JP2013181235A

JP2013181235A - コイルばね材の熱処理方法及び熱処理用治具

Info

Publication number: JP2013181235A
Application number: JP2012047148A
Authority: JP
Inventors: Shuhei Funamoto; 周平舩元; Yasuhiro Inagaki; 育宏稲垣
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2013-09-12
Anticipated expiration: 2032-03-02
Also published as: JP5790544B2

Abstract

【課題】焼き入れ時に発生するコイルばね材の変形を抑制する。
【解決手段】熱処理時にコイルばね材１を保持する冶具である。コイルばね材１の内側の、少なくとも円周方向の３箇所の部分でコイルばね材１に接触する固定棒２と、コイルばね材１の両端の座面に当接状に取付けられて前記固定棒２を固定する端板３とからなる。コイルばね材１の焼き入れに際し、コイルばね材１の内側の、少なくとも円周方向の３箇所でコイルばね材１に接触するように固定棒２を挿入する。この固定棒２をコイルばね材１の両端の座面に当接状に取付ける端板３に固定した状態で熱処理を行う。
【効果】熱処理時に焼き入れ工程を経る必要がある、例えばチタン合金製のコイルばね材であっても、焼き入れ時に発生するコイルばね材の変形を効果的に抑制することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えばチタン合金製のコイルばね材を熱処理する際に、工程中の焼き入れ（水冷処理）時に発生する変形を抑制可能なコイルばね材の熱処理方法、及びこの熱処理方法に使用する治具に関するものである。

チタン合金製のコイルばねは主にβ合金が主流となってきており、軽量化を目的に、エンジン用バルブのスプリングなど自動車業界での採用が盛んになってきている。一方、α‐β合金はβ合金に比べて比重が小さいので軽量化にはさらに有利であるが、ばねとしての性能を発揮するためには、強度を増すために溶体化‐水冷および時効処理が必要である。

ところが、このような熱処理が必要なコイルばねでは、焼き入れ時に歪みが発生する。この焼入れ時の歪は、冷却時に外径側に膨らんで自由高さが減少するものや、胴曲がり発生するもの等がある。

これを防止するために、コイルばねを平らな炉床に水平に設置したりするが、焼き入れ時に外径側に膨らんで自由高さが減少するような歪を防止することはできない。

例えば、特許文献１には、コイルばねの焼き入れ方法が開示されているが、焼き入れに伴って発生するコイルばねの変形や、その変形を抑制することについては記載されていない。

焼入れ時におけるコイルばねの変形を防止するために、強制的に圧力を加えて抑制する焼入れ方法を用いたり、プレステンパー法で焼入れ後に発生した歪を矯正して除去する加工方法等が用いられている。

例えば、特許文献２に開示されたコイルばねの焼き入れ装置は変形防止機構を備えている。しかしながら、この変形防止機構は、焼き入れ時にコイルばね材を側面から押さえて全長の曲がりを抑制する構造であるので、その適用はベルトコンベア式の焼き入れ方式に限定される。

すなわち、従来は、コイルばね材を焼き入れした際、水冷時に発生する全長曲がりやピッチの不均一により、要求されるエネルギー値や形状が得られない場合があった。

特開昭５９−３８３２９号公報特開昭５８−２２４１１５号公報

本発明が解決しようとする問題点は、従来は、コイルばね材を焼き入れした際、水冷時に発生する全長曲がりやピッチの不均一により、要求されるエネルギー値や形状が得られない場合があったという点である。

本発明は、
焼き入れ時に発生するコイルばね材の変形を抑制して従来あった問題を解決するために、
例えば、コイルばね材の焼き入れに際し、コイルばね材の内側の、少なくとも円周方向の３箇所で前記コイルばね材に接触するように固定部材を挿入し、この固定部材をコイルばね材の両端の座面に当接状に取付ける端板に固定した状態で熱処理を行うことを最も主要な特徴としている。

上記本発明によれば、焼き入れ時に発生するコイルばね材の変形を、少なくとも円周方向の３箇所に、前記コイルばね材に接触するように配置した固定部材により効果的に抑制することができる。

上記本発明の実施に際しては、例えば、コイルばね材の内側の、少なくとも円周方向の３箇所の部分でコイルばね材に接触する固定部材と、コイルばね材の両端の座面に当接状に取付けられて前記固定部材を固定する端板とからなることを特徴とする本発明のコイルばね材の熱処理用冶具を使用すれば良い。

本発明によれば、熱処理時に焼き入れ工程を経る必要がある、例えばチタン合金製のコイルばね材であっても、焼き入れ時に発生するコイルばね材の変形を効果的に抑制することができる。

