CN104081079B - 环状弹簧及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够具有高强度且廉价的环状弹簧及其制造方法。环状弹簧通过依次进行例如原材料准备（步骤S1）、弯曲成形（步骤S2）、焊接（步骤S3）、以及碟成形（步骤S4）而得到。环状弹簧通过对原材料的两端部进行焊接而形成为环形状，其具有：在原材料的两端部的边界部形成的焊接金属部、以及在焊接金属部的周围形成且通过焊接而被加热的焊接热影响部，所述环状弹簧的拉伸强度为1000MPa以上。环状弹簧例如作为碟形弹簧和波形弹簧而具有充分的拉伸强度，因此不需要淬火和回火，能够降低制造成本。另外，能够防止由淬火和回火导致的制品的变形，因此能够实现制品的尺寸精度的提高。

Description

环状弹簧及其制造方法
技术领域
本发明涉及碟形弹簧、波形弹簧等环状弹簧及其制造方法。
背景技术
碟形弹簧、波形弹簧等环状弹簧用于吸收例如传送机械的离合器装置的离合器咬合时产生的冲击。在环状弹簧的制造方法中，以往使用了通过加压加工而从板材冲切成大致环状的坯件（blank）的方法，但该方法的材料成品率差。而且，已知有：为了实现材料成品率的提高，将通过弯曲成形而形成为环状的原材料的端部彼此进行焊接的方法（例如专利文献1、2）。
在碟形弹簧的制造方法中，使用将原材料的端部彼此进行焊接的方法时，例如进行图4所示的工序。首先，准备原材料（步骤S11），通过弯曲成形而将原材料形成为大致环状（步骤S12），将大致环状的原材料的端部彼此进行焊接（步骤S13）。由此能够获得环状的原材料环。接着，通过对原材料环进行冷轧成形（碟成形）为碟形状（大致圆锥形状），得到碟形弹簧材料（步骤S14）。接着，通过对碟形弹簧材料进行淬火和回火（步骤S15、S16），能够获得碟形弹簧。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平6-106277号公报
专利文献2：日本特开2001-225112号公报。
发明内容
发明要解决的问题
然而，在将原材料的端部彼此进行焊接的方法中，进行了焊接的原材料的端部彼此成为焊接金属部，其周围的部分成为受到了焊接时的加热影响的焊接热影响部。此时，在焊接金属部形成硬化区域，在焊接热影响部形成软化区域，因此，为了确保作为碟形弹簧所必须的强度，需要在冷轧成形后对碟形弹簧材料进行淬火和回火。像这样，淬火和回火成为必需，工序数会增加，从而招致制造成本的增加、制品变得昂贵。
因此，本发明的目的在于，提供能够具有高强度且廉价的环状弹簧及其制造方法。
用于解决问题的手段
本发明的环状弹簧为通过对原材料的两端部进行焊接而形成为环形状的环状弹簧，其特征在于，在通过对原材料的两端部进行焊接而形成为环形状的环状弹簧中，
所述原材料具有如下组成：以重量%计含有C：0.10~0.30%、Si：0.50~2.10%、Cr：0.50~1.50%、Mn：1.0~2.0%、P：0.025%以下、以及S：0.025%以下，剩余部分包含Fe和不可避免的杂质，
作为所述原材料，使用下述式（1）所示的碳当量Ceq为0.5~0.75重量%且硬度为350HV以上的钢材，
且所述环状弹簧具有：在所述原材料的两端部的边界部形成的焊接金属部、以及在所述焊接金属部的周围形成且通过所述焊接而被加热的焊接热影响部，
所述环状弹簧的拉伸强度为1000MPa以上，
Ceq=[C]+[Mn]/6+[Si]/24+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14…式（1）
其中，在式（1）中，[]表示各元素的含量（重量%）。
