弹簧力学性能

弹簧力学性能 弹簧钢丝和弹性合金丝(上) 东北特殊钢集团大连钢丝制品公司 徐效谦 弹性材料是机械和仪表制造业广泛采用的制作各种零件和元件的基础材料，它在各类机械和仪表中的主要作用有:通过变形来吸收振动和冲击能量，缓和机械或零部件的震动和冲击;利用自身形变时所储存的能量来控制机械或零部件的运动;实现介质隔离、密封、软轴连接等功能。还可以利用弹性材料的弹性、耐蚀性、导磁、导电性等物理特性，制成仪器、仪表元件，将压力、张力、温度等物理量转换成位移量，以便对这些物理量进行测量或控制。 1 弹性材料的分类 1.1 按化学成分分类 弹性材料可分为:碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈弹簧钢、铁基弹性合金、镍基弹性合金、钴基弹性合金等。 1.2 按使用特性分类 根据弹性材料使用特性，可作如下分类: 1.2.1 通用弹簧钢 (1)形变强化弹簧钢:碳素弹簧钢丝。 (2)马氏体强化弹簧钢:油淬火回火钢丝。 (3)综合强化弹簧钢:沉淀硬化不锈钢丝 1.2.2 弹性合金 (1)耐蚀高弹性合金 (2)高温高弹性合金 (3)恒弹性合金 (4)具有特殊机械性能、物理性能的弹性合金 2 弹簧钢和弹性合金的主要性能指标 2.1 弹性模量 钢丝在拉力作用下产生变形，当拉力不超过一定值时，变形大小与外力成正比，通常称为虎克定律。公式如下: ε=σ/E 式中 ε— 应变(变形大小) σ— 应力(外力大小) E — 拉伸弹性模量 拉伸弹性模量(又称为杨氏弹性模量或弹性模量)是衡量金属材料产生弹性变形难易程度的指标，不同牌号弹性模量各不相同，同一牌号的弹性模量基本是一个常数。 工程上除表示金属抵抗拉力变形能力的弹性模量外(E)，还经常用到表示金属抵抗切应力变形能力的切变弹性模量(G)。 E拉伸弹性模量与切变弹性模量之间有一固定关系:G =，μ称为泊桑比，同一牌号的泊桑2(1，,) 弹簧钢丝和弹性合金丝 比是一定数，弹性材料的μ值一般在1/3,1/4之间。 4GdE和G是弹簧时两个重要技术参数(拉压螺旋弹簧的轴向载荷力P=，扭转螺旋弹簧的38nD 4Ed刚度P=)。冷拉碳素弹簧钢丝和合金弹簧钢丝的E和G值如表1。 64nD 表1 弹簧钢的E和G值 材 料 名 称 E (Mpa) G (Mpa) 冷拉碳素弹簧(65Mn,70) 196500,198600 78600,80670 冷拉碳素弹簧(T8MnA,T9A) 193000,203400 80000,82700 50CrV 196500 77200 55CrSi 203400 77200 60Si2MnA 200000 74100 60Si2CrVA 205800 30W4Cr2V 205800 1Cr13Ni2 (414) 200000 77200 3Cr13 (420) 200000 77200 1Cr17Ni2(431) 206000 77300 1Cr18Ni9(302) 193000 68950 0Cr17Ni7Al 203400 75840 2.2 弹性极限和屈服极限 钢丝在弹性范围内承受外力产生一定变形，外力消除钢丝恢复原状，钢丝不产生永久残余变形所能承受的最大应力称为弹性极限。 弹性极限高的钢丝弹力大，根据弹簧使用状态，影响弹力的弹性极限可分为扭转弹性极限(τ)e和拉伸弹性极限(R)两种。压缩拉伸螺旋弹簧用到扭转弹性极限，弹簧垫和板弹簧用到拉伸弹性极限。 e 弹簧一项重要功能是吸收和储存能量，吸收和储存的能量称为变形能。弹簧的变形能与弹性极限 22的平方成正比(U=2τ/2G或U=2R/2E)，所以说弹性极限对弹簧特性有很大的影响。 ee 钢丝在拉伸试验中很难精确地测出其弹性极限，一般用屈服极限衡量弹性极限。 屈服极限(R)指钢丝在拉伸过程中开始产生不可恢复的塑性变形时的最小应力。碳素弹簧钢丝eL 屈服点非常不明显，通常取钢丝产生0.2%的残余变形时的应力作为屈服极限(R)。 P0.2 钢丝在退火或固溶条件下，弹性极限和屈服极限很接近，经大减面率拉拔后或经淬火后的钢丝，由于内应力作用往往有很高的屈服极限，但弹簧极限却很低。只有经消除应力退火或回火处理后的钢丝弹性极限才接近屈服极限。 弹性极限一般与抗拉强度有一定比例关系。常见弹簧钢的拉伸弹性极限和扭转弹性极限如表2， 表2 弹性极限为抗拉强度的百分比 ( % ) 材 料 名 称 拉伸弹性极限 扭转弹性极限 冷拉碳素弹簧钢丝 60,75 45,55 油淬火回火碳素弹簧钢丝 80,90 45,55 油淬火回火65Mn 85,90 50,60 50CrV(油淬火回火) 88,93 65,75 55CrSi(油淬火回火) 88,93 65,75 60Si2MnA 78,86 55,65 2 弹簧钢丝和弹性合金丝 1Cr13Ni2(414) 65,70 42,55 3Cr13 (420) 65,75 45,55 1Cr17Ni2(431) 72,76 50,55 1Cr18Ni9(302) 65,75 45,55 0Cr17Ni7Al 75,85 55,60 2.3 抗拉强度和屈服比 抗拉强度是衡量钢丝承受拉力能力的指标，拉力试验中以钢丝拉断时最大拉力除以钢丝截面积来表示。抗拉强度是弹簧钢丝最重要指标。 屈服极限与抗拉强度的比值，称为屈强比，也是衡量弹簧钢丝质量水平的一项重要指标。碳素弹簧钢丝和合金弹簧钢退火状态下的屈强比大约为50%，奥氏体不锈钢固溶状态下的屈强比一般不超过40%。 冷拉过程中钢丝屈服极限和抗拉强度同时上升，但屈服极限上升幅度远大于抗拉强度，碳素和不锈弹簧钢丝的屈服比高达90%以上。合金弹簧钢丝淬火回火后的屈服比也达到80,90%。 2.4 疲劳寿命和疲劳极限 弹性元件在交变载荷作用下，经若干次动作产生裂纹叫疲劳断裂。弹性元件断裂时完成动作次数多，叫疲劳寿命好，反之叫疲劳寿命差。 实际上弹性元件疲劳寿命与载荷的大小、方向、随时间变化规律有很大关系。在载荷大、振幅大条件下，弹性元件断裂的循环次数就降低，工程中用疲劳极限来衡量弹簧钢丝的疲劳性能好坏，一般 7将经10次循环动作，不产生断裂时的最大负载应力叫疲劳极限。 弹簧钢丝的疲劳极限与钢丝的屈服极限成正比，要提高疲劳极限就应设法提高钢丝屈服强度，或提高屈强比。 介绍几个预测疲劳寿命的经验公式: σ=0.47R-1m σ=0.32R -1pm τ=0.22R -1m 式中:σ反复弯曲疲劳极限 -1 σ反复拉压疲劳极限 -1p τ 反复扭转疲劳极限 -1 疲劳断裂往往先从钢丝表面形成，并向内部传播，表面质量非常重要。钢丝表面裂纹、划伤、边刺、斑疤、麻点、锈蚀坑和锈蚀皮都会造成钢丝疲劳极限下降。 提高表面光洁度和采用措施提高钢丝表面强度是提高疲劳极限的有效方法。因此对疲劳寿命要求高的用户，应推荐选用磨光钢丝。弹簧厂对弹簧表面进行渗氮处理、喷丸处理和压光处理，目的是通过提高表面强度来提高疲劳极限。 钢丝表面脱碳造成表面强度降低，很薄的脱碳层也会导致疲劳极限的急剧下降。碳素弹簧钢丝采用连续炉热处理，在炉时间为数分钟，产生脱碳的可能性很小。合金弹簧采用周期炉热处理，在炉时间以小时计算，防止脱碳是工艺控制的重点。 2.5 蠕变和松弛 3 弹簧钢丝和弹性合金丝 在弹簧的两端施加一定的拉应力(低于弹性极限)，弹簧产生一定的伸长，但随着时间加长，伸长量缓慢增加，叫做蠕变。钢丝蠕变往往经历从缓慢变化到加速变化，直至断裂的过程。钢丝蠕变在常温下不明显，但随温度升高而加速。工程上用弹簧在一定温度，持续一段时间，产生一定量变形所施 200加的应力来定义蠕变极限。如/10000=A表示弹簧在温度200?，持续一小时，产生0.002%形变，,0.002 需施加A(MPa)的应力。 使弹簧产生一定量的变形，就产生一定量的应力，但随着时间的持续，应力逐渐减小，叫做应力松弛。例如用螺栓压紧个零件，需转动螺帽使螺栓拉长，产生一定的弹性变形，形成相应的压应力。在较高温度下，经过一段时间后，虽然螺栓位置不变，但压应力逐渐减小，就叫应力松弛。松弛是随时间持续部分弹性变形转化为塑性变形造成的。 松弛有几种表示方法: 松弛率:经过一段时间，应力减小值与原始应力之比，即(R-R/R)?100%。 ono 5残余应力:一般指10小时后的残余应力R，R越高说明材料抗松弛性能越好。 rr 蠕变和松弛都是衡量弹簧稳定性的指标，共同特点是随温度升高、时间加长，表现的越加明显。 影响蠕变性能的因素有:?钢中气体和夹杂物含量:含量低蠕变小。?晶粒度:粗晶粒度钢有较高的抗蠕变能力。?合金元素的固溶强化作用:采用少量多元合金可提高抗蠕变性能。?第二相弥散析出可提高抗蠕变性能。 松弛是弹性滞后的一种反映。主要取决于钢的化学成分和组织结构。 2.6 弹性减退 弹性减退(简称弹减性)是指室温下，弹性材料在交变动载荷或静载荷作用下，发生塑性变形的一种力学现象。弹减性与蠕变和松驰的差别在于:蠕变是指在恒定应力作用下，应变缓慢增加;松弛是指恒应变条件下的应力自发下降;弹减性是指交变载荷下的应力减退。因此可以说，蠕变和松驰是特定条件下的弹性减退，三者反映出材料的同一本质特性。大多数弹簧工作时应力和应变均发生变化，因此弹性减退是弹簧使用过程中最常见现象。 评定弹性减退的实验方法有两类:成品弹簧直接评定和试样间接评定。以螺旋弹簧为例，检测弹减性的步骤为:?先施加载荷P，将弹簧压至最低高度H(约为弹簧自由高度H的1/4)后卸载，测min0得自由高度H;?将弹簧压缩到某一高度H(约为H的2/3)，记下所需载荷P;?卸掉弹簧载荷1201P后，再重新加载荷，将弹簧压缩至最低高度H，保持较长时间，如72h或更长时间(根据材料的弹1min 减抗力、弹簧参数及H等因素确定);?卸载后测定此时弹簧的自由高度H;?最后再将弹簧压缩至min3 规定高度H，记下所需载荷P;?计算出弹簧自由高度的损失ΔH和承载能力降低值ΔP: 22 ΔH=H-H 13 ΔP=P-P 12 根据ΔH和ΔP的大小判定弹性材料的弹减抗力，ΔH和ΔP越小，弹减抗力越大。此外，成品弹簧弹减性检测方法还有:动态松驰试验法和螺旋弹簧剪切试验法等。试样间接评定基本采用金属拉伸试样，检测方法有:拉伸松驰试验法、鲍辛格(Baushinger)扭转试验法、鲍辛格拉、压试验法和扭转蠕变试验法。一般说来，弹簧实物检测接近使用实际，检测结果直观、实用，但不同形状弹簧检测结果没有可比性。试样检测结果一般为一组数据或曲线图，能反映出材料的弹减性、有可比性，但检 4 弹簧钢丝和弹性合金丝 测步骤复杂、周期长、需要配置专用的检测设备。 2.7 弹性的时间效应 除蠕变、松弛和弹性减退性能外，反映弹性时间效应的技术指标有: (1)弹性滞后 弹性材料在弹性变形范围内，反复加载和卸载，应变总是落后于应力变化，叫弹性滞后。对于仪表用弹性元件(如张力丝、膜盒)，弹性滞后可能导致仪表给出不同的读数，所以要求弹性滞后越小越好。 (2)弹性后效 弹性元件加载荷后产生应变ε(见图1)，载荷持续一段时间后应变量增加ε，则弹性后效为H。eti H=ε/(ε+ε) itet 加载时的Hi为正弹性后效，卸载时Hi为反弹性后效。测量弹性后效时，以加载和卸载10分钟时测量结果进行计算。碳素弹簧钢的弹性后效值高达30%，弹性合金3J53弹性后效值可低到0.05%。 2.8 弹性的能量效应 弹性元件周期振动时，应变滞后于应力，使应力、应变曲线出现滞 后环(图1)。滞后环所包围的面积等于振动一周消耗的能量，这些能量 -1转化为热量散失，这种现象称为内耗或阻尼，用Q表示。它的倒数称 为机械品质因数，用Q表示。在实际应用中，对金属材料的内耗特性有 不同要求，用于减震的弹簧，要求材料有尽量能大的内耗值，以尽快减 少共振时的应力幅度。用于滤波器中振子和音叉振荡器的弹性元件，要 内耗越小越好，即机械品质因素越大越好。金属材料内耗主要取决于化 学成分及组织结构，但冷加工使内耗增加，退火使内耗降低。 图1单向循环载荷的弹性滞后环 2.9 弹性的温度效应 (1)最高使用温度 弹性材料必须在弹性极限范围内使用，当使用应力超过弹性极限时，弹簧失效。金属和合金的抗拉强度和弹性极限随着温度上升而下降，同时随着温度的上升，材料的蠕变或松弛加大，弹簧变形加大，弹性减退。当温度高到一定限度，弹簧就无法使用了，所以弹性材料都存在着最高允许使用温度的限制。弹簧钢丝和弹性合金丝的最高使用温度主要取决于材料的化学成分，其次是显微组织结构。常用弹性材料的最高使用温度如表3。 表3 常用弹性材料的最高使用温度 牌 号 最高使用温度/? 牌 号 最高使用温度/? 冷拉碳素弹簧钢丝 120,160 30W4Cr2V 500 油淬火回火碳素弹簧钢丝 175 3Cr2W8V 350,500 50CrVA 200,220 3Cr13 315 55CrSiA 245,250 1Cr18Ni9(302) 300 60Si2MnA 250 0Cr17Ni7Al(17-7PH) 340 60Si2CrVA 350 0Cr15Ni7Mo2Al(PH15-7Mo) 430 65Si2MnWA 350 0Cr15Ni25Ti2MoVB(GH2132) 500,550 45CrMoVA 450 0Cr15Ni35W2Mo2Ti2Al2B(GH2135) 550,600 5 弹簧钢丝和弹性合金丝 (2) 弹性模量温度系数 反映弹性温度效应的指标还有弹性模量温度系数和频率温度系数。碳素弹簧钢和合金弹簧钢温度 系数比较大，实际使用中很少用到这一概念。对于制作仪器仪表用弹性敏感元件的弹性合金丝来说， 弹性模量温度系数和频率温度系数是两项非常重要指标。 大多数金属和合金的弹性模量E和切变弹性模量G是随着温度升高而下降的，这种变化被称为弹 性模量-温度关系的正常变化。可以分别用β和β来表示E和G的弹性模量温度系数，弹性合金标EG 准经常用到某一温度区间的弹性模量温度系数，其定义为: ,Eβ= EE(t,t)21 ,Gβ= GG(t,t)21 -6式中:β—弹性模量温度系数，10?/? E -6 β—切变弹性模量温度系数，?10/? G t、t—温度，? 。 12 金属和合金的弹性模量温度系数与线膨胀系数()一样，是与原子间距变化密切相关的物理量，, ,两者之间的比值是一个常数，即。