专利名称：车辆悬架用螺旋弹簧及其制造方法
技术领域：
本发明涉及汽车等车辆的悬架机构所使用的耐腐蚀性良好的车辆悬架用螺旋弹簧及其制造方法。
背景技术：
已知悬架用螺旋弹簧受到在冬季等撒于道路的防冻剂的影响。由于防冻剂含盐分，因此加速由弹簧钢形成的螺旋弹簧的表面腐蚀。已知特别是腐蚀坑(腐蚀孔)对螺旋弹簧的耐久性造成巨大的影响。例如
图11所示，弹簧线材1的表面Ia的一部分被水分和盐分腐蚀成孔状，因而形成腐蚀坑2。腐蚀坑2的形状各种各样，也有例如图12所示意的剖面的腐蚀坑2。如图1 3所示，如果腐蚀坑2达到一定水平以上的深度R且该螺旋弹簧持续负荷车辆的重量，则坑2的底部加等产生疲劳龟裂3。如果该龟裂3加大，则螺旋弹簧折损。换言之，该螺旋弹簧即使在腐蚀环境下使用，如果腐蚀坑的大小在容许坑深度Rmax以内，则也可以使用而不会折损。另一方面，为了实现车辆的轻量化，希望悬架用螺旋弹簧能在更高的应力下使用。 为了实现螺旋弹簧的高应力化，重要的是在弹簧线材的表面附近赋予压缩残留应力。已知一直以来通过对螺旋弹簧进行喷丸硬化以在表面附近赋予压缩残留应力，从而提高耐久性。例如，日本的日本专利特开2000-345238号公报或日本专利特开2008-106365号公报中揭示有多阶段喷丸硬化。多阶段喷丸硬化中，喷丸硬化分数次实施。作为用于从弹簧表面至较深的位置产生压缩残留应力的方法，已知加载状态喷丸硬化和温热喷丸硬化(热喷丸硬化)。加载状态喷丸硬化中，在压缩螺旋弹簧的状态下投射丸粒。温热喷丸硬化中，在将螺旋弹簧加热至250°C左右的状态下投射丸粒。加载状态喷丸硬化和温热喷丸硬化与在室温下进行的通常的喷丸硬化相比，可以使压缩残留应力产生至材料的较深的位置。但是，加载状态喷丸硬化需要用于压缩螺旋弹簧的设备。而且，加载状态喷丸硬化由于在压缩螺旋弹簧的状态下投射丸粒，因此弹簧线材间的间隔变窄。所以，存在丸粒不易到达螺旋弹簧的内侧和弹簧线材间的问题。专利文献1 日本专利特开2000-345238号公报专利文献2 日本专利特开2008-106365号公报发明的揭示对于目前的悬架用螺旋弹簧，通过喷丸硬化在表面附近赋予较大的压缩残留应力。但是，悬架用螺旋弹簧在产生腐蚀坑的腐蚀环境下使用时，由于腐蚀坑的成长，可能会在使用较短时间后就折损。因此，还提出有通过在材料(弹簧钢)的成分上下工夫而使耐腐蚀性提高，抑制腐蚀坑的产生和腐蚀坑的成长的技术方案。例如，使用通过在弹簧钢中添加Ni、Cr、Mo等合金成分而使螺旋弹簧的耐腐蚀性提高的方法。但是，这样的含合金成分的弹簧钢的价格昂贵，导致螺旋弹簧的成本升高。此夕卜，腐蚀坑的大小一旦达到容许坑深度，螺旋弹簧就可能会以产生于腐蚀坑的底部等的疲劳龟裂为起点发生折损。本发明的目的在于提供可以提高耐腐蚀性能且能在更高的应力下使用的车辆悬架用螺旋弹簧及其制造方法。本发明的车辆悬架用螺旋弹簧是具有通过喷丸硬化赋予了压缩残留应力的弹簧线材的车辆悬架用螺旋弹簧，包括残留应力增加部、残留应力峰值部、残留应力减少部。在所述残留应力增加部，所述压缩残留应力自弹簧线材的表面沿深度方向增加。在所述残留应力峰值部，所述压缩残留应力达到最大。在所述残留应力减少部，所述压缩残留应力自所述残留应力峰值部沿弹簧线材的深度方向减少。而且，该螺旋弹簧中，在所述残留应力减少部，具有与弹簧线材表面的压缩残留应力同等大小的压缩残留应力的部位存在于超过该弹簧线材的容许坑深度的深度。所述螺旋弹簧的容许坑深度为0. 25mm时，较好是自所述弹簧线材的表面至所述容许坑深度的范围内，赋予了-400ΜΙ^以上(表示绝对值在400ΜΙ^以上，下同)的压缩残留应力。