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彈簧鋼

　　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。近年來(lái)，結(jié)合我國(guó)資源，并根據(jù)汽車、拖拉機(jī)設(shè)計(jì)新技術(shù)的要求，研制出在硅錳鋼基礎(chǔ)上加入硼、鈮、鉬等元素的新鋼種，延長(zhǎng)了彈簧的使用壽命，提高了彈簧質(zhì)量

性能要求

　　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。近年來(lái)，結(jié)合我國(guó)資源，并根據(jù)汽車、拖拉機(jī)設(shè)計(jì)新技術(shù)的要求，研制出在硅錳鋼基礎(chǔ)上加入硼、鈮、鉬等元素的新鋼種，延長(zhǎng)了彈簧的使用壽命，提高了彈簧質(zhì)量。

生產(chǎn)工藝

　　一般彈簧鋼可用電爐、平爐或氧氣轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)；質(zhì)量較好或具有特殊性能的優(yōu)質(zhì)彈簧鋼，用電渣爐或真空爐煉制。彈簧鋼中碳、錳、硅等主要元素的規(guī)定含量范圍較窄，冶煉時(shí)必須嚴(yán)格控制化學(xué)成分。硅含量較高時(shí)容易形成氣泡等缺陷，鋼錠鍛軋后冷卻不當(dāng)時(shí)易產(chǎn)生白點(diǎn)。因此，冶煉用的原材料必須干燥，盡量除去氣體及夾雜物，而且要避免鋼水過(guò)熱。

　　彈簧鋼在軋制加工中須特別注意脫碳和表面質(zhì)量。鋼材表面嚴(yán)重脫碳時(shí)，會(huì)顯著降低鋼的疲勞極限。對(duì)于高硅彈簧鋼如70Si3MnA，應(yīng)注意避免石墨化。因此，在熱加工時(shí)停軋溫度不應(yīng)過(guò)低(≥850℃),避免在石墨化較易形成的溫度范圍(650～800℃)內(nèi)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

　　彈簧制成后經(jīng)噴丸處理能使彈簧表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，以抵銷表層上的部分工作應(yīng)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(guī)范

鋼號(hào)淬火溫度淬火介質(zhì)硬度要求 回火溫度 冷卻介質(zhì) 硬度要求 應(yīng)用范圍

　　65 780-830 水或油 400-600 線徑小于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截面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

編輯本段特性和應(yīng)用

1. 65 、70 、85：可得到很高強(qiáng)度、硬度、屈強(qiáng)比，但淬透性小，耐熱性不好，承受動(dòng)載和疲勞載荷的能力低應(yīng)用非常廣泛，但多用于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(jī)、鐵道車輛及一般機(jī)械用的彈簧

　　65Mn 成分簡(jiǎn)單，淬透性和綜合力學(xué)性能、脫碳等工藝性能均比碳鋼好，但對(duì)過(guò)熱比較敏感，有回火脆性，淬火易出裂紋價(jià)格較低，用量很大。制造各種小截面扁簧、圓簧、發(fā)條等，亦可制氣門彈簧、彈簧環(huán)，減振器和離合器簧片、剎車簧等。

2. 55Si2Mn 、60Si2Mn 、60Si2MnA硅含量(Wsi)高(上限達(dá)2.00%)，

　　強(qiáng)度高，彈性好。抗回火穩(wěn)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(jī)車、拖拉機(jī)的板簧、螺旋彈簧，汽缸安全閥簧及一些在高應(yīng)力下工作的重要彈簧，磨損嚴(yán)重的彈簧。

　　55Si2MnB 因含硼，其淬透性明顯改善 輕型、中型汽車的前后懸掛彈簧、副簧。

　　55Si2MnB 我國(guó)自行研制的鋼號(hào)，淬透性、綜合力學(xué)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，亦可制其他中等截面尺寸的板簧、螺旋彈簧 。

3. 60Si2CrA 60Si2CrVA

　　高強(qiáng)度彈簧鋼。淬透性高，熱處理工藝性能好。因強(qiáng)度高，卷制彈簧后應(yīng)及時(shí)處理消除內(nèi)應(yīng)力制造載荷大的重要大型彈簧。60Si2CrA可制汽輪機(jī)汽封彈簧、調(diào)節(jié)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(guī)武器取彈鉤彈簧、破碎機(jī)彈簧。

4. 55CrMnA

　　60CrMnA 突出優(yōu)點(diǎn)是淬透性好，另外熱加工性能、綜合力學(xué)性能、抗脫碳性能亦好 大截面的各種重要彈簧，如汽車、機(jī)車的大型板簧、螺旋彈簧等。

