JP5393280B2 - 車両懸架用コイルばねと、その製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、自動車等の車両の懸架機構に使用される腐食耐久性に優れた車両懸架用コイルばねと、その製造方法に関する。

懸架用コイルばねは、冬季等に道路にまかれる凍結防止剤の影響を受けることが知られている。凍結防止剤は塩分を含むため、ばね鋼からなるコイルばねの表面の腐食を助長する。特に腐食ピット（腐食孔）がコイルばねの耐久性に大きな影響を与えることがわかっている。例えば図１１に示すように、ばね素線１の表面１ａの一部が水分や塩分によって孔状に腐食されることによって、腐食ピット２が形成される。腐食ピット２の形状は様々であるが、例えば図１２に模式的に示すような断面の腐食ピット２もある。

図１３に示すように腐食ピット２が一定レベル以上の深さＲに達し、このコイルばねに車両の重量が負荷され続けると、ピット２の底部２ａ等に疲労亀裂３が発生する。この亀裂３が大きくなると、コイルばねが折損する。言い換えると、このコイルばねは、腐食環境下で使用されたとしても、腐食ピットの大きさが許容ピット深さＲ_ｍａｘ以内であれば、折損することなく使用することが可能である。

一方で、懸架用コイルばねは、車両の軽量化を図るために、より高い応力で使用することが望まれている。コイルばねの高応力化を図るには、ばね素線の表面付近に圧縮残留応力を付与することが重要となる。従来より、コイルばねにショットピーニングを行なうことによって、表面付近に圧縮残留応力を付与し、耐久性を高めることが知られている。例えば下記の特許文献１あるいは特許文献２に開示されているように、ショットピーニングを複数回に分けて実施する多段ショットピーニングも知られている。

圧縮残留応力をばね表面から深い位置まで生じさせるための手段として、コイルばねを圧縮した状態でショットを投射するストレスピーニングや、コイルばねを２５０℃前後に加熱してショットを投射する温間ピーニング（ホットピーニング）なども知られている。ストレスピーニングや温間ピーニングは、室温で行なわれる通常のショットピーニングと比較して、材料の深い位置まで圧縮残留応力を発現させることができる。しかしストレスピーニングは、コイルばねを圧縮するための設備が必要である。しかもコイルばねを圧縮した状態でショットを投射するためばね素線間の間隔が狭くなり、その分、コイルばねの内側やばね素線間にショットが当たりにくくなるという問題がある。

特開２０００−３４５２３８号公報 特開２００８−１０６３６５号公報

従来の懸架用コイルばねでは、ショットピーニングによって表面付近に大きな圧縮残留応力が付与されていても、腐食ピットが生じるような腐食環境下で使用された場合に、腐食ピットが成長することによって比較的短期間の使用で折損することがある。そこで、材料（ばね鋼）の成分を工夫することによって耐腐食性を向上させ、腐食ピットの発生および腐食ピットの成長を抑制することも提案されている。

例えば、ばね鋼にＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ等の合金成分を添加することによって、コイルばねの耐腐食性を向上させることが行われている。しかしこのような合金成分を含むばね鋼は高価であり、コイルばねのコストが高くなる原因となっている。また腐食ピットの大きさが一旦許容ピット深さに達してしまうと、腐食ピットの底部等に生じる疲労亀裂を起点としてコイルばねが折損するおそれがある。

本発明の目的は、腐食耐久性能を高めることができ、より高い応力で使用することが可能な車両懸架用コイルばねと、その製造方法を提供することにある。

本発明の車両懸架用コイルばねは、ショットピーニングによって圧縮残留応力が付与されたばね素線を有する車両懸架用コイルばねであって、前記ばね素線の表面から深さ方向に前記圧縮残留応力の絶対値が増加する残留応力増加部と、該ばね素線の表面から許容ピット深さまでの間で該許容ピット深さ寄りの位置に形成され前記圧縮残留応力の絶対値が最大となる第１の残留応力ピーク部と、前記表面から前記許容ピット深さまでの間で前記表面寄りの位置に形成された第２の残留応力ピーク部と、前記第１および第２の残留応力ピーク部間に形成され圧縮残留応力の絶対値が前記表面の圧縮残留応力の絶対値よりも大きい高応力部と、前記第１の残留応力ピーク部から前記ばね素線の深さ方向に前記圧縮残留応力が減少する残留応力減少部とを有し、かつ、前記残留応力減少部において前記ばね素線の表面の圧縮残留応力と同等の大きさの圧縮残留応力を有する部位が、該ばね素線の前記許容ピット深さを越える深さに存在することを特徴とするものである。

