(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
オイルテンパ処理後の線材横断面内部の硬さＨｖ５５０以上を有するオイルテンパー線を材料とするコイルばねの製造方法において、
前記オイルテンパー線の素材を焼入れするための加熱時に同素材の表面を脱炭させることによって、オイルテンパ処理後の線材の表面の硬さを最低にてＨｖ４２０、最高にて該オイルテンパー線の横断面内部の硬さから少なくとも５０を差し引いたＨｖ値の範囲内に調整した後に同線材をコイリング成形したオイルテンパー線にアンモニアガスによる窒化処理を４５０℃  〜５２０℃にて施してショットピーニングを施すことを特徴とするコイルばねの製造方法。
【請求項２】
前記オイルテンパー線の素材として、重量％にて、Ｃ：０．４５〜０．８％、Ｓｉ：１．２〜２．５％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｃｒ：０．５〜２．０％と、Ｍｏ：０．１〜０．７％、Ｖ：０．０５〜０．６％、Ｎｉ：０．２〜２．０％、Ｎｂ：０．０１〜０．２％の中から選ばれた少なくとも一元素とを含み、残部がＦｅ及び不純物元素からなる材料を採用したことを特徴とする請求項１に記載したコイルばねの製造方法。
【請求項３】
オイルテンパ処理後の線材横断面内部の硬さＨｖ５５０以上を有するオイルテンパー線を材料とするコイルばねであって、
前記オイルテンパー線の素材を焼入れするための加熱時に同素材の表面を脱炭させることによって、オイルテンパ処理後の線材の表面の硬さを最低にてＨｖ４２０、最高にて該オイルテンパー線の横断面内部の硬さから少なくとも５０を差し引いたＨｖ値の範囲内に調整した後に同線材をコイリング成形したオイルテンパー線にアンモニアガスによる窒化処理を４５０℃  〜５２０℃にて施してショットピーニングを施したことを特徴とするコイルばね。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、合金炭素鋼からなる高強度オイルテンパー線を材料とするコイルばね、特に冷間コイリング（冷間コイルばね成形加工）後の遅れ破壊の発生を実質的に阻止可能なコイルばね及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車は燃費向上のためにその軽量化が強く要求され、自動車の重要な構成部品の一つである弁ばねにおいても同様に、今まで以上の軽量化が求められている。一般的に、ばねの軽量化は設計応力を高めることで対応されており、このためコイルばねにあっても材料の強度を高める必要がある。
【０００３】
したがって、ばね材は年々改良され高強度化が図られており、最近では、引張強さ（σＢ）２１０kgf/mm2以上、線材横断面内部の硬さＨｖ（マイクロビッカース硬さ）５５０以上を有し、特に重量％にて、Ｃ：０．４５〜０．８％、Ｓｉ：１．２〜２．５％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｃｒ：０．５〜２．０％と、Ｍｏ：０．１〜０．７％、Ｖ：０．０５〜０．６％、Ｎｉ：０．２〜２．０％、Ｎｂ：０．０１〜０．２％の中から選ばれた少なくとも一元素とを含み、残部がＦｅ及び不純物元素からなるというようなオイルテンパー線が優れたばね材の代表の一つとして知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種の高強度のオイルテンパー線には、冷間コイリングの際に折損したり、またコイリング後に遅れ破壊が発生するという問題があった。
【０００５】
特開平４−２８５１４２号公報には、素材の表面を脱炭させることによって、コイリング加工性を向上させることが開示されている。ところが、このオイルテンパー線においては、オイルテンパ前の脱炭処理による線素材表面の硬さをＨｖ４００以下と限定しているために、後の工程としてばねの表面硬さを増すために行われる窒化処理の効果が劣り、ばねの耐久性が低下するという問題がある。この場合に、通常のアンモニアガスによる窒化処理によって処理後の線材表面の硬さをＨｖ９００以上とするためには、温度５００℃での窒化処理では６時間以上を要し、生産性が問題となる。
また、前記のような高強度の線材においては、残留オーステナイトの増加とコイリングの際にコイルの内側表面に発生する残留応力の増大とが原因となって、コイリング後に遅れ破壊が発生するという危険性が高まっている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明によるコイルばね及びその製造方法は、オイルテンパ処理後の線材横断面内部の硬さＨｖ５５０以上を有するオイルテンパー線を材料とし、オイルテンパ処理後の表面の硬さ、すなわち線材試料の表面を試験面として測定した硬さを、最低にてＨｖ４２０、最高にて該オイルテンパー線の該横断面内部の硬さから少なくとも５０を差し引いたＨｖ値の範囲内に調整した線材を使用してコイリング成形したことを特徴とする。
【０００７】
本発明の実施に当たっては、前記オイルテンパー線の素材を焼入れするための加熱時に、該素材の表面を脱炭させることによって、オイルテンパ処理後の線材の表面の硬さを上記範囲内に調整することができる。
