WO2025205451A1 - 金属部材の処理方法と、金属部材のためのセッチング装置と、金属部材 - Google Patents

金属部材の処理方法と、金属部材のためのセッチング装置と、金属部材

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metal member
depth
compressive residual
metal
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紘介 柴入
裕仁 神谷
耕資 山田
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NHK Spring Co Ltd
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16F1/04—Wound springs
    • F16F1/06—Wound springs with turns lying in cylindrical surfaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • 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
    • F16F1/14—Torsion springs consisting of bars or tubes

Definitions

  • This invention relates to a method for treating metal components that can improve their resistance to settling, a setting device for metal components, and the metal components.
  • Setting is typically performed during the manufacturing process of spring components such as torsion bars, coil springs, and leaf springs.
  • Spring components are an example of the metal components referred to in this invention.
  • setting is important for improving the resistance of spring components to settling.
  • Typical setting involves applying a load to the spring component that exceeds the operating stress, causing plastic strain in the spring component.
  • Hot setting in which the spring component is heated to a warm temperature, is also known to enhance the effect of setting.
  • Patent Documents 1 and 2 describe examples of hot setting.
  • Patent Document 3 describes examples of a setting device and setting method.
  • conventional hot setting the entire spring member is heated in a furnace, and then a predetermined load is applied to the spring member removed from the furnace and held for a certain period of time (e.g., 70 minutes). This generates compressive residual stress in the surface of the spring member.
  • the object of the present invention is to provide a processing method that can impart compressive residual stress, which is effective in improving settling resistance, to deep positions within a metal component, a setting device for the metal component, and the metal component.
  • a residual stress stable portion where the magnitude of the compressive residual stress remains almost constant, may be present at a position deeper than the first depth.
  • the first depth may be a position where the compressive residual stress is zero.
  • the metal member may be a torsion bar, a coil spring, or a leaf spring.
  • FIG. 2 is a front view showing a spring member as an example of a metal member.
  • FIG. 1 is a front view schematically showing a setting device according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a surface heating portion of the metal member shown in FIG. 1 .
  • 1 is a diagram showing the relationship between the depth from the surface of a metal component that has been subjected to surface heating setting and the magnitude of residual stress.
  • FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the depth from the surface of a metal component subjected to conventional hot setting and the magnitude of residual stress.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing another example of a surface heating portion of a metal member.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing another example of a surface heating portion of a metal member.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing yet another example of a surface heating portion of a metal member.
  • FIG. 10 is a front view schematically showing a setting device according to a second embodiment. 9 is a diagram showing the relationship between the depth from the surface of a metal member set by the setting device shown in FIG. 8 and the magnitude of residual stress.
  • FIG. 10 is a front view showing another example of the metal member.
  • FIG. 10 is a front view schematically showing a setting device according to a third embodiment. 12 is a front view of the setting device shown in FIG. 11 in a state where the load applied to the metal member is removed.
  • FIG. FIG. 10 is a front view schematically showing a setting device according to a fourth embodiment.
  • Figure 1 shows a torsion bar-type spring member 1A as an example of a metal member.
  • Spring member 1A is made of spring steel and has a rod-shaped bar body 10, a first gripping portion 12, and a second gripping portion 14.
  • the first gripping portion 12 is formed at the first end 11 of the bar body 10.
  • the second gripping portion 14 is formed at the second end 13 of the bar body 10.
  • Figure 2 shows a schematic diagram of the setting device 20.
  • the setting device 20 performs setting while the surface of the metal member is heated.
  • An example of a metal member is a spring member 1A.
  • the setting device 20 includes a torsion mechanism 21 and a laser irradiation device 30.
  • the torsion mechanism 21 applies a torsional load to the spring member 1A.
  • the laser irradiation device 30 irradiates the spring member 1A with laser light.
  • the torsion mechanism 21 is an example of a load application mechanism for applying a torsional load to the spring member 1A.
  • the laser irradiation device 30 is an example of a surface heating device for rapidly heating the surface of the spring member 1A.
  • the torsion mechanism 21 has a base member 22, a first member 23, a second member 24, and a drive unit 25.
  • the first member 23 holds the first gripping portion 12 of the spring member 1A.
  • the second member 24 holds the second gripping portion 14 of the spring member 1A.
  • the base member 22 is substantially rigid. The second member 24 can be rotated by the drive unit 25 in a direction that twists the spring member 1A.
  • the laser irradiation unit 32 can move along the guide member 35 in the length direction of the spring member 1A (indicated by arrow Y1 in Figure 2). A torsional load is applied to the spring member 1A by the torsion mechanism 21. Laser light 36 emitted from the laser irradiation unit 32 is irradiated onto the spring member 1A to which the torsional load is applied. The laser light 36 is irradiated toward the surface of the spring member 1A. The laser irradiation unit 32 then moves in the length direction of the spring member 1A. Therefore, the laser light 36 is irradiated onto the surface of the spring member 1A while moving in the length direction of the spring member 1A. The moving speed of the laser light 36 is, for example, 10 mm/second.
  • Laser irradiation device 30 irradiates the surface of spring member 1A with laser light 36.
  • the surface portion By irradiating with laser light 36, a relatively shallow region from the surface of spring member 1A (referred to as the surface portion) is rapidly heated to a temperature in the range of 200°C to 400°C.
  • the area schematically shown by hatching in Figure 2 is the heated surface portion (referred to as the surface heated portion 38).
