CN101389781A - 高强度不锈钢弹簧及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高强度不锈钢弹簧，其表现出优良的可加工性，并具有高载荷特性。因此，本发明的高强度不锈钢弹簧的化学组成中含有：0.04质量％－0.08质量％的C、0.15质量％－0.22质量％的N、0.3质量％－2.0质量％的Si、0.5质量％－3.0质量％的Mn、16质量％－20质量％的Cr、8.0质量％－10.5质量％的Ni、0.5质量％－3.0质量％的Mo，余量为Fe和不可避免的杂质，并且线圈的平均直径以D表示，当在不锈钢丝的横截面为完整的圆形的情况下，钢丝直径以d表示时，或者当在不锈钢丝的横截面为除了完整圆形以外的形状的情况下，线圈外直径减去平均盘卷直径而获得的值以d′表示时，所述弹簧的旋绕比D/d或D/d′为2至6。

Description

高强度不锈钢弹簧及其制造方法
技术领域
本发明涉及不锈钢弹簧，以及制造该不锈钢弹簧的方法，其中所述不锈钢弹簧被用于需要具有高强度和高耐腐蚀性的制品中，例如用于汽车部件、家用电器部件或模具弹簧中。
背景技术
作为在被施加了高载荷的高强度弹簧部件中使用的材料，迄今已有用于冷加工的琴钢丝(piano wire)和Si-Cr钢油回火钢丝，以及用于热加工的Si-Mn系弹簧用钢丝等。
这些高强度材料均存在耐腐蚀性较低的问题。作为提高弹簧耐腐蚀性的方法，可提出涂装法、耐腐蚀电镀处理等。然而，由于在Si-Cr钢和Si-Mn钢中存在产生延迟断裂的危险性，因此不能对Si-Cr钢和Si-Mn钢施加电镀处理。近年来，基于对环境问题的考虑，针对琴钢丝进行的铬酸盐处理(该处理是对琴钢丝最为有效的耐腐蚀性处理)已受到限制。因此，需要将这种处理改变为无需使用六价铬的替代处理方式。实际操作中，仅有涂装法是解决耐腐蚀性的方法。这些表面处理的缺点在于：这些处理需要在材料被制成弹簧形式之后再进行，这样，该处理便成为间歇处理(batch treatment)方式，从而不可避免地会增加制造成本；并且当作为弹簧的材料在使用期间表面受到损坏时，会以该损坏处为起始点发生腐蚀蔓延。
作为该问题的解决手段，采用使用不锈钢作为弹簧材料的方法。根据该方法，涂装和表面处理可省略；因此，尽管由于采用不锈钢而使材料成本增加，但可将弹簧的整体制造成本控制在较低的水平。然而，具有特别优良的耐腐蚀性的奥氏体不锈钢的强度可能不足。
高强度材料所存在的问题不仅在于其耐腐蚀性。这种材料由于具有高强度，因此还存在加工性低的问题。在设计能够承受高载荷的弹簧时，需要使其旋绕比比较小，以便使弹簧常数较高。图3为解释常规的旋绕比的示意图。如图3(a)所示，当钢丝的横截面为完整的圆形时，平均盘卷直径D(其表示由钢丝的一个横截面的中线到另一个横截面中线的距离)和钢丝直径d被用来以D/d的形式来表示旋绕比。如图3(b)所示，当钢丝横截面不是完整的圆形时，用线圈外直径D′减去平均盘卷直径D而获得的值d′被用来以D/d′的形式表示线圈指数。当使弹簧的旋绕比比较小时，弹簧材料需要具有高加工性。因此，弹簧材料的韧性不足，并且会存在发生断裂或咬合的危险性。
作为解决加工性的现有技术，提出这样的方法：将呈钢丝状的钢淬火并回火一次，将钢盘绕，并再次将钢淬火并回火(参见专利文献JP-A-2000-213579(专利文献1)，和JP-A-2003-073737(专利文献2))。该方法如下所述：在钢丝状的形式下进行淬火和回火处理(该处理的着重点在于韧性)；将钢丝盘绕；并再次进行淬火和回火处理(该处理的着重点在于强度)。该方法可能制造出能够承受高载荷的产品形式的高强度弹簧，但是，该方法尽管解决了韧性问题，可两次热处理却使成本增加。此外，上述的耐腐蚀性不能得到改善。
为了使弹簧的强度提高，近年来使用具有矩形横截面的弹簧或具有椭圆形横截面的弹簧(参见专利文献JP-A-09-133168(专利文献3)，和JP-A-63-034335(专利文献4))。这是因为：由于这种方法可降低附着高度，因此能够在有限的空间内获得较大能量。但是，对于具有这种横截面的钢丝而言，其横截面内的一部分被局部加工，这样，当对该钢丝进行拉丝加工和弹簧加工时，产生韧性不足的危险性增加。
专利文献1 JP-A-2000-213579
专利文献2 JP-A-2003-073737
专利文献3 JP-A-09-133168
专利文献4 JP-A-63-034335
发明内容
本发明待解决的问题
本发明的目的是提供这样一种高强度不锈钢弹簧，该高强度不锈钢弹簧在拉丝加工和弹簧加工中表现出良好的加工性，并且具有与Si-Cr钢油回火钢丝相当的高载荷特性。本发明的另一目的是提供制造高强度不锈钢弹簧的方法，由于该方法根本不需要针对耐腐蚀性进行的涂装和表面处理，因此使总的制造成本降低。