本発明に適用するチタン合金製のコイルばね材の模式図である。本発明の熱処理用治具をコイルばね材に取り付けた状態を示した図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。本発明の熱処理用治具の第２の例をコイルばね材に取り付けた状態を示した正面図である。本発明の熱処理用治具を構成する端板の一例を示した図である。本発明の熱処理用治具の第２の例を示した図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）（ｃ）はコイルばね材の取付け態様を示した図で、（ｂ）は針金で固定する態様、（ｃ）はさらに端板を使用してコイルばね材の座面を保持する態様である。本発明の熱処理用治具の第３の例を示した図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）（ｃ）はコイルばね材の取付け態様を示した図で、（ｂ）は治具の表面に孔をあけて針金で固定する態様、（ｃ）はさらに端板を使用してコイルばね材の座面を保持する態様である。本発明の熱処理用治具の第３の例を示した図５と同様の図である。

本発明では、焼き入れ時に発生するコイルばね材の変形を抑制するという目的を、コイルばね材の内側の、少なくとも円周方向の３箇所で前記コイルばね材に接触するように固定部材を挿入して固定することにより実現した。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
焼き入れ時に発生するコイルばね材の変形を抑制するためには、焼き入れ作業時に個々のコイルばね材の全長を一定に保持する機能を有し、コイルばね材に発生する変形を最小にとどめることが必要である。その際、コイルばね材のピッチも一定に保持することが望ましい。

そこで、発明者らは、コイルばね材の熱処理前の形状に沿って装着することを可能とし、焼き入れ時の形状変形を最大限抑制できるようにする構成について鋭意研究し、以下の熱処理方法及びこの熱処理方法に適用する熱処理用治具を完成した。

すなわち、本発明は、図１に示すような形状の、例えばチタン合金製のコイルばね材１の熱処理を、以下のように保持して行う方法である。

先ず、図２に示すように、コイルばね材１の全長よりも長さの長い固定部材、例えば固定棒２を、コイルばね材１の内側に、コイルばね材１に接触するように挿入する。その際、コイルばね材１の断面は通常円形であり、２本の固定棒２でコイルばね材１を保持した場合は、熱処理時に楕円形状に変形するのを誘発する可能性があるため、固定棒２は少なくとも３本とする。

そして、例えば３本の固定棒２を、コイルばね材１の両端の座面に当接するように配置した端板３に固定することで、固定棒２同士の位置合わせを行いつつ、コイルばね材１の全長を保持する。

図２に示す例では、固定棒２の剛性を補うために、端板３の中心部に心棒４を配置しているが、この心棒４は必須の構成要素ではない。

また、前記端板３への固定棒２の固定は、コイルばね材１の内面周方向の例えば３箇所で固定棒２が接触した状態で固定できるものであればその態様は問わないが、図２では固定棒２の両端部の、端板３を貫通する部分に雄ねじ２ａを形成し、この雄ねじ２ａにナット５を締め込むことで固定するものを示している。

上記したように、固定棒２と端板３で、コイルばね材１の内周と全長を保持した状態で、熱処理を行う。その際、端板３の、前記心棒３、固定棒２の取付け位置を除く位置には、焼き入れ時、冷媒が通過し易くするために、冷媒の通孔３ａを設けておくことが望ましい。

コイルばね材１を保持する、固定棒２、端板３、心棒４、ナット５からなる本発明の熱処理用治具は、コイルばね材１より耐熱性、剛性が高い材質で製作されていることはいうまでもない。

ところで、コイルばね材１を本発明の熱処理用冶具に固定するに際しては、図１に示すコイルばね材１のピッチを一定に保つことも重要である。

その方法としては、図２に示すように、例えば固定棒２にコイルばね材１のピッチと同じピッチで取付け孔２ｂを設けておき、この取付け孔２ｂを通した針金６でコイルばね材１を固定すれば良い。或いは、図３に示すように、固定棒２にピッチに応じた突起２ｃを設けておけば、図２に示す例のように、針金６を用いることなくコイルばね材１を固定することができる。

また、図４に示すように、端板３に設けた固定棒２の取付け孔３ｂを半径方向に長くした長円形としておけば、異なる外径のコイルばね材１にも対応することができる。

ちなみに、以下のコイルばね材１を、心棒４、固定棒２および端板３で構成した図２に示す本発明の熱処理用冶具に取付けて、以下の条件で溶体化熱処理を行った。

（コイルばね材の材質、製造方法、寸法等）
・材質：Ti‐６Al‐４V合金。
・寸法：外径は１４５mm、長さは熱処理完了時目標４２０mm、巻き数は８〜９。
・製造方法：溶解‐鍛造‐圧延‐焼鈍‐ばね巻き‐熱処理‐仕上げ‐検査

