CN1768155A - 加工性优异的高强度弹簧用钢丝以及高强度弹簧 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种弹簧用钢丝，其特征在于：具有回火马氏体组织；作为必要元素，含有C：0.53～0.68％、Si：1.2～2.5％、Mn：0.2～1.5％、Cr：1.4～2.5％、Al：0.05％以下；作为可选元素，含有Ni：0.4％以下、V：0.4％以下、Mo：0.05～0.5％、Nb：0.05～0.5％等；其余为Fe及不可避免的杂质；其原奥氏体晶粒的晶粒度级别指数在11.0以上；屈强比(σ0.2/σB)在0.85以下。由此，可以得到抗弹减性和疲劳特性均优异并且加工性(冷加工性)也优异的高强度弹簧用钢丝。

Description

加工性优异的高强度弹簧用钢丝以及高强度弹簧
技术领域
本发明涉及一种高强度弹簧用钢丝以及高强度弹簧，是不仅具有优异的疲劳特性和抗弹减性，还具有优异的冷加工性(卷绕性)的。
背景技术
近年来伴随着汽车的轻量化及高输出化的发展趋势，汽车发动机的气门弹簧、悬吊系统的悬架弹簧、离合器弹簧及制动弹簧等，都需要适合高应力的设计。
例如，如果弹簧的抗弹减性低，那么在高应力负荷中，弹簧的变形量增大，从而发动机的转数就达不到原设计，应答性会变坏。因此需要抗弹减性优异的弹簧。
为了改善弹簧的抗弹减性，对弹簧原材料进行高强度化为公众所知。还有，如果对弹簧原材料进行高强度化，从疲劳极限的角度出发，则可以期待疲劳特性的上升。例如，通过调整化学成分以及使油淬火再回火后(油回火处理后)的抗张强度上升，能够改善疲劳强度及抗弹减性。另外，通过大量添加Si等合金元素，也能够改善抗弹减性(日本专利授权公报第2898472号、日本专利公开公报2000-169937号)。
但是，通过使抗张强度上升来提高疲劳特性及抗弹减性的方法，在卷绕弹簧时则存在发生折损的问题。而通过大量添加合金成分来改善抗弹减性的方法，会增高对表面瑕疵及内部缺陷的敏感性，在弹簧装配时及使用时，则容易以这些缺陷为起点发生折损。
因此，在提高弹簧的抗弹减性及疲劳特性的同时还提高冷加工性，是很困难的。
发明内容
本发明是着眼于上述情况而做出的，其目的在于，提供一种抗弹减性和疲劳特性均优异并且加工性(冷加工性)也优异的高强度弹簧用钢丝及高强度弹簧。
本发明人在为了解决上述课题所进行的不断的锐意研究中，发现：在通过大量添加合金元素来提高疲劳强度及抗弹减性的情况下，如果将屈强比(σ0.2/σB)减小至0.85以下，则可以得到优异的卷绕性(冷加工性)。而且，如果使结晶粒变小，则可以进一步提高疲劳寿命及提高抗弹减性，此时，即使大量添加Cr也好，不会使缺陷敏感性降低而能够提高抗弹减性。从而完成了本发明。
即，本发明的加工性优异的高强度弹簧用钢丝，其特征在于：以质量％计，含有C：0.53～0.68％、Si：1.2～2.5％、Mn：0.2～1.5％(例如0.5～1.5％)、Cr：1.4～2.5％以及Al：0.05％以下并且不包括0％；还含有选自Ni：0.4％以下并且不包括0％、V：0.4％以下并且不包括0％、Mo：0.05～0.5％以及Nb：0.05～0.5％中的至少1种；其余为Fe以及不可避免的杂质。并且本发明的弹簧用钢丝，具有回火马氏体组织，其原奥氏体晶粒的晶粒度级别指数在11.0以上，0.2％屈服强度(σ0.2)与抗拉强度(σB)的比(σ0.2/σB)在0.85以下。上述弹簧用钢丝，施予温度400℃、20分钟的退火后，其0.2％屈服强度(σ0.2)上升300MPa以上为优选。
另外，本发明的弹簧是由上述高强度弹簧用钢丝来制成的，优选为：芯部的硬度为Hv550～700左右，上述表面的残余压应力转变为拉应力的深度在0.05mm以上且0.5mm以下左右。另外，本发明的弹簧可以施有表面硬化处理(氮化处理等)也可以不施有，但是在没施有表面硬化处理的情况下，优选弹簧表面的残余压应力在-400MPa以下。在施有表面硬化处理的情况下(即在弹簧表面形成有氮化处理层的情况下)，优选弹簧表面的残余压应力在-800MPa以下，还有，弹簧表面硬度在Hv750～1150左右。硬化层(比芯部硬度硬Hv15以上的层)的深度，例如在0.02mm以上。
具体实施方式
