特許 6178102 圧縮コイルばねおよびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6178102

(24)【登録日】2017年7月21日

(45)【発行日】2017年8月9日

(54)【発明の名称】圧縮コイルばねおよびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   F16F 1/06 20060101AFI20170731BHJP

   C21D 9/02 20060101ALI20170731BHJP

   C21D 8/00 20060101ALI20170731BHJP

   C21D 7/06 20060101ALI20170731BHJP

   C21D 1/06 20060101ALI20170731BHJP

   C21D 1/42 20060101ALI20170731BHJP

   C22C 38/00 20060101ALI20170731BHJP

   C23C 8/22 20060101ALI20170731BHJP

   B21F 35/00 20060101ALI20170731BHJP

   B21F 3/06 20060101ALI20170731BHJP

   C22C 38/04 20060101ALN20170731BHJP

   C22C 38/54 20060101ALN20170731BHJP

【ＦＩ】

   F16F1/06 A

   C21D9/02 Z

   C21D8/00 A

   C21D7/06 A

   C21D1/06 A

   C21D1/42 Z

   C22C38/00 301Z

   C23C8/22

   B21F35/00 A

   B21F3/06 Z

   !C22C38/04

   !C22C38/54

【請求項の数】19

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2013-83909(P2013-83909)

(22)【出願日】2013年4月12日

(65)【公開番号】特開2014-206219(P2014-206219A)

(43)【公開日】2014年10月30日

【審査請求日】2016年2月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004640

【氏名又は名称】日本発條株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100096884

【弁理士】

【氏名又は名称】末成 幹生

(72)【発明者】

【氏名】小野 裕一朗

(72)【発明者】

【氏名】白石 透

【審査官】 保田 亨介

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０７７３６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２８３２０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第５０６４５９０（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開２０１２−１１７０９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第５３６１０９８（ＪＰ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２１Ｆ１／００−９９／００

Ｃ２１Ｄ１／０２−１／８４

７／００−８／１０

９／００−９／４４

９／５０

Ｃ２２Ｃ５／００−２５／００

２７／００−２８／００

３０／００−３０／０６

３５／００−４５／１０

Ｃ２３Ｃ８／００−１２／０２

Ｆ１６Ｆ１／００−６／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

質量％で、Ｃが０．８０重量％以下の鋼線材を用いた圧縮コイルばねにおいて、ばね内径側表層部に前記鋼線材に含まれるＣの平均濃度を超えるＣ濃化層を有し、任意の線材横断面において表面Ｃ濃度およびＣ濃化層深さが前記横断面円周に沿ってばね内径側から外径側に向かうに従って連続的に減少していることを特徴とする圧縮コイルばね。

【請求項2】

任意の線材横断面における内部硬さが５７０〜７００ＨＶであり、ばね内径側における前記Ｃ濃化層の硬さが内部硬さよりも５０ＨＶ以上高いことを特徴とする請求項１に記載の圧縮コイルばね。

【請求項3】

ばね内径側における前記Ｃ濃化層における最大のＣ濃度が０．７〜０．９質量％であり、前記Ｃ濃化層の厚さが０．０１〜０．１ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮コイルばね。

【請求項4】

前記圧縮コイルばねは旧オーステナイト結晶粒を有し、ＪＩＳ Ｇ０５５１に規定される前記旧オーステナイト結晶粒の平均結晶粒度番号が１０番以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧縮コイルばね。

【請求項5】

前記圧縮コイルばねは方位角度差５°以上の結晶粒を有し、ＳＥＭ ／ ＥＢＳＤ法を用いて測定した前記方位角度差５°以上の結晶粒の平均結晶粒径が２．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧縮コイルばね。

【請求項6】

前記線材のコイルばね内径側のばねに圧縮荷重を負荷した場合に生じる略最大主応力方向において、無負荷時の最大圧縮残留応力が９００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧縮コイルばね。

【請求項7】

前記線材のコイルばね内径側のばねに圧縮荷重を負荷した場合に生じる略最大主応力方向において、無負荷時の前記線材の表面から０．２ｍｍ深さでの圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上であるとともに表面から０．４ｍｍ深さでの圧縮残留応力が６０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の圧縮コイルばね。

【請求項8】

前記線材のコイルばね内径側のばねに圧縮応力を負荷した場合に生じる略最大主応力方向において、無負荷時の圧縮残留応力の値がゼロとなる前記線材の表面からの深さをクロッシングポイントとし、縦軸を残留応力、横軸を素線半径とした残留応力分布曲線において表面からクロッシングポイントまでの積分値をＩ_−σＲと表したとき、Ｉ_−σＲが１５０ＭＰａ・ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の圧縮コイルばね。

【請求項9】

前記圧縮残留応力がショットピーニングにより付与されていることを特徴とした請求項６〜８のいずれかに記載の圧縮コイルばね。

【請求項10】

前記ショットピーニング処理が、粒径０．６ｍｍ〜１．２ｍｍショットによる第１のショットピーニング処理と、粒径０．２ｍｍ〜０．８ｍｍのショットによる第２のショットピーニング処理と、粒径０．０２ｍｍから０．３０ｍｍのショットによる第３のショットピーニング処理からなる多段ショットピーニング処理であることを特徴とする請求項９に記載の圧縮コイルばね。

【請求項11】

ばね形状が、円筒形、または、円錐形、両端絞り形、釣鐘形、鼓形、樽形のいずれかであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の圧縮コイルばね。

【請求項12】

コイルばね成形機により鋼線材を熱間成形するコイリング工程と、コイリングした後に切離され温度が未だオーステナイト域にあるコイルをそのまま焼入れする焼入れ工程と、コイルを調質する焼戻し工程と、線材表面に圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程と、セッチング工程とを順に行う圧縮コイルばねの製造方法において、
前記コイルばね成形機は、連続的に鋼線材を供給するためのフィードローラと、鋼線材をコイル状に成形するコイリング部と、鋼線材を所定巻数コイリングした後に後方より連続して供給されてくる鋼線材と切断するための切断手段とを有し、
前記コイリング部は、前記フィードローラにより供給された鋼線材を加工部の適切な位置へ誘導するためのワイヤガイドと、前記ワイヤガイドを経由して供給された鋼線材をコイル形状に加工するためのコイリングピンもしくはコイリングローラからなるコイリングツールと、ピッチを付けるためのピッチツールとを備えており、
前記コイルばね成形機は、さらに、前記フィードローラの出口から前記コイリングツールの間に鋼線材を２．５秒以内でオーステナイト域まで昇温する加熱手段を有し、
加熱中から焼入れまでの間に、鋼線材の径方向のなかでばね形状に成形した際に外径側となる方向に位置したガス吹付けノズルから鋼線材表面に炭化水素系ガスを直接吹付ける浸炭工程を行うことを特徴とする圧縮コイルばねの製造方法。

【請求項13】

前記加熱手段が高周波加熱であり、前記ワイヤガイド内における鋼線材の通過経路上若しくは前記ワイヤガイドにおける鋼線材出口側末端と前記コイリングツールとの空間における鋼線材の通路経路上に鋼線材と同心となるように高周波加熱コイルが配置されていることを特徴とする請求項１２に記載の圧縮コイルばねの製造方法。

【請求項14】

鋼線材の表層部にＣ濃化層を形成する浸炭工程と、コイルばね成形機により鋼線材を熱間成形するコイリング工程と、コイリングした後に切離され温度が未だオーステナイト域にあるコイルをそのまま焼入れする焼入れ工程と、コイルを調質する焼戻し工程と、線材表面に圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程と、セッチング工程とを順に行う圧縮コイルばねの製造方法において、
前記浸炭工程におけるＣ濃化層を形成する手段が、鋼線材の径方向のなかでばね形状に成形した際に外径側となる方向に位置したガス吹付けノズルから加熱した鋼線材表面に炭化水素系ガスを直接吹付けるものであり、
前記コイリング工程に用いる前記コイルばね成形機が、連続的に鋼線材を供給するためのフィードローラと、鋼線材をコイル状に成形するコイリング部と、鋼線材を所定巻数コイリングした後に後方より連続して供給されてくる鋼線材と切断するための切断手段とを有し、
前記コイリング部は、前記フィードローラにより供給された鋼線材を加工部の適切な位置へ誘導するためのワイヤガイドと、前記ワイヤガイドを経由して供給された鋼線材をコイル形状に加工するためのコイリングピンもしくはコイリングローラからなるコイリングツールと、ピッチを付けるためのピッチツールとを備え、
前記コイルばね成形機は、さらに、前記フィードローラの出口から前記コイリングツールの間に鋼線材を２．５秒以内でオーステナイト域まで昇温する加熱手段を有し、
前記加熱手段は高周波加熱であり、前記ワイヤガイド内における鋼線材の通過経路上若しくは前記ワイヤガイドにおける鋼線材出口側末端と前記コイリングツールとの空間における鋼線材の通過経路上に鋼線材と同心となるように高周波加熱コイルが配置されており、
前記浸炭工程と前記コイリング工程が途中で鋼線材の切離がない連続した工程であることを特徴とする圧縮コイルばねの製造方法。

