CN103717775A - 压缩螺旋弹簧及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

压缩螺旋弹簧及其制造方法
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
发明内容
发明要解决的技术问题
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，本发明的目的在于，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
本发明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工，与抑制起因于加工的残留应力的产生相配合，则可以制作耐疲劳性更优异的弹簧。
即，本发明的压缩螺旋弹簧是使用以重量%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的钢线材而成的压缩螺旋弹簧，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，在对弹簧负荷压缩载荷时大致最大主应力方向上，距表面0.2mm深度的无负荷时的压缩残留应力为200MPa以上，同时距表面0.4mm深度的无负荷时的压缩残留应力为100MPa以上。这里，对弹簧负荷压缩载荷时大致最大主应力方向表示相对于线材的轴方向为大约＋45°的方向。并且，该最大主应力方向根据螺旋弹簧形状（特别是与螺距角的关系）而发生变化，该方向处于相对于轴方向为＋45°～＋60°的范围。
另外，本发明的压缩螺旋弹簧是使用以重量%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的钢线材而成的压缩螺旋弹簧，其特征在于，线材的任意的横截面的硬度为570～700HV，在弹簧内径侧，I- σ R为180MPa・mm以上。这里，I- σ R是指在深度与残留应力的关系图中的从表面至交点（クロッシングポイント）的无负荷时的压缩残留应力的积分值。需要说明的是，交点是指在线材内部在无负荷时使来自表面的压缩残留应力为零的深度，交点大则暗示压缩残留应力从表面进入到深处。另外，压缩残留应力是在对弹簧负荷压缩载荷时大致最大主应力方向、即相对于线材的轴方向为大约＋45°方向上的压缩残留应力。
以下对本发明中规定的数值范围的限定理由进行说明。首先，对本发明中使用的钢线材的化学成分的限定理由进行说明。本发明中，使用含有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钢线材。需要说明的是，以下说明中，“%”表示“重量%”。
（1）材料成分
C：0.45～0.85%
C有助于强度提高。C的含量低于0.45%时，无法充分获得强度提高的效果，因而耐疲劳性、耐永久应变性不充分。另一方面，C的含量超过0.85%时，韧性降低容易产生裂纹。因此C的含量设为0.45～0.85%。
Si:0.15～2.5%
Si对钢的脱氧有效，并且有助于强度提高和回火软化阻力提高。Si的含量低于0.15%时，无法充分获得这些效果。另一方面，Si的含量超过2.5%时，韧性降低容易产生裂纹，并且助长脱碳、导致线材表面强度的降低。因此，Si的含量设为0.15～2.5%。
Mn:0.3～1.0%
Mn有助于淬火性的提高。Mn的含量低于0.3%时，难以确保充分的淬火性，另外，对延展韧性有害的S的固定（MnS生成）的效果也差。另一方面，Mn的含量超过1.0%时，延展性降低，容易产生裂纹或表面划痕。因而，使Mn的含量为0.3～1.0%。
需要说明的是，这些添加元素是构成本发明的基础上最低要求的元素，不限定其它元素的添加。即、本发明中，可以根据其目的适当添加0.005～4.5%的作为弹簧钢的成分组成而通常使用的Cr、B、Ni、Ti、Cu、Nb、V、Mo、W等元素中的1种或2种以上，结果可以制造更高性能、或者适合于用途的螺旋弹簧。例如，对添加Cr的情况进行以下陈述。
Cr:0.5～2.0%
Cr对防止脱碳有效，并且有助于强度提高和回火软化阻力提高，对耐疲劳性的提高有效。另外，对于温热下的耐永久应变性提高也有效。因而，本发明中优选进一步含有0.5～2.0%的Cr。Cr的含量低于0.5%时，无法充分获得这些效果。另一方面，Cr的含量超过2.0%时，延展性降低，容易产生裂纹或表面划痕。