一般金属和合金(部分铁磁性合金除外)的m大约在(40,,,m,E -3E值近似地估算出β的值。因为G=，42)?10左右，所以在温度变化范围不太大时，可以按,E2(1，,) 是随着温度升高而增加的，β值一般小于β值。 ,GE (3) 频率温度系数 用弹性材料制作的一些弹性元件，如滤波振子和音叉等，工作时要用到频率温度系数这项性能， 频率温度系数是衡量材料的共振频率随温度变化状况的物理量，常用,来表示。弹性材料的共振频率f与弹性模量之间有如下关系: 3l2 E= kfr4d 式中:E—弹性模量 —共振频率 fr l—弹性试样长度 d—弹性试样直径 k—常数 由上式可以导出频率温度系数与弹性模量温度系数之间的关系: ,，,E 弯曲振动时的频率温度系数: ,,f2 ,，,G, 扭振动时的频率温度系数: 式中:—线膨胀系数 ,,f2 (4)铁磁性金属和合金的弹性反常变化 一般金属和合金的弹性模量和共振频率是随温度上升而降低的(β,0,，而纯镍和部分Fe-Ni，E 6 弹簧钢丝和弹性合金丝 Fe-Cr-Co合金在室温附近的弹性模量变化很小(β?0)，甚至增大(β,0)，这种现象被称为弹性反EE 常变化。弹性反常变化原因是:在一定的温度范围内，材料内部组织结构发生了额外的尺寸或体积变化，如相变、有序无序转变和铁磁性能变化等。恒弹性合金正是利用铁磁合金弹性反常变化规律研制出来的一类弹性材料。 2.10 弹簧钢丝工艺性能指标 弹簧绕制过程中钢丝承受弯曲、扭转和缠绕三种力，与此对应成品钢丝需进行弯曲、扭转和缠绕三项试验。 (1)弯曲试验 弯曲试验方法有了两种:单次弯曲和反复弯曲。 o单次弯曲适用于直径较大的钢丝(Φ>6.0mm)，试样沿r=10mm的圆弧向不同方向弯曲90，钢丝不得有裂纹和折断。 o反复弯曲试验是将试样一端夹紧，沿着规定半径的圆柱形表面弯曲90，然后向相反方向反复弯曲，直至断裂，记下反复弯曲次数(Nb)。钢丝弯曲次数和弯曲半径(圆柱半径)密切相关，弯曲半径增大，弯曲次数显著提高。GB/T238-2002《金属材料 线材 反复弯曲试验方法》规定，不同规格钢丝弯曲圆弧半径如表4。 表4 钢丝弯曲试验的弯曲半径、距离和孔径 钢丝直径mm 弯曲圆弧半径r 拨杆距离h 拨杆孔直径dg 0.3,0.5 1.25?0.05 15 2.0 ,0.5,0.7 1.75?0.05 15 2.0 ,0.7,1.0 2.5?0.1 15 2.0 ,1.0,1.5 3.75?0.1 20 2.0 ,1.5,2.0 5.0?0.1 20 2.0和2.5 ,2.0,3.0 7.5?0.1 25 2.5和3.5 ,3.0,4.0 10?0.1 35 3.5和4.5 ,4.0,6.0 15?0.1 50 4.5和7.0 ,6.0,8.0 20?0.1 75 7.0和9.0 ,8.0,10.0 25?0.1 100 9.0和11.0 注:应根据线材直径选用合适的拨杆孔直径，保证线材在孔内自由移动。 反复弯曲试验的实质是:检验钢丝在一个平面内进次多次反向弯曲时所能承受的变形能力。钢丝沿弯曲圆柱弯曲时，外层表面会产生一定的延伸变形，其弯曲伸长率(A)可用公式表示: b dA = b2r 式中:A—弯曲伸长率 b d—钢丝直径 检验标准中的弯曲圆柱的半径是按钢丝外层表面弯曲伸长率不超过20%确定的，每一组距钢丝对应一定的圆柱半径。在同一组距中，直径最细的钢丝弯曲伸长率最小(A=12%,15%)，弯曲次数最高。随b 着钢丝直径加大，钢丝弯曲伸长率加大(max20%),弯曲次数均匀下降，一直过渡到下一个较大弯曲圆柱半径为止。同一规格钢丝在不同弯曲半径条件下弯曲次数可以用经验公式来换算: 7 弹簧钢丝和弹性合金丝 2(2r，d)N1b1 ,2(2r，d)N2b2 式中:rr—弯曲半径 1 、2 NbNb—弯曲次数 1 、2 从公式可以看出，弯曲半径对弯曲次数有决定性的影响，实际检验过程中因弯曲圆柱面不均匀磨损，弯曲半径又很难检定，同一组钢丝在不同部门，不同弯曲机上的检测结果往往有很大误差，所以碳素弹簧钢丝国家标准(GB4357-84)中早己取消了该项检验。 碳素弹簧钢丝弯曲值随抗拉强度提高而增加，而矫直和消除应力退火导致弯曲值下降。 (2)扭转试验 扭转性能是冷拉碳素弹簧钢丝的一项重要的考核指标。扭转试验实质是:沿中心旋转钢丝，使钢丝截面从里到外产生不均匀变形，离中心越远处承受的扭矩越大，当变形应力累加到超过承受能力时，钢丝断裂。如果钢丝截面组织、成分均匀，无缺陷，扭转断口平齐，垂直或近似垂直于轴线;如果截面组织、成分不均匀，有明显缺陷，扭转断口呈不规则的层状或撕裂状。根据扭转变形特征可以看出，扭转次数与钢丝直径密切相关，大规格钢丝截面扭矩差别大，不均匀变形更强烈，能承受的扭转次数偏低;小规格钢丝能承受的扭转次数明显偏高。 通过还可以看出:扭转试验主要考核钢丝表面质量和内部应力分布状态。钢丝表面裂纹、边刺、斑疤和折叠会导致扭转次数大幅度下降。内部应力分布不均或钢丝拉拔时冷却不当、润滑不良、模具不好导致钢丝温升过高，产生时效应变都会使扭转性能显著降低。从工艺操作角度分析，增加拉拔道次、小减面率(10%)改修都能改变钢丝内部应力分布状态，提高扭转次数。从组织结构角度分析，加大晶粒度或提高索氏体片的厚度可以提高扭转值，实际操作就是降低铅浴处理的收线速度、提高炉温和铅温。 钢丝的扭转次数可以用以下公式预测: ,ψ/22FeCL3N=??e?(ψ-ψ) tFe3Cd6 式中:N——扭转次数预测值; t L——扭转试样长度(mm); d——钢丝直径(mm); d0ψ——变形指数(ψ=2?ln); d1 ψ——FeC真实变形指数。 Fe3C3 从公式中可以看出扭转次数与扭转试样长度(扭距)成正比，与钢丝直径成反比。预测值与实际值约有?12%的偏差。GB/T239-1999《金属线材扭转试验方法》规定产品标准未作特殊说明时，扭转试验标距及每分钟最大扭转次数如表5。 表5 单向扭转试验标距及允许扭转速度 2钢丝直径dmm 两夹头间标距L 最大扭转次数r/mm 0.3,,1.0 200d 180 1.0,,3.6 100d 60 8 弹簧钢丝和弹性合金丝 3.6,,5.0 100d 30 5.0,10.0 50d 30 值得指出的是:碳素弹簧钢丝标准规定的单向扭转次数是指扭距为100d时的次数，实际测量结果需要按扭距比例进行换算。换算时应注意，扭距与扭转次数並不是严格的正比关系，因为随着扭距加长，钢丝产生局部不均匀变形的可能性加大;另外，尽管钢丝两端施加了一定的拉应力(?2%R),长扭m距钢丝产生局部弯曲的可能性也比短扭距要大。一般说来扭距加大1倍，扭转次数略小于2倍次数;扭距缩小1倍，扭转次数略大于1/2倍次数，偏差不超过10%。 (3)缠绕试验 缠绕试验是考察钢丝绕制弹簧是否顺利的最直接的方法。无论冷拉弹簧钢丝还是油淬火回火钢丝均考核缠绕性能。一般说来大规格钢丝(?,6.0mm)检测单次弯曲性能，中小规格钢丝(??6.0mm)检测缠绕性能。 缠绕试验现行标准为:GB/T2976-2004《金属材料 线材 缠绕试验方法》，试验方法为:钢在直径为d,3d的芯棒上紧密缠绕3,8圈，不出现裂纹和折断为合格。 3 弹簧钢丝和弹性合金使用特性 弹簧在弹性范围内使用，卸载后应回复到原来位置，希望塑性变形越小越好，因此钢丝应具有高的弹性极限，屈服强度和抗拉强度。屈强比越高，弹性极限就越接近抗拉强度，因而越能提高强度利用率，制成的弹簧弹力越强。 弹簧依靠弹性变形吸收冲击能量，所以弹簧钢丝不一定要有很高的塑性，但起码要有能承受弹簧成型的塑性，以及足够的能承受冲击能量的韧性。 弹簧通常在交变应力作用下长期工作，因此要有很高的疲劳极限，以及良好的抗蠕变和抗松弛性能。 在特定环境中使用的弹簧，对钢丝还会有一些特殊要求，例如:在腐蚀介质中使用的弹簧，必须有良好的抗腐蚀性能。精密仪器中使用的弹簧，应具有长期稳定性和灵敏性，温度系数要低，品质因素要高，后效作用要小，弹性模量要恒定。在高温条件下工作的弹簧，要求在高温时仍能保持足够的弹性极限和良好的抗蠕变性能等。 此外，还应考虑弹簧钢丝的成形工艺和热处理工艺。冷拉弹簧钢丝和油淬火回火弹簧钢丝都以供货状态钢丝直接绕制弹簧，弹簧成形后经消除应力处理即可使用。中小规格的冷拉钢丝的抗拉强度要略高于油淬火回火钢丝。大规格冷拉钢丝变形抗力太大，冷拔时模具损耗也很大，生产困难;另外盘卷状态供货的冷拉钢丝，弹直性差，绕簧时形状不规则，实际使用规格一般不超过8.0mm。油淬火-回火钢丝弹直性好，使用规格可放大到15.0mm。直径15.0mm以上的钢丝大多以轻拉状态供货，加热绕制成弹簧后再进行淬火-回火处理。 弹簧根据运行状态可分为静态簧和动态簧。静态弹簧指服役期振动次数有限的弹簧，如安全阀弹 6簧，弹簧垫，秤盘弹簧，定载荷弹簧，机械弹簧，手表游丝等。动态弹簧指服役期振动次数达1?10次以上的弹簧，如发动机阀门弹簧，车辆悬挂簧，防震弹簧，联轴器弹簧，电梯缓冲弹簧等。静态弹簧选材时主要考虑抗拉强度和稳定性，动态弹簧选材时主要考虑疲劳，松弛及共振性能。 弹簧根据载荷状况可分为轻载荷、一般载荷和重载荷三种状态。轻载荷指承受静态应力，应力较 34低，变形量较小的弹簧，如安全装置用弹簧，吸收振动用弹簧等。设计使用寿命10,10次。 9 弹簧钢丝和弹性合金丝 56一般载荷指设计寿命10,10次，在振动频率300次/min条件下使用的普通弹簧。在许用应力(见 6见图2)范围内，寿命保证1?10次，载荷应力越低，寿命越长。 图2 冷拉碳素弹簧钢丝(ASTM A227级别?)制作压缩和拉伸弹簧时推荐许用应力 重载荷指长时间工作、振动频繁的弹簧。如阀门弹簧，空气锤、压力机、液压控制器弹簧，其载 67荷较高，常常在低于许用应力10%左右使用，使用寿命大于1?10次，通常为10次。 弹簧选材的原则是:首先满足功能要求，其次是强度要求，最后才考虑经济性。 .3,1.20%的锰，碳素弹簧钢是弹簧钢中用途广泛，用量最大的钢类。钢中含0.60,0.90%的碳和0不再添加其它合金元素，使用成本相对较低。碳素弹簧钢丝经适当的加工或热处理，可以获得很高的抗拉强度，足够的韧性和良好的疲劳寿命。但碳素钢丝的淬透性低，抗松弛性能和耐蚀性能差，弹性 -6模量的温度系数较大(高达300?10/?)，适用于制造截面较小，工作温度较低的弹簧。 合金弹簧钢一般含0.45~0.70%的碳和一定量的Si，Mn，Cr，V，W及B等合金元素。合金元素的加入改善弹簧钢的抗松弛性能，提高钢的韧性，同时显著提高钢的淬透性和使用温度，适用于制造较大截面，较高温度下使用的弹簧。国内外弹簧钢常用牌号对照如表6。 表6 国内外弹簧钢常用牌号对照表 中 国 日 本 美 国 德 国 GB/T699-1999 GB/T1222-1984 JIS G3506-1996 ASTM A510M-1996 DIN17222-1979 GB/T1298-1986 GB/T5218-1999 JIS G4801-1984 ASTM A752M-93 DIN17223-1990 GB/T18983-2003 GJB5259-2003 60 SWRH62A 1059 65Mn SWRH67B 1065 C60 70 SWRH72A 1069 CK67 70Mn SWRH72B 1070 B T8MnA SWRH82B 1085 CK85W T9A SUP4 1090 50CrVA(Cr-VA) SUP10 6150 50CrV4 Cr-VB(67 CrVA) VDCrV 55CrSi SUP12 9254 55CrSi63 55CrMnA SUP9 5155 55Cr3 55Si2MnA SUP6 9255 55Si7 60Si2MnA SUP7 9260 60SiCr7 10 弹簧钢丝和弹性合金丝 高弹性合金3J1(0Cr12Ni36Ti3Al)是奥氏体沉淀硬化型合金，具有高的弹性极限，良好的抗松弛性能，优良的耐蚀性能，无磁，最高使用温度250?，主要用于制作自动化仪表中的波纹管，螺旋弹簧，压力传感器传送杆等。 恒弹性合金3J53(00Cr6Ni42Ti2.5Al)的弹性模量高，弹性模量温度系数可以通过热处理调整， -6在室温条件下，温度系数可以调到接近零的水平(,0.4?10/?)，弹性后效低(,0.05%)，品质因素高(Q,10000,15000)，加工性能好，可制成形状复杂的弹性元件。主要用于制造声学，电学仪器中的频率发生元件，如机械滤波器的振子、标准频率震荡器，和制造精密灵敏弹性元件，如精密天平的弹簧和膜片，以及钟表游丝等。 钴基弹性合金3J21(1Cr20Ni16Mo7Co40)和3J22(1Cr19Mn2Ni16Co40M03.5W4.5)是综合性能优异的弹性合金，具有高的弹性模量，高的弹性极限，极低的弹性后效(0.02%)。经冷加工其抗拉强度R高达2950Mpa。同时还具有高的疲劳寿命，高硬度，高耐磨，缺口敏感性低，工作温度高达400,500?。m 主要用于制作轴类，张力丝，特种轴承，对弹性敏感性要求高的弹性元件。 GH2132是沉淀硬化型高温合金，在固溶+冷变形+时效处理状态下，具有很高的蠕变极限和高温持久性能，优异的疲劳强度和抗松弛性能，即使在538?高温下，其E值为163000Mpa，G值为62000Mpa。主要用于制作飞机发动机油门弹簧，显像管支撑弹簧，发动机片弹簧等。 4 弹簧钢丝标准，应用范围及工艺控制要点。 我国弹簧钢丝标准分钢类制定，包括碳素弹簧钢丝标准5个，合金弹簧钢丝标准2个，油淬火-回火弹簧钢丝标准1个，弹性合金标准7个，标准明细如表7。 表7 弹簧钢丝标准明细 序号 标 准 代 号 标 准 名 称 1 YB/T5220-93 非机械弹簧用碳素弹簧钢丝 2 GB/T4657-89 碳素弹簧钢丝 3 GB/T4358-1995 重要用途碳素弹簧钢丝 4 GJB1497-92 特殊用途碳素弹簧钢丝规范 5 GJB5260-2003 航空用碳素弹簧钢丝规范 6 GB/T5218-1999 合金弹簧钢丝 7 GJB5259-2003 航空用合金弹簧钢丝规范 8 GB/T18983-2003 油淬火-回火弹簧钢丝 9 YB/T5256-1993 弹性元件用合金3J1和3J53 10 YB/T5254-1993 频率元件用恒弹性合金3J53和3J58 11 YB/T5253-1993 弹性元件用合金3J21 12 YB/T5252-1993 轴尖用合金3J22丝材 13 YB/T5244-1993 正温度系数恒弹性合金3J63 14 YB/T5243-1993 抗震耐磨轴尖合金3J40 15 YB/T5135-1993 发条用高弹性合金3J9(2Cr19Ni9Mo) 4.1 碳素弹簧钢丝 碳素弹簧钢丝现行国标和行业标准分为两类型:一类是冷变形强化钢丝，又称冷拉弹簧钢丝。 