(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピアノ線材を伸線加工したばね用硬引線をコイリング成形後、２５０〜４５０℃で焼鈍を行い、２００℃以上であり且つ該焼鈍温度以下の温度で温間セッチングを行い、ショットピーニングを施し、最後に前記温間セッチングよりも低温でセッチングを行うことを特徴とする弁ばねの製造方法。
【請求項２】
重量比でＣ：０．６０〜０．９５％、Ｓｉ：０．１０〜０．８０％、Ｍｎ：０．３０〜０．９０％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ｃｕ：０．２０％以下を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物から成る鋼を素材とする線をコイリング成形後、２５０〜４５０℃で焼鈍を行い、２００℃以上であり且つ該焼鈍温度以下の温度で温間セッチングを行い、ショットピーニングを施し、最後に前記温間セッチングよりも低温でセッチングを行うことを特徴とする弁ばねの製造方法。
【請求項３】
重量比でＣ：０．６０〜０．９５％、Ｓｉ：０．８０〜１．５０％、Ｍｎ：０．３０〜０．９０％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ｃｕ：０．２０％以下を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物から成る鋼を素材とする線をコイリング成形後、２５０〜４５０℃で焼鈍を行い、２００℃以上であり且つ該焼鈍温度以下の温度で温間セッチングを行い、ショットピーニングを施し、最後に前記温間セッチングよりも低温でセッチングを行うことを特徴とする弁ばねの製造方法。
【請求項４】
焼鈍工程中、又は、焼鈍工程後その冷却過程で、前記温間セッチングを行う請求項１〜３のいずれかに記載の弁ばねの製造方法。
【請求項５】
温間セッチングによる残留剪断歪を１５×１０-4以上とする請求項１〜４のいずれかに記載の弁ばねの製造方法。
【請求項６】
コイリング成形後、焼鈍工程の前に座面形成工程を含む請求項１〜５のいずれかに記載の弁ばねの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等に用いられる、耐久性・耐へたり性に優れた小型のコイルばね及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車には、エンジンやトランスミッション等に多数の小型のコイルばねが用いられている。特にエンジンの弁ばねは、比較的高温の中で常時高速振動下で用いられ、しかもその破損はエンジンの損傷にもつながるため、非常に高い信頼性が要求される。
【０００３】
このような小型コイルばね（特に弁ばね）の材料として、従来より各種オイルテンパー線が広く用いられてきた。オイルテンパー線として、日本工業規格（JIS）にはばね用炭素鋼オイルテンパー線（SWO：G3560）、弁ばね用炭素鋼オイルテンパー線（SWO-V：G3561）、弁ばね用クロムバナジウム鋼オイルテンパー線（SWOCV-V：G3565）、弁ばね用シリコンクロム鋼オイルテンパー線（SWOSC-V：G3566）、及びばね用シリコンマンガン鋼オイルテンパー線（SWOSM：G1239）が規定されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらのオイルテンパー線は高性能ではあるものの、オーステナイト化温度以上への加熱・冷却及び再加熱というオイルテンパー処理工程を経なければならないため、製造工程が複雑であり、高価なものとなっている。また、弁ばね用クロムバナジウム鋼オイルテンパー線（SWOCV-V）や弁ばね用シリコンクロム鋼オイルテンパー線（SWOSC-V）は更に、クロムやバナジウム等の高価な合金元素を含んでいる。地球的規模の資源保存の観点から、必要な性能が得られるのであれば、不要なエネルギーを消費したり貴重な資源を使用することは避けなければならない。
【０００５】
弁ばね用炭素鋼オイルテンパー線（SWO-V）の材料として、JIS G3561ではピアノ線材（JIS G3502）のSWRS62B、SWRS67B、SWRS72Bを用いることと定めている。
従って、素材としては弁ばね用炭素鋼オイルテンパー線（SWO-V）はピアノ線（JIS G3522）と同じものであるが、オイルテンパー処理を施すことにより、耐久性、耐へたり性等の高度な性能を付与され、高信頼性が要求される部分のばねとして使用可能となっている。
【０００６】