解决问题的手段
本发明的高强度不锈钢弹簧由不锈钢丝制成，其中所述不锈钢丝的化学成分包括：0.04质量％-0.08质量％的C、0.15质量％-0.22质量％的N、0.3质量％-2.0质量％的Si、0.5质量％-3.0质量％的Mn、16质量％-20质量％的Cr、8.0质量％-10.5质量％的Ni、0.5质量％-3.0质量％的Mo，余量为Fe和不可避免的杂质，并且当线圈的平均直径由D表示，且钢丝直径由d表示(在钢丝的横截面为完整的圆形的情况下)，或者线圈外直径减去平均盘卷直径后而获得的值由d′表示(在钢丝的横截面不是完整的圆形的情况下)时，所述弹簧的旋绕比D/d或D/d′为2至6。
本发明的制造高强度不锈钢弹簧的方法为制造上述弹簧的方法，该方法包括：将不锈钢进行拉丝加工，从而形成不锈钢丝；将不锈钢盘绕，从而形成弹簧形；并且将弹簧形的不锈钢丝在425℃至600℃下进行退火。
本发明的效果
根据本发明，加入N使得奥氏体不锈钢的纹理性增强，Mo-N簇合物的形成使得其强度增加，并且使加工和热处理的条件适当，从而可以提供具有优异的加工性、强度和耐腐蚀性的弹簧。该弹簧为具有优异的耐腐蚀性的奥氏体不锈钢弹簧；因此，采用间歇式处理而进行的针对耐腐蚀性的电镀和涂装操作可以省略，从而可降低总的制造成本。
附图简要说明
图1为示出在本发明中，对材料进行拉丝加工时的加工应变与该材料在退火前后的抗拉强度之间的关系的图。
图2为示出在本发明中，回火温度与抗拉强度之间的关系的图。
图3为解释常规的旋绕比的示意图。
图4为示出本发明中退火温度与横向弹性模量之间的关系的图。
本发明的最佳实施方式
在本发明的高强度不锈钢螺旋弹簧中，不锈钢的化学成分的组成中含有：0.04质量％-0.08质量％的C、0.15质量％-0.22质量％的N、0.3质量％-2.0质量％的Si、0.5质量％-3.0质量％的Mn、16质量％-20质量％的Cr、8.0质量％-10.5质量％的Ni、0.5质量％-3.0质量％的Mo，余量为Fe和不可避免的杂质，并且该不锈钢弹簧的旋绕比D/d或D/d′为2至6。以下将对选择构成元素的原因以及限制不锈钢成分的含量范围的原因进行说明。
C以间隙固溶体的形式熔入晶格结构中，从而产生了向其中引入应变，以强化间隙固溶体的作用。此外，C具有形成科特雷耳气团以使金属组织中的位错得到固着的作用，从而提高强度。然而，C容易与钢中的Cr、Nb、Ti等结合而形成碳化物。例如，当在晶粒间界存在有Cr碳化物时，由于Cr在奥氏体中的扩散速度较慢，因此会在晶界附近产生Cr耗尽层。这样，韧性和耐腐蚀性便会降低。因此，将C的含量百分比设定为0.04质量％或更高，以有效地提高强度，并且将其含量百分比设定为0.08质量％或更低，以使其造成韧性和耐腐蚀性降低的效果较小。
与C一样，N也是用以强化间隙固溶体的元素，并且也是形成科特雷耳气团的元素。N与钢中的Cr或Mo结合以形成簇合物，从而产生提高强度的作用。这种基于Mo-N簇合物的强度提高作用是通过回火(低温退火)操作而获得的。本发明人获得了这样的研究结果：强度提高的比例随着回火前由加工而引入的应变的不同而发生改变。图1为示出在本发明中，对材料进行拉丝加工时的加工应变与该材料在退火前后的抗拉强度的关系的图。在图1中，退火前的抗拉强度值由空心符号表示，而退火之后的抗拉强度值由实心符号表示。当将材料进行盘绕，并随后将其在低温下退火时，可获得除去应变的效果。在本发明中，也可通过回火而获得强度提高的效果。因此，在本说明书中，将这种退火也称为回火。
如图1所示，本发明的不锈钢的实施方案(后文中也可称之为“发明材料”)含有0.20质量％的N，并且其基质为SUS 304(JIS编号)；因此，由加工而产生的硬化率几乎与SUS 304的硬化率相等。但是，通过加入N(其为奥氏体稳定元素)，即使在加工应变为2或更高时，也不会产生应变诱发马氏体。因此，本发明的不锈钢的强度稍微低于SUS 304的强度。此时发明材料所显示的韧性值等于或高于SUS 304的韧性值。
将发明材料退火后的强度相互进行比较。在这种情况中，应当理解到：在所引入的加工应变的量较大时，回火后的强度增加也较大；并且该强度值与SUS 631(JIS编号)的强度值相等，其中SUS 631为Ni和Al的金属间化合物的沉淀强化型不锈钢。该结果是由于产生Mo-N簇合物所致。换言之，发明材料比SUS 304更易于加工，并且其退火后的强度与SUS 631一样高。因此，SUS 304具有优异的韧性，但其存在强度不足的缺点。SUS 631具有优异的强度，却存在加工性较低的缺点。发明材料可弥补这两个缺点。
