JP4672873B2 - ばねのショットピーニング方法及びばね - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐久性（耐疲労性）に優れたばねを製造するためのショットピーニング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ばねの耐久性を飛躍的に高める方法として、ショットピーニングは特に自動車用懸架ばねやエンジン用弁ばね等の高強度ばねにおいては必須の処理となっている。
【０００３】
ショットピーニングは、処理対象物の表面に小粒子を投射するという処理であるが、同様の処理を行いながらも、切断・成形加工等の際に生成するバリ（張り出し）や熱処理の際に生成するスケール（硬い酸化被膜）を除去して表面を清浄にする目的で行われるショットブラストとは、その強さ等の条件の点で大きく異なる。すなわち、ショットピーニング処理は、ばねの表面に圧縮の残留応力を生成させることを目的として、その最表面を塑性変形させるような条件で行われる。このような条件に適した小粒子として、従来より、鋼線を短く切断したカットワイヤ、鋳鋼球、白銑球等の鉄鋼粒が多く用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ばね自体についても、その素材鋼の成分系の変更による改良、成形工程における改良、熱処理の改良、表面処理（例えば窒化処理等）による改良等様々な改良が加えられ、疲労寿命が改善されてきている。このような素材自体の改良すなわち高強度化に対応すべく、ショットピーニング工程においても、処理対象ばねにストレスを与えながらショットピーニングを施すストレスピーニングや、処理対象ばねの温度を上げた状態（１００〜３００℃程度）でショットピーニングを施すウォームショットピーニング等の技術が開発され、ばねの疲労寿命の向上に効果を挙げてきた。
【０００５】
そして、ショットピーニング処理で用いられるショット粒についても、鉄鋼粒以外にガラス、アルミナ、ジルコニア等のセラミック粒や、鉄以外の金属を用いた小粒子の使用が提案されている。たとえば、特開平6-158158号公報には、コイルばねに窒化処理を施した後、その表面の硬さよりも高い硬さのセラミックショット粒を投射するという方法が開示されている。また、特開平9-57629号公報には、比重が16〜20の無機物質から成る平均径1mm以下の球状体を用いるという方法が開示されている。なお、このような無機物質の例としてW（タングステン）及び/又はW₂Cが挙げられている。
【０００６】
しかし、セラミック粒は一般にスケール除去等のショットブラスト用としては使用できても、鋼表面を塑性変形させる程度まで投射するというショットピーニング用には不向きと考えられている。すなわち、セラミック粒は鉄鋼粒と比較すると壊れやすいため、繰り返し使用する間に破壊したショット粒の鋭い角が処理対象物の表面に疵を与え、これが疲労破壊の起点となってむしろ疲労強度が低下する可能性がある。従って、ショット粒を選択するに際しては、単に実験室的な効果ばかりではなく、長期間実際に操業を行った後のことも考慮する必要がある。
【０００７】
本発明は、実際に行われる操業条件を考慮した上で、ばねの耐久性を最も有効に高めることのできるショットピーニング処理を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明に係るばねのショットピーニング方法は、複数回のショットピーニングを施すとともに、その最後の回以外のショットピーニングにおいては鉄鋼ショット粒を60〜90m/sの速度で投射し、最後の回のショットピーニングにおいてセラミックビーズを50m/s以下の速度でばねに投射することを特徴とするものである。
【０００９】
また、セラミックビーズを投射するとともに、ショットピーニング後の表面の圧縮残留応力σ_Rがばねの硬さH_Sに対して次の式を満足するようにショットピーニング条件を調整するという方法でもよい。
σ_R[MPa]≧2.675×H_S[Hv]−955
【００１０】
これらの方法は、もちろん、組み合わせて行ってもよい。
【００１１】
これらの場合、使用するセラミックビーズの平均粒径を0.3mm以下とすることにより、本発明の目的をよりよく達成することができる。
【００１２】