【請求項15】

コイルばね成形機により鋼線材を成形するコイリング工程と、コイルを２０秒以内でオーステナイト域まで昇温し焼入れを行う加熱焼入れ工程と、コイルを調質する焼戻し工程と、線材表面に圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程と、セッチング工程とを順に行う圧縮コイルばねの製造方法において、
前記加熱焼入れ工程における加熱手段が高周波加熱であり、
加熱中から焼入れまでの間に、成形したコイルばねの外径方向に位置したガス吹付けノズルから鋼線材表面に炭化水素系ガスを直接吹付ける浸炭工程を行うことを特徴とする圧縮コイルばねの製造方法。

【請求項16】

前記炭化水素系ガスを吹付ける時点の鋼線材表面温度が８５０〜１１５０℃であり、且つ、鋼線材表面部における前記炭化水素系ガスの動圧が０．１〜５．０ｋＰａであることを特徴とする請求項１２〜１５のいずれかに記載の圧縮コイルばねの製造方法。

【請求項17】

前記ばね内径側表層部の表面Ｃ濃度は、ばね外径側表層部の表面Ｃ濃度よりも０．０５％以上高いことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の圧縮コイルばね。

【請求項18】

前記ばね内径側の前記Ｃ濃化層の厚さは、ばね外径側のＣ濃化層の厚さよりも４μｍ以上厚いことを特徴とする請求項１〜１１および請求項１７のいずれかに記載の圧縮コイルばね。

【請求項19】

炭化水素系ガスを吹き付けた外径側の鋼線材表面を冷却する一方、内径側の鋼線材表面に炭化水素系ガスを回り込ませて反応させる浸炭工程を行うことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれかに圧縮コイルばねの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、たとえば自動車のエンジンやクラッチ内で使用される圧縮コイルばねに関し、特に、高応力下の使用環境においても優れた耐疲労性を有する圧縮コイルばねおよびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、環境問題を背景に自動車への低燃費化の要求が年々厳しくなっており、自動車部品に対する小型軽量化がこれまで以上に強く求められている。この小型軽量化の要求に対し、たとえばエンジン内で使用されるバルブスプリングや、クラッチ内で使用されるクラッチトーションスプリングをはじめとする圧縮コイルばね部品においては、材料の高強度化や、表面処理による表面強化の研究が盛んであり、その結果をもってコイルばねの特性として重要な耐疲労性の向上や、耐へたり性の向上を図ってきている。

【0003】

一般に、コイルばねの製造方法は、熱間成形法と冷間成形法に大別される。熱間成形法は、線径ｄが太い、そしてコイル平均径Ｄと線径ｄとの比であるばね指数Ｄ／ｄが小さいなど、その加工性の悪さから冷間成形が困難であるコイルばねの成形に用いられ、コイルばね線材としては炭素鋼やばね鋼が用いられている。熱間成形法では、線材を加工し易いように高温に加熱して芯金に巻き付けてコイルばね形状にコイリングし、焼入れ・焼戻し後に、さらにショットピーニングやセッチングを施して、コイルばねの性能として主要となる耐疲労性や耐へたり性を得ている。なお、熱間成形法においては、無芯金でのコイリングは技術的に非常に困難であるためこれまで実用化には至っていない。よって、熱間成形法は芯金を用いることが従来の技術では必須であり、成形できるコイルばねとしては、無芯金でコイリング可能な冷間成形法と比べ形状の自由度が低い。

【0004】

一方、バルブスプリングやクラッチトーションスプリングクラスの圧縮コイルばねについては、比較的線径が細いために冷間成形が可能である。そして、加熱による変態や熱膨張収縮を伴わないことから高い寸法精度が得やすく、更に、加工速度や設備費等による量産性（タクト、コスト）も高いことから、このクラスの圧縮コイルばねの製造については従来から冷間成形法が採用されている。また、この冷間成形法については無芯金での成形技術が確立されており、コイルばねの形状自由度が高いことも、冷間成形法が用いられる大きな一因であり、熱間成形法によるバルブスプリングやクラッチトーションスプリングクラスの圧縮コイルばねの製造技術はこれまでに実在しない。なお、冷間成形法においては、コイルばね線材としては、炭素鋼線、硬鋼線、ピアノ線、ばね鋼線といった硬引線が従来用いられてきた。しかしながら、近年、軽量化の観点から材料の高強度化が求められており、高価なオイルテンパー線が広く用いられるようになってきている。

【0005】

冷間成形法では、図１（Ｄ）および（Ｅ）に示すように、線材を冷間でコイルばね形状にコイリングし、焼鈍後、ショットピーニングおよびセッチングを必要に応じて施す。ここで、焼鈍は、コイルばねの耐疲労性向上の阻害要因となる加工によって生じた残留応力を除去することを目的としており、ショットピーニングによる表面への圧縮残留応力の付与と合わせ、コイルばねの耐疲労性向上に寄与する。なお、バルブスプリングやクラッチトーションスプリングのような高負荷応力で使用されるコイルばねについては、窒化処理による表面硬化処理がショットピーニング前に必要に応じて施される。

【0006】

さらなる耐疲労性の向上を目指した研究が盛んに行われている。たとえば、特許文献１には、冷間成形用のオイルテンパー線が記載されており、残留オーステナイトの加工誘起変態を利用して耐疲労性を向上させる技術が開示されている。特許文献２には、窒化処理を施した線材の表面に、異なる投射速度での多段ショットピーニングを施すことで大きな圧縮残留応力を付与し、耐疲労性の向上を図る技術が開示されている。

【0007】

特許文献１においてコイリング後のコイルばねには残留応力が生じる。この残留応力、特にコイル内径側表面に発生する線軸方向の引張残留応力は、コイルばねとしての耐疲労性向上の阻害要因である。そして、通常はこの加工による残留応力を除去するために焼鈍を施すが、焼戻し軟化抵抗が高い特許文献１にある線材をもってしても、所望の線材の強度を維持したうえでこの残留応力を完全に除去することが困難なことは容易に推定でき、当業者にとっては周知である。したがって、その後ショットピーニングを施したところで、加工によってコイル内径側に残留した引張残留応力の影響により線材表面に十分な圧縮残留応力を付与することは困難であり、コイルばねとしての十分な耐疲労性を得ることができない。また、焼戻し軟化抵抗の向上に寄与するＶ、Ｍｏといった元素は高価である。よって、線材が非常に高価となり、当然、製品としてのコイルばねも高価なものとなる。

【0008】

また、特許文献２では、コイルばねの線材表面近傍（以下、「表面」と称す）の圧縮残留応力は１４００ＭＰａ程度あり、バルブスプリングやクラッチトーションスプリングクラスの高負荷応力下で使用するコイルばねとして、表面における亀裂発生抑制に対しその圧縮残留応力は十分である。しかしながら、表面の圧縮残留応力を向上させた結果、線材内部での圧縮残留応力は小さくなり、介在物などを起点とする線材内部での亀裂発生に対しては、その圧縮残留応力の効果が乏しくなる。つまり、特許文献２による手段では、ショットピーニングにより与えられるエネルギーに限りがあるため、すなわち圧縮残留応力分布の変化は与えられるものの圧縮残留応力の総和を大きく向上させることは困難である。先述した加工による残留応力の影響を解消することなどは考慮されておらず、よって、同じ強度の線材に対してその耐疲労性の向上効果は乏しい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特許第３５９５９０１号

