CN1135269C - 高强度弹簧及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

将具有布氏球痕直径为2.7mm以上硬度的弹簧钢保温于150～350℃，在该状态下对弹簧钢一边施加应力一边施行中温加载喷丸硬化。

Description

高强度弹簧及其制造方法
技术领域
本发明涉及例如汽车的悬挂系统用弹簧和阀簧或其他产业所用的高强度弹簧及其制造方法，特别是涉及大幅度地提高弹簧耐久性的技术。
背景技术
历来，对于以悬挂系统用弹簧为代表的汽车用弹簧，从节能的观点出发，其使用应力(设计应力)越来越变高。因此，这种弹簧追求更优良的低温蠕变特性(耐弹力减弱性)和更高的耐久性。弹簧通常是将弹簧用钢成型后施行淬火回火的热处理而制造的，所以在近年可看到降低回火温度提高弹簧的硬度，据此提高低温蠕变特性的倾向。同时可知，通过这样提高弹簧的硬度，一般地耐久性也提高。
可是，由于当增加材料的硬度时，其缺口敏感性也提高，因此存在耐久性的波动增加、弹簧的可靠性降低的问题。另外，当材料硬时，则喷丸硬化的铁丸抵不过材料的硬度。这种情况意味着由铁丸进行的加工变得困难，对疲劳强度提高最有效果的压缩残余应力层不能充分形成，产生疲劳强度未提高的本质问题。这时，为使喷丸硬化容易，也可考虑提高铁丸的硬度，但这样一来，铁丸易裂，制造成本比较贵。根据这种情况，对用于提高耐久性的处理的喷丸硬化技术进行了很多的研究。
作为进一步提高耐久性的喷丸硬化技术，已知如特许第725630号所提出的那样，在中温温度区进行的中温喷丸硬化。还知道，如美国专利第959801号、美国专利第3094768号、特开平5-148537号公报等所公开的那样，一边对弹簧钢施加应力一边进行喷丸硬化的加载喷丸硬化。进一步已知，在对弹簧钢进行喷丸硬化后，使用更小粒径的铁丸进行喷丸硬化的二次喷丸硬化。该二次喷丸硬化是由于在一次喷丸硬化中弹簧钢的最表面部的残余应力未提高，所以进行采用小粒径的铁丸对该部分施加塑性变形的第二次喷丸喷化，以使残余应力增加的技术。
可是，对于如上述的各种喷丸硬化技术，也不能说充分地与近年的弹簧轻量化所致的使用应力增加相适应。
所以，本发明的目的在于：提供在高的使用应力下也能大幅度地提高耐久性的高强度弹簧及其制造方法。
发明的公开
本申请人以前在特开平5-140643号中提出了规定弹簧钢的硬度和中温喷丸硬化的温度的中温喷丸硬化法。本发明人等将加载喷丸硬化与该中温喷丸硬化法组合进行了各种研讨，结果发现弹簧的耐久性大幅度地提高。
本发明的高强度弹簧的制造方法是基于上述知识完成的，其特征是：对具有HV 550以上的维氏硬度(布氏球痕直径为2.7mm以上的硬度)的弹簧钢在150～350℃的中温温度区一边施加应力，一边施行喷丸硬化。以下说明本发明的作用和上述数值的限定根据。再者，在以下说明中，有时也将本发明的喷丸硬化称为中温加载喷丸强化。
弹簧钢硬度：HBD 2.7mm以上
第1图是表示对施行中温喷丸硬化的螺旋弹簧和在室温下施行喷丸硬化的螺旋弹簧进行疲劳试验时，螺旋弹簧的硬度和断裂反复数的关系。在该情况的中温喷丸硬化中，将螺旋弹簧在300℃加热20分钟后立刻进行喷丸硬化。由第1图判明：对于施加了中温喷丸硬化的螺旋弹簧，随着螺旋弹簧的硬度增加，其耐久性也提高，在硬度为HV 550(HBD 2.7mm)以上时，耐久性的提高变得显著。
