專利名稱：高強度彈簧鋼、高強度彈簧的制造方法及高強度彈簧的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于車輛用彈簧部件等的高強度彈簧鋼、高強度彈簧的制造方法及由該方法制造的高強度彈簧。
背景技術：
受到以防止全球變暖為目的的環境評估，在汽車業界為了限制二氧化碳排放量，希望車體的輕量化。作為實現車體輕量化這一愿望的途徑之一，有車體支撐用螺旋彈簧的高強度化。此外，另一方面，車體支撐用螺旋彈簧由于要置于嚴酷的腐蝕環境下，因此要求其具備耐久性。為了確保螺旋彈簧在腐蝕環境下的耐久性，進行了添加具備耐腐蝕性效果的Ni，Cr, Mo，V等合金元素來使材料的耐腐蝕性提高的研究開發，提出了各種技術方案。作為這樣的使耐腐蝕性及耐延遲斷裂性提高的方法，例如專利文獻I記載的添加有Ni，Cr, Mo，V等昂貴合金元素的螺旋彈簧用高強度鋼(以下、稱為現有高Cr鋼)由于隨著使用環境越嚴酷，合金元素的添加量越多，因此原料成本升高。此外，Cr的大量添加不僅成本高，而且導致原料供給體制的不穩定，還有在物理上也存在使腐蝕坑的形狀呈銳角的負面影響。即，Cr存在對全面腐蝕起到正面作用，但是對于腐蝕坑(孔蝕)起到負面作用的抉擇關系，作為添加量，不清楚何值是Cr量的最優值。還有，Ni雖具有提高耐腐蝕性的作用及使銹的無定形組成增大來減小腐蝕坑的深寬比的作用，但是不僅導致成本大增，而且出產Ni的國家或地區分布不均勻，原料供給體制不穩定。基于這樣的背景，進一步進行了消除上述不穩定因素的研究，提出了各種技術方案。例如在專利文獻2中記載了以低Cr含量、低Ni含量得到了所希望的高強度的螺旋彈簧用高強度鋼。在該專利文獻2中提出為了實現低合金量的高強度彈簧鋼，使用3個參數值Ceql，Ceq2，Ceq3規定構成元素的組成比。現有技術文獻專利文獻專利文獻1:日本專利特開平7-173577號公報專利文獻2:日本專利特開號公報

發明內容
但是，關于上述專利文獻2記載的彈簧鋼(以下，稱為現有鋼)的性能，本發明者進行進一步試驗來作了調查，結果判明現有鋼中包含腐蝕壽命未達到作為螺旋彈簧的實用水平的鋼種。即明確了專利文獻2的基于3個參數值Ceql，Ceq2, Ceq3的分析對于強度來說是充分，但對于腐蝕壽命(腐蝕耐久性)則是不夠的。因此，就現有鋼綜合來看，存在未必可以說具備作為螺旋彈簧鋼所必需且足夠的性能的問題。本發明就是為了解決上述課題而完成的，目的是提供實現高強度化，且Ni，Cr，Mo，V的合金元素的添加量少的低成本的高強度彈簧鋼，而且該高強度彈簧鋼在定義的組成比上耐腐蝕性及耐孔蝕性優異具有實用的腐蝕壽命，提供高強度彈簧的制造方法及高強度彈簧。本發明的高強度彈簧鋼(以下、稱為本發明鋼)的特征是，以質量％計含有C:0.38 0.44%、S1:2.00 2.30%、Mn:0.79 1.25%,Cr:0.10 0.43%、N1:0.15 0.35%、Cu:0.15 0.35%、T1:0.05 0.13%、P:0.02% 以下(不包括 0%)、S:0.02% 以下(不包括0%)、A1:0.003 0.10%、Ν:0.002 0.012%, O: 0.0002% 以下(不包括 0%)，其余包含鐵及不可避免的雜質，由下式(I)求得的作為脫碳性能的指標的八(33相變點在859°C以上885°C以下的范圍，且由下式(2)求得的作為淬火性能的指標的最大淬火直徑DI在70mm以上238mm以下的范圍、且由下式⑶求得的作為彈簧性能的指標的回火硬度HRC在50以上55以下的范圍。Acj=O 10-203 X {C -15.2N1+44.7S1 + 104V+31.5Mo+13.1W …⑴DI=D0XfsiXffcXfpXfsXfCuXfNiXfcr...(2)HRC=38.99+17.48C+2.55Si_2.28Ν +2.37Cr+8.04Ti …(3)其中、D0=S.65X/C ' fSi=l+0.64X%S1、f^l+4.10X%Mn、fP=l+2.83X%P、
