JPH02296022A - コイルバネ - 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］ 本発明はコイルバネの改良に関する。

［従来の技術］ 自動車エンジンの吸排気バルブ等には、通常、パテンテ
ィング処理した高炭素鋼からなるコイルバネが使用され
ている。

しかし耐摩耗層をもつコイルバネは知られていない。

［発明が解決しようとする課題］ コイルバネは、場合によって線間及び座面が摩耗するこ
とがわかり、とくに、Ｔｉ合金製］イルバネは、コイル
バネの線間摩耗及び座面摩耗が起こり易く、この摩耗の
ためにバネの設定荷重が低下したり、又は摩耗が進行し
てついには折損に至ることがおり得ることが判明した。

本発明は、上記観点に鑑みてなされたものでおり、耐摩
耗性にすぐれ、かつ安定なコイルバネを提供することを
解決すべき技術課題とするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明者等は、］イルバネの耐摩耗処理につき鋭意研究
を重ねた結果、コイルバネの線間、すなわちコイルバネ
の線材が直接接触する部位の摩耗量が最も大きいことに
着目した。さらに、コイルバネの表面部分に処理被膜層
の剥離しやすい部分と剥離しにくい部分があることを確
認した。

本発明は、上記した知見に基づき完成されたものである
。

本発明のコイルバネは、金属製のコイルバネ本体と、該
コイルバネ本体の軸方向に略相対向する該コイルバネ本
体の表面部位のみに形成された耐摩耗層とからなること
を特徴とづる。

本発明のコイルバネを構成するコイルバネ本体は、従来
のコイルバネと同様、高炭素鋼等の高密度材料、又はＴ
ｉ合金等の低密度材料から形成することができる。上記
Ｔｉ合金は、Ｔ　ｉ　−６Ａ３２−４Ｖ合金、Ｔ　ｉ　
−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３ＡＱ合金、Ｔ　１−１３
Ｖ−１１Ｃｒ−３ＡＱ合金、Ｔｉ−３ＡＱＴｉ−３ＡＱ
−８Ｖ−６Ｃｒ−４合金、等から適宜選択して使用する
ことができる。

上記コイルバネ本体は、通常の冷間伸線、コイリング、
時効処理、研削、ショットピーニング、低温焼鈍、ドラ
イホーニング、等の工程を経て成形することができる。

コイルバネ本体の形状としては、オープンエンド形状が
好ましい。また、コイルバネの端部の座面を平坦にした
ものでも、端部が断面円形のままのものでもよい。

本発明の］イルバネを構成する耐摩耗層は、］イルバネ
の線間、すなわち前記コイルバネ本体の軸方向に略相対
向する前記コイルバネ本体の表面部位のみに形成される
。この耐摩耗層が形成される上記コイルバネ本体の軸方
向に略相対向するコイルバネ本体の表面部位とは、第４
図に示すように、応力の作用していない状態で、上記コ
イルバネ本体を構成する線材の軸線と垂直な横断面で、
コイルバネの中心線と平行な該線材の中心線Ｏと０度の
角度で交わる平面Ｐ、Ｐ−と該線材の外周との交線Ｑ、
Ｑ−によって特定される表面部位Ａをいう。すなわち、
耐摩耗層は２θ以内の中心角を有するコイルバネ本体の
表面部位Ａに形成される。上記θの好ましい範囲は２〜
３Ｑ度、より好ましくは５〜１８度でおる。さらに、第
４図に示すように、］イルバネ本体の線径をｄ、ｉ：摩
耗層の膜厚をｔとしたとき、 ＣＯＳ　＜θ）≦ｄ／（ｄ＋２ｔ） θ≧ＣＯ３−１（ｄ／　（ｄ＋２ｔ））であることが好
ましい。耐摩耗層の幅が上記範囲より小さい場合は、摩
耗が進行するにつれて耐摩耗層の両端部に未接触部がで
き、好ましくない。

すなわち、摩耗が進行すれば耐摩耗層同士の接触面積が
拡大し、これにより接触部の血圧が低下して摩耗の進行
を防止できるが、この効果が上記条件を満たしていない
と低下する。

上記耐摩耗層を形成する手段としては、コイルバネ本体
の線間を形成する表面のみに均一に形成することのでき
る手段でおれば、とくに限定されない。例えば、電解め
っき、無電解めっき等により形成することかできるが、
均一にめっきしやすい無電解めっきにより形成すること
が好ましい。

