JP5550359B2 - 自動車懸架用コイルばね - Google Patents

Description

本発明は、自動車懸架用コイルばねの製造方法と、自動車懸架用コイルばねに関する。

非特許文献１は、従来の自動車懸架用コイルばねの製造方法を開示している。この製造方法では、まず、熱間で線材をコイル状に成形し、成形後のコイルに熱処理（焼入れ焼戻し）を行う。次に、熱処理後のコイルに対してホットセッチングを行い、次いで温間ショットピーニングを行い、さらにその後にセッチング、塗装を行う。この製造方法では、ホットセッチングによってコイルの耐へたり性が向上され、温間ショットピーニングによって耐久性が向上される。

日本ばね学会編 「ばね」第４版 ５０８ページ

自動車懸架用コイルばねには高い耐へたり性、耐久性が求められる。非特許文献１の製造方法では、一応の耐へたり性及び耐久性の向上は図られているものの、より高い耐へたり性、耐久性が求められている。

本発明は、従来技術よりも高い耐へたり性、耐久性を有する自動車懸架用コイルばねを製造するための技術を提供することを目的とする。

上述したように、従来の自動車懸架用コイルばねの製造方法では、熱処理後にホットセッチングを行い、その後に温間ショットピーニングが行われていた。本発明者による鋭意検討の結果、無方向性の塑性加工である温間ショットピーニングをホットセッチングの後に行うと、ホットセッチングによってコイルに付与される方向性のある圧縮残留応力が、温間ショットピーニングによって打ち消されることが判明した。そして、製造工程を種々に入れ替えて実験を行った結果、成形後のコイルに対して、温間ショットピーニングを行い、その後ホットセッチングを行うことで、温間ショットピーニングによってコイル表面に付与される圧縮残留応力と、ホットセッチングによってコイルに付与される方向性のある圧縮残留応力とが、共に有効に残留することが判明した。

本発明の自動車懸架用コイルばねの製造方法は、上記の知見に基づいて創作されたものである。この製造方法では、素材をコイル状に成形し、成形後のコイルに対して熱処理を行い、熱処理後のコイルに対して温間ショットピーニングを行い、温間ショットピーニング後のコイルに対してホットセッチングを行う。この製造方法によれば、耐へたり性、耐久性に優れた自動車懸架用コイルばねを得ることができる。

この自動車懸架用コイルばねの製造方法では、質量比にしてＣ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：１．６０〜３．００％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｃｒ：０．１０〜１．５０％を含有するとともに、Ｎｉ：０．４０〜３．００％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％、Ｖ：０．０５〜０．５０％のうちいずれか１種類以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鋼を素材として用いることができる。素材として用いる鋼に含有される各元素の成分範囲を上記のように定めることにより、さらに耐へたり性、耐久性、耐腐食疲労性を向上することができる。

また、本発明は、耐久性、耐へたり性に優れた新規な自動車懸架用コイルばねを提供する。すなわち、本発明の自動車懸架用コイルばねは、ばね素線の少なくとも一部に圧縮残留応力が付与されている。そして、その圧縮残留応力が付与された位置における、素線の軸線方向から１３５°と３１５°方向の圧縮残留応力の和と４５°と２２５°方向の圧縮残留応力の和との比が、（１３５°方向の圧縮残留応力＋３１５°方向の圧縮残留応力）／（４５°方向の圧縮残留応力＋２２５°方向の圧縮残留応力）によって求められる場合において、素線表面から線径中心に向かう方向への距離が０．２ｍｍの位置における、１３５°と３１５°方向の圧縮残留応力の和と４５°と２２５°方向の圧縮残留応力の和との比が、素線表面における、１３５°と３１５°方向の圧縮残留応力の和と４５°と２２５°方向の圧縮残留応力の和との比よりも大きくされている。

一般的に、自動車懸架用コイルばねを使用する場合、コイルばねの素線にかかる引張応力の方向は、素線の軸線方向から１３５°，３１５°の対角線方向であることが知られている。このため、コイルばねの素線に１３５°，３１５°の対角線方向に高い圧縮残留応力を有していると、この圧縮残留応力により引張応力が効果的に打ち消され、コイルばねの耐久性、耐へたり性が高くなる。特に、１３５°，３１５°の対角線方向の圧縮残留応力が、直交する４５°，２２５°の対角線方向の圧縮残留応力より大きい場合は、コイルばねの耐久性、耐へたり性を高めるための圧縮残留応力が効果的に付与されていることになる。さらに、自動車懸架用コイルばねでは、コイルばねの使用環境に応じて素線表面が腐食等によって削られてゆく。このため、自動車懸架用コイルばねの耐久性、耐へたり性を向上するためには、コイルばねの素線表面だけではなく、素線表面から所定の深さの位置で圧縮残留応力が付与されていることが極めて重要となる。具体的には、自動車懸架用コイルばねが、素線表面から線径中心に向かう方向への距離が０．２ｍｍの位置において上記の１３５°，３１５°の対角線方向に高い圧縮残留応力を有していれば、コイルばねの使用環境に応じてコイルばねの素線表面が腐食したり、削られたりした場合であっても、コイルばねの圧縮残留応力が有効に残留することとなる。その結果、圧縮残留応力が素線表面にのみ備わっている場合に比べてコイルばねの耐久性、耐へたり性が高くなる。