这样，通过使弹簧钢的硬度在HV 550以上(HBD 2.7mm以上)，可充分发挥中温喷丸硬化提高耐久性的效果。所以弹簧钢的硬度定为HV 550以上(HBD 2.7mm以上)。另外，由于耐久性在弹簧钢的硬度为HV 600(HBD 2.6mm)以上时大幅度地增加，所以希望弹簧钢的硬度为HV 600以上。再者，HBD用以3000kgf的载荷将直径为10mm的超硬合金球压在试件表面上时所产生的凹坑的直径表示。
中温加载喷丸硬化温度：150～350℃
第2图是表示使用硬度恒为HV 600的螺旋弹簧进行喷丸硬化时的螺旋弹簧的温度和断裂反复数的关系。由第2图判明：当喷丸硬化时的温度在200～850℃的温度范围内时，弹簧耐久性比在室温下进行喷丸硬化的情况优良。由于可推测该效果在比200℃稍低的150℃的情况下也是同等的，所以中温加载喷丸硬化的温度定为150～350℃。再者，由于耐久性最好的温度范围是250℃～325℃，所以希望在该温度范围内。又，在350℃的情况下耐久性稍微降低是由于如第2图同时所示，在350℃的情况下，喷丸硬化导致的加工量大，表面粗糙度增大，其结果是缺口敏感性增加。又，在350℃的情况下，压缩残余应力的释放变得显著也是耐久性降低的一个原因。
本发明的特征在于：在150℃～300℃的中温温度区对弹簧一边施加应力，一边施行加载喷丸硬化。对于在室温下一边施加应力一边进行喷丸硬化的过去的加载喷丸硬化，应力促进由铁丸所致的塑性流动的结果是形成深而大的压缩残余应力，但在作为本发明对象的高强度弹簧中，由于弹簧的硬度与铁丸硬度同等或比铁丸硬，所以仅凭应力在喷丸硬化时不能给予弹簧充分的塑性流动，不能得到充分的疲劳强度提高。于是，在本发明中确定：一边在中温温度下对弹簧施加应力，一边施行喷丸硬化。结果本发明人发现：与中温喷丸硬化和在室温的加载喷丸硬化比较，可得到惊奇的耐久性提高。
即，本发明的高强度弹簧是将具有HV 550以上维氏硬度(布氏球痕直径为2.7mm以上)的弹簧钢作为材料，对该弹簧钢在保温于150～350℃的状态下一边施加应力一边施行中温加载喷丸硬化，形成深而大的压缩残余应力层。据此，在高应力使用状态下的耐久性大幅度地提高。以下关于本发明的适宜的实施形态予以详述。
附图的简单说明
第1图是表示在本发明中的弹簧钢的断裂反复数和硬度的关系的线图。
第2图是表示在本发明中的弹簧钢的中温喷丸硬化温度和断裂反复数及表面粗糙度关系的线图。
第3图是表示本发明实施形态的喷丸硬化装置的斜视图。
第4图A是表示本发明实施形态的螺旋弹簧的侧面图，第4图B是表示将该螺旋弹簧装入夹具的状态的侧面图。
第5图是表示在本发明实施例中的各种喷丸硬化条件下所得的残余应力分布的线图。
第6图是表示在冷加载喷丸硬化中所给予的应力与断裂反复数的关系的线图。
实施发明的最佳形态
中温加载喷丸硬化的应力条件
在进行中温加载喷丸硬化时，给予螺旋弹簧的应力希望是75kgf/mm2以上。通过在该应力下进行中温加载喷丸硬化，螺旋弹簧的耐久性大幅度地、可靠地提高。
即，将给予螺旋弹簧的应力设定为441、539、735MPa(即45、55、75kgf/mm2)这3种中的任何一种进行加载喷丸硬化，然后在637±441MPa(65±45kgf/mm2)的应力条件下进行耐久试验。将其结果示于图6。再者，在第6图中，使曲线在上下方向离间示出。如第6图所示，应力为735MPa(75kgf/mm2)时，均经过100万次未断损，但应力在588MPa(60kgf/mm2)以下时，经过10万次～60万次即产生断损。由以上结果判明：在中温加载喷丸硬化中给予螺旋弹簧的应力为735MPa(75kgf/mm2)以上较合适。