本发明的钢丝及弹簧，含有C、Si、Mn、Cr、Al，而且还含有从Ni、V、Mo及Nb中选出的至少1种，其余为Fe及不可避免的杂质。以下，就各成分的含量及其限定理由进行说明。
C：0.53～0.68％(质量％的意思、以下相同)
因为C是对于负荷高应力的弹簧钢可以确保充分的高强度并且提高疲劳寿命及抗弹减性等而必不可少的元素，所以将下限定为0.53％。但是如果过多的话，则韧性及延展性极度恶化，弹簧在加工中或在使用中，容易发生因表面瑕疵或内部缺陷引起的开裂。因此将上限定为0.68％。C含量优选在0.58％以上、0.65％以下。
Si：1.2～2.5％
Si是作为炼钢时的脱氧剂所必要的元素，也有助于提高抗软化性及抗弹减性，因此将下限定为1.2％。但是如果过多的话，不仅韧性及延展性恶化，而且瑕疵增加，在热处理时加剧表面的脱炭，又晶界氧化层容易变深，疲劳寿命容易缩短，因此将上限定为2.5％。Si含量优选在1.3％以上、2.4％以下。
Mn：0.2～1.5％
Mn也是在炼钢时对脱氧有效的元素，而且有助于提高淬火性而增加强度，还有助于提高疲劳寿命及抗弹减性等的元素。因此下限定为0.2％。Mn含量优选在0.3％以上，特别优选在0.4％以上(例如，0.5％以上)。但是本发明的钢丝(及弹簧)，是在将钢热轧之后，根据需要进行韧化处理，然后进行拉丝、油回火、卷绕等处理而制得的，如果Mn过多，在热轧时或韧化处理时，则容易生成贝氏体等过冷组织，使拉丝性容易降低，因此上限定为1.5％。Mn含量优选在1.0％以下。
Cr：1.4～2.5％
Cr具有提高抗弹减性及降低缺陷敏感性的作用，对本发明来讲是极其重要的元素。再说，虽然Cr还具有增厚晶界氧化层而缩短疲劳寿命的作用，但是这一点通过控制油回火时的气氛(具体来说，通过积极混入约3～80体积％的水蒸气，使在表面形成致密的表面氧化膜)可以使晶界氧化层单薄，因此在本发明中能够消除该问题。故此，Cr越多越好，其为1.4％以上，优选为1.45％以上，更优选为1.5％以上。再说，如果Cr含量过度，就会过分延长拉丝时的韧化处理时间，而且会降低韧性及延展性等，因此定为2.5％以下，优选2.0％以下。
还有，在本发明的钢丝及弹簧中，晶界氧化层的深度通常在10μm以下左右。
Al：0.05％以下(不包括0％)
Al在奥氏体化过程中，有将结晶粒微细化的作用，有提高韧性、延展性的效果。但是，如果添加过度，Al2O3类的粗大的非金属系夹杂物增多，使疲劳特性恶化，因此上限定为0.05％，优选为0.04％。
Ni：0.4％以下(不包括0％)
Ni是有助于提高淬火性并防止低温脆化的元素。但是如果过多，在热轧时会生成贝氏体或马氏体组织，降低韧性、延展性，因此上限定为0.4％，优选为0.3％。Ni含量优选在0.1％以上。
V：0.4％以下(不包括0％)
V在油回火处理(淬火回火)等热处理时有将结晶粒微细化的作用，有提高韧性、延展性的效果。而且在淬火再回火处理以及在卷绕后进行消除应力退火的时候，产生2次析出硬化，有助于高强度化。但是如果添加过度，则在压延时或在韧化处理时要生成马氏体或贝氏体组织，使加工性变坏，因此上限定为0.4％，优选为0.3％。V含量优选为0.1％以上。
Mo：0.05～0.5％
Mo是有助于提高抗软化性并且发挥析出硬化的效果而提高低温退火后的屈服强度的元素。Mo，例如，为0.05％以上，优选为0.10％以上。但是如果添加过度，则到油回火处理为止的阶段生成马氏体或贝氏体组织，加工性会降低，因此上限定为0.5％，优选为0.3％，更优选为0.2％。
Nb：0.05～0.5％
由于Nb形成具有针扎效应(pinning effect)的Nb炭氮化物，因此在油回火处理(淬火回火)等热处理时，有将结晶粒微细化的作用，能提高韧性、延展性。为了有效发挥这样的效果，由此定为0.05％以上，优选为0.10％以上。但是如果添加过度，会引起Nb炭氮化物凝集，反而容易使结晶粒粗大化，故此上限定为0.5％，优选为0.3％。
再说，本发明的弹簧用钢丝的组织，通常是由回火马氏体及残余奥氏体(冷却至常温后残留的奥氏体)等构成的复合组织。回火马氏体，例如为90面积％以上，残余奥氏体，例如为约5～10面积％左右。
