(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）ばねの表層を窒化処理する工程と、
（Ｂ）窒化処理されたばねの表面へ、窒化された最表層硬さ（最表面から５μｍの深さ位置でのマイクロビッカース硬さ）よりも軟らかく、かつ、硬さＨｖ５００〜８００、粒径２００〜９００μｍの硬質金属粒子を４０m/sec〜９０m/secで投射し、投射（ショットピーニング）による表層の徴細亀裂発生を防止し、圧縮残留応力をばねの内部にまで付与する工程と、
（Ｃ）前記（Ｂ）工程の後のばね表面へ、全粒子の平均径が８０μｍ以下、かつ、個々の粒子がそれぞれ平均径１０μｍ以上１００μｍ未満、形状として球形又は球に近い角張った個所のない、比重７．０〜９．０、硬さＨｖ６００以上Ｈｖ１１００以下、かつ、窒化後又は低温浸炭窒化後のばねの最表層硬さ（最表面から５μｍの深さ位置でのマイクロピッカース硬さ）以下の硬さを有する多数の徴細金属粒子を速度５０〜１９０ｍ／ｓｅｃで投射し、かつ、衝突によるばね表面窒化層の鉄地（窒素化合物層を除外）の瞬間的昇温限界を、ばね表面層の加工硬化を起こさせるが、回復再結晶による軟化が起こるよりは低温に制御しつつ投射することによって、表面層の加工硬化と微細亀裂発生防止を有効に行い高い圧縮残留応力と硬さを付与する工程とを有することを特徴とするばねの表面処理方法。
【請求項２】
（Ａ）窒化前のばね表面へ、直径１０μｍ以上１００μｍ未満かつ全粒子平均径８０μｍ以下、個々の粒子平均径１０〜８０μｍの多数の球状又はそれに近い角張る個所のない比重７．０〜９．０、硬さＨｖ３５０〜９００の鉄系などの金属粒子を５０m/sec以上１６０ｍ／ｓｅｃ以下の衝突速度であって、かつ、衝突によるばね表面の昇温限界をばねの鉄地の加工硬化を起こさせるが回復再結晶を起こさせるよりも低温に制御し、かつ、微細亀裂などを生じないように投射する工程と、
（Ｂ）前記（Ａ）工程後のばねの表層を窒化処理する工程と、
（Ｃ）窒化処理されたばねの表面へ、窒化された最表層硬さ（最表面から５μｍの深さ位置でのマイクロビッカース硬さ）よりも軟らかく、かつ、硬さＨｖ５００〜８００、粒径２００〜９００μｍの硬質金属粒子を４０m/sec〜９０m/secで投射し、投射（ショットピーニング）による表層の微細亀裂発生を防止し、圧縮残留応力をばねの内部にまで付与する工程と、
（Ｄ）前記（Ｃ）工程の後のばね表面へ、主粒子の平均径が８０μｍ以下、かつ、個々の粒子がそれぞれ平均径１０μｍ以上１００μｍ未満、形状として球形又は球に近い角張った個所のない、比重７．０〜９．０、硬さＨｖ６００以上Ｈｖ１１００以下、かつ、窒化後又は低温浸炭窒化後のばねの最表層硬さ（最表面から５μｍの深さ位置でのマイクロピッカース硬さ）以下の硬さを有する多数の微細金属粒子を速度５０〜１９０ｍ／ｓｅｃで投射し、かつ、衝突によるばね表面窒化層の鉄地（窒素化合物層を除外）の瞬間的界温限界を、ばね表面層の加工硬化を起こさせるが、回復再結晶による軟化が起こるよりは低温に制御しつつ投射することによって、表面層の加工硬化と微細亀裂発生防止を有効に行い高い圧縮残留応力と硬さを付与する工程とを有することを特徴とするばねの表面処理方法。
【請求項３】
上記請求項１の（Ｂ）の工程において、０．２から０．９ｍｍ径の硬質金属粒子の投射を寸法の大きな０．５〜０．９ｍｍ径の粒子の第一段投射と寸法の小さい０．２〜０．４ｍｍ径の第二段投射に分けて実施することを特徴とするばねの表面処理方法。
【請求項４】
円形断面線又は異形断面線から製造したばねで、請求項１の工程を必須工程とし、製造した下記（１）の化学成分鋼のコイルばねで、そのごく表層のＸ線による鉄の圧縮残留応力が１７００ＭＰａより大、かつ、ばねの疲労折損の原因となる硬質の非金属介在物、炭化物、炭窒化物及び窒化物の寸法と母地の硬さが、下記本請求項のＸ又はＹを満足し、繰返し数５×１０7における疲労強度が下記（１）式を満足する高耐疲労強度ばね。
すなわち、繰返し応力がτｍ±τａであって、τｍ＝８００−ｘの時、
τａ≧（６２０＋ｘ／５）………（１）
ここで、τｍ：平均応力、τａ：振幅応力、
ｘ：変数で０以上かつ１５０以下
単位：いずれもＭＰａ
Ｘ：ばね中に存在する、ばねの疲労折損の原因となる硬質の非金属介在物、炭化物、炭窒化物及び窒化物の寸法が２０μｍ未満ないし１５μｍ以下の時、ばね表面から０．２ｍｍ以上０．５ｍｍまでの深さ位置での母地の硬さをＨｖ５２０以上５８０以下に制御する。
Ｙ：ばね中に存在する、ばねの疲労折損の原因となる硬質の非金属介在物、炭化物、炭窒化物及び窒化物の寸法を１０ｐｍ以下に制御できた時、ばね表面から０．２ｍｍ以上０．５ｍｍまでの深さ位置での母地の硬さをＨｖ５２０以上６３０以下に制御する。
ここで、成分鋼（１）は次のとおりである。
（１）Ｃ：０．５０〜０．８０％，Ｓｉ：１．２０〜２．５％，Ｍｎ：≦１．２０，Ｎｉ：≦０．５％，Ｃｒ：≦１．８０を必須成分とし残部鉄及び不純物からなるばねにＶ：０．０３〜０．６０％を添加したばね。
（化学組成の単位：いずれも質量％）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
耐疲労特性に優れたばねとこのばねを製造するための表面処理方法技術分野本発明は内燃機関用弁ばね、自動車などのトランスミッション用クラッチばねや高強度薄板ばね等を、徴細な硬質金属粒子投射によって高性能化する表面処理方法とこの表面処理方法で製作した高性能ばねに関する。
【０００２】
【背景技術】
本発明に関連する従来技術とてしては以下のものがある。
１．特公平２−１７６０７号「金属成品の表面加工熱処理法」
この技術は、成品硬度と同等以上の硬度を有する４０〜２００μｍのショットを、速度１００m/sec以上の速度で噴射し、表面付近の温度をＡ３変態点以上に上昇させる表面加工熱処理法に関するものである。
この方法は、ワーク表面層の衝突による発熱によって被加工材のオーステナイト化と急冷却による金属組織の変態を起こさせる方法であり、本特許とは技術思想と内容が異なる。
【０００３】
２．特開平９−２７９２２９号「鋼製ワークの表面処理方法」
この公報による技術では、２０〜１００μｍφの多数の硬質金属粒子を鋼製ワーク表面へ速度８０m/sec以上で衝突させ、ワークの表面の昇温限界を１５０℃以上であって回復・再結晶温度よりは低温に制御することを主な内容としている。
この特許では、窒化のことは言及されていない。また、この特許では、金属粒子の材質の規定、例えばその比重、硬さなどの限定がほとんどなく、また、衝突速度が８０m/sec以上との限定があるが、果たしてどこに最適速度があるのか明確ではない。この特許記載の実施例では１８０m/secのみが記載されていて、効果があることは判るが、最良の条件か否かは不明といえる。
【０００４】
３．特開平１０−１１８９３０号「ばねのショットピーニング方法およびばね成品」
０．６４％Ｃ−Ｓｉ−Ｍｎ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系の鋼製ばねに窒化を施し、さらに0.5〜１．０ｍｍ径のショットでショットピーニングの後、投射材の比重が１２〜１６、粒径が０．０５〜０．２ｍｍかつ硬さがＨｖ１２００〜１６００のピーニングで、表面の残留応力σＲ＝−１９５０ＭＰａ，繰返し数５×１０7回で、疲労限度は７００±６２０ＭＰａが得られている。この疲労限度応力は、本特許の請求項４の疲労強度に達していない。
【０００５】
この特許の目的と方法は本願発明と似ている部分があるが、この特許では寸法０．０５〜０．２ｍｍ、比重12〜16で高硬度かつ高価でメーカの限られる超硬合金粒子を利用するのに対し、本順発明では０．０１〜０．０８ｍｍ径のより安価で入手容易な鉄系などの金属粒子を使用する。また、その結果得られる疲労強度も、この従来特許に比し本顆発明は優れた効果を得ることができる。
【０００６】
４．特許第２６１３６０１号（特開平１−８３６４４号）「高強度スプリング」重量でＣ０．６〜０．７％、Ｓｉ  １．２〜１．６％、Ｍｎ  ０．５〜０．８％、Ｃｒ０．５〜０．８％、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａの１種又は２種以上の合計０．０５〜０．２％、残部鉄及び不純物で、非金属介在物の大きさが最大１５μｍ以下、表面粗さＲｍａｘ１５μｍ以下、表面近傍の最大圧縮残留応力が、８５〜１１０ｋｇｆ／ｍｍ2（８３３〜１０７９ＭＰａ）であるばねが記載されている。この特許では、表層近傍の最大圧縮残留応力が１１０ｋｇｆ／ｍｍ2（＝１０７９ＭＰａ）を超えると製造が困難となること及び表面粗さの低下を招き、かえって疲労強度が低下する旨記載されている。この発明者のひとりとその他の研究開発者が、この特許出願後の１９９０年４月３日、ドイツ・デュッセルドルフでのＥＳＦ（European Spring Federation）主催のばね技術国際会議でこの発明技術で製造されたばねの性能を詳しく説明している。この論文のタイトルは自動車エンジン用高強度ばね（A High Strength Spring for Automotive Engine）で、著者はM.Abe,K.Saitoh,N.Takamura及びH.Yamamotoである。この論文に記載されている特許２６１３６０１号発明該当のばねの表層最大圧縮残留応力は同論文第９図より、約９５０ＭＰａ、最表面のそれは約８２０ＭＰａ、同論文第２表よりこのばねの表面粗さはRmax１０．６μｍである。その疲労限は、同論文第１１図より、繰返し数５×１０7回でτｍ＝５８８ＭＰａ、τａ＝±（４５０〜４８０）ＭＰａ程度である。
一方、本順発明では、表層の圧縮残留応力最大値が１０７９ＭＰａを超えてもばねの表面粗さの増大を招くことはなく、しかも、残留応力は最表面またはごく表面近傍で最大となり、表面からの疲労破壊を効果的に防止できるので、窒化をしなくても、以下の（２）式の疲労限を満足するばねを得ることが出来る。
