特開 2024-48732 コイルばねの製造方法及びコイルばね

(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】P2024048732

(43)【公開日】2024-04-09

(54)【発明の名称】コイルばねの製造方法及びコイルばね

(51)【国際特許分類】

   F16F 1/06 20060101AFI20240402BHJP

   F16F 1/02 20060101ALI20240402BHJP

   C21D 9/02 20060101ALI20240402BHJP

【ＦＩ】

F16F1/06 A

F16F1/02 B

C21D9/02 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022154807

(22)【出願日】2022-09-28

(71)【出願人】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104444

【弁理士】

【氏名又は名称】上羽 秀敏

(74)【代理人】

【識別番号】100174285

【弁理士】

【氏名又は名称】小宮山 聰

(72)【発明者】

【氏名】早川 守

(72)【発明者】

【氏名】藤川 拓海

(72)【発明者】

【氏名】寺本 真也

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 環輝

(72)【発明者】

【氏名】千葉 隆弘

(72)【発明者】

【氏名】牧野 泰三

(72)【発明者】

【氏名】根石 豊

【テーマコード（参考）】

3J059

4K042

【Ｆターム（参考）】

3J059AB11

3J059AD04

3J059AD06

3J059BA01

3J059BC02

3J059EA09

3J059EA20

4K042AA01

4K042BA09

4K042BA14

4K042DA06

4K042DC02

(57)【要約】

【課題】疲労特性に優れたコイルばねの製造方法を提供する。
【解決手段】コイルばねの製造方法は、常温における基地の線膨張係数との差が１３．０×１０^－６Ｋ^－１以上である介在物を含む鋼材からなるコイルばねを製造する方法であって、常温又は常温よりも低い温度でセッチングをする工程を含み、前記コイルばねは、表面から深さ０．５０～１．５０ｍｍの位置に存在する前記介在物に隣接する前記基地における、前記コイルばねに荷重を負荷したときの最大主応力面に垂直に作用する残留応力の最大値が３００ＭＰａ以下である。
【選択図】図１５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

常温における基地の線膨張係数との差が１３．０×１０^－６Ｋ^－１以上である介在物を含む鋼材からなるコイルばねを製造する方法であって、
常温又は常温よりも低い温度でセッチングをする工程を含み、
前記コイルばねは、表面から深さ０．５０～１．５０ｍｍの位置に存在する前記介在物に隣接する前記基地における、前記コイルばねに荷重を負荷したときの最大主応力面に垂直に作用する残留応力の最大値が３００ＭＰａ以下である、コイルばねの製造方法。

【請求項2】

請求項１に記載のコイルばねの製造方法であって、
前記セッチングの際の温度が常温よりも低い、コイルばねの製造方法。

【請求項3】

請求項２に記載のコイルばねの製造方法であって、
前記セッチングの際の温度が１０℃以下である、コイルばねの製造方法。

【請求項4】

請求項３に記載のコイルばねの製造方法であって、
前記セッチングの際の温度が０℃以下である、コイルばねの製造方法。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか一項に記載のコイルばねの製造方法であって、
前記介在物がＴｉＢ_２、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＺｒＢ_２、ＺｒＣ、ＺｒＮ、ＶＢ_２、ＶＣ、ＶＮ、ＮｂＢ_２、ＮｂＣ、ＴａＢ_２、ＴａＣ、ＣｒＮ、Ｍｏ_２Ｂ_５、Ｍｏ_２Ｃ、Ｗ_２Ｂ_５、ＷＣ、Ｂ_４Ｃ、ＳｉＣ、ＳｉＢ_６、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＴｉ_４、ＴｉＯ_２、及びＳｉＯ_２からなる群から選択される１種又は２種以上である、コイルばねの製造方法。

【請求項6】

請求項１～４のいずれか一項に記載のコイルばねの製造方法であって、
前記介在物の円相当径が５０．０μｍ以下であり、
円相当径が１．０～５０．０μｍの前記介在物の数密度が断面１００ｍｍ^２当たり１個以上である、コイルばねの製造方法。