【特許文献2】特開２００９−２２６５２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

上記のように、従来の製造方法や特許文献１、２等では、近年の高応力下での耐疲労性の更なる向上とコスト低減の両立を求めた要求に対し、その対応は困難を来す。また、冷間成形用として現在主流となっているオイルテンパー線は高価であり、中でも性能向上のためにＮｉ、Ｖ、Ｍｏといった高級元素を添加したオイルテンパー線は非常に高価である。さらに、成形後の焼鈍処理で加工による残留応力を完全に解消できていないことから、線材の性能を十分に活用できていない。

【0011】

本発明は、このような背景の下、コイリング加工による引張残留応力を解消すると共に線材表面にＣ濃化層を形成し、成形後の線材に適切な圧縮残留応力分布を付与することにより、安価な線材を用いた高耐久性の圧縮コイルばねおよびその製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明者らは、コイルばねの耐疲労性について鋭意研究を行った。そして、大きな圧縮残留応力を得るには、コイリング加工時の引張残留応力を解消し、後に行うショットピーニングやセッチングの効果を効果的に得ることが重要であるとの考えに至った。そこで、ショットピーニング工程前までにばね線材の引張残留応力を解消する方法について検討を行った。その結果、コイルばね線材をオーステナイト域まで加熱することにより残留応力を解消できることに着目し、コイルばね線材をオーステナイト域まで加熱した状態でコイリング加工を行い、加工に起因した残留応力の発生を解消して、後に行うショットピーニングやセッチングの効果を効率的に得ることができることを見出した。

【0013】

オーステナイト域までの加熱段階において、その加熱をより短時間で行うことは、旧オーステナイト結晶粒径（以下、「結晶粒径」と称す）の粗大化抑制、或いは、微細化に繋がる。そしてこの結晶粒径は耐疲労性と密接な関係にあり、結晶粒径の微細化は耐疲労性の向上に有効である。よって、コイルばね線材を短時間で加熱して熱間加工することで、加工に起因する残留応力を解消することと相まって、より耐疲労性に優れたばねの製作が可能となる。

【0014】

さらに、コイルばねに対して浸炭処理を行い、ばね内径側表層部にＣ濃化層を形成することにより、圧縮時に最大の引張応力が作用するばね内径側表面近傍を高硬度として降伏応力を向上させ、後に行うショットピーニングの効果を効率的に得ることができる。ここで、浸炭処理を熱間コイリング加工時に行うと、浸炭処理を効率的に行うことが可能である。

【0015】

また、冷間コイリング加工後にコイルばね線材をオーステナイト域まで加熱して加工による残留応力を解消することによって、後に行うショットピーニングやセッチングの効果を効率的に得ることができる。冷間コイリング加工の場合では、コイリング後の加熱時に浸炭処理を同時に行うと浸炭処理を効率的に行うことが可能である。

【0016】

すなわち、本発明の圧縮コイルばねは、質量％で、Ｃが０．８０％以下の鋼線材を用いた圧縮コイルばねにおいて、ばね内径側表層部に前記鋼線材に含まれるＣの平均濃度を超えるＣ濃化層を有し、任意の線材横断面において表面Ｃ濃度およびＣ濃化層深さが前記横断面円周に沿ってばね内径側から外径側に向かうに従って連続的に減少していることを特徴としている。

【0017】

ここで、Ｃは、強度向上に寄与するが、Ｃの含有量が０．８０重量％を超えると、靭性が低下して割れが発生し易くなる。このため、Ｃの含有量は０．８０重量％以下とする。なお、Ｃの含有量が０．４５重量％未満では、強度向上の効果が十分に得られないため、耐疲労性、耐へたり性が不十分となる。よって、Ｃは０．４５重量％以上であることが望ましい。

【0018】

本発明においては、ばね内径側表層部に前記鋼線材に含まれるＣの平均濃度を超えるＣ濃化層を有し、任意の線材横断面において表面Ｃ濃度およびＣ濃化層深さが前記横断面円周に沿ってばね内径側から外径側に向かうに従って連続的に減少していることを特徴としている。コイルばねの圧縮時には、ばね内径側表層部に最大の引張応力が作用するが、本発明においては、その部分に浸炭処理によってＣ濃化層を形成して降伏応力を向上させるため、後に行うショットピーニングによって大きな表面圧縮残留応力を付与することができる。また、硬いＣ濃化層の存在により、ショットピ−ニング後の表面粗さを改善することができ、このため、耐疲労性をさらに向上させる効果がある。そして、表面Ｃ濃度およびＣ濃化層深さが前記横断面円周に沿ってばね内径側から外径側に向かうに従って連続的に減少するので、コイルばねの圧縮時の引張応力の分布に降伏応力の分布が対応して、その横断面円周上で急激な弾性ひずみの変化を招くことなく、Ｃ濃化層を強化が必要な部分に効率良く作用させることができる。このため、コイルばねの全体を浸炭処理した場合と同等の性能（耐疲労性）を発揮することができる。

【0019】

Ｃ濃化層の効果を十分に得るため、Ｃ濃化層における最大Ｃ濃度は０．７〜０．９％であることが好ましく、Ｃ濃化層（浸炭深さ）は、線材表面から０．０１〜０．１ｍｍの深さまで形成されていることが好ましい。Ｃ濃化層の最大Ｃ濃度が０．７％未満の場合や、Ｃ濃化層の厚さが０．０１ｍｍ未満の場合は浸炭による効果が十分に得られない。一方、Ｃ濃化層の最大Ｃ濃度が０．９％を超える場合は、母相に固溶できないＣが粗大な炭化物として析出し、この炭化物と母相との弾性ひずみの差から破壊起点となりやすく、耐疲労性の低下を招く。Ｃ濃化層の厚さが０．１ｍｍを超える場合は、短時間での処理を前提としたときには高温での処理が必要となり、その結果、結晶粒度が粗大化し、耐疲労性の低下を招く。一方、浸炭深さは浸炭時間に依存するから、結晶粒度を維持したまま０．１ｍｍを超える深さまで浸炭を行うには長い処理時間を要する。よって、後述する本発明の圧縮コイルばねの第１の製造方法および第２の製造方法においては、長時間を掛けて処理することは鋼線材の供給速度の低下につながり、コイリング中およびその後の大きな温度低下を招くことから正常な焼入れが困難となる。また、第３の製造方法では、長時間を掛けて浸炭処理することは生産能力の観点から実用性がない。

【0020】

次に、本発明の圧縮コイルばねの製造方法について述べる。本発明の圧縮コイルばねの第１の製造方法では、コイルばね成形機により鋼線材を熱間成形するコイリング工程と、コイリングした後に切離され温度が未だオーステナイト域にあるコイルをそのまま焼入れする焼入れ工程と、コイルを調質する焼戻し工程と、鋼線材表面に圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程と、セッチング工程とを順に行う。ここで、コイルばね成形機は、連続的に鋼線材を供給するためのフィードローラと、鋼線材をコイル状に成形するコイリング部と、鋼線材を所定巻数コイリングした後に後方より連続して供給されてくる鋼線材と切断するための切断手段とを有している。また、コイリング部は、フィードローラにより供給された鋼線材を加工部の適切な位置へ誘導するためのワイヤガイドと、ワイヤガイドを経由して供給された鋼線材をコイル形状に加工するためのコイリングピンもしくはコイリングローラからなるコイリングツールと、ピッチを付けるためのピッチツールとを備えている。さらに、コイルばね成形機は、フィードローラの出口からコイリングツールの間に鋼線材を２．５秒以内でオーステナイト域まで昇温する加熱手段を有している。そして、加熱中から焼入れまでの間に、鋼線材の径方向のなかでばね形状に成形した際に外径側となる方向に位置したガス吹付けノズルから鋼線材表面に炭化水素系ガスを直接吹付ける浸炭工程を行う。