5. 60CrMnMoA

　　在現(xiàn)有各種彈簧鋼中淬透性最高。力學(xué)性能、抗回火穩(wěn)定性等亦好大型土木建筑、重型車輛、機(jī)械等使用的超大型彈簧。鋼板厚度可達(dá)35mm以上，圓鋼直徑可超過(guò)60mm

6. 50CrVA

　　少量釩提高彈性、強(qiáng)度、屈強(qiáng)比和彈減抗力，細(xì)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(yīng)力振幅高、疲勞性能要求嚴(yán)格的彈簧，如閥門彈簧、噴油嘴彈簧、氣缸脹圈、安全閥簧等

7. 60CrMnBA

　　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(zhuǎn)彈簧等。

8. 30W4Cr2VA

　　高強(qiáng)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(jī)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。

　51CrV4(1.8159)彈簧鋼良好的力學(xué)性能和工藝性能，淬透性較高，加入釩使鋼的晶粒細(xì)化，降低過(guò)熱敏感性，提高了強(qiáng)度和韌性，具有高的疲勞強(qiáng)度，屈服比也較高，但焊接性差，冷因變形塑性低。

用途

　　51CrV4是一種較高級(jí)彈簧，用作較大截面的高負(fù)荷重要彈簧及工作溫度<300 ℃的閥門彈簧、活塞彈簧、安全閥彈簧。

 

編輯本段物理性能

化學(xué)成份

 

　　碳 C ：0.47～0.55

 

　　硅 Si：≤0.40

 

　　錳 Mn：0.70～1.10

 

　　硫 S ：≤0.030

 

　　磷 P ：≤0.030

 

　　鉻 Cr：0.90～1.20

 

　　鎳 Ni：≤0.35

 

　　銅 Cu：≤0.25

 

　　釩 V ：0.10～0.25

力學(xué)性能

　　抗拉強(qiáng)度 σb (MPa)：≥1274(130)

 

　　屈服強(qiáng)度 σs (MPa)：≥1127(115)

 

　　伸長(zhǎng)率 δ5 (%)：≥10

 

　　斷面收縮率 ψ (%)：≥40

 

　　硬度 ：熱軋,≤321HB;冷拉+熱處理,≤321HB

熱處理規(guī)范及金相組織

　　熱處理規(guī)范：淬火850℃±20℃,油冷; 回火500℃±50℃(特殊需要時(shí),±30℃)。

 

　　●交貨狀態(tài)：熱軋鋼材以熱處理或不熱處理狀態(tài)交貨，冷拉鋼材以熱處理狀態(tài)交貨。

 

　　60Si2Mn與51CrV4兩者都是彈簧鋼，機(jī)械性能相近。

 

　　60Si2Mn力學(xué)性能：σs≥1176Mpa，σb≥1274Mpa，δs≥5%，ψ≥25%

 

　　51CrV4力學(xué)性能：σs≥1175Mpa，σb≥1500Mpa，δs≥6%，ψ≥40%，剪切和扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力≥1050Mpa。疲勞壽命達(dá)到300萬(wàn)次；剪切和扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力≥1050Mpa。

 

　　51CrV4的工作溫度可達(dá)300攝氏度，60Si2Mn只達(dá)250度。另外，60Si2Mn多用于板簧、蝸卷簧和30mm線徑以下彈簧的制造，51CrV4多用于直徑較大的彈簧制造。

 

編輯本段焊接性能

氬弧焊對(duì)焊工藝

　　為了減小電極的消耗，選擇直流正接進(jìn)行線材的對(duì)焊試驗(yàn)，即選用直流電源，線材接電源的正極，鎢極接電源的負(fù)極。

 

　　含1%或2%氧化釷的鎢極發(fā)射電子效率高，電流承載能力好，且抗污染性能好，引弧容易并且電弧比較穩(wěn)定。為了便于操作，選擇直徑為2 mm的較細(xì)的釷鎢極，并且電極前端磨尖。

 

　　由于氬氣較低的電弧電壓特性對(duì)于薄板和線材的手弧焊特別有益，因此選擇氬氣做保護(hù)氣體。

 

　　試驗(yàn)選用直流手工氬弧焊機(jī)，焊接前，將鋼絲兩端頭仔細(xì)磨平，為防止焊點(diǎn)產(chǎn)生氣孔，用丙酮將端頭油污清洗干凈。將兩端磨平的線材放在平整潔凈的對(duì)正板，使兩端頭對(duì)正，接頭處不留間隙，用壓鐵壓住接頭兩側(cè)。將線材接焊機(jī)正極，鎢極接負(fù)極，分別將電流調(diào)至20 A，15 A，10 A，8 A進(jìn)行焊接。焊接時(shí)，在接頭旁邊引燃點(diǎn)弧并使之燃燒穩(wěn)定，將電弧移至接頭處使接頭金屬熔化后迅速將電弧熄滅，同時(shí)輕微施加頂鍛力，冷卻后即完成焊接過(guò)程，焊接過(guò)程中不使用填充焊絲。