所述弹簧线材的硬度推荐为50 56HRC。此外，在比所述残留应力峰值部深的位置中，压缩残留应力开始大幅下降的位置较好是距离弹簧表面的深度超过0. 2mm的位置。此夕卜，较好是自表面至深度0. 3mm为止赋予-400MPa以上的压缩残留应力。本发明的车辆悬架用螺旋弹簧的制造方法包括弯曲工序、第一喷丸硬化工序、第二喷丸硬化工序。所述弯曲工序中，将由弹簧钢形成的弹簧线材成形为螺旋形。第一喷丸硬化工序中，通过向所述弹簧线材投射丸粒尺寸在1.0mm以上的第一丸粒，赋予所述弹簧线材以压缩残留应力。所述第二喷丸硬化工序在所述第一喷丸硬化工序后进行。该第二喷丸硬化工序中，向所述弹簧线材投射比第一丸粒小的第二丸粒。通过该第一喷丸硬化工序和第二喷丸硬化工序，使所述弹簧线材中产生所述残留应力增加部、所述残留应力峰值部、 所述残留应力减少部，同时使所述残留应力减少部中具有与所述弹簧线材表面的压缩残留应力同等大小的压缩残留应力的部位形成于超过该弹簧线材的容许坑深度的深度。该发明中，较好是在所述弹簧线材为150 350°C的处理温度下进行所述第一喷丸硬化工序和所述第二喷丸硬化工序。所述第一喷丸硬化工序中的所述处理温度高于所述第二喷丸硬化工序中的所述处理温度。此外，较好是使所述第一丸粒的动能大于所述第二丸粒的动能。如果采用本发明的车辆悬架用螺旋弹簧，则即使腐蚀坑成长至接近容许坑深度， 也可以抑制疲劳龟裂于该腐蚀坑的底部等的产生，能够提高耐腐蚀性。因此，能在更高的应力下使用悬架用螺旋弹簧，可以实现车辆的轻量化。如果采用本发明的制造方法，则自弹簧线材的表面至超过容许坑深度的较深的区域的范围内，可以产生在防止疲劳龟裂的产生和龟裂的发展方面有效的高水平的压缩残留应力。而且，可以使弹簧线材的表面附近的压缩残留应力与腐蚀坑的底部附近的压缩残留应力的差减小。因此，不仅可以抑制在腐蚀坑产生疲劳龟裂，还可以获得效果好的压缩残留应力分布。附图的简单说明图1是具备本发明的实施方式之一的悬架用螺旋弹簧的汽车的部分侧视图。图2是图1所示的悬架用螺旋弹簧的立体图。图3是表示图2所示的悬架用螺旋弹簧的制造工序的一例的流程图。
图4是表示图2所示的悬架用螺旋弹簧的制造工序的另一例的流程图。图5是表示本发明的实施例1的压缩残留应力分布的图。图6是表示本发明的实施例2的压缩残留应力分布的图。图7是表示本发明的实施例3的压缩残留应力分布的图。图8是表示比较例1的压缩残留应力分布的图。图9是表示实施例1、2和比较例1的腐蚀寿命的图。图10是表示实施例4、5和比较例2的腐蚀寿命的图。图11是模式化表示腐蚀坑的一例的剖视图。图12是模式化表示腐蚀坑的另一例的剖视图。图13是模式化表示产生了龟裂的腐蚀坑的剖面图。实施发明的最佳方式以下，参照附图对本发明的实施方式之一的车辆悬架用螺旋弹簧及其制造方法进行说明。图1所示的车辆10的悬架机构11包括车辆悬架用螺旋弹簧12 (以下简称螺旋弹簧12)和减震器13。图2所示的螺旋弹簧的弹簧线材20成形为螺旋形。该螺旋弹簧12在沿轴线X方向被压缩的状态下弹性地支承车辆10的载荷。螺旋弹簧12的一例为圆柱螺旋弹簧。弹簧线材20的线径d(图2所示)的一例为12. 5mm。平均螺旋直径D为110. Omm,自由长度(无载荷时的长度)为382mm，有效圈数为5. 39，弹簧常数为33. 3N/mm。螺旋弹簧12的线径大多为8 21mm，但可以是除此以外的线径。此外，可以是桶形螺旋弹簧、鼓形螺旋弹簧、锥形螺旋弹簧、不等间距螺旋弹簧、载荷轴控制螺旋弹簧等各种形态的螺旋弹簧。