【０００８】
また、前記オイルテンパー線の素材としては、重量％にて、Ｃ：０．４５〜０．８％、Ｓｉ：１．２〜２．５％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｃｒ：０．５〜２．０％と、Ｍｏ：０．１〜０．７％、Ｖ：０．０５〜０．６％、Ｎｉ：０．２〜２．０％、Ｎｂ：０．０１〜０．２％の中から選ばれた少なくとも一元素とを含み、残部がＦｅ及び不純物元素からなる材料を使用することができる。
また、前記コイリング成形したオイルテンパー線に、窒化処理及びショットピーニングを順次施すことによって製品コイルとすることがができる。
【０００９】
本発明において、オイルテンパ処理後の線材横断面内部の硬さをＨｖ５５０以上に限定した理由は、この値が５５０未満では、残留応力が低下し、また残留オーステナイトも２％前後で落ち着くため、意図的に脱炭させることによる効果が少ないからである。
【００１０】
オイルテンパー線素材は、焼入れのための加熱時に、僅かではあるが通常は雰囲気によって酸化され表面が脱炭する。脱炭させた線素材表面の硬さの最低値をＨｖ４２０に限定した理由は、これをＨｖ４００以下にすると、アンモニアガスによる窒化処理後の線材表面の硬さをＨｖ９００以上とするためには、処理温度５００℃の場合には処理時間を６時間以上とする必要があり、ばねの生産性が低下するからである。また、線材表面の硬さの最高値を線材横断面内部の硬さから少なくとも５０を差し引いたＨｖ値に調整することとしたのは、５０未満では量産の脱炭バラツキ内での硬さの制御が困難となり、遅れ破壊発生の危険が増すからである。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によるコイルばねは、所定値以上の内部硬さ、特に所定化学成分範囲内の高強度オイルテンパー線を使用し、遅れ破壊の起点となる線材の最表面の硬さを、オイルテンパ処理後でＨｖ４２０ないし別の所定値以下の範囲内となるように調整した。このような線材は表面の残留オーステナイトが少なく、かつコイリング後にコイル最表面に残留する引張応力も低く、遅れ破壊の発生を遅らせることができた。
【００１２】
また、一般的に、コイルばねにおいては、疲労強度を高めるために、コイリング後に窒化処理を施して表面の硬さを増すことが行われている。この場合に、線材表面の硬さが低いほど、所要の硬さとするための窒化処理時間が必然的に長びくということになる。本発明では、線材のオイルテンパ処理後の表面硬さを所定範囲内に保つことによって、アンモニアガスによる窒化処理を４５０℃〜５２０℃で２時間以内で行い、生産性を損なうことなく、製品ばねの表面硬さを所望のＨｖ９００以上とすることに成功した。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を実験に基づいて詳細に説明する。表１に本発明の実施の形態としての実験のために使用した開発材▲１▼〜▲５▼及び比較のために使用した比較材▲１▼〜▲３▼のサンプルの化学成分（重量％）を示す。表から明らかなように、比較材▲１▼、▲２▼は開発材▲１▼と、また比較材▲３▼は開発材▲４▼とそれぞれ同一の化学成分を有する。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
表２は、前記開発材▲１▼素材の表面を本発明によって脱炭させた線材を使用した開発品▲１▼及び比較材▲１▼〜▲３▼素材をそのまま使用した比較品▲１▼〜▲３▼のオイルテンパ処理後の引張強さ及びそれぞれのオイルテンパ処理条件を示す。これらの処理条件のうち、焼入れのための加熱は電気炉中で行ったが、その際の雰囲気ガスとしては、不活性ガスとしてアルゴンを、脱炭させる場合にはアルゴンと水素と空気との混合ガスを使用した。混合ガスによるサンプルの酸化、脱炭力の調整は露点の変化によることとし、露点の高低は混合する空気量によって制御した。
【００１６】
【表２】
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【００１７】
表１のサンプル（直径３．４ｍｍ）を素材として使用しそれぞれ表２の処理を施したのち、表３に示す諸元に従ってコイリングし、窒化処理及びショットピーニングの工程を経てコイルばねを製造したが、結果として得られたデータのうち、開発材▲２▼〜▲５▼を素材とする開発品▲２▼〜▲５▼については開発品▲１▼とほぼ同様であったので省略し、開発品▲１▼の結果についてのみ説明する。
【００１８】
【表３】
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【００１９】
図１には、表２の条件に従って脱炭し、又は脱炭しないで所定の熱処理を施した線材サンプルのコイリング前の表面硬さと表面の残留オーステナイトとの関係を示す。この結果によれば、開発品▲１▼では焼入れ前の脱炭処理の結果、熱処理後の表面の残留オーステナイトが減り、また表面硬さも下がっている。残留オーステナイトは、コイリング加工によって加工誘起マルテンサイトに変化してコイリング直後の表面の硬さを増し、遅れ破壊性に悪影響を与えるので低い方が好ましい。
【００２０】