中温加载二次喷丸硬化
在本发明中，可进行中温加载二次喷丸硬化。即，在中温加载喷丸硬化后可使用平均粒径比在该喷丸硬化中使用的铁丸还小的铁丸在150～350℃的中温温度区一边施加应力一边再次施行喷丸硬化。据此，能够用小的铁丸将塑性变形给予弹簧钢的最表面部分，能够提高该部分的压缩残余应力，进一步提高耐久性。
中温喷丸预硬化
另外，在对螺旋弹簧进行加载喷丸硬化时，一般是用夹具夹住螺旋弹簧的两端面进行压缩。可是，由于螺旋弹簧的端面因夹具而被遮蔽，所以加载喷丸硬化的作用达不到。根据本发明人的研究判明：在大的应力从螺旋弹簧的端面作用于竖起的部分的同时，在使用中雨水等浸入到端面和其支撑构件之间容易产生腐蚀。
所以，为了提高耐久性，对螺旋弹簧的端面进行喷丸硬化是极其重要的。由此，希望至少对向弹簧钢施加应力的夹具与弹簧钢接触的部分施行150～350℃的中温喷丸预硬化。具体地说，只要将旋转方向互不相同的2个轮式抛丸清理机顺次连续设置于生产线的上方，一边将螺旋弹簧沿生产线向轴线方向输送，一边进行喷丸硬化就可以。
第3图是表示为实施本发明的喷丸硬化装置的一个例子的图。在图中，符号1为输送机带，是将输送带3绕挂在皮带轮2上大致构成。沿输送带3的上面配置2支相互平行的导向旋转轴4、4，在输送带3的表面固定着从导向旋转轴4、4之间向上方突出的管脚5。另外，导向旋转轴4、4可向同一方向转动，据此，在使导向旋转轴4、4上的螺旋弹簧S转动的同时，管脚5与螺旋弹簧S咬合从而沿水平方向输送。在这种输送机带1的上方配置互为反方向旋转的2个轮式抛丸清理机6、6，以便向螺旋弹簧S的端面和侧面抛射铁丸。
以上是为进行中温喷丸预硬化的喷丸硬化装置，但该喷丸硬化装置也可用于中温加载喷丸硬化。这时，可使螺旋弹簧S在1台喷丸硬化装置中通过2次，进行中温喷丸预硬化和中温加载喷丸硬化，或也可连续设置2个喷丸硬化装置，分别进行中温喷丸预硬化和中温加载喷丸硬化。
又，螺旋弹簧S的加热可以利用回火和退火的加热，也可以在喷丸硬化装置的上游设置专用的加热炉。或者，也可以在2个喷丸硬化装置的中间设置加热炉。
可以将如第4图(B)所示的夹具10用于中温加载喷丸硬化。在该图(B)中，符号11是圆板，在圆板11的中央部固定着轴12。圆板13沿轴线方向移动自由地配合于轴12的顶端部，圆板13通过螺纹配合于轴12的顶端部的螺母14向图中右侧夹紧。据此，该图(A)所示的自由状态的螺旋弹簧S成为被压缩了尺寸L、并被给予所定应力的状态。然后，安装于夹具10上的螺旋弹簧S通过如第3图所示的喷丸硬化装置，施行中温加载喷丸硬化。
实施例
本发明例1：中温加载喷丸硬化
用材质为SUP 7、直径12.5mm的线材制造具有表1所示各项的螺旋弹簧，经过淬火回火调质成硬度为HBD 2.5～2.65mm。将该螺旋弹簧在炉内温度为315℃的加热炉中保持20分钟后，通入第3图所示的喷丸硬化装置，进行向螺旋弹簧的端面抛射铁丸的中温喷丸预硬化。再者，使用的弹簧钢的化学成分用重量％表示，为C：0.59％，Mn：0.85％、Si：2.05％、Cr：0.15％、Fe：余量。
                         第1表
线径r(mm) 螺旋平均直径R(mm) 有效匝数 弹簧常量(kgf/mm) 自由长度H(mm)
