JP6712896B2 - オーステナイト系ステンレス鋼製ばね - Google Patents

Description

本明細書に開示の技術は、オーステナイト系ステンレス鋼製ばねに関する。

オーステナイト系ステンレス鋼は、ステンレス鋼の中でも高強度を有すると共に、表面に形成される不動態皮膜により高耐食性を有することが知られている。特許文献１には、高強度及び高耐食性が要求される環境下で使用されるオーステナイト系ステンレス鋼製のばねが開示されている。

特開２００８−１２７５９０号公報

不動態皮膜は、通常の取扱い時に意図せずに破壊されてしまうことがある。破壊された不動態皮膜は、酸素環境下においてはすぐに再生するため、オーステナイト系ステンレス鋼製ばねはその耐食性を維持することができる。しかしながら、酸素不在の環境下（例えば、塩素イオンを含む湿潤環境下）においては、破壊された不動態皮膜は再生することなく、破壊箇所から腐食が進行し、孔状の腐食（いわゆる孔食）が発生することがある。孔食が生じたオーステナイト系ステンレス鋼製ばねに応力が作用すると、孔食の底部が起点となり割れが発生し（いわゆる応力腐食割れ）、ばねが折損してしまう可能性がある。

本明細書は、オーステナイト系ステンレス鋼製ばねにおいて、応力腐食割れの発生を抑制できる技術を開示する。

本明細書に開示するオーステナイト系ステンレス鋼製ばねは、オーステナイト系ステンレス鋼からなる鋼材層と、鋼材層の表面の少なくとも一部に配置される、ニッケルを含有するめっき層と、を備える。このばねでは、鋼材層の表面からの深さが１００μｍの位置での圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上７００ＭＰａ以下であり、かつ、ＳＥＭ−ＥＤＸを用いてばねの表面を元素分析した結果を原子数％から重量％に換算すると、ばねの表面のニッケルの含有率は、２０重量％以上９０重量％以下である。

応力腐食割れは、孔食の発生箇所に外部応力が作用することによって生じると考えられている。後述するように、本願発明者が鋭意研究した結果、鋼材層の表面の少なくとも一部にニッケルを含有するめっき層を配置することで孔食の発生を抑制でき、仮に孔食が発生したとしても鋼材層に圧縮残留応力を付与することで外部応力を相殺できるため、応力腐食割れの発生を抑制できることが判明した。上記のオーステナイト系ステンレス鋼製ばねでは、鋼材層の表面からの深さが１００μｍの位置での圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上７００ＭＰａ以下となるように調整されると共に、ばねの表面のニッケルの含有率が２０重量％以上９０重量％以下となるように調整されている。これにより、応力腐食割れの発生を大幅に抑制することができる。

また、本明細書は、上記の課題を解決することができる別の新規なオーステナイト系ステンレス鋼製ばねを開示する。このばねは、オーステナイト系ステンレス鋼からなる鋼材層を有する。このばねでは、鋼材層の表面からの深さが１００μｍの位置での圧縮残留応力が３５０ＭＰａ以上７００ＭＰａ以下であり、かつ、表面からの深さが２００μｍの位置での圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下である。

このオーステナイト系ステンレス鋼製ばねでは、鋼材層の表面からの深さが１００μｍの位置での圧縮残留応力が３５０ＭＰａ以上７００ＭＰａ以下となるように調整されると共に、かつ、表面からの深さが２００μｍの位置での圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下となるように調整されている。このため、鋼材層の表面からの深さが１００μｍ、２００μｍの位置では、外部から作用する応力は、圧縮残留応力の分だけ相殺される。応力腐食割れの２つの要因（即ち、孔食の発生及び外部応力の作用）のうちの外部応力の作用を抑制できるため、仮に鋼材層に孔食が発生したとしても応力腐食割れの発生を好適に抑制することができる。