fs=l-0.62X%S、fCu=l+0.27X%Cu、fNi=l+0.52X%N1、fCr=l+2.33X%Cr。本發明的高強度彈簧的制造方法的特征是，將以質量％計含有C:0.38 0.44%、S1:2.00 2.30%、Mn:0.79 1.25%、Cr:0.10 0.43%、N1:0.15 0.35%、Cu:0.15 0.35%、T1:0.05 0.13%、P:0.02% 以下(不包括 0%)、S:0.02% 以下(不包括 0%)、Al:0.003 0.10%、Ν:0.002 0.012%、O:0.0002%以下(不包括0%)，其余包含鐵及不可避免的雜質，由下式(I)求得的作為脫碳性能的指標的八(:3相變點在859°C以上885°C以下的范圍，且由下式(2)求得的作為淬火性能的指標的最大淬火直徑DI在70mm以上238mm以下的范圍，且由下式⑶求得的作為彈簧性能的指標的回火硬度HRC在50以上55以下的范圍的鋼以熱軋或冷軋加工成線材，卷制成形為所希望的螺旋彈簧形狀，實施淬火回火的熱處理，進行加溫立定處理、溫熱噴丸硬化(日語:溫熱噴丸硬化)、預調處理(日語:7°
七7予父夕'' )。Acs=9i0-203XfC ~15.2Ν +44.7Si + 104V+3L, 5Mo+13, If …⑴DI=D0XfsiXffcXfpXfsXfcuXfmXfcr...(2)HRC=38.99+17.48C+2.55Si_2.28Ν +2.37Cr+8.04Ti …(3)其中，D0=8.65X/C、fSi=l+0.64X%S1、^=I+4.10X%Mn、fP=l+2.83X%P、
fs=l-0.62X%S、fCu=l+0.27X%Cu、fNi=l+0.52X%N1、fCr=l+2.33X%Cr。本說明書中記載的用語如下定義。淬火系數％是由晶粒度和碳含量規定的系數，在計算最大淬火直徑DI時使用。晶
粒度號為N0.7時，淬火系數Dq由8.6δXf C給出。S卩，淬火系數Dq的數值8.65從根本上
是由晶粒度(Grain Size)N0.7決定的系數。例如，該系數在晶粒度(Grain Size)N0.6時為 9.40，在晶粒度(Gr ain Size) N0.8 時為 7.95。附圖的簡單說明


圖1為分別示意地表示了從腐蝕坑的產生至龜裂的擴展的狀況的截面示意圖。圖2為對比實施例和比較例，表示重復循環數與腐蝕減量的相關性的特性線圖。圖3為對比實施例和比較例，表示重復循環數與蝕坑的深寬比的相關性的特性線圖。圖4為表示在實施例試樣產生的腐蝕坑的深度和發生頻率的相關性的特性線圖。圖5為表示在比較例試樣產生的腐蝕坑的深度與發生頻率的相關性的特性線圖。圖6為至各種螺旋彈簧折損為止的次數與應力振幅的相關性的特性圖。圖7為各種螺旋彈簧的緊固應力與殘余剪切應力的相關性的特性圖。發明的
具體實施例方式以下、說明本發明的優選實施方式。本發明鋼大致具有以下3個特征。第一，脫碳是左右彈簧性能的重要要素，是在決定成分上必須考慮的重要研究項目之一。作為研究脫碳的一個途徑有規定兩相區和奧氏體區邊界的Ac3相變點。該八(:3相變點小則加熱溫度降低，而且即使是相同的加熱溫度也可以將至淬火前的允許溫度設定得低，所以認為對脫碳是有利。由于現有高Cr鋼的最佳成分時的Ac3點為867°C，因此本發明鋼為了至少達到與現有高Cr鋼同等的Ac3點，在確保彈簧性能(大氣耐久性、應力松弛性、腐蝕耐久性)、淬火性、回火硬度的同時進行成分設計的研究。這里最佳成分不一定相當于上限值與下限值的中央的值(算術平均值)。最佳成分應通過綜合評價彈簧性能、淬火性、回火硬度來確定，還是較上限值和下限值的算術平均值稍低的值的情況多。