JPH02133578A - β型Ｔｉ合金製スプリングの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、自動車スプリング等に好適な軽Ｍでかつ、
座面や線間摩耗の少ない高寿命のβ型Ｔｉ合金製スプリ
ングの製造方法に関する。

（従来の技術） 従来、自動車用などのスプリングは、パテンティング処
理した高炭素鋼を用いて製造されていたが、最近エンジ
ンの高トルク、高回転数化の要請が強くなったことに伴
い、特に自動車エンジン用バルブスプリングを中心にそ
の軽量化、高強度化を目的としたチタン材の使用が検３
１されつつある。

しかしながら、素材が純Ｔｉであると製品は強度不足と
なり、またα＋β型チタン合金では、強度は高いが延性
が低いため、冷間伸線が難しいという問題があって、こ
れらは冷開成形スプリングの素材として不適当である。

これに対して、β型チタン合金の溶体化処理材は、延性
に優れているので伸線時に断線が生じず、冷間加工後の
硬度も高く、しかも後工程で時効処理を施すことにより
更に強度アップが可能である等の特性を存することから
、スプリング用の素材として極めて有望なものと考えら
れている。

β型チタン合金を素材として、スプリングを製造する方
法としては、下記の方法が知られている。

Ａ、　　Ｓｈｅｒｍａｎ　；　　”Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ
　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃ
ｅ　ｏｆ　Ｂｅｔａ　Ｔｉｔａｎｉｕｍ　ａｌｌｏｙ　
ＯｕｔｏｍｏｔｉｖｅＳｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　Ｓｐｒｉ
ｎｇ　”　Ｂｏｔａ　Ｔｉｔａｎｉｕｍ　ａｌｌｏｙｓ
　１ｎｔｈｅ　１９８０°Ｓ、　１９８０．２８１に紹
介されている製造工程は、 熱間スェージ→溶体化処理（８１５°ＣＸ３０’　、Ａ
Ｃ）→センタレスグラインド →表面清浄化 →冷間コイリング →時効（４９６°ＣＸ　１６Ｈｒ、　ＡＣ）→ショット
ピーニング となっている、また、 Ｓ、　Ｓｅａｇｌｅ　　；　Ｔｉｔａｎｉｕａ＋　ａｌ
ｌｏｙ　ｓｐｒｉｇｓＰｒｅｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｒ　Ｃ
ｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　［ｌｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ
ｔｉｔａｎｉｕｍ　、　Ｂｒ１ｓｔｏ１，１９８６．１
６６、に示される製造工程は、 １６１１１径棒　→容体化処理 →伸線（２０〜３５％）またはそのまま→コイリング →時効 →ショットピーニング となっている。

しかし、これらいずれの工程でも、座面、線間摩耗を防
止するための工程は含まれていない。

チタン合金は他の金属と、或いはチタン合金どうしで摺
動させた場合、きわめて摩耗しやすい。

従って、β型チタン合金でスプリングを製造し、例えば
エンジン動弁系にセットして使用すると、スプリングの
座面ばリテーナ−との摺動により摩耗し、非を効巻部は
線材どうしの接触で摩耗し、耐久性に問題が生じる。

チタン合金製品の耐摩耗性改善の方法としては、その表
面にめっきを施すことが考えられる。しかし、チタン合
金のめっきは元来困難なものであり、特に耐摩耗性向上
のための適切なめっきを施す方法は知られていない。

チタンまたはチタン合金のめっきに関しては、例えば下
記の方法が提案されている。

■フッ素イオン及びＮｉ、、Ｃｕ−、Ｚｎ、　Ｆｅ等の
比較的めっきの容易な重金属イオンを含む無機酸または
無機混酸の水溶液中で、チタンまたはチタン合金線材を
交流または交直束受電流を用いて電解処理した後、電気
ニッケルめっきをする方法（特開昭６１−１１０７９３
号公報）。

■濃硫酸（濃度９８％）５〜５０ｗｔ％の溶液にフッ酸
（濃度４７％）５〜ｌｏｏｍ　ｌ　／　ｌを添加した電
解液を用いて、鉛、カーボン等の不溶性極板を陰極とし
て、チタンまたはチタン合金にニッケルめっきをする方
法（特開昭６１−１１９６９５号公報）。

■チタンまたはチタン合金表面をエツチング処理して、
腐食孔の個数を１〜５ＸＩＯ’個／ＩＩＩＩｌｚ、孔の
径を０．５〜ｌＯμ請、孔の深さを１〜１０μｍになる
ようにした後、ニッケルめっきを行い、その後、貴金属
めっきを行う方法（特開昭６１−１７０５９４号公報）
。

