壓縮螺旋彈簧及其制造方法技術(shù)

將由盤繞加工帶來的拉伸殘留應(yīng)力消除并在線材表面形成C濃化層而賦予適當(dāng)?shù)膲嚎s殘留應(yīng)力分布，由此使用便宜的線材提供高耐久性的壓縮螺旋彈簧及其制造方法。一種壓縮螺旋彈簧，使用以重量%含有0.45%～0.80%的C、0.15%～2.50%的Si、0.3%～1.0%的Mn、其余部由鐵及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的當(dāng)量圓直徑為2.5mm以上10mm以下的鋼線材，其特征在于，任意的線材橫截面中的內(nèi)部硬度為570～700HV；在表層部具有超過鋼線材中含有的C的平均濃度的C濃化層；在對線材的螺旋彈簧內(nèi)徑側(cè)的彈簧加載壓縮載荷的情況下發(fā)生的大致最大主應(yīng)力方向上，無負(fù)荷時的距線材的表面0.2mm深度處的壓縮殘留應(yīng)力為200MPa以上，并且距表面0.4mm深度處的壓縮殘留應(yīng)力為60MPa以上。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】壓縮螺旋彈簧及其制造方法
本專利技術(shù)涉及例如在汽車的發(fā)動機(jī)及離合器內(nèi)使用的壓縮螺旋彈簧，特別是在高應(yīng)力下的使用環(huán)境中也具有良好的耐疲勞性的壓縮螺旋彈簧及其制造方法。
技術(shù)介紹
近年來，以環(huán)境問題為背景，對汽車的低燃耗化的要求逐年變嚴(yán)格，比到此為止更加強(qiáng)烈地要求對于汽車零件的小型輕量化。對于該小型輕量化的要求，例如在以在發(fā)動機(jī)內(nèi)使用的氣門彈簧或在離合器內(nèi)使用的離合器阻尼彈簧為代表的壓縮螺旋彈簧零件中，材料的高強(qiáng)度化及由表面處理帶來的表面強(qiáng)化的研究興盛，結(jié)果實(shí)現(xiàn)了作為螺旋彈簧的特性較重要的耐疲勞性的提高及耐彈力減弱性的提高。一般而言，螺旋彈簧的制造方法大體上分為熱成形法和冷成形法。熱成形法被用于線徑d較粗并且作為線圈平均徑D與線徑d的比的彈簧指數(shù)D/d較小等、因其加工性較差而難以冷成形的螺旋彈簧的成形，作為螺旋彈簧線材而使用碳素鋼或彈簧鋼。在熱成形法中，如圖1（F）所示，將線材加熱為高溫以使得容易加工，卷繞到金屬芯上而盤繞為螺旋彈簧形狀，在淬火－回火后再實(shí)施噴丸硬化及整定，得到作為螺旋彈簧的性能為主要的耐疲勞性及耐彈力減弱性。另外，在熱成形法中，由于無金屬芯下的盤繞在技術(shù)上非常困難，所以到目前為止沒有達(dá)到實(shí)用化。由此，熱成形法在以往的技術(shù)中必須使用金屬芯，作為能夠成形的螺旋彈簧，相比能夠無金屬芯盤繞的冷成形法，形狀的自由度較低。另一方面，關(guān)于氣門彈簧或離合器阻尼彈簧類的壓縮螺旋彈簧，由于線徑比較細(xì)，所以能夠冷成形。并且，由于不伴隨著由加熱帶來的相變或熱膨脹收縮，所以容易得到較高的尺寸精度，進(jìn)而，由于因加工速度或設(shè)備費(fèi)用等帶來的量產(chǎn)性（生產(chǎn)節(jié)拍、成本）也較高，所以關(guān)于這類壓縮螺旋彈簧的制造，以往以來采用冷成形法。此外，關(guān)于該冷成形法確立了無金屬芯下的成形技術(shù)，螺旋彈簧的形狀自由度較高也成為使用冷成形法的較大的一個原因，通過熱成形法的氣門彈簧或離合器阻尼彈簧類的壓縮螺旋彈簧的制造技術(shù)到目前為止還不實(shí)用。另外，在冷成形法中，作為螺旋彈簧線材，以往使用碳素鋼線、硬鋼線、鋼琴線、彈簧鋼線這樣的硬引線。