また、本明細書は、上記の課題を解決することができる別の新規なオーステナイト系ステンレス鋼製ばねを開示する。このばねは、オーステナイト系ステンレス鋼からなる鋼材層と、鋼材層の表面の少なくとも一部に配置される、ニッケルを含有するめっき層と、を備える。ＳＥＭ−ＥＤＸを用いてばねの表面を元素分析した結果を原子数％から重量％に換算すると、ばねの表面のニッケル含有率は、５０重量％以上９０重量％以下である。

このオーステナイト系ステンレス鋼製ばねでは、ばねの表面のニッケルの含有率が５０重量％以上９０重量％以下となるように調整されている。このため、応力腐食割れの２つの要因（即ち、孔食の発生及び外部応力の作用）のうちの孔食の発生を抑制できる。孔食の発生自体を抑制できるため、応力腐食割れの発生を好適に抑制することができる。

実施例１に係るばねの断面図。 実施例１に係るばねの表面に孔食が発生した様子を示す図。 実施例２に係るばねの断面図。 実施例２に係るばねの表面に孔食が発生した様子を示す図。 実施例３に係るばねの断面図。 ばね表面のニッケル含有率と鋼材層の表面から１００μｍの深さにおける圧縮残留応力をそれぞれ変化させたときの応力腐食割れの有無を示すグラフ。

以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。

（特徴１） 本明細書が開示するオーステナイト系ステンレス鋼製ばねでは、ばねの表面粗さ（最大高さＲｚ）が６．１μｍより大きく９．６μｍ以下であってもよい。この構成によると、ばねの疲労耐久性を向上させることができる。

（特徴２） 本明細書が開示するオーステナイト系ステンレス鋼製ばねでは、引張強さが１４５０Ｎ／ｍｍ^２以上１８５０Ｎ／ｍｍ^２以下であってもよい。ばねが硬い（即ち、引張強さが大きい）と、ばねに亀裂が生じた場合に、亀裂の進展速度が大きくなる。上記の構成によると、亀裂の進展速度が大きくなることを抑制でき、仮に応力腐食割れが発生したとしても、ばねが折損する可能性を大幅に低減しつつ、疲労耐久性も確保することができる。

実施例１に係るばね１０について説明する。ばね１０は、自動車のアンダーフロアに設置され、初期荷重が付与されている。ばね１０は、コイル状に成形されたばね線材により構成されており、隣接するばね線材の間には所定の間隔が設けられている。ばね線材の線径は、典型的には２．０〜６．０ｍｍである。

図１に示すように、ばね１０は、鋼材層１２とめっき層１４から構成されている。鋼材層１２は、オーステナイト系ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０２、ＳＵＳ３０４Ｎ１、ＳＵＳ３１６）からなる。鋼材層１２はニッケルを含有しており、鋼材層１２の表面は９重量％のニッケルを含有している。ニッケルの含有率は、ＳＥＭ−ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）で鋼材層１２の表面を面分析することにより算出される。ＳＥＭ−ＥＤＸは、試料に電子線を照射することで発生する特性Ｘ線を検出し、エネルギーで分光することによって元素分析を行う公知の手法である。面分析では、各元素の原子数の比率（原子数％）が算出される。原子数％に各元素の原子量を乗算することにより、各元素の重量％が算出される。鋼材層１２には、後述するショットピーニング処理により圧縮残留応力が付与されている。本実施例では、鋼材層１２の表面からの深さが１００μｍの位置での圧縮残留応力（以下では、１００μｍ位置圧縮残留応力とも称する）は、２００ＭＰａ以上７００ＭＰａ以下とされており、より好ましくは、２２５ＭＰａ以上２４０ＭＰａ以下とされている（後述）。