  • a torsional load (e.g., 1270 MPa) is applied to the spring member 1A by the torsion mechanism 21. With the torsional load applied, the laser beam 36 moves in the longitudinal direction of the spring member 1A. In this way, a surface heating portion 38 over a length L1 is formed on the surface of the spring member 1A.
  • Figure 3 is a schematic cross-sectional view of a radial section of spring member 1A heated by laser irradiation device 30.
  • Spring member 1A is an example of a metal member.
  • the densely hatched areas are surface heating portions 38.
  • surface heating portions 38 are formed in the range indicated by angle ⁇ 2 in the circumferential direction of spring member 1A.
  • Figure 4 shows the relationship between the depth from the surface of a metal component that has undergone surface-heat setting according to this embodiment and the magnitude of residual stress.
  • Line segment L1 in Figure 4 shows the relationship between the depth from the surface of a metal component that has undergone surface-heat setting and the magnitude of residual stress.
  • a metal component that has undergone surface-heat setting has compressive residual stress from the surface to a first depth D1 or to a position beyond the first depth D1.
  • An example of the first depth D1 is a depth from the surface that exceeds 0.5 mm.
  • a compressive residual stress region S1 is generated from the surface of the metal component to a first depth D1 or beyond the first depth D1.
  • the absolute value of the compressive residual stress in the compressive residual stress region S1 increases from the first depth D1 toward the surface of the metal component, and the absolute value of the compressive residual stress reaches a maximum value P1 almost at the surface. "Almost at the surface” refers to the position of the compressive residual stress region S1 closest to the surface.
  • the compressive residual stress portion S1 shown in Figure 4 includes an internal residual stress portion A1 extending from a first depth D1 to a second depth D2, and a surface residual stress portion A2 extending from the second depth D2 to the surface.
  • the second depth D2 is shallower than the first depth D1.
  • the rate of increase in compressive residual stress in the surface residual stress portion A2 is greater than the rate of increase in compressive residual stress in the internal residual stress portion A1.
  • a residual stress-stable portion A3 is formed, where the magnitude of the compressive residual stress remains almost unchanged.
  • the residual stress-stable portion A3 is an area that is not affected by setting or shot peening.
  • the first depth D1 is the position where the compressive residual stress becomes zero.
  • the first depth D1 may be the boundary between the compressive residual stress portion S1 and the residual stress-stable portion A3.
  • the depth to which the surface portion heated by irradiation with laser light is heated depends on various factors, such as the thermal conductivity of the metal member and the intensity of the thermal energy applied to the metal member.
  • the depth to which the surface portion to be heated may be targeted, for example, near the first depth D1 from the surface, or near the second depth D2. It may also be some other depth.
  • Line segment L2 in Figure 4 shows the relationship between the depth from the surface of a metal component that has undergone surface heating setting and then shot peening and the magnitude of residual stress.
  • Shot peening is a process in which a large number of shots are fired at the surface of a metal component at high speed. Shot peening can create a peak portion P1 near the surface of the metal component, where compressive residual stress is at its maximum.
  • Line segment L4 in Figure 5 shows the relationship between the depth from the surface and the magnitude of residual stress in a metal component that has been subjected to conventional hot setting and then shot peening.
  • the metal component that has been subjected to hot setting and then shot peening has a peak P3 near the surface where the absolute value of compressive residual stress is greatest.
  • the compressive residual stress approaches zero.
  • the depth of compressive residual stress in the conventional shot peened material shown by line segment L4 is about half the depth of compressive residual stress in the shot peened material of this embodiment shown by line segment L2 in Figure 4.
  • Figure 6 is a cross-sectional view showing a schematic representation of another example of the surface heating portion 38 of the spring member 1A.
  • the first surface heating portion 38a and the second surface heating portion 38b are formed symmetrically to each other, within the ranges of ⁇ 3 and ⁇ 4, respectively.
  • by forming surface heating portions at multiple locations around the circumference of the spring member 1A and maintaining a load applied for a predetermined period of time it is possible to generate more plastic strain in the surface portion of the spring member 1A than in the interior.
  • the AC current application device 50 is an example of a surface heating device for rapidly heating the surface portion of the spring member 1A.
  • the AC current application device 50 includes a first electrode 51, a second electrode 52, and a power supply unit 53.
  • the first electrode 51 is connected to the first end 11 of the spring member 1A.
  • the second electrode 52 is connected to the second end 13 of the spring member 1A.
  • the power supply unit 53 includes an AC power supply 54 and a control unit 55.
  • the AC power supply 54 applies an AC voltage between the first electrode 51 and the second electrode 52.
  • the control unit 55 controls the AC voltage.
  • the compressive residual stress portion S2 includes an internal residual stress portion B1 and a surface residual stress portion B2.
  • the internal residual stress portion B1 extends from the first depth D3 to the second depth D4.
  • the surface residual stress portion B2 extends from the second depth D4 to the surface.
  • the second depth D4 is shallower than the first depth D3.
  • the rate of increase in compressive residual stress from the second depth D4 to the surface is greater than the rate of increase in compressive residual stress from the first depth D3 to the second depth D4.
  • a residual stress-stable portion B3, where the magnitude of the compressive residual stress remains almost constant, is formed at a position deeper than the first depth D3.
  • the residual stress-stable portion B3 is a region that is not affected by setting or shot peening.
  • the first depth D3 is the position where the compressive residual stress becomes zero.
  • the first depth D3 may be the boundary between the compressive residual stress portion S2 and the residual stress-stable portion B3.
  • FIG. 10 is a front view showing a coil spring-type spring member 1B as another example of a metal member.
  • the spring member 1B has a wire 60 made of spring steel.