[实施例1]弹簧线材20的钢种类为高耐蚀性弹簧钢(本说明书中为了便于说明而称为弹簧钢S)。弹簧钢S为提高了耐腐蚀性的钢种类，化学成分(质量％)为C:0.41、Si :1.73、Mn: 0. 17、Ni :0. 53、Cr :1. 05、V :0. 163、Ti :0. 056、Cu :0. 21、其余部分 Fe。图3表示热成形螺旋弹簧的制造工序。加热工序Sl中，作为螺旋弹簧的材料的弹簧线材被加热至奥氏体化温度(A3相变点以上，1150°C以下)。经加热的弹簧线材在弯曲工序(卷绕成形工序)S2中被弯曲成螺旋形。然后，进行淬火工序S3和回火工序S4等热处理。通过所述热处理，弹簧线材被调质，硬度达到50 56HRC。例如对于设计最大应力为1300MPa的螺旋弹簧，调质至硬度达到54. 5HRC。对于设计最大应力为1200MPa的螺旋弹簧，调质至硬度达到53. 5HRC。接着，热定型工序S5中，对螺旋弹簧赋予规定时间的轴线方向的载荷。热定型工序S5利用所述热处理后的余热在温热条件下进行。然后，进行第一喷丸硬化工序S6。第一喷丸硬化工序S6中，使用丸粒尺寸(粒径)为1.0mm的第一丸粒(铁制的丝切割丸粒)。将该第一丸粒在230°C的处理温度下以速度76. 7m/秒、动能12. IlX 10_3J的条件投射于弹簧线材。藉此，自弹簧线材的表面沿深度方向至较深的区域的范围内产生压缩残留应力。下文中对该压缩残留应力的分布进行详细说明。第一喷丸硬化工序S6所导致的弹簧线材的表面粗糙度较好是在75 μ m 以下。还有，丸粒的投射速度为根据喷丸硬化装置的叶轮的直径和转速求得的圆周速度乘以1.3倍而得的值。例如，叶轮直径为490mm、叶轮转速为2300rpm时，投射速度为 1. 3X0. 49X3. 14X2300/60 = 76. 7m/ 秒。进行第一喷丸硬化工序S6后，进行第二喷丸硬化工序S7。第二喷丸硬化工序S7 中，使用比所述第一丸粒小的第二丸粒。第二丸粒的丸粒尺寸为0.67mm。将该第二丸粒在 200°C的处理温度下以速度46m/秒、动能1. 31X 10_3J的条件投射于弹簧线材。第二喷丸硬化工序S7中，使用尺寸比第一喷丸硬化工序S6小的丸粒。而且，第二喷丸硬化工序S7中的丸粒的投射速度比第一喷丸硬化工序S6中的丸粒的投射速度小。因此，可以通过第二喷丸硬化工序S7使第一喷丸硬化工序S6后的表面粗糙度变大的弹簧线材的表面粗糙度变小，弹簧线材的表面状态得到改善。还有，作为第二喷丸硬化工序S7的另一例，可以将丸粒尺寸为0. 40mm的第二丸粒在200°C的处理温度下以速度86. 7m/秒、动能0. 99 X 10_3J的条件投射。表1为比较根据喷丸硬化条件而不同的丸粒的动能的数据。如果丸粒尺寸大，则即使投射速度相同，动能也更大。例如丸粒尺寸为Imm的大圆丸粒与0. 87mm的丸粒相比， 动能达到约1. 5倍。采用丸粒尺寸为1. Imm的大圆丸粒的情况下，与0. 87mm的丸粒相比， 动能达到约2倍。相反地，丸粒尺寸为0. 67mm的小丸粒与0. 87mm的丸粒相比，动能变为一半以下。对于丸粒尺寸为0. 4mm的丸粒，即使将投射速度设为0. 67mm的丸粒的约2倍，动能仍然减小。从该实施例1开始，后述的实施例2 5的任一种情况下，都使第一喷丸硬化工序 S6中的第一丸粒的动能大于第二喷丸硬化工序S7中的第二丸粒的动能。表 权利要求