如上所述，加入N对可加工性(韧性)和强度的改善产生优异的效果。但是，N在奥氏体相中的固溶程度受到限制。加入0.20质量％或更高的较大量的N时，在铸造钢时会产生气孔。通过加入与N具有高亲和力的元素(如Cr或Mn)来提高其固溶的限度，可在某种程度上抑制这种现象，但是当加入过多的这样的元素时，在钢被熔融时需要对环境条件(如温度)进行控制。结果，可能使成本增加。这样，为了通过加入N有效地使奥氏体相稳定，并且通过形成Mo-N簇合物有效地使强度提高，将N的含量百分比的值设定为0.15质量％或更高，优选为0.18质量％或更高。另一方面，为了避免增加熔融和铸造的难度，将N的含量百分比的值设定为0.22质量％或更低，优选为0.20质量％或更低。
Si会发生固溶，从而产生使层错能降低并使机械特性得到改善的效果。当将钢熔融和精炼时，Si也是有效的脱氧剂，并且在常规奥氏体不锈钢中，Si的含量为约0.6质量％-0.7质量％。为了获得由于固溶体强化而产生的机械特性，优选的是加入0.8质量％或更高的Si。这样，为了获得作为脱氧剂的效果，将Si的含量百分比设定为0.3质量％或更高，更优选为0.5质量％或更高。考虑到韧性的劣化，将其含量百分比设定为2.0质量％或更低，优选为1.2质量％或更低。
在将钢熔融和精炼时Mn被用作脱氧剂，并且Mn对奥氏体不锈钢中的γ相(奥氏体)的相稳定性也是有效的。这样，Mn可以作为替代元素以替代较贵的Ni。如上所述，Mn具有提高N在奥氏体中的固溶限度的效果。但是，Mn对高温下的抗氧化性会产生不利的作用。因此，将Mn的百分含量设定为0.5质量％-3.0质量％。当耐腐蚀性尤其重要时，其百分含量优选为0.5质量％-2.0质量％。为了提高固溶限度，并使N的微小气孔数极少，Mn的添加量优选为2.0质量％-3.0质量％。但是，在这种情况中，耐腐蚀性会有些降低。因此，有利的是，根据用途来对Mn的添加量进行调整。
Cr是奥氏体不锈钢的主要构成元素，具有有效获得耐热特性和抗氧化性的作用。因此，当由发明材料的其它元素成分来计算Ni当量和Cr当量时，并考虑到γ相(奥氏体)的相稳定性，将Cr的百分含量设定为16质量％或更高，优选为17质量％或更高，以获得所需的耐热特性。考虑到韧性的劣化，将其百分含量设定为20质量％或更低，优选为19质量％或更低。
Ni可有效地稳定γ相(奥氏体)。然而，如果在本发明中将N的百分含量设定为0.2质量％或更高，则引入大量的Ni会导致产生气孔。在这种情况中，加入Mn(其与N具有高的亲和力)可有效地抑制气孔的产生。因此，为了获得奥氏体不锈钢，需要在考虑Mn的加入量的条件下加入Ni。因此，加入8.0质量％或更高的Ni以稳定γ相(奥氏体)。为了抑制气孔的产生并控制成本的增加，将Ni的百分含量设定为10.5质量％或更低，优选为10.0质量％或更低。当Ni的含量不足10.0质量％时，Ni使得能够容易地获得N的固溶体，特别是在钢的熔融和铸造过程中尤其如此。因此，从成本的角度来看，加入N是非常有利的，从而使得昂贵的元素Ni的用量尽可能低。
Mo在γ相(奥氏体)中发生置换固溶，从而极大地有助于强度的提高，并确保具有耐腐蚀性。此外，Mo与N结合而形成簇合物，从而使强度得到较大幅度的提高。因此，将提高强度所需的Mo的最低百分含量设定为0.5质量％或更高，优选为1.0质量％或更高。考虑到可加工性的劣化和材料成本的降低，将其百分含量设定为3.0质量％或更低，优选为2.0质量％或更低。
当将上述化学成分熔融而制成钢时，钢的金属组织基本上为单相奥氏体。在钢丝表面形成主要由Cr氧化物制成的钝化膜。这种涂层非常薄且均匀，并具有致密结构；因此，该涂层对保持钢的耐腐蚀性以及其美观性(金属光泽)具有非常重要作用。这种钢表现出Si-Cr钢和Si-Mn钢所无法比拟的高耐腐蚀性，其中Si-Cr钢和Si-Mn钢均为上述的高强度钢，并且均为经回火的奥氏体钢、琴钢丝(珠光体钢)等。
下面将说明对发明材料的结构以及制造该材料的方法进行限制的原因。所述发明材料的特征在于：使用其成分受到限制的上述不锈钢钢丝，并且旋绕比D/d或D/d′为等于或大于2而小于或等于6，优选为等于或大于3而小于或等于5。这源于这样的事实：由Mo-N簇合物产生的强度提高效果取决于所引入的加工应变的量。强度提高效果虽然取决于由拉丝加工所产生的面积减小(率)，但是进行拉丝加工之前的钢丝材料的钢丝直径在工业上受到限制。一般使用的是钢丝直径为5.5mm的钢丝；因此，当钢丝直径为(例如)约2mm-3mm、或者当钢丝的矩形横截面的横截面积与钢丝直径为2mm-3mm的钢丝的横截面积相当时，可允许引入的最大加工应变量最多为约2。但是，本发明人发现，当将这种钢丝进行盘绕时，通过将其旋绕比D/d或D/d′设置为等于或大于2而小于或等于6可提高强度，从而可获得高的弹簧常数。这可能是因为钢丝被局部加工，使得与进行均匀加工的拉丝加工的情况相比，能够更有效地引入加工应变。这种加工是在苛刻的加工条件下进行的，而常规的高强度材料在这种加工条件下会发生韧性降低，然而由于发明材料具有上述的高加工性，因此其能够实现这种加工。这种加工也可以有效地提高弹簧常数。当钢丝的横截面为矩形或椭圆形时，也能获得这种效果，而且这种效果倾向于更高。在发明材料中，将旋绕比D/d或D/d′设定为2或更高，优选为3或者更高，以便抑制由于高度变形而引起的破损和脆化。为了通过引入加工应变而使强度提高效果得到增加，将旋绕比D/d或D/d′设定为6或者更低，优选为5或者更低。
