專利名稱：加工性優(yōu)異的高強度彈簧用鋼絲以及高強度彈簧的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高強度彈簧用鋼絲以及高強度彈簧，是不僅具有優(yōu)異的疲勞特性和抗彈減性，還具有優(yōu)異的冷加工性(卷繞性)的。
背景技術(shù)：
近年來伴隨著汽車的輕量化及高輸出化的發(fā)展趨勢，汽車發(fā)動機的氣門彈簧、懸吊系統(tǒng)的懸架彈簧、離合器彈簧及制動彈簧等，都需要適合高應(yīng)力的設(shè)計。
例如，如果彈簧的抗彈減性低，那么在高應(yīng)力負荷中，彈簧的變形量增大，從而發(fā)動機的轉(zhuǎn)數(shù)就達不到原設(shè)計，應(yīng)答性會變壞。因此需要抗彈減性優(yōu)異的彈簧。
為了改善彈簧的抗彈減性，對彈簧原材料進行高強度化為公眾所知。還有，如果對彈簧原材料進行高強度化，從疲勞極限的角度出發(fā)，則可以期待疲勞特性的上升。例如，通過調(diào)整化學成分以及使油淬火再回火后(油回火處理后)的抗張強度上升，能夠改善疲勞強度及抗彈減性。另外，通過大量添加Si等合金元素，也能夠改善抗彈減性(日本專利授權(quán)公報第2898472號、日本專利公開公報2000-169937號)。
但是，通過使抗張強度上升來提高疲勞特性及抗彈減性的方法，在卷繞彈簧時則存在發(fā)生折損的問題。而通過大量添加合金成分來改善抗彈減性的方法，會增高對表面瑕疵及內(nèi)部缺陷的敏感性，在彈簧裝配時及使用時，則容易以這些缺陷為起點發(fā)生折損。
因此，在提高彈簧的抗彈減性及疲勞特性的同時還提高冷加工性，是很困難的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是著眼于上述情況而做出的，其目的在于，提供一種抗彈減性和疲勞特性均優(yōu)異并且加工性(冷加工性)也優(yōu)異的高強度彈簧用鋼絲及高強度彈簧。
本發(fā)明人在為了解決上述課題所進行的不斷的銳意研究中，發(fā)現(xiàn)在通過大量添加合金元素來提高疲勞強度及抗彈減性的情況下，如果將屈強比(σ0.2/σB)減小至0.85以下，則可以得到優(yōu)異的卷繞性(冷加工性)。而且，如果使結(jié)晶粒變小，則可以進一步提高疲勞壽命及提高抗彈減性，此時，即使大量添加Cr也好，不會使缺陷敏感性降低而能夠提高抗彈減性。從而完成了本發(fā)明。
即，本發(fā)明的加工性優(yōu)異的高強度彈簧用鋼絲，其特征在于以質(zhì)量％計，含有C0.53～0.68％、Si1.2～2.5％、Mn0.2～1.5％(例如0.5～1.5％)、Cr1.4～2.5％以及Al0.05％以下并且不包括0％；還含有選自Ni0.4％以下并且不包括0％、V0.4％以下并且不包括0％、Mo0.05～0.5％以及Nb0.05～0.5％中的至少1種；其余為Fe以及不可避免的雜質(zhì)。并且本發(fā)明的彈簧用鋼絲，具有回火馬氏體組織，其原奧氏體晶粒的晶粒度級別指數(shù)在11.0以上，0.2％屈服強度(σ0.2)與抗拉強度(σB)的比(σ0.2/σB)在0.85以下。上述彈簧用鋼絲，施予溫度400℃、20分鐘的退火后，其0.2％屈服強度(σ0.2)上升300MPa以上為優(yōu)選。