  • the spring member 1B includes a first end 61 and a second end 62. In a free state where no compressive load is applied to the spring member 1B, the spring member 1B has a length H1. When a compressive load is applied to the spring member 1B, the length H1 decreases depending on the magnitude of the load.
  • FIG. 11 is a schematic front view of a setting device 70 according to the third embodiment.
  • This setting device 70 has a base member 71, a compression mechanism 72, and a laser irradiation device 30.
  • the base member 71 supports the spring member 1B.
  • the compression mechanism 72 applies a compression load to the spring member 1B.
  • the laser irradiation device 30 irradiates the spring member 1B with laser light 36.
  • the compression mechanism 72 includes a pressure member 73 and a drive unit 74 that drives the pressure member 73.
  • the compression mechanism 72 is an example of a load application mechanism.
  • the load application mechanism applies a compressive load to the spring member 1B.
  • the laser irradiation device 30 has a common configuration with the laser irradiation device 30 (shown in Figure 2) described in the first embodiment, so common components to the first embodiment are designated by common reference numerals and will not be described again.
  • Figure 12 is a front view showing the state after the compressive load applied to spring member 1B has been removed. After the compressive load has been removed, spring member 1B has a length of H3. Although length H3 after setting is smaller than length H1 before setting, compressive residual stress is imparted from the surface of spring member 1B to a deep position. This spring member 1B has excellent resistance to settling.
  • FIG. 13 is a schematic front view of a setting device 80 according to a fourth embodiment.
  • the setting device 80 includes a compression mechanism 72 and an AC current applying device 50.
  • the compression mechanism 72 applies a compressive load to a spring member 1B, which is an example of a metal member.
  • the AC current applying device 50 applies an AC voltage to the spring member 1B.
  • the AC current applying device 50 has a common configuration with the AC current applying device 50 (shown in FIG. 8 ) described in the second embodiment, and therefore, common components to the second embodiment are designated by common reference numerals and will not be described again.
  • the compression mechanism 72 has a common configuration with the compression mechanism 72 (shown in FIG. 11 ) described in the third embodiment, and therefore, common components to the third embodiment are designated by common reference numerals and will not be described again.