关于不锈钢丝中所含的Mo和N，Mo与N的原子百分比值(Mo/N)优选为大于或等于0.6而小于或等于1.3。有助于提高强度的Mo-N簇合物是由一个Mo原子对应一个N原子而构成的；因此，如果Mo和N中任何一者的量过高或过低，均不能获得好的效果。因此，为了获得有效提高强度的效果，Mo与N的原子百分比值(Mo/N)优选为大于或等于0.6而小于或等于1.3，更优选为大于或等于0.9而小于或等于1.1。
一个优选实施方案是这样一种弹簧，其中该弹簧的旋绕比D/d或D/d′为等于或大于2而小于或等于6，并且在本发明的钢被盘绕之后、而在进行回火之前，该弹簧的横截面的维氏硬度的算术平均值等于或大于400而小于或等于550。当钢经过拉丝加工、可任选的变形加工(形成矩形横截面或椭圆形横截面)，并且完成盘绕时，在横截面的平均硬度(其可被看作是引入到全部材料中的加工应变的平均程度)较高的情况下，通过低温退火而实现的强度提高的效果较高。因此，在将钢盘绕之后、而在将弹簧退火之前，横截面的维氏硬度的算术平均值作为有效提高强度的值，优选为400或更高，更优选为450或更高。为了抑制加工性的劣化，该算术平均值优选为550或更低，更优选为500或更低。当弹簧材料在425℃-600℃的低温下退火时，横截面的维氏硬度的算术平均值变为等于或大于450而小于或等于650，优选为等于或大于550而小于或等于650。
本发明的用于制造高强度不锈钢螺旋弹簧(即上述的弹簧)的方法的特征在于包括如下步骤：将不锈钢进行拉丝加工，从而形成不锈钢丝；将不锈钢丝盘绕，从而形成弹簧形；以及在425℃-600℃的温度下将弹簧形的不锈钢丝退火。强度得到提高的机理在于形成Mo-N簇合物。Mo-N簇合物通过回火处理而形成。
图2为示出发明材料的回火温度与其抗拉强度之间的关系(将发明材料与SUS 304和SUS 631J1(JIS编号)的情况进行对比)的图。这些材料的钢丝直径均为0.55mm，并且回火温度的保持时间均为30分钟。如图2中所示，对于由空心圆圈所表示的发明材料来说，形成Mo-N簇合物以使强度提高的温度被设定为425℃或更高，并且使强度不会由于退火而降低的退火温度被设定为600℃或更低。当退火温度为475℃-550℃时，强度得到进一步提高，从而获得更高的弹簧载荷特性。
优选的是，在该制造方法中进行一次或多次喷丸硬化处理，因为这样可以使强度显著提高。通过以下方法会使强度得到特别有效的提高，所述方法为：在回火处理之前进行喷丸硬化，从而预先向待施加最大应力的部位施加通过喷丸硬化而产生的加工应变，随后进行回火处理。在常规的不锈钢上不会产生这种由喷丸硬化得到的效果，而只有在发明材料上才能够明显地产生这种效果。从分类上来讲，本文所描述的喷丸硬化步骤不仅包括实际的喷丸硬化步骤，还包括消除应变的退火步骤。
优选的是进行多步喷丸硬化处理，这是因为这样做能够改善在高应力下使用的弹簧的疲劳特性。具体而言，可通过在钢的拉丝加工之后进行如下步骤，而使得弹簧同时具有高负载特性和高疲劳特性，这些步骤为：盘绕步骤、第一喷丸硬化步骤、低温退火步骤、第二喷丸硬化步骤和随后的喷丸硬化步骤。从分类上来讲，第二喷丸硬化步骤包括消除应变的退火。当在第二喷丸硬化步骤之后进行第三喷丸硬化步骤时，由于压缩残余应力被施加到弹簧表面，并且使弹簧表面变得平整且光滑，因此由回火产生的强度提高效果可更为有效地与疲劳特性的改善相结合。
当对本发明的高强度不锈钢弹簧进行氮化处理时，可极大地改善其疲劳极限。即使在高温下进行长时间的氮化处理，其硬度也不会降低；因此，氮化处理对本发明的高强度不锈钢弹簧的疲劳极限改善的作用程度大于对常规弹簧的作用程度。
(实施例1)
将发明材料熔融、铸造、锻制、并热轧，以制成钢丝材料(钢丝直径：5.5mm)，并随后将钢丝材料进行固溶处理和拉丝处理，从而制成钢丝直径均为3.0mm的不锈钢丝(发明材料1至5)。在表1中，示出了各不锈钢丝的化学组成(质量％)。接着，制造具有表2中所示的弹簧因子的不锈钢弹簧。其旋绕比D/d被设定为2.33。
表1
 
