WO2015064202A1 - ばね及びばねの製造方法 - Google Patents

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WO2015064202A1
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英利 吉川
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中央発條株式会社
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    • C23F17/00—Multi-step processes for surface treatment of metallic material involving at least one process provided for in class C23 and at least one process covered by subclass C21D or C22F or class C25
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    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/02—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
    • F16F1/024—Covers or coatings therefor

Definitions

  • the technology disclosed in this specification relates to a spring.
  • the present invention relates to a technique for improving the fatigue strength of a spring (for example, a valve spring or a spring for a clutch).
  • This specification aims to provide a spring with improved fatigue strength.
  • the spring disclosed in this specification includes a steel material layer and a compound layer containing nitride formed on the surface of the steel material layer.
  • the compound layer contains an ⁇ phase, and the compressive residual stress of the ⁇ phase is set to 800 to 1400 MPa.
  • a nitride compound layer is formed on the surface of the steel layer, and the compressive residual stress of the ⁇ phase contained in the compound layer is set to 800 to 1400 MPa.
  • the fatigue of the spring is caused by the compressive residual stress applied to the ⁇ phase contained in the compound layer. It was found that the strength improved dramatically.
  • This spring can have excellent fatigue strength by adjusting the ⁇ phase contained in the compound layer to 800 to 1400 MPa.
  • This specification also provides a novel method for manufacturing the springs described above.
  • This method includes a step of removing surface scratches formed on the surface of the spring wire, a step of nitriding the spring wire from which surface scratches have been removed, and a step of performing shot peening on the surface of the spring wire after the nitriding step ,have.
  • shot peening process shot peening is performed a plurality of times, and the hardness of the projection material used for the last shot peening is set to 1100 to 1300 HV.
  • Sectional drawing of the spring which concerns on a present Example The flowchart which shows the manufacture process of the spring which concerns on a present Example.
  • the graph which shows the compressive residual stress (relationship of the compressive residual stress of (epsilon) phase and (alpha) phase) provided to the surface of the spring which concerns on a present Example.
  • the graph which shows the result (Relationship of the compression residual stress of an epsilon phase, and fatigue strength) which measured the fatigue strength with respect to the spring which concerns on a present Example.
  • the half width of the ⁇ phase may be less than 4.0.
  • the compressive residual stress of the ⁇ phase is also increased, and the fatigue strength of the spring can be improved.
  • the half-value width of the ⁇ phase is 4.0 or more, the fatigue strength of the spring decreases. Therefore, by setting the half width of the ⁇ phase to less than 4.0, excessive application of compressive residual stress to the ⁇ phase can be prevented, and a decrease in the fatigue strength of the spring can be suppressed.
  • the compressive residual stress of the ⁇ phase may be 1100 to 1300 MPa. According to such a configuration, the fatigue strength can be further improved.
  • the steel layer is, in mass%, C: 0.60 to 0.80, Si: 1.30 to 2.50, Mn: 0.30 to 1.00, Cr: 0. 40 to 1.40, and at least one of Mo: 0.05 to 0.25, V: 0.05 to 0.60, W: 0.08 to 0.20, with the balance being It may contain iron and unavoidable impurities. According to such a configuration, since the steel material for forming the spring is formed of an appropriate material, the fatigue strength can be further improved.
  • the spring 10 which concerns on an Example is demonstrated.
  • the spring 10 is used as a valve spring for an automobile engine.
  • the spring 10 is configured by a spring wire formed in a coil shape, and a predetermined interval is provided between adjacent spring wires.
  • the spring 10 includes a steel material layer 12 and a compound layer 14.
  • the steel material layer 12 is formed by heat-treating the spring wire.
  • the steel material layer 12 (that is, the spring wire) may contain, for example, C (carbon), Si (silicon), Mn (manganese), Cr (chromium), W (tungsten), iron, and inevitable impurities.
  • C carbon
  • Si silicon
  • Mn manganese
  • Cr chromium
  • W tungsten
  • iron iron
  • inevitable impurities inevitable impurities.
  • the ratio of each element is mass%
  • C is 0.60 to 0.80%
  • Si is 1.30 to 2.50%
  • Mn is 0.30 to 1.00%
  • Cr is 0. .40 to 1.40%
  • W is in the range of 0.08 to 0.20%
  • the balance may be Fe (iron) and inevitable impurities.
  • C is 0.60% or more
  • C is less than 0.60%, it is difficult to satisfy both durability and sag resistance.
  • C is set to 0.80% or less is that when C exceeds 0.80%, the moldability is lowered, and the possibility of cracking or breakage during processing increases.
