JP2000317838A

JP2000317838A - ばねの表面処理方法

Info

Publication number: JP2000317838A
Application number: JP12762899A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Ishida; 雅昭石田; Hiroshi Suzuki; 博鈴木; Keiichirou Teratoko; 圭一郎寺床; Hironobu Sasada; 弘暢笹田; Yoshiaki Yamada; 凱朗山田
Original assignee: FUJI KIHAN KK; Suncall Corp; Fuji Manufacturing Co Ltd
Current assignee: FUJI KIHAN KK; Suncall Corp; Fuji Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-05-07
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2000-11-21

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】窒化による耐久性向上が困難なばねに対して
も耐久性を向上させること。【解決手段】表層の硬さがＨｖ４００〜７５０の範囲
であって、冷間成形された後巨視的残留応力除去のため
の低温焼鈍を施されたばね、冷間成形後焼入焼戻しされ
たばね、又は熱間成形後調質されたばねなどのばねであ
って、かつ、表層の硬さがＨｖ４００〜７５０であるば
ねの表面に、硬さＨｖ３５０以上１１００以下、比重
７．０から９．０、平均粒径２０〜１００μｍの硬質金
属粒子を、衝突速度５０ｍ/sec〜１６０ｍ/secであっ
て、かつ、衝突によるばね表面層の昇温限界を、ばね表
層の加工硬化を起こさせるが、ばね表層の回復再結晶に
よる軟化が起こるよりは低温に制御し、かつ、表層に疲
労強度を阻害する微小な割れなどを生成しないように投
射し、表面から３０μｍ以下の表層部の硬さと圧縮残留
応力を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種ばねの耐久性
等の性能を改善するためのショットピーニングによるば
ねの表面処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、鋼製ばねの表面にショットピーニ
ングを施してその耐久性を改善する技術は、内燃機関の
弁ばね、その他のばねに広く活用されてきた。このショ
ットピーニング技術の中で、まず最初に０．６〜１．０
ｍｍ程度の径の比較的寸法の大きい鋳鋼ショットやカッ
トワイヤを投射して比較的ばねの表層内部まで高い圧縮
残留応力を付与してばね内部での疲労亀裂の成長を防止
するとともに、さらにそれより小径の鋳鋼粒子やカット
ワイヤを投射して比較的表面の圧縮残留応力を高めて、
表面及び表面近傍からの疲労亀裂の発生、伝播を防止し
てばねの耐久性を改善する方法がすでに発表され公知で
ある。また、４０〜２００μのショットを速度１００ｍ
/sec以上で噴射し、表面付近の温度をＡ3 変態点以上に
上昇させることを特徴とする表面加工熱処理法（特公平
２−１７６０７号）や、２０から１００μｍの多数の硬
質金属粒子を、鋼製ワークの表面へ８０ｍ/sec以上の衝
突速度で投射し、その際、衝突によるワーク表面の昇温
限界を１５０゜Ｃよりも高温であって、鋼の回復・再結
晶を起こす温度よりは低温となるように制御する表面処
理方法も知られている。また、ばね鋼又はステンレス鋼
で製作されたばねの表面に、投射材の粒径が０．５〜
１．０ｍｍのスチールショットでピーニングした後、投
射材の比重が１２〜１６、粒径が０．０５〜０．２ｍ
ｍ、かつ硬度が１２００〜１６００Ｈｖの超硬合金粒子
投射材でピーニングして最表面に最大残留応力を発生さ
せるばねとその製造方法（特開平１０−１１８９３０
号）も知られている。

【０００３】

【発明が解決しょうとする課題】本発明は、価格的に高
価かつ製造メーカが限られ、入手が極めて困難な超硬合
金製の投射粒子を用いずに、超硬粒子よりも安価かつ広
く流通されている鋼製の粒子を用いて、より経済的に、
耐久性に優れたばねとその製法を提供するものである。
また、従来より、２０〜１００μｍ径の硬質金属製の微
細粒子を８０ｍ/sec以上の速度で投射して極表層の被加
工層の昇温限界を１５０゜Ｃよりも高温であって、か
つ、回復・再結晶を起こす温度よりは低温に制御する技
術（特開平０９−２７９２２９号）があるが、この技術
では、粒子投射速度、投射粒子の寸法などの影響につい
てはある程度の限定はされているものの、その硬さや比
重については明確な限定がされておらず、また、速度は
下限として８０ｍ/secが指定されている以外は上限速度
は規定されていない。このため、真に適切な投射粒子と
その投射条件が限定されているとは言いがたい面があっ
た。