めっき層１４は、ニッケルを含有しており、鋼材層１２の表面に分散して配置されている。めっき層１４は、後述する電解ニッケルめっき処理及び冷間伸線処理により形成される。めっき層１４は鋼材層１２の表面に分散して配置されているため、ばね１０の表面は、めっき層１４の表面と、めっき層１４の間から露出している鋼材層１２の表面によって構成されている。ここで、めっき層１４の厚みは鋼材層１２の線径に比べて大幅に小さいため、以下では、ばね１０の表面積と鋼材層１２の表面積は略同一であると見なす。めっき層１４は、所定の割合でニッケルを含有している。また、上述したように、鋼材層１２の表面は、９重量％のニッケルを含有している。このため、鋼材層１２の表面を覆うめっき層１４の割合（別言すれば、ばね１０の表面積におけるめっき層１４の表面積の割合）は、ばね１０の表面のニッケルの含有率と相関する。ニッケルの含有率は、ＳＥＭ−ＥＤＸでばね１０の表面を面分析することにより算出される。ばね１０の表面のニッケルの含有率が大きいほど、鋼材層１２の表面を覆うめっき層１４の割合は大きい。本実施例では、ばね１０の表面のニッケルの含有率は、２０重量％以上９０重量％以下とされており、より好ましくは、２０重量％以上７３重量％以下とされている（後述）。

ばね１０の表面粗さＲｚは、６．１μｍより大きく９．６μｍ以下とされており、より好ましくは、８．１μｍ以上８．５μｍ以下とされている。また、ばね１０の引張強度は、１４５０Ｎ／ｍｍ^２以上１８５０Ｎ／ｍｍ^２以下とされている。

ばね１０の製造方法について説明する。まず、鋼材層１２の表面に、電解めっきにより処理前めっき層（図示省略）を形成する。めっき浴にはスルファミン酸ニッケル浴が用いられる。この時点では、処理前めっき層は、鋼材層１２の表面全体を覆っており、鋼材層１２は外部に露出していない。電解めっきの処理時間を制御することで、処理前めっき層の厚みを制御することができる。例えば、電解めっきの処理時間を長くすると、処理前めっき層の厚みが大きくなる。

次に、処理前めっき層が配置された鋼材層１２を、冷間伸線処理により所望の線径になるまで引き伸ばす。このとき、処理前めっき層も鋼材層１２の伸びに追従してある程度引き伸ばされるが、鋼材層１２の延びに追従しきれないときは破断する。冷間伸線処理により、処理前めっき層は引き伸ばされて薄くなり、破断して鋼材層１２の表面に分散して配置される。このようにしてめっき層１４が形成される。処理前めっき層が厚いほど、めっき層１４は破断し難くなり、鋼材層１２の表面を覆うめっき層１４の割合が大きくなる。即ち、ばね１０の表面のニッケル含有率が大きくなる。しかしながら、電解めっき処理において処理前めっき層をどれだけ厚く形成しても、冷間伸線処理において処理前めっき層が破断することは避けられない。本実施例における冷間伸線処理では、ばね表面のニッケル含有率は最大でも９０重量％であることが確認されている。

続いて、めっき層１４が配置された鋼材層１２（即ち、ばね線材）を、コイリングマシンによってコイル状に成形する。ばね線材をコイル状に成形した後は、ばね線材の端部を切断し、次いで、コイル状に成形されたばね線材に低温焼鈍を施し、さらに、このコイル状に成形されたばね線材の端面を研削する。これにより、ばね線材がばね形状に成形される。

次に、ばね形状に成形されたばね線材の表面にショットピーニング処理を実施する。ショットピーニング処理により、ばね線材に圧縮残留応力が付与される。圧縮残留応力は、投射材の粒径、硬度及び投射速度を制御することにより制御できる。例えば、投射材の粒径が大きいほど、及び／又は、投射材の硬度が高いほど、及び／又は、投射速度が大きいほど、ばね線材の表面からより深い位置に、より大きな圧縮残留応力を付与できる。但し、ショットピーニング処理後のばね線材を熱処理すると、圧縮残留応力は減少する。また、ショットピーニング処理により、ばね線材の表面粗さＲｚが大きくなる。表面粗さＲｚは、投射材の粒径、硬度及び投射速度を制御することにより制御できる。例えば、投射材の粒径が大きいほど、及び／又は、投射材の硬度が高いほど、及び／又は、投射速度が大きいほど、表面粗さＲｚが大きくなる。なお、ショットピーニング処理は、投射材及び／又は投射速度を変更して複数回行ってもよい。この場合、表面粗さＲｚの大きさは、最終回のショットピーニング処理で使用される投射材の粒径、硬度及び投射速度によって決定される。このため、例えば、１回目は粒径が大きい投射材を、２回目は粒径が小さい投射材を用いてショットピーニング処理を行うことにより、１回目の処理では深い位置に大きな圧縮残留応力を付与し、２回目の処理では、１回目の処理によって荒れた表面を整えて表面粗さＲｚを低減することができる。上述した電解めっき処理からショットピーニング処理までを実施することで、ばね１０が製造される。

