JPH05177544A - コイルばねの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐疲労性の高いばねをショットピーニング処
理時の条件の最適化により簡易な工程で、大きな残留応
力を付与して疲れ強さが向上したコイルばねとするこ
と。 【構成】 鉄鋼線材をコイリング成形、窒化処理、ショ
ットピーニングを順次おこないコイルに残留応力を付与
するコイルばねの製造方法において、該ショットピーニ
ングは、第１ショットピーニング工程と、その後の低温
焼きなまし工程と、該第１ショットピーニング工程で使
用したショットより小さい径のショットを使用しておこ
なう第二ショットピーニング工程と、からなることを特
徴とするコイルばねの製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車用エンジンに使
用される弁ばねなどの高強度高耐疲労ばねの製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】高強度高耐疲労ばねを製造する方法とし
て、引張強度の高い線材を使用して、コイリング成形、
熱処理、ショットピーニングによる残留応力付与処理を
し、その後研磨処理して表面最大粗さを低減させる各工
程を実施する方法が知られている。また特開平２ー１２
９４２２号公報には、シリコンクロム清浄鋼線を使用し
て、コイリング成形、熱処理、ショットピーニングによ
る残留応力付与処理をし、その後研磨処理して表面最大
粗さＲ_max を５μｍ以下にした高強度ばねを製造する方
法が記載されている。さらに、特開昭６３−７６７３０
号公報には、鉄鋼線材をコイリング成形し、窒化処理し
た後、ショットピーニングのショットの粒径を順次小さ
くした数段階のショットピーニングを施すコイルばねの
製造方法が記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のショットピニー
ングによる残留応力付与処理をおこないその後研磨処理
して表面最大粗さをＲ_max を５μｍとする方法は、ショ
ットピーニングにより表面の凹凸が大きくなるため比較
的表面を厚く研磨しなければならずそのために工数がか
さむといった問題がある。

【０００４】また、窒化処理後、数段階のショットピー
ニングを施す方法も、ショットピーニングの回数の割り
には残留応力付与が充分でないという問題がある。さら
に数段階のショットピーニングを施すと工程数がかさむ
という問題がある。本発明では、耐疲労性の高いばねを
ショットピーニング処理時の条件の最適化により簡易な
工程で、大きな残留応力を付与して疲れ強さが向上した
コイルばねとすることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、耐疲労性
を高める手段および残留応力付与処理時のショットピー
ニングの条件について鋭意検討した結果、鉄鋼材を用い
て窒化処理し、ショットの粒径を変えて２段階でショッ
トピーニングをおこない、かつ１段目のショットピーニ
ング処理後に低温焼なまし工程をおこなうことにより高
疲労強度ばねが形成できることを見出し本発明を完成し
た。

【０００６】すなわち、本発明のコイルばねの製造方法
は、鉄鋼線材をコイリング成形、窒化処理、ショットピ
ーニングを順次おこないコイルに残留応力付与するコイ
ルばねの製造方法において、該ショットピーニングは、
第１ショットピーニング工程と、その後の低温焼なまし
工程と、該第１ショットピーニング工程で使用したショ
ットより小さい径のショットを使用しておこなう第２シ
ョットピーニング工程と、からなることを特徴とする。

【０００７】本発明のコイルばねの製造方法は、鉄鋼線
材をコイリング成形して窒化処理し、ショットピーニン
グを第１ショットピーニング工程、低温焼なまし工程、
第２ショットピーニング工程の順におこなうことで高い
耐疲労性を付与している。本発明のコイルばねの製造方
法に使用される線材は、窒化処理により表面部が窒化さ
れて表面部の硬度が高くなる鉄鋼材である。特に、高強
度ばね用として従来より使用されているモリブデン、バ
ナジウムを含む合金鋼オイルテンパー線とか合金鋼硬引
線が適している。かかる線材は酸化皮膜をもつものが好
ましい。酸化皮膜はその後の工程のコイリング成形を容
易とする作用を有する。

【０００８】ばね用低合金鋼オイルテンパー線は、加工
性が低いため温間処理をおこなってばね状に成形する。
その後、低温熱処理により温間コイル処理の際に生じた
残留応力や残留歪みを除去するのが好ましい。また合金
硬引線に対しては、焼入れ焼もどし処理を実施してその
硬度を高くするのが好ましい。線材として酸化皮膜を有
するものを使用する場合には、窒化に先立ちデスケール
処理をおこなうのが好ましい。デスケール処理は、コイ
リング成形されたばね素材の表面の酸化皮膜を除去する
工程で、酸化皮膜を取り除くことにより均一な窒化が可
能となる。