【請求項7】

請求項１～４のいずれか一項に記載のコイルばねの製造方法であって、
前記セッチングをする工程の前に、３００～６００℃で熱処理する工程をさらに含む、コイルばねの製造方法。

【請求項8】

常温における基地の線膨張係数との差が１３×１０^－６Ｋ^－１以上である介在物を含む鋼材からなり、
前記コイルばねは、表面から深さ０．５０～１．５０ｍｍの位置に存在する前記介在物に隣接する前記基地における、前記コイルばねに荷重を負荷したときの最大主応力面に垂直に作用する残留応力の最大値が３００ＭＰａ以下である、コイルばね。

【請求項9】

請求項８に記載のコイルばねであって、
前記残留応力の最大値が１００ＭＰａ以下である、コイルばね。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、コイルばねの製造方法及びコイルばねに関する。

【背景技術】

【0002】

高サイクルの負荷を受ける高張力鋼の機械部品では、介在物等の内部欠陥を起点とする内部疲労破壊による部品の折損のリスクを低減することが必要となる。内部疲労破壊では、その起点となる介在物の大きさや高応力部位での介在物の存在確率が大きく影響を及ぼすと考えられる。従来、介在物を起点とする疲労限を予想する方法が定式化されており、一様な応力下ではこのような推定式による疲労限を予想することができる。このような考え方から、ショットピーニングや窒化を施し、圧縮残留応力を表面部に付与したコイルばねが開発されている。

【0003】

特許第３９３０７１５号公報には、非金属介在物の大きさを１５μｍ以下とした鋼を素材とし、コイリング後４６０℃以上で窒化処理を施して表面硬さをＨｖ７００以上となるようにし、少なくとも２回のショットピーニングを施した後、２１０℃以上でセッチングを施した高強度ばねが開示されている。

【0004】

特開２０１０－１１７１９１号公報には、表面に欠陥を有する部材に過大応力を負荷してセッチングを行うことにより、欠陥の先端部に引張塑性変形領域を形成し、過大応力を除荷して欠陥の先端部に圧縮残留応力場を形成することにより、部材の疲労限度を向上させる表面欠陥材の疲労限度向上方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第３９３０７１５号公報

【特許文献2】特開２０１０－１１７１９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ショットピーニングによって圧縮残留応力を付与する方法では、ショットピーニングによって圧縮残留応力を付与できる深さ（クロッシングポイント、０．５ｍｍ未満）までに存在する介在物の周りの鋼材の疲労特性を向上させることはできるものの、それよりも深い領域に存在する介在物の周りの鋼材の疲労特性を改善することはできない。より深部の領域に存在する介在物の周りの鋼材の疲労特性を改善することができれば、清浄度の低い材料でも高疲労強度を実現することが可能となり、プロセス削減による環境負荷低減や製造コストの低減につながるものと期待される。

【0007】

特開２０１０－１１７１９１号公報には、表面に欠陥を有する部材に過大応力を負荷してセッチングを行うことによって欠陥の先端部に圧縮残留応力場を形成することが記載されている。同公報には、圧縮残留応力場を形成するために必要な過大応力の大きさを算出する方法が詳しく記載されているが、過大応力を加えるための具体的な方法は記載されていない。また同公報は、表面欠陥がき裂である場合を想定しており、介在物による疲労破壊に関するものではない。

【0008】

本発明の課題は、疲労特性に優れたコイルばねの製造方法を提供すること、及び疲労特性に優れたコイルばねを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一実施形態によるコイルばねの製造方法は、常温における基地の線膨張係数との差が１３．０×１０^－６Ｋ^－１以上である介在物を含む鋼材からなるコイルばねを製造する方法であって、常温又は常温よりも低い温度でセッチングをする工程を含み、前記コイルばねは、表面から深さ０．５０～１．５０ｍｍの位置に存在する前記介在物に隣接する前記基地における、前記コイルばねに荷重を負荷したときの最大主応力面に垂直に作用する残留応力の最大値が３００ＭＰａ以下である。