样品 Fe C N Si Mn Cr Ni Mo Mo/N的原了百分比值 旋绕比(D/d) 
发明材料1    余量量 0.07 0.20 0.7 1.4 18.4 8.5 1.1 0.80 2.33
发明材料2    余量量 0.07 0.20 0.7 1.4 18.3 85 1.4 1.02 2.33
发明材料3    余量量 0.07 0.15 0.7 1.4 18.4 85 3.0 2.92 233
发明材料4    余量量 0.07 0.22 0.7 1.4 18.4 85 0.5 0.33 233
发明材料5    余量量 0.07 0.22 0.7 1.4 18.4 8.5 1.6 1.06 2.33
对比材料1    余量量 0.07 0.02 0.7 1.4 18.2 85 0.02 0.15 2.33
对比材料2    余量量 0.04 0.02 0.6 1.4 17.7 11.8 2.1 15.3 2.33
对比材料3    余量量 0.08 0.02 0.2 0.8 16.5 8.0 0.02 0.15 233
表2
 
钢丝直径(d) 3.0mm
平均盘卷直径(D) 7.0mm
旋绕比(D/d) 2.33
有效匝数 6
自由高度 30mm
匝端部 经磨削处理
随后，将这些弹簧进行低温退火。与市售可得的产品所用的条件类似，弹簧的退火条件如下：温度为500℃，时间为20分钟。此时的弹簧常数如表3所示。表3示出了通过使用沃尔应力校正系数，由弹簧常数估算出的横向弹性模量。弹簧常数均为根据相对于一定的位移量(压入量：5mm和10mm)的载荷变化而测得的值的平均值(N＝3)。
表3
 
样品 弹簧常数 横向弹性模量
发明材料1 3.65×102N/mm 7.42×104N/mm2
发明材料2 3.69×102N/mm 7.51×104N/mm2
发明材料3 3.61×102N/mm 7.33×104N/mm2
发明材料4 3.56×102N/mm 7.23×104N/mm2
发明材料5 3.74×102N/mm 7.60×104N/mm2
对比材料1 3.34×102N/mm 6.78×104N/mm2
对比材料2 3.21×102N/mm 6.53×104N/mm2
对比材料3 3.44×102N/mm 7.00×104N/mm2
SiCr钢 3.71×102N/mm 7.55×104N/mm2
(比较例1)
按照与实施例1相同的方法形成不锈钢丝(对比材料1-3)。在表1中，示出了各不锈钢丝的化学组成(质量％)。接着，制造具有表2中所示弹簧因子的不锈钢弹簧。此外，用Si-Cr钢油回火钢丝来制造具有相同弹簧因子的弹簧。旋绕比D/d被设定为2.33。随后，将对比材料1(SUS 304)在400℃下进行低温退火20分钟，将对比材料2(SUS 316(JIS编号))在400℃下进行低温退火20分钟，将对比材料3(SUS 631J1)在475℃下进行低温退火60分钟，并且这些条件基本上与市售可得的产品所设定的条件相同。按照与实施例1相同的方式，将弹簧常数和横向弹性模量示于表3中。
从表3可看出，发明材料1至5所表现出的载荷特性基本上与使用Si-Cr钢油回火钢丝的弹簧的载荷特性相当。此外，Mo与N的原子百分比值为0.6至1.3的发明材料1、发明材料2和发明材料5均表现出较高的弹簧常数和高的横向弹性模量。
(实施例2)
按照与实施例1相同的方法尝试制造发明材料1-a、1-b和1-c，不同之处在于，按照表4中所示的方式改变实施例1中的发明材料1的钢丝的平均盘卷直径和旋绕比。接着，将所得弹簧进行低温退火。退火条件如下：温度为500℃，时间为20分钟。所得样品的弹簧常数以及由弹簧常数估算得到的横向弹性模量示于表5中。弹簧常数均为根据相对于一定的位移量(压入量：5mm和10mm)的载荷变化而测得的值的平均值(N＝3)。
表4
 
样品 平均盘卷直径 旋绕比
发明材料1-a 7.0mm 2.33
发明材料1-b 13.5mm 4.50
发明材料1-c 18.0mm 6.00
对比材料1-a 7.0mm 2.33
对比材料1-b 13.5mm 4.50
对比材料1-c 18.0mm 6.00
对比材料1-j 24.0mm 8.00
对比材料1-k 24.0mm 8.00
表5
 