冷拉碳素弹簧钢丝首先经铅浴处理获得索氏体组织，然后经表面磷化，以很大减面率拉拔到成品尺寸，钢丝组织呈纤维状，有很高的抗拉强度和弹性极限，良好的弯曲和扭转性能。冷拉弹簧钢丝尺 11 弹簧钢丝和弹性合金丝 寸精度高，表面光洁，无氧化和脱碳缺陷，疲劳寿命比较稳定，是使用最广泛的弹簧钢丝。 碳素弹簧钢丝的另一类型是马氏体强化钢丝，又称油淬火-回火钢丝。碳素钢丝通过淬火-回火处理，可获得良好的综合力学性能，当钢丝规格较小时(υ?2.0mm)，油淬火-回火钢丝的各项强度指标比索氏体化处理后冷拉钢丝要低。当钢丝规格较大时(υ?6.0mm)索氏体化的钢丝不可能采用很大减面率来获得所要求的强度指标，而油淬火-回火钢丝只要完全淬透就可以获得比冷拉钢丝更高的性能。在抗拉强度相同条件下，马氏体强化钢丝比冷变形强化钢丝具有更高的弹性极限。冷拉钢丝金相组织呈纤维状，各向异性明显，油淬火-回火钢丝金相组织为均匀的回火马氏体，几乎是各向同性的。同时油淬火-回火钢丝的抗松弛性能优于冷拉钢丝，使用温度(?175?)也高于冷拉钢丝(120?,160?)。近年来中大规格油淬火-回火钢丝大有取代冷拉钢丝趋势。下面按标准介绍各类碳素弹簧钢丝的应用范围及工艺控制要点。 4.1.1 YB/T5220-93 《非机械弹簧用碳素弹簧钢丝》 该标准适用于沙发垫簧，座垫、靠背拉簧，卡簧，夹簧等非机械弹簧用碳素弹簧钢丝。标准按抗拉强度要求不同将钢丝分成A1，A2，A3„A9九个组别，每个组别钢丝不分规格大小按一个强度范围供货，抗拉强度偏差?200Mpa。A1，A2和A3组用于制造较低应力弹簧。A3，A4和A5用于制造一般应力弹簧。A7，A8和A9用于制造较高应力弹簧。床垫簧一般选用A3和A4组别。 从使用状态分析，该标准钢丝基本属于静态簧，成品钢丝仅考核抗拉强度、缠绕和单次弯曲三项性能，详见表8。 表8 YB/T5220-93 非机械弹簧用碳素弹簧钢丝 组别 直径范围 mm 抗拉强度 MPa 用 途 A1 6.0~7.0 1180~1380 用于较低应力弹簧 A2 3.2~7.0 1380~1580 用于较低应力弹簧 A3 1.6~6.0 1580~1780 用于较低应力弹簧 A4 0.6~4.0 1780~1980 用于一般应力弹簧 A5 0.3~2.6 1980~2180 用于一般应力弹簧 A6 0.3~1.6 2180~2380 用于一般应力弹簧 A7 0.3~1.0 2380~2580 用于较高应力弹簧 A8 0.3~0.6 2580~2780 用于较高应力弹簧 A9 0.2~0.4 2780~2980 用于较高应力弹簧 说明:?Φ?4.0mm钢丝在2d芯棒上缠绕两圈无裂纹或折断。 o?Φ,4.0mm钢丝进行弯曲试验，试样沿R=10mm圆弧向不同方向弯曲90， 弯曲处不得有裂纹或折断。 A1—A3组钢丝一般选用45,70钢，A3,A6组选用65Mn或70钢，A7,A9组钢丝选用70或T8MnA(82B)生产。由于按该标准供货的钢丝基本用于制作静态弹簧，对疲劳寿命的要求相对宽松，钢丝可以采用控轧控冷盘条直接拉拔成品。钢丝成前热处理也可以用正火代替铅浴处理。同时允许选用转炉镇静钢作为原料。 4.1.2 GB/T4357-89 《碳素弹簧钢丝》 该标准是冷拉碳素弹簧钢丝的通用标准，主要用于制作在各种应力状态下工作的静态弹簧。根据弹簧工作应力状态钢丝可分三个级别供货:B级用于低应力弹簧，C级用于中等应力弹簧，D级用于高应力弹簧。成品钢丝考核抗拉强度、扭转、缠绕和弯曲四项性能，详见表9。 12 弹簧钢丝和弹性合金丝 B级和C级钢丝一般选用70(67A、72A)或65Mn(67B)，D级选用T9XEA和T8MnA(82B)生产。 表9 GB/T4357-89 碳素弹簧钢丝 B 组 C 组 D 组 直径 抗拉强度 扭转次数 抗拉强度 扭转次数不抗拉强度 扭转次数不mm MPa 不小于 MPa 小于 MPa 小于 0.22 2110~2500 20 2350~2750 20 2690~3090 18 0.25 2060~2450 20 2300~2700 20 2640~3040 18 0.28 2010~2400 20 2300~2700 20 2640~3040 18 0.30 2010~2400 20 2300~2700 20 2640~3040 18 0.32 1960~2350 20 2250~2650 20 2600~2990 18 0.35 1960~2350 20 2250~2650 20 2600~2990 18 0.40 1910~2300 20 2250~2650 20 2600~2990 18 0.45 1860~2260 20 2200~2600 20 2550~2940 18 0.50 1860~2260 20 2200~2600 20 2550~2940 18 0.55 1810~2210 20 2150~2550 20 2500~2890 18 0.60 1760~2160 20 2110~2500 20 2450~2840 18 0.63 1760~2160 20 2110~2500 20 2450~2840 18 0.70 1710~2110 20 2060~2450 20 2450~2840 18 0.80 1710~2060 20 2010~2400 20 2400~2840 18 0.90 1710~2060 20 2010~2350 20 2350~2750 18 1.00 1660~2010 20 1960~2300 20 2300~2690 18 1.20 1620~1960 20 1910~2250 20 2250~2550 18 1.40 1620~1910 20 1860~2210 20 2150~2450 18 1.60 1570~1860 20 1810~2160 20 2110~2400 18 1.80 1520~1810 20 1760~2110 20 2010~2300 18 2.00 1470~1760 20 1710~2010 20 1910~2200 18 2.20 1420~1710 15 1660~1960 15 1810~2110 13 2.50 1420~1710 15 1660~1960 15 1760~2060 13 2.80 1370~1670 15 1620~1910 15 1710~2010 13 3.00 1370~1670 15 1570~1860 15 1710~1960 13 3.20 1320~1620 12 1570~1810 12 1660~1910 8 3.50 1320~1620 12 1570~1810 12 1660~1910 8 4.00 1320~1620 12 1520~1760 12 1620~1860 8 4.50 1320~1570 10 1520~1760 10 1620~1860 5 5.00 1320~1570 10 1470~1710 10 1570~1810 5 5.50 1270~1520 8 1470~1710 8 1570~1810 3 6.00 1220~1470 8 1420~1660 8 1520~1760 3 6.30 1220~1470 1420~1610 7.00 1170~1420 1370~1570 8.00 1170~1420 1370~1570 9.00 1130~1320 1320~1520 10.00 1130~1320 1320~1520 11.00 1080~1270 1270~1470 12.00 1080~1270 1270~1470 13.00 1030~1220 1220~1420 13 弹簧钢丝和弹性合金丝 说明: ?Φ?4.0mm的D级钢丝和Φ?6.0mm的B级、C级钢丝在等于钢丝直径的芯棒上缠绕2圈、 缠绕后的试样表面不得产生裂纹和断裂。 ?Φ,4.0mm的D级钢丝在2倍钢丝直径的芯棒上缠绕2圈，缠绕后的试样表面不得产生裂纹 和断裂。 0?Φ,6.00mm的钢丝应进行弯曲检验，试样沿R=10mm圆弧向不同方向弯曲90，弯曲后不得 产生裂纹和断裂。 该标准钢丝主要用于制作静态机械弹簧，其服役期振动频次要高于非机械弹簧，对疲劳寿命有一定的要求，成品也增加扭转性能的考核。因此对钢丝用盘条应采用电炉或电炉+炉外精炼法冶炼，盘条中P?0.030%、S?0.020%等。成品钢丝显微组织中如含有游离铁素体，会降低弹簧疲劳寿命，而控轧控冷盘条中一般均存有5,15%的游离铁素体，不宜直接生产成品钢丝。按此标准供应的钢丝原则上成前应经铅浴处理，消除游离铁素体组织，成品钢丝显微组织应为纤维化索氏体组织。成品钢丝绕制弹簧后应进行消处应力热处理，推荐热处理工艺如表10。 表10 B、C和D组碳素弹簧钢丝消除应力热处理工艺 时 间 /min 弹簧用途 热处理温度/? ?1.25mm ,1.25,3.0mm ,3.0,9.5mm ,9.5mm 一般载荷 215,230 15,20 20,25 25,30 30,45 重载荷 230,260 20,30 30,40 40,50 50,60 高温下使用 275,290 30,45 45,60 60,80 60,90 说明:B、C和D组碳素弹簧钢丝使用温度不得超过160?。 4.1.3 GB/T4358-1995《重要用途碳素弹簧钢丝》 按该标准供货的钢丝，主要用于制作在各种应力状态下工作的动态弹簧。根据弹簧工作应力状态，钢丝分三个组别供货:E组适用于中等应力动态弹簧，F组适用于高应力动态弹簧，G组适用于高疲劳寿命的动态弹簧。成品钢丝考核抗拉强度，扭转，缠绕，弯曲和脱碳五项性能指标，详见表11。 由于按该标准供货的钢丝用于制作中、高应力状态下工作的动态弹簧，成品钢丝除保持高的弹性极限和良好的韧性指标外，还必须考虑到疲劳极限和弹簧的疲劳寿命。为此，对钢的纯净度，非金属夹杂含量和气体含量，铁素体含量及表面脱碳程度有更高的要求。钢丝用盘条必须采用电炉+炉外精炼法冶炼，对盘条的化学成分有更高的要求:P?0.025%、S?0.020%，Cr ?0.10%、Ni?0.15%(0.12%)、Cu?0.20%。实际生产中为提高疲劳寿命往往将Mn控制在高限，E组选用70或70Mn(72B)，F组选用T8MnA或T9XEA，G组选用65Mn(Mn可调整到0.9-1.2%)或67B。降低钢中P、S含量，提高Mn含量和采用炉外精炼的目的是:消减钢中非金属夹杂含量，改善夹杂物形态和降低气体含量，提高疲劳极限和疲劳寿命。出于同样目的，标准规定钢中Cr、Ni、Cu含量不得大于规定值，因为Cr、Ni和Cu均能延缓钢的索氏体转变，阻碍钢丝铅浴处理时形成单一的索氏体组织。如果钢丝显微组织中含有游离铁素体，会较大幅度地降低疲劳寿命，按该标准供货的钢丝，成前必须进行铅浴处理。 G组钢丝用于制作在剧烈振动状态下工作的阀门弹簧，对疲劳寿命要求极高，所以选用韧性更好的65Mn盘条，抗拉强度虽有所下降，但疲劳寿命更有保证。钢丝表面脱碳，形成铁素体组织严重影响疲劳性能，标准对G组钢丝增加脱碳层检验，规定总脱碳层深度不得大于1.0%d，但对较大规格钢丝(Φ,4.0mm)受减面率限制，由热轧盘条带来的脱碳层很难彻底消除，标准补充规定:“征得需方同意，可供应脱碳层不超直径1.5%d的钢丝”。成品钢丝绕制弹簧后应进行消处应力热处理，推荐热处理工艺如表12。 14 弹簧钢丝和弹性合金丝 表11 GB/T4358-1995 重要用途碳素弹簧钢丝 E 组 F 组 G 组 钢丝直径扭转次数 扭转次数 扭转次数 mm 抗拉强度MPa 抗拉强度MPa 抗拉强度MPa 不小于 不小于 不小于 0.25 2220~2600 25 2600~2950 18 0.28 2220~2600 25 2600~2950 18 0.30 2210~2600 25 2600~2950 18 0.32 2210~2590 25 2590~2940 18 0.35 2210~2590 25 2590~2940 18 0.40 2200~2580 25 2580~2930 18 0.45 2190~2570 25 2570~2920 18 0.50 2180~2560 25 2560~2910 18 0.55 2170~2550 25 2550~2900 18 0.60 2160~2540 25 2540~2890 18 0.63 2140~2520 25 25~202870 18 0.70 2120~2500 25 2500~2850 18 0.80 2110~2490 25 2490~2840 18 0.90 2060~2390 25 2390~2690 18 1.0 2020~2350 25 2350~2650 18 1850~2110 20 1.2 1920~2270 25 2270~2570 18 1820~2080 20 1.4 1870~2200 25 2200~2500 18 1780~2040 20 1.6 1830~2140 25 2160~2480 18 1750~2010 20 1.8 1800~2130 25 2060~2360 18 1700~1960 20 2.0 1760~2090 25 1970~2230 18 1670~1910 20 2.2 1720~2000 20 1870~2130 13 1620~1860 18 2.5 1680~1960 20 1770~2030 13 1620~1860 18 2.8 1630~1910 20 1720~1980 13 1570~1810 18 3.0 1610~1890 20 1690~1950 13 1570~1810 18 3.2 1560~1840 16 1670~1930 10 1570~1810 15 3.5 1520~1750 16 1620~1840 10 1470~1710 15 4.0 1480~1710 16 1570~1790 10 1470~1710 15 4.5 1410~1640 12 1500~1720 6 1470~1710 10 5.0 1380~1610 12 1480~1700 6 1420~1660 10 5.5 1330~1560 8 1440~1660 4 1400~1640 6 6.0 1320~1550 8 1420~1660 4 1350~1590 6 说明:?