【0010】

本発明の一実施形態によるコイルばねは、常温における基地の線膨張係数との差が１３×１０^－６Ｋ^－１以上である介在物を含む鋼材からなり、前記コイルばねは、表面から深さ０．５０～１．５０ｍｍの位置に存在する前記介在物に隣接する前記基地における、前記コイルばねに荷重を負荷したときの最大主応力面に垂直に作用する残留応力の最大値が３００ＭＰａ以下である。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、疲労特性に優れたコイルばねが得られる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、コイルばねの外観の一例を示す図である。

【図2】図２は、図１の領域Ａを拡大して示す図であって、素線への応力の作用を模式的に示す図である。

【図3】図３は、介在物の周りの応力の作用を模式的に示す図である。

【図4】図４は、熱処理温度から常温に戻る際に介在物の周りに生じる引張応力を模式的に示す図である。

【図5】図５は、低温でのセッチングによる引張残留応力低減のメカニズムを模式的に示す図である。

【図6】図６は、本発明の一実施形態によるコイルばねの製造方法のフロー図である。

【図7】図７は、解析モデルの模式図である。

【図8】図８は、基地の応力－ひずみ曲線である。

【図9】図９は、解析モデルに加えた温度履歴及び荷重履歴のパターンを示す図である。

【図10】図１０は、図９のＡ時点における、ｙ面に対して垂直に作用する応力の分布を示す等高線図である。

【図11】図１１は、図９のＢ時点における、ｙ面に対して垂直に作用する応力の分布を示す等高線図である。

【図12】図１２は、図９のＣ時点における、ｙ面に対して垂直に作用する応力の分布を示す等高線図である。

【図13】図１３は、図９のＤ時点における、ｙ面に対して垂直に作用する応力の分布を示す等高線図である。

【図14】図１４は、図９のＥ時点における、ｙ面に対して垂直に作用する応力の分布を示す等高線図である。

【図15】図１５は、セッチングの際の温度と、介在物に隣接する基地におけるｙ面に対して垂直に作用する応力の最大値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】

【0013】

本発明者らは、鋼材中の介在物の種類と疲労特性との関係を調査している過程で、介在物の線膨張係数と疲労特性とに相関があることを見出した。具体的には、介在物の線膨張係数と基地（マトリックス）の線膨張係数との差が大きいほど、鋼材の疲労限度が低くなる傾向があることを見出した。このことから、介在物の周りの疲労強度の低下には、外力の影響の他に、熱応力の影響があることが示唆された。

【0014】

本発明者らは、この知見に基づき、鋼材中の介在物の周りの微小要素をモデル化して有限要素法による計算を行い、介在物の周りの応力分布と製造プロセスとの関係を検討した。その結果、従来、温間で行われているセッチングを常温又は常温よりも低い温度で行うことで、介在物の周りの基地の引張残留応力を低減できる、又は介在物の周りの基地に圧縮残留応力を付与できることを見出した。

【0015】

図１は、コイルばね１の外観の一例を示す図である。図２は、図１の領域Ａを拡大して示す図であって、素線への応力の作用を模式的に示す図である。コイルばね１に荷重が負荷されると、１巻き毎に周期的に主応力が分布する線素の中でも最大主応力が生じる線素において、図２に示すように、線素の表面にせん断応力τが発生する。このせん断応力τは線素の表面付近ほど大きく、線素の中心に近づくほど小さくなる。このせん断応力τは、線素の線軸に対して４５°方向の最大主応力σ１と、最大主応力σ１の方向と直交する方向の最小主応力σ２とに分解することができる。

【0016】

図３は、介在物１１の周りの応力の作用を模式的に示す図である。コイルばねに繰り返し負荷が作用すると、介在物１１の周りに上述した最大主応力の方向に引張応力が繰り返し負荷される。

【0017】

図４は、熱処理温度から常温に戻る際に介在物１１の周りに生じる引張応力を模式的に示す図である。コイルばねの製造プロセスでは一般的に、３００～６００℃程度での熱処理が行われる。熱処理温度から常温に戻る際、基地の線膨張係数が介在物の線膨張係数よりも大きいため、基地は介在物の周りで十分に収縮することができず、介在物の周りの基地は介在物の周方向に引張応力を受ける。これによって、介在物の周りに引張残留応力が発生し、特に基地との線膨張係数差の大きい介在物の周りにおいて、疲労強度の低下が起こる。