【０００９】なお、デスケール処理において、ばね素材
の表面最大粗さをＲ_max ５μｍ以下にするのが好まし
い。表面最大粗さがＲ_max ５μｍを超えると、窒化の均
一性が不十分となり、また、得られるコイルばねは表面
研磨が必要となる。デスケール処理としては電解研磨、
酸洗い、ショットブラスト、ショットピーニングなどで
実施できる。ショットブラスト、ショットピーニングで
は特にばね素材の表面粗さを増大させないように、比較
的弱くブラストされるような条件を選択する必要があ
る。例えば、ショットピーニングでは、比較的柔らかい
ガラスビーズや砥粒を使用するとか、直径０．３mm以下
の細かいカットワイヤを使用するとか、直径０．３mm以
下のスチールショットを使用することによりばね素材の
表面最大粗さをＲ_max ５μｍ以下にすることができる。

【００１０】デスケールをショットブラスト、ショット
ピーニングで実施することにより、酸化皮膜が除去でき
る以外に次の工程の窒化が容易となる。窒化処理は表面
より約０．２mm程度の深さまで窒化し、表面より０．０
５から０．１mmまでの表面部の硬度をＨv ８５０から６
００程度とするものである。窒化処理そのものは従来と
同様に実施することができる。例えば、アンモニア雰囲
気中に４２０から５５０℃で２から６時間処理すること
により所定の窒化層を形成できる。この窒化処理層は従
来材のＳＷＯＳＣ−Ｖよりも硬い表面が形成できる（図
１参照）。

【００１１】ショットピーニング工程では、表面部が窒
化処理されて硬化したコイルばねの表面から内部深くか
つ表面での残留応力を大きく付与して、コイルばねの疲
れ強さを高めることにある。そのため第１ショットピー
ニング工程ではまず粒径の大きいショットを、たとえ
ば、高速でコイルばねに投射して表面より内部の深い位
置まで残留応力を付与させる。その後、低温焼なましを
おこない異常な応力を緩和する。第２ショットピーニン
グ工程では、第１ショットピーニング工程で使用したシ
ョットより粒径が小さいショットを使用して再度投射を
おこなう。この工程により表面部にさらに大きな残留応
力を付与をする。第１ショットピーニング工程で使用し
たショットより硬度の高いものを使用したりショットを
高速で投射することでその効果を高めることができる。
これらの工程により、表面の残留応力が高く、かつ内部
深い位置まで残留応力が付与できコイルばねの疲れ強さ
を大幅に向上させることができる。さらに最終の低温焼
なまし工程をおこなうことが好ましい。 第１ショット
ピーニング工程で使用されるショットとしては、通常径
が０．６〜１．０mmのもので硬さがＨｖで６００〜８０
０の範囲のものを使用するのが内部深い位置まで残留応
力を付与するのに好ましい。

【００１２】この後に低温焼なまし工程を実施して、第
１ショットピーニング工程に起因する異常に大きい歪み
を取り除きばね最表面部分の金属組織を均一化する。こ
の工程は通常２５０℃で３０分程度の焼なましがおこな
われる。この低温焼なまし工程をおこなうことで、この
工程をおこなわない場合に比べて表面部の残留応力が高
くなる（図２参照）。

【００１３】第２ショットピーニング工程では、ショッ
トの径が第１ショットピーニング工程で使用したものよ
り径の小さいものが用いられる。通常０．０５〜０．２
mm程度のものが使用され、そのショットの硬さがＨｖで
７００〜９００のものを使用するのが表面部の残留応力
を高めるのにより好ましい。この高圧でのショットの投
射で表面付近に著しく高い残留応力が形成される。

【００１４】その後第１ショットピーニング工程の場合
と同様に低温焼なましを実施するのが残留応力を安定さ
せ疲れ強さを高めるために好ましい。

【００１５】

【作用】本発明のコイルばねの製造方法では、表面を窒
化処理で硬化させたコイルばねにショットピーニングを
第１ショットピーニング工程と、低温焼なまし工程と、
第１ショットピーニング工程で使用したショットより硬
く小さい径のショットを使用する第２ショットピーニン
グ工程をおこなう。これにより表面が硬化されたコイル
ばねに第１段階で内部の深い位置まで残留応力が付与さ
れ、低温焼なまし工程を経て、さらに第２段階でのショ
ットピーニング処理により表面付近の残留応力をより大
きくすることができる。このためコイルばねは最表面部
分から比較的深い部分まで残留応力が分布し、かつ表面
に近い部分程大きい圧縮残留応力が付与される。このた
め、高強度で耐疲労性に優れたコイルばねが製造でき
る。