本发明的钢丝及弹簧，通常，其原奥氏体晶粒的晶粒度级别指数在11.0以上(优选在13以上)。晶粒度级别指数越大(即结晶粒越小)，对提高疲劳寿命及抗弹减性越有效。再说，通过调整结晶粒微细化元素(Cr、Al、V、Nb)的添加量，或者通过加快在油回火处理的淬火时的加热速度，能够增大晶粒度级别指数。
还有，本发明的钢丝(油回火钢丝)及弹簧，0.2％屈服强度(σ0.2)与抗拉强度(σB)的比(屈强比；σ0.2/σB)为0.85以下(优选0.80以下)。油回火后的屈强比越小，越能防止卷绕时的折损，越能提高冷加工性。例如，通过加快在油回火处理中的回火后的冷却速度(例如水冷)，能够降低屈强比。
如上所述的本发明的钢丝及弹簧，由于合金成分被调整为合适水平，因此呈示了高强度，而且，由于结晶粒度及屈强比也被调整到合适水平，因此疲劳寿命、抗弹减性及冷加工性都优异。还有，除了调整合金成分之外，还能够通过热处理等来适当调整上述钢丝及弹簧的芯部的维氏硬度，例如为Hv550以上(优选为Hv570以上，更优选为Hv600以上)。另外，上述维氏硬度，例如，可以为Hv700以下左右，可以为Hv650以下左右。又，通过利用表面硬化处理技术(氮化处理等)等也可以进一步提高表面硬度。例如氮化处理后的(在表面形成了氮化处理层)弹簧表面硬度在Hv750以上(优选在Hv800以上)，在Hv1150以下左右(例如Hv1100以下)。
上述弹簧用钢丝(油回火钢丝)，施予温度400℃、20分钟的退火后，0.2％屈服强度(σ0.2)上升至300MPa以上(优选350MPa以上)为较理想。0.2％屈服强度的上升量(Δσ0.2)越大，越能改善抗弹减性。还有，同上述屈强比一样，通过加快在油回火处理(淬火回火)后的冷却速度(例如水冷)，也可以提高Δσ0.2。
另外，本发明的弹簧，优选使弹簧表面的残余压应力提高。残余应力越在压缩一侧，越能够提高疲劳寿命。理想的残余压应力根据弹簧是否经过氮化处理而不同，如果没有进行氮化处理，则例如为-400MPa以下(优选为-500MPa以下，更优选为-600MPa以下)。再说，当残余应力为负值时，则指压缩(还有，当正值时则指拉伸)，绝对值越大则指残余应力越大。又如果进行了氮化处理(即在弹簧表面形成有氮化处理层)，则例如为-800MPa以下(优选为-1000MPa以下，更优选为-1200MPa以下)左右。例如，通过增加喷丸硬化的次数(例如为2次以上)，可以提高弹簧表面的残余压应力。
本发明的弹簧，表面的残余压应力转变为拉应力的深度(交点)越深越好。交点越深，越能增加压缩一侧的残余应力部分，越能提高疲劳寿命。交点(深度)，例如，为0.05mm以上(优选为0.10mm以上，更优选为0.15mm以上)，为0.5mm以下(优选为0.4mm以下，更优选为0.35mm以下)左右。再说，例如，通过增加喷丸硬化的次数(例如为2次以上)或者通过增大喷丸硬化时的喷丸平均粒径(例如，在第1次的喷丸硬化时的喷丸的平均粒径定为0.7～1.2mm左右)可以加深交点。
另外，本发明的弹簧，如果进行了表面硬化处理(氮化处理等)，则硬化层(比芯部的硬度硬Hv15以上的层)的深度越大越好。硬化层越深，越能抑制疲劳龟裂的发生，越可以提高疲劳特性。硬化层深度，例如，为0.02mm以上(优选为0.03mm以上，更优选为0.04mm以上)，为0.15mm以下(优选为0.13mm以下，更优选为0.10mm以下)。还有，通过延长氮化时间或者提高氮化温度，可以使硬化层加深。
根据本发明，因为适当地调整了合金成分，所以呈示了高强度，而且因为有效利用了Cr，还适当地调整了结晶粒度及屈强比，所以可以得到疲劳寿命、抗弹减性及冷加工性都优异的弹簧用钢丝及弹簧。
实施例
以下，通过举实施例对本发明更具体地进行说明，本发明当然并不受本实施例的限制，当然能够在符合前述和后述构思的范围内进行适当地变更而实施。这些都包括在本发明的技术范围内。
实验例1
熔炼表1所示的化学成分的钢A～R(其余为Fe及不可避免的杂质)，进行热轧，制成了直径8.0mm的线材。然后，进行软化退火、表面削皮、铅浴韧化处理(加热温度：950℃、铅炉温度：620℃)后，拉丝至直径4.0mm。之后，进行油回火处理(淬火之前的加热速度：250℃/秒、加热温度：960℃、淬火油温度：70℃、回火温度：450℃、回火后的冷却速度：300℃/秒、炉内气氛：10体积％H2O+90体积％N2)，制成了油回火钢丝(钢丝)。