繰返し応力τｍ±τａ，繰返し数：５×１０7として、τｍ＝６９０−ｘのとき，
τａ≧４７０＋ｘ／５………（２）
ここで、ｘ：０〜１８３、単位：ＭＰａ
【０００７】
５．特開平５−３３９７６３号「コイルばねの製造方法」
ショットピーニングによって表面粗さを低く抑えてデスケールしたのち窒化しさらに０．８ｍｍ径のカットワイヤでショットピーニングすることによって、ばねの製品で表面粗さRmaxを５μｍ以下とし、５×１０7回の応力繰返し数で、６０±５７ｋｇｆ／ｍｍ2（５８８±５５９ＭＰａ）の疲労強度を得たとの記載がある。しかし、この方法で得られた実施例記載のデータでは、疲労強度は本願請求項４の（１）式を満足していない。また、この方法特許では、本願発明のような微細粒子投射が開示されていない。
【０００８】
６．特開平７−２１４２１６号「高強度ばねの製造方法」
鉄鋼線材ばねに電解研磨を施し、その後窒化処理、さらに第一段目のショットとして硬さＨｖ６００〜８００、径が０．６〜１．０ｍｍの粒子を使用し、引き続き第二段ショットとして０．０５〜０．２ｍｍ程度の径で硬さがＨｖ７００〜９００の範囲の粒子を使用するのが良いとの記載があるが、０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍの粒子寸法に関するそれ以上の分析や解析及び考察はされていない。また、実施例では、第二段ショットとして粒径０．１５ｍｍ、硬さＨｖで８００のスチールボールを使用し、繰返し数５×１０7回におけるばねの疲労限は平均応力６３７ＭＰａ、振幅応力±５６０ＭＰａが報告されていて、本願発明の請求項４記載のばね疲労限をあらわす（１）式を満たさない。また、第二段粒子投射条件の規定が本願発明とは異なる。
【０００９】
７．特開平５−１７７５４４号「コイルばねの製造法」
この特許はばね成形後、窒化を施し、さらにショットピーニングを実施する方法である。このショットピーニングとは、まず第一段ショットピーニング、低温焼鈍、ついで第一段ショットピーニングよりも小さいショットを使用した第二段ショットピーニングを順次実施する方法である。この発明の詳細な説明欄には、第二段ショットピーニングとして寸法０．０５〜０．２０ｍｍ程度でその硬さＨｖ７００〜９００のものを使用し、それを高圧で投射することが残留応力的に好ましいと記されている。しかし、０．０５ｍｍ径の粒子投射と０．１ｍｍ径または０．２ｍｍ径の粒子投射の効果の差などについてそれ以上の詳しい解析や解説はされていなく、実施例では直径０．１ｍｍのスチールボールを使用し、Ｈｖ８００、投射圧力５ｋｇｆ／ｃｍ2の条件で第二段ショットピーニングを実施している。その結果得られた疲労限は、繰返し数５×１０7回で平均応力τｍ＝６８６ＭＰａ、振幅応力τＡ＝±５６７ＭＰａと記載されており、そのごく表層の圧縮残留応力は図３より１４００ＭＰａに達せず、いずれの値も本願発明８項を満足しない。
【００１０】
【発明の開示】
上記の従来技術欄にすでに個々の技術ごとに問題点を指摘した。従来技術では、表面窒化した比較的表層硬さの高いばねに対するショット投射方法として、５０μｍ以上２００μｍ以下の径の超硬粒子投射（従来技術３）、また、鋼製ワークの疲労特性改善に２０〜１００μｍの粒子投射は言及されており、粒子径などの限定はおおまかにされているものの（従来技術２、６及び７も同様）、真に有効かつ適切な投射方法と投射されたばねの性能の関係がかなりあいまいであった。
【００１１】
その他、従来技術３の特許では、使用する超硬粒子の値段は高く、投射粒子の経済性に問題があると推定される。また、実施例のばね疲労強度も本発明に比して低位にあることより、技術的課題を十分に解明・解決したとは考えられない。
【００１２】
従来より、内燃機関用弁ばねその他自動車用の各種ばねの小型軽量化を図ることが強く求められてきた。本発明はこのような要請を汲んで、各種ばねの疲労強度を従来以上に上昇させ、それによって自動車なとの走行性能の向上、小型軽量化による燃費改善などを実現できるばね加工方法とばねを実現することを目的とする。このような優れた性能のばねを実現するためには、高応力の繰返し下でのばね表層からの微細亀裂の発生、成長の阻止及びばね表層直下の内部に存在する非金属介在物からの微細亀裂の成長を防止することが技術課題となる。本発明請求項１と２（窒化工程あり）はこの技術課題に対応する技術であり、この技術によって生産された高性能ばねが請求項４である。これら請求項は上記の二つの技術課題に対する回答を比較的経済的に提供するものである。
【００１３】
本願発明で言う投射速度はばね表面への投射粒子衝突直前の速度のことである。粒子投射方法として本願発明は、インペラー方式と空気などのガスを担体とするホーニング方式を採用する。また、外部応力を静的又は定ひずみ状態で負荷して、ばねに粒子を投射するいわゆるストレスピーニングを採用しても微細粒子などの粒子投射効果を損なわず、むしろ表層圧縮残留応力をさらに改善し、疲労折損防止効果があるので、応力負荷で粒子を投射する方法も本願発明の方法に含まれる。ただし、ストレスピーニングには特殊な専用治具又は装置が必要であり、コスト増加をもたらす。本発明の請求項４は、ストレスピーニングではなく、応力又はひずみを付与せずに粒子投射を施されたばねに関するもので、ストレスピーニングに拠らずとも得られる高疲労強度ばねである。
【００１４】
その他、本願発明の微細粒子投射はばねを予め１００〜２５０℃程度の温度に加熱して行ってもその効果は失われず、本発明方法に含まれる。また、同様、本願請求項記載の粒子投射と次のより微細な粒子投射の間に、及び最終粒子投射工程後に１５０〜２５０℃のひずみ時効硬化処理または低温焼鈍を施すことや粒子投射後に温間／冷間セッチングを施すことも本願発明の内容に含まれる。
【００１５】
ばねの受ける応力が高くなると、ばね表層に大きな応力がかかり、表層部が応力繰返しに耐え切れずに微細亀裂を生ずる。この微細亀裂の防止には、まず、ばね表層の残留応力を圧縮状態とし、かつその絶対値を出来るだけ高めることが必要である。圧縮残留応力はその弾性限以上に付与できないが、本発明はこれを克服するため、微細粒子投射によるばね表層の加工硬化によって弾性限向上を同時に実現して、圧縮残留応力を高い水準に押し上げる。併せて、ばね表層の延靭性を損なうことなく降伏点や硬さを出来るだけ上昇させることによって、繰返し応力によるすべり変形を防止して、表層の微細亀裂の生成と成長を防止する。この他に、粒子投射によって、ばね表層に微細なへこみや亀裂を生ずると、これが疲労亀裂の元になるので、粒子投射で表層にこのような表面欠陥を作らない配慮と投射条件が必要になる。このような要件を満たすために、本発明では、１０μｍ以上１００μｍ未満の径、さらに望ましくは１０〜８０μｍ径の最適形状と物性を有する微細金属粒子を最適な速度条件で投射する。特に、本発明では、ばね表層において、Ａ３変態点を超えることなく投射速度と投射密度を上げていくと、回復・再結晶を起こさない時でもばね表層に微細な亀裂又は強加工による表層の延靭性劣化を生じて、疲労強度がより低速投射の場合よりも低下することがわかった。ばね表層でこのような微細亀裂を生じないように、かつ、Ａ３変態点よりも低温で、かつ、鉄地が回復再結晶を起こすよりも低温で、表層に加工硬化又はひずみ時効を伴う加工硬化を十分に起こすが延靭性劣化や微細亀裂を生じないように微細粒子を適切な条件で投射することによって、優れた特性のばねを得ることができる。線径が２ｍｍ程度以上または板厚が１．５ｍｍ〜２ｍｍ程度以上のばねでは、窒化後または窒化しないばねに０．２〜０．９ｍｍ径の鉄系粒子投射をして内部に深く残留応力を付与してから上記の微細粒子投射を行うことが必要である。この時、まず上記０．２〜０．９ｍｍ径の粒子投射として、まず０．５〜０．９ｍｍ径の粒子を投射、引続き０．２〜０．４ｍｍ径の粒子投射を行うことも含まれる。
【００１６】
次に、ばね表層下の内部の非金属介在物による疲労折損の防止のためには、おおまかにいって、次の三つの方法がある。そのひとつは、ばね用材料に含まれる非延性非金属介在物の寸法低減である。有害となる介在物の最小寸法（臨界寸法）は、ばねの硬さが高くなるほど小さくなり、介在物周りの鉄地の硬さがＨｖ５２０〜５８０程度の場合、２０〜１５μｍ程度であり、同じくそれがＨｖ５８０〜６３０では、１０μｍ程度である。従って、ばね材料内部に存在する非金属介在物の寸法が臨界寸法以上であれば、その最大寸法に応じてばね材料の内部硬さを規制することが必要になる。二番目の方法は、有害な非金属介在物の存在する場所の周囲の残留応力を圧縮状態に保ち、それによって介在物回りの微細亀裂の成長を防止する。このために、０．５〜０．９０ｍｍφないし１．０ｍｍφまでの比較的径の大きなラウンドカットワイヤを、速度４０〜９０m/secで投射して、ばね表面から０．２ｍｍないし０．５ｍｍの深さまで圧縮残留応力を付与することが従来より行われている。ばねの線径または板厚が１．５ないし２．０ｍｍ以上２．５ｍｍ以下の場合、０．２〜０．４ｍｍ径のラウンドカットワイヤを４０〜９０ｍ／ｓｅｃの速度で投射して、０．０６〜０．１３ｍｍ程度の深さ位置に圧縮残留応力を付与して介在物からの折損を防止することも必要である。これらのとき、投射速度が速くなると、ばね材料表層には局部的に不均一な変形領域が発生して表層に微細な凹みや亀裂を生じてばね表層からの疲労折損を起こしやすくするので、前述のようにこのような欠陥のないように投射することが必要である。このような微細亀裂などの発生を防止するには、投射速度は９０m/secを上限として、具体的なばね毎の最大投射速度を決める必要がある。また、投射速度が４０m/secを下回ると残留応力付与効果が小さくなり十分に深くまで付与できないので下限速度は４０m/secとした。
【００１７】