本発明の自動車懸架用コイルばねは、圧縮残留応力が付与された位置において、素線表面から線径中心に向かう方向への距離が０．２ｍｍの位置における、１３５°と３１５°方向の圧縮残留応力の和と４５°と２２５°方向の圧縮残留応力の和との比が、素線表面における、１３５°と３１５°方向の圧縮残留応力の和と４５°と２２５°方向の圧縮残留応力の和との比よりも大きい。すなわち、素線表面から線径中心に向かう方向への距離が０．２ｍｍの位置において、耐久性、耐へたり性を高めるために有効な圧縮残留応力が効果的に付与されている。そのため、本発明の自動車懸架用コイルばねは、高い耐へたり性、耐久性を発揮することができる。

この自動車懸架用コイルばねは、素線表面から線径中心に向かう方向への距離が０．２ｍｍの位置における、１３５°方向の圧縮残留応力と、３１５°方向の圧縮残留応力とが、８００〜１２００ＭＰａであることが好ましい。この自動車懸架用コイルばねは、素線表面から線径中心に向かう方向への距離が０．２ｍｍの位置において、１３５°と３１５°方向に、８００〜１２００ＭＰａの範囲の高い圧縮残留応力を有する。従って、本発明の自動車懸架用コイルばねは、高い耐へたり性、耐久性を発揮することができる。

この自動車懸架用コイルばねは、ばね硬さがＨＲＣ５０〜５６であることが好ましい。この自動車懸架用コイルばねは、自動車懸架用コイルばねに要求される基準の硬さを備えている。従って、本発明の自動車懸架用コイルばねは、高い耐へたり性、耐久性を発揮することができる。

自動車懸架用コイルばねの素材に含有される各物質の質量比を示す表。 本発明例１、比較例１の自動車懸架用コイルばねの諸元を示す表。 本発明例２、比較例２の自動車懸架用コイルばねの諸元を示す表。 締め付けへたり試験結果を示す表。 耐久試験結果を示す表。 腐食疲労試験結果を示す表。 コイルばねの表面からの距離と圧縮残留応力の関係を示すグラフ。 コイルばねの表面における各測定角の圧縮残留応力を示すグラフ。 深さ０．１ｍｍにおける各測定角の圧縮残留応力を示すグラフ。 深さ０．２ｍｍにおける各測定角の圧縮残留応力を示すグラフ。 深さ０．３ｍｍにおける各測定角の圧縮残留応力を示すグラフ。 （１３５°の圧縮残留応力＋３１５°の圧縮残留応力）／（４５°の圧縮残留応力＋２２５°の圧縮残留応力）の計算結果を示す表。 コイルばねの表面からの距離毎の、各測定角の圧縮残留応力と、（１３５°の圧縮残留応力＋３１５°の圧縮残留応力）／（４５°の圧縮残留応力＋２２５°の圧縮残留応力）により求められる比とを示す表。 Ｘ線応力測定法によるコイルばねの圧縮残留応力の測定方法を示す側面図。 Ｘ線応力測定法によるコイルばねの圧縮残留応力の測定方法を示す平面図。

本発明を具現化した一実施形態に係る自動車懸架用コイルばねの製造方法について説明する。本実施形態の製造方法では、コイル成形、熱処理、温間ショットピーニング、ホットセッチング、冷間ショットピーニング、冷間セッチング、の各工程をこの順序で行うことによって自動車懸架用コイルばねを製造する。以下、本明細書では、自動車懸架用コイルばねを単にコイルばねと呼ぶ場合がある。

コイル成形工程では、線材をコイル状に成形する。線材の成形は、線材の径やコイルばねの寸法等に応じて、熱間（線材の再結晶温度以上の温度）で行ってもよいし、温間（線材の再結晶温度未満の温度）又は冷間（室温）で行ってもよい。熱間で成形する場合には、例えば、８００〜１０００℃で行うことができる。温間で成形する場合には、例えば、５０〜４００℃で行うことができる。また、コイル状に成形する方法には、従来公知の種々の方法を用いることができ、例えば、コイリングマシンを用いて成形してもよいし、芯金に巻き付ける方法によって成形してもよい。

線材として用いる材料には、例えば、質量比にしてＣ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：１．６０〜３．００％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｃｒ：０．１０〜１．５０％を含有するとともに、Ｎｉ：０．４０〜３．００％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％、Ｖ：０．０５〜０．５０％のうちいずれか１種類以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鋼材を好適に用いることができる。このような鋼材を用いることで、耐へたり性、耐久性、耐腐食疲労性を向上することができる。なお、各元素についての具体的な上限及び下限を設定した理由は次の通りである。

Ｃ：０．３５〜０．５５％。Ｃは鋼線の強度を高めるために必須の元素であるが、０．３５％未満では十分な強度が得られず、逆に０．５５％を越えると成形性及び靭性が低下するためである。