（2）硬度
作为在高负荷应力下使用的气门弹簧或离合器扭簧等，为了满足所要求的耐疲劳性和耐永久应变性，作为螺旋弹簧，后述的压缩残留应力分布以及线材自身的强度也是重要的。即，线材的任意的横截面的平均维氏硬度需要为570～700HV的范围，低于570HV时，由于该材料强度低，无法获得充分的耐疲劳性和耐永久应变性。另外，超过700HV时，由于伴随韧性降低的切口感受性提高，因而以与工具类摩擦而产生的表面划痕、或喷丸硬化中形成的线材表面粗糙度的底部为起点而产生的龟裂所致的早期折损的危险性增大，不适合用作可靠性重要的汽车部件。
（3） 残留应力
本发明人等通过作为气门弹簧和离合器扭簧所要求的作用应力、与能够成为疲劳折损起点的各种因素（延展韧性、非金属系夹杂物、不完全淬火组织等异常组织、表面粗糙度、表面划痕等）的关系中的断裂力学的计算、以及实际耐久试验等的验证，对于在螺旋弹簧的线材表面附近所需要的压缩残留应力得到了下述结论。需要说明的是，本发明中的压缩残留应力是在对弹簧负荷压缩载荷时大致最大主应力方向、即相对于线材的轴方向为＋45°方向上的压缩残留应力。
从弹簧中的线材表面直到内部的压缩残留应力分布通过喷丸硬化和立定处理而赋予。如上所述，对于作为弹簧的耐疲劳性提高，线材表面的压缩残留应力提高自不必说，还需要将内部的压缩残留应力进一步增大并引入更深，特别重要的是，进一步增大实质上作为断裂起点的深度0.1～0.4mm左右的范围的压缩残留应力。而且，作为表示该线材内部的压缩残留应力分布的指标，使深度0.2mm处的无负荷时的压缩残留应力为200MPa以上，并且使深度0.4mm处的无负荷时的压缩残留应力为100MPa以上。深度0.2mm的位置处的无负荷时的压缩残留应力低于200MPa、和/或深度0.4mm的无负荷时的压缩残留应力低于100MPa时，对于抑制内部起点的疲劳断裂而言是不充分的。
另外，对于表示压缩残留应力在内部的大小、或深度的其它指标即I- σ R，设为180MPa・mm以上。另外，进一步对于另一指标即交点，例如使用线直径1.5～9.0mm的线材的情况下，优选为距表面深度0.45mm以上。任一种情况下，作为弹簧的内径侧的表面在无负荷时的最大压缩残留应力，以高负荷应力作用的气门弹簧、或离合器扭簧为对象的情况下，优选为850MPa以上。通过如此设定压缩残留应力分布，可以获得耐疲劳性优异的压缩螺旋弹簧。
本发明中的压缩残留应力分布优选通过喷丸硬化处理和之后的立定处理来形成。喷丸硬化处理中实施多段喷丸硬化时，之后实施的喷丸硬化中使用的喷丸的当量球直径优选比先实施的喷丸硬化中使用的喷丸的当量球直径小。具体而言，喷丸硬化处理优选为由利用粒径0.6～1.2mm的喷丸的第1喷丸硬化处理、利用粒径0.2～0.8mm的喷丸的第2喷丸硬化处理、和利用粒径0.02～0.30mm的喷丸的第3喷丸硬化处理构成的多段喷丸硬化处理。由此，可以将因先实施的喷丸硬化而增加的表面粗糙度通过后实施的喷丸硬化而降低。
需要说明的是，喷丸硬化处理中的喷丸直径、段数不限定于上述，可以根据要求性能，得到所需要的残留应力分布、表面粗糙度等。因此，适当选择喷丸直径、材质、段数等。另外，根据投射速度、投射时间不同，导入的压缩残留应力分布也不同，因而这些也根据需要进行适当设定。
（4）螺旋弹簧形状
本发明适合于卷绕时的加工度大、需要兼具高耐疲劳性和耐永久应变性的下面所列举的样式的压缩螺旋弹簧。本发明可以用于线材的当量圆直径（设为从线材横截面积计算出的正圆时的直径，还包含以方形、椭圆形为代表的非圆形截面）为1.5～10mm、弹簧指数为3～20的通常进行了冷成形的压缩螺旋弹簧。
其中，对于卷绕时的加工度大（即，冷成形中通过卷绕加工产生的线圈内径侧的拉伸残留应力大）、且需要高耐疲劳性的气门弹簧或离合器扭簧等中使用的当量圆直径为1.5～9.0mm、弹簧指数为3～8的压缩螺旋弹簧是适宜的。
另外，与以往的热成形法不同，由于使用后述的螺旋弹簧成形机，因而本发明中的卷绕加工中不需要芯棒。因此，能够成形的弹簧形状的自由度高。即，作为本发明中的螺旋弹簧形状，以作为螺旋弹簧的代表性的全卷绕（全卷目）且线圈外径几乎无变化的圆筒形为代表，还可适用于除此以外的形状的螺旋弹簧。例如，也可以实现圆锥形、大钟形、鼓形、樽形等异形弹簧的成形。
（5）表面粗糙度