还有，关于钢种E2的油回火处理，回火后的冷却采用了空冷。另外，关于钢种H2的油回火处理，淬火之前的加热速度定为20℃/秒。
按照下述内容，对得到的油回火钢丝(晶界氧化层的深度：10μm以下)的特性进行了评价。
(1)抗拉强度(σB)、0.2％屈服强度(σ0.2)、晶粒度级别指数
对上述油回火钢丝进行拉伸试验，测定抗拉强度(σB)及0.2％屈服强度(σ0.2)，算出了屈强比(σ0.2/σB)。按照日本工业规格JIS G0551测定了原奥氏体晶粒的晶粒度级别指数。
(2)消除应力退火后的0.2％屈服强度的变化量(Δσ0.2)
对上述油回火钢丝进行低温退火(400℃×20分钟)后，测定该低温退火后的0.2％屈服强度(σ0.2)，从低温退火后的0.2％屈服强度(σ0.2)减去低温退火前的0.2％屈服强度(σ0.2)来求得了变化量(Δσ0.2)。
(3)加工性
按照日本工业规格JIS G 3560对上述油回火钢丝进行了卷绕试验(圈数：10圈)。
(4)疲劳寿命、残余剪应变量
对上述油回火钢丝进行冷卷绕成形(卷绕平均直径：24.0mm、圈数：6.0、有效圈数：3.5)、消除应力退火(400℃×20分钟)、端面磨削、氮化处理(氮化条件：80体积％NH3+20体积％N2、430℃×3小时)、喷丸硬化(次数：3次、喷丸的平均粒径(第1次)：1.0mm、喷丸的平均粒径(第1～3次的平均)：0.5mm)、低温退火(230℃×20分钟)、冷立定处理，以制成弹簧。
对制成的各弹簧在760±650MPa的负荷应力下并在温热(120℃)状态下进行温疲劳试验，测定了至弹簧断裂为止的循环次数(疲劳寿命)。还有在弹簧不断裂的情况下，在循环次数达到1×107次时停止了试验。
另外，将上述各弹簧在1372MPa的应力下，48小时连续压紧后(温度：120℃)，除去应力，测定试验前后的弹减量，算出了残余剪应变量。
(5)硬度、残余应力
与“(4)疲劳寿命、残余剪应变量”同样地，从上述油回火钢丝制成了弹簧。弹簧表面的维氏硬度(Hv)，是通过对该表面研磨后的样品测定维氏硬度(300gf)，再换算成垂直方向的方法(cord法)来确定。另外，切断上述弹簧，按照日本工业规格JIS Z 2244测定断面的维氏硬度(Hv)，以求得硬化层深度及芯部的维氏硬度(Hv)及硬化层(比芯部的硬度硬Hv15以上的层)的深度。还有，通过X线衍射法测定残余应力，求得弹簧表面的残余压应力及表面一侧的残余压应力变向残余拉应力的转变点(深度：交点)。
结果如表2所示。
                                                            表1
钢种                                        化学成分(质量％)※
  C   Si   Mn   Cr   Ni   V   Mo   Nb   Al
  A   0.61   1.95   0.82   1.68   0.00   0.281   -   -   0.003
  B   0.57   2.03   0.72   1.74   0.20   0.296   -   -   0.003
  C   0.60   2.03   0.73   1.75   0.20   0.296   -   -   0.032
  D   0.61   2.04   0.73   1.75   0.20   0.164   -   -   0.002
  E1、E2   0.61   2.03   0.72   1.43   0.20   0.295   -   -   0.003
  F   0.66   2.03   0.75   1.75   0.21   0.295   -   -   0.003
  G   0.60   1.99   0.73   2.04   0.21   0.153   -   -   0.003
  H1、H2   0.60   1.99   0.73   1.74   0.22   -   0.15   -   0.001
  I   0.65   1.31   0.85   1.71   0.00   0.110   0.12   -   0.008
