专利名称：制备高强度弹簧的方法
技术领域：
本发明涉及用于制备弹簧、尤其是悬簧的喷丸加工法(shot peeningmethod)，所述弹簧具有高水平的耐久性(或耐疲劳性)和抗下垂性。
背景技术：
作为显著改善弹簧耐久性的方法，喷丸加工对于高强度弹簧、尤其是对于在汽车中使用的悬簧或在发动机中使用的阀门簧是比不可少的方法。
在喷丸加工方法中，大量小颗粒被投射到目标物体的表面上。该方法表面上与喷丸处理(shot blast)相同，所述喷丸处理是通过除去由切割或形成制品产生的毛边(或凸边)或者热处理所产生的鳞屑(即硬的氧化层)而使表面洁净的工艺。然而，这两种工艺在强度和其它条件都彼此有明显差异；对于喷丸加工，确定的条件是使塑性形变只在弹簧的表面上，因而表面上残余有压缩应力。
喷丸加工弹簧的主要目的是在弹簧表面内预先产生压缩残余应力，以使弹簧工作时在弹簧上拧上的负荷应力减少与残余应力相等的量。为此，发展了各种喷丸加工方法，以获得尽可能高的残余应力。
例如，日本已审查专利出版物S48-20969公开了这样的技术一片具有讼体结构(sorbite structure)的弹簧钢经过淬火和回火处理之后在200～400℃温度环境下进行喷丸加工。
日本未审查转炉出版物S58-213825公开了这样的技术在回火加热处理之后的冷却处理过程中，弹簧的温度在150～350℃范围内时，进行喷丸加工处理。
日本未审查转炉出版物H05-140643公开了用于产生适当程度的压缩残余应力的技术，其中一片具有预定组成的钢在热精练处理，即淬火和回火处理之后，在温度保持在150～300℃范围内时，进行温和的喷丸加工处理。
在上述三篇出版物中公开的这些技术是率先在弹簧在低水平的工作应力下使用的时期开发的。这些过去的技术不总是能满足在更高水平的工作应力下应用的最新弹簧所需要的性能。
为了解决该问题，本发明人试图提供用于制备高强度弹簧的方法，该弹簧能够产生比用传统方法产生的压缩残余应力更高水平的压缩残余应力。
发明内容
为了解决上述问题，本发明用于制备高强度弹簧的方法特征在于当弹簧表面温度在265～340℃范围内时，在弹簧上进行喷丸加工处理，以及在喷丸加工处理之后，在弹簧上进行快速冷却处理。
优选在喷丸加工处理之前，或喷丸加工处理之后且在快速冷却处理之前进行硬化处理(setting process)。
快速冷却处理可以是水冷处理或油冷处理中的任一种。如果弹簧的金属丝径(wire diameter)小，则也可以进行强制空气冷却处理。
如果上述方法施用在有含有如下组成的钢材制备的弹簧上，则该方法表现出更显著的效果以重量百分比计，0.35～0.55％的C，1.60～3.00％的Si，0.20～1.50％的Mn，0.010％或更低的S，0.40～3.00％的Ni，0.10～1.50％的Cr，0.010～0.025％的N和0.05～0.50％的V，以及基本上组成余下百分比的Fe。
为了改善能量效率，优选当弹簧在其上进行某种热处理之后冷却时，进行上述处理。对于需要热处理(即淬火和回火)的弹簧，上述“热处理”表示最终的热处理(即，回火)。对于不需要该热处理的弹簧，“热处理”表示一些其它种类的热处理，该热处理的实例是冷加工处理之后(即，冷却处理)进行除去应变退火。对于热成型的弹簧，回火加热通常在400～450℃范围内进行。对于冷成型的弹簧，冷却处理之后的除去应变退火在350～450℃范围内进行。因此，喷丸加工、预加应力和其它必需处理能够在上面规定的温度范围内进行。提供除“加热处理”之外的其它加热步骤是可允许的。假如这样的话，喷丸加工和相关处理可以在保持加热操作时进行，而不是在加热操作停止之后的冷却过程中进行。
如果喷丸加工在弹簧仍旧具有高温的温热环境中进行，则相对于弹射粒子硬度的弹簧(或被加工件)硬度变得比在喷丸加工在冷环境中进行的情况下观察到的硬度要低些。因此，喷丸加工在弹簧表面上产生更大量的塑性变形，由此在表面内产生高水平的压缩残余应力。也使压缩残余应力从表面发展到更深之处。
在常规方法中，弹簧在温热喷丸加工之后，使其自然冷却。例如，在悬簧的情况下，如果该弹簧的金属丝径为10～15mm，则温度从300℃降低到200℃需要大于5分钟的时间。使弹簧在这样温热环境中放置如此长的时间会导致高压缩残余应力松弛。
在本发明的方法中，在喷丸加工处理在上面规定温度范围进行之后，立即进行快速冷却处理。因此，由温热喷丸加工产生的高压缩残余应力被保持，直到弹簧达到室温为止。因此，由本发明方法制备的弹簧获得了更高水平的耐久性。
前述讨论也应用到预加应力处理上。在温热环境中进行预加应力的一个目的是在制备过程中预先引起塑性变形(或下垂)，并可以预先固定由塑性变形引起的任何位错，所述塑性变形是能够在后来弹簧使用时产生的。在温热预加应力处理之后进行的缓慢冷却处理在温度高时使位错再次移动，这样会导致以后弹簧下垂。相反，在本发明方法中，温热预加应力之后立即进行快速冷却处理保证使位错固定不动，因而在以后弹簧使用时只有最小量的下垂。
此外，相比于弹簧冷却之后进行的冷预加应力，暖预加应力减少了形成相同量的永久形变所需要的弹簧压缩量。这种情况有效改善了预加应力之后观察到的弹簧形式(例如，自由长度和弯曲)的均匀度。
图1所示为表示样品弹簧的化学组成的表。
图2所示为表示制备样品弹簧方法的流程图。
图3所示为表示样品弹簧尺寸的表。
图4A所示为回火炉出口的温度和被加工制品的温度之间的关系，而图4B所示为回火炉出口的温度和温热预加应力处理之后观察到的被加工制品的自由长度之间的关系。
图5所示为在快速冷却样品的表面上的压缩残余应力分配。
图6为在自然冷却样品表面上的压缩残余应力分配。
图7所示为样品弹簧的耐腐蚀性测试的结果。
具体实施例方式
使用具有图1所示化学组成的钢材进行证实本发明方法效果的测试。由图2所示的工艺制备几个螺旋弹簧。这几个螺旋弹簧的尺寸在表3示出。
如图2所示，测试样品分为两组(A)和(B)。属于组(A)的样品弹簧在弹簧温度在265～340℃范围内的温热环境中进行预加应力和喷丸加工。然后，弹簧浸渍在水中以快速冷却。相反，属于组(B)的弹簧在以相同方式进行预加应力和喷丸加工处理之后，自然冷却(或空气冷却)。喷丸加工在下列条件下进行弧高＝0.37mm，覆盖＝100％。
弹簧的回火处理包括使淬火弹簧在预定回火温度保持特定时期的步骤。通常，大规模制备弹簧的工艺使用传送式回火炉。这种炉子使出口温度设定为在回火处理在预定温度进行预定时间之后的所需值。这表示弹簧(或被加工制品)的温度能够按温热喷丸加工处理和温热预加应力处理的需要设定。因此，对回火炉出口温度和从炉子中出来之后立即观察到的弹簧(或被加工制品)的温度之间的关系进行研究。结果在图4A中示出，该图说明炉子出口温度的升高改善了制品温度的均匀性。
图4B示出了相同炉子出口温度和温热预加应力处理之后观察到的弹簧自由长度之间的关系。该图也示出了炉子出口温度升高改善了被加工制品的自由长度的均匀性。这是因为温热预加应力减少了弹簧的压缩量，因而降低了施用到弹簧上的应力水平。
上述结果说明通过在温热预加应力处理和温热喷丸加工处理过程中通过设定回火炉出口温度对于高达265～340℃(优选300℃或更高)的弹簧温度是足够高的，就能够制备具有改善均匀性形式的弹簧。