  • Si is 1.30% or more is that when Si is less than 1.30%, sufficient sag resistance cannot be obtained.
  • Si is set to 2.50% or less is that when Si exceeds 2.50%, the amount of decarburization during heat treatment exceeds the allowable range and adversely affects the durability.
  • Mn is 0.30% or more is that sufficient strength cannot be obtained when Mn is less than 0.30%.
  • Mn is set to 1.00% or less is that when Mn exceeds 1.00%, the amount of retained austenite becomes excessive.
  • Cr is 0.40% or more is that when the Cr is less than 0.40%, sufficient solid solution strength and hardenability cannot be obtained.
  • Cr is made 1.40% or less is that when Cr exceeds 1.40%, the amount of retained austenite becomes excessive.
  • W is made 0.08% or more is that when W is less than 0.08%, the effect of adding W (improving hardenability, increasing strength, etc.) cannot be obtained.
  • W is made 0.20% or less is that when W exceeds 0.20%, coarse carbides are formed, and mechanical properties such as ductility are deteriorated.
  • the steel material layer 12 may contain Mo (molybdenum) and / or V (vanadium) together with W or instead of W.
  • Mo molybdenum
  • V vanadium
  • the strength of steel can be improved and the hardenability can be improved.
  • V the magnitude
  • Mo molybdenum
  • V vanadium
  • the reason why Mo is set to 0.25% or less is that when Mo exceeds 0.25%, the stabilizing action of retained austenite cannot be ignored. Further, the reason why V is set to 0.05% or more is that when V is less than 0.05%, a sufficient amount of carbide is not generated and the effect of preventing crystal grain growth cannot be obtained. Further, the reason why V is set to 0.60% or less is that when V exceeds 0.60%, vanadium carbide itself grows and becomes large, which adversely affects durability.
  • a compound layer 14 is formed on the entire surface of the steel material layer 12.
  • the thickness of the compound layer 14 is 7 ⁇ m or less. Since the thickness of the compound layer 14 is 7 ⁇ m or less, a decrease in strength due to the brittleness of the compound layer can be prevented.
  • the compound layer 14 contains N (nitrogen) in addition to C, Si, Mn, Cr, W, Fe and unavoidable impurities contained in the steel material layer 12, and the compound layer 14 contains Si, Mn, A compound (nitride) of a metal element such as Cr, W, or Fe and N exists.
  • the concentration of N in the compound layer 14 is not particularly limited. For example, N is in a range of 5.0 to 6.1% by mass%.
  • ⁇ phase Fe 4 N base having a hexagonal close-packed structure (hcp) is formed on the outermost surface of the compound layer 14, and C, Si, Mn, Cr, W, etc. are dissolved in the ⁇ phase. is doing.
  • the ⁇ phase in the compound layer 14 is hard and brittle.
  • the durability of the spring 10 is improved by applying a compressive residual stress to the ⁇ phase. That is, it is preferable that a compressive residual stress of 800 to 1400 MPa is applied to the ⁇ phase in the compound layer 14, and more preferably, the compressive residual stress of the ⁇ phase is 1100 to 1300 MPa. This is because the fatigue strength cannot be sufficiently improved when the compressive residual stress is less than 800 MPa as shown in the experimental results described later. On the other hand, if the compressive residual stress exceeds 1400 MPa, the fatigue strength decreases.
  • the half width of the ⁇ phase (an index for evaluating whether or not compressive residual stress (strain) is introduced and calculated from an X-ray intensity profile obtained by an X-ray residual stress measurement method) is 4 It is preferable to be less than 0.0. That is, when the half width of the ⁇ phase increases, the compressive residual stress of the ⁇ phase also increases, and the fatigue strength of the spring can be improved. However, as shown in the experimental results described later, when the half-value width of the ⁇ phase is 4.0 or more, the fatigue strength of the spring decreases. Therefore, by setting the half width of the ⁇ phase to less than 4.0, excessive application of compressive residual stress to the ⁇ phase can be prevented, and a decrease in the fatigue strength of the spring can be suppressed.
  • the surface roughness of the compound layer 14 (that is, the surface roughness of the spring 10) is preferably 0.9 ⁇ m or less in terms of arithmetic average roughness (Ra).
  • Ra arithmetic average roughness
  • a spring wire is formed into a coil shape by a coiling machine (S12).
  • the spring wire is in mass%, C: 0.60 to 0.80, Si: 1.30 to 2.50, Mn: 0.30 to 1.00, Cr: 0.40 to 1.40, W: 0.08-0.20, the balance contains iron and inevitable impurities.
  • the spring wire may further contain Mo: 0.05 to 0.25 and / or V: 0.05 to 0.60 in mass%.