本願発明者は、ばねの表面のニッケル含有率及び鋼材層の表面からの深さが１００μｍの位置に付与する圧縮残留応力を変えながら、応力腐食割れの有無を調べる実験（実験１）、及び疲労耐久性の有無を調べる実験（実験２）を行った。実験１、２では、ＳＵＳ３０４−ＷＰＢ材により形成された６つの試料１〜６をそれぞれ用意した。各試料１〜６には、線径が３．３ｍｍであり、コイルの外径が２４ｍｍであり、有効巻数が４のばねを用いた。試料１〜４のばねには、電解めっき処理及びショットピーニング処理を実施した。試料５のばねには、電解めっき処理は実施せずにショットピーニング処理を実施した。試料６のばねには、電解めっき処理を実施してショットピーニング処理は実施しなかった。

試料１〜４、６では、電解めっきの処理時間を変えることで、表面のニッケル含有率が２０重量％以上７３重量％以下となるように調整した（但し、試料３と６の処理時間は略同一である）。一方、試料５では、電解めっき処理を行わなかったため、表面のニッケル含有率は９重量％である。また、ショットピーニング処理の条件は、各試料１〜５で共通とした。具体的には、同一の投射材（直径０．３ｍｍ、硬度５００ＨＶのスチールボール）を用いて同一の投射速度でショットピーニングを行った。これにより、試料１〜５では、鋼材層１２の表面からの深さが１００μｍの位置に、２２５ＭＰａ以上２４０ＭＰａ以下の圧縮残留応力が付与されるように調整した。以下では、この条件でショットピーニング処理を行う場合を条件ｂと称する。また、ショットピーニング処理を行わない場合を条件ａと称する。試料６では、ショットピーニング処理を行わなかったため、１００μｍ位置圧縮残留応力は０ＭＰａである。

実験１では、試料１〜６のばねに、自動車のアンダーフロアに設置されるばねと同等の条件を課して、応力腐食割れの有無を調査した。具体的には、各ばねを所定の長さに圧縮して、７００ＭＰａの外部応力を作用させる。そして、各ばねに塩化カルシウム水溶液を滴下し、乾燥させた後で、各ばねを所定の温度及び湿度の環境下で１００時間放置した。一方、実験２では、疲労耐久試験機を用いて応力条件が６８６±３６０ＭＰａとなる荷重を所定の回数だけ繰り返し負荷して疲労耐久性の有無を調査した。これらの実験結果を表１に示す。なお、表１では、実験１において応力腐食割れが起こらない場合を○、起こる場合を×で示している。また、実験２において疲労耐久性を有する場合を○、有さない場合を×で示している。

表１から明らかなように、実験１に関しては、試料１〜４のばねでは応力腐食割れは起こらなかったが、試料５、６のばねでは応力腐食割れが起こった。このことから、ばね表面のニッケル含有率が２０重量％以上７３重量％以下であり、かつ、１００μｍ位置圧縮残留応力が２２５ＭＰａ以上２４０ＭＰａ以下の条件を満たすときに、応力腐食割れを抑制できることが分かった。また、本願発明者が鋭意研究した結果、ばねが設置される自動車のアンダーフロアの一般的な環境においては、ばね表面のニッケル含有率が２０重量％以上９０重量％以下であり、かつ、１００μｍ位置圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上７００ＭＰａ以下の場合であれば、ばねの応力腐食割れを抑制できることが分かった。

