一 定義

彈簧鋼是指由于在淬火和回火狀態(tài)下的彈性,而專門用于制造彈簧和彈性元件的鋼。鋼的彈性取決于其彈性變形的能力,即在規(guī)定的范圍之內(nèi),彈性變形的能力使其承受一定的載荷,在載荷去除之后不出現(xiàn)永久變形。

彈簧鋼應(yīng)具有優(yōu)良的綜合性能,如力學(xué)性能(特別是彈性極限,強(qiáng)度極限,屈強(qiáng)比),抗彈減性能(即抗彈性減退性能,又稱抗松弛性能),疲勞性能,淬透性,物理化學(xué)性能(耐熱,耐低溫,抗氧化,耐腐蝕等)。為了滿足上述性能要求,彈簧鋼具有優(yōu)良的冶金質(zhì)量(高的純潔度和均勻性),良好的表面質(zhì)量(嚴(yán)格控制表面缺陷和脫碳),精確的外形和尺寸。

根據(jù)《鋼分類》標(biāo)準(zhǔn),按照基本性能及使用特性一,彈簧鋼屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼；按照質(zhì)量等級(jí),屬于特殊質(zhì)量鋼,即在生產(chǎn)過(guò)程中需要特別嚴(yán)格控制質(zhì)量和性能的鋼。按照我國(guó)習(xí)慣,彈簧鋼屬于特殊鋼

二 分類

.碳素彈簧鋼
碳素彈簧鋼的碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))一般在0.62%~0.90%。按照其錳含量又分為一般錳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (0.50%~0.80%)如65,70,85和較高錳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (0.90~1.20%),如65Mn兩類。

2.合金彈簧鋼
合金彈簧鋼是在碳素鋼的基礎(chǔ)上,通過(guò)適當(dāng)加入一種或幾種合金元素來(lái)提高鋼的力學(xué)性能,淬透性和其他性能,以滿足制造各種彈簧所需性能的鋼。

合金彈簧鋼的基本組成系列有,硅錳彈簧鋼,硅鉻彈簧鋼,鉻錳彈簧鋼,鉻釩彈簧鋼,鎢鉻釩彈簧鋼等。在這些系列的基礎(chǔ)上,有一些牌號(hào)為了提高其某些方面的性能而加入了鉬,釩或硼等合金元素。

此外,還從其他鋼類,如優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,碳素工具鋼,高速工具鋼,不銹鋼,選擇一些牌號(hào)作為彈簧用鋼。

彈簧鋼概述

彈簧在沖擊,振動(dòng)或長(zhǎng)期交應(yīng)力下使用,所以要求彈簧鋼有高的抗拉強(qiáng)度,彈性極限,高的疲勞強(qiáng)度。在工藝上要求彈簧鋼有一定的淬透性,不易脫碳,表面質(zhì)量好等 碳素彈簧鋼即含碳量WC在0.6%-0.9%范圍內(nèi)的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。合金彈簧鋼主要是硅錳系鋼種,它們的含碳量稍低,主要靠增加硅含量Wsi提高性能；另外還有硌,鎢,釩的合金彈簧鋼。

材料名稱：彈簧鋼
牌號(hào)：60Si2Mn
標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 1222-1984
●特性及適用范圍：
是應(yīng)用廣泛的硅錳彈簧鋼,強(qiáng)度,彈性和淬透性較 55Si2Mn稍高。適于鐵道車輛,汽車拖拉機(jī)工業(yè)上制作承受較大負(fù)荷的扁形彈簧或線徑在30mm以下的螺旋彈簧,也適于制作工作溫度在250 ℃以下非腐蝕介質(zhì)中的耐熱彈簧以及承受交變負(fù)荷及在高應(yīng)力下工作的大型重要卷制彈簧。
●化學(xué)成份：
碳 C ：0.56～0.64
硅 Si：1.50～2.00
錳 Mn：0.60～0.90
硫 S ：≤0.035
磷 P ：≤0.035
鉻 Cr：≤0.35
鎳 Ni：≤0.35
銅 Cu：≤0.25
●力學(xué)性能：
抗拉強(qiáng)度 σb (MPa)：≥1274(130)
屈服強(qiáng)度 σs (MPa)：≥1176(120)
伸長(zhǎng)率 δ10 (％)：≥5
斷面收縮率 ψ (％)：≥25

