特開 2019-45336 ばねの評価方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-45336(P2019-45336A)

(43)【公開日】2019年3月22日

(54)【発明の名称】ばねの評価方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 23/20 20180101AFI20190222BHJP

【ＦＩ】

   G01N23/20

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2017-169411(P2017-169411)

(22)【出願日】2017年9月4日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 集会名 平成２８年度第２回残留ひずみ・応力解析研究会 微細構造解析プラットフォーム第２回放射光利用研究セミナー 開催日 平成２９年３月８日

(71)【出願人】

【識別番号】000210986

【氏名又は名称】中央発條株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115657

【弁理士】

【氏名又は名称】進藤 素子

(74)【代理人】

【識別番号】100115646

【弁理士】

【氏名又は名称】東口 倫昭

(74)【代理人】

【識別番号】100196759

【弁理士】

【氏名又は名称】工藤 雪

(72)【発明者】

【氏名】榊原 隆之

【テーマコード（参考）】

2G001

【Ｆターム（参考）】

2G001AA01

2G001BA18

2G001CA01

2G001EA01

2G001GA13

2G001KA07

2G001LA02

2G001MA10

(57)【要約】

【課題】 Ｘ線応力測定法を用いてばねの耐久性をより正確に評価することができる方法を提供する。
【解決手段】 ばねの評価方法は、２θ−ｓｉｎ^２ψ線図から算出されるψスプリット幅の値に基づいて耐久性を評価する。ψスプリット幅は、以下の手順で算出する。まず、ショットピーニングが施されたばねの表面に測定点を定め、該測定点を通る該ばねの表面の法線方向にＺ軸、主応力方向にＸ軸を規定する。次に、Ｘ−Ｚ面内で、該Ｚ軸を挟む二方向から複数の角度ψで該測定点にＸ線を照射し、角度ψについて得られた回折角２θをｓｉｎ^２ψに対してプロットして、２θ−ｓｉｎ^２ψ線図を作成する。作成された２θ−ｓｉｎ^２ψ線図に基づいて、任意の角度ψに対する回折角２θの差を求め、その差の最大値をψスプリット幅とする。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ショットピーニングが施されたばねについて、以下の（ｉ）〜（ｉｖ）の手順でψスプリット幅を算出し、算出されたψスプリット幅の値に基づいて耐久性を評価するばねの評価方法。
（ｉ）該ばねの表面に測定点を定め、該測定点を通る該ばねの表面の法線方向にＺ軸、主応力方向にＸ軸を規定する。該測定点を起点として該Ｘ軸の一方を基準方向、他方を反対方向とする。
（ｉｉ）該Ｚ軸と該Ｘ軸とを含む面内で、該Ｚ軸を挟む該基準方向および該反対方向の両方向から複数の角度ψで該測定点にＸ線を照射する。該Ｘ線の照射角度ψは、該Ｚ軸を基準（０°）として該基準方向を正の値、該反対方向を負の値とする。
（ｉｉｉ）該基準方向の各々の角度ψについて得られた回折角２θを、ｓｉｎ^２ψに対してプロットして２θ−ｓｉｎ^２ψ線図を作成する。同様に、該反対方向の各々の角度ψについて得られた回折角２θを、ｓｉｎ^２ψに対してプロットして２θ−ｓｉｎ^２ψ線図を作成する。
（ｉｖ）該基準方向の２θ−ｓｉｎ^２ψ線図と該反対方向の２θ−ｓｉｎ^２ψ線図とに基づいて、任意の角度ψに対する回折角２θの差を求め、その差の最大値をψスプリット幅とする。

【請求項2】

前記ψスプリット幅の値が０．１５°以下であるか否かを基準として耐久性を評価する請求項１に記載のばねの評価方法。

【請求項3】

前記ばねの表面には、前記ショットピーニングに加えて窒化処理が施されている請求項１または請求項２に記載のばねの評価方法。

【請求項4】

前記ばねは、前記ショットピーニングを含む表面処理が施される前に、引張強さが１５００ＭＰａ以上になるよう調質されている請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のばねの評価方法。

【請求項5】

前記ばねは、コイルばねである請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のばねの評価方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、Ｘ線応力測定法を用いてばねの耐久性を評価するばねの評価方法に関する。

【背景技術】

【0002】

車両の懸架用ばね、エンジン用弁ばねなどには高い疲労強度が要求される。ばねの疲労強度を高くするためには、熱処理による硬さや組織の制御、ショットピーニングによる圧縮残留応力の付与などが有効である。なかでも、ばねの疲労強度は、表面層における残留応力の影響を大きく受ける。よって、疲労強度を高めるためには、ショットピーニングなどの表面処理による残留応力の制御が重要になる（例えば、特許文献１、２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１１−２４１１４３号公報