样品 弹簧常数 横向弹性模量(估算)
发明材料1-a 3.65×102N/mm 7.42×104N/mm2
发明材料1-b 5.07×101N/mm 7.39×104N/mm2
发明材料1-c 2.13×101N/mm 7.36×104N/mm2
对比材料1-a 3.34×102N/mm 6.78×104N/mm2
对比材料1-b 4.65×101N/mm 6.78×104N/mm2
对比材料1-c 1.96×101N/mm 6.78×104N/mm2
对比材料1-j 8.79×100N/mm 7.20×104N/mm2
对比材料1-k 8.29×100N/mm 6.79×104N/mm2
SiCr钢 3.71×102N/mm 7.55×104N/mm2
(比较例2)
按照与实施例1相同的方法尝试制备对比材料1-a、1-b和1-c和1-k，不同之处在于按照表4中所示的方式改变比较例1中的对比材料1(SUS 304)的钢丝的平均盘卷直径和旋绕比。此外，尝试制造对比材料1-j，其中如表4所示，将实施例1中的发明材料1的钢丝的平均盘卷直径和旋绕比分别设定为24.0mm和8.00而制得对比材料1-j。另外，作为对比材料，尝试制造这样一种弹簧，其中Si-Cr钢油回火钢丝的平均盘卷直径和旋绕比分别被设定为7.00mm和2.33。
接着，将所得弹簧进行低温退火。对比材料1-a、1-b、1-c和1-k(SUS 304)的退火条件如下：温度为400℃并且时间为20分钟；对比材料1-j的退火条件如下：温度为500℃，时间为20分钟。所得样品的弹簧常数以及由弹簧常数估算得到的横向弹性模量示于表5中。弹簧常数均为根据相对于一定的位移量(压入量：5mm和10mm)的载荷变化而测得的值的平均值(N＝3)。
由表5可以清楚地看出，弹簧常数随着弹簧因子的改变而发生很大的变动；但是，通过对估算得到的横向弹性模量进行比较可以证实，发明材料1-a、1-b和1-c(它们具有本发明的化学组成，Mo/N比值为0.6至1.3，旋绕比为2至6)所产生的弹簧载荷特性均接近于Si-Cr钢的弹簧载荷特性。另一方面，可以证实，对比材料1-j(其旋绕比不在本发明的旋绕比2至6的范围内)的横向弹性模量较低。可以证实，使用SUS 304作为原料的对比材料1-a、1-b和1-c，无论其旋绕比如何，均表现出较低的横向弹性模量。
(实施例3)
利用实施例1中的发明材料1的材料形成由直径为2.0mm的钢丝制成的弹簧，以及由直径为3.0mm的钢丝制成的弹簧，以改变在对该材料进行弹簧加工后的硬度。利用相同的材料来形成由横截面为2.0mm×1.57mm的矩形的钢丝制成的弹簧、以及由横截面为3.0mm×2.36mm的矩形的钢丝制成的弹簧。它们的弹簧因子示于表6和表7中。
表6
 
钢丝直径(d) 直径3.0mm矩形3.0mm×2.36mm
平均盘卷直径(D) 7.0mm
旋绕比(D/d) 2.33
有效匝数 6
自由高度 30mm
匝端部 经磨削处理
表7
 
钢丝直径(d) 直径3.0mm矩形2.0×1.57mm
平均盘卷直径(D) 4.7mm
旋绕比(D/d) 2.35
有效匝数 6
自由高度 20mm
匝端部 经磨削处理
将所得弹簧进行低温退火。在这些情况中所进行的退火的条件如下：温度为500℃，时间为20分钟。对于该情况中的各个样品，表8中示出了在盘绕后(并在回火前)、以及回火后，各样品的横截面的维氏硬度的平均值；并且对于回火后的各弹簧，在表8中示出了由其弹簧常数估算得到的横向弹性模量。在从各线圈的表面附近至中心的区域中，在内侧、外侧、上部和下部这4个方向测量横截面的维氏硬度。在表面附近，在深度为50μm和100μm这两个点处进行测量，另外在从500μm的深度至中心的区域内，以500μm的间隔进行测量。在各个方向上，将取点数(n)设定为3。测量表面附近的弹簧常数的方法、以及计算横向弹性模量的方法与实施例2中的方法相同。
表8
Figure A200780006373D00181
*关于SiCr钢，示出了经过淬火和回火之后进行盘绕的钢的硬度。此外，还示出了经过应变消除和退火(在420℃下进行20分钟)后的硬度。
(比较例3)
按照与实施例3相同的方法，利用比较例1中的对比材料1的材料(SUS 304)尝试制造弹簧，并且将该弹簧在400℃下低温退火20分钟。对于各个弹簧，表8中示出了其在盘绕后(在回火前)、以及回火后的横截面的维氏硬度；对于回火后的各弹簧，在表8中示出了由其弹簧常数估算得到的横向弹性模量。按照与实施例3相同的方法进行测量和估算。
从表8中可明显地看出，在发明材料和对比材料中，经过变形加工的材料的硬度以及经过较高程度的拉丝加工的材料的硬度在退火前均得到增加。但是，这些值均低于Si-Cr钢油回火钢丝的硬度，这表明由于这些材料为不锈钢丝，因此其具有高的可加工性。在回火对载荷特性产生的效果方面，发明材料和对比材料是不同的，发明材料均表现出与使用Si-Cr钢油回火钢丝的弹簧的横向弹性模量相当的横向弹性模量，而对比材料却没有表现出与使用Si-Cr钢油回火钢丝的弹簧的横向弹性模量相当的横向弹性模量。这表明回火使发明材料的强度得到极大地提高。也理解到，退火前硬度越高，发明材料的硬度提高的越大。对于发明材料1-d、1-e和1-f，其横截面的维氏硬度的算术平均值在退火前均为400至550。由于低温退火的结果，其特性提高到与Si-Cr钢油回火钢丝的特性相当的水平。通过这一事实，证实了发明材料具有与常规不锈钢丝(SUS 304)相当的高加工性，并且还具有与Si-Cr钢油回火钢丝相当的高载荷特性。如表8所示，对于各发明材料，其横截面的维氏硬度的算术平均值在退火前均为400至550，并且通过在425℃-600℃的温度下进行退火，其横截面的维氏硬度变成450-650。
(实施例4)
利用实施例1中的发明材料，根据表2中所示的弹簧因子，尝试制造弹簧，将该弹簧在以25℃的间隔改变的不同温度(温度范围为350℃至625℃)下进行低温退火20分钟。对于所得弹簧，按照相同方法测量其弹簧常数，然后计算其横向弹性模量(104N/mm2)。结果示于表9中。
表9
 