【0021】

また、本発明の圧縮コイルばねの第２の製造方法では、鋼線材の表層部にＣ濃化層を形成する浸炭工程と、コイルばね成形機により鋼線材を熱間成形するコイリング工程と、コイリングした後に切離され温度が未だオーステナイト域にあるコイルをそのまま焼入れする焼入れ工程と、コイルを調質する焼戻し工程と、鋼線材表面に圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程と、セッチング工程とを順に行う。浸炭工程におけるＣ濃化層を形成する手段は、鋼線材の径方向のなかでばね形状に成形した際に外径側となる方向に位置したガス吹付けノズルから加熱した鋼線材表面に炭化水素系ガスを直接吹付けるものである。また、コイリング工程に用いるコイルばね成形機は、本発明の第１の製造方法で用いたものと同様である。加熱手段は高周波加熱であり、ワイヤガイド内における鋼線材の通過経路上若しくはワイヤガイドにおける鋼線材出口側末端とコイリングツールとの空間における鋼線材の通過経路上に鋼線材と同心となるように高周波加熱コイルが配置されている。そして、浸炭工程とコイリング工程が途中で鋼線材の切離がない連続した工程である。

【0022】

さらに、本発明の圧縮コイルばねの第３の製造方法では、コイルばね成形機により鋼線材を成形するコイリング工程と、コイルを２０秒以内でオーステナイト域まで昇温し焼入れを行う加熱焼入れ工程と、コイルを調質する焼戻し工程と、線材表面に圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程と、セッチング工程とを順に行う。加熱焼入れ工程における加熱手段が高周波加熱であり、加熱中から焼入れまでの間に、成形したコイルばねの外径方向に位置したガス吹付けノズルから鋼線材表面に炭化水素系ガスを直接吹付ける浸炭工程を行うことを特徴とする。

【0023】

本発明の圧縮コイルばねの第１〜第３の製造方法では、鋼線材の径方向のなかでばね形状に成形した際に外径側となる方向（第１、第２の製造方法）、または、成形したコイルばねの外径方向（第３の製造方法）に位置したガス吹付けノズルから鋼線材表面に炭化水素系ガスを直接吹付けることを特徴としている。ガス吹付けノズルから鋼線材表面に炭化水素系ガスを直接吹付けると、吹き付けられた鋼線材表面は冷却されて温度が低下し、炭化水素系ガスとの反応は生じないか生じても僅かである。一方、コイルばねの内径方向側では、炭化水素系ガスが鋼線材を回り込んでその表面に接触するが表面は冷却されておらず、炭化水素系ガスとの反応が活発に行われる。したがって、表面Ｃ濃度およびＣ濃化層深さが横断面円周に沿ってばね内径側から外径側に向かうに従って連続的に減少する。しかも、鋼線材を短時間で加熱してから炭化水素系ガスを直接吹き付けて浸炭を行うから、結晶粒の成長が抑制され、結晶粒を微細にすることができ、耐疲労性を向上させることができる。なお、上記のような作用を確実に得るために、ガス吹付けノズルの先端は、鋼線材表面から０．１〜１０．０ｍｍ離間させることが望ましい。

【0024】

ここで、炭化水素系ガスを吹付ける時点の鋼線材表面温度が８５０〜１１５０℃であり、且つ、線材表面部における炭化水素系ガスの動圧が０．１〜５．０ｋＰａであることが好ましい。この浸炭条件によれば、線材の結晶粒度の著しい低下を防ぎながら浸炭を短時間で効率的に行うことができる。また、本発明の圧縮コイルばねの第１〜第３の製造方法では、炭化水素系ガスの主成分が、メタン、ブタン、プロパン、アセチレンのいずれかであることが好ましい。

【0025】

上記製造方法において、焼戻し工程は、焼入れ工程によって硬化されたコイルを適切な硬さと靭性を有するコイルに調質するために行う。よって、焼入れしたままで所望の硬さと靭性とが得られる場合には、焼戻し工程は省略しても良い。そして、ショットピーニング工程では、多段ショットピーニングを行っても良く、さらに、表面弾性限の回復を目的とした低温時効処理を必要に応じ組み合わせても良い。ここで、低温時効処理はショットピーニング工程後、あるいは多段ショットピーニングの各段の間にて行うことができ、多段ショットピーニングにおける最終段として粒径０．０２〜０．３０ｍｍのショットによるショットピーニングを施す場合には、その前処理として行うことが、最表面の圧縮残留応力をより高める上で好適である。なお、セッチング工程においてへたり防止処理としてコイルに施すセッチングとしては、コールドセッチング、ホットセッチング等種々方法はあるが、所望する特性により適宜選択する。

【0026】

本発明の圧縮コイルばねの第１および第２の製造方法によれば、上記コイルばね成形機で熱間コイリングを行うため、加工による残留応力の発生を防止することができる。そして、鋼線材を２．５秒以内でオーステナイト域まで昇温するため、結晶粒の粗大化を防ぐことができ、優れた耐疲労性を得ることができる。また、浸炭処理を施すため、鋼線材表面を高硬度とすることができ、後に行うショットピーニングによって効果的に圧縮残留応力を付与することができる。特に、本発明の圧縮コイルばねの第１の製造方法では、熱間コイリング時の熱を利用して浸炭処理を行うため、効率的に浸炭処理を行うことが可能である。

【0027】

また、本発明の圧縮コイルばねの第３の製造方法によれば、コイルを２０秒以内でオーステナイト域まで昇温し焼入れを行うため、結晶粒の粗大化を防ぎながら冷間コイリングにより発生した引張残留応力を解消することができる。また、加熱焼入れ時の熱を利用して浸炭処理を施すため、効率的に浸炭処理を行うことが可能である。これらのことから、後に行うショットピーニングによって効果的に圧縮残留応力を付与することができ、優れた耐疲労性を得ることができる。

【0028】

本発明は、ばねとして使用される炭素鋼線、硬鋼線、ピアノ線、ばね鋼線、炭素鋼オイルテンパー線、クロムバナジウム鋼オイルテンパー線、シリコンクロム鋼オイルテンパー線、シリコンクロムバナジウム鋼オイルテンパー線に対して適用が可能である。特に、安価な炭素鋼線、硬鋼線、ピアノ線、ばね鋼線に適用することが好適である。これは、上記製造方法により、安価な線材を利用しても高級元素が添加された高価なオイルテンパー線を使用した従来の冷間成形ばねよりも優れた耐疲労性のばねを得ることができるためである。

【発明の効果】

【0029】

本発明によれば、コイリング加工による引張残留応力を解消すると共に、成形後の線材に適切な圧縮残留応力分布を付与することにより、安価な線材を用いて、高耐久性の圧縮コイルばねを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】コイルばねの製造工程の一例を示す図である。

【図2】本発明の実施形態におけるコイリングマシンの成形部の概略図である。

【図3】本発明の第１実施形態における高周波加熱コイル設置位置を示す概略図である。

【図4】本発明の第２実施形態における高周波加熱コイル設置位置を示す概略図である。

【図5】本発明の第１実施形態における高周波加熱コイル設置位置の変更例を示す概略図である。

【図6】本発明の第３実施形態における高周波加熱コイル設置位置を示す概略図である。

【図7】（Ａ）は本発明の実施例においてＣ濃化層を調査した圧縮コイルばねを示す断面図、（Ｂ）は発明例８におけるＣ濃化層を示す図、（Ｃ）は発明例１５におけるＣ濃化層を示す図である。

【図8】発明例８と発明例１５におけるＣ濃度測定位置と表面Ｃ濃度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】

【0031】

以下、本発明の実施形態を具体的に説明する。本発明においては、以下の成分を有することが望ましい。なお、以下の説明において「％」は「重量％」を意味する。

【0032】

Ｓｉ:０．１５〜２．５０％
Ｓｉは、鋼の脱酸に有効であると共に、強度向上や焼戻し軟化抵抗向上に寄与する。Ｓｉの含有量が０．１５％未満では、これらの効果が十分に得られない。一方、Ｓｉの含有量が２．５０％を超えると靭性が低下して割れが発生し易くなると共に、脱炭を助長し線材表面強度の低下を招く。このため、Ｓｉを０．１５〜２．５０％含有することが望ましい。

【0033】

Ｍｎ:０．３〜１．０％
Ｍｎは焼入れ性の向上に寄与する。Ｍｎの含有量が０．３％未満では、十分な焼入れ性を確保し難くなり、また、延靭性に有害となるＳの固着（ＭｎＳ生成）の効果も乏しくなる。一方、Ｍｎの含有量が１．０％を超えると、延性が低下し、割れや表面キズが発生し易くなる。このため、Ｍｎを０．３〜１．０％含有することが望ましい。

