压缩螺旋弹簧及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及例如在汽车的发动机及离合器内使用的压缩螺旋弹簧，特别是在高应 力下的使用环境中也具有良好的耐疲劳性的压缩螺旋弹簧及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，以环境问题为背景，对汽车的低燃耗化的要求逐年变严格，比到此为止更 加强烈地要求对于汽车零件的小型轻量化。对于该小型轻量化的要求，例如在以在发动机 内使用的气门弹簧或在离合器内使用的离合器阻尼弹簧为代表的压缩螺旋弹簧零件中，材 料的高强度化及由表面处理带来的表面强化的研宄兴盛，结果实现了作为螺旋弹簧的特性 车父重要的耐疲劳性的提尚及耐弹力减弱性的提尚。
[0003] -般而言，螺旋弹簧的制造方法大体上分为热成形法和冷成形法。热成形法被用 于线径d较粗并且作为线圈平均径D与线径d的比的弹簧指数D/d较小等、因其加工性较 差而难以冷成形的螺旋弹簧的成形，作为螺旋弹簧线材而使用碳素钢或弹簧钢。在热成形 法中，如图I (F)所示，将线材加热为高温以使得容易加工，卷绕到金属芯上而盘绕为螺旋 弹簧形状，在淬火一回火后再实施喷丸硬化及整定，得到作为螺旋弹簧的性能为主要的耐 疲劳性及耐弹力减弱性。另外，在热成形法中，由于无金属芯下的盘绕在技术上非常困难， 所以到目前为止没有达到实用化。由此，热成形法在以往的技术中必须使用金属芯，作为能 够成形的螺旋弹簧，相比能够无金属芯盘绕的冷成形法，形状的自由度较低。
[0004] 另一方面，关于气门弹簧或离合器阻尼弹簧类的压缩螺旋弹簧，由于线径比较细， 所以能够冷成形。并且，由于不伴随着由加热带来的相变或热膨胀收缩，所以容易得到较高 的尺寸精度，进而，由于因加工速度或设备费用等带来的量产性(生产节拍、成本）也较高， 所以关于这类压缩螺旋弹簧的制造，以往以来采用冷成形法。此外，关于该冷成形法确立了 无金属芯下的成形技术，螺旋弹簧的形状自由度较高也成为使用冷成形法的较大的一个原 因，通过热成形法的气门弹簧或离合器阻尼弹簧类的压缩螺旋弹簧的制造技术到目前为止 还不实用。另外，在冷成形法中，作为螺旋弹簧线材，以往使用碳素钢线、硬钢线、钢琴线、弹 簧钢线这样的硬引线。但是，近年来，从轻量化的观点看，要求材料的高强度化，广泛使用昂 贵的油回火线。
[0005] 在冷成形法中，如图I (D)及图（E)所示，将线材冷盘绕为螺旋弹簧形状，在退火 后，根据需要而实施喷丸硬化及整定。这里，退火以将通过加工产生的残留应力除去为目 的，所述残留应力为螺旋弹簧的耐疲劳性提高的阻碍因素，退火与由喷丸硬化对表面的压 缩残留应力的赋予一起，贡献于螺旋弹簧的耐疲劳性提高。另外，关于气门弹簧或离合器阻 尼弹簧那样的在高负荷应力下使用的螺旋弹簧，在喷丸硬化前根据需要而实施通过氮化处 理的表面硬化处理。
[0006] 以进一步的耐疲劳性的提高为目标的研宄正在热烈地进行。例如，在专利文献1 中，记载有冷成形用的油回火线，公开了利用残留奥氏体的加工诱发相变使耐疲劳性提高 的技术。在专利文献2中，公开了通过对实施了氮化处理的线材的表面实施不同的投射速 度下的多级喷丸硬化赋予较大的压缩残留应力、谋求耐疲劳性的提高的技术。
