CN104619878A - 压缩螺旋弹簧及其制造方法 - Google Patents

Abstract

将由盘绕加工带来的拉伸残留应力消除并在线材表面形成C浓化层而赋予适当的压缩残留应力分布，由此使用便宜的线材提供高耐久性的压缩螺旋弹簧及其制造方法。一种压缩螺旋弹簧，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、其余部由铁及不可避免的杂质构成的当量圆直径为2.5mm以上10mm以下的钢线材，其特征在于，任意的线材横截面中的内部硬度为570～700HV；在表层部具有超过钢线材中含有的C的平均浓度的C浓化层；在对线材的螺旋弹簧内径侧的弹簧加载压缩载荷的情况下发生的大致最大主应力方向上，无负荷时的距线材的表面0.2mm深度处的压缩残留应力为200MPa以上，并且距表面0.4mm深度处的压缩残留应力为60MPa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机及离合器内使用的压缩螺旋弹簧，特别是在高应力下的使用环境中也具有良好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，对汽车的低燃耗化的要求逐年变严格，比到此为止更加强烈地要求对于汽车零件的小型轻量化。对于该小型轻量化的要求，例如在以在发动机内使用的气门弹簧或在离合器内使用的离合器阻尼弹簧为代表的压缩螺旋弹簧零件中，材料的高强度化及由表面处理带来的表面强化的研究兴盛，结果实现了作为螺旋弹簧的特性较重要的耐疲劳性的提高及耐弹力减弱性的提高。

一般而言，螺旋弹簧的制造方法大体上分为热成形法和冷成形法。热成形法被用于线径d较粗并且作为线圈平均径D与线径d的比的弹簧指数D/d较小等、因其加工性较差而难以冷成形的螺旋弹簧的成形，作为螺旋弹簧线材而使用碳素钢或弹簧钢。在热成形法中，如图1（F）所示，将线材加热为高温以使得容易加工，卷绕到金属芯上而盘绕为螺旋弹簧形状，在淬火－回火后再实施喷丸硬化及整定，得到作为螺旋弹簧的性能为主要的耐疲劳性及耐弹力减弱性。另外，在热成形法中，由于无金属芯下的盘绕在技术上非常困难，所以到目前为止没有达到实用化。由此，热成形法在以往的技术中必须使用金属芯，作为能够成形的螺旋弹簧，相比能够无金属芯盘绕的冷成形法，形状的自由度较低。

另一方面，关于气门弹簧或离合器阻尼弹簧类的压缩螺旋弹簧，由于线径比较细，所以能够冷成形。并且，由于不伴随着由加热带来的相变或热膨胀收缩，所以容易得到较高的尺寸精度，进而，由于因加工速度或设备费用等带来的量产性（生产节拍、成本）也较高，所以关于这类压缩螺旋弹簧的制造，以往以来采用冷成形法。此外，关于该冷成形法确立了无金属芯下的成形技术，螺旋弹簧的形状自由度较高也成为使用冷成形法的较大的一个原因，通过热成形法的气门弹簧或离合器阻尼弹簧类的压缩螺旋弹簧的制造技术到目前为止还不实用。另外，在冷成形法中，作为螺旋弹簧线材，以往使用碳素钢线、硬钢线、钢琴线、弹簧钢线这样的硬引线。但是，近年来，从轻量化的观点看，要求材料的高强度化，广泛使用昂贵的油回火线。

在冷成形法中，如图1（D）及图（E）所示，将线材冷盘绕为螺旋弹簧形状，在退火后，根据需要而实施喷丸硬化及整定。这里，退火以将通过加工产生的残留应力除去为目的，所述残留应力为螺旋弹簧的耐疲劳性提高的阻碍因素，退火与由喷丸硬化对表面的压缩残留应力的赋予一起，贡献于螺旋弹簧的耐疲劳性提高。另外，关于气门弹簧或离合器阻尼弹簧那样的在高负荷应力下使用的螺旋弹簧，在喷丸硬化前根据需要而实施通过氮化处理的表面硬化处理。

以进一步的耐疲劳性的提高为目标的研究正在热烈地进行。例如，在专利文献1中，记载有冷成形用的油回火线，公开了利用残留奥氏体的加工诱发相变使耐疲劳性提高的技术。在专利文献2中，公开了通过对实施了氮化处理的线材的表面实施不同的投射速度下的多级喷丸硬化赋予较大的压缩残留应力、谋求耐疲劳性的提高的技术。

在专利文献1中，在盘绕后的螺旋弹簧中产生残留应力。该残留应力、特别是在线圈内径侧表面上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。并且，通常为了将该加工带来的残留应力除去而实施退火，但容易推测，即使通过回火软化抗力较高的专利文献1中的线材，也难以在维持希望的线材强度的基础上将该残留应力完全除去，这对于本领域的技术人员而言是周知的。因而，然后实施喷丸硬化后，因为通过加工而在线圈内径侧残留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，不能得到作为螺旋弹簧的充分的耐疲劳性。此外，对回火软化抗力的提高有贡献的V、Mo这样的元素是昂贵的。由此，线材变得非常昂贵，当然作为制品的螺旋弹簧也变得昂贵。

此外，在专利文献2中，螺旋弹簧的线材表面附近（以下称作“表面”）的压缩残留应力有1400MPa左右，作为气门弹簧或离合器阻尼弹簧类的在高负荷应力下使用的螺旋弹簧，对于表面上的龟裂发生抑制，其压缩残留应力是充分的。但是，使表面的压缩残留应力提高的结果是，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发生，其压缩残留应力的效果欠缺。即，在专利文献2的手段中，由于在通过喷丸硬化施加的能量方面有限制，即虽然赋予了压缩残留应力分布的变化，但难以使压缩残留应力的总和较大地提高。没有考虑将由上述加工带来的残留应力的影响消除等，由此，对于相同强度的线材，其耐疲劳性的提高效果欠缺。

另外，作为使表面压缩残留应力提高的手段已各种各样地实用化，但结果，例如在线径1.5～10mm左右的螺旋弹簧中，在距线材表面的深度（以下，称作“深度”）0.1～0.4mm的范围中存在作为由外部负荷带来的作用应力与残留应力的和的合成应力的最大值，该合成应力最高的部分为破坏起点是实情。因而，在深度0.1～0.4mm的范围中确保较大的压缩残留应力对于耐疲劳性是重要的。

专利文献1：特许第3595901号

专利文献2：特开2009－226523号公报。

发明内容

如上述那样，在以往的制造方法及专利文献1、2等中，对于近年来的要求高应力下的耐疲劳性的进一步提高和成本降低的兼顾的要求，其对应带来困难。此外，作为冷成形用当前为主流的油回火线较昂贵，其中为了性能提高而添加了Ni、V、Mo这样的高级元素的油回火线非常昂贵。进而，由于通过成形后的退火处理不能将由加工带来的残留应力完全消除，所以不能充分发挥线材的性能。

本发明在这样的背景下，目的是将由盘绕加工带来的拉伸残留应力消除并在线材表面形成C浓化层、对成形后的线材赋予适当的压缩残留应力分布，由此使用便宜的线材提供高耐久性的压缩螺旋弹簧及其制造方法。

本发明者们对螺旋弹簧的耐疲劳性进行了专心研究。并且得到了以下想法：为了在上述深度0.1～0.4mm的范围中得到较大的压缩残留应力，将盘绕加工时的拉伸残留应力消除、有效地得到然后进行的喷丸硬化及整定的效果是重要的。所以，对于在喷丸硬化工序前将弹簧线材的拉伸残留应力消除的方法进行了探讨。结果发现，着眼于通过将螺旋弹簧线材加热到奥氏体域能够将残留应力消除，在将螺旋弹簧线材加热到奥氏体域的状态下进行盘绕加工，将起因于加工的残留应力的发生消除，能够有效率地得到然后进行的喷丸硬化及整定的效果。

在到奥氏体域为止的加热阶段中，将其加热在更短时间中进行，带来旧奥氏体结晶粒径（以下称作“结晶粒径”）的粗大化抑制或微细化。并且，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于耐疲劳性的提高是有效的。由此，通过将螺旋弹簧线材在短时间中加热而热加工，与将起因于加工的残留应力消除相结合，能够制作出耐疲劳性更好的弹簧。

