(57)【要約】本発明は、従来よりも更に大きい圧縮残留応力を付与することの可能な高強度ばねの製造方法を提供することを目的として成されたものである。このような目的は、次のようにして達成される。焼戻し（熱処理ばねの場合）や歪取り焼鈍（冷間成形ばねの場合）等の最終加熱を行った後、ばねの表面温度が２６５〜３４０℃（望ましくは、３００〜３４０℃）となっている間に該ばねにショットピーニングを施し、その後ばねを急冷する。また、ショットピーニングの前、又はショットピーニングの後であって急冷の前に、セッチングをも行っておくことが望ましい。急冷の方法としては、水冷又は油冷のいずれでも構わない。また、線径が小さいばねの場合には、強制空冷でもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ばねの表面温度が２６５〜３４０℃となっている間に該ばねにショットピーニングを施し、その後ばねを急冷することを特徴とする高強度ばねの製造方法。
【請求項２】
ばねの表面温度が３００〜３４０℃となっている間に該ばねにショットピーニングを施し、その後ばねを急冷することを特徴とする高強度ばねの製造方法。
【請求項３】
加熱工程後の冷却の際に、ばねの表面温度が２６５〜３４０℃となっている間に該ばねにショットピーニングを施し、その後ばねを急冷することを特徴とする高強度ばねの製造方法。
【請求項４】
加熱工程後の冷却の際に、ばねの表面温度が３００〜３４０℃となっている間に該ばねにショットピーニングを施し、その後ばねを急冷することを特徴とする高強度ばねの製造方法。
【請求項５】
上記ショットピーニングを複数回行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高強度ばねの製造方法。
【請求項６】
上記ショットピーニングにおいて、ストレスピーニングを行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の高強度ばねの製造方法。
【請求項７】
ショットピーニングの前、又はショットピーニングの後であって急冷の前に、セッチングを行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の高強度ばねの製造方法。
【請求項８】
上記急冷が水冷により行われることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の高強度ばねの製造方法。
【請求項９】
重量比にしてＣ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：１．６０〜３．００％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎｉ：０．４０〜３．００％、Ｃｒ：０．１０〜１．５０％、Ｖ：０．０５〜０．５０％を含有するとともに残部実質的にＦｅよりなる鋼を材料として、上記処理を行うことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の高強度ばねの製造方法。
【請求項１０】
重量比にしてＣ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：１．６０〜３．００％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎｉ：０．４０〜３．００％、Ｃｒ：０．１０〜１．５０％、Ｎ：０．０１０〜０．０２５％、Ｖ：０．０５〜０．５０％を含有するとともに残部実質的にＦｅよりなる鋼を材料として、上記処理を行うことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の高強度ばねの製造方法。
【請求項１１】
上記加熱工程が、焼入れ・焼戻し処理の焼戻し加熱工程であることを特徴とする請求項３〜１０のいずれかに記載の高強度ばねの製造方法。
【請求項１２】
上記加熱工程が、冷間加工後の歪取り焼鈍加熱工程であることを特徴とする請求項３〜１０のいずれかに記載の高強度ばねの製造方法。
【請求項１３】
重量比にしてＣ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：１．６０〜３．００％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎｉ：０．４０〜３．００％、Ｃｒ：０．１０〜１．５０％、Ｖ：０．０５〜０．５０％を含有するとともに残部実質的にＦｅよりなる鋼を材料とし、ばねの表面温度が２６５〜３４０℃となっている間にショットピーニングを施し、その後急冷することにより製造された高強度ばね。
【請求項１４】
重量比にしてＣ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：１．６０〜３．００％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎｉ：０．４０〜３．００％、Ｃｒ：０．１０〜１．５０％、Ｖ：０．０５〜０．５０％を含有するとともに残部実質的にＦｅよりなる鋼を材料とし、ばねの表面温度が３００〜３４０℃となっている間にショットピーニングを施し、その後急冷することにより製造された高強度ばね。
【請求項１５】
