JP2000283201A - コイルスプリング及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐疲労性及び耐摩耗性に優れた高強度のコイ
ルスプリングを提供することを課題とする。 【解決手段】 金属製のコイルスプリング１であって、
その内周２ａ側に位置する部分に、焼き入れされた硬化
部３を形成し、その硬化部３以外の部分を焼き入れ焼き
戻しによる靱性付与組織５とした。例えばバルブスプリ
ングは、バルブの開閉時に特に内周側の応力が高い。こ
の高い応力部位にのみ焼き入れによって硬化部３（硬化
層）を深く形成させることによって硬さを上げ、硬化部
３より内部となる硬化部以外の部分を焼き入れ焼き戻し
組織５とする。これにより、内周２ａ側表面に高い圧縮
残留応力を付与させることができ、疲労強度や耐摩耗性
が向上する。硬化部３以外の部分は焼き入れ焼き戻し組
織５であり高い靱性を持つのでスプリングの破損防止機
能も高まる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば自動車用エ
ンジンのバルブスプリング、自動車の懸荷スプリング、
駆動系部品であるクラッチディスクのトーションスプリ
ングなどに使用されるコイルスプリングとその製造方法
に関し、特に、疲労強度や耐摩耗性の向上を図るための
技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車用エンジンの高出力化及び車体の
軽量化のため、エンジンのバルブスプリング、懸荷スプ
リング、駆動系部品であるコイルスプリング等は、高強
度性、高耐疲労性及び高耐摩耗性が要求されている。

【０００３】この高強度スプリングを製造する方法とし
ては、スプリング用鉄鋼線材を線引き後、焼き入れ焼き
戻しを行った引っ張り強度が高いオイルテンパー線を用
い、コイリング成形、熱処理、研削、ショットピーニン
グによる残留応力付与処理をし、その後、研磨処理して
表面最大粗さを低減させる各工程を実施する方法が知ら
れている。

【０００４】例えば特開平４−２４７８２４号公報に
は、引っ張り強度１９６０Ｎ／ｍｍ２以上の高強度の焼
き入れ・焼き戻し鋼のオイルテンパー線を１００〜５０
０℃で温間コイリングによる高強度スプリングの製造方
法の開示がある。

【０００５】また、特開平５−１７９３４８号公報に
は、冷間コイリング用線材を９００〜１０５０℃で熱間
コイリングによりコイルを成形し、その後焼き戻し処理
して冷間コイリング成形と同等の高強度、高耐疲労特性
をもつコイルスプリングの製造方法の開示がある。

【０００６】さらに、特開平５−３３９７６３号公報に
は、酸化皮膜を有するオイルテンパー線をコイリング成
形し、熱処理し、表面最大粗さＲｍａｘ５μｍ以下とな
るようにディスケール処理、窒化処理、ショットピーニ
ングによる残留応力付与処理することにより、残留応力
付与処理後に表面研磨を要しない方法が開示されてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のコ
イルスプリングの製造方法は、オイルテンパー線を使用
してコイリング成形、熱処理、研削、窒化、ショットピ
ーニングを順次行っている。その際、コイルスプリング
の疲労強度を改善する手段として、窒化、あるいは浸炭
窒化等の表面処理や、窒化処理後のショットピーニング
などによってスプリング表面全体を硬化させ圧縮残留応
力を付与させている。

【０００８】しかし、窒化、浸炭窒化処理は元素の拡散
浸透によるため、硬化層（硬化部）の深さに制限があ
り、通常０．５ｍｍ以下である。また、ショットピーニ
ングの際、スプリング自体の形状に基づく制約から、内
周面の硬化処理に制限を受け、ショットがかかりにくい
という問題がある。さらに硬化深さも０．１ｍｍ以下と
浅く、疲労強度改善に限度がある。