  J   0.56   1.75   1.21   1.55   0.00   -   -   0.22   0.020
  K   0.62   1.85   0.31   1.60   0.00   0.251   -   -   0.001
  L   0.55   1.45   0.70   0.70   0.00   -   -   -   0.002
  M   0.63   1.40   0.60   0.65   0.00   0.110   -   -   0.003
  N   0.60   1.50   0.70   0.90   0.25   0.060   -   -   0.003
  O   0.61   2.00   0.85   1.05   0.25   0.110   -   -   0.002
  P   0.47   1.81   0.92   1.55   0.00   0.145   -   -   0.003
  Q   0.82   0.78   0.82   0.25   0.00   -   -   -   0.002
  R   0.62   1.93   0.86   1.62   0.00   0.221   -   -   0.070
※：余量为Fe以及不可避免的杂质
                                                                             表2
实验例 钢种 σ0.2/σB   晶粒度级别指数 Δσ0.2        硬度(Hv)   硬化层深度(mm)   表面的残余压应力(MPa)   交点(mm)   卷绕试验   疲劳寿命(×105次)   残余剪切应变量(％)
  表面   芯部
  1   A   0.75   13.0   317   911   607   0.11   -1455   0.25   OK   100以上   0.135
  2   B   0.79   14.0   329   974   615   0.10   -1591   0.24   OK   100以上   0.130
  3   C   0.78   14.0   390   940   631   0.13   -1640   0.25   OK   100以上   0.123
  4   D   0.74   13.5   425   815   620   0.10   -1480   0.21   OK   100以上   0.135
  5   E1   0.81   14.0   375   841   617   0.13   -1457   0.22   OK   100以上   0.130
  6   E2   0.89   13.0   263   830   622   0.12   -1570   0.22   折损   100以上   0.171
  7   F   0.78   13.5   380   889   613   0.11   -1369   0.21   OK   100以上   0.125
  8   G   0.67   13.5   442   823   618   0.10   -1499   0.24   OK   100以上   0.123
  9   H1   0.67   13.5   351   817   630   0.06   -1463   0.25   OK   100以上   0.149
  10   H2   0.82   10.5   215   833   605   0.08   -1380   0.22   OK   31   0.250
  11   I   0.75   12.0   320   850   571   0.12   -1464   0.19   OK   100以上   0.175
  12   J   0.78   14.0   342   822   596   0.08   -1552   0.19   OK   100以上   0.128
  13   K   0.81   13.5   331   905   620   0.17   -1582   0.23   OK   100以上   0.127
