壓縮螺旋彈簧及其制造方法
【專利摘要】通過對線材賦予適當?shù)膲嚎s殘留應(yīng)力，使用廉價的線材，提供高耐久性的壓縮螺旋彈簧及其制造方法。壓縮螺旋彈簧，其使用以重量%計含有0.45～0.85%的C、0.15～2.5%的Si、0.3～1.0%的Mn、且剩余部分包含鐵和不可避免的雜質(zhì)的當量圓直徑為1.5～9.0mm的鋼線材而成，其中，任意的線材橫截面的硬度為570～700HV，在螺旋彈簧內(nèi)徑側(cè)，對彈簧負荷壓縮載荷時的大致最大主應(yīng)力方向上的距表面0.2mm深度處在無負荷時的壓縮殘留應(yīng)力為200MPa以上，同時距表面0.4mm深度處在無負荷時的壓縮殘留應(yīng)力為100MPa以上。
【專利說明】壓縮螺旋彈簧及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及例如在汽車的發(fā)動力、離合器內(nèi)使用的壓縮螺旋彈簧，特別涉及在高應(yīng)力下的使用環(huán)境中也具有優(yōu)異的耐疲勞性的壓縮螺旋彈簧及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，以環(huán)境問題為背景，對汽車低燃耗化的要求逐年嚴格，比以往更加強烈的要求汽車部件的小型輕量化。針對該小型輕量化的要求，在例如以發(fā)動機內(nèi)使用的氣門彈簧、離合器內(nèi)使用的離合器扭簧為代表的壓縮螺旋彈簧部件中，材料的高強度化、利用表面處理的表面強化的研究盛行，其結(jié)果是，逐漸謀求作為螺旋彈簧特性重要的耐疲勞性的提高、耐永久應(yīng)變性的提高。
[0003]通常螺旋彈簧的制造方法大致分為熱成形法和冷成形法。熱成形法用于因線直徑d大、并且線圈平均直徑D與線直徑d之比即彈簧指數(shù)D/d小等、其加工性差而難以進行冷成形的螺旋彈簧的成形，作為螺旋彈簧材料，使用碳鋼、彈簧鋼。熱成形法中，如圖1 (A)所示，為了使線材容易加工而加熱至高溫纏繞于芯棒而卷繞成螺旋彈簧形狀，進行淬火回火后，進一步實施噴丸硬化或立定處理，得到作為螺旋彈簧的主要性能的耐疲勞性、耐永久應(yīng)變性。需要說明的是，熱成形法中，由于以無芯棒進行卷繞在技術(shù)上非常困難，因而目前為止還未被實用化。因此，熱成形法使用芯棒在以往的技術(shù)中是必須的，作為能夠成形的螺旋彈簧，與可以以無芯棒進行卷繞的冷成形法相比，形狀的自由度低。
[0004]另一方面，對于由于線直徑較細、或者彈簧指數(shù)大等因素而可以冷成形的形狀的螺旋彈簧，從加工技術(shù)的容易度、基于加工速度或設(shè)備費用等的量產(chǎn)性(生產(chǎn)節(jié)拍、尺寸精度、成本)的觀點出發(fā)，一般采用冷成形法。另外，無芯棒的成形技術(shù)已經(jīng)確立，螺旋彈簧的形狀自由度高也是使用冷成形法的一大原因。冷成形法中，作為彈簧材料，以往使用碳鋼線、硬鋼線、鋼琴線、彈簧鋼線等硬拉線。然而，近年從輕量化的觀點出發(fā)要求材料的高強度化，逐漸廣泛使用高價的油回火鋼絲。
[0005]冷成形法中，如圖1 (B)和(C)所示，以冷式將線材卷繞為螺旋彈簧形狀，退火后，根據(jù)需要實施噴丸硬化和立定處理。這里，退火的目的在于，除去成為提高螺旋彈簧耐疲勞性的阻礙因素的因加工而產(chǎn)生的殘留應(yīng)力，與通過噴丸硬化對表面賦予壓縮殘留應(yīng)力相配合，有助于螺旋彈簧的耐疲勞性提高。需要說明的是，對于氣門彈簧、離合器扭簧這樣的以高負荷應(yīng)力使用的螺旋彈簧，以氮化處理為代表的表面硬化處理在噴丸硬化前根據(jù)需要實施。
[0006]以更進一步提高耐疲勞性為目標的研究正在積極進行。例如，專利文獻I中，記載了冷成形用的油回火鋼絲，公開了利用殘留奧氏體的加工誘發(fā)相變(加工誘起変態(tài))來提高耐疲勞性的技術(shù)。專利文獻2中公開了對實施了氮化處理的線材表面實施以不同噴射速度進行的多段噴丸硬化，從而賦予大的壓縮殘留應(yīng)力，謀求耐疲勞性的提高的技術(shù)。
[0007]專利文獻I中卷繞后的螺旋彈簧產(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。另外，通常為了除去該加工所致的殘留應(yīng)力而實施退火，但能容易地推定:即使是回火軟化阻力高的專利文獻I中的線材，在維持線材強度的基礎(chǔ)上完全除去該殘留應(yīng)力也是困難的，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是公知的。因此，之后實施噴丸硬化時，由于因加工而在線圈內(nèi)徑側(cè)產(chǎn)生的拉伸殘留應(yīng)力的影響，難以對線材表面賦予充分的壓縮殘留應(yīng)力，無法獲得作為螺旋彈簧的充分耐疲勞性。另外，有助于回火軟化阻力提高的ν、Μο等元素的價格昂貴。