また、実験２に関しては、試料１〜５のばねは疲労耐久性を有していたが、試料６のばねは疲労耐久性を有していなかった。このことから、１００μｍ位置圧縮残留応力が２２５ＭＰａ以上２４０ＭＰａ以下となるようにショットピーニング処理を実施して、ばねの表面粗さＲｚが８．１μｍ以上８．５μｍ以下となるように調整することにより、ばねが疲労耐久性を得られることが分かった。さらに、本願発明者が行った他の実験等によると、ばね１０の表面粗さＲｚが６．１μｍより大きく９．６μｍ以下の場合にも、疲労耐久性を得られることが分かった。

応力腐食割れは、孔食の発生箇所に外部応力が作用することによって生じると考えられている。実験１における試料１〜４（めっき層あり）と試料５（めっき層なし）の結果を比較すると、両者には等しい外部応力（７００ＭＰａ）が作用しているにも関わらず、前者では応力腐食割れが発生せず、後者では応力腐食割れが発生している。このことから、鋼材層１２の表面にめっき層１４を設けて、ばね１０の表面のニッケル含有率が２０重量％以上９０重量％以下となるように制御することにより、ばね１０の表面に孔食が発生することを抑制でき、これにより応力腐食割れを抑制できたものと考えられる。

また、実験１における試料１〜４（圧縮残留応力あり）と試料６（圧縮残留応力なし）の結果を比較すると、試料６は、試料３と同一のニッケル含有率を有しているにも関わらず、前者では応力腐食割れが発生せず、後者では応力腐食割れが発生している。このことから、１００μｍ位置圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上７００ＭＰａ以下となるように制御することにより、鋼材層１２の表面から浅い深さの位置（１００μｍの深さより浅い深さ）に作用する外部応力を相殺でき、これにより応力腐食割れを抑制できたものと考えられる。

これは、次のように説明することもできる。図２は、ばね１０に生じた孔食１６を示す。発明者が鋭意研究した結果、めっき層を有するばねを、孔食が起こりやすい環境下で長期に亘って使用すると、孔食は鋼材層の表面から１００μｍより深くには進行し難いことが分かった。本実施例のばね１０では、孔食１６の最底部Ｂ１よりも深い位置である１００μｍの深さまで十分な圧縮残留応力を付与している。このため、１００μｍの深さまでは、外部応力は予め付与されている圧縮残留応力分だけ相殺される。従って、仮にばね１０に孔食１６が生じたとしても、孔食１６に過大な外部応力が作用することを抑制できる。従って、孔食１６を起点として応力腐食割れが発生することを抑制できる。特に、本実施例では、ばね１０は自動車のアンダーフロアに設置されている。アンダーフロアには、道路に散布された融雪剤（主成分は塩化カルシウム）が付着する。このため、ばね１０は応力腐食割れの２つの要因が生じやすい環境下に設置されている。本明細書が開示する技術をばね１０に適用することにより、応力腐食割れが生じやすい環境下であっても、ばね１０を長期に亘って信頼して使用することができる。

本実施例のばね１０によると、応力腐食割れの２つの要因（孔食の発生及び外部応力の作用）の両方を抑制できるため、応力腐食割れを大幅に抑制することができる。また、仮に２つの要因のうちの一方が生じたとしても、他方の発生が抑制されるため、応力腐食割れの発生を大幅に遅らせることができる。従って、応力腐食割れに起因してばね１０の耐久性が低下することを抑制できる。

また、本実施例のばね１０では、表面粗さＲｚが６．１μｍより大きく９．６μｍ以下となるように調整されている。この構成によると、ばね１０の疲労耐久性を向上させることができる。

また、本実施例のばね１０では、引張強さが１４５０Ｎ／ｍｍ^２以上１８５０Ｎ／ｍｍ^２以下となるように調整されている。ばねが硬い（即ち、引張強さが大きい）と、ばねに亀裂が生じた場合に、亀裂の進展速度が大きくなる。上記の構成によると、亀裂の進展速度が大きくなることを抑制できる。即ち、仮に応力腐食割れが発生したとしても、亀裂の進行が遅いため、ばね１０が折損する可能性を大幅に低減することができる。