接着，检测上述制备的弹簧的性质。对于水冷却组(A)，通过将喷丸加工处理开始的温度设定为三种不同值265、305和340℃，制备三种弹簧。图5示出了对于三种弹簧中的每一种，测定从表面到0.5mm深的残余应力分配的结果。每一种弹簧都表现出超过1000MPa的最大压缩残余应力。而且，直到深度达到0.3mm的水平，应力也不会将到低于800MPa。
对于自然冷却组(B)，通过将喷丸加工处理开始的温度设定为三种不同值265、305和340℃，制备三种弹簧。图6示出了对于三种弹簧中的每一种，测定从表面到0.5mm深的残余应力分配的结果。再且，每一种弹簧都表现出超过1000MPa的最大压缩残余应力。然而，除了在265℃温度下处理的弹簧之外，当深度达到约0.15～0.20mm程度时，应力降低到800MPa以下。
喷丸加工处理能够进行多次。无论什么时候需要，喷丸加工处理都可以是加载状态喷丸强化处理。
图7所示为在两组(A)和(B)弹簧上进行的耐腐蚀性测试结果。该测试在图中所规定的条件下进行。图7清楚地示出在温热喷丸加工和温热预加应力处理之后快速冷却的弹簧比自然冷却弹簧具有更高程度的耐久性。
权利要求
1.一种用于制备高强度弹簧的方法，其特征在于当弹簧表面温度在265～340℃范围内时，在弹簧上进行喷丸加工处理，和喷丸加工处理之后，在弹簧上进行快速冷却处理。
2.一种用于制备高强度弹簧的方法，其特征在于当弹簧表面温度在300～340℃范围内时，在弹簧上进行喷丸加工处理，和喷丸加工处理之后，在弹簧上进行快速冷却处理。
3.一种用于制备高强度弹簧的方法，其特征在于在热处理之后的冷却处理过程中，当弹簧表面温度在265～340℃范围内时，在弹簧上进行喷丸加工处理，和喷丸加工处理之后，在弹簧上进行快速冷却处理。
4.一种用于制备高强度弹簧的方法，其特征在于在热处理之后的冷却处理过程中，当弹簧表面温度在300～340℃范围内时，在弹簧上进行喷丸加工处理，和喷丸加工处理之后，在弹簧上进行快速冷却处理。
5.如权利要求1～4中任一项所述制备高强度弹簧的方法，其特征在于进行多次喷丸加工处理。
6.如权利要求1～5中任一项所述制备高强度弹簧的方法，其特征在于加载状态喷丸强化处理(stress peening process)在所述喷丸加工处理中进行。
7.如权利要求1～6中任一项所述制备高强度弹簧的方法，其特征在于在所述喷丸加工处理之前，或者在所述喷丸加工之后并且在所述快速冷却处理之前进行预加应力处理。
8.如权利要求1～7中任一项所述制备高强度弹簧的方法，其特征在于所述快速冷却处理是水冷却处理。
9.如权利要求1～8中任一项所述制备高强度弹簧的方法，其特征在于上述方法是在由含有如下组成的钢材构成的弹簧上进行以重量百分比计，0.35～0.55％的C，1.60～3.00％的Si，0.20～1.50％的Mn，0.010％或更低的S，0.40～3.00％的Ni，0.10～1.50％的Cr和0.05～0.50％的V，以及基本上组成余下百分比的Fe。
10.如权利要求1～8中任一项所述制备高强度弹簧的方法，其特征在于上述方法是在由含有如下组成的钢材构成的弹簧上进行以重量百分比计，0.35～0.55％的C，1.60～3.00％的Si，0.20～1.50％的Mn，0.010％或更低的S，0.40～3.00％的Ni，0.10～1.50％的Cr，0.010～0.025％的N和0.05～0.50％的V，以及基本上组成余下百分比的Fe。。
