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チタンばねの製造・加工について

チタンばねの製造工程は、一般のピアノ線や硬鋼線などのバネ材料と同じです。チタンは冷間成形加工も熱間成形加工もできます。

 

一般的な製造工程は次のようになります。ショットピーニングとセッチングはは必要に応じておこないます。

 

 材料→コイリング→熱処理→(ショットピーニング)→(セッチング)→表面処理

 

 

 

>チタンばねの特徴

 

>チタンばねの材料の種類 

 

>ばねの製造工程 

 

>耐食性ばね 

 

>ばね製品の使用例

 

>ばねの試作 1個でも…

 

>店頭でのご相談

 

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チタン材料の成形性

純チタンは室温で曲げ加工やプレスができる一般的なチタン材料です。

 

αチタン合金やα-βチタン合金は、そのままでは成形が難しく、熱間で成形しなければなりません。

 

βチタン合金は、室温での成形が可能です。成形後に時効熱処理を行うことで、強い引張り強さ(1300~1500Mpa)を得ることができます。

 

チタン材料は、一般のばね材料に比べてスプリングバックが大きくなる傾向があります。

 

スプリングバック…曲げ加工の治工具を加工後に材料から離すと、材料が曲げた形状を維持せずに元の形状に戻ろうとすること。

 

 

 

>チタンばねの特徴

 

>チタンばねの材料 

 

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チタンのコイリング

チタンを裸線のまま機械でコイリングすると、加工治具(ローラー、コイリングピンなど)と摩擦して高温となり、焼き付けを起こします。

 

チタン材料が焼き付くと、ツールマークが付いたりムシレたりします。チタンばねの焼き付きは、ばねに必要な荷重や寿命が得られず、早期の折損に至る確率が高くなります。

 

チタンの焼き付き防止の対策として、次の方法が考えられます。

①コイリングマシンではなく、芯金巻きでバネを成形する。

②ニッケルコーティングしたチタン材料を使用する。

③摩擦熱が高くならないように潤滑油で冷却しながらコイリングする。

 

 

 

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どチタンばねの熱処理

チタンの熱処理については、現在のところ特に規格があるわけではありません。どのような熱処理でどの程度の強度を得るのかは、使用用途や使用条件などを考慮して、ばねメーカーと当事者間で決めることになります。

 

チタン合金は一般のバネ鋼と異なり、引張強さが低いほど疲労強度が大きくなる傾向があります。また、へたり性は一般のばね鋼よりも優れた特性を示します。

 

また、チタン合金は熱処理による変化量が大きく、変化の方向は一般のバネ鋼と逆の傾向を示します。

 

チタンの熱処理には、①応力除去 ②焼鈍 ③容体化 ④時効 の4種類があります。

 

①応力除去のための熱処理は、一般のばね材料でも行います。テンパー(低温焼鈍)ともいい、冷間成形する過程で生じた内部応力のひずみを取り除いて、成形後の変形やヘタリなどを防ぎます。

 

②焼鈍は、金属組織を再結晶させ、組織の安定化・寸法の安定化、機械的性質の向上を目的に行います。

 

③容体化熱処理とは、高温から急冷することで、本来高温状態で示す性質を室温でも維持できるようにする熱処理です。本来は室温(冷間成形)できない硬いものが、室温でも成形することができるようになります。

 

④時効熱処理とは、容体化した材料に熱処理をすることで、必要な引張強さを得るためにする熱処理です。容体化することで室温での成形が可能になり、時効熱処理をして強度を出します。

 

参考資料として、AMS規格(航空宇宙材料規格)のAMS H 81200規格(薄板・厚板)の熱処理条件を次に示します。

この資料は板材料の場合なので、線材とは条件が違います。板厚や線径によって条件が変わってきます。あくまでも参考資料として、お考えください。

 

 

  純チタン

α-βチタン合金

Ti-3Al-2.5V

βチタン合金

Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al 

応力除去

480~595℃

15~240分

370~595℃

15~120分

 790~895℃

30~60分

焼鈍

650~815℃

15~120分

650~790℃

30~120分

 760~815℃

3~30分

容体化

760~815℃

2~30分 

時効

 480~675℃

2~24時間

 ※チタン合金の化学成分の前の数字は、成分%を示します。

 

 

 

>ばねの熱処理

 

>板ばねの硬さと熱処理

 

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チタンばねのショットピーニング

チタンばねは、オイルテンパー線などの材料と同じように、ショットピーニングをすることで疲労強度が向上するといわれています。

 

しかし、ショットピーニングの加工条件については、まだまだ不明な点が多い状態です。

 

 

 

>ばねのショットピーニング

 

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チタンばねの表面処理

チタンばねに対する表面処理は、耐食性よりも耐摩耗性を目的に行います。チタンは耐食性に非常に優れた材料ですが、耐摩耗性については弱く、チタンの欠点となっています。

 

チタンに表面処理をするのは、この耐摩耗性に対する対策として行います。チタンは非常に活性な金属で、繰り返し数の多いバネでは、線間接触を起こし、接触部分が凝着摩耗するおそれがあります。

 

チタンの表面処理は難しくピアノ線や硬鋼線のように簡単ではありません。比較的耐摩耗性に効果のあるメッキとして、無電解ニッケルメッキ(Ni-P)があげられます。

 

チタンの表面処理を効果的に安価に行う技術は、今後の課題とされています。

 

 

 

>ばねの表面処理

 

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