彈簧合結(jié)鋼

　　彈簧鋼指的是制造各類彈簧及其他彈性元件的專用合金鋼。按性能要求、使用條件可分為普通合金彈簧鋼和特殊合金彈簧鋼。彈簧鋼具有優(yōu)良的綜合性能，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。

　　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(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)GB/T 13304《鋼分類》標(biāo)準(zhǔn)，按照基本性能及使用特性一，彈簧鋼屬于機械結(jié)構(gòu)用鋼;按照質(zhì)量等級，屬于特殊質(zhì)量鋼，即在生產(chǎn)過程中需要特別嚴(yán)格控制質(zhì)量和性能的鋼。按照中國習(xí)慣，彈簧鋼屬于特殊鋼，制作彈簧鋼的時候技術(shù)要求比較高，過硬的技術(shù)直接決定品質(zhì)的高低。

　　分類

　　一、按照化學(xué)成分分類

　　根據(jù)GB/T 13304 標(biāo)準(zhǔn)，彈簧鋼按照其化學(xué)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

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

　　合金彈簧鋼

　　合金彈簧鋼是在碳素鋼的基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)加入一種或幾種合金元素來提高鋼的力學(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，選擇一些牌號作為彈簧用鋼。

　　二、按照生產(chǎn)加工方法分類

　　⒈ 熱軋 (鍛)鋼材包括熱軋軋圓鋼、方鋼、扁鋼、鋼板，鍛制圓鋼、方鋼。

　　⒉冷拉(軋) 鋼材 包括鋼絲、鋼帶、冷拉材 (冷拉圓鋼)。

　　三、按照鋼材交貨狀態(tài)分類

　　⒈ 熱軋 (鍛) 鋼材

　　A.以熱軋 (鍛) 狀態(tài)交貨 鋼材經(jīng)熱成形制成彈簧，然后進行淬火和回火處理。

　　B.以退火狀態(tài)交貨 鋼材經(jīng)冷成形制成彈簧，然后進行淬火和回火處理。

　　以上均應(yīng)符合相應(yīng)的交貨狀態(tài)硬度的規(guī)定。

　　⒉ 冷拉 (軋) 鋼材

　　A.鋼絲

　　① 鹽浴等溫淬火冷拉鋼絲(又稱派登脫處理冷拉鋼絲) 鋼絲制成彈簧后只需進行低溫回火，以消除應(yīng)力。

　　② 油淬火和回火鋼絲 冷拉成所需尺寸后，進行連續(xù)加熱、連續(xù)油淬火和鉛回火。鋼絲制成彈簧后只需進行底溫火，以消除應(yīng)力。

　　③ 冷拉鋼絲 (即不經(jīng)淬火和回火處理的鋼絲)

　　a. 以冷拉狀態(tài)交貨。

　　b. 以退火、正火或回火處理狀態(tài)交貨。

　　以上兩種狀態(tài)交貨的鋼絲制成彈簧后均需進行淬火和回火處理。

　　B.鋼帶

　　① 冷軋狀態(tài)交貨 制成彈簧后需進行低溫回火，以消除應(yīng)力。

　　② 淬火和回火狀態(tài)交貨 制成彈簧后需進行低溫回火，以削除應(yīng)力。

　　③ 退火火狀態(tài)交貨 制成彈簧后需進行淬火和回火處理

　　C.冷拉鋼材

　　以退火狀態(tài)交貨 鋼材經(jīng)冷成形制成彈簧，然后進行淬火和回火處理。

　　四、其他分類方法

　　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(xué)成分(力學(xué)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。

　　工藝性能

　　彈簧在沖擊、振動或長期交應(yīng)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(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，結(jié)合中國資源，并根據(jù)汽車、拖拉機設(shè)計新技術(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、振動或長期交應(yīng)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(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，結(jié)合中國資源，并根據(jù)汽車、拖拉機設(shè)計新技術(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，延長了彈簧的使用壽命，提高了彈簧質(zhì)量。

　　生產(chǎn)工藝

　　彈簧鋼材有熱軋材、冷拉鋼材、冷軋鋼帶等。彈簧鋼的冶煉是很重要的，必須保證有優(yōu)良的冶金質(zhì)量，不僅要保證準(zhǔn)確的化學(xué)成分，而且要有高純凈度，硫、磷、氧、氮等含量要低，鋼質(zhì)均勻性、穩(wěn)定性要好。彈簧鋼的冶金質(zhì)量應(yīng)達到優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼的水平。