另外，本發(fā)明的彈簧是由上述高強度彈簧用鋼絲來制成的，優(yōu)選為芯部的硬度為Hv550～700左右，上述表面的殘余壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力的深度在0.05mm以上且0.5mm以下左右。另外，本發(fā)明的彈簧可以施有表面硬化處理(氮化處理等)也可以不施有，但是在沒施有表面硬化處理的情況下，優(yōu)選彈簧表面的殘余壓應(yīng)力在-400MPa以下。在施有表面硬化處理的情況下(即在彈簧表面形成有氮化處理層的情況下)，優(yōu)選彈簧表面的殘余壓應(yīng)力在-800MPa以下，還有，彈簧表面硬度在Hv750～1150左右。硬化層(比芯部硬度硬Hv15以上的層)的深度，例如在0.02mm以上。
具體實施例方式
本發(fā)明的鋼絲及彈簧，含有C、Si、Mn、Cr、Al，而且還含有從Ni、V、Mo及Nb中選出的至少1種，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。以下，就各成分的含量及其限定理由進行說明。
C0.53～0.68％(質(zhì)量％的意思、以下相同)因為C是對于負荷高應(yīng)力的彈簧鋼可以確保充分的高強度并且提高疲勞壽命及抗彈減性等而必不可少的元素，所以將下限定為0.53％。但是如果過多的話，則韌性及延展性極度惡化，彈簧在加工中或在使用中，容易發(fā)生因表面瑕疵或內(nèi)部缺陷引起的開裂。因此將上限定為0.68％。C含量優(yōu)選在0.58％以上、0.65％以下。
Si1.2～2.5％Si是作為煉鋼時的脫氧劑所必要的元素，也有助于提高抗軟化性及抗彈減性，因此將下限定為1.2％。但是如果過多的話，不僅韌性及延展性惡化，而且瑕疵增加，在熱處理時加劇表面的脫炭，又晶界氧化層容易變深，疲勞壽命容易縮短，因此將上限定為2.5％。Si含量優(yōu)選在1.3％以上、2.4％以下。
Mn0.2～1.5％Mn也是在煉鋼時對脫氧有效的元素，而且有助于提高淬火性而增加強度，還有助于提高疲勞壽命及抗彈減性等的元素。因此下限定為0.2％。Mn含量優(yōu)選在0.3％以上，特別優(yōu)選在0.4％以上(例如，0.5％以上)。但是本發(fā)明的鋼絲(及彈簧)，是在將鋼熱軋之后，根據(jù)需要進行韌化處理，然后進行拉絲、油回火、卷繞等處理而制得的，如果Mn過多，在熱軋時或韌化處理時，則容易生成貝氏體等過冷組織，使拉絲性容易降低，因此上限定為1.5％。Mn含量優(yōu)選在1.0％以下。
Cr1.4～2.5％Cr具有提高抗彈減性及降低缺陷敏感性的作用，對本發(fā)明來講是極其重要的元素。再說，雖然Cr還具有增厚晶界氧化層而縮短疲勞壽命的作用，但是這一點通過控制油回火時的氣氛(具體來說，通過積極混入約3～80體積％的水蒸氣，使在表面形成致密的表面氧化膜)可以使晶界氧化層單薄，因此在本發(fā)明中能夠消除該問題。故此，Cr越多越好，其為1.4％以上，優(yōu)選為1.45％以上，更優(yōu)選為1.5％以上。再說，如果Cr含量過度，就會過分延長拉絲時的韌化處理時間，而且會降低韌性及延展性等，因此定為2.5％以下，優(yōu)選2.0％以下。
還有，在本發(fā)明的鋼絲及彈簧中，晶界氧化層的深度通常在10μm以下左右。
Al0.05％以下(不包括0％)Al在奧氏體化過程中，有將結(jié)晶粒微細化的作用，有提高韌性、延展性的效果。但是，如果添加過度，Al2O3類的粗大的非金屬系夾雜物增多，使疲勞特性惡化，因此上限定為0.05％，優(yōu)選為0.04％。
Ni0.4％以下(不包括0％)Ni是有助于提高淬火性并防止低溫脆化的元素。但是如果過多，在熱軋時會生成貝氏體或馬氏體組織，降低韌性、延展性，因此上限定為0.4％，優(yōu)選為0.3％。Ni含量優(yōu)選在0.1％以上。
