CN105593559A - 弹簧以及弹簧的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种疲劳强度被提高了的弹簧。弹簧(10)具有钢材层(12)和形成于钢材层(12)的表面的含有氮化物的化合物层(14)。化合物层(14)含有ε相，该ε相的压缩残余应力为800～1400MPa。

Description

弹簧以及弹簧的制造方法
技术领域
本说明书公开的技术涉及一种弹簧。详细来说，涉及一种用于提高弹簧(例如，阀门弹簧及离合器用的弹簧等)的疲劳强度的技术。
背景技术
现有技术中，公知一种为了提高弹簧的疲劳强度而通过喷丸使材料的表面产生压缩残余应力的技术(例如，日本发明专利公开公报特开平10-118930号)。在该技术中，改变投射材料的粒径和材质而进行多次喷丸。从而，即使是具有较高硬度的弹簧，也能够提高其疲劳强度。
发明内容
本说明书的目的在于提供一种疲劳强度被进一步提高了的弹簧。
本说明书所公开的弹簧具有钢材层和形成于钢材层的表面的含有氮化物的化合物层。化合物层含有ε相，该ε相的压缩残余应力为800～1400MPa。
在该弹簧中，在钢材层的表面形成有含有氮化物的化合物层，该化合物层含有的ε相的压缩残余应力为800～1400MPa。如后所述，本申请的发明者专心研究的结果表明，在钢材层的表面形成有化合物层(氮化物)的弹簧中，由于化合物层含有的ε相产生的压缩残余应力，弹簧的疲劳强度被极大地提高。在该弹簧中，由于化合物层含有的ε相的压缩残余应力被调整为800～1400MPa，因而能够使弹簧具有良好的疲劳强度。
另外，本说明书提供一种用于制造上述的弹簧的新的方法，该方法包括：除去形成于弹簧线材的表面的表面瑕疵的工序；对表面瑕疵被除去后的弹簧线材进行氮化处理的工序；在氮化处理工序后，对弹簧线材的表面进行喷丸处理的工序。并且，在喷丸处理工序中，进行多次喷丸，最后进行的喷丸所使用的投射材料的硬度为1100～1300HV。
在该制造方法中，在通过氮化处理使弹簧线材的表面硬化之前，除去弹簧线材的表面上的表面瑕疵。因此，不仅能够抑制弹簧线材的表面粗糙，还能够除去表面瑕疵。另外，通过将喷丸所使用的投射材料的硬度设定为高硬度(1100～1300HV)，能够使氮化处理后的弹簧线材产生较大的压缩残余应力。其结果为，能够制造出具有良好的疲劳强度的弹簧。
附图说明
图1是本实施例所涉及的弹簧的剖视图。
图2是表示本实施例所涉及的弹簧的制造过程的流程图。
图3是表示本实施例所涉及的弹簧的表面产生的压缩残余应力(ε相的压缩残余应力和α相的压缩残余应力的关系)的图。
图4是表示针对本实施例所涉及的弹簧的疲劳强度的测定结果(ε相的压缩残余应力和疲劳强度的关系)的图。
图5是表示针对本实施例所涉及的弹簧的疲劳强度的测定结果(ε相的半宽度(full-widthathalfmaximum)和疲劳强度的关系)的图。
具体实施方式
在本说明书所公开的弹簧中，ε相的半宽度可以不足4.0。若ε相的半宽度变大，则ε相的压缩残余应力也变大，从而能够提高弹簧的疲劳强度。然而，如后述的测定结果所示，若ε相的半宽度为4.0以上，反之弹簧的疲劳强度会降低。因此，通过使ε相的半宽度不足4.0，能够防止ε相产生过剩的压缩残余应力，抑制弹簧的疲劳强度的降低。
在本说明书所公开的弹簧中，ε相的压缩残余应力可以为1100～1300MPa。采用这种结构时，能够进一步提高疲劳强度。
