量化効果は、ボディ軽量化効果に換算すると１０倍もの効果が得られる。また、構造全体の小型化にも繋がり、乗り心地だけでなく、新構造品の採用という商品力をも向上させる。
最後に、現在のモータースポーツは自動車会社のブランド向上のための強力なツールとして位置づけられており，そこで主要な地位を築くことは自動車会社にとって重要な戦略となっている。特に、モータースポーツで使用した技術を市販する事は，自動車にとって大きな付加価値向上につながり、商品性を高める。現在、そのモータースポーツのトップブランドであるＷＲＣ又はＪＧＴＣなどにおいては、ばねなどの重要部品は、量産市販車と同じ素材を使わなければならない事などが義務付けられている。その為、構造を変更することで機能向上が図れる中空ばねなどは、機能的付加価値が非常にわかりやすく、価値が高い。
【実施例２】
【０１３５】
図１７は、本発明の実施例２に係り、中空コイルばねの断面図である。
【０１３６】
本実施例の中空コイルばね１Ａは、断面外形５に対する断面内形６の相対位置が、中空コイルばね１Ａを構成する中空体のコイル径方向の外側へ偏心している。従って中空コイルばね１Ａの内径側の肉厚ｔ１が、外径側の肉厚ｔ２を基準にして相対的に厚くなっている。
【０１３７】
かかる中空コイルばね１Ａの断面外形５及び断面内形６の相対位置は、前記中空コイルばね１Ａを構成する中空体のコイル径と材料硬度の設定及び素材状態での相対位置により確保した。
【０１３８】
従って、本実施例では、実施例１の効果に加えて、中空コイルばね１Ａの外径側よりも相対的に高い応力が働く内径側の強度をより高めることができ、耐久性を向上させることができる。
【実施例３】
【０１３９】
図１８は、本発明の実施例３に係り、中空コイルばねの断面図である。
【０１４０】
本実施例の中空コイルばね１Ｂは、断面外形５及び断面内形６の形状が、共に楕円形であり断面が中空コイルばね１Ｂを構成する中空体のコイル軸心方向に扁平形状となっている。断面外形５及び断面内形６の楕円は同心である。
【０１４１】
かかる中空コイルばね１Ｂの断面外形５及び断面内形６の相対位置は、中空体のコイル径と材料硬度の設定により確保した。前記扁平断面形状は、シームレスばね鋼管４７の圧延処理により実現した。
【０１４２】
従って、本実施例では、実施例１の効果に加えて、中空コイルばね１Ｂの高さを低くでき、かつ内径側及び外径側の応力を等しくすることができる。
【０１４３】
図１９は、その他の変形例を示し、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、各変形例の要部断面図である。
【０１４４】
図９（ａ）は、中空コイルばね１Ｃの断面外形５を楕円形の扁平形状とし、断面内形６を、真円形状にしたものである。
【０１４５】
図９（ｂ）は、中空コイルばね１Ｄの断面外形５をコイル内径側の曲率半径が小さくなる卵形とし、断面内形６を、真円形状にしたものである。
【０１４６】
図９（ｃ）は、中空コイルばね１Ｅの断面外形５を楕円形（又は真円形）を基本形状としてコイル軸方向両面を平坦に形成し、断面内形６を、楕円形（又は卵形）としたものである。断面外形５を矩形に形成することもできる。
【０１４７】
本実施例では、何れにしても、中空コイルばね１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅを構成する中空体の少なくとも断面外形が、非円形形状に形成されたものである。
【実施例４】
【０１４８】
本発明は、曲げ部を有する棒状の中空体である中空スタビライザに適用することもできる。中空スタビライザは、棒状の本体部の両端部にアームを有しており、本体部及びアーム間に曲げ部を有している。中空スタビライザの成形は、実施例１のコイル成形工程１３に代え、アームを形成する工程とする。中空スタビライザの曲げ部での断面形状は、中空コイルばね１，１Ａ，１Ｂと同様に設定され、肉厚の調整は曲げ部の曲率半径の方向で行われる。断面の扁平は、中空スタビライザ全体でも良い。
【０１４９】