作为在高负荷应力下使用的气门弹簧或离合器扭簧等，为了满足所要求的耐疲劳性，上述的压缩残留应力分布以及表面粗糙度也是重要的。本发明人等进行了断裂力学计算及其验证实验，结果明确了，对于表面起点所致的龟裂的产生・发展，通过使表面划痕的深度（即表面粗糙度Rz（最大高度））为20μm以下，能够使该影响无害化。因而，表面粗糙度Rz优选为20μm以下。Rz超过20μm时，表面粗糙度的底部成为应力集中源，容易发生以该底部为表面起点的龟裂的产生・发展，因而导致早期折损。
（6）原始γ（奥氏体）晶粒的平均结晶粒度
原始γ晶粒的平均结晶粒度测定方法规定于JIS　G0551，对于耐疲劳性提高优选原始γ平均结晶粒度编号G为10号以上。这种情况下，由于原始γ晶粒是微细的，因而可以防止疲劳龟裂前端的应力集中部中的滑动（すべり）的移动，因而抑制龟裂发展的效果大，可以得到所希望的耐疲劳性。另外，不足10号的情况下，抑制龟裂发展的效果差，难以获得充分的耐疲劳性。
（7）平均结晶粒径
另外，优选基于使用SEM/EBSD（Electron　Back　Scatter　Diffraction）法的IPF图（以取向角度差5°以上的边界为晶界）的平均结晶粒径为1μm以下。平均结晶粒径超过1μm时，难以获得充分的耐疲劳性。而且，平均结晶粒径小、即原始γ粒内的板条块（ブロック）、板条（ラス）为微细，则对龟裂发展的阻力大，因而对于耐疲劳性的提高是优选的。
另外，本发明的压缩螺旋弹簧理想的是通过螺旋弹簧成形机进行成形，并实施了喷丸硬化处理，所述螺旋弹簧成形机具有：用于连续性地供给钢线材的进料辊、将钢线材成形为线圈状的卷绕部、和用于将钢线材卷绕规定卷数后与由后方连续供给来的钢线材进行切断分离的切断装置；卷绕部具备：用于将通过进料辊供给的钢线材引导至适当位置的线材导板、用于将经由线材导板而供给的钢线材加工为线圈形状的由卷绕拴或者卷绕辊构成的卷绕工具、和用于设置螺距的螺距工具；进一步地，在进料辊的出口至卷绕工具之间具有将钢线材在2.5秒以内升温至奥氏体区域的加热装置。
本发明的压缩螺旋弹簧中，优选的是加热装置为高频加热，在线材导板内的钢线材的通过路径上或者在线材导板的钢线材出口侧末端与卷绕工具的空间中的钢线材的通过路径上以与钢线材为同心的方式配置有高频加热线圈。需要说明的是，由于能够将钢线材在短时间升温至奥氏体区域即可，因而也可以通过高频加热以外的通电加热或激光加热来进行加热。
本发明的压缩螺旋弹簧的制造方法，其特征在于，依次进行通过螺旋弹簧成形机对钢线材进行成形的卷绕工序；将卷绕后切断分离的温度还在奥氏体区域的线圈直接进行淬火的淬火工序；将线圈进行调质的回火工序；对线材表面赋予压缩的残留应力的喷丸硬化工序；和立定处理工序；所述螺旋弹簧成形机具有：用于连续性地供给钢线材的进料辊、将钢线材成形为线圈状的卷绕部、和用于将钢线材卷绕规定卷数后与由后方连续供给来的钢线材进行切断分离的切断装置；卷绕部具备：用于将通过进料辊供给的钢线材引导至适当位置的线材导板、用于将经由线材导板而供给的钢线材加工为线圈形状的由卷绕拴或者卷绕辊构成的卷绕工具、和用于设置螺距的螺距工具；进一步地，在进料辊的出口至卷绕工具之间具有将钢线材在2.5秒以内升温至奥氏体区域的加热装置。
本发明中，回火工序是为了将通过淬火工序而硬化了的线圈调质成具有适当硬度和韧性的线圈而进行的。所以，在通过淬火就能够获得所期望的硬度和韧性的情况下，可以省略回火工序。另外，喷丸硬化工序中，可以进行多段喷丸硬化，进而可根据需要组合以表面弹性限度的恢复为目的的低温时效处理。这里，低温时效处理可以在喷丸硬化工序后、或者在多段喷丸硬化的各段之间进行，在作为多段喷丸硬化的最终段而实施利用粒径0.02～0.30mm的喷丸的喷丸硬化的情况下，从进一步提高最表面的压缩残留应力的观点出发优选作为其前处理来进行。需要说明的是，对于在立定处理工序中作为永久应变防止处理而对线圈实施的立定处理，有冷立定处理、热立定处理等各种方法，根据所期望的特性进行适当选择。
通过利用上述螺旋弹簧成形机进行热卷绕，可以防止加工所致的残留应力的产生。而且，由于将钢线材在2.5秒以内升温至奥氏体区域，可以防止晶粒的粗大化，可以获得优异的耐疲劳性。另外，由于进行热卷绕，即使不实施氮化处理之类的表面强化处理，也可以获得优异的耐疲劳性，可以谋求制造成本的降低。