在本说明书所公开的弹簧中，以质量百分比计算，钢材层含有0.60～0.80％的C、1.30～2.50％的Si、0.30～1.00％的Mn、0.40～1.40％的Cr，并且可以含有Mo、V和W中的至少一种，Mo、V和W的含量分别为0.05～0.25％、0.05～0.60％和0.08～0.20％，该钢材层含有的其他成分为铁和不可避免的杂质。采用这种结构时，由于利用适当的材料形成用于形成弹簧的钢材，因而能够进一步提高疲劳强度。
(实施例)对实施例所涉及的弹簧10进行说明。弹簧10被用作汽车引擎用的阀门弹簧。弹簧10由成形为螺旋形的弹簧线材构成，在邻接的弹簧线材之间设置有规定间隔。
如图1所示，弹簧10由钢材层12和化合物层14构成。钢材层12是通过对弹簧线材进行热处理等而形成的层。钢材层12(即，弹簧线材)例如可以含有C(碳)、Si(硅)、Mn(锰)、Cr(铬)、W(钨)、铁以及不可避免的杂质。这种情况下，以质量百分比计算，各元素的比例可以为如下范围：0.60～0.80％的C、1.30～2.50％的Si、0.30～1.00％的Mn、0.40～1.40％的Cr、0.08～0.20％的W，其余成分可以为Fe(铁)和不可避免的杂质。将C的比例设定为0.60％以上的原因在于，若C不足0.60％，则很难满足耐久性和抗松弛性这两者。另外，将C设定为0.80％以下的原因在于，若C超过0.80％，则成形性能降低，加工时出现断裂或者折损等的可能性较高。将Si设定为1.30％以上的原因在于，若Si不足1.30％，则无法得到足够的抗松弛性。将Si设定为2.50％以下的原因在于，若Si超过2.50％，则热处理时的脱碳量超过容许范围，对耐久性造成不良影响。将Mn设定为0.30％以上的原因在于，若Mn不足0.30％，则无法得到足够的强度。另外，将Mn设定为1.00％以下的原因在于，若Mn超过1.00％，则残余奥氏体量会过多。将Cr设定为0.40％以上的原因在于，若Cr不足0.40％，则无法得到足够的固溶强度和淬火性。另外，将Cr设定为1.40％以下的原因在于，若Cr超过1.40％，则残余奥氏体量会过多。将W设定为0.08％以上的原因在于，若W不足0.08％，则添加W也没有效果(淬火性的提高、高强度化等)。另外，将W设定为0.20％以下的原因在于，若W超过0.20％，则会产生粗大的碳化物，使延展性等机械特性恶化。
另外，钢材层12可以同时含有W和Mo(钼)以及/或者V(钒)，或者可以以Mo(钼)以及/或者V(钒)代替W。由于含有Mo，因而，不仅能够提高钢的强度，还能够提高淬火性。另外，由于含有V，因而能够使钢材层12中析出的碳化物的尺寸微小，更能够提高钢材层12的强度。在钢材层12含有Mo以及/或者V时，以质量百分比计算，优选该元素的比例为，Mo为0.05～0.25％的范围，V为0.05～0.60％的范围。将Mo设定为0.05％以上的原因在于，若Mo不足0.05％，则无法得到足够的强度。另外，将Mo设定为0.25％以下的原因在于，若Mo超过0.25％，则无法忽视残余奥氏体的稳定性作用。另外，将V设定为0.05％以上的原因在于，若V不足0.05％，则不能生成足够量的碳化物，无法得到防止晶粒生长效果。另外，将V设定为0.60％以下的原因在于，若V超过0.60％，则碳化钒自身生长变大，对耐久性造成不良影响。
在钢材层12的表面，于整个表面范围内形成有化合物层14。化合物层14的厚度为7μm以下。由于化合物层14的厚度为7μm以下，因而能够防止因化合物层的脆性而导致的强度降低。化合物层14除含有上述的钢材层12含有的C、Si、Mn、Cr、W、Fe以及不可避免的杂质外，还含有N(氮)，化合物层14中存在Si、Mn、Cr、W、Fe等金属元素与N的化合物(氮化物)。化合物层14中的N的浓度并没有特别限定，例如，以质量百分比计算，N为5.0～6.1％的范围。