【0034】

なお、他の元素をさらに添加しても良い。すなわち、本発明においては、ばね鋼の成分組成として一般的に用いられているＣｒ、Ｂ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ等の元素のうち１種または２種以上を０．００５〜４．５％、その目的に応じて適宜添加することが可能であり、その結果、より高性能、若しくは、用途により適したコイルばねの製造も可能である。たとえば、Ｃｒを添加する場合について以下に述べる。

【0035】

Ｃｒ:０．５〜２．０％
Ｃｒは脱炭を防止するのに有効であると共に、強度向上や焼戻し軟化抵抗向上に寄与し、耐疲労性の向上に有効である。また、温間での耐へたり性向上にも有効である。このため、本発明においてはさらに、Ｃｒを０．５〜２．０％含有することが好ましい。Ｃｒの含有量が０．５％未満では、これらの効果を十分に得られない。一方、Ｃｒの含有量が２．０％を超えると、靭性が低下し、割れや表面キズが発生し易くなる。

【0036】

図１に各製造工程を示す。図１（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の圧縮コイルばねを得る製造工程であり、図１（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）は従来例である。図１（Ａ）および（Ｂ）に示される製造工程は、以下のコイリングマシンによる熱間成形法であり、図１（Ｃ）に示される製造工程は、任意のコイリングマシンによる冷間成形法である。

【0037】

図１（Ａ）、（Ｂ）および（Ｆ）に示される製造工程で用いるコイリングマシンの成形部の概略を図２に示す。図２に示すように、コイリングマシン成形部１は、連続的に鋼線材Ｍを供給するためのフィードローラ１０と、鋼線材Ｍをコイル状に成形するコイリング部２０と、所定巻数コイリングした後に後方より連続して供給されてくる鋼線材Ｍとを切り離すための切断刃３０ａおよび内型３０ｂを備えた切断手段３０と、フィードローラ１０の出口からコイリングツール２２の間において鋼線材Ｍを加熱する高周波加熱コイル４０とを有する。コイリング部２０は、フィードローラ１０により供給された鋼線材Ｍを適切な位置へ誘導するためのワイヤガイド２１と、ワイヤガイド２１を経由して供給された鋼線材Ｍをコイル形状に加工するためのコイリングピン（もしくはコイリングローラ）２２ａからなるコイリングツール２２と、ピッチを付けるためのピッチツール２３とを備えている。

【0038】

コイリングマシンでの急速加熱は、高周波加熱コイル４０によって行い、鋼線材を２．５秒以内でオーステナイト域に昇温させる。高周波加熱コイル４０の設置位置は図２に示す通りである。高周波加熱コイル４０はワイヤガイド２１の近傍に設置されており、鋼線材Ｍを加熱後、直ぐに成形出来るようにコイリング部２０が設けられている。なお、高周波加熱コイルの設置位置は、鋼線材Ｍを加熱後、直ぐに成形できれば良いので、本実施形態で示した位置以外でも良い。

【0039】

コイリング部２０では、ワイヤガイド２１を抜けた鋼線材Ｍをコイリングピン２２ａに当接させて所定の曲率で曲げ、さらに下流のコイリングピン２２ａに当接させて所定の曲率で曲げる。そして、ピッチツール２３に鋼線材Ｍを当接させて、所望のコイル形状となるようにピッチを付与する。所望の巻数となったところで、切断手段３０の切断刃３０ａによって内型３０ｂの直線部分との間でせん断によって切断して、後方より供給される鋼線材Ｍとばね形状の鋼線材Ｍとを切り離す。

【0040】

（１）第１実施形態
図１（Ａ）に第１実施形態の製造工程を示す。まず、重量％で、Ｃを０．４５〜０．８０％、Ｓｉを０．１５〜２．５０％、Ｍｎを０．３〜１．０％含み、残部が鉄および不可避不純物からなる円相当直径が１．５〜１０ｍｍの鋼線材Ｍを用意する。この鋼線材Ｍを線出機（図示省略）によりフィードローラ１０へ供給し、高周波加熱コイル４０によって鋼線材Ｍを２．５秒以内でオーステナイト域に加熱後、コイリング部２０においてコイリングを行う（コイリング工程）。

【0041】

このとき、加熱中から焼入れまでの間に鋼線材Ｍの表面に炭化水素系ガスを直接吹付けて浸炭処理を同時に行う（浸炭工程）。たとえば、図３に示すようなガス吹付けノズル５０を用いる。図３に示すガス吹付けノズル５０は、高周波加熱コイル４０より下流であって鋼線材Ｍから形成されたコイルばねの外径方向に位置している。この場合、ガス吹付けノズル５０の先端位置は鋼線材Ｍの表面から０．１〜１０．０ｍｍとすることが好ましい。先端位置が０．１ｍｍ未満では、圧損によりガスの流れが悪くなり十分なガス流量が得られなくなることに加え、鋼線材Ｍの表面に当たって散逸するガス量が増え、その結果、鋼線材Ｍの内径方向側に回り込んで鋼線材Ｍの表面と接触するガス量が少なくなるため浸炭が安定しない。また、鋼線材Ｍの表面との距離が近過ぎると鋼線材Ｍからの輻射熱でガス吹付けノズル５０が劣化してしまう。一方、ガス吹付けノズル５０の先端位置が１０．０ｍｍを超えると、多量の炭化水素系ガスを吹き付ける必要が生じ経済的でない。浸炭は、ガス吹付圧（鋼線材Ｍ表面での動圧）０．１〜５．０ｋＰａ、鋼線材温度８５０〜１１５０℃において行い、鋼線材Ｍの表面に最大Ｃ濃度が０．７〜０．９重量％であり、厚さが０．０１〜０．１ｍｍのＣ濃化層を形成する。これにより、線材内部硬さよりも５０ＨＶ以上高い表層部を得ることができる。

【0042】

次に、コイリング後に切離され温度が未だオーステナイト域にあるコイルをそのまま焼入れ槽（図示省略）において焼入れ（焼入れ溶媒としては、たとえば６０℃程度の油）を行い（焼入れ工程）、さらに焼戻し（たとえば１５０〜４５０℃）を行う（焼戻し工程）。焼入れを行うことにより、マルテンサイト組織からなる高硬さ組織となり、さらに焼戻しを行うことにより、靭性に優れた焼戻しマルテンサイト組織とすることができる。ここで、焼入れ・焼戻し処理は一般的な方法を用いればよく、その焼入れ前の線材の加熱温度や焼入れ溶媒の種類・温度、そして焼戻しの温度や時間は、鋼線材Ｍの材質によって適宜設定する。

【0043】

さらに、鋼線材Ｍにショットピーニング処理（ショットピーニング工程）およびセッチング処理（セッチング工程）を施すことにより、所望の耐疲労性を得ることができる。オーステナイト域に加熱した状態でコイリングを行うため、加工による残留応力の発生を防ぐことができる。このため、ショットピーニングによって圧縮残留応力を付与し易く、ばねの内径側において表面から深くかつ大きい圧縮残留応力を効果的に付与することができる。さらに、セッチング処理を行うことにより、ばねとして使用した場合の最大主応力方向により深い圧縮残留応力分布が形成され、耐疲労性を向上することができる。

【0044】

本実施形態においては、粒径０．６〜１．２ｍｍのショットによる第１のショットピーニング処理と、粒径０．２〜０．８ｍｍのショットによる第２のショットピーニング処理と、粒径０．０２〜０．３０ｍｍのショットによる第３のショットピーニング処理からなる多段ショットピーニング処理を行う。後に実施するショットピーニング処理において、先に実施するショットピーニング処理よりも小さいショットを用いるため、線材の表面粗さを平滑にすることができる。

【0045】

ショットピーニングで使用するショットは、スチールカットワイヤやスチ−ルビーズ、ＦｅＣｒＢ系をはじめとした高硬度粒子等を用いることができる。また、圧縮残留応力は、ショットの球相当直径や投射速度、投射時間、および多段階の投射方式で調整することができる。