第三の方法は介在物を含むばね用材料の硬さを下げることであるが、硬さをむやみに下げると、ばねの重要な特性のひとつであるへたりが大きくなり、ばね性能が損なわれるので、この方法はむやみに採用できない。このため、本願発明の請求項４では、０．２〜０．５ｍｍ深さの位置における硬さが少なくともＨｖ５２０以上となるようにする。通常、介在物を起点とするばねの疲労破壊はばね表面からの深さ０．２〜０．５ｍｍで起こり、この深さ領域の鉄地の硬さと疲労強度は密接な関係がある。有害な炭化物、窒化物、硼化物などを含む介在物の破壊破面における平均寸法を２０μｍ未満ないし１５μｍ程度以下になるように製鋼工場での介在物制御と製線工場での熱処理などでの炭化物などの寸法制御をすることによって、この深さ領域における硬さがＨｖ５２０〜５８０の場合、介在物などによる疲労破壊は防止できる。介在物のばね破断面での平均寸法が１０μｍ以下となるように制御できれば、表面から０．２〜０．５ｍｍ深さ位置における硬さが、Ｈｖ６３０以下で介在物などによる疲労祈損を防止できるので、本願発明請求項４では０．２〜０．５ｍｍ深さ位置における硬さをＨｖ６３０以下に限定する。
【００１８】
上記の介在物含有状態は、ばね用材料の種類によっても変わる。すなわち、一般的にＳｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂ，Ｗ，Ａｌなどの合金添加量の増大は、ばね用鉄鋼材料の非延性非金属介在物のレベルを悪化することがある。ピアノ線の場合、現状の技術で10μｍ以上の介在物はほぼ皆無のことが多い。弁ばね用合金網オイルテンパー線の場合、有害な介在物としてＡｌ2Ｏ3（アルミナ）、ＭｇＯ・Ａｌ2Ｏ3（スピネル）、ＳｉＯ2（シリカ）などがある。これらの硬質の非延性酸化物系介在物は、製鋼時の延性介在物への形態制御によって無害化できる。一方、ＶＣ，ＮｂＣ，ＴｉＣ，ＴｉＮなどの炭化物又は窒化物又は炭窒化物は球状又は角張った形状を保つので、Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉなどの元素を比較的多く含むばね用鋼材の場合、この対策として、圧延、焼鈍の加熱条件の検討、製鋼段階での原材料からのＴｉなどの混入防止、などの方策によって無害化又はその生成防止を図らねばならない。有害介在物の存在によるばねの疲労折損防止には、ばね用鋼材に含まれるＶ，Ｎｂ，Ｔｉなどの含有量を極力低減させることが望ましいが、請求項４の成分鋼（１）ではＶ及び／又はＮｂはそれぞれ０．０３〜０．６０％、０．０２〜０．２０％の添加で結晶粒微細化に有効でばねの延靭性を改善するとともに、窒化を促進する。成分鋼（１）に添加されるＮｉはばね鋼の延靭性改善効果があり、高強度に調質されたばねの疲労損傷防止及び疲労亀裂伝播防止にも有効と考えられる。しかし、０．５％を超えると、線材及び線の加工において、残留オーステナイトを生成しやすくなり、かえって製造途中のばね鋼の延靭性を低下させるので、上限を０．５％とした。また、成分鋼（１）へのＣｏ添加はパーライト変態などの高温からの冷却時の変態時間を減少させ、線の製造中における金属組織を冷間加工性の良い微細パーライトにさせるなどの効果をもたらし、線の製造を容易にする。しかし、３．０％を超えて添加しても、経済的に高価な元素であり、費用の割に効果が少なくなるので、添加量上限は３．０％とした。
【００１９】
請求項４の成分鋼（１）または（２）に対して、Ｍｏ，Ｃｒ及びＡｌの添加はいずれもばね窒化時の窒素進入を促進する。いずれの元素もその添加量が増え過ぎると、ばねのごく表面に窒素化合物が析出してばね内部の深さ方向への拡散浸透が妨げられて、ばねの疲労耐久性向上効果が小さくなる。このため、本発明では、Ｍｏ，Ｃｒ及びＡｌの添加量上限をそれぞれ質量％で０．６％、１．８％及び０．５％とした。Ｗは耐熱性を高め、ばねの脱炭防止に有効であるが、成分鋼（１）または（２）に０．５％を超えて添加すると焼入れ性が過度になって焼きなまし回数が増えるなど、製造上の煩雑さとコストアップが顕著になるのでその上限を０．５％とする。成分綱（１）で、Ｃは鋼の強度を回上させ、疲労強度のためにも必要であり、０．５％を下回るとその効果が小さくなるので、その下限を０．５％とする。
【００２０】
また、Ｃが０．８％を超えると強さ向上効果が小さくなり脆性を示すようになるので、その上限を０．８％とした。なお、表層に脱炭層があっても、その程度が極端でなければ、窒化によって硬さは補償されるので、このような脱炭した材料も本願発明の方法を適用できる。Ｓｉはばねの強さと耐へたり性に良い効果を発揮する。また、焼入れ焼戻しされて強化するばねでは、１．２％より少量では効果が小さく、２．５％を超えると製造時の脱炭助長や延靭性劣化による加工性に問題が生じやすいので、その下限と上限は成分綱（１）において１．２％及び２．５％とする。
【００２１】
このほか、本発明では請求項４の（４）の成分を有するマルエージング鋼でも疲労強度向上効果があるので、これを（４）として請求範囲に含めた。
【００２２】
マルエージング鋼は８００〜９００℃程度の高温加熱による合金元素溶体化とオーステナイト化（溶体化）処理、冷却によって比較的軟らかいマルチンサイトとなり、これに冷間で伸線処理を施し、加工硬化させてからばね成形をする。このあと５００℃近傍で時効処理を施し強さとばね性を得る。この後に窒化処理を施して請求項１または２記載の方法で疲労強度を高めることができる。
【００２３】
マルエージング鋼ばねは低合金鋼線ばねに比して優れた耐へたり性を有するので、時効後の引張強さは１９００ＭＰａ以上でその性能が発揮でき、とくに耐へたり性と耐疲労性を要求される用途に適している。なお、溶体化処理とは、ステンレス綱や高マンガン鋼などの高合金鋼に適用される熱処理であって、炭化物などを高温で固溶（鋼の組織の中に溶け込ませる）させた状態から急冷して、析出物を再析出せずに常温にもたらす熱処理である。
【００２４】
本発明は、（１）加工工程で窒化（窒素添加が主目的の低温浸炭窒化も含む）処理するばね（請求項４）とその製造方法（請求項１、２、３）からなっている。
【００２５】
（１）の窒化処理するばねでは、窒化前に行うデスケール処理方法として、酸洗、電解研磨、ショットピーニングなどが従来より知られている。酸洗ではばね表面の水素脆性による微細亀裂生成などの問題があり、本発明には適さない。電解研磨は大量生産に適用するにはその装置が大掛かりになるなどの問題点を有するので、本発明では窒化前のデスケールに、ショットピーニング（粒子投射）を取り上げたが、有害な表面の微細亀裂や局所的せん断変形帯を発生しないようにその投射速度、投射粒子径などを調整する必要がある。窒化前の粒子投射によるこのような表層欠陥は、窒化処理後も消滅せずに残る。窒化前のデスケールのために粒子投射を施す場合、比較的深くまでかっ比較的低温で窒化を促進するには、材質は綱系などで、０．３〜０．８ｍｍの比較的大きな粒子をばね表面層に４０〜９０ｍ／ｓｅｃのいずれかの速度で損傷を与えないように投射するのがよい。また、ばねに応力がかかった時に、ばね端末近くの隣合う線同士が接触を起しやすいが、このような線間接触部にデスケーリングを十分に起こさせて窒化時に窒素の進入を促進して、ばね端末近傍からの疲労破壊を防止するには、上記0.3〜0.8ｍｍ粒子投射のあとに１０μｍ以上１００μｍ未満、さらに望ましくは１０〜８０μｍ径の微細粒子投射が効果を発揮することが判った。この時の投射条件として、表層に疲労に有害な微細亀裂や局所的変形帯をせずに微細粒子投射をするには、その投射速度は５０〜１６０ｍ／ｓｅｃ、さらに望ましくは６０〜１４０ｍ／ｓｅｃにし、さらに微細粒子投射時のばね表層温度を回復・再結晶を起こすより低温に制御することが、表層欠陥防止に有効であることがわかった。窒化温度が５００℃以下４５０℃程度以上では、微細粒子投射による表面塑性変形域の深さは比較的浅いが、窒素は０．３〜０．８ｍｍ径の粒子投射と遜色のない深さまで進入することがわかったので、０．３〜０．８ｍｍの粒子投射をせずに微細粒子投射のみを施すことも有効である。請求項２はこのような目的と理由でその投射条件を限定した。
【００２６】
窒化処理または低温浸炭窒化処理は５００℃程度以下の温度で実施され、主として窒素、場合により一部炭素も付加してばね表層部に導入する処理であり、ばね表層部における窒素（場合により炭素も少量）侵入の結果、圧縮残留応力を表層部に高く付与する。本願発明の微細粒子投射は窒化後のばね表面硬さＨｖ800〜１１００程度の比較的硬いばねにも効果がよく認められる。窒化後の０．２〜０．９ｍｍ径の粒子投射は圧縮残留応力の深さを窒化のままよりもさらに深い位置まで持ち来す。このため、表面近傍から０．５ｍｍ深さ位置での非金属介在物や微細亀裂からの疲労破壊を防止する効果を発揮する。
【００２７】
上記のように比較的大きな０．２〜０．９ｍｍ径の鉄系粒子投射後に、さらに本願発明の微細金屈粒子の最適条件での投射によって、表層からと内部非金属介在物からの疲労折損を高応力での繰返し負荷下でも防止できる。
【００２８】
窒化後の粒子投射は、まず、硬さＨｖ５００〜８００であって、かつ、処理されたばねの最表層硬さ（最表面から５μｍ程度の深さ位置でのマイクロビッカース硬さ）よりも軟らかく、粒子径２００〜９００μｍの鋼などの硬質金属粒子を４０m/sec〜９０m/secで投射し、これにより表層の有害な微細亀裂生成を防止しつつ圧縮残留応力をばねの比較的内部まで付与するか（請求項１及び２）、または、0.5〜0.9ｍｍ径の硬さＨｖ５００〜８００の粒子投射を実施し、さらに0.2〜0.4ｍｍ径の硬さＨｖ５００〜８００の粒子投射をして、表層の有害な微細亀裂などを防止しつつ比較的表層近くを含む内部の圧縮残留応力を高く付与する（請求項３）。
【００２９】
これに引き続き、硬さＨｖ６００以上Ｈｖ１１００以下、かつ、上記粒子投射前の窒化ままのばね最表層硬さと同等又は同等以下の硬さを有する、全投射粒子平均径８０μｍ以下、個々の粒子の平均径１０μｍ以上１００ｐｍ未満、さらに望ましくは全粒子の平均径６５μｍ以下、個々の粒子平均径１０〜８０μｍ、比重７．０〜９．０、形状として球形又は球形に比較的近い金属粒子を速度５０〜１９０m/secの速度で、また、さらに望ましくは、速度６０m/sec〜１４０m/secで投射する（本願発明のこのような微細硬質金属粒子投射技術を、以下、ＳＳ処理と呼ぶ）。