进而，通过对螺旋弹簧进行渗碳处理、在表面上形成C浓化层，使表面附近高硬度而使屈服应力提高，能够有效率地得到然后进行的喷丸硬化的效果。这里，如果将渗碳处理在热盘绕加工时进行，则能够有效率地进行渗碳处理。

此外，通过在冷盘绕加工后将螺旋弹簧线材加热到奥氏体域而将由加工带来的残留应力消除，能够有效率地得到然后进行的喷丸硬化及整定的效果。在冷盘绕加工的情况下，如果在盘绕后的加热时同时进行渗碳处理，则能够有效率地进行渗碳处理。

即，本发明的压缩螺旋弹簧，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、其余部由铁及不可避免的杂质构成的当量圆直径为2.5mm以上10mm以下的钢线材，其特征在于，任意的线材横截面中的内部硬度为570～700HV；在表层部具有超过钢线材中含有的C的平均浓度的C浓化层；在对线材的螺旋弹簧内径侧的弹簧加载压缩载荷的情况下发生的大致最大主应力方向上，无负荷时的距线材的表面0.2mm深度处的压缩残留应力为200MPa以上，并且距表面0.4mm深度处的压缩残留应力为60MPa以上。这里，在对弹簧施加压缩载荷的情况下发生的大致最大主应力方向，表示相对于线材的轴向大致+45°方向。并且，该最大主应力方向是根据螺旋弹簧形状（特别是与间距角的关系）而变化的方向，该方向相对于轴向存在于+45°～+60°的范围。

此外，本发明的压缩螺旋弹簧，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、其余部由铁及不可避免的杂质构成的当量圆直径为2.5mm以上10mm以下的钢线材，其特征在于，任意的线材横截面中的内部硬度为570～700HV；在表层部具有超过钢线材中含有的C的平均浓度的C浓化层；在线材的螺旋弹簧内径侧，I_{- σ R}为160MPa･mm以上。这里，所谓I_{- σ R}，是在对弹簧加载压缩载荷的情况下发生的大致最大主应力方向上，以无负荷时的压缩残留应力的值为零的距线材的表面的深度为交叉点、纵轴是残留应力、横轴是单线半径的残留应力分布曲线中的从表面到交叉点的积分值。交叉点较大意味着压缩残留应力进入到距表面较深处。

此外，本发明的压缩螺旋弹簧，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、其余部由铁及不可避免的杂质构成的当量圆直径为1.5mm以上3mm以下的钢线材，其特征在于，任意的线材横截面中的内部硬度为570～700HV；在表层部具有超过钢线材中含有的C的平均浓度的C浓化层；在对线材的螺旋弹簧内径侧的弹簧加载压缩载荷的情况下发生的大致最大主应力方向上，无负荷时的距线材的表面0.15mm深度处的压缩残留应力为300MPa以上，并且距表面0.3mm深度处的压缩残留应力为50MPa以上。

进而，本发明的压缩螺旋弹簧，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、其余部由铁及不可避免的杂质构成的当量圆直径为1.5mm以上3mm以下的钢线材，其特征在于，任意的线材横截面中的内部硬度为570～700HV；在表层部具有超过钢线材中含有的C的平均浓度的C浓化层；在线材的螺旋弹簧内径侧，I_{- σ R}为130MPa･mm以上。

以下，说明在本发明中规定的数值范围的限定理由。首先，对在本发明中使用的钢线材的化学成分的限定理由进行说明。在本发明中，使用含有0.45%～0.80%的C、0.15%～2.50%的Si、0.3%～1.0%的Mn、其余部由铁及不可避免的杂质构成的钢线材。另外，在以下的说明中，“%”意味着“重量%”。

（1）材料成分

C：0.45%～0.80%

C有助于强度提高。在C的含有量不到0.45%下，不能充分得到强度提高的效果，所以耐疲劳性、耐弹力减弱性变得不充分。另一方面，如果C的含有量超过0.80%，则韧性下降而容易发生裂纹。因此，C的含有量设为0.45%～0.80%。

Si：0.15%～2.50%

Si对于钢的脱氧是有效的，并且有助于强度提高及回火软化抗力提高。在Si的含有量不到0.15%时，不能充分得到这些效果。另一方面，如果Si的含有量超过2.50%，则韧性下降而容易发生裂纹，并且助长脱碳而导致线材表面强度的下降。因此，Si的含有量设为0.15%～2.50%。

Mn：0.3%～1.0%

Mn有助于淬火性的提高。在Mn的含有量不到0.3%时，难以确保充分的淬火性，此外，还缺乏对于延韧性有害的S的固着（MnS生成）的效果。另一方面，如果Mn的含有量超过1.0%，则延展性下降，容易发生裂纹或表面伤痕。因此，Mn的含有量设为0.3%～1.0%。

另外，这些添加元素在构成本发明方面是最低限度需要的元素，也可以再添加其他元素。即，在本发明中，使作为弹簧钢的成分组成通常使用的Cr、B、Ni、Ti、Cu、Nb、V、Mo、W等元素中的1种或2种以上为0.005%～4.5%，可以根据其目的而适当添加，结果，还能够制造更高性能或更适合于用途的螺旋弹簧。例如，关于添加Cr的情况在以下叙述。

Cr：0.5%～2.0%

Cr对于防止脱碳是有效的，并且有助于强度提高及回火软化抗力提高，对于耐疲劳性的提高是有效的。此外，对于温暖下的耐弹力减弱性提高也是有效的。因此，在本发明中，优选的是还含有0.5%～2.0%的Cr。在Cr的含有量不到0.5%时，不能充分得到这些效果。另一方面，如果Cr的含有量超过2.0%，则韧性下降，容易发生裂纹或表面伤痕。

（2）硬度分布

作为在高负荷应力下使用的气门弹簧或离合器阻尼弹簧等，为了满足被要求的耐疲劳性和耐弹力减弱性，与作为螺旋弹簧后述的压缩残留应力分布同时，线材自身的强度也是重要的。即，任意的横截面中的线材内部硬度需要为570～700HV的范围，在不到570HV的情况下，因为其材料强度较低而不能得到充分的耐疲劳性和耐弹力减弱性。此外，在超过700HV的情况下，因为伴随着韧性的下降的缺口感受性的变高，在盘绕时通过与工具类的擦碰发生的表面伤痕、或因以通过喷丸硬化形成的线材表面粗糙度的谷部为起点的龟裂发生带来的早期折损的危险性增大，不适合作为可靠性重要的汽车零件使用。

（3）C浓化层

为了提高线材表面的硬度而使屈服应力提高，在线材的表层部通过渗碳处理形成C浓化层。通过使屈服应力提高，能够通过然后进行的喷丸硬化赋予较大的表面压缩残留应力。此外，能够改善线材的表面粗糙度。因此，有能够使耐疲劳性进一步提高的效果。使该C浓化层含有超过线材中含有的C的平均浓度的浓度的C。此外，为了充分得到这些效果，优选的是，C浓化层中的最大C浓度为0.7～0.9重量%，C浓化层（渗碳深度）形成到距线材表面0.01～0.1mm的深度。在C浓化层的最大C浓度超过0.9重量%的情况或C浓化层的厚度超过0.1mm的情况下，为了有效率地进行渗碳反应而必须在高温下进行处理，所以结晶粒度变差，容易导致耐疲劳性的下降。此外，在C浓度超过0.9重量%的情况下，因为不能固溶到母相中的C作为碳化物在结晶晶粒边界较多地析出而韧性下降，在此情况下也容易导致耐疲劳性的下降。

此外，优选的是，C浓化层的硬度比线材的内部硬度高50HV以上。这是因为，通过线材表面的C浓化层比内部硬度高，能够在表面附近得到更高的压缩残留应力，能够防止以表面附近（包括最表面）为起点的疲劳龟裂的发生。如果上述数值不到50HV，则这些效果不能显著地显现。

（4）残留应力分布

本发明者等根据作为气门弹簧或离合器阻尼弹簧被要求的作用应力、与可能成为疲劳折损起点的各种各样的因素（延韧性、非金属系夹杂物、不完全淬火组织等异常组织、表面粗糙度、表面伤痕等）的关系中的破坏力学的计算、以及通过实际的耐久试验等的验证，关于在螺旋弹簧的线材表面附近需要的压缩残留应力，得到了以下的结论。另外，本发明中的压缩残留应力，是对弹簧加载压缩载荷的情况下的大致最大主应力方向、即相对于线材的轴向+45°方向上的压缩残留应力。