【特許文献2】特開２００２−２０５２７０号公報

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】榊原隆之、佐藤嘉洋、「ばね鋼へのショットピーニングにおける有向性加工層の残留応力」、「材料」（Journal of the Society of Materials Science, Japan）、２００４年７月、第５３巻、第７号、７４６−７５１頁

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

多数の結晶粒の集合体である金属材料の表面層の応力を測定する方法として、Ｘ線応力測定法が知られている。Ｘ線応力測定法は、金属材料にＸ線を照射した時の回折情報から、金属材料の表面層における応力を求める方法である。Ｘ線応力測定法の測定原理および測定方法については、例えば、社団法人 日本材料学会 Ｘ線材料強度部門委員会が発行する「Ｘ線応力測定法標準（２００２年版）−鉄鋼編−」に詳しく説明されている。

【0006】

金属材料（試料）表面の測定点における応力σと回折角２θとの間には次式（Ｉ）が成立する。式（Ｉ）中、Ｋは金属材料のヤング率、ポアソン比、無応力状態の回折角θ_０から求められる応力定数であり、ψは試料表面法線と結晶面法線とのなす角度である。
σ＝Ｋ・［∂（２θ）／∂（ｓｉｎ^２ψ）］ ・・・（Ｉ）
式（Ｉ）に示すように、回折角２θとｓｉｎ^２ψとは一次関数であるため、この傾きに応力定数Ｋを乗ずれば応力σを求めることができる。実際には、金属材料の測定点に複数の角度ψからＸ線を照射し、各々の角度ψにおける回折角２θを、縦軸２θ−横軸ｓｉｎ^２ψのグラフにプロットして、２θ−ｓｉｎ^２ψ線図を作成する。そして、プロットした点を最小２乗法で直線に近似し、得られた直線の傾きに応力定数Ｋを乗じることにより、測定点の応力σを求める。

【0007】

このように、従来は、２θ−ｓｉｎ^２ψ線図を作成し、プロットを最小２乗法で近似した直線に基づいて、残留応力を算出していた。そして、算出された残留応力の値が所定の値以上であれば、疲労強度が高い、すなわち耐久性が高いと評価していた。

【0008】

しかしながら、本発明者が検討を重ねたところ、２θ−ｓｉｎ^２ψ線図を用いて算出された残留応力が大きくても、実際にばねの疲労試験を行うと、耐久性が充分ではないものが存在することが明らかになった。この理由は明らかではないが、例えばコイルばねのように曲面を有するばねにショットピーニングを施すと、場所ごとに投射材の衝突角度が異なるため、残留応力が不均一になることが一因ではないかと考えられる。

【0009】

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、Ｘ線応力測定法を用いてばねの耐久性をより正確に評価することができる方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するため、本発明のばねの評価方法は、ショットピーニングが施されたばねについて、以下の（ｉ）〜（ｉｖ）の手順でψスプリット幅を算出し、算出されたψスプリット幅の値に基づいて耐久性を評価することを特徴とする。
（ｉ）該ばねの表面に測定点を定め、該測定点を通る該ばねの表面の法線方向にＺ軸、主応力方向にＸ軸を規定する。該測定点を起点として該Ｘ軸の一方を基準方向、他方を反対方向とする。
（ｉｉ）該Ｚ軸と該Ｘ軸とを含む面内で、該Ｚ軸を挟む該基準方向および該反対方向の両方向から複数の角度ψで該測定点にＸ線を照射する。該Ｘ線の照射角度ψは、該Ｚ軸を基準（０°）として該基準方向を正の値、該反対方向を負の値とする。
（ｉｉｉ）該基準方向の各々の角度ψについて得られた回折角２θを、ｓｉｎ^２ψに対してプロットして２θ−ｓｉｎ^２ψ線図を作成する。同様に、該反対方向の各々の角度ψについて得られた回折角２θを、ｓｉｎ^２ψに対してプロットして２θ−ｓｉｎ^２ψ線図を作成する。
（ｉｖ）該基準方向の２θ−ｓｉｎ^２ψ線図と該反対方向の２θ−ｓｉｎ^２ψ線図とに基づいて、任意の角度ψに対する回折角２θの差を求め、その差の最大値をψスプリット幅とする。

