CN105008573A - 弹簧用钢丝及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种弹簧用钢丝，其不依赖于合金元素的添加，能够通过制造工艺提高耐弹力减弱性和疲劳特性。一种具有由淬火回火得到的组织的弹簧，其由表面的第1层、位于第1层的内侧的第2层、和位于第2层的内侧并达到中心的第3层构成，第2层比第1层和第3层的硬度低。

Description

弹簧用钢丝及其制造方法
技术领域
本发明涉及提高了耐弹力减弱性和疲劳特性的弹簧用钢丝及其制造方法。
背景技术
作为弹簧用钢丝及其制造方法，例如专利文献1中提出了下述技术：反复进行表层部的骤热骤冷的循环，不通过利用表层部与中心部的温度差自我冷却而进行强制冷却，使表层部的晶粒微细化，并且使中心部反复进行热循环，直至超过A1相变点，从而使整个截面形成马氏体组织。
另外，专利文献2中提出了下述技术：进行在仅钢丝的表面侧形成淬火马氏体这样的加热条件(温度、冷却速度)下加热和骤冷的模式淬火，将该钢丝再加热进行回火，同时实施热卷绕，由此利用表层马氏体的相变变形产生表面压缩残余应力。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特公平2-35022号公报
专利文献2：日本特公平7-91585号公报
发明内容
发明要解决的课题
对于悬挂弹簧的小型轻量化，要求具有高的设计应力，对于高应力化，从耐弹力减弱性、耐久性的观点来看，需要对弹簧材料进行高强度化。但是，若进行高强度化，则对于滞后断裂的敏感性、对于因融雪材料等产生的腐蚀坑等缺陷的敏感性增大，因此正在开发大量添加Ni、Cu、Cr、Ti、V等元素而降低了上述环境脆化的敏感性的合金。但是，与SUP7、SUP12等相比，这种合金存在通用性低、材料成本高的问题。
另一方面，作为改善环境脆化的方法，已知晶粒微细化是有效的。关于晶粒微细化，快速加热快速冷却是有效的，正在采用使用了高频淬火的方法。另外，为了轻量化而以高应力设计使用弹簧时，为了确保耐弹力减弱性而需要提高硬度。但是，若提高硬度，则裂纹扩展速度提高，使疲劳特性变差。
因此，本发明的目的在于提供一种弹簧用钢丝及其制造方法，其不依赖于合金元素的添加，能够通过制造工艺提高耐弹力减弱性和疲劳特性。
用于解决课题的方案
作为通过制造工艺实现环境脆化的改善的方法，本发明人想到在高频淬火后进一步对表面轮廓部实施高频淬火。由此，可以将钢丝的表层部的晶粒超微细化，并且利用轮廓淬火引起的HAZ软化现象，在提高表面的硬度的同时降低裂纹扩展部位的硬度，能够兼顾耐弹力减弱性和疲劳特性的提高。
本发明是基于上述技术思想而进行的，涉及一种具有由淬火回火得到的组织的弹簧用钢丝，其特征在于，其由表面的第1层、位于该第1层的内侧的第2层、和位于该第2层的内侧并达到中心的第3层构成，该第2层比第1层和第3层的硬度低。
若在弹簧的表面形成点蚀导致的腐蚀坑，则在腐蚀坑的底部产生初始裂纹，裂纹扩展并发展为急剧的断裂。本发明在作为硬的回火组织的第1、第3层之间设置有第2层，该第2层与第1、第3层相比由软质的回火组织构成。这种本发明中，即使形成于第1层的腐蚀坑中产生初始裂纹，在比第1层软质的第2层中裂纹的扩展也会滞后。即，第2层作为裂纹扩展的阻隔层发挥作用。因此，本发明中，能够提高腐蚀疲劳特性(环境脆化特性)。
另外，本发明中，由于使第1、第3层形成淬火回火组织，因而整体上具有与表面大致相同程度的平均硬度。因此，本发明中能够提高耐弹力减弱性。
接着，本发明涉及上述弹簧用钢丝的制造方法，其特征在于，具有以下工序：淬火工序，将钢丝整体加热至高于奥氏体相变点的温度，之后进行淬火；轮廓淬火工序，仅将钢丝的表层加热至高于奥氏体相变点的温度，中心部的温度低于下一工序中的回火温度，由这样的温度状态进行冷却；和，回火工序，对钢丝整体进行加热。
发明的效果
根据本发明，可得到下述效果：通过第2层而使疲劳特性提高，通过硬度高的第1层和第3层而使耐弹力减弱性提高；等等。
附图说明
图1是示出实施方式的弹簧用钢丝的轴截面图。