Ｓｉ：１．６０〜３．００％。Ｓｉはばねの強度、硬度と耐へたり性を確保するために必要な元素であり、少ない場合は必要な強度、耐へたり性が不足するため、１．６０％を下限とした。また多量に添加しすぎると、材料を硬化させるだけでなく、脆化するため、３．００％を上限とした。

Ｍｎ：０．２０〜１．５０％。Ｍｎは鋼の焼入性を向上させ、鋼中のＳを固定してその害を阻止する。しかし、０．２０％未満ではその効果がない。逆に１．５０％を越えると靭性の低下を招き、成形性を損ねる恐れがある。

Ｃｒ：０．１０〜１．５０％。Ｃｒは焼入れ性を向上させるとともに焼戻し軟化抵抗を付与する。０．１０％未満ではその効果は十分ではなく、１．５０％を超えると炭化物の固溶を抑制し、強度の低下を招くため、やはり効果的ではない。

Ｎｉ：０．４０〜３．００％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％、Ｖ：０．０５〜０．５０％のうちいずれか１種類以上を含有すること。Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖはいずれも焼戻し時の軟化抵抗を増大させる元素である。このため、これらの元素を１種類以上含有することで、焼戻し時の軟化抵抗を増大させることができる。なお、上記の効果を得るための必要量は各元素により異なる。すなわち、Ｎｉは０．４０〜３．００％であり、Ｍｏは０．０５〜０．５０％であり、Ｖは０．０５〜０．５０％である。各元素が下限値より少ないと、必要な軟化抵抗を得ることができない。一方、Ｎｉ：３．００％、Ｍｏ：０．５０％、Ｖ：０．５０％は、これらの元素による軟化抵抗増大効果が飽和する量であり、これ以上含有させることは無駄である他、過度の強度上昇により成形性が低下するおそれがある。

なお、コイルの素材として用いる線材には、上記の鋼材の他、従来からコイルばねの素材として用いられてきた種々の材料（例えば、ばね鋼等）を用いることができる。

熱処理工程では、上記の成形工程によってコイル状に成形されたコイルに対して熱処理を行う。この工程で行われる熱処理は、上記の成形工程を熱間で行ったか、温間又は冷間で行ったかによって異なる。すなわち、上記の成形工程を熱間で行った場合には、焼入れと焼戻しを行う。焼入れ焼戻しにより、コイルには強度と靭性が付与される。焼入れの温度条件は、８００〜１０００℃とすることができる。焼戻しの温度条件は、３００〜５００℃とすることができる。一方、上記の成形工程を温間又は冷間で行った場合には、低温焼鈍を行う。低温焼鈍により、コイル内部及び表面の有害な残留応力（引張りの残留応力）を除去することができる。低温焼鈍の条件は、３００〜５００℃で２０〜６０分とすることができる。コイルの焼入れ焼戻し、並びに、コイルの低温焼鈍の方法は、従来知られているいずれの方法によっても行うことができる。

温間ショットピーニング工程では、上記の熱処理が行われたコイルを温間でショットピーニングする。温間ショットピーニングにより、コイル表面に大きな圧縮残留応力が付与され、コイルの耐久性、耐腐食疲労性が向上する。ここで、ショットピーニングを行う温度は、線材の再結晶温度以下で、かつ、室温より高い温度となる温度範囲内で適宜設定することができる。例えば、コイルの温度を１５０〜４００℃とすることができ、より好ましくは２５０〜３５０℃とすることができる。このような温度範囲でショットピーニングを行うことで、コイル表面により大きな圧縮残留応力を付与することができる。また、ショットピーニングには、その直径が０．６〜１．２ｍｍの鋼球（ショット）を用いることができる。このような鋼球を用いることで、コイル表面に有害な損傷を与えることなく、好適に圧縮残留応力を付与することができる。また、鋼球の投射速度は５０〜１００ｍ／ｓとすることができる。また、カバレージは８０％以上の範囲とすることができ、処理回数は１〜２回とすることができる。なお、鋼球のショット方法には、従来知られている種々の方法を用いることができる。

ホットセッチング工程では、コイルの温度を温間とした状態でセッチングを行う。ホットセッチングにより、コイルに方向性のある圧縮残留応力が付加されて耐久性が向上し、また、コイルに比較的大きな塑性変形が生じることでコイルの耐へたり性が向上する。ここで、ホットセッチングを行う温度は、線材の再結晶温度以下で、かつ、室温より高い温度となる温度範囲内で適宜設定することができる。例えば、コイルの温度を１５０〜４００℃の範囲で行うことができる。このような温度範囲でセッチングを行うことで、コイルに付与される塑性変形量を大きくでき、耐へたり性を向上することができる。なお、温間ショットピーニングを行うときの温度より低い温度でセッチングを行うようにすれば、温間ショットピーニング後にコイルを加熱する必要がないため好ましい。また、セッチングの残留せん断歪γが１０×１０^−４〜４０×１０^−４の範囲でセッチングを行うことが好ましい。この範囲でセッチングを行うことで、耐久性を低下させることなく、耐へたり性を向上することができる。なお、セッチングには、従来知られている種々の方法を用いることができる。