因此，線材變得非常昂貴，當然作為產(chǎn)品的螺旋彈簧也變得昂貴。[0008]另外，專利文獻2中，螺旋彈簧的線材表面附近(以下稱為“表面”)的壓縮殘留應(yīng)力為HOOMPa左右，作為在氣門彈簧、離合器扭簧類的高負荷應(yīng)力下使用的螺旋彈簧，對于抑制表面的龜裂產(chǎn)生而言，該壓縮殘留應(yīng)力是充分的。然而，提高表面的壓縮殘留應(yīng)力的結(jié)果是在線材內(nèi)部的壓縮殘留應(yīng)力變小，對于以夾雜物等為起點的線材內(nèi)部的龜裂產(chǎn)生，該壓縮殘留應(yīng)力的效果缺乏。也就是說，專利文獻2的方法中，由于通過噴丸硬化賦予的能量有限，即雖然能夠賦予壓縮殘留應(yīng)力分布的變化，但大幅提高壓縮殘留應(yīng)力的總和是困難的。消除上述加工所致的殘留應(yīng)力的影響等未被考慮，因此對相同強度的線材而言其耐疲勞性的提高效果缺乏。
[0009]需要說明的是，各種提高表面壓縮殘留應(yīng)力的方法已經(jīng)實用化，其結(jié)果是，例如線直徑1.5~9.0mm左右的螺旋彈簧中，實際情況是在距線材表面的深度(以下稱為“深度”)
0.1~0.4mm的范圍存在外部負荷所致的作用應(yīng)力和殘留應(yīng)力之和即合成應(yīng)力的最大值，該合成應(yīng)力的最高部分成為斷裂起點。因此，在深度0.1mm~0.4mm的范圍確保大的壓縮殘留應(yīng)力對于耐疲勞性是重要的。
[0010]另外，冷成形法中，作為使通過卷繞加工而產(chǎn)生的殘留應(yīng)力幾乎完全消除、并且確保作為所期望的線材的強度的方法，可以考慮將冷成形后的螺旋彈簧加熱至奧氏體區(qū)域、之后實施淬火回火處理的方法。然而，這種情況下，難以將變成螺旋彈簧形狀的材料在短時間均勻加熱。其結(jié)果是，產(chǎn)生組織的不均，即由于存在強度低的部分，而難以獲得所期望的耐疲勞性，另外，難以確保作為產(chǎn)品的信賴性。
[0011]這里，作為進行均勻加熱的方法，延長加熱時間是有效的，這種情況下，由于結(jié)晶粒粗大化，因而仍然導(dǎo)致耐疲勞性的降低。進一步地，冷成形后的螺旋彈簧中殘留大的加工應(yīng)變，且該殘留的加工應(yīng)變的量在螺旋彈簧個體內(nèi)不均勻，另外，在螺旋彈簧個體間的不均也大。其結(jié)果是，將加工應(yīng)變通過加熱而釋放時，會伴隨大的不均勻的形狀變化，另外，也無法避免該形狀變化在個體間的大的不均。因此，難以確保例如氣門彈簧、離合器扭簧等中所要求的尺寸精度，這樣的利用加熱的殘留應(yīng)力釋放方法難以適用于量產(chǎn)產(chǎn)品。
[0012]現(xiàn)有技術(shù)文獻 專利文獻
專利文獻1:日本專利第3595901號 專利文獻2:日本特開2009-226523號公報。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]發(fā)明要解決的技術(shù)問題
如上所述，在以往的制造方法和專利文獻1、2等中，對于近年來要求兼顧高應(yīng)力下的耐疲勞性的進一步提高和成本降低的要求，其應(yīng)對存在困難。另外，作為冷成形用而在目前成為主流的油回火鋼絲的價格高昂，其中為了提高性能而添加了 N1、V、Mo等高級元素的油回火鋼絲非常昂貴。進一步地，由于在成形后的退火處理中無法完全消除加工所致的殘留應(yīng)力，因而無法充分地發(fā)揮線材的性能。
[0014]在這樣的背景下，本發(fā)明的目的在于，通過在防止卷繞加工所致的殘留應(yīng)力的產(chǎn)生的同時對成形后的線材賦予適當?shù)膲嚎s殘留應(yīng)力分布，從而使用廉價的線材，提供高耐久性的壓縮螺旋彈簧及其制造方法。
[0015]用于解決技術(shù)問題的方法
本發(fā)明人對螺旋彈簧的耐疲勞性進行了深入研究。結(jié)果認為，因加工而產(chǎn)生的殘留應(yīng)力通過添加提高回火軟化阻力的高級元素這樣的鋼成分的調(diào)整、或通過之后的退火條件的調(diào)整，雖然可以實現(xiàn)一定程度的降低，但根本上難以在維持相對于負荷應(yīng)力的耐疲勞性、耐永久應(yīng)變性所需的鋼的強度的同時完全消除該因加工而產(chǎn)生的殘留應(yīng)力。所以，在將螺旋彈簧線材加熱至奧氏體區(qū)域的狀態(tài)下進行卷繞加工，抑制加工時的殘留應(yīng)力的產(chǎn)生來進行制作，由此發(fā)現(xiàn)了可以有效地獲得之后進行的噴丸硬化、立定處理的效果。
[0016]另外，在加熱至奧氏體區(qū)域的階段中，將該加熱以更短時間進行則與原始奧氏體結(jié)晶粒徑(以下稱為“結(jié)晶粒徑”)的粗大化抑制、或微細化相關(guān)。另外該結(jié)晶粒徑與耐疲勞性有密切的關(guān)系，結(jié)晶粒徑的微細化對耐疲勞性的提高有效。因此，通過使用以短時間進行了加熱的線材來進行熱加工，與抑制起因于加工的殘留應(yīng)力的產(chǎn)生相配合，則可以制作耐疲勞性更優(yōu)異的彈簧。