【０００９】よって、本発明は、耐疲労性及び耐摩耗性
に優れた高強度のコイルスプリングを提供することを課
題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の手段は、
金属製のコイルスプリングであって、その内周側に位置
する部分に、焼き入れされた硬化部を形成し、その硬化
部以外の部分を焼き入れ焼き戻しによる靱性付与組織と
したことを特徴とする。

【００１１】コイルスプリングの形態で用いる例えばバ
ルブスプリングは、バルブの開閉時に特に内周側の応力
が高い。この高い応力部位にのみ焼き入れによって硬化
部（硬化層）を深く形成させることによって硬さを上
げ、硬化部より内部となる硬化部以外の部分を焼き入れ
焼き戻し組織とする。これにより、内周側表面に高い圧
縮残留応力を付与させることができ、疲労強度や耐摩耗
性が向上する。硬化部以外の部分（内部）は焼き入れ焼
き戻し組織であり高い靱性を持つのでスプリングの破損
防止機能も高まる。

【００１２】本発明の第２の手段では、硬化部をコイル
スプリングの螺旋形に沿って連続的に形成した構成とす
ることもできる。

【００１３】そうすることで、コイルスプリング全体に
占める硬化部の領域について、コイル状となる一様な連
続性を持たせることができる。

【００１４】本発明の第３の手段では、硬化部は、コイ
ルスプリングの内周側に位置する表面部分のうち、コイ
ルスプリングの最小内径となる表面を含む範囲に及ぶ構
成とするのが好ましい。

【００１５】このように、硬化部をコイルスプリングの
最小内径となる表面を含む範囲に及ぶ構成とした場合、
最も応力が集中する部分の表面に高い圧縮残留応力を付
与させて、より確実な疲労強度や耐摩耗性の向上を図る
ことができる。

【００１６】本発明の第４の手段では、コイルスプリン
グが線材のコイリングにより形成され、硬化部を形成す
る焼き入れ深さが０．６ｍｍ以上で、その硬化部の断面
積が線材断面積の１／２以下である構成とすることもで
きる。

【００１７】このように焼き入れによって硬化部を形成
することで、その焼き入れ深さを０．６ｍｍ以上とする
ことも容易である。硬化部の断面積に関しては、線材断
面積の１／２以下とすることで、疲労強度及び耐摩耗性
の向上と靱性確保の両機能をバランス良く持たせること
ができる。

【００１８】本発明の第５の手段では、硬化部として、
コイルスプリングの圧縮状態でそのコイルスプリングを
構成する線材が線間密着する表面部分を含む範囲に及ぶ
構成とすることもできる。

【００１９】コイルスプリングを構成する線材が線間密
着する表面部分は、金属疲労や摩耗を起こし易いので、
この線間密着する表面部分に高い圧縮残留応力を付与さ
せて、より確実な疲労強度や耐摩耗性の向上を図ること
ができる。

【００２０】本発明の第６の手段は、コイルスプリング
の製造方法であり、金属線材のコイリング成形を経て形
成したコイルスプリング全体を窒化処理した後、そのコ
イルスプリングの内周側に位置する部分に、焼き入れに
よる硬化部を形成する工程を行い、その硬化部以外の部
分を焼き入れ焼き戻し組織とすることを特徴としてい
る。

【００２１】この製造方法では、コイルスプリング全体
の窒化処理後に、焼き入れによる硬化部を形成するよう
にしているので、窒化処理により形成される表面全体の
硬化層とそれよりも深く形成される部分的な硬化部との
相乗効果により疲労強度及び耐摩耗性をさらに向上させ
たコイルスプリングを製造することができる。

【００２２】本発明の第７の手段では、本発明の第６の
手段における硬化部を形成する焼き入れ工程において、
高周波焼き入れ法又はレーザ焼き入れ法を用いるのが好
適である。

【００２３】なぜなら、高周波焼き入れ法又はレーザ焼
き入れ法では、コイルスプリングに対する部分焼き入れ
となる硬化部の焼き入れ工程において、これを能率的に
行えるからである。また、スプリング形状での局部焼き
入れとしているため、熱歪みによる変形も少ない。