1.熱處理

彈簧鋼要求較高的強(qiáng)度和疲勞極限,一般在淬火＋中溫回火的狀態(tài)下使用,以獲得較高的彈性極限。熱處理工藝技術(shù)對(duì)彈簧內(nèi)在質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。因此,如何進(jìn)一步提高彈簧疲勞壽命,需進(jìn)一步研究,尤其是化學(xué)表面改性熱處理,噴丸強(qiáng)化等都對(duì)彈簧疲勞壽命產(chǎn)生重要影響。為進(jìn)一步強(qiáng)化氣門彈簧的表面強(qiáng)度,增加壓應(yīng)力,提高疲勞壽命,氣門彈簧成形后,要進(jìn)一步經(jīng)過(guò)滲氮,低溫液體碳氮共滲或硫氮共滲處理,然后經(jīng)噴丸強(qiáng)化。例如,日本將f4mm的si－cr油淬鋼絲經(jīng)450℃×4.5h低溫體碳氮共滲與經(jīng)400℃×15min中溫回火進(jìn)行對(duì)比,其疲勞極限可提高240mpa。氮的滲入,不僅消除了脫碳的不良影響,而且還提高了殘余壓應(yīng)力,同時(shí)經(jīng)滲氮和低溫液體碳氮共滲的氣門彈簧高溫強(qiáng)度提高,150℃時(shí)的變形量為0.2%(規(guī)定值為0.5%),250℃的變形量為0.56%,提高了氣門彈簧的熱穩(wěn)定性和抗松弛穩(wěn)定性,但滲氮和液體碳氮共滲時(shí)間應(yīng)嚴(yán)格控制,否則會(huì)形成網(wǎng)狀硫化物和網(wǎng)狀氮化物,反而會(huì)降低其疲勞強(qiáng)度。 　　氣門彈簧提高強(qiáng)度的方法還可以選擇噴丸,經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐表面氣門彈簧噴丸可用兩種丸粒,一種直徑為0.8mm,其顯微硬度為720hv0.2,另一種直徑0.25mm,其顯微硬度為800hv0.2,三次噴丸可達(dá)到較好的強(qiáng)化效果,又可使表面質(zhì)量得到改善。

合金化

碳是鋼中的主要強(qiáng)化元素,對(duì)彈簧鋼的影響往往超過(guò)其他合金元素。根據(jù)使用要求,彈簧鋼材料應(yīng)是中高碳的合金鋼。當(dāng)今世界各國(guó)普遍采用的彈簧鋼,含碳量絕大部分在0.45%～0.65%。 　　為了克服彈簧鋼強(qiáng)度提高后韌性和塑性降低的難題,也有降低碳含量的趨勢(shì)。我國(guó)對(duì)低碳馬氏體彈簧鋼進(jìn)行了深入的研究,如28mnsib,35mnsib等,其碳含量在0.30%左右。實(shí)踐表明,這些彈簧鋼可以在低溫回火的板條狀馬氏體下使用,有足夠強(qiáng)度和優(yōu)良的綜合力學(xué)性能,尤其是塑性,韌性極好。日本研究開(kāi)發(fā)的幾種高強(qiáng)度彈簧鋼,如uhs1900,vhs2000,nd120s,nd250s等,碳含量均在0.40%左右。

合金元素在彈簧鋼中的主要作用是提高力學(xué)性能,改善工藝性能及賦予某些特殊性能(如耐高溫,耐蝕)等。 　　很多彈簧鋼以硅為主要合金元素,它是對(duì)彈減抗力影響最大的合金元素,這主要是由于硅具有強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化作用；同時(shí),硅能抑制滲碳體在回火過(guò)程中的晶核形成和長(zhǎng)大,改變回火時(shí)析出碳化物的數(shù)量,尺寸和形態(tài),提高鋼的回火穩(wěn)定性。目前,國(guó)內(nèi)鋼材牌號(hào)中wsi為1.8%～2.2%,是現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中含硅最高的彈簧鋼。但硅含量如果過(guò)高,將促進(jìn)鋼在軋制和熱處理過(guò)程中的脫碳和石墨化傾向,并且使冶煉困難和易形成夾雜物,因此,過(guò)高硅含量彈簧鋼的使用仍需慎重。 　　由于鉻能夠顯著提高鋼的淬透性,阻止si－cr鋼球化退火時(shí)的石墨化傾向,減少脫碳層,因此是彈簧鋼中的常用合金元素,以鉻為主要強(qiáng)化元素的彈簧鋼50crv使用較廣泛。 錳是提高淬透性最有效的合金元素,它溶入鐵素體中有固溶性化作用。研究表明,wmn必須大于0.5%,以使淬火時(shí)彈簧鋼心部完全較變?yōu)?/span>馬氏體,但當(dāng)wmn超過(guò)1.5%時(shí),韌性明顯下降,這在選擇彈簧鋼時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮的。 　　鉬可以提高鋼的淬透性,防止回火脆性,改善疲勞性能,現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中加鉬的彈簧鋼不多,加入量一般在0.4%以下。 釩是強(qiáng)碳化物形成元素,固態(tài)下所析出的細(xì)小彌散的mc型碳化物具有很強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化效果。在35crmnb鋼中加入0.11%v,可顯著提高鋼的淬透性,還發(fā)現(xiàn)釩能有效降低35simnb鋼的脫碳敏感性,認(rèn)為這與釩降低鋼中有效固溶碳,防止晶粒長(zhǎng)大和阻止晶界擴(kuò)散并提高抗氧化性有關(guān)。