【0046】

また、本実施形態では、セッチング処理としてホットセッチングを行い、１００〜３００℃に加熱し、かつ線材表面に作用するせん断ひずみ量がばねとして実際に使用する場合の作用応力でのせん断ひずみ量以上となるようにばね形状の鋼材に対して塑性ひずみを与える。

【0047】

以上のような工程によって作製した本発明の圧縮コイルばねは、ばね素線の任意の横断面において内部硬さが５７０〜７００ＨＶであり、コイルばね内径側の表層部にＣ濃化層を有する。このＣ濃化層は、表面Ｃ濃度およびＣ濃化層深さが横断面円周に沿ってばね内径側から外径側に向かうに従って連続的に減少する。なお、Ｃ濃化層は、最大Ｃ濃度が０．７〜０．９重量％であり、厚さが０．０１〜０．１ｍｍであり、内部硬さよりも５０ＨＶ以上高い硬さを有する。したがって、本発明の圧縮コイルばねは、圧縮残留応力が深くかつ大きく付与されているため、耐疲労性に優れている。

【0048】

図５は図３の変形例を示す図であり、高周波加熱コイル４０のコイルの間にガス吹付けノズル５０を設置した例である。この例では、コイリング前に加熱中に浸炭工程を行うため、ガス吹付けノズル５０の数を適宜選定することで浸炭時間を自由に設定することができる。

【0049】

（２）第２実施形態
第１実施形態においては熱間コイリング時に浸炭処理を施したが、図１（Ｂ）に示すように、熱間コイリング前に浸炭工程を行っても本発明の圧縮コイルばねを得ることができる。たとえば、図４に示すように、フィードローラ１０の手前にガス吹付けノズル５０を設置し、その手前に高周波加熱コイル４０を配置して浸炭処理を行う。ガス吹付けノズル５０は、フィードローラ１０よりも上流であって、鋼線材Ｍの径方向のなかでばね形状に成形した際に外径側となる方向に位置している。浸炭条件は第１実施形態と同様である。浸炭工程後は、鋼線材Ｍを切離さずにそのままコイリング工程に供する。なお、コイリング工程、焼入れ工程、焼戻し工程、ショットピーニング工程、およびセッチング工程は第１実施形態と同様に行う。

【0050】

第２実施形態によれば、第１実施形態と同等の圧縮コイルばねを得ることができる。また、第２実施形態では、コイリング前に浸炭工程を行うため、第１実施形態に比べて浸炭時間を自由に設定することができる。

【0051】

（３）第３実施形態
また、図１（Ｃ）に示すような冷間成形法を用いて本発明の圧縮コイルばねを得ることもできる。第１実施形態において用いた鋼線材Ｍを任意のコイリングマシンによって冷間コイリングを行う（コイリング工程）。そして、コイリング後の鋼線材Ｍを２０秒以内でオーステナイト域まで昇温し焼入れを行う（浸炭焼入れ工程）。このとき、加熱は高周波加熱手段を用い、加熱中から焼入れまでの間に鋼線材Ｍの表面に炭化水素系ガスを直接吹付けて浸炭処理を同時に行う。たとえば、図６に示すように、鋼線材Ｍを回転可能かつ上下方向へ移動可能な冶具６０に固定し、鋼線材Ｍの周囲に高周波加熱コイル４０、高周波加熱コイル４０の互いに隣接するコイルの間にガス吹付けノズル５０をそれぞれ設置する。そして、冶具６０を回転させることにより鋼線材Ｍを回転させながら上方（または下方）へ移動させ、ガス吹付けノズル５０を通してガスを供給して、コイルばねの表面が均一に焼入れおよび浸炭されるように行う。浸炭条件は第１実施形態と同様である。

【0052】

次に、第１実施形態と同様に焼入れ工程、焼戻し工程、ショットピーニング工程、およびセッチング工程を順に行う。加熱焼入れ工程においてオーステナイト域まで加熱を行うため、冷間成形によって発生した引張残留応力を解消することができ、ショットピーニングおよびセッチングの効果を効果的に得ることができる。このようにして、第１実施形態と同等の性能の圧縮コイルばねを得ることができる。

【0053】

第１および第２実施形態と比べ、第３実施形態ではコイル形状の鋼線材Ｍに対して高周波加熱を行うため、均熱化等を考慮する必要がある。また、加熱時間が比較的長くなるため、結晶粒微細化の効果については、第１および第２実施形態に劣る。そして、冷間成形法では、成形後のコイルばねには大きな加工歪みが残留しており、その加工歪みは個体内で一様ではない。このため、加熱焼入れ工程において、加工歪みを解放させた際に、形状が歪になり易い。さらに、第３実施形態では、複雑な形状のコイルばね（円錐形、釣鐘形、両端絞り形、鼓形、樽形等の異形ばね）を加熱する際に、均熱化を目的に一品一様の加熱コイルが必要となり、その加熱コイルの設計と加熱条件出しに多大な労力を必要とする。また、より複雑な形状のコイルばねに対しては、均熱化に困難を来す場合もある。したがって、いずれの観点からも、第３実施形態と比較して、第１および第２実施形態における製造方法のほうが好ましい。

【実施例】

【0054】

１．サンプル作製方法
各製造工程によってコイルばねのサンプルを作製し、耐疲労性の評価を行った。まず、表１に記載の化学成分を有し、残部が鉄および不可避不純物からなる硬引線およびオイルテンパー線を用意した。各線材の線径は表２に示す通りである。そして、硬引線またはオイルテンパー線に対して、図１（Ａ）〜（Ｆ）に示す製造工程（それぞれ、製造工程Ａ〜Ｅと表す）にしたがって、熱間成形法または冷間成形法によりばね指数６、有効部ピッチ角９°、有効部巻数４．２５巻のコイルばねを作製した。

【0055】

【表1】

【0056】

製造工程Ａでは、高周波加熱コイルおよびガス吹付ノズルを備えたコイリングマシン（図３参照）により鋼線を加熱してコイリングを行い、表２に示す条件で浸炭処理を行った後、６０℃の油によって焼入れした。表２において、浸炭処理温度は、鋼線の表面温度であり、動圧は、鋼線表面におけるプロパンガスの動圧を表す。その後、表２に記載の条件で焼戻し処理を行った（発明例１〜１８、比較例１〜３）。また、製造工程Ｂでは、図４に示すコイリングマシンを用いて表２に示す浸炭処理条件において浸炭処理を施した後、鋼線を９００℃に加熱してコイリングを行い、６０℃の油によって焼入れした。その後、３５０℃において焼戻し処理を行った（発明例１９）。

【0057】

製造工程Ｃでは、任意のコイリングマシンによる冷間コイリング後、図５に示すような装置を用いて表２に記載の条件で加熱浸炭処理を行い、６０℃の油によって焼入れを行った後、３５０℃において焼戻し処理を行った（発明例２０）。また、比較のため、製造工程ＤおよびＥによりコイルばねのサンプルを作製した。製造工程Ｄでは、冷間コイリング後、表２に示す温度において焼鈍処理を行った（比較例４〜６）。製造工程Ｅでは冷間コイリング後、４００℃において焼鈍処理を行い、次いで窒化処理を行った。窒化処理では線材表面に深さ０．０４ｍｍの硬質層を形成した。製造工程Ｆでは、製造工程Ａで用いる装置でプロパンガスを導入せずに鋼線材を熱間成形し、６０℃の油によって焼入れを行った後、３５０℃において焼戻し処理を行った。次いで、コイルばねをバッチ式の加熱炉に収容して浸炭を行った（比較例７）。

【0058】

次に、各サンプルに対してショットピーニング処理およびセッチング処理を施した。ショットピーニング処理では、球相当直径１．０ｍｍのスチール製ラウンドカットワイヤによる第１のショットピーニング処理と、球相当直径０．５ｍｍのスチール製ラウンドカットワイヤによる第２のショットピーニング処理と、球相当直径０．１ｍｍのスチールビーズによる第３のショットピーニング処理とを順に行った。セッチングはホットセッチングとし、コイルばねの加熱温度２００℃、負荷応力１５００ＭＰａで行った。

