压缩螺旋弹簧及其制造方法技术

通过对线材赋予适当的压缩残留应力，使用廉价的线材，提供高耐久性的压缩螺旋弹簧及其制造方法。压缩螺旋弹簧，其使用以重量%计含有0.45～0.85%的C、0.15～2.5%的Si、0.3～1.0%的Mn、且剩余部分包含铁和不可避免的杂质的当量圆直径为1.5～9.0mm的钢线材而成，其中，任意的线材横截面的硬度为570～700HV，在螺旋弹簧内径侧，对弹簧负荷压缩载荷时的大致最大主应力方向上的距表面0.2mm深度处在无负荷时的压缩残留应力为200MPa以上，同时距表面0.4mm深度处在无负荷时的压缩残留应力为100MPa以上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】压缩螺旋弹簧及其制造方法
本专利技术涉及例如在汽车的发动力、离合器内使用的压缩螺旋弹簧，特别涉及在高应力下的使用环境中也具有优异的耐疲劳性的压缩螺旋弹簧及其制造方法。
技术介绍
近年来，以环境问题为背景，对汽车低燃耗化的要求逐年严格，比以往更加强烈的要求汽车部件的小型轻量化。针对该小型轻量化的要求，在例如以发动机内使用的气门弹簧、离合器内使用的离合器扭簧为代表的压缩螺旋弹簧部件中，材料的高强度化、利用表面处理的表面强化的研究盛行，其结果是，逐渐谋求作为螺旋弹簧特性重要的耐疲劳性的提高、耐永久应变性的提高。通常螺旋弹簧的制造方法大致分为热成形法和冷成形法。热成形法用于因线直径d大、并且线圈平均直径D与线直径d之比即弹簧指数D/d小等、其加工性差而难以进行冷成形的螺旋弹簧的成形，作为螺旋弹簧材料，使用碳钢、弹簧钢。热成形法中，如图1（A）所示，为了使线材容易加工而加热至高温缠绕于芯棒而卷绕成螺旋弹簧形状，进行淬火・回火后，进一步实施喷丸硬化或立定处理，得到作为螺旋弹簧的主要性能的耐疲劳性、耐永久应变性。需要说明的是，热成形法中，由于以无芯棒进行卷绕在技术上非常困难，因而目前为止还未被实用化。因此，热成形法使用芯棒在以往的技术中是必须的，作为能够成形的螺旋弹簧，与可以以无芯棒进行卷绕的冷成形法相比，形状的自由度低。另一方面，对于由于线直径较细、或者弹簧指数大等因素而可以冷成形的形状的螺旋弹簧，从加工技术的容易度、基于加工速度或设备费用等的量产性（生产节拍、尺寸精度、成本）的观点出发，一般采用冷成形法。另外，无芯棒的成形技术已经确立，螺旋弹簧的形状自由度高也是使用冷成形法的一大原因。冷成形法中，作为弹簧材料，以往使用碳钢线、硬钢线、钢琴线、弹簧钢线等硬拉线。然而，近年从轻量化的观点出发要求材料的高强度化，逐渐广泛使用高价的油回火钢丝。冷成形法中，如图1（B）和（C）所示，以冷式将线材卷绕为螺旋弹簧形状，退火后，根据需要实施喷丸硬化和立定处理。这里，退火的目的在于，除去成为提高螺旋弹簧耐疲劳性的阻碍因素的因加工而产生的残留应力，与通过喷丸硬化对表面赋予压缩残留应力相配合，有助于螺旋弹簧的耐疲劳性提高。需要说明的是，对于气门弹簧、离合器扭簧这样的以高负荷应力使用的螺旋弹簧，以氮化处理为代表的表面硬化处理在喷丸硬化前根据需要实施。以更进一步提高耐疲劳性为目标的研究正在积极进行。例如，专利文献1中，记载了冷成形用的油回火钢丝，公开了利用残留奥氏体的加工诱发相变（加工誘起変態）来提高耐疲劳性的技术。专利文献2中公开了对实施了氮化处理的线材表面实施以不同喷射速度进行的多段喷丸硬化，从而赋予大的压缩残留应力，谋求耐疲劳性的提高的技术。专利文献1中卷绕后的螺旋弹簧产生残留应力。该残留应力、特别是在线圈内径侧表面产生的线轴方向的拉伸残留应力是作为螺旋弹簧的耐疲劳性提高的阻碍因素。另外，通常为了除去该加工所致的残留应力而实施退火，但能容易地推定：即使是回火软化阻力高的专利文献1中的线材，在维持线材强度的基础上完全除去该残留应力也是困难的，这对本领域技术人员而言是公知的。因此，之后实施喷丸硬化时，由于因加工而在线圈内径侧产生的拉伸残留应力的影响，难以对线材表面赋予充分的压缩残留应力，无法获得作为螺旋弹簧的充分耐疲劳性。