しかし、これらの方法は、前処理工程で特殊な薬剤が必
要であったり、めっき前処理に優劣が生じて、めっき皮
膜の密着性にバラツキがあって、耐摩耗性向上のための
めっき皮膜にはならない。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、特にβ型チタン合金を素材として製造したス
プリングの耐久性向上を課題として、自動車エンジンの
動弁系などの苛酷な使用条件においても、めっきの密着
性に優れ、耐摩耗性に優れためっき皮膜を有するスプリ
ングを安価に製造する方法を提供することを目的とする
。

（課題を解決するための手段およびその作用）本発明の
要旨は、次のスプリングの製造方法にあ不 「β型Ｔｉ合金製スプリングの表面に鉄系ショットを用
いてショツトブラスト加工を施した後、アルカリ電解を
行い、続いて酸洗により活性化させた後、表面にめっき
皮膜を形成させることを特徴とするβ型Ｔｉ合金スプリ
ングの製造方法」上記本発明方法によるめっきその他の
処理は、スプリング全体に施してもよいが、摩耗が特に
問題になる部分、例えば座面および非有効巻部（スプリ
ングの最初の１〜１．５巻目で、荷重を受けた時に相互
に接触する部分）だけに施してもよい。

添付図は、上記の本発明方法の様々な実施態様を例示し
た工程図である。以下、この図を参照しつつ、本発明の
方法を詳しく説明する。

本発明において、β型チタン合金とは、溶体化の状態で
実質的にβ単相であり、時効処理によってα相が析出し
て高強度化する全てのチタン合金である０代表的なβ型
チタン合金は、例えば、Ｔｉ１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ａｆｆ
−３Ｓｎ、　Ｔｉ−３ＡｌＴｉ−３Ａｌ−８Ｖ６Ｃｒ−
４である。そして本発明の方法は、かかるβ型チタン合
金の線材で製造されたスプリングを対象として図示の工
程で処理することを特徴とする。

なお、スプリングに成形するまでの工程は、−船釣なも
のであってもよいが、特に、次の工程を採ることが推奨
される。

β型チタン合金熱間圧延線祠→脱スケール→潤滑処理→
冷間伸線→コイリング→時効処理→ショットピーニング β型チタン合金は時効によってα相を析出して高強度と
なるので、コイリングのままで終わらせず、好ましくは
３５０〜５５０°Ｃで時効処理を行うのが望ましい。

工払土 スプリングをショツトブラスト処理することによって、
表面の酸化スケール、よごれ、酸化皮膜を除去する。プ
ラストするショツト粒としては角を有する鉄系のショッ
ト　（グリッド）を使用する。

この時、鉄シッット　（純鉄または鉄合金のショット）
の一部が表面に残り、めっき処理でのめっき金属の析出
核となる。また、ショツトブラストにより表面に凹凸が
生じ、アンカー効果によってめっきの密着性が向上する
。ショットの粒径は０．０１〜２ｍｌ１１で投射密度は
１０ｋｇ／ｍ”　〜５０ｋｇ／ａ＋”の程度が望ましい
。粒径が０．０１ｍｍ以下では表面の凹凸が小さく、ア
ンカー効果が乏しく、２１以上では凹凸の間隔が広く、
かえって密着性が劣る。また、投射密度１０ｋｇ／ａ＋
２未満では酸化皮膜の除去及び鉄ショット粒を表面に残
すことが難しく　、５０ｋｇ／＋＊”を超える密度では
素材が研削されるおそれがある。

なお、本明細書において、ショツトブラストというのは
ショットピーニングをも含めた意味である。

工程） ショツトブラスト処理した後のスプリングにアルカリ電
解を施す、これは脱脂と、前工程で（＝ｊ着した過剰の
ショツト粒を通常のアルカリ液を使った電解処理で除去
する工程である。この処理はスプリングを陽極として行
うので、水素がβ型チタン合金母材に侵入して水素脆性
をひき起こすおそれはない、また、表面に食い込んだ鉄
シゴットで電解が起こり、生成した酸素気泡により汚れ
、油分、および表面に（１着しているショット残さも効
果的に除去される。

アノード電流密度は０．５〜２０Ａ／ｄｍ”とするのが
望ましい、０．５Δ／ｄａ”未満の場合は電解効果がな
く、洗浄能力が不足し、２０Ａ／ｄｍ”を超える場合は
不働態皮膜ができ、後工程のめっき皮膜の密着性が悪く
なることがある。