  • the end of the spring wire is cut, and then the spring wire formed into a coil shape is subjected to low-temperature annealing, and the end surface of the spring wire formed into a coil shape is further formed. Grind. Thereby, the spring wire is formed into a spring shape.
  • a first shot peening process (pre-shot peening process) is performed on the surface of the spring wire formed into a spring shape (S14).
  • the first shot peening treatment is performed not for imparting compressive residual stress to the spring wire, but for removing surface flaws formed on the surface of the spring wire. For this reason, a projection material with low hardness is used, and the surface roughness of a spring wire is also suppressed.
  • the surface roughness of the spring wire after the first shot peening treatment is, for example, 1.18 ⁇ m in terms of arithmetic average roughness (Ra).
  • a projection material having a diameter of 0.3 mm and a hardness of 390 to 510 HV can be used.
  • the projection speed of the projection material can be 60 to 90 m / s.
  • the spring wire from which surface scratches have been removed is subjected to nitriding treatment in an ammonia atmosphere (S16).
  • the compound layer 14 having nitride is formed on the surface of the spring wire, and the steel material layer 12 not containing nitride is formed at the center of the spring wire.
  • the temperature condition can be set to 450 ° C. or higher and 540 ° C. or lower (for example, 500 ° C.), and the processing time can be set to 1 to 4 hours (for example, 1.5 hours).
  • the thickness of the compound layer 14 can be adjusted to an appropriate thickness (for example, 5 ⁇ m).
  • a second shot peening process is performed on the surface of the spring wire (S16).
  • the second shot peening process can be performed in a plurality of times. By performing shot peening a plurality of times, compressive residual stress can be applied to a deep position of the spring wire.
  • the first stage shot peening for example, the diameter of the projection material ⁇ 0.6 mm, the hardness of the projection material 650 to 750 HV
  • the second Stage shot peening for example, projection material diameter ⁇ 0.3 mm, projection material hardness 650 to 750 HV
  • third stage shot peening for example, projection material diameter ⁇ 0.1 mm, Hardness 1180-1230 HV
  • the surface of the spring material after nitriding treatment (that is, a compound with high hardness) is used in the third stage shot peening treatment by using a projection material having a particle diameter of ⁇ 0.1 mm having a hardness of 1100 HV or more. A large compressive residual stress can be applied to the layer 14) to a deep position.
  • the projection speed of the projection material is preferably 60 to 90 m / s.
  • the spring wire After performing the second shot peening process in S16, the spring wire is subjected to low temperature annealing, and then the spring wire is set. Thereby, the spring 10 is manufactured from a spring wire.
  • the projection material A (projection material diameter ⁇ 0.1 mm, projection material hardness 1180 to 1230 HV) was used for the third stage shot peening of the second shot peening process.
  • the projection material B (projection material diameter ⁇ 0.1 mm, projection material hardness 700 to 830 HV) was used for the third stage shot peening of the second shot peening process.
  • the measurement result of the experimental example is represented as the projection material A
  • the measurement result of the comparative example is represented as the projection material B.
  • the other conditions were the same for the experimental example and the comparative example.
  • the first shot peening process was performed with a projection material having a diameter of 0.3 mm and a hardness of 390 to 510 HV.
  • the nitriding treatment was performed at a nitriding temperature of 500 ° C. and a nitriding time of 1.5 hours.
  • the first stage shot peening projection material diameter ⁇ 0.6 mm, the projection material hardness 650-750 HV
  • the second stage shot peening projection material diameter ⁇ 0.3 mm, projection
  • the hardness of the material was 650 to 750 HV) and the third stage shot peening (projection material A or B) was performed.
  • FIG. 3 shows the measurement results of the compressive residual stress of the spring of the experimental example (displayed as the projecting material A) and the compressive residual stress of the spring of the comparative example (displayed as the projecting material B).
  • the X-ray residual stress measurement method sin 2 ⁇ method
  • a larger compressive residual stress was applied to the ⁇ phase of the spring of the experimental example than to the ⁇ phase of the spring of the comparative example.
  • FIG. 4 shows the measurement results of a fatigue test performed on the spring of the experimental example (displayed as the projecting material A) and the spring of the comparative example (displayed as the projecting material B).
  • the fatigue strength when the cyclic stress was 10 7 times and the fatigue strength when the cyclic stress was 10 8 times were measured.
  • the spring of the experimental example has higher fatigue strength at 10 7 times and fatigue strength at 10 8 times than the spring of the comparative example.
  • the fatigue strength at 10 8 times was as high as about 650 MPa, and the variation was also small. That is, high fatigue strength could be obtained stably.
