(57)【要約】【課題】安定して高い疲労特性を発揮できるコイルばねの製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】本発明のコイルばねの製造方法は、合金鋼オイルテンパー線を素材としてコイルばねを成形する成形工程と、このコイルばねの表面硬度を向上させる窒化処理工程と、コイルばねに残留応力を付与するショットピーニング工程とを有するコイルばねの製造方法において、前記ショットピーニング工程の後に電解研磨を施すことによりコイルばねの表層を除去して、前記窒化処理により生成した白層の厚さを５μｍ以下にするとともに、表面粗さをＲｃで４μｍ以下とし、かつ最表面の圧縮残留応力を１８００ＭＰａ以上とすることを特徴とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金鋼オイルテンパー線を素材としてコイルばねを成形する成形工程と、該コイルばねの表面硬度を向上させる窒化処理工程と、該コイルばねに残留応力を付与するショットピーニング工程とを有するコイルばねの製造方法において、
前記ショットピーニング工程の後に電解研磨を施すことにより前記コイルばねの表層を除去して、前記窒化処理により生成した白層の厚さを５μｍ以下にするとともに、表面粗さをＲｃで４μｍ以下とし、かつ最表面の圧縮残留応力を１８００ＭＰａ以上とすることを特徴とするコイルばねの製造方法。
【請求項２】
前記窒化処理後のコイルばねの表面硬度は８５０〜１４００ＨＶである請求項１に記載のコイルばねの製造方法。
【請求項３】
前記電解研磨によりコイルばねの表層を３〜２０μｍ除去する請求項１に記載のコイルばねの製造方法。
【請求項４】
前記合金鋼オイルテンパー線は、質量％でＣ：０．５５〜０．７５％、Ｓｉ：１．００〜２．７０％、Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、Ｃｒ：０．４〜２．５０％、Ｖ：０．０５〜０．５０％を含み、残部Ｆｅと不可避的不純物とからなる請求項１〜３のいずれかに記載のコイルばねの製造方法。
【請求項５】
さらにＭｏ：０．０５〜２．０％、Ｃｏ：０．０５〜０．４０％、のいずれか１種を含む請求項４に記載のコイルばねの製造方法。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
高強度高耐疲労ばねを製造する方法として、引張強度の高い線材を使用して所定形状にコイリング成形し、窒化処理により表面硬化させた後に高い圧縮残留応力を付与するために高エネルギのショットピーニングを施す方法が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
しかし、さらに高強度で高い疲労特性を要求されるようになると、従来よりもさらに高エネルギのショットピーニング処理を施さなければ、要求される疲労特性に見合う高い圧縮残留応力をばね表面に付与することができない。窒化処理後にこのように強いショットピーニングを施すと、ばね表面が著しく粗面化するとともに表面全体に微細な表面欠陥を発生させる。このため、ばねはキズ感受性が高くなって結果的に疲労特性が低下するという問題があった。
【特許文献１】特開平１０−１１８９３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、コイルばねに窒化処理を施して表面を高硬度化するとともに、従来よりも高強度のショットピーニングを施して高い圧縮残留応力を付与しても、安定して高い疲労特性を発揮できるコイルばねの製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のコイルばねの製造方法は、合金鋼オイルテンパー線を素材としてコイルばねを成形する成形工程と、このコイルばねの表面硬度を向上させる窒化処理工程と、このコイルばねに残留応力を付与するショットピーニング工程とを有するコイルばねの製造方法において、前記ショットピーニング工程の後に電解研磨を施すことによりコイルばねの表層を除去して、前記窒化処理により生成した白層の厚さを５μｍ以下にするとともに、表面粗さをＲｃで４μｍ以下とし、かつ最表面の圧縮残留応力を１８００ＭＰａ以上とすることを特徴とする。
【０００６】
本発明のコイルばねの製造方法において、前記窒化処理後のコイルばねの表面硬度は８５０〜１４００ＨＶであることが望ましく、電解研磨によりコイルばねの表層を３〜２０μｍ除去するようにするとよい。
【０００７】