[0017]即，本發(fā)明的壓縮螺旋彈簧是使用以重量％計含有0.45~0.85%的C、0.15~
2.5%的S1、0.3~1.0%的Mn、且剩余部分包含鐵和不可避免的雜質(zhì)的當量圓直徑為1.5~9.0mm的鋼線材而成的壓縮螺旋彈簧，其特征在于，任意的線材橫截面的硬度為570~700HV，在螺旋彈簧內(nèi)徑側(cè)，在對彈簧負荷壓縮載荷時大致最大主應(yīng)力方向上，距表面0.2mm深度的無負荷時的壓縮殘留應(yīng)力為200MPa以上，同時距表面0.4mm深度的無負荷時的壓縮殘留應(yīng)力為IOOMPa以上。這里,對彈簧負荷壓縮載荷時大致最大主應(yīng)力方向表示相對于線材的軸方向為大約+45°的方向。并且，該最大主應(yīng)力方向根據(jù)螺旋彈簧形狀(特別是與螺距角的關(guān)系)而發(fā)生變化，該方向處于相對于軸方向為+45°~+60°的范圍。
[0018]另外，本發(fā)明的壓縮螺旋彈簧是使用以重量％計含有0.45~0.85%的C、0.15~
2.5%的S1、0.3~1.0%的Mn、且剩余部分包含鐵和不可避免的雜質(zhì)的當量圓直徑為1.5~
9.0mm的鋼線材而成的壓縮螺旋彈簧，其特征在于，線材的任意的橫截面的硬度為570~700HV，在彈簧內(nèi)徑側(cè)，180MPa mm以上。這里，Uk是指在深度與殘留應(yīng)力的關(guān)系圖中的從表面至交點(^ 口 〃4 >卜)的無負荷時的壓縮殘留應(yīng)力的積分值。需要說明的是，交點是指在線材內(nèi)部在無負荷時使來自表面的壓縮殘留應(yīng)力為零的深度，交點大則暗示壓縮殘留應(yīng)力從表面進入到深處。另外，壓縮殘留應(yīng)力是在對彈簧負荷壓縮載荷時大致最大主應(yīng)力方向、即相對于線材的軸方向為大約+ 45°方向上的壓縮殘留應(yīng)力。
[0019] 以下對本發(fā)明中規(guī)定的數(shù)值范圍的限定理由進行說明。首先，對本發(fā)明中使用的鋼線材的化學(xué)成分的限定理由進行說明。本發(fā)明中，使用含有0.45~0.85%的C、0.15~
2.5%的S1、0.3~1.0%的Mn、且剩余部分包含鐵和不可避免的雜質(zhì)的鋼線材。需要說明的是，以下說明中，表示“重量％”。
[0020]( I)材料成分C:0.45 ~0.85%
C有助于強度提高。C的含量低于0.45%時，無法充分獲得強度提高的效果，因而耐疲勞性、耐永久應(yīng)變性不充分。另一方面，C的含量超過0.85%時，韌性降低容易產(chǎn)生裂紋。因此C的含量設(shè)為0.45~0.85%。
[0021]S1:0.15 ~2.5%
Si對鋼的脫氧有效，并且有助于強度提高和回火軟化阻力提高。Si的含量低于0.15%時，無法充分獲得這些效果。另一方面，Si的含量超過2.5%時，韌性降低容易產(chǎn)生裂紋，并且助長脫碳、導(dǎo)致線材表面強度的降低。因此，Si的含量設(shè)為0.15~2.5%。
[0022]Mn:0.3 ~1.0%
Mn有助于淬火性的提高。Mn的含量低于0.3%時，難以確保充分的淬火性，另外，對延展韌性有害的S的固定(MnS生成)的效果也差。另一方面，Mn的含量超過1.0%時，延展性降低，容易產(chǎn)生裂紋或表面劃痕。因而，使Mn的含量為0.3~1.0%。
[0023]需要說明的是，這些添加元素是構(gòu)成本發(fā)明的基礎(chǔ)上最低要求的元素，不限定其它元素的添加。即、本發(fā)明中，可以根據(jù)其目的適當添加0.005~4.5%的作為彈簧鋼的成分組成而通常使用的Cr、B、N1 、T1、Cu、Nb、V、Mo、W等元素中的I種或2種以上，結(jié)果可以制造更高性能、或者適合于用途的螺旋彈簧。例如，對添加Cr的情況進行以下陳述。
[0024]Cr:0.5 ~2.0%
Cr對防止脫碳有效，并且有助于強度提高和回火軟化阻力提高，對耐疲勞性的提高有效。另外，對于溫?zé)嵯碌哪陀谰脩?yīng)變性提高也有效。因而，本發(fā)明中優(yōu)選進一步含有0.5~
2.0%的Cr。Cr的含量低于0.5%時，無法充分獲得這些效果。另一方面，Cr的含量超過2.0%時，延展性降低，容易產(chǎn)生裂紋或表面劃痕。
[0025](2)硬度
作為在高負荷應(yīng)力下使用的氣門彈簧或離合器扭簧等，為了滿足所要求的耐疲勞性和耐永久應(yīng)變性，作為螺旋彈簧，后述的壓縮殘留應(yīng)力分布以及線材自身的強度也是重要的。SP，線材的任意的橫截面的平均維氏硬度需要為570~700HV的范圍，低于570HV時，由于該材料強度低，無法獲得充分的耐疲勞性和耐永久應(yīng)變性。另外，超過700HV時，由于伴隨韌性降低的切口感受性提高，因而以與工具類摩擦而產(chǎn)生的表面劃痕、或噴丸硬化中形成的線材表面粗糙度的底部為起點而產(chǎn)生的龜裂所致的早期折損的危險性增大，不適合用作可靠性重要的汽車部件。