另外，有助于回火软化阻力提高的V、Mo等元素的价格昂贵。因此，线材变得非常昂贵，当然作为产品的螺旋弹簧也变得昂贵。另外，专利文献2中，螺旋弹簧的线材表面附近（以下称为“表面”）的压缩残留应力为1400MPa左右，作为在气门弹簧、离合器扭簧类的高负荷应力下使用的螺旋弹簧，对于抑制表面的龟裂产生而言，该压缩残留应力是充分的。然而，提高表面的压缩残留应力的结果是在线材内部的压缩残留应力变小，对于以夹杂物等为起点的线材内部的龟裂产生，该压缩残留应力的效果缺乏。也就是说，专利文献2的方法中，由于通过喷丸硬化赋予的能量有限，即虽然能够赋予压缩残留应力分布的变化，但大幅提高压缩残留应力的总和是困难的。消除上述加工所致的残留应力的影响等未被考虑，因此对相同强度的线材而言其耐疲劳性的提高效果缺乏。需要说明的是，各种提高表面压缩残留应力的方法已经实用化，其结果是，例如线直径1.5～9.0mm左右的螺旋弹簧中，实际情况是在距线材表面的深度（以下称为“深度”）0.1～0.4mm的范围存在外部负荷所致的作用应力和残留应力之和即合成应力的最大值，该合成应力的最高部分成为断裂起点。因此，在深度0.1mm～0.4mm的范围确保大的压缩残留应力对于耐疲劳性是重要的。另外，冷成形法中，作为使通过卷绕加工而产生的残留应力几乎完全消除、并且确保作为所期望的线材的强度的方法，可以考虑将冷成形后的螺旋弹簧加热至奥氏体区域、之后实施淬火回火处理的方法。然而，这种情况下，难以将变成螺旋弹簧形状的材料在短时间均匀加热。其结果是，产生组织的不均，即由于存在强度低的部分，而难以获得所期望的耐疲劳性，另外，难以确保作为产品的信赖性。这里，作为进行均匀加热的方法，延长加热时间是有效的，这种情况下，由于结晶粒粗大化，因而仍然导致耐疲劳性的降低。进一步地，冷成形后的螺旋弹簧中残留大的加工应变，且该残留的加工应变的量在螺旋弹簧个体内不均匀，另外，在螺旋弹簧个体间的不均也大。其结果是，将加工应变通过加热而释放时，会伴随大的不均匀的形状变化，另外，也无法避免该形状变化在个体间的大的不均。因此，难以确保例如气门弹簧、离合器扭簧等中所要求的尺寸精度，这样的利用加热的残留应力释放方法难以适用于量产产品。现有技术文献专利文献专利文献1：日本专利第3595901号专利文献2：日本特开2009-226523号公报。
技术实现思路
专利技术要解决的技术问题如上所述，在以往的制造方法和专利文献1、2等中，对于近年来要求兼顾高应力下的耐疲劳性的进一步提高和成本降低的要求，其应对存在困难。另外，作为冷成形用而在目前成为主流的油回火钢丝的价格高昂，其中为了提高性能而添加了Ni、V、Mo等高级元素的油回火钢丝非常昂贵。进一步地，由于在成形后的退火处理中无法完全消除加工所致的残留应力，因而无法充分地发挥线材的性能。在这样的背景下，本专利技术的目的在于，通过在防止卷绕加工所致的残留应力的产生的同时对成形后的线材赋予适当的压缩残留应力分布，从而使用廉价的线材，提供高耐久性的压缩螺旋弹簧及其制造方法。用于解决技术问题的方法本专利技术人对螺旋弹簧的耐疲劳性进行了深入研究。结果认为，因加工而产生的残留应力通过添加提高回火软化阻力的高级元素这样的钢成分的调整、或通过之后的退火条件的调整，虽然可以实现一定程度的降低，但根本上难以在维持相对于负荷应力的耐疲劳性、耐永久应变性所需的钢的强度的同时完全消除该因加工而产生的残留应力。所以，在将螺旋弹簧线材加热至奥氏体区域的状态下进行卷绕加工，抑制加工时的残留应力的产生来进行制作，由此发现了可以有效地获得之后进行的喷丸硬化、立定处理的效果。另外，在加热至奥氏体区域的阶段中，将该加热以更短时间进行则与原始奥氏体结晶粒径（以下称为“结晶粒径”）的粗大化抑制、或微细化相关。另外该结晶粒径与耐疲劳性有密切的关系，结晶粒径的微细化对耐疲劳性的提高有效。因此，通过使用以短时间进行了加热的线材来进行热加本文档来自技高网...