11.如权利要求3～10中任一项所述制备高强度弹簧的方法，其特征在于所述热处理是在淬火和回火处理中进行的回火加热处理。
12.如权利要求3～10中任一项所述制备高强度弹簧的方法，其特征在于所述热处理是在冷加工处理之后进行的用于除去应变退火的热处理。
13.一种高强度弹簧，由包括如下步骤的方法制备当弹簧表面温度在265～340℃范围内时，在弹簧上进行喷丸加工处理，和喷丸加工处理之后，在弹簧上进行快速冷却处理，所述高强度弹簧由含有如下组成的钢材构成以重量百分比计，0.35～0.55％的C，1.60～3.00％的Si，0.20～1.50％的Mn，0.010％或更低的S，0.40～3.00％的Ni，0.10～1.50％的Cr和0.05～0.50％的V，以及基本上组成余下百分比的Fe。。
14.一种高强度弹簧，由包括如下步骤的方法制备当弹簧表面温度在300～340℃范围内时，在弹簧上进行喷丸加工处理，和喷丸加工处理之后，在弹簧上进行快速冷却处理，所述高强度弹簧由含有如下组成的钢材构成以重量百分比计，0.35～0.55％的C，1.60～3.00％的Si，0.20～1.50％的Mn，0.010％或更低的S，0.40～3.00％的Ni，0.10～1.50％的Cr和0.05～0.50％的V，以及基本上组成余下百分比的Fe。。
15.一种高强度弹簧，由包括如下步骤的方法制备在热处理之后进行冷却处理过程中，当弹簧表面温度在265～340℃范围内时，在弹簧上进行喷丸加工处理，和喷丸加工处理之后，在弹簧上进行快速冷却处理，所述高强度弹簧由含有如下组成的钢材构成以重量百分比计，0.35～0.55％的C，1.60～3.00％的Si，0.20～1.50％的Mn，0.010％或更低的S，0.40～3.00％的Ni，0.10～1.50％的Cr和0.05～0.50％的V，以及基本上组成余下百分比的Fe。。
16.一种高强度弹簧，由包括如下步骤的方法制备在热处理之后进行冷却处理过程中，当弹簧表面温度在300～340℃范围内时，在弹簧上进行喷丸加工处理，和喷丸加工处理之后，在弹簧上进行快速冷却处理，所述高强度弹簧由含有如下组成的钢材构成以重量百分比计，0.35～0.55％的C，1.60～3.00％的Si，0.20～1.50％的Mn，0.010％或更低的S，0.40～3.00％的Ni，0.10～1.50％的Cr和0.05～0.50％的V，以及基本上组成余下百分比的Fe。。
17.如权利要求13～16中任一项所述的高强度弹簧，其特征在于进行多次的喷丸加工处理。
18.如权利要求13～17中任一项所述的高强度弹簧，其特征在于加载状态喷丸强化处理在所述喷丸加工处理中进行。
19.如权利要求13～18中任一项所述的高强度弹簧，其特征在于在所述喷丸加工处理之前，或者在所述喷丸加工之后并且在所述快速冷却处理之前进行预加应力处理。
20.如权利要求13～19中任一项所述的高强度弹簧，其特征在于所述快速冷却处理是水冷却处理。
21.如权利要求15～20中任一项所述的高强度弹簧，其特征在于所述热处理是在淬火和回火处理中进行的回火加热处理。
22.如权利要求15～20中任一项所述的高强度弹簧，其特征在于所述热处理是在冷加工处理之后进行的用于除去应变退火的热处理。
23.一种高强度弹簧，由包括如下步骤的方法制备当弹簧表面温度在265～340℃范围内时，在弹簧上进行喷丸加工处理，和喷丸加工处理之后，在弹簧上进行快速冷却处理，所述高强度弹簧由含有如下组成的钢材构成以重量百分比计，0.35～0.55％的C，1.60～3.00％的Si，0.20～1.50％的Mn，0.010％或更低的S，0.40～3.00％的Ni，0.10～1.50％的Cr，0.010～0.025％的N和0.05～0.50％的V，以及基本上组成余下百分比的Fe。。