（焼き入れ方法、条件）
９３０℃（β変態点以下）の溶体化温度から、熱処理用冶具に装着したコイルばね材を水冷槽へ６秒以内で浸漬させる。

その結果、本発明の熱処理用治具を用いた本発明方法によれば、全長曲がりパラメータ（曲がり／ばね全長比）において全ての試料が０．０１５以下とすることができた。一方、治具を使用せず平板の上で加熱後水冷槽へ浸漬させた比較例では、全長曲がりパラメータ（曲がり／ばね全長比）において全ての試料が０．０６以上であった。

なお、前記結果を得た全長の曲がり測定は、以下の方法により行った。
(1) 仕上げ工程が完了したコイルばね材を定盤に載せる。
(2) スコヤと隙間ゲージを用いて、スコヤとコイルばね材の上端の間にできる隙間を測定する。コイルばね材を回転させながら最大の隙間を探して測定し、全長に対する曲がりとする。コイルばね材の上下を反転させ同様の測定を行う。
(3) (2)の工程で測定した値のうちの大きい方の値を全長の曲がりとする。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

例えば、図２，３に示した熱処理用治具は、固定部材として３本の固定棒２を使用しているが、線材を使用して円柱状のかご型に形成した固定部材７（図５）、円筒形をした固定部材８（図６）、６角柱の筒状をした固定部材９（図７）でも良い。

図５，６に示す固定部材７，８を使用すれば、固定部材７，８とコイルばね材１との接触箇所が多くなるので、コイルばね材１の内径側の真円度を保ちやすくなる。また、図７に示す固定部材９の場合、その剛性が大きくなる。

但し、図５〜７に示す一体型の固定部材７〜９の場合、コイルばね材１にセットし難くなるので、これらの固定部材７〜９を軸方向に分割したものでも良い。

図５〜７に示す固定部材７〜９へのコイルばね材１の固定は、例えば、ぞれぞれの（ｂ）図に示すように、針金６を用いて固定すれば良い。また、（ｃ）図に示すように、さらに、軸方向両端に端板３を配置してコイルばね材１の両端の座面を保持しても良い。なお、前記針金６での固定に際し、図５のようなかご型の固定部材７では、コイルばね材１の近傍の線材部分で固定する。一方、図６，７のような固定部材８，９では表面に孔８ａ，９ａをあけて固定する。

１コイルばね材
２固定棒
３端板
６針金

Claims

コイルばね材の焼き入れに際し、コイルばね材の内側の、少なくとも円周方向の３箇所で前記コイルばね材に接触するように固定部材を挿入し、この固定部材をコイルばね材の両端の座面に当接状に取付ける端板に固定した状態で熱処理を行うことを特徴とするコイルばね材の熱処理方法。
前記のコイルばね材の内側に挿入する固定部材の、コイルばね材と接触する部分において、コイルばね材を固定部材に固定することを特徴とする請求項１に記載のコイルばね材の熱処理方法。
コイルばね材の焼き入れに際し、コイルばね材の内側の、少なくとも円周方向の３箇所で前記コイルばね材に接触するように固定部材を挿入し、この固定部材の、コイルばね材と接触する部分において、コイルばね材を固定部材に固定した状態で熱処理を行うことを特徴とするコイルばね材の熱処理方法。
前記コイルばね材はチタン合金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ばね材の熱処理方法。
コイルばね材の熱処理に際してコイルばね材を保持する冶具であって、
コイルばね材の内側の、少なくとも円周方向の３箇所の部分で前記コイルばね材に接触する固定部材と、コイルばね材の両端の座面に当接状に取付けられて前記固定部材を固定する端板とからなることを特徴とするコイルばね材の熱処理用冶具。
前記のコイルばね材の内側に挿入する固定部材の、コイルばね材と接触する部分に、コイルばね材の固定部材への固定部を設けたことを特徴とする請求項４に記載のコイルばね材の熱処理用冶具。
コイルばね材の熱処理に際してコイルばね材を保持する冶具であって、
コイルばね材の内側の、少なくとも円周方向の３箇所の部分で前記コイルばね材に接触する固定部材と、この固定部材の、コイルばね材と接触する部分に、コイルばね材の固定部材への固定部を設けたことを特徴とするコイルばね材の熱処理用冶具。