图2是示出实施方式的弹簧用钢丝的热处理模式的图。
具体实施方式
图1是示出实施方式的弹簧用钢丝的轴截面图。该弹簧用钢丝从中心起由第3层3、第2层2和第1层构成。对于第1层1，优选比第2层2的平均结晶粒径小。通过使第1层1形成超微细晶粒组织，晶界面积增加，从腐蚀坑侵入结晶内的氢离子被大量的晶界捕获，被无害化。此外，P、S、微细碳化物等向晶界的偏析被抑制，因而氢脆化特性进一步提高。
第1层1～第3层3的优选方式如下所述。
第1层1是以回火马氏体或屈氏体为主体的组织，原奥氏体结晶粒度优选为#12.0～14.0、硬度优选为500～700HV。若粒度号低于#12.0，则作为晶界的氢捕获点的效果变得不充分。另外，硬度小于500HV时，耐弹力减弱性降低，超过700HV时，腐蚀耐久性和耐氢脆性降低。
第2层2是以索氏体为主体的组织，原奥氏体结晶粒度优选为#9.0～11.5、硬度优选为400～650HV。
第3层3是以回火马氏体或屈氏体为主体的组织，原奥氏体结晶粒度优选为#9.0～11.5、硬度优选为500～700HV。若硬度小于500HV，则抗拉强度低，耐弹力减弱性降低。
第1层1的厚度优选为0.3～1.5mm。若厚度小于0.3mm，则晶粒微细化引起的氢脆化特性的改善无法充分表现。另一方面，若厚度超过1.5mm，则腐蚀坑的底部至第2层2的距离长，裂纹伝播变得容易进行，因此腐蚀耐久性降低。
第2层2的厚度优选为0.5～3.0mm。若厚度低于0.5mm，则软化层厚度小，因而裂纹扩展寿命的改善效果小。另一方面，若厚度超过3.0mm，则耐弹力减弱性降低。
接着，参照图2对实施方式的弹簧用钢丝的制造方法进行说明。实施方式的制造方法具有以下工序：淬火工序，将钢丝整体加热至高于奥氏体相变点的温度，之后进行淬火；轮廓淬火工序，仅将钢丝的表层加热至高于奥氏体相变点的温度，表层下具有向中心方向的热传递引起的温度梯度，中心部的温度低于下一工序中的回火温度，从这样的温度状态进行淬火；和，回火工序，对钢丝整体进行加热。
在上述热处理中，在线路的最初配置卷开钢丝的材料供给单元，在线路的最后配置卷绕钢丝的卷绕装置。在淬火工序、轮廓淬火工序和回火工序中，钢丝通过高频加热线圈，接着通过冷却夹套。在冷却夹套中，制冷剂与钢丝接触，从而将钢丝冷却。
如图2所示，在淬火工序中，钢丝整体被加热至高于奥氏体相变点(TAC3)的温度。并且，以该温度保持特定时间后，进行骤冷，从而使奥氏体相变为马氏体。
如图2所示，在轮廓淬火工序中，随着从表层向中心部，温度缓慢地降低，温度T1、T2、T3在图2所示的温度条件的范围内。即，在轮廓淬火工序中，仅钢丝的表层即第1层被加热至高于奥氏体相变点(TAC3)的温度(T1)。具体地说，T1为800～1000℃。另外，中心部的第3层被加热至低于下一工序中的回火温度(Ttemp)的温度(T3)。由此，第3层的至少一部分成为回火马氏体或屈氏体。
另一方面，第2层被加热至低于奥氏体相变点(TAC3)且高于下一工序中的回火温度(Ttemp)的温度(T2)。在轮廓淬火中，随着从表层向中心，被加热的温度缓慢地降低，因此能够进行这种加热。因此，第2层的至少一部分成为以索氏体为主体的组织。需要说明的是，已知利用超过500～600℃的温度下的回火时，会成为索氏体，显著发生软化。
若使钢丝从上述加热状态骤冷，则第1层从奥氏体相变为马氏体。在第1层中，通过淬火工序中的快速加热而使奥氏体晶粒微细化，通过淬火(轮廓淬火)工序中的快速加热，奥氏体晶粒被进一步微细化。
接下来，钢丝被回火，第1层的马氏体例如成为屈氏体或回火马氏体。这些晶粒因两次快速加热而变得极其微细。另外，第2层在轮廓淬火后依旧是以索氏体为主体的组织，是比第1层软的层。第3层是以屈氏体或回火马氏体为主体的组织，晶粒与第2层相同程度。需要说明的是，在轮廓淬火工序中，第2层是在高于第3层的温度被加热(回火)的，因此第2层是比第3层软的层。
钢丝的材质不限定于弹簧用钢，可以采用能够淬火的全部钢种。作为能够淬火的钢种，可以举出含有0.05～0.8质量％的C的钢种。例如，可以使用具有下述组成的钢种：以质量％计，含有C：0.05～0.8％；Si：0.1～2.5％；Mn：0.1～2.5％；Cr、Ni、Cu、Mo、Ti、B中的1种或2种以上：0.05～3.0％；余部由Fe和不可避免的杂质构成。