【0011】

本発明者は、計算により得られた残留応力と実際の疲労試験の結果との不一致は、残留応力の算出過程で、２θ−ｓｉｎ^２ψ線図におけるプロットを直線近似することに問題があるのではないかと考えた。すなわち、２θ−ｓｉｎ^２ψ線図におけるプロットのばらつきに意味があり、個々のプロットが示す特性を見過ごしているおそれがあると考えた。そこで、ψの正負により歪みの値が異なることにより、２θ−ｓｉｎ^２ψ線図におけるプロットが楕円状に分布するψスプリット現象に着目した。ψスプリット現象は、試料の表面層に存在するせん断応力に起因し、一方向にせん断力を伴う有向性加工が施された場合などに観察されることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。このような思想により実現された本発明のばねの評価方法は、２θ−ｓｉｎ^２ψ線図におけるプロットを直線近似することなく、ψの正負が異なる二方向の２θ−ｓｉｎ^２ψ線図において発現するψスプリット現象を利用して、ばねの耐久性を評価する。

【0012】

図１に、ばねの表面に設定される座標系を示す。図１に示すように、ばね（試料）１０の表面の測定点をＯとし、測定点Ｏを通る試料表面法線方向にＺ軸、主応力方向にＸ軸を規定する。測定点Ｏを起点とし、Ｘ軸の一方を基準方向Ｘ１（φ＝０°）、他方を反対方向Ｘ２（φ＝１８０°）とする。Ｘ線の照射は、Ｚ軸とＸ軸とを含む面内（Ｘ−Ｚ面、図１中、点線で示す）において、基準方向Ｘ１および反対方向Ｘ２の二方向から、Ｚ軸を基準（０°）として基準方向Ｘ１または反対方向Ｘ２に傾斜する複数の角度ψで行う。角度ψは、基準方向Ｘ１を正の値、反対方向Ｘ２を負の値とする。そして、基準方向Ｘ１および反対方向Ｘ２の両方向において、角度ψごとに回折角２θを求め、２θをｓｉｎ^２ψに対してプロットして２θ−ｓｉｎ^２ψ線図を作成する。

【0013】

図２に、２θ−ｓｉｎ^２ψ線図のモデル図を示す。図２に示すように、基準方向Ｘ１と反対方向Ｘ２とにおいて、角度ψが同じ（正負は異なる）で２θの値が異なると、プロットが楕円状に分布するψスプリットが生じる。この場合、任意の角度ψに対する回折角２θの差Ｄを求め、その差の最大値Ｄ_ｍａｘをψスプリット幅とする。なお、基準方向Ｘ１および反対方向Ｘ２のプロットが一致し、２θ−ｓｉｎ^２ψ線図が線形になる場合には、ψスプリット幅を０とする。例えば、算出されたψスプリット幅の値が０．１５°以下であれば、耐久性が高いと評価することができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明においては、従来のように２θ−ｓｉｎ^２ψ線図におけるプロットを直線近似することなく、プロットのばらつきを取り入れて、ばねの耐久性を評価する。このため、本発明によると、ばねの表面にショットピーニングによる有向性加工層が存在し、表面層の残留応力が不均一になっている場合でも、ばねの耐久性を従来よりも正確に評価することができる。本発明の方法で得られた耐久性の評価は、ばねの材質、形状、調質状態に応じてショットピーニングなどの表面処理の条件を決定するのに有用である。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】ばねの表面に設定される座標系の説明図である。

【図2】２θ−ｓｉｎ^２ψ線図のモデル図である。

【図3】疲労試験の結果を示すグラフである。

【図4】サンプルＢのコイルばねの２θ−ｓｉｎ^２ψ線図である。

【図5】サンプルＣのコイルばねの２θ−ｓｉｎ^２ψ線図である。

【図6】ψスプリット幅と疲労試験における耐久回数との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

本発明のばねの評価方法は、ショットピーニングが施されたばねを対象とする。ばねの形状は、特に限定されるものではなく、例えば、コイルばね、板ばね、皿ばね、トーションバーなどが挙げられる。ばねの材料としては、ばね鋼が知られており、炭素を主な添加元素とする炭素鋼、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖなどを添加する合金鋼、ステンレス鋼などがある。

【0017】

ショットピーニングは、ばねの表面に投射材を高速で打ちつけて圧縮残留応力を付与する処理である。ショットピーニングを施すことにより、ばねの硬さや疲労強度が向上する。ショットピーニングの条件、方法などは特に限定されるものではない。投射材としては、鉄鋼、またはガラス、アルミナ、ジルコニアなどのセラミックからなる小粒子を用いればよい。小粒子は、球状でも異形状でもよく、例えば鋼線を短く切断したカットワイヤでもよい。一例として、投射材の粒子径は、０．３〜０．６ｍｍ、ビッカース硬さは５５０〜７５０ＨＶにするとよい。ショットピーニングは、室温で行ってもよく、ばねを室温よりも高い温度（例えば１００〜３００℃）に保持した状態で行ってもよい。一例として、投射材の投射速度は、７０〜９０ｍ／秒、投射時間は１０〜３０分にするとよい。ショットピーニングは、１回でもよく、２回以上行ってもよい。