なお、ショットピーニングを複数回施す場合には、その最後の回のショットピーニングにおいて上記のいずれかの方法で行うようにする。この場合、最終回以外のショットピーニングは、従来の方法（径0.1〜1.2mm程度の鉄鋼ショット粒を60〜90m/sの速度で投射する）で行うことが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態及び効果】
本発明に係る方法で用いるセラミックビーズとは、ZrO₂（ジルコニア）及びSiO₂（シリカ）を主成分とし、必要に応じて付加的にMgO、CaO、HfO₂、Y₂O₃、CeO₂等を含むセラミックであり、溶融後空気・スチーム等の吹き込み又は溶融物のスプレー等により生成されたものである（例えば、米国特許第4,106,947号公報、日本特許第2594023号公報参照）。これらにも記載されているように、一般的にはZrO₂/SiO₂=2:1程度の混合率となっているが、本件発明で使用可能なセラミックビーズはそれに厳密に限定されるものではなく、「セラミックビーズ」として市販されているものを使用することで足りる。なお、一例として製品名ZIRSHOT（日本サンゴバン株販売）として販売されているセラミックビーズは、次のような組成及び特性を有する。
【００１４】

【００１５】
本発明に係るばねのショットピーニング方法において、セラミックビーズの投射速度を50m/s以下としたのは、これ以上の高速で投射して処理対象物の表面に衝突させた場合、その運動エネルギーによりセラミックビーズが破壊する確率が大きく、また、その破片が処理対象物の表面に深い疵を付ける可能性が高いためである。
【００１６】
ショットピーニング後のばね表面の圧縮残留応力σ_Rとばねの硬さH_Sの間の次の関係式
σ_R[MPa]≧2.675×H_S[Hv]−955
は、本発明者らが多数のばねについて実験を行った結果、この関係式を満足するようにショットピーニング処理を施したばねは、高い疲労強度を持つことを見いだしたことから定めたものである。その詳細については後述する。
【００１７】
このようなセラミックビーズのうち平均粒径が0.3mm以下のものを使用することが望ましいのは、これよりも大きいものは処理対象ばねの表面に衝突した際に破壊しやすく、繰り返し使用した場合には、その破片の鋭い角が処理対象ばねの表面に鋭い疵を付ける可能性が高いためである。また、ショットピーニング処理後の表面粗さ（最大粗さ、平均粗さ）をできるだけ小さくすることにより、耐久性を向上させる効果も得られる。
【００１８】
本発明に係るショットピーニング方法は、それのみで行ってもよいが、従来のショットピーニング方法と組み合わせて行ってもよい。この場合、本発明に係る方法を必ず最終回に行うようにする。これは次のような理由からである。本発明に係る方法でショットピーニングを行った場合、後述するように圧縮残留応力が最大となる表面からの深さは、従来の方法で行った場合よりもやや浅くなる。従って、従来の方法でショットピーニングを行うことにより比較的深い位置に残留応力を発生させた後、更に本発明に係る方法でショットピーニングを行うことにより、それよりも更に表面に近い位置においてより大きい圧縮残留応力を付与することが出来るようになる。これにより、耐久性向上の効果を大きく挙げることができるようになる。
【００１９】
【実施例】
本発明に係るショットピーニング方法の効果を明らかにするため、実際のばねを製造し、疲労試験を行うとともに、その表面硬さ分布及び表面圧縮残留応力分布を測定した。
【００２０】
実験に供したばねは、自動車エンジン用弁ばね（Ａ、Ｂ、Ｃ）及び懸架ばね（Ｄ）であり、それらの素材及び諸元を図１に、製造方法を図２に示す。供試ばねＡ及びＢは窒化処理（Ｓ３）を施したものであり、供試ばねＣ及びＤは窒化処理を施していないものである。
【００２１】
それぞれの供試ばね２ないし３本に対して、図３に示す条件でショットピーニング処理を施した。各供試ばねの表面硬さH_Sとショットピーニング処理後の表面圧縮残留応力値σ_Rの関係をグラフにしたものが図４である。ショット粒にセラミックビーズを用いたもの（Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｄ２。以下、これらを開発品と呼ぶ。）と従来のスチール製ショット粒を用いたもの（Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ３。以下、これらを比較品と呼ぶ。）とは、［σ_R＝2.675×H_S−955］の線を境に明確に分離され、供試ばねの硬さを同一とした場合、開発品の方が高い表面圧縮残留応力値を示している。