  • the fatigue strength increased as the compressive residual stress applied to the ⁇ phase increased.
  • the compressive residual stress applied to the ⁇ phase exceeds 800 MPa
  • the fatigue strength at 10 7 times becomes 650 MPa or more
  • the fatigue strength at 10 8 times becomes a high value of about 650 MPa.
  • the compressive residual stress applied to the ⁇ phase exceeded 1300 MPa
  • fatigue strength (particularly, 10 7 times fatigue strength) decreased.
  • the compressive residual stress applied to the ⁇ phase is in the range of 1100 to 1300 MPa, the fatigue strength after 10 7 times is extremely high.
  • FIG. 5 shows a half-value width obtained when measuring the compressive residual stress for each of the spring of the experimental example (displayed as the projecting material A) and the spring of the comparative example (displayed as the projecting material B).
  • the relationship between the fatigue strength and the half-value width of the X-ray intensity obtained by the X-ray residual stress measurement method is shown.
  • the fatigue strength of the spring was improved as the half width was increased.
  • the half width was 4.0 or more, the fatigue strength of the spring decreased.
  • the embodiment described above is a valve spring for an automobile engine, but the present invention is not limited to such a form, and can be applied to other springs (for example, a clutch spring).
  • the spring wire may contain inevitable impurities such as P (phosphorus) and S (sulfur). Since these inevitable impurities lead to a decrease in spring strength, the lower the concentration, the better. For example, it is preferable that P contained in the spring wire is 0.025% or less by weight and S is 0.025% or less.
  • the number of shot peenings during the second shot peening process performed on the surface of the spring wire can be appropriately determined according to the durability required for the spring wire. For example, in order to give a sufficient compressive residual stress to the spring wire, it is preferable to perform at least two stages of shot peening, more preferably three stages of shot peening.

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Abstract

