JPH01208440A - β型チタン合金製スプリングの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、自動車用スプリング等に好適な、軽量でか
つ高疲労強度のβ型チタン合金製スプリングを低コスト
で製造する方法に関するものである。

〈従来技術とその課題〉 従来、自動車用スプリング類はパテンティング処理した
高炭素鋼を用いて製造されていたが、最近、エンジンの
高トルク・高回転数化の要請が強くなったことに伴い、
特に自動車エンジン用バルブスプリングを中心に、その
軽量化・高強度化を目的としたチタン材の使用が検討さ
れつつある。

ただ、この場合、素材が純Ｔｉであると製品は強度不足
となり、また（α＋β）型チタン合金では硬度・強度は
高いが延性が低いために冷間伸線性が悪いと言う問題が
あって、これらは冷間成形バネの素材として不適なもの
であった。これに対してβ型チタン合金の溶体化処理材
は、延性に優れているので伸線時に断線が生じず、冷間
加工後の硬度も高く、しかも後工程で時効することによ
り更に強度アップが可能である等の特性を有することか
らスプリングの成形素材として極めて有望なものと考え
られている。

そのため、例えばじＢｅｔａ　Ｔｉｔａｎｉｕ＋＋＋＾
１ｌｏｙｓ　１ｎｔｈｅ　１９８０’ｓ”（１９８０年
発行）」の第２８１頁には熱間スウェージー溶体化処理
（８１５℃ｘ３０分後空冷）−センタレスグラインド−
表面清浄化−冷間コイリング−時効処理（４９６℃×１
６時間後空冷）−ショットピーニング なるβ型≠タン合金製スプリングの製造工程が、そして
「“Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃ
ｅ　Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇｗｉｔｈ　Ｔｉｔａｎｉｕｍ”
（１９８６年、Ｂｒｌｓｔｏｌ発行）」の第１６６頁」
にも １６φ棒→溶体化処理→伸線（２０〜３５％）又はその
まま−コイリング→時効処理→ショットピーニング なるβ型チタン合金線材を利用してスプリングを製造す
る工程がそれぞれ提案されている。

しかしながら、β型チタン合金には前記のようなスプリ
ング成形素材として好ましい特性がある反面、伸線時の
潤滑が難しく（もっとも、これはチタン合金金ての問題
でもある）、従来の単に潤滑油を使用しただけの伸線作
業では焼付きが生じ易くて工業的規模での作業が困難で
あると言う問題も見られた。

通常、冷間伸線時の焼付き防止法としてはミ素材が鉄鋼
の場合には一般にリン酸亜鉛潤滑処理が採用される。し
かし、前記β型チタン合金を含めたチタン合金は化学的
に不活性なため、この種の化成処理を施すことができな
かった。

もっとも、最近、酸化処理によって素材表面に酸化皮膜
を形成し、この酸化皮膜を潤滑下地皮膜として利用する
手段が開発され（特開昭６２−１４９８５９号公報参照
）、チタン合金材の伸線作業に適用することも試みられ
ている。

しかしながら、β型チタン合金では、適正な条件下で酸
化皮膜を形成させた場合には確かに伸線時の耐焼付性は
良好であるが、伸線中に該酸化皮膜に割れが発生し、こ
れに起因して母材にミクロクラックが発生すると言う現
象が見られた。母材に発生するこのミクロクランクは、
後工程で時効処理を施した場合に割れを拡大し、最終製
品の疲労強度を劣化させる原因となるものであった。つ
まり、酸化皮膜を利用して伸線したβ型チタン合金線材
を素材とし、これをコイリングした後時効処理してスプ
リングを製造したとしても、表面にクランクが入った製
品しか得られないために製品バネの疲労強度が低いと言
う問題を如何ともし難かった。

その上、潤滑下地皮膜として酸化皮膜を形成せしめた場
合には伸線後の下地皮膜除去（脱スケール）が難しく、
硝弗酸酸洗による皮膜除去を試みても肌荒れが生じ易い
との問題もあった。

〈課題を解決するための手段〉 本発明は、上述のような観点から、β型チタン合金の伸
線作業に見られる前記問題等を克服し、軽量かつ高強度
のスプリングを工業的規模で安定生産し得る方法を提供
すべく研究を重ねたところ、次に示すような知見を得る
ことができた。