上皿ｌ 酸洗処理はスプリング表面上の無数の鉄ショットのかけ
らを活性化し、次工程のめっき金属と強く結合させるた
めに行う。酸液としてｌＩｃ１を用い、処理濃度１０％
、処理時間５〜３０秒程度が好ましい。

１韮（ 前記の工程１〜３で処理されたβ型チタン合金製のスプ
リングの表面に高密着性のめっきを施す工程である。め
っきは、次の４種類が採用できる。

■　無電解ニッケルめっき ■　電解クロムめっき ■　電解ニッケルめっきと無電解ニッケルめっきの組合
せ ■　電解ニッケルめっきと電解クロムめっきの組合せ 以下、これらについて順次説明する。

■の無電解ニッケルめっきは、市販のめっき液（例えば
、硫酸ニッケル溶液に還元剤として次亜りん酸ナトリウ
ムを添加したもの）を使用し、液温９０〜９５°Ｃ１処
理時間４０〜６０分で、めっき厚はおよそ２０８ｍ程度
とするのがよい。

この無電解ニッケルめっきを施した後は、そのまま、ま
たは後述のショツトブラストもしくはドライホーニング
加工を施して使用に供することができる。しかし、めっ
きした後に２００〜ｓｏｏ　”ｃでの加熱処理を施すの
が望ましい。この加熱処理によってめっき液中の３７２
（Ｐ）と旧とが反応して生成するＮｉ１Ｐがめつき皮膜
中に析出して皮膜は著しく析出硬化し、耐摩耗性の向上
に役立つ、この加熱処理は、２００°Ｃより低温では析
出硬化せず、５００°Ｃを超える高温では過時効によっ
てかえって軟化し、耐摩耗性は劣化する。

■の電解クロムめっきは、例えばサージェント浴を使用
し、電流密度５０Ａ／ｄｍ”、４０分程度の処理でおよ
そ２０μｖｌＴ’Ｌにめっきすればよい。

■および■は、下地として例えばワット浴を用いて５　
Ａ／ｄａ”で１程度度の電解ニッケルめっきを行い、２
μｍ厚程度の皮膜を付け、その上に前記のような条件で
無電解ニッケルめっきまたは電解クロムめっきを施す、
これは、無電解ニッケルめっきおよび電解クロムめっき
が、下地の性状が悪い場合に付着しにく（、特にβ型チ
タン合金では活性化状態が良くないとめっき皮膜が不均
一になることがあるので、上記のように予め電解ニッケ
ルめっきの下地をつけて、めっき皮膜の密着性を向上さ
せるのである。

工程」− 上記の各種のめっき皮膜をβ型チタン合金製スプリング
の表面に生成させた後に、ショツトブラスト又はドライ
ホーニングを行うのが望ましい。

この工程は必須ではないが、めっきすることによりスプ
リングの疲労強度が多少劣化することがあるので、特に
高い疲労強度を要求される場合に、ショツトブラストま
たはドライホーニング処理によって表面に圧縮残留応力
を発生させ、疲労強度の向上を図るのである。

ジョンドプラストまたはドライホーニングの処理時間は
３０分程度とし、めっき皮膜が除去されない強度で処理
する。

以下、実施例によって本発明を更に具体的に説明する。

（実施例１） β型チタン合金スプリング材料として、第１表に示す化
学成分のＴｉ　　３Ａｌ−８Ｖ　　６Ｃｒ−４Ｍｏ　−
４Ｚｒ合金を使用し、この材料から第２表に示す仕様の
スプリングを製造した。

スプリングに成形するまでの工程は次のとおりである。

素線材→フッ硝酸酸洗により脱スケール→潤滑処理→冷
間伸線→コイリング→５００°ＣＸ２時間の時効処理 このスプリングに、第３表に示す前処理と各種めっきを
施し、一部に加熱処理とドライホーニングを実施した。

それらのスプリングを疲労試験（摩耗試験）に供し、座
面及び線間の摩耗状態を観察した。

なお、無電解ニッケルめっきおよびクロムめっき層の厚
さは２０ａｍとした。めっき条件は下記のとおりである
。

クロムめっき： サージェント浴を使用し、電流密度５０　Ａ／ｄｆｉ”
で４０分処理。

無電解めっき： ニムデンスーパー（上材工業■製品）を水で５倍に希釈
した浴（温度９５°Ｃ）で５０分処理。

疲労強度τ（ｋｇ／ａｕｗ”）は、 １５１ｍ　±　τａ 但し、τｍ＝平均剪断応力（ｋｇ／ｍｍ”）τａ＝剪断
応力振幅（ｋｇ／ｍ”） で表されるものであって、平均応力４０ｋｇ／ｍｍ”で
１０′′迄の疲労試験を行った。摩耗状態測定結果を第
３表に示している。同表中には比較例として、全く表面
にめっき皮膜を存しないスプリング（Ｎα１１）と、事
前のシ１ットブラスト、アルカリ電解を行わずに、硫酸
＋フン酸による酸洗だけを行ってめっきしたもの（Ｎα
１２）の結果も示す。

