彈簧鋼

定義

　　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)、良好的表麵質量(嚴格控制表麵缺陷和脫碳)、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。

分類

ng>按照化學成分分類ng>　　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。

1.碳素彈簧鋼

　　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。

2.合金彈簧鋼

　　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麵的性能而加入瞭鉬、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。ng>按照生產加工方法分類ng>　　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)。ng>按照鋼材交貨狀態分類ng>　　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。ng>其他分類方法ng>　　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。

彈簧鋼

　　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、表麵質量好等 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

性能要求

　　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、表麵質量好等 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。

生產工藝

　　一般彈簧鋼可用電爐、平爐或氧氣轉爐生產；質量較好或具有特殊性能的優質彈簧鋼，用電渣爐或真空爐煉制。彈簧鋼中碳、錳、矽等主要元素的規定含量范圍較窄，冶煉時必須嚴格控制化學成分。矽含量較高時容易形成氣泡等缺陷，鋼錠鍛軋後冷卻不當時易產生白點。因此，冶煉用的原材料必須乾燥，盡量除去氣體及夾雜物，而且要避免鋼水過熱。　　彈簧鋼在軋制加工中須特別註意脫碳和表麵質量。鋼材表麵嚴重脫碳時，會顯著降低鋼的疲勞極限。對於高矽彈簧鋼如70Si3MnA，應註意避免石墨化。因此，在熱加工時停軋溫度不應過低(≥850℃),避免在石墨化較易形成的溫度范圍(650～800℃)內停留時間過長。　　彈簧制成後經噴丸處理能使彈簧表層產生殘餘壓應力，以抵銷表層上的部分工作應力，抑制表層裂縫的形成，這可顯著提高彈簧的疲勞極限。

熱處理規范

　　鋼號 淬火溫度 淬火介質硬度要求 回火溫度 冷卻介質 硬度要求 應用范圍　　65 780-830 水或油 400-600 線徑小於12-15mm的螺旋彈簧、彈簧墊圈　　65Mn 810-830 油或水 >60 370-400 水 42-50 5-10mm的板簧片及7-10mm的卷簧　　50CrV 850-870 油 >58 400-55 水 45-50 截麵較大和較重要的板簧片及螺旋彈簧　　50CrV 850-870 油 >58 370-420 45-52 300C以下工作的高溫彈簧　　60Si2MnA 860-880 油 >60 500-520 水 HB363-444 厚度8-12mm的板簧片