【００２４】本発明の第８の手段では、硬化部を形成す
る焼き入れ工程において、コイルスプリングを弾性域内
で伸ばした状態で焼き入れし、その後に元に戻す工程を
行うようにすることもできる。

【００２５】そのようにした場合には、焼き入れ後の圧
縮残留応力が元に戻ることでさらに圧縮残留応力がプラ
スされ、より高疲労強度のコイルスプリングが得られ
る。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について、図面を参照して説明する。図１は本発明の実
施の形態１に係るコイルスプリングの断面図であり、図
２はコイルスプリングを構成する線材の拡大断面図であ
る。図３はコイルスプリングに対する高周波焼き入れ法
を示す工程図である。

【００２７】（実施の形態１）この実施の形態では、本
発明に係るコイルスプリングをバルブスプリングに適用
した例を示している。従って、以下、コイルスプリング
をバルブスプリングと称する。図１に示すバルブスプリ
ング１は、周知の螺旋コイル状であり、その内周２ａ側
及び外周２ｂ側のうち、内周２ａ側に位置する部分に、
焼き入れによる硬化部（硬化層）３を形成し、その硬化
部３以外の部分を焼き入れ焼き戻し組織５とした構成で
ある。

【００２８】硬化部３については、バルブスプリング１
の螺旋形に沿って連続的に形成している。即ち、この硬
化部３自体も螺旋形状となっている。内周２ａ側及び外
周２ｂ側の定義としては、コイルスプリング１を構成す
る線材１１の断面が円形である点を考慮し、次のように
定義する。

【００２９】図１及び図２に示すように、バルブスプリ
ング１の中心軸線Ａと平行な線分Ｂで二等分される断面
の一方の半円弧状表面を内周２ａ側の表面とし、他方の
半円弧状表面を外周２ｂ側の表面とする。

【００３０】従って、硬化部３の好ましい範囲について
は、図１に示すように、バルブスプリング１の内周２ａ
側の表面部分のうち、バルブスプリング１の最小内径Ｒ
となる表面１２を含む範囲に及ぶ構成とすることが好ま
しい。さらに、この硬化部３の範囲は、バルブスプリン
グ１の圧縮状態でそのバルブスプリング１を構成する線
材１１が線間密着する表面部分１３、１４を含む範囲に
及ぶ構成とすることが好ましい。

【００３１】この点において、図１に示す硬化部３の範
囲は、バルブスプリング１の最小内径Ｒとなる表面部分
１２と、線材１１が線間密着する表面部分１３、１４と
の何れをも含む範囲に設定している。

【００３２】硬化部３を形成する焼き入れ深さは、最も
深い部分で０．６ｍｍ以上となるように設定される。さ
らに、硬化部３の断面積は線材１１の断面積の１／２以
下である構成とするのが望ましい。図示例のバルブスプ
リング１においては、硬化部３の断面積は線材１１の断
面積の１／４程度に設定している。

【００３３】焼き入れ深さを０．６ｍｍ以上としている
のは、従来技術での窒化、浸炭窒化処理による硬化部
（硬化層）の深さが０．５ｍｍ以下であるのに対し、そ
れ以上の深さとすることで、より高い疲労強度や耐摩耗
性を付与することができるからである。

【００３４】硬化部３の断面積を線材１１の断面積の１
／２以下とするのが望ましい理由は、線材１１の断面積
に対して硬化部３が占める割合を制限するためである。
即ち、硬化部３以外の部分は焼き入れ焼き戻し組織（靱
性付与組織）５としており、この靱性付与組織５が占め
る割合が小さくなると、バルブスプリング全体の靱性が
低下し、必要とされる靱性が得られなくなる恐れがある
からである。

【００３５】勿論、高い靱性を要求されない他のコイル
スプリングの場合には、硬化部３の断面積は線材１１の
断面積の１／２以下でも十分な場合もある。従って、こ
の割合はコイルスプリングの用途に応じて適宜決定され
ることになる。