实施例
1.试样的制作
下面，参照实施例对本发明进行更详细的说明。
[实施例1、2]
利用高频加热线圈将直径12.6mm的SUP12材料形成的钢丝加热至960℃，并进行水冷(淬火工序)。接下来，以第1层达到900℃、第3层达到470℃以下的方式对钢丝进行加热，在达到目标温度后立即水冷(轮廓淬火工序)。接下来，以470℃对钢丝进行回火。
[比较例1]
除了未进行轮廓淬火以外，在与实施例1同样的条件下制作比较例1的试样。
[比较例2]
使钢丝的材质变更为在SUP12中添加了0.02％的Ti、0.3％的Mo的材质，并且不进行轮廓淬火，除此以外在与实施例1相同的条件下制作比较例2的试样。
2.物理特性的测定
对于实施例1～比较例2的试样，进行了以下的测定。
关于实施例1、2，对于第1层、第2层和第3层测定层的厚度、结晶粒度和硬度，关于比较例1、2，对内部的任意部位测定层的厚度、结晶粒度和硬度，并且观察金属组织。将其结果示于表1。
[表1]
3.断裂试验
[腐蚀耐久测试]
以冷的方式将实施例1～比较例2的试样成型为螺旋弹簧，在相同条件下实施退火·喷丸硬化及涂布。关于螺旋弹簧，平均螺径为100mm，有效绕数为6.5绕、自由长度为355mm。在该螺旋弹簧的涂布表面以一定间隔开出直径1mm的孔，依照JASOC6041对该螺旋弹簧进行4个循环的复合腐蚀循环试验(CCT试验)，之后进行使螺旋弹簧在上下方向激振15万次的耐久试验。交替进行这些CCT试验和耐久试验，调查螺旋弹簧折损为止的耐久次数。需要说明的是，耐久试验在应力(τ)＝588±300(MPa)的条件和应力(τ)＝588±126(MPa)的条件下进行。
[滞后断裂测试]
不涂布上述螺旋弹簧，而以应力达到1274MPa的方式进行压缩并进行连结保持，将其浸渍到1％稀硫酸中，调查至折损为止的时间。
4.试验结果
将以上的断裂试验的结果示于表2。如表2所示，在振幅为300MPa的腐蚀耐久测试中，实施例2的螺旋弹簧在CCT试验中发生了折损，但即便如此与比较例1、2相比也显示出了优异的耐久性。这是因为，在实施例1、2中具备软质的第2层。另外，在实施例1、2中，即使达到一定时间也未发生滞后断裂。这是因为，实施例1、2的第1层的结晶粒度为#13.0和#12.5，极其微细，结果氢脆化特性提高。需要说明的是，比较例2中未发生滞后断裂是因为：比较例2的螺旋弹簧的材质为在SUP12中添加了作为晶粒微细化元素的Ti 0.02％、Mo 0.3％的材质，因而是结晶粒度小、氢脆化特性优异的合金。
[表2]
工业实用性
本发明能够用于组装于工业产品中的所有弹簧。

Claims (6)

1.一种弹簧用钢丝，其特征在于，其为具有由淬火回火得到的组织的弹簧用钢丝，
该弹簧用钢丝由表面的第1层、位于该第1层的内侧的第2层、和位于该第2层的内侧并达到中心的第3层构成，该第2层比第1层和第3层的硬度低。
2.如权利要求1所述的弹簧用钢丝，其特征在于，所述第1层比所述第2层的平均结晶粒径小。
3.如权利要求1或2所述的弹簧用钢丝，其特征在于，所述第1层和所述第3层的硬度为500HV～700HV，所述第2层的硬度为400HV～650HV。
4.如权利要求1～3中任一项所述的弹簧用钢丝，其特征在于，所述第1层的厚度为0.3mm～1.5mm。
5.如权利要求1～3中任一项所述的弹簧用钢丝，其特征在于，所述第2层的厚度为0.5mm～3.0mm。
6.一种弹簧用钢丝的制造方法，其特征在于，其为权利要求1～5中任一项所述的弹簧用钢丝的制造方法，该制造方法具有以下工序：
淬火工序，将钢丝整体加热至高于奥氏体相变点的温度，之后进行淬火；
轮廓淬火工序，仅将钢丝的表层加热至高于奥氏体相变点的温度，中心部的温度低于下一工序中的回火温度，由这样的温度状态进行冷却；和
回火工序，对钢丝整体进行加热。
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