[0026](3)殘留應(yīng)力
本發(fā)明人等通過作為氣門彈簧和離合器扭簧所要求的作用應(yīng)力、與能夠成為疲勞折損起點的各種因素(延展韌性、非金屬系夾雜物、不完全淬火組織等異常組織、表面粗糙度、表面劃痕等)的關(guān)系中的斷裂力學(xué)的計算、以及實際耐久試驗等的驗證，對于在螺旋彈簧的線材表面附近所需要的壓縮殘留應(yīng)力得到了下述結(jié)論。需要說明的是，本發(fā)明中的壓縮殘留應(yīng)力是在對彈簧負荷壓縮載荷時大致最大主應(yīng)力方向、即相對于線材的軸方向為+ 45°方向上的壓縮殘留應(yīng)力。
[0027]從彈簧中的線材表面直到內(nèi)部的壓縮殘留應(yīng)力分布通過噴丸硬化和立定處理而賦予。如上所述，對于作為彈簧的耐疲勞性提高，線材表面的壓縮殘留應(yīng)力提高自不必說，還需要將內(nèi)部的壓縮殘留應(yīng)力進一步增大并引入更深，特別重要的是，進一步增大實質(zhì)上作為斷裂起點的深度0.1~0.4_左右的范圍的壓縮殘留應(yīng)力。而且，作為表示該線材內(nèi)部的壓縮殘留應(yīng)力分布的指標，使深度0.2mm處的無負荷時的壓縮殘留應(yīng)力為200MPa以上，并且使深度0.4mm處的無負荷時的壓縮殘留應(yīng)力為IOOMPa以上。深度0.2mm的位置處的無負荷時的壓縮殘留應(yīng)力低于200MPa、和/或深度0.4mm的無負荷時的壓縮殘留應(yīng)力低于IOOMPa時，對于抑制內(nèi)部起點的疲勞斷裂而言是不充分的。
[0028]另外，對于表示壓縮殘留應(yīng)力在內(nèi)部的大小、或深度的其它指標即I_m，設(shè)為180MPa mm以上。另外,進一步對于另一指標即交點,例如使用線直徑1.5~9.0mm的線材的情況下，優(yōu)選為距表面深度0.45mm以上。任一種情況下，作為彈簧的內(nèi)徑側(cè)的表面在無負荷時的最大壓縮殘留應(yīng)力，以高負荷應(yīng)力作用的氣門彈簧、或離合器扭簧為對象的情況下，優(yōu)選為850MPa以上。通過如此設(shè)定壓縮殘留應(yīng)力分布，可以獲得耐疲勞性優(yōu)異的壓縮螺旋彈簧。
[0029]本發(fā)明中的壓縮殘留應(yīng)力分布優(yōu)選通過噴丸硬化處理和之后的立定處理來形成。噴丸硬化處理中實施多段噴丸硬化時，之后實施的噴丸硬化中使用的噴丸的當量球直徑優(yōu)選比先實施的噴丸硬化中使用的噴丸的當量球直徑小。具體而言，噴丸硬化處理優(yōu)選為由利用粒徑0.6~1.2mm的噴丸的第I噴丸硬化處理、利用粒徑0.2~0.8mm的噴丸的第2噴丸硬化處理、和利用粒徑0.02~0.30mm的噴丸的第3噴丸硬化處理構(gòu)成的多段噴丸硬化處理。由此，可以將因先實施的噴丸硬化而增加的表面粗糙度通過后實施的噴丸硬化而降低。
[0030]需要說明的是，噴丸硬化處理中的噴丸直徑、段數(shù)不限定于上述，可以根據(jù)要求性能，得到所需要的殘留應(yīng)力分布、表面粗糙度等。因此，適當選擇噴丸直徑、材質(zhì)、段數(shù)等。另外，根據(jù)投射速度、投射時間不同，導(dǎo)入的壓縮殘留應(yīng)力分布也不同，因而這些也根據(jù)需要進行適當設(shè)定。
[0031](4)螺旋彈簧形狀
本發(fā)明適合于卷繞時的加工度大、需要兼具高耐疲勞性和耐永久應(yīng)變性的下面所列舉的樣式的壓縮螺旋彈簧。本發(fā)明可以用于線材的當量圓直徑(設(shè)為從線材橫截面積計算出的正圓時的直徑，還包含以方形、橢圓形為代表的非圓形截面)為1.5~10mm、彈簧指數(shù)為3~20的通常進行了冷成形的壓縮螺旋彈簧。
[0032]其中，對于卷繞時的加工度大(即，冷成形中通過卷繞加工產(chǎn)生的線圈內(nèi)徑側(cè)的拉伸殘留應(yīng)力大)、且需要高耐疲勞性的氣門彈簧或離合器扭簧等中使用的當量圓直徑為
1.5~9.0_、彈簧指數(shù)為3~8的壓縮螺旋彈簧是適宜的。
[0033]另外，與以往的熱成形法不同，由于使用后述的螺旋彈簧成形機，因而本發(fā)明中的卷繞加工中不需要芯棒。因此，能夠成形的彈簧形狀的自由度高。即，作為本發(fā)明中的螺旋彈簧形狀，以作為螺旋彈簧的代表性的全卷繞(全卷目)且線圈外徑幾乎無變化的圓筒形為代表，還可適用于除此以外的形狀的螺旋彈簧。例如，也可以實現(xiàn)圓錐形、大鐘形、鼓形、樽形等異形彈簧的成形。
[0034](5)表面粗糙度