  • 1A, 1B ...spring member
  • 20 ...setting device, 21...torsion mechanism (load application mechanism), 30...laser irradiation device (surface heating device), 38, 38a, 38b...surface heating section, 40...setting device, 50...alternating current application device (surface heating device), 70...setting device, 72...compression mechanism (load application mechanism), 80...setting device.

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Abstract

耐へたり性を向上させる上で有効な圧縮残留応力を有した金属部材を提供する。　金属部材の表面部を急速加熱する。金属部材の一例はばね部材である。加熱された金属部材に荷重を負荷することにより、金属部材の表面部に、内部よりも大きい塑性ひずみを与える。前記荷重を除くことにより、金属部材の表面から第１の深さ(D1)または第１の深さ(D1)を越える位置まで圧縮残留応力を生じさせる。この圧縮残留応力は、金属部材の内部側から表面に向かって増加し、ほぼ表面において最大となる。内部側の圧縮残留応力の増加率と比較して、表面に近い部分の圧縮残留応力の増加率が大きい。

Description

金属部材の処理方法と、金属部材のためのセッチング装置と、金属部材
　この発明は、耐へたり性を向上させることが可能な金属部材の処理方法と、金属部材のためのセッチング装置と、金属部材に関する。
　トーションバーやコイルばね、板ばね等のばね部材を製造する工程において、セッチングが行われるのが通例である。ばね部材はこの発明で言う金属部材の一例である。特に車両懸架装置やエンジンの動弁機構の分野では、ばね部材の耐へたり性を向上させる上でセッチングは重要である。一般的なセッチングは、使用応力以上の負荷をばね部材に与えることにより、ばね部材に塑性ひずみを生じさせている。セッチングの効果を高めるために、ばね部材を温間域に加熱した状態で行なうホットセッチングも知られている。
　例えば特許文献１や特許文献２にホットセッチングの例が記載されている。特許文献３にセッチング装置とセッチング方法の例が記載されている。従来のホットセッチングは、ばね部材全体を炉によって加熱したのち、炉から取り出されたばね部材に所定の荷重を負荷し、一定時間（例えば７０分）保持する。これによりばね部材の表面部に圧縮残留応力を生じさせている。
国際公開第２００４／０８５６８５号 特開２０１１－１４９０３６号公報 特開平４－２２４０３７号公報
　例えば車両懸架装置の分野では、車両の仕様に応じて懸架用ばね部材の設計応力を高くすることが望まれることがある。ばね部材の設計応力を高くするには、ばね部材の表面から深い位置まで残留応力を付与し、かつ、表面近くの圧縮残留応力の絶対値を大きくすることが望まれる。しかし従来のホットセッチングでは、ばね部材の深い位置まで圧縮残留応力を付与することに限界があった。
　本発明の目的は、耐へたり性を向上させる上で有効な圧縮残留応力を金属部材の深い位置まで付与することができる処理方法と、金属部材のためのセッチング装置と、金属部材を提供することにある。
　１つの実施形態に係る金属部材の処理方法は、前記金属部材の少なくとも一部の表面部を加熱し、前記表面部が前記加熱された状態において前記金属部材に塑性ひずみが生じる荷重を負荷する。前記荷重が負荷された状態が所定時間経過したのち前記荷重を除くことにより、前記金属部材の表面から第１の深さまで、または第１の深さを越える位置まで、圧縮残留応力部を生成する。この圧縮残留応力部は、前記金属部材の内部から前記表面に向かって圧縮残留応力の絶対値が増加する。しかもこの圧縮残留応力部は、内部側残留応力部と表面側残留応力部とを含んでいる。前記内部側残留応力部は、前記第１の深さから前記第１の深さよりも浅い第２の深さにわたっている。前記表面側残留応力部は、前記第２の深さから前記表面までである。前記表面側残留応力部における圧縮残留応力の増加率が、前記内部側残留応力部における圧縮残留応力の増加率よりも大きい。
　前記金属部材の処理方法において、前記金属部材の表面にレーザ光を照射してもよい。レーザ光を照射することにより、前記金属部材の前記表面部を２００℃から４００℃の温度範囲で急速加熱する。さらに、前記圧縮残留応力部を有した前記金属部材の表面にショットピーニングを行なってもよい。このショットピーニングにより、前記表面部に前記圧縮残留応力の絶対値が最大となるピーク部を生じさせてもよい。
　１つの実施形態に係るセッチング装置は、金属部材の表面部を加熱する表面加熱装置と荷重負荷機構とを具備している。前記荷重負荷機構は、表面部が加熱された前記金属部材に塑性ひずみが生じる荷重を負荷し、所定時間が経過したのち前記荷重を除く。前記表面加熱装置の１つの例が、前記金属部材の表面にレーザ光を照射するレーザ照射装置でもよい。前記表面加熱装置の他の例が、前記金属部材に交流電圧を印加する交流通電装置でもよい。
