CN117881810A - 由Co－Ni－Cr－Mo系合金构成的弹簧用线 - Google Patents
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Abstract
弹簧用线(2)的材质是Co－Ni－Cr－Mo系合金。该合金含有Co：25质量％～45质量％、Ni：25质量％～40质量％、Cr：15质量％～25质量％、Mo：5质量％～15质量％、Fe：0.5质量％～3.0质量％、Nb：0质量％～2.0质量％、Ti：0质量％～2.0质量％、Mn：0质量％～0.5质量％、C：0质量％～0.03质量％、Si：0质量％～0.10质量％以及不可避免的杂质。该弹簧用线(2)的拉伸强度TS为2200MPa以上，0.2％耐力PS为1800MPa以上，耐力比(PS/TS)为0.75以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种作为弹簧的材料的线。详细而言，本发明涉及一种其材质为Co-Ni-Cr-Mo系合金的弹簧用线。
背景技术
对接触探测器等小型精密机器的弹簧要求高强度、高耐力、耐久性、耐疲劳性等。对该弹簧采用碳钢、不锈钢、Co基合金、Ni基合金等。
日本特开2002-235148公报中公开了该材质为包含C、Si和Mn的碳钢的弹簧用线。
日本特开2004-307993公报中公开了该材质为Co-Ni系合金的小型机器用动力弹簧。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-235148公报
专利文献2：日本特开2004-307993公报
发明内容
如果在高温环境下重复使用弹簧，则该弹簧有时发生永久变形。在供通电使用的弹簧中，通过发热可产生永久变形。要求不易产生永久变形的弹簧。
本发明的目的在于提供一种用于高温下的耐疲劳性优异的弹簧的线。
本发明的弹簧用线的材质是Co-Ni-Cr-Mo系合金。该合金含有：
Co：25质量％～45质量％
Ni：25质量％～40质量％
Cr：15质量％～25质量％
Mo：5质量％～15质量％
Fe：0.5质量％～3.0质量％
Nb：0质量％～2.0质量％
Ti：0质量％～2.0质量％
Mn：0质量％～0.5质量％
C：0质量％～0.03质量％
Si：0质量％～0.10质量％、以及
不可避免的杂质。
该弹簧用线的拉伸强度为2000MPa以上，0.2％耐力为1800MPa以上，耐力与拉伸强度的比为0.75以上。
优选地，该弹簧用线的拉伸强度为2200MPa以上。
优选地，该弹簧用线的直径为0.1mm以下。
优选地，该弹簧用线的断裂伸长率为2.0％以上。
优选地，该弹簧用线的实施了300℃以上的温度的热处理的情况下的0.2％耐力为2300MPa以上。
由本发明的弹簧用线可得到高温下的耐疲劳性优异的弹簧。
附图说明
图1是示出了本发明的一个实施方式的弹簧用线的一部分的截面立体图。
图2是示出了图1的弹簧用线的制造方法的一个例子的流程图。
图3是示出了用于图1的弹簧用线的未精加工线的一部分的截面立体图。
具体实施方式
以下，在适当地参照附图的同时，基于优选的实施方式详细地说明本发明。
图1所示的弹簧用线2的材质是Co-Ni-Cr-Mo系合金。对该弹簧用线2实施卷绕等塑性加工，进一步实施热处理，得到弹簧。图1中箭头Dw是弹簧用线2的直径。优选地，直径Dw为0.1mm以下。从该弹簧用线2，可得到微小的弹簧。该弹簧适于精密设备等。
图2是示出了图1的弹簧用线2的制造方法的一个例子的流程图。该制造方法中，首先准备原线(Basic Wire)(STEP1)。
对该原线实施中间热处理(STEP2)。中间热处理的优选温度为900℃～1100℃。中间热处理的优选时间为30秒以上。中间热处理在氩气气氛或者氢气气氛下进行。
对该原线实施中间拉丝(STEP3)。中间拉丝可在冷却氛围下进行。可采用使用了金刚石模具的湿式拉丝。
中间热处理(STEP2)与中间拉丝(STEP3)重复规定次数。通过该重复，原线逐渐地细径化，并且逐渐地长条化。通过该重复，可得到未精加工线(Unfinished Wire)(STEP4)。
