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バネの熱処理

 

ばねの熱処理はいろいろありますが、ここでは冷間成形後に行う低温焼なましについて説明します。低温焼なましは、テンパーとかブルーイングともいいます。作業は電気炉(テンパー炉)で行います。

低温焼なまし(テンパー)の目的

低温焼なましは、コイリングの成形後に行う場合と、ショットピーニング後に行う場合があり、目的はそれぞれ異なります。
1.コイリング後に行われる低温焼なましの目的
①バネを成形するときに発生する有害な残留応力を取り除き、寸法を安定させる目的で行います。有害な残留応力とは、バネを成形したあとに材料が元の形状に戻ろうとして内部に発生する力のことをいいます。 
②材料の機械的性質(弾性限や耐力)を改善し、疲労強度を向上させる目的で行います。バネの材料は冷間引抜加工を行って製造しています。そのときに発生した加工硬化を改善します。
2.ショットピーニング後に行われる低温焼なましの目的
ショットピーニングしたバネはヘタリやすい状態になるので、低温焼なましにより弾性を回復させ、疲労強度を向上させる目的で行います。

低温焼なましの温度条件

1.材質の違いによる温度条件

 

①硬鋼線・ピアノ線

 一般的なバネ→300℃~350℃

 初張力を必要とするバネ→200℃~250℃

 

②バネ用ステンレス鋼線

 →350℃~400℃

 

③オイルテンパー線

 弁ばね用シリコンクロム鋼オイルテンパー線(SWOSC-V)の場合

→400℃~450℃

 

2.ショットピーニング後の温度条件

温度が高すぎると、ショットピーニングによって付けた有益な残留応力が抜けてしまい、ショットピーニングをした効果が減少するので、低温で行います。一般的には200℃~250℃で行います。

 

 

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テンパーカラー

低温焼なましをすると、温度の上昇にともない材料表面に薄い酸化膜が形成されて色が付きます。これをテンパーカラーといいます。

 

温度が上昇するにつれて、淡黄色→褐色→紫色→青色→灰色と変化します。温度と色の関係はあくまでも目安です。

 

また、材料メーカーによって表面の皮膜や潤滑油が異なり、テンパーカラーの付き方が微妙に異なります。

 

 

低温焼なまし(テンパー)による寸法変化

低温焼なましをして残留応力を除去すると、成形後の内部応力のバランスが崩れてバネの寸法は変化します。バネの仕様や材料ロットごとに、この変化量は異なります。

 

バネの成形は、サンプル焼きをして変化量を確認し、その変化量を見越して行います。また、変形の仕方は材質によっても異なります。

 

①硬鋼線・ピアノ線・オイルテンパー線の変化の仕方

炭素鋼系の材料は、巻いた方向に巻き込むように変化します。コイル径は小さくなり、その分だけ自由長は長くなります。

 

②バネ用ステンレス鋼線の変化の仕方

バネ用ステンレス鋼線の場合は、炭素鋼系とは逆の変化をします。コイル径は大きくなり、自由長は短くなります。なぜ逆に変化するのかは、金属組織が影響しているようですが、はっきりとした理由はまだ解明されていません。

 

 

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引張ばねの低温焼なまし(テンパー)

引張バネと熱処理については、注意する点があります。引きバネには初張力があり、これと熱処理との関係が問題になります。また、フックの強度と熱処理も問題になります。

 

1.初張力と低温焼なまし

低温焼なましの温度の上昇とともに、引きバネの初張力は抜けていき、力の弱いバネになります。強い初張力が欲しい場合は、低温(200℃~250℃)で行います。場合によっては、低温焼なましを省略することもあります。

 

低温でテンパーをした場合の問題点は、有害な残留応力が抜けきらないことです。そのため、設計時には押しバネのときよりも許容応力を低く設計する必要があります。

 

また、熱処理により、初張力は一般的には20%~30%くらいは抜けるので、これを計算に入れて設計する必要があります。

 

2.フックと低温焼なまし

低温焼なましにより加工性が劣化するので、一般的にフックの加工は熱処理の前に行います。しかし、フックの角度精度などの理由により、先に熱処理をして、変化寸法を確定させてから、フックの加工を行うことがあります。

 

その場合には、フック加工により生じた有害な残留応力を取り除くため、加工後に再度熱処理を行います。これをしないと、フック部の折損が早期に発生することがあります。

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