無電解めっきにより、上記部位のみに耐摩耗層を形成す
るには、例えば、耐摩耗層を必要としない表面部分をマ
スキングした状態でめっき処理を施せばよい。また、］
イルバネ本体の全表面上にめっき処理を施した後、耐摩
耗層を必要とする上記部位をマスキングした状態で全表
面にショットピニング処理を施すことにより、耐摩耗層
を必要としない部分のめっき層を剥離させてもよい。こ
の耐摩耗層の膜厚は３〜４５μｍとすることが好ましい
。３μｍより薄いと耐摩耗層として耐摩耗性に寄与する
効果が乏しく、４５μｍより厚いとバネ作動時にめっき
の亀裂剥離が生じやすい。

［作用］ 第５図は、後述する実施例１で使用したコイルバネ本体
１について、星型疲れ試験機を使用して回転速度１８０
０ｒｐｍ、応力６０±３０ｋｑｆ／ｍｍ　２の試験条件
で試験したときの、コイルバネ表面の応力弁１５を示し
、コイル最内側部位からの角度とその部位に作用する応
力との関係を示す。

この図かられかるように、コイルバネの作動時に作用す
る応力は、］イルバネ最内側の部位で最も大きく、そこ
から外側に向かって徐々に小さくなり、コイルバネ最外
側の部位で最も小さくなる。

そして、バネ作動時に作用する応力が大きい部位ではコ
イルバネに歪みが発生するので、この部位に耐摩耗層を
形成した場合には、上記歪みにより耐摩耗層が剥離しや
すい。この剥離はコイルバネの耐摩耗性を劣化させるば
かりでなく、剥離した耐摩耗層が構成部品の摺動面等に
付着し、摩耗等の不都合を生じさせる。

上述したように、本発明のコイルバネは、金属製の］イ
ルバネ本体の軸方向に略相対向するコイルバネ本体の表
面部位のみに耐１♀耗層を形成している。この］イルバ
ネ本体の軸方向に略相対向するコイルバネ本体の表面部
位は、コイルバネの線材同士が直接接触して最も摩耗し
やすい部位であり、かつバネ作動時に作用する応力が比
較的小さく、歪みが生じにくい部位である。したがって
、本発明のコイルバネは、耐摩耗層の働きにより、コイ
ルバネの最も摩耗量の大きい部位の摩耗を防止すること
ができる。また、コイルバネ作動時にコイルバネ本体に
歪みが発生しにくい部位のみに耐摩耗層を形成している
ので、］イルバネ本体の歪みにより耐摩耗層が亀裂剥離
することがない。

［実施例］ 以下、実施例により本発明を説明する。

（実施例１） 第１図は本実施例１のコイルバネＮｏ、１の平面図、第
２図はその縦断面図、第３図は］イルバネを］イルバネ
本体の線材の軸線と垂直な横断面で切った拡大断面図で
ある。本実施例１のコイルバネＮｏ、１は、ｌｉ金合金
らなるオープンエンド形状のコイルバネ本体１と、コイ
ルバネ本体１の座面上、及び応力の作用していない状態
でこのコイルバネ本体１の軸方向に略相対向するコイル
バネ本体１の表面部位、すなわちコイルバネ本体１の線
材の軸線と垂直な横断面で、コイルバネの中心線と平行
な該線材の中心線Ｏと１５度の角度で交わる平面Ｐ、Ｐ
′と該線材の外周との交線Ｑ、Ｑ′によって特定される
コイルバネ本体１の表面部位に形成された耐摩耗層２と
から構成されている。

以下、本実施例１のコイルバネＮｏ、１の製造方法につ
いて、第６図に示す工程図に基づいて説明する。

Ｔ　ｉ　−３ＡＩ２−８Ｖ−６Ｃｒ−４Ｍｏ−４Ｚ　ｒ
合金のインゴットを１０５０℃に加熱後、９４０℃の温
度で圧延して熱延線材とし、酸化被膜及び酸素富化層を
ピーリング加工で除去し５．６ｍｍφとした。

この熱延線材を冷間圧延油を使用し、ローラダイスで冷
間伸線して３．５ｍｍφとし、さらに、大気加熱（６５
０’ＣＸａ分）によって表面に酸化被膜を生成させ、そ
の上にフッ素樹脂を伺けてダイス伸線した。ダイス伸線
では、２パスで３．５ｍｍφ→３．３５ｍｍφ→３．２
４ｍｍφとした。

上記によって得られた冷間伸線材をコイリングして、線
径３，２ｍｍ、平均コイル径１７．２ｍｍ、総巻数６．
５、有効巻数５、自由高さ５０ｍｍ、バネ定数２．０１
　ｋｏｆ／ｍｍのオープンエンド形状のコイルバネに成
形した後、コイルバネ全体を＃５０カットワイヤを用い
たショツトブラスト処理で脱酸化被膜を行い、続いて、
大気中にて５００’ＣＸ１時間の時効処理を施した。そ
して、座面取りのための研削加工し、コイルバネ本体１
とした。