図２０は、中空スタビライザの耐久試験データの図表である。線径：φ２５．０ｍｍ、穴径：φ１２．５ｍｍ（肉厚６．２５ｍｍ）、外側最大主応力：±７００ＭＰａ、穴側最大主応力：±４５０ＭＰａとした。
【０１５０】
従来のＳ４０Ｃを用いた中空スタビライザは、硬さがＨｖ４２０であり、１回目８５，０００回、２回目９５，０００回で外表面に折損が見られた。本発明実施例の中空スタビライザでは、硬さがＨｖ５１５で、１回目２４６，０００回、２回目３１３，０００回で穴部の内表面（穴部表面）に折損が見られたが、従来品に対して約３倍の寿命を達成することができた。さらに、硬さがＨｖ５５０、５９０の何れも５０万回の耐久で折損は無かった。
【０１５１】
従って、中空スタビライザの場合も、実施例１と同様な効果を奏することができる。
【０１５２】
また、棒状ばねとしては、曲げ部を有さないトーションバーとして構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１５３】
【図１】中空コイルばねの断面図である（実施例１）。
【図２】ｔ／Ｄと軽量化率などとの関係を示した図表である（実施例１）。
【図３】ｔ／Ｄと軽量化率及び穴部応力の関係を示すグラフである（実施例１）。
【図４】ｔ／Ｄと密着高さ増加率及び穴部応力の関係を示すグラフである（実施例１）。
【図５】中空コイルばねの製造工程を示すブロック図である（実施例１）。
【図６】熱間静水圧押し出し工程の工程図である（実施例１）。
【図７】熱間静水圧押し出し加工装置の断面図である（実施例１）。
【図８】内面ショットを示す概念図である（実施例１）。
【図９】熱間静水圧押し出し加工の実施と介在物との関係を示す図表である（実施例１）。
【図１０】コイルばねの軽量化効果の比較を示す図表である（実施例１）。
【図１１】高強度ＳｉＣｒＶ鋼の化学成分の一例を示す図表である（実施例１）。
【図１２】自動車サスペンションの懸架ばねの押し出し温度に対する耐久試験データの図表である（実施例１）。
【図１３】自動車エンジンの弁ばねの押し出し温度に対する耐久試験データの図表である（実施例１）。
【図１４】自動車サスペンションの懸架ばねの熱処理後の硬さに対する耐久試験データの図表である（実施例２）。
【図１５】図１４の結果をプロットしたグラフである（実施例１）。
【図１６】自動車サスペンションの懸架ばねの内表面の圧縮残留応力に対する耐久試験データの図表である（実施例１）。
【図１７】中空コイルばねの断面図である（実施例２）。
【図１８】中空コイルばねの断面図である（実施例３）。
【図１９】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、各変形例の要部断面図である（実施例３）。
【図２０】中空スタビライザの耐久試験データの図表である（実施例４）。
【符号の説明】
【０１５４】
１，１Ａ，１Ｂ  中空コイルばね
３  穴部
５  断面外形
６  断面内形
４７  シームレスばね鋼管
【図１】
0004612527.tif 000003
【図２】
0004612527.tif 000004
【図３】
0004612527.tif 000005
【図４】
0004612527.tif 000006
【図５】
0004612527.tif 000007
【図６】
0004612527.tif 000008
【図７】
0004612527.tif 000009
【図８】
0004612527.tif 000010
【図９】
0004612527.tif 000011
【図１０】
0004612527.tif 000012
【図１１】
0004612527.tif 000013
【図１２】
0004612527.tif 000014
【図１３】
0004612527.tif 000015
【図１４】
0004612527.tif 000016
【図１５】
0004612527.tif 000017
【図１６】
0004612527.tif 000018
【図１７】
0004612527.tif 000019
【図１８】
0004612527.tif 000020
【図１９】
0004612527.tif 000021
【図２０】
0004612527.tif 000022