重量比にしてＣ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：１．６０〜３．００％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎｉ：０．４０〜３．００％、Ｃｒ：０．１０〜１．５０％、Ｖ：０．０５〜０．５０％を含有するとともに残部実質的にＦｅよりなる鋼を材料とし、加熱工程後の冷却の際に、ばねの表面温度が２６５〜３４０℃となっている間にショットピーニングを施し、その後急冷することにより製造された高強度ばね。
【請求項１６】
重量比にしてＣ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：１．６０〜３．００％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎｉ：０．４０〜３．００％、Ｃｒ：０．１０〜１．５０％、Ｖ：０．０５〜０．５０％を含有するとともに残部実質的にＦｅよりなる鋼を材料とし、加熱工程後の冷却の際に、ばねの表面温度が３００〜３４０℃となっている間にショットピーニングを施し、その後急冷することにより製造された高強度ばね。
【請求項１７】
上記ショットピーニングが複数回行われたものであることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれかに記載の高強度ばね。
【請求項１８】
上記ショットピーニングにおいて、ストレスピーニングが行われたことを特徴とする請求項１３〜１７のいずれかに記載の高強度ばね。
【請求項１９】
ショットピーニングの前、又はショットピーニングの後であって急冷の前に、セッチングが行われたことを特徴とする請求項１３〜１８のいずれかに記載の高強度ばね。
【請求項２０】
上記急冷が水冷により行われたものであることを特徴とする請求項１３〜１９のいずれかに記載の高強度ばね。
【請求項２１】
上記加熱工程が、焼入れ・焼戻し処理の焼戻し加熱工程であることを特徴とする請求項１５〜２０のいずれかに記載の高強度ばね。
【請求項２２】
上記加熱工程が、冷間加工後の歪取り焼鈍加熱工程であることを特徴とする請求項１５〜２０のいずれかに記載の高強度ばね。
【請求項２３】
重量比にしてＣ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：１．６０〜３．００％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎｉ：０．４０〜３．００％、Ｃｒ：０．１０〜１．５０％、Ｎ：０．０１０〜０．０２５％、Ｖ：０．０５〜０．５０％を含有するとともに残部実質的にＦｅよりなる鋼を材料とし、ばねの表面温度が２６５〜３４０℃となっている間にショットピーニングを施し、その後急冷することにより製造された高強度ばね。
【請求項２４】
重量比にしてＣ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：１．６０〜３．００％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎｉ：０．４０〜３．００％、Ｃｒ：０．１０〜１．５０％、Ｎ：０．０１０〜０．０２５％、Ｖ：０．０５〜０．５０％を含有するとともに残部実質的にＦｅよりなる鋼を材料とし、ばねの表面温度が３００〜３４０℃となっている間にショットピーニングを施し、その後急冷することにより製造された高強度ばね。
【請求項２５】
重量比にしてＣ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：１．６０〜３．００％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎｉ：０．４０〜３．００％、Ｃｒ：０．１０〜１．５０％、Ｎ：０．０１０〜０．０２５％、Ｖ：０．０５〜０．５０％を含有するとともに残部実質的にＦｅよりなる鋼を材料とし、加熱工程後の冷却の際に、ばねの表面温度が２６５〜３４０℃となっている間にショットピーニングを施し、その後急冷することにより製造された高強度ばね。
【請求項２６】
重量比にしてＣ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：１．６０〜３．００％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎｉ：０．４０〜３．００％、Ｃｒ：０．１０〜１．５０％、Ｎ：０．０１０〜０．０２５％、Ｖ：０．０５〜０．５０％を含有するとともに残部実質的にＦｅよりなる鋼を材料とし、加熱工程後の冷却の際に、ばねの表面温度が３００〜３４０℃となっている間にショットピーニングを施し、その後急冷することにより製造された高強度ばね。
【請求項２７】
上記ショットピーニングが複数回行われたものであることを特徴とする請求項２３〜２６のいずれかに記載の高強度ばね。
【請求項２８】
上記ショットピーニングにおいて、ストレスピーニングが行われたことを特徴とする請求項２３〜２７のいずれかに記載の高強度ばね。
【請求項２９】
ショットピーニングの前、又はショットピーニングの後であって急冷の前に、セッチングが行われたことを特徴とする請求項２３〜２８のいずれかに記載の高強度ばね。
【請求項３０】
上記急冷が水冷により行われたものであることを特徴とする請求項２３〜２９のいずれかに記載の高強度ばね。
【請求項３１】
上記加熱工程が、焼入れ・焼戻し処理の焼戻し加熱工程であることを特徴とする請求項２５〜３０のいずれかに記載の高強度ばね。