冷間ショットピーニング工程では、コイルの温度を常温にした状態でショットピーニングを行う。温間ショットピーニングに加えてさらに冷間ショットピーニングを行うことにより、コイルの耐久性を一層向上させることができる。冷間ショットピーニングには、直径が０．１〜１．０ｍｍの鋼球（ショット）を用いることができる。なお、冷間ショットピーニングで用いる鋼球の径を、温間ショットピーニングで用いる鋼球の径より小さくすることが好ましい。例えば、温間ショットピーニングに使用する鋼球の径を直径１．２ｍｍとした場合、冷間ショットピーニングに使用する鋼球の径を０．８ｍｍとする。温間ショットピーニングと冷間ショットピーニングを行うことで、先に行われる温間ショットピーニングでコイルに大きな圧縮残留応力が付与され、後に行われる冷間ショットピーニングでコイルの表面粗さが改善され、コイルの耐久性、耐腐食疲労性が一層向上する。なお、冷間ショットピーニングの諸条件、すなわち、投射速度は５０〜１００ｍ／ｓとすることができ、カバレージは８０％以上とすることができ、処理回数は１〜２回とすることができる。

冷間セッチング工程では、コイルの温度を常温にした状態でセッチングを行う。上記ホットセッチングに加えて冷間セッチングを行うことにより、コイルの耐へたり性を一層向上させる。冷間セッチングは、残留せん断歪γが１×１０^−４〜１０×１０^−４の範囲で行うことが好ましい。この範囲でセッチングを行うことで、耐へたり性をより向上させることができる。

なお、上記の冷間ショットピーニング、冷間セッチングの各工程を省略し、温間ショットピーニング及びホットセッチングのみを行うこともできる。また、上記の各工程以外の他の工程を含んでいてもよい。例えば、ホットセッチング後に水冷する工程を行うようにしてもよい。なお、本実施形態の製造方法で製造したコイルばねは、ばね硬さがＨＲＣ５０〜５６の範囲となる。コイルばねのばね硬さは、ＨＲＣ５３±２の範囲となることがより好ましい。

（第１実施例）
本実施形態の製造方法で製造したコイルばねを用いて締め付けへたり試験、耐久試験、腐食疲労試験を行った例について説明する。本試験例では、本発明の製造方法で製造した本発明例１及び２と、従来の製造方法で製造した比較例１、２を用いて各試験を行った。

図１は、試験に使用したコイルばねの素材となる鋼材Ａ、Ｂに含有される各元素の質量比を示す表である。

鋼材Ａは、質量比にしてＣ：０．４７％、Ｓｉ：２．００％、Ｍｎ：０．７％、Ｐ：０．００５％、Ｓ：０．００５％、Ｎｉ：０．５５％、Ｃｒ：０．２％、Ｖ：０．２％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鋼である。本実施例では、質量比が上記のようになるように各物質を溶解した後、分塊圧延、線材圧延を行って線材としたものを、本発明例１、比較例１のコイルばねの素材とした。

鋼材Ｂは、質量比にしてＣ：０．４７％、Ｓｉ：２．１８％、Ｍｎ：０．４４％、Ｐ：０．００７％、Ｓ：０．００６％、Ｎｉ：０．５３％、Ｃｕ：０．０１％、Ｃｒ：０．２９％、Ｍｏ：０．０９％、Ｖ：０．１％、Ｔｉ：０．０２３％、Ｂ：０．００２１％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鋼である。本実施例では、質量比が上記のようになるように各物質を溶解した後、分塊圧延、線材圧延を行って線材としたものを、本発明例２、比較例２のコイルばねの素材とした。

〔本発明例１〕
本発明例１のコイルばねは、上記の鋼材Ａからなる線材を材料としている。具体的な製造方法は、鋼材Ａからなるオイルテンパー処理を施した線材に対し、冷間成形、テンパー処理（低温焼鈍）、温間ショットピーニング、ホットセッチング、水冷、冷間ショットピーニング、冷間セッチング、の各工程をこの順序で行った。

本発明例１の製造過程における各条件は以下の通りである。低温焼鈍の条件は３５０℃で３０分とした。温間ショットピーニングに用いる鋼球（ショット）の直径は１．２ｍｍとした。温間ショットピーニング時のコイル温度を３００℃とした。ホットセッチング時のコイル温度を２００℃とし、へたり代を２１ｍｍ（残留せん断歪γ＝１３．７×１０^−４）とした。冷間ショットピーニングに用いる鋼球の直径は０．８ｍｍとした。冷間セッチングのへたり代は３ｍｍ（残留せん断歪γ＝２×１０^−４）とした。

上記のようにして製造した本発明例１のコイルばねは、ばね硬さがＨＲＣ５３となり、また、図２に示す諸元を備えた。すなわち、本発明例１のコイルばねは、円筒片側ピッグ型で、線径１２．６ｍｍ、コイル平均径１６２．６ｍｍ、自由長３１８．５ｍｍ、有効巻３．１２巻、ばね定数が２４．０Ｎ／ｍｍであった。