【0018】

疲労強度をより高めるという観点から、ばねには後述する熱処理の後、ショットピーニングに加えて窒化処理などの表面処理が施されていてもよい。窒化処理により、ばねの表面にＦｅ_３Ｎなどの薄い窒化物層が形成されることにより、表面が硬化して疲労強度が向上する。窒化処理の条件、方法などは特に限定されるものではない。例えば、５００℃程度の温度下、アンモニアガスなどの窒素を含むガス中でばねを所定時間保持して行うことができる。なお、ショットピーニングや窒化処理を行う前にデスケーリング処理を行い、熱処理の後に生成する酸化皮膜などを除去してもよい。

【0019】

ばねは、ショットピーニングを含む表面処理が施される前に、引張強さが１５００ＭＰａ以上になるよう調質されていることが望ましい。引張強さは、引張試験においてばねが破断するまでの最大荷重をばねの初期断面積で除した値である。調質としては、ばねの製造において通常行われる焼き入れ、焼き戻し、セッチングなどの熱処理が挙げられる。例えば、熱処理を誘導加熱により行うと、処理時間が短くて済むなどの利点がある。

【0020】

本発明のばねの評価方法は、上述した（ｉ）〜（ｉｖ）の手順でψスプリット幅を算出し、算出されたψスプリット幅の値に基づいて耐久性を評価する。例えば、ψスプリット幅の値が０．１５°以下であれば、耐久性が高いと評価することができる。

【0021】

手順（ｉ）で規定する主応力方向（Ｘ軸）は、ばねに圧縮荷重を加えた場合に作用応力が最大になる方向である。例えばコイルばねの場合には、線軸に対して４５°傾斜した方向、板ばねの場合には、長手方向に定めればよい。手順（ｉｉ）におけるＸ線の照射角度ψは、特に限定されないが、例えば、０°、±１５°、±２０°、±３０°、±４０°などを選択すればよい。Ｘ線回折測定には、Ｘ線照射とそれにより生じる回折パターンを検出できる公知の装置を用いればよい。

【実施例】

【0022】

次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

【0023】

＜コイルばねの製造＞
耐久性を評価するばねとして、以下の手順で冷間成形したコイルばねを使用した。コイルばねの材料としては、ばね用鋼線（ＳＷＯＳＣ−Ｖ）を用いた。ばね用鋼線には、焼き入れ（９５０℃に誘導加熱した後急冷）、および焼き戻し（５００℃に誘導加熱した後空冷）が施されており、ばね用鋼線の引張強さは１９５０ＭＰａであった。まず、ばね用鋼線をコイリング（成形）してコイルばねとした。次に、コイルばねを低温焼鈍（４００℃で３０分間）した。それから、コイルばねの表面に、直径０．３ｍｍの投射材を３０分間投射するデスケーリング処理を施した後、窒化処理を施した。窒化処理は、コイルばねをアンモニアを含むガス中に４８０℃下で２時間保持して行った。その後、コイルばねの表面に、ショットピーニング処理を施した。ショットピーニング処理は、３回に分けて行った。１回目は直径０．６ｍｍの投射材を３０分間投射し、２回目は直径０．３ｍｍの投射材を３０分間投射し、３回目は直径０．１ｍｍの投射材を１５分間投射した。表１に、製造したコイルばねの諸元を示す。

【表1】

【0024】

＜疲労試験＞
製造したコイルばねを星形耐久試験機（最大容量３２本）に取り付けて、疲労試験を行った。疲労試験においては、応力振幅τ＝６８６±６５０ＭＰａ、平均応力６１０ＭＰａにて、ばねを繰り返し伸縮させた。

【0025】

疲労試験の結果として、図３に、試験したコイルばねにおける応力振幅と折損までの繰り返し回数（耐久回数）とをプロットしたグラフを示す。図３には、１０％折損確率線を直線で示す。１０％折損確率線とは、試験したコイルばねのうち１０％の数が折損する耐久回数を示す線である。１０％折損確率線は、疲労試験結果を統計的に処理して算出した。プロットが１０％折損確率線の線上または上側にあれば、疲労強度が高い、すなわち耐久性が高いと判断することができる。図３に示すように、プロットの多くは、１０％折損確率線の線上または上側にあり所望の耐久性を有していたが、一部は１０％折損確率線の下側にあり耐久性が充分ではないという結果になった。