【0018】

図５は、低温でのセッチングによる引張残留応力低減のメカニズムを模式的に示す図である。セッチングを常温又は常温よりも低い温度で行うことによって、外力による負荷（ねじり負荷）と、熱応力による負荷とが重ね合わされ、介在物の周りに過大荷重が負荷される。この過大荷重によって、過大荷重が加わった領域が局所的に降伏し、塑性変形領域１０ａが生じる。この状態から外力を除去（除荷）すると、塑性変形領域の周りの領域は弾性変形するため、塑性変形領域１０ａは圧縮応力を受ける。これによって、介在物の周りの基地の引張残留応力を低減できるか、又は介在物の周りの基地に圧縮残留応力を付与することができる。セッチングを低温で行うほど、過大荷重が大きくなり、介在物の周りの基地の引張残留応力をより低減できるか、又は介在物の周りの基地により大きな圧縮残留応力を付与することができる。

【0019】

本発明は、以上の知見に基づいて完成された。以下、本発明の一実施形態によるコイルばねの製造方法及びコイルばねについて説明する。

【0020】

［コイルばねの製造方法］
本実施形態によるコイルばねの製造方法で対象とするコイルばねは、コイルばねを構成する鋼材が、基地（マトリックス）との線膨張係数の差が１３．０×１０^－６Ｋ^－１以上である介在物を含むものである。基地と介在物との線膨張係数の差が大きいほど、介在物の周りでの疲労強度の低下が大きく、後述するセッチング工程による効果が大きくなるためである。基地と介在物との線膨張係数の差は、好ましくは１３．５×１０^－６Ｋ^－１以上であり、さらに好ましくは１５．５×１０^－６Ｋ^－１以上である。基地と介在物との線膨張係数の差の上限は特に限定しないが、例えば２３．０×１０^－６Ｋ^－１である。なお、「線膨張係数」及び「線膨張係数の差」は、注記のない限り、常温における値を意味するものとする。

【0021】

基地の線膨張係数は、鋼材の種類に依存するが、コイルばね用に用いられる鋼材では、概ね２３．０×１０^－６Ｋ^－１程度である。したがって、介在物の線膨張係数は、１０．０×１０^－６Ｋ^－１以下であることが好ましい。このような介在物としては例えば、ＴｉＢ_２、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＺｒＢ_２、ＺｒＣ、ＺｒＮ、ＶＢ_２、ＶＣ、ＶＮ、ＮｂＢ_２、ＮｂＣ、ＴａＢ_２、ＴａＣ、ＣｒＮ、Ｍｏ_２Ｂ_５、Ｍｏ_２Ｃ、Ｗ_２Ｂ_５、ＷＣ、Ｂ_４Ｃ、ＳｉＣ、ＳｉＢ_６、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＴｉ_４、ＴｉＯ_２、及びＳｉＯ_２等がある。すなわち、本実施形態によるコイルばねの製造方法は、介在物がＴｉＢ_２、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＺｒＢ_２、ＺｒＣ、ＺｒＮ、ＶＢ_２、ＶＣ、ＶＮ、ＮｂＢ_２、ＮｂＣ、ＴａＢ_２、ＴａＣ、ＣｒＮ、Ｍｏ_２Ｂ_５、Ｍｏ_２Ｃ、Ｗ_２Ｂ_５、ＷＣ、Ｂ_４Ｃ、ＳｉＣ、ＳｉＢ_６、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＴｉ_４、ＴｉＯ_２、及びＳｉＯ_２からなる群から選択される１種又は２種以上であってもよい。本実施形態によるコイルばねの製造方法は、介在物がＶＣである場合に特に好適である。

【0022】

コイルばねを構成する鋼材に含まれる介在物の円相当径は、５０．０μｍ以下であることが好ましい。すなわち、コイルばねを構成する鋼材は、円相当径が５０．０μｍを超える介在物を含まないことが好ましい。５０．０μｍを超える介在物が存在すると、十分な疲労強度を確保することが困難な場合がある。コイルばねを構成する鋼材に含まれる介在物の円相当径は、より好ましくは４５．０μｍ以下である。