 

　　試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接電流為20 A時(shí)，電弧燃燒劇烈，接頭處金屬飛濺嚴(yán)重，焊點(diǎn)塌陷嚴(yán)重。當(dāng)電流調(diào)至15 A時(shí)，電弧燃燒較平穩(wěn)，熔池飛濺少，但焊縫仍有塌陷。但電流降至10 A時(shí)，引弧容易，電弧燃燒穩(wěn)定，焊縫處沒(méi)有塌陷現(xiàn)象。圖2為焊接電流10 A時(shí)，用數(shù)碼相機(jī)在Leica MZ6型體視顯微鏡下拍下的焊接接頭形狀。可以看出，接頭的圓柱度較好，將其打磨后能滿足線鋸的要求。當(dāng)電流調(diào)至8 A以下時(shí)，引弧困難且電弧不穩(wěn)定，難以完成焊接過(guò)程。

焊接接頭試驗(yàn)

　　由于51crv4鋼具有過(guò)熱傾向，因此焊接熱影響區(qū)對(duì)接頭的力學(xué)性能影響很大。直徑0.7 mm的65Mn鋼絲經(jīng)氬弧焊對(duì)焊后接頭處非常硬脆，輕輕折彎焊點(diǎn)處，就會(huì)在熔合線或焊縫處脆斷，斷口呈明顯的脆性斷裂形貌。所得接頭由焊縫和熱影響區(qū)組成，沿接頭軸線測(cè)試從焊縫中心至母材各個(gè)區(qū)域的顯微硬度。測(cè)量結(jié)果表明，從母材到熱影響區(qū)及焊縫中部，顯微硬度急劇增加，焊縫中部硬度達(dá)HV 1 060，這說(shuō)明熱影響區(qū)及焊縫中部生成了硬脆組織。對(duì)于這種具有硬脆組織的接頭，為了提高其韌性和塑性，降低其硬度，獲得硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性的適當(dāng)配合，必須對(duì)焊接接頭進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕鼗鹛幚怼�熱處理后，�?yīng)將熱影響區(qū)的脆性消除，同時(shí)應(yīng)能使母材保持一定的強(qiáng)度和彈性。回火在箱式電阻爐內(nèi)進(jìn)行，回火工藝見(jiàn)表1。將回火后的鋼絲焊接接頭處仔細(xì)打磨，使其直徑與母材直徑大致相等，再在WE-50拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。每種回火處理的試樣取三根，取其拉力的平均值。

 

　　由試驗(yàn)可以看出，330℃以上熱處理后，母材彈性基本消失，且斷裂均發(fā)生在母材處，而不發(fā)生在焊點(diǎn)及其熱影響區(qū)，這說(shuō)明熱處理后雖然熱影響區(qū)的脆性完全消失，但母材的強(qiáng)度被大大削落（經(jīng)試驗(yàn)，所用母材的抗拉強(qiáng)度為1 663 MPa）。260℃保溫10 min時(shí)，雖然材料彈性基本不變，但熱影響區(qū)的脆性不能消除。當(dāng)加熱溫度為280℃，保溫10 min時(shí)效果最好，熱影響區(qū)的抗拉強(qiáng)度只比母材降低20%左右，而母材的彈性消失較小。將280℃回火處理的焊頭沿軸線方向測(cè)試縱剖面上各個(gè)區(qū)的顯微硬度，發(fā)現(xiàn)焊縫處的最高硬度值降低到HV 500左右，比未處理時(shí)的硬度降低大約1倍。 焊好的環(huán)形鋼絲不但應(yīng)能滿足一定的強(qiáng)度和彈性要求，而且具有一定的疲勞強(qiáng)度.

傳統(tǒng)彈簧鋼的強(qiáng)度水平難以滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求，眾所周知，彈簧鋼力學(xué)性能在材料質(zhì)量保證的前提下取決于熱處理工藝，而熱處理工藝也應(yīng)根據(jù)所用材料來(lái)決定，彈簧鋼高強(qiáng)度化的一個(gè)重要途徑是充分發(fā)揮合金元素的作用，達(dá)到最佳合金化效果。

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。

2.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組織下使用，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)?a target="_blank" data-mce->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)。