【０００４】本発明は、ばね、特に鋼製ばねの疲労強度
を高めるために、コストの高い窒化や浸炭又は浸炭窒化
などの処理を施すことなく、又は窒化などを従来より軽
度にして、十分に窒化処理したのと同等又はそれ以上の
ばねの疲労強度向上を実現しようとするものである。ま
た、鋼製ばねの窒化はＳｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏなどの窒化
促進元素の添加された材料で圧縮ばねの耐久性向上には
有効でも、曲げによる引張応力が強く作用するばねや窒
化しずらい炭素鋼では耐久性向上効果が期待しにくい。

【０００５】本発明は、このような窒化による耐久性向
上が困難なばねに対しても耐久性を向上させることを目
的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は平均径２０〜１
００μｍ、比重７．０〜９．０、硬さＨｖ４００〜１１
００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（局所的塑
性変形帯、断熱せん断帯又は断熱せん断変形帯などと言
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、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を提供する。

【０００７】ばねの表面に硬さＨｖ３５０〜１１００、
比重７．０〜９．０、平均粒径２０〜１００μｍ、望ま
しくは２０〜８０μｍ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〜１４
０ｍ/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、ピアノ線やオイル
テンパー線から製造した弁ばね、クラッチばねや各種薄
板ばねの疲労強度、耐久性を向上させる。

【０００８】本発明では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以下に
規定した特公平２−１７６０７号「金属成品の表面処理
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60
m /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。

【０００９】本発明の投射金属粒子の最小平均粒径を２
０μｍとしたのは、それ以下では投射による圧縮残留応
力の深さが数ミクロン以下となり、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。また最大平均粒
径を１００μｍ以下としたのは、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
（図１参照）。

【００１０】また、請求項３で、投射粒子の最大平均寸
法を８０μｍとしたのは、粒子寸法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。
鋼製の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
形及び塑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。
本発明では、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。

【００１１】また、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、Ｈｖ４５０
〜６００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、本発明の効果が発揮されるためである。

【００１２】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Ｈｖ１
１００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。

【００１３】粒径２０から１００μｍ、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。

【００１４】請求項３における、粒径２０から８０μ
ｍ、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６０ｍ/sec，投射速度上
限を１４０ｍ/secとする理由は、速度５０〜１６０ｍ/s
ecの範囲内でばねの耐久性向上にもっとも大きな効果を
与える領域だからである。

【００１５】実施形態１の関連で、図２に実験結果の例
が記載されている。１４０ｍ/secを超える速度での投射
は、無処理の場合より大きな耐久性向上効果が得られる
ものの、より低速に比べて効果は小さく、しかも速度向
上とともに使用投射エネルギーは大きくなるので経済的
にコストがかさむ。一方、速度が６０ｍ/secよりも小さ
くなると、それ以上の速度に比べて耐久性向上効果は劣
るので、望ましくは６０ｍ/sec以上とする。

【００１６】２０から１００μｍ径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、
投射粒子の硬さが被投射材ばね表面層の硬さより低くて
も、表層改質効果は認められる。特に、１００ないし１
４０m/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た方が、
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の
で、下限硬さをＨｖ３５０とした。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
経済性およ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。

【００１７】本発明において、このように比較的硬い粒
子を投射する場合、投射速度は本発明実施例のごとく、
速度５０から１４０ｍ/sec以下で本来の効果を十分に発
揮する。

