高强度弹簧用中空无缝管的制作方法
【专利说明】
[00011 本申请是【申请号】201080021286.1，申请日：2010.05.14，发明名称："高强度弹簧 用中空无缝管"的申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及汽车等的内燃机的阀弹簧和悬架弹簧等所使用的高强度弹簧用中空 无缝管，特别是涉及降低了其外周面和内周面的脱碳的高强度弹簧用中空无缝管。
【背景技术】
[0003] 近年来，随着以减少尾气和改善油耗为目的的汽车的轻量化和高输出功率化的要 求提高，在发动机、离合器和悬架等所使用的阀弹簧、离合器弹簧、悬架弹簧等之中，也致力 于高应力设计。因此，这些弹簧面向高强度化/细直径化的方向，处于负荷应力进一步增大 的倾向。为了应对这一倾向，强烈期望在耐疲劳性和耐永久残余应变性中也有更高性能的 弹簧钢。
[0004] 另外，为了一边维持耐疲劳特性和耐永久残余应变性一边实现轻量化，作为弹簧 的原材，并不是以前所使用的棒状的线材(即，实心的线材），而是使用中空的管状的钢材且 没有焊接部分(即无缝管)作为弹簧的原材。
[0005] 关于用于制造上述这样的中空无缝管的技术，迄今也提出有各种样的技术。例如 在专利文献1中提出有一种技术，其使用应该是穿孔乳机的代表的曼内斯曼穿孔机 (mannesmann piercer)进行穿孔后（曼内斯曼穿孔），进行冷间芯棒式无缝乳管(mandrel mi 11 )，再以10~30分的条件再加热至820~940°C，其后进行终乳。
[0006] 另一方面，在专利文献2中提出有一种技术，其进行热等静压挤压，成为中空无缝 管的形状后，进行球状化退火，继续通过冷周期式乳管乳制和拉拔加工等进行伸展(拔管）。 另外，在该技术中还显示，最终以规定的温度进行退火。
[0007]在上述这样的各技术中，在进行曼内斯曼穿孔和热等静压挤压时，需要加热至 1050°C以上，或在冷加工前/后进行退火，在热环境下加热或加工时，在其后进一步的热处 理工序中，存在中空无缝管的内周面和外周面容易发生脱碳这样的问题。另外，在加热处理 后的冷却时，还存在的情况是，发生因碳向铁素体和奥氏体中的固溶量不同而引起的脱碳 (铁素体脱碳)。
[0008] 若发生上述这样的脱碳，则在弹簧制造时的淬火阶段，在外周面和内周面会发生 表层部未充分硬化的情况，在成形的弹簧中，产生不能确保充分的疲劳强度这样的问题。另 外，在通常的弹簧中通常会进行的是，以喷丸硬化对外表面赋予残留应力，使疲劳强度提 高，但在由中空无缝管成形的弹簧中，不能对内周面进行喷丸硬化，以及在现有的加工方法 中，在内周面容易发生伤痕，因此还有难以确保内面的疲劳强度这样的问题。
[0009] 先行技术文献
[0010] 专利文献
[0011] 专利文献1:日本特开平1-247532号公报
[0012] 专利文献2:日本特开2007-125588号公报
【发明内容】
[0013] 本发明在这种状况下而做，其目的在于，提供一种高强度弹簧用中空无缝管，其极 力降低内周面和外周面的脱碳的发生，在弹簧制造时的淬火阶段，在外周面和内周面，表层 部能够充分硬化，在成形的弹簧中能够确保充分的疲劳强度。
[0014] 本发明包括以下的形态。
[0015] (1) -种高强度弹簧用中空无缝管，由分别含有如下成分的钢材构成:C:0.2~0.7 质量％ ;Si :0.5~3质量％ ;Μη:0.1~2质量％ ;A1:大于0、在0.1质量％以下；P:大于0、在 0.02质量％以下、S:大于0、在0.02质量％以下和N:大于0、在0.02质量％以下，中空无缝管 的内周面和外周面的C含量为0.10质量％以上，并且所述内周面和外周面各自的全脱碳层 的厚度为200μηι以下。
[0016] (2)根据（1)所述的高强度弹簧用中空无缝管，其中，内面表层部的铁素体的平均 晶粒直径为ΙΟμπι以下。
[0017] (3)根据（1)所述的高强度弹簧用中空无缝管，其中，存在于内周面的伤痕的最大 深度为20μηι以下。
[0018] (4)根据(2)所述的高强度弹簧用中空无缝管，其中，存在于内周面的伤痕的最大 深度为20μηι以下。
[0019] (5)根据（1)~(4)中任一项所述的高强度弹簧用中空无缝管，其中，还含有以下的 (a)~(g)群的至少一群。
[0020] (a)Cr:大于0、在3质量％以下；
[0021] (b)B:大于0、在0.015质量％以下；