（ａ）　　脱スケールしたβ型チタン合金材に亜鉛又は
亜鉛と鉄とを含む粒によるプラスト処理を施すことによ
り亜鉛層又は鉄亜鉛合金層を物理的に形成させると、化
成処理が困難なβ型チタン合金面にも耐焼付性の良好な
リン酸亜鉛皮膜形成処理が可能となるが、このようにし
てリン酸亜鉛処理を行ったβ型チタン合金材に反応型せ
っけん処理による潤滑又は乾式粉末によるダイス前潤滑
を適用すると、高減面率の冷間伸線加工が焼付の発生を
伴うことなく可能となる。

（ｂ）　　上述のように形成されたリン酸亜鉛下地皮膜
は伸線中にクラックを生じることがなく、従って母材の
疲労強度に悪影響を及ぼす恐れもない。

（Ｃ）　　また、上記リン酸亜鉛皮膜は除去が極めて容
易で（加熱や塩酸処理にて簡単に除去される）、肌荒れ
を生じることもない。

（ｄ）　　そのため、上記手段にて伸線されたβ型チタ
ン合金線材にコイリング等の加工を施してバネに成形し
、所定温度で時効処理すれば、非常に軽量で、疲労強度
を含めて高い強度を有した高弾性限のバネ製品が得られ
る。

本発明は、上記知見事項等を基に完成されたものであり
、 「脱スケールしたβ型チタン合金表面に亜鉛又は亜鉛と
鉄を含む粒子を投射して亜鉛又は鉄亜鉛合金皮膜を形成
せしめ、次いでリン酸亜鉛処理を行ってから潤滑処理を
施して冷間伸線し、得られたβ型チタン合金線材をコイ
リング後、３５０〜５５０℃で時効するか、その後更に
、脱スケール及び疲労強度向上のためのショツトブラス
ト又はショットピーニング処理を施すか、或いはこのシ
ョト処理に加えて弾性限の更なる改善を目的とした低温
焼鈍を行うことにより、疲労強度の高い高性能のβ型チ
タン合金製スプリングを安定生産し得るようにした点」 に特徴を有するものである。

第１図は、これら本発明に係るβ型チタン合金製スプリ
ングの製造方法を図式化した主要工程図であるが、出発
素材たるβ型チタン合金としては、例えばＴｉ　　１５
Ｖ　−３Ｃｒ　　３Ａｆｆｉ　−３３ｎ合金やＴｉ−３
ＡＮ　−８Ｖ　−６Ｃｒ　−４Ｍｏ　−４Ｚｒ合金が好
適である。

処理に当って、まず、上記β型チタン合金素材は脱スケ
ールされるが、脱スケール法としてはショツトブラスト
やショットピーニング等のメカニカルデスケーリングを
採用するのが良い。特にショツトブラストは素材表面を
適度に荒らすため、後工程の鉄・亜鉛粒ブラストの際の
鉄亜鉛合金層の付着性が良く、耐焼付性が高まる。その
上、メカニカルデスケーリングであればインライン化が
容易で、処理コストの低減の面からも好ましい。

なお、ショツトブラストの場合の投射条件番よ、通常の
炭素鋼と異なり生成スケールが取れ難いことから投射密
度を数倍多くする必要がある。

次の潤滑に関する工程は 鉄・亜鉛粒ブラスト−リン酸亜鉛処理−反応型せっけん
処理又はダイス前乾式潤滑 なる流れとなるが、少なくとも亜鉛又は亜鉛及び鉄を含
む粒子によるブラスト（鉄・亜鉛粒ブラスト）はインラ
インで連続的に行う必要がある。なぜなら、コイルの状
態ではショツト粒が当たらない部分ができ問題となる。

従って、第１図の全工程をインラインで連続的に行うの
がコスト及び品質上好ましい。

鉄・亜鉛粒ブラストに適用されるブラスト材としては、
例えば特公昭５９−９３１２号公報に開示されている如
き“鉄粒を核とし、該核の表面に鉄亜鉛合金層を介して
亜鉛が付着した粒”を採用するのが良く、これを通常の
方法でプラストすれば圧延製造されたβ型チタン合金線
材等の表面に所望厚の鉄亜鉛合金層が形成される。なお
、この鉄亜鉛合金層の付着量は、後工程のリン酸亜鉛処
理性、潤滑材の保持性、経済性、生産性等を考慮すると
１〜４０ｇ／ｒｒｆに調整するのが好ましい。即ち、前
記付着量がＩｇ／ｎ？未満ではＴｉ合金素材の全表面を
カバーできないので後工程のリン酸亜鉛処理性が劣り、
また伸線加工時の潤滑剤保持性にも劣ることとなる。他
方、４０ｇ／ｒｒｉを超える付着量になると、該鉄亜鉛
合金層の付着に要する時間が長くかかり、潤滑効果の割
りには作業性に劣ることになる。