【００３０】
図１はＣ：０．６０％，．Ｓｉ：１．４５％，Ｍｎ：０．６８％，Ｎｉ：０．２８％，Ｃｒ：０．８５％，Ｖ：０．０７％（単位：質量％）を含有するばね鋼に窒化後、０．６ｍｍ径の高炭素鋼粒子（硬さＨｖ５５０）を速度７０m/secで投射した表面硬さＨｖ９３０のばね表面への、投射微細粒子による衝突速度が投射も後の表面近傍の圧縮残留応力に及ぼす影響を求めた実験結果であり、最表層と表層１０μｍ深さでの圧縮残留応力を共に１９００（Ｎ／ｍｍ2）以上の高応力とする衝突速度が９５m/sec前後で最適であることが分かる。ここで、投射粒子の呼称径は５０μｍで、ｎ＝６０個の測定で全粒子平均径は初期品（新品）で約63μｍ、最大粒子の平均径は80μｍ以下、最小粒子平均径は50μｍ、個々の粒子それぞれの最大／最小径比１．１以下が大半でごく一部に1.5以上の粒子が混在するが角張った鋭いエッジを持たない球形または球形に近い楕円球粒子であって、平均硬さはＨｖ８６０、比重８．２であった。また、温度制御に関しては、衝突によるばね表面窒化層の鉄地（窒素化合物層を除外）の瞬間的昇温限界を、窒素原子との相互作用下で有効に加工硬化を起こさせるが、ばね表面層の回復再結晶による軟化が起こるよりは低温に制御しつつ投射した。このような温度制御がなされていることの確認は、ショット後の試料ワーク表層の、マイクロビッカース硬さ測定や電子顕微鏡にる高倍率組織観察などの手法でなされる。
【００３１】
前記実験の結果を示す図１から分かるように、速度ｖ＝９０〜１５２m/secの問で、表層近傍（最表層〜１０μｍ深さ）の最大圧縮残留応力値は１８００ＭＰａを超え、良好な分布を示した。特に、ｖ＝９０m/secの条件では最表面の圧縮残留応力はほぼ２０００ＭＰａとなり、分布も良好で、疲労強度向上効果が大きいことが分かる。すなわち、ｖ≦１５２m/sec、全粒子平均径６３μｍの高速度鋼粒子投射では、ワーク表面近傍に局部的な断熱せん断帯や窒化化合物層のクラックなどの、疲労寿命を阻害する可能性のある欠陥は殆ど発生しないのである。
【００３２】
しかし、同じ粒子投射でも速度が１７０〜１９０m/secを越えると、表面近傍に微細亀裂や強変形帯が出現するとともに、残留応力もより低速の場合より低下する。このため、本発明では、微粒子投射速度の上限を１９０m/secとした。ここで、微細粒子投射速度が１９０m/secより速くなると、窒化表面に微細亀裂が生成するか、あるいは、表層の加工脆化によって疲労耐久向上効果が小さくなる。
【００３３】
また、この微細粒子寸法のばね疲労強度に及ぼす影響は、投射粒子の中に、角張った鋭い角片状の粒子が存在すると、疲労強度向上効果が少なくなり、また、平均径が１００μｍ以上の大きな粒子が混在すると、疲労強度向上効果が損なわれる。さらに、最表層と１０μｍ深さの応力曲線が交差する点におけるショット速度は９５m/secであるが、この交差点の前後２０％のショット速度（７６〜１１４m/sec）では表層圧縮残留応力が１８００ＭＰａ以上となり、比較的厚い表層範囲で大きな圧縮残留応力を形成可能であることが分かる。なお、１０μｍ深さまでの表面層の圧縮残留応力が最大値を得る条件よりも低速側で疲労強度向上がより期待され、投射速度６０ｍ／ｓｅｃ以上で残留応力は１７００ＭＰａ程度以上で良好な疲労試験結果が得られる。また、投射速度が１３０〜１５０ｍ／ｓｅｃ、平均１４０ｍ／ｓｅｃ以下でも同様に疲労特性に特によい結果が期待されるので、望ましい速度として６０〜１４０ｍ／ｓｅｃを本願発明の範囲とする。
【００３４】
上記全粒子平均径６３μｍの微粒子投射速度が９０ｍ／ｓｅｃ、１９０ｍ／ｓｅｃの場合の残留応力分布を図２に示す。
【００３５】
次に、粒子の硬さを少し下げてＨｖ７００とし、全粒子平均粒径は呼称５０μｍ、実質４０μｍ、最大粒子径が約７５μｍの鋼粒子を使用して前記と同様の実験を行った。この結果、速度１９０m/secの場合、高速度鋼粒子投射と同様、化合物層のミクロクラック発生と一部剥落が認められた。また、速度ｖ＝６０m/secから１４０m/secの場合、表層近傍の最大圧縮残留応力は上記の高速度鋼粒子投射のときよりやや小さいものの１７００ＭＰａを超える値を示し、耐久性向上に大きな効果が期待できることが分かった。この時使用した供試窒化ばねの表面硬さはＨｖ９３０程度である。微細粒子投射完了後のばね表層硬さは微増のＨｖ９５０程度に止まったが、上述のように、ワーク最表層硬さと同等以下の便さの粒子投射でワーク表屠に大きな圧縮残留応力が形成されることが確認された。図３は高強度弁ばね用オイルテンパー線に窒化処理後、０．６ｍｍの高炭素調粒子投射を施した図１の試験で供試したと同じばねに寸法の異なる粒子投射をして、横軸に投射粒子初期呼称径（袋入り新品に表示の呼称径）を取り、縦軸に表面の圧縮残留応力をとって整理した図である。いずれも投射粒子の材質は比重８．２の高速度鋼で、粒子の初期平均硬さは呼称径５０μｍでＨｖ８６０（初期の全粒子平均径は実測でほぼ63μｍ）、呼称径が大きくなるとともに低下し、呼称径２００μｍでＨｖ７７０である。なお、図中の数字は粒子のばね表面への衝突速度（単位：m/sec）である。この図から、呼称径１００μｍ粒子投射では、５０μｍの場合に比べて表面の圧縮残留応力付与効果は大幅に低下することが明らかである。なお、呼称径１００μｍの新品粒子の中で、最大粒子の平均径は１２５μｍ、同じく新品の呼称径５０μｍの粒子中の最大粒子平均径は８０μｍであった（いずれもｎ＝６０の測定結果）。いずれの粒子も鋭い角を持たず、主として球状で、一部、球に比較的近い楕円球形状であった。
【００３６】
形状が鋭い辺を有する微粒子は疲労を阻害する傾向をもたらすので望ましくない。また、たとえば、平均径４４μｍの微細粒子個々の粒子径ばらつきが大きく、その中に９０以上１０５μｍ以下の寸法の粒子が数％以上混在している場合、疲労強度向上効果は平均径４４μｍ、最大粒子径が約７５μｍの場合に比べて少ない。このように、ばねの疲労強度向上効果は、全投射粒子の平均径も影響するが、それ以外に、最大粒子径が大きな粒子の混在が疲労強度を阻害する。そのため、本特許では、実質、８０μｍより大きな粒子の混在は疲労強度向上効果はあるもののその効果の程度が低下するため、上限の寸法を１００μｍ未満、さらに望ましくは８０μｍとする。なお、個々の投射粒子の平均径が全粒子の平均径もしくは公称径よりも小さい粒子は、その形状が、角張らず、比重７．０〜９．０、硬さＨｖ７００以上、１１００以下の球状又はそれに近い場合は、投射効果を阻害しない。むしろ、個々の粒子平均径が50μｍより小さくなるとばね極表層の硬さと圧縮残留応力上昇に有効である。しかし、粒子径が小さくなるにつれて硬さと残留応力の影響厚さが減少するので、本発明の処理方法（請求項１と２）では全粒子平均径20μｍ以上を望ましい条件とする。また、１０μｍ以下の微小粒子は、比較的少量混在しても、形状、比重等の特徴が請求項記載の粒子に準ずるものは、投射効果に悪影響はない。なお、投射粒子呼称径が小さくなるとともに、一般的に、その寸法のばらつきなく粒子を生産または使用するのは困難となる。従って、呼称径が決まっても、実際には粒子寸法は分布を持ち、この分布を加味して粒子を選定しないと良い効果が得られない。
【００３７】
窒化によって、表層の硬さがＨｖ８５０程度以上である場合、硬さが同等以下の粒子であっても、衝突時に粒子の持つ運動エネルギーの一部はばね表層の変形に費やされ、このため、表層の温度も瞬間的であるが上昇する。これによって、窒化されたばね表層部の降伏と塑性変形が進行し、固溶窒素原子と運動転位との相互作用による転位増殖の促進と転位固着による硬化が進行すると考えられる。
【００３８】
微細粒子の硬さがＨｖ６００より低くなるとばね表層における残留応力生成効率が小さくなるのでその下限をＨｖ６００とする。ただし、Ｈｖ５００〜６００であればばね表層の変形と圧縮残留応力形成は可能であるので、場合によって、下限の硬さをＨｖ５００以上としてもよい。投射粒子の硬さが窒化されたばね表面の硬さよりも硬くなると、ばね表面からの微細亀裂を生成する傾向を生じてばねの疲労強度を損なうので、ここでは粒子の硬さ上限をばねの表面硬さと同等以下とする。
【００３９】
ここで「窒素原子との相互作用下での加工硬化」について説明することとする。窒化されたばね鋼材表面には、イプシロン鉄窒化物などの鉄系窒素化合物が形成されることがある。さらにその内部には、鋼中に拡散浸透した窒素原子の一部によって比較的微細な鉄窒化物が形成されて硬さ上昇に奇与する。しかし、これら以外にも鉄地中には固溶した窒素が存在し、この固溶窒素はそれ自体で硬さ上昇と圧縮残留応力同上に寄与する。この固溶窒素は、ＳＳ処理の時には型性変形に対する抵抗となるが、ワーク表層が塑性変形を開始すると、転位が運動すると共に発熱の影響を受けて、窒素原子の鉄中の拡散速度が上昇する過程で、転位の少なくとも一部を固着し、転位増殖を促して転位セル（サブグレイン）を微細化する。これによって、ばね使用時の表層の繰返し応力によるすべり変形帯の発生を防止し、その結果として疲労破壊の微小亀裂生成を防止すると考えられる。窒素は炭素に比較してその固溶度ははるかに大きく、しかも鋼中のマンガンやシリコンなどとの共存によってその固溶度は鉄−窒素二元系の場合の固溶度よりもはるかに大きくなると考えられる。この点からもばね鋼に対する窒化とその後のＳＳ処理は、ばね特性向上のために非常に有効であるといえる。
【００４０】
以上のような投射粒子寸法の影響をふまえ、本願発明では初期全粒子平均径を８０μｍ以下、かつ個々の粒子が１０μｍ以上１００μｍ未満、形状として、角張らず、球形またはそれに近い形状で、安価で入手の容易な鉄鋼系の材質を主に考えて比重７．０〜９．０、硬さはＨｖ６００〜１１００、かつ、ばね表層の粒子投射前の硬さと同等以下とする。さらに望ましくは、初期全粒子平均径65ないし50〜20μｍ、個々の粒子それぞれの平均径を80μｍ以下とする。