12.5 110 5.39 3.40 382
其次，将螺旋弹簧装入第4图(B)所示的夹具，进行压缩以施加735MPa(75kgf/mm2)的应力，在该状态下，与上述一样保温于315℃后，通过上述喷丸硬化装置，进行中温加载喷丸硬化。再者，在中温喷丸预硬化和中温加载喷丸硬化中，作为铁丸使用直径0.87mm的钢丝切制丸粒。
本发明例2：中温加载二次喷丸硬化
使用与本发明例1相同的螺旋弹簧，在相同条件下进行中温喷丸预硬化。接着，在与本发明例1相同的条件下进行第1次中温加载喷丸硬化后，除作为铁丸使用直径0.67mm的钢丝切制丸粒以外，在与第1次相同的条件下进行第2次中温加载喷丸硬化。
比较例1：冷二次喷丸硬化
在比较例1中，代替在上述本发明例中的中温喷丸预硬化和中温加载喷丸硬化，进行2次在室温下的喷丸硬化。又，在第2次喷丸硬化中使用直径0.67mm的钢丝切制丸粒构成的铁丸。除此之外，在与上述本发明例相同的条件下得到比较例1的螺旋弹簧。
比较例2：中温二次喷丸硬化
在弹簧不加载的情况下进行上述本发明例的中温加载喷丸硬化。又，在第2次喷丸硬化中，使用直径0.67mm的钢丝切制丸粒构成的铁丸。除此之外，在与上述本发明例相同的条件下得到比较例2的螺旋弹簧。
比较例3：冷加载喷丸硬化
在室温下进行上述本发明例中的中温喷丸预硬化和中温加载喷丸硬化。除此之外，在与本发明例相同的条件下得到比较例3的螺旋弹簧。
耐久试验
对本发明例1、2和比较例1～3的螺旋弹簧进行加1314.18MPa(134.1kgf/mm2)的应力的设定，同时在涂漆后在150℃下进行兼具低温回火的干燥，然后进行耐久试验。在耐久试验中，在对螺旋弹簧施加735MPa(75kgf/mm2)负荷的状态下将其安装在耐久试验机上，使脱离该安装状态的负荷振幅为±441MPa(±45kgf/mm2)、频率为5.0Hz进行起振，调查直至断裂的反复数。其结果示于表2。另外，对于本发明例2的螺旋弹簧，使其负荷振幅为±539MPa(±55kgf/mm2)，再次进行其他条件相同的耐久试验，其结果同时记于表2。
                      第2表
  编号     耐久次数   备注
本发明例1   1     938,600
  2     1,000,000   100万次未断损、停止
  3     1,000,000   100万次未断损、停止
4 704,200
本发明例2   1-4     1,000,000   100万次未断损、停止
  5     255,300
  6     314,200
  7     456,100
  8     605,400
比较例1   1     96,200   冷二次喷丸硬化
  2     118,500
  3     85,300
  4     104,600
比较例2   1     287,400   中温二次喷丸硬化
  2     261,300
  3     371,500
  4     201,500
比较例3   1     302,800   冷加载喷丸硬化
  2     383,800
  3     344,400
  4     347,600