本发明的环状弹簧是通过对原材料的两端部进行焊接而得到的，因此具有焊接金属部和焊接热影响部。此时，其为处于具有焊接金属部和焊接热影响部的状态下拉伸强度为1000MPa以上的环状弹簧，例如作为碟形弹簧和波形弹簧而具有充分的拉伸强度，因此不需要淬火和回火。因此，与通过加压加工而冲切成环状坯件的以往方法相比，能够实现材料成品率的提高和材料成本的降低是不言而喻的，与对原材料的端部彼此进行焊接的以往方法相比，能够省略制造工序，因此能够实现制造成本的减低。其结果，能够实现制品的低价格化。另外，由于不进行淬火和回火，因此能够防止制品的变形，结果能够实现制品的尺寸精度的提高。
本发明的环状弹簧可以使用各种构成。例如关于本发明的环状弹簧的材料的化学成分，C的含量变大时，会形成淬火硬化层、韧性降低，因此需要减小C的含量。然而，减小C的含量时，强度会降低，因此，需要添加C以外的元素，通过固熔强化、晶粒微细化等作用来实现强度的提高。
此时，关于材料的化学成分，例如可以使用如下方式：以重量%计含有C：0.10~0.30%、Si：0.50~2.10%、Cr：0.50~1.50%、Mn：1.0~2.0%、P：0.025%以下、以及S：0.025%以下，剩余部分包含Fe和不可避免的杂质。
以下，针对各元素来说明限定为上述数值的根据。需要说明的是，以下的说明中，“%”表示“重量%”。
[C：0.10~0.30%]
C是用于确保焊接部的强度的重要元素。C的含量不足0.10%时，焊接部的强度不足。另一方面，C的含量超过0.30%时，马氏体等硬化组织增加、形成淬火硬化层、韧性降低。因此，为了实现焊接部的强度和韧性的提高，将C的含量设定为0.10~0.30%。
[Si：0.50~2.10%]
Si作为固溶强化元素是用于确保焊接部的强度的重要元素。Si的含量不足0.50%时，焊接部的强度不足，Si的含量超过2.10%时，确保强度的效果会饱和，并且焊接性也降低。因此，为了实现焊接部的强度和焊接性的提高，将Si的含量设定为0.50~2.10%。
[Cr：0.50~1.50%]
Cr是用于使焊接部的强度增加的有用元素。Cr的含量不足0.50%时，焊接部的强度不足，Cr的含量超过1.50%时，韧性降低。因此，为了实现熔融部的强度和韧性的提高，将Si的含量设定为0.50~1.50%。
[Mn：1.0~2.0%]
Mn作为固溶强化元素是不仅提高强度且用于防止由S导致的热轧脆性的有用元素。Mn的含量不足1.0%时，强度不足，Mn的含量超过2.0%时，会招致加工性的降低。因此，为了实现强度和加工性的提高，将Mn的含量设定为1.0~2.0%。
[P：0.025%以下]
P的含量过大时，会招致加工性和焊接性的降低，因此期望尽量减小P的含量。对于环状弹簧而言，为了确保加工性和焊接性，0.025%以下的P的含量是可允许的值。
[S：0.025%以下]
S的含量过大时，会招致延展性的降低，因此期望尽量减小S的含量。对于环状弹簧而言，为了确保延展性，0.025%以下的S的含量是可允许的值。
关于本发明的环状弹簧的材料的化学成分，为了通过C、Cr以及Mn而有效地获得上述效果，更适合的范围如下所示。即如下方式是适合的：以重量%计含有C：0.15~0.25%、Si：0.50~2.10%、Cr：0.8~1.1%、Mn：1.3~1.7%、P：0.025%以下、以及S：0.025%以下，剩余部分包含Fe和不可避免的杂质。
可以使用以下方式：作为原材料，使用下述式（1）所示的碳当量Ceq为0.5~0.75重量%且硬度为350HV以上的钢材，前述钢材以重量%计含有C：0.30%以下。需要说明的是，式（1）中，[]表示各元素的含量（重量%）。
Ceq=[C]+[Mn]/6+[Si]/24+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14…式（1）
碳当量Ceq低于0.5重量%时，无法确保环状弹簧所需的强度，高于0.75重量%时，焊接金属部的硬度变得过大，因此韧性降低。因此，为了有效地实现环状弹簧所需强度的确保和韧性的提高，将碳当量Ceq设定为0.5~0.75重量%。另外，通过使原材料（母材）的硬度为350HV以上，能够有效地实现使焊接后的材料确保所需的强度。