懸架用コイルばねの許容ピット深さが０．２５ｍｍの場合に、前記ばね素線の表面から前記許容ピット深さにわたって−４００ＭＰａ以上（絶対値が４００ＭＰａ以上という意味。以下同じ）の圧縮残留応力が付与されているとよい。前記ばね素線の硬さは５０〜５６ＨＲＣが推奨される。また、前記残留応力ピーク部よりも深い位置にて圧縮残留応力が大きく低下し始める位置が、ばねの表面から０．２ｍｍよりも深いとよい。また、表面から深さ０．３ｍｍまで−４００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が付与されているとよい。

本発明の車両懸架用コイルばねの製造方法は、ばね鋼からなるばね素線を螺旋形に成形する曲げ工程と、前記ばね素線にショットサイズ１．０ｍｍ以上の第１のショットを投射することによって前記ばね素線に圧縮残留応力を付与する第１のショットピーニング工程と、前記第１のショットピーニング工程後に前記第１のショットよりも小さい第２のショットを前記ばね素線に投射する第２のショットピーニング工程とを具備し、前記第１のショットピーニング工程によって、該ばね素線の表面から許容ピット深さまでの間で該許容ピット深さ寄りの位置に前記圧縮残留応力の絶対値が最大となる第１の残留応力ピーク部を形成するとともに、前記第１の残留応力ピーク部から前記ばね素線の深さ方向に前記圧縮残留応力が減少する残留応力減少部とを形成し、かつ、前記残留応力減少部において前記ばね素線の表面の圧縮残留応力と同等の大きさの圧縮残留応力を有する部位を、前記許容ピット深さを越える深さに形成し、前記第２のショットピーニング工程によって前記ばね素線の表面付近の圧縮残留応力を高めることにより、前記表面から深さ方向に前記圧縮残留応力の絶対値が増加する残留応力増加部を形成するとともに、前記表面から前記許容ピット深さまでの間で前記表面寄りの位置に第２の残留応力ピーク部を形成することを特徴とする。

前記第１のショットピーニング工程と前記第２ショットピーニング工程とを、前記ばね素線が１５０〜３５０℃の処理温度で行うとよい。前記第１のショットピーニング工程における前記処理温度は、前記第２のショットピーニング工程における前記処理温度よりも高い。また前記第１のショットピーニング工程における前記第１のショットの運動エネルギーを前記第２のショットピーニング工程における前記第２のショットの運動エネルギーよりも大きくするとよい。

本発明の車両懸架用コイルばねによれば、腐食ピットが許容ピット深さ近くまで成長しても、この腐食ピットの底部等に疲労亀裂が生じることを抑制でき、腐食耐久性を高めることができる。このため懸架用コイルばねをより高い応力で使用することが可能となり、車両の軽量化が可能となる。本発明の製造方法によれば、ばね素線の表面から許容ピット深さを越える深い領域にわたって、疲労亀裂の発生と亀裂の進展を防ぐ上で有効な高いレベルの圧縮残留応力を発現させることができる。しかもばね素線の表面付近の圧縮残留応力と腐食ピットの底部付近の圧縮残留応力との差を小さくすることができるため、腐食ピットに疲労亀裂が生じることを抑制する上で効果が大きい圧縮残留応力分布を得ることができる。

本発明の１つの実施形態に係る懸架用コイルばねを備えた自動車の一部の側面図。 図１に示された懸架用コイルばねの斜視図。 図２に示された懸架用コイルばねの製造工程の一例を示す図。 図２に示された懸架用コイルばねの製造工程の他の例を示す図。 本発明に係る実施例１の圧縮残留応力分布を示す図。 本発明に係る実施例２の圧縮残留応力分布を示す図。 本発明に係る実施例３の圧縮残留応力分布を示す図。 比較例１の圧縮残留応力分布を示す図。 実施例１，２と比較例１との腐食寿命を示す図。 実施例４，５と比較例２との腐食寿命を示す図。 腐食ピットの一例を模式的に示す断面図。 腐食ピットの他の例を模式的に示す断面図。 亀裂が生じた腐食ピットを模式的に示す断面図。