【００１８】ばねの比較的内部で非金属介在物近傍を起
点に疲労破壊を生じる恐れのある自動車等の内燃機関用
弁ばねのようなばねの用途には、上記の微細粒子投射の
前に、請求項２のように、まず、比較的粒子寸法の大き
な２００〜９００ｍ、硬さＨｖ４００〜９００のカット
ワイヤなどの鋼粒子を速度４０〜９０ｍ/secで投射し、
ばねの表面から０．２〜０．５ｍｍ深さの表層に圧縮残
留応力を付与してこの表層領域からの疲労起点の進展を
防止する。この時、例えば、まず最初に４００〜９００
μｍ径の多数の粒子を投射した後、第２段として、２０
０〜３００μｍ径の多数の粒子を投射して、より表層で
の圧縮残留応力の向上を図ることも可能である。しか
し、このような方法では、上記のように比較的寸法の大
きな粒子投射によってばねの内部まで圧縮残留応力が付
与されるが、表層では、圧縮残留応力は内部に比して依
然小さく、このため、比較的大きな繰返し応力が作用す
ると、表層における微細なへこみや亀裂などを起点にし
て、疲労折損が起こるのを防止することが困難になる。

【００１９】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、本発明では、上記の比較的大き
な寸法の粒子投射の後に、径２０〜１００μｍ、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
などを起こすことなく、均一に強加工層を形成し高い圧
縮残留応力を付与する。

【００２０】本発明における２０〜１００μｍ又は好ま
しくは２０〜８０μｍ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。また、本発明の微細粒子投射
は、空気などの気体とともに噴射する方式やインペラー
タイプの遠心力利用方式を採ることが出来る。

【００２１】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分断
および鉄中の転位が認められるが、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、マルテンサイトやベイナイトという過冷
却組織も認められなかった。微小硬さを測定すると表面
から数μｍないし２０μｍの表面層に微細粒投射による
加工硬化が起きていることが明らかである。

【００２２】後述の実施例１のサンプルで、平均径５０
μｍ硬さＨｖ７００の高炭素鋼粒子を９０ｍ/secの速度
で投射し、最終工程の２３０゜C の低温焼きなましを省
略したばねと、同じ加工工程で最終の低温焼きなましを
実施したばねに１６０゜C でへたり試験を実施した。そ
の結果、最終の２３０゜Ｃの低温焼きなましを省略した
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。

【００２３】この原因は、前者では鋼中の炭化物の分断
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゜Ｃ
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゜Ｃ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。

【００２４】このことから、本特許の請求項１にあるよ
うな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゜Ｃのへたり試験のへたりが、あらか
じめ施す２３０゜Ｃ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
タイトの分断が促進され、１６０゜Ｃ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である（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。）。

【００２５】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、セメンタイトが分断さ
れるのは、セメンタイトは温度が上昇するほど変形と破
壊が進行しやすい特性を持つことが一因と考えられる。
本発明のようにセメンタイトが分断されると、板状セメ
ンタイトが粒子投射による変形に対する抵抗となるのと
対照的に、分断されたセメンタイトは変形により生成、
移動する鉄中の転位の運動を妨げにくくする。なお、本
発明で使用される投射微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、平均粒径に対する最大寸法は、例えば平均径５０
μｍでは実質の最大寸法７５μｍ以下、また、平均径８
０μｍでは、実質の最大寸法は１１０μｍ以下にするこ
とが必要である。

【００２６】

【作用】ばねの材料の直径や板厚さが比較的小さい場
合、例えば、線径で１ないし２ｍｍ以下、板厚で１ない
し２ｍｍ以下では、前記請求項１のように、２０〜１０
０μｍ径の硬質金属粒子を投射して表層に疲労に有害な
微小亀裂などの欠陥を作らずに、ばねの残留応力を高め
て、高い耐久性を実現する。また、比較的断面寸法の大
きいばね、例えば線径２ｍｍ以上のばねには、本発明の
クレーム１の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５０μｍ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
径の粒子投射のあとに、速度ｖ＝５０〜１６０ｍ/sec、
さらに望ましくは、ｖ＝６０〜１４０ｍ/secで、粒径２
０から１００μｍ、さらに望ましくは粒径２０〜８０μ
ｍ、比重７．０〜９．０、硬さＨｖ４００〜１１００の
硬質金属粒子を投射することが行われる（請求項２）。
このように処理されたばねでは、表層に大きな凹みや微
細亀裂などの疲労を阻害する欠陥を生成することなく、
表層に強加工層が生成され、表層３０μｍ以下に高い圧
縮残留応力が効率良く形成される。これによって、ばね
表面及び表面近傍からの疲労破壊が防止でき、ばねの高
い疲労強度、耐久性を実現する。また、表層の強加工層
では、鉄炭化物などの析出物が分断され、鉄地に遊離炭
素原子が供給され、ひずみ時効硬化が進行して表層硬さ
及び温間での耐へたり性に寄与する。