　１つの実施形態に係る金属部材は、表面から第１の深さまで、または第１の深さを越える位置まで、圧縮残留応力部を有している。この圧縮残留応力部は、前記第１の深さから前記表面に向かって圧縮残留応力の絶対値が増加する。そして、ほぼ表面において前記圧縮残留応力の絶対値が最大である。前記圧縮残留応力部は、内部側残留応力部と、表面側残留応力部とを含んでいる。前記内部側残留応力部は、前記第１の深さから前記第１の深さよりも浅い第２の深さまでである。前記表面側残留応力部は、前記第２の深さから前記表面までである。前記表面側残留応力部における圧縮残留応力の増加率が、前記内部側残留応力部における圧縮残留応力の増加率よりも大きい。この実施形態において、前記第１の深さよりも深い位置に、前記圧縮残留応力の大きさがほぼ変化しない残留応力安定部を有してもよい。前記第１の深さが、前記圧縮残留応力がゼロとなる位置であってもよい。金属部材がトーションバーでもよいし、金属部材がコイルばねあるいは板ばねでもよい。
　１つの実施形態に係る金属部材の処理方法とセッチング装置によれば、耐へたり性を向上させる上で有効な圧縮残留応力を金属部材の表面から深い位置まで付与することができる。１つの実施形態に係る金属部材によれば、耐へたり性が向上する。
金属部材の一例としてのばね部材を示した正面図。 第１の実施形態に係るセッチング装置を模式的に示した正面図。 図１に示された金属部材の表面加熱部を模式的に表わした断面図。 表面加熱セッチングがなされた金属部材の表面からの深さと残留応力の大きさとの関係を示した図。 従来のホットセッチングがなされた金属部材の表面からの深さと残留応力の大きさとの関係を示した図。 金属部材の表面加熱部の他の例を模式的に示した断面図。 金属部材の表面加熱部のさらに別の例を模式的に示した断面図。 第２の実施形態に係るセッチング装置を模式的に示した正面図。 図８に示されたセッチング装置によってセッチングがなされた金属部材の表面からの深さと残留応力の大きさとの関係を示した図。 金属部材の他の例を示した正面図。 第３の実施形態に係るセッチング装置を模式的に示した正面図。 図１１に示されたセッチング装置において、金属部材に負荷された荷重を除いた状態の正面図。 第４の実施形態に係るセッチング装置を模式的に示した正面図。
［第１の実施形態］
　以下に、第１の実施形態に係る金属部材の処理方法と、セッチング装置と、金属部材とについて、図１から図４を参照して説明する。
　図１は、金属部材の１つの例として、トーションバー形のばね部材１Ａを示している。これ以降は、ばね部材１Ａを例にあげて説明する。ばね部材１Ａはばね鋼からなり、棒状のバー本体１０と、第１のつかみ部１２と、第２のつかみ部１４とを有している。第１のつかみ部１２は、バー本体１０の第１の端部１１に形成されている。第２のつかみ部１４は、バー本体１０の第２の端部１３に形成されている。第１のつかみ部１２と第２のつかみ部１４とを相対的にねじると、バー本体１０にねじり変形を生じることにより、ばね作用が生じる。
　図２は、セッチング装置２０を模式的に表わしている。セッチング装置２０は、金属部材の表面部を加熱した状態で、セッチングを行なう。金属部材の一例は、ばね部材１Ａである。セッチング装置２０は、ねじり機構２１と、レーザ照射装置３０とを含んでいる。ねじり機構２１は、ばね部材１Ａにねじりの荷重を負荷する。レーザ照射装置３０は、ばね部材１Ａにレーザ光を照射する。ねじり機構２１は、ばね部材１Ａにねじりの荷重を与えるための荷重負荷機構の一例である。レーザ照射装置３０は、ばね部材１Ａの表面部を急速加熱するための表面加熱装置の一例である。
　ねじり機構２１の１つの例は、ベース部材２２と、第１部材２３と、第２部材２４と、駆動部２５とを有している。第１部材２３は、ばね部材１Ａの第１のつかみ部１２を保持する。第２部材２４は、ばね部材１Ａの第２のつかみ部１４を保持する。ベース部材２２は実質的に剛体である。第２部材２４は駆動部２５によって、ばね部材１Ａをねじる方向に回転することができる。
　レーザ照射装置３０の１つの例は、レーザ光の発生源であるレーザ発振器３１と、レーザ照射部３２と、レーザ発振器３１を制御する制御部３３と、光ファイバ３４とを含んでいる。レーザ発振器３１とレーザ照射部３２とが、光ファイバ３４によって、光学的に接続されている。制御部３３は、レーザ発振器３１を制御するため電気的な構成と、ソフトウェアなどを含んでいる。
　レーザ照射部３２は、ガイド部材３５に沿って、ばね部材１Ａの長さ方向（図２に矢印Ｙ１で示す）に移動することができる。ねじり機構２１によって、ばね部材１Ａにねじりの荷重が負荷される。ねじりの荷重が負荷されたばね部材１Ａに、レーザ照射部３２から放出されたレーザ光３６が照射される。レーザ光３６は、ばね部材１Ａの表面に向けて照射される。そしてばね部材１Ａの長さ方向にレーザ照射部３２が移動する。このためレーザ光３６は、ばね部材１Ａの長さ方向に移動しつつ、ばね部材１Ａの表面に照射される。レーザ光３６の移動速度は、例えば１０ｍｍ／秒である。
　ばね部材１Ａの表面に照射されるレーザ光３６のビーム形状は、例えば幅３ｍｍ、長さ１８ｍｍである。レーザ照射装置３０の出力は、例えば０．４ｋＷ、レーザ光３６の照射角度θ１（図２に示す）の一例は１５°である。ここで言う照射角度θ１とは、ばね部材１Ａの表面に垂直な線分Ｔ１に対するレーザ光３６の角度である。
　レーザ照射装置３０は、ばね部材１Ａの表面にレーザ光３６を照射する。レーザ光３６の照射により、ばね部材１Ａの表面から比較的浅い領域（表面部と称す）が２００℃から４００℃の範囲の温度に急速加熱される。図２にハッチングで模式的に示した箇所が加熱された表面部（表面加熱部３８と称す）である。
　ねじり機構２１によって、ばね部材１Ａにねじりの荷重（例えば１２７０ＭＰａ）が負荷される。ねじりの荷重が負荷された状態のもとで、ばね部材１Ａの長さ方向に、レーザ光３６が移動する。こうすることにより、ばね部材１Ａの表面部に、長さＬ１にわたる表面加熱部３８が形成される。
