车辆用板簧及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及轿车、载重汽车、公共汽车、铁道等车辆的悬架用板簧及其制造方法，特别是涉及尽可能提高耐疲劳性的技术。
背景技术
现在，车辆用板簧(以下简称为“板簧”)，是将弹簧钢进行成形后再进行淬火、回火，然后在常温下进行喷丸硬化处理而制成的。这种情况下的喷丸硬化处理，是将钢铁制的弹丸以高速对在将板簧安装在车辆上的状态下作用有拉伸应力的面进行碰撞的处理，这样，使在其表面部位上产生压缩残余应力，从而可提高耐疲劳性。
近年来，人们还知道，如美国专利第959,801号、美国专利第3,094,768号、特开平5-148537号公报等所揭示的那样，边对弹簧钢赋予应力、边在常温下进行喷丸硬化的加载状态喷丸强化处理。这种加载状态喷丸强化处理，与通常的喷丸硬化处理相比，可产生更大的残余压缩应力。
另外，板簧所用的弹簧钢，现在一般是SUP 6(硅锰钢)、SUP 9或SUP 9A(铬锰钢)、SUP 11A(锰铬硼钢)，这些钢进行淬火、回火热处理后的布氏硬度为388-461 HBW(布氏球痕直径为2.85-3.10mm)。近年来，正在研究采用布氏硬度为444-495 HBW(布氏球痕直径为2.75-2.90mm)的SUP 10(铬钒钢)。采用该钢种，由于硬度高且晶粒细小，故虽然残余压缩应力的大小与进行加载状态喷丸强化处理地情况相同，但可使耐疲劳性进一步提高。
图8是表示SUP 9或SUP 9A、SUP 11A钢种在热处理后在常温下进行了喷丸硬化处理的板簧(1)，和同样的钢种在热处理后在常温下进行了加载状态喷丸强化处理的板簧(2)，和SUP 10钢种在热处理后进行了加载状态喷丸强化处理的板簧(3)进行疲劳试验的结果之S-N线图。该疲劳试验设定板簧上的应力(平均应力)为686MPa，并对该应力赋予应力振幅地进行。根据图8所判断的那样，耐疲劳次数为(1)＜(2)＜(3)。另外，板簧(2)、(3)的残余压缩应力均为80kgf/mm2。
如上所述，若采用SUP 10进行加载状态喷丸强化处理，则耐疲劳性显著提高。但是，SUP 10与SUP 6和SUP 9等相比，价格高，故存在着材料费增加的缺点。
【发明内容】
因此，本发明的目的在于提供一种采用SUP 9和SUP 11等廉价的材料而可以获得与用SUP 10进行加载状态喷丸强化处理同等的耐疲劳性的板簧及其制造方法。
本发明的板簧的制造方法的特征是，将由布氏硬度为388 HBW以上且小于555 HBW(用布氏球痕直径表示，直径为3.10mm的硬度以上且小于直径为2.70mm的硬度)的弹簧钢构成的板簧主体保持在150-400℃温度下，并且边对板簧主体施加与其使用状态相同方向的负荷、边对作用有拉伸应力的面进行第一次喷丸硬化处理。以下，对本发明的作用以及限定上述数值的根据进行说明。另外，在以下说明中，将本发明的喷丸硬化处理称为温热加载状态喷丸强化处理。
弹簧钢硬度：388-555HBW
图1是表示对设定了各种淬火、回火后的硬度的、由弹簧钢构成的板簧进行温热加载状态喷丸强化处理后的耐疲劳次数之S-N线图。该温热加载状态喷丸强化处理是边对板簧的作用有拉伸应力的面施加1400MPa应力、边保持在250-300℃温度下进行的。另外，该疲劳试验是将平均应力设为686MPa、应力振幅设为720MPa进行的。
如图1所示，弹簧钢的硬度以布氏球痕直径(HBD)表示，在直径为3.10mm以上、且小于2.70mm时，可确保耐疲劳次数为10万次，但在脱离该范围的硬度时，耐疲劳次数小于10万次。另外，HBD是用将直径为10mm的硬质合金球以3000kgf负荷按压试样表面时所产生的凹坑的直径来表示的。这是因为弹簧钢的硬度为HBD 2.70mm以上时，切口敏感性高，耐疲劳性的离散增加，结果，平均耐疲劳次数降低。另外，材料硬时，产生加载状态喷丸强化处理的弹丸的硬度低于材料硬度的问题。这意味着喷丸加工变得困难，对提高疲劳强度最有效的压缩残余应力层不能充分地形成，也带来不能提高疲劳强度的本质问题。