由表2可知，在本发明例1中，断裂反复数大致为100万次，显示出极其良好的耐久性。又，在进行中温加载二次喷丸硬化的本发明例2中，脱离施加735MPa(75kgf/mm2)负荷的安装状态的负荷振幅为±441MPa(±45kgf/mm2)时(No.1～4)，均为100万次未断损，即使是负荷振幅为±539MPa(±55kgf/mm2)时(No.5～8)也显示出良好的耐久性。与此相反，在进行冷kgf/mm2时(No.5～8)也显示出良好的耐久性。与此相反，在进行冷二次喷丸硬化的比较例1中，反复数为10万次左右，是几乎不耐实际使用的结果。另外，在进行中温二次喷丸硬化的比较例2中，耐久性稍有改善，为30万次左右；在进行冷加载喷丸硬化的比较例3中，可以说耐久性进一步改善，为35万次左右。这样可以确认：在进行中温加载喷丸硬化的本发明中，耐久性大幅度地提高。
第5图示出在各自的喷丸硬化条件下得到的残余应力的分布。残余应力对疲劳强度的影响极大，一般认为越是大而深的分布越适于疲劳强度提高。当由比观点观察第5图所示的各喷丸硬化条件的残余应力分布时，疲劳强度最低的冷二次喷丸硬化为最小的残余应力分布，其峰值为-900MPa。另外，显示出大致同等的疲劳寿命的中温喷丸硬化和冷喷丸硬化为大致同等的残余应力分布，其峰值约为-1300MPa。另一方面，疲劳寿命大幅度地提高的本发明的中温加载喷丸硬化和中温加载二次喷丸硬化与其他的比较，显示出绝对大的残余应力分布，其峰值为-1600MPa以上。
再者，上述实施例是将本发明适用于螺旋弹簧的例子，但本发明并不限于这种弹簧，也可适用于板簧、碟形弹簧、扭簧、拉簧、稳定弹簧等一切弹簧。
如以上说明的那样，由于根据本发明对弹簧钢一边施加应力，一边施行中温加载喷丸硬化，所以可获得在高的使用应力状态下使耐久性大幅度地提高的效果。

Claims (8)

1.一种高强度弹簧的制造方法，其特征在于：对具有HV 550以上维氏硬度，即布氏球痕直径为2.7mm以上的硬度的弹簧钢，一边在150～350℃的中温温度区施加735MPa以上的应力，一边施行喷丸硬化。
2.按照权利要求1所记载的高强度弹簧的制造方法，其特征在于：在上述喷丸硬化后，使用平均粒径比在该喷丸硬化中使用的铁丸小的铁丸，在150～350℃的中温温度区一边施加应力，一边再次实施喷丸硬化。
3.按照权利要求1或2所记载的高强度弹簧的制造方法，其特征在于：在进行上述中温温度区的施加了应力的喷丸硬化前，至少对向上述弹簧钢施加应力的夹具与上述弹簧钢接触的部分施加150～350℃的中温喷丸预硬化。
4.按照权利要求2所记载的高强度弹簧的制造方法，其特征在于：所述再次喷丸硬化中施加的应力为735MPa以上。
5.按照权利要求3所记载的高强度弹簧的制造方法，其特征在于：所述预硬化中施加的应力为735MPa以上。
6.一种高强度弹簧，其特征在于：对具有HV 550以上维氏硬度，即布氏球痕直径为2.7mm以上的硬度的弹簧钢，一边在150～350℃的中温温度区施加应力，一边施行喷丸硬化。
7.一种高强度弹簧，其特征在于：在上述喷丸硬化后，使用平均粒径比在该喷丸硬化中使用的铁丸小的铁丸，在150～350℃的中温温度区一边施加应力一边实施第2次喷丸硬化。
8.按照权利要求6或7所记载的高强度弹簧，其特征在于：在进行上述中温温度区的施加了应力的喷丸硬化前，至少对向上述弹簧钢施加应力的夹具与上述弹簧钢接触的部分施加150～350℃的中温喷丸预硬化。
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