　図３は、レーザ照射装置３０によって加熱されたばね部材１Ａの径方向の断面を模式的に表わした断面図である。ばね部材１Ａは金属部材の一例である。図３において、密なハッチングで表わされた箇所が表面加熱部３８である。図３に示されたように、ばね部材１Ａの周方向に、角度θ２で示す範囲に表面加熱部３８が形成される。
　ばね部材１Ａに前記ねじりの荷重が負荷された状態において、レーザ光３６がばね部材１Ａに照射される。レーザ光３６が照射されることにより、ばね部材１Ａの表面部が急速加熱される。ねじり機構２１によってねじりの荷重が所定時間（例えば２－３分）保持される。これにより、ばね部材１Ａの表面部に、ばね部材１Ａの内部よりも多くの塑性ひずみが付与される。ねじりの荷重が所定時間保持されたのち、荷重が除かれる。
　この実施形態のように、金属部材に荷重を負荷した状態のもとで、金属部材の表面部を急速加熱するとともに、所定時間保持したのち荷重を除くことを、この明細書では表面加熱セッチングと称している。金属部材の表面を広範囲に加熱する必要がある場合には、レーザ光３６の照射位置を変えながら照射を繰り返してもよい。
　図４は、本実施形態に係る表面加熱セッチングがなされた金属部材の表面からの深さと残留応力の大きさとの関係を示している。図４中の線分Ｌ１は、表面加熱セッチングがなされた金属部材の表面からの深さと残留応力の大きさとの関係を示している。線分Ｌ１で示されたように、表面加熱セッチングがなされた金属部材は、表面から第１の深さＤ１まで、または第１の深さＤ１を越える位置まで、圧縮残留応力を有している。第１の深さＤ１の一例は、表面からの深さが０.５ｍｍを越えている。
　図４に線分Ｌ１で示されたように、金属部材の表面から第１の深さＤ１まで、または第１の深さＤ１を越える位置まで、圧縮残留応力部Ｓ１が生成されている。圧縮残留応力部Ｓ１は、第１の深さＤ１から金属部材の表面に向かって圧縮残留応力の絶対値が増加し、ほぼ表面において圧縮残留応力の絶対値が最大の値Ｐ１となっている。ほぼ表面とは、圧縮残留応力部Ｓ１のうち表面に最も近い位置のことである。
　図４に示された圧縮残留応力部Ｓ１は、第１の深さＤ１から第２の深さＤ２までの内部側残留応力部Ａ１と、第２の深さＤ２から表面までの表面側残留応力部Ａ２とを含んでいる。第２の深さＤ２は、第１の深さＤ１よりも浅い。表面側残留応力部Ａ２の圧縮残留応力の増加率は、内部側残留応力部Ａ１の圧縮残留応力の増加率よりも大きい。さらに第１の深さＤ１よりも深い位置に、圧縮残留応力の大きさがほぼ変化しない残留応力安定部Ａ３が形成されている。残留応力安定部Ａ３は、セッチングやショットピーニングに影響されない領域である。第１の深さＤ１は、圧縮残留応力がゼロとなる位置である。第１の深さＤ１が、圧縮残留応力部Ｓ１と残留応力安定部Ａ３との境であってもよい。
　レーザ光の照射によって加熱された表面部は、金属部材の熱伝導率や金属部材に与える熱エネルギーの強度等の様々な要因により、加熱の深さが左右される。加熱すべき表面部の深さは、例えば表面から第１の深さＤ１付近を目標としてもよいし、第２の深さＤ２付近でもよい。あるいはそれ以外の深さの場合もある。
　図４中の線分Ｌ２は、表面加熱セッチングが行われたのち、ショットピーニングが行われた金属部材の表面からの深さと残留応力の大きさとの関係を示している。ショットピーニングは、金属部材の表面に多数のショット（shots）を高速で打ち付ける処理である。ショットピーニングによって、金属部材の表面付近に、圧縮残留応力が最大となるピーク部Ｐ１を生成することが可能である。
　図４中に線分Ｌ２で示されたように、表面加熱セッチングがなされたのちショットピーニングが行われた金属部材は、表面付近に圧縮残留応力の絶対値が最大となるピーク部Ｐ１を有している。この圧縮残留応力は、金属部材の内部に向かうほど減少するが、表面から深い位置まで圧縮残留応力が維持されている。ショットピーニングによって得られた圧縮残留応力の分布は、金属部材の耐へたり性を向上させる上でさらに有効である。
　図５中の線分Ｌ３は、従来のホットセッチングが行われた金属部材の表面からの深さと、残留応力の大きさとの関係を示している。ホットセッチングが実施された金属部材は、圧縮残留応力部Ｓ２を示している。圧縮残留応力部Ｓ２は、第１の深さｄ１から表面に向かって、ほぼ一定の増加率で圧縮残留応力が増加している。圧縮残留応力部Ｓ２よりも深い位置に、残留応力安定部Ｓ３を有している。残留応力安定部Ｓ３は、圧縮残留応力の大きさがほぼ変化しない。圧縮残留応力部Ｓ２の表面付近の圧縮残留応力の絶対値は、図４に示された圧縮残留応力部Ｓ１の表面付近の圧縮残留応力の絶対値と比べてかなり小さい。
　図５中の線分Ｌ４は、従来のホットセッチングが実施されたのちショットピーニングが行われた金属部材において、その表面からの深さと、残留応力の大きさとの関係を示している。線分Ｌ４で示されたように、ホットセッチングが実施されたのちショットピーニングが行われた金属部材は、表面付近に圧縮残留応力の絶対値が最大となるピーク部Ｐ３が生じている。しかし比較的浅い位置において、圧縮の残留応力がゼロに近付いている。線分Ｌ４で示された従来のショットピーニング材の圧縮残留応力の深さは、図４に線分Ｌ２で示された本実施形態のショットピーニング材の圧縮残留応力の深さの半分程度である。
　図６は、ばね部材１Ａの表面加熱部３８の他の例を模式的に示した断面図である。この例では、第１の表面加熱部３８ａと第２の表面加熱部３８ｂとが、互いに対称位置に、それぞれθ３，θ４の範囲に形成されている。この例のように、ばね部材１Ａの周方向の複数個所に表面加熱部を形成し、荷重を負荷した状態を所定時間保持することにより、ばね部材１Ａの表面部に内部よりも多くの塑性ひずみを生じさせてもよい。
　図７は、ばね部材１Ａの表面加熱部のさらに別の例を、模式的に示した断面図である。図７に示されたように、ばね部材１Ａの全周にわたり、表面加熱部３８が形成されている。この例のように、ばね部材１Ａの全周に表面加熱部３８を形成し、荷重を負荷した状態を所定時間保持することにより、ばね部材１Ａの表面部のほぼ全周に、内部よりも大きな塑性ひずみを生じさせてもよい。