弹簧中的遍及从线材表面到内部的压缩残留应力分布通过喷丸硬化及整定给出。如上述那样，对于作为弹簧的耐疲劳性提高，不仅是线材表面的压缩残留应力提高，还需要将内部的压缩残留应力更大且深地导入，特别是，使实质成为破坏起点的深度0.1～0.4mm左右的范围的压缩残留应力更大是重要的。并且，作为表示其线材内部的压缩残留应力分布的指标，在当量圆直径为2.5mm以上10mm以下的钢线材的情况下，在对弹簧内径侧的弹簧加载压缩载荷的情况下发生的大致最大主应力方向上，使无负荷时的深度0.2mm处的压缩残留应力为200MPa以上且使深度0.4mm处的压缩残留应力为60MPa以上，在当量圆直径为1.5mm以上3mm以下的钢线材的情况下，使深度0.15mm处的压缩残留应力为300MPa以上且使深度0.3mm处的压缩残留应力为50MPa以上。在不满足这些数值的情况下，对于抑制内部起点的疲劳破坏不充分。

此外，关于表示压缩残留应力的内部的大小或深度的另一指标的I_{- σ R}，在当量圆直径为2.5mm以上10mm以下的钢线材的情况下，在对弹簧内径侧的弹簧加载压缩载荷的情况下发生的大致最大主应力方向上，无负荷时的I_{- σ R}为160MPa･mm以上，在当量圆直径为1.5mm以上3mm以下的钢线材的情况下为130MPa･mm以上。在对弹簧内径侧的弹簧加载压缩载荷的情况下发生的大致最大主应力方向上，作为表面的无负荷时的最大压缩残留应力，在以高负荷应力作用的气门弹簧或离合器阻尼弹簧为对象的情况下优选的为900MPa以上。通过这样设定压缩残留应力分布，能够得到耐疲劳性良好的压缩螺旋弹簧。

本发明的压缩残留应力分布优选的是通过喷丸硬化处理形成。在喷丸硬化处理中实施多级喷丸硬化的情况下，优选的是在后实施的喷丸硬化中使用的弹丸的当量球直径比在先实施的喷丸硬化中使用的弹丸的当量球直径小。具体而言，喷丸硬化处理优选的是多级喷丸硬化处理，所述多级喷丸硬化处理由通过粒径0.6～1.2mm的弹丸的第1喷丸硬化处理、通过粒径0.2～0.8mm的弹丸的第2喷丸硬化处理和通过粒径0.02～0.30mm的弹丸的第3喷丸硬化处理构成。由此，能够将比通过先实施的喷丸硬化增加的表面粗糙度通过后实施的喷丸硬化而降低。

另外，喷丸硬化处理中的弹丸直径及级数并不限定于上述，根据要求性能，只要能够得到需要的残留应力分布及表面粗糙度等就可以。因而，弹丸直径及材质、级数等适当选择。此外，根据投射速度及投射时间，导入的压缩残留应力分布也不同，所以将它们也根据需要而适当设定。

（5）螺旋弹簧形状

本发明适合于盘绕时的加工度较大、需要较高的耐疲劳性的、以下举出的规格的压缩螺旋弹簧。本发明可以用在线材的当量圆直径（根据线材横截面积计算出的为正圆的情况下的直径，也包括以方形或蛋形为代表的非圆形截面）为1.5～10mm、弹簧指数为3～20、一般被冷成形的压缩螺旋弹簧中。

其中，对于在盘绕时的加工度较大（即，在冷成形中通过盘绕加工发生的线圈内径侧的拉伸残留应力较大）、并且需要较高的耐疲劳性的气门弹簧或离合器阻尼弹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当的。

此外，本发明的压缩螺旋弹簧可以通过热成形法或冷成形法得到。在用热成形法制作的情况下，也由于与以往的热成形法不同而使用后述的螺旋弹簧成形机，所以在盘绕加工时不需要金属芯。因而，能够成形的弹簧形状的自由度较高。即，作为本发明的螺旋弹簧形状，以作为螺旋弹簧代表性的在全部匝中线圈外径几乎没有变化的圆筒形为代表，也能够应用到其以外的形状的螺旋弹簧中。例如，也可以成形圆锥形、吊钟形、鼓形、桶形等异形弹簧。

（6）结晶粒径

粒度测量方法由JIS G0551规定，为了耐疲劳性提高，旧奥氏体粒平均结晶粒度号G优选的为10号以上。在此情况下，由于旧奥氏体结晶粒是微细的，所以能够防止疲劳龟裂前端的应力集中部处的滑动的移动，所以抑制龟裂进展的效果较大，能够得到希望的耐疲劳性。另一方面，在不到10号的情况下，缺乏龟裂进展抑制效果，难以得到充分的耐疲劳性。

此外，使用SEM/EBSD（Electron Back Scatter Diffraction；电子背散射衍射）法测量的平均结晶粒径（将方位角度差5°以上的边界作为晶粒边界）优选的为2.0μm以下。在平均结晶粒径超过2.0μm的情况下，难以得到充分的耐疲劳性。并且，平均结晶粒径较小、即旧奥氏体粒内的块或板条较微细，对于龟裂进展的阻力较大，所以对于耐疲劳性的提高是优选的。

（7）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阻尼弹簧等，为了满足被要求的耐疲劳性，与上述压缩残留应力分布一起，表面粗糙度也是重要的。本发明者们进行破坏力学的计算和其验证实验的结果表明，对于由表面起点带来的龟裂的发生、进展，通过使表面伤痕的深度（即，表面粗糙度Rz（最大高度））为20μm以下，能够使其影响无害化。因此，表面粗糙度Rz优选的为20μm以下。在Rz超过20μm的情况下，表面的谷部成为应力集中源，容易发生以该谷部为起点的龟裂的发生、进展，所以容易导致较早折损。

接着，对本发明的压缩螺旋弹簧的制造方法进行叙述。在本发明的压缩螺旋弹簧的第1制造方法中，依次进行通过螺旋弹簧成形机将钢线材热成形的盘绕工序、将在盘绕后被切离且温度还处于奥氏体域的线圈原样淬火的淬火工序、将线圈调质的回火工序、对线材表面赋予压缩残留应力的喷丸硬化工序和整定工序。这里，螺旋弹簧成形机具有用来连续地供给钢线材的进给辊、将钢线材成形为线圈状的盘绕部、和用来将钢线材在盘绕规定匝数后与从后方连续供给来的钢线材切断的切断机构。并且，盘绕部具备用来将由进给辊供给的钢线材向加工部的适当的位置引导的线导引部、用来将经由线导引部供给的钢线材加工为线圈形状的由盘绕销或盘绕辊构成的盘绕工具、和用来赋予间距的间距工具。进而，螺旋弹簧成形机还具有在从进给辊的出口到盘绕工具之间将钢线材在2.5秒以内升温到奥氏体域的加热机构。并且，在本发明的压缩螺旋弹簧的第1制造方法中，在从加热中到淬火的期间中，进行对钢线材表面直接喷吹烃类气体的渗碳工序。

优选的是，上述加热手段是高频加热，在线导引部内的钢线材的通过路径上或线导引部中的钢线材出口侧末端与盘绕工具的空间中的钢线材的通路路径上以与钢线材同心的方式配置有高频加热线圈。另外，只要将钢线材在短时间中升温到奥氏体域就可以，所以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。

此外，在本发明的压缩螺旋弹簧的第2制造方法中，依次进行在钢线材的表层部形成C浓化层的渗碳工序、通过螺旋弹簧成形机将钢线材热成形的盘绕工序、将在盘绕后被切离且温度还处于奥氏体域的线圈原样淬火的淬火工序、将线圈调质的回火工序、对线材表面赋予压缩残留应力的喷丸硬化工序和整定工序。渗碳工序中的C浓化层形成通过对加热的钢线材表面直接喷吹烃类气体的方法来进行。在盘绕工序中使用的螺旋弹簧成形机与在本发明的压缩螺旋弹簧的第1制造方法中使用的是同样的。但是，加热手段利用高频加热，在线导引部内的钢线材的通过路径上或线导引部中的钢线材出口侧末端与盘绕工具的空间中的钢线材的通过路径上以与钢线材同心的方式配置有高频加热线圈。并且，本发明的压缩螺旋弹簧的第2制造方法的特征在于，渗碳工序和盘绕工序是在中途没有钢线材的切离的连续的工序。