潤滑下地となるリン酸亜鉛処理は、バ・ノチ処理或いは
インライン処理の何れであっても良く、皮膜付着量ニア
ｇ／ｒ＋（以上を確保できる条件で処理が行われる。

さて、潤滑処理としては、周知の“反応型せっけん層を
形成する手段”或いは“乾式潤滑粉末を付着させるダイ
ス前潤滑法”の何れかで実施されるが、反応型せっけん
処理の場合には、反応型せっけん付着量：２ｇ／ｒｒｆ
以上が確保できる条件で行われる。なお、反応型せっけ
んとしてはステアリン酸カルシウム又はステアリン酸ナ
トリウムが好適である。反応型せっけん処理後の乾燥は
、基本的には大気中での自然乾燥でよいが、速乾性を必
要とする場合は熱風乾燥炉、赤外線乾燥炉、高周波誘導
加熱炉等を用いればよい。

そして、乾式潤滑粉末を用いるダイス前潤滑の場合は、
市販のダイス潤滑剤（例えばコーシンＹ１０７〔商品名
：共栄社油脂に、に、）　）が適当ある。

潤滑処理後のチタン合金材の潤滑皮膜の構造を第２図及
び第３図に示すが、反応型せっけん処理を施した第２図
のものではβ型チタン合金素材の上に鉄亜鉛合金層、リ
ン酸亜鉛皮膜層１反応層。

及び反応型せっけん層が積層した構造となり、乾式潤滑
粉末を適用するダイス前潤滑方式では、第３図に示すよ
うにβ型チタン合金素材の上に鉄亜鉛合金層、リン酸亜
鉛皮膜層、乾式粉末潤滑剤皮膜層が積層した構造となる
。

続いて、このように潤滑処理されたβ型チタン合金素材
は冷間伸線加工されるが、冷間伸線には、通常の引抜ダ
イス又はローラーダイスが用いられる。この場合、ロー
ラーダイスの方が伸線の際の焼付が極力防止できること
から好ましい。なお、冷間伸線加工は、塑性歪を与えて
後工程の時効を短時間化させたり、寸法精度を良好にす
るために必要な工程である。

冷間伸線加工後のβ型チタン合金素材は、コイリングに
よってスプリングとされ、更に３５０〜５５０℃の時効
処理により高弾性限を付与される。

ここで、時効温度を３５０〜５５０℃としたのは、該温
度が３５０″Ｃを下回ると時効硬化が起こらず、一方、
５５０℃を越えると過時効となって軟化し製品バネの疲
労強度が低下するとの理由による。

ところで、コイリング後に残存している潤滑皮膜は、理
想的には時効処理前に湯洗いと５％塩酸で除去しておく
のが良いが、そのままに放置しておいても時効処理での
加熱により皮膜中の結晶水が奪われるので、後工程であ
るシヨ・ノドピーニング等の工程において簡単に除去さ
れてしまう。

時効処理は、好ましくは真空中で行うのが良む）が、大
気中で行っても疲労強度が低下する等の問題を生じるこ
とはない。

更に、脱スケールや、疲労強度向上のためにショット工
程を入れることは望ましいことである。

つまり、時効処理後のショツトブラスト又はシロットピ
ーニングは製品スプリング表面に圧縮残留応力を生ぜし
め、疲労強度の向上をもたらす。この場合、ショツト材
として通常のカットワイヤー等を使用すれば十分である
。

引き続いて、低温焼鈍（１５０〜３５０℃）により弾性
限を向上させ、疲労限を更に向上させることが推奨され
るが、ショツトブラスト又はショットピーニング後の低
温焼鈍温度を１５０〜３５０℃と限定したのは、該焼鈍
温度が１５０℃を下回ると歪時効が起こらないために降
伏点を上昇させることができず、一方、３５０℃を超え
る温度で焼鈍を行うとショットピーニング工程で生じた
圧縮残留応力が消失したり、過時効となって降伏点が低
下するためである。