作為在高負荷應(yīng)力下使用的氣門彈簧或離合器扭簧等，為了滿足所要求的耐疲勞性，上述的壓縮殘留應(yīng)力分布以及表面粗糙度也是重要的。本發(fā)明人等進行了斷裂力學(xué)計算及其驗證實驗，結(jié)果明確了，對于表面起點所致的龜裂的產(chǎn)生發(fā)展，通過使表面劃痕的深度(即表面粗糙度Rz (最大高度))為20 μ m以下，能夠使該影響無害化。因而，表面粗糙度Rz優(yōu)選為20 μ m以下。Rz超過20 μ m時，表面粗糙度的底部成為應(yīng)力集中源，容易發(fā)生以該底部為表面起點的龜裂的產(chǎn)生發(fā)展，因而導(dǎo)致早期折損。
[0035](6)原始Y (奧氏體)晶粒的平均結(jié)晶粒度
原始Y晶粒的平均結(jié)晶粒度測定方法規(guī)定于Jis G0551，對于耐疲勞性提高優(yōu)選原始Y平均結(jié)晶粒度編號G為10號以上。這種情況下，由于原始Y晶粒是微細的，因而可以防止疲勞龜裂前端的應(yīng)力集中部中的滑動(+ < O )的移動，因而抑制龜裂發(fā)展的效果大，可以得到所希望的耐疲勞性。另外，不足10號的情況下，抑制龜裂發(fā)展的效果差，難以獲得充分的耐疲勞性。
[0036](7)平均結(jié)晶粒徑
另外，優(yōu)選基于使用 SEM/EBSD (Electron Back Scatter Diffraction)法的 IPF圖(以取向角度差5°以上的邊界為晶界)的平均結(jié)晶粒徑為Iym以下。平均結(jié)晶粒徑超過Iym時，難以獲得充分的耐疲勞性。而且，平均結(jié)晶粒徑小、即原始Y粒內(nèi)的板條塊(7''口 々)、板條(9 7)為微細，則對龜裂發(fā)展的阻力大，因而對于耐疲勞性的提高是優(yōu)選的。
[0037]另外，本發(fā)明的壓縮螺旋彈簧理想的是通過螺旋彈簧成形機進行成形，并實施了噴丸硬化處理，所述螺旋彈簧成形機具有:用于連續(xù)性地供給鋼線材的進料輥、將鋼線材成形為線圈狀的卷繞部、和用于將鋼線材卷繞規(guī)定卷數(shù)后與由后方連續(xù)供給來的鋼線材進行切斷分離的切斷裝置；卷繞部具備:用于將通過進料輥供給的鋼線材引導(dǎo)至適當位置的線材導(dǎo)板、用于將經(jīng)由線材導(dǎo)板而供給的鋼線材加工為線圈形狀的由卷繞拴或者卷繞輥構(gòu)成的卷繞工具、和用于設(shè)置螺距的螺距工具；進一步地，在進料輥的出口至卷繞工具之間具有將鋼線材在2.5秒以內(nèi)升溫至奧氏體區(qū)域的加熱裝置。
[0038]本發(fā)明的壓縮螺旋彈簧中，優(yōu)選的是加熱裝置為高頻加熱，在線材導(dǎo)板內(nèi)的鋼線材的通過路徑上或者在線材導(dǎo)板的鋼線材出口側(cè)末端與卷繞工具的空間中的鋼線材的通過路徑上以與鋼線材為同心的方式配置有高頻加熱線圈。需要說明的是，由于能夠?qū)摼€材在短時間升溫至奧氏體區(qū)域即可，因而也可以通過高頻加熱以外的通電加熱或激光加熱來進行加熱。
[0039]本發(fā)明的壓縮螺旋彈簧的制造方法，其特征在于，依次進行通過螺旋彈簧成形機對鋼線材進行成形的卷繞工序；將卷繞后切斷分離的溫度還在奧氏體區(qū)域的線圈直接進行淬火的淬火工序；將線圈進行調(diào)質(zhì)的回火工序；對線材表面賦予壓縮的殘留應(yīng)力的噴丸硬化工序；和立定處理工序；所述螺旋彈簧成形機具有:用于連續(xù)性地供給鋼線材的進料輥、將鋼線材成形為線圈狀的卷繞部、和用于將鋼線材卷繞規(guī)定卷數(shù)后與由后方連續(xù)供給來的鋼線材進行切斷分離的切斷裝置；卷繞部具備:用于將通過進料輥供給的鋼線材引導(dǎo)至適當位置的線材導(dǎo)板、用于將經(jīng)由線材導(dǎo)板而供給的鋼線材加工為線圈形狀的由卷繞拴或者卷繞輥構(gòu)成的卷繞工具、和用于設(shè)置螺距的螺距工具；進一步地，在進料輥的出口至卷繞工具之間具有將鋼線材在2.5秒以內(nèi)升溫至奧氏體區(qū)域的加熱裝置。
[0040]本發(fā)明中，回火工序是為了將通過淬火工序而硬化了的線圈調(diào)質(zhì)成具有適當硬度和韌性的線圈而進行的。所以，在通過淬火就能夠獲得所期望的硬度和韌性的情況下，可以省略回火工序。另外，噴丸硬化工序中，可以進行多段噴丸硬化，進而可根據(jù)需要組合以表面彈性限度的恢復(fù)為目的的低溫時效處理。這里，低溫時效處理可以在噴丸硬化工序后、或者在多段噴丸硬化的各段之間進行，在作為多段噴丸硬化的最終段而實施利用粒徑0.02~0.30mm的噴丸的噴丸硬化的情況下，從進一步提聞最表面的壓縮殘留應(yīng)力的觀點出發(fā)優(yōu)選作為其前處理來進行。需要說明的是，對于在立定處理工序中作為永久應(yīng)變防止處理而對線圈實施的立定處理，有冷立定處理、熱立定處理等各種方法，根據(jù)所期望的特性進行適當選擇。
[0041]通過利用上述螺旋彈簧成形機進行熱卷繞，可以防止加工所致的殘留應(yīng)力的產(chǎn)生。而且，由于將鋼線材在2.5秒以內(nèi)升溫至奧氏體區(qū)域，可以防止晶粒的粗大化，可以獲得優(yōu)異的耐疲勞性。另外，由于進行熱卷繞，即使不實施氮化處理之類的表面強化處理，也可以獲得優(yōu)異的耐疲勞性，可以謀求制造成本的降低。