【００４１】
次に、（２）の窒化（及び低温浸炭窒化）を施さないばねの疲労強度向上に関する本発明方法の手段について記す。
【００４２】
従来から窒化又は低温での浸炭窒化処理によらずに、ばね表面の圧縮残留応力を上げるには、（ｉ）従来よりも高強度の材料を使用してショットピーニングの改善・工夫をするか（ｉｉ）従来と同じ材料を使用してショットピーニングの改善・工夫をする場合がある。（ｉ）及び（ｉｉ）のショットピーニング方法の改善としては、ばねに予め応力を負荷して粒子投射を施す方法（ストレスピーニング）や２〜３段に分けて粒子投射を施し、順次投射粒子径を小さくする方法、ばねを温間に加熱した状態で粒子投射を施す方法などが知られている。ばねが高強度になるに従い、その弾性限が向上するので、より高い残留応力が付与できる。
【００４３】
しかし、たとえば、既述の従来技術４、特開昭６４−８３６４４号「高強度スプリング」に記載されているように、ＪＩＳ規格Ｇ３５６１（１９９４）に規定されている弁ばね用シリコンクロム鋼オイルテンパー線の引張強さよりも高い引張強さを有し、その化学成分も上記ＪＩＳ規格と異なる高強度オイルテンパー線に対して、表層近傍の圧縮残留応力を従来の技術で１０７９ＭＰａ（１１０ｋｇｆ／ｍｍ2）以上に付与すれば、ばね特性の信頼性も低下するのは、残留応力以外に表面の微細亀裂生成などが関係するためと考えられる。
【００４４】
成形して調質された、表層の硬さＨｖ４００〜７５０であるばねの表面へ、（Ａ）硬さＨｖ３５０〜９００であって、粒径２００〜９００μｍの硬質金属粒子を速度４０m/sec〜９０m/secで投射し、これにより表層の有害な微細亀裂の発生を防止しつつ圧縮残留応力をばねの比較的内部まで付与する工程と、（Ｂ）前記（Ａ）工程の後のばね表面へ上記請求項３記載の表面処理方法を施す工程、を有することを特徴とする表層に疲労強度を阻害する有害な微小亀裂などを生成せず、表面から３０ないし５０μｍ以下の表層部の硬さと圧縮残留応力を特に向上させるばねの耐久性改善を図る表面処理方法の（Ｂ）工程で、投射微細粒子材質が高炭素鋼または高速度鋼などでばねと類似材質であるため、ばねと同等の弾性係数であるので、弾性変形がばね表層と投射粒子に同時に分配されて起こること及び粒子形状が角張らず、微細であることが、疲労強度を阻害する微細亀裂の生成や過度の表層加工を抑制する一因と考えられる。このように表面の圧縮残留応力が徴細粒子投射で大きく上昇するのは、表層での大きな塑性変形による転位の導入と、導入された多数の転位の炭素原子による固着が粒子投射毎に繰返し進行することが関係している。すなわち、炭素原子の供給は、もともと欽炭化物の形でばね用材料に存在した炭素が、微細粒子投射によるごく短時間の高圧力と温度上昇によって熱力学的に不安定となり、その一部が短時間で分解して、その結果自由になった炭素原子が転位の周りに拡散して転位の弾性応力場を緩和するとともに転位の移動の抵抗となって、転位の増殖を促進する。このため、転位セル構造が微細化され、靭延性を損なわずに表層の硬化と高い圧縮残留応力を付与する。ただし、請求項４の（４）のほとんど炭素を含まないマルエージング鋼では、微細粒子投射による表面近傍の圧縮残留応力増加と硬さの増加は、上記の鉄炭化物の分解よりも、転位密度の増加が主として寄与する（窒化している場合は窒素化合物の分解と転位固着による転位の易動度低下が転位密度増加と転位固着を進める）と考えられる。
【００４５】
図４は、Ｃ：０．５７％，Ｓｉ：１．５％，Ｍｎ：０．７％，Ｃｒ：０．６８％（単位はいずれも質量％）、残部不純物及び鉄よりなる微細パーライト組織の冷間伸線、その後冷間圧延仕上げの厚さ０．９７ｍｍ、平均表面硬さＨｖ５３７〜５８９の板の曲げ疲労強度に及ぼす呼称５０μｍ径（ｎ＝６０個の実測で、高炭素鋼粒子の初期平均硬さＨｖ８６５、比重７．５、全粒子平均径は37μｍ、個々の粒子の平均径は１０〜７５μｍに分布しており、いずれも球形またはそれに近く、鋭いエッジはない。高速度鋼粒子の初期平均硬さＨｖ８６０、比重８．２、全粒子平均径は６３μｍ、最大粒子平均径８０μｍ、最小粒子平均径５０μｍ）の鉄系微粒子投射速度が投射後の疲労強度に及ぼす影響を整理したものである。この場合、衝突速度が１００m/secのあたりに最適投射速度があることがわかる。粒子投射による衝突速度が１０７m/sec及び１８３m/secの高炭素鋼粒子投射では、最表面の圧縮残留応力はいずれも９５０ＭＰａであった。それにも関わらず、前者の疲労強度が後者より高いのは、残留応力以外に表層の微細亀裂発生又はばね表面の延靭性が関係することを示す。すなわち、投射速度が１８３m/secの場合、ばね表層の微細亀裂生成、延靭性の劣化を招いたと考えられる。このように速度が１８３ｍ／ｓｅｃになると、疲労強度改善効果が認められるものの、投射速度160ｍ／ｓｅｃ以下の場合よりもその効果は小である。投射速度が50ｍ／ｓｅｃを下回ると疲労強度改善効果は小さくなるので、これを下限とした。さらに望ましくは60ｍ／ｓｅｃを下限速度とした。また、投射粒子の全粒子平均径を変化させて、上記と同一材質の粒子投射を図４の被加工ばねと同じばねに施した。その結果、投射粒子の新品での呼称径が１００μｍ、２００μｍ、３００μｍと大きくなるにつれ、粒子投射後のばねの疲労強度は大幅に低下した（図５）。粒子寸法が大きくなるにつれて疲労強度向上効果が小さくなるのは、ごく表層の圧縮残留応力付与効果の低下と硬さ上昇程度の低下などによると考えられる。このため、本願発明では投射粒子の全平均径は８０μｍ以下、かつ、個々の粒子の平均径は１００μｍ未満とする。これを超えると、効果はあるものの有効性は低下する。
【００４６】
窒化しないばね表面への投射金属粒子の最小平均粒径を１０μｍとしたのは、それ以下では投射による圧縮残留応力の深さが数μｍ以下となり、十分な圧縮残留応力が得られる深さが浅くなることによる。ただし、１０μｍ以下の径の粒子が混在しても、少量であれば品質上の問題はない。また最大平均粒径を１００μｍ未満としたのは、それ以上の粒径では表層の残留応力と硬さ改善効果が小さくなるためである。
【００４７】
全投射粒子の最大平均寸法を８０μｍとしたのは、全粒子平均寸法１００μｍの場合よりもその耐久性向上効果が大なるためである。比重７．０〜９．０としたのは、比較的安価かつ容易に入手できる鉄鋼材料で作られた粒子の活用を狙ったものである。鋼製ばねの弾性係数の約１９６ＧＮ／m2に比べて、超硬合金では４５０〜６５０ＧＮ／m2であり、弾性変形及び型性変形は投射された粒子よりもむしろ、被投射ばね表面層に集中することになる。このため、超硬合金では、表面の凹凸が比較的大きくなり、また、断熱せん断変形帯などの不均一変形が比較的発生しやすくなる。過度に変形が被加工材であるばねに集中するのを避ける目的もあり、鉄系粒子使用を意図してその密度を７．０〜９．０に設定する。
【００４８】
また、窒化しないばねに対する投射粒子の硬さ下限をＨｖ３５０としたのは、被加工材ばね表面の硬さとして、Ｈｖ４００〜６００のばねが多いが、被加工材硬さよりもやや軟らかい粒子投射でも効果が発揮されるためである。
【００４９】
また、投射粒子硬さ上限をＨｖ１１００としたのは、比較的安価に入手できる鋼製粒子の硬さの上限としてＨｖ１１００が設定できるのと、硬さがＨｖ１１００以下では、耐疲労性向上効果が十分に認められるためである。
【００５０】
粒径１０から１００μｍ未満、比重７．０〜９．０、硬さＨｖ３５０〜１１００の硬質金属粒子の投射速度下限を５０m/secとする理由は、それ以下では、投射エネルギー/粒子投影面積が不足して、十分な耐久性改善が出来ないためである。また、上記粒子の投射速度の上限を１６０m/secとしたのは、それを超える速度では投射エネルギー/粒子投影面積が過大となり、ばね表層の圧縮残留応力がそれ以下の速度よりも低下するとともに、表層の微小亀裂生成が促進されて、ばねの耐久性向上効果が消費エネルギーの割に低下するためである。
【００５１】
前述の図４、図５などに対応する窒化されていない薄板ばねのサンプルで、全粒子平均径３７μｍ、硬さＨｖ８６５の高炭素鋼粒子を９０m/secの速度で投射し、最終工程の２３０℃の低温焼なましを省略したばねと、同じ加工工程で最終の低温焼なましを実施したばねに１６０℃でへたり試験を実施した。その結果、最終の２３０℃の低温焼なましを省略したばねのへたりは、それを実施したばねと同等であり、すぐれた耐へたり性であった。他方、０．３ｍｍ径のスチールショットを速度１００m/secで投射したばねサンプルでは、最終の低温焼きなましを施したほうが実施しないサンプルより良好な耐へたり性であった。
この原因は、前者では鋼中の炭化物の変形が後者よりも激しく起こり、これに助けられて分解した遊離炭素原子が比較的多く、この遊離炭素が１６０℃のクリープ試験中の転位の移動阻止効果を有効に発揮したためと考えられる。ただし、上記の２３０℃の低温焼きなまし有無の２種類のばねに室温で短時間のセッチングを同一応力条件で施すと、セッチングへたりは低温焼きなましを施さないばねのほうが、それを施したばねよりも大きかった。
このことから、微細硬質金属粒子投射だけでは、投射でばね表層に生成した転位の固着が不充分であることが分かる。また、前記の１６０℃のへたり試験のへたりが、あらかじめ施す２３０℃の低温焼きなましの有無にかかわらないのは、微細硬質金属粒子投射によって、０．３ｍｍ径の金属粒子投射よりもばね表層部の鉄炭化物、セメンタイトの変形と消滅が促進され、１６０℃に昇温された時に分解した炭素原子による歪時効が短時間に進行することを意味している。ただし、粒子投射によるばね表層の瞬間的発熱による温度上昇は、同一投射速度であれば、投射粒子の直径にほぼ反比例すると推定される。これは、同一粒子硬さ、同一ばね材質であれば、衝突によるばね表層の変形に要する時間は粒子径に比例するが、粒子径が小さくなると、変形に要する時間が短くなり、変形中の変形熱が変形領域の外へ逃散する時間が短くなる結果、変形領域の温度が上昇するからと考えられる（バウデン・テイバー著、曽田範宗訳、固体の摩擦と潤滑、第４版、丸善、昭和５０年発行、２５６頁の説明と（８）式参照。ここでは衝突物体の接触時間は、（質量Ｍ／粒子半径ｒ）の平方根、√（Ｍ／ｒ）に比例するとの説明がある。これによると、√（Ｍ／ｒ）∝ｒであるので、結局接触時間はｒに比例する。）。