第３表の結果から、本発明の方法で製造したスプリング
は、摩耗量（初めのスプリング重量−試験後のスプリン
グ重ｉｔ）が著しく減少していることがわかる。比較例
Ｎα１２ではめっき層がｆｆ１ｌｌ　！している箇所が
認められた。

（実施例２） アルカリ電解におけるアノード電流密度とめつき皮膜の
密着性との関係について検討した。

実施例１のβ型チタン合金材料をスプリングにコイリン
グする前のφ３．Ｏｍｍ線材を使用した。

試験は、第３表のＮへ１の処理を行うこととして、アル
カリ電解条件のみを変化させた後、９０゛曲げ試験を行
い、ニンケルめっきの剥離状況を観察した。結果を第４
表に示す。

第４表の結果から、電流密度が０．３Ａ／ｄｍ”と低い
場合、および２５　Ａ／ｄｍ”と高すぎる場合、いずれ
もめっき皮膜の密着性は劣る。結局、電流密度は、０．
５〜２０　Ａ／ｄＩ１１”の範囲が無難である。

（実施例３） 実施例１　（第３表）のＮα３の工程において、無電解
めっき後の加熱条件と疲労試験後のスプリングの摩耗量
との関係を調査した。加熱の条件と試験結果を第５表に
示す。

３００°ＣＸ１時間の処理で、耐１７耗性が著しく向上
していることがわかる。

（実施例４） 実施例１（第３表）のＮ（ｌ　ｌ〜３、および６〜Ｂの
条件においてドライホーニングをしたものとしないもの
について、スプリングの疲労試験を行い、疲労強度（１
０６迄）を測定した。その結果を第６表に示す。

めっき処理後、ドライホーニングを行うことによって疲
労強度が著しく向上することが判る。

（発明の効果） 本発明は、α＋β型チタン合金製のスプリング表面にめ
っき皮膜を形成してその座面摩耗、線間摩耗を少なぺす
る方法を提供する。しかも、その際、めっきに先立って
、これまでに述べた適切な下地処理を行うことにより、
密着性に優れためっきが得られる。また、めっきするこ
とによって懸念されるスプリングの疲労強度の低下も、
めっき皮膜表面にショツトブラスト等で圧縮残留応力を
生成させることによって防止できる。

本発明の方法によれば耐摩耗性に優れたβ型チタン合金
製スプリングが高品質で製造できる。従って、本発明は
、自動車用部品のみならず、航空機その他−船橋器用の
スプリング材料としてβ型チタン合金の用途を拡大して
いくのに大きく寄与できるものである。

【図面の簡単な説明】

添付の図は、本発明のβ型チタン合金性スプリングの製
造方法を例示する工程図である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）β型Ｔｉ合金製スプリングの表面に鉄系ショット
   を用いてショットブラスト加工を施した後、アルカリ電
   解を行い、続いて酸洗により活性化させた後、表面にめ
   っき皮膜を形成させることを特徴とする耐摩耗性に優れ
   たβ型Ｔｉ合金スプリングの製造方法。
2. （２）めっき皮膜が無電解ニッケルめっき皮膜である特
   許請求の範囲第１項記載のスプリングの製造方法。
3. （３）めっき皮膜が電解クロムめっき皮膜である特許請
   求の範囲第１項記載のスプリングの製造方法。
4. （４）めっき皮膜が電解ニッケルめっき皮膜と、その上
   に形成された無電解ニッケルまたは電解クロムめっきで
   ある特許請求の範囲第１項記載のスプリングの製造方法
   。
5. （５）アルカリ電解を０．５〜２０Ａ／ｄｍ＾２の電流
   密度で行う特許請求の範囲第１項から第５項までのいず
   れかに記載したスプリングの製造方法。
6. （６）めっき皮膜を形成した後、表面にショットブラス
   ト加工またはドライホーニング加工を施す特許請求の範
   囲第１項から第６項までのいずれかに記載したスプリン
   グの製造方法。