【技术保护点】
压缩螺旋弹簧，其使用以重量%计含有0.45～0.85%的C、0.15～2.5%的Si、0.3～1.0%的Mn、且剩余部分包含铁和不可避免的杂质的当量圆直径为1.5～9.0mm的钢线材而成，其特征在于，任意的线材横截面的硬度为570～700HV，在螺旋弹簧内径侧，对弹簧负荷压缩载荷时大致最大主应力方向上的距表面0.2mm深度处的无负荷时的压缩残留应力为200MPa以上，同时距表面0.4mm深度处的无负荷时的压缩残留应力为100MPa以上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.08.11 JP 2011-1755201.压缩螺旋弹簧，其使用以重量%计含有0.45～0.85%的C、0.15～2.5%的Si、0.3～1.0%的Mn、且剩余部分包含铁和不可避免的杂质的当量圆直径为1.5～9.0mm的钢线材而成，其特征在于，任意的线材横截面的硬度为570～700HV，在螺旋弹簧内径侧，对弹簧负荷压缩载荷时大致最大主应力方向上的距表面0.2mm深度处的无负荷时的压缩残留应力为200MPa以上，同时距表面0.4mm深度处的无负荷时的压缩残留应力为100MPa以上，并且，在螺旋弹簧内径侧，将对弹簧负荷压缩载荷时大致最大主应力方向上的无负荷时的压缩残留应力的值为零的距表面的深度设为交点，将从表面至交点的区域的无负荷时的压缩残留应力的积分值表示为I-σR时，I-σR为180MPa・mm以上。2.压缩螺旋弹簧，其使用以重量%计含有0.45～0.85%的C、0.15～2.5%的Si、0.3～1.0%的Mn、0.005～4.5%的选自Cr、B、Ni、Ti、Cu、Nb、V、Mo、W中的1种或2种以上、且剩余部分包含铁和不可避免的杂质的当量圆直径为1.5～9.0mm的钢线材而成，其特征在于，任意的线材横截面的硬度为570～700HV，在螺旋弹簧内径侧，对弹簧负荷压缩载荷时大致最大主应力方向上的距表面0.2mm深度处的无负荷时的压缩残留应力为200MPa以上，同时距表面0.4mm深度处的无负荷时的压缩残留应力为100MPa以上，并且，在螺旋弹簧内径侧，将对弹簧负荷压缩载荷时大致最大主应力方向上的无负荷时的压缩残留应力的值为零的距表面的深度设为交点，将从表面至交点的区域的无负荷时的压缩残留应力的积分值表示为I-σR时，I-σR为180MPa・mm以上。3.根据权利要求1或2所述的压缩螺旋弹簧，其特征在于，在螺旋弹簧内径侧，无负荷时的最大压缩残留应力为850MPa以上。4.根据权利要求2所述的压缩螺旋弹簧，其特征在于，含有0.5～2...

【专利技术属性】
技术研发人员：井海和也，白石透，小野裕一郎，小野芳树，
申请(专利权)人：日本发条株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP