[发明专利]弹簧及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及耐疲劳性和耐弹力减弱性优异的弹簧及其制造方法。

背景技术

例如，汽车的引擎用阀弹簧的材料按照JIS标准存在碳钢油回火钢丝(SWO-V)、Cr-V钢油回火钢丝(SWOCV-V)、Si-Cr钢油回火钢丝(SWOSC-V)等，以往从耐疲劳性、耐弹力减弱性的观点考虑，广泛使用Si-Cr钢油回火钢丝。近年，由于汽车的燃耗升高而强烈要求阀弹簧轻量化，存在为了实现弹簧的设计应力的增加而线材的拉伸强度升高的趋势。然而，如JIS标准的油回火钢丝那样，金属组织为回火马氏体时，对于伴随线材的高强度化的损伤或夹杂物等缺陷的缺口敏感性显著增加，因此冷态弹簧成型(卷绕)时的折损、使用中表现出脆性破坏形态的趋势增强成为问题。

另外，对于螺旋弹簧而言，由于卷绕时在受到压缩外力的方向上在卷绕后产生拉伸残余应力、卷绕时在受到拉伸外力的方向上在卷绕后产生压缩残余应力，因此存在线材的拉伸强度越高则这些残余应力值越大的趋势。并且已知使螺旋弹簧压缩变形时，卷材内侧在表面负荷最高的拉伸应力。因此，使冷态成型的螺旋弹簧压缩变形时，对于卷材内侧除了卷绕后的拉伸残余应力之外，还作用弹簧压缩时的高的拉伸应力，结果成为疲劳破坏的起点的情况较多。

因此，有必要维持螺旋弹簧对于高的作用应力的耐疲劳性，作为其对策，可列举出在线材表层在深的范围形成高的压缩残余应力。例如，通过利用喷丸处理（ショットピーニング）在线材表层形成压缩残余应力，可以广泛地进行提高弹簧的耐疲劳性。

然而，近年来线材伴随高硬度化而屈服强度增加，因而利用喷丸处理而赋予的表层的塑性变形量减少，有难以形成深的压缩残余应力层(从表面到压缩残余应力为零的位置为止的距离，以下相同)的倾向。

另外，通过利用喷丸处理提高最表层的压缩残余应力，以表面作为起点的早期折损得到抑制，但是由于近年的设计应力的增加，作用应力与残余应力的合成应力(材料内部受到的净应力)分布在线材的径向上最大的深度，虽然取决于线材直径、作用应力等，但是为离表面200～600μm左右的区域。而且，若在该范围中存在20μm左右的夹杂物，则夹杂物产生超过材料的疲劳强度而形成折损起点的程度的应力集中。因此，为了解决这些问题而提出了以下的方法。

专利文献1中公开了使用在JIS标准钢的化学成分中添加V等元素而成的油回火线材制造的耐疲劳性优异的弹簧。然而，这样的添加元素虽然通过晶粒的微细化等而提高钢材的韧性、有助于提高耐疲劳性，但是存在材料成本升高的问题。

专利文献2中公开了使用调整了Ba、Al、Si、Mg或Ca的添加量的钢材而成型的疲劳特性优异的Si镇静钢丝弹簧。然而推测，为了平衡良好地含有这些添加元素，钢精炼工序上的管理明显变得困难，结果成本升高。

专利文献3中公开了通过调整钢的化学成分、减小成为疲劳起点的夹杂物的尺寸的同时减小晶体粒径等而疲劳强度优异的弹簧。这种弹簧中，虽然发现疲劳强度的增加，但是该疲劳强度水平(最大剪切应力τmax=约1200MPa)低于近年的轻量高强度阀弹簧所要求的实用强度(τmax=约1300～1400MPa)。

另外，专利文献3中记载了为了进一步获得高的疲劳强度而追加氮化处理。然而，虽然预料到通过氮化表面硬度增加而带来耐疲劳性的提高，但是氮化处理后不得不完全除去有可能成为疲劳强度降低的原因的表层的铁氮化物，制造工序变得复杂且氮化处理费用也高，结果成本升高。

专利文献4中公开了通过使用冷拔钢丝((铁素体＋珠光体)组织或珠光体组织的拉丝加工线材)，将螺旋弹簧成型后的卷材内侧与卷材外侧的残余应力之差(残余应力差)控制在500MPa以下，从而形成的疲劳强度优异的冷拔弹簧。专利文献4公开的技术中，虽然具有可以减少为了制造一直以来广泛使用的油回火钢丝而必需的淬火、回火处理的成本的优点，但是为了使残余应力差为500MPa以下，除了调整钢的化学成分之外，弹簧成型后还需要在400℃以上进行退火，材料的强度降低，结果难以得到响应近年要求的高强度的弹簧。