このコイルバネ本体１の全表面上に無電解めっきにより
膜厚２０μｍのＮ１−Ｐめつき層からなる耐摩耗層２を
形成した。そして、４００’ＣＸ１時間、アルゴン雰囲
気中で熱処理を施した。なお、この熱処理条件は、Ｎ　
ｉ　　Ｐめっきの熱硬化特性、ＰＴＦＥの耐熱性、線材
の時効特性等を考慮して決定することができる。

次に、コイルバネの座面、及び］イルバネの線間、すな
わち前記したコイルバネ本体１の軸方向に略相対向する
コイルバネ本体１の表面部位に軟質樹脂をコートしてマ
スキングを施した。そして、１時間のショットピーニン
グ（０，８ｍｍφカットワイヤー使用、アークハイト０
．４ｍｍＡ＞を施し、マスキングされていない部分の耐
摩耗層２を除去した。そして、２５０℃Ｘ３０分の低温
焼鈍を行なった。この低温焼鈍により上記コートされた
軟質樹脂層が除去されるので、再びコイルバネ本体１の
線間に軟質樹脂をコ・−トしてマスキングを施し、さら
に３０分間のドライホーニング（０，１７ｍｍφのアル
ミナ使用、アークハイト０．１ｍｍＮ）を施し、２５０
℃Ｘ３０分の低温焼鈍を行なって、本実施例１のコイル
バネＮｏ。

１とした。

（実施例２） 本実施例２のコイルバネＮｏ、２は、耐摩耗層２を、固
体潤滑剤としてのＰＴＦＥ微粉末を全体の３Ｑｖｏ　１
％含有する膜厚１５μｍのＮｒ−ｐ複合めっき層から形
成し、めっき後の熱処理温度を３８０’Ｃとすること以
外は前記実施例１と同様の方法により製造した。

（実施例３） 本実施例３のコイルバネＮｏ、３は、耐摩耗層２を、固
体潤滑剤としてのＭＯ８２微粉末を全体の２０ＶＯ１％
含有する膜厚１５μｍのＮ＝ｐ複合めっき層から形成す
ること以外は前記実施例１と同様の方法により製造した
。

（実施例４） 本実施例４のコイルバネＮＯ６４は、耐摩耗層２を、膜
厚５μｍのＣｒめっき層から形成し、かつ耐摩耗層を形
成する範囲を応力の作用していない状態でコイルバネ本
体１の線材の軸線と垂直な横断面で、］イルバネの中心
線と平行な該線材の中心線Ｏと１０度の角度で交わる平
面Ｐ、Ｐ″と該線材の外周との交線Ｑ、Ｑ−によって特
定されるコイルバネ本体１の表面部位にすること以外は
前記実施例１と同様の方法により製造した。なお、Ｃｒ
めっき後の熱処理は施していない。

（比較例１） 比較のため、」イルバネ本体１にショットピーニング、
低温焼鈍、ドライホーニング処理を施した後、このコイ
ルバネ本体１の全表面上にＮＰめつき層よりなる耐摩耗
層２を形成すること以外は本実施例１と同様の方法によ
り、比較例１のコイルバネＮｏ、１０１を製造した。

（比較例２） コイルバネ本体１にショットピーニング、低温焼鈍、ド
ライホーニング処理を施した後、この］コイルバネ本体
の全表面上にＮｒ−ｐ複合めっき層（Ｎ　ｉ　−Ｐ＋３
０ｖｏ　Ｉ％ＰＴＦＥ）よりなる耐摩耗層２を形成する
こと以外は本実施例２と同様の方法により、比較例２の
］イルバネＮｏ、１０２を製造した。

（比較例３） コイルバネ本体１にショットピーニング、低温焼鈍、ド
ライホーニング処理を施した後、この］コイルバネ本体
の全表面上にＮ１−Ｐ複合めっき層（Ｎ　ｉ　−Ｐ＋２
０ｖｏ　１％ＭＯ８２）よりなる耐摩耗層２を形成する
こと以外は本実施例３と同様の方法により、比較例３の
コイルバネＮ０１１０３を製造した。

（比較例４） コイルバネ本体１にショットピーニング、低温焼鈍、ド
ライホーニング処理を施した後、このコイルバネ本体１
の全表面上にＣｒめっき層よりなる耐摩耗層２を形成す
ること以外は本実施例４と同様の方法により、比較例４
のコイルバネＮ０゜１０４を製造した。