【００１６】

【実施例】以下、実施例により具体的に説明する。 （実施例１）コイルばねの線材として、炭素０．６４重
量％（以下、％は特に明記されていない限り重量％を意
味する）、珪素１．４３％、マンガン０．６７％、燐
０．０１５％、硫黄０．００６％、クロム１．５７％、
モリブデン０．５７％、バナジウム０．２６％、残部鉄
とからなる合金鋼をオイルテンパーして、引張強度σ_B
＝２０９kgf/mm² の合金鋼オイルテンパー線としたもの
を使用した。

【００１７】この線材を２００℃で温間コイリングし、
線径３．２mm、コイル中心径２１．２mm、総巻数６．５
巻、有効巻数４．５巻、自由高さ５０mm、ばね定数２．
４５kgf/mm² のコイルばねに成形した。次にこのコイル
ばねを５００℃で３０分間熱処理し低温焼なましをおこ
なった。その後、直径が０．２mmで硬度Ｈｖ５５０のス
チールボールを使用し、１０分間のマイクロショットピ
ーニングを実施して表面の酸化皮膜を除去した。

【００１８】次にアンモニアガス雰囲気下で５００℃、
６時間のガス窒化を行いコイル表面に窒化層を形成し
た。その後、コイルの端面を切削して仕上げ処理した。
この窒化層を形成したコイルばねの硬度を表面からの深
さによる低下の度合いを調べた結果を図１に示す。さら
に比較試料として、窒化処理温度４５０℃にして本実施
例の鋼材（図中◎）と従来のＳＷＯＳＣ−Ｖ鋼材（図中
×）（炭素０．５７重量％、珪素１．４８％、マンガン
０．７０％、燐０．０１１％、硫黄０．００６％、クロ
ム０．７１％）についても調べ結果を図１に示した。そ
の結果、内部硬さＨｖは実施例の５００℃で処理したも
の（○）がＨｖ５８５、４５０℃で処理したもの（◎）
がＨｖ５９５、従来材を４５０℃で処理したもの（×）
がＨｖ５０５であり、本実施例の品の０．０２mmでの硬
さはＨｖ８００以上であり、従来材のＨｖ７００以下に
比べて硬度が上昇している。

【００１９】本実施例の鋼材を４５０℃と５００℃
（○）で窒化処理した物の窒化層の硬さをみると図１に
示すように内部硬さの低下は少なく表層部の硬さが向上
していること示している。したがって、実施例では従来
品に比べ内部深くまで硬く窒化されやすいことを示して
いる。これは本実施例の試料の鋼材では、従来のものに
比べてクロムが増量されさらにモリブデンとバナジウム
とを含んでいるので、焼もどし軟化抵抗が向上し、窒化
時の内部硬さの低下が起こりにくい。そのため窒化処理
温度を高くすることが可能となる。

【００２０】第１ショットピーニング工程は、窒化処理
後に直径０．８mmのカットワイヤを使用し、Ｈｖ７０
０、７０m/s の条件で６０分間のショットピーニングを
実施した。次いで２５０℃３０分間の低温焼なまし工程
を実施した。第２ショットピーニング工程は、直径０．
１mmのスチールボールを使用し、Ｈｖ８００、投射圧力
を５kgf/cm² の条件で３０分間のショットピーニングを
実施した。次いで２５０℃３０分間の低温焼なましを実
施して異常に大きな内部歪みを除去し、コイル表面に圧
縮残留応力を付与して本実施例のコイルばねを得た。

【００２１】図２は第１ショットピーニング工程と第２
ショットピーニング工程との間におこなう低温焼なまし
工程の効果を確認するために、縦軸に残留応力（kgf/cm
² ）を横軸に表面からの深さ（μｍ）をとりその関係を
グラフで示した。すなわち、図２では第１および第２シ
ョットピーニング工程をそれぞれ同じ条件でおこない低
温焼なましおこなった（○）場合と、おこなわない
（●）場合とを比較した。その結果、前者では表面層の
残留応力が後者より大きくなっていることを示してい
る。したがって、この低温焼なまし工程は、表面部分の
残留応力を高めるのに有効である。

【００２２】このコイルばねの表面粗さはＲmax ２．０
μｍであった。また、このコイルばね８個を５ｘ１０⁷
回の繰り返し応力振幅させた時、８個とも破損しない場
合を合格とし時、コイルばねの疲れ強さは６０±５７．
５kgf/mm² 以上、７０±５５kgf/mm² であった。図３に
このコイルばねの残留応力の分布状態を線グラフ（−○
−）で示す。なお、図３中縦軸は残留応力を、横軸は表
面からの深さ（μｍ）を示す。実施例のコイルばねは表
面からの深さが３００μｍで、表面での残留応力は−１
６０kgf/cm² である。