【００５２】
本発明の微細粒子投射によるばね表層では、衝突、変形による発熱と炭素、窒素原子によるひずみ時効硬化が０．３ｍｍ径の粒子よりもよりよく進行しているものと考えられる。また、セメンタイトが変形されるのは、セメンタイトは温度が上昇するほど変形抵抗が小さくなる特性を持つことが一因と考えられる。なお、徴細粒子投射速度が１８０ｍ／ｓｅｃ程度では、セメンタイトが変形、一部消滅するとともに、分断が促進される。セメンタイト分断は変形により生成、移動する鉄中の転位運動阻止効果を小さくするので、投射速度とともに表面残留応力が低下する一因となると考えられる。なお、本発明で使用される投射徴細粒子の平均粒径に対して、その寸法ばらつきが大きくなって、より寸法の大きな粒子の比率が高まると、耐久性向上効果が小さくなる。このため、最大粒子平均径は、実質、１００μｍ未満、また、望ましくは８０μｍ以下とする必要がある。
【００５３】
本発明の微細粒子投射によるその他の作用効果として、微細粒子投射によるばね変形の減少を実現でき、この結果として、大量生産でばねの寸法ばらつきの発生を小さく出来ることが判明した。この理由は、本発明の微細粒子投射の影響層が比較的薄く、これがばねの大変形を抑制すること、及び微細粒子投射時に本発明では比較的低速の粒子衝突によっているため、より高速投射に比べて投射速度ばらつきが小さくできることが推定できる（図６）。
【００５４】
このように処理した高炭素鋼製ばねの表面層を透過電子顕微鏡によって観察すると、表面の変形による変形帯のなかに非常に微細かつ湾曲を伴う微細組織（サブグレイン）の発達と、セメンタイト析出物の一部の分断とその間隔の微細化及び鉄中の転位増加が認められるが、本発明の最適投射速度で微細粒子を投射した場合、セメンタイト分断は殆ど起こらない。また、回復再結晶による明瞭な微細組織（ポリゴン化組織）はまったく観察されなかった。また、マルテンサイトやペイナイトという過冷却組織も認められなかった。
【００５５】
なお、比較的線径又は板厚の大きなばね、具体的には線ばねでは１．５ないし２．０ｍｍ以上の線径では多段ショットピーニングによってその表層のかなり内部まで圧縮残留応力を付与することが有効であり、自動車等の内燃機関用弁ばねのような用途で広く実施されている。［００４４］段の１−７行の（Ａ）にあるように０．２〜０．９ｍｍ径の粒子を速度４０〜９０m/secで投射するのは、比較的内部まで圧縮残留応力を付与して非金属介在物からの疲労折損を防止するためである。たたし、線径が２．０ないし２．５ｍｍよりも大きいばねでは、０．５〜０．９ｍｍ径の粒子投射後、０．２〜０．４ｍｍ径の粒子投射で、比較的表暦の残留応力を高めて内部と表面近傍からの亀裂発生をある程度防止することが出来る。このような０．２〜０．９ｍｍ径の粒子投射後には表面の圧縮残留応力はまだ不十分であり、これを本願発明の微細粒子投射によって疲労破壊に有害な微細亀裂などの欠陥を生ずることなく高める。
【００５６】
このような比較的寸法の大きな粒子投射の欠点を克服するために、上記の比較的大きな寸法の粒子投射後に、径１０〜１００μｍ未満、全粒子平均径２０〜８０μｍ、球形またはそれに近い角張りのない比重７．０〜９．０、硬さＨｖ３５０〜１１００の硬質金属微粒子を速度５０〜１６０m/secで十分に投射することによって表層に疲労強度に有害な微小亀裂や大きな凹みなとを起こすことなく、均一に強加工層を形成し高い圧縮残留応力を付与する。
【００５７】
本発明における１０〜１００μｍ未満又は好ましくは１０〜８０μｍの粒子投射のカバレッジは、目標とするばねの耐久性改善が必要な部位に対して、１００％以上とすることが望ましく、上記の十分に投射するの意味はこれに該当する。
【００５８】
０．２〜０．９ｍｍ径の粒子の初期硬さ下限をＨｖ３５０としたのは粒子衝突の繰返しによってばね表面よりも硬さの低い粒子は変形が繰返されて次第に加工硬化して、その硬さが上昇する。また、硬さが低くてもＨｖ３５０以上であれば、衝突のエネルギーの一部はばね表層の変形に使われるので、ここでは、Ｈｖ３５０を下限とした。
【００５９】
このように、前記の窒化したばねよりも表層硬さが低い窒化をしないばねにおいても、窒化したばねと類似の条件で良い結果が得られることが判明した。
【００６０】
なお、本願発明の投射粒子の初期硬さとは、新品での値であり、請求項の硬さ、その他の値は新品のそれである。本願発明において、投射する粒子は繰返し使用によって次第に磨耗・摩滅するので、実際には上記新品の寸法よりも小さい粒子が使用されることになり、使用中に破壊によって鋭い角張った辺を有する粒子に変化しないことが必要である。また、本発明のばねの製造工程において冷間成形したばねの２５０〜５００℃程度の温度での残留応力除去のための低温焼鈍実施、コイルばね成形後又はコイルばね成形後の残留応力除去焼鈍後、又は窒化後などの座面研磨、微細粒子投射後又はその前工程の０．２〜０．９ｍｍ径粒子投射後の耐へたり性改善のための２００〜２５０℃程度の温度に加熱しての低温焼鈍、同目的の温間又は冷間のセッチング、などの工程は本発明のばね製造に含まれる。
本願特許の硬質金属粒子投射の効果は、ばね表層に疲労破壊に有害な微小亀裂生成又は過大な塑性加工によるばね表層の延靭性劣化を起こすことなく、高い圧縮残留応力を付与することによって、疲労破壊の原因となるばね表面及び表層近傍内部の欠陥部からの微細亀裂の伝播を防止して、疲労耐久性を向上させることである。本願発明の硬質微細粒子投射は、ばね表層に疲労に有害な損傷を与えることなく、ばねごく表層の金属組織の加工変形による加工硬化を実現し、その結果として極めて高い圧縮残留応力を付与する。この微粒子投射による瞬間的発熱と高圧によって、ばね鋼中Ｆｅ3Ｃの強変形と一部分解による消滅によって発生する固溶Ｃ原子による転位固着と転位増殖が促進される。窒化されたばね表層には固溶窒素が微粒子投射時の瞬間的変形と発熱によって、上述のＣ原子同様、転位の固着と増殖を起こす。これらによって、ばね表層のセル構造の微細化と加工硬化が特に促進される。これらの様相は数万倍の透過電子顕微鏡写真によって明確となった。表層の大きな加工硬化は、表層の弾性限を向上させ、その結果、弾性限内に留まる残留応力向上に寄与すると考えられる。最高の効果が発揮できるのは、微細粒子投射によるばねへの衝突速度が６０ないし１４０m/secであり、これよりも高速では、効果はあるものの、特に窒化ばねについては衝突速度とともに次第に加工による残留応力が小さくなるとともに、微細な亀裂や加工による材質の脆化が現れ、その結果、疲労強度向上効果も小さくなる。窒化処理されたばねに対して速度１９０m/sec、また、さらに厳密には、１７０ｍ／ｓｅｃを超えると特にそれらの損傷が顕著になり、窒化されないばねでは、１６０ｍ／ｓｅｃを超えると、効果はあるものの、最適条件から大きく外れる。また、投射による衝突速度が６０m/sec又は５０m/secよりも低下すると、衝突の影響で加工される深さが小さくなり、残留応力も低くなる。このため、疲労強度向上効果はあるものの、最適条件からは明らかに劣るようになる。
【００６１】
【図面の簡単な説明】
【図１】  窒化後０．６ｍｍ径の鋼製粒子を投射し、さらに鋼製微細粒子（新品平均径６３μｍ）を投射したハイテンばね表面の圧縮残留応力と投射速度の関係曲線図。
【図２】  図１と同じ０．６ｍｍ粒子投射後の窒化ばねへの平均６３μｍ径高速度鋼微細粒子投射速度９０ｍ／ｓｅｃと１９０ｍ／ｓｅｃの場合の圧縮残留応力曲線
【図３】  図１と同じ窒化、０．６ｍｍ粒子投射をざれた高強度ばねへの第二段粒子投射による圧縮残留応力と投射粒子径の関係曲線図。
【図４】  呼称径５０μｍの２種類の銅製粒子投射によるばねへの衝突速度が、投射後のばねの疲労限振幅応力に及ぼす効果を示す図。この図は図５のデータの一部を抽出して再整理したものである。
【図５】  ばね綱薄板ばねに対して硬質金属粒子投射の影響を調査した結果で、材質が高炭素鋼及び高速度鋼である投射粒子の平均直径と粒子投射後の疲労限振幅応力（平均応力、７８６Ｎ／ｍｍ2で一定）の関係を示す。図中の数字は粒子の衝突速度である。
【図６】  硬質金属粒子投射による薄板ばねの高さの減少を測定した結果を示す。
この図は、図４，５のデータと同じ試験における測定から取ったものである。プロット点に添えた数字は呼称粒子径を示す。
【図７】  ４．０ｍｍ径ピアノ線で製造した弁ばねの表層部のＸ線による鉄地残留応力分布曲線。
【００６２】
【発明を実施するための最良の形態】
以下に本発明の実施形態につき説明する。
【００６３】
（実施形態１）
窒化によって弁ばね、クラッチばね等の耐久性、特に耐疲労強度を向上させるため、次のような工程が従来より採用されている。
【００６４】
ばね用合金鋼オイルテンパー線（以下ＯＴ線という）→ばね成型（冷間コイリング）→残留応力除去焼鈍→座面研磨→表面スケール除去→窒化処理→ショットピーニング→低温焼鈍ここで、窒化後のショットピーニングとして、通常、一段ショットの場合は粒径０．５〜０．９ｍｍ程度のＨｖ５００〜８００の鋼球、又はカットワイヤ等の多数の硬質金属粒子を投射する。また二段ショットの場合は、粒径０．５〜０．９ｍｍ程度の多数の鋼球のショット後に、粒径０．２〜０．４ｍｍ程度の多数の金属粒子を投射する。
【００６５】
本願発明では、窒化後のショットピーニングの方法を提供し、これらの第一段後または第一段と引続く第二段後に全粒子平均径８０μｍ以下かつ２０μｍ以上、個々の粒子平均径１０μｍ以上１００μｍ未満、形状として球形またはそれに近い角張った個所のない、比重７．０〜９．０、硬さＨｖ６００以上Ｈｖ１１００以下かつ窒化後または浸炭窒化後のばね表面硬さと同等以下の硬さを有する金属粒子を速度５０〜１９０ｍ／ｓｅｃで投射し、ばね表層の加工硬化と微細亀裂生成防止を効果的に行い、最表面層に高い残留応力と硬さを付与する。