Φ,4.0mm的钢丝在等于钢丝直径的芯棒上、Φ?4.0mm钢丝在2倍钢丝直径的芯棒上缠绕5圈， 缠绕后的试样表面不得有裂纹或折断。 0?Φ,1.0mm钢丝进行弯曲试验，试样沿R圆弧向不同方向弯曲90，弯曲处不得有裂纹或折断， Φ?4.0mm，R=5mm;Φ,4.0mm，R=10mm。 ?G组钢丝脱碳层?1.0d%。 表12 E、F和G组碳素弹簧钢丝消除应力热处理工艺 时 间 /min 弹簧用途 热处理温度/? ?0.35mm ,0.35,1.25mm ,1.25,3.0mm ,3.0mm 一般载荷 200,215 10,15 15,20 20,25 25,30 重载荷 230,260 15,20 20,30 30,40 40,50 15 弹簧钢丝和弹性合金丝 高温下使用 275,290 20,38 30,45 45,60 60,80 说明:E、F和G组碳素弹簧钢丝使用温度不得超过120?。 4.1.4 GJB1497-92《特殊用途碳素弹簧钢丝规范》 在某些特定场合，需要弹簧具有超出常规要求的弹力，如枪械弹簧，为便于携带和使用，弹簧所占的空间很小，弹力要足够大，必须选用抗拉强度特高，韧性较好的钢丝来制作弹簧,《特殊用途碳素弹簧钢丝》就适应这种需要的标准。 该标准规定钢丝分甲、乙、丙三组供货。丙组适应于较高应力弹簧，乙组适应于高应力弹簧，甲组适用于超高应力弹簧。标准推荐钢丝采用T9A，T10A和T8MnA制造。实际上钢丝抗拉强度随碳含量增高而上升，扭转性能(韧性指标)随碳含量上升而下降，综合考虑，我公司选用加稀土的T9A钢丝生产甲、乙、丙组钢丝，目前“三大牌” 甲、乙、丙组钢丝是特色产品。成品钢丝考核抗拉强度、扭转、扭转断口、缠绕、抗拉强度均匀性和尺寸均匀性六项性能指标，详见表13。 为确保产品质量稳定，可靠，公司多年来摸索一套工艺程序，在钢丝生产过程中质量控制要点为: ?严格控制铅浴处理质量。 ?采用小道次减面率，多道次拉拔， ?合理的表面处理，使用高质量拉丝润滑剂。 ?特别要注意生产过程中的模具和拉丝卷筒的冷却，防止产生时效脆性。 应该指出钢丝的超高抗拉强度是以牺牲部分塑性和疲劳寿命换来的，只适用于制作形状简单，对疲劳寿命要求不很高的弹簧，该标准不宜推广使用。 表13 GJB1497-92 特殊用途碳素弹簧钢丝规范 抗 拉 强 度 扭转次数 直径 MPa 不小于，次 mm 甲 组 乙 组 丙 组 甲组 乙组 丙组 0.20 2840~3140 2700~2950 2550~2800 63 63 63 0.22 2840~3140 2700~2950 2550~2800 50 50 50 0.25 2840~3140 2700~2950 2550~2800 40 50 50 0.28 2840~3140 2700~2950 2550~2800 34 50 50 0.30 2840~3140 2700~2950 2550~2800 34 50 50 0.32 2840~3140 2700~2950 2550~2800 34 40 50 0.35 2840~3140 2700~2950 2550~2800 34 40 50 0.40 2840~3140 2700~2950 2550~2800 34 40 50 0.45 2840~3140 2700~2950 2550~2800 34 40 50 0.50 2840~3140 2700~2950 2550~2800 34 40 50 0.55 2840~3140 2700~2950 2550~2800 34 38 44 0.60 2790~3090 2650~2850 2500~2700 34 38 44 0.65 2790~3090 2650~2850 2500~2700 34 38 44 0.70 2790~3090 2650~2850 2500~2700 34 38 44 0.75 2790~3090 2650~2850 2500~2700 34 38 44 0.80 2790~3090 2650~2850 2500~2700 34 38 44 0.90 2740~3040 2600~2800 2450~2650 34 38 44 1.00 2740~3040 2600~2800 2450~2650 15 19 22 16 弹簧钢丝和弹性合金丝 1.10 2640~2940 2600~2800 2450~2650 15 19 22 1.20 2540~2840 2500~2700 2350~2550 15 19 22 1.30 2500~2700 2350~2550 19 22 1.40 2400~2600 2250~2450 19 22 1.50 2400~2600 2250~2450 19 22 说明:?每盘钢丝两端抗拉强度差不得大于100Mpa。 ?钢丝扭转时，在规定扭转次数以内不得有肉眼可见的裂纹和分层。 ?钢丝进行缠绕试验，钢丝绕芯棒缠绕1~5圈后不得折断和破裂。芯棒直径等于钢丝直径。 4.1.5 GJB5260-2003《航空用碳素弹簧钢丝规范》 该标准是航空航天工业专用标准，成品钢丝考核抗拉强度、扭转次数、扭转均匀度、扭转断口、缠绕和脱碳等性能。根据需方要求，可检验钢丝的非金属夹杂物，一般应控制在A2、B1.5、C1、D1的水平。考核指标详见表14。 表14 GJB 5260-2003 航空用碳素弹簧钢丝规范 ?组 ?组 ?组 ?组 直径 直径 抗拉强度 扭转次数 抗拉强度 扭转次数 抗拉强度 扭转次数 抗拉强度 扭转次数 mm mm 2222N/mm 不小于 N/mm 不小于 N/mm 不小于 N/mm 不小于 0.20 2650,3090 30 2210,2650 32 1.40 2250,2645 16 1865,2255 24 0.22 2650,3090 29 2210,2650 32 1.60 2155,2495 16 1815,2155 24 0.25 2650,3090 27 2210,2650 32 1.80 2060,2355 15 1765,2060 24 0.28 2650,3090 26 2210,2650 31 2.00 2060,2355 14 1765,2060 23 0.30 2645,3085 23 2205,2645 31 2.20 1870,2165 13 1665,1960 22 0.35 2595,3035 22 2155,2595 30 2.50 1765,2055 12 1620,1910 21 0.40 2595,3035 20 2155,2595 28 2.80 1720,2010 11 1620,1910 19 0.45 2595,3035 17 2155,2595 28 3.00 1715,2005 10 1620,1910 18 0.50 2595,3035 16 2155,2595 27 3.20 1670,1960 9 1520,1810 18 0.60 2595,3035 16 2155,2595 25 3.50 1670,1915 8 1520,1765 18 0.70 2550,2990 16 2110,2550 25 4.00 1620,1865 6 1470,1715 18 0.80 2550,2990 16 2110,2550 24 4.50 1520,1765 6 1370,1615 16 0.90 2500,2940 16 2060,2500 24 5.00 1520,1765 4 1370,1615 13 1.00 2450,2890 16 2010,2450 24 5.50 1470,1715 4 1320,1565 8 1.20 2350,2790 16 1910,2350 24 6.00 1470,1715 2 1320,1565 6 说明:?扭转试样变形应均匀，表面不允许有裂纹和分层，断口应垂直于轴线，。 ?直径,4.0mm钢丝，在与钢丝直径相等的芯棒上缠绕8圈;直径?4.0,6.0mm的钢丝，在直径为2d的芯棒 上缠绕8圈;缠绕后的试样表面不得有裂纹和断裂。 ?钢丝脱碳层深度不得大于1.0%d。 航空用碳素弹簧钢丝标准与现行GB/T4357和GB/T4358标准相比，更注重各规格钢丝的强韧性结合，在保证韧性的基础上，使钢丝抗拉强度处于尽可能高的水平上。?组钢丝相当于D级和F组钢丝，钢丝直径?1.4mm时，其抗拉强度和扭转次数要远高于D级和F组钢丝;钢丝直径在1.6,4.0mm范围内，其抗拉强度与D级和F组相当，但扭转次数高于D级和F组钢丝;钢丝直径在,4.0mm时，其抗拉强度与F组相当，但低于D级钢丝。?组钢丝相当于C级和E组钢丝，但其韧性(扭转次数)指标高于C级和E组钢丝，三者抗拉强度差别与?组钢丝相似，但差距较小。 航空用碳素弹簧钢丝基本用于制作高应力静态弹簧，因为用于航空航天工业，对强韧性要求比较 17 弹簧钢丝和弹性合金丝 高，对生产钢丝用钢和热轧盘条的要求基本与GB/T4358相同:钢的纯净度要高，非金属夹杂含量和气体含量要低，钢必须采用电炉+炉外精炼法冶炼。对盘条的化学成分有更高的要求:P?0.025%、S?0.020%，Cr ?0.10%、Ni?0.15%(0.12%)、Cu?0.20%，盘条脱碳层深度不应大于1%d。为提高钢丝强韧性，推荐经两次铅浴处理再出成品，成品钢丝中不应有铁素体组织。铅浴处理时宜采用高炉温、高铅温的生产工艺。成品拉拔时可适当增加拉拔道次，?组钢丝平均道次减面率不宜超过16%，?组钢丝平均道次减面率不宜超过17%。 4.1.6 GB/T18983-2003《油淬火-回火弹簧钢丝》 油淬火-回火碳素弹簧钢丝原有YB/T5103-93《油淬火-回火碳素弹簧钢丝》和YB/T5102-93《阀门用油淬火回火碳素弹簧钢丝》两个行业标准，分到用于制作静态簧和动态簧，2003年将这两个标准並入GB/T18983-2003《油淬火-回火弹簧钢丝》中。 油淬火-回火钢丝先将钢丝生产到成品尺寸，然后再进行油淬火回火处理，以回火马氏体组织交货。组织均匀性是决定油淬火回火钢丝性能的重要指标。因为碳素弹簧钢丝淬透性有限，规格太大的钢丝油淬火回火后芯部不能完全转变为马氏体，小规格钢丝的抗拉强度低于冷拉钢丝，所以油淬火回火碳素弹簧钢丝实际使用范围为4.0,12.0mm。 油淬火-回火碳素弹簧钢丝按供货抗拉强度分类属于低强度钢丝，按工作状态分为静态(FDC级)、中疲劳(TDC级)和高疲劳(VDC级)三类，三类钢丝的力学性能如表15。 表15 油淬火-回火碳素弹簧钢丝的力学性能 直径范围/ 抗 拉 强 度 /MPa 断 面 收 缩 率 /% mm FDC、TDC VDC FDC TDC VDC ,1.6,2.0 1720,1890 1650,1800 45 45 45 ,2.0,2.5 1670,1820 1630,1780 45 45 45 ,2.5,2.7 1640,1790 1610,1760 45 45 45 ,2.7,3.0 1620,1770 1590,1740 45 45 45 ,3.0,3.2 1690,1750 1570,1720 40 45 45 ,3.2,3.5 1580,1730 1550,1700 40 45 45 ,3.5,4.0 1550,1700 1530,1680 40 45 45 ,4.0,4.2 1540,1690 1510,1660 40 45 45 ,4.2,4.5 1520,1670 1510,1660 40 45 45 ,4.5,4.7 1510,1660 1490,1640 40 45 45 ,4.7,5.0 1500,1650 1490,1640 40 45 45 ,5.0,5.6 1470,1620 1470,1620 35 40 40 ,5.6,6.0 1460,1610 1450,1600 35 40 40 ,6.0,6.5 1440,1590 1420,1570 35 40 40 ,6.5,7.0 1430,1580 1400,1550 35 40 40 ,7.0,8.0 1400,1550 1370,1520 35 40 40 ,8.0,9.0 1380,1530 1350,1500 30 35 35 ,9.0,10.0 1360,1510 1340,1490 30 35 35 ,10.0,12.0 1320,1470 , 30 说明:?直径,1.0mm钢丝检验断面收缩率。 ?同一盘或同一轴钢丝抗拉强度允许波动范围为: VD级钢丝不应超过50MPa; 18 弹簧钢丝和弹性合金丝 TD级钢丝不应超过60MPa; FD级钢丝不应超过70MPa; ?直径,3.0mm钢丝应进行缠绕试验，在与钢丝直径相等的芯棒上缠绕4圈，缠绕后的试样表面不得有 裂纹和断裂。 ?直径,6.0mm钢丝应进行弯曲试验，钢丝沿直径等于2d的圆弧弯曲90?，表面不得有裂纹。 ?直径0.70,6.0mm钢丝应进行单向扭转试验，扭转次数应大于3次，扭转断口应平齐。 ?TDC和VDC级钢丝可进行双向扭转试验，试验结果应符合表16要求。 表16 双向扭转试验要求 TDC VDC TDC VDC 直径 直径 mm 右转圈数 左转圈数 mm 右转圈数 左转圈数 ,1.6~2.5 14 ,3.5~4.5 8 ,2.5~3.0 6 12 ,4.5~5.6 6 6 ,3.0~3.5 10 ,5.6~6.0 4 与冷拉碳素弹簧钢丝相比，直径?2.0mm的油淬火回火钢丝抗拉强度和弹性极限低于冷拉钢丝。