以下に本発明の１つの実施形態に係る車両懸架用コイルばねとその製造方法について、図面を参照して説明する。
図１に示す車両１０の懸架機構１１は、車両懸架用コイルばね１２（これ以降、単にコイルばね１２と称する）と、ショックアブソーバ１３とを備えている。図２に示すようにコイルばね１２は、ばね素線２０を螺旋形に成形したものである。このコイルばね１２は、軸線Ｘ方向に圧縮された状態で車両１０の荷重を弾性的に支持している。

コイルばね１２の一例は円筒コイルばねである。ばね素線２０の線径ｄ（図２に示す）の一例は１２．５ｍｍ、平均コイル径Ｄが１１０．０ｍｍ、自由長（無荷重時の長さ）が３８２ｍｍ、有効巻数が５．３９、ばね定数が３３．３Ｎ／ｍｍである。コイルばね１２の線径は８〜２１ｍｍが主流であるが、これ以外の線径であってもよい。また、たる形コイルばね、鼓形コイルばね、テーパコイルばね、不等ピッチコイルばね、荷重軸制御コイルばねなど種々の形態のコイルばねであってもよい。

［実施例１］
ばね素線２０の鋼種は、高耐食性ばね鋼（この明細書では便宜上、ばね鋼Ｓと称す）である。ばね鋼Ｓは耐腐食性を高めた鋼種であり、化学成分（ｍａｓｓ％）は、Ｃ：０．４１、Ｓｉ：１．７３、Ｍｎ：０．１７、Ｎｉ：０．５３、Ｃｒ：１．０５、Ｖ：０．１６３、Ｔｉ：０．０５６、Ｃｕ：０．２１、残部Ｆｅである。

図３は熱間成形コイルばねの製造工程を示している。加熱工程Ｓ１において、コイルばねの材料であるばね素線が、オーステナイト化温度（Ａ_３変態点以上、１１５０℃以下）に加熱される。加熱されたばね素線が曲げ工程（コイリング工程）Ｓ２において螺旋形に曲げられる。そののち、焼入れ工程Ｓ３と焼戻し工程Ｓ４等の熱処理が行なわれる。

前記熱処理により、硬さが５０〜５６ＨＲＣとなるようにばね素線が調質される。例えば設計最大応力１３００ＭＰａのコイルばねでは、硬さが５４．５ＨＲＣとなるように調質される。設計最大応力１２００ＭＰａのコイルばねでは、硬さが５３．５ＨＲＣとなるように調質される。そしてホットセッチング工程Ｓ５において、コイルばねに軸線方向の荷重が所定時間付与される。ホットセッチング工程Ｓ５は、前記熱処理後の余熱を利用して温間で行われる。

そののち第１のショットピーニング工程Ｓ６が行なわれる。第１のショットピーニング工程Ｓ６では、ショットサイズ（粒径）が１.０ｍｍの第１のショット（鉄製のカットワイヤ）が使用される。この第１のショットを２３０℃の処理温度で、ばね素線に速度７６．７ｍ／ｓｅｃ、運動エネルギー１２．１１×１０^−３Ｊで投射する。これにより、ばね素線の表面から深さ方向に深い領域にわたって圧縮残留応力が発現する。この圧縮残留応力の分布については後に詳しく説明する。第１のショットピーニング工程Ｓ６によるばね素線の表面粗さは７５μｍ以下がよい。なお、ショットの投射速度は、ショットピーニング装置のインペラーの径と回転数から求まる周速度に１．３倍を乗じた値である。例えばインペラー径が４９０ｍｍで、インペラー回転数が２３００ｒｐｍの場合、投射速度は１．３×０．４９×３．１４×２３００／６０＝７６．７ｍ／ｓｅｃとなる。

第１のショットピーニング工程Ｓ６が行なわれたのち、第２のショットピーニング工程Ｓ７が行なわれる。第２のショットピーニング工程Ｓ７では、前記第１のショットよりも小さい第２のショットが使用される。第２のショットのショットサイズは０.６７ｍｍである。この第２のショットを、２００℃の処理温度で、ばね素線に速度４６ｍ／ｓｅｃ、運動エネルギー１．３１×１０^−３Ｊで投射する。

第２のショットピーニング工程Ｓ７では、第１のショットピーニング工程Ｓ６よりも小さいショットが使用され、かつ、投射速度が第１のショットピーニング工程Ｓ６よりも小さい。このため、第１のショットピーニング工程Ｓ６後の表面粗さが大きくなっているばね素線の表面粗さを第２のショットピーニング工程Ｓ７によって小さくすることができ、ばね素線の表面状態が改善される。なお第２のショットピーニング工程Ｓ７の他の例として、ショットサイズが０.４０ｍｍの第２のショットを、２００℃の処理温度で速度８６．７ｍ／ｓｅｃ、運動エネルギー０．９９×１０^−３Ｊで投射してもよい。