（評価） 前記本実施例１〜４のコイルバネＮｏ、１〜４、及び比
較例１〜４のコイルバネＮｏ、１０１〜１０４について
、甲型疲れ試験機を使用して、回転速度１８００ｒｐｍ
、応力６０±３０ｋｇｆ／ｍｍ２の試験条件で１Ｘ１０
４回、１Ｘ１０Ｓ回、１．５Ｘ１０？回の疲れ試験を行
なった後、耐摩耗層２の表面状況を観察した。その結果
を表に示す。なあ、表面状況の観察は、第７図に示すよ
うに、コイルバネの内側部位ａ１コイルバネ本体の軸方
向に略相対向するフィルバネ本体の表面部位ｂ１コイル
バネの外側部位Ｃについて行なった。

また、表中、Ａは耐摩耗層が形成されていないため不都
合なし、Ｂは耐摩耗層２の亀裂剥離なし、Ｃは耐摩耗層
２の亀裂あり、Ｄは耐摩耗層２の亀裂剥離あり、である
ことをそれぞれ示す。また、本実施例１及び比較例１に
ついて、１．５ｘ１０７回の疲れ試験後の表面の金属組
織を表す１５０倍の顕微鏡写真を第８図及び第９図に示
す。第８図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ実施例１
のコイルバネＮ００１の表面部位ａ、ｂ、ｃにおける観
察状況の結果を示し、第９図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）は
それぞれ比較例１のコイルバネＮｏ、１の表面部位ａ、
ｂ、ｃにおける観察状況の結果を示す。なお、第９図（
ａ）及び（ｂ）中、白い略直線状に現れているのが亀裂
であり、また第９図（ａ）中、剥離は白い略直線を横切
る破断線として現われている。

表からも明らかなように、コイルバネ本体１の軸方向に
略相対向する］イルバネ本体１の表面部位のみに耐摩耗
層２が形成された本実施例１〜４のコイルバネＮｏ、１
〜４は、いずれも耐摩耗層２の亀裂剥離が起こらず、耐
摩耗層の耐久性が高い。一方、コイルバネ本体１の全表
面上に耐摩耗層２が形成された比較例１〜４のコイルバ
ネＮｏ。

１０１〜１０４は、試験回数が多くなるにつれて、最も
大きな応力が作用するコイルバネの内側部位ａの耐摩耗
層２に亀裂剥離が発生していた。また、１．５Ｘ１０７
回の試験後では、作用する応力が比較的小さい部位すに
ついても亀裂の発生が認められた。これは、コイルバネ
の内側部位ａで初期に発生した亀裂がコイルバネ外側に
向かって伝播したためと考えられる。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明の］イルバネは、コイルバ
ネ本体の軸方向に略相対向するコイルバネ本体の表面部
位、すなわちコイルバネの線材同士が直接接触して最も
摩耗しやすい部位であり、かつバネ作動時に作用する応
力が比較的小さく歪みが生じにくい部位のみに耐摩耗層
を形成している。したかつて、本発明の］イルバネは、
耐摩耗層の働きにより、］イルバネの最も摩耗量の大き
い部位の摩耗を防止することができる。また、耐摩耗層
に亀裂剥離が発生しにくく、かつ歪みの発生しやすい部
位に形成された耐摩耗層から亀裂が伝播することもなく
、耐久性の高い耐摩耗層となる。したがって、本発明の
］イルバネは、耐摩耗性に優れ、かつ安定なものとなる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例に係る］イルバネの平面図、第２図は
上記コイルバネの断面図、第３図はコイルバネ本体をコ
イルバネ本体の線材の軸線と垂直な断面で切った拡大断
面図、第４図はコイルバネ本体に形成する耐摩［層の範
囲を説明する図、第５図はコイル内側部位からの角度と
その部位に作用する応力との関係を示す図、第６図は上
記コイルバネの製造方法を説明する工程図、第７図は疲
れ試験後のコイルバネの表面の観察位置を説明する図、
第８図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ実施例１のコ
イルバネの表面部位ａ、ｂ、ｃにおける疲れ試験後の金
属組織を表す１５０倍の顕微鏡写真、第９図（ａ＞、（
ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ比較例１の］イルバネの表面部
位ａ、ｂ、ｃにおける疲れ試験後の金属組織を表す１５
０倍の顕微鏡写真でおる。 １・・・コイルバネ本体　　２・・・耐摩耗層特許出願
人　　　　トヨタ自動車株式会社同　　　　　　株式会
社東郷製作所 代理人　　　　　弁理士　大川　家 弟１図 第２図 第４図 Ｐ。 第３図 ル 第５図 第７図 ル 第６図 第８図（Ｃ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属製のコイルバネ本体と、 該コイルバネ本体の軸方向に略相対向する該コイルバネ
   本体の表面部位のみに形成された耐摩耗層とからなるこ
   とを特徴とするコイルバネ。