但大规格钢丝(Φ?6.0mm)索氏体处理后，不可能采用大减面率拉拔获得高的抗拉强度，而油淬火回火钢丝只要完全淬透，就可以获得比冷拉钢丝更高的抗拉强度。即使在抗拉强度相同条件下，油淬火回火钢丝的弹性极限也高于冷拉钢丝。 冷拉弹簧钢丝的各向异性明显，而油淬火回火钢丝几乎各相同性。油淬火回火钢丝的疲劳寿及抗应力松弛性能比冷拉钢丝好得多，工作温度更高(150,175?)，抗蠕变性能更好。另外油淬火回火钢丝直条度好，打开盘卷后钢丝弹直，几乎无弯曲，缠绕弹簧时成形性能更好。因此工业发达国家大规格油淬火回火碳素弹簧钢丝几乎取代了冷拉碳素弹簧钢丝。 FDC级油淬火回火碳素钢丝用于制作静态弹簧，通常选用60、65、70、62A、67A和72A制造，对热轧盘条的要求与GB/T4357-1989相同。 TDC级油淬火回火碳素钢丝对组织均匀性要比较严格，应按GB/T4358-1995要求选择热轧盘条，选用牌号有65Mn、70、67B和72B等。 VDC级油淬火回火碳素钢丝一般使用65Mn和67B生产，质量控制要求基本与GB/T4358-1995的 G组相当。 油淬火-回火碳素弹簧钢丝的热处理规范:淬火温度800,850?，淬火介质为油，回火温度315,375?。与冷拉碳素弹簧钢丝一样，油淬火-回火碳素弹簧钢丝可以直接绕制弹簧，但成簧后必须进行消除应力热处理，消除应力热处理工艺如表17。 表17 油淬火-回火碳素弹簧钢丝消除应力热处理工艺 时 间 /min 弹簧用途 热处理温度/? ?1.25mm ,1.25,3.0mm ,3.0,9.5mm ,9.5mm 一般载荷 215,240 15,20 20,25 25,30 30,45 重载荷 260,290 20,30 30,40 40,50 50,60 高温下使用 315,345 30,45 45,60 60,80 60,90 说明:油淬火-回火碳素弹簧钢丝使用温度不得超过175?。 4.2 合金弹簧钢丝 冷拉碳素弹簧钢丝具有很高的弹性极限，良好的抗疲劳性能，制成弹簧后经低温消除应力处理后就可以使用，是制作普通弹簧的理想材料。但随着钢丝直径增大，冷拉形变强化弹簧钢丝的综合弹性 19 弹簧钢丝和弹性合金丝 性能比不上马氏体相变强化弹簧钢丝的性能。 马氏体相变强化弹簧钢丝质量控制的关键是保证淬透性，即保证油淬火后钢丝整个截面获得均匀的马氏体组织。如果弹簧油淬火未淬透，钢丝芯部残留过冷奥氏体组织，弹簧的弹性极限，抗冲击韧性和疲劳寿命将有不同程度的下降。 碳素弹簧钢淬透性较差，为提高钢的淬透性，必须向钢中添加Mn、Si、Cr、W、V和B等合金元素，形成合金弹簧钢系列。表18列出各种弹簧钢丝油淬火临界直径。 表18 各种弹簧钢丝油淬火临界直径 钢号 淬火临界直径(mm) 碳素弹簧钢 6,8 65Mn 15 62Si2MnA 20,25 50CrM 30,35 50CrV 40,45 60Si2CrA 40,45 60Si2CrVA 50,60 65Si2MnWA 50,60 60CrMnB 60 60CrMnMo 73,108 4.2.1 合金弹簧钢丝分类和特性 合金弹簧钢是在碳素钢的基础上添加一种或几种合金元素，来提高钢的力学性能、淬透性和其它性能，满足制造各种弹簧的要求。合金弹簧钢系列包括Si-Mn、Cr-Mn、Si-Cr、Cr-V和W-Cr-V钢，我国目前应用最广泛的是Si—Mn系列钢，其次是Cr—V系列钢。 (1) Si—Mn系弹簧钢 硅和锰资源丰富，价格便宜，能很好地溶入铁素体中，是最常用的固溶强化元素。硅能显著提高钢的弹性极限，使马氏体的亚结构比较稳定，但会增加钢的脱碳敏感性，易产生石墨碳析出。锰能提高钢的强度和淬透性，改善钢的组织均匀性和热加工能力力，但增加钢的过热敏感性和回火脆性，淬火时容易产生裂纹。硅和锰同时加入钢中可以发挥两种合金元素的优点，抑制彼此的缺点。Si—Mn系列的典型牌号是60Si2MnA。60Si2MnA的淬透性远高于碳素弹簧钢，淬火时不易产生裂纹，回火稳定性较好，不易产生回火脆性，淬回火后的钢丝具有较好的综合力学性能(_较高的弹性极限、屈强比和疲劳强度、一定的淬透性和较好的抗弹减性)和工艺性能，广泛地应用在汽车、拖拉机、机车车辆等工业部门，60Si2MnA钢丝主要用来制造中等截面的螺旋簧，卡簧和碟形弹簧等。 我国常用的Si—Mn弹簧钢还有55Si2Mn、60Si2Mn和70Si3MnA。 Si—Mn弹簧钢的缺点是: ?冶炼和铸锭工艺不当，极易产生碳和硅的偏析，造成钢中出现带状铁素体，白亮点状偏析，(分析证明白亮处富锰，较暗处富硅)，黑芯(中心增碳)和中心疏松等缺陷。 ?Si—Mn弹簧钢表面脱碳倾向比较严重，热加工、退火和淬火时容易出现脱碳，降低疲劳寿命。 ?由于硅是促进石墨化元素，弹簧淬回火时容易出现石墨碳，降低钢的硬度和韧性。 ?加热时晶粒比较容易粗化。 ?Si—Mn弹簧在高温回火时保温时间太长或回火后冷却缓慢，往往回出现可逆回火脆性。据分析脆性是杂质和低熔点元素P、S、Pb、Sn、As和Sb在奥氏体晶界处偏聚引起的。所以强化冶炼，改进 20 弹簧钢丝和弹性合金丝 冶炼方法，提高钢的纯净度是Si—Mn弹簧钢的发展方向。资料介绍经电渣重溶的60Si2MnA的使用疲劳极限可提高1.5,2倍。此外向钢中添加W、V及稀土元素也可以减弱回火脆性，65Si2MnWA就是一例。 65Si2MnWA在60Si2MnA基础上加1%W，同时将碳含量提高到0.65%左右，由于W增强过冷奥氏体稳定性，能在钢中形成稳定碳化物，钢的淬透性提高，热处理后组织更加均匀细致，回火稳定性提高，过热敏感性减小，抗弹减性能和高温蠕变性能显著改善，成为一种能承受高载荷、耐冲击、耐热的弹簧材料，在兵器行业得到广泛应用。 (2) Cr-Mn系弹簧钢 以铬、锰为合金元素的弹簧钢与Si—Mn系弹簧钢相比，钢的淬透性高，脱碳倾向小，不易产生石墨化组织，抗氧化和耐腐蚀性能好，总的看来Cr-Mn系弹簧钢的综合性能高于Si-Mn系弹簧钢。但Cr-Mn系弹簧钢的抗弹减性能不如Si-Mn系弹簧钢，同时过热敏感性和回火脆性比较强。Cr-Mn系列的典型牌号是50CrMn。 以Cr-Mn弹簧钢为基础加入合金元素硼和钼可以提高钢的淬透性，改善回火稳定性，60CrMnB淬火临界直径可达到60mm，60CrMnMo淬火临界直径高达108mm。 (3) Si—Cr系弹簧钢 在硅锰弹簧钢基础上加入0.7,1.2%的铬和0.1,0.2%钒，可以进一步提高钢的淬透性，改善钢的综合力学性能。常用钢有60Si2CrA、60Si2CrVA和70Si2CrA。 60Si2CrA与60Si2MnA相比，在同一条件下淬回火，抗拉强度值差别不大，但弹性极限值平均提高 270Mpa，伸长率高出2,3%。冲击值(αk)提高更为显著(约200KJ/m)。总的说来，当塑性指标相近时硅铬弹簧钢比硅锰弹簧钢具有更高的抗拉强度和弹性极限，在硬度相同时又有更好的冲击韧性。 钒可以细化晶粒，提高钢的回火稳定性，60Si2CrVA钢淬回火后的弹性极限稍高于60Si2CrA，疲劳寿命和回火稳定性也优于后者。此外Si—Cr弹簧钢的脱碳倾向很小，抗弹减性能更好，适用于制造大截面、重载荷、抗冲击的动态弹簧。 (4) Cr—V系弹簧钢 Cr—V系弹簧钢含1%的铬和0.1,0.2%的钒，是常用的优质弹簧材料。铬钒钢具有良好的强韧性和疲劳极限，一定的耐热性能，适用于制造直径小于30mm，承受高载荷，高频冲击，耐疲劳并在300?以下工作的弹簧。现在汽车，拖拉机、飞机及各种压缩机的阀们弹簧几乎全部采用铬钒钢丝制造。铬钒钢的典型牌号是50CrVA。 50CrVA钢丝脱碳倾向小，淬火时过热敏感性低，回火稳定性好，热处理后组织均匀，晶粒细，主要用于对疲劳寿命有很高要求的弹簧。但考虑到表面缺陷对疲劳有决定性的影响，飞机、轿车等重要用途的阀门钢丝，必须选用50CrVA磨光钢丝。 欧洲汽车发动机习惯用50CrVA，为确保阀门弹簧寿命，对钢材采用的主要技术措施是:通过精炼提高钢的纯净度;通过成品磨光彻底消除轧钢、冷加工带来的表面缺陷。 近年来为实现节能高效目标，发动机向小型化方向发展，阀门弹簧承受的载荷相应增大，为此开发了67CrVE超纯弹簧钢。 由于Si提高弹性极限的效应显著，同时能提高钢的耐热性能，日本和美国汽车行业主张用55CrSi取代50CrV制作高应力阀门弹簧，55CrSi的许用应力和使用温度均高于50CrV。美国汽车工程师协会 21 弹簧钢丝和弹性合金丝 规定Cr—Si钢的代号为SAE9254，92代表铬硅钢，54代表平均含碳量为0.54%。 (5) W-Cr-V系弹簧钢 钨铬钒系弹簧钢属于高温弹簧钢。钨和钒都是强碳化物形成元素，具有提高钢的淬透性，减少钢的过热敏感性，抑别回火脆性，改善回火稳定性作用;同时能细化晶粒，提高钢的高温强度和硬度。钨铬钒系弹簧钢的典型牌号是30W4C42V。 4.2.2 合金弹簧钢丝标准、应用范围及工艺控制要点。 我国合金弹簧钢丝分两类，合金弹簧钢丝，油淬火回火合金弹簧钢丝。从发达国家合金弹簧使用现状来看，油淬火回火钢丝所占比例越来越大，日本工业标准(JIS)规定，合金弹簧钢丝全部以油淬火回火状态供货。 (1) GB/T5218—1999《合金弹簧钢丝》 该标准将原GB5218—85《硅锰弹簧钢丝》、GB5219—85《铬钒弹簧钢丝》和GB5221—85《铬硅弹簧钢丝》三个标准合并成一个标准。 标准适用于制作高、中应力弹簧用合金弹簧钢丝，钢丝缠簧成形后需经淬火回火处理才能使用。 标准列出60Si2MnA、50CrVA和55CrSiA三个钢号，化学成分如表19，同时规定根据需方要求，可以供应其它牌号钢丝。 表19 合金弹簧钢丝化学成分 化 学 成 分 (质 量 分 数) % 牌 号 C Si Mn Cr V P S Ni Cu 50CrVA 0.46,0.54 0.17,0.37 0.50,0.80 0.80,1.10 0.10,0.20 ?0.030 ?0.35 ?0.25 55CrSiA 0.50,0.60 1.20,1.60 0.50,0.80 0.50,0.80 ?0.030 ?0.25 ?0.20 60Si2MnA 0.56,0.64 1,60,2.00 0.60,0.90 ?0.35 ?0.030 ?0.35 ?0.25 钢丝一般按冷拉状态交货，成品直径?5.0mm检验抗拉强度R?1035Mpa，直径>5.0mm钢丝检验HBm ?302，相当于轻拉状态。生产中大规格(Ф>8.0)成品冷拉减面率不超过25%，小规格钢丝(Ф?5.0)减面率不超过30%。退火状态交货钢丝太软，极易产生死弯，缠簧时往往造成簧形不好，螺距不均。冷拉减面率偏大时钢丝太硬、缠簧时反弹大，粗簧成形困难。所以直接缠簧的钢丝以轻拉状态供货最合适。对于钢丝购回还要进行冷加工(如压扁、轧成异型截面等)的用户，应推荐选用退火状态交货钢丝。 为保证缠簧性能，成品钢丝进行缠绕试验，直径?5.0mm钢丝在相当于钢丝直径1,2倍的芯棒上缠绕6圈，不得破裂和折断。 标准考虑到用户需求和冶金厂设备状况，规定钢丝总脱碳层(铁素体十过渡层)允许深度分2个组别考核，如表20。 表20 钢丝一边总脱碳层深度 Φ?6.0mm Φ,6.0,10.0mm Φ,10.0mm 牌 号 ? 组 ? 组 ? 组 ? 组 ? 组 ? 组 50CrVA ?1.0% ?1.5%D ?1.5%D ?2.0%D ?2.0%D ?2.5%D 55CrSiA ?1.5%D ?2.0%D ?2.0%D ?2.0%D ?2.5%D ?2.5%D 60Si2MnA ?1.5%D ?2.0%D ?2.0%D ?2.0%D ?2.5%D ?2.5%D 脱碳和表面缺陷严重的降低弹簧疲劳寿命，必须严格控制。特别是60Si2MnA和55CrSi，含硅量较 22 弹簧钢丝和弹性合金丝 高，退火时极易脱碳。盘条球化退火和半成品再结晶退火推荐采用低温，长时间的退火工艺。如前所述，疲劳寿命要求高的弹簧，必须选用磨光钢丝，但需要分清是退火磨光还是冷拉磨光。50CrV软态钢丝磨光时磨屑极易粘附到钢丝表面，形成不规则小白点，所以尽可能采用冷拉磨光工艺，减少表面“白点”。 在表面质量保证条件下，夹杂含量就成为影响疲劳寿命的最重要因素，所以标准规定，需方有要求时可增加非金属夹杂物，石墨碳检验。 (2) GJB5259—2003《航空用合金弹簧钢丝规范》 航空用合金弹簧钢丝规范包括50CrVA、60Si2MnA和65Si2MnWA三个牌号，化学成分如表21。 表21 航空用合金弹簧钢丝化学成品 化 学 成 分 (质 量 分 数) % 牌 号 S P Ni Cu C Si Mn Cr W V 不小于 50CrVA 0.46,0.54 0.17,0.37 0.50,0.80 0.80,1.10 — 0.10,0.20 0015 0.025 0.25 0.20 60Si2MnA 0.56,0.64 1.60,2.00 0.60,0.90 ?0.35 — — 0015 0.025 0.25 0.20 65Si2MnWA 0.61,0.69 1.50,2.00 0.70,1.00 ?0.35 0.80,1,20 — 0015 0.025 0.25 0.20 该标准结合航空行业实际，增添了常用牌号65Si2MnWA，对50CrVA和60Si2MnA的成分(V、S、P、Ni、Cu)控制也严于其它标准，标准强调“钢丝用钢应采用电渣重熔方法冶炼”，经供需双方协商可以采用电炉加炉外精炼或其它方法冶炼。 钢丝以冷拉、退火和冷拉磨光3种状态交货。从使角度考虑，直接绕簧的钢丝应选用冷拉或冷拉磨光状态。冷拉状态钢丝力学性能应符合表22规定。 表22 冷拉钢丝的力学性能 牌 号 抗拉强度 不大于N/mm2 硬度 不大于HBW 65Si2MnWA 1180 345 50CrVA 、60Si2MnWA 1030 302 说明:?直径大于5.0mm的钢丝可检验布氏硬度代替抗拉强度。 ?直径大于5.0mm的直条和磨光钢丝，性能允许有10%的波动。 为保证缠簧性能，直径?5.0mm钢丝进行缠绕试验，直径?4.0mm钢丝在相当于钢丝直径的芯棒上缠绕6圈，不得破裂和折断。