実施例２に係るばね１１０について説明する。以下では、実施例１と相違する点についてのみ説明し、実施例１と同一の構成についてはその詳細な説明を省略する。実施例３についても同様である。図３に示すように、本実施例のばね１１０は、めっき層１４を有しておらず、鋼材層１１２のみを備える。ばね１１０では、鋼材層１１２の表面からの深さが１００μｍの位置での圧縮残留応力（１００μｍ位置圧縮残留応力）は３５０ＭＰａ以上７００ＭＰａ以下とされており、かつ、鋼材層１１２の表面からの深さが２００μｍの位置での圧縮残留応力（２００μｍ位置圧縮残留応力）は２００ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下とされている。より好ましくは、１００μｍ位置圧縮残留応力は３５０ＭＰａ以上６２５ＭＰａ以下とされており、さらに好ましくは、３５０ＭＰａ以上４７５ＭＰａ以下とされている。また、より好ましくは、２００μｍ位置圧縮残留応力は２００ＭＰａ以上３９０ＭＰａ以下とされている。また、鋼材層１１２の表面粗さＲｚ（即ち、ばね１１０の表面粗さＲｚ）は、６．１μｍより大きく９．６μｍ以下とされており、より好ましくは、８．３μｍ以上９．６μｍ以下とされており、さらに好ましくは、９．３μｍ以上９．６μｍ以下とされている（後述）。

ばね１１０は、実施例１のばね１０の製造方法から電解めっき処理を除いた処理を実施することによって製造される。

本願発明者は、めっき層１４を有さないばねの表面からの深さが１００μｍ、２００μｍの位置に付与する圧縮残留応力を変えながら、ばねの応力腐食割れの有無を調べる実験（実験３）、及び疲労耐久性の有無を調べる実験（実験４）を行った。実験３、４の手順は、それぞれ実施例１の実験１、２の手順と同様である。実験３、４では、５つの試料７〜１１をそれぞれ用意した。試料７〜１１は、実施例１の試料１〜６と同一材料で形成されており、同一形状を有する。なお、試料１１は、実施例１の試料５と同一の試料である。試料７〜１１のばねには、それぞれ異なる処理条件でショットピーニング処理が実施された。具体的には、試料７、８のばねには、ショットピーニング処理が２回実施された。いずれの試料にも、１回目の処理では投射材として直径０．７ｍｍ、硬度５５０ＨＶのカットワイヤが用いられ、２回目の処理では投射材として直径０．３ｍｍ、硬度５００ＨＶのスチールボールが用いられた。試料７ではショットピーニング処理後に熱処理を実施して、一旦付与した圧縮残留応力を低減する処理を行った（条件ｄ１）一方、試料８ではショットピーニング処理後の熱処理は実施しなかった（条件ｄ２）。試料９のばねには、投射材として直径０．７ｍｍ、硬度５５０ＨＶのカットワイヤが用いられた（条件ｃ）。試料１０のばねには、ショットピーニング処理が２回実施された。１回目の処理では投射材として直径０．６ｍｍ、硬度７００ＨＶのハードカットワイヤが用いられ、２回目の処理では投射材として直径０．３ｍｍ、硬度７００ＨＶのハードカットワイヤが用いられた。試料１１のばねには、条件ｂのショットピーニング処理が実施された。これらの実験結果を表２に示す。

表２から明らかなように、実験３に関しては、試料７〜１０のばねでは応力腐食割れは起こらなかったが、試料１１のばねでは応力腐食割れが起こった。このことから、めっき層１４を有さないばねの場合は、１００μｍ位置圧縮残留応力が３５０ＭＰａ以上６２５ＭＰａ以下であり、かつ、２００μｍ位置圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上３９０ＭＰａ以下の条件を満たすときに、応力腐食割れを抑制できることが分かった。但し、後述する疲労耐久性の実験結果を考慮すると、１００μｍ位置圧縮残留応力が３５０ＭＰａ以上４７５ＭＰａ以下であることがより好ましい。なお、本願発明者が鋭意研究した結果、１００μｍ位置圧縮残留応力が３５０ＭＰａ以上７００ＭＰａ以下であり、かつ、２００μｍ位置圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下の場合にも、応力腐食割れを抑制できることが分かった。