在化合物层14的最外表面上形成有密排六方结构(hcp)的ε相(Fe4N基)，该ε相中固溶有C、Si、Mn、Cr、W等。化合物层14中的ε相硬且脆。在本实施例中，通过使该ε相产生压缩残余应力来实现弹簧10的耐久性的提高。即，优选使化合物层14中的ε相产生800～1000MPa的压缩残余应力，更优选ε相的压缩残余应力为1100～1300MPa。其原因在于，如后述的实验结果所示，若压缩残余应力不足800MPa，则无法充分地提高疲劳强度。另外，若压缩残余应力超过1400MPa，则疲劳强度降低。
另外，优选ε相的半宽度(评价是否导入压缩残余应力(形变)的指标，由通过X射线残余应力测定法得到的X射线强度的曲线计算得出)不足4.0。即，若ε相的半宽度变大，则ε相的压缩残余应力也变大，从而能够提高弹簧的疲劳强度。然而，如后述的实验结果所示，若ε相的半宽度为4.0以上，反之弹簧的疲劳强度会降低。因此，通过使ε相的半宽度不足4.0，能够防止ε相产生过剩的压缩残余应力，抑制弹簧的疲劳强度的降低。
此外，以算术平均粗糙度(Ra)计算，优选化合物层14的表面粗糙度(即，弹簧10的表面粗糙度)为0.9μm以下。通过使化合物层14的表面粗糙度Ra为0.9μm以下，能够从化合物层14的表面除去造成应力集中的表面瑕疵。从而能够提高弹簧的疲劳强度。
接下来，参照图2对上述的弹簧10的制造方法进行说明。如图2所示，首先，通过绕线机将弹簧线材成形为螺旋形(S12)。以质量百分比计算，弹簧线材含有0.60～0.80％的C、1.30～2.50％的Si、0.30～1.00％的Mn、0.40～1.40％的Cr、0.08～0.20％的W，其含有的其余成分为铁和不可避免的杂质。此外，以质量百分比计算，弹簧线材还可以含有0.05～0.25％的Mo以及/或者0.05～0.60％的V。
此外，在将弹簧线材成形为螺旋形后，切断弹簧线材的端部，接着，对成形为螺旋形的弹簧线材实施低温退火，然后，对该成形为螺旋形的弹簧线材的端面进行研磨。从而，弹簧线材成形为弹簧形状。
接着，对成形为弹簧形状的弹簧线材的表面实施第1喷丸处理(预喷丸处理)(S14)。实施第1喷丸处理的目的不在于使弹簧线材产生压缩残余应力，而在于除去形成于弹簧线材的表面的表面瑕疵。因此，能够使用硬度较低的投射材料，也能够抑制弹簧线材的表面粗糙。其结果为，以算术平均粗糙度(Ra)计算，第1喷丸处理后的弹簧线材的表面粗糙度例如为1.18μm。此外，第1喷丸处理例如可以使用直径φ0.3mm、硬度390～510HV的投射材料。另外，优选为，可以将投射材料的投射速度设定为60～90m/s。
接着，在氨气环境下对表面瑕疵被除去后的弹簧线材实施氮化处理(S16)。从而，在弹簧线材的表面形成有含有氮化物的化合物层14，在弹簧线材的中心部形成有不含有氮化物的钢材层12。在氮化处理中，温度条件可以为450℃以上540℃以下(例如，500℃)，处理时间可以为1～4小时(例如，1.5小时)。此外，若处理时间不足2小时，则可以将化合物层14的厚度调整为适当的厚度(例如，5μm)。