[0022] (c)从V:大于0、在1质量％以下;Ti:大于0、在0.3质量％以下和Nb:大于0、在0.3质 量％以下构成的群中选出的1种以上；
[0023] (d)从Ni:大于0、在3质量％以下和Cu:大于0、在3质量％以下构成的群中选出的一 种以上；
[0024] (e)M〇:大于0、在2质量％以下；
[0025] (f)从Ca:大于0、在0.005质量％以下;Mg:大于0、在0.005质量％以下和REM:大于 0、在0.02质量％以下构成的群中被选出的1种以上；
[0026] (g)从Zr:大于0、在0.1质量％以下、Ta:大于0、在0.1质量％以下和Hf:大于0、在 0.1质量％以下构成的群中被选出的1种以上。
[0027] 在本发明中，通过适当调整作为原材的钢材的化学成分组成，并且严密地规定其 制造条件，能够实现不会发生内周面和外周面的铁素体脱碳，并且极力降低了脱碳层的厚 度的中空无缝管，由这样的中空无缝管成形的弹簧能够确保充分的疲劳强度。
【具体实施方式】
[0028] 本发明者们，就用于不使脱碳发生的条件，从各种角度进行了研究。其结果判明， 不借助加工后的冷却速度的控制比较困难的热等静压挤压和曼内斯曼穿孔进行中空化，而 是进行低温乳制、可以控制冷却的通常的热乳，制造没有脱碳的棒材，其后，用枪孔钻进行 穿孔，以规定的冷却条件进行冷却后，通过冷乳和拔管(冷加工)成为最终形状即可。根据这 一制造方法，可以制造外周面和内周面都没有脱碳（即，表面的C含量为0.10质量％以上， 全脱碳层的厚度为200μπι以下）中空无缝管。还有，所谓上述全脱碳层，意思是管厚的中心部 的碳浓度低于95%的部分。
[0029] 另外，根据上述这样的制造方法，由于中空管的组织微细化，能够使弹簧淬火时的 奥氏体粒径微细化，也可以改善疲劳强度。具体来说，在使冷加工时的加工率(减面率)达到 50%以上之后，以650~700°C左右的比较低的温度实施再结晶处理(退火），由此使内面表 层部的铁素体的平均晶粒直径为1〇μπι以下。还有，所谓上述内面表层部，意思是从中空无缝 管的内周面的表面至深度500μπι的区域。
[0030] 此外，根据上述方法，通过用枪孔钻进行中空化，能够缩短其后的冷加工(冷乳、冷 拔管)工序，能够大幅降低由于曼内斯曼穿孔、热等静压挤压或冷乳和拔管而发生的内面伤 痕。以往，以最大深度计50μπι左右为极限，但根据本发明，能够降低内面伤痕直到最大深度 达到20μηι以下。
[0031] 本发明的中空无缝管，能够对于适当地调整了化学成分组成的钢材(关于适当的 化学成分组成后述），遵循上述的步骤制造。对于该制造方法的各行程，更具体地进行说明。 [0032][中空化手法]
[0033]首先，作为中空化手法，能够降低板坯的加热温度，进行低温乳制、可以控制冷却 的通常的热乳，制作实心的圆棒后，通过枪孔钻法等进行中空化。其后，通过拔管和冷乳成 形至规定的直径、长度，从而可以得到外周面、内周面铁素体脱碳、总脱碳(全脱碳)均小的 无缝管。另外，通过这样的工序还发挥出如下效果:能够降低冷加工时的加工率，使内周面 的品质也良好(即，能够减小伤痕）。
[0034][热乳时的加热温度:低于1050°C]
[0035]在上述热乳工序中，推荐其加热温度低于1050°C。若这时的加热温度为1050°C以 上，则总脱碳有变多的倾向。优选为1020°C以下。
[0036][热乳时的最低乳制温度:850°C以上]
[0037]还优选使热乳时的最低乳制温度为850°C以上。若该乳制温度过低，则在表面（内 周面和外周面)有容易生成铁素体的倾向。这时的温度优选为900°C以上。
[0038] [乳制后的冷却条件：乳制后至720°C的平均冷却速度为1.5°C/秒以上，其后，至 500°C的平均冷却速度为0.5°C/秒以下]
[0039] 在上述这样的条件下，进行热乳后，通过强度冷却至720°C，能够防止表面的铁素 体生成(铁素体脱碳的发生）。为了发挥这样的冷却效果，可以使至720°C的平均冷却速度为 1.5°C/秒以上。这时的平均冷却速度优选为2°C/秒以上。进行这样的强制冷却后，以平均冷 却速度:〇.5°C/秒以下冷却至500°C。若从上述的强制冷却结束温度至500°C的冷却速度过 快，则钢材发生淬火，其后的由退火进行的软化耗费时间。从这样的观点出发，优选至500°C 的平均冷却速度为0.5°C/秒以下(例如放冷）。更优选为0.3°C/秒以下。
[0040] [冷加工条件]
[0041] 进行上