次いで、この発明の効果を実施例によって具体的に説明
する。

〈実施例〉 実施例　１ まず、常法によって第１表に示す成分組成のβ型チタン
合金インゴットを溶製し、これを１０５０℃に加熱した
後、９４０℃の温度で圧延して５．５ｎφの線材とし、
インライン処理でシヨ・ノドブラスト（投射密度：約４
５００　ｋｇ／ｒｒＦ、　ショット材：０．３１１φの
鋼球）を施してから、鉄・亜鉛粒のプラストにより線材
表面に付着量約１０ｇ／ｒｒｒの鉄亜鉛合金層を形成し
た。引き続いて該線材表面温度を８０℃に蒸気予熱した
後、リン酸亜鉛処理（全酸度；１５０ポイント、処理温
度二り０℃、処理時間：２０秒、皮膜付着量：６．８ｇ
／ｒｒｒ）を施し、水洗の後、ステアリン酸ナトリウム
処理（湯度：約３ポイント、処理温度：８０℃、処理時
間：５秒、付着量：反応層が約１．３ｇ／ｒｒｉで湯温
せつけん皮膜が約４．３ｇ／ｍｌ）を施し、約２００℃
で乾燥してから、伸線（５，５鶴φ−４，００鶴φ）し
て得られた線材と、脱スケール−鉄・亜鉛粒ブラスト→
リン酸亜鉛皮膜処理−水洗 までは上記と同一の条件で実施し、ステアリン酸ナトリ
ウム処理（反応型せっけん処理）を省略し、約２００℃
で乾燥後、市販の乾式粉末潤滑剤（付着量：５．６ｇ／
イ）を用いて伸線（５，５ｍφ−４，ＱＯｍφ）して得
られた線材とについてコイリングを行いスプリング形状
とした後、大気中にて５００℃×２時間の時効を行った
。そして、その後更にショットピーニング（０，８ｍφ
カットワイヤー）を施し、引き続いて２５０℃×３０分
の低温焼鈍を行ってスプリングを製造した。

この製品スプリングについて疲労強度を測定した結果を
、第２表に示した。なお、第２表における疲労強度［τ
）　（ｋｇ／ｒＨＡ）はτ＝τ１±τ。

で表わされるものであって、平均応力を６０ｋｇ／ｍｍ
”とし、応力振幅を変化させて　１０６まで疲労破壊し
ない最大の応力振幅として求めた。

また、第２表には、比較のため、ショツトブラストにて
脱スケール後、Ａ素材は６００℃×１０分後放冷、Ｂ素
材は６５０℃×１０分後放冷で酸化スケールを付着させ
（大気中焼鈍）、続いて真空中で９５０℃×２０分の溶
体化処理を施し、その後フッ素系樹脂（商品名：　ＡＧ
−Ｌｕｂ）塗布及び自然乾燥の後、伸線（５，５ｍφ→
４．ＯＯｍａφ）して得られた線材を用い、前記本発明
例と同じ工程で製造したスプリング（即ち、従来法で製
造したスプリング）に関する疲労強度測定結果も示した
。

第２表に示される結果からも明らかな如く、従来法（従
来例）で得られたβ型チタン合金製スプリングは疲労強
度が低く、製品としての価値が劣るのに対して、本発明
で規定される条件通りに製造されたスプリングは優れた
疲労強度を有していることが分かる。

なお、従来法で得られた比較スプリングでは、時効の後
、“コーレンソルト＋硝弗酸”にて脱スケールを行うと
スプリング内面に軸と直角方向の小さな割れが認められ
、スプリングとして問題のあることが確認された。

ところで、本発明法になるβ型チタン合金製スプリング
の硬度は何れもＨｖ４００以上となっていたが、このス
プリングの詳細仕様を第３表に示した。

実施例　２ 第１表の供試材Ｂより、実施例１におけると同様の反応
型せっけん処理を含む工程で製造された４、００ｍφの
線材をコイリングした後、時効温度を種々変えて時効処
理（処理雰囲気は大気中）し、その後ショットピーニン
グ及び２５０℃Ｘ３０分の低温焼鈍を順次節して製造し
たスプリングの疲労強度を第４表に示す。