接着，为了提高弹簧线材的耐疲劳强度，对弹簧线材的表面实施第2喷丸处理(S16)。第2喷丸处理可以分多次进行。通过进行多次喷丸处理，能够使弹簧线材的较深的位置处也产生压缩残余应力。在第2喷丸处理中，例如可以对刚刚氮化处理后的弹簧线材的表面进行第1次喷丸(例如，投射材料的直径φ0.6mm，投射材料的硬度650～750HV)，接着，进行第2次喷丸(例如，投射材料的直径φ0.3mm，投射材料的硬度650～750HV)，然后，进行第3次喷丸(例如，投射材料的直径φ0.1mm，投射材料的硬度1180～1230HV)。这样改变投射材料的直径和硬度的同时分多次进行喷丸，从而能够有效地使弹簧线材产生压缩残余应力。此外，在上述的例子中，通过在第3次喷丸处理中使用硬度1100HV以上的粒径φ0.1mm的投射材料，能够使氮化处理后的弹簧线材的表面(即，硬度较高的化合物层14)在较深的位置处也产生较大的压缩残余应力。另外，优选在第1次喷丸、第2次喷丸以及第3次喷丸的各喷丸中，投射材料的投射速度为60～90m/s。
在S16中进行完第2喷丸处理之后，对弹簧线材实施低温退火，接着，对弹簧线材实施立定处理。从而，由弹簧线材制造出弹簧10。
接下来，对利用弹簧线材(以质量百分比计算，含有0.73％的C、2.16％的Si、0.71％的Mn、1.00％的Cr、0.15％的W、0.13％的Mo、0.10％的V，含有的其他成分为铁和不可避免的杂质)制造出的弹簧(下面称为实验例)的压缩残余应力和疲劳强度的测定结果进行说明。在该测定中，对卷绕处理后的弹簧线材进行第1喷丸处理、氮化处理、第2喷丸处理(3次喷丸)，在这些处理之后对压缩残余应力和疲劳强度进行了测定。在实验例中，在第2喷丸处理的3次喷丸中，使用了投射材料A(投射材料的直径φ0.1mm，投射材料的硬度1180～1230HV)。另外，在比较例中，在第2喷丸处理的3次喷丸中，使用了投射材料B(投射材料的直径φ0.1mm，投射材料的硬度700～830HV)。下面，在图3～图5中，以投射材料A表示实验例的测定结果，以投射材料B表示比较例的测定结果。此外，实施例与比较例中其他条件相同。即，利用直径φ0.3mm，投射材料的硬度390～510HV的投射材料实施第1喷丸处理。以氮化温度500℃，氮化时间1.5小时的条件实施氮化处理。在第2喷丸处理中，进行第1次喷丸(投射材料的直径φ0.6mm，投射材料的硬度650～750HV)、第2次喷丸(投射材料的直径φ0.3mm，投射材料的硬度650～750HV)以及第3次喷丸(投射材料A或者B)。
图3表示对实施例的弹簧(以投射材料A表示)的压缩残余应力和比较例的弹簧(以投射材料B表示)的压缩残余应力测定后的结果。测定方法使用的是X射线残余应力测定法(sin2φ法)。由图3明确可知，与比较例的弹簧的ε相相比，实施例的弹簧的ε相产生较大的压缩残余应力。另外，实验例的弹簧的α相产生的压缩残余应力和比较例的弹簧的α相产生的压缩残余应力之间没有发生较大的不同。由该测定结果可确认，通过在3次喷丸中使用硬度较高的投射材料，从而能够使ε相产生较大的残余应力。
图4表示对实验例的弹簧(以投射材料A表示)和比较例的弹簧(以投射材料B表示)实施的疲劳试验的测定结果。在疲劳试验中，对重复应力(反复作用的应力)在107次时的疲劳强度和重复应力在108次时的疲劳强度进行了测定。由图4明确可知，相对于比较例的弹簧，实验例的弹簧的107次时的疲劳强度和108次时的疲劳强度都很高。尤其是，实验例的弹簧中，108次时的重复应力大约为650MPa这样较高的值，并且，实验例的弹簧的疲劳强度的偏差也较小。即，能够得到稳定且较高的疲劳强度。另外，ε相产生的压缩残余应力和疲劳强度的关系为，ε相产生的压缩残余应力越大，疲劳强度也越高。尤其是，当ε相产生的压缩残余应力超过800MPa时，107次时的疲劳强度为650MPa以上，108次时的疲劳强度也大约为650MPa这样较高的值。然而，若ε相产生的压缩残余应力超过1300MPa，则疲劳强度降低(尤其是，107次时的疲劳强度)。此外，ε相产生的压缩残余应力在1100～1300MPa的范围内时，107次时的疲劳强度为极其高的值。