其結果，本發明鋼的最佳成分時的Ac3點達到867°C，以不添加V、低Ni的成分就可得到與現有高Cr鋼基本同等的脫碳性能。作為脫碳指標的Ac3相變點用式(I)算出。脫碳的水平按照達到與現有高Cr鋼(現有鋼)相同的條件來調整。Ac3相變點用式(I)算出，為眾所周知的實驗式。但是，這些成分不僅僅取決于脫碳，由于對腐蝕耐久性及應力松弛起正面作用，因此在補充因減少N1、V而腐蝕耐久性及應力松弛劣化的問題的同時，按照Ac3相變點和回火硬度達到與現有高Cr鋼相同的條件來調整。第二，彈簧的硬度是左右彈簧性能的重要要素，無論彈簧的線徑及大小如何都為均一的硬度是非常重要的。為此，必須考慮淬火性進行研究。本發明中為了研究淬火性而采用最大淬火直徑DI。為了計算最大淬火直徑DI，使用上述(2)式表示的H.H0ll0m0n&L.D.Jaffe 公式。第三，回火硬度確定螺旋彈簧的最終硬度，對彈簧性能的影響大，如果能夠以與現有高Cr鋼相同的回火溫度得到相同的硬度，則無需改變回火溫度即可生產，因此在考慮彈簧的生產性上是重要的要素之一。回火硬度的計算使用上述(3)式。該式(3)是對過去進行過試驗的不同鋼種的試驗結果進行多變量分析而求得的回歸式(實驗式)。與上述脫碳同樣，鋼成分的組成不僅僅取決于回火硬度，調整成綜合滿足腐蝕耐久性及應力松弛性及Ac3相變點及脫碳等的鋼成分的組成。現有高Cr鋼的回火溫度TC時的回火硬度在最佳成分時為52.5HRC。與此相對，本發明鋼的相同的回火溫度TC時的回火硬度為52.6HRC。如上所述，按照以最佳成分得到相同的回火硬度的條件調整C、S1、N1、Cr、Ti的量。以下列出具備這3個特征的本發明的高強度彈簧鋼、高強度彈簧的制造方法及高強度彈簧。
(I)本發明的高強度彈簧鋼的特征是，以質量％計含有C:0.38 0.44%、S1:2.00 2.30%、Mn:0.79 1.25%、Cr:0.10 0.43%、N1:0.15 0.35%、Cu:0.15 0.35%、T1:0.05 0.13%、P:0.02% 以下(不包括 0%)、S:0.02% 以下(不包括 0%)、Al:0.003 0.10%、N:0.002 0.012%、O:0.0002%以下(不包括0%)，其余包含鐵及不可避免的雜質，由下式(I)求得的作為脫碳性能的指標的八化相變點在859°C以上885°C以下的范圍，且由下式(2)求得的作為淬火性能的指標的最大淬火直徑DI在70mm以上238mm以下的范圍，且由下式⑶求得的作為彈簧性能的指標的回火硬度HRC在50以上55以下的范圍。
權利要求
1.高強度彈簧鋼，其特征在于，以質量％計含有C:0.38 0.44%、S1:2.0O 2.30%、Mn:0.79 1.25%、Cr:0.10 0.43%、N1:0.15 0.35%、Cu:0.15 0.35%、T1:0.05 0.13%、P:0.02% 以下(不包括 0%)、S:0.02% 以下(不包括 0%)、Al:0.003 0.10%、N:0.002 0.012%、0:0.0002%以下(不包括0%)、其余包含鐵及不可避免的雜質， 由下式(I)求得的作為脫碳性能的指標的六^相變點在859°C以上885°C以下的范圍，且由下式(2)求得的作為淬火性能的指標的最大淬火直徑DI在70mm以上238mm以下的范圍，且由下式⑶求得的作為彈簧性能的指標的回火硬度HRC在50以上55以下的范圍；Aei=910-2():1X/C -15.2Χ +44.7Si + 104V+31.8Mo+13.1f...(I) DI=D0XfsiXffcXfpXfsXfcuXfmXfcr...(2)HRC=38.99+17.48C+2.55Si_2.28Ν +2.37Cr+8.04Ti …(3) 其中、D0=8.65X、rC、fSi=l+0.64X%S1、fMn=l+4.10X%Mn、fP=l+2.83X%P、fs=l-0.62X%S、fCu=l+0.27X%Cu、fNi=l+0.52X%N1、fCr=l+2.33X%Cr。
