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彈簧鋼主要是有好的彈性,又由於它是在動載荷環境條件下工作的,所以對制造彈簧的材質最主要的應有高的屈服強度;在承受重載荷時不引起塑性變形;應有高的疲勞強度,在載荷反復作用下具有長的使用壽命;並有足夠的韌性和塑性,以防在沖擊力作用下突然脆斷。
彈簧鋼是指由於在淬火和回火狀態下的彈性,而專門用於制造彈簧和彈性元件的鋼。鋼的彈性取決於其彈性變形的能力,即在規定的范圍之內,彈性變形的能力使其承受一定的載荷,在載荷去除之後不出現永久變形。
彈簧鋼應具有優良的綜合性能,如力學性能(特別是彈性極限、強度極限、屈強比)、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、物理化學性能(耐熱、耐低溫、抗氧化、耐腐蝕等)。為瞭滿足上述性能要求,彈簧鋼具有優良的冶金質量(高的純潔度和均勻性)、良好的表面質量(嚴格控制表面缺陷和脫碳)、精確的外形和尺寸。
根據GB/T 13304《鋼分類》標準,按照基本性能及使用特性一,彈簧鋼屬於機械結構用鋼;按照質量等級,屬於特殊質量鋼,即在生產過程中需要特別嚴格控制質量和性能的鋼。按照我國習慣,彈簧鋼屬於特殊鋼,制作彈簧鋼的時候技術要求比較高,技術的過硬直接決定品質的高低。
根據GB/T 13304 標準,彈簧鋼按照其化學成分分為非合金彈簧鋼(碳素彈簧鋼)和合金彈簧鋼。
碳素彈簧鋼的碳含量(質量分數)一般在0.62%~0.90%。按照其錳含量又分為一般錳含量(質量分數) (0.50%~0.80%)如65、70、85和較高錳含量(質量分數) (0.90~1.20%),如65Mn兩類。
合金彈簧鋼是在碳素鋼的基礎上,通過適當加入一種或幾種合金元素來提高鋼的力學性能、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,矽錳彈簧鋼、矽鉻彈簧鋼、鉻錳彈簧鋼、鉻釩彈簧鋼、鎢鉻釩彈簧鋼等。在這些系列的基礎上,有一些牌號為瞭提高其某些方面的性能而加入瞭鉬、釩或硼等合金元素。
此外,還從其他鋼類,如優質碳素結構鋼、碳素工具鋼、高速工具鋼、不銹鋼,選擇一些牌號作為彈簧用鋼。
1. 熱軋 (鍛)鋼材包括熱軋軋圓鋼、方鋼、扁鋼、鋼板,鍛制圓鋼、方鋼。
2.冷拉(軋) 鋼材 包括鋼絲、鋼帶、冷拉材 (冷拉圓鋼)。
1. 熱軋 (鍛) 鋼材
A.以熱軋 (鍛) 狀態交貨 鋼材經熱成形制成彈簧,然後進行淬火和回火處理。
B.以退火狀態交貨 鋼材經冷成形制成彈簧,然後進行淬火和回火處理。
以上均應符合相應的交貨狀態硬度的規定。
2. 冷拉 (軋) 鋼材
A.鋼絲
① 鉛浴等溫淬火冷拉鋼絲(又稱派登脫處理冷拉鋼絲) 鋼絲制成彈簧後隻需進行低溫回火,以消除應力。
② 油淬火和回火鋼絲 冷拉成所需尺寸後,進行連續加熱、連續油淬火和鉛回火。鋼絲制成彈簧後隻需進行底溫火,以消除應力。
③ 冷拉鋼絲 (即不經淬火和回火處理的鋼絲)
a. 以冷拉狀態交貨。
b. 以退火、正火或回火處理狀態交貨。
以上兩種狀態交貨的鋼絲制成彈簧後均需進行淬火和回火處理。
B.鋼帶
① 冷軋狀態交貨 制成彈簧後需進行低溫回火,以消除應力。
② 淬火和回火狀態交貨 制成彈簧後需進行低溫回火,以削除應力。
③ 退火火狀態交貨 制成彈簧後需進行淬火和回火處理
C.冷拉鋼材
以退火狀態交貨 鋼材經冷成形制成彈簧,然後進行淬火和回火處理。
除以上所述外,還有一些其他分類方法,例如:
按交貨條件要求不同可分為按化學成分(力學性能)交貨和按淬透性交貨。
按彈簧工作條件可分為承受靜載荷彈簧鋼、承受沖擊載荷彈簧鋼、耐高(低)溫彈簧和耐腐蝕彈簧鋼等。