另一方面，弹簧钢的硬度小于HBD 3.1mm时，低温蠕变特性(耐弹力减弱性)降低，其结果，耐疲劳次数也降低。图2是表示对设定了各种淬火、回火后的硬度的、由弹簧钢构成的板簧主体进行温热加载状态喷丸强化处理后，施加100MPa应力72小时，去除负荷后测定残余剪切变形的结果之线图。如根据图2所判断的那样，弹簧钢的硬度若小于HBD 3.10mm，则残余剪切变形急剧增加，耐弹力减弱性降低。
温热加载状态喷丸强化处理温度：150-400℃
图3是表示关于采用各种钢种并且设定各种淬火，回火后的保持温度进行加载状态喷丸强化处理后的板簧的、距材料表面的深度与残余压缩应力大小的关系的线图。如根据图3所判断的那样，在150℃温度下进行温热加载状态喷丸强化处理的虽然是CUP 9等普通的弹簧钢，但与用SUP 10在常温下进行加载状态喷丸强化处理的弹簧钢相比，压缩残余应力大，而且其深度较深。另外，在400℃温度下进行温热加载状态喷丸强化处理的板簧，残余压缩应力大幅度增大，而且其深度也大幅度变深。而对通常的材料在常温下进行加载状态喷丸强化处理后，与用SUP 10在常温下进行加载状态喷丸强化处理后的材料相比，残余压缩应力低，另外，用通常的材料在常温下进行喷丸硬化处理后，残余压缩应力更加降低。因此，可以判断，通过将材料保持在150-400℃温度下进行加载状态喷丸强化处理，即使是廉价的材料，也可以增加耐疲劳次数。
另外，加载状态喷丸强化处理的保持温度超过400℃时，加载状态喷丸强化处理的加工程度大，表面粗糙度增加，其结果，切口敏感性增加，耐疲劳次数降低。另外，超过400℃时，压缩残余应力显著释放，也是耐疲劳性降低的一个原因。喷丸硬化处理时的保持温度最好为150-350℃，若为250-325℃，则更加合适。
【附图说明】
图1是表示用来说明本发明的作用的硬度与折坏次数的关系之图。
图2是表示用来说明本发明的作用的硬度与残余剪切变形的关系之图。
图3是表示用来说明本发明的作用的距表面的距离与残余压缩应力的关系之图。
图4A是表示本发明的实施形式的板簧之侧视图，图4B是其后视图。
图5是表示本发明的实施形式中的板簧制造工序之图。
图6是本发明的实施例的S-N线图。
图7是本发明的实施例中的另一S-N线图。
图8是现有的板簧中的S-N线图。
【具体实施方式】
以下，对本发明的合适实施形式进行说明。
为更有效地进行本发明的温热加载状态喷丸强化处理，最好通过施加在板簧主体上的负荷来对表面施加1200-1900MPa的拉伸应力。根据本发明人等的研究，若拉伸应力小于1200MPa，则残余压缩应力值不够大，另外，若拉伸应力大于1900MPa，则特别是在钢种为SUP 11A时，在加载状态喷丸强化处理时，板簧中央所形成的孔处往往会折坏。
另外，第一次喷丸硬化处理后，若使用平均粒径比第一次喷丸硬化处理中所用的弹丸的平均粒径小的弹丸，而且将板簧主体保持在150-400℃温度下，并边对板簧主体施加与其使用状态相同方向的负荷边对作用有拉伸应力的面进行第二次喷丸硬化处理是合适的。这样，用小直径的弹丸可以对板簧主体的最表面部位赋予塑性变形，可以提高该部分的压缩残余应力，从而可以进一步提高耐疲劳性。更具全地说，第一次喷丸硬化处理所用的弹丸的平均粒径为0.8-1.2mm，第二次喷丸硬化处理所用的弹丸的平均粒径为0.2-0.6mm即可。
根据上述的板簧制造方法，即使用SUP 9等廉价材料构成时，也可获得与SUP 10进行加载状态喷丸强化处理后的材料同等以上的耐疲劳性。本发明是用上述制造方法制造的板簧，其特征是，残余压缩应力分布在距作用有拉伸应力的面的表面为0.4-0.6mm深的范围，该残余压缩应力的最大值为800-1800N/mm2。