图3是示出了该未精加工线4的一部分的截面立体图。在图3中，箭头Du是未精加工线4的直径。该直径Du比弹簧用线2的直径Dw(参照图1)大。该未精加工线4的材质是上述的Co-Ni-Cr-Mo系合金。
对该未精加工线4实施最终热处理(STEP5)。最终热处理的时间优选为10秒～30秒。最终热处理的温度优选为600℃～800℃。该温度比较低。因此，通过最终热处理给予到未精加工线4的热能的量小。优选地，最终热处理在氩气气氛或者氢气气氛下进行。
对该未精加工线4实施最终拉丝(STEP6)。最终拉丝可在冷却氛围内进行。可采用使用了金刚石模具的湿式拉丝。通过最终拉丝，完成弹簧用线2(STEP7)。
对该弹簧用线2，根据需要实施镀覆。通过镀覆，在弹簧用线2的表面形成镀覆层。作为镀覆层的材质，可例示镍、金、铂和铂合金。具有镍的镀覆层的弹簧用线2的加工性优异。具有金、铂或者铂合金的镀覆层的弹簧用线2的通电性优异。镀覆可以被施加到未精加工线4，该未精加工线4供于最终拉丝(STEP6)。
在本发明中，根据下述的数式，计算出最终拉丝(STEP6)的减面率Re。
Re＝(1-(Dw/Du)2)＊100
在本实施方式中，减面率Re为90％以上。换言之，最终拉丝(STEP6)是高加工度的冷轧塑性加工。
减面率Re大的最终拉丝对弹簧用线2施加强韧性。该弹簧用线2具有下述的(1)-(3)的特性。
(1)拉伸强度TS为2000MPa以上。
(2)0.2％耐力PS为1800MPa以上。
(3)耐力PS与拉伸强度TS的比(PS/TS)为0.75以上。
基于本发明人的见解，根据具有上述(1)-(3)的特性的弹簧用线2，可得到高温下的耐疲劳性优异的弹簧。该理由详细而言尚不明确，推测由具有上述(1)-(3)的特性的弹簧用线2得到的弹簧的金属组织用于抑制蠕变或者疲劳。
弹簧用线2的拉伸强度TS具有与弹簧的强度的相关性。由拉伸强度TS大的弹簧用线2得到的弹簧不易因反复的使用而折损。根据该观点，弹簧用线2的拉伸强度TS更优选为2100MPa以上，特别优选为2200MPa以上。
弹簧用线2的0.2％耐力PS具有与弹簧的弹性模量的相关性。由该耐力PS大的弹簧用线2得到的弹簧可耐受高载荷下的使用。根据该观点可知，弹簧用线2的耐力PS更优选为1900MPa以上，特别优选为1950MPa以上。0.2％耐力PS是在应力-形变曲线中产生0.2％的塑性形变的点的应力。0.2％耐力PS通过永久变形应力测定法导出。
从弹簧的高温下的耐疲劳性的观点考虑，弹簧用线2的耐力比(PS/TS)更优选为0.78以上，特别优选为0.80以上。
弹簧用线2的断裂伸长率FE优选为2.0％以上。对该弹簧用线2实施高加工度的塑性加工。从该观点考虑，断裂伸长率FE更优选为2.5％以上，特别优选为3.0％以上。在本实施方式中，通过最终热处理(STEP5)和最终拉丝(STEP6)，可得到强度和延展性这两方均优异的弹簧用线2。在一般的冷轧加工中，通过加工固化，强度增加，延伸性受损。在本发明的弹簧用线2的制造方法中，伴随着加工固化的最终拉丝(STEP6)不仅具有大的拉伸强度TS，还有助于大的断裂伸长率FE。其详细原因尚不清楚，但推测是在金属组织水平上存在某种抑制脆化的机制在起作用。
对该弹簧用线2进一步实施300℃以上的温度的热处理的情况下的0.2％耐力优选为2300MPa以上。由该弹簧用线2可得到高温下的耐疲劳性优异的弹簧。根据该观点，在实施了300℃以上的温度的热处理的情况下的0.2％耐力更优选为2350MPa以上，特别优选为2400MPa以上。典型性的热处理的温度是300℃。典型的热处理的时间为30分钟。
拉伸强度、0.2％耐力和断裂伸长率基于“JIS Z 2241”的规定进行测定。
本发明的弹簧用线2的材质如上所述是Co-Ni-Cr-Mo系合金。该合金含有：
Co：25质量％～45质量％
Ni：25质量％～40质量％
Cr：15质量％～25质量％
Mo：5质量％～15质量％
Fe：0.5质量％～3.0质量％