彈簧在沖擊、振動或長期交應力下使用,所以要求彈簧鋼有高的抗拉強度、彈性極限、高的疲勞強度。在工藝上要求彈簧鋼有一定的淬透性、不易脫碳、表面質量好等碳素彈簧鋼即含碳量WC在0.6%-0.9%范圍內的優質碳素結構鋼。合金彈簧鋼主要是矽錳系鋼種,它們的含碳量稍低,主要靠增加矽含量Wsi提高性能;另外還有硌、鎢、釩的合金彈簧鋼。近年來,結合我國資源,並根據汽車、拖拉機設計新技術的要求,研制出在矽錳鋼基礎上加入硼、鈮、鉬等元素的新鋼種,延長瞭彈簧的使用壽命,提高瞭彈簧質量。
彈簧在沖擊、振動或長期交應力下使用,所以要求彈簧鋼有高的抗拉強度、彈性極限、高的疲勞強度。在工藝上要求彈簧鋼有一定的淬透性、不易脫碳、表面質量好等碳素彈簧鋼即含碳量WC在0.6%-0.9%范圍內的優質碳素結構鋼。合金彈簧鋼主要是矽錳系鋼種,它們的含碳量稍低,主要靠增加矽含量Wsi提高性能;另外還有硌、鎢、釩的合金彈簧鋼。近年來,結合我國資源,並根據汽車、拖拉機設計新技術的要求,研制出在矽錳鋼基礎上加入硼、鈮、鉬等元素的新鋼種,延長瞭彈簧的使用壽命,提高瞭彈簧質量。
合金彈簧鋼為中、高碳成分,一般wC=0.5%~0.7%,以滿足高彈性、高強度的性能要求。加入的合金元素主要是Si、 Mn、Cr,作用是強化鐵素體、提高淬透性和耐回火性。但加入過多的Si會造成鋼在加熱時表面容易脫碳,加入過多的Mn容易使晶粒長大。加入少量的V和Mo可細化晶粒,從而進一步提高強度並改善韌性。此外,它們還有進一步提高淬透性和耐回火性的作用。
碳是鋼中的主要強化元素,對彈簧鋼的影響往往超過其他合金元素。根據使用要求,彈簧鋼材料應是中高碳的合金鋼。當今世界各國普遍采用的彈簧鋼,含碳量絕大部分在0.45%~0.65%。
為瞭克服彈簧鋼強度提高後韌性和塑性降低的難題,也有降低碳含量的趨勢。我國對低碳馬氏體彈簧鋼進行瞭深入的研究,如28mnsib、35mnsib等,其碳含量在0.30%左右。實踐表明,這些彈簧鋼可以在低溫回火的板條狀馬氏體組織下使用,有足夠強度和優良的綜合力學性能,尤其是塑性、韌性極好。日本研究開發的幾種高強度彈簧鋼,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。
很多彈簧鋼以矽為主要合金元素,它是對彈減抗力影響最大的合金元素,這主要是由於矽具有強烈的固溶強化作用;同時,矽能抑制滲碳體在回火過程中的晶核形成和長大,改變回火時析出碳化物的數量、尺寸和形態,提高鋼的回火穩定性。目前,國內鋼材牌號中wsi為1.8%~2.2%,是現有標準中含矽最高的彈簧鋼。但矽含量如果過高,將促進鋼在軋制和熱處理過程中的脫碳和石墨化傾向,並且使冶煉困難和易形成夾雜物,因此,過高矽含量彈簧鋼的使用仍需慎重。
由於鉻能夠顯著提高鋼的淬透性,阻止si-cr鋼球化退火時的石墨化傾向,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必須大於0.5%,以使淬火時彈簧鋼心部完全較變為馬氏體,但當wmn超過1.5%時,韌性明顯下降,這在選擇彈簧鋼時應優先考慮的。
鉬可以提高鋼的淬透性,防止回火脆性,改善疲勞性能,現有標準中加鉬的彈簧鋼不多,加入量一般在0.4%以下。
釩是強碳化物形成元素,固態下所析出的細小彌散的mc型碳化物具有很強的沉淀強化效果。在35crmnb鋼中加入0.11%v,可顯著提高鋼的淬透性,還發現釩能有效降低35simnb鋼的脫碳敏感性,認為這與釩降低鋼中有效固溶碳、防止晶粒長大和阻止晶界擴散並提高抗氧化性有關。
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