(有)加賀スプリング製作所

高い疲れ強さを要求されるばねにはショットピーニングを施工されます。
ショットピーニングを行うとばねの表面には圧縮残留応力が形成され、引張方向の負荷応力を受けると、負荷応力を軽減する働きがあり、結果として疲れ強さを向上さますが、ショットピーニングも一種の塑性加工であり、表面には残留応力とともに微視的なひずみも残りまする。
ショットピーニングを受けた材料は、微視的ひずみの導入によりねじり降伏点が低下し、ばねとしてはへたりやすい状態にはなりますが、ショットピーニング後の低温焼なましは、このねじり降伏点を回復させ、耐へたり性を向上させる特性があります。残留応力は低温焼なまし温度の上昇とともに減少する。よって、この低温焼なまし条件には圧縮残留応力を残しつつ、材料の降伏点を高める条件を求められます。

オイルテンパー線のばね製造工程ごとのねじり降伏点の変化
SWOSC－VΦ4mmのショットピーニングと低温焼なましによるねじり降伏点の変化 

ショットピーニング後の低温焼なましと残留応力及び疲れ強さの関係 
ショットピーニング後の低温焼なましによる残留応力の変化と疲れ強さ

上記両図よりへたりを重視する場合には300℃でもよいが、その場合、残留応力の消失が大きくなり、疲労強度が低下を招いてしまう。そのようなことからショットピーニング後の低温焼なましには200～250℃の温度条件が最良とされています。
ショットピーニング後の低温焼なましで降伏点が回復するのは、鋼中の炭素のひずみ時効という現象を利用しているためであり、この現象はステンレス鋼も含め、どの鋼でも同じように生じるので、処理条件は上記の条件が共通して適用できます。

低温焼なまし条件ばねの材質や使用日的によって異なり、全てとは言えないですが、耐疲労性を求められる線ばねには下図のような条件が奨められています。

ばねの低温焼なましの標準条件

ばねの成形後、内部応力の釣り合いがとれた安定状態となっているので、ばねは成形後の形状を保っている。
低温焼なましにより残留応力を除去すると、この釣り合いが崩れてばねの形状や寸法に変化が生じます。
その変化の方向は材料によって違ってきます。ピアノ線・硬銅線・オイルテンパー線といった炭素鋼系の場合は、
巻いたばねを更に巻き込む方向に変化して、コイル径は小さくなり、自由長は長くなる。
一方、ステンレス鋼線の場合は、巻いたばねが戻る方向に変化して、コイル径は大きくなり、自由長は小さくなる。実際には量産に先立ち、低温焼なましを行って寸法を確認してから成形していくのが一般的です

低温焼なましによるコイルばねの変形方向と変形量

ばねに低温焼なまし処理を施すと材料表面の色が変わります。
これはばね材料の金属表面が温度の上昇により酸化されて、ごく薄い酸化膜が形成されることが原因で、
低温焼なましにより色がつくのは、金属の光の反射がこの酸化膜を通すことにより光の干渉現象が起こることです。
また、温度により色が変わるのは、この干渉度が酸化膜の厚さによって変わるためで、
酸化が進み、酸化膜が厚くなると、干渉は起こらずスケールの色（灰色）となることがあります。

また、ばね材料の表面には伸線のための潤滑剤あるいは防錆油が付着していることが通常ですのでこれらの付着物により上表のテンパーカラーは同じ低温焼なまし温度でも微妙に異なる。潤滑剤や防錆油は材料製造業者によっても種類が異なるので下表は目安となります。

ステンレス鋼線の場合はピアノ線の2倍の温度で同じテンパーカラーがつくとされているが、バネね用ステンレス鋼線には潤滑剤としてニッケルめっきのあるものと無いものがあり、ニッケルめっきありの時ははテンパーカラーがつきにくいが、製造業者によりこのテンパーカラーの付きやすさも異なります。

低温焼なましによるコイルばねの変形方向と変形量

[tag:テンパーカラー 低温熱処理]

初張力は引張コイルばねにおいては重要なばね特性の一つですが、下図のように初張力は低温焼なましを行うと温度の上昇ともに減少するのが普通です。引張コイルばねにおいて初張力が大きく低下しない範囲でかつなるべく高い温度（ピアノ線・硬銅線の場合は200～250℃程度）で低温焼なましを行います。
この温度は一般のばね成形後に行われる低温焼なまし温度より低いので、除去される残留応力も少なく、安全な製作とは言えないです、よって引張コイルばねの許容設計応力は圧縮コイルばねの設計応力より低く設定します。
引張ばねへの要求特性として非常に高い初張力が設定されることがありますがが、そのような場合は低温焼なましを実施しない時もあります。こような時は更に設計応力を低くする必要がある。
引張コイルばねにおいて更に注意しなければならないのは、引張コイルばねのフック部加工です。低温焼なましにより加工性が劣化するので、フック加工はなるべく低温焼なまし前に施工するのが良いのですが、精度の点からどうしても低温焼なまし後に加工を行う必要があります。このような時は加工後に再度、低温焼なましを行わないと、この加工により発生した残留応力が除去されず、思わぬ不具合を発生させる原因となるので注意が必要です。

引張コイルばねの初張力に及ぼす低温焼なまし温度の影響

コイリング、プレス曲げなどの塑性加工によって発生した有害な残留応力は、低温焼なましにより除去します、
この温度が高いほどよく除去されますが、温度が高すぎると素材強度自体が低下を招くこともあり、
加熱温度と保持時間の設定には十分に注意をする必要があります。

低温焼なましの温度や時間といった条件は、ばね材料、ばねの種類、用途、材料、寸法等の要素によって異なり、低温焼なましを正確に行うには低温焼鈍による諸特性の変化を見極めることが重要になってきます。

ピアノ線の低温焼きなまし温度と機械的性質の関係

[tag:低温焼きなまし]

熱処理：疲れ強さ及び耐へたり性に及ぼす影響
有害な残留応力の除去という観点からは、低温焼なまし温度は高温であること望ましいのですが、あまり高温の処理を行うと材料の強度が低下して、疲れ強さ及び耐へたり性は劣化してしまうので注意が必要です。低温焼なまし時間は、残留応力の除去が飽和する20～60分ぐらいを目安にする。この時間はばねの質量に左右され、小さなばねではこれより短時間でも良い場合もあります、高温短時間の処理は、バラツキを生みやすくを避けるようにすべきです。

ピアノ線の低温焼きなましと疲れ強さの関係

SWOSC-VとSWP-Vの低温焼きなまし温度とヘタリの関係

低温焼きなましの最も大きな目的は、ばねの成形後の残留応力の除去です。ばね成形時に生じた残留応力の除去は、低温焼きなまし時間よりも温度の高さに依るところが大きく50分以上時間を掛けても大きな改善には繋がらないです。

SWOSC-Vの低温焼きなまし条件と残留応力の関係