直径,4.0mm,5.0mm钢丝在相当于钢丝直径1,2倍的芯棒上缠绕6圈，不得破裂和折断。 钢丝检验总脱碳层(铁素体十过渡层)，对脱碳层深度的要求相当于GB/T5218-1999的?组指标。 (3) GB/T18983-2003《油淬火-回火弹簧钢丝》 我国原有油淬火-回火合金弹簧钢丝标准是按钢种和用途来划分的，如YB/T5104—93《油淬火-回火硅锰合金弹簧钢丝》和YB/T5105—93《阀门用油淬火-回火铬硅合金弹簧钢丝》，2003年将所有油淬火-回火弹簧钢丝合並为一个标准，即GB/T18983-2003《油淬火-回火弹簧钢丝》。新标准规定油淬火-回火合金弹簧钢丝的分类、代号及直径范围如表23。 表23 油淬火-回火合金弹簧钢丝的分类、代号及直径范围 分 类 静态 中疲劳 高疲劳 23 弹簧钢丝和弹性合金丝 FDCrV(A、B) TDCrV(A、B) 中强度 VDCrV(A、B) 抗拉强度 FDSiMn TDSiMn 高强度 FDCrSi TDCrSi VDCrSi 直径范围 /mm 0.50,17.00 0.50,17.00 0.50,10.00 说明:1.静态级钢丝适用于一般用途弹簧，以FD表示。 2.中疲劳级钢丝适用于离合器弹簧，悬架弹簧等，以TD表示。 3.高疲劳级钢丝适用于剧烈运动的场合,例如阀门弹簧，以VD表示。 标准列出了4个牌号合金弹簧钢丝的化学成分(如表24),同时规定:经供需双方，可供应其它牌号的钢丝。 表24 合金弹簧钢丝的化学成分 化 学 成 分 /质量分数% 代号 C Si Mn P S Cr V Cu FDCrV-A ?0.030 ?0.030 ?0.20 0.47,0.10,0.60,TDCrV-A 0.80,1.10 0.15,0.25 0.55 0.40 1.20 ?0.025 ?0.025 ?0.12 VDCrV-A FDCrV-B ?0.030 ?0.030 ?0.20 0.62,0.15,0.50,TDCrV-B 0.40,0.60 0.15,0.25 0.72 0.30 0.90 ?0.025 ?0.025 ?0.12 VDCrV-B FDSiMn 0.56,1.50,0.50,?0.035 ?0.035 ?0.25 TDSiMn 0.64 2.00 0.90 FDCrV ?0.030 ?0.030 ?0.20 0.50,1.20,0.50,TDCrV 0.50,0.80 0.60 1.60 0.90 ?0.025 ?0.025 ?0.12 VDCrV 钢丝表面缺陷和脱碳层严重地影响到弹簧的疲劳寿命，因此标准对成品钢丝表面质量有明确规定:钢丝表面应光滑，不应有对使用产生有害影响的划伤、裂纹、锈蚀、折叠、结疤等缺陷。VD级和VD级钢丝表面不得有全脱碳层，允许半脱碳层深度:VD级?1.0%d、TD级?1.3%d;FD级钢丝全脱碳+半脱碳深度?1.5%d;TDSiMn钢丝半脱碳层深度?1.5%d。 各种级别油淬火回火钢丝的力学性能要求如表25和表26。 表25 静态级和中疲劳级钢丝力学性能 抗拉强度抗 拉 强 度 /MPa 断面收缩率 断面收缩率 /MPa 钢丝直径 不小于% 不小于% mm FDCrV-A FDCrV-B FDCrSi FDSiMn TDCrV-A TDCrV-B TDCrSi TDSiMn FD TD FD TD ,1.00,1.30 1750,2010 1850,2100 2000,2250 45 45 1850,2100 35 35 ,1.30,1.40 1750,1990 1840,2070 2000,2250 45 45 1850,2100 35 35 ,1.40,1.60 1710,1950 1820,2030 2000,2250 45 45 1850,2100 35 35 ,1.60,2.00 1710,1890 1790,1970 2000,2250 45 45 1820,2000 35 35 ,2.00,2.50 1670,1830 1750,1900 1970,2140 45 45 1800,1950 35 35 ,2.50,2.70 1660,1820 1720,1870 1950,2120 45 45 1780,1930 35 35 ,2.70,3.00 1630,1780 1700,1850 1930,2100 45 45 1760,1910 35 35 ,3.00,3.20 1610,1760 1680,1830 1910,2080 40 45 1740,1890 35 35 ,3.20,3.50 1600,1750 1660,1810 1900,2060 40 45 1720,1870 35 35 ,3.50,4.00 1560,1710 1620,1770 1870,2030 40 45 1710,1860 35 35 24 弹簧钢丝和弹性合金丝 ,4.00,4.20 1540,1690 1610,1760 1860,2020 40 45 1700,1850 35 35 ,4.20,4.50 1520,1670 1590,1740 1850,2000 40 45 1690,1840 35 35 ,4.50,4.70 1510,1660 1580,1730 1840,1990 40 45 1680,1830 35 35 ,4.70,5.00 1500,1650 1560,1710 1830,1980 40 45 1670,1820 35 35 ,5.00,5.60 1460,1610 1540,1690 1800,1950 35 40 1660,1810 30 30 ,5.60,6.00 1440,1590 1520,1670 1780,1930 35 40 1650,1800 30 30 ,6.00,6.50 1420,1570 1510,1660 1760,1910 35 40 1640,1790 30 30 ,6.50,7.00 1400,1550 1500,1650 1740,1890 35 40 1630,1780 30 30 ,7.00,8.00 1380,1530 1480,1630 1710,1860 35 40 1620,1770 30 30 ,8.00,9.00 1370,1520 1470,1620 1700,1850 30 35 1610,1760 30 30 ,9.00,10.0 1350,1500 1450,1600 1660,1810 30 35 1600,1750 30 30 ,10.0,12.0 1320,1470 1430,1580 1660,1810 30 1580,1730 30 30 ,12.00,14.0 1300,1450 1420,1570 1620,1770 30 1560,1710 30 30 ,14.0,15.0 1290,1440 1410,1560 1620,1770 1550,1700 ,15.0,17.0 1270,1420 1400,1550 1580,1730 1540,1690 说明:?直径,1.0mm钢丝检验断面收缩率。 ?同一盘或同一轴钢丝抗拉强度允许波动范围为: FD级钢丝不应超过70MPa; TD级钢丝不应超过60MPa。 ?直径,3.0mm钢丝应进行缠绕试验，在与钢丝直径相等的芯棒上缠绕4圈，缠绕后的试样表面不得有裂 纹和断裂。 ?直径,6.0mm钢丝应进行弯曲试验，钢丝沿直径等于2d的圆弧弯曲90?，表面不得有裂纹。 ?直径0.70,6.0mm钢丝应进行单向扭转试验，扭转次数应大于3次，扭转断口应平齐。 ?TD级钢丝可进行双向扭转试验，试验结果应符合表27要求。 表26 高疲劳级钢丝力学性能 钢丝直径 抗 拉 强 度 /MPa 断面收缩率 mm 不小于% VDCrV-A VDCrV-B VDCrSi ,1.00,1.30 1700,1900 1860,2010 2030,2230 45 ,1.30,1.40 1680,1860 1840,1990 2030,2230 45 ,1.40,1.60 1660,1860 1820,1970 2000,2180 45 ,1.60,2.00 1640,1800 1770,1920 1950,2110 45 ,2.00,2.50 1620,1770 1720,1860 1900,2060 45 ,2.50,2.70 1610,1760 1690,1840 1890,2040 45 ,2.70,3.00 1600,1750 1660,1810 1880,2030 45 ,3.00,3.20 1580,1730 1640,1790 1870,2020 45 ,3.20,3.50 1560,1710 1620,1770 1860,2010 45 ,3.50,4.00 1540,1690 1570,1720 1840,1990 45 ,4.20,4.50 1520,1670 1540,1690 1810,1960 45 ,4.70,5.00 1500,1650 1520,1670 1780,1930 45 ,5.00,5.60 1480,1630 1490,1640 1750,1900 40 ,5.60,6.00 1470,1620 1470,1620 1730,1890 40 ,6.00,6.50 1440,1590 1440,1590 1710,1860 40 ,6.50,7.00 1420,1570 1420,1570 1690,1840 40 ,7.00,8.00 1410,1560 1390,1540 1660,1810 40 ,8.00,9.00 1390,1540 1370,1520 1640,1790 35 25 弹簧钢丝和弹性合金丝 ,9.00,10.0 1370,1520 1340,1490 1620,1770 35 说明:?直径,1.0mm钢丝检验断面收缩率。 ?同一盘或同一轴钢丝抗拉强度允许波动范围为: VD级钢丝不应超过60MPa。 ?直径,3.0mm钢丝应进行缠绕试验，在与钢丝直径相等的芯棒上缠绕4圈， 缠绕后的试样表面不得有裂纹和断裂。 ?直径,6.0mm钢丝应进行弯曲试验，钢丝沿直径等于2d的圆弧弯曲90?， 表面不得有裂纹。 ?直径0.70,6.0mm钢丝应进行单向扭转试验，扭转次数应大于3次，扭转断口 应平齐。 ?VD级钢丝可进行双向扭转试验，试验结果应符合表27要求。 表27 双向扭转试验要求 TDCrV VDCrV TDCrSi VDCrSi 钢丝直径 mm 右转圈数 左转圈数 右转圈数 左转圈数 ,1.00,1.60 8 5 ,1.60,2.50 ,2.50,3.00 4 ,3.00,3.50 6 0 4 ,3.50,4.50 ,4.50,5.60 3 ,5.60,6.00 油淬火-回火钢丝生产包括4个环节:盘条预处理、拉拔、油淬火和回火。热轧盘条的冶金质量和表面质量对成品钢丝的疲劳性能有决定性的影响，高疲劳、高强度钢丝往往采用剥皮处理，彻底去除热轧盘条表面缺陷，再生产油淬火-回火钢丝。如果用控轧控冷盘条(Rm?1200MPa、Z?25%)可以直接去除氧化皮后，涂层拉拔。常规热轧盘条和半成品钢丝则需进行球化退火和再结晶退火处理。 冷加工可以改善钢丝的显微组织结构，细化晶粒，同时冷加工产生的应力也有利于碳化物更快更均匀地熔入奥氏体中。成品钢丝根据规格大小，一般要进行减面率为20%,80%的拉拔，条件允许可适当选用规格较大的热轧盘条。为确保成品钢丝盘重，直进式拉丝机的成品卷筒多采用倒立式收线方式。 油淬火-回火处理在展开式连续炉上进行。近年来油淬火-回火生产线的技术水平不断进步，生产效率不断提高，中等规格(υ2.0,4.0mm)钢丝的DV值高达480，大规格(υ?8.0mm)钢丝的DV值也达到300以上。现代化生产线多采用明火燃气(用天然气等高热值燃气)加热炉、感应加热+电阻加热式马弗炉均温，或高温铅浴加热的方式实现钢丝奥氏体化。明火加热炉设备投入少，多头作业工作效率高，性能均匀性也较好，但钢丝氧化、脱碳无法避免，成品质量受影响。感应加热速度快，尽管同时处理头数仅有一两根，但运行速度极快，生产效率仍很高，操作环境好，特别适用于大规格(υ?8.0mm)钢丝生产，但设备制造成本高，性能波动较大。高温铅浴加热速度快(介于前两种之间)、均匀性好、氧化轻、无脱碳之忧，适用于中小规格钢丝生产，但铅尘对环境的污染和人体健康的危害均很大。淬火采用溢流小油槽与大油槽配合的方式实现油温自动控制，可将油温控制在50?2?范围内，感应加热生产线采用70?热水作为淬火介质。回火通常用铅浴槽、沸腾粒子炉(用一定粒度的石英砂、碳化硅或金刚砂颗粒)、感应加热等几种方式。为提高钢丝抗弹减性能，在回火装置前后还配备张紧轮，使钢丝在一定张力拉紧状况下通过回火装置。回火后的钢丝经水冷、涂防锈油后收线成卷。油淬火-回火钢丝的单卷重量一般在1t左右，直径8.0mm以上钢丝盘卷直径为1600,1800mm，直径8.0mm以下钢 26 弹簧钢丝和弹性合金丝 丝盘卷直径也有1000mm。 用油淬火-回火合金弹簧钢丝绕制的弹簧,只要像冷拉碳素弹簧钢丝一样进行消除应力处理(见表28)即可使用，深受欢迎，现在越来越多行业选用油淬火-回火钢丝，特别是直径14.0mm以下油淬火-回火合金弹簧钢丝有全部取代冷拉状态钢丝的趋势。 表28 油淬火-回火合金弹簧钢丝消除应力热处理工艺 热处理温度/? 时 间 /min 弹簧用途 Cr-V Cr-Si ?1.25mm ,1.25,3.0mm ,3.0,9.5mm ,9.5mm 一般载荷 240,260 260,290 15,20 20,25 25,30 30,45 重载荷 290,315 315,340 20,30 30,40 40,50 50,60 高温下使用 345,370 370,400 30,45 45,60 60,80 60,90 5 弹簧失效与弹性材料的质量控制 弹簧失效的表现形式主要有两种:疲劳断裂和弹性减退。防止弹簧失效的措施是多方面的，包括合理选用弹性村料、根据载荷种类合理设计弹簧几何形状、选择适当的弹簧制作方法和采用合理的热处理工艺等，其中提高弹性材料的质量是最重要的。 