【0023】

また、円相当径が１．０～５０．０μｍの介在物の数密度が、断面１００ｍｍ^２当たり１個以上であることが好ましい。介在物の数密度が１個／１００ｍｍ^２未満の場合には、介在物による鋼材の疲労強度への影響はもともと小さいと考えられるためである。なお、円相当径が１．０μｍ未満の介在物の数密度は特に限定しない。円相当径が１．０μｍ未満の介在物による鋼材の疲労強度への影響は小さいと考えられるためである。

【0024】

上述した介在物に関する条件以外は、コイルばねを構成する鋼材について特に制限はない。本実施形態によるコイルばねを構成する鋼材としては例えば、コイルばね用の鋼材として一般的に用いられる高張力鋼の鋼材を用いることができる。本実施形態によるコイルばねを構成する鋼材は、好ましくは、１６００ＭＰａ以上の降伏強さを有し、より好ましくは１７００ＭＰａ以上、さらに好ましくは１８００ＭＰａ以上の降伏強さを有する。

【0025】

図６は、本発明の一実施形態によるコイルばねの製造方法のフロー図である。この製造方法は、コイリング（ステップＳ１）、熱処理（ステップＳ２）、研磨（ステップＳ３）、ショットピーニング（ステップＳ４）、二次熱処理（ステップＳ５）及びセッチング（ステップＳ６）の各工程を含んでいる。

【0026】

上述した鋼材をコイル状に成形してコイルばねの中間品を製造する（コイリング（ステップＳ１））。コイリング後、コイリングによって生じた残留応力を除去するための熱処理（低温焼鈍し）を行う（ステップＳ２）。この熱処理の温度は、特に限定されないが、例えば３００～６００℃である。熱処理の温度の下限は、好ましくは３６０℃であり、さらに好ましくは４００℃である。熱処理の温度の上限は、好ましくは４８０℃であり、さらに好ましくは４４０℃である。

【0027】

熱処理後、必要に応じて端面の研磨を行う（ステップＳ３）。研磨は、省略される場合がある。熱処理後又は研磨後、ショットピーニングを行って、鋼材の表面に圧縮残留応力を付与する（ステップＳ４）。ショットピーニングは、複数回行ってもよい。

【0028】

ショットピーニング後、必要に応じて二次熱処理を行う（ステップＳ５）。二次熱処理は、省略される場合がある。二次熱処理は微視的ひずみを除去して耐へたり性を向上させる目的で行われ、一般にコイリング後の熱処理（ステップＳ２）よりも低温で行われる。二次熱処理（ステップＳ５）の温度は、特に限定されないが、例えば２００～２５０℃である。

【0029】

ショットピーニング後又は熱処理後、セッチングを行う（ステップＳ６）。通常、セッチングは、コイルばねの耐へたり性を向上させる目的で行われるため、温間、すなわち、常温よりも高い温度で行われる。これに対し、本実施形態では、常温又は常温よりも低い温度でセッチングを行う。

【0030】

常温又は常温よりも低い温度でセッチングを行うことによって、外力による負荷（ねじり負荷）と、熱応力による負荷とが重ね合わされ、介在物の周りに過大荷重が負荷される。この過大荷重によって、過大荷重が加わった領域が局所的に降伏し、塑性変形領域が生じる。この状態から外力を除去（除荷）すると、塑性変形領域の周りの領域は弾性変形するため、塑性変形領域は圧縮応力を受ける。これによって、介在物の周りの基地の引張残留応力を低減できるか、又は介在物の周りの基地に圧縮残留応力を付与することができる。

【0031】

セッチングは、常温よりも低い温度で行うことが好ましい。セッチングを低温で行うほど、過大荷重が大きくなり、介在物の周りの基地の引張残留応力をより低減できるか、又は介在物の周りの基地により大きな圧縮残留応力を付与することができる。セッチングの際の温度は、より好ましくは１０℃以下であり、さらに好ましくは０℃以下であり、さらに好ましくは－６０℃以下であり、さらに好ましくは－９０℃以下であり、さらに好ましくは－１９０℃以下である。