本发明可以适用于作为弹簧材料使用的碳钢线、硬钢线、钢琴线、弹簧钢线等硬拉线、或者碳钢油回火钢丝、铬钒钢油回火钢丝、硅铬钢油回火钢丝、硅铬钒钢油回火钢丝等油回火钢丝等。特别优选适用于廉价的硬拉线。这是因为，由于基于利用高频加热的热成形，因而即使使用廉价的线材，与使用添加了高级元素的高价的油回火钢丝的以往的冷成形弹簧相比，也可以获得耐疲劳性更优异的弹簧。
发明效果
根据本发明，可通过对线材赋予适当的压缩残留应力，而使用廉价的线材提供高耐久性的压缩螺旋弹簧。
附图说明
[图1] 是表示螺旋弹簧的制造工序的一例的图。
[图2] 是本发明的实施方式中的卷绕机的成形部的示意图。
[图3] 是表示本发明的实施方式中的高频加热线圈设置位置的示意图。
[图4] 是表示实施例中使用的螺旋弹簧的残留应力分布的图。
符号说明
1…卷绕机成形部、10…进料辊、20…卷绕部、21…线材导板、22…卷绕工具、22a…卷绕拴、23…螺距工具、30…切断装置、30a…切断刀片、30b…内模、40…高频加热线圈、M…钢线材。
具体实施方式
以下具体说明本发明的一个实施方式。本发明中，为了在卷绕时进行加热，使用图1（A）所示的热成形法。本实施方式中，通过出线机将钢线材供给到卷绕机，在卷绕机中将钢线材急速加热后，成形为线圈状，在淬火槽中进行淬火，进而进行回火。
图2表示卷绕机的成形部的示意。如图2所示，卷绕机成形部1具有：用于连续性地供给钢线材M的进料辊10、将钢线材M成形为线圈状的卷绕部20、具备用于卷绕规定卷数后与由后方连续供给来的钢线材M进行切断分离的切断刀片30a和内模30b的切断装置30、和在进料辊10的出口至卷绕工具22之间加热钢线材M的高频加热线圈40。卷绕部20具备：用于将通过进料辊10供给的钢线材M引导至适当位置的线材导板21、用于将经由线材导板21供给的钢线材M加工为线圈形状的由卷绕拴（或卷绕辊）22a构成的卷绕工具22、和用于设置螺距的螺距工具23。
卷绕机中的急速加热通过高频加热线圈40进行，使钢线材在2.5秒以内升温至奥氏体区域。图3表示高频加热线圈设置位置。高频加热线圈40设置在线材导板21的附近，并以能够将钢线材M在加热后立即成形的方式设置卷绕部20。需要说明的是，高频加热线圈的设置位置只要能够将钢线材M在加热后立即成形即可，因而可以是本实施方式所示位置以外的位置。
卷绕部20中，使拔出了线材导板21的钢线材M与卷绕拴22a接触，并以规定的曲率进行弯曲，进而使其与下游的卷绕拴22a接触并以规定的曲率进行弯曲。然后，使钢线材M与螺距工具23接触，以成为所期望的线圈形状的方式赋予螺距。达到所期望的卷数时，利用切断装置30的切断刀片30a在与内模30b的直线部分之间通过剪切进行切断，将由后方供给的钢线材M与弹簧形状的钢线材M切断分离。
首先，准备以重量%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M。将该钢线材M通过出线机（图示省略）供给到进料辊10，通过高频加热线圈40将钢线材M在2.5秒以内加热至奥氏体区域后，在卷绕部20中进行卷绕（卷绕工序）。
然后，将卷绕后切断分离的温度还在奥氏体区域的线圈直接在淬火槽（图示省略）中进行淬火（作为淬火溶剂，例如60℃左右的油）（淬火工序），进而进行回火（例如200～450℃）（回火工序）。通过进行淬火，变成由马氏体组织构成的高硬度组织，进一步进行回火，从而可以形成韧性优异的回火马氏体组织。这里，淬火・回火处理可以使用通常的方法，该淬火前的线材的加热温度、淬火溶剂的种类・温度、以及回火的温度、时间根据钢线材M的材质来适当设定。
进一步地，通过对钢线材M实施喷丸硬化处理（喷丸硬化工序）、立定处理（立定处理工序），可以获得所期望的耐疲劳性。由于在加热至奥氏体区域的状态下进行卷绕，因而可以防止加工所致的残留应力的产生。因而，与通过冷成形法制作的以往的螺旋弹簧相比，本发明中的螺旋弹簧容易通过喷丸硬化而赋予压缩残留应力，可以在弹簧的内径侧有效地赋予距表面深且大的压缩残留应力。进而通过进行立定处理处理，可以在作为弹簧使用时的最大主应力方向上形成更深的压缩残留应力分布，可以提高耐疲劳性。
本实施方式中，进行由利用粒径0.6～1.2mm的喷丸的第1喷丸硬化处理、利用粒径0.2～0.8mm的喷丸的第2喷丸硬化处理、和利用粒径0.02～0.30mm的喷丸的第3喷丸硬化处理构成的多段喷丸硬化处理。后实施的喷丸硬化处理中，由于使用比先实施的喷丸硬化处理更小的喷丸，因而可以使线材的表面粗糙度平滑。