【請求項３２】
上記加熱工程が、冷間加工後の歪取り焼鈍加熱工程であることを特徴とする請求項２５〜３０のいずれかに記載の高強度ばね。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、耐久性（耐疲労性）及び耐へたり性に優れたばね（特に懸架用ばね）を製造するためのショットピーニング方法に関する。
【背景技術】  ばねの耐久性を飛躍的に高める方法として、ショットピーニングは特に自動車用懸架ばねやエンジン用弁ばね等の高強度ばねにおいては必須の処理となっている。
ショットピーニングは、処理対象物の表面に小粒子を投射するという処理であるが、同様の処理を行いながらも、切断・成形加工等の際に生成するバリ（張り出し）や熱処理の際に生成するスケール（硬い酸化被膜）を除去して表面を清浄にする目的で行われるショットブラストとは、その強さ等の条件の点で大きく異なる。すなわち、ショットピーニング処理は、ばねの表面に圧縮の残留応力を生成させることを目的として、その表面のみを塑性変形させるような条件で行われる。
ばねに対してショットピーニング処理を施す主たる目的は、上記の通りばねの表面に圧縮の残留応力を予め付与しておくことにより、そのばねの使用時における負荷応力をその残留応力の分だけ軽減しようとするものである。このため、残留応力をできるだけ高めるための各種ショットピーニング法が開発されてきた。
例えば、特公昭４８−２０９６９号公報には、焼入れ・焼戻し後のソルバイト組織のばね鋼に、２００〜４００℃の温間にてショットピーニング加工を施すという技術が開示されている。
また、特開昭５８−２１３８２５号公報には、焼戻し加熱後の冷却の際、ばねの温度が１５０〜３５０℃となっている間にショットピーニングを施すという技術が開示されている。
更に、特開平０５−１４０６４３号公報には、所定成分の鋼に調質（焼入れ・焼戻し）処理を施した後、１５０〜３００℃に保温した状態でウォームショットピーニングを施すことにより、十分な圧縮残留応力を生成させるという技術が開示されている。
上記特公昭４８−２０９６９号公報、特開昭５８−２１３８２５号公報、及び特開平０５−１４０６４３号公報に記載の技術は、未だばねの使用応力が低い時代に開発されたものであり、使用応力がその当時よりも高くなっている現時点では、要求性能に十分応え得る技術とは言い難い。
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、従来よりも更に大きい圧縮残留応力を付与することの可能な高強度ばねの製造方法を提供することにある。
【発明の開示】
上記課題を解決するために成された本発明に係る高強度ばねの製造方法は、ばねの表面温度が２６５〜３４０℃となっている間に該ばねにショットピーニングを施し、その後ばねを急冷することを特徴とする。
なお、ショットピーニングを施す際のばねの表面温度は、上記範囲の中でもやや高めの３００〜３４０℃であることが望ましい。
また、ショットピーニングの前、又はショットピーニングの後であって急冷の前に、セッチングをも行っておくことが望ましい。
急冷の方法としては、水冷又は油冷のいずれでも構わない。また、線径が小さいばねの場合には、強制空冷でもよい。
上記の処理は、重量比にしてＣ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：１．６０〜３．００％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎｉ：０．４０〜３．００％、Ｃｒ：０．１０〜１．５０％、Ｎ：０．０１０〜０．０２５％、Ｖ：０．０５〜０．５０％を含有するとともに残部実質的にＦｅよりなる鋼を材料としたばねに対して適用することにより、その効果をより発揮することができる。
なお、上記処理は、ばねに対して何らかの加熱工程を行った後に、それが冷却される際に行うようにすることが、エネルギー効率の点から好ましい。ここで言う「加熱工程」には、熱処理（焼入れ・焼戻し）を施すばねにおいては、最終加熱（焼戻し）工程を言い、そのような熱処理を施さないばねにおいては、冷間加工（コイリング等）後の歪取り焼鈍のような、何らかの加熱工程を言う。熱間成形ばねの場合、焼戻し加熱は通常、４００〜４５０℃程度の温度で行われる。また、冷間成形ばねの場合、コイリング後には３５０〜４５０℃程度の温度で歪取り焼鈍が行われる。従って、上記温度範囲内でのショットピーニングやセッチング等の上記各工程は十分に可能である。もちろん、これらの加熱工程とは別途に加熱するようにしてもよいし、加熱後の冷却の間ではなく、加熱を維持している間に上記ショットピーニング等を行ってもよい。
ばねの温度が未だ高いうちに（温間で）ショットピーニングを行うことにより、ショット球に対するばね（ワーク）の硬さが、冷間でショットピーニングを行うよりも相対的に低くなる。このため、ショットピーニングにより、表面においてより大きな塑性変形が生じ、表面圧縮残留応力の値が大きくなるとともに、表面からより深いところまで圧縮残留応力を生成することができるようになる。
しかし、従来の方法では、温間でショットピーニングを行った後、ばねは自然放冷されていた。懸架ばねのように径が１０〜１５ｍｍもある線材の場合、例えば３００℃から２００℃まで温度が下がるに要する時間は５分を超える。このような長い時間、そのような高温に保持されている間に、折角付与された大きな圧縮残留応力が緩和されてしまう。