また、本発明のコイルばねの製造方法において、前記合金鋼オイルテンパー線は、質量％でＣ：０．５５〜０．７５％、Ｓｉ：１．００〜２．７０％、Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、Ｃｒ：０．４〜２．５０％、Ｖ：０．０５〜０．５０％を含み、残部Ｆｅと不可避的不純物とからなることが好ましく、さらにＭｏ：０．０５〜２．０％、Ｃｏ：０．０５〜０．４０％、のいずれか１種を含むことができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明ではショットピーニング後に電解研磨を施すことにより、窒化処理工程でコイルばね表面に形成される有害な白層について、その厚さが５μｍ以下となるようにコイルばねの表層部を除去する。従って、本発明によればコイルばねの耐衝撃性や疲労特性を向上することができる。
【０００９】
また、本発明では電解研磨を施すことによりショットの圧痕による微細な表面欠陥を除去してばね表面の表面粗さをＲｃで４μｍ以下とする。また、ばねの作用応力は表面で最大となる。従って、本発明によれば、コイルばねの切り欠きもしくは疵を低減して耐衝撃性や疲労特性を向上することができる。
【００１０】
一般にショットピーニングで付与される圧縮残留応力は、ばねの表面から幾分内部で最大となる。本発明では電解研磨処理によりコイルばねの表層部を除去するので、コイルばねの最表面での圧縮残留応力を最大値に近づけることができる。また、ばねの作用応力は表面が最大となるので、本発明によれば付与した圧縮残留応力を最も有効化してコイルばねの疲労特性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の好適な一実施の形態を詳細に説明する。本実施の形態においては、質量％でＣ：０．５５〜０．７５％、Ｓｉ：１．００〜２．７０％、Ｍｎ：０．１０〜１．５０％、Ｃｒ：０．４〜２．５０％、Ｖ：０．０５〜０．５０％を含み、残部Ｆｅと不可避的不純物とからなる合金鋼オイルテンパー線を素材とするとよい。このような組成を有するオイルテンパー線としては、特開平２−１０７７４６に開示されているものなどが知られている。
【００１２】
また、係る組成にさらにＭｏを０．０５〜２．０％含有する合金鋼オイルテンパー線（特開２００３−３２４１で開示されているもの）やＣｏを０．０５〜０．４０％含有する合金鋼オイルテンパー線（特開２００４−１９０１１６で開示されているもの）も好適に用いることができる。これらの合金鋼オイルテンパー線は、引張強度が１９００〜２３００ＭＰａ、絞りが３５％以上のものを用いるとよい。
【００１３】
まず所望の化学成分組成と引張強度とを有する合金鋼オイルテンパー線を冷間コイリングして所望のばね形状に成形する。その後大気雰囲気中で３５０〜５００℃で３〜６０分の低温熱処理を施してコイル成形時に生じた残留応力や残留歪みを除去する。
【００１４】
次に、窒化処理に先立ってディスケール処理を施す。ディスケール処理とは、コイル成形されたばね素材表面の酸化皮膜を除去する工程で、酸化皮膜を取り除くことにより均一な窒化を可能とするものである。このディスケール処理ではばね素材の表面の最大高さＲｚが５μｍ以下になるようにするとよい。ばね素材表面の最大高さＲｚが５μｍを超えると、窒化の均一性が得られないことがあるので好ましくない。ディスケール処理としては、ばね素材の表面粗さを増大させないように、比較的弱くブラストされるような条件、例えば、マイクロショットを用いたショットピーニングを施す。マイクロショットとしては、比較的軟らかいガラスビーズや砥粒、直径０．３ｍｍ以下のカットワイヤ、あるいは直径０．３ｍｍ以下のスティールショットなどを例示することができる。これらのマイクロショットにより、ばね素材表面の最大高さＲｚを５μｍ以下にすることができる。
【００１５】
窒化処理は、窒素ガス又はアンモニアガスなどの雰囲気中で行うことができるが、４００〜５００℃で２〜４８時間のアンモニアガスによるガス窒化処理が望ましい。窒化処理温度が４００℃未満では、コイルばねの表面層が硬化不足となり、一方、５００℃を超えると内部硬さが低下して疲労特性に優れた高強度コイルばねを得ることができない。さらに、窒化処理時間が２時間未満では窒化処理に伴う硬化層の形成が不均一となり、また、４８時間を超えても硬化が飽和してしまい長時間処理に見合うより有効な窒化層を得ることはできないので不経済である。
【００１６】
以上のような窒化処理を施すことにより窒化処理後のコイルばねの表面（表面から０．０２ｍｍ付近まで）硬度を８５０〜１４００ＨＶとする。窒化処理後の表面硬度が８５０ＨＶ未満では次工程のショットピーニングで充分な圧縮残留応力を形成することができないので、所望の疲労強度を付与することができない。一方、１４００ＨＶを超えると靱性が低下して所望の耐衝撃性を得ることができない。より好ましくは、８５０〜１２００ＨＶである。
【００１７】