【0026】

＜Ｘ線応力測定法を用いたψスプリット幅の算出＞
疲労試験の結果、耐久性が高いと判断されたコイルばね、耐久性が充分ではないと判断されたコイルばねを各々２つずつ選び、Ｘ線応力測定法に基づいた以下の（ｉ）〜（ｉｖ）の方法により、各々のコイルばねについてψスプリット幅を算出した。耐久性が高いコイルばねは、耐久回数が６２，８８８，５００回、１００，０００，０００回の２つであり、順にサンプルＡ、サンプルＢのコイルばねと称す。耐久性が充分ではないコイルばねは、耐久回数が８，０１０，５００回、８，１１３，３００回の２つであり、順にサンプルＣ、サンプルＤのコイルばねと称す。

【0027】

（ｉ）まず、コイルばねの表面に測定点Ｏを定め、測定点Ｏを通るコイルばね表面の法線方向にＺ軸、線軸に対して４５°傾斜した方向（主応力方向）にＸ軸を規定した。測定点Ｏを起点とし、Ｘ軸の一方を基準方向Ｘ１（φ＝０°）、他方を反対方向Ｘ２（φ＝１８０°）とした（符号は前出図１参照）。

【0028】

（ｉｉ）次に、Ｘ−Ｚ面において、Ｚ軸を基準（０°）として基準方向Ｘ１にψ＝０°、１５°、２０°、３０°、４０°の角度で傾斜する方向から、測定点ＯにＸ線を照射して、各々の角度ψにおける回折角２θを求めた。同様に、Ｚ軸を基準（０°）として反対方向Ｘ２にψ＝−１５°、−２０°、３０°、−４０°の角度で傾斜する方向から、測定点ＯにＸ線を照射して、各々の角度ψにおける回折角２θを求めた。Ｘ線の回折ピーク位置は、半価幅中点法により決定した。

【0029】

表２に、Ｘ線回折測定の条件を示す。

【表2】

【0030】

（ｉｉｉ）次に、基準方向Ｘ１の角度ψごとの回折角２θをｓｉｎ^２ψに対してプロットして、基準方向Ｘ１の２θ−ｓｉｎ^２ψ線図を作成した。同様に、反対方向Ｘ２の角度ψごとの回折角２θをｓｉｎ^２ψに対してプロットして、反対方向Ｘ２の２θ−ｓｉｎ^２ψ線図を作成した。反対方向Ｘ２の２θ−ｓｉｎ^２ψ線図は、基準方向Ｘ１の２θ−ｓｉｎ^２ψ線図に重ねて作成した。

【0031】

図４に、サンプルＢ（耐久回数１００，０００，０００回）のコイルばねの２θ−ｓｉｎ^２ψ線図を示す。図５に、サンプルＣ（耐久回数８，０１０，５００回）のコイルばねの２θ−ｓｉｎ^２ψ線図を示す。図４に示すように、サンプルＢのコイルばねについては、基準方向と反対方向との２θ−ｓｉｎ^２ψ線図はほぼ一致し、ψスプリットは認められるものの、回折角２θの差（ψスプリット幅）は小さかった。一方、図５に示すように、サンプルＣのコイルばねについては、基準方向と反対方向との２θ−ｓｉｎ^２ψ線図は一致せず、ψスプリットが認められ、サンプルＢと比較して回折角２θの差（ψスプリット幅）は大きくなった。

【0032】

（ｉｖ）サンプルＡ〜Ｄの各コイルばねについて、基準方向および反対方向の２θ−ｓｉｎ^２ψ線図における角度ψごとの回折角２θの差を求め、その最大値をψスプリット幅とした。図６に、サンプルＡ〜Ｄの各コイルばねのψスプリット幅と疲労試験における耐久回数との関係を示す。

【0033】

図６に示すように、耐久回数が多く耐久性が高いサンプルＡ、Ｂのコイルばねのψスプリット幅は、０．１５°未満であった。一方、耐久回数が少なく耐久性が充分ではないサンプルＣ、Ｄのコイルばねのψスプリット幅は、０．１５°を超えていた。このように、ψスプリット幅の０．１５°を基準にして、耐久性を評価できることが確認された。以上説明したように、本発明のばねの評価方法によると、表面にショットピーニングによる有向性加工層が存在する可能性があるコイルばねについても、耐久性を正確に評価することができる。

【符号の説明】

【0034】

１０：ばね、Ｏ：測定点、Ｘ１：基準方向、Ｘ２：反対方向。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】