表１は、ショットピーニング条件によるショットの運動エネルギーを比較したデータである。ショットサイズが大きければ、投射速度が同じでも運動エネルギーが大きくなる。例えばショットサイズが１ｍｍの大玉ショットは、０．８７ｍｍのショットと比較して、運動エネルギーが約１．５倍となる。ショットサイズが１．１ｍｍの大玉ショットの場合には、０．８７ｍｍのショットと比較して、運動エネルギーが約２倍となる。逆に、ショットサイズが０．６７ｍｍの小さなショットは、０．８７ｍｍのショットと比較して、運動エネルギーが半分以下となる。ショットサイズが０．４ｍｍのショットでは、０．６７ｍｍのショットよりも投射速度を約２倍にしても、運動エネルギーは小さくなる。

この実施例１をはじめとして、後述する実施例２〜５のいずれの場合も、第１のショットピーニング工程Ｓ６における第１のショットの運動エネルギーを、第２のショットピーニング工程Ｓ７における第２のショットの運動エネルギーよりも大きくしている。

前記第１のショットピーニング工程Ｓ６と第２のショットピーニング工程Ｓ７の処理温度は、１５０〜３５０℃が適している。すなわち熱処理後の余熱を利用した温間ピーニング（ホットピーニング）である。しかも第２のショットピーニング工程Ｓ７は、第１のショットピーニング工程Ｓ６よりも低い処理温度で行なわれる。

実施例１のショットピーニング工程Ｓ６，Ｓ７によれば、従来のストレスピーニングのようにコイルばねを圧縮することなく表面から深い位置まで大きな圧縮残留応力を生じさせることができる。このため、ストレスピーニングのようなコイルばねを圧縮する設備が不要であり、かつ、ばね素線間の間隔が狭くなることがないため、コイルばねの内側やばね素線間にもショットを十分打付けることができる。

前記２段階のショットピーニング工程Ｓ６，Ｓ７が行なわれたのち、プリセッチング工程Ｓ８と塗装工程Ｓ９が行なわれる。そののち、コイルばねの外観や特性等を検査するために検査工程Ｓ１０が実施される。なお、プリセッチング工程Ｓ８を省略してもよい。

図４はコイルばねを冷間でコイリングする場合の製造工程を示している。図４に示すように、コイリング前のばね素線に予め焼入れ工程Ｓ１１と焼戻し工程Ｓ１２等の熱処理が行われている。このばね素線を、曲げ工程（コイリング工程）Ｓ１３において冷間で螺旋形に成形する。そののち歪取り焼鈍工程Ｓ１４において、コイルばねを所定温度の雰囲気中に所定時間放置することによって、成形時に生じた加工歪が取り除かれる。

その後は、図３の熱間成形コイルばねと同様に、ホットセッチング工程Ｓ５と、第１のショットピーニング工程Ｓ６と、第２のショットピーニング工程Ｓ７と、プリセッチング工程Ｓ８と、塗装工程Ｓ９と、検査工程Ｓ１０が行なわれる。なお、コイルばねが温間でコイリングされてもよい。なお、プリセッチング工程Ｓ８を省略してもよい。

図５は実施例１のコイルばねの圧縮残留応力の分布を示している。図５の横軸は、ばね素線の表面から深さ方向の位置を示している。図５の縦軸は残留応力値を示しているが、当業界の慣例として圧縮残留応力値がマイナスで表わされている。

図５に示すように実施例１のコイルばねの圧縮残留応力は、ばね素線の表面からばね素線の内部に向って深さ方向に圧縮残留応力が増加する残留応力増加部Ｔ１と、圧縮残留応力が高いレベルで維持される高応力部Ｔ２と、圧縮残留応力が最大となる残留応力ピーク部Ｔ３と、残留応力ピーク部Ｔ３からばね素線の深さ方向に圧縮残留応力が減少する残留応力減少部Ｔ４とを有している。しかも、残留応力減少部Ｔ４においてばね素線の表面の圧縮残留応力値Ａと同等の大きさの圧縮残留応力を有する部位Ｂが、ばね素線の許容ピット深さＲ_ｍａｘを越える深さに存在している。