　疲労強度が向上されたばねを提供する。ばね１０は、鋼材層１２と、鋼材層１２の表面に形成された窒化物を含有する化合物層１４とを有している。化合物層１４は、ε相を含んでおり、そのε相の圧縮残留応力が８００～１４００ＭＰａとされている。

Description

ばね及びばねの製造方法
　本明細書に開示の技術は、ばねに関する。詳しくは、ばね（例えば、弁ばねやクラッチ用のばね等）の疲労強度を向上するための技術に関する。
　ばねの疲労強度を向上するために、ショットピーニングによって材料の表面に圧縮残留応力を付与する技術が知られている（例えば、特開平１０－１１８９３０号公報）。この技術では、投射材の粒径及び材質を変えて複数回のショットピーニングを行う。これによって、高い硬度を有するばねに対しても疲労強度が向上できるとされている。
　本明細書は、より疲労強度が向上されたばねを提供することを目的とする。
　本明細書が開示するばねは、鋼材層と、鋼材層の表面に形成された窒化物を含有する化合物層とを有している。化合物層は、ε相を含んでおり、そのε相の圧縮残留応力が８００～１４００ＭＰａとされている。
　このばねでは、鋼材層の表面に窒化物の化合物層が形成され、その化合物層に含まれるε相の圧縮残留応力が８００～１４００ＭＰａとされている。後述するように、本願発明者が鋭意検討した結果、鋼材層の表面に化合物層（窒化物）が形成されたばねでは、化合物層に含まれるε相に付与された圧縮残留応力によって、ばねの疲労強度が飛躍的に向上することが判明した。このばねでは、化合物層に含まれるε相が８００～１４００ＭＰａに調整されることで、優れた疲労強度を有することができる。
　また、本明細書は、上述したばねを製造するための新規な方法を提供する。この方法は、ばね線材の表面に形成された表面キズを除去する工程と、表面キズが除去されたばね線材を窒化処理する工程と、窒化処理工程後に、ばね線材の表面にショットピーニング処理する工程と、を有している。そして、ショットピーニング処理工程では、複数回のショットピーニングが行われ、最後に行われるショットピーニングに用いられる投射材の硬度が１１００～１３００ＨＶとされている。
　この製造方法では、窒化処理によってばね線材の表面が硬化する前に、ばね線材の表面の表面キズが除去される。このため、ばね線材の表面荒れを抑制しながら、表面キズを除去することができる。また、ショットピーニングに用いられる投射材の硬度を高硬度（１１００～１３００ＨＶ）とすることで、窒化処理後のばね線材に大きな圧縮残留応力を付与することができる。その結果、疲労強度に優れたばねを製造することができる。
本実施例に係るばねの断面図。 本実施例に係るばねの製造過程を示すフローチャート。 本実施例に係るばねの表面に付与された圧縮残留応力（ε相とα相の圧縮残留応力の関係）を示すグラフ。 本実施例に係るばねに対して疲労強度を測定した結果（ε相の圧縮残留応力と疲労強度の関係）を示すグラフ。 本実施例に係るばねに対して疲労強度を測定した結果（ε相の半価幅と疲労強度の関係）を示すグラフ。
　本明細書が開示するばねにおいて、ε相の半価幅は４．０未満とされていてもよい。ε相の半価幅が大きくなると、ε相の圧縮残留応力も大きくなり、ばねの疲労強度を向上することができる。ただし、後述の測定結果に示すように、ε相の半価幅が４．０以上となると、逆にばねの疲労強度は低下する。したがって、ε相の半価幅を４．０未満とすることで、ε相への圧縮残留応力の過剰な付与が防止され、ばねの疲労強度の低下を抑制することができる。
　本明細書が開示するばねにおいて、ε相の圧縮残留応力が１１００～１３００ＭＰａとされていてもよい。このような構成によると、疲労強度をより向上することができる。
　本明細書が開示するばねにおいて、鋼材層は、質量％で、Ｃ：０．６０～０．８０、Ｓｉ：１．３０～２．５０、Ｍｎ：０．３０～１．００、Ｃｒ：０．４０～１．４０を含有すると共に、Ｍｏ：０．０５～０．２５、Ｖ：０．０５～０．６０、Ｗ：０．０８～０．２０の少なくとも１つを含有し、残部が鉄および不可避的不純物を含有してもよい。このような構成によると、ばねを形成するための鋼材が適切な材料により形成されるため、疲労強度をより向上することができる。
（実施例）　実施例に係るばね１０について説明する。ばね１０は、自動車エンジン用の弁ばねとして用いられる。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。