【００３６】この焼き入れによる硬化部３を形成するに
は、例えば高周波焼き入れ法やレーザー焼き入れ法を利
用して形成することができる。図３（ａ）、（ｂ）は高
周波焼き入れ法を示す工程図であり、バルブスプリング
１の内側に高周波コイル６を配置し、バルブスプリング
１をその中心軸線周りに回転させながら焼き入れする例
を示している。焼き入れに際しては、特に図示していな
いが、バルブスプリング１を保持した状態でその中心軸
線回りに回転させることができる治具が用いられる。

【００３７】但し、ここでは図３（ａ）に示すようにバ
ルブスプリング１を予めその弾性域内で伸ばした状態で
焼き入れを行い、焼き入れ後に、図３（ｂ）に示すよう
に、元に戻す工程を行うようにしている。このような方
法はショットピーニング時においても同様に実施するこ
とが望ましい。

【００３８】このような工程を採用した場合、焼き入れ
やショットピーニング後の圧縮残留応力が元に戻される
ことで、更に圧縮残留応力がプラスされた高疲労強度の
スプリングが得られる。

【００３９】なお、高周波焼き入れの場合、バルブスプ
リング１の内周２ａ側の表面部分は断面円弧状の表面で
あるため、各部位によって高周波コイル６からの距離が
相違し、具体的には外周２ｂ側に近くなる部位ほど高周
波コイル６から遠くなる。また、外周２ｂ側の表面部分
には高周波はほとんど照射されない。

【００４０】そのため、高周波焼き入れ工程において形
成される硬化部３は、高周波コイル６に近い部分ほど焼
き入れ深さが深くなり、遠い部分ほど浅くなる。その結
果、硬化部３の断面形状は図２に示すようにほぼ三日月
形に形成される。焼き入れ深さは、高周波コイル６によ
る焼き入れ時間やパワー調整等により適宜に設定するこ
とができる。

【００４１】（実施の形態２）図４は、レーザー焼き入
れにより硬化部３を形成するバルブスプリングの製造方
法例を示している。この方法では、バルブスプリング１
を図示しない治具によって固定し、バブルスプリング１
を回転させつつ中心軸線方法に一定の速度でおくりなが
らレーザービームＬＢを照射して焼き入れする方法を採
用している。

【００４２】その際、レーザービームＬＢはバルブスプ
リング１の内周２ａ側の表面部分に焦点が合わされ、ス
プリング材料の変態点以上に瞬時に加熱される。加熱さ
れたバルブスプリング１の内周部分はバルブスプリング
の回転や送りによって容易に急冷されて焼き入れされ
る。勿論、急冷の目的で冷風あるいは冷水を利用するこ
ともできる。硬化部３以外の部分は焼き入れ焼き戻しに
よる靱性付与組織５とする。

【００４３】この実施の形態における硬化部３は、レー
ザービームＬＢによる焼き入れのため、局部的な焼き入
れが可能である。図示例では断面楕円形状の硬化部３が
示されている。先の実施の形態のように断面三日月形に
することも勿論可能である。しかし、このように断面楕
円形とした場合、バルブプリング１の内部に、硬化部３
によるもう一つのコイルスプリングが内蔵されているよ
うな形態となる。すなわち、この硬化部３は周囲の靱性
付与組織５により包まれた形態となる。したがって、靱
性付与組織５により硬化部３の保護効果も期待できる。

【００４４】以上の実施形態において、硬化部３は、従
来のバルブスプリング製品としての製造工程の終段にお
いて、あるいは製品製造後の付加工程においてのいずれ
でも形成することができる。ただ、製品製造後の従来の
バルブスプリングに対する付加工程として行う場合、既
存製品の疲労強度及び耐摩耗性をさらに高めることがで
きる。