【００２７】上記のような多段粒子投射において、個々
の投射のあとに、又は、投射と投射の間に、１５０〜２
５０゜Ｃで低温焼なましを実施することによって、粒子
投射の影響を受けたばね表層部の炭素、及び／又は窒素
などによる転位固着を促進する。これによって、その後
の２０〜１００μｍ径、硬さＨｖ４００〜１１００、比
重７．０〜９．０の微細粒子の速度５０〜１６０ｍ/sec
での投射による硬化と圧縮残留応力付与効果を増大し
て、ばねの耐久性をさらに向上させる（請求項４）。

【００２８】本発明の微細粒子投射によるその他の作用
効果として、非常に小さな粒子投射によるばね変形を実
現でき、この結果として、大量生産時のばねの寸法ばら
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３）。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態につき説
明する。

【００３０】本発明の開発段階で、速度ｖ＝５０〜１６
０m/sec で、寸法２０〜１００μｍ、硬さＨｖ３５０〜
１１００、比重７．０〜９．０の粒子を、粒子投射前の
ばね表面硬さがＨｖ４００〜Ｈｖ７５０であるばねに十
分に投射することが耐久性向上に有効であることが分か
った。以下に本発明の実施形態を開発段階の説明を交え
て説明する。

【００３１】（実施形態１）供試ばねとして、断面形状
が板厚０．９７ｍｍ，板幅５．１ｍｍ，硬さＨｖ５３７
〜５８９、化学成分が０．５５％Ｃ、１．４７％Si、
０．７％Mn、０．７％Crを含み残部鉄からなるばね鋼
で、ばね加工工程が、ばね成形→応力除去焼きなまし→
微細粒子投射→低温焼きなまし（２３０゜Ｃ）の順序
で、ばね加工工程の微細粒子投射条件は寸法５０μｍ
（新品の寸法、平均寸法）、硬さＨｖ７００、比重
７．６の炭素鋼微細粒子、及び、寸法５０μｍ（新品
の寸法、平均寸法）、硬さＨｖ1000、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１に示す。このときの疲労限応力は平
均応力が７８５Ｎ/ ｍｍ²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。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７００Ｎ/
ｍｍ²を超えると考えられる。また、の高炭素鋼粒子
投射では、衝突速度Ｖが約６０ｍ/secから約１６０ｍ/s
ecで疲労限振幅応力が７００Ｎ/ ｍｍ²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。

【００３２】上記の本発明の比較例として、ショットな
しのばねでは、疲労限振幅応力は４４０Ｎ/ ｍｍ²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
の工程は実施例１と同じ）粒子投射の効果は見出せな
い。また、図１に示すように、高炭素鋼の５０μｍ径の
粒子投射の速度が５０ｍ/sec以下、また、高速度鋼の５
０μｍ径の粒子投射の速度が１５０ｍ/sec以上になる
と、それ以外の工程は前記ばねと同じであるが、疲労限
振幅応力は７００Ｎ/ ｍｍ2 より低くなる。比重のよ
り小さい高炭素鋼粒子よりも、比重のより大きな高速度
鋼粒子では、疲労限がピークを示す速度よりも低速側に
おいて、衝突速度低下につれて疲労限は低下するが、低
下の程度は小さくなる。他方、疲労限がピークを示すよ
りも高速側では、衝突速度の上昇に伴う疲労限の低下
は、比重のより小さい高炭素鋼の方が高速度鋼よりも小
さい傾向が見られる。

