CN1161490C - 高渗氮性能弹簧及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成弹簧的方法，当弹簧渗氮时，该方法能降低其表面硬度和硬化层厚度的变化。在该弹簧渗氮前，用电抛光或其它适宜的方法将其表面上形成的氧化膜厚度减至1.5μm或更小，以使弹簧靠近其表面的残余应力为-5kgf/mm2至5kgf/mm2。用这种方法，通过渗氮提高所得弹簧的表面硬度和渗氮层厚度是可能的。

Description

高渗氮性能弹簧及其制备方法
本发明涉及一种要求高抗疲劳性的弹簧，例如发动机阀门弹簧，以及制造这种弹簧的方法。
通过淬火和回火在用于形成弹簧的钢丝上产生了2-5μm厚的氧化膜，使改善其与形成弹簧的卷绕工具接触时的润滑性。
由这种弹簧钢丝形成的弹簧随后低温退火、去氧化皮和渗氮。为消除形成弹簧时所产生的残余应力，低温退火是必要的。为去除该氧化膜和改善后续的渗氮处理效果则需要去除氧化皮。一般用喷丸去除氧化皮。
但是，用喷丸去除氧化皮的弹簧有这样的问题：渗氮后，硬度和氮化形成的硬化层深度的变化相当大。
由解决这一问题的各种试验结果，我们发现以下事实。
<1>任何可能保留于弹簧表面附近的残余应力都妨碍此弹簧的硬化。
<2>用于去除氧化皮的喷丸在弹簧表面附近引起残余应力。渗氮后硬度和硬化层深度的变化导致弹簧中残余应力分布不均。
因此，为了有效渗氮而使渗氮后硬化层硬度和深度变化小，去除此氧化膜及保持残余应力尽可能小是非常重要的。
按照本发明，提供高渗氮性能的弹簧，其表面上的氧化膜的厚度，在其渗氮前，不大于1.5μm，其表面的残余应力，在其渗氮前，不小于-5kgf/mm2，不大于5kgf/mm2。
用下述三种方法之一得到这种弹簧。
(1)包括如下步骤的方法：将钢丝弯曲成弹簧状，将该弹簧状钢丝低温退火，用化学的和/或电学的方法将该钢丝表面上形成的氧化膜厚度减少到1.5μm或更少，并将该弹簧状钢丝渗氮。
(2)包括以下步骤的方法：将钢丝弯曲成弹簧状，将该弹簧状钢丝低温退火，用机械方法将该钢丝表面上形成的氧化膜厚度减少到1.5μm或更少，将该钢丝在惰性气体的气氛中或在真空下低温退火，并对其渗氮。
(3)包括以下步骤的方法：将钢丝表面上形成的氧化膜厚度减少到1.5μm或更少，将该钢丝形成弹簧状，将该弹簧状钢丝在惰性气体的气氛中或在真空下低温退火，并对其渗氮。
现在我们解释为什么以上述方式确定各种条件。
氧化膜厚度：1.5μm或更少。
厚于1.5μm的氧化层妨碍渗氮时氮的扩散。理想地是，将氧化层完全去除。
残余应力：不少于-5kgf/mm2，并不大于5kgf/mm2。
超出此范围，氮扩散过慢以致不能达到有效的渗氮。
去除氧化膜的方法。
因为氧化膜阻碍渗氮处理时氮的扩散，所以必须将其除去。但如用喷丸法将其除去，将产生残余应力，这降低渗氮处理的效率。因此，用不产生残余应力的方法去除氧化膜是必要的。这些方法包括化学法，如酸洗，和电学法，如电抛光。可单独使用这些方法中的一种，或可将其中的一些方法组合使用。
如用产生残余应力的方法，如喷丸或任何其它的机械方法去除此氧化膜，则必须将弹簧低温退火以去除所产生的残余应力。这种退火必须在真空下或充有惰性气体，如氩气的气氛中进行以防止氧化膜的再形成。
可在将弹簧钢丝以上述方式形成弹簧之前而不是在此之后去除该弹簧钢丝上的氧化层。在这种情况下，可用任何愿用的方法，包括产生残余应力的方法去除氧化膜。在形成弹簧后，通过使之经受在惰性气氛中的或真空下的低温退火去除残余应力，从而也不形成氧化膜。
现在叙述本发明的实施例。
实施例1
用直径4mm的油回火钢丝形成弹簧。去除其表面上的氧化膜后使经受低温退火，以使各弹簧的氧化膜厚度和残余应力彼此有所区别。然后使它们经受450℃、4小时的渗氮处理。为评价渗氮效果，测量每个弹簧离表面20μm深度的硬度作为表面硬度。还有，我们测量从表面到硬度降低到与芯部硬度等值的深度作为渗氮层的厚度。结果示于表1。较高的表面硬度和/或较深厚的渗氮层意味着较高的渗氮处理效果。任何渗氮弹簧的芯部硬度HV均为约470。
如于表1中所见，氧化膜较薄和残余应力较低的弹簧的表面硬度较高而且渗氮层较厚。
实施例2
如下所示，用带有不同厚度氧化膜的三种不同的钢丝形成弹簧。使之经受表2所示的处理。在使之渗氮之前，我们测量每种弹簧的氧化层厚度和残余应力。渗氮后，测量表面硬度和渗氮层厚度。结果示于表2和表3。进行450℃、20分钟的低温退火。
弹簧钢丝I：氧化层厚度＝0μm。
弹簧钢丝II：氧化层厚度＝1.1μm。
弹簧钢丝III：氧化层厚度＝4.2μm。
如表2和表3中所见，本发明任一实施例在表面硬度和渗氮层厚度方面均优于对比例。这种优良的结果显示了高的渗氮处理效果。
按照本发明，弹簧中的残余应力在渗氮前已降至最小。因此，它可以高效率渗氮。而且，表面硬度和渗氮层厚度的变化最小也是可能的。
表1
氧化膜厚度(μm)   残余应力(kgf/mm2)   表面硬度(Hv)   渗氮层厚度(μm)
  实施例   A     0     2     603     160
  B     1.1     -3     597     140
比较例 C 0 -24 589 90
D 0 -74 596 80
  E     2.0     2     555     90
  F     4.1     2     486     50
表2
  钢丝类型 退火气氛 去氧化皮方法 退火气氛   表面硬度(Hv)   渗氮层厚度(μm)
实施例   G   III 在大气中 电抛光 -     594     160
H III 在大气中 喷丸 在氩气中 600 140
I I 在氩气中 - - 609 160
  J   II 在氩气中 - -     603     150
比较例   K   III 在大气中 喷丸 -     594     80
L III 在大气中 喷丸 在大气中 548 90
  M   I 在大气中 - -     559     60
钢丝类型
I：氧化层厚度＝0
II：氧化层厚度＝1.1μm
III：氧化层厚度＝4.2μm
表3
  氧化膜厚度(μm)   残余应力(kgf/mm2)
实施例   G     0     -4
  H     0.2     3
  I     0.3     1
J 1.2 -2
比较例   K     0     -81
  L     2.4     -3
  M     2.1     4