但是，近年來，從輕量化的觀點(diǎn)看，要求材料的高強(qiáng)度化，廣泛使用昂貴的油回火線。在冷成形法中，如圖1（D）及圖（E）所示，將線材冷盤繞為螺旋彈簧形狀，在退火后，根據(jù)需要而實(shí)施噴丸硬化及整定。這里，退火以將通過加工產(chǎn)生的殘留應(yīng)力除去為目的，所述殘留應(yīng)力為螺旋彈簧的耐疲勞性提高的阻礙因素，退火與由噴丸硬化對表面的壓縮殘留應(yīng)力的賦予一起，貢獻(xiàn)于螺旋彈簧的耐疲勞性提高。另外，關(guān)于氣門彈簧或離合器阻尼彈簧那樣的在高負(fù)荷應(yīng)力下使用的螺旋彈簧，在噴丸硬化前根據(jù)需要而實(shí)施通過氮化處理的表面硬化處理。以進(jìn)一步的耐疲勞性的提高為目標(biāo)的研究正在熱烈地進(jìn)行。例如，在專利文獻(xiàn)1中，記載有冷成形用的油回火線，公開了利用殘留奧氏體的加工誘發(fā)相變使耐疲勞性提高的技術(shù)。在專利文獻(xiàn)2中，公開了通過對實(shí)施了氮化處理的線材的表面實(shí)施不同的投射速度下的多級噴丸硬化賦予較大的壓縮殘留應(yīng)力、謀求耐疲勞性的提高的技術(shù)。在專利文獻(xiàn)1中，在盤繞后的螺旋彈簧中產(chǎn)生殘留應(yīng)力。該殘留應(yīng)力、特別是在線圈內(nèi)徑側(cè)表面上產(chǎn)生的線軸方向的拉伸殘留應(yīng)力，是作為螺旋彈簧的耐疲勞性提高的阻礙因素。并且，通常為了將該加工帶來的殘留應(yīng)力除去而實(shí)施退火，但容易推測，即使通過回火軟化抗力較高的專利文獻(xiàn)1中的線材，也難以在維持希望的線材強(qiáng)度的基礎(chǔ)上將該殘留應(yīng)力完全除去，這對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是周知的。因而，然后實(shí)施噴丸硬化后，因?yàn)橥ㄟ^加工而在線圈內(nèi)徑側(cè)殘留的拉伸殘留應(yīng)力的影響，難以對線材表面賦予充分的壓縮殘留應(yīng)力，不能得到作為螺旋彈簧的充分的耐疲勞性。此外，對回火軟化抗力的提高有貢獻(xiàn)的V、Mo這樣的元素是昂貴的。由此，線材變得非常昂貴，當(dāng)然作為制品的螺旋彈簧也變得昂貴。此外，在專利文獻(xiàn)2中，螺旋彈簧的線材表面附近（以下稱作“表面”）的壓縮殘留應(yīng)力有1400MPa左右，作為氣門彈簧或離合器阻尼彈簧類的在高負(fù)荷應(yīng)力下使用的螺旋彈簧，對于表面上的龜裂發(fā)生抑制，其壓縮殘留應(yīng)力是充分的。但是，使表面的壓縮殘留應(yīng)力提高的結(jié)果是，線材內(nèi)部的壓縮殘留應(yīng)力變小，對于以夾雜物等為起點(diǎn)的線材內(nèi)部的龜裂發(fā)生，其壓縮殘留應(yīng)力的效果欠缺。即，在專利文獻(xiàn)2的手段中，由于在通過噴丸硬化施加的能量方面有限制，即雖然賦予了壓縮殘留應(yīng)力分布的變化，但難以使壓縮殘留應(yīng)力的總和較大地提高。沒有考慮將由上述加工帶來的殘留應(yīng)力的影響消除等，由此，對于相同強(qiáng)度的線材，其耐疲勞性的提高效果欠缺。另外，作為使表面壓縮殘留應(yīng)力提高的手段已各種各樣地實(shí)用化，但結(jié)果，例如在線徑1.5～10mm左右的螺旋彈簧中，在距線材表面的深度（以下，稱作“深度”）0.1～0.4mm的范圍中存在作為由外部負(fù)荷帶來的作用應(yīng)力與殘留應(yīng)力的和的合成應(yīng)力的最大值，該合成應(yīng)力最高的部分為破壞起點(diǎn)是實(shí)情。因而，在深度0.1～0.4mm的范圍中確保較大的壓縮殘留應(yīng)力對于耐疲勞性是重要的。專利文獻(xiàn)1：特許第3595901號專利文獻(xiàn)2：特開2009－226523號公報(bào)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