【0059】

【表2】

【0060】

２．評価方法
このようにして得たサンプルに対し、以下の通り諸性質を調査した。その結果を表３に示す。

【0061】

（１）硬さ（ＨＶ）
ビッカース硬さ試験機（フューチャテック ＦＭ−６００）を用いてコイルばねの線材横断面におけるコイル内径側で測定を行った。測定荷重は表面から深さ０．０５ｍｍまでは１０ｇｆ、深さ０．０５〜０．１ｍｍまでは２５ｇｆ、深さ０．２ｍｍ以上の位置では２００ｇｆとした。

【0062】

（２）深さ０．２、０．４ｍｍの圧縮残留応力（−σ_Ｒ０．２、−σ_Ｒ０．４）、最大圧縮残留応力（−σ_Ｒｍａｘ）、圧縮残留応力積分値（Ｉ_−σＲ）、クロッシングポイント（ＣＰ）
コイルばねの内径側表面において、線材の線軸方向に対し＋４５°方向（ばねに圧縮荷重を負荷した場合の略最大主応力方向）の圧縮残留応力を、Ｘ線回折型残留応力測定装置（リガク製）を用いて測定した。測定は、管球：Ｃｒ、コリメータ径：０．５ｍｍとして行った。また、コイルばねに対して塩酸を用いて線材表面の全面化学研磨後上記測定を行い、これを繰返すことで深さ方向の残留応力分布を求め、その結果から表面から０．２ｍｍ、０．４ｍｍの深さにおける無負荷時の圧縮残留応力、最大圧縮残留応力、クロッシングポイントを求めた。また、圧縮残留応力積分値は、深さと残留応力の関係図における、表面からクロッシングポイントまでの圧縮残留応力を積分することにより算出した。

【0063】

（３）表面Ｃ濃度（Ｃｃ）、Ｃ濃化層厚さ（Ｃｔ）
コイルばねの線材横断面における内径側において表面Ｃ濃度およびＣ濃化層の厚さを測定した。測定にはＥＰＭＡ（島津製作所 ＥＰＭＡ−１６００）を用い、ビーム径１μｍ、測定ピッチ１μｍとしてライン分析を行った。Ｃ濃化層厚さは、線材内部と同じＣ濃度となるまでの表面からの深さとした。また、発明例８，１５については、図７（Ａ）に示すように、コイルばねの断面について、内径方向の位置（０°）から断面の円周に沿って外径方向（１８０°）にいたる各部の表面Ｃ濃度を測定した。なお、図７（Ｂ）は発明例８、図７（Ｃ）は発明例１５であり、２つの曲線で挟まれた部分がＣ濃化層を示している。

【0064】

（４）旧オーステナイト粒平均結晶粒度番号（Ｇ）
前処理として、コイルばねのサンプルを５００℃で１時間加熱した。そして、コイルばねの横断面の深さｄ／４の位置において、視野数を１０箇所として、光学顕微鏡（ＮｉＫＯＮ ＭＥ６００）を用いて倍率：１０００倍でＪＩＳ Ｇ０５５１に準拠して測定を行い、旧オーステナイト粒平均結晶粒度番号Ｇを算出した。

【0065】

（５）表面粗さ（Ｒｚ（最大高さ））
非接触三次元形状測定装置（ＭＩＴＡＫＡ ＮＨ−３）を用いてＪＩＳ Ｂ０６０１に準拠して表面粗さの測定を行った。測定条件は、測定倍率：１００倍、測定距離：４ｍｍ、測定ピッチ：０．００２ｍｍ、カットオフ値：０．８ｍｍとした。

【0066】

（６）平均結晶粒径（ｄ_ＧＳ）
ＦＥ−ＳＥＭ／ＥＢＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋ Ｓｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）法により、ＪＥＯＬ ＪＳＭ−７０００Ｆ（ＴＳＬソリューションズ ＯＩＭ−Ａｎａｌｙｓｙｓ Ｖｅｒ．４．６）を用いて、平均結晶粒径を測定した。ここで、測定はコイルばねの横断面の深さｄ／４の位置において行い、観察倍率１００００倍で行い、方位角度差５°以上の境界を粒界として平均結晶粒径を算出した。

【0067】

（７）耐疲労性（折損率）
油圧サーボ型疲労試験機（鷺宮製作所）を用いて室温（大気中）において疲労試験を行った。試験応力：７３５±６６２ＭＰａ、周波数：２０Ｈｚ、試験数：各８本であり、２千万回加振時の折損率（折損数／試験本数）で耐疲労性を評価した。

【0068】

【表3】

【0069】

３．評価結果
（１）硬さ
表３から分かるように，熱間成形法による本発明で内部硬さが５７０〜７００ＨＶ（より好ましくは５７０ＨＶ〜６９０ＨＶ）であると、高い耐疲労性が得られる。一方、比較例３（焼戻し温度高）の結果から、熱間成形法によって作製し、かつ内径側に浸炭処理を施したコイルばねでも、硬さが５７０ＨＶ未満の場合は十分な耐疲労性が得られない（理由：本技術分野において要求される耐疲労性に対し耐力が乏しい）。また、全ての発明例では、浸炭によって内径側表面の硬さが内部と比較して５０ＨＶ以上高くなっている。これによって、表面近傍で高い圧縮残留応力を得ることができ、表面近傍（最表面含む）を起点とする疲労亀裂の発生を防止することができる（耐疲労性向上）。

【0070】

（２）旧オーステナイト粒平均結晶粒度
単純組成の材質Ａ，Ｂ，Ｃ，またはＤからなる製法Ａによる発明例１〜４では、Ｇは１０番以上であり、結晶粒微細化効果のあるＶ量が高い高級鋼を素材とする比較例４，５と同等程度の微細結晶粒が得られている。したがって、発明例１〜４では耐疲労性が向上していることが推測される。単純組成からなる材質を用いてこのような微細結晶粒が得られているのは、高周波加熱による急速加熱によるものである。すなわち、高周波加熱によって短時間で加熱を行うことで旧オーステナイト粒の粗大化抑制、或いは微細化に繋がり、単純組成からなる発明例１〜４において、Ｇが１０番以上の微細結晶粒を得ることができ、耐疲労性が良好である．

【0071】

単純組成の材質Ｃからなる製法Ｆによる比較例７では、熱間成形法の後に炉浸炭を行っているため、短時間で浸炭処理を行っている製法Ａ〜Ｃによるものと比較して旧オーステナイト粒平均結晶粒度が著しく低下している。熱間成形法によって作製し、かつ全面に浸炭処理を施したばねでも、旧オーステナイト粒平均結晶粒度が１０未満の場合は十分な耐疲労性が得られない。

【0072】

製法Ｃによる発明例２０においても、高周波加熱による短時間加熱の結果、Ｇは１０．１と微細結晶粒を得ることができている。製法Ａと比較して製法Ｃで結晶粒度がやや悪化しているのは、製法Ｃではコイル形状のものに対して高周波加熱を行うため、製法Ａのような鋼線材を加熱する場合と比較して、均熱化等を考慮した際に、製法Ｆほどではないとはいえ加熱時間が長くなってしまうためである。つまり、製法Ａは製法Ｃよりも結晶粒の微細化の点でより好ましい。

【0073】

（３）平均結晶粒径
単純組成の材質Ａ，Ｂ，Ｃ，またはＤからなる発明例１〜４では、ｄ_ＧＳは０．６６〜０．８９μｍであり、高級鋼を用いた比較例５，６と同程度の平均結晶粒径であった。この理由は、前述のように、高周波加熱によって短時間で加熱を行うことが組織の粗大化抑制、あるいは微細化につながったためであり、その結果、発明例１〜４では微細な平均結晶粒径が得られ耐疲労性が向上している。

【0074】

製法Ｆによる比較例７では、熱間成形法の後に炉浸炭を行っているため、短時間で浸炭処理を行っている製法Ａ〜Ｃと比較して平均結晶粒径が著しく大きい。熱間成形法によって作製し、かつ全面に浸炭処理を施したばねでも、平均結晶粒径（ｄ_ＧＳ）が２．０μｍを超える場合は十分な耐疲労性を得られない。

【0075】

製法Ｃによる発明例２０でも、高周波加熱による短時間加熱の結果、ｄ_ＧＳは０．９４μｍと微細結晶粒を得ることができている。前述のように、製法Ｃでは製法Ａと比較して加熱が長時間化するため、製法Ａでは製法Ｃよりも結晶粒の微細化の点でより好ましい。