V0.4％以下(不包括0％)V在油回火處理(淬火回火)等熱處理時有將結(jié)晶粒微細化的作用，有提高韌性、延展性的效果。而且在淬火再回火處理以及在卷繞后進行消除應(yīng)力退火的時候，產(chǎn)生2次析出硬化，有助于高強度化。但是如果添加過度，則在壓延時或在韌化處理時要生成馬氏體或貝氏體組織，使加工性變壞，因此上限定為0.4％，優(yōu)選為0.3％。V含量優(yōu)選為0.1％以上。
Mo0.05～0.5％Mo是有助于提高抗軟化性并且發(fā)揮析出硬化的效果而提高低溫退火后的屈服強度的元素。Mo，例如，為0.05％以上，優(yōu)選為0.10％以上。但是如果添加過度，則到油回火處理為止的階段生成馬氏體或貝氏體組織，加工性會降低，因此上限定為0.5％，優(yōu)選為0.3％，更優(yōu)選為0.2％。
Nb0.05～0.5％由于Nb形成具有針扎效應(yīng)(pinning effect)的Nb炭氮化物，因此在油回火處理(淬火回火)等熱處理時，有將結(jié)晶粒微細化的作用，能提高韌性、延展性。為了有效發(fā)揮這樣的效果，由此定為0.05％以上，優(yōu)選為0.10％以上。但是如果添加過度，會引起Nb炭氮化物凝集，反而容易使結(jié)晶粒粗大化，故此上限定為0.5％，優(yōu)選為0.3％。
再說，本發(fā)明的彈簧用鋼絲的組織，通常是由回火馬氏體及殘余奧氏體(冷卻至常溫后殘留的奧氏體)等構(gòu)成的復合組織。回火馬氏體，例如為90面積％以上，殘余奧氏體，例如為約5～10面積％左右。
本發(fā)明的鋼絲及彈簧，通常，其原奧氏體晶粒的晶粒度級別指數(shù)在11.0以上(優(yōu)選在13以上)。晶粒度級別指數(shù)越大(即結(jié)晶粒越小)，對提高疲勞壽命及抗彈減性越有效。再說，通過調(diào)整結(jié)晶粒微細化元素(Cr、Al、V、Nb)的添加量，或者通過加快在油回火處理的淬火時的加熱速度，能夠增大晶粒度級別指數(shù)。
還有，本發(fā)明的鋼絲(油回火鋼絲)及彈簧，0.2％屈服強度(σ0.2)與抗拉強度(σB)的比(屈強比；σ0.2/σB)為0.85以下(優(yōu)選0.80以下)。油回火后的屈強比越小，越能防止卷繞時的折損，越能提高冷加工性。例如，通過加快在油回火處理中的回火后的冷卻速度(例如水冷)，能夠降低屈強比。
如上所述的本發(fā)明的鋼絲及彈簧，由于合金成分被調(diào)整為合適水平，因此呈示了高強度，而且，由于結(jié)晶粒度及屈強比也被調(diào)整到合適水平，因此疲勞壽命、抗彈減性及冷加工性都優(yōu)異。還有，除了調(diào)整合金成分之外，還能夠通過熱處理等來適當調(diào)整上述鋼絲及彈簧的芯部的維氏硬度，例如為Hv550以上(優(yōu)選為Hv570以上，更優(yōu)選為Hv600以上)。另外，上述維氏硬度，例如，可以為Hv700以下左右，可以為Hv650以下左右。又，通過利用表面硬化處理技術(shù)(氮化處理等)等也可以進一步提高表面硬度。例如氮化處理后的(在表面形成了氮化處理層)彈簧表面硬度在Hv750以上(優(yōu)選在Hv800以上)，在Hv1150以下左右(例如Hv1100以下)。
上述彈簧用鋼絲(油回火鋼絲)，施予溫度400℃、20分鐘的退火后，0.2％屈服強度(σ0.2)上升至300MPa以上(優(yōu)選350MPa以上)為較理想。0.2％屈服強度的上升量(Δσ0.2)越大，越能改善抗彈減性。還有，同上述屈強比一樣，通過加快在油回火處理(淬火回火)后的冷卻速度(例如水冷)，也可以提高Δσ0.2。