1.一种车辆悬架用螺旋弹簧，它是具有通过喷丸硬化赋予了压缩残留应力的弹簧线材 (20)的车辆悬架用螺旋弹簧(12)，其特征在于，包括所述压缩残留应力自所述弹簧线材00)的表面沿深度方向增加的残留应力增加部 (Tl)、所述压缩残留应力达到最大的残留应力峰值部(T3)、所述压缩残留应力自所述残留应力峰值部CH)沿所述弹簧线材00)的深度方向减少的残留应力减少部(T4)；且在所述残留应力减少部(T4)，具有与所述弹簧线材OO)表面的压缩残留应力同等大小的压缩残留应力的部位⑶存在于超过该弹簧线材OO)的容许坑深度(Rmax)的深度。
2.如权利要求1所述的车辆悬架用螺旋弹簧(12)，其特征在于，所述容许坑深度 (Rmax)为0.25mm，自所述弹簧线材QO)的表面至所述容许坑深度(Rmax)的范围内赋予了 -400MPa以上的压缩残留应力。
3.如权利要求2所述的车辆悬架用螺旋弹簧(12)，其特征在于，所述弹簧线材OO)的硬度为50 56HRC。
4.一种车辆悬架用螺旋弹簧的制造方法，其特征在于，包括将由弹簧钢形成的弹簧线材OO)成形为螺旋形的弯曲工序(S2)、通过向所述弹簧线材OO)投射丸粒尺寸在1. Omm以上的第一丸粒而赋予所述弹簧线材OO)以压缩残留应力的第一喷丸硬化工序(S6)、在所述第一喷丸硬化工序(S6)后向所述弹簧线材OO)投射比所述第一丸粒小的第二丸粒的第二喷丸硬化工序(S7)；通过所述第一喷丸硬化工序(S6)和第二喷丸硬化工序(S7)，形成所述压缩残留应力自所述弹簧线材OO)的表面沿深度方向增加的残留应力增加部(Tl)、所述压缩残留应力达到最大的残留应力峰值部(T3)、所述压缩残留应力自所述残留应力峰值部CH)沿所述弹簧线材OO)的深度方向减少的残留应力减少部(T4)，同时使所述残留应力减少部(T4)中具有与所述弹簧线材OO)表面的压缩残留应力同等大小的压缩残留应力的部位(B)形成于超过该弹簧线材OO)的容许坑深度(Rmax)的深度。
5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，在所述弹簧线材OO)为150 350°C 的处理温度下进行所述第一喷丸硬化工序(S6)和所述第二喷丸硬化工序(S7)。
6.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述第一喷丸硬化工序(S6)中的所述处理温度高于所述第二喷丸硬化工序(S7)中的所述处理温度。
7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述第一喷丸硬化工序(S6)中的所述第一丸粒的动能大于所述第二喷丸硬化工序(S7)中的所述第二丸粒的动能。
全文摘要
对于硬度为50～56HRC的弹簧线材(20)，在150～350℃的温热范围内进行第一喷丸硬化工序(S6)和第二喷丸硬化工序(S7)。第一喷丸硬化工序(S6)中，使用丸粒尺寸在1.0mm以上的第一丸粒。第二喷丸硬化工序(S7)中，使用比所述第一丸粒小的第二丸粒。通过这些喷丸硬化工序(S6)(S7)，赋予弹簧线材(20)以压缩残留应力。该弹簧线材(20)包括残留应力增加部(T1)、残留应力峰值部(T3)、残留应力减少部(T4)。在残留应力减少部(T4)，具有与弹簧线材(20)表面的压缩残留应力同等大小的压缩残留应力的部位(B)存在于超过容许坑深度(Rmax)的深度。
文档编号C21D7/06GK102481681SQ20108000065
公开日2012年5月30日 申请日期2010年2月22日 优先权日2009年6月17日
发明者丹下彰, 住吉功, 冈田秀树, 杉山充弘 申请人:日本发条株式会社