【００４５】したがって、本発明を適用する上で、既存
製品の製造方法やそのスプリング材料等については特に
制限されないが、冷間コイリング成形がより容易で、し
かも高い耐疲労性が得られるスプリング材料として、以
下の材料を例示することができる。

【００４６】線材１１の金属組成は、Ｃ；０．３０〜
０．５０重量％と、Ｓｉ；１．００〜２．５０重量％
と、次の第一金属群を構成するＭｎ；０．３０〜１．５
０重量％、Ｎｉ；１．００〜４．００重量％、Ｃｒ；
０．５０〜２．５０重量％及びＭｏ；０．１０〜１．０
０重量％より選ばれる少なくとも２種の第一金属と、次
の第二種金属群を構成するＶ；０．０５〜０．６０重量
％およびＮｂ；０．０５〜０．６０重量％の少なくとも
１種の第二金属とを含有し、残部は実質的にＦｅからな
るもの。

【００４７】具体例として、例えば、炭素０．６４重量
％、珪素１．４３重量％、マンガン０，６７重量％、燐
０．１５重量％、硫黄０．００６重量％、クロム１．５
７重量％、モリブデン０．５７重量％、バナジウム０．
２６重量％、残部鉄とからなる合金鋼を、疵加工、熱間
圧延、皮むき、焼き鈍しの各処理をした後、冷間伸線
し、オイルテンバー処理し、高温焼き戻しして焼き鈍し
線としたものである。

【００４８】そして、この線材を冷間でコイリング成形
し、焼き入れ焼き戻し、研削、ガス窒化、２段ショット
ピーニング、低温焼き鈍しを順次行うことにより、それ
自体でも高強度高耐疲労のバルブスプリングを形成する
ことができる。

【００４９】こうした既存製品のスプリングに対して、
本発明に係る硬化部３を付加工程で形成する場合には、
上述したように、高周波焼き入れあるいはレーザー焼き
入れを実施するだけで、さらに高い疲労強度及び耐摩耗
性のあるバルブスプリングを得ることができる。

【００５０】この硬化部３を形成するための焼き入れ工
程は窒化処理後に行い、その後にショットピーニング処
理を行うこともできる。

【００５１】本実施の形態に係るバルブスプリング１
は、バルブの開閉時に特に内周側の応力が高いという点
に着目し、この高い応力部位にのみ焼き入れによって硬
化部３（硬化層）を深く形成させることによって硬さを
上げ、硬化部３より内部となる硬化部３以外の部分を焼
き入れ焼き戻しによる靱性付与組織５組織としている。
これにより、内周２ａ側表面に高い圧縮残留応力を付与
させることができ、疲労強度及び耐摩耗性の向上を図る
ことができる。硬化部３以外の靱性付与組織５は高い靱
性を持つのでスプリングの破損防止機能も高めることが
できる。

【００５２】また、硬化部３を螺旋コイル状とすること
で、バルブスプリング１全体に占める硬化部３の領域に
ついて、コイル状となる一様な連続性を持たせることが
できる。

【００５３】また、このように硬化部３をバルブスプリ
ング１の最小内径となる表面１２を含む範囲に及ぶ構成
としているので、最も応力が集中する部分の表面に高い
圧縮残留応力を付与させて、より確実な疲労強度や耐摩
耗性の向上を図ることができる。

【００５４】また、このように局部焼き入れによって硬
化部３を形成することで、その焼き入れ深さを０．６ｍ
ｍ以上とすることも容易である。硬化部３の断面積に関
しては、線材１１の断面積の１／２以下とすることで、
疲労強度及び耐摩耗性の向上と靱性確保の両機能をバラ
ンス良く持たせることができる。

【００５５】また、バルブスプリング１を構成する線材
１１が線間密着する表面部分１３、１４は、金属疲労や
摩耗を起こし易いので、この線間密着する表面部分１
３、１４にも高い圧縮残留応力を付与させて、より確実
な疲労強度や耐摩耗性の向上を図ることができる。