　図１に示すように、ばね１０は、鋼材層１２と化合物層１４から構成されている。鋼材層１２は、ばね線材を熱処理等することによって形成される。鋼材層１２（すなわち、ばね線材）は、例えば、Ｃ（炭素）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）、Ｗ（タングステン）、鉄および不可避的不純物を含有していてもよい。この場合、それぞれの元素の割合は、質量％で、Ｃが０．６０～０．８０％、Ｓｉが１．３０～２．５０％、Ｍｎが０．３０～１．００％、Ｃｒが０．４０～１．４０％、Ｗが０．０８～０．２０％の範囲とされており、残部がＦｅ（鉄）および不可避的不純物としてもよい。Ｃを０．６０％以上としたのは、Ｃが０．６０％未満となると、耐久性と耐へたり性の双方を満足することが難しくなるためである。また、Ｃを０．８０％以下としたのは、Ｃが０．８０％を超えると、成形性が低下し、加工時の割れや折損等の可能性が高くなるためである。Ｓｉを１．３０％以上としたのは、Ｓｉが１．３０％未満となると、十分な耐へたり性を得ることができないためである。Ｓｉを２．５０％以下としたのは、Ｓｉが２．５０％を超えると、熱処理時の脱炭量が許容範囲を超え、耐久性に悪影響を与えるためである。Ｍｎを０．３０％以上としたのは、Ｍｎが０．３０％未満では、十分な強度を得ることができないためである。また、Ｍｎを１．００％以下としたのは、Ｍｎが１．００％を超えると、残留オーステナイト量が多くなり過ぎるためである。Ｃｒを０．４０％以上としたのは、Ｃｒが０．４０％未満であると、十分な固溶強度及び焼入れ性を得ることができないためである。また、Ｃｒを１．４０％以下としたのは、Ｃｒが１．４０％を超えると、残留オーステナイト量が多くなり過ぎるためである。Ｗを０．０８％以上とするのは、Ｗが０．０８％未満では、Ｗを添加した効果（焼入れ性の向上、高強度化等）を得ることができないためである。また、Ｗを０．２０％以下とするのは、Ｗが０．２０％を超えると、粗大な炭化物を生じ、延性などの機械的特性を悪化させるためである。
　なお、鋼材層１２は、Ｗと共に、あるいは、Ｗに代えて、Ｍｏ（モリブデン）及び／又はＶ（バナジウム）を含有してもよい。Ｍｏを含有することで、それ自体が鋼の強度を向上させるとともに、焼入れ性を向上することができる。また、Ｖを含有することで、鋼材層１２中に析出する炭化物の大きさを微細にすることができ、より鋼材層１２の強度を向上することができる。鋼材層１２がＭｏ及び／又はＶを含有する場合、その元素の割合は、質量％で、Ｍｏが０．０５～０．２５％の範囲、Ｖが０．０５～０．６０％の範囲とされることが好ましい。Ｍｏを０．０５％以上とするのは、Ｍｏが０．０５％未満では、十分な強度が得られないためである。また、Ｍｏを０．２５％以下としたのは、Ｍｏが０．２５％を超えると、残留オーステナイトの安定化作用が無視し得なくなるためである。また、Ｖを０．０５％以上としたのは、Ｖが０．０５％未満では、十分な量の炭化物が生成せず、結晶粒成長防止効果を得ることができないためである。また、Ｖを０．６０％以下としたのは、Ｖが０．６０％を超えると、バナジウム炭化物自体が成長して大きくなり、耐久性に悪影響を与えるためである。
　鋼材層１２の表面には、全面に亘って化合物層１４が形成されている。化合物層１４の厚みは７μｍ以下となっている。化合物層１４の厚みが７μｍ以下であるため、化合物層の脆さによる強度の低下を防ぐことができる。化合物層１４は、上記の鋼材層１２に含まれるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｆｅおよび不可避的不純物の他に、Ｎ（窒素）を含んでおり、化合物層１４にはＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｆｅ等の金属元素とＮとの化合物（窒化物）が存在している。化合物層１４中のＮの濃度は特に限定しないが、例えば質量％でＮが５．０～６．１％の範囲とされている。
　化合物層１４の最表面には、六方最密充填構造（ｈｃｐ）を有するε相（Ｆｅ4Ｎベース）が形成され、このε相中にはＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｗ等が固溶している。化合物層１４中のε相は硬くて脆い。本実施例では、このε相に圧縮残留応力を付与することで、ばね１０の耐久性の向上を図っている。すなわち、化合物層１４中のε相には、８００～１４００ＭＰａの圧縮残留応力が付与されていることが好ましく、より好ましくは、ε相の圧縮残留応力が１１００～１３００ＭＰａとされている。後述する実験結果に示されるように、圧縮残留応力が８００ＭＰａ未満では、疲労強度を十分に向上することができないためである。一方、圧縮残留応力が１４００ＭＰａを超えると、疲労強度が低下するためである。
　また、ε相の半価幅（圧縮残留応力（ひずみ）が導入されているか否かを評価する指標であり、Ｘ線残留応力測定法により得られるＸ線強度のプロファイルから算出される）は４．０未満とされることが好ましい。すなわち、ε相の半価幅が大きくなると、ε相の圧縮残留応力も大きくなり、ばねの疲労強度を向上することができる。ただし、後述する実験結果に示すように、ε相の半価幅が４．０以上となると、逆にばねの疲労強度は低下する。したがって、ε相の半価幅を４．０未満とすることで、ε相への圧縮残留応力の過剰な付与が防止され、ばねの疲労強度の低下を抑制することができる。
　なお、化合物層１４の表面粗さ（すなわち、ばね１０の表面粗さ）は、算術平均粗さ（Ｒａ）で０．９μｍ以下とされることが好ましい。化合物層１４の表面粗さＲａを０．９μｍ以下とすることで、化合物層１４の表面から応力集中の原因となる表面キズが除去される。これによって、ばねの疲労強度を向上することができる。
