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)動機及離合器內(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。
【背景技術(shù)】
[0002] 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 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 料的高強度化及由表面處理帶來的表面強化的研宄興盛，結(jié)果實現(xiàn)了作為螺旋彈簧的特性 車父重要的耐疲勞性的提尚及耐彈力減弱性的提尚。
[0003] -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I (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，在淬火一回火后再實施噴丸硬化及整定，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。
[0004] 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，進而，由于因加工速度或設(shè)備費用等帶來的量產(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，從輕量化的觀點看，要求材料的高強度化，廣泛使用昂 貴的油回火線。
[0005] 在冷成形法中，如圖I (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)需要而實施通過氮化處 理的表面硬化處理。
[0006] 以進一步的耐疲勞性的提高為目標(biāo)的研宄正在熱烈地進行。例如，在專利文獻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2中，公開了通過對實施了氮化處理的線材的表面實施不同的投射速 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)。
[0007] 在專利文獻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1中的線材，也難以在維持希望的線材強度的基礎(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，然后實施噴丸硬化后，因為 通過加工而在線圈內(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。
[0008] 此外，在專利文獻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HOOMPa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，對于相同強度 的線材，其耐疲勞性的提高效果欠缺。
[0009] 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用化，但結(jié)果，例如在 線徑1. 5?IOmm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是實情。因而，在深度0. 1?0. 4_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。
[0010] 專利文獻1 :特許第3595901號 專利文獻2 :特開2009 - 226523號公報。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0011] 如上述那樣，在以往的制造方法及專利文獻1、2等中，對于近年來的要求高應(yīng)力 下的耐疲勞性的進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。
[0012] 本發(fā)明在這樣的背景下，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。
[0013] 本發(fā)明者們對螺旋彈簧的耐疲勞性進行了專心研宄。并且得到了以下想法：為了 在上述深度0. 1?0. 4_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行的噴丸 硬化及整定的效果。
[0014] 在到奧氏體域為止的加熱階段中，將其加熱在更短時間中進行，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。
[0015] 進而，通過對螺旋彈簧進行滲碳處理、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 在熱盤繞加工時進行，則能夠有效率地進行滲碳處理。
[0016] 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行滲碳處理，則能夠有效率地進行滲碳處理。
[0017] S卩，本發(fā)明的壓縮螺旋彈簧，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 IOmm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。這里，在對彈簧施加壓縮載荷的情況下發(fā)生的大致最大主應(yīng)力方向，表示相對于線材的 軸向大致+45°方向。并且，該最大主應(yīng)力方向是根據(jù)螺旋彈簧形狀(特別是與間距角的關(guān) 系）而變化的方向，該方向相對于軸向存在于+45°?+60°的范圍。
[0018] 此外，本發(fā)明的壓縮螺旋彈簧，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IOmm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；在線材的螺旋彈簧內(nèi)徑側(cè)， 為160MPa_mm以上。這里，所謂1_。,，是在對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，以無負(fù)荷時的壓縮殘留應(yīng)力的值為零的距線材的表面的深度為交叉點、縱軸 是殘留應(yīng)力、橫軸是單線半徑的殘留應(yīng)力分布曲線中的從表面到交叉點的積分值。交叉點 較大意味著壓縮殘留應(yīng)力進入到距表面較深處。
[0019] 此外，本發(fā)明的壓縮螺旋彈簧，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I. 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· 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。
[0020] 進