次に、窒化処理後のコイルばねにショットピーニングを施す。本実施形態では、圧縮残留応力を表層部分で高くかつ内部深くまで付与するためにショット方法の異なる２段以上の多段ショットピーニングを施す。
【００１８】
例えば、１段目のショットピーニング工程では、まず粒径の大きいショットを高速でコイルばねに投射して表面から内部の深い位置まで残留応力を付与する。そして２段目のショットピーニング工程では、１段目のショットピーニング工程で使用したショットより粒径が小さいショットを使用して投射し、極表層部にさらに大きな残留応力を付与する。この工程では１段目のショットピーニング工程で使用したショットより硬度の高いものを使用したり、あるいはショットを高速で投射することでその効果をより高めることができる。
【００１９】
第１ショットピーニング工程で使用されるショットとしては、内部の深い位置まで残留応力を付与するために、０．４〜１．０ｍｍの径で、硬さが５００〜８００ＨＶの範囲のもの、例えば、コンディションドカットワイヤーなどが好ましい。
【００２０】
また、第２ショットピーニング工程では表面部の残留応力を高めるために、第１ショットピーニング工程で用いるショットと比べて小径でかつ硬さが硬いショットを用いることが好ましい。具体的には、径が０．０５〜０．３ｍｍ程度で、硬さが７００〜１５００ＨＶのショット、例えば、コンディションドカットワイヤーや超硬ショット等を使用することが好ましい。この場合には高圧エアーによるショットの投射が望ましく、この高圧での投射で表面付近に著しく高い残留応力を形成することができる。さらに必要に応じて第３段目のショットピーニングを施してもよい。このような多段ショットピーニングを施すことで表面に高い圧縮残留応力を付与してコイルばねの疲労特性を向上することができる。
【００２１】
続いて、ショットピーニング後のコイルばねに低温焼き鈍しを施す。この低温焼き鈍しはショットピーニングによる異常に大きな内部歪みを除去する目的で行うものであり、一般的には２００〜３００℃で３〜６０分程度の加熱処理である。
【００２２】
次いで、低温焼き鈍し後のコイルばねに電解研磨処理を施す。本実施形態では前記のようにディスケーリング後のコイルばねに窒化処理を施して、表層部に窒化による硬化層を形成することでコイルばねをより高強度化するようにしている。しかし、窒化処理を施すとコイルばねの表面に窒化物や炭窒化物を主体とする白層が形成される。形成される白層の厚さは窒化処理条件や部位によって異なるが、概ね１〜１０μｍ程度である。この白層は非常に硬くて脆いという性質を有するために、コイルばねの耐衝撃性や疲労特性を低下させる原因となる。従って、電解研磨を施すことによりこの有害な白層の厚さが５μｍ以下（好ましくは３μｍ以下）となるようにコイルばねの表層部を除去する。白層の厚さを５μｍ以下にすることでコイルばねの耐衝撃性や疲労特性を向上することができる。
【００２３】
また、高強度なショットピーニング処理のためにピーニング後のコイルばねの表面は表面の最大高さＲｚが７μｍ以上と著しく粗面化されている。また、同時にショットの圧痕による微細な表面欠陥が多数発生している。このため、電解研磨を施すことによりこの表面欠陥を除去して表面粗さをＲｃで４μｍ以下（好ましくは３μｍ以下）としてコイルばねのキズ感受性を低減させる。表面粗さを示すパラメータとしてはＪＩＳ  Ｂ  ０６０１に平均粗さＲａ、最大高さＲｚ、平均高さＲｃなどが規定されている。ここで平均高さＲｃで評価するようにしたのは、Ｒｃは高さを平均して算出されるパラメータであるので、全体的な表面粗さを表現するには最適と考えられるからである。
【００２４】
また、ショットピーニングで付与される圧縮残留応力は、ショットの硬さ、大きさ、速度、ピーニング回数などにより異なるが、概ねばねの表面から２〜１０μｍ内部で最大となる。そこで、好ましくは最表面でより最大値に近い圧縮残留応力になるように電解研磨処理によりコイルばねの表層を除去する。
【００２５】
以上のように、有害な白層の除去、ショットの圧痕による微細な表面欠陥の除去、および低圧縮残留応力部分の除去を実現するために、ショットピーニング工程後に電解研磨を施してコイルばねの表層を３〜２０μｍ除去することが好ましい。表層部の除去量が３μｍ未満では５μｍ以上の白層が残存することがあるので好ましくない。また、２０μｍ以上除去すると最表面における圧縮残留応力がかえって低下することがあるので好ましくない。より好ましくは、３〜１０μｍ除去する。なお、上記のようにコイルばねにはショットピーニング工程のあとで低温焼き鈍しやさらにセッティングなどが施されるが、この電解研磨処理工程は、ショットピーニング工程の後であれば任意の段階で実施することができる。
【実施例】
【００２６】
（実施例１）