第　　　４　　　表 （注）疲労試験の繰り返し数は１０６゜第４表に示され
る結果からも明らかなように、時効温度が３５０〜５５
０℃の範囲内であれば疲労強度の高いスプリングが得ら
れるのに対して、時効温度が前記範囲から外れていると
疲労強度の劣るスプリングしか得られないことが分かる
。

実施例　３ 第１表の供試材Ｂより、実施例１におけると同様の反応
型せっけん処理を含む工程で製造された４、００ｍφの
線材をコイリングした後、５００℃×２時間の大気中時
効を行い、更にショットピーニングを施してから種々の
温度で低温焼鈍することにより製品スプリングを得た。

このようにして得られたスプリングの疲労強度を測定し
、その結果を第５表に示した。

第５表に示される結果からは、低温焼鈍温度を施す場合
には該焼鈍温度が１５０〜３５０℃の範囲内であれば高
い疲労強度の製品スプリングが得られるのに対して、低
温焼鈍温度が前記範囲から外れているとスプリングの疲
労強度が劣ることが分かる。

第　　　５　　　表 （注）疲労試験の繰り返し数は１０６゜実施例　４ 第１表の供試材Ｂより、実施例１におけると同様の反応
型せっけん処理を含む工程で製造された４、００ｍｍφ
の線材をコイリングした後、５００℃×２時間の大気中
時効を行ったスプリング（試験番号１７）、これに引き
続いてショットピーニングを施したスプリング（試験番
号１８）、更にその後２５０℃×３０分の低温焼鈍を行
ったスプリング（試験番号１９）についてそれぞれ疲労
強度を測定したが、その結果を第６表に示す。

第６表に示される結果からも明らかなように、何れも良
好な疲労強度を示すスプリングが得られているが、疲労
強度は試験番号１７によるもの、試験番号１８によるも
の、試験番号１９によるもの順に向上していることが確
認できる。

第　　　６　　　表 （注）疲労試験の繰り返し数は１０６゜〈発明の効果〉 以上に説明した如く、この発明によれば、疲労強度に優
れた軽量・高品質のβ型チタン合金製コイル型スプリン
グを低コストで製造することができ、自動車用部品のみ
ならず、航空機部品、一般民生用機器類等の性能向上に
大きく寄与することが可能となるなど、産業上極めて有
用な効果がもたらされる。なお、本発明に係る方法は、
コイル型スプリングのみならず、β型チタン合金の高強
度線材の製造方法として一般に適用できることは言うま
でもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るβ型チタン合金製スプリングの
製造方法を図式化した主要工程図である。 第２図は、反応型せっけん処理を施したものの潤滑皮膜
構造を示す概略模式図である。 第３図は、乾式粉末潤滑剤を適用した場合の潤滑皮膜構
造を示す概略模式図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）脱スケールしたβ型チタン合金表面に亜鉛又は亜
   鉛と鉄を含む粒子を投射して亜鉛又は鉄亜鉛合金皮膜を
   形成せしめ、次いでリン酸亜鉛処理を行ってから潤滑処
   理を施して冷間伸線し、得られたβ型チタン合金線材を
   コイリング後、３５０〜５５０℃で時効することを特徴
   とするβ型チタン合金製スプリングの製造方法。
2. （２）脱スケールしたβ型チタン合金表面に亜鉛又は亜
   鉛と鉄を含む粒子を投射して亜鉛又は鉄亜鉛合金皮膜を
   形成せしめ、次いでリン酸亜鉛処理を行ってから潤滑処
   理を施して冷間伸線し、得られたβ型チタン合金線材を
   コイリング後、３５０〜５５０℃で時効し、更にショッ
   トブラスト又はショットピーニング処理を施すことを特
   徴とするβ型チタン合金製スプリングの製造方法。
3. （３）脱スケールしたβ型チタン合金表面に亜鉛又は亜
   鉛と鉄を含む粒子を投射して亜鉛又は鉄亜鉛合金皮膜を
   形成せしめ、次いでリン酸亜鉛処理を行ってから潤滑処
   理を施して冷間伸線し、得られたβ型チタン合金線材を
   コイリング後、３５０〜５５０℃で時効し、更にショッ
   トブラスト又はショットピーニング処理を施してから再
   度１５０〜３５０℃の低温焼鈍を施すことを特徴とする
   β型チタン合金製スプリングの製造方法。