【００３３】上記実施形態についてさらに詳しく図を用
いて説明する。第２図のように縦軸に疲労限振幅応力を
取り、横軸に微細金属粒子（粒子の平均径は５０μｍ、
比重７．６の高炭素鋼製粒子及び比重８．２の高速度鋼
粒子）の投射速度を取って整理すると、疲労強度はｖ＝
９０ｍ/sec（高速度鋼粒子）と１０７ｍ/sec（高炭素鋼
粒子）でもっとも良好な値となることが分かった。図中
の数字は投射粒子のばね表面への衝突速度である。この
図で、括弧つきの数字は高速度鋼粒子を示し、括弧なし
の数字は高炭素鋼粒子投射の結果である。すなわち、投
射粒子寸法の平均寸法が５０μｍより大きくなるにつれ
てばねの疲労強度は次第に低下することが分かった。投
射粒子平均径が１００μｍをこえると疲労限向上効果が
小さいため、本発明では、これを投射粒子寸法の上限と
した。平均寸法が５０μｍの粒子よりも効果はやや劣る
が、平均径７０〜８０μｍの粒子でも比較的疲労限向上
効果が認められるため、、本発明では新品の粒子径とし
て、平均径８０μｍを、請求項３の粒子寸法上限とし
た。

【００３４】（実施形態２）ばね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、５０μｍ径の
微細粒子投射をする本発明の請求項２、３、５および６
の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 ＝１，７３５Ｎ／ｍｍ²、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゜Ｃ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Ｈｖ５００のカ
ットワイヤを十分に投射した後引続いて平均径５０μ
ｍ、比重約７．６、硬さＨｖ７００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
゜C の低温焼鈍を施してからホットセッティングを施し
た。

【００３５】この時の比較ばねとして、上記の試作ピア
ノ線ばねの加工工程の中の５０μｍの投射をしないもの
（それ以外は同じ材料と工程）を作成し、これを比較ば
ねとした。この後者の比較ばねの工程は、通常、弁ばね
製造で広く採用されている工程である。

【００３６】このようにして試作した本発明の実施形態
２の弁ばねと比較ばねの疲労試験を実施した。その結果
は下記のように本発明実施例２の比較試料に対する改善
効果が明瞭であった。

【００３７】疲労強度本発明実施例２のばね疲労限５８８±４６１ＭＰａ比較ばね疲労限５８８±３７３ＭＰａ（いずれも繰返し数：５ｘ１０⁷回）上記の試験で、実施形態２のばねの疲労試験応力が、比
較ばねに比べて高いために、ばねのへたりが比較ばねよ
りやや大きくなった。このへたりの防止のため、ピアノ
線に変えてオイルテンパー線を利用するか、又は、ケイ
素などの耐熱性を富ます元素を添加したオイルテンパー
線又は硬引き材料を使用するなどがあり、本発明にこれ
らも含まれる。

【００３８】

【発明の効果】窒化処理を施してコイルばねの疲労強
度を高める方法は弁ばねのように圧縮コイルばねでは効
果的であるが、原価が高い問題がある。本発明は窒化の
場合のように大掛かりの設備を要せず、比較的安価に耐
久性を向上することが可能な表面処理法とばねを提供す
る。

【００３９】窒化による耐久性向上が実質的に不可能
な炭素鋼ばね、例えばピアノ線、硬鋼線、炭素鋼オイル
テンパー線や炭素鋼薄板などで製造したばねに対して、
大幅な耐久性向上が可能である。

【００４０】引張応力が高く作用する薄板ばねや引張
応力下で使用するばねでは、窒化ばねは疲労強度が安定
しないで逆に疲労強度を損なう場合もあるという問題を
抱えていた。

【００４１】本発明では、ばね表層にもっとも的確に微
細粒子を投射して、効率良く強加工をすることが可能で
あり、これによって、引張又は曲げ応力下で使用するば
ねや引張ばねなどの耐久性を大幅に向上するので、ばね
の軽量小型化に寄与する。本発明の微細粒子投射の速度が小さくなると、むやみ
に高速で投射した場合より粒子投射によるばねの変形量
が小さくなり、ばねの寸法ばらつきが小さくなる。この
ため、製造したばねの品質の安定性に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ばね鋼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、７８５Ｎ/ 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２】平均直径５０μｍの２種類の鋼製の粒子投射
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。この図は図１のデータの一部
を抽出して再整理したものである。