ここで許容ピット深さＲ_ｍａｘとは、従来のショットピーニングによって得られた圧縮残留応力分布を有する懸架用コイルばねにおいて、腐食ピットの底部等に生じた疲労亀裂を起点として折損する可能性のある最大ピット深さである。従来のコイルばねでは、腐食ピット深さが０．２〜０．２５ｍｍに近付くと高い確率で折損するようになる。この場合の許容ピット深さは０．２５ｍｍである。

図５に示されるように実施例１のコイルばねは、ばね素線の表面の圧縮残留応力値Ａと同等の大きさの圧縮残留応力値を有する部位Ｂが、ばね素線の許容ピット深さＲ_ｍａｘを越える深さに存在し、かつ、表面から許容ピット深さＲ_ｍａｘを越える深い領域にわたって−４００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を有している。

実施例１をはじめとして、後述する実施例２〜５も、第１のショットピーニング工程Ｓ６と第２のショットピーニング工程Ｓ７とによる２段階ショットピーニング（温間ダブルショットピーニング）を実施している。すなわち１段目の第１のショットピーニング工程Ｓ６によって、表面から深い位置に圧縮残留応力のピークが発現し、しかも深い位置まで圧縮残留応力が生じる。そして２段目の第２のショットピーニング工程Ｓ７によって、図５に矢印ｈで示すように、表面付近の圧縮残留応力を高めることができる。こうして表面付近から深い領域にわたって圧縮残留応力が高いレベルで維持される高応力部Ｔ２を得ることができる。

なお、ばね素線が大気中で加熱された場合、表面が脱炭しており、硬さが内部に比べて約１２５ＨＶ低下している。圧縮残留応力の大きさはばね硬さに比例する。すなわち、ばね硬さが小さくなるにつれて圧縮残留応力も小さくなる。硬さ５０〜５６ＨＲＣ（５１５ＨＶ〜６１５ＨＶ）の硬さの下限５１５ＨＶで、かつ、脱炭が生じているばね表面の最低硬さは３９０ＨＶであり、そのときの表面の圧縮残留応力値は約−４００ＭＰａ以上に設定される。

［実施例２］
ばね素線の鋼種は、実施例１と同じ高耐食性ばね鋼（ばね鋼Ｓ）である。製造工程は、第１のショットピーニング工程Ｓ６で使用するショットの大きさ以外は実施例１と同様である。この実施例２では、第１のショットピーニング工程Ｓ６において、ショットサイズ１．１ｍｍの第１のショットを使用した。第１のショットピーニング工程Ｓ６後に、ショットサイズ０．６７ｍｍの第２のショットによって第２のショットピーニング工程Ｓ７を行なった。ショットの投射速度と処理温度は実施例１と同じである。

図６は、実施例２の圧縮残留応力分布を示している。実施例２のコイルばねも、ばね素線の表面から深さ方向に圧縮残留応力が増加する残留応力増加部Ｔ１と、圧縮残留応力が高いレベルで維持される高応力部Ｔ２と、圧縮残留応力が最大となる残留応力ピーク部Ｔ３と、残留応力ピーク部Ｔ３からばね素線の深さ方向に圧縮残留応力が減少する残留応力減少部Ｔ４とを有している。しかも、ばね素線の表面の圧縮残留応力値Ａと同等の大きさの圧縮残留応力を有する部位Ｂが、ばね素線の許容ピット深さＲ_ｍａｘを越える深さに存在し、表面から許容ピット深さＲ_ｍａｘを越える深い領域にわたって−４００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を有している。

［実施例３］
ばね素線の鋼種は実施例１と同じ高耐食性ばね鋼（ばね鋼Ｓ）である。製造工程は、ばね素線の熱処理に高周波加熱を用いること以外は実施例２と同様である。この実施例３では、焼入れ工程Ｓ３において、高周波加熱によってばね素線を加熱することにより、表面の脱炭が抑制されている。そして第１のショットピーニング工程Ｓ６においてショットサイズ１．１ｍｍの第１のショットを使用し、第２のショットピーニング工程Ｓ７においてショットサイズ０．６７ｍｍの第２のショットを使用した。ショットの投射速度と処理温度は実施例１と同じである。

図７は、実施例３の圧縮残留応力分布を示している。実施例３のコイルばねも、ばね素線の表面から深さ方向に圧縮残留応力が増加する残留応力増加部Ｔ１と、圧縮残留応力が高いレベルで維持される高応力部Ｔ２と、圧縮残留応力が最大となる残留応力ピーク部Ｔ３と、残留応力ピーク部Ｔ３からばね素線の深さ方向に圧縮残留応力が減少する残留応力減少部Ｔ４とを有している。しかも、残留応力減少部Ｔ４においてばね素線の表面の圧縮残留応力値Ａと同等の大きさの圧縮残留応力を有する部位Ｂが、ばね素線の許容ピット深さＲ_ｍａｘを越える深さに存在し、かつ、表面から許容ピット深さＲ_ｍａｘを越える深い領域にわたって−４００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を有している。