[0007] 在专利文献1中，在盘绕后的螺旋弹簧中产生残留应力。该残留应力、特别是在线 圈内径侧表面上产生的线轴方向的拉伸残留应力，是作为螺旋弹簧的耐疲劳性提高的阻碍 因素。并且，通常为了将该加工带来的残留应力除去而实施退火，但容易推测，即使通过回 火软化抗力较高的专利文献1中的线材，也难以在维持希望的线材强度的基础上将该残留 应力完全除去，这对于本领域的技术人员而言是周知的。因而，然后实施喷丸硬化后，因为 通过加工而在线圈内径侧残留的拉伸残留应力的影响，难以对线材表面赋予充分的压缩残 留应力，不能得到作为螺旋弹簧的充分的耐疲劳性。此外，对回火软化抗力的提高有贡献的 V、Mo这样的元素是昂贵的。由此，线材变得非常昂贵，当然作为制品的螺旋弹簧也变得昂 贵。
[0008] 此外，在专利文献2中，螺旋弹簧的线材表面附近（以下称作"表面"）的压缩残留 应力有HOOMPa左右，作为气门弹簧或离合器阻尼弹簧类的在高负荷应力下使用的螺旋弹 簧，对于表面上的龟裂发生抑制，其压缩残留应力是充分的。但是，使表面的压缩残留应力 提高的结果是，线材内部的压缩残留应力变小，对于以夹杂物等为起点的线材内部的龟裂 发生，其压缩残留应力的效果欠缺。即，在专利文献2的手段中，由于在通过喷丸硬化施加 的能量方面有限制，即虽然赋予了压缩残留应力分布的变化，但难以使压缩残留应力的总 和较大地提高。没有考虑将由上述加工带来的残留应力的影响消除等，由此，对于相同强度 的线材，其耐疲劳性的提高效果欠缺。
[0009] 另外，作为使表面压缩残留应力提高的手段已各种各样地实用化，但结果，例如在 线径1. 5?IOmm左右的螺旋弹簧中，在距线材表面的深度（以下，称作"深度")0. 1?0. 4mm 的范围中存在作为由外部负荷带来的作用应力与残留应力的和的合成应力的最大值，该合 成应力最高的部分为破坏起点是实情。因而，在深度0. 1?0. 4_的范围中确保较大的压 缩残留应力对于耐疲劳性是重要的。
[0010] 专利文献1 :特许第3595901号 专利文献2 :特开2009 - 226523号公报。
【发明内容】
[0011] 如上述那样，在以往的制造方法及专利文献1、2等中，对于近年来的要求高应力 下的耐疲劳性的进一步提高和成本降低的兼顾的要求，其对应带来困难。此外，作为冷成形 用当前为主流的油回火线较昂贵，其中为了性能提高而添加了 Ni、V、Mo这样的高级元素的 油回火线非常昂贵。进而，由于通过成形后的退火处理不能将由加工带来的残留应力完全 消除，所以不能充分发挥线材的性能。
[0012] 本发明在这样的背景下，目的是将由盘绕加工带来的拉伸残留应力消除并在线材 表面形成C浓化层、对成形后的线材赋予适当的压缩残留应力分布，由此使用便宜的线材 提供高耐久性的压缩螺旋弹簧及其制造方法。
[0013] 本发明者们对螺旋弹簧的耐疲劳性进行了专心研宄。并且得到了以下想法：为了 在上述深度0. 1?0. 4_的范围中得到较大的压缩残留应力，将盘绕加工时的拉伸残留应 力消除、有效地得到然后进行的喷丸硬化及整定的效果是重要的。所以，对于在喷丸硬化工 序前将弹簧线材的拉伸残留应力消除的方法进行了探讨。结果发现，着眼于通过将螺旋弹 簧线材加热到奥氏体域能够将残留应力消除，在将螺旋弹簧线材加热到奥氏体域的状态下 进行盘绕加工，将起因于加工的残留应力的发生消除，能够有效率地得到然后进行的喷丸 硬化及整定的效果。