　次に、上記のばね１０の製造方法を、図２を参照して説明する。図２に示すように、まず、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（Ｓ１２）。ばね線材は、質量％で、Ｃ：０．６０～０．８０、Ｓｉ：１．３０～２．５０、Ｍｎ：０．３０～１．００、Ｃｒ：０．４０～１．４０、Ｗ：０．０８～０．２０、残部が鉄および不可避的不純物を含有している。なお、ばね線材には、質量％で、Ｍｏ：０．０５～０．２５、及び／又は、Ｖ：０．０５～０．６０をさらに含有することができる。
　なお、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第１ショットピーニング処理（プレ・ショットピーニング処理）を実施する（Ｓ１４）。第１ショットピーニング処理は、ばね線材に圧縮残留応力を付与するためではなく、ばね線材の表面に形成されている表面キズを除去するために行われる。このため、硬度の低い投射材が用いられ、ばね線材の表面荒れも抑制される。その結果、第１ショットピーニング処理後のばね線材の表面粗さは、例えば、算術平均粗さ（Ｒａ）で１．１８μｍとなる。なお、第１ショットピーニング処理は、例えば、径φ０．３ｍｍ、硬度３９０～５１０ＨＶの投射材を用いることができる。また、好ましくは投射材の投射速度を６０～９０ｍ／ｓとすることができる。
　次に、表面キズが除去されたばね線材にアンモニア雰囲気下で窒化処理を施す（Ｓ１６）。これによって、ばね線材の表面に窒化物を有する化合物層１４が形成され、ばね線材の中心部に、窒化物を含有しない鋼材層１２が形成される。窒化処理は、温度条件を４５０℃以上５４０℃以下（例えば、５００℃）、処理時間を１～４時間（例えば、１．５時間）とすることができる。なお、処理時間を２時間未満とすると、化合物層１４の厚みを適切な厚み（例えば、５μｍ）に調整することができる。
　次いで、ばね線材の耐疲労強度を向上するために、ばね線材の表面に第２ショットピーニング処理を実施する（Ｓ１６）。第２ショットピーニング処理は、複数回に分けて行うことができる。複数回のショットピーニングを行うことで、ばね線材の深い位置まで圧縮残留応力を付与することができる。第２ショットピーニング処理は、例えば、窒化直後のばね線材の表面に第１段目のショットピーニング（例えば、投射材の径φ０．６ｍｍ，投射材の硬度６５０～７５０ＨＶ）を行い、次いで、第２段目のショットピーニング（例えば、投射材の径φ０．３ｍｍ，投射材の硬度６５０～７５０ＨＶ）を行い、さらに、第３段目のショットピーニング（例えば、投射材の径φ０．１ｍｍ，投射材の硬度１１８０～１２３０ＨＶ）を行うことができる。このように投射材の径及び硬度を変えながら多段階にショットピーニングを行うことで、ばね線材に効果的に圧縮残留応力を付与することができる。なお、上記の例では、第３段目のショットピーニング処理に硬度が１１００ＨＶ以上となる粒径φ０．１ｍｍの投射材を用いることで、窒化処理後のばね材の表面（すなわち、硬度の高い化合物層１４）に大きな圧縮残留応力を深い位置まで付与することができる。また、第１段目のショットピーニング、第２段目のショットピーニング及び第３段目のショットピーニングのそれぞれにおいて、投射材の投射速度は６０～９０ｍ／ｓとすることが好ましい。
　Ｓ１６で第２ショットピーニング処理を行った後は、ばね線材に低温焼鈍を実施し、次いで、ばね線材にセッチングを実行する。これにより、ばね線材からばね１０が製造される。
　次に、ばね線材（質量％Ｃ：０．７３、Ｓｉ：２．１６、Ｍｎ：０．７１、Ｃｒ：１．００、Ｗ：０．１５、Ｍｏ：０．１３、Ｖ：０．１０、残部が鉄および不可避的不純物）を用いて実際に製造したばね（以下、実験例という）について、圧縮残留応力と疲労強度を測定した結果について説明する。測定では、コイリング後のばね線材に対して第１ショットピーニング処理、窒化処理、第２ショットピーニング処理（３段階のショットピーニング）を行い、これらの処理後に圧縮残留応力と疲労強度を測定した。実験例では、第２ショットピーニング処理の第３段目のショットピーニングに投射材Ａ（投射材の径φ０．１ｍｍ，投射材の硬度１１８０～１２３０ＨＶ）を用いた。一方、比較例では、第２ショットピーニング処理の第３段目のショットピーニングに投射材Ｂ（投射材の径φ０．１ｍｍ，投射材の硬度７００～８３０ＨＶ）を用いた。以下、図３～５において、実験例の測定結果を投射材Ａとして表し、比較例の測定結果を投射材Ｂとして表す。なお、その他の条件は、実験例と比較例とで同一とした。すなわち、第１ショットピーニング処理は、径φ０．３ｍｍ、硬度３９０～５１０ＨＶの投射材で実施した。窒化処理は、窒化温度５００℃、窒化時間１．５時間で実施した。第２ショットピーニング処理では、第１段目のショットピーニング（投射材の径φ０．６ｍｍ、投射材の硬度６５０～７５０ＨＶ）と、第２段目のショットピーニング（投射材の径φ０．３ｍｍ，投射材の硬度６５０～７５０ＨＶ）と、第３段目のショットピーニング（投射材Ａ又はＢ）を行った。