［第２の実施形態］
　図８は、第２の実施形態に係るセッチング装置４０を、模式的に示した正面図である。この実施形態のセッチング装置４０は、ねじり機構２１と、交流通電装置５０とを含んでいる。ねじり機構２１は、金属部材（ばね部材１Ａ）に、ねじりの荷重を負荷する。交流通電装置５０は、ばね部材１Ａに交流電圧を印加する。ねじり機構２１は、第１の実施形態で説明したねじり機構２１（図２に示す）と共通の構成であるため、第１の実施形態と共通の構成要素に共通の符号を付して説明を省略する。
　交流通電装置５０は、ばね部材１Ａの表面部を急速加熱するための表面加熱装置の一例である。交流通電装置５０は、第１の電極５１と、第２の電極５２と、電源部５３とを含んでいる。第１の電極５１は、ばね部材１Ａの第１の端部１１に接続される。第２の電極５２は、ばね部材１Ａの第２の端部１３に接続される。電源部５３は、交流電源５４と、制御部５５とを含んでいる。交流電源５４は、第１の電極５１と第２の電極５２との間に交流電圧を印加する。制御部５５は、交流電圧を制御する。
　ばね部材１Ａに、ねじりの荷重（例えば１２７０ＭＰａ）が負荷される。ねじりの荷重が負荷された状態において、ばね部材１Ａに交流電圧が印加される。例えば、交流電流を０．５秒、印加することにより、表面部の全周が例えば２２５℃に加熱される。この交流通電により、バー本体１０の全周に表面加熱部３８（図７に示す）が形成される。表面加熱部３８が形成された状態において、ねじり機構２１によって、ばね部材１Ａにねじりの荷重が負荷される。これにより、ばね部材１Ａの表面部に内部よりも大きな塑性ひずみが付与される。この塑性ひずみが一定時間保持されたのち、ねじりの荷重が除かれる。この表面加熱セッチングにより、ばね部材１Ａの表面部に圧縮残留応力が付与される。
　図９に示された線分Ｌ５は、図８に示されたセッチング装置４０によってセッチングが行われた金属部材の表面からの深さと、残留応力の大きさとの関係を示している。線分Ｌ５に示されたように、金属部材の表面から第１の深さＤ３まで、または第１の深さＤ３を越える位置まで、圧縮残留応力部Ｓ２が形成されている。圧縮残留応力部Ｓ２は、第１の深さＤ３から表面に向かって圧縮残留応力の絶対値が増加し、ほぼ表面において圧縮残留応力の絶対値が最大の値（ピーク部）Ｐ４が生じている。図９中の線分Ｌ６は、従来のホットセッチングが行われた金属部材の残留応力を示している。
　図９中の線分Ｌ５で示されたように、圧縮残留応力部Ｓ２は、内部側残留応力部Ｂ１と、表面側残留応力部Ｂ２とを含んでいる。内部側残留応力部Ｂ１は、第１の深さＤ３から第２の深さＤ４までである。表面側残留応力部Ｂ２は、第２の深さＤ４から表面までである。第２の深さＤ４は、第１の深さＤ３よりも浅い。第１の深さＤ３から第２の深さＤ４までの圧縮残留応力の増加率と比較して、第２の深さＤ４から表面までの圧縮残留応力の増加率が大きい。第１の深さＤ３よりも深い位置に、圧縮残留応力の大きさがほぼ変化しない残留応力安定部Ｂ３が形成されている。残留応力安定部Ｂ３は、セッチングやショットピーニングに影響されない領域である。第１の深さＤ３は、圧縮残留応力がゼロとなる位置である。第１の深さＤ３が、圧縮残留応力部Ｓ２と残留応力安定部Ｂ３との境であってもよい。
［第３の実施形態］
　図１０は、金属部材の他の例として、コイルばね形のばね部材１Ｂを示した正面図である。ばね部材１Ｂは、ばね鋼からなる素線６０を有している。ばね部材１Ｂは、第１の端部６１と第２の端部６２とを含んでいる。ばね部材１Ｂに圧縮の荷重が負荷されていない自由状態において、ばね部材１Ｂは長さＨ１を有している。ばね部材１Ｂに圧縮の荷重が負荷されると、荷重の大きさに応じて長さＨ１が小さくなる。
　図１１は、第３の実施形態に係るセッチング装置７０を、模式的に示した正面図である。このセッチング装置７０は、ベース部材７１と、圧縮機構７２と、レーザ照射装置３０とを有している。ベース部材７１は、ばね部材１Ｂを支持する。圧縮機構７２は、ばね部材１Ｂに圧縮の荷重を負荷する。レーザ照射装置３０は、ばね部材１Ｂにレーザ光３６を照射する。
　圧縮機構７２は、加圧部材７３と、加圧部材７３を駆動する駆動部７４とを含んでいる。圧縮機構７２は、荷重負荷機構の一例である。荷重負荷機構は、ばね部材１Ｂに圧縮の荷重を与える。レーザ照射装置３０は、第１の実施形態で説明したレーザ照射装置３０（図２に示す）と共通の構成であるため、第１の実施形態と共通の構成要素に共通の符号を付して説明を省略する。
　図１１に示されたように、圧縮機構７２によってばね部材１Ｂを長さＨ２に圧縮された状態において、レーザ光３６を照射することにより、ばね部材１Ｂの表面部を加熱する。レーザ照射装置３０は、ばね部材１Ｂの表面にレーザ光３６を照射する。例えば、ばね部材１Ｂを軸線Ｘ１まわりに回転させる。ばね部材１Ｂが軸線Ｘ１まわりに回転した状態のもとで、レーザ照射部３２を軸線Ｘ１に沿う方向に移動させる。こうすることにより、素線６０の長さ方向に沿って、レーザ光３６を移動させることができる。このようにばね部材１Ｂに圧縮の荷重を負荷した状態において、レーザ光によりばね部材１Ｂに表面部を急速加熱することにより、表面部に多くの残留ひずみを与えることができる。
　図１２は、ばね部材１Ｂに負荷された圧縮の荷重を除いた状態を示す正面図である。圧縮の荷重が除かれたばね部材１Ｂは、長さがＨ３となる。セッチング後の長さＨ３は、セッチング前の長さＨ１よりも小さくなるが、ばね部材１Ｂの表面から深い位置まで圧縮残留応力が付与される。このばね部材１Ｂは、耐へたり性に優れている。
［第４の実施形態］