进而，在本发明的压缩螺旋弹簧的第3制造方法中，依次进行通过螺旋弹簧成形机将钢线材成形的盘绕工序、将线圈在20秒以内升温到奥氏体域并进行淬火的加热淬火工序、将线圈调质的回火工序、对线材表面赋予压缩残留应力的喷丸硬化工序和整定工序。这里，加热淬火工序中的加热手段是高频加热，并且在从加热中到淬火的期间中进行对钢线材表面直接喷吹烃类气体的渗碳工序。

在本发明的压缩螺旋弹簧的第1～第3制造方法中，优选的是，喷吹烃类气体的时点的钢线材表面温度为850～1150℃，并且线材表面部的烃类气体的动压为0.1～5.0kPa。根据该渗碳条件，能够在防止线材的结晶粒度的显著下降的同时在短时间中有效率地进行渗碳。此外，在本发明的压缩螺旋弹簧的第1～第3制造方法中，优选的是，烃类气体的主要成分是甲烷、丁烷、丙烷、乙炔的任一种。

在上述制造方法中，回火工序为了将通过淬火工序硬化的线圈调质为具有适当的硬度和韧性的线圈而进行。由此，在淬火的原状下能够得到希望的硬度和韧性的情况下，也可以将回火工序省略。并且，在喷丸硬化工序中，也可以进行多级喷丸硬化，还可以根据需要而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、或者多级喷丸硬化的各级之间进行，在作为多级喷丸硬化的最末级而实施通过粒径0.02～0.30mm的弹丸的喷丸硬化的情况下，作为其前处理进行在进一步提高最表面的压缩残留应力上是优选的。另外，作为在整定工序中作为弹力减弱防止处理对线圈实施的整定，有冷整定、热整定等各种方法，根据希望的特性而适当选择。

根据本发明的压缩螺旋弹簧的第1及第2制造方法，由于用上述螺旋弹簧成形机进行热盘绕，所以能够防止由加工带来的残留应力的发生。并且，由于将钢线材在2.5秒以内升温到奥氏体域，所以能够防止结晶粒的粗大化，能够得到良好的耐疲劳性。此外，由于实施渗碳处理，所以能够使钢线材表面成为高硬度，通过然后进行的喷丸硬化能够有效地赋予压缩残留应力。特别是，在本发明的压缩螺旋弹簧的第1制造方法中，由于利用热盘绕时的热进行渗碳处理，所以能够有效率地进行渗碳处理。

此外，根据本发明的压缩螺旋弹簧的第3制造方法，由于将线圈在20秒以内升温到奥氏体域并进行淬火，所以能够在防止结晶粒的粗大化的同时将因冷盘绕发生的拉伸残留应力消除。此外，由于利用加热淬火时的热实施渗碳处理，所以能够有效率地进行渗碳处理。因为这些，所以能够通过然后进行的喷丸硬化有效地赋予压缩残留应力，能够得到良好的耐疲劳性。

本发明能够对作为弹簧使用的碳素钢线、硬钢线、钢琴线、弹簧钢线、碳素钢油回火线、铬钒钢油回火线、硅铬钢油回火线、硅铬钒钢油回火线应用。特别是，优选的是对便宜的碳素钢线、硬钢线、钢琴线、弹簧钢线应用。这是因为，通过上述制造方法，即使利用便宜的线材，也能够得到比使用添加了高级元素的昂贵的油回火线的以往的冷成形弹簧好的耐疲劳性的弹簧。

根据本发明，通过将由盘绕加工带来的拉伸残留应力消除并对成形后的线材赋予适当的压缩残留应力分布，能够使用便宜的线材得到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的盘绕机的成形部的概略图。

图3是表示本发明的第1实施方式的高频加热线圈设置位置的概略图。

图4是表示本发明的第2实施方式的高频加热线圈设置位置的概略图。

图5是表示本发明的第3实施方式的高频加热线圈设置位置的概略图。

图6是表示在实施例中使用的螺旋弹簧的残留应力分布的曲线图。

附图标记说明

1…盘绕机成形部，10…进给辊，20…盘绕部，21…线导引部，22…盘绕工具，22a…盘绕销，23…间距工具，30…切断机构，30a…切断刃，30b…内模，40…高频加热线圈，50…喷嘴，60…夹具，M…钢线材。

具体实施方式

以下，具体地说明本发明的实施方式。在图1中表示各制造工序。图1（A）～图1（C）是得到本发明的压缩螺旋弹簧的制造工序，图1（D）、图1（E）是以往例。图1（A）及图1（B）所示的制造工序是通过以下的盘绕机的热成形法，图1（C）所示的制造工序是通过任意的盘绕机的冷成形法。

在图2中表示在图1（A）及图1（B）所示的制造工序中使用的盘绕机的成形部的概略。如图2所示，盘绕机成形部1具有：进给辊10，用来连续地供给钢线材M；盘绕部20，将钢线材M成形为线圈状；切断机构30，用来在盘绕规定匝数后将从后方连续供给来的钢线材M切离，具备切断刃30a及内模30b；高频加热线圈40，在从进给辊10的出口到盘绕工具22之间将钢线材M加热。盘绕部20具备：线导引部21，用来将由进给辊10供给的钢线材M向适当的位置引导；盘绕工具22，用来将经由线导引部21供给的钢线材M加工为线圈形状，由盘绕销（或盘绕辊）22a构成；间距工具23，用来赋予间距。

盘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秒以内升温到奥氏体域。高频加热线圈40的设置位置是图2所示那样的。高频加热线圈40被设置在线导引部21的附近，将盘绕部20设置为，使得在将钢线材M加热后能够立即成形。另外，高频加热线圈的设置位置只要在将钢线材M加热后能够立即成形就可以，所以也可以是在本实施方式中表示的位置以外。

在盘绕部20中，使穿过了线导引部21的钢线材M抵接在盘绕销22a上而以规定的曲率弯曲，再抵接在下游的盘绕销22a上而以规定的曲率弯曲。然后，使钢线材M抵接在间距工具23上，赋予间距以成为希望的线圈形状。在成为希望的匝数后，通过切断机构30的切断刃30a在与内模30b的直线部分之间通过剪切而切断，将从后方供给的钢线材M与弹簧形状的钢线材M切离。

（1）第1实施方式

在图1（A）中表示第1实施方式的制造工序。首先，准备以重量%含有0.45%～0.80%的C、0.15%～2.50%的Si、0.3%～1.0%的Mn、其余部由铁及不可避免的杂质构成的当量圆直径为1.5～10mm的钢线材M。将该钢线材M通过出线机（图示省略）向进给辊10供给，通过高频加热线圈40将钢线材M在2.5秒以内加热到奥氏体域后，在盘绕部20中进行盘绕（盘绕工序）。

此时，在从加热中到淬火之间，对钢线材M的表面直接喷吹烃类气体，同时进行渗碳处理（渗碳工序）。例如，使用图3所示那样的气体喷吹喷嘴50。喷嘴的位置只要是比高频加热线圈40靠下游就可以，也可以是图3所示的位置以外。渗碳在气体喷吹压（钢线材M表面上的动压）0.1～5.0kPa、线材温度850～1150℃下进行，在钢线材M的表面上形成最大C浓度为0.7～0.9重量%、厚度为0.01～0.1mm的C浓化层。由此，能够得到比线材内部硬度高50HV以上的表层部。

接着，将在盘绕后被切离、温度还处于奥氏体域的线圈原样在淬火槽（图示省略）中进行淬火（作为淬火溶剂，例如使用60℃左右的油）（淬火工序），再进行回火（例如150～450℃）（回火工序）。通过进行淬火，成为由马氏体组织构成的高硬度组织，通过再进行回火，能够成为韧性良好的回火马氏体组织。这里，淬火、回火处理只要使用通常的方法就可以，其淬火前的线材的加热温度及淬火溶剂的种类、温度、以及回火的温度及时间，根据钢线材M的材质适当设定。

进而，通过对钢线材M实施喷丸硬化处理（喷丸硬化工序）及整定处理（整定工序），能够得到希望的耐疲劳性。由于在加热到奥氏体域的状态下进行盘绕，所以能够防止由加工带来的残留应力的发生。因此，通过喷丸硬化容易赋予压缩残留应力，在弹簧的内径侧能够有效地赋予距表面较深且较大的压缩残留应力。进而，通过进行整定处理，在作为弹簧使用的情况下的最大主应力方向上形成更深的压缩残留应力分布，能够提高耐疲劳性。

