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用于车辆发动机的高强度阀门弹簧及其制造方法
申请号	CN201110071589.0	申请日	2011-03-21	公开(公告)号	CN102451977B	公开(公告)日	2016-08-31
申请人	现代自动车株式会社; 起亚自动车株式会社;			发明人	李正锡;
摘要	本发明涉及一种制造用于车辆发动机的高强度阀门弹簧的方法，其包括：(a)使用辊式夹具将高强度盘条形成弹簧形式；(b)用旋转式切割刃切割形成的弹簧的端部；(c)在大约390?410℃进行残余应力消除热处理约20到40分钟；(d)进行喷丸处理以用微细珠粒对弹簧的表面施加压应力；以及(e)进行热定形以预先对所述弹簧施加塑性变形。因此，防止了弹簧形成过程中的损坏，且防止了残余应力消除热处理工艺中硬度衰减。
权利要求	1.一种制造用于车辆发动机的高强度阀门弹簧的方法，包括如下步骤： (a)使用辊式夹具将高强度盘条形成弹簧的形式； (b)用旋转式切割刃切割所形成的弹簧的端部； (c)在390-410℃进行残余应力消除热处理20-40分钟； (d)进行喷丸处理以用微细珠粒对所述弹簧的表面施加压应力；以及 (e)进行热定形以预先对所述弹簧施加塑性变形，其中所述阀门弹簧的所述高强度盘条包括0.63-0.69wt％的碳(C)、2.10-2.30wt％的硅(Si)、0.60-0.80wt％的锰(Mn)、0.020wt％或更少的磷(P)、0.020wt％或更少的硫(S)、 0.80-1.00wt％的铬(Cr)、0.10-0.20wt％的钒(V)、0.05-0.15wt％的钼(Mo)、0.25- 0.35wt％的镍(Ni)、以及0.001-0.005wt％的硼(B)。 2.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(e)在235-245℃的温度维持15-25分钟，然后在最大弹簧位移施加负载1.5-2.5秒。 3.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(d)用SWRH82A作为材料进行喷丸处理工艺，首先利用直径约0.6mm的喷珠进行约40分钟，然后使用直径约0.3mm的喷珠进行约20分钟。 4.一种根据权利要求1所述的方法制造的用于车辆发动机的高强度阀门弹簧。
说明书全文	用于车辆发动机的高强度阀门弹簧及其制造方法 [0001] 相关申请的交叉参考 [0002] 本申请基于并要求2010年10月19日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2010-0101854的优先权。其公开内容包括在此以供参考。技术领域 [0003] 本发明涉及制造用于车辆发动机的高强度阀门弹簧的方法和使用该方法制造的高强度阀门弹簧。更特别地，本发明涉及用于车辆发动机的高强度阀门弹簧及其制造方法，其可防止弹簧的损坏和老化，特别地，其中弹簧是用高强度盘条(wire rod)形成的。背景技术 [0004] 用于车辆发动机的阀门弹簧与连接阀门与凸轮轴如发动机中凸轮轴和摆动臂，挺杆(tappet)等的的设备互锁，并调节进气阀和排气阀的打开和关闭。 [0005] 如图1所示，现有技术中制造用于发动机的阀门弹簧的方法包括将盘条形成为弹簧形状的形成工艺和切割工艺，除去形成后内表面和外表面上产生的残余应力的残余应力消除热处理工艺，用精细珠粒施加压应力到表面上从而增加疲劳强度的喷丸处理工艺，和在预先施加塑性变形以增加变形阻力的热定形工艺。 [0006] 现有技术中已经用于制造阀门弹簧的盘条主要是Si-Cr 钢盘条，其具有1900MPa的拉伸强度。该盘条用图2所示的卷绕夹具(coiling jig)形成为弹簧的形状。如图所示，切割刃垂直下降从而切割并分离形成的弹簧的端部。 [0007] 在形成弹簧后，残余应力发生在弹簧的内表面和外表面上。具体地，压缩残余应力发生在外表面上，且拉伸残余应力发生在内表面上。因为发生在内表面上的拉伸残余应力降低弹簧的疲劳强度，因此，要进行残余应力消除热处理工艺以消除拉伸残余应力。 [0008] 残余应力消除热处理在410到420℃保持20到30分钟。 [0009] 在残余应力消除热处理后，进行在阀门弹簧的表面上人工产生压缩残余应力的喷丸处理工艺以增加疲劳应力。 [0010] 喷丸处理是用SWRH82A作为材料进行。具体地，喷丸处理使用直径为0.6mm的喷丸进行40分钟，然后使用直径为0.3mm的喷丸进行20分钟。 [0011] 在喷丸处理后，进行热定形(hot setting)工艺。热定形工艺是预先对弹簧应用塑性变形的工艺，因此防止弹簧在发动机的驱动过程中产生变形。 [0012] 在将弹簧在220℃到230℃保持10到15分钟后，热定形工艺压缩阀门弹簧直到最大位移1.0到1.5秒。此时，发生塑性变形，并在阀门弹簧的实际驱动的过程中，因加工硬化而增加了抗变形性。 [0013] 然而，在现有技术中，高强度盘条的阀门弹簧制造工艺的应用条件，在在大量问题。 [0014] 首先，如果(以下称为“固定夹具”)在形成弹簧的过程中应用常规的夹具，则由于摩擦而发生变形，且在弹簧形成过程中，阀门弹簧断裂或在阀门弹簧中发生微细裂纹。 [0015] 而且，如果使用常规的切割方法(以下称为“竖直切割”)，在高强度盘条的情形中，冲击韧性(impact toughness)较低。这样，由于切割过程中的冲击，裂纹会发生在切割表面之外的弹簧部分。 [0016] 进一步，如果常规的温度和时间条件被用于残余应力消除热处理工艺中，尽管可去除残余应力，但硬度和强度由于形成合金的元素之间的相互反应而降低。结果，损失了高强度阀门的这些优点。 [0017] 再进一步，如果在热定形工艺中应用常规条件，则工艺的抗变形效果减小。 [0018] 为了解决上述问题，根据本发明的实施方式，通过在形成和切割方法的过程中改善成形夹具可防止对弹簧的损伤。而且，通过在残余应力消除热处理工艺中施加最优温度和时间条件，可防止硬度的降低并消除残余应力。而且，通过施加最优热定形温度和时间条件，增加了变形阻力。发明内容 [0019] 因此，做出本发明从而解决现有技术中发生的上述问题。 [0020] 本发明提供一种制造用于车辆发动机的高强度阀门弹簧的方法以及使用该方法制造的高强度阀门弹簧。根据本发明，可防止弹簧形成过程中弹簧的损坏，并可防止残余应力消除热处理工艺中弹簧的硬度衰减。 [0021] 本发明也提供一种制造用于车辆发动机的高强度阀门弹簧的方法以及使用该方法制造的高强度阀门弹簧，其可改善摩擦减小(friction reduction)。特别地，摩擦减小可通过增加弹簧的变形阻力，特别通过改变热定形工艺中的条件改善。 [0022] 在本发明的一个方面，提供了一种制造用于车辆发动机的高强度阀门弹簧的方法，其包括如下步骤：(a)用辊式夹具(roller type jig)将高强度盘条形成为弹簧形式；(b)用旋转式切割刃切割形成的弹簧的端部；(c)在合适的温度和时间，具体地在约390℃到 410℃约20到40分钟进行残余应力消除热处理；(d)用微细的球状微粒进行喷丸处理以对弹簧的表面施加压应力；以及(e)进行热定形工艺，以预先对弹簧施加塑性变形。 [0023] 这里，优选地，步骤(e)在约235℃到245℃进行约15到25分钟，然后在最大弹簧位移处施加负载约1.5到2.5秒。 [0024] 优选地，步骤(d)中，喷丸处理工艺用SWRH82A作为材料进行。具体地，根据本发明的实施方式，使用直径约0.6mm的喷珠进行约40分钟的喷丸处理，然后使用直径约0.3mm的喷珠进行约20分钟的喷丸处理。 [0025] 在本发明的另一个方面中，提供了使用上述制造方法制造的用于车辆发动机的高强度阀门弹簧。 [0026] 根据本发明不同的实施方式，优选地，阀门弹簧的高强度盘条包括选自碳、硅、锰、磷、硫、铬、钒、钼、镍和硼中的一种或多种材料组合。例如，根据本发明的实施方式，阀门弹簧的高强度盘条包括约0.63到0.69wt％的碳(C)、约2.10到2.30wt％的硅(Si)、约0.60％到0.80wt％的锰(Mn)、约0.020wt％或更少的磷(P)、约0.020wt％或更少的硫(S)、约0.80到 1.00wt％的铬(Cr)、约0.10到0.20wt％的钒(V)、约0.05到0.15wt％的钼(Mo)、约0.25到 0.35wt％的镍(Ni)、和约0.001到0.005wt％的硼(B)。 [0027] 如上所述，根据本发明，可防止弹簧形成工艺中的弹簧的损坏，且可防止残余应力消除热处理工艺中弹簧的硬度衰减。而且，特别通过在热定形工艺中本发明说明的条件增加变形阻力，可改善摩擦减少。附图说明 [0028] 结合附图，从下面的详细说明中明显看出本发明的上述和其他特征及优点，其中： [0029] 图1是现有技术中制造用于车辆发动机的阀门弹簧的工艺的示图； [0030] 图2是根据图1中工艺的弹簧形成和切割方法的示意图； [0031] 图3是根据本发明实施方式的制造用于车辆发动机的阀门弹簧的工艺的示图；以及 [0032] 图4是根据图3的方法的弹簧形成和切割方法的示意图。 [0033] 图5是测量直径减少的轻型弹簧和阀门弹簧的凸轮轴之间的摩擦扭矩表面压力的曲线图。具体实施方式 [0034] 以下参考附图更详细地说明本发明优选实施方式。 [0035] 本发明提供了一种制造用于车辆发动机的高强度阀门弹簧的方法。具体地，根据本发明的实施方式，如图3所示，制造用于车辆的高强度阀门弹簧的方法提供了改进的成形夹具、改进的切割方法、改进的残余应力消除热处理工艺和条件、以及改进的热定形工艺和条件。进一步，根据本发明的实施方式，盘条用于形成阀门弹簧，其中盘条是拉伸强度至少为2000MPa，特别地，至少2100MPa，更特别地至少2200MPa的高强度盘条，例如约2200到2450MPa。 [0036] 根据本发明实施方式的形成方法，如图4所示，辊插入到成形夹具(以下称为“辊型夹具”)中，并可最小化形成过程中的摩擦和冲击。 [0037] 根据本发明，使用辊式夹具作为成形夹具，结果通过减少形成过程中的摩擦抑制了不必要的弯曲变形。这与使用常规夹具不同，常规夹具由于变形过程中的摩擦导致不必要的额外的弯曲变形。在高强度衬垫材料的情形中，与一般的弹簧材料相比，韧性较低，因此，当使用常规夹具时会发生微细裂纹。根据本发明的实施方式，将辊插入会在成形过程中减小摩擦，且因此可抑制不必要的弯曲变形。 [0038] 根据本发明实施方式的切割方法，切割刃施加负载到切割部分，由于刃形成曲线从而减小冲击(以下称为“旋转式切割”)。这与切割刃垂直下降的常规切割方法不同。在使用常规切割方法切割弹簧材料的过程中，在与常规弹簧材料相比韧性不足的高强度盘条的情形中，由于切割过程中的冲击，断裂会发生在预期的切割表面之外的部分。根据本发明实施方式，通过采用旋转式切割方法，传递到阀门弹簧的冲击被最小化，因此可以切割预期的部分。 [0039] 现有技术中，残余应力消除热处理的温度和时间分别设定为410℃到420℃，和20到30分钟。根据本发明实施方式，残余应力消除热处理的温度和时间被分别设定为390到410℃和20到40分钟。 [0040] 根据本发明的实施方式，残余应力消除热处理的条件设定为390到410℃和20到40分钟，以便除去残余应力，而不会衰减硬度。具体地，如果热处理在低于390℃小于20分钟进行，则不能消除残余应力。另一方面，如果热处理在410℃以上进行超过40分钟，则弹簧盘条中微细碳化物变成大尺寸从而引起硬度衰减的发生。因此，在本发明的实施方式中，根据提出的条件，通过进行热处理，消除残余应力，而不会衰减硬度。 [0041] 现有技术中热定形工艺是通过在220℃到230℃维持10到15分钟，然后在阀门弹簧的最大位移施加载荷1.0到1.5秒。