另外，本發(fā)明的彈簧，優(yōu)選使彈簧表面的殘余壓應(yīng)力提高。殘余應(yīng)力越在壓縮一側(cè)，越能夠提高疲勞壽命。理想的殘余壓應(yīng)力根據(jù)彈簧是否經(jīng)過氮化處理而不同，如果沒有進行氮化處理，則例如為-400MPa以下(優(yōu)選為-500MPa以下，更優(yōu)選為-600MPa以下)。再說，當殘余應(yīng)力為負值時，則指壓縮(還有，當正值時則指拉伸)，絕對值越大則指殘余應(yīng)力越大。又如果進行了氮化處理(即在彈簧表面形成有氮化處理層)，則例如為-800MPa以下(優(yōu)選為-1000MPa以下，更優(yōu)選為-1200MPa以下)左右。例如，通過增加噴丸硬化的次數(shù)(例如為2次以上)，可以提高彈簧表面的殘余壓應(yīng)力。
本發(fā)明的彈簧，表面的殘余壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力的深度(交點)越深越好。交點越深，越能增加壓縮一側(cè)的殘余應(yīng)力部分，越能提高疲勞壽命。交點(深度)，例如，為0.05mm以上(優(yōu)選為0.10mm以上，更優(yōu)選為0.15mm以上)，為0.5mm以下(優(yōu)選為0.4mm以下，更優(yōu)選為0.35mm以下)左右。再說，例如，通過增加噴丸硬化的次數(shù)(例如為2次以上)或者通過增大噴丸硬化時的噴丸平均粒徑(例如，在第1次的噴丸硬化時的噴丸的平均粒徑定為0.7～1.2mm左右)可以加深交點。
另外，本發(fā)明的彈簧，如果進行了表面硬化處理(氮化處理等)，則硬化層(比芯部的硬度硬Hv15以上的層)的深度越大越好。硬化層越深，越能抑制疲勞龜裂的發(fā)生，越可以提高疲勞特性。硬化層深度，例如，為0.02mm以上(優(yōu)選為0.03mm以上，更優(yōu)選為0.04mm以上)，為0.15mm以下(優(yōu)選為0.13mm以下，更優(yōu)選為0.10mm以下)。還有，通過延長氮化時間或者提高氮化溫度，可以使硬化層加深。
根據(jù)本發(fā)明，因為適當?shù)卣{(diào)整了合金成分，所以呈示了高強度，而且因為有效利用了Cr，還適當?shù)卣{(diào)整了結(jié)晶粒度及屈強比，所以可以得到疲勞壽命、抗彈減性及冷加工性都優(yōu)異的彈簧用鋼絲及彈簧。
實施例以下，通過舉實施例對本發(fā)明更具體地進行說明，本發(fā)明當然并不受本實施例的限制，當然能夠在符合前述和后述構(gòu)思的范圍內(nèi)進行適當?shù)刈兏鴮嵤?。這些都包括在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。
實驗例1熔煉表1所示的化學成分的鋼A～R(其余為Fe及不可避免的雜質(zhì))，進行熱軋，制成了直徑8.0mm的線材。然后，進行軟化退火、表面削皮、鉛浴韌化處理(加熱溫度950℃、鉛爐溫度620℃)后，拉絲至直徑4.0mm。之后，進行油回火處理(淬火之前的加熱速度250℃/秒、加熱溫度960℃、淬火油溫度70℃、回火溫度450℃、回火后的冷卻速度300℃/秒、爐內(nèi)氣氛10體積％H2O+90體積％N2)，制成了油回火鋼絲(鋼絲)。
還有，關(guān)于鋼種E2的油回火處理，回火后的冷卻采用了空冷。另外，關(guān)于鋼種H2的油回火處理，淬火之前的加熱速度定為20℃/秒。
按照下述內(nèi)容，對得到的油回火鋼絲(晶界氧化層的深度10μm以下)的特性進行了評價。