24.一种高强度弹簧，由包括如下步骤的方法制备当弹簧表面温度在300～340℃范围内时，在弹簧上进行喷丸加工处理，和喷丸加工处理之后，在弹簧上进行快速冷却处理，所述高强度弹簧由含有如下组成的钢材构成以重量百分比计，0.35～0.55％的C，1.60～3.00％的Si，0.20～1.50％的Mn，0.010％或更低的S，0.40～3.00％的Ni，0.10～1.50％的Cr，0.010～0.025％的N和0.05～0.50％的V，以及基本上组成余下百分比的Fe。
25.一种高强度弹簧，由包括如下步骤的方法制备在加热处理之后的冷却处理过程中，当弹簧表面温度在265～340℃范围内时，在弹簧上进行喷丸加工处理，和喷丸加工处理之后，在弹簧上进行快速冷却处理，所述高强度弹簧由含有如下组成的钢材构成以重量百分比计，0.35～0.55％的C，1.60～3.00％的Si，0.20～1.50％的Mn，0.010％或更低的S，0.40～3.00％的Ni，0.10～1.50％的Cr，0.010～0.025％的N和0.05～0.50％的V，以及基本上组成余下百分比的Fe。
26.一种高强度弹簧，由包括如下步骤的方法制备在加热处理之后的冷却处理过程中，当弹簧表面温度在300～340℃范围内时，在弹簧上进行喷丸加工处理，和喷丸加工处理之后，在弹簧上进行快速冷却处理，所述高强度弹簧由含有如下组成的钢材构成以重量百分比计，0.35～0.55％的C，1.60～3.00％的Si，0.20～1.50％的Mn，0.010％或更低的S，0.40～3.00％的Ni，0.10～1.50％的Cr，0.010～0.025％的N和0.05～0.50％的V，以及基本上组成余下百分比的Fe。
27.如权利要求23～26中任一项所述的高强度弹簧，其特征在于进行多次的喷丸加工处理。
28.如权利要求23～27中任一项所述的高强度弹簧，其特征在于加载状态喷丸强化处理在所述喷丸加工处理中进行。
29.如权利要求23～28中任一项所述的高强度弹簧，其特征在于在所述喷丸加工处理之前，或者在所述喷丸加工之后并且在所述快速冷却处理之前进行预加应力处理。
30.如权利要求23～28中任一项所述的高强度弹簧，其特征在于所述快速冷却处理是水冷却处理。
31.如权利要求25～30中任一项所述的高强度弹簧，其特征在于所述热处理是在淬火和回火处理中进行的回火加热处理。
32.如权利要求25～30中任一项所述的高强度弹簧，其特征在于所述热处理是在冷加工处理之后进行的用于除去应变退火的热处理。
全文摘要
本发明公开了用于生产高强度弹簧的方法，所述弹簧能够比现有技术的弹簧具有更大的压缩残余应力。具体地说，该方法包括经受最后加热如回火(热处理弹簧)或应力消除退火(冷成型弹簧)的弹簧在该弹簧表面温度为265～340℃(优选300～340℃)时进行喷丸加工处理。喷丸加工处理之后进行淬火。优选在喷丸加工之前或喷丸加工之后且在淬火之前进行硬化。淬火能够用水冷却或油冷却完成，两者不存在谁优选。当弹簧的丝径小时，能够使用强制空气冷却。
文档编号C21D7/06GK1764730SQ200480008058
公开日2006年4月26日 申请日期2004年3月24日 优先权日2003年3月26日
发明者中野智弘, 榊原隆之, 胁田将见 申请人:中央发条株式会社