用于本发明的合适的弹簧钢是SUP 9和SUP 11等，较合适的是具有下述表1所示的成分的弹簧钢。
表1 C Si Mn P S Cr B Fe SUP9 0.56～ 0.60 0.1 5～ 0.35 0.80～ 1.00 0.03 以下 0.03 以下 0.80～ 1.00 - 其余 部分 SUP11 0.5 6～ 0.64 0.1 5～ 0.35 0.80～ 1.00 0.03 以下 0.03 以下 0.80～ 1.00 0.0005 ～0.005 其余 部分
图4是表示实施形式的板簧之图。将从该板簧的中央部向两侧逐渐减薄的板簧主体1的两端部卷起而形成安装部2，在板簧主体1的中央部形成有安装托架等部件用的孔3。该板簧成形为图中点划线所示的弯曲的形状，在使用状态下沿着箭头方向给予图中以W所示的负荷。
图5是表示为制造上述板簧的工序之图。首先，对入厂的材料进行检查，切断成规定尺寸的板材，并在中央机械加工孔3。然后，将板材加热，并进行轧制加工，使两端部逐渐减薄。接着，对板材两端部之中卷起的部分进行机械加工，使其宽度逐渐变窄，加热后将两端部卷起而形成安装部2。这样，所形成的板簧的半成品加热后被弯曲成形，再投入淬火槽进行淬火。其后，对半成品进行回火，接着，在保持成150-400℃温热区域的温热加载状态喷丸强化装置内进行加载状态喷丸强化处理。这时，利用适宜的夹具对半成品施加图4中箭头所示方向的负荷，从与箭头相反以一侧方向向半成品喷射弹丸。
然后，对自然冷却后的半成品进行涂漆，安装托架等，同时，根据规格将数片半成品组合起来。其后，对板簧组装体进行调整，使得在使用时的负荷方向上施加超过弹性限度的负荷，经过涂漆和检查，便成为板簧的成品。
尽管在上述制造工序中，采用保持成温热区域的温热加载状态喷丸强化装置，但也可以采用常温加载状态喷丸强化装置。即，也可以如图5中双点划线所示，在紧靠常温加载状态喷丸强化装置的上游侧设置专用回火装置，从回火装置出来的半成品趁在未冷却期间搬入常温加载状态喷丸强化装置而进行加载状态喷丸强化处理。或者，为了缩短制造时间，也可以将从温热或常温加载状态喷丸强化装置出来的半成品在冷却装置中进行冷却。
实施例1
下面，表示具体的制造例且对本发明更详细地进行说明。将由SUP9构成的板材成形为图4所示的形状，进行淬火、回火后再进行温热加载状态喷丸强化处理。温热加载状态喷丸强化处理，是边对板簧的作用有拉伸应力的面施加1400MPa的应力、边保持在250-300℃温度下进行的。然后，设定该板簧上的平均应力为686MPa、并设定了各种应力振幅进行了疲劳试验。另外，为了进行比较，将由SUP 10构成的板材成形为图4所示的形状，进行淬火、回火后，边施加1400MPa的应力、边进行加载状态喷丸强化处理。对该板簧在与上述条件相同的条件下进行疲劳试验。其结果示于图6。如图6所示，进行了温热加载状态喷丸强化处理的本发明的板簧，与用SUP 10进行了加载状态喷丸强化处理的板簧具有同等以上的耐疲劳次数。
实施例2
用各种弹簧钢制造了图4所示的板簧。这时，对板簧进行常温下的喷丸硬化处理(SP)、常温下的加载状态喷丸强化处理(SSP)、温热加载状态喷丸强化处理(WSSP)的任一种处理。在这种情况下，常温下的喷丸硬化处理和常温下的加载状态喷丸强化处理是施加900MPa的应力进行的，温热加载状态喷丸强化处理是施加1400MPa的应力进行的，温热加载状态喷丸强化处理是保持在250-300℃温度下进行的。
对以上的板簧，将平均应力设为686MPa，并设定各种应力振幅，进行了疲劳试验。其结果示于图7。图6中的虚线是在将SUP 10进行常温下的加载状态喷丸强化处理后，将板簧耐疲劳次数的曲线的最小值连接起来而成的。SUP 9和SUP 11进行温热加载状态喷丸强化处理后的板簧耐疲劳次数的曲线在虚线的大致上侧或右侧，故可以判断，显示了与用SUP 10进行常温下加载状态喷丸强化处理后的板簧具有同等以上的耐疲劳次数。