如上述那樣，在以往的制造方法及專利文獻(xiàn)1、2等中，對于近年來的要求高應(yīng)力下的耐疲勞性的進(jìn)一步提高和成本降低的兼顧的要求，其對應(yīng)帶來困難。此外，作為冷成形用當(dāng)前為主流的油回火線較昂貴，其中為了性能提高而添加了Ni、V、Mo這樣的高級元素的油回火線非常昂貴。進(jìn)而，由于通過成形后的退火處理不能將由加工帶來的殘留應(yīng)力完全消除，所以不能充分發(fā)揮線材的性能。本專利技術(shù)在這樣的背景下，目的是將由盤繞加工帶來的拉伸殘留應(yīng)力消除并在線材表面形成C濃化層、對成形后的線材賦予適當(dāng)?shù)膲嚎s殘留應(yīng)力分布，由此使用便宜的線材提供高耐久性的壓縮螺旋彈簧及其制造方法。本專利技術(shù)者們對螺旋彈簧的耐疲勞性進(jìn)行了專心研究。并且得到了以下想法：為了在上述深度0.1～0.4mm的范圍中得到較大的壓縮殘留應(yīng)力，將盤繞加工時的拉伸殘留應(yīng)力消除、有效地得到然后進(jìn)行的噴丸硬化及整定的效果是重要的。所以，對于在噴丸硬化工序前將彈簧線材的拉伸殘留應(yīng)力消除的方法進(jìn)行了探討。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，著眼于通過將螺旋彈簧線材加熱到奧氏體域能夠?qū)埩魬?yīng)力消除，在將螺旋彈簧線材加熱到奧氏體域的狀態(tài)下進(jìn)行盤繞加工，將起因于加工的殘留應(yīng)力的發(fā)生消除，能夠有效率地得到然后進(jìn)行的噴丸硬化及整定的效果。在到奧氏體域?yàn)橹沟募訜犭A段中，將其加熱在更短時間中進(jìn)行，帶來舊奧氏體結(jié)晶粒徑（以下稱作“結(jié)晶粒徑”）的粗大化抑制或微細(xì)化。并且，該結(jié)晶粒徑與耐疲勞性有密切的關(guān)系，結(jié)晶粒徑的微細(xì)化對于耐疲勞性的提高是有效的。由此，通過將螺旋彈簧線材在短時間中加熱而熱加工，與將起因于加工的殘留應(yīng)力消除相結(jié)合，能夠制作出耐疲勞性更好的彈簧。進(jìn)而，通過對螺旋彈簧進(jìn)行滲碳處理、在表面上形成C濃化層，使表面附近高硬度而使屈服應(yīng)力提高，能夠有效率地得到然后進(jìn)行的噴丸硬化的效果。這里，如果將滲碳處理在熱盤繞加工時進(jìn)行，則能夠有效率地進(jìn)行滲碳處理。此外，通過在冷盤繞加工后將螺旋彈簧線材加熱到奧氏體域而將由加工帶來的殘留應(yīng)力消除，能夠有效率地得到然后進(jìn)行的噴丸硬化及整定的效果。在冷盤繞加工的情況下，如果在盤繞后的加熱時同時進(jìn)行滲碳處理，則能夠有效率地進(jìn)行滲碳處理。即，本專利技術(shù)的壓縮螺旋彈簧，使用以重量%含有0.45%～0.80%的C、0.1本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種壓縮螺旋彈簧，使用以重量%含有0.45%～0.80%的C、0.15%～2.50%的Si、0.3%～1.0%的Mn、其余部由鐵及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的當(dāng)量圓直徑為2.5mm以上10mm以下的鋼線材，其特征在于，任意的線材橫截面中的內(nèi)部硬度為570～700HV；在表層部具有超過上述鋼線材中含有的C的平均濃度的C濃化層；在對上述線材的螺旋彈簧內(nèi)徑側(cè)的彈簧加載壓縮載荷的情況下發(fā)生的大致最大主應(yīng)力方向上，無負(fù)荷時的距上述線材的表面0.2mm深度處的壓縮殘留應(yīng)力為200MPa以上，并且距表面0.4mm深度處的壓縮殘留應(yīng)力為60MPa以上。