【００２３】本実施例により得られたコイルばねは、表
面は硬く表面には大きくかつ深い位置まで残留応力が形
成されていることを示している。 （実施例２）実施例１の線材と同じ材質の合金鋼を硬引
し、引張強度σ_B ＝１３５kgf/mm² の合金鋼硬引線とし
たものを線材として使用した。この線材を用いコイリン
グ、焼き入れ９３０℃７分間焼きもどし４５０℃２０分
の熱処理、表面処理、ガス窒化、研磨を実施例１の工程
と全く同じ工程を実施した。

【００２４】第１ショットピーニング工程を直径０．８
mmのカットワイヤを使用し、Ｈｖ７００、１００m/s の
条件で６０分間のショットピーニングを実施した。次い
で２５０℃３０分間の低温焼なまし工程を実施した。第
２ショットピーニング工程は、直径０．１mmのスチルボ
ールを使用し、Ｈｖ８００、投射圧力を５kgf/cm² の条
件で３０分間のショットピーニングを実施した。次いで
２５０℃３０分間の低温焼なまし工程を実施して異常に
大きな内部歪みを除去し、コイル表面に圧縮残留応力を
付与して本実施例のコイルばねを得た。

【００２５】このばねの残留応力の分布の状態を線グラ
フ（−◎−）で図３に示す。このコイルバネは実施例１
よりも第１ショットピーニング工程の投射速度を速めた
ことによりさらに内部（４００μｍ）まで残留応力が分
布している。本実施例のコイルばねの表面粗さはＲmax
２．５μｍであり、５ｘ１０⁷ 回の疲れ強さは６０±５
７．５kgf/mm² 以上、７０±５７．８kgf/mm² 以上であ
った。 （比較例）比較例のコイルばねは、実施例１の第１ショ
ットピーニング工程のショットの硬さおよび投射速度を
替え、第２ショットピーニング工程ではショットの径を
０．２とした以外は投射速度、硬度は第１ショットピー
ニング工程と同じで処理時間は実施例の場合と同じであ
る。

【００２６】すなわち、第１ショットピーニング工程を
直径０．８mmのカットワイヤでＨｖ５５０のものを用い
６０m/s の条件で投射を６０分おこなった。次いで２５
０℃３０分間の低温焼なまし工程を実施した後、第２シ
ョットピーニング工程は、ショットの直径を０．２mmで
硬さおよび投射速度を第１ショットピーニング工程と同
じにして３０分投射した。

【００２７】得られたばねの残留応力の分布の状態を線
グラフ（−△−）で図３に示す。このコイルばねは残留
応力の分布が実施例１よりも浅く（２００μｍ）表面で
の残留応力も（−１００kgf/mm² ）と小さい。コイルば
ねの表面粗さはＲmax ２．０μｍであり、５ｘ１０⁷ 回
の疲れ強さは６０±５４．５kgf/mm² と実施例に比べて
耐久性に劣る。

【００２８】

【発明の効果】本発明のコイルばねの製造方法では、表
面を窒化処理した後に粒径および硬さを変えたショット
で２段階のショットピーニング工程を実施している。こ
のため硬化した表面層に第１段階で内部深くまで残留応
力を形成し、第２段階のショットピーニングにより表面
での残留応力を大きくしている。このため疲労破壊の起
点がより内部に移行して、かつ圧縮残留応力が大きくな
りコイルばねの疲れ強さが著しく向上し耐久性を向上さ
せることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、窒化処理後の試料の表面から内部への硬さ
の分布を示すグラフである。

【図２】は、低温焼なまし工程の有無による試料の残留
応力の分布を示すグラフである。

【図３】は、実施例および比較例の試料の残留応力の分
布を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ１６Ｆ 1/02 Ｂ 8917−3Ｊ (72)発明者 近藤 覚 愛知県愛知郡東郷町大字春木字蛭池１番地 株式会社東郷製作所内 (72)発明者 伊沢 佳伸 愛知県愛知郡東郷町大字春木字蛭池１番地 株式会社東郷製作所内 (72)発明者 安田 茂 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 中野 修 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 内田 尚志 室蘭市仲町12番地 新日本製鐵株式会社室 蘭製鐵所内 (72)発明者 小野田 光芳 千葉県習志野市東習志野７丁目５番１号 鈴木金属工業株式会社内 (72)発明者 林 博昭 千葉県習志野市東習志野７丁目５番１号 鈴木金属工業株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉄鋼線材をコイリング成形、窒化処理、
   ショットピーニングを順次おこないコイルに残留応力付
   与するコイルばねの製造方法において、 該ショットピーニングは、第１ショットピーニング工程
   と、その後の低温焼なまし工程と、該第１ショットピー
   ニング工程で使用したショットより小さい径のショット
   を使用しておこなう第２ショットピーニング工程と、か
   らなることを特徴とするコイルばねの製造方法。