【００２２】
図５、図８、図１１、図１４は各供試ばねの疲労試験結果、すなわち試験応力振幅と折損までの繰り返し回数をプロットしたグラフである。各グラフには、各供試ばねの試験結果を統計的に処理して求めた１０％折損確率線（全サンプル数の１０％の数のサンプルが折損する繰り返し回数）を記入した。この１０％折損確率線より求めた各供試ばねの疲労強度（統計疲労強度）を図１７にまとめた。この結果から明らかなように、本発明に係る方法でショットピーニング処理を施した供試ばね（開発品）はいずれも比較品よりも高い疲労強度を示している。
【００２３】
なお、各供試ばねの表面から深さ方向に測定した硬さの分布を図６、図９、図１２、図１５に、そして表面から深さ方向に測定した圧縮残留応力の分布を図７、図１０、図１３、図１６に示す。最表面における圧縮残留応力の値において、いずれの種類においても、開発品の値が比較品の値を上回っている。また、特に図１３及び図１６に明りょうに現れているが、圧縮残留応力が最大となる深さは、開発品の方が比較品よりも小さく（浅く）なっている。コイルばねが圧縮されたときに最大（剪断）応力が発生するのは最表面であるから、最大残留応力は最表面に近い方に存在する方が望ましいのは言うまでもない。開発品の耐久性の優秀さ（図１７）は、この現象によって説明されるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 供試ばねの素材及び諸元表。
【図２】 供試ばねの製造工程を示すフローチャート。
【図３】 各供試ばねのショットピーニング処理方法を示す表。
【図４】 供試ばねの表面硬さとショットピーニング後の表面圧縮残留応力の値との関係を示すグラフ。
【図５】 供試ばねＡ１及びＡ２の疲労試験結果のグラフ。
【図６】 供試ばねＡ１及びＡ２の表面からの深さ方向の硬さ分布のグラフ。
【図７】 供試ばねＡ１及びＡ２の表面からの深さ方向の圧縮残留応力分布のグラフ。
【図８】 供試ばねＢ１及びＢ２の疲労試験結果のグラフ。
【図９】 供試ばねＢ１及びＢ２の表面からの深さ方向の硬さ分布のグラフ。
【図１０】 供試ばねＢ１及びＢ２の表面からの深さ方向の圧縮残留応力分布のグラフ。
【図１１】 供試ばねＣ１及びＣ２の疲労試験結果のグラフ。
【図１２】 供試ばねＣ１及びＣ２の表面からの深さ方向の硬さ分布のグラフ。
【図１３】 供試ばねＣ１及びＣ２の表面からの深さ方向の圧縮残留応力分布のグラフ。
【図１４】 供試ばねＤ１、Ｄ２及びＤ３の疲労試験結果のグラフ。
【図１５】 供試ばねＤ１、Ｄ２及びＤ３の表面からの深さ方向の硬さ分布のグラフ。
【図１６】 供試ばねＤ１、Ｄ２及びＤ３の表面からの深さ方向の圧縮残留応力分布のグラフ。
【図１７】 各供試ばねの１０％折損確率線より求めた統計疲労強度の表。

Claims (8)

1. 複数回のショットピーニングを施すとともに、その最後の回以外のショットピーニングにおいては鉄鋼ショット粒を60〜90m/sの速度で投射し、最後の回のショットピーニングにおいてセラミックビーズを50m/s以下の速度で投射することを特徴とするばねのショットピーニング方法。
2. ショットピーニング後の表面の圧縮残留応力σ_Rがばねの硬さH_Sに対して次の式を満足するようにショットピーニング条件を調整することを特徴とする請求項１に記載のばねのショットピーニング方法。
   σ_R[MPa]≧2.675×H_S[Hv]−955
3. セラミックビーズの平均粒径を0.3mm以下としたことを特徴とする請求項１又は２に記載のばねのショットピーニング方法。
4. 請求項１〜３のいずれかの方法でショットピーニングを施したことを特徴とするばね。
5. ピアノ線、硬鋼線、高シリコンピアノ線等の硬引線を素材とし、請求項１〜３のいずれかの方法でショットピーニングを施したことを特徴とするばね。
6. オイルテンパー線を素材とし、請求項１〜３のいずれかの方法でショットピーニングを施したことを特徴とするばね。
7. オイルテンパー線を素材とし、窒化処理を施した後、請求項１〜３のいずれかの方法でショットピーニングを施したことを特徴とするばね。
8. 熱間成形し、焼き入れ・焼もどしを施した後、請求項１〜３のいずれかの方法でショットピーニングを施したことを特徴とするばね。

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