図２には、表２の処理後、コイリング前のサンプルの表面硬さ（Ｈｖ）とコイリング後の表面の残留応力（ＭＰａ）の関係を示す。表面硬さが下がればコイリング後の表面残留応力も小さくなる傾向があり、開発品▲１▼では脱炭の結果、表面硬さが下がり、コイリング後の表面残留応力も小さくなっている。
【００２１】
図３には、線材サンプルのコイリング後の表面残留応力と、比重１．８９６のＨＣｌ中で応力９８ＭＰａで締め付けた場合の遅れ破壊発生時間との関係を示す。この結果によれば、コイリング前の表面硬さがＨｖ４６０であった開発品▲１▼は、表面硬さがＨｖ６１０であった比較品▲１▼よりもコイリング後の表面残留応力が小さく、遅れ破壊の発生が顕著に遅くなっている。この結果から推定すれば、コイリング後の表面残留応力を７００ＭＰａ程度にすれば、この厳しい条件下で１００時間以上経っても遅れ破壊が発生しないことになる。
【００２２】
図４には、線材サンプルのオイルテンパ後の表面硬さと、アンモニアガス中５００℃で２時間窒化処理を施したあとの表面硬さとの関係を示す。この結果によれば、線材表面の硬さが下がるほど、窒化処理後の表面硬さも下がる傾向がある。
【００２３】
この理由は、窒素は炭素と同様に侵入型固溶体を形成する元素であるため、窒化処理後の表面硬さは、線材表面に含まれている炭素量と侵入した窒素量の和によって決まる。したがって、脱炭処理によって表面近傍の炭素量を減らすほど、脱炭処理をしない材料と同じ硬さにするためには、より長時間の窒化が必要となる。
【００２４】
一般的に、ばねの耐久性は最表面の強度によって支配されるので、窒化処理では表面硬さをＨｖ９００以上に高めないと高強度化の意味がなくなるとされている。図４の結果から、窒化処理における生産性を確保するために、５００℃で２時間以内で処理し、しかも表面硬さをＨｖ９００以上とするには、窒化処理前の線材の表面硬さをＨｖ４２０以上としておく必要があることが分かる。
【００２５】
図５には、開発品▲１▼（図５のａ）と比較品▲２▼（図５のｂ）について、線材の硬さとコイリング後アンモニアガス中５００℃で２時間の窒化処理した後の硬さのそれぞれの表面からの距離に対する分布状態を示す。開発品▲１▼では、脱炭処理によって線材の表面で内部よりＨｖ値で５０以上下がっている。これによって、コイリング後の残留応力が低下するので、遅れ破壊性の阻止に対して有効である。しかし、その表面硬さはＨｖ４２０以上であるために、窒化処理後の表面硬さはＨｖ９００以上となっており、耐久性については問題がないことが明らかである。この場合に、オイルテンパ処理後の線材表面の硬さの最高値を、線材内部の硬さから少なくとも５０を差し引いたＨｖ値に調整することが必要である。その理由は、５０未満では、量産の脱炭バラツキ内での硬さの制御が困難となり、遅れ破壊の阻止が確保されないからである。
【００２６】
図６に、本発明によって製造した開発品ばね▲１▼と比較品ばね▲３▼（いずれも窒化処理、ショットピーニングを施した）の耐久試験の結果を示す。この結果から、開発品は表面を脱炭させたにもかかわらず、短時間の窒化処理によって表面の硬さが十分に高められ、引張強さに相当した耐久性が得られたことが明らかである。かくして、高強度合金炭素鋼オイルテンパー線を使用して、生産性を維持し、かつ耐遅れ破壊性を向上させつつ高強度弁ばねを製造することが可能となった。
【００２７】
上記実験は、重量％にて、Ｃ：０．４５〜０．８％、Ｓｉ：１．２〜２．５％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｃｒ：０．５〜２．０％と、Ｍｏ：０．１〜０．７％、Ｖ：０．０５〜０．６％、Ｎｉ：０．２〜２．０％、Ｎｂ：０．０１〜０．２％の中から選ばれた少なくとも一元素とを含み、残部がＦｅ及び不純物元素からなるオイルテンパー線について行ったが、本発明は一般的に合金炭素鋼からなり線材内部硬さＨｖ５５０以上を有する高強度オイルテンパー線に対して優れた効果を発揮する。
【００２８】
また、上記の窒化処理は、アンモニアガス中で５００℃で行ったが、４５０℃〜５２０℃の範囲で行っても同様の結果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】  サンプルのコイリング前の表面硬さと表面の残留オーステナイトとの関係を示すグラフである。
【図２】  サンプルのコイリング前の表面硬さとコイリング後の表面の残留応力との関係を示すグラフである。
【図３】  サンプルのコイリング後の表面の残留応力と遅れ破壊の発生時間との関係を示すグラフである。
【図４】  サンプルのコイリング前の表面硬さと窒化処理後の表面硬さとの関係を示すグラフである。
【図５】  サンプルのコイリング前の硬さと窒化処理後の硬さのそれぞれの表面からの距離に対する分布状態を示すグラフである。
【図６】  サンプルばねの耐久試験の結果を示すグラフである。
【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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【図６】
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