(1)抗拉強度(σB)、0.2％屈服強度(σ0.2)、晶粒度級別指數(shù)對上述油回火鋼絲進行拉伸試驗，測定抗拉強度(σB)及0.2％屈服強度(σ0.2)，算出了屈強比(σ0.2/σB)。按照日本工業(yè)規(guī)格JIS G0551測定了原奧氏體晶粒的晶粒度級別指數(shù)。
(2)消除應(yīng)力退火后的0.2％屈服強度的變化量(Δσ0.2)對上述油回火鋼絲進行低溫退火(400℃×20分鐘)后，測定該低溫退火后的0.2％屈服強度(σ0.2)，從低溫退火后的0.2％屈服強度(σ0.2)減去低溫退火前的0.2％屈服強度(σ0.2)來求得了變化量(Δσ0.2)。
(3)加工性按照日本工業(yè)規(guī)格JIS G 3560對上述油回火鋼絲進行了卷繞試驗(圈數(shù)10圈)。
(4)疲勞壽命、殘余剪應(yīng)變量對上述油回火鋼絲進行冷卷繞成形(卷繞平均直徑24.0mm、圈數(shù)6.0、有效圈數(shù)3.5)、消除應(yīng)力退火(400℃×20分鐘)、端面磨削、氮化處理(氮化條件80體積％NH3+20體積％N2、430℃×3小時)、噴丸硬化(次數(shù)3次、噴丸的平均粒徑(第1次)1.0mm、噴丸的平均粒徑(第1～3次的平均)0.5mm)、低溫退火(230℃×20分鐘)、冷立定處理，以制成彈簧。
對制成的各彈簧在760±650MPa的負荷應(yīng)力下并在溫熱(120℃)狀態(tài)下進行溫疲勞試驗，測定了至彈簧斷裂為止的循環(huán)次數(shù)(疲勞壽命)。還有在彈簧不斷裂的情況下，在循環(huán)次數(shù)達到1×107次時停止了試驗。
另外，將上述各彈簧在1372MPa的應(yīng)力下，48小時連續(xù)壓緊后(溫度120℃)，除去應(yīng)力，測定試驗前后的彈減量，算出了殘余剪應(yīng)變量。
(5)硬度、殘余應(yīng)力與“(4)疲勞壽命、殘余剪應(yīng)變量”同樣地，從上述油回火鋼絲制成了彈簧。彈簧表面的維氏硬度(Hv)，是通過對該表面研磨后的樣品測定維氏硬度(300gf)，再換算成垂直方向的方法(cord法)來確定。另外，切斷上述彈簧，按照日本工業(yè)規(guī)格JIS Z 2244測定斷面的維氏硬度(Hv)，以求得硬化層深度及芯部的維氏硬度(Hv)及硬化層(比芯部的硬度硬Hv15以上的層)的深度。還有，通過X線衍射法測定殘余應(yīng)力，求得彈簧表面的殘余壓應(yīng)力及表面一側(cè)的殘余壓應(yīng)力變向殘余拉應(yīng)力的轉(zhuǎn)變點(深度交點)。
結(jié)果如表2所示。
表1

※余量為Fe以及不可避免的雜質(zhì)表2

從表1以及表2明顯看出，No.18因為C含量不足，所以沒達到規(guī)定的強度，而且疲勞壽命及抗彈減性都不足。No.20因為Al過多，氧化物類夾雜物變得粗大，成為斷裂的起點，所以疲勞壽命較短。另外，No.14～17及19也因為Cr含量不足，所以疲勞壽命不足。
與此相對，No.1～5、7～9及11～13，由于適當?shù)卣{(diào)整了各種化學成分，而且添加了給定量的Cr，還適當?shù)乜刂屏私Y(jié)晶粒度及屈強比，因此疲勞壽命、抗彈減性及加工性都優(yōu)異。
再說，從No.6明顯看出，如果屈強比(σ0.2/σB)及0.2％屈服強度的變化量(Δσ0.2)的條件不適當，加工性就會變壞。另外，雖然比上述No.14～17有所改善，但是抗彈減性不足。
另外，從No.10明顯看出，如果結(jié)晶粒變大(晶粒度級別指數(shù)變小)，則雖然比No.14～17有所改善，但是疲勞壽命及抗彈減性不足。