また、実験４に関しては、試料７、８、１１のばねは疲労耐久性を有していたが、試料９、１０のばねは疲労耐久性を有していなかった。試料９、１０では、表面粗さＲｚが比較的に大きくなっている。これは、条件ｃでは投射材の粒径が大きすぎ、条件ｅでは２回目の処理で用いられる投射材の硬度が高すぎることが原因と考えられる。このことから、ばねの表面粗さＲｚが８．３μｍ以上９．６μｍ以下となるようにショットピーニング処理の条件を調整することにより、ばねが疲労耐久性を得られることが分かった。但し、応力腐食割れ有無の実験結果を考慮すると、表面粗さＲｚが９．３μｍ以上９．６μｍ以下であることがより好ましい。なお、本願発明者が行った他の実験等によると、ばねの表面粗さＲｚが６．１μｍより大きく９．６μｍ以下の場合にも、疲労耐久性を得られることが分かった。

実験３において、試料７〜１０では試料１１よりも１００μｍ位置圧縮残留応力が大きい。また、試料７〜１０では、ばねに２００μｍ位置で圧縮残留応力が付与されているのに対し、試料１１では、ばねに２００μｍ位置で圧縮残留応力が付与されていない。両者はいずれもめっき層を有していないにも関わらず、前者では応力腐食割れが発生せず、後者では応力腐食割れが発生している。このことから、ショットピーニング処理を実施して、鋼材層１１２の表面からの深さが１００μｍの位置に３５０ＭＰａ以上７００ＭＰａの圧縮残留応力を付与すると共に、表面からの深さが２００μｍの位置に２００ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下の圧縮残留応力を付与することにより、２００μｍの深さまでに作用する外部応力を相殺でき、これにより応力腐食割れを抑制できたものと考えられる。

これは、次のように説明することもできる。図４は、ばね１１０に生じた孔食１１６を示す。発明者が鋭意研究した結果、めっき層を有さないばねを、孔食が起こりやすい環境下で長期に亘って使用すると、孔食は鋼材層の表面から２００μｍより深くには進行し難いことが分かった。本実施例のばね１１０では、孔食１１６の最底部Ｂ２よりも深い位置である２００μｍの深さまで圧縮残留応力を付与している。このため、２００μｍの深さまでは、外部応力は予め付与されている圧縮残留応力分だけ相殺される。従って、仮にばね１１０に孔食１１６が生じたとしても、孔食１１６に過大な外部応力が作用することを抑制できる。従って、孔食１１６を起点として応力腐食割れが発生することを抑制できる。別言すれば、応力腐食割れの２つの要因のうちの外部応力の作用を抑制できるため、応力腐食割れの発生を抑制することができる。

実施例３に係るばね２１０について説明する。図５に示すように、本実施例のばね２１０は、鋼材層２１２とめっき層２１４から構成されている。鋼材層２１２にはショットピーニング処理が実施されておらず、圧縮残留応力が付与されていない。このため、鋼材層２１２に残留している圧縮応力はゼロである。めっき層２１４は、めっき層１４と同一の方法（電解めっき）で形成される。ばね２１０の表面のニッケル含有率は、５０重量％以上９０重量％以下とされており、より好ましくは、５７重量％以上９０重量％以下とされている（後述）。