［実施例４］
ばね素線にＳＡＥ９２５４を用いた。ＳＡＥ９２５４の化学成分（ｍａｓｓ％）は、Ｃ：０．５１〜０．５９、Ｓｉ：１．２０〜１．６０、Ｍｎ：０．６０〜０．８０、Ｃｒ：０．６０〜０．８０、Ｓ：最大０．０４０、Ｐ：最大０．０３０、残部Ｆｅである。コイルばねの製造工程は実施例１と同様である。この実施例４では、ＳＡＥ９２５４からなるばね素線（硬さ５３．５ＨＲＣ）に、ショットサイズ１．０ｍｍの第１のショットによって第１のショットピーニング工程（投射速度７６ｍ／ｓｅｃ，処理温度２３０℃）を行なった後、ショットサイズ０．６７ｍｍの第２のショットによって第２のショットピーニング工程（投射速度４６ｍ／ｓｅｃ，処理温度２００℃）を行った。

［実施例５］
ばね素線にＳＡＥ９２５４を用い、実施例２と同様の製造工程によって、コイルばねを製造した。すなわち実施例５では、ＳＡＥ９２５４からなるばね素線（硬さ５３．５ＨＲＣ）に、ショットサイズ１．１ｍｍの第１のショットによって第１のショットピーニング工程（投射速度７６ｍ／ｓｅｃ，処理温度２３０℃）を行なった後、ショットサイズ０．６７ｍｍの第２のショットによって第２のショットピーニング工程（投射速度４６ｍ／ｓｅｃ，処理温度２００℃）を行った。

［比較例１］
ばね素線に実施例１と同じ高耐食性ばね鋼（ばね鋼Ｓ）を用いた。製造工程は、ショットピーニング条件以外は実施例１と共通である。比較例１では、第１のショットピーニング工程において、ショットサイズ０．８７ｍｍの第１のショットを、速度７６ｍ／ｓｅｃでばね素線に投射した。処理温度は２３０℃である。そののち、第２のショットピーニング工程において、ショットサイズ０．６７ｍｍの第２のショットを、速度４６ｍ／ｓｅｃでばね素線に投射した。処理温度は２００℃である。

図８は、比較例１の圧縮残留応力分布を示している。図８に示されるように比較例１の圧縮残留応力の最大値は実施例１〜３と遜色ないが、比較例１では表面の圧縮残留応力値Ａ´と同等の圧縮残留応力が存在する部位Ｂ´が許容ピット深さＲ_ｍａｘ（０，２５ｍｍ）よりもかなり浅くなっている。このため腐食ピットが許容ピット深さ（０．２５ｍｍ）近くまで成長したときに、腐食ピットの底部等に疲労亀裂が発生し、コイルばねが折損する可能性があった。

［比較例２］
ばね素線の鋼種にＳＡＥ９２５４を用いること以外は比較例１と同様である。比較例２では、ＳＡＥ９２５４からなるばね素線（硬さ５３．５ＨＲＣ）に、ショットサイズ０．８７ｍｍの第１のショットによって、第１のショットピーニング工程（投射速度７６ｍ／ｓｅｃ，処理温度２３０℃）を行なった。その後、ショットサイズ０．６７ｍｍの第２のショットによって第２のショットピーニング工程（投射速度４６ｍ／ｓｅｃ，処理温度２００℃）を行った。

［疲労試験結果］
図９は、実施例１，２と比較例１の腐食耐久試験結果を示している。腐食耐久試験は、塩水（５％ＮａＣｌ）の噴霧を０．５時間行ったのち、３０００回加振し、さらに２６℃，湿度９５％で２３時間保持するサイクルを、コイルばねが破損するまで行い、総加振数を測定した。試験応力は１２００ＭＰａである。

図９に示されるように、比較例１の腐食寿命（１００％）に対し、実施例１は１２３％と腐食寿命が大幅に向上した。さらに実施例２では、１４５％と腐食寿命がさらに大幅に向上した。このように前記実施例のコイルばねは、ショットサイズ１．０ｍｍ以上の大玉ショットを用いた温間ピーニングによって、懸架用コイルばねの腐食耐久性を大幅に向上させることができた。