工業(yè)上的利用可能性本發(fā)明的鋼絲及彈簧，因為疲勞特性、抗彈減性及加工性優(yōu)異，所以有用于要求具有這些特性的用途，特別適用于機械的復位機構(gòu)的彈簧等，如汽車發(fā)動機的氣門彈簧、懸吊系統(tǒng)的懸架彈簧、離合器彈簧、制動彈簧等。
權(quán)利要求
1.一種加工性優(yōu)異的高強度彈簧用鋼絲，其特征在于具有回火馬氏體組織；以質(zhì)量％計，含有C0.53～0.68％、Si1.2～2.5％、Mn0.2～1.5％、Cr1.4～2.5％以及Al0.05％以下并且不包括0％；還含有選自Ni0.4％以下并且不包括0％、V0.4％以下并且不包括0％、Mo0.05～0.5％以及Nb0.05～0.5％中的至少1種；其余為Fe以及不可避免的雜質(zhì)；其原奧氏體晶粒的晶粒度級別指數(shù)在11.0以上；0.2％屈服強度(σ0.2)與抗拉強度(σB)的比(σ0.2/σB)在0.85以下。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度彈簧用鋼絲，其特征在于，Mn為0.5～1.5％
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度彈簧用鋼絲，其特征在于，施予溫度400℃、20分鐘的退火后，其0.2％屈服強度(σ0.2)上升300MPa以上。
4.一種高強度彈簧，其特征在于，是由根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度彈簧用鋼絲來制成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高強度彈簧，其特征在于，芯部的硬度在Hv550～700，彈簧表面的殘余壓應(yīng)力在-400MPa以下，而且所述表面的殘余壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力的深度在0.05mm以上且0.5mm以下。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高強度彈簧，其特征在于在表面形成有氮化處理層；表面的硬度在Hv750～1150；芯部的硬度在Hv550～700；比芯部硬度還硬Hv15以上的硬化層的深度在0.02mm以上且0.15mm以下；彈簧表面的殘余壓應(yīng)力在-800MPa以下；而且所述表面的殘余壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力的深度在0.05mm以上且0.5mm以下。
全文摘要
本發(fā)明提供一種彈簧用鋼絲，其特征在于具有回火馬氏體組織；作為必要元素，含有C0.53～0.68％、Si1.2～2.5％、Mn0.2～1.5％、Cr1.4～2.5％、Al0.05％以下；作為可選元素，含有Ni0.4％以下、V0.4％以下、Mo0.05～0.5％、Nb0.05～0.5％等；其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)；其原奧氏體晶粒的晶粒度級別指數(shù)在11.0以上；屈強比(σ
文檔編號C22C38/48GK1768155SQ20048000863
公開日2006年5月3日 申請日期2004年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月28日
發(fā)明者須田澄惠, 茨木信彥, 高村典利, 寺門直樹, 天道悟, 藤原忠義, 神保鐵男 申請人:株式會社神戶制鋼所, 日本發(fā)條株式會社, 神鋼鋼線工業(yè)株式會社