另一方面，根据本发明实施方式，热定形工艺是通过在235℃到245℃维持15到25分钟进行，然后在阀门弹簧的最大位移处施加载荷1.5到2.5秒。 [0042] 在该情形中，已经发现，如果热定形工艺在小于235℃进行少于15分钟，则根据相应的条件屈服强度的衰减稍小，且当在弹簧最大位移施加负载时，塑性变形的量不大，从而对增加变形阻力的影响小甚至没有。另一方面，如果热定形工艺在高于245℃进行超过25分钟，则根据相应条件屈服强度的衰减剧烈，且塑性变形过度发生从而严重缩短弹簧长度，使得在发动机中安装弹簧变得困难甚至不可能。 [0043] 进一步发现，相对于在阀门弹簧最大位移时施加负载的时间，如果施加负载少于1.5秒，则由于时间太短而不能稳定地发生塑性变形。另一方面，如果施加负载超过2.5秒，则最终效果相同(即，不会实现进一步的效果)。因此，设定热定形条件以便在235到245℃的温度维持15到25分钟，然后在阀门弹簧的最大位移施加负载1.5到2.5秒。 [0044] 已经通过上述分析确认，通过防止成形过程中的损坏和残余应力消除热处理过程中硬度的衰减，本发明阀门弹簧制造工艺提供了优异的变形阻力和优异的摩擦减少。进一步，根据本发明的制造工艺可通过使用拉伸强度超过1900MPa，例如超过2000MPa，超过2100MPa，又例如在2100MPa到2450MPa之间的高强度阀门弹簧用于制造用于车辆发动机的阀门弹簧。 [0045] 以下详细说明本发明实施例。 [0046] 下面说明的本发明实施例仅是示例性的，因此本发明不限于这样的实施例。 [0047] <形成和切割工艺：实施例和比较例1到3> [0048] 【表1】形成测试条件 [0049] 项目成形夹具切割方法应用材料的拉伸强度实施例辊式夹具旋转切割 2350MPa 比较例1 辊式夹具垂直切割 2350MPa 比较例2 固定式夹具旋转切割 2350MPa 比较例3 固定式夹具垂直切割 1950MPa [0050] 实施例：根据本发明的辊式夹具和旋转型切割方法。 [0051] 比较例1：使用根据本发明的成形夹具和常规技术的切割方法。 [0052] 比较例2：使用常规的成形夹具和根据本发明的切割方法。 [0053] 比较例3：常规技术用于拉伸强度为1950MPa的材料。 [0054] 【表2】应用的材料的化学组分 [0055] [0056] 【表3】成形测试结果 [0057] [0058] 如表3中结果所示，在拉伸强度为2200MPa到2450MPa的高强度材料的成形和切割过程中，可成形性是用根据本发明实施方式的辊式夹具和旋转型切割方法确保的。 [0059] <残余应力消除热处理：实施例和比较例1和2> [0060] 【表4】残余应力消除热处理条件 [0061] 项目温度时间应用材料的拉伸强度实施例 400℃ 40分钟 2350MPa 比较例1) 420℃ 30分钟 2350MPa 比较例2) 420℃ 30分钟 1950MPa [0062] 实施例：对拉伸强度为2350MPa的材料使用根据本发明的热处理条件。 [0063] 比较例1)对拉伸强度为2350MPa的材料使用常规热处理条件。 [0064] 比较例2)对拉伸强度为1950MPa的材料使用常规热处理条件。 [0065] 弹簧是利用根据本发明提出的形成和切割条件形成的，弹簧的横截面被切割，且热处理之前的弹簧硬度是根据KS B 0811测量的(Vickers硬度测试方法)。而且，弹簧是通过应用根据本发明提出的形成和切割条件形成的，然后用表4中条件进行残余应力消除热处理。切割热处理的弹簧，且横截面的硬度是根据KS B 0811测量的(Vickers硬度测试方法)。由硬度测量数据比较热处理前后的硬度变化。而且，为了确认是否除去残余应力，根据ASTM E1426(用于确定残余应力的X射线衍射测量的有效弹性参数的标准测试方法)测量热处理前后的弹簧的残余应力。 [0066] 【表5】残余应力消除热处理前后的硬度变化和残余应力的测量结果[0067] [0068] 如表5所示，在对低强度材料应用常规技术的比较例2的情形中，残余应力被消除，且硬度稍微衰减。然而，在对高强度盘条应用常规热处理条件的情形中，在热处理后发生硬度衰减，如比较例1。在应用根据本发明的热处理条件的情形中，硬度衰减小于10HV。在应用根据本发明提出的热处理条件的情形中，残余应力被消除到等于常规条件的水平。 [0069] <热定形工艺：实施例和比较例> [0070] 【表6】热定形测试条件 [0071] 项目温度时间载荷施加条件应用材料的拉伸强度实施例 240℃ 15分钟 1.5秒 2350MPa 比较例 230℃ 10分钟 1.0秒 2350MPa [0072] 实施例：对拉伸强度为2350MPa的材料应用根据本发明的热定形条件。 [0073] 比较例：对张力强度为2350MPa的材料应用常规热定形条件。 [0074] 弹簧是通过应用根据本发明提出的形成和切割条件形成的，且然后根据本发明的条件进行残余应力消除热处理。根据表6中条件对热处理的弹簧进行热定形工艺。为了检查实施例和比较例中已经进行热定形工艺的弹簧的变形阻力，在100℃，施加负载直到弹簧的最大位移，然后在24小时之后测量弹簧长度变化比。长度变化比表示，热定形后，在100℃施加负载直到弹簧的最大位移后测量长度L0，24小时后测量长度L1，然后以(L0-L1)除以L0而获得的值。 [0075] 【表7】热定形测试结果 [0076] 项目长度变化比实施例 5.1％比较例 7.2％ [0077] 如表7所示，在对高强度材料应用比较例的常规技术的情形中，长度变化比超过6％，该值通常被设定为阀门弹簧变形标准。然而，在对高强度材料应用根据本发明提出的热定形条件的情形中，长度变化比在5％的水平，这是较优异的。 [0078] <摩擦扭矩测试：实施例和比较例> [0079] 【表8】要测试摩擦扭矩的阀门弹簧的制造条件 [0080] [0081] 图5是测量直径减少的轻型弹簧和阀门弹簧的凸轮轴之间的摩擦扭矩表面压力的曲线图，其中直径减少的轻型弹簧是通过应用根据本发明实施例的形成工艺条件、切割工艺、残余应力消除处理工艺、热定形工艺制造，阀门弹簧的凸轮轴是利用比较例中常规制造工艺制造的。通过在凸轮轴上安装扭矩计，随着凸轮轴旋转数的增加，测量摩擦扭矩表面压力，且从扭矩计读取表面压力值。 [0082] <摩擦扭矩测试结果> [0083] 在实施例中(根据本发明)，作为摩擦扭矩的测试结果，与比较例比较，可以看到摩擦扭矩减少15到20％。摩擦扭矩减小的原因如下。用于实施例的高强度材料对作用于横截面的应力具有高的抵抗力，因此直径可减小。而且，在直径减小过程中，弹簧常数和弹簧负载减小。如果弹簧负载减小，驾驶过程中作用于凸轮轴的表面压力减小从而降低摩擦扭矩。摩擦扭矩的减小引起对燃料经济性改善的显著效果。因此，通过应用根据本发明的工艺条件，可制造具有优异的摩擦减小性能的高强度阀门弹簧。 [0084] 通过形成、切割实验、残余应力消除热处理实验、和热定形实验进一步证明、对2200到2450MPa水平的高强度材料应用根据本发明的工艺条件是可能的，并获得优异的摩擦减少效果，如测量凸轮轴表面压力所证明，凸轮轴表面压力是从阀门弹簧施加的，阀门弹簧的直径通过使用根据本发明提出的条件制造的高强度轻型阀门弹簧而减小。 [0085] 如上所述，根据本发明，可防止弹簧形成过程中弹簧的损坏，且可防止残余应力消除热处理工艺中弹簧硬度的衰减。 [0086] 而且，摩擦减少可通过热定形工艺中所述的条件增加变形阻力而改善。 [0087] 虽然已经为了例示目的说明了本发明优选实施方式，但本领域技术人员应该理解可不偏离权利要求界定的本发明的范围和精神，做出多种修改、添加和替换。

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