退火温度 350℃ 375℃ 400℃ 425℃ 450℃ 475℃ 500℃ 525℃ 550℃ 575℃ 600℃ 625℃
发明材料1 723 724 7.26 7.33 737 7.40 742 742 7.41 7.35 7.31 7.20
对比材料1 6.77 6.77 6.78 6.73 6.73 6.53 6.51 6.50 6.48 6.43 6.41 6.22
(×104N/mm2)
(比较例4)
按照与实施例4相同的方法尝试制造弹簧，不同之处在于，使这些弹簧的化学组成与表1中所示的对比材料1(SUS 304)的化学组成相同。按照相同方法测量其弹簧常数，随后计算其横向弹性模量。结果示于表9中。图4示出了发明材料的退火温度与其横向弹性模量之间的关系，并将其与对比材料1进行比较。
通过这些结果可以理解到，横向弹性模量也按照与图2中所示的抗拉强度相同的方式变化。可以证实，为了使发明材料获得较高的弹簧载荷特性，需要将退火温度设定为等于或大于425℃而小于或等于600℃，并且优选将该温度设定为等于或大于475℃而小于或等于550℃。
(实施例5)
根据表2中所示的弹簧因子，利用表1中的发明材料尝试制造弹簧。将这些弹簧在500℃下退火20分钟，并在表10和11中所示条件下进行一次或两次喷丸硬化处理。表10示出了第一喷丸硬化处理所用的条件。表11示出了第二喷丸硬化处理所用的条件。在进行一次喷丸硬化的情况中，在喷丸硬化之后进行低温退火。在总共进行两次喷丸硬化的情况中，依次进行下列步骤：将发明材料1进行拉丝加工，盘绕，第一喷丸硬化，在500℃下低温退火20分钟，第二喷丸硬化，以及在230℃下进行热处理10分钟以消除应变。对于所得样品，测量其弹簧常数，并计算其横向弹性模量。结果示于表12中。
表10
 
弧高(mm) 0.40N
覆盖率(％) >100
丸粒形状 钢球
丸粒尺寸(mm) 0.3
时间(分钟) 30
表11
 
弧高(mm) 0.15N
表面覆盖率(％) >100
丸粒形状 钢球
丸粒尺寸(mm) 0.1
时间(分钟) 30
表12
 
样品 喷丸硬化 横向弹性模量
发明材料1-a 未进行 7.42×104N/mm2
发明材料1-g 进行(只有一步) 7.48×104N/mm2
发明材料1-h 进行(两步) 7.48×104N/mm2
对比材料1-a 未进行 6.78×104N/mm2
对比材料1-g 进行(只有一步) 6.78×104N/mm2
对比材料1-h 进行(两步) 6.78×104N/mm2
(比较例5)
按照与实施例5相同的方法尝试制造弹簧，不同之处在于使用了表1中的对比材料1。将弹簧退火，并进行喷丸硬化。其弹簧常数和横向弹性模量示于表12中。
从表12中的结果可以明显看出，当对发明材料进行一步喷丸硬化时，会使弹簧载荷特性更好。另一方面，对于对比材料来说，未发现一步喷丸硬化使弹簧载荷特性明显提高。该结果可能是由以下事实所产生：通过第一步喷丸硬化将加工应变引入到弹簧表面中。此外，虽然进行了第二步喷丸硬化，但是这次喷丸硬化对弹簧载荷特性并没有改善作用；然而，通过在回火后进行喷丸硬化，使弹簧的表面更加平坦且光滑。
此外，对第二步喷丸硬化对疲劳极限的影响进行检测。表13示出了各样品的疲劳极限，这些疲劳极限是采用弹簧疲劳测试仪得到的。将重复操作的次数设定为10,000,000。表13中示出了各样品未发生断裂或损坏时的应力条件(n＝8)。在该试验中，将平均应力设定为600MPa。
表13
 
样品 喷丸硬化 疲劳极限(应力幅度)
发明材料1-a 未进行 250MPa
 
发明材料1-g 进行(只有一步) 390MPa
发明材料1-h 进行(两步) 460MPa
对比材料1-a 未进行 160MPa
对比材料1-g 进行(只有一步) 270MPa
对比材料1-h 进行(两步) 310MPa
从表13中的疲劳极限的结果可以明显看出，当对发明材料进行喷丸硬化时，发明材料的疲劳极限改善效果高于对比材料的疲劳极限改善效果。这看起来是由于通过喷丸硬化而引入到弹簧表面中的加工应变非常有助于强度的提高。当对发明材料进行两次喷丸时，发明材料可获得进一步的疲劳极限改善效果。这看起来是由于这样的事实：通过两步喷丸硬化，使不锈钢弹簧的表面(该表面原本容易受到钢丝表面粗糙度的影响)变得平坦且光滑，所以通过第一步喷丸硬化所得到的强度提高对疲劳极限的影响被大大削减。
(实施例6)
利用发明材料1和对比材料1尝试性地制造弹簧。将这些弹簧分别在适当的温度下进行低温退火。这些弹簧的弹簧因子为表2中所示的那些。然后，在表9中所示的条件下对弹簧进行喷丸硬化处理，随后进行氮化处理。对于按照该尝试性方法制造出的弹簧，进行与实施例5相同的疲劳测试。结果示于表14中。
表14
 
