Sep 08, 2025
残留ストレスは、製造プロセスにおいて一般的かつ重大な問題です ステンレス鋼のばね 。これは主に、塑性変形中の材料の不均一な流れに起因します。ステンレス鋼線を曲げてバネ状に巻くと、外側の材料が引き伸ばされ、内側の材料が圧縮されます。この不均一な変形により、外力が除去された後でも持続する内部応力が蓄積されます。
残留応力はステンレス鋼スプリングの性能に直接的かつ重大な悪影響を及ぼします。まず、スプリングの弾性限界が減少し、設計荷重に達する前に永久変形が発生します。第二に、残留応力により疲労寿命が大幅に短縮され、繰り返しの荷重サイクル後にバネが早期に破損します。さらに深刻なことに、特定の腐食環境では、残留応力が応力腐食割れ（SCC）の引き金となり、突然の脆性破壊を引き起こす可能性があります。したがって、ステンレス鋼スプリングの高い信頼性と長寿命を確保するには、残留応力を効果的に低減または排除することが重要です。
熱処理:残留応力を除去するためのコア技術
熱処理は、ステンレス鋼スプリングの残留応力を軽減または排除するための最も一般的かつ効果的な方法です。基本原理は、バネを特定の温度に加熱してそこに保持し、材料内の原子が再配置するのに十分なエネルギーを獲得できるようにすることで、冷間加工によって引き起こされる応力を解放して再分配することです。
1。低焼き戻し（ストレス解消）:
これは最も一般的な応力緩和熱処理方法です。マルテンサイト系ステンレス鋼 (420 および 440°C など）およびオーステナイト系ステンレス鋼 (302 および 304 など）の場合、これは通常、より低い温度で実行されます。
オーステナイト系ステンレス鋼 (302、304、および 316): 理想的な応力緩和焼き戻し温度は通常 340°C から 450°C の間です。この温度範囲内では、材料は相変態を起こしませんが、原子の熱運動はほとんどの内部応力を解放するのに十分です。高温では炭化物が粒界で沈殿し、耐食性が低下する可能性があるため、厳格な温度制御が不可欠です。
マルテンサイト系ステンレス鋼 (410、420、および 431): これらのバネは通常、焼入れ後に焼き戻しされるため、温度制御が重要です。応力緩和焼き戻し温度は通常 250-400°C の間であり、必要な硬度と強度を維持しながら残留応力を効果的に低減します。
2。溶液処理と老化:
析出硬化ステンレス鋼 (17-7PH や 15-5PH など）の場合、その極限強度は老化処理によって異なります。成形前に、ワイヤは通常溶液中にあるため、延性が良好です。成形後の経年劣化により、析出相の強度が向上するだけでなく、残留応力も効果的に除去されます。このプロセスは同時に発生します。
機械的処理: 表面特性と応力分布の改善
熱処理に加えて、特定の機械的方法により、ばねの応力状態、特に表面残留応力を効果的に改善することもできます。
1。ショットピーニング:
ショットピーニングでは、小さなスチールまたはセラミックビーズの高速ジェットを使用してスプリング表面に衝撃を与え、圧縮応力層を作成します。
原理: ショットピーニングによって生成される圧縮応力により、表面の引張残留応力を相殺できます。通常、疲労亀裂は表面から発生するため、この圧縮応力層は亀裂の伝播を効果的に妨げ、ばねの疲労寿命を大幅に延ばすことができます。
用途: ショットブラストは、自動車エンジンのバルブスプリングや航空宇宙産業の重要なスプリングなど、高い周期負荷や極端な動作条件にさらされるスプリングに特に適しています。
2。プレストレス:
プレストレスは、「圧縮」または「設定」とも呼ばれ、残留応力を積極的に除去する方法です。
原理: スプリングの製造後、設計荷重を超える圧縮力またはねじり力がスプリングに加えられ、わずかな永久的な塑性変形が引き起こされます。このプロセスによりバネ内の応力が再分配され、荷重が除去された後、作業荷重の反対方向に残留応力が生成されます。
効果: この逆残留応力により、作業応力の一部が相殺され、実際の使用時の応力レベルが低減され、それによってバネの耐荷重能力と耐疲労性が向上します。
プロセス制御と材料の選択
発生源での残留応力の発生を制御することも重要です。
適切なワイヤの選択: 高品質で均一なステンレス鋼ワイヤを選択することが不可欠です。不適切な冷間引抜または冷間圧延プロセスにより、過度の内部応力が発生する可能性があります。
成形プロセスの最適化: 巻線速度や送り速度などの巻線機のパラメータを調整することで、より均一な材料変形を実現できます。高度な CNC 機器は成形プロセスをより正確に制御し、不均一な変形を軽減します。
正確なプロセス制御: 工場に入るワイヤーから最終熱処理まで、あらゆる段階で厳格なプロセスパラメータ制御が必要です。たとえば、熱処理炉の温度均一性、ランプアップ速度とランプダウン速度、保持時間を正確に監視する必要があります。
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