  14   L   0.92   10.5   45   733   553   0.08   -1030   0.23   OK   4   0.348
  15   M   0.91   11.0   60   738   561   0.09   -1105   0.25   OK   7   0.250
  16   N   0.92   12.0   51   750   559   0.09   -987   0.24   0K   6   0.245
  17   O   0.89   12.0   95   802   581   0.12   -1235   0.24   OK   18   0.215
  18   P   0.86   10.0   122   811   530   0.12   -847   0.21   折损   2   0.322
  19   Q   0.95   10.0   17   711   589   0.06   -830   0.18   折损   7   0.301
  20   R   0.83   13.0   357   845   625   0.12   -1489   0.23   OK   2   0.141
从表1以及表2明显看出，No.18因为C含量不足，所以没达到规定的强度，而且疲劳寿命及抗弹减性都不足。No.20因为Al过多，氧化物类夹杂物变得粗大，成为断裂的起点，所以疲劳寿命较短。另外，No.14～17及19也因为Cr含量不足，所以疲劳寿命不足。
与此相对，No.1～5、7～9及11～13，由于适当地调整了各种化学成分，而且添加了给定量的Cr，还适当地控制了结晶粒度及屈强比，因此疲劳寿命、抗弹减性及加工性都优异。
再说，从No.6明显看出，如果屈强比(σ0.2/σB)及0.2％屈服强度的变化量(Δσ0.2)的条件不适当，加工性就会变坏。另外，虽然比上述No.14～17有所改善，但是抗弹减性不足。
另外，从No.10明显看出，如果结晶粒变大(晶粒度级别指数变小)，则虽然比No.14～17有所改善，但是疲劳寿命及抗弹减性不足。
工业上的利用可能性
本发明的钢丝及弹簧，因为疲劳特性、抗弹减性及加工性优异，所以有用于要求具有这些特性的用途，特别适用于机械的复位机构的弹簧等，如汽车发动机的气门弹簧、悬吊系统的悬架弹簧、离合器弹簧、制动弹簧等。

Claims (6)

1.一种加工性优异的高强度弹簧用钢丝，其特征在于：
具有回火马氏体组织；
以质量％计，含有C：0.53～0.68％、Si：1.2～2.5％、Mn：0.2～1.5％、Cr：1.4～2.5％以及Al：0.05％以下并且不包括0％；
还含有选自Ni：0.4％以下并且不包括0％、V：0.4％以下并且不包括0％、Mo：0.05～0.5％以及Nb：0.05～0.5％中的至少1种；
其余为Fe以及不可避免的杂质；
其原奥氏体晶粒的晶粒度级别指数在11.0以上；
0.2％屈服强度(σ0.2)与抗拉强度(σB)的比(σ0.2/σB)在0.85以下。
2.根据权利要求1所述的高强度弹簧用钢丝，其特征在于，Mn为0.5～1.5％
3.根据权利要求1所述的高强度弹簧用钢丝，其特征在于，施予温度400℃、20分钟的退火后，其0.2％屈服强度(σ0.2)上升300MPa以上。
4.一种高强度弹簧，其特征在于，是由根据权利要求1所述的高强度弹簧用钢丝来制成的。
5.根据权利要求4所述的高强度弹簧，其特征在于，
芯部的硬度在Hv550～700，
弹簧表面的残余压应力在-400MPa以下，而且
所述表面的残余压应力转变为拉应力的深度在0.05mm以上且0.5mm以下。
6.根据权利要求4所述的高强度弹簧，其特征在于：
在表面形成有氮化处理层；
表面的硬度在Hv750～1150；
芯部的硬度在Hv550～700；
比芯部硬度还硬Hv15以上的硬化层的深度在0.02mm以上且0.15mm以下；
弹簧表面的残余压应力在-800MPa以下；而且
所述表面的残余压应力转变为拉应力的深度在0.05mm以上且0.5mm以下。
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