Claims (4)

1.一种具有高渗氮性能的弹簧，在该弹簧渗氮之前，其表面上氧化膜厚度不大于1.5μm，在其渗氮前，其表面的残余应力不小于-5kgf/mm2，并不大于5kgf/mm2。
2.一种制备具有高渗氮性能弹簧的方法，该方法包括步骤：将弹簧钢丝形成弹簧形状、使该弹簧状钢丝低温退火，用化学和/或电学的方法将该钢丝表面上形成的氧化膜厚度减至1.5μm或更小，以使弹簧表面的残余应力不小于-5kgf/mm2并不大于5kgf/mm2，然后将该弹簧状钢丝渗氮。
3.一种制备具有高渗氮性能弹簧的方法，该方法包括步骤：将弹簧钢丝形成弹簧状，使该弹簧状钢丝低温退火、将该钢丝表面上所形成的氧化膜的厚度用机械方法减至1.5μm或更小，将该钢丝于惰性气氛中或真空下低温退火，以使弹簧表面的残余应力不小于-5kgf/mm2并不大于5kgf/mm2，然后将该钢丝渗氮。
4.一种制备具有高渗氮性能弹簧的方法，该方法包括步骤：将弹簧钢丝表面上形成的氧化膜的厚度减至1.5μm或更小，将该钢丝形成弹簧状，将该弹簧状钢丝于惰性气氛中或真空下低温退火，以使弹簧表面的残余应力不小于-5kgf/mm2并不大于5kgf/mm2，然后将该钢丝渗氮。
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