在本实施方式中，进行多级喷丸硬化处理，所述多级喷丸硬化处理由通过粒径0.6～1.2mm的弹丸的第1喷丸硬化处理、通过粒径0.2～0.8mm的弹丸的第2喷丸硬化处理、和通过粒径0.02～0.30mm的弹丸的第3喷丸硬化处理构成。在然后实施的喷丸硬化处理中，由于使用比前面实施的喷丸硬化处理小的弹丸，所以能够使线材的表面粗糙度变平滑。

在喷丸硬化中使用的弹丸可以使用钢丝切丸或钢珠、以FeCrB类为代表的高硬度粒子等。此外，压缩残留应力可以通过弹丸的当量球直径或投射速度、投射时间及多阶段的投射方式进行调整。

此外，在本实施方式中，作为整定处理而进行热整定，加热到100～300℃，并且对弹簧形状的钢材赋予塑性应变，以使作用在线材表面上的剪切应变量成为作为弹簧实际使用的情况下的作用应力下的剪切应变量以上。

通过以上那样的工序制作出的本发明的压缩螺旋弹簧中，在弹簧单线的任意的横截面中内部硬度是570～700HV，在表层部具有C浓化层。在当量圆直径为2.5mm以上10mm以下的钢线材的情况下，在对弹簧内径侧的弹簧加载了压缩载荷的情况下发生的大致最大主应力方向上，无负荷时的距表面为0.2mm深度处的压缩残留应力是200MPa以上，并且距表面0.4mm深度处的压缩残留应力是60MPa以上。此外，在当量圆直径为1.5mm以上3mm以下的钢线材的情况下，距表面0.15mm深度处的压缩残留应力是300MPa以上，并且距表面0.3mm深度处的压缩残留应力是50MPa以上。

进而，通过以上的工序制作出的本发明的压缩螺旋弹簧中，在弹簧单线的任意的横截面中内部硬度是570～700HV，在表层部具有C浓化层。在对螺旋弹簧内径侧的弹簧加载压缩载荷的情况下发生的大致最大主应力方向上，无负荷时的I_{- σ R}在当量圆直径为2.5mm以上10mm以下的钢线材的情况下是160MPa･mm以上，在当量圆直径为1.5mm以上3mm以下的钢线材的情况下是130MPa･mm以上。另外，C浓化层其最大C浓度是0.7～0.9重量%，厚度是0.01～0.1mm，具有比内部硬度高50HV以上的硬度。因而，本发明的压缩螺旋弹簧由于压缩残留应力较深且被较大地赋予，所以耐疲劳性良好。

（2）第2实施方式

在第1实施方式中，在热盘绕时实施渗碳处理，但如果如图1（B）所示那样在热盘绕前进行渗碳工序，也能够得到本发明的压缩螺旋弹簧。例如，如图4所示，在进给辊10的跟前设置气体喷吹喷嘴50，进行渗碳处理。喷嘴的位置只要比进给辊10靠上游就可以，也可以是图4所示的位置以外。渗碳条件与第1实施方式是同样的。在渗碳工序后，不将钢线材M切离而原样向盘绕工序供给。另外，盘绕工序、淬火工序、回火工序、喷丸硬化工序及整定工序与第1实施方式同样地进行。

根据第2实施方式，能够得到与第1实施方式同等的压缩螺旋弹簧。此外，在第2实施方式中，由于在盘绕前进行渗碳工序，所以与第1实施方式相比能够自由地设定渗碳时间。

（3）第3实施方式

此外，也可以使用图1（C）所示那样的冷成形法得到本发明的压缩螺旋弹簧。将在第1实施方式中使用的钢线材M通过任意的盘绕机进行冷盘绕（盘绕工序）。然后，将盘绕后的钢线材M在20秒以内升温到奥氏体域，进行淬火（加热淬火工序）。此时，加热使用高频加热机构，在从加热中到淬火的期间中对钢线材M的表面直接喷吹烃类气体而同时进行渗碳处理（渗碳工序）。例如，如图5所示，将钢线材M固定到可旋转的夹具60上，在钢线材M的周围设置高频加热线圈40，在弹簧的内侧设置具备气体供给孔的喷嘴50。并且，一边通过使夹具60旋转而使钢线材M旋转、一边经由喷嘴50供给气体来进行，以将螺旋弹簧的表面均匀地淬火及渗碳。渗碳条件与第1实施方式是同样的。

接着，与第1实施方式同样依次进行淬火工序、回火工序、喷丸硬化工序及整定工序。由于在加热淬火工序中进行加热直到奥氏体域，所以能够将通过冷成形产生的拉伸残留应力消除，能够有效地得到喷丸硬化及整定的效果。这样，能够得到第1实施方式同等的性能的压缩螺旋弹簧。

与第1及第2实施方式相比，在第3实施方式中，由于对线圈形状的钢线材M进行高频加热，所以需要考虑均热化等。此外，由于加热时间变得比较长，所以关于结晶粒微细化的效果比第1及第2实施方式差。并且，在冷成形法中，在成形后的螺旋弹簧中残留有较大的加工应变，该加工应变在个体内并不一样。因此，在加热淬火工序中，在使加工应变释放时，形状容易变形。进而，在第3实施方式中，在将复杂的形状的螺旋弹簧（圆锥形、吊钟形、鼓形、桶形等异形弹簧）加热时，以均热化为目的，每种产品需要一种加热线圈，在其加热线圈的设计和加热条件设定中需要大量的劳动。此外，对于更复杂的形状的螺旋弹簧，也有给均热化带来困难的情况。因而，从哪种观点看，都是第1及第2实施方式的制造方法比第3实施方式更好。

实施例

1.试样制作方法

通过各制造工序制作螺旋弹簧的试样，进行耐疲劳性的评价。首先，准备具有表1所记载的化学成分、其余部由铁及不可避免的杂质构成的硬引线及油回火线。各线材的线径是表2所示那样。然后，对于硬引线或油回火线，按照图1（A）～图1（E）所示的制造工序（分别表示为制造工序A～E），通过热成形法或冷成形法制作出弹簧指数6、有效部间距角9°、有效部匝数4.25匝的螺旋弹簧。

［表1］

在制造工序A中，通过具备高频加热线圈及气体喷吹喷嘴的盘绕机（参照图3）将钢线加热并进行盘绕，在表2所示的条件下进行渗碳处理后，通过60℃的油进行淬火。在表2中，渗碳处理温度是钢线的表面温度，动压表示钢线表面上的丙烷气体的动压。然后，在表2所记载的条件下进行回火处理（发明例1～23、26～29、比较例9、10）。此外，在制造工序B中，使用图4所示的盘绕机在表2所示的渗碳处理条件下实施渗碳处理后，将钢线加热到900℃而进行盘绕，通过60℃的油进行淬火。然后，在350℃下进行回火处理（发明例24）。

在制造工序C中，在通过任意的盘绕机的冷盘绕后，使用图5所示那样的装置在表2所记载的条件下进行加热渗碳处理，通过60℃的油进行淬火后，在350℃进行回火处理（发明例25）。此外，为了比较，通过制造工序D及E制作出螺旋弹簧的试样。在制造工序D中，在冷盘绕后，在表2所示的温度进行退火处理（比较例2、3、5、7、11、12）。在制造工序E中冷盘绕后，在400℃进行退火处理，接着进行氮化处理。在氮化处理中，在线材表面上形成深度0.04mm的硬质层（比较例4、6、8、13）。

接着，对各试样实施喷丸硬化处理及整定处理。在喷丸硬化处理中，依次进行通过当量球直径1.0mm的钢制圆形切割钢丝的第1喷丸硬化处理、通过当量球直径0.5mm的钢制圆形切割钢丝的第2喷丸硬化处理、和通过当量球直径0.1mm的钢珠的第3喷丸硬化处理。整定为热整定，在螺旋弹簧的加热温度200℃、负荷应力1500MPa下进行。

［表2］

2.评价方法

对这样得到的试样，如以下这样调查各性质。将其结果表示在表3中。另外，关于比较例1，虽然能够盘绕，但由于在盘绕中发生线材的压曲而不能得到规定的弹簧形状，所以没有进行评价。