喷丸硬化中使用的喷丸可以使用以钢丝切丸、钢珠、FeCrB系为代表的高硬度粒子等。另外，压缩残留应力可以通过喷丸的当量球直径、投射速度、投射时间和多阶段的投射方式来进行调整。
另外，本实施方式中，作为立定处理处理进行热立定处理，加热至100～300℃，并且对弹簧形状的钢材赋予塑性应变以使作用于线材表面的剪切应变量达到作为弹簧实际使用时的作用应力下的剪切应变量以上。
对于通过以上所述工序制作的本发明的压缩螺旋弹簧，弹簧线材的任意的横截面上，硬度为570～700HV，在弹簧内径侧，距表面0.2mm深度的无负荷时的压缩残留应力为200MPa以上，同时距表面0.4mm深度的无负荷时的压缩残留应力为100MPa以上。因此，本发明的压缩螺旋弹簧的耐疲劳性优异。
实施例
[卷绕性评价]
首先，使用具备高频加热线圈的卷绕机（参照图2、图3）进行卷绕性的评价。准备包含表1中记载的化学成分、线直径为1.0～10.0mm的油回火钢丝，利用卷绕机将线材加热至900℃，以表2中所示的线直径d与弹簧指数D/d的组合条件进行卷绕。
[表1]
Figure 2012800392825100002DEST_PATH_IMAGE001
[表2]
Figure 246411DEST_PATH_IMAGE002
对卷绕性的评价结果合并记载于表2。表中○表示可以制作没有异常变形等、大致圆形的螺旋弹簧的实施例；▲表示可以制作没有异常变形等、大致圆形的螺旋弹簧、但未能在线材横截面中心部附近得到所期望的组织的实施例；△表示可以进行螺旋弹簧的制作（利用切断刀片的切断分离），但由于在卷绕中稍微产生了线材的压曲而成为发生了异常变形的螺旋弹簧的实施例；×表示卷绕中产生线材的压曲、线材因压曲从线材导板或卷绕工具脱离而无法制作螺旋弹簧的实施例。
由表2可知，根据线直径d与弹簧指数D/d的组合，卷绕性有所不同。特别是线直径d为1.5～9.0mm的情况下，弹簧指数D/d在3～8的范围，卷绕性为良好。另外，实验例13的中心部附近，从其组织和硬度判断为未被充分加热至奥氏体区域的部位。这暗示了由于线直径d的粗度，对于在所期望的短时间内的加热来说，线直径d为10mm以上则难以进行贯穿线材内部整体的均质加热。其中，实验例13中的该中心部附近的组织限定在从线材中心起直径约2mm的范围，即为用作螺旋弹簧时几乎不施加应力的范围，因而作为螺旋弹簧在实用上没有问题。
需要说明的是，对于卷绕性为○、▲、△的样品，在切断分离后温度还在奥氏体区域的状态下利用60℃的油进行淬火。而且对淬火后的螺旋弹簧测定线圈内径侧的线轴方向的残留应力。残留应力的测定使用X射线衍射型残留应力测定装置（リガク制），以灯管：Cr、准直器直径：0.5mm进行。
其结果是，全部样品在其线轴方向上的残留应力在-75～50MPa的范围，起因于加工的残留应力的产生受到抑制。另外，作为比较，测定通过冷成形进行了卷绕的螺旋弹簧（材质：与表1相同、d＝4.0mm、D/d＝6.0）的残留应力，结果线圈内径侧的线轴方向的残留应力为750MPa。由此也可知，通过热成形可以抑制起因于加工的残留应力的产生。
[耐疲劳性评价]
然后，通过各制造工序制作螺旋弹簧的样品，进行耐疲劳性的评价。首先准备包含表3中记载的化学成分、线直径为4.1mm的硬拉线和油回火钢丝。然后，对于硬拉线或油回火钢丝，按照图1（A）～（D）所示的制造工序（各自表示为制造工序A～D），通过热成形法或冷成形法制作弹簧指数6、有效部螺距角9°、有效部卷数3.25卷的螺旋弹簧。
在制造工序A的热成形法中，通过具备高频加热线圈的卷绕机（参照图2、3）将钢线加热至900℃，进行卷绕后，利用60℃的油进行淬火。然后，以表4记载的条件进行回火处理（发明例1～8、比较例1、4）。另外，在制造工序B的冷成形法中，在卷绕后以表4中记载的条件进行退火处理(比较例2、5)。
在制造工序C的冷成形法中，在卷绕后以表4中记载的条件进行退火处理，接着进行氮化处理。氮化处理中在线材表面形成深度0.04mm的硬质层（比较例6）。进一步地在制造工序D的冷成形法中，在卷绕后将螺旋弹簧以升温速度约30℃/min在加热炉中加热至900℃，在该温度下保持5分钟后，利用60℃的油进行淬火。然后，以表4记载的条件进行回火处理（比较例3）。