【0032】

低温でセッチングを行う方法としては、これに限定されないが、冷媒を吹付ながらセッチングを行うことや、冷媒に浸漬しながらセッチングを行うこと、冷媒により熱交換を行い冷却された空間でセッチングを行うことが挙げられる。冷媒としては、これに限定されないが、氷、氷―塩の混合体、ドライアイス、エタノール－ドライアイスの混合体、エタノール、液体窒素、フロン等が挙げられる。

【0033】

以上の工程によって、本実施形態によるコイルばねが製造される。なお、本実施形態によるコイルばねの製造方法は、常温又は常温よりも低い温度でセッチングをする工程（ステップＳ６）を含んでいればよく、図６に示した製造方法に種々の変更を施して実施することが可能である。例えば、セッチングを熱処理（ステップＳ２）の後、二次熱処理（ステップＳ５）の前に行ってもよい。ただし、セッチングの後に高温で熱処理を行うと残留応力が解法されてしまうため、セッチングの後には３００℃以上の熱処理を行わないことが好ましい。

【0034】

［コイルばね］
本発明の一実施形態によるコイルばねは、表面から深さ０．５０～１．５０ｍｍの位置に存在する介在物に隣接する基地における、コイルばねに荷重を負荷したときの最大主応力面に垂直に作用する残留応力の最大値が３００ＭＰａ以下である。以下の説明では、「コイルばねに荷重を負荷したときの最大主応力面に垂直に作用する残留応力」を「主応力方向の残留応力」という。

【0035】

ここで、「コイルばねに荷重を負荷したときの最大主応力面」とは、より具体的には、図２を用いて説明したように、コイルばねの素線の線軸に対して４５°方向が法線方向ととなる面である。「介在物に隣接する基地」とは、より具体的には、介在物との界面から２００ｎｍ以下の距離の領域にある基地を意味する。「介在物に隣接する基地における主応力方向の残留応力の最大値」とは、より具体的には、着目している介在物に隣接する基地のなかで、主応力方向の残留応力が最も大きい位置における主応力方向の残留応力の値を意味する。

【0036】

介在物の周りの残留応力は例えば、ＦＩＢ－ＤＩＣ ｒｉｎｇ ｃｏｒｅ法によって測定することができる。ＦＩＢ－ＤＩＣ ｒｉｎｇ ｃｏｒｅ法では具体的には、コイルばねからサンプルを切り出し、観察された介在物を対象に、微細なマーカーを付与し、介在物に近い領域の基地を切除することで残留応力を開放させ、解法された歪み量及び残留応力値を計測する。

【0037】

表面から深さ０．５０～１．５０ｍｍの位置に存在する介在物の周りの基地の残留応力に着目するのは、以下の理由による。まず、表面から深さ０．５０ｍｍ未満の領域については、ショットピーニング等によって残留応力を低減することが比較的容易であるため、この領域に存在する介在物は通常はコイルばねの疲労強度に大きな影響を与えない。また、コイルばねに荷重を負荷したときに生じる応力は、コイルばねの素線の中心に近づくにしたがって小さくなる。そのため、表面から深さ１．５０ｍｍよりも深い位置に存在する介在物も、コイルばねの疲労強度に大きな影響を与えない。

【0038】

本実施形態では、表面から深さ０．５０～１．５０ｍｍの位置に存在する介在物に隣接する基地における、主応力方向の残留応力の最大値を３００ＭＰａ以下にする。これによって、介在物が存在する場合であっても、介在物による疲労強度の低下を抑制することができる。主応力方向の残留応力の最大値は、より好ましくは１００ＭＰａ以下であり、さらに好ましくは５０ＭＰａ以下であり、さらに好ましくは０ＭＰａ以下（圧縮残留応力）である。

【0039】

以上、本発明の一実施形態によるコイルばねの製造方法、及びコイルばねを説明した。本実施形態によれば、疲労強度に優れたコイルばねが得られる。

【実施例0040】

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明は、これらの実施例に限定されない。

【0041】

鋼材中の介在物の周りの微小要素をモデル化して有限要素法による計算を行い、介在物の周りの応力分布と製造プロセスとの関係を検討した。図７は、解析モデルの模式図である。半径２μｍの円形の介在物を中心とする２０μｍ×２０μｍの領域について、対称性を考慮して１／４の１０μｍ×１０μｍの領域を計算対象とした。