Nb：0质量％～2.0质量％
Ti：0质量％～2.0质量％
Mn：0质量％～0.5质量％
C：0质量％～0.03质量％、和
Si：0质量％～0.10质量％。
优选地，剩余部分是不可避免的杂质。以下，对于该合金中包含的各元素详细说明。
[钴(Co)]
Co是合金的基础元素。Co形成稳定的fcc相的坯材。Co的加工固化性能大。因此，Co有助于弹簧的疲劳强度和高温强度。从这些观点考虑，Co的含有率优选为25质量％以上，特别优选为30质量％以上。过度的Co妨碍合金的加工性。从加工性的观点考虑，Co的含有率优选为45质量％以下，特别优选为40质量％以下。
[镍(Ni)]
Ni和Co相互固溶。Ni形成稳定的fcc相的坯材。Ni进一步有助于弹簧用线2的塑性加工性。从这样的观点考虑，Ni的含有率优选为25质量％以上，特别优选为30质量％以上。过度的Ni妨碍弹簧的机械强度。从机械强度的观点考虑，Ni的含有率优选为40质量％以下，特别优选为35质量％以下。
[铬(Cr)]
Cr固溶于坯材。Cr有助于弹簧用线2的加工固化性能。Cr进一步有助于弹簧的耐腐蚀性。从这些观点考虑，Cr的含有率优选为15质量％以上，特别优选为18质量％以上。过度的Cr妨碍弹簧用线2的加工性和韧性。从加工性和韧性的观点考虑，Cr的含有率优选为25质量％以下，特别优选为23质量％以下。
[钼(Mo)]
Mo固溶于坯材而将该坯材强化。Mo有助于弹簧用线2的加工固化性能。Mo进一步有助于弹簧的耐腐蚀性。从这些观点考虑，Mo的含有率优选为5质量％以上，特别优选为8质量％以上。过度的Mo使σ相析出。该σ相导致弹簧用线2的脆化。从脆化的抑制的观点考虑，Mo的含有率优选为15质量％以下，特别优选为12质量％以下。
[铁(Fe)]
Fe固溶于坯材而将该坯材强化。从该观点考虑，Fe的含有率优选为0.5质量％以上，特别优选为0.8质量％以上。过度的Fe妨碍弹簧的耐氧化性。从耐氧化性的观点考虑，Fe的含有率优选为3.0质量％以下，特别优选为2.5质量％以下。
[铌(Nb)]
Nb有助于合金的变形时效性。因此，Nb可有助于弹簧的高硬度。Nb与C结合使碳化物析出于晶界。通过该碳化物，抑制晶粒的粗大化。该碳化物进一步还有助于晶界的强度。根据这些观点，Nb的含有率优选为0.3质量％以上，特别优选为0.5质量％以上。Nb并不是必须的元素。换言之，Nb的含有率可以为零。过度的Nb使σ相或者δ相析出而损害弹簧用线2的韧性。从韧性的观点考虑，Nb的含有率优选为2.0质量％以下，特别优选为1.5质量％以下。
[钛(Ti)]
Ti作为熔炼工序中的脱氧剂添加。Ti抑制晶粒的粗大化。从这些观点考虑，Ti的含有率优选为0.1质量％以上，特别优选为0.2质量％以上。Ti不是必须的元素。换言之，Ti的含有率可以为零。过度的Ti使γ相析出而损害合金的加工性。从加工性的观点考虑，Ti的含有率优选为2.0质量％以下，特别优选为1.0质量％以下。
[锰(Mn)]
Mn作为熔炼工序中的脱氧剂或者脱硫剂添加。Mn有助于fcc相的稳定。从这些观点考虑，Mn的含有率优选为0.1质量％以上。Mn不是必须的元素。换言之，Mn的含有率可以为零。过度的Mn妨碍弹簧的耐腐蚀性和耐氧化性。从耐腐蚀性和耐氧化性的观点考虑，Mn的含有率优选为0.5质量％以下，特别优选为0.3质量％以下。
[碳(C)]
C固溶于坯材而将该坯材强化。C进一步与Cr、Mo、Nb、W等元素结合而使碳化物析出。通过该碳化物，抑制晶粒的粗大化。从这些观点考虑，C的含有率优选为0.01质量％以上。C并不是必须的元素。换言之，C的含有率可以为零。过度的C妨碍弹簧用线2的韧性。过度的C进一步妨碍弹簧的耐腐蚀性。从这些观点考虑，C的含有率优选为0.03质量％以下。
[硅(Si)]
Si固溶于坯材而将该坯材强化。从该观点考虑，Si的含有率优选为0.01质量％以上。Si并不是必须的元素。换言之，Si的含有率可以为零。过度的Si妨碍弹簧用线2的韧性。从该观点考虑，Si的含有率优选为0.10质量％以下，特别优选为0.05质量％以下。
[不可避免的杂质]