然后，对各样品实施喷丸硬化处理和立定处理。喷丸硬化处理中，依次进行利用当量球直径1.0mm的钢制圆形切丸（ラウンドカットワイヤー）的第1喷丸硬化处理、利用当量球直径0.5mm的钢制圆形切丸的第2喷丸硬化处理、和利用当量球直径0.1mm的钢珠的第3喷丸硬化处理。立定处理设为热立定处理，在螺旋弹簧的加热温度200℃、负荷应力1500MPa下进行。
[表3]
Figure 2012800392825100002DEST_PATH_IMAGE003
[表4]
Figure 38917DEST_PATH_IMAGE004
对于如此操作而获得的样品，调查如以下所述的各性质。其结果示于表5。
（1）硬度（HV）
使用维氏硬度试验机（フューチャテック　FM-600）将测定载荷设为200gf，在螺旋弹簧的高度方向的中央部的横截面d/4圆周上任意的5个位置进行测定，计算出其平均值。
（2）深度0.2mm的压缩残留应力（-σR0.2）、深度0.4mm的压缩残留应力（-σR0.4）、最大压缩残留应力（-σRmax）、压缩残留应力积分值（I- σ R）、交点（CP）
使用X射线衍射型残留应力测定装置（リガク制）测定螺旋弹簧的内径侧线材表面中相对于线材的线轴方向为＋45°方向（对弹簧荷压缩载荷时的大致最大主应力方向）的压缩残留应力。测定以灯管：Cr、准直器直径：0.5mm进行。另外，对螺旋弹簧使用盐酸在线材表面的整面化学研磨后进行上述测定，通过重复进行该操作求出深度方向的残留应力分布，基于该结果，求出距表面0.2、0.4mm的深度的无负荷时的压缩残留应力、最大压缩残留应力、交点。另外，压缩残留应力积分值通过将深度和残留应力的关系图中的、从表面到交叉点的压缩残留应力进行积分来算出。需要说明的是，作为一例，将发明例6的残留应力分布示于图4。
（3）原始γ粒平均结晶粒度（G）
作为前处理，将螺旋弹簧的样品在500℃下加热1小时。而且，在螺旋弹簧的横截面的d/4的位置中，将视野数设为10处，使用光学显微镜（NIKON　ME600）以倍率：1000倍按照JIS G0551进行测定，计算出原始γ粒平均结晶粒度编号G。
（4）表面粗糙度（Rz（最大高度））
使用非接触三维形状测定装置（MITAKA　NH-3）按照JIS　B0601进行表面粗糙度的测定。测定条件设为测定倍率：100倍、测定距离：4mm、测定螺距：0.002mm、截止值：0.8mm。
（5）平均结晶粒径（dGS）
通过FE-SEM/EBSD（Electron　Back　Scatter　Diffraction）法，使用JEOL　JSM-7000F（TSLソリューションズ OIM-Analysys Ver.4.6），测定平均结晶粒径。这里，测定是从螺旋弹簧的线材横截面的表面以深度0.1mm进行，以观察倍率：10000倍、取向角度差5°以上的边界为晶界制作IPF图，算出平均结晶粒径。
（6）耐疲劳性（折损率）
使用油压伺服型疲劳试验机（鷺宮制作所）在室温（大气中）中进行疲劳试验。以试验应力：735±637MPa、频率：20Hz、试验数：各8根、2千万次加振时的折损率（折损数/试验根数）评价耐疲劳性。
[表5]
Figure 2012800392825100002DEST_PATH_IMAGE005
（1）硬度
由表5可知，利用热成形法的本发明中，硬度为570～700HV时，可以得到高耐疲劳性。另外，更优选为570HV～690HV。硬度若为这样的范围，则可以充分地获得作为断裂起点的0.1～0.4mm的深度的压缩残留应力。因而，认为内部起点的断裂得到防止，得到了高耐疲劳性。另外，由比较例4的结果可知，即使是通过热成形法制作的螺旋弹簧，硬度低于570HV时，也无法获得充分的耐疲劳性。因此，本发明中，硬度优选为570～700HV，更优选为570～690HV。
（2）残留应力分布
通过热成形法制作的发明例6、7是同等组成，与在同等温度进行了热处理的比较例2相比，距表面深的位置的压缩残留应力（-σR0.4）大。可以认为这是由于在冷卷绕中产生的拉伸残留应力（残留于线圈内径侧）在热卷绕中几乎不产生的缘故。也就是说，可知与通过冷卷绕产生拉伸残留应力的比较例2相比，发明例6和7中，通过喷丸硬化产生的压缩残留应力容易从表面进入到深处。