样品 喷丸硬化 氮化处理(470℃下进行4小时) 疲劳极限(应力幅度)
发明材料1-g 进行(只有一步) 未进行 390MPa
发明材料1-i 进行(只有一步) 进行 490MPa
对比材料1-g 进行(只有一步) 未进行 270MPa
对比材料1-i 进行(只有一步) 进行 300MPa
从表14中的结果可明显看出，通过进行氮化处理使发明材料的疲劳极限显著提高。另一方面，在对比材料中，氮化处理对疲劳极限提高的作用较小。这是因为通过高温和长时间的氮化处理不会使发明材料的硬度下降，而对比材料被退火，使得其硬度降低。
(实施例7)
对于表1中的发明材料1，采用根据JIS Z 2371中所规定的盐水喷雾实验的方法来评价其耐腐蚀性。表15示出了盐水喷雾实验所用的条件，以及评价方法。表16示出了随时间的推移，生成有铁锈的区域的面积比的变化。对于发明材料1的样品，在没有液体残留的状态下，在中心附近，根据长度为100mm的钢丝表面的外观，用肉眼来获得生成铁锈的面积比。生成铁锈的面积比是多个样品的平均值，其中样品数为3。
表15
 
样品尺寸 钢丝直径：3.3mm，长度：200mm
样品数量 3
盐溶液 盐浓度：5％
试验温度 35℃
评价方法 测量表面上的生成铁锈的面积比
表16
Figure A200780006373D00231
(比较例6)
按照与实施例6相同的方式，对如下这5个样品的耐腐蚀性进行评价，这5个样品为：除了表1中的对比材料1(SUS 304)以外，作为对比物还有发明材料1、Si-Cr钢油回火钢丝、B型琴钢丝(SUP-B)、经铬酸盐处理的B型钢琴线。表16示出了在盐水喷雾试验中生成铁锈的面积比的变化。
由表16明显看出，发明材料1的耐腐蚀性远远高于Si-Cr钢或B型琴钢丝(它们为用于弹簧的常规高强度材料)的耐腐蚀性，并且也高于经耐腐蚀处理(铬酸盐处理)的琴钢丝的耐腐蚀性。这可能是由对耐腐蚀有效的元素(如N和Mo)所产生的效果；但是，考虑到在发明材料1和比较材料1之间并未产生较大的差别，则这种效果可能是由于金属组织是奥氏体单相所致的。换言之，可以这样认为：具有本发明组成成分的所有金属材料均会表现出如上所述的相同耐腐蚀性。
本文所披露的例子在所有情况下都应理解为是示例性的和非限定性的。本发明的范围不是由上面的描述限定，而是由权利要求进行限定，并且其旨在包括与权利要求等同的含义，以及在权利要求所限定范围内的所有变化形式。
工业适用性
本发明的高强度不锈钢弹簧适合用作汽车部件和家用电器部件的弹簧材料，在这些部件中需要同时具有强度和耐腐蚀性。该弹簧由通过回火而得到的簇合物强化型合金制成，并且与沉淀强化合金等相比，这种合金在被加工时能得到更好的利用率。此外，耐腐蚀性表面处理可以省略，因此，可使成本的增加变小，工业价值较高。从这些角度来看，本发明是有利的。因此，本发明可被有效地用作模具弹簧或者模具弹簧用的钢丝。

Claims (9)

1.一种高强度不锈钢弹簧，其由不锈钢丝制成，
其中，所述不锈钢丝的化学组成中含有：0.04质量％-0.08质量％的C、0.15质量％-0.22质量％的N、0.3质量％-2.0质量％的Si、0.5质量％-3.0质量％的Mn、16质量％-20质量％的Cr、8.0质量％-10.5质量％的Ni、0.5质量％-3.0质量％的Mo，余量为Fe和不可避免的杂质，并且
将线圈的平均直径以D表示，当在所述不锈钢丝的横截面为完整的圆形的情况下，钢丝的直径以d表示时，或者当在所述不锈钢丝的横截面为除了完整圆形以外的形状的情况下，线圈外直径减去平均盘卷直径而获得的值以d′表示时，所述弹簧的旋绕比D/d或D/d′为2至6。
2.根据权利要求1所述的高强度不锈钢弹簧，其中所述不锈钢丝中的Mo与N的原子百分比值(Mo/N)为0.6至1.3。
3.根据权利要求1所述的高强度不锈钢弹簧，其中，在所述钢丝被盘绕之后、并在所述弹簧被退火之前，所述弹簧的横截面的维氏硬度的算术平均值为400至550，而在所述弹簧被退火之后，其横截面的维氏硬度的算术平均值为450至650。
4.根据权利要求1所述的高强度不锈钢弹簧，其被用作模具弹簧或者模具弹簧用钢丝。
5.一种制造权利要求1所述的高强度不锈钢弹簧的方法，该方法包括如下工序：
将不锈钢进行拉丝加工，从而形成不锈钢丝；
将所述不锈钢丝进行盘绕，从而形成弹簧形状；以及
将所述弹簧形状的不锈钢丝在425℃至600℃的温度下退火。
6.根据权利要求5所述的制造高强度不锈钢弹簧的方法，其中所述的退火温度为475℃至550℃。
7.根据权利要求5所述的制造高强度不锈钢弹簧的方法，其还包括一步或多步喷丸硬化工序。
8.根据权利要求7所述的制造高强度不锈钢弹簧的方法，其中在进行所述的拉丝加工之后，依次进行盘绕工序、第一阶段的喷丸硬化工序、退火工序、以及第二阶段的喷丸硬化工序。
9.根据权利要求5所述的制造高强度不锈钢弹簧的方法，其中进行氮化处理。
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