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2012.09.14 JP 2012-2024161.一種壓縮螺旋彈簧，使用以重量%含有0.45%～0.80%的C、0.15%～2.50%的Si、0.3%～1.0%的Mn、其余部由鐵及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的當(dāng)量圓直徑為2.5mm以上10mm以下的鋼線材，其特征在于，任意的線材橫截面中的內(nèi)部硬度為570～700HV；在表層部具有超過上述鋼線材中含有的C的平均濃度的C濃化層；在對上述線材的螺旋彈簧內(nèi)徑側(cè)的彈簧加載壓縮載荷的情況下發(fā)生的大致最大主應(yīng)力方向上，無負(fù)荷時的距上述線材的表面0.2mm深度處的壓縮殘留應(yīng)力為200MPa以上，并且距表面0.4mm深度處的壓縮殘留應(yīng)力為60MPa以上，而且，當(dāng)以無負(fù)荷時的壓縮殘留應(yīng)力的值為零的距上述線材的表面的深度為交叉點(diǎn)、在將縱軸設(shè)為殘留應(yīng)力將橫軸設(shè)為單線半徑的殘留應(yīng)力分布曲線中將從表面到交叉點(diǎn)的積分值表示為I-σR時，I-σR為160MPa?mm以上。2.一種壓縮螺旋彈簧，使用以重量%含有0.45%～0.80%的C、0.15%～2.50%的Si、0.3%～1.0%的Mn、其余部由鐵及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的當(dāng)量圓直徑為1.5mm以上3mm以下的鋼線材，其特征在于，任意的線材橫截面中的內(nèi)部硬度為570～700HV；在表層部具有超過上述鋼線材中含有的C的平均濃度的C濃化層；在對上述線材的螺旋彈簧內(nèi)徑側(cè)的彈簧加載壓縮載荷的情況下發(fā)生的大致最大主應(yīng)力方向上，無負(fù)荷時的距上述線材的表面0.15mm深度處的壓縮殘留應(yīng)力為300MPa以上，并且距表面0.3mm深度處的壓縮殘留應(yīng)力為50MPa以上，而且，當(dāng)以無負(fù)荷時的壓縮殘留應(yīng)力的值為零的距上述線材的表面的深度為交叉點(diǎn)、在將縱軸設(shè)為殘留應(yīng)力將橫軸設(shè)為單線半徑的殘留應(yīng)力分布曲線中將從表面到交叉點(diǎn)的積分值表示為I-σR時，I-σR為130MPa?mm以上。3.一種壓縮螺旋彈簧，使用以重量%含有0.45%～0.80%的C、0.15%～2.50%的Si、0.3%～1.0%的Mn、0.005%～4.5%的Cr、B、Ni、Ti、Cu、Nb、V、Mo、W中1種或2種以上、其余部由鐵及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的當(dāng)量圓直徑為2.5mm以上10mm以下的鋼線材，其特征在于，任意的線材橫截面中的內(nèi)部硬度為570～700HV；在表層部具有超過上述鋼線材中含有的C的平均濃度的C濃化層；在對上述線材的螺旋彈簧內(nèi)徑側(cè)的彈簧加載壓縮載荷的情況下發(fā)生的大致最大主