对于发明例1～8，-σRmax为850MPa以上、I- σ R为180MPa・mm以上、CP为0.45mm以上，得到了深且大的压缩残留应力，耐疲劳性良好。对比较例2～5的折损品进行断面观察，结果其断裂起点为距表面深度0.15～0.35mm的范围，是以非金属系夹杂物为起点的内部起点。可知该深度与出现合成应力（作用应力-残留应力）的最大值的区域附近相当，该区域（作为指标-σR0.2、-σR0.4）中的压缩残留应力大对于耐疲劳性而言是重要的。因而，-σR0.2为200MPa以上且-σR0.4为100MPa以上的发明例1～8可以获得与使用添加了高级元素的高价线材且实施了氮化处理的比较例6几乎同等以上的高耐疲劳性。
需要说明的是，比较例1也通过热成形法制作，但由于回火温度过低，因而成为超过700HV的高硬度，压缩残留应力难以从表面进入到深处。由于硬度高而缺乏韧性，比较例1的切口感受性高，进一步地由于-σR0.2、-σR0.4小，因而耐疲劳性降低。另外，比较例4由于回火温度过高，因而硬度降低，-σR0.2和-σR0.4虽然为大的值，但无法得到规定的-σRmax、I- σ R，耐疲劳性降低。
基于上述情况，可以确认与以往的螺旋弹簧的制造方法（冷成形法）相比，根据本发明的压缩螺旋弹簧的制造方法（热成形法），通过适当设定回火温度，得到规定的硬度，能够得到距表面深且大的压缩残留应力，能够提高耐疲劳性。
（3）原始γ粒平均结晶粒度
由单纯组成的材质A、C、或D构成的发明例1、3～7中，G为10以上，可以获得与使用了高级钢（有晶粒微细化效果的V量高）的比较例5、6同等程度的微细晶粒。另一方面，冷成形后利用炉加热进行了调质的比较例3中，G为9.5时，结晶粒发生粗大化。使用由单纯组成构成的材质能够获得这样的微细晶粒是由于利用高频加热的急速加热所致的。即，通过利用高频加热以短时间进行加热与原始奥氏体粒的粗大化抑制、或微细化相关，在由单纯组成构成的发明例1、3～7中，可以获得G为10以上的微细晶粒，耐疲劳性良好。
（4）表面粗糙度
对于得到了高耐疲劳性的发明例1～8，表面粗糙度Rz（最大高度）为9.5μm以下，充分满足所期望的表面粗糙度Rz为20μm以下。这里，Rz超过20μm时，表面粗糙度的底部成为应力集中源，龟裂容易以该底部为起点而产生・发展，结果导致早期折损。另外，该表面粗糙度是通过卷绕时与工具类摩擦、或通过喷丸硬化处理而形成的。而且对于通过喷丸硬化处理形成的表面粗糙度，根据线材的硬度、与喷丸的粒径・硬度・投射速度等条件的组合来决定其大小。因此，对于线材的硬度，需要适当设定Rz为不超过20μm这样的喷丸硬化的条件。
（5）平均结晶粒径
对于由单纯组成的材质A、C、D构成的发明例1、3～7，dGS为0.73～0.95μm，是与使用了高级钢的比较例5、6相同程度的平均结晶粒径。其原因在于，如前所述，利用高频加热以短时间进行加热与组织的粗大化抑制、或微细化相关，结果发明例1、3～7中得到了微细的平均结晶粒径，耐疲劳性提高。
需要说明的是，对于通过制造工序D制作的比较例3，尺寸精度上产生了问题。例如，用淬火后的螺旋弹簧50个进行了评价的线圈直径的标准偏差为0.072mm，无法满足作为气门弹簧或离合器扭簧所要求的标准偏差0.05mm以下。这是由于，冷成形后的螺旋弹簧中残留有大的加工应变，且该残留的加工应变在螺旋弹簧个体内并不均匀，同时在个体之间的不均也大的缘故。通过将该螺旋弹簧加热至奥氏体区域，然后进行淬火，从而导致伴随有加工应变的释放和相变应力的不一致的变形、即形状的不均。另一方面，对于比较例3以外的样品，其线圈直径的标准偏差最大仅为0.035mm，获得了充分的工序能力。
基于上述，根据本发明的压缩螺旋弹簧的制造方法，即使使用廉价的线材，也可以获得与使用了高级钢的以往冷成形弹簧相比耐疲劳性更优异的压缩螺旋弹簧。

Claims (17)

1.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。
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、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，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- σ R时，I- σ R为180MPa・mm以上。
3.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。