（1）硬度（HV）

使用维氏硬度试验机（フューチャテックFM－600）在螺旋弹簧的线材横截面中的线圈内径侧进行测量。测量载荷在距表面深度0.05mm以内为10gf，在深度0.05～0.1mm以内为25gf，在深度0.2mm以上的位置为200gf。

（2）深度0.15、0.2、0.3、0.4mm的压缩残留应力（-σ_R0.15，-σ_R0.2，-σ_R0.3，-σ_R0.4）、最大压缩残留应力（-σ_Rmax）、压缩残留应力积分值（I_{- σ R}）、交叉点（CP）

在螺旋弹簧的内径侧表面上，使用X射线衍射型残留应力测量装置（リガク制）测量相对于线材的线轴方向为+45°方向（对弹簧加载压缩载荷的情况下的大致最大主应力方向）的压缩残留应力。设为管球：Cr、准直器直径：0.5mm而进行测量。此外，对于螺旋弹簧使用盐酸进行线材表面的整面化学研磨后进行上述测量，通过重复该操作，求出深度方向的残留应力分布，根据其结果，求出距表面0.15、0.2、0.3、0.4mm的深度处的无负荷时的压缩残留应力、最大压缩残留应力、交叉点。此外，压缩残留应力积分值通过将深度与残留应力的关系图中的从表面到交叉点的压缩残留应力积分来计算。另外，作为一例，在图6中表示发明例12的残留应力分布。

（3）表面C浓度（CC）、C浓化层厚度（Ct）

在螺旋弹簧的线材横截面中的内径侧测量表面C浓度及C浓化层的厚度。在测量中使用EPMA（岛津制作所EPMA－1600），设为光束直径1μm、测量间距1μm而进行线分析。C浓化层厚度为到成为与线材内部相同的C浓度为止的距表面的深度。另外，在比较例9中由于不能得到C浓化层，所以在表3中没有记载这些数值。

（4）旧奥氏体粒平均结晶粒度号（G）

作为前处理，将螺旋弹簧的试样在500℃下加热1小时。并且，在螺旋弹簧的横截面的深度d/4的位置，将视野数设为10处，使用光学显微镜（NiKON ME600）以倍率：1000倍依据JIS G0551进行测量，计算出旧奥氏体粒平均结晶粒度号G。

（5）表面粗糙度（Rz（最大高度））

使用非接触三维形状测量装置（MITAKA NH－3），依据JIS B0601进行表面粗糙度的测量。测量条件为测量倍率：100倍，测量距离：4mm，测量间距：0.002mm，截止值：0.8mm。

（6）平均结晶粒径（dGS）

通过FE－SEM/EBSD（Electron Back Scatter Diffraction；电子背散射衍射）法，使用JEOL JSM－7000F（TSLソリューションズOIM－Analysys Ver.4.6），测量出平均结晶粒径。这里，测量在螺旋弹簧的横截面的深度d/4的位置进行，在观察倍率10000倍下进行，将方位角度差5°以上的边界作为晶粒边界，计算出平均结晶粒径。

（7）耐疲劳性（折损率）

使用液压伺服型疲劳试验机（鹭宫制作所）在室温（大气中）进行疲劳试验。试验应力：735±662MPa，频率：20Hz，试验数：各8根，用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3］

3.评价结果

（1）硬度

根据表3可知，在本发明中，如果内部硬度是570～700HV，则能够得到较高的耐疲劳性。此外，更优选的是570～690HV。如果硬度是这样的范围，则能够充分得到作为破坏起点的0.1～0.4mm的深度处的压缩残留应力。因此，可以认为内部起点的破坏被防止，得到了较高的耐疲劳性。此外，根据比较例10的结果，即使是通过热成形法制作的螺旋弹簧，在硬度不到570HV的情况下也缺乏耐受力，不能得到充分的耐疲劳性。因而，在本发明中，硬度优选的是570～700HV，更优选的是570～690HV。

此外，在发明例中，通过渗碳处理，表面的硬度变得比内部硬度高50HV以上。由此，能够在表面附近得到较高的压缩残留应力，能够防止以包括最表面的表面附近为起点的疲劳龟裂的发生。因而能够使耐疲劳性提高。

（2）残留应力分布

使用同样的组成的线材通过制造工序A制作出的发明例12、通过制造工序B制作出的发明例24及通过制造工序C制作出的发明例25与通过制造工序D制作并进行了退火处理的比较例12相比，距表面较深的位置处的压缩残留应力（-σ_R0.4）较大。这是因为，在通过制造工序A或B制作出的发明例中，在冷盘绕中发生的拉伸残留应力（残留在线圈内径侧）在热盘绕中几乎不发生。此外因为，在通过制造工序C制作的发明例25中，在冷盘绕中发生的拉伸残留应力然后通过加热到奥氏体域而完全消除。即，与由冷盘绕带来的拉伸残留应力残留的比较例12相比，在发明例12、24、25中，通过喷丸硬化，压缩残留应力容易从表面较深地进入。因此，容易成为破坏起点的0.1～0.4mm深度处的压缩残留应力较大，所以能够使耐疲劳性提高。

关于发明例1～29，全部得到了-σ_Rmax较大为900MPa以上的最大压缩残留应力。这被认为是实现了起因于由渗碳带来的表面附近的屈服应力提高的、由喷丸硬化带来的压缩残留应力的提高。此外，在线径为2.5mm以上10mm以下的情况下，I_{- σ R}是160MPa･mm以上，CP是0.43mm以上，在线径为1.5mm以上3mm以下的情况下，I_{- σ R}是130MPa･mm以上，CP是0.38mm以上，得到深且大的压缩残留应力，耐疲劳性良好。另外，对比较例2～5的折损品进行破面观察的结果是，其破坏起点是距表面深度0.15～0.35mm的范围，是以非金属类夹杂物为起点的内部起点。该深度相当于出现合成应力（作用应力－残留应力）的最大值的区域附近，可知该区域中的压缩残留应力较大对于耐疲劳性是重要的。因此，在-σ_R0.15是300MPa以上且-σ_R0.3是50MPa以上的发明例3中，能够得到比使用昂贵的线材且实施了氮化处理的比较例3高的耐疲劳性。此外，在-σ_R0.2是200MPa以上且-σ_R0.4是60MPa以上的发明例1、2、7～19、24、25中，能够得到使用添加了高级元素的昂贵的线材且实施了氮化处理的比较例13以上的较高的耐疲劳性。

（3）表面C浓度、C浓化层厚度

与比较例9或10相比，在发明例7～19中，由于实施了表面C浓度0.7～0.9重量%、C浓化层厚度10μm以上的渗碳，表面附近的硬度比其高，所以在表面附近能够得到较高的压缩残留应力，此外，由于表面粗糙度也被改善，所以能够得到较高的耐疲劳性。

（4）旧奥氏体粒平均结晶粒度

在由单纯组成的材质A、B、C或D构成的通过制造工序A形成的发明例1、2、12及26中，G是10号以上，得到了与使用V量较多的高级钢的材质E的比较例12、13同等程度的微细结晶粒，所述V具有结晶粒微细化效果。使用由单纯组成构成的材质得到这样的微细结晶粒是由通过高频加热的急速加热带来的。即，通过用高频加热在短时间进行加热，得到了旧奥氏体粒的粗大化抑制或微细化效果。因此，在由单纯组成构成的发明例1、2、12及26中能够得到微细结晶粒，耐疲劳性良好。

在通过制造工序C形成的发明例25中也同样通过高频加热使加热为短时间，结果能够得到G为10.1的微细结晶粒。与制造工序A的发明例12相比，在制造工序C中结晶粒度稍差是因为，与制造工序A那样的将线材加热的情况相比，在制造工序C中由于对线圈形状的结构进行高频加热，所以为了均匀地加热而加热时间变长。因而，根据螺旋弹簧的线径及形状，从结晶粒微细化的观点看，制造工序A比制造工序C更优选。

（5）表面粗糙度

关于得到了较高的耐疲劳性的发明例1～29，表面粗糙度Rz（最大高度）是9.0μm以下，充分满足希望的表面粗糙度Rz20μm以下。该表面粗糙度是通过盘绕时的与工具类的擦碰及喷丸硬化处理形成的。并且，关于通过喷丸硬化处理形成的表面粗糙度，通过线材的硬度和弹丸的粒径、硬度、投射速度等条件的组合决定其大小。由此，需要适当设定喷丸硬化的条件以使Rz不超过20μm。