應(yīng)力方向上，無負(fù)荷時的距上述線材的表面0.2mm深度處的壓縮殘留應(yīng)力為200MPa以上，并且距表面0.4mm深度處的壓縮殘留應(yīng)力為60MPa以上，而且，當(dāng)以無負(fù)荷時的壓縮殘留應(yīng)力的值為零的距上述線材的表面的深度為交叉點(diǎn)、在將縱軸設(shè)為殘留應(yīng)力將橫軸設(shè)為單線半徑的殘留應(yīng)力分布曲線中將從表面到交叉點(diǎn)的積分值表示為I-σR時，I-σR為160MPa?mm以上。4.一種壓縮螺旋彈簧，使用以重量%含有0.45%～0.80%的C、0.15%～2.50%的Si、0.3%～1.0%的Mn、0.005%～4.5%的Cr、B、Ni、Ti、Cu、Nb、V、Mo、W中1種或2種以上、其余部由鐵及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的當(dāng)量圓直徑為1.5mm以上3mm以下的鋼線材，其特征在于，任意的線材橫截面中的內(nèi)部硬度為570～700HV；在表層部具有超過上述鋼線材中含有的C的平均濃度的C濃化層；在對上述線材的螺旋彈簧內(nèi)徑側(cè)的彈簧加載壓縮載荷的情況下發(fā)生的大致最大主應(yīng)力方向上，無負(fù)荷時的距上述線材的表面0.15mm深度處的壓縮殘留應(yīng)力為300MPa以上，并且距表面0.3mm深度處的壓縮殘留應(yīng)力為50MPa以上，而且，當(dāng)以無負(fù)荷時的壓縮殘留應(yīng)力的值為零的距上述線材的表面的深度為交叉點(diǎn)、在將縱軸設(shè)為殘留應(yīng)力將橫軸設(shè)為單線半徑的殘留應(yīng)力分布曲線中將從表面到交叉點(diǎn)的積分值表示為I-σR時，I-σR為130MPa?mm以上。5.如權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的壓縮螺旋彈簧，其特征在于，在對上述線材的螺旋彈簧內(nèi)徑側(cè)的彈簧加載壓縮載荷的情況下發(fā)生的大致最大主應(yīng)力方向上，無負(fù)荷時的最大壓縮殘留應(yīng)力為900MPa以上。6.如權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的壓縮螺旋彈簧，其特征在于，由JISG0551規(guī)定的舊奧氏體粒平均結(jié)晶粒度號為10號以上。7.如權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的壓縮螺旋彈簧，其特征在于，設(shè)方位角度差5°以上的邊界為晶粒邊界，使用SEM/EBSD法測量的平均結(jié)晶粒徑為2.0μm以下。8.如權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的壓縮螺旋彈簧，其特征在于，上述C濃化層的硬度比內(nèi)部硬度高50HV以上。9.如權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的壓縮螺旋彈簧，其特征在于，上述C濃化層中的最大C濃度為0.7～0.9重量%，上述C濃化層的厚度為0.01～0.1mm。10.如權(quán)利要求3或4所述的壓縮螺旋彈簧，其特征在于，含有0.5～2.0重量...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：小野裕一朗，白石透，小野芳樹，高橋啟太，
申請(專利權(quán))人：日本發(fā)條株式會社，
類型：發(fā)明
國別省市：日本;JP