[0042]本發(fā)明可以適用于作為彈簧材料使用的碳鋼線、硬鋼線、鋼琴線、彈簧鋼線等硬拉線、或者碳鋼油回火鋼絲、鉻釩鋼油回火鋼絲、硅鉻鋼油回火鋼絲、硅鉻釩鋼油回火鋼絲等油回火鋼絲等。特別優(yōu)選適用于廉價的硬拉線。這是因為，由于基于利用高頻加熱的熱成形，因而即使使用廉價的線材，與使用添加了高級元素的高價的油回火鋼絲的以往的冷成形彈簧相比，也可以獲得耐疲勞性更優(yōu)異的彈簧。
[0043]發(fā)明效果
根據(jù)本發(fā)明，可通過對線材賦予適當?shù)膲嚎s殘留應(yīng)力，而使用廉價的線材提供高耐久性的壓縮螺旋彈簧。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0044][圖1]是表示螺旋彈簧的制造工序的一例的圖。
[0045][圖2]是本發(fā)明的實施方式中的卷繞機的成形部的示意圖。
[0046][圖3]是表示本發(fā)明的實施方式中的高頻加熱線圈設(shè)置位置的示意圖。
[0047][圖4]是表示實施例中使用的螺旋彈簧的殘留應(yīng)力分布的圖。
[0048]符號說明
1卷繞機成形部、10...進料輥、20...卷繞部、21...線材導(dǎo)板、22...卷繞工具、22a…卷繞拴、23...螺距工具、30...切斷裝置、30a…切斷刀片、30b…內(nèi)模、40...高頻加熱線圈、M…鋼線材。
【具體實施方式】
[0049]以下具體說明本發(fā)明的一個實施方式。本發(fā)明中，為了在卷繞時進行加熱，使用圖1 (A)所示的熱成形法。本實施方式中，通過出線機將鋼線材供給到卷繞機，在卷繞機中將鋼線材急速加熱后，成形為線圈狀，在淬火槽中進行淬火，進而進行回火。
[0050]圖2表示卷繞機的成形部的示意。如圖2所示，卷繞機成形部I具有:用于連續(xù)性地供給鋼線材M的進料輥10、將鋼線材M成形為線圈狀的卷繞部20、具備用于卷繞規(guī)定卷數(shù)后與由后方連續(xù)供給來的鋼線材M進行切斷分離的切斷刀片30a和內(nèi)模30b的切斷裝置30、和在進料輥10的出口至卷繞工具22之間加熱鋼線材M的高頻加熱線圈40。卷繞部20具備:用于將通過進料輥10供給的鋼線材M引導(dǎo)至適當位置的線材導(dǎo)板21、用于將經(jīng)由線材導(dǎo)板21供給的鋼線材M加工為線圈形狀的由卷繞拴(或卷繞輥)22a構(gòu)成的卷繞工具22、和用于設(shè)置螺距的螺距工具23。[0051]卷繞機中的急速加熱通過高頻加熱線圈40進行，使鋼線材在2.5秒以內(nèi)升溫至奧氏體區(qū)域。圖3表示高頻加熱線圈設(shè)置位置。高頻加熱線圈40設(shè)置在線材導(dǎo)板21的附近，并以能夠?qū)摼€材M在加熱后立即成形的方式設(shè)置卷繞部20。需要說明的是，高頻加熱線圈的設(shè)置位置只要能夠?qū)摼€材M在加熱后立即成形即可，因而可以是本實施方式所示位置以外的位置。
[0052]卷繞部20中，使拔出了線材導(dǎo)板21的鋼線材M與卷繞拴22a接觸，并以規(guī)定的曲率進行彎曲，進而使其與下游的卷繞拴22a接觸并以規(guī)定的曲率進行彎曲。然后，使鋼線材M與螺距工具23接觸，以成為所期望的線圈形狀的方式賦予螺距。達到所期望的卷數(shù)時，利用切斷裝置30的切斷刀片30a在與內(nèi)模30b的直線部分之間通過剪切進行切斷，將由后方供給的鋼線材M與彈簧形狀的鋼線材M切斷分離。 [0053]首先，準備以重量％計含有0.45~0.85%的C、0.15~2.5%的S1、0.3~1.0%的Mn、且剩余部分包含鐵和不可避免的雜質(zhì)的當量圓直徑為1.5~9.0mm的鋼線材M。將該鋼線材M通過出線機(圖示省略)供給到進料輥10，通過高頻加熱線圈40將鋼線材M在
2.5秒以內(nèi)加熱至奧氏體區(qū)域后，在卷繞部20中進行卷繞(卷繞工序)。
[0054]然后，將卷繞后切斷分離的溫度還在奧氏體區(qū)域的線圈直接在淬火槽(圖示省略)中進行淬火(作為淬火溶劑，例如60 °C左右的油)(淬火工序),進而進行回火(例如200~450°C)(回火工序)。通過進行淬火,變成由馬氏體組織構(gòu)成的高硬度組織,進一步進行回火，從而可以形成韌性優(yōu)異的回火馬氏體組織。這里，淬火回火處理可以使用通常的方法，該淬火前的線材的加熱溫度、淬火溶劑的種類溫度、以及回火的溫度、時間根據(jù)鋼線材M的材質(zhì)來適當設(shè)定。