在发明例7～19中，与具有相同程度的内部硬度的比较例9相比，表面粗糙度较小。这是因为在表面上形成有硬度较高的C浓化层。由于表面较硬，所以在喷丸硬化工序时表面粗糙度难以下降，考虑能够得到良好的表面粗糙度。由此，由C浓化层形成带来的表面硬度的提高成为容易成为破坏起点的表面的谷部的生成的抑制，对于耐疲劳性的提高（可靠性的提高）是有效的。

（6）平均结晶粒径

在由单纯组成的材质A、B、C或D构成的发明例1、2、12及26中，dGS是0.73～0.95μm，是与使用作为高级钢的材质E的比较例12、13相同程度的平均结晶粒径。这如上述那样，是因为由高频加热在短时间中进行加热带来了组织的粗大化抑制或微细化，结果，在发明例1、2、12及26中能够得到微细的平均结晶粒径，耐疲劳性提高。

在通过制造工序C形成的发明例25中也同样，通过高频加热的短时间加热的结果是，能够得到dGS=0.95μm的微细结晶粒。但是，如上述那样，在制造工序C中，相比制造工序A加热长时间化，所以根据螺旋弹簧的线径及形状，从结晶粒微细化的观点，在制造工序A中比制造工序C更优选。

（7）线径

在将线径在1.5～10mm的范围中改变的发明例3～6、12、20～22中，能够制作出在制造工序A中的热成形时没有异常变形等且为大致圆形的螺旋弹簧。在使线径为1.2mm的比较例1中，在盘绕中线材压曲，从盘绕工具脱离，不能进行线圈的制作。另外，在使线径为10mm的发明例22中，在线材中心附近（具体而言，距中心2mm左右的范围），不能得到完全的马氏体组织，为不完全淬火组织。这是因为，由于在盘绕中进行渗碳处理，所以高频加热的时间变短，不能得到对于线材的径向的均热化充分的加热时间。但是，中心附近在作为螺旋弹簧的使用上是几乎不作用应力的范围，结果，在发明例22中也得到较高的耐久性。因此可知，如果线径超过10mm，则上述不完全淬火组织达到作为螺旋弹簧的使用上成为问题的区域。因而，在本发明中，线径更优选的是1.5～9.0mm。

（8）渗碳条件

为了有效率地进行线材表面上的渗碳反应，需要一定以上的气体喷吹压（线材表面上的动压），如果气体喷吹压过低则不能得到C浓化层。另一方面，如果气体喷吹压过高，则导致因线材表面温度下降带来的渗碳反应性的下降，所以也不好。此外，在线材温度是800℃的比较例9中没有生成C浓化层。因而，从渗碳反应的速度的观点看，在短时间的渗碳中线材温度需要为850℃以上。另外，如果线材温度超过1150℃，则由于加热温度较高，所以结晶粒度变差，耐疲劳性容易下降。因为这些，所以优选的是气体喷吹压为0.1kPa～5.0kPa，气体喷吹时的线材温度为850～1150℃。根据该条件，如发明例7～19所示，都能够得到表面C浓度0.7重量%以上且C浓化层厚度10μm以上。

因为这些可以确认，与以往的螺旋弹簧的制造方法相比，根据本发明的压缩螺旋弹簧的制造方法，通过将由盘绕带来的拉伸残留应力消除、用渗碳处理得到规定的表面硬度，能够得到距表面较深且较大的压缩残留应力，能够提高耐疲劳性。

另外，关于制造工序A及B与制造工序C中的尺寸精度的差异，用50个淬火后的螺旋弹簧50进行评价。这里，使用材质C、线径4mm的线材在与发明例12、24、25的情况同样的条件制作出螺旋弹簧。结果，关于线圈径，由制造工序C制作出的线圈的标准偏差是0.047mm，相对于此，在由制造工序A及B制作出的线圈中分别是0.020mm、0.023mm。在冷成形法中，在冷成形后的螺旋弹簧中残留有较大的加工应变，其加工应变在个体内不一样。因此，当在淬火工序中进行加热直到奥氏体区域而使加工应变释放时，容易导致不均匀的变形（形状变形，其离差较大）。另一方面，在热成形法中，在螺旋弹簧中不残留加工应变。因此，在被要求较高的尺寸精度的情况下，优选的是使用采用热成形法的制造工序A或B。在制造工序C中，虽然耐久性良好，但由于是冷成形法，所以在尺寸精度这一点上比制造工序A及B差。

以上，根据本发明的压缩螺旋弹簧的制造方法，即使使用便宜的线材，也能够得到比使用高级钢的以往的冷成形弹簧耐疲劳性好的压缩螺旋弹簧。

Claims (24)

1.一种压缩螺旋弹簧，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、其余部由铁及不可避免的杂质构成的当量圆直径为2.5mm以上10mm以下的钢线材，其特征在于，

任意的线材横截面中的内部硬度为570～700HV；

在表层部具有超过上述钢线材中含有的C的平均浓度的C浓化层；

在对上述线材的螺旋弹簧内径侧的弹簧加载压缩载荷的情况下发生的大致最大主应力方向上，无负荷时的距上述线材的表面0.2mm深度处的压缩残留应力为200MPa以上，并且距表面0.4mm深度处的压缩残留应力为60MPa以上。

2.一种压缩螺旋弹簧，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、其余部由铁及不可避免的杂质构成的当量圆直径为2.5mm以上10mm以下的钢线材，其特征在于，

任意的线材横截面中的内部硬度为570～700HV；

在表层部具有超过上述钢线材中含有的C的平均浓度的C浓化层；

在对上述线材的螺旋弹簧内径侧的弹簧加载压缩载荷的情况下发生的大致最大主应力方向上，当以无负荷时的压缩残留应力的值为零的距上述线材的表面的深度为交叉点、在将纵轴设为残留应力将横轴设为单线半径的残留应力分布曲线中将从表面到交叉点的积分值表示为I_{- σ R}时，I_{- σ R}为160MPa･mm以上。

3.一种压缩螺旋弹簧，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、其余部由铁及不可避免的杂质构成的当量圆直径为1.5mm以上3mm以下的钢线材，其特征在于，

任意的线材横截面中的内部硬度为570～700HV；

在表层部具有超过上述钢线材中含有的C的平均浓度的C浓化层；

在对上述线材的螺旋弹簧内径侧的弹簧加载压缩载荷的情况下发生的大致最大主应力方向上，无负荷时的距上述线材的表面0.15mm深度处的压缩残留应力为300MPa以上，并且距表面0.3mm深度处的压缩残留应力为50MPa以上。

4.一种压缩螺旋弹簧，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、其余部由铁及不可避免的杂质构成的当量圆直径为1.5mm以上3mm以下的钢线材，其特征在于，

任意的线材横截面中的内部硬度为570～700HV；

在表层部具有超过上述钢线材中含有的C的平均浓度的C浓化层；

在对上述线材的螺旋弹簧内径侧的弹簧加载压缩载荷的情况下发生的大致最大主应力方向上，当以无负荷时的压缩残留应力的值为零的距上述线材的表面的深度为交叉点、在将纵轴设为残留应力将横轴设为单线半径的残留应力分布曲线中将从表面到交叉点的积分值表示为I_{- σ R}时，I_{- σ R}为130MPa･mm以上。

5.一种压缩螺旋弹簧，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、0.005%～4.5%的Cr、B、Ni、Ti、Cu、Nb、V、Mo、W中1种或2种以上、其余部由铁及不可避免的杂质构成的当量圆直径为2.5mm以上10mm以下的钢线材，其特征在于，

任意的线材横截面中的内部硬度为570～700HV；

在表层部具有超过上述钢线材中含有的C的平均浓度的C浓化层；

在对上述线材的螺旋弹簧内径侧的弹簧加载压缩载荷的情况下发生的大致最大主应力方向上，无负荷时的距上述线材的表面0.2mm深度处的压缩残留应力为200MPa以上，并且距表面0.4mm深度处的压缩残留应力为60MPa以上。

6.一种压缩螺旋弹簧，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、0.005%～4.5%的Cr、B、Ni、Ti、Cu、Nb、V、Mo、W中1种或2种以上、其余部由铁及不可避免的杂质构成的当量圆直径为2.5mm以上10mm以下的钢线材，其特征在于，