〔比較例１〕
比較例１のコイルばねは、本発明例１と同様に上記の鋼材Ａからなる線材を材料として製造した。具体的には、鋼材Ａからなるオイルテンパー処理を施した線材に対し、冷間成形、テンパー処理（低温焼鈍）、ホットセッチング、温間ショットピーニング、水冷、冷間ショットピーニング、冷間セッチング、の各工程をこの順序で行ってコイルばねとしたものである。ホットセッチングを温間ショットピーニングより前に行う点が本発明例１の製造手順と異なる。この比較例１の製造手順は、従来の自動車懸架用コイルばねの製造方法に従った手順である。

比較例１の製造過程における各条件は、以下の通りである。温間ショットピーニングを行う温度は２００℃とした。ホットセッチングを行う温度は３００℃とした。その他の条件は、本発明例１の製造過程における各条件と共通する。

比較例１のコイルばねも、本発明例１と同様にばね硬さがＨＲＣ５３であり、図２に示す諸元を有する。

〔本発明例２〕
本発明例２のコイルばねは、上記の鋼材Ｂからなる線材を材料としている。具体的な製造方法は、鋼材Ｂからなる線材に対し、焼入れ加熱、熱間成形、焼入れ（油冷）、焼戻し、温間ショットピーニング、ホットセッチング、水冷、冷間ショットピーニング、冷間セッチング、の各工程をこの順序で行ってコイルばねとしたものである。

本発明例２の製造過程における各条件は以下の通りである。焼入れ加熱の条件は９９０℃、焼戻し加熱の条件は３７０℃とした。温間ショットピーニングに用いるショットの直径は１．０ｍｍとした。温間ショットピーニング時のコイル温度は３５０℃とした。ホットセッチング時のコイル温度を１８０℃とし、へたり代を３６ｍｍ（残留せん断歪γ＝２６×１０^−４）とした。冷間ショットピーニングに用いるショットの直径は０．６ｍｍとした。冷間セッチングのへたり代は４ｍｍ（残留せん断歪γ＝２×１０^−４）とした。

上記のようにして製造した本発明例２のコイルばねは、ばね硬さがＨＲＣ５４となり、図３に示す諸元を備えた。即ち、本発明例２のコイルばねは、円筒型で、線径１２．４ｍｍ、コイル平均径１１０．９ｍｍ、自由長３２３．０ｍｍ、有効巻５．５５巻、ばね定数３９．１Ｎ／ｍｍであった。

〔比較例２〕
比較例２のコイルばねは、本発明例２と同様に上記の鋼材Ｂからなる線材を材料として製造した。具体的には、鋼材Ｂからなる線材に対し、焼入れ加熱、熱間成形、焼入れ（油冷）、焼戻し、ホットセッチング、温間ショットピーニング、水冷、冷間ショットピーニング、冷間セッチング、の各工程をこの順序で行った。ホットセッチングを温間ショットピーニングより前に行う点が本発明例２の製造手順と異なる。この比較例２の製造手順も、従来の自動車懸架用コイルばねの製造方法に従った手順である。

比較例２の製造過程における各条件は、以下の通りである。温間ショットピーニング時のコイル温度を２３０℃とした。ホットセッチング時のコイル温度を３３０℃とした。その他の条件は、本発明例２の製造過程における条件と共通する。

比較例２のコイルばねも、本発明例２と同様にばね硬さがＨＲＣ５４であり、図３に示す諸元を備えた。

（１．締め付けへたり試験）
締め付けへたり試験は、本発明例１と比較例１を対象として行った。この締め付けへたり試験は、コイルばねに最大荷重時高さで締め付けを行い、所定時間恒温槽に投入する試験である。試験前後での取付け高さでの荷重の変化を測定し、残留せん断歪量を算出した。ここで、締め付け荷重は５４７２Ｎとした。恒温槽温度を８０℃とし、試験時間を９６時間とした。また、この締め付けへたり試験では、本発明例１と比較例１を２本ずつ用意し、それぞれについて同じ試験を行った。試験の結果を図４に示す。図４中、加工順の欄の「ＳＰ→ＨＳ」は、「温間ショットピーニング後にホットセッチングを行った」ことを示す。同様に「ＨＳ→ＳＰ」は、「ホットセッチング後に温間ショットピーニングを行った」ことを示す（以下の各図について同じ）。また、図中の数値は、それぞれへたり量（残留せん断歪量（×１０^−４））を示す。図４に示すように、本発明例１の各コイルばねのへたり量は、いずれも比較例１のへたり量より小さくなった。

上記試験結果が示すように、温間ショットピーニング後にホットセッチングを行って製造した本発明例１のコイルばねは、ホットセッチング後に温間ショットピーニングを行って製造した比較例１のコイルばねよりも高い耐へたり性を有した。