【００６６】
さらに、これらの工程の後、低温焼鈍によってショットの影響層（表層１５０〜２００μｍ）における転位固着を確実にすることによって、耐疲労性及び附へたり性において、従来の方法のみによっては得ることができなかった非常に良好な耐久性を有するばねを得ることができた。
【００６７】
また、窒化前のスケール除去（デスケール）方法には、酸洗、電解研磨、金属粒子投射などがあるが、本願発明では、窒化前のデスケール処理方法を請求項２において提供する。この方法は微細な鉄系などの粒子投射によって窒化後に高い疲労耐久性を得ようとするものである。
【００６８】
実施形態１のばねの製造と性能について以下に記す。
【００６９】
請求項２の方法によって、窒化前のデスケール、その後、窒化処理と引続く粒子投射を施して、請求項４に該当する高性能ばねを製造することが出来る。
Ｃ：0.59％，Ｓｉ：1.90％，Ｍｎ：0.84％，Ｎｉ：0.27％，Ｃｒ：0.96％，Ｖ：0.09％（単位はいずれも重量％）を含有する3.2ｍｍ径の高強度弁ばね用オイルテンパー線（請求項４の（２）の材料）を用いて、冷間コイリング、420℃応力除去焼鈍、座面研磨の後、デスケール処理として全粒子平均径３７μｍ、各粒子の平均径が７５〜１０μｍ、各粒子の最大／最小径比１．２以下で角張っていなく、比重７．５、硬さＨｖ８６５の粒子を速度１０７ｍ／ｓｅｃで投射し、ついで、窒化して表層（深さ３〜５μｍ位置）の硬さＨｖ９１０を得た。さらに、0.6ｍｍ径、硬さＨｖ５５０のラウンドカットワイヤを速度７０m/secで十分に投射して比較的内部まで圧縮残留応力を付与した。この時の表層硬さはＨｖ９３０であった。これに引続き、全粒子の平均径が３７μｍ、個々の粒子のうち、最大粒子の平均径が７５μｍ以下、個々の粒子最小径がほぼ１０μｍ、長短径比1.2以下で角張っていないほほ球状の、比重７．６、平均硬さＨｖ865の高炭素鋼粒子を平均速度１０７m/secで十分に投射した。その後、２２０℃で低温焼鈍を実施した。この時の表面硬さはＨｖ９７５であった。
【００７０】
この時のばね最表層の圧縮残留応力は２０１０ＭＰａとなった。また、このときの表面から０．２ｍｍ深さ位置及び０．５ｍｍ深さ位置でのばねの硬さは、それぞれＨｖ５７０及びＨｖ５４５であった。また、鋼中の非金属介在物は１５μｍ以下、炭窒化物は１０μｍより小さかった。窒化のままでのこのばねの最表面の硬さはＨｖ９１０であり、投射した０．６ｍｍ径の炭素鋼粒子の硬さはＨｖ５５０、高炭素鋼微細粒子の平均初期硬さはＨｖ８６５、使用済みの同粒子の平均硬さはＨｖ９６０であった。このばねを平均応力：686ＭＰａで振幅応力を変化させて一定振幅応力下で１０００回／ｍｉｎ．の速度で疲労試験した。その結果、5×107回で、疲労限度は振幅応力で±677ＭＰａ以上となり、ｎ＝６個のいずれのばねでも折損しなかった。このばねは本請求項４に、また、その製造方法は請求項１および２に該当する。
【００７１】
次に、デスケール処理として、まず０．６ｍｍ径、硬さＨｖ５５０のカットワイヤを速度７０ｍ／ｓｅｃでばねに投射後、全粒子平均径３７μｍの高炭素鋼粒子を速度１０７ｍ／ｓｅｃで投射してから窒化以降の工程を上記の実施形態１のばねと同じとしたばねで上記と同様の疲労耐久性を確保できた。なお、この時、デスケール方法として硬さＨｖ５５０の０．６ｍｍカットワイヤのみの投射では、窒化後に本発明の二段投射を施しても、Ｎ＝５×１０7回における疲労限は６８６ＭＰａ±６４７ＭＰａとなった。弁ばね用コイルバネの疲労強度は、応力繰返し数Ｎをある一定値に決めると、平均応力τｍと振幅応力±τａによって表現できる。ここでは、Ｎ＝５×１０7回に決める。従来技術では、τｍ＝６８６ＭＰａの場合、τａとして６１０〜６２０ＭＰａ程度の値が達成されていた。しかし、本発明のようにτｍ＝６８６ＭＰａでτａ≧６７７ＭＰａのような高い疲労強度は従来、達成されていなかった。同じ品質、形状のばねの場合、平均応力τｍが大きくなると、疲労限の応力振幅τａは小さくなることは従来から知られている。τｍのｘＭＰａ増加に対し、疲労限のτａは近似的にｘ／５低下することが判明している。そのため、疲労限τｍ±τａは、（定数１−ｘ）±（定数２＋ｘ／５）で表示できる。今、定数１として８００ＭＰａを取ると、疲労限は（８００−ｘ）±（定数２＋ｘ／５）と表現できる。上記の疲労限６８６ＭＰａ±６４７ＭＰａをこの式にあてはめると、定数２は６２４．２ＭＰａとなる。そこで、本発明では、疲労限応力として、請求項４に記載のように、次の（１）式を満足するばねを請求項に含める。
【００７２】
すなわち、τｍ＝８００−ｘの時、τａ≧６２０＋ｘ／５…（１）
ここで、単位；いずれもＭＰａ，ｘ：変数で０以上１５０以下
上記の、窒化前に０．６ｍｍ径の鉄系粒子投射によってデスケールしたばねは、かろうじて（１）式を満足できたが、平均応力６８６ＭＰａ、振幅応力±６７７ＭＰａという高い応力繰返しで、ばね端末部で線間接触を生じて疲労破壊を生ずることが散発した。しかし、デスケール法として０．６ｍｍ径の粒子投射に続いて本発明のＳＳ処理を十分に施すと、このような線間接触部の疲労破壊が改善できたので、このようなＳＳ処理を含む二段ショットによるデスケールも本発明に含まれる。
【００７３】
・実施形態１の比較ばね（１）と（２）
なお、上記のばねで、第二段の徴細粒投射を省略した比較ばね（１）は、平均応力：６８６ＭＰａで疲労限度の振幅応力は±５１０ＭＰａとなり、請求項４の疲労強度を満たさない。また、第二段のみを変化させ、全粒子平均径約７２μｍ、最大粒子平均径約２００μｍ、最小粒子径約７μｍの鋼粒子を空気圧０．５ＭＰａで投射（平均径７２μｍ粒子の衝突速度は約１３０ｍ／ｓｅｃ）した比較ばね（２）を試作した。このばねの疲労限応力は平均応力が上記実施形態１のばねと同じで、振幅応力は±５３０ＭＰａとなり，効果は少しは認められるが請求項４を満足しない。
【００７４】
なお、前記実験は窒化後に０．６ｍｍ径、硬さＨｖ５５０の鋼粒子を投射してからＳＳ処理をしたが、とりわけ線径や板厚が１．５〜２ｍｍ以下のワークについて、このような事前投射をしても利点は少なく、むしろ窒化後直ちにＳＳ処理をも行った方が、耐疲労性をはじめとする性能面やコスト面で有利である。
【００７５】
（参考例１）
窒化をしないばねに平均径１０μｍ以上１００μｍ未満、比重７．０〜９．０、硬さＨｖ３５０〜１１００の多数の硬質金属粒子を投射してばねの表面粗さを極力低く押さえつつ、かつ、局所的過大変形（局所的せん断変形帯、断熱変形帯ともいう）を発生せずに、ばね極表層に比較的均一に強加工層を発生させるとともに極力高い残留応力を付与することによって、窒化を施さなくてもばね表面層からの疲労折損を防止することを狙ったばねの加工方法である。
【００７６】
ばねの表面に硬さＨｖ３５０〜１１００、比重７．０〜９．０、平均粒径１０μｍ以上１００μｍ未満、望ましくは１０〜８０μｍの硬質金属粒子を速度５０m/sec以上、１６０m/sec以下、望ましくは６０m/sec〜１４０m/secで投射することによって、表層近傍に耐久性に有害な微小亀裂や不均一せん断変形帯を発生することなく、極表層の圧縮残留応力を高めて、表層からのばねの疲労折損を防止する。これによって、細径ピアノ線や細径オイルテンパー線から製造した小物ばねや各種薄板ばねの疲労強度、耐久性を向上させる。
【００７７】
投射速度の影響を詳しく調査研究して、従来、微粒子投射速度ｖを１００m/sec以上に規定した特公平２−１７６０７号「金属成品の表面加工熱処理方法」のように、A3変態点を超えることなく、また、速度Ｖ＞１６０m/secで投射して表面層の変形が過度になることなく、速度Ｖ≦160m/sec、望ましくは60m/sec≦Ｖ≦140m/secで投射し、その瞬間的温度上昇を回復再結晶を起こすよりも低温度に制御するとともに表層の過度の変形を避けることによって、より高い耐久性を得ることを特徴とする。
【００７８】
供試ばねとして、すでに記載したように断面形状が板厚０．９７ｍｍ，板幅５．１ｍｍ，硬さＨｖ５３７〜５８９で、化学成分が０．５５％Ｃ、１．４７％Si、その他を含むパテンティング、伸線、冷間圧延されたばね鋼で、ばね加工工程が、ばね成形→応力除去焼鈍→微細粒子投射→低温焼きなまし（２３０℃）の順序で、ばね加工工程の微細粒子投射条件は（１）全粒子平均径３７μｍ（新品）、硬さＨｖ８６５、比重７．６の炭素鋼微細粒子、及び、（２）全粒子平均径６３μｍ（新品）、硬さＨｖ８６０、比重８．２の高速度鋼微細粒子を用いた。そして、種々の速度でばねに上記微細粒子を十分に投射した。その後、ばねの疲労試験を行い、微細粒子投射速度と疲労強度の関係を求めた。その結果を図３に示す。このときの疲労限応力は平均応力が７８５ＭＰａで、繰返し数１０7回で破壊しない振幅応力を取っている。その結果、炭素鋼粒子、高速度鋼粒子ともに、衝突速度が６０〜１４０m/secでもっとも良好な疲労強度改善効果が得られることがわかった。（２）の高速度鋼粒子投射では、衝突速度ｖが５０m/secから１４０m/secで、疲労限振幅応力が７００ＭＰａを超えると考えられる。また、（１）の高炭素鋼粒子投射では、衝突速度Ｖが約６０m/secから約１６０m/secで疲労限振幅応力が７００ＭＰａを超えると考えられ、非常に良好な改善効果が認められる。
【００７９】
上記の参考例１の比較例として、ショットなしのばねでは、疲労限振幅応力は４４０ＭＰａであり、疲労限は低い。また、０．３ｍｍ径スチールショットを速度Ｖ＝１００m/secで十分に投射したばねでは疲労限振幅応力は±３００MPaであり（このサンプルは微粒子投射を0.3mm径のスチールショットに替え、それ以外の工程は参考例１のばねと同じ）、粒子投射の効果は見出せない。
【００８０】
（参考例２）