图5表示分别对实验例的弹簧(以投射材料A表示)和比较例的弹簧(以投射材料B表示)测定压缩残余应力时得到的半宽度(详细来说，利用X射线残余应力测定法得到的X射线强度的半宽度)与疲劳强度的关系。由图5明确可知，半宽度越大，弹簧的疲劳强度越高。然而，若半宽度为4.0以上，反之弹簧的疲劳强度降低。
由上述的结果明确可知，在实验例的弹簧中，ε相产生较大的压缩残余应力，疲劳强度得到提高。尤其是，通过使ε相产生800～1400MPa(更优选为1100～1300MPa)的压缩残余应力，能够极大地提高疲劳强度。
上面对本发明的具体例子进行了详细地说明，但是，这些仅仅是例示，而不是对权利要求书的限定。权利要求书所记载的技术中含有对上面例示的具体例子进行各种变形、变更后的内容。
例如，在上述的实施例中，实施例所涉及的弹簧为汽车引擎用的阀门弹簧，但是，本发明并不局限于此方式，也可以适用于其他弹簧(例如，离合器用的弹簧等)。另外，弹簧线材中可以含有P(磷)和S(硫)等不可避免的杂质。由于这样的不可避免的杂质会导致弹簧强度的降低，因而，其浓度越低越好。例如，优选以重量百分比计算，弹簧线材含有的P为0.025％以下，S为0.025％以下。另外，对弹簧线材的表面实施的第2喷丸处理时的喷丸次数可以根据弹簧线材所要求的耐久性适当地确定。例如，为了使弹簧线材产生足够的压缩残余应力，优选至少进行2次喷丸，更优选进行3次喷丸。
本说明书或者附图所说明的技术要素单独或者通过各种组合发挥技术有用性，其并不局限于申请时权利要求记载的组合。另外，本说明书或者附图例示的技术能够同时达成多个目的，并且，也能够仅达成其中一个目的，而发挥技术有用性。

Claims (5)

1.一种弹簧，其特征在于，具有钢材层和形成于钢材层的表面的含有氮化物的化合物层，
化合物层含有ε相，该ε相的压缩残余应力为800～1400MPa。
2.根据权利要求1所述的弹簧，其特征在于，
ε相的半宽度不足4.0。
3.根据权利要求1或2所述的弹簧，其特征在于，
ε相的压缩残余应力为1100～1300MPa。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的弹簧，其特征在于，
以质量百分比计算，钢材层含有0.60～0.80％的C、1.30～2.50％的Si、0.30～1.00％的Mn、0.40～1.40％的Cr，并且含有Mo、V和W中的至少一种，Mo、V和W的含量分别为0.05～0.25％、0.05～0.60％和0.08～0.20％，该钢材层含有的其他成分为铁和不可避免的杂质。
5.一种弹簧的制造方法，其为制造弹簧的方法，其特征在于，包括：
除去形成于弹簧线材的表面的表面瑕疵的工序；
对表面瑕疵被除去后的弹簧线材进行氮化处理的工序；
在氮化处理工序后，对弹簧线材的表面进行喷丸处理的工序，
在喷丸处理工序中，进行多次喷丸，最后进行的喷丸所使用的投射材料的硬度为1100～1300HV。
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