【００５６】なお、本発明を適用可能なコイルスプリン
グとしては、バルブスプリング以外にも種々あり、高い
疲労強度や耐摩耗性が要求されるものであれば、本発明
を好適に適用することができる。

【００５７】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、金属製
コイルスプリングの内周側に位置する部分に、焼き入れ
された硬化部を形成し、その硬化部以外の部分を焼き入
れ焼き戻しによる靱性付与組織としたので、耐疲労性及
び耐摩耗性に優れた高強度のコイルスプリングを提供す
ることができる。

【００５８】また、本発明に係る製造方法では、コイル
スプリング全体の窒化処理後に、焼き入れによる硬化部
を形成するようにしているので、窒化処理により形成さ
れる表面全体の硬化層とそれよりも深く形成される局部
的な硬化部との相乗効果により疲労強度及び耐摩耗性を
さらに向上させたコイルスプリングを製造することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係るコイルスプリング
の要部の断面図である。

【図２】本発明の実施の形態１に係るコイルスプリング
を構成する線材の拡大断面図である。

【図３】本発明の実施の形態１に係るコイルスプリング
の製造工程図である。

【図４】本発明の実施の形態２に係るコイルスプリング
の製造工程図である。

【符号の説明】

１ コイルスプリング（バルブスプリング）。 ２ａ 内周側 ２ｂ 外周側 ３ 硬化部 ５ 靱性付与組織 ６ 高周波コイル １１ 線材 １２ 最内径面 １３、１４ 線間密着する表面部分

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3J059 AB11 AD04 BA01 BC01 EA03 EA09 GA02 GA08 4E070 AA03 AB09 AC07 AD03 BC01 BC23 EA05 FA05 4K042 AA02 BA01 DA01 DA02 DA06 DB01 DB04

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属製のコイルスプリングであって、そ
   の内周側に位置する部分に、焼き入れされた硬化部を形
   成し、その硬化部以外の部分を焼き入れ焼き戻しによる
   靱性付与組織としたことを特徴とするコイルスプリン
   グ。
2. 【請求項２】 前記硬化部が、前記コイルスプリングの
   螺旋形に沿って連続的に形成されていることを特徴とす
   る、請求項１記載のコイルスプリング。
3. 【請求項３】 前記硬化部は、前記コイルスプリングの
   内周側に位置する表面部分のうち、コイルスプリングの
   最小内径となる表面を含む範囲に及ぶことを特徴とす
   る、請求項１又は２記載のコイルスプリング。
4. 【請求項４】 前記コイルスプリングは線材のコイリン
   グにより形成され、前記硬化部を形成する焼き入れ深さ
   が０．６ｍｍ以上で、その硬化部の断面積が線材断面積
   の１／２以下であることを特徴とする、請求項１〜３の
   何れかに記載のコイルスプリング。
5. 【請求項５】 前記硬化部は、コイルスプリングの圧縮
   状態でそのコイルスプリングを構成する線材が線間密着
   する表面部分を含む範囲に及ぶことを特徴とする、請求
   項１〜４の何れかに記載のコイルスプリング。
6. 【請求項６】 金属線材のコイリング成形を経て形成し
   たコイルスプリング全体を窒化処理した後、そのコイル
   スプリングの内周側に位置する部分に、焼き入れによる
   硬化部を形成する工程を行い、その硬化部以外の部分を
   焼き入れ焼き戻し組織とすることを特徴とする、コイル
   スプリングの製造方法。
7. 【請求項７】 前記硬化部を形成する焼き入れ工程にお
   いて、高周波焼き入れ法又はレーザ焼き入れ法を用いる
   ことを特徴とする、請求項６記載のコイルスプリングの
   製造方法。
8. 【請求項８】 前記硬化部を形成する焼き入れ工程にお
   いて、コイルスプリングを弾性域内で伸ばした状態で焼
   き入れし、その後に元に戻すことを特徴とする、請求項
   ６又は７に記載のコイルスプリングの製造方法。