また、比較的断面寸法の大きい高強度ばね、例えば線径２ｍｍ以上の窒化しないばねには、微粒子投射処理の前処理として、０．２〜０．９ｍｍ径の鋼系粒子をｖ＝４０〜９０m/secで投射して比較的内部まで圧縮残留応力を付与する。これによって圧縮残留応力は表面から数＋μｍ以上入った場所で最高の値に達するが、極表面層は内部の最高値に比べて低い値になる。このため、このままでは、ばね表面近傍を起点とする疲労折損を十分に防止することが出来ない。この点を改善するために上記の０．２〜０．９ｍｍ径粒子投射後に、速度ｖ＝５０〜１６０m/sec、さらに望ましくは、ｖ＝６０〜１４０m/secで、粒径１０から１００μｍ未満、さらに望ましくは粒径１０〜８０μｍ、比重７．０〜９．０、硬さＨｖ３５０〜１１００の硬質金属粒子を投射することが行われる。
【００８１】
・参考例２のばね
線径３．２ｍｍ、ＪＩＳ、ＳＷＯＳＣ−Ｖよりも高い引張強さ２０７０ＭＰａ、表層部の硬さ約Ｈｖ６２０の高強度弁ばね用オイルテンパー線（化学成分Ｃ：０．６１％，Ｓｉ：１．４６％，Ｍｎ：０．７０％，Ｎｉ：０．２５％，Ｃｒ：０．８５％，Ｖ：０．０６％，単位はいずれも質量％）を冷間でコイルばねに成形し、コイリングで生じた残留応力除去のための400℃×20分の低温焼鈍、座面研磨、０．６ｍｍ径比重約７．８、硬さＨｖ５５０の鋼粒子の速度７０m/secでの投射に引続き、呼称粒径５０μｍ、実測の新品全粒子平均径３７μｍ、個々の粒子の最大／最小径比１．２以下で角張りがなく、比重約７．５、平均硬さＨｖ８６５の鉄系粒子で、その各粒子の平均径が１０〜７５μｍに分布する粒子（ただし、ｎ＝６０個の測定値）を衝突速度１０７m/secで十分に投射した。さらに２２０℃で転位固着のための低温焼鈍を実施してから冷間セッチングで仕上げた。このようにして作製した参考例２のばね最表面のＸ線による鉄地の圧縮残留応力ば１３５０ＭＰａでばね内部に入るにつれてそれよりも残留応力は小さくなった。同じくそのごく表層の硬さはＨｖ６９０、表層から０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ深さにおける硬さはばね内径側でＨｖ６００〜５８０であった。このばねの疲労試験を実施した結果、繰返し数５×１０7回の疲労限度はｎ＝１０個の試験ばねで折損がなく、平均応力５８８ＭＰａ、振幅応力±５１０ＭＰａとなった。このコイルばねにかかる平均応力を最大で６９０ＭＰａと想定し、平均応力τｍ＝６９０−ｘと置くと、繰返し数Ｎ＝５×１０7回における疲労限振幅応力τａは、実施形態１で説明したτｍとτａの換算の考え方により、τａ＝４８９．６＋ｘ／５と置ける。この式は、しかし、上記の一試験結果のみを数式化したものであるので、鋼線の引張強さ、鋼種、線径などを考慮して、
平均応力τｍ＝６９０−ｘのとき、
疲労限振幅応力τａ＝±（４７０＋ｘ／５）…（２）
とした。このばねは、ごく表層（最表層）の残留応力として１２００ＭＰａ〜１６００ＭＰａを有する場合が多い。
【００８２】
・参考例２の比較ばね（３）、（４）
上記の参考例２のばねと同一ロットのオイルテンパー線で、これとほぼ同じ工程であるが、呼称５０μｍ径の鉄系微粒子投射のみを省略した比較ばね（３）を作製した。このときの表層部の最大圧縮残留応力は表面から約４０μｍ内部にはいった場所に発生し、その値はおよそ８２０ＭＰａであった。また、ごく表面の圧縮残留応力は６３０ＭＰａである。この疲労試験結果は、５×１０7回の疲労限が平均応力５８８ＭＰａで、振幅応力は±４４０ＭＰａである。また、第二段投射として、呼称１００μｍ、実測全粒子平均径９７μｍ、同最大粒子径１３０μｍ、同最小径約３５μｍ、個々の粒子の最大／最小径比が１．２以下の高炭素鋼粒子を速度約８５ｍ／ｓｅｃで投射し、その後、さらに参考例２のばねと同じく、２２０℃で低温焼鈍、冷間セッティングで仕上げた比較ばね（４）を作成した。その繰返し数５×１０7回における疲労試験結果は、平均応力５８８ＭＰａで振幅応力±４６１ＭＰａである。
【００８３】
10から１００μｍ径未満の粒子を投射される前のばね表面の硬さと投射粒子の硬さの関係であるが、ばねが窒化されていない場合、窒化した場合よりばね表層は硬さが低く、そのため延性が高く、ばね表面硬さより硬さの高い鋼製の粒子投射でも、投射速度が１６０ｍ／ｓｅｃ以下であれば、微細亀裂などを生成し難い。他方、逆に投射粒子硬さがばね表面より低くても、表層改質効果は認められる。特に、１００ないし１４０m/secを超える比較的高速の投射で、被加工材ばねの硬さがＨｖ５５０ないし６００以上の高硬度の場合、被加工材と同等以下の硬さの微細粒子で投射しても、表面の凹凸が軽減され、しかも比較的内部まで残留応力が高い値で入る。また、投射粒子の硬さが低いと繰り返しの投射で被加工材ばねよりも、投射粒子自身に加工硬化が顕著に起こるが、粒子の新品硬さがＨｖ３５０を下回ると被加工材ばねの表層改質効果の効率が下がる。また、炭素鋼や合金鋼製の微細投射粒子は比較的安価に入手でき、経済的であり、その硬さはＨｖ１１００以下であり、このような経済性及び耐久性に有害なばねの表面粗さの増大や表層の微細亀裂を避ける意味で新品の微細粒子の上限硬さはＨｖ１１００とした。
【００８４】
（参考例３）
微細パーライトを主とする伸線で加工強化した鋼線より製造したばねに、窒化処理をせずに、比較的大きな寸法の通常のショットピーニングを施したのち、呼称径５０μｍ径の微細粒子投射をする方法で製造したばねについて以下に述べる。直径４．０ｍｍ、引張強さ、σＢ＝１，７３５ＭＰａ、平均硬さＨｖで約４５０のピアノ線を用いて自動車内燃機関用弁ばねを試作した。冷間でピアノ線をばねにコイリング後、３５０℃で15分間の応力除去焼きなましを施し、コイル内側表面の引張残留応力を除去してから座面研磨を施した。これに直径０．６ｍｍ、硬さＨｖ５５０のカットワイヤを十分に投射した後２２０℃Ｃで低温焼鈍を施した。さらに引続いて全粒子平均径３７μｍ、最大粒子径約７５μｍ、比重約７．６、硬さＨｖ８６５、粒子の最大／最小径比1.2以下で角張らない形状の高炭素鋼粒子を速度１０７m/secで十分に投射した。引続きこれに２２０℃の低温焼鈍を施し、さらに冷間セッチングを施した。このばねの最表層圧縮残留応力は５９０ＭＰａであった（図７）。
【００８５】
この時の比較ばね（５）として、上記参考例３のばねの５０μｍ径の微粒子投射のみ省略したばね（それ以外は同じ材料と工程）を作成した。その最表層の圧縮残留応力は４３０ＭＰａ（図７）である。また、もう一つの比較ばね（６）として上記参考例３ばねの第二段投射に代えて、比較例２の第二段投射と同一条件で呼称１００μｍの粒子を投射した。
このようにして試作した参考例３の弁ばねと比較ばねの疲労試験を実施した。試験は１０００回／分の速度で、各応力水準ごとにｎ＝１５個のばねを試験した。その結果は下記のように参考例３のばねの比較ばねに対する改善効果が明瞭であった。前者は、繰返し応力τｍ±τａ、繰返し数：５×１０7として、τｍ＝６９０−ｘの時、τａ≧４２２＋ｘ／５………（３）
ここで、単位：ＭＰａ，ｘ：０〜１４０
の（３）式を満たすが、比較ばね（５）と（６）はそれを満たさない。
0003847350.tif 000002
【００８６】
ここで、このコイルばねにかける最大平均応力を６９０ＭＰａと想定して、前記（１）式、（２）のところで説明したように、平均応力と振幅応力の互換性を考慮すると、平均応力τｍ＝６９０−ｘに対し、上記参考例３のばねの疲労限振幅応力τａは、τａ≧４４０．６＋ｘ／５と表現できる。線径、線の引張強さ、鋼種などを勘案して、下記（３）式を満たすばねを参考例３のばねとし、ごく表層の圧縮残留応力を550ＭＰａ以上とする。
【００８７】
平均応力τｍ＝６９０−ｘのとき、繰返し数５×１０7回における疲労限振幅応力τａ≧４２２＋ｘ／５…（３）
ここで、ｘ：０〜１４０
【００８８】
これらのばね（比較例は（５）のみ）の残留応力分布を示す図７より、最表面から深さ５０μｍまでの表層部の残留応力がＳＳ処理によって大きく改善されたことがわかる。また、これらのばねの表面粗さRmaxは０．６ｍｍ粒子投射のままでは１３．２μｍ、０．６ｍｍ粒子投射後全粒子平均径３７μｍ投射後の参考例３によるばねでは９．２μｍであった。
【００８９】
上記の試験で、参考例３のばねの疲労試験応力が高い場合、ばねのへたりがやや大きくなった。このへたり防止のため、ピアノ線に代えてケイ素及び／またはクロムなどの耐へたり性を富ます元素を添加したパーライト組織冷間伸線タイブの鋼線を使用することやホットセッティングの実施が対策として考えられる。
【００９０】
（参考例４）
３．２ｍｍ径のＪＩＳ  ＳＷＯＳＣ−Ｖ、弁ばね用オイルテンパー線を用いて弁ばねを試作した。この弁ばねは、窒化処理せずにＳＳ処理を施して製造した。
【００９１】
この弁ばねの製造工程は次のとおりである。すなわち、ばねコイリング、４００℃・２０分の低温焼鈍、０．６ｍｍ径の鉄系ラウンドカットワイヤの速度７０ｍ／ｓｅｃでの投射、高炭素鋼微粒子ＳＳ処理（速度１０７ｍ／ｓｅｃ、全粒子平均径４０μｍ、最大粒子平均径７５μｍ）、さらに２２０℃で２０分の低温焼鈍、最後に冷間セッティングを施した。このばねのごく表層の圧縮残留応力は１０１０ＭＰａであった。このばねの疲労試験を実施したところ、平均応力τｍ＝５８８ＭＰａＮ繰返し数Ｎ＝５×１０7回での疲労限振幅応力は４６６ＭＰａとなった。この応力は、平均応力を６９０−ｘと置くと、振幅応力τａはτａ＝４４５．６＋ｘ／５と表現できる。ＳＷＯＳＣ−Ｖオイルテンパー線の引張強さばらつき、線径範囲、などを考慮して、ごく表層の鉄地の圧縮残留応力を９００ＭＰａ以上とし、次の（４）式のようにばねの疲労強度を定める。
【００９２】
平均応力τｍ＝６９０−ｘ、繰返し応力τａとして、５×１０7回における疲労限応力が、τａ≧４４０＋ｘ／５…（４）
【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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