5.1 弹簧钢丝的疲劳性能 弹簧钢丝的疲劳断裂有以下几点明显的特性:?疲劳断裂从疲劳源开始，疲劳源一旦形成，很快扩展成疲劳断裂;?疲劳源首先在钢丝表面或次表面生成，逐步向内部发展;?疲劳源的生成与扩展与钢丝的应力状况密切相关，不同应力状况对应着不同的临界尺寸缺陷。缺陷小于临界尺寸，一般不致于成为疲劳源，也就是说此缺陷对疲劳寿命的影响不大;?钢丝抗拉强度越高或实际使用应力越大，能形成疲劳源的临界缺陷尺寸越细小。 钢丝抗拉强度小于1320MPa(HV?400)时, 疲劳源通常在基体内部滑移带裂纹或晶界裂纹处生成，此时疲劳试验的数据分散度很小，疲劳极限与抗拉强度(硬度)之间保持着良好的线性关系,钢丝的弯曲疲劳极限可以用公式换算: σ=1.6HV?0.1HV (HV?400) -1 随着钢丝抗拉强度增大，临界尺寸越来越细小，钢丝的表面缺陷和内部夹杂物逐渐成为疲劳源。由于表面缺陷和夹杂分布具有偶然性，疲劳实验数据分散度加大，疲劳极限与抗拉强度不再呈线性关系。并且高强度钢丝的疲劳源常常从表面转移到次表面，形成“鱼眼”状断裂。以汽车发动机气门弹簧为例，据统计非金属夹杂物引起的断裂占40%，钢丝表面缺陷引起的断裂占30%。 (1)夹杂物对疲劳寿命的影响 非金属夹杂物对疲劳寿命的影响一方面取决于夹杂物的类型、数量、尺寸、形状和分布，另一方面受钢丝基体组织和加工工艺的制约。A类和C类塑性夹杂在热加工和冷加工过程中参与变形，其膨胀系数比较高，能与钢丝保持紧密结合，界面和夹杂物内部不会产生“空洞”型裂纹，对疲劳寿命影响不大。B类夹杂物是脆性夹杂物，加工过程中不变形，只能破碎;D类是点状不变形夹杂物，还有TiN夹杂,这三中夹杂物的膨胀系数与钢差别较大，在冷、热加工过程中极易在钢中形成空洞或裂纹。弹簧工作时这些空洞或裂纹在应力作用下很快形成疲劳源，引发弹簧失效。相对比较D类和TiN夹杂物对疲劳寿命危害最大，B类夹杂物次之。 降低非金属夹杂物，尤其是D类和B类夹杂物的含量一直是炼钢追求的目标，但夹杂物的尺寸及 27 弹簧钢丝和弹性合金丝 形状对疲劳寿命的影响要比含量影响更为显著。随着夹杂物尺寸增大，钢丝的疲劳极限呈线性降低，抗拉强度越高，夹杂物变化所引起的影响越显著。从形状上分析，形状不规则、多棱角的夹杂物对疲劳寿命的危害要大于棱角圆滑的球状夹杂，块状棱角分明的TiN夹杂的危害大于点状不变性氧化铝夹杂。从分布状态分析，集中分布夹杂的危害大于弥散分布夹杂，表面和次表面夹杂的危害大于芯部夹杂。 日本神户制钢和住友金属是对合金弹簧钢非金属夹杂控制比较成功的企业，神户对925V(Cr-Si超纯净钢)盘条夹杂物控制标准是:?夹杂物总量:dT?0.10%(JISG0555),?按“marx-1”检验，从表层到0.5r(半径)处的夹杂物粒度应?10μm，从0.5r到中心处的夹杂物粒度应?20μm。住友对C9254MSC(55CrSi)及C6150ASC(67CrV)盘条夹杂物的控制标准是:钢丝表面1/3r处不变形夹杂物尺寸和极限数量应符合表29规定。 表29 合金弹簧钢热轧盘条的不变形夹杂物尺寸及允许数量 夹杂物尺寸 W,5μm 5μm?W?10μm 10μm,W?15μm W,15μm 允许数量 不限 ,15个 ,8个 0个 说明:?用夹杂物宽度(W)来衡量不变形夹杂物。(L/W?3)。 2 ?受检验面积1000mm。 目前冶金厂降低合金弹簧钢夹杂物的含量的措施除传统的强化冶炼、炉外精炼、真空处理外，普遍采用合成渣系和铁合金配合，对夹杂物进行变性处理，使高熔点的点状不变形D类夹杂转化为熔点较低的C类塑性或半塑性夹杂，改善合金弹簧的疲劳寿命。 (2)表面缺陷对疲劳寿命的影响 弹簧在交变载荷作用下，表面承受的应力和应变最大， 表面微小缺陷，如运输的擦伤、粗糙的磨痕、甚至连打标记 的印痕都能引起应力集中，演变成疲劳源。钢丝的抗拉强度 越高，表面缺陷导致疲劳破坏的几率越大。从图3可以看出， 随着钢丝抗拉强度的增加，表面加工精度对钢丝疲劳极限的 影响越显著。所以弹簧钢丝表面质量要求很严，表面不允许 有裂纹、折叠、起刺、班疤等有害缺陷。钢丝表面脱碳会造 成表面硬度下降，而弹簧钢丝的疲劳极限与硬度成正比，所 以脱碳也是降低疲劳寿命的重要因素，必须严格控制。同理 氮化、渗碳或碳氮共渗等表面处理可以提高钢丝表面硬度， 图3 表面缺陷对钢丝疲劳极限的影响 都是提高弹簧疲劳极限的手段。喷丸处理可以消除钢丝表面一些缺陷，改善钢丝表面应力分布状态，使表层产生一定的强化效应，也是提高疲劳寿命的有效措施。 5.2 弹簧钢丝的弹减性 弹性减退是弹簧在弹性范围内的一种微塑性变形，是弹簧失效的最常见的表现形式。长期以来，人们对材料的弹减性重视不够，研究较少，某些重要用途弹簧，如汽车悬挂簧，发动机气门簧，压缩机支撑簧，纺织机摇架簧等弹簧的弹性减退问题一直未能得到根本解决，成为一大技术难题。 近期研究表明:在常温或接近常温条件下，弹簧钢丝的弹减性分为两个阶段。第一阶段弹减性是由回复引起的，弹减率较大，位错组态和亚结构变化比较明显。第二阶段是动态回复起作用，位错亚 28 弹簧钢丝和弹性合金丝 结构变得比较均匀和稳定，故弹减率较小。 5.2.1影响钢丝弹减性的因素 弹减性的实质是塑性变形，所以一切影响材料塑性变形的因素，如显微组织结构，晶粒度，析出相的形态和分布都将影响弹减性。也就是说:材料的化学成分、热加工、冷加工、热处理工艺的改进，都能提高材料的抗弹减性能。 (1)化学成分的影响 常用合金元素对弹簧钢弹减性的影响可分为两种:碳、硅、钒、硼的影响为正效应，即提高弹减抗力;锰、铬、铌的影响为负效应，即降低弹减抗力。合金元素对弹减抗力的影响如表30。 表30 合金元素对弹减抗力的影响 合金元素 C Si V B Nb Mn Cr 排列次序 1 2 3 4 5 6 7 极差R ，86.36 ，55.90 ，43.64 ，25.86 ,17.84 ,15.30 ,1.42 相对百分比 % 100 64.7 50.5 29.9 20.7 17.7 1.6 (碳为100%) 说明:R是用鲍辛格(Baushinger)扭转试验法测得的数据，“，”表示弹减抗力提高，“,”表示弹减 抗力下降，数值越大效应越显著。 碳是弹簧钢中必不可少的元素，它以间隙固溶体的形式溶解在钢中，有效地强化铁素体，同时形成大量碳化物，产生沉淀硬化作用，提高钢的抗拉强度、疲劳极限、显著地提高弹簧钢的弹减抗力。但考虑到钢的综合性能，碳素弹簧钢的碳含量不超过0.95%，合金弹簧钢的碳含量不超过0.80%。许多研究还证明，低碳钢只要热处理工艺得当，也能获得很高的弹减抗力，如具有低碳回火马氏体组织的SiMnVB钢，比具有回火屈氏体组织的中碳钢有更好的抗弹减性能。 硅是弹簧钢中常用的合金元素，也是除碳外对弹减性能影响最大的元素。硅是铁素体强化元素，能降低碳在铁素体中的扩散速度、抑制渗碳体在回火过程中形核和长大、细化渗碳体的粒度、缩小渗碳体的间距，从而改善钢的弹减抗力。对弹簧钢中硅的含量，尽管观点不完全相同，但普遍认为1.5%是最佳含量，1.5~2.0%作用减弱，超过2.2%基本不起作用。 钒和铌是强碳化物形成元素，在钢中形成细小、坚硬的MC型碳化物，阻止晶粒长大。相对比较，钒在钢中溶解度较大，淬火回火时还能产生沉淀强化效果，铌单独使用时不产生沉淀强化效应，但钒和铌混合使用，可缩短两者完全溶入奥氏体中的时间，增强沉淀硬化效应，所以常用适量的钒和铌来改善合金弹簧钢的弹减性能。 在含硅弹簧中添加0.35~0.70%的铬，可以减缓钢的脱碳趋势，抑制石墨碳析出，同时还能提高钢的淬透性。但弹簧钢中的铬大部分溶于碳化物中，实际上不起固溶强化作用，对改善弹减性作用不大。 一般认为:钼有改善弹簧钢弹减抗力作用，当钢中钼含量?0.4%时，随着Mo含量增加，钢的屈强比增加，特别是工作温度高达200~300?时，钼对弹减抗力的改善作用要大于硅和钒，仅加0.2%的钼，弹减抗力可提高一倍。 硼不仅可以提高钢的淬透性，对改善钢的弹减性也非常有效。据分析硼以间隙固溶解形式溶于奥氏体和铁素体中，固溶强化作用较强，又特别易集中在位错线附近，对位错具有很强的“钉扎”作用，使位错滑移困难，抑制形变过程。与微量硼就可以显著提高钢的淬透性一样，单位重量的硼，改善弹 29 弹簧钢丝和弹性合金丝 减性能力是碳的50倍，硅的400倍，见表31。 表31 单位重量(0.01%wt)元素对弹减抗力的影响 合金元素 B V C Si Mn Cr 排列次序 1 2 3 4 5 6 极差 R 199 4.36 3.75 0.45 0.27 0.04 相对百分比 % 100 2.19 1.89 0.23 0.14 0.02 (硼为100%) 锰对弹簧钢的弹减抗力有负面影响，但锰提高钢的淬透性，有利于脱氧，可消除硫的有害作用，所以弹簧钢中一般均含有2.5%以下的锰。 (2)显微组织的影响 显微组织对弹簧钢的弹减抗力有较大的影响，同一牌号的钢，组织状态不同弹减性也会有差异。一般认为，回火马氏体组织，细小、密集、呈球状分布的碳化物，对位错运动具有较强的阻力，弹减性能也较好，所以淬火回火钢丝弹减性优于冷拉弹簧钢丝。以低碳马氏体钢30SiMnVB和中碳弹簧钢55SiMnVB为例，要获得相同的强韧性，30SiMnVB可以选用较低的回火温度，回火后的组织具有高度弥散的碳化物质点，这些质点对位错起有效的“钉扎”作用，使位错移动成为一种短程、广泛、均匀而无定向的位移，钢在表现出良好的宏观塑性变形能力的同时，具有良好的微观硬化效果，因此具有较高的弹减抗力。中碳钢55SiMnVB必须选用较高的回火温度，回火时除共格碳化物溶解，非共格碳化物析出外，碳化物质点开始聚集长大和球化，从而使位错起“钉扎”作用的质点减少，位错将绕过这些颗粒较大的质点产生定向、长程位移，尽管表现出来的宏观塑形较好，但微观硬化效果不佳，弹性抗力不如30SiMnVB。 热处理工艺对弹减性的影响，直观的表述是:提高弹簧钢热处理后的硬度，就能提高弹减抗力，在高应力弹簧中，硬化的影响更为明显。 (3)钢的纯净度 提高使用硬度是提高弹簧钢丝使用应力，改善弹减抗力的最简单的方法。但采用低温回火来提高使用硬度，会造成弹簧韧性下降，同时在高强度下使用，非金属夹杂物造成疲劳断裂失效的几率急剧加大。采用各种精炼方法生产的超纯弹簧钢，其氧化量一般在15ppm以下，B类、D类和TiN夹杂极少。超纯钢本身的抗弹减性能虽与常规冶炼的钢基本相同，但因韧性较好，疲劳极限提高，可以通过低温回火提高使用硬度(50HRC提高到54HRC)，从而间接地提高了钢的抗弹减性能。 5.2.2改善弹减性能的工艺措施 改善弹减性能常用的工艺措施有:应变回火处理、感应加热处理和强压处理。 (1)应变回火处理 应变回火处理指在回火钢丝的两端施加相当于抗拉强度30%,50%的拉应力，钢丝在拉力作用下产生微量应变，位错线移动。此时间隙溶质原子(C和N原子)借助于温度向位错线附近扩散，将移动着的位错“钉扎“住。同时回火过程中弥散析出的碳化物提供了更多钉扎点，使位错“钉扎”得更加完全、更加充分，提高了钢丝塑性变形抗力，改善了钢丝的弹减性能。 (2)感应加热处理 感应加热速度快，钢丝表面氧化轻，不易产生脱碳，晶粒也得到细化。用高频感应加热生产的油 30 弹簧钢丝和弹性合金丝 淬火-回火钢丝制成螺旋弹簧，在静载荷、动载荷下的强韧性、弹减性能极好，在弹簧各项指标保持原有水平条件下，重量可减轻10%,20%。 特别是含钒和铌的弹簧钢，只有采用更高的奥氏体化温度使钒和铌充分溶解，才能获得回火二次硬化效果。在一般加热条件下，奥氏体化温度太高，钢丝晶粒粗化，表面氧化、脱碳也急剧加重，严重影响疲劳寿命。感应加热到900,1200?时，钢丝也不会出现脱碳、严重氧化及晶粒粗化现象。所以说感应加热能使含钒和铌的弹簧钢充分发挥优势。 (3)强压处理 强压处理包括热强压、冷强压、工频电强压、脉冲电强压及电脉冲磁场热强压等。强压处理的操作步骤如下:?将弹簧压缩到指定载荷P所对应的高度H，加入固定。P通常超过弹簧的弹性极限。000 ?将强压的弹簧及固定装置一起放入恒温箱中，在规定温度tp下保持一段时间。?取出弹簧，冷至,p室温后卸载。 强压处理的要点是:施加的应力超过钢丝的弹性极限，使钢丝表层产生塑性形变，而芯部只产生弹性变形。表层塑性变形造成大量位错在滑移面堆积，纤维胞状亚结构细化，胞壁变厚，胞内密度加大等，提高了表层的组织结构和性能的稳定性，有效地改善了弹簧的弹减性能。同时强压提高了表层硬度和弹性极限，并使表层残余应力和工作应力相反，应力集中区转移到表层以下，有利于疲劳寿命是提高。热强压比冷强压效果更好，因为温度和压力的双重作用加速了晶粒内空位的扩散和位错的攀移，促进了回复和动态回复，降低了应力不均匀分布，铁素体晶粒亚结构也进一步细化。以用?组冷拉碳素弹簧钢丝绕制的纺织机摇架簧为例，未强压处理的弹簧(ΔP/P),%(10年预期载荷损失率)为010 9.2;磁场低温处理，末强压弹簧(ΔP/P),% 为8.6;冷强压弹簧(ΔP/P),% 为5.04;热强压弹簧(Δ010010 P/P),% 为3.34;脉冲磁场中温强压弹簧(ΔP/P),% 为1.51;脉冲电强压弹簧(ΔP/P),% 为0.52。010010010从以上数据可以看出:未强压处理和经不同强压工艺处理的弹簧的弹减性最大相差17倍。在200?左右进行热强压处理，使弹簧先有一定的塑性变形(预调整)，可有效地改善以后的弹性减退，是弹簧厂常用的提高弹减抗力的有效工艺措施。强压处理的缺点是弹簧的自由高度控制不准，簧体易发生扭曲，应采取相应预防措施。 5.3延迟断裂 延迟断裂是指高强度弹簧在低于屈服极限的应力作用下，经过一段时间后突然发生的脆断。延迟断裂是高强度弹簧使用过程中较常见的一种缺陷，近期研究表明延迟断裂主要发生在回火马氏体钢中，产生延迟断裂条件有:?使用应力?1200MPa，也就是说产生延迟断裂的门坎值是1200MPa;?断裂产生于拉应力最大处，压应力一般不会产生延迟断裂;?350?左右低温回火，往往导致弹簧的延迟断裂敏感性增大; ?延迟断裂多产生于原始奥氏体晶界处， P、S及其化合物在晶界的析出、碳化物在晶界的析出和集聚、氢在晶界的聚集都会增大弹簧延迟断裂的敏感性。 