　図３は、実験例のばね（投射材Ａとして表示）の圧縮残留応力と、比較例のばね（投射材Ｂとして表示）の圧縮残留応力を測定した結果を示している。測定方法にはＸ線残留応力測定法（ｓｉｎ2φ法）を用いた。図３から明らかなように、実験例のばねのε相には、比較例のばねのε相よりも、大きな圧縮残留応力が付与された。一方、実験例のばねのα相に付与される圧縮残留応力と、比較例のばねのα相に付与される圧縮残留応力との間には大きな相違は生じなかった。この測定結果から、３段目のショットピーニングに硬度の高い投射材を用いることで、ε相に大きな残留応力を付与できることが確認された。
　図４は、実験例のばね（投射材Ａとして表示）と比較例のばね（投射材Ｂとして表示）に対して実施した疲労試験の測定結果を示している。疲労試験では、繰返し応力が１０7回のときの疲労強度と、繰返し応力が１０8回のときの疲労強度を測定した。図４から明らかなように、実験例のばねは、比較例のばねに対して、１０7回のときの疲労強度と１０8回のときの疲労強度のいずれもが高くなった。特に、実験例のばねでは、１０8回のときの疲労強度が約６５０ＭＰａと高い値となり、そのバラツキも小さくなった。すなわち、安定して高い疲労強度を得ることができた。また、ε相に付与される圧縮残留応力と疲労強度の関係は、ε相に付与される圧縮残留応力が大きくなるほど疲労強度も高くなった。特に、ε相に付与される圧縮残留応力が８００ＭＰａを超えると、１０7回の疲労強度は６５０ＭＰａ以上となり、１０8回のときの疲労強度も約６５０ＭＰａと高い値となった。ただし、ε相に付与される圧縮残留応力が１３００ＭＰａを超えると、疲労強度（特に、１０7回の疲労強度）は低下した。なお、ε相に付与される圧縮残留応力が１１００～１３００ＭＰａの範囲では、１０7回の疲労強度は極めて高い値となった。
　図５は、実験例のばね（投射材Ａとして表示）と比較例のばね（投射材Ｂとして表示）のそれぞれについて、圧縮残留応力を測定する際に取得される半価幅（詳細には、Ｘ線残留応力測定法により得られるＸ線強度の半価幅）と、疲労強度との関係を示している。図５から明らかなように、半価幅が大きくなるほど、ばねの疲労強度が向上した。ただし、半価幅が４．０以上となると、逆にばねの疲労強度は低下した。
　上述した結果から明らかなように、実験例のばねでは、ε相に大きな圧縮残留応力が付与され、疲労強度が向上した。特に、ε相に８００～１４００ＭＰａ（より好ましくは、１１００～１３００ＭＰａ）の圧縮残留応力を付与することで、疲労強度を飛躍的に向上することができた。
　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、上述した実施例は、自動車エンジン用の弁ばねであったが、本発明はこのような形態に限られず、他のばね（例えば、クラッチ用のばね等）にも適用することができる。また、ばね線材には、Ｐ（リン）や、Ｓ（硫黄）等の不可避的不純物を含んでいてもよい。こうした不可避的不純物は、ばね強度の低下に繋がるため、濃度は低いほどよい。例えば、ばね線材に含まれるＰは、重量％で０．０２５％以下、Ｓは０．０２５％以下であることが好ましい。また、ばね線材の表面に実施する第２ショットピーニング処理時のショットピーニングの回数は、ばね線材に要求される耐久性に応じて適宜決定することができる。例えば、ばね線材に十分な圧縮残留応力を付与するためには、少なくとも２段階のショットピーニングを行うことが好ましく、より好ましくは３段階のショットピーニングを行うことが好ましい。
　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。

Claims (5)

  1. 　鋼材層と、鋼材層の表面に形成された窒化物を含有する化合物層とを有しており、
    　化合物層は、ε相を含んでおり、そのε相の圧縮残留応力が８００～１４００ＭＰａとされている、ばね。
  2. 　ε相の半価幅が４．０未満とされている、請求項１に記載のばね。
  3. 　ε相の圧縮残留応力が１１００～１３００ＭＰａとされている、請求項１又は２に記載のばね。
  4. 　鋼材層は、質量％で、Ｃ：０．６０～０．８０、Ｓｉ：１．３０～２．５０、Ｍｎ：０．３０～１．００、Ｃｒ：０．４０～１．４０を含有すると共に、Ｍｏ：０．０５～０．２５、Ｖ：０．０５～０．６０、Ｗ：０．０８～０．２０の少なくとも１つを含有し、残部が鉄および不可避的不純物を含有する、請求項１～３のいずれか一項に記載のばね。
  5. 　ばねを製造する方法であり、
    　ばね線材の表面に形成された表面キズを除去する工程と、
    　表面キズが除去されたばね線材を窒化処理する工程と、
    　窒化処理工程後に、ばね線材の表面にショットピーニング処理する工程と、を有しており、
    　ショットピーニング処理工程では、複数回のショットピーニングが行われ、最後に行われるショットピーニングに用いられる投射材の硬度が１１００～１３００ＨＶとされている、ばねの製造方法。
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