本発明に係る方法では、上記温度範囲内でショットピーニングを行った後、すぐに急冷する。このため、温間ショットピーニングにより付与された大きな圧縮残留応力はそのまま常温まで保持される。従って、本発明により製造されたばねは、より高い耐久性を有する。
なお、セッチングについても同様であり、温間でセッチングを行う目的の一つは、将来の使用時に生じ得る塑性変形（へたり）を製造時に予め生じさせておき、塑性変形の原因となり得る転位を予め固定化することにある。温間でセッチングを行った後に徐冷した場合、高温度域でこのような転位が再度移動化しやすくなり、将来のへたりの原因となる。しかし、本発明に係る方法のように、温間セッチングを行った直後に急冷を行うことにより、転位の固定化が安定して行われ、それ以降の使用時のへたりを最小限に抑える。
また、冷却した後にセッチングを行う場合と比較すると、同一の永久変形を与えるためのばねの圧縮量を、温間セッチングでは小さくすることができる。これは、セッチング後のばね形状（自由長及び胴曲がり）のばらつきを抑えることに効果的である。
【図面の簡単な説明】  第１図  供試ばねの素材の化学成分表。
第２図  供試ばねの製造工程図。
第３図  供試ばねの諸元表。
第４図  焼戻し炉の出口の設定温度とワークの温度との関係（ａ）、及び温間セッチング後の自由長の関係（ｂ）を示すグラフ。
第５図  急冷材の表面圧縮残留応力分布。
第６図  放冷材の表面圧縮残留応力分布。
第７図  供試ばねの腐食耐久試験結果のグラフ。
【発明を実施するための最良の形態】  本発明に係る製造方法の効果を確認するため、次のような実験を行った。第１図に示す化学組成を有する鋼を素材とし、第２図に示すような工程によりコイルばねを製造した。製造したコイルばねの諸元を第３図に示す。
第２図に示すように、実験材は２つのグループに分け、一方のグループのばね（Ａ）は熱処理（焼戻し）後、未だばねの温度が２６５〜３４０℃である間にセッチング（温間セッチング）を行い、更にショットピーニング（温間ショットピーニング）を行った。そして、その後直ちに水中に投じて冷却した。他方のグループのばね（Ｂ）については、セッチング及びショットピーニングを行った後、自然放冷（空冷）した。なお、ショットピーニング条件は、アークハイト０．３７ｍｍ、カバレージ１００％とした。
ばねの焼戻しは、焼入れ後のばねを所定の焼戻し温度で所定時間保持することにより行われるが、大量生産を行うばね製造工程においては、一般に、焼戻し炉は移動式となっている。従って、所定温度及び時間で焼戻し処理を行った後は、焼戻し炉の出口付近の温度を適宜設定することにより、上記温間ショットピーニング及び温間セッチングの際のばね（ワーク）の温度を任意に設定することができる。そこで、その焼戻し炉の出口の設定温度と、炉を出た直後のばね（ワーク）の実際の温度の関係を調査した。その結果を第４図（ａ）に示す。この図からわかるように、炉の出口の設定温度を高くする程、ワークの温度のばらつきが小さくなる。
また、同じく炉の出口の設定温度と温間セッチング後のばねの自由長の関係を第４図（ｂ）に示す。同様に、炉の出口の設定温度を高くするほど、自由長のばらつきが小さくなっている。これは、温間セッチングの場合、圧縮量が少なくて済むため、ばねに付与される応力が小さくなることによるものである。
これらのことから、焼戻し炉の出口の温度を高く設定し、温間セッチング及び温間ショットピーニングの際のばねの温度を高く（２６５℃〜３４０℃、望ましくは３００℃以上）することにより、より形状のばらつきの少ないばねを製造することができることがわかる。
次に、このようにして製造したばねの特性を調査した。Ａグループのばね（水冷材）については、ショットピーニングを開始する時点での温度を２６５℃、３０５℃、３４０℃の３種に変化させて製造した。これらの３種のばねについて、表面から０．５ｍｍまでの深さの残留応力分布を測定した結果を第５図に示す。いずれも最大圧縮残留応力は１０００ＭＰａを超えており、しかも０．３ｍｍ程度の深さまで８００ＭＰａ以上の応力値を有している。
Ｂグループのばね（放冷材）については、ショットピーニングを開始する時点での温度を２６５℃、３０５℃、３４０℃の３種に変化させて製造した。これらの３種のばねについて同様に表面からの残留応力分布を測定した結果を第６図に示す。いずれのばねも最大圧縮残留応力は１０００ＭＰａを超えているが、応力が８００ＭＰａ以上となっているのは、２６５℃で処理したばねを除き、０．１５〜０．２０ｍｍ程度となっている。
なお、ショットピーニングは複数回行ってもよい。また、必要に応じてストレスピーニングとしてもよい。
Ａ、Ｂ両グループのばねについて、腐食耐久試験を行った結果を第７図に示す。試験条件は図中に記載した通りである。第７図より明らかに、温間ショットピーニング及び温間セッチングを行った後に急冷をしたばねの方が、放冷を行ったばねよりも耐久性が向上している。
【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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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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