（２．耐久試験）
耐久試験は、本発明例２と比較例２を対象として行った。この耐久試験では、コイルばねに作用する荷重を周期的に変動させ、コイルばねが破損するまでの加振回数（耐久回数）を測定した。ここで、コイルばねに加える応力は主応力で７３５±５５０ＭＰａとした。この耐久試験でも、本発明例２と比較例２のコイルばねを２本ずつ用意し、それぞれについて同じ試験を行った。試験の結果を図５に示す。図中の数値は、それぞれ耐久回数（万回）を示す。図５に示すように、本発明例２のコイルばねの耐久回数は、いずれも比較例２の耐久回数より著しく多くなった（約２倍程度）。

上記試験結果が示すように、温間ショットピーニング後にホットセッチングを行って製造した本発明例２のコイルばねは、ホットセッチング後に温間ショットピーニングを行って製造した比較例２のコイルばねよりも高い耐久性を有した。

（３．腐食疲労試験）
腐食疲労試験は、本発明例２と比較例２を対象として行った。なお、この腐食疲労試験に使用される本発明例２のコイルばねと比較例２のコイルばねには、事前に塗装が施されているものとする。この腐食疲労試験は、以下の方法で行った。まず、コイルばねを玄武岩ＪＩＳ７号砕石の上に落下させ、９０°ずつ回転させる処理を４回行い、コイルばねの塗膜に傷をつける（チッピング）。次に、コイルばねに対して｛塩水噴霧（５％ＮａＣｌ、３５℃）６ｈ＋乾燥（６０℃、ＲＨ２０％）６ｈ＋湿潤（５０℃、ＲＨ９５％）１２ｈ｝を１サイクルとする腐食処理を６０サイクル行う。腐食処理５サイクル毎に３０００回ずつ加振する。６０サイクル終了後は、コイルばねをさらに加振し、耐久回数を測定した。なお、コイルばねの加振方法は上記の耐久試験と同様である。コイルばねに加える応力は主応力で７３５±５５０ＭＰａとした。この腐食疲労試験でも、本発明例２と比較例２のコイルばねを２本ずつ用意し、それぞれについて同じ試験を行った。試験の結果を図６に示す。図中の数値は、それぞれ耐久回数（万回）を示す。図６に示すように、本発明例２のコイルばねの耐久回数は、いずれも比較例２の耐久回数より多くなった。

上記試験結果が示すように、温間ショットピーニング後にホットセッチングを行って製造した本発明例２のコイルばねは、ホットセッチング後に温間ショットピーニングを行って製造した比較例２のコイルばねよりも高い耐腐食疲労性を有した。

（第２実施例）
本実施形態の製造方法で製造したコイルばねに対して、残留応力を測定した例について説明する。本試験例では、温間ショットピーニング後にホットセッチングを行って製造した本発明例３のコイルばねと、ホットセッチング後に温間ショットピーニングを行って製造した比較例３のコイルばねのそれぞれについて、当該コイルばねのコイル外側面の一箇所を測定点として定め、その測定点に対するＸ線照射角度を４５°ずつ変えながら、残留応力を測定した。具体的には、図１４、１５に示すように、コイルばねの素線の一部を切り出して、そのばね素線（サンプル）に対して斜め上方からＸ線を照射し、コイルばねから回折されるＸ線を測定することで、コイルばねに付与されている圧縮残留応力を測定した（いわゆる、Ｘ線応力測定法により圧縮残留応力を測定した）。また、図１５に示すように、Ｘ線照射方向とコイルばねの素線の軸線方向とが一致する方向を測定角０°とし、その０°に対してコイルばねの素線を反時計回りに回転させる方向を正の方向とした。また、測定点の位置は変えずに、素線表面から径方向中心に向かう方向への距離を変えながら、同様の測定を繰り返し行った。なお、０°に対してコイルばねの素線を反時計回りに回転させる方向が正の方向となるのは、上記のコイルばねが右巻きの場合である。反対に、上記のコイルばねが左巻きの場合、０°に対してコイルばねの素線を時計回りに回転させる方向が正の方向となる。以下では、素線表面から径方向中心に向かう方向への距離のことを簡単に「表面からの距離」又は「深さ」と呼ぶ場合がある。また、測定点に対するＸ線照射角度のことを簡単に「測定角」と呼ぶ場合がある。なお、測定対象となる本発明例３、比較例３は、比較結果を明確に把握するため、ともに冷間ショットピーニング及び冷間セッチングを省略している。本発明例３と比較例３のその他の製造条件は、上記の本発明例２と同様とした。

図７は、コイルばねの表面からの距離と圧縮残留応力の関係を示すグラフである。横軸は表面からの距離（ｍｍ）、縦軸は圧縮残留応力（ＭＰａ）をそれぞれ示す。縦軸の圧縮残留応力は、表面からの距離が同一で、測定点に対する異なる８方向からのＸ線照射角度毎の測定結果の平均値を示している。図７に示すように、本発明例３の圧縮残留応力は、表面からの距離が浅い領域から深い領域まで全ての領域で、比較例３の圧縮残留応力より高くなった。