在焊接金属部中，有时会发生疑似成为应力集中的原因的拉丝（引け），在焊接开始部中难以发生拉丝、在焊接结束部中容易发生拉丝。因此，适合的是，焊接金属部的焊接开始部在外周部和内周部之中拉伸应力更高者的周边部形成。
作为环状弹簧，例如可以使用形成碟形状的碟形弹簧、或者形成具有峰部和谷部的波形状的波形弹簧。使用波形弹簧时，适合的是，发生应力成为峰的峰部和谷部形成在与焊接金属部不同的位置。
本发明的环状弹簧的制造方法的特征在于，其包括如下工序：通过弯曲成形而将原材料形成为大致环状的弯曲成形工序；以及，将大致环状的原材料的端部彼此进行焊接，得到环形状的原材料环的焊接工序，焊接工序中，在原材料的两端部的边界部形成焊接金属部，并且将通过焊接而被加热的焊接热影响部形成在焊接金属部的周围，环状弹簧具有1000MPa以上的拉伸强度。
本发明的环状弹簧的制造方法可以获得与本发明的环状弹簧相同的效果。
发明的效果
根据本发明的环状弹簧或其制造方法，可获得能够兼顾制品的高强度化和低价格化等的效果。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的环状弹簧的制造方法的制造工序的流程图。
图2的（A）、（B）是表示本发明的一个实施方式的环状弹簧的制造方法的焊接的适合例的概略图。
图3是表示作为本发明的一个实施方式的环状弹簧的波形弹簧的具体例的概略构成的侧面的展开图的一部分。
图4是表示以往的环状弹簧的制造方法的制造工序的流程图。
附图标记说明
1A、1B…环形状的原材料环；2…波形弹簧；11…外周部；12…内周部；13、33…焊接金属部；21…凹部；31…峰部；32…谷部。
具体实施方式
以下，针对本发明的一个实施方式，参照附图来进行说明。图1是表示本发明的一个实施方式的环状弹簧的制造方法的制造工序的流程图。本实施方式中，例如如图1所示那样，依次进行原材料准备（步骤S1）、弯曲成形（步骤S2）、焊接（步骤S3）、碟成形（步骤S4）、以及低温退火（步骤S5）。
首先，准备原材料（步骤S1）。作为原材料，使用由该原材料获得的环状弹簧处于具有焊接金属部和焊接热影响部的状态下其拉伸强度达到1000MPa以上的原材料。
作为原材料，适合的是，使用下述式（1）所示的碳当量Ceq为0.5~0.75重量%且硬度为350HV以上的钢材，该钢材以重量%计含有C：0.30%以下。需要说明的是，式（1）中，[]表示各元素的含量（重量%）。
Ceq=[C]+[Mn]/6+[Si]/24+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14…式（1）。
关于具体的化学组成，适合的是，原材料以重量%计含有C：0.10~0.30%、Si：0.50~2.10%、Cr：0.50~1.50%、Mn：1.0~2.0%、P：0.025%以下、以及S：0.025%以下，剩余部分包含Fe和不可避免的杂质。关于C、Cr、以及Mn，更适合的含量是以重量%计为C：0.15~0.25%、Cr：0.8~1.1%、Mn：1.3~1.7%。
原材料可以通过对如下材料进行拉丝加工来获得，所述材料为：例如在奥氏体化后进行了骤冷的材料、或者在奥氏体化后实施了奥氏体等温淬火处理的材料和实施了钢丝韧化处理的材料。作为原材料的形态，使用线材、平板材或带材等板材等。此时，可以使用长条材、箍材/卷材、以及定尺材料等各种形态。作为原材料的剖面形状，不限定于方形剖面，也可以是形成梯形、椭圆等形状的异形剖面。
接着，通过弯曲成形而将原材料形成为环状，从而得到原材料环（步骤S2）。此时，例如通过将原材料的两端部的端面彼此对准而形成对准部。需要说明的是，通过在弯曲成形的同时进行碟成形，也可以将原材料制成碟形状（大致圆锥形状）的原材料环。另外，通过进行波形成形来代替碟成形，也可以制成成为具有峰部和谷部的波形状的原材料环。此时，可以省略步骤S4的下述碟成形或下述波形成形。