従来の懸架用コイルばねは、腐食ピットが成長して許容ピット深さＲ_ｍａｘに近付くと、ピット底部から亀裂が早く発生し、亀裂が早く成長して折損していた。これに対し前記実施例では、許容ピット深さＲ_ｍａｘを越える深い位置まで−４００ＭＰａを越える圧縮残留応力が付与され、しかも許容ピット深さＲ_ｍａｘを越える位置の圧縮残留応力値がばね表面の圧縮残留応力値と同等あるいはそれ以上になっていて、圧縮残留応力の変化が急勾配となることを回避できていることにより、腐食ピットが成長して許容ピット深さＲ_ｍａｘに達しても、その深さではまだ圧縮残留応力が残っているためピット底部からの亀裂の発生を遅くすることができ、また、亀裂が発生したとしてもその後の亀裂の成長を遅くすることができることにより、腐食耐久性が飛躍的に向上するとの知見が得られた。

図１０は実施例４，５と比較例２の腐食耐久試験結果を示している。この場合、比較例２のコイルばねを試験応力１１００ＭＰａで腐食耐久試験を行なった場合の腐食寿命を１００％とし、試験応力を１００ＭＰａ大きくして、１２００ＭＰａで試験した場合の腐食寿命を比較したものである。応力を１１００ＭＰａから１２００ＭＰａに増加させると、比較例２では腐食寿命が６５％に低下した。これに対し実施例４は１０４％と従来品以上の腐食寿命が得られた。さらに実施例５では、１６０％と腐食寿命が大幅に向上した。

このように実施例４，５のコイルばねは、使用応力を１００ＭＰａ大きくしても、腐食耐久性を従来品と同等以上にすることができた。このため懸架用コイルばねを、より高い応力で使用することができ、軽量化が可能となる。例えば従来の１１００ＭＰａ級のばねが、線径１２．１ｍｍ、総巻数５．３９、質量２．０９ｋｇであったのに対し、１２００ＭＰａで使用するばねでは、線径１１．７ｍｍ、総巻数４．９３、質量１．７９ｋｇとなり、１４，４％の軽量化となる。１３００ＭＰａで使用するばねでは、線径１１．４ｍｍ、総巻数４．６１、質量１．５８ｋｇとなり、２３．４％の軽量化となる。

従来のショットピーニングによって得ることができる圧縮残留応力分布では、深さ０．２５ｍｍ付近まで−４００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を生じさせようとしても、表面から深さ方向への圧縮残留応力の減衰の勾配が急なため、表面の圧縮残留応力を極めて大きな値にしなければならず、製造方法上の限界により実現が困難であった。例えば従来のショットサイズを用い、投射速度を大きくすることによって圧縮残留応力を深い領域まで生じさせることもできなくはないが、ショットの運動エネルギーを２倍にするためには投射速度を７８ｍ／ｓｅｃ（インペラー回転数２３００ｒｐｍ）から１０９ｍ／ｓｅｃ（インペラー回転数３２７９ｒｐｍ）に増加させる必要があるため、騒音や振動の増加、消費電力の増加および装置の摩耗増大などの問題が発生する。このため製造コスト等を考えると、投射速度を大きくすることは量産化（実用化）に適していない。また、従来のショットピーニングでは、腐食ピット底部での圧縮残留応力の大きさが表面の圧縮残留応力の大きさと比較して相対的に著しく低下するため、たとえ腐食ピットの底部付近まで圧縮残留応力を生じさせたとしても、腐食ピットの底部付近に亀裂が生じることを防ぐ上で効果が少ない場合もある。

これに対し前記各実施例の圧縮残留応力分布では、腐食ピット底部を越える深さまで大きな圧縮残留応力（−４００ＭＰａ以上）が付与されているとともに、ばね表面付近の圧縮残留応力と腐食ピットの底部付近の圧縮残留応力が同等のレベルに保たれ、ばね表面から腐食ピットの底部までの領域で圧縮残留応力の変化が急勾配になることを回避できている。このことにより、腐食ピットが成長したとしても、ピットの底部付近に亀裂が生じたり亀裂が成長したりすることを効果的に抑制できるものである。

以上説明した効果は鋼種によらず同様の傾向が認められ、前述の高耐食性ばね鋼（ばね鋼Ｓ）、ＳＡＥ９２５４をはじめとして、例えばＳＵＰ７などでも同様の結果が得られた。しかも本発明によれば、懸架用コイルばねに通常使用されているばね鋼を用いて腐食耐久性を高めることができるため、コイルばねの材料コストが高くなることを抑制できる効果もある。