5.3.1延迟断裂实例 以60Si2MnA弹簧的断裂为例来分析延迟断裂的断口形貌和产生原因:用υ4mm钢丝绕制的螺旋弹簧，为提高耐蚀性能，成形后进行镀锌处理。弹簧原高85mm，服役时处于强压状态 ，弹簧压缩24mm，同时扭转135?，工作应力为1500Mpa，动作后弹力释放 ，弹簧恢复自由状态。弹簧制作流程为:弹簧成形?淬火，回火? 酸洗?镀锌(电化学镀)? 脱H处理(烘烤)?强压试验?装机。装机7个 31 弹簧钢丝和弹性合金丝 月后进行例行检查，发现部分弹簧断裂。 在扫描电镜下观察失效弹簧的断口形貌，然后将断口磨平，在光学显微下镜观察断口附近的显微组织。在断裂的弹簧上取样，用光谱分析仪对弹簧的化学元素进行全分析，用气体分析仪对弹簧以及原材料中的气体H、O含量进行检验。弹簧的失效断口和组织的扫描电镜照片如图4、图5和图6 。 图4 弹簧断口的宏观形貌 图5 弹簧断口的显微形貌 图6 弹簧断口的高倍显微形貌 从图4可以看出，弹簧断裂起源于螺旋弹簧的外侧(照片左侧)，因为弹簧扭转受力，内侧受压应力，外侧受拉应力。裂纹起始和缓慢扩展于粒状断口区，颜色稍灰暗，然后是放射区，周围有剪切唇，这是典型的氢脆断口形貌。从图5和图6(断口形貌放大图)可以看出，断口为光滑平整的冰糖状和纤维状的混合断口。裂纹主要分布在晶界处，形成沿晶断裂。 μm 10μm 10 图7 弹簧的断口处显微组织 图8 弹簧钢丝的显微组织 图7和图8分别是弹簧断口处和Φ4.0mm，60Si2MnA钢丝的显微组织图，图7的显微组织为细小均匀的索氏体，图8的显微组织为退火后的粒状珠光体组织，两者均为正常显微组织。 用光谱分析仪对弹簧断口处的化学元素进行全分析，分析结果如表32。 表32 60Si2MnA弹簧化学成分 质 量 分 数， % 化学成分 C Si Mn P S Cr Ni Cu Mo Ti Al(t) Al(s) 检验结果 0.59 1.76 0.68 0.015 0.003 0.09 0.06 0.12 0.01 0.01 0.025 0.02 0.56,1.60,0.60,?????GB/T1222 0.64 2.00 0.90 0.030 0.030 0.35 0.35 0.25 从表32检验结果可以看出:60Si2MnA弹簧的化学成分中磷、硫含量较低，各项成分均符合国标要求。 用气体分析仪对弹簧以及原材料中的气体(H、O)含量进行检验，检验结果如表33。 表33 弹簧及Φ4.0mm钢丝的氢、氧含量 样 品 弹 簧 钢丝 氢含量，ppm 0.1 10.13、11.1 氧含量，ppm 24 16 32 弹簧钢丝和弹性合金丝 综合分析，弹簧的化学成分符合国家标准要求，钢丝和弹簧的显微组织也基本正常，但是镀锌弹簧的氢含量却非常高，比钢丝中氢含量高出2个数量级。超高量的氢含量很可能是酸洗、镀锌过程中渗入钢材中的，是弹簧产生延迟断裂的原因。 5.3.2延迟断裂机理 无论从检验结果，还是理论分析都认为:氢含量偏高是高强度弹簧产生延迟断裂的主要原因，延迟的过程实际上是氢在弹簧钢中扩散、聚集、造成断裂的过程。关于氢致开裂(hydrogen induced cracking)的机理众说纷芸，肖纪美教授将其概括为三大类:压力理论、结合能理论和过程理论，三种理论对氢致开裂过程的描述是一致的，这个过程可简述如下: (1)钢中的氢来自内生和外部渗入两个途径。 内生指冶炼时溶解于钢中的氢，随着温度降低溶解度下降，氢在钢内的不规整处:如晶界、相界或微裂纹处析出;氢在钢中形成间隙固溶体，由于奥氏体的间隙大于铁素体，氢在奥氏体中的溶解度大于在铁素体中的溶解度，钢锭冷却过程中，奥氏体转变为铁素体时必然有氢析出。 外部渗入指弹簧钢在酸洗、电镀或在酸性环境中使用，氢气由外部渗入钢中。上面分析的60Si2MnA弹簧,经酸洗、镀锌处理后钢中氢含量从0.1ppm上升到11ppm是典型的外部渗氢事例。 (2)在250?以下，钢中的合金元素和夹杂物几乎不能扩散，氢原子直径小(0.106nm)仍能活跃地进出，因此氢气的渗入和去除是可逆的。即使在常温下长期存放，渗入的氢也能缓慢地释放，随着温度升高，氢扩散速度加快，因此烘烤是有效的去氢方法。 (3)钢的组织结构不均匀，内部应力集中都会导致氢在钢中局部区域聚集，这些氢聚集的区域俗称“氢陷阱”。反映陷阱特性的三个参数是:陷阱密度(N陷阱)、陷阱深度(U)和填充度或浓度(C)。氢XBX陷阱又可以分“组织陷阱”和“应力陷阱”，高强度弹簧的延迟断裂是组织陷阱和应力陷阱综合作用的结果。 (4) 组织陷阱指钢中晶界、相界、夹杂物与基体交界处和显微空隙处，落入陷阱中的氢成为不可逆的氢。氢陷阱的存在使氢的溶解度增大，有效扩散系数降低，局部氢浓度增高，进而发展成裂纹源。组织陷阱的密度和深度主要取决于钢的化学成分、晶粒度和显微组织，一般说来，合金钢的陷阱密度和深度大于碳素钢;马氏体钢陷阱密度最高，奥氏体钢陷阱密度最低;合金弹簧钢中索氏体组织陷阱密度最低，深度也最浅。 (5)应力陷阱指钢材压力加工和热处理使的内部晶格畸变、位错堆积、夹杂物的破碎、显微空洞和微裂纹处成为氢的汇聚点。应力陷阱是可逆性陷阱，应力消除后氢陷阱随之消失。最深的应力陷阱往往在承受拉应力最大的区域，溶解于钢中的氢逐渐向深阱(U?58kJ/mol)汇集，使陷阱处应力进一步增B 大，当内应力超过结合力时，钢中产生微裂纹，随着氢不断扩散、聚集，裂纹逐渐加长，最终造成钢材突然断裂。 (6)弹簧钢氢陷阱的深度与弹簧服役时的应力状况密切相关，弹簧承受的拉应力增大，陷阱的深度随之加深。只有在足够深的陷阱中填充足够量的氢时才能引发延迟断裂，陷阱不够深或氢填充度不足只能引起氢脆，不致于产生延迟断裂。中、低强度钢的氢脆和高强度钢的延迟断裂造成钢的力学性能变化是迥然不同的，氢脆钢抗拉强度变化不大，但塑性急剧下降，集中体现在断面收缩率指标的大幅度降低上;延迟断裂集中体现在钢的抗拉强度下降上。 33 弹簧钢丝和弹性合金丝 (7)除固溶态的氢原子外，钢中氢以氢分子、氢化物和气团三种形态存在。钢凝固或冷却过程中析出的氢以分子态分布在钢中，称为白点;氢化物指氢与钢中组元形成的固态化合物TiH和气态化合物CH(FeC+2H=3Fe+CH?)等;气团指原子氢在金属及合金中的晶界和相界形成的类似化合物的形态，如4324 间隙原子氢偏聚在某些晶界上形成的片状“氢原子气团”，氢原子气团与钢中常见的片状碳原子富集区相似，结构相当稳定，可以看成广义的相。分子氢、气态氢化物和气团的扩散和聚集是造成钢材氢脆和延迟断裂的根源。而固态氢化物，如TiH，因为形成TiH是放热反应，随温度下降，氢在钛中的溶解度加大，钢中分布均匀钛的起到固定氢的作用，对减轻氢脆和防止延迟断裂是有利的，钒、钽(Ta)和稀土元素有与Ti类似的作用。 5.3.3防止延迟断裂的途径 从延迟断裂的机理分析可以看出，防止延迟断裂应从以下几个方面着手: (1)降低弹簧内部氢含量 以气态存在于钢中的氢是引发延迟断裂的罪魁祸首，防止延迟断裂首先要降低钢中氢含量。因为氢原子直径小，很容易渗入钢中，控制弹簧内部氢含量涉及钢材生产、弹簧制作和使用维护的全过程。 钢材降氢的工艺措施包括:炼钢原辅材料的充分烘烤、炉外精炼、真空脱气处理;钢坯缓冷、扩氢退火;钢丝酸洗选用适当的缓蚀剂，酸洗后涂层前的烘烤等。只要工艺措施得当，电炉钢氢含量一般均可达到3ppm以下,电炉+LF+VD(或电炉+LF+RH)钢的氢含量可达到1.5ppm以下。 弹簧制作过程渗氢主要发生在淬回火后的酸洗和镀层工序，一般主张弹簧淬回火后先进行酸洗和去氢处理(200,250?不少于4h的烘烤)，然后再进行电镀。为提高耐腐蚀性能，弹簧常用镀层有电镀锌和电镀镉两种。电镀锌加工方便，成本低;锌层在干燥空气中较稳定，不易变色，有一定的耐蚀性能;锌为阳极镀层，在强腐蚀环境中优先腐蚀，对弹簧起良好的保护作用;但电镀锌时产生的大量氢极易渗入弹簧基体中，镀锌后的弹簧必须进行去氢处理。由于表面有锌层保护，一般烘烤很难达到去氢效果，要将氢含量拿到3ppm以下，推荐采用真空烘烤法去氢。镉镀层附着力比锌强，特别是在海洋性气氛，或与海水接触的环境中，镉镀层仍有良好的耐蚀性能，表面也比锌层更光亮、更美观，航空、航海和电子工业用弹簧和紧固件多选用电镀镉保护层。尽管电镀镉时渗氢作用比镀锌弱，若采用致密镀镉工艺，需要长时间(8,20h)烘烤才能达到去氢效果，因此一般采用疏松镀镉工艺。 (2)改善弹簧组织结构 钢材基体组织结构对延迟断裂的影响仅次于氢含量，从氢在钢中溶解度、扩散速度、形成氢陷阱的密度、深度和填充度角度分析，奥氏体钢抗氢脆能力最强，几乎不产生延迟断裂。铁素体钢在HS、2甲酸、乙酸等酸性环境中氢脆倾向比较明显,但未见有延迟断裂的报道,可能与铁素体钢抗拉强度偏低,不能在高应力条件下使用有关。对于高强度弹簧而言，抗延迟断裂能力与显微组织结构密切相关，抗延迟断裂能力从强到弱的组织结构依次为:索氏体、珠光体、下贝氏体、马氏体。马氏体组织内应力 2大、位错密度高、存在大量显微裂纹(微裂纹条数高达1000,2000n/mm)，非常有利于氢的扩散和聚集，极容易引发延迟断裂。高强度碳素弹簧钢丝具有纤维化的索氏体组织，内应力分布相对均匀，氢脆倾向较弱，抗延迟断裂能力最强。合金弹簧在淬回火状态下使用，作为淬火组织，单一的马氏体组织抗延迟断裂能力最强，马氏体+下贝氏体混合组织次之，上贝氏体或珠光体+马氏体混合组织的抗延迟断裂能力明显减弱，所以60Si2MnA弹簧淬火时必要保证淬透，获得单一的马氏体组织，不得有上贝 34 弹簧钢丝和弹性合金丝 氏体和珠光体组织。 淬火后的弹簧尽管强度和硬度均很高，但弹性极限急剧下降，塑性和韧性严重不足，必须通过回火来提高弹性极限，获得足够的塑性和韧性。以60Si2MnA弹簧为例，油淬火后弹簧内部存在很大的内应力，如不及时回火可使内部微裂扩展为宏观裂纹，此时再回火也无济于事了。据检测，淬火后弹簧显微裂纹每平方毫米高达1500,2000余条，经200?左右回火，显微裂纹数可以降到每平方毫米500条左右，再提高回火温度，微裂纹条数无明显变化，直到600?以上才开始明显减少。从显微组织结构看，200?左右回火获得回火马氏体组织，弹簧体积缩小，显微裂纹数明显减少，氢陷阱的数目也明显减少;回火温度提高到250,350?时，弹簧进入第1回火脆性区，碳化物在沿马氏体相界呈薄片状析出，残余奥氏体相对稳定，但冷却时重新转变为马氏体，氢陷阱的数目又增加，弹簧的延迟断裂敏感性反而增强;回火温度提高到250,350?时，获得回火屈氏体组织，弹簧的抗延迟断裂性能显著好转;直到回火温度提高到600?以上，内应力充分释放，马氏体完全分解为粒状索氏体，弹簧的抗延迟断裂才达到最佳水平。 (3)改善弹簧晶界、相界结构 钢的晶界、相界、亚晶界和位错等区域是晶体缺陷区，当钢从高温冷却下来时，因溶解度的变化，钢中气体、溶质元素和夹杂从固溶体中析出，在晶界处偏聚，相转变和位错往往也是从晶界处开始，因此晶界结构的变化对钢的性能产生决定性的影响。从机理分析可以看出:弹簧的延迟断裂是晶界弱化和氢气聚集综合作用的结果。要防止延迟断裂必须强化晶界，防止磷、硫和低熔点金属在晶界偏聚， 10常用的办法是添入适量的硼(0.001,0.003%)，近期利用B同位素裂变原理,采用射线照相技术证实:铁素体中的硼原子因尺寸关系，优先分布于界面处，降低了界面能，抑制了磷、硫和低熔点金属在晶界的偏聚，强化了晶界，但硼含量超过铁素体固溶度，以硼化物析出时就有害无益了。钼特别容易在位错线附近聚集，阻碍位错移动，抑制了微塑性变形，提高弹簧的抗弹减性能;钼可以降低氢在钢中的扩散速度，大幅度降低钢的吸氢能力，具有减少氢陷阱功能;钼形成的碳化物细小分散，既有细化晶粒提高强度作用，又可以改善钢的回火脆性。所以硼和钼是改善晶界、相界和位错结构，提高弹簧抗延迟断裂的有效元素。 非金属夹杂物与基体的交界处往往成为氢气聚集的陷阱，不同类型、大小和形态的夹杂物对氢脆或抗延迟断裂的影响规律大致如下:在压力加工过程中能够延展性变形的A类(硫化物)和C类(硅酸盐)夹杂物危害较大，而B类(氧化物)在加工过程中破断成点状，D类点状不变形夹杂物的危害较小，这一规律与夹杂物对疲劳寿命的影响正好相反。实际上在钢中加入适量的铝、钛、钒和铌等元素确实能改善抗延迟断裂性能，以Al为例，在钢中形成的AlN质点均匀分布，起到了固定氢的作用，阻止了氢的扩散和聚集，因而提高了钢的抗延迟断裂能力。 (4)消除内应力、控制使用应力 在钢丝生产过程中，弹簧绕制和淬火回火处理过程中，钢材内部必然会产生不同状态的内应力，消除内应力或使内应力均匀分布是改善抗延迟断裂性能的有效途径。对高强度碳素弹簧而言，改善内应力分布措施有:等温淬火(铅浴处理)获得均一的索氏体组织;小减面率多道次拉拔，使成品钢丝截面硬度差降到最低水平;弹簧成形后进行消除应力退火等。对合金弹簧而言，改善内应力分布措施有:分级淬火、及时回火、表面喷丸处理等。 弹簧的延迟断裂敏感性是随着使用应力的增加而增大的，弹簧设计时，在保证弹力的条件下可适 35 弹簧钢丝和弹性合金丝 当增加钢丝的直径，让使用应力降到门坎值以下，或尽可能低点，也是最有效的防止延迟断裂的方法。 2006年11月28日 参考文献 1.陈复民、李国俊、苏德达编著，弹性合金，上海科学技术出版社，1986.6。 2.汪曾祥、魏先英、刘详至编著，弹簧设计手册，上海科学技术出版社，1986.9。 3.(苏)А?Г?Рахщтадт著，王传恩、粟振域译，弹簧钢与合金，机械工业出版社，1992.7。 4.钢铁材料手册，第8卷，弹簧钢，中国标准出版社，2004.4。 5.钢铁材料手册，第10卷，精密合金类材料，中国标准出版社，2003.8。 6.徐效谦， 12 不锈钢丝，特殊钢丛书 特殊钢钢丝，冶金工业出版社，2005年3月第1版。 7.戴宝昌，线材，重要用途线材制品生产技术，冶金工业出版社，2001.10。 8.卢冬良、郭平，重要用途弹簧钢丝，重要用途线材制品生产技术，冶金工业出版社，2001.10。 9.苏德达、侯培赞，油淬火-回火钢丝热处理技术评述，全国金属制品信息网第20届年会论文集，2004年11月。 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