【0076】

（４）表面Ｃ濃度，Ｃ濃化層厚さ
発明例１〜２０では、ばね内径側において表面Ｃ濃度が０．７〜０．９％であり、Ｃ濃化層厚さ（線材内部と同じＣ濃度となる表面からの深さ）が３０μｍ以上の浸炭がされており、表面近傍での硬さが高いことから、表面近傍での高い圧縮残留応力が得られている。また、表面粗さも改善されることで高い耐疲労性を得ることができる。

【0077】

表４は発明例８と発明例１５におけるＣ濃度測定位置に対する表面Ｃ濃度を示したもので、図８は表４をグラフにしたものである。図８に示すように、コイルばねの横断面の内径方向から横断面円周に沿って外径方向へ向かうに従って表面Ｃ濃度が連続的に減少している。また、図７（Ｂ），（Ｃ）に示すように、Ｃ濃化層深さは、内径側から横断面円周に沿ってばね外径側に向かうに従って連続的に減少している。このように、コイルばねの横断面の内径方向側の方が表面Ｃ濃度が高く、かつＣ濃化層深さが深いので、降伏応力が高い。したがって、ショットピ−ニングによってより大きな圧縮残留応力が付与されるので、疲労強度が高められている。

【0078】

【表4】

【0079】

（５）残留応力分布
同じ材質の線材を用い製法Ａにより作製した発明例３、製法Ｂにより作製した発明例１９、および製法Ｃにより作製した発明例２０では、同等の硬さとなるよう焼鈍処理を行った比較例４と比べて、表面から深い位置での圧縮残留応力（−σ_Ｒ０．４）が大きい。その理由は、製法ＡまたはＢによって作製した発明例では、冷間コイリングにおいて発生する引張残留応力（コイル内径側に残存）が熱間コイリングにおいてはほとんど発生しないためであり、また、製法Ｃにより作製した発明例２０では、冷間コイリングにおいて発生した引張残留応力が、その後オーステナイト域まで加熱することで完全に解消するためである。つまり、冷間コイリングによって引張残留応力が発生した比較例４と比べ、発明例３，１９および２０では、ショットピーニングによる圧縮残留応力が表面から深くまで入り易く、破壊起点となり易い０．１〜０．４ｍｍ深さにおける圧縮残留応力を大きくできるため耐疲労性を向上させることができる。

【0080】

発明例１〜２０については、全て−σ_Ｒｍａｘは９００ＭＰａ以上であり、浸炭により表面近傍の降伏応力が上がっているため、ショットピ−ニングにより圧縮残留応力は大きく付与されるとともに、Ｉ_−σＲは１５０ＭＰａ・ｍｍ以上、ＣＰは０．４５ｍｍ以上であり、深く大きな圧縮残留応力が得られている。したがって、発明例では、耐疲労性が向上していることが判る。

【0081】

熱間コイリング後に一般的な炉浸炭処理を施した比較例７では、浸炭層の厚さが大きいことでショットピ−ニングによる残留応力の付与が表面近傍に偏っている。その結果、破壊起点となりやすい０．１〜０．４ｍｍ深さでの圧縮残留応力が小さくなってしまう。

【0082】

比較例２〜４の折損品について破面観察を行った結果、その破壊起点は表面から深さ０．１５〜０．３５ｍｍの範囲であり、非金属系介在物を起点とする内部起点であった。この深さは、合成応力（作用応力−残留応力）の最大値が現れる領域近傍に相当し、その領域（指標として−σＲ_０．２、−σＲ_０．４）での圧縮残留応力が大きいことが耐疲労性に対し重要であると分かる。このため，−σＲ_０．２が２００ＭＰａ以上かつ−σＲ_０．４が６０ＭＰａ以上である発明例１〜２０では、高級元素が添加された高価な線材を用い、かつ窒化処理が施された比較例６以上の高い耐疲労性を得ることができる。

【0083】

（６）表面粗さ
高い耐疲労性の得られた発明例１〜２０について、表面粗さＲｚ（最大高さ）は９．０μｍ以下であり、所望する表面粗さＲｚ２０μｍ以下を十分に満足している。ここで、Ｒｚが２０μｍを超えた場合は、表面粗さにおける谷部が応力集中部となり、その谷部を起点として亀裂が発生・伝播し、その結果、早期折損を招く。また、この表面粗さは、コイリング時におけるツール類との擦れや、ショットピーニング処理により形成される。そして、ショットピーニング処理により形成される表面粗さについては、線材の硬さと、ショットの粒径および硬さ並びに投射速度といった条件との組み合わせによりその大きさが決まる。よって、Ｒｚが２０μｍを超えないショットピーニングの条件を適宜設定する必要がある。発明例３，７〜１５，では、同程度の内部硬さを有する比較例３と比べて表面粗さが小さい。これは、表面に硬さの高いＣ濃化層が形成されているためである。よって、浸炭層形成による表面硬さの向上は、破壊起点となり易い表面粗さの抑制、つまり、耐疲労性の向上による信頼性の向上に対して有効である。

【0084】

（７）浸炭条件
ガス吹付圧（線材表面での動圧）は、０．５ｋＰａ〜５．０ｋＰａが好ましく、ガス吹付け時の鋼線材温度は８５０〜１１５０℃であることが好ましいことが確認された。この条件によれば、発明例７〜１５が示す通り、いずれも表面Ｃ濃度が０．７％以上であり、０．０１ｍｍ以上のＣ濃化層厚さが得られる。表２から、ガス動圧は５．０ｋＰａ以下で充分である。したがって、ガス動圧を５．０ｋＰａを超える値とすると経済的でなく、しかも、加えてガス動圧が大きくなると、ガス吹付けによる鋼線材の温度低下が大きくなり、その分必要な入熱量が増加する。

【0085】

浸炭反応の速度の観点から短時間での浸炭には鋼線材温度は８５０℃以上が必要であり、鋼線材温度が８００℃の比較例１では、Ｃ濃化層が得られていない。一方、鋼線材温度の高い比較例４では、浸炭反応は十分に起こっているものの、加熱温度が高いために結晶粒度が悪化し、耐疲労性が低下している．

【0086】

（８）寸法精度
厳しい寸法精度が要求される部品に対しては、製法Ａおよび製法Ｂによる発明例が好ましい。製法Ｃでは、耐久性は良好なものの、寸法精度に関しては製法Ａおよび製法Ｂに劣る。その理由は、冷間成形後のコイルばねにおいては大きな加工歪みが残留しており、また、その加工歪みが個体内で一様ではないため、その後オーステナイト領域まで加熱を行うことで加工ひずみの解放が生じた際に、不均一な変形で形状が大きく歪になる等の不都合を招くためである。これに対して、製法Ａおよび製法Ｂでは、熱間成形により加工歪みが残留しない。

【0087】

製法Ａおよび製法Ｂと、製法Ｃとの寸法精度の違いについて焼入れ後のコイルばね５０個で評価を行った。その結果、コイル径については、製法Ｃで作製したコイルの標準偏差が０．０４７ｍｍであったのに対し、製法ＡおよびＢで作製したコイルでは０．０２０〜０．０２６ｍｍであった。

【産業上の利用可能性】

【0088】

本発明は、ばねとして使用される炭素鋼線、硬鋼線、ピアノ線、ばね鋼線、炭素鋼オイルテンパー線、クロムバナジウム鋼オイルテンパー線、シリコンクロム鋼オイルテンパー線、シリコンクロムバナジウム鋼オイルテンパー線に対して適用が可能である。特に、安価な炭素鋼線、硬鋼線、ピアノ線、ばね鋼線に適用することが好適である。これは、熱間コイリングによるため、従来の冷間成形で使用されている高価なオイルテンパー線を使用する必要が無く、また、安価な線材を持って高級鋼を使用した従来の冷間成形ばねを超えた耐疲労性が得られることによる。

【符号の説明】

【0089】

１…コイリングマシン成形部、１０…フィードローラ、２０…コイリング部、２１…ワイヤガイド、２２…コイリングツール、２２ａ…コイリングピン、２３…ピッチツール、３０…切断手段、３０ａ…切断刃、３０ｂ…内型、４０…高周波加熱コイル、５０…ノズル、６０…冶具、Ｍ…鋼線材。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】