【図３】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１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
に添えた数字は粒子径（μｍ）を示す。

フロントページの続き (72)発明者石田雅昭京都府京都市右京区梅津西浦町14番地サンコール株式会社内 (72)発明者鈴木博京都府京都市右京区梅津西浦町14番地サンコール株式会社内 (72)発明者寺床圭一郎京都府京都市右京区梅津西浦町14番地サンコール株式会社内 (72)発明者笹田弘暢京都府京都市右京区梅津西浦町14番地サンコール株式会社内 (72)発明者山田凱朗京都府京都市右京区梅津西浦町14番地サンコール株式会社内Ｆターム(参考） 3J059 AB11 AD05 BC02 EA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表層の硬さがＨｖ４００〜７５０の範囲
であって、冷間成形された後巨視的残留応力除去のため
の低温焼鈍を施されたばね、冷間成形後焼入焼戻しされ
たばね、又は熱間成形後調質されたばねなどのばねであ
って、かつ、表層の硬さがＨｖ４００〜７５０であるば
ねの表面に、硬さＨｖ３５０以上１０００以下、比重７．０から９．
０、平均粒径２０〜１１００μｍの硬質金属粒子を、衝突速度５０ｍ/sec〜１６０ｍ/secであって、かつ、衝
突によるばね表面層の昇温限界を、ばね表層の加工硬化
を起こさせるが、ばね表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、かつ、表層に疲労強度を阻害
する微小な割れなどを生成しないように投射し、表面から３０μｍ以下の表層部の硬さと圧縮残留応力を
向上させることによってばねの耐久性改善を図ることを
特徴とするばねの表面処理方法。
【請求項２】成形して調質された、表層の硬さＨｖ４
００〜７５０であるばねの表面へ、（Ａ）硬さＨｖ４０
０〜９００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
より表層のミクロクラック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）工程のあとのばねの表面へ硬さＨｖ３５０以上
かつＨｖ１１００以下で、平均粒径２０μｍ〜１００μ
ｍ、比重７．０〜９．０の硬質金属粒子を衝突速度５０
ｍ/sec〜１６０ｍ/secで投射して、ばね表層の昇温限界
を、ばね表層の加工硬化を起こさせるが、ばね表層の回
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、かつ、表層に疲労強度を阻害する微小な割れなど
を生成しないように投射し、表面から３０μｍ以下の表
層部の硬さと圧縮残留応力を向上させる工程、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】請求項１と２における平均径２０μｍ〜
１００μｍの粒子とその投射条件を次のように限定した
ことを特徴とする方法。投射粒子硬さ：初期（新品）硬さＨｖ３５０〜１１００投射粒子寸法：初期（新品）平均寸法２０μｍ〜８０
μｍ投射粒子の比重：７．０〜９．０ばねへの衝突速度：６０ｍ/sec〜１４０ｍ/sec
【請求項４】請求項２と請求項３において（Ａ）と
（Ｂ）のあいだにひずみ時効処理（低温焼きなまし、鋼
製ばねでは１５０゜Ｃ〜２５０゜Ｃ）を挿入したことを
特徴とするばねの表面処理方法。
【請求項５】上記請求項１から４の粒子投射後のばね
を１５０゜Ｃ〜２５０゜Ｃの温度に加熱して、ばねの耐
へたり性を改善するばねの表面処理方法。
【請求項６】上記請求項1 から５の方法で製造された
ばねに対して、さらに応力負荷のもとで冷間セッティン
グ又は１５０〜２５０゜Ｃで温間セッティングを施すこ
とを特徴とするばねの表面処理方法。
【請求項７】上記請求項１〜６において、微細粒子の
硬さをばねの微細粒子投射前の硬さと同等又は同等以下
にすることを特徴とするばねの表面処理方法。
【請求項８】請求項１から７のいずれかの方法で製造
されたことを特徴とするばね。