Co-Ni-Cr-Mo系合金可包含不可避免的杂质。典型的杂质是P。P偏析于晶界。P妨碍弹簧用线2的韧性。从韧性的观点考虑，P的含有率优选为0.02质量％以下。其它典型的杂质是S。S与其它元素结合而形成夹装物。S妨碍弹簧用线2的韧性。从韧性的观点考虑，S的含有率优选为0.02质量％以下。
实施例
以下，根据实施例来说明本发明的效果，但本发明并不被限定地解释为该实施例的记载。
[实施例]
准备材质为Co-Ni-Cr-Mo系合金的原线。该合金的组成如下述的表1所示。该合金除了表1所示的元素以外含有不可避免的杂质。对该原线重复实施冷轧拉丝和热处理，得到直径为0.60mm的线。对该线实施温度为1000℃且时间为30秒、气氛为氢气的热处理。并且，对该线实施冷轧拉丝，得到未精加工线。该未精加工线的直径为0.20mm。对该未精加工线，实施温度为800℃且时间为10秒、气氛为氢气的最终热处理。对该未精加工线实施冷轧最终拉丝，得到弹簧用线。该弹簧用线的直径为0.05mm。最终拉丝的减面率Re为93.8％。该弹簧用线的拉伸强度TS为2270MPa，0.2％耐力PS为1957MPa，断裂伸长率FE为2.7％。热处理(300℃×30分钟)后的该弹簧用线的拉伸强度为2550MPa，0.2％耐力为2362MPa。
[比较例1]
将原线的材质设定为Co基合金，除此之外，与实施例同样地得到弹簧用线。该合金的组成示于下述的表1。该合金出了表1所示的元素以外，含有不可避免的杂质。该弹簧用线的拉伸强度TS为2451MPa，0.2％耐力PS为1576MPa，断裂伸长率FE为2.6％。热处理(300℃×30分钟，缓冷)后的该弹簧用线的拉伸强度为2800MPa，0.2％耐力为2185MPa。
[比较例2]
作为原线使用钢琴线(SWRS82)，除此之外，与实施例同样地得到弹簧用线。该钢琴线包含0.80质量％～0.85质量％的C、0.12质量％～0.32质量％的Si以及0.30质量％～0.90质量％的Mn。剩余部分是Fe和杂质。该弹簧用线的拉伸强度TS为3350MPa，0.2％耐力PS为3015MPa，断裂伸长率FE为2.3％。
[评价]
作为假定高温环境下的持续使用的加速试验，将各弹簧用线在450℃的温度下保持60分钟而缓冷。将该弹簧用线供于拉伸试验，测定拉伸强度和0.2％耐力。其结果示于下述的表2。
表1组成(质量％)
表2评价结果
如表2所示，实施例的弹簧用线在暴露于高温环境后，还具有巨大的0.2％耐力。换言之，该弹簧用线的高温下的耐疲劳性优异。根据该评价结果可知，本发明的优位性是显而易见的。
产业上的可利用性
根据本发明的弹簧用线，可得到适于各种设备的弹簧。
符号说明
2……弹簧用线
4……未精加工线
Claims (5)
1.一种弹簧用线，其材质为Co－Ni－Cr－Mo系合金，
所述合金含有：
Co：25质量％～45质量％、
Ni：25质量％～40质量％、
Cr：15质量％～25质量％、
Mo：5质量％～15质量％、
Fe：0.5质量％～3.0质量％、
Nb：0质量％～2.0质量％、
Ti：0质量％～2.0质量％、
Mn：0质量％～0.5质量％、
C：0质量％～0.03质量％、
Si：0质量％～0.10质量％、以及
不可避免的杂质，
拉伸强度为2000MPa以上，
0.2％耐力为1800MPa以上，
所述耐力与所述拉伸强度的比为0.75以上。
2.根据权利要求1所述的弹簧用线，其中，所述拉伸强度为2200MPa以上。
3.根据权利要求1或2所述的弹簧用线，其中，直径为0.1mm以下。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的弹簧用线，其中，断裂伸长率为2.0％以上。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的弹簧用线，其中，实施了300℃以上的温度的热处理的情况下的0.2％耐力为2300MPa以上。
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