4.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，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- σ R时，I- σ R为180MPa・mm以上。
5.根据权利要求1～4中任一项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。
6.根据权利要求3或4所述的压缩螺旋弹簧，其特征在于，含有0.5～2.0重量%的Cr。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的压缩螺旋弹簧，其特征在于，弹簧指数为3～8。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的压缩螺旋弹簧，其特征在于，表面粗糙度Rz（最大高度）为20μm以下。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的压缩螺旋弹簧，其特征在于，压缩残留应力通过喷丸硬化处理而赋予。
10.根据权利要求9所述的压缩螺旋弹簧，其特征在于，前述喷丸硬化处理是由利用粒径0.6～1.2mm的喷丸的第1喷丸硬化处理、利用粒径0.2～0.8mm的喷丸的第2喷丸硬化处理、和利用粒径0.02～0.30mm的喷丸的第3喷丸硬化处理构成的多段喷丸硬化处理。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的压缩螺旋弹簧，其特征在于，JIS　G0551中规定的原始奥氏体平均结晶粒度为10号以上。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的压缩螺旋弹簧，其特征在于，使用SEM/EBSD法的IPF图（以取向角度差5°以上的边界为晶界）中的平均结晶粒径为1μm以下。
13.根据权利要求1～12中任一项所述的压缩螺旋弹簧，其特征在于，弹簧形状为圆筒形、或者圆锥形、大钟形、鼓形、樽形等异形。
14.根据权利要求1～13中任一项所述的压缩螺旋弹簧，其特征在于，通过螺旋弹簧成形机进行成形，并实施了喷丸硬化处理，所述螺旋弹簧成形机具有：用于连续性地供给钢线材的进料辊、将前述钢线材成形为线圈状的卷绕部、和用于将前述钢线材卷绕规定卷数后与由后方连续供给来的钢线材进行切断分离的切断装置；
前述卷绕部具备：用于将通过前述进料辊供给的钢线材引导至适当位置的线材导板、用于将经由前述线材导板而供给的钢线材加工为线圈形状的由卷绕拴或者卷绕辊构成的卷绕工具、和用于设置螺距的螺距工具；
进一步地，在前述进料辊的出口至前述卷绕工具之间具有将前述钢线材在2.5秒以内升温至奥氏体区域的加热装置。
15.根据权利要求14所述的压缩螺旋弹簧，其特征在于，前述加热装置为高频加热，在前述线材导板内的钢线材的通过路径上或者在前述线材导板的钢线材出口侧末端与前述卷绕工具的空间中的钢线材的通过路径上以与前述钢线材为同心的方式配置有高频加热线圈。
16.压缩螺旋弹簧的制造方法，其特征在于，依次进行通过螺旋弹簧成形机对钢线材进行成形的卷绕工序；将卷绕后切断分离的温度还在奥氏体区域的线圈直接进行淬火的淬火工序；将前述线圈进行调质的回火工序；对线材表面赋予压缩残留应力的喷丸硬化工序；和立定处理工序；所述螺旋弹簧成形机具有：用于连续性地供给钢线材的进料辊、将前述钢线材成形为线圈状的卷绕部、和用于将前述钢线材卷绕规定卷数后与由后方连续供给来的钢线材进行切断分离的切断装置；
前述卷绕部具备：用于将通过前述进料辊供给的钢线材引导至适当位置的线材导板、用于将经由前述线材导板而供给的钢线材加工为线圈形状的由卷绕拴或者卷绕辊构成的卷绕工具、和用于设置螺距的螺距工具；
进一步地，在前述进料辊的出口至前述卷绕工具之间具有将前述钢线材在2.5秒以内升温至奥氏体区域的加热装置。
17.根据权利要求16所述的压缩螺旋弹簧的制造方法，其特征在于，前述加热装置为高频加热，在前述线材导板内的钢线材的通过路径上或者在前述线材导板的钢线材出口侧末端与前述卷绕工具的空间中的钢线材的通过路径上以与前述钢线材为同心的方式配置有高频加热线圈。
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