[0014] 在到奥氏体域为止的加热阶段中，将其加热在更短时间中进行，带来旧奥氏体结 晶粒径（以下称作"结晶粒径"）的粗大化抑制或微细化。并且，该结晶粒径与耐疲劳性有密 切的关系，结晶粒径的微细化对于耐疲劳性的提高是有效的。由此，通过将螺旋弹簧线材在 短时间中加热而热加工，与将起因于加工的残留应力消除相结合，能够制作出耐疲劳性更 好的弹簧。
[0015] 进而，通过对螺旋弹簧进行渗碳处理、在表面上形成C浓化层，使表面附近高硬度 而使屈服应力提高，能够有效率地得到然后进行的喷丸硬化的效果。这里，如果将渗碳处理 在热盘绕加工时进行，则能够有效率地进行渗碳处理。
[0016] 此外，通过在冷盘绕加工后将螺旋弹簧线材加热到奥氏体域而将由加工带来的残 留应力消除，能够有效率地得到然后进行的喷丸硬化及整定的效果。在冷盘绕加工的情况 下，如果在盘绕后的加热时同时进行渗碳处理，则能够有效率地进行渗碳处理。
[0017] S卩，本发明的压缩螺旋弹簧，使用以重量％含有0. 45%?0. 80%的C、0. 15%?2. 50% 的Si、0. 3%?1. 0%的Mn、其余部由铁及不可避免的杂质构成的当量圆直径为2. 5mm以上 IOmm以下的钢线材，其特征在于，任意的线材横截面中的内部硬度为570?700HV ;在表层 部具有超过钢线材中含有的C的平均浓度的C浓化层；在对线材的螺旋弹簧内径侧的弹簧 加载压缩载荷的情况下发生的大致最大主应力方向上，无负荷时的距线材的表面0. 2mm深 度处的压缩残留应力为200MPa以上，并且距表面0· 4mm深度处的压缩残留应力为60MPa以 上。这里，在对弹簧施加压缩载荷的情况下发生的大致最大主应力方向，表示相对于线材的 轴向大致+45°方向。并且，该最大主应力方向是根据螺旋弹簧形状(特别是与间距角的关 系）而变化的方向，该方向相对于轴向存在于+45°?+60°的范围。
[0018] 此外，本发明的压缩螺旋弹簧，使用以重量％含有0. 45%?0. 80%的C、0. 15%? 2. 50%的Si、0. 3%?1. 0%的Mn、其余部由铁及不可避免的杂质构成的当量圆直径为2. 5mm 以上IOmm以下的钢线材，其特征在于，任意的线材横截面中的内部硬度为570?700HV ;在 表层部具有超过钢线材中含有的C的平均浓度的C浓化层；在线材的螺旋弹簧内径侧， 为160MPa_mm以上。这里，所谓1_。,，是在对弹簧加载压缩载荷的情况下发生的大致最大主 应力方向上，以无负荷时的压缩残留应力的值为零的距线材的表面的深度为交叉点、纵轴 是残留应力、横轴是单线半径的残留应力分布曲线中的从表面到交叉点的积分值。交叉点 较大意味着压缩残留应力进入到距表面较深处。
[0019] 此外，本发明的压缩螺旋弹簧，使用以重量％含有0. 45%?0. 80%的C、0. 15%? 2. 50%的Si、0. 3%?1. 0%的Mn、其余部由铁及不可避免的杂质构成的当量圆直径为I. 5mm 以上3mm以下的钢线材，其特征在于，任意的线材横截面中的内部硬度为570?700HV ;在 表层部具有超过钢线材中含有的C的平均浓度的C浓化层；在对线材的螺旋弹簧内径侧 的弹簧加载压缩载荷的情况下发生的大致最大主应力方向上，无负荷时的距线材的表面 0· 15mm深度处的压缩残留应力为300MPa以上，并且距表面0· 3mm深度处的压缩残留应力为 50MPa以上。
[0020] 进