接着，通过对原材料环的对准部进行焊接，从而得到环状的原材料环（步骤S3）。环形状的原材料环具有：在原材料的两端部的边界部形成的焊接金属部、以及在焊接金属部的周围形成且通过焊接而被加热的焊接热影响部。焊接方法可以使用各种方法，没有限定，激光焊接是适合的。在激光焊接中，由于照射点较小，因此可以抑制焊接热影响部的形成。焊接金属部之中的凸状焊道根据需要也可以去除。
例如在制造碟形弹簧时，在使轴线方向高度变低来进行弹性变形时产生拉伸应力的凹面侧，能够以外周部的拉伸应力高于内周部的拉伸应力的方式或者以内周部的拉伸应力高于外周部的拉伸应力的方式进行设计。此时，考虑到通过焊接而发生拉丝的风险，适合的是，如下那样地设定焊接方向。
图2的（A）表示作为将外周部11的拉伸应力设定得比内周部12的拉伸应力高的碟形弹簧的原材料而使用的原材料环1A。原材料环1A中，在从外周部11朝向内周部12的方向（箭头方向）进行焊接时，对准部形成焊接金属部13。此时，拉伸应力低的内周部12产生拉丝而形成凹部21，而在拉伸应力高的外周部11不会形成凹部。图2的（B）表示作为将内周部12的拉伸应力设定得比外周部11的拉伸应力高的碟形弹簧的原材料而使用的原材料环1B。原材料环1B中，在从内周部12朝向外周部11的方向（箭头方向）进行焊接时，拉伸应力低的外周部11会产生拉丝而形成凹部21，而在拉伸应力高的内周部12不会形成。像这样，焊接在从拉伸应力高的周边部朝向拉伸应力低的周边部的方向进行是适合的。
接着，通过对环形状的原材料环进行碟成形，得到大致圆锥形状的碟形弹簧（环状弹簧）（步骤S4）。具体而言，通过冷轧加压成形或热轧加压成形，将环形状的原材料环制成规定厚度的大致略平状态，从而得到大致圆锥形状的碟形弹簧。需要说明的是，也可以通过冷轧加压或热轧加压进行波形成形来代替碟成形，从而得到波形弹簧（环状弹簧）。例如制造图3所示的波形弹簧2时，适合的是，峰部31和谷部32形成在与焊接金属部33不同的位置。
接着，根据需要，通过对环状弹簧（碟形弹簧或波形弹簧）进行低温退火，也可以去除形变（步骤S5）。低温退火例如以250℃进行60分钟。需要说明的是，加热温度、时间可以根据需要进行调整。在热轧中使用环状弹簧时，能够抑制变形，因此低温退火是适合的。
通过本实施方式制造的环状弹簧是通过将原材料的两端部进行焊接而得到的，因此具有焊接金属部和焊接热影响部。此时，其处于具有焊接金属部和焊接热影响部的状态下拉伸强度为1000MPa以上，例如作为碟形弹簧和波形弹簧而具有充分的拉伸强度，因此不需要淬火和回火。因此，能够降低制造成本。其结果，能够实现制品的低价格化。另外，由于不进行淬火和回火，因此能够防止制品的变形，结果可以实现制品的尺寸精度的提高。
使用上述实施方式对本发明进行了说明，但本发明不限定于上述实施方式，可以进行各种变形。例如在环状弹簧的制造方法中，根据需要，可以对环状弹簧实施用于获得压缩残留应力的喷丸硬化、用于提高表面清净度的磨光等。另外，例如在作为环状板弹簧而制造碟形弹簧的情况下，可以对碟形弹簧主体的内周部或外周部设置多个凸部（爪）。例如关于碟形弹簧的使用形态，碟形弹簧可以以单体的形式使用，也可以将多个碟形弹簧串联或并联地配置并使用。使用多个碟形弹簧时，例如为了防止位置偏移，还可以对碟形弹簧彼此进行焊接。
实施例
以下，参照具体的实施例来进一步详细地说明本发明的实施方式。
实施例中，使用具有表1所示化学组成、碳当量Ceq（单位：重量%）、硬度（单位：HV）、以及拉伸强度（焊接前TS、单位：MPa）的各种原材料来制作碟形弹簧，对碟形弹簧进行耐久试验，判定是否合格。
[表1]
具体而言，针对全部试样A~K，对原材料（宽度7mm、厚度1.5mm）进行弯曲成形，得到原材料环（外径φ100mm）。此时，将原材料的两端部进行对准。接着，将对准部进行激光焊接而得到环形状的原材料环，对该原材料环进行冷轧碟成形，从而制作了碟形弹簧（自由高度2.5mm）。关于制作条件，除了如表1所示那样地原材料的化学组成等不同以外，通过相同条件进行弯曲成形、激光焊接、以及碟成形。