[0055]進一步地，通過對鋼線材M實施噴丸硬化處理(噴丸硬化工序)、立定處理(立定處理工序)，可以獲得所期望的耐疲勞性。由于在加熱至奧氏體區(qū)域的狀態(tài)下進行卷繞，因而可以防止加工所致的殘留應(yīng)力的產(chǎn)生。因而，與通過冷成形法制作的以往的螺旋彈簧相比，本發(fā)明中的螺旋彈簧容易通過噴丸硬化而賦予壓縮殘留應(yīng)力，可以在彈簧的內(nèi)徑側(cè)有效地賦予距表面深且大的壓縮殘留應(yīng)力。進而通過進行立定處理處理，可以在作為彈簧使用時的最大主應(yīng)力方向上形成更深的壓縮殘留應(yīng)力分布，可以提高耐疲勞性。
[0056]本實施方式中，進行由利用粒徑0.6~1.2mm的噴丸的第I噴丸硬化處理、利用粒徑0.2~0.8mm的噴丸的第2噴丸硬化處理、和利用粒徑0.02~0.30mm的噴丸的第3噴丸硬化處理構(gòu)成的多段噴丸硬化處理。后實施的噴丸硬化處理中，由于使用比先實施的噴丸硬化處理更小的噴丸，因而可以使線材的表面粗糙度平滑。
[0057]噴丸硬化中使用的噴丸可以使用以鋼絲切丸、鋼珠、FeCrB系為代表的高硬度粒子等。另外，壓縮殘留應(yīng)力可以通過噴丸的當量球直徑、投射速度、投射時間和多階段的投射方式來進行調(diào)整。
[0058]另外，本實施方式中，作為立定處理處理進行熱立定處理，加熱至100~300°C，并且對彈簧形狀的鋼材賦予塑性應(yīng)變以使作用于線材表面的剪切應(yīng)變量達到作為彈簧實際使用時的作用應(yīng)力下的剪切應(yīng)變量以上。
[0059]對于通過以上所述工序制作的本發(fā)明的壓縮螺旋彈簧，彈簧線材的任意的橫截面上，硬度為570~700HV，在彈簧內(nèi)徑側(cè)，距表面0.2mm深度的無負荷時的壓縮殘留應(yīng)力為200MPa以上，同時距表面0.4mm深度的無負荷時的壓縮殘留應(yīng)力為IOOMPa以上。因此，本發(fā)明的壓縮螺旋彈簧的耐疲勞性優(yōu)異。
實施例
[0060][卷繞性評價]
首先，使用具備高頻加熱線圈的卷繞機(參照圖2、圖3)進行卷繞性的評價。準備包含表1中記載的化學(xué)成分、線直徑為1.0~10.0mm的油回火鋼絲，利用卷繞機將線材加熱至900°C，以表2中所示的線直徑d與彈簧指數(shù)D/d的組合條件進行卷繞。
[0061][表 1]
【權(quán)利要求】
1.壓縮螺旋彈簧，其使用以重量％計含有0.45~0.85%的C、0.15~2.5%的S1、0.3~1.0%的Mn、且剩余部分包含鐵和不可避免的雜質(zhì)的當量圓直徑為1.5~9.0mm的鋼線材而成，其特征在于，任意的線材橫截面的硬度為570~700HV，在螺旋彈簧內(nèi)徑側(cè)，對彈簧負荷壓縮載荷時大致最大主應(yīng)力方向上的距表面0.2mm深度處的無負荷時的壓縮殘留應(yīng)力為200MPa以上，同時距表面0.4mm深度處的無負荷時的壓縮殘留應(yīng)力為IOOMPa以上。
2.壓縮螺旋彈簧，其使用以重量％計含有0.45~0.85%的C、0.15~2.5%的S1、0.3~1.0%的Mn、且剩余部分包含鐵和不可避免的雜質(zhì)的當量圓直徑為1.5~9.0mm的鋼線材而成，其特征在于，任意的線材橫截面的硬度為570~700HV，在螺旋彈簧內(nèi)徑側(cè)，將對彈簧負荷壓縮載荷時大致最大主應(yīng)力方向上的無負荷時的壓縮殘留應(yīng)力的值為零的距表面的深度設(shè)為交點，將從表面至交點的區(qū)域的無負荷時的壓縮殘留應(yīng)力的積分值表示為1-μ時，I_oKSl80MPa mm 以上。
3.壓縮螺旋彈簧，其使用以重量％計含有0.45~0.85%的C、0.15~2.5%的S1、0.3~1.0%的Mn,0.005~4.5%的選自Cr、B、N1、T1、Cu、Nb、V、Mo、W中的I種或2種以上、且剩余部分包含鐵和不可避免的雜質(zhì)的當量圓直徑為1.5~9.0mm的鋼線材而成，其特征在于，任意的線材橫截面的硬度為570~700HV，在螺旋彈簧內(nèi)徑側(cè)，對彈簧負荷壓縮載荷時大致最大主應(yīng)力方向上的距表面0.2mm深度處的無負荷時的壓縮殘留應(yīng)力為200MPa以上，同時距表面0.4mm深度處的無負荷時的壓縮殘留應(yīng)力為IOOMPa以上。
4.壓縮螺旋彈簧，其使用以重量％計含有0.45~0.85%的C、0.15~2.5%的S1、0.3~1.0%的Mn,0.005~4.5%的選自Cr、B、N1、T1、Cu、Nb、V、Mo、W中的I種或2種以上、且剩余部分包含鐵和不可避免的雜質(zhì)的當量圓直徑為1.5~9.0mm的鋼線材而成，其特征在于，任意的線材橫截面的硬度為570~700HV，在螺旋彈簧內(nèi)徑側(cè)，將對彈簧負荷壓縮載荷時大致最大主應(yīng)力方向上的無負荷時的壓縮殘留應(yīng)力的值為零的距表面的深度設(shè)為交點，將從表面至交點的區(qū)域的無負荷時的壓縮殘留應(yīng)力的積分值表示為1-μ時，1-OE為ISOMPa mm以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1~4中任一項所述的壓縮螺旋彈簧，其特征在于，在螺旋彈簧內(nèi)徑偵牝無負荷時的最大壓縮殘留應(yīng)力為850MPa以上。