2.高強度彈簧的制造方法，其特征在于，將鋼以熱軋或冷軋加工成線材，卷制成形為所希望的螺旋彈簧形狀，實施淬火回火的熱處理，進行加溫立定處理、溫熱噴丸硬化、預調處理，所述鋼以質量％計含有C: 0.38 0.44%、S1:2.00 2.30%、Mn:0.79 1.25%、Cr:0.10 0.43%、N1:0.15 0.35%、Cu:0.15 0.35%、T1:0.05 0.13%、P:0.02% 以下(不包括 0%)、S:0.02% 以下(不包括 0%)、A1:0.003 0.10%、Ν:0.002 0.012%, O: 0.0002%以下(不包括0%)、其余包含鐵及不可避免的雜質，由下式(I)求得的作為脫碳性能的指標的八(:3相變點在859°C以上885°C以下的范圍，且由下式(2)求得的作為淬火性能的指標的最大淬火直徑DI在70mm以上238mm以下的范圍，且由下式(3)求得的作為彈簧性能的指標的回火硬度HRC在50以上55以下的范圍；Ac:i=910-203 X(C -15.2Ni +44.7SI + 104V+31.Rlk)+13.1ff …(I) DI=D0XfsiXffcXfpXfsXfcuXfmXfcr...(2)HRC=38.99+17.48C+2.55Si_2.28Ν +2.37Cr+8.04Ti …(3) 其中，Do-8.65X、fSi=l+0.64X%S1、fMn=l+4.10X%Mn、fP=l+2.83X%P、fs=l-0.62X%S、fCu=l+0.27X%Cu、fNi=l+0.52X%N1、fCr=l+2.33X%Cr。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，通過將所述線材利用熱卷成形或冷卷成形卷制成形為上述所希望的螺旋彈簧形狀，實施溫熱噴丸硬化，使最大剪切應力在1176MPa以上。
4.如權利要求2所述的方法，其特征在于，在200°C以上300°C以下的范圍進行所述溫熱噴丸硬化。
5.高強度彈簧，其特征在于，使用權利要求2 4中任一項所述的方法制造。
全文摘要
高強度彈簧鋼的特征是以質量%計含有C:0.38～0.44%、Si:2.00～2.30%、Mn:0.79～1.25%、Cr:0.10～0.43%、Ni:0.15～0.35%、Cu:0.15～0.35%、Ti:0.05～0.13%、P:0.02%以下、S:0.02%以下、Al:0.003～0.10%、N:0.002～0.012%、O:0.0002%以下、其余包含鐵及不可避免的雜質，由下式(1)求得的作為脫碳性能的指標的Ac3相變點在859℃以上885℃以下的范圍，且由下式(2)求得的作為淬火性能的指標的最大淬火直徑DI在70mm以上238mm以下的范圍，且由下式(3)求得的作為彈簧性能的指標的回火硬度HRC在50以上55以下的范圍。，DI=DO×fSi×fMn×fP×fS×fCu×fNi×fCr…(2)，HRC=38.99+17.48C+2.55Si-2.28Ni+2.37Cr+8.04Ti…(3)，其中，fSi=1+0.64×%Si、fMn=1+4.10×%Mn、fP=1+2.83×%P、fS=1-0.62×%S、fCu=1+0.27×%Cu、fNi=1+0.52×%Ni、fCr=1+2.33×%Cr。
文檔編號C21D9/02GK103201404SQ201180054020
公開日2013年7月10日 申請日期2011年10月21日 優先權日2010年11月11日
發明者岡田秀樹, 丹下彰, 丹后公一, 住吉功 申請人:日本發條株式會社