　図１３は、第４の実施形態に係るセッチング装置８０を、模式的に示した正面図である。このセッチング装置８０は、圧縮機構７２と、交流通電装置５０とを含んでいる。圧縮機構７２は、金属部材の一例としてのばね部材１Ｂに、圧縮の荷重を負荷する。交流通電装置５０は、ばね部材１Ｂに交流電圧を印加する。交流通電装置５０は、第２の実施形態で説明した交流通電装置５０（図８に示す）と共通の構成であるため、第２の実施形態と共通の構成要素に共通の符号を付して説明を省略する。圧縮機構７２は、第３の実施形態で説明した圧縮機構７２（図１１に示す）と共通の構成であるため、第３の実施形態と共通の構成要素に共通の符号を付して説明を省略する。
　図１３に示されたように、交流通電装置５０の第１の電極５１が、ばね部材１Ｂの第１の端部６１に接続される。交流通電装置５０の第２の電極５２が、ばね部材１Ｂの第２の端部６２に接続される。ばね部材１Ｂが圧縮された状態において、交流通電装置５０によって、ばね部材１Ｂに交流電圧を印加される。コイルばね形状のばね部材１Ｂに交流電圧が印加された場合、ばね部材１Ｂの主に内側（コイル内径側）の発熱量が、外側（コイル外径側）の発熱量よりも多くなる。このため、圧縮されたばね部材１Ｂの主に内側の表面部に、多くの塑性ひずみが付与される。圧縮された状態が所定時間保持されたのち、荷重が除かれることにより、ばね部材１Ｂの主に内側の表面部に圧縮残留応力が付与される。
　本発明を実施するに当たって、金属部材はコイルばねやトーションバー等のばね部材に限ることはなく、用途に応じた様々な金属部材に適用することができる。また表面加熱装置としてのレーザ照射装置や交流通電装置も前記実施形態に制約されることはなく、種々の形態で実施することができる。
　１Ａ，１Ｂ…ばね部材、２０…セッチング装置、２１…ねじり機構（荷重負荷機構）、３０…レーザ照射装置（表面加熱装置）、３８，３８ａ，３８ｂ…表面加熱部、４０…セッチング装置、５０…交流通電装置（表面加熱装置）、７０…セッチング装置、７２…圧縮機構（荷重負荷機構）、８０…セッチング装置。

Claims (11)

  1. 　金属部材の処理方法であって、
    　前記金属部材の少なくとも一部の表面部を加熱し、
    　前記表面部が前記加熱された状態において前記金属部材に塑性ひずみが生じる荷重を負荷し、
    　前記荷重が負荷された状態が所定時間経過したのち前記荷重を除くことにより、
    　前記金属部材の表面から第１の深さ(D1)(D3)または第１の深さ(D1)(D3)を越える位置まで、前記金属部材の内部から前記表面に向かって圧縮残留応力の絶対値が増加する圧縮残留応力部(S1)(S2)を生成し、
    　前記圧縮残留応力部(S1)(S2)が、前記第１の深さ(D1)(D3)から前記第１の深さ(D1)(D3)よりも浅い第２の深さ(D2)(D4)までの内部側残留応力部(A1)(B1)と、前記第２の深さ(D2)(D4)から前記表面までの表面側残留応力部(A2)(B2)とを含み、前記表面側残留応力部(A2)(B2)の圧縮残留応力の増加率が前記内部側残留応力部(A1)(B1)の圧縮残留応力の増加率よりも大きいことを特徴とする金属部材の処理方法。
  2. 　請求項１に記載の金属部材の処理方法において、
    　前記金属部材の前記表面にレーザ光を照射することにより前記金属部材の前記表面部を２００℃から４００℃の温度範囲に加熱する金属部材の処理方法。
  3. 　請求項１に記載の金属部材の処理方法において、さらに、
    　前記圧縮残留応力部(S1)(S2)を有した前記金属部材の表面にショットピーニングを行なうことにより、前記表面部に前記圧縮残留応力の絶対値が最大となるピーク部(P1)(P4)を生じさせる金属部材の処理方法。
  4. 　金属部材のためのセッチング装置であって、
    　前記金属部材の表面部を加熱する表面加熱装置と、
    　前記表面部が加熱された前記金属部材に塑性ひずみが生じる荷重を負荷し、所定時間が経過したのち前記荷重を除く荷重負荷機構と、
    　を具備したことを特徴とするセッチング装置。
  5. 　請求項４に記載のセッチング装置において、
    　前記表面加熱装置が、前記金属部材の表面にレーザ光を照射するレーザ照射装置(30)であるセッチング装置。
  6. 　請求項４に記載のセッチング装置において、
    　前記表面加熱装置が、前記金属部材に交流電圧を印加する交流通電装置(50)であるセッチング装置。
  7. 　金属部材であって、
    　前記金属部材の表面から第１の深さ(D1)(D3)または第１の深さ(D1)(D3)を越える位置まで圧縮残留応力部(S1)(S2)を有し、
    　前記圧縮残留応力部(S1)(S2)は、前記第１の深さ(D1)(D3)から前記表面に向かって圧縮残留応力の絶対値が増加し、前記金属部材のほぼ表面において前記圧縮残留応力の絶対値が最大であり、
    　前記圧縮残留応力部(S1)(S2)が、前記第１の深さ(D1)(D3)から前記第１の深さ(D1)(D3)よりも浅い第２の深さ(D2)(D4)までの内部側残留応力部(A1)(B1)と、前記第２の深さ(D2)(D4)から前記表面までの表面側残留応力部(A2)(B2)とを含み、前記表面側残留応力部(A2)(B2)の圧縮残留応力の増加率が前記内部側残留応力部(A1)(B1)の圧縮残留応力の増加率よりも大きいことを特徴とする金属部材。
  8. 　請求項７に記載の金属部材において、
    　前記第１の深さ(D1)(D3)よりも深い位置に、前記圧縮残留応力の大きさがほぼ変化しない残留応力安定部(A3)(B3)を有した金属部材。
  9. 　請求項７に記載の金属部材において、
    　前記第１の深さ(D1)(D3)が、前記圧縮残留応力がゼロとなる位置である金属部材。
  10. 　請求項７に記載の金属部材において、
    　前記金属部材がトーションバー形のばね部材(1A)である金属部材。
  11. 　請求項７に記載の金属部材において、
    　前記金属部材がコイルばね形のばね部材(1B)である金属部材。
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