特性和應用

ng>1. 65 、70 、85：ng>可得到很高強度、硬度、屈強比，但淬透性小，耐熱性不好，承受動載和疲勞載荷的能力低 應用非常廣泛，但多用於工作溫度不高的小型彈簧或不太重要的較大彈簧。如汽車、拖拉機、鐵道車輛及一般機械用的彈簧　　65Mn 成分簡單，淬透性和綜合力學性能、脫碳等工藝性能均比碳鋼好，但對過熱比較敏感，有回火脆性，淬火易出裂紋 價格較低，用量很大。制造各種小截麵扁簧、圓簧、發條等，亦可制氣門彈簧、彈簧環，減振器和離合器簧片、剎車簧等。ng>2. 55Si2Mn 、60Si2Mn 、60Si2MnAng>矽含量(Wsi)高(上限達2.00%)，　　強度高，彈性好。抗回火穩定性好。易脫碳和石墨化。淬透性不高 。　　主要的彈簧鋼類，用途很廣。制造各種彈簧，如汽車、機車、拖拉機的板簧、螺旋彈簧，汽缸安全閥簧及一些在高應力下工作的重要彈簧，磨損嚴重的彈簧。　　55Si2MnB 因含硼，其淬透性明顯改善 輕型、中型汽車的前後懸掛彈簧、副簧。　　55Si2MnB 我國自行研制的鋼號，淬透性、綜合力學性能、疲勞性能均較60Si2Mn鋼好 主要制造中、小型汽車的板簧，使用效果好，亦可制其他中等截麵尺寸的板簧、螺旋彈簧 。ng>3. 60Si2CrA 60Si2CrVAng>　　高強度彈簧鋼。淬透性高，熱處理工藝性能好。因強度高，卷制彈簧後應及時處理消除內應力 制造載荷大的重要大型彈簧。60Si2CrA可制汽輪機汽封彈簧、調節彈簧、冷凝器支承彈簧、高壓水泵碟形彈簧等。60Si2CrVA鋼還制作極重要的彈簧，如常規武器取彈鉤彈簧、破碎機彈簧。ng>4. 55CrMnAng>　　60CrMnA 突出優點是淬透性好，另外熱加工性能、綜合力學性能、抗脫碳性能亦好 大截麵的各種重要彈簧，如汽車、機車的大型板簧、螺旋彈簧等。ng>5. 60CrMnMoAng>　　在現有各種彈簧鋼中淬透性最高。力學性能、抗回火穩定性等亦好 大型土木建築、重型車輛、機械等使用的超大型彈簧。鋼板厚度可達35mm以上，圓鋼直徑可超過60mmng>6. 50CrVAng>　　少量釩提高彈性、強度、屈強比和彈減抗力，細化晶粒，減小脫碳傾向。碳含量較小，塑性、韌性較其他彈簧鋼好。淬透性高，疲勞性能也好 各種重要的螺旋彈簧，特別適宜作工作應力振幅高、疲勞性能要求嚴格的彈簧，如閥門彈簧、噴油嘴彈簧、氣缸脹圈、安全閥簧等ng>7. 60CrMnBAng>　　淬透性比60CrMnA高，其他各種性能相似 尺寸更大的板簧、螺旋彈簧、扭轉彈簧等。ng>8. 30W4Cr2VAng>　　高強度耐熱彈簧鋼。淬透性很好。高溫抗松弛和熱加工性能也很好 工作溫度500~C以下的耐熱彈簧，如汽輪機主蒸汽閥彈簧、汽封彈簧片、鍋爐安全閥彈簧、400t鍋爐碟形閥彈簧等。

研究進展

　　傳統彈簧鋼的強度水平難以滿足現代工業發展的要求，眾所周知，彈簧鋼力學性能在材料質量保證的前提下取決於熱處理工藝，而熱處理工藝也應根據所用材料來決定，彈簧鋼高強度化的一個重要途徑是充分發揮合金元素的作用，達到最佳合金化效果。

1. 熱處理

　　彈簧鋼要求較高的強度和疲勞極限，一般在淬火+中溫回火的狀態下使用，以獲得較高的彈性極限。熱處理工藝技術對彈簧內在質量有著至關重要的影響。因此，如何進一步提高彈簧疲勞壽命，需進一步研究，尤其是化學表麵改性熱處理、噴丸強化等都對彈簧疲勞壽命產生重要影響。為進一步強化氣門彈簧的表麵強度、增加壓應力、提高疲勞壽命，氣門彈簧成形後，要進一步經過滲氮、低溫液體碳氮共滲或硫氮共滲處理，然後經噴丸強化。例如，日本將f4mm的si－cr油淬鋼絲經450℃×4.5h低溫體碳氮共滲與經400℃×15min中溫回火進行對比，其疲勞極限可提高240mpa。氮的滲入，不僅消除瞭脫碳的不良影響，而且還提高瞭殘餘壓應力，同時經滲氮和低溫液體碳氮共滲的氣門彈簧高溫強度提高，150℃時的變形量為0.2%(規定值為0.5%)，250℃的變形量為0.56%，提高瞭氣門彈簧的熱穩定性和抗松弛穩定性，但滲氮和液體碳氮共滲時間應嚴格控制，否則會形成網狀硫化物和網狀氮化物，反而會降低其疲勞強度。　　氣門彈簧提高強度的方法還可以選擇噴丸，經生產實踐表麵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800hv0.2，三次噴丸可達到較好的強化效果，又可使表麵質量得到改善。

2. 合金化

　　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。