ばね２１０は、実施例１のばね１０の製造方法からショットピーニング処理を除いた処理を実施することによって製造される。

本願発明者は、ばねの表面のニッケル含有率を変えながら、応力腐食割れの有無を調べる実験（実験５）、及び疲労耐久性の有無を調べる実験（実験６）を行った。実験５、６の手順は、それぞれ実施例１の実験１、２の手順と同様である。実験５、６では、３つの試料１２〜１４をそれぞれ用意した。試料１２〜１４は、実施例１の試料１〜６と同一材料で形成されており、同一形状を有する。なお、試料１４は、実施例１の試料６と同一の試料である。試料１２では、試料１４よりも電解めっき処理の処理時間が長くされた。試料１３には電解めっき処理が実施されなかった。これらの実験結果を表３に示す。

表３から明らかなように、実験５に関しては、試料１２のばねでは応力腐食割れは起こらなかったが、試料１３、１４のばねでは応力腐食割れが起こった。このことから、圧縮残留応力が付与されないばねの場合は、ばね表面のニッケル含有率が５７重量％の試料１２のばねで応力腐食割れを抑制できることが判明し、本願発明者が鋭意研究した結果、ばね表面のニッケル含有率が５０重量％以上９０重量％以下の場合に、応力腐食割れを抑制できることが分かった。

また、実験６に関しては、試料１２〜１４のいずれも疲労耐久性を有していなかった。これは、ショットピーニング処理が実施されず、鋼材層２１２に圧縮残留応力が付与されていないためだと考えられる。応力腐食割れの抑制だけを目的とするばねであれば、ショットピーニング処理は不要である。しかしながら、疲労耐久性も要求される環境下でばねを使用する場合は、例えば条件ｂのショットピーニング処理を行って鋼材層２１２に圧縮残留応力を付与することが好ましい。

本実施例のばね２１０では、応力腐食割れの２つの要因のうちの孔食の発生を抑制できる。従って、仮にばね２１０に外部応力を作用させたとしても、応力腐食割れの発生を抑制することができる。

ここで、図６に、試料１〜１０、１２、１３（試料１１、１４はそれぞれ試料５、６と重複）の応力腐食割れの実験結果をまとめたグラフを示す。このグラフによると、応力腐食割れが発生しない試料が存在する領域と、応力腐食割れが発生する試料が存在する領域とは、二点鎖線で示す直線によって二分される。横軸をｘ、縦軸をｙとすると、この直線の式は、ｙ＝（−２０／３）ｘ＋１０００／３となる。このため、ばね表面のニッケル含有率（ｘ）と、１００μｍ位置圧縮残留応力（ｙ）の組み合わせを、ｙ≧（−２０／３）ｘ＋１０００／３の領域に存在する座標から選択することによって、応力腐食割れが起こらないばねを実現できると考えられる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

例えば、本明細書に開示する技術は、自動車のアンダーフロアに設置されるばねに限られず、他の用途に用いられるばねに適用してもよい（例えば、海水中や沿岸地域で設置されるばね）。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：ばね、１２：鋼材層、１４：めっき層、１６：孔食

Claims (3)

1. 自動車のアンダーフロアに設置されるばねであって、
   オーステナイト系ステンレス鋼からなる鋼材層と、
   前記鋼材層の表面の少なくとも一部に配置される、ニッケルを含有するめっき層と、を備えるオーステナイト系ステンレス鋼製ばねであり、
   前記鋼材層の表面からの深さが１００μｍの位置での圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上７００ＭＰａ以下であり、かつ、
   ＳＥＭ−ＥＤＸを用いて前記ばねの表面を元素分析した結果を原子数％から重量％に換算すると、前記ばねの前記表面のニッケルの含有率は、２０重量％以上９０重量％以下である、自動車のアンダーフロアに設置されるオーステナイト系ステンレス鋼製ばね。
2. 前記ばねの表面粗さ（最大高さＲｚ）が６．１μｍより大きく９．６μｍ以下である、請求項１に記載の自動車のアンダーフロアに設置されるオーステナイト系ステンレス鋼製ばね。
3. 引張強さが１４５０Ｎ／ｍｍ^２以上１８５０Ｎ／ｍｍ^２以下である、請求項１又は２に記載の自動車のアンダーフロアに設置されるオーステナイト系ステンレス鋼製ばね。

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