任意的线材横截面中的内部硬度为570～700HV；

在表层部具有超过上述钢线材中含有的C的平均浓度的C浓化层；

在对上述线材的螺旋弹簧内径侧的弹簧加载压缩载荷的情况下发生的大致最大主应力方向上，当以无负荷时的压缩残留应力的值为零的距上述线材的表面的深度为交叉点、在将纵轴设为残留应力将横轴设为单线半径的残留应力分布曲线中将从表面到交叉点的积分值表示为I_{- σ R}时，I_{- σ R}为160MPa･mm以上。

7.一种压缩螺旋弹簧，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、0.005%～4.5%的Cr、B、Ni、Ti、Cu、Nb、V、Mo、W中1种或2种以上、其余部由铁及不可避免的杂质构成的当量圆直径为1.5mm以上3mm以下的钢线材，其特征在于，

任意的线材横截面中的内部硬度为570～700HV；

在表层部具有超过上述钢线材中含有的C的平均浓度的C浓化层；

在对上述线材的螺旋弹簧内径侧的弹簧加载压缩载荷的情况下发生的大致最大主应力方向上，无负荷时的距上述线材的表面0.15mm深度处的压缩残留应力为300MPa以上，并且距表面0.3mm深度处的压缩残留应力为50MPa以上。

8.一种压缩螺旋弹簧，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、0.005%～4.5%的Cr、B、Ni、Ti、Cu、Nb、V、Mo、W中1种或2种以上、其余部由铁及不可避免的杂质构成的当量圆直径为1.5mm以上3mm以下的钢线材，其特征在于，

任意的线材横截面中的内部硬度为570～700HV；

在表层部具有超过上述钢线材中含有的C的平均浓度的C浓化层；

在对上述线材的螺旋弹簧内径侧的弹簧加载压缩载荷的情况下发生的大致最大主应力方向上，当以无负荷时的压缩残留应力的值为零的距上述线材的表面的深度为交叉点、在将纵轴设为残留应力将横轴设为单线半径的残留应力分布曲线中将从表面到交叉点的积分值表示为I_{- σ R}时，I_{- σ R}为130MPa･mm以上。

9.如权利要求1～8中任一项所述的压缩螺旋弹簧，其特征在于，

在对上述线材的螺旋弹簧内径侧的弹簧加载压缩载荷的情况下发生的大致最大主应力方向上，无负荷时的最大压缩残留应力为900MPa以上。

10.如权利要求1～9中任一项所述的压缩螺旋弹簧，其特征在于，

由JIS G0551规定的旧奥氏体粒平均结晶粒度号为10号以上。

11.如权利要求1～10中任一项所述的压缩螺旋弹簧，其特征在于，

设方位角度差5°以上的边界为晶粒边界，使用SEM/EBSD法测量的平均结晶粒径为2.0μm以下。

12.如权利要求1～11中任一项所述的压缩螺旋弹簧，其特征在于，

上述C浓化层的硬度比内部硬度高50HV以上。

13.如权利要求1～12中任一项所述的压缩螺旋弹簧，其特征在于，

上述C浓化层中的最大C浓度为0.7～0.9重量%，上述C浓化层的厚度为0.01～0.1mm。

14.如权利要求5～8中任一项所述的压缩螺旋弹簧，其特征在于，

含有0.5～2.0重量%的Cr。

15.如权利要求1～14中任一项所述的压缩螺旋弹簧，其特征在于，

表面粗糙度Rz即最大高度为20μm以下。

16.如权利要求1～15中任一项所述的压缩螺旋弹簧，其特征在于，

上述压缩残留应力通过喷丸硬化处理赋予。

17.如权利要求16所述的压缩螺旋弹簧，其特征在于，

上述喷丸硬化处理是多级喷丸硬化处理，所述多级喷丸硬化处理由通过粒径0.6～1.2mm的弹丸的第1喷丸硬化处理、通过粒径0.2～0.8mm的弹丸的第2喷丸硬化处理和通过粒径0.02～0.30mm的弹丸的第3喷丸硬化处理构成。

18.如权利要求1～17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圆锥形、吊钟形、鼓形、桶形等异形。

19.一种压缩螺旋弹簧的制造方法，依次进行通过螺旋弹簧成形机将钢线材热成形的盘绕工序、将在盘绕后被切离且温度还处于奥氏体域的线圈原样淬火的淬火工序、将线圈调质的回火工序、对线材表面赋予压缩残留应力的喷丸硬化工序和整定工序，其特征在于，

上述螺旋弹簧成形机具有用来连续地供给钢线材的进给辊、将钢线材成形为线圈状的盘绕部、和用来将钢线材在盘绕规定匝数后与从后方连续供给来的钢线材切断的切断机构；

上述盘绕部具备用来将由上述进给辊供给的钢线材向加工部的适当的位置引导的线导引部、用来将经由上述线导引部供给的钢线材加工为线圈形状的由盘绕销或盘绕辊构成的盘绕工具、和用来赋予间距的间距工具；

上述螺旋弹簧成形机还具有在从上述进给辊的出口到上述盘绕工具之间将钢线材在2.5秒以内升温到奥氏体域的加热机构；

在从加热中到淬火的期间中，进行对钢线材表面直接喷吹烃类气体的渗碳工序。

20.如权利要求19所述的压缩螺旋弹簧的制造方法，其特征在于，

上述加热机构采用高频加热，在上述线导引部内的钢线材的通过路径上或上述线导引部中的钢线材出口侧末端与上述盘绕工具的空间中的钢线材的通路路径上以与钢线材同心的方式配置有高频加热线圈。

21.一种压缩螺旋弹簧的制造方法，是权利要求1～18中任一项所述的压缩螺旋弹簧的制造方法，依次进行在钢线材的表层部形成C浓化层的渗碳工序、通过螺旋弹簧成形机将钢线材热成形的盘绕工序、将在盘绕后被切离且温度还处于奥氏体域的线圈原样淬火的淬火工序、将线圈调质的回火工序、对线材表面赋予压缩残留应力的喷丸硬化工序和整定工序，其特征在于，

上述渗碳工序中的形成C浓化层的方法，是对加热后的钢线材表面直接喷吹烃类气体的方法；

在上述盘绕工序中使用的上述螺旋弹簧成形机具有用来连续地供给钢线材的进给辊、将钢线材成形为线圈状的盘绕部、和用来将钢线材在盘绕规定匝数后与从后方连续供给来的钢线材切断的切断机构；

上述盘绕部具备用来将由上述进给辊供给的钢线材向加工部的适当的位置引导的线导引部、用来将经由上述线导引部供给的钢线材加工为线圈形状的由盘绕销或盘绕辊构成的盘绕工具、和用来赋予间距的间距工具；

上述螺旋弹簧成形机还具有在从上述进给辊的出口到上述盘绕工具之间将钢线材在2.5秒以内升温到奥氏体域的加热机构；

上述加热机构采用高频加热，在上述线导引部内的钢线材的通过路径上或上述线导引部中的钢线材出口侧末端与上述盘绕工具的空间中的钢线材的通过路径上以与钢线材同心的方式配置有高频加热线圈；

上述渗碳工序和上述盘绕工序是在中途没有钢线材的切离的连续的工序。

22.一种压缩螺旋弹簧的制造方法，是权利要求1～18中任一项所述的压缩螺旋弹簧的制造方法，依次进行通过螺旋弹簧成形机将钢线材成形的盘绕工序、将线圈在20秒以内升温到奥氏体域并进行淬火的加热淬火工序、将线圈调质的回火工序、对线材表面赋予压缩残留应力的喷丸硬化工序和整定工序，其特征在于，

上述加热淬火工序中的加热方法是高频加热；

在从加热中到淬火的期间中进行对钢线材表面直接喷吹烃类气体的渗碳工序。

23.如权利要求19～22中任一项所述的压缩螺旋弹簧的制造方法，其特征在于，

喷吹上述烃类气体的时点的钢线材表面温度为850～1150℃，并且钢线材表面部的上述烃类气体的动压为0.1～5.0kPa。

24.如权利要求19～23中任一项所述的压缩螺旋弹簧的制造方法，其特征在于，

上述烃类气体的主要成分是甲烷、丁烷、丙烷、乙炔的任一种。