6.根據(jù)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％的Cr。
7.根據(jù)權(quán)利要求1~6中任一項所述的壓縮螺旋彈簧，其特征在于，彈簧指數(shù)為3~8。
8.根據(jù)權(quán)利要求1~7中任一項所述的壓縮螺旋彈簧，其特征在于，表面粗糙度Rz(最大高度)為20 μ m以下。
9.根據(jù)權(quán)利要求1~8中任一項所述的壓縮螺旋彈簧，其特征在于，壓縮殘留應(yīng)力通過噴丸硬化處理而賦予。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的壓縮螺旋彈簧，其特征在于，前述噴丸硬化處理是由利用粒徑0.6~1.2mm的噴丸的第I噴丸硬化處理、利用粒徑0.2~0.8mm的噴丸的第2噴丸硬化處理、和利用粒徑0.02~0.30mm的噴丸的第3噴丸硬化處理構(gòu)成的多段噴丸硬化處理。
11.根據(jù)權(quán)利要求1~10中任一項所述的壓縮螺旋彈簧，其特征在于，JISG0551中規(guī)定的原始奧氏體平均結(jié)晶粒度為10號以上。
12.根據(jù)權(quán)利要求1~11中任一項所述的壓縮螺旋彈簧，其特征在于，使用SEM/EBSD法的IPF圖(以取向角度差5°以上的邊界為晶界)中的平均結(jié)晶粒徑為Iym以下。
13.根據(jù)權(quán)利要求1~12中任一項所述的壓縮螺旋彈簧，其特征在于，彈簧形狀為圓筒形、或者圓錐形、大鐘形、鼓形、樽形等異形。
14.根據(jù)權(quán)利要求1~13中任一項所述的壓縮螺旋彈簧，其特征在于，通過螺旋彈簧成形機進行成形，并實施了噴丸硬化處理，所述螺旋彈簧成形機具有:用于連續(xù)性地供給鋼線材的進料輥、將前述鋼線材成形為線圈狀的卷繞部、和用于將前述鋼線材卷繞規(guī)定卷數(shù)后與由后方連續(xù)供給來的鋼線材進行切斷分離的切斷裝置； 前述卷繞部具備:用于將通過前述進料輥供給的鋼線材引導(dǎo)至適當位置的線材導(dǎo)板、用于將經(jīng)由前述線材導(dǎo)板而供給的鋼線材加工為線圈形狀的由卷繞拴或者卷繞輥構(gòu)成的卷繞工具、和用于設(shè)置螺距的螺距工具； 進一步地，在前述進料輥的出口至前述卷繞工具之間具有將前述鋼線材在2.5秒以內(nèi)升溫至奧氏體區(qū)域的加熱裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的壓縮螺旋彈簧，其特征在于，前述加熱裝置為高頻加熱，在前述線材導(dǎo)板內(nèi)的鋼線材的通過路徑上或者在前述線材導(dǎo)板的鋼線材出口側(cè)末端與前述卷繞工具的空間中的鋼線材的通過路徑上以與前述鋼線材為同心的方式配置有高頻加熱線圈。
16.壓縮螺旋彈簧的制造方法，其特征在于，依次進行通過螺旋彈簧成形機對鋼線材進行成形的卷繞工序；將卷繞后切斷分離的溫度還在奧氏體區(qū)域的線圈直接進行淬火的淬火工序；將前述線圈進行調(diào)質(zhì)的回火工序；對線材表面賦予壓縮殘留應(yīng)力的噴丸硬化工序；和立定處理工序；所述螺旋彈簧成形機具有:用于連續(xù)性地供給鋼線材的進料輥、將前述鋼線材成形為線圈狀的卷繞部、和用于將前述鋼線材卷繞規(guī)定卷數(shù)后與由后方連續(xù)供給來的鋼線材進行切斷分離的切斷裝置； 前述卷繞部具備:用于將通過前述進料輥供給的鋼線材引導(dǎo)至適當位置的線材導(dǎo)板、用于將經(jīng)由前述線材導(dǎo)板而供給的鋼線材加工為線圈形狀的由卷繞拴或者卷繞輥構(gòu)成的卷繞工具、和用于設(shè)置螺距的螺距工具； 進一步地，在前述進料輥的出口至前述卷繞工具之間具有將前述鋼線材在2.5秒以內(nèi)升溫至奧氏體區(qū)域的加熱裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的壓縮螺旋彈簧的制造方法，其特征在于，前述加熱裝置為高頻加熱，在前述線材導(dǎo)板內(nèi)的鋼線材的通過路徑上或者在前述線材導(dǎo)板的鋼線材出口側(cè)末端與前述卷繞工具的空間中的鋼線材的通過路徑上以與前述鋼線材為同心的方式配置有1?頻加熱線圈。
【文檔編號】B24C1/10GK103717775SQ201280039282
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年7月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月11日
【發(fā)明者】井海和也, 白石透, 小野裕一郎, 小野芳樹 申請人:日本發(fā)條株式會社