図８〜図１１は、表面からの距離（深さ）に応じた、当該測定点に対するＸ線照射角度毎の圧縮残留応力の分布を示す。図８はコイルばねの表面、図９は深さ０．１ｍｍ、図１０は深さ０．２ｍｍ、図１１は深さ０．３ｍｍにおいて定めた各測定点における、各測定角の圧縮残留応力をそれぞれ示す。図８〜図１１において、中心から４５°毎に放射状に表された８本の軸は、測定角が４５°，９０°，・・３１５°となる各場合における圧縮残留応力（ＭＰａ）をそれぞれ示す。図８に示すように、コイルばね表面において、本発明例３は測定角１３５°，３１５°の対角線方向に高い圧縮残留応力が表れている。比較例３と比べるとその差は顕著である。この１３５°，３１５°の対角線方向は、本発明例３と比較例３のコイルばねにかかる引張応力の方向と同じである。このため、１３５°，３１５°の対角線方向に高い圧縮残留応力を有していると、この圧縮残留応力により引張応力が効果的に打ち消される。その結果、１３５°，３１５°方向に高い残留応力が表れている本発明例３のコイルばねは、比較例３のコイルばねに比べて高い耐久性、耐へたり性を有する。

本発明例３のコイルばねに、耐久性、耐へたり性に好適な影響を与える１３５°，３１５°方向の圧縮残留応力が効果的に付与されていることは、１３５°，３１５°方向の圧縮残留応力と、その１３５°，３１５°方向と直交する４５°，２２５°方向の比を求めることで定量的に評価することができる。このため、１３５°，３１５°方向の圧縮残留応力と４５°，２２５°方向の圧縮残留応力の比を、（１３５°の圧縮残留応力＋３１５°の圧縮残留応力）／（４５°の圧縮残留応力＋２２５°の圧縮残留応力）により求めた。得られた計算結果を図１２に示す。図１２に示すように、本発明例３の計算値は全ての深さで１よりも大きくなった。このことからも、本発明例３のコイルばねには１３５°，３１５°方向の圧縮残留応力が高く備えられていることが明らかとなる。

上記の各測定結果が示すように、温間ショットピーニング後にホットセッチングを行って製造した本発明例３のコイルばねは、ホットセッチング後に温間ショットピーニングを行って製造した比較例３のコイルばねに比べて高い耐へたり性、耐久性を有する。

（第３実施例）
本実施形態の製造方法で製造したコイルばねに対して、残留応力を測定した他の例について説明する。本試験例では、温間ショットピーニング後にホットセッチングを行って製造した本発明例４、５のコイルばねと、ホットセッチング後に温間ショットピーニングを行って製造した比較例４、５のコイルばねのそれぞれについて、測定角４５°、１３５°、２２５°、３１５°のそれぞれのときの圧縮残留応力を測定した。また、測定点の位置は変えずに、素線表面からの深さを変えながら、同様の測定を繰り返し行った。なお、測定対象となる本発明例４、５、及び比較例４、５は、比較結果を明確に把握するため、ともに冷間ショットピーニング及び冷間セッチングを省略している。本発明例４、５及び比較例４、５のその他の製造条件は、上記の本発明例２と同様とした。また、圧縮残留応力の測定方法は、上記の第２実施例と同様とした。

図１３は、素線表面からの深さ（表面から径方向中心に向かう方向への距離）（ｍｍ）毎の、各測定角における圧縮残留応力（ＭＰａ）と、（１３５°の圧縮残留応力＋３１５°の圧縮残留応力）／（４５°の圧縮残留応力＋２２５°の圧縮残留応力）により求められる圧縮残留応力の比とを示す表である。なお、図１３において、測定方向「１３５°，３１５°」に対応する各圧縮残留応力の値（例えば、本発明例４の表面の圧縮残留応力の値「６０７，６４８」）は、前者（「６０７」）が１３５°方向の圧縮残留応力の値、後者（「６４８」）が３１５°方向の圧縮残留応力の値、をそれぞれ示す。同様に、「４５°，２２５°」に対応する各圧縮残留応力の値も、前者が４５°方向の圧縮残留応力の値、後者が２２５°方向の圧縮残留応力の値、をそれぞれ示す。

上述したとおり、コイルばねが１３５°，３１５°の対角線方向に高い圧縮残留応力を有していると、この圧縮残留応力により引張応力が効果的に打ち消され、コイルばねの耐久性、耐へたり性が高くなる。さらに、コイルばねの素線表面から線径中心方向への距離が０．２ｍｍの位置において、１３５°，３１５°の対角線方向に高い圧縮残留応力を有していれば、仮にコイルばねの素線表面が腐食した場合であっても、圧縮残留応力が有効に残留するため、高い圧縮残留応力が素線表面にのみ備わっている場合に比べてコイルばねの耐久性、耐へたり性が高くなる。