１２…車両懸架用コイルばね
２０…ばね素線
Ｔ１…残留応力増加部
Ｔ２…高応力部
Ｔ３…残留応力ピーク部
Ｔ４…残留応力減少部

Claims (7)

1. ショットピーニングによって圧縮残留応力が付与されたばね素線を有する車両懸架用コイルばねであって、
   前記ばね素線の表面から深さ方向に前記圧縮残留応力の絶対値が増加する残留応力増加部(T1)と、
   該ばね素線の前記表面から許容ピット深さ(Rmax)までの間で該許容ピット深さ(Rmax)寄りの位置に形成され前記圧縮残留応力の絶対値が最大となる第１の残留応力ピーク部(T3)と、
   前記表面から前記許容ピット深さ(Rmax)までの間で前記表面寄りの位置に形成された第２の残留応力ピーク部(h)と、
   前記第１および第２の残留応力ピーク部(T3,h)間に形成され圧縮残留応力の絶対値が前記表面の圧縮残留応力の絶対値よりも大きい高応力部(T2)と、
   前記第１の残留応力ピーク部(T3)から前記ばね素線の深さ方向に前記圧縮残留応力が減少する残留応力減少部(T4)とを有し、かつ、
   前記残留応力減少部(T4)において前記ばね素線の表面の圧縮残留応力と同等の大きさの圧縮残留応力を有する部位(B)が、該ばね素線の前記許容ピット深さ(Rmax)を越える深さに存在することを特徴とする車両懸架用コイルばね。
2. 前記許容ピット深さ(Rmax)が０．２５ｍｍであり、前記ばね素線の表面から前記許容ピット深さ(Rmax)にわたって絶対値が４００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が付与されていることを特徴とする請求項１に記載の車両懸架用コイルばね。
3. 前記ばね素線の硬さが５０〜５６ＨＲＣであることを特徴とする請求項２に記載の車両懸架用コイルばね。
4. ばね鋼からなるばね素線を螺旋形に成形する曲げ工程(S2)と、
   前記ばね素線にショットサイズ１．０ｍｍ以上の第１のショットを投射することによって前記ばね素線に圧縮残留応力を付与する第１のショットピーニング工程(S6)と、
   前記第１のショットピーニング工程(S6)後に前記第１のショットよりも小さい第２のショットを前記ばね素線に投射する第２のショットピーニング工程(S7)とを具備し、
   前記第１のショットピーニング工程(S6)によって、該ばね素線の表面から許容ピット深さ(Rmax)までの間で該許容ピット深さ(Rmax)寄りの位置に前記圧縮残留応力の絶対値が最大となる第１の残留応力ピーク部(T3)を形成するとともに、前記第１の残留応力ピーク部(T3)から前記ばね素線の深さ方向に前記圧縮残留応力が減少する残留応力減少部(T4)を形成し、かつ、前記残留応力減少部(T4)において前記ばね素線の表面の圧縮残留応力と同等の大きさの圧縮残留応力を有する部位(B)を、前記許容ピット深さ(Rmax)を越える深さに形成し、
   前記第２のショットピーニング工程(S7)によって前記ばね素線の表面付近の圧縮残留応力を高めることにより、前記表面から深さ方向に前記圧縮残留応力の絶対値が増加する残留応力増加部(T1)を形成するとともに、前記表面から前記許容ピット深さ(Rmax)までの間で前記表面寄りの位置に第２の残留応力ピーク部(h)を形成することを特徴とする車両懸架用コイルばねの製造方法。
5. 前記第１のショットピーニング工程(S6)と前記第２ショットピーニング工程(S7)とを、前記ばね素線が１５０〜３５０℃の処理温度で行うことを特徴とする請求項４に記載の車両懸架用コイルばねの製造方法。
6. 前記第１のショットピーニング工程(S6)における前記処理温度が、前記第２のショットピーニング工程(S7)における前記処理温度よりも高いことを特徴とする請求項５に記載の車両懸架用コイルばねの製造方法。
7. 前記第１のショットピーニング工程(S6)における前記第１のショットの運動エネルギーが、前記第２のショットピーニング工程(S7)における前記第２のショットの運動エネルギーよりも大きいことを特徴とする請求項６に記載の車両懸架用コイルばねの製造方法。

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