【0042】

基地の材料物性は、膨張係数：２３×１０^－６×Ｋ^－１、ヤング率：２０６ＧＰａ、ポアソン比：０．３とした。介在物はＶＣを想定し、線膨張係数：６．８８×１０^－６×Ｋ^－１、ヤング率：２６２ＧＰａ、ポアソン比：０．３とした。図８は、基地の応力－ひずみ曲線である。基地の降伏強さは約１８００ＭＰａである。

【0043】

図９は、解析モデルに加えた温度履歴及び荷重履歴のパターンを示す図である。上段が温度履歴、下段が荷重履歴である。まず、残留応力除去焼鈍を模擬して４２０℃に加熱し、その後、温度Ｔ１（４００℃、２００℃、２０℃又は－１９６℃）まで冷却した。温度Ｔ１でセッチング応力８００ＭＰａの荷重を加えた。温度Ｔ１に保持したまま荷重を除去し、その後、温度を常温（２０℃）にした。

【0044】

図７に示すように、セッチングの際の負荷は、解析モデルのｙ方向の一方の端辺に対してｘ方向に８００ＭＰａの引張応力を加え、ｘ方向の一方の端辺に対して８００ＭＰａの圧縮応力を加えることで行った。ｙ方向の他方の端辺はｙ方向拘束、ｘ方向の他方の端辺はｘ方向拘束とした。図７のｙ方向が最大主応力方向に対応し、ｙ面が最大主応力面に対応する。線径４．０ｍｍの素線の表面から深さ１．３３ｍｍの位置に介在物があるとして計算を行った。

【0045】

図１０～図１４はそれぞれ、図９のＡ時点～Ｅ時点における、ｙ面に対して垂直に作用する応力（以下「σ_ｙｙ」という。）の分布を示す等高線図である。

【0046】

図１０は、４２０℃に加熱した時点（図９のＡ時点）におけるσ_ｙｙの分布である。図１０は、加熱によって残留応力が除去され、全要素の応力が０になっていることを示している。

【0047】

図１１は、温度Ｔ１（４００℃、２００℃、２０℃又は－１９６℃）まで冷却した時点（図９のＢ時点）におけるσ_ｙｙの分布である。基地の線膨張係数が介在物の線膨張係数よりも大きいため、基地は介在物の周りで十分に収縮することができず、介在物の周りの基地は介在物の周方向に引張応力を受ける。そのため、介在物のｘ方向の端部の近傍でσ_ｙｙが大きくなる。また、温度Ｔ１が低い程、σ_ｙｙが大きくなる。

【0048】

図１２は、温度Ｔ１でセッチング応力８００ＭＰａの荷重を加えた時点（図７のＣ時点）におけるσ_ｙｙの分布である。図１３は、温度Ｔ１に保持したまま荷重を除去した時点（図７のＤ時点）におけるσ_ｙｙの分布であり、図１４は、その後、温度を常温（２０℃）にした時点（図７のＥ時点）におけるσ_ｙｙの分布である。

【0049】

図１４に示すように、温度Ｔ１を－１９６℃にした解析モデルでは、介在物に隣接する基地のσ_ｙｙは、介在物のｘ方向の端部に隣接する位置で最大値を示し、その値は－２４３ＭＰａであった。すなわち、温度Ｔ１を－１９６℃にした解析モデルでは、介在物に隣接する基地のσ_ｙｙは、介在物の全周にわたって圧縮応力であった。

【0050】

同様の解析を、介在物の深さが１．００ｍｍ及び２．００ｍｍの場合についても行った。図１５は、温度Ｔ１と、介在物に隣接する基地におけるσ_ｙｙの最大値との関係を示すグラフである。図１５に示すように、温度Ｔ１を低くすることで、介在物に隣接する基地におけるσ_ｙｙの最大値を小さくできることが分かる。

【0051】

以上、本発明の実施の形態を説明した。上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】