本実施例では、図１３に示すように、本発明例４、５の圧縮残留応力の比は、いずれも、深さ０．２ｍｍにおける値が、表面における値よりも大きい。しかも、深さ０．２ｍｍにおける比の値は、いずれも１以上である。即ち、本発明例４、５のコイルばねには、引張応力に対して有効な１３５°，３１５°の対角線方向により高い圧縮残留応力が備わっている。これに対し、比較例４、５の圧縮残留応力の比は、いずれの深さにおいても１以下である。即ち、比較例４、５のコイルばねには、引張応力に対して有効な１３５°，３１５°の対角線方向に圧縮残留応力が有効に備わっていない。

さらに、図１３に示すように、本発明例４、５のコイルばねは、深さ０．２ｍｍにおける１３５°の方向の圧縮残留応力の値及び３１５°の方向の圧縮残留応力の値がいずれも９５０ＭＰａより大きい。一方、比較例４、５では、深さ０．２ｍｍにおける１３５°の方向の圧縮残留応力の値及び３１５°の方向の圧縮残留応力の値がいずれも７００〜７５０ＭＰａ程度である。即ち、本発明例４、５のコイルばねは、比較例４、５に比べて、引張応力に対して有効な方向（１３５°、３１５°）に、高い圧縮残留応力が備わっている。

以上より、本発明例４、５のコイルばねには、比較例４、５に比べると、深さ０．２ｍｍにおいて、１３５°，３１５°方向の圧縮残留応力が高く備えられていることが明らかとなる。上述の通り、深さ０．２ｍｍにおいて、１３５°，３１５°方向の圧縮残留応力が高く備えられている本発明例４、５のコイルばねは、比較例４、５のコイルばねに比べて高い耐久性、耐へたり性を有する。

上記の各測定結果が示すように、温間ショットピーニング後にホットセッチングを行って製造した本発明例４、５のコイルばねは、ホットセッチング後に温間ショットピーニングを行って製造した比較例４、５のコイルばねに比べて高い耐へたり性、耐久性を有する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は、複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims (4)

1. 自動車懸架用コイルばねであって、
   素材をコイル状に成形し、成形後のコイルに対して熱処理を行い、熱処理後のコイルに対して温間ショットピーニングを行い、温間ショットピーニング後のコイルに対してホットセッチングを行い、ホットセッチング後のコイルに対して冷間ショットピーニングを行い、冷間ショットピーニング後のコイルに対して冷間セッチングを行うことによって形成されており、
   温間ショットピーニングは、コイルの温度が１５０℃〜４００℃であり、ショットの直径が０．６ｍｍ〜１．２ｍｍであり、カバレージが８０％以上で実行され、
   ホットセッチングは、コイルの温度が１５０℃〜４００℃であり、残留せん断歪γが１０×１０ ^−４ 〜４０×１０ ^−４ の範囲で実行され、
   冷間ショットピーニングは、ショットの直径が０．１〜１．０ｍｍであり、カバレージが８０％以上で実行され、
   冷間セッチングは、残留せん断歪γが１×１０ ^−４ 〜１０×１０ ^−４ の範囲で実行され、
   自動車用懸架用コイルばねは、
   ばね素線の少なくとも一部に圧縮残留応力が付与されており、
   その圧縮残留応力が付与された位置における、１３５°と３１５°方向の圧縮残留応力の和と４５°と２２５°方向の圧縮残留応力の和との比が、（１３５°方向の圧縮残留応力＋３１５°方向の圧縮残留応力）／（４５°方向の圧縮残留応力＋２２５°方向の圧縮残留応力）によって求められる場合において、
   素線表面から線径中心に向かう方向への距離が０．２ｍｍの位置における、１３５°と３１５°方向の圧縮残留応力の和と４５°と２２５°方向の圧縮残留応力の和との比が、
   素線表面における、１３５°と３１５°方向の圧縮残留応力の和と４５°と２２５°方向の圧縮残留応力の和との比よりも大きく、
   上記の各角度は、ばね素線の表面上の測定点とばね素線の線径中心とを結ぶ直線と直交する平面上において、ばね素線の一端から他端に向けてばね素線が延びる方向を０°、ばね素線の他端から一端に向けてばね素線が延びる方向を１８０°として測定される角度であり、ばね素線の表面上の測定点とばね素線の線径中心とを結ぶ前記直線は、ばね素線の径方向に平行である、ことを特徴とする自動車懸架用コイルばね。
2. 素線表面から線径中心に向かう方向への距離が０．２ｍｍの位置における、１３５°方向の圧縮残留応力と、３１５°方向の圧縮残留応力とが、８００〜１２００ＭＰａであることを特徴とする請求項１に記載の自動車懸架用コイルばね。
3. ばね硬さがＨＲＣ５０〜５６であることを特徴とする請求項１又は２に記載の自動車懸架用コイルばね。
4. 自動車用懸架用コイルばねは、
   質量比にしてＣ：０．３５〜０．５５％、Ｓｉ：１．６０〜３．００％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｃｒ：０．１０〜１．５０％を含有するとともに、Ｎｉ：０．４０〜３．００％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％、Ｖ：０．０５〜０．５０％のうちいずれか１種類以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる鋼を素材として形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の自動車懸架用コイルばね。

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