本発明は、ピアノ線材を使用し、しかもオイルテンパー処理を施すことなく、それを施したものと同等程度の耐久性、耐へたり性等ばねとしての基本的性能及び信頼性を確保することのできる方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る弁ばねの製造方法は、ピアノ線材を伸線加工したばね用硬引線をコイリング成形後、２５０〜４５０℃で焼鈍を行い、２００℃以上であり且つ該焼鈍温度以下の温度で温間セッチングを行い、ショットピーニングを施し、最後に前記温間セッチングよりも低温でセッチングを行うことを特徴とする。
なお、ばね用硬引線としては、重量比でＣ：０．６０〜０．９５％、Ｓｉ：０．１０〜０．８０％、Ｍｎ：０．３０〜０．９０％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ｃｕ：０．２０％以下を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物から成る鋼を素材とする線とすることが望ましい。
【０００８】
この素材鋼の化学成分範囲は、JIS G3502「ピアノ線材」のSWRS62A〜SWRS92Bとして規定される各化学成分範囲の包括範囲である。すなわち本発明は、ピアノ線材を、所定の径となるように所定の加工度で伸線加工し、コイリング成形した後、２５０〜４５０℃で焼鈍を行い、それ以下の温度（ただし２００℃以上）で温間セッチングを行うというものである。
【０００９】
なお、より強度を高め、特に高温特性（比較的高温環境下で使用されるエンジン用弁ばねの耐へたり性等）を向上させるために、素材鋼のシリコン量を０．８０〜１．５０％に高めてもよい。
【００１０】
温間セッチングは、焼鈍工程中（特に最後の段階）及び／又は焼鈍工程後の冷却過程で行うことが望ましい。これにより、熱エネルギーを節約することができる。
【００１１】
焼鈍は、コイリング時の加工歪を緩和して、コイルばねの耐へたり性、耐久性を高めるための処理である。２５０℃以下では加工歪の緩和が十分に行われず、一方４５０℃以上に加熱すると材料が軟化していまい、いずれも耐久性及び耐へたり性が低下するため、上記温度範囲に定めた。
【００１２】
温間セッチングは、耐へたり性を高めるための処理である。これを行うことにより、移動可能な転移はほぼ移動して永久歪となり、コイルばね使用時の転移の移動すなわち「へたり」を防止する効果を奏する。その温度を２００℃以上としたのは、それ以下では転移の一掃すなわち永久歪の生成が不十分であるためであり、焼鈍温度以下としたのはもちろん上記焼鈍の効果を損なわないためである。
【００１３】
弁ばね等の耐へたり性に対する要求性能が高いコイルばねの場合、温間セッチングの強さ（度合い）については、温間セッチング後の残留剪断歪が１５×１０-4以上となるような程度で行うことが望ましい。現在、弁ばねにはシリコンクロムオイルテンパー線(SWOSC-V)が最も多く用いられているが、エンジン内の使用環境（〜２００℃）でこれと同程度の耐へたり性を付与するには、シリコン含有量が０．８０〜１．５０％の高シリコン素材を使用し、温間セッチングをこのような程度まで行う必要がある。なお、高温環境下での使用でない場合には、シリコン含有量が０．１０〜０．８０％の低シリコン素材を用いても構わない。
【００１４】
コイルばねを弁ばね等に使用する場合、両端部（又は一方の端部）がコイルばねの中心軸に対して垂直面となるように端面（座面）加工を行う必要がある。このような座面形成工程を行う場合、焼鈍工程の前に行うことが望ましい。座面形成は多数のコイルばねを立てて揃えた状態で行われるが、そのような作業を焼鈍工程のように多数のコイルばねがバラバラの姿勢で処理された後に行おうとすると、互いにからみあっているコイルばねの山からコイルばねを１個づつ取り出し、立てて揃える工程が必要となる。それよりも、コイリング工程によりコイルばねが１個づつラインに排出される工程の直後の方が、作業効率が遙かによくなるからである。
【００１５】
コイルばねの耐久性を高めるため、温間セッチング後はショットピーニング処理を行うことが望ましい。これにより、表面に大きな圧縮残留応力が付与され、コイルばねの耐久性（疲労寿命）が大幅に向上する。ショットピーニングを施した後は、再度セッチングを行うことが望ましい。これにより、耐へたり性が更に向上する。このショットピーニング後のセッチングは、先の（焼鈍後の）セッチングよりも低い温度で行うことが望ましい。これは、先のセッチングの効果及びショットピーニングの効果が損なわれないようにするためである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る方法で製造したコイルばねの耐へたり性を次に説明する。試験に供したコイルばねは図１に示す工程により製造した。