コイルばねの素材として、Ｃ：０．６５質量％（以下、同様）、Ｓｉ：２．２３％、Ｍｎ：０．５４％、Ｃｒ：１．１８％、Ｖ：０．１５％、Ｃｏ：０．２０％で残部がＦｅと不可避不純物とからなり、引張強さが２２５２ＭＰａ、絞りが５０％の合金鋼オイルテンパー線を用いた。
【００２７】
このオイルテンパー線をコイリングし、線径：３．２ｍｍ、コイル外径：２３．２ｍｍ、総巻数：５．９巻、有効巻数：３．９巻、自由高さ：４７ｍｍ、ばね定数：３２Ｎ／ｍｍのコイルばねを成形した。
【００２８】
次に、これらのコイルばねを４５０℃で７分間均熱処理してコイル成形時に生じた残留応力や残留歪みを除去した。その後、０．２ｍｍのスティールボールを使用して２０分間のマイクロショットを施して表面の酸化膜を除去した。
【００２９】
次に、アンモニアガス雰囲気下で５００℃×４時間の窒化処理を施し、コイル表面に窒化層を形成した。窒化後の表面硬度は８５０〜９５０ＨＶであった。
【００３０】
窒化処理後に直径０．８ｍｍのコンディションドカットワイヤーを使用して６０分間の第１ショットピーニングを行った。続いて、直径０．２５ｍｍのコンディションドカットワイヤーをエアーで５分間投射して第２ショットピーニングを施しコイル表面に圧縮残留応力を付与した。
【００３１】
次いで、２２５℃×３０分の低温焼き鈍しで異常に大きな内部歪みを除去した。コイルばね成形工程以後、この低温焼き鈍し工程までは成形したコイルばね全部に同様の処理を施したが、ここでは半数を電解研磨前試料として採取した。
【００３２】
残り半数にさらに表１の条件で電解研磨を施して表層部を５μｍ除去して電解研磨後試料とした。なお、電解研磨による表層部の除去厚さは、電解研磨前後のコイルばねの重量変化から計算で求めた。
【００３３】
【表１】
2009270150.tif 000002
【００３４】
［評価］
（評価方法）
上記で得られた電解研磨前後の試料について、白層の厚さ、表面粗さ（Ｒａ、Ｒｚ、Ｒｃ）、圧縮残留応力の分布及び疲労特性を測定した。なお、白層の厚さ、表面粗さは、コイルばねの内周側で各々数点を測定した。測定方法は以下の通りである。
（ａ）白層の厚さは、得られた各試料の断面を研磨し、ナイタールでエッチングして白層を明確にしてから金属顕微鏡で測定した。
（ｂ）表面粗さ（Ｒａ、Ｒｚ、Ｒｃ）は、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１（２００１年版）に準拠して測定した。
（ｃ）圧縮残留応力は、Ｘ線応力測定装置（リガク社製  ＰＳＰＣ型）を用いてＣｒ管球、４５ｋＶ、４０ｍＡの条件で測定した。
（ｄ）疲労特性は、星形ばね疲労試験機を用いて、平均応力：７５０ＭＰａ、応力振幅：７００ＭＰａ、回転数：１８００ｒｐｍで試験し、同時に試験に供した８個の試料のうち１×１０７回までに折損する試料の個数を折損確率として評価した。
【００３５】
測定結果を表２に示す。
【００３６】
【表２】
2009270150.tif 000003
【００３７】
（評価結果）
白層厚さは電解研磨前では２〜１０μｍとかなり厚い層として観察された。しかし電解研磨を施すことで５μｍ未満（０〜３μｍ）となり、コイルばねの耐衝撃性や疲労特性に対して無害化できた。また、表面粗さＲｃは電解研磨を施すことにより４．５μｍから２．９μｍに減少し、コイル表面が平滑化されたことが分かる。
【００３８】
図１は電解研磨前後における表面からの深さ方向の残留応力分布を示すグラフである。Ａ（●）は電解研磨前、Ｂ（○）は電解研磨後の残留応力分布を示す。図１に示すように電解研磨前の圧縮残留応力は表面では約１５００ＭＰａであるが、表面から５〜１０μｍ深い位置では約１９５０ＭＰａで最大となっている。ところが電解研磨により表層部の５μｍが除去されたので、電解研磨後にはコイル表面が約２０００ＭＰａで最大圧縮残留応力部位となった。従って、電解研磨を施すことにより最表面の圧縮残留応力は約５００ＭＰａ改善されたわけである。
【００３９】
疲労試験は平均応力：７５０ＭＰａ、応力振幅：７００ＭＰａ、１×１０７回という苛酷な試験条件で実施したところ、コイルばねの折損確率は電解研磨前のものでは２／８であった。ところが電解研磨を施したコイルばねの折損確率は０／８であり、極めて優れた疲労特性を有することが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、オートマティック車における自動変速機のクラッチとーションのダンパースプリングやエンジンの弁ばねの製造に適用して有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】電解研磨前後における表面からの深さ方向の残留応力分布を示すグラフである。
【図１】
2009270150.tif 000004