关于全部试样A~K的碟形弹簧，测定拉伸强度（焊接后TS、单位：MPa），进行了耐久试验。将其结果示于表2。耐久试验中，使用位移控制型疲劳试验机，将碟形弹簧从自由高度振动至压紧高度。关于表2所示的耐久试验结果，将重复数为10万次且无折损的试样记为合格（○）、将折损了的试样记为不合格（×）。关于折损了的试样，记载了断裂起点，“热影响部”表示焊接热影响部、“焊接金属”表示焊接金属部。
[表2]
使用如表1所示那样地化学组成、碳当量、硬度、以及焊接前的拉伸强度在本发明范围内的原材料而制作的本发明试样B、C、D、J、K如表2所示那样地在耐久试验中未发生折损、焊接后的拉伸强度为1000MPa以上。
与此相对，所有的比较试样A、E、F、G、H、I在耐久试验中发生了折损，焊接后的拉伸强度不足1000MPa。比较试样A、G中的C含量不足0.3重量%，原材料（母材）的硬度小至不足350HV，强度原本就低，且通过热影响而导致强度进一步降低，因此可以认为在焊接热影响部发生了折损。
关于比较试样E、F、H、I，其C含量超过了0.3重量%，因此焊接金属部的硬度变得过大、韧性降低，因此可以认为：即使相对疲劳也在早期被破坏、在焊接金属部发生了折损。
确认了：如上所述那样地使用化学组成、碳当量、硬度、以及焊接前的拉伸强度在本发明范围内的原材料而制作的环状弹簧即使不进行淬火，也具有拉伸强度为1000MPa以上这一高强度。

Claims (5)

1.环状弹簧，其特征在于，在通过对原材料的两端部进行焊接而形成为环形状的环状弹簧中，
所述原材料具有如下组成：以重量%计含有C：0.10~0.30%、Si：0.50~2.10%、Cr：0.50~1.50%、Mn：1.0~2.0%、P：0.025%以下、以及S：0.025%以下，剩余部分包含Fe和不可避免的杂质，
作为所述原材料，使用下述式（1）所示的碳当量Ceq为0.5~0.75重量%且硬度为350HV以上的钢材，
且所述环状弹簧具有：在所述原材料的两端部的边界部形成的焊接金属部、以及在所述焊接金属部的周围形成且通过所述焊接而被加热的焊接热影响部，
所述环状弹簧的拉伸强度为1000MPa以上，
Ceq=[C]+[Mn]/6+[Si]/24+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14…式（1）
其中，在式（1）中，[]表示各元素的含量（重量%）。
2.根据权利要求1所述的环状弹簧，其特征在于，所述焊接金属部的焊接开始部在外周部和内周部之中拉伸应力更高者的周边部形成。
3.根据权利要求1或2所述的环状弹簧，其特征在于，其为形成碟形状的碟形弹簧、或者形成具有峰部和谷部的波形状的波形弹簧。
4.根据权利要求3所述的环状弹簧，其特征在于，所述峰部和所述谷部形成在与所述焊接金属部不同的位置。
5.环状弹簧的制造方法，其特征在于，其包括如下工序：
通过弯曲成形而将原材料形成为大致环状的弯曲成形工序；以及
将所述大致环状的原材料的端部彼此进行焊接，得到环形状的原材料环的焊接工序，
其中，所述原材料具有如下组成：以重量%计含有C：0.10~0.30%、Si：0.50~2.10%、Cr：0.50~1.50%、Mn：1.0~2.0%、P：0.025%以下、以及S：0.025%以下，剩余部分包含Fe和不可避免的杂质，
作为所述原材料，使用下述式（1）所示的碳当量Ceq为0.5~0.75重量%且硬度为350HV以上的钢材，
所述焊接工序中，在所述原材料的两端部的边界部形成焊接金属部，并且将通过所述焊接而被加热的焊接热影响部形成在所述焊接金属部的周围，所述环状弹簧具有1000MPa以上的拉伸强度，
Ceq=[C]+[Mn]/6+[Si]/24+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14…式（1）
其中，在式（1）中，[]表示各元素的含量（重量%）。
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