すなわち、JIS G3502に規定する径6.7mmのピアノ線材SWRS62Bを素材とし（ステップＳ１）、それをφ3.0mmに伸線した（ステップＳ２。加工率80％）。これを図２に示す諸元を有するコイルばねにコイリングし（ステップＳ３）、研削により座面を形成した（ステップＳ４）。これを３５０℃×３０分加熱してコイリングの歪を除去し（焼鈍。ステップＳ５）、その冷却過程で温間セッチングを行った（ステップＳ６）。温間セッチングは２グループに分け、第１のグループはコイルばねが３５０℃となったところでセッチングを行ない、第２のグループはコイルばねが２１０℃となったところでセッチングを行った。また比較のために、第３のグループは常温まで冷却した状態でセッチングを行った。セッチングの強さは、温間（３５０℃、２１０℃）でセッチングしたもの（第１および第２グループ）はセッチング後の残留剪断歪が２０×１０-4〜５０×１０-4となる程度まで、常温でセッチングを行ったもの（第３グループ）はセッチング後の残留剪断歪が２×１０-4〜２０×１０-4となるように行った。その後ショットピーニングを施して（ステップＳ７）、供試コイルばね（Ａ群）を完成した。
【００１７】
温間セッチング（ステップＳ６）の温度を変化させたＡ群の３つのグループのへたり試験結果を図３に示す。へたり試験条件は、τ＝882MPaの締め付け応力で、温度条件は120℃×48hrである。図３に示されるように、温間セッチングを行った２つのグループのへたり試験後の残留剪断歪は、常温でセッチングを行ったもののそれと比較すると１／２以下に減少していることがわかる。シリコンクロム鋼オイルテンパー線(SWOSC-V)の残留剪断歪は、締め付け応力τ＝900MPa、温度条件を同じく120℃×48hrとしたときに5×10-4程度であるため、温間セッチングを行った第１および第２グループの耐へたり性能は、ほぼシリコンクロム鋼オイルテンパー線(SWOSC-V)のそれと同等程度である。
【００１８】
また、３５０℃で温間セッチング（１０００ＭＰａ）を行った第１グループの試料について、ショットピーニング（ステップＳ７）の後に更に２１０℃でセッチングを行ない（ステップＳ８）、その２回目のセッチングの強さを変えた場合の耐へたり性に及ぼす影響を調べた（Ｂ群）。比較のために、焼鈍後・ショットピーニング前の温間セッチングを行わない試料についても同様の試験を行った。
その結果、図４に示すように、焼鈍後・ショットピーニング前の温間セッチング（ＨＳ）を行わない試料は、ショットピーニング（ＳＰ）後のセッチング（ＷＳ）の強さにより耐へたり性が大きく変化する。それに対し、温間セッチング（ＨＳ）を行った試料では、そのような大きな変化は現れず、安定した耐へたり性を示している。しかし、ショットピーニング後のセッチングの強さを増すことにより耐へたり性が向上することは明らかとなっている。
【００１９】
更に、供試材として、上記素材であるピアノ線材SWRS62B（これを素材(a)と呼ぶ）のシリコン含有量を0.93％とした素材（これを素材(b)と呼ぶ）を使用し、同様の工程（図１）で同様の諸元（図２）のコイルばねを作製した（ただし、素材(b)はシリコン含有量が高いことを考慮して、温間セッチング(HS)の温度は４００℃とした）。これを素材(a)から作製したコイルばねと同じ条件で耐へたり性試験を行ったところ、図５に示すように高シリコン鋼素材（素材(b)）を使用したコイルばねは、明らかに耐へたり性が向上していることが分かった。この素材(b)については、最後のセッチング(WS)を行わないコイルばねの耐へたり性が、それを行った素材(a)の耐へたり性と同等程度となっている。このことより、素材として高シリコン鋼を用いることにより、同じ性能を得る場合に、工程を１つ省略することができることがわかる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明に係る方法によると、安価なピアノ線材を用いることにより、オイルテンパー処理を施したものと同等程度の耐へたり性が得られる。このため、弁ばね等のコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による供試ばね製造工程のフローチャート。
【図２】  供試ばねの諸元表。
【図３】  焼鈍後の温間セッチングの効果を示すグラフ。
【図４】  焼鈍後の温間セッチングの効果を示す別のグラフ。
【図５】  素材のシリコン含有量の効果を示すグラフ。
【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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