　　彈簧鋼的表面質(zhì)量和尺寸精度對彈簧的性能和壽命有極大的影響。因為彈簧鋼材交貨狀態(tài)的表面除去表面噴丸強化之外不再進行加工，因而也就是成品彈簧的工作表面，原有表面上的各種缺陷也留給了彈簧。所以彈簧鋼材表面要求極高，對脫碳、裂紋、折疊、結(jié)疤、夾雜、分層等限制極嚴(yán)。各種表面缺陷會使彈簧早期破壞、縮短壽命。以圓截面的鋼絲為例，成品彈簧的強度和剛度分別與鋼絲直徑的三次方和四次方成正比，鋼絲直徑的微小變化會導(dǎo)致彈簧性能的巨大波動，所以要嚴(yán)格控制鋼材的外形和尺寸公差。這樣，彈簧鋼的加工變形(熱軋、冷軋、冷拔等)就十分重要了，必須極認真地對待。

　　熱軋彈簧鋼材有圓鋼、方鋼、扁鋼等。鋼材表面質(zhì)量要求較高，可以熱軋態(tài)交貨或者經(jīng)熱處理后交貨，以保證硬度不超過規(guī)定值，便于制簧。熱軋材可以冷態(tài)制成螺旋彈簧，對于截面尺寸較大者需加熱后制成彈簧。彈簧成型后再經(jīng)淬火、中溫回火，回火溫度約為350～550℃，以獲得較高屈強比和良好的綜合力學(xué)性能。

　　因熱軋材截面尺寸較大，故應(yīng)采用淬透性足夠高的牌號，保證心部淬透。若心部出現(xiàn)非馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，如鐵素體、貝氏體等，則回火后的性能降低，特別是疲勞性能。

　　冷拉(軋)彈簧鋼材包括鋼絲、鋼帶。這類鋼材的表面質(zhì)量和尺寸精度要求格外嚴(yán)格。鋼絲的生產(chǎn)工藝有油淬火和冷拉兩種。

　　油淬火鋼絲是把鋼絲冷拔到規(guī)定尺寸后再加熱、油淬火和鉛浴回火，故鋼絲出廠時已具備所需力學(xué)性能，制成彈簧后只要回火，消除應(yīng)力即可使用。優(yōu)點是整批性能均勻，穩(wěn)定，挺直性好，適于大批量生產(chǎn)，可制造各種重要彈簧，特別是閥門彈簧。牌號有65Mn、50CrVA、60Si2Mn、55CrSi等。

　　合金彈簧鋼絲也可以冷拉態(tài)交貨，或經(jīng)退火、正火、回火處理后交貨，制成彈簧后再淬火、回火。其性能不如油淬火鋼絲均勻、穩(wěn)定，生產(chǎn)效率也低，成本高，多用于小批量彈簧生產(chǎn)。

　　此外，最近也研究了用高頻感應(yīng)加熱處理高強度彈簧鋼絲的工藝。冷拉鋼絲在連續(xù)感應(yīng)加熱裝置上進行淬火和回火，其內(nèi)部組織均勻、細小，塑性和韌性以及彈減抗力、疲勞極限、斷裂韌性等都明顯優(yōu)于常規(guī)處理的鋼絲。這種鋼絲在美國、日本都已有生產(chǎn)，制造汽車、摩托車的懸掛彈簧、發(fā)動機閥門彈簧，卡車、拖車等的緊急制動彈簧及各種高強度機械彈簧，使用效果令人滿意。另外，感應(yīng)加熱處理在彈簧扁鋼生產(chǎn)上也得到應(yīng)用。

　　還有一種鋼絲生產(chǎn)工藝，即鉛浴等溫淬火。鋼材奧氏體化后在鉛浴中等溫，生成細小珠光體組織，然后冷拉到規(guī)定尺寸。通過調(diào)整鋼中碳含量和冷變形量控制鋼絲的力學(xué)性能，制簧后不需熱處理，只要消除加工應(yīng)力即可使用。應(yīng)用這種工藝生產(chǎn)的都是碳素鋼鋼絲，但也有少數(shù)合金鋼(如65Mn)鋼絲。

　　冷軋彈簧鋼帶一般也是冷軋或再經(jīng)退火后供貨，制成彈簧后再淬火回火處理，或僅回火以消除加工應(yīng)力。

　　熱處理規(guī)范

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

　　65780-830 水或油 400-600 線徑小于12-15mm的螺旋彈簧、彈簧墊圈

　　65Mn810-830 油或水 >60 370-400 水 42-50 5-10mm的板簧片及7-10mm的卷簧

　　50CrV850-870 油 >58 400-55 水 45-50截面較大和較重要的板簧片及螺旋彈簧

　　50CrV850-870 油 >58 370-420油 45-52 300C以下工作的高溫彈簧

　　60Si2MnA860-880 油 >60 500-520 水 HB363-444 厚度8-12mm的板簧片

　　應(yīng)用實例

　　1. 65 、70 、85鋼號

　　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(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、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(xué)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2.00%)。

　　強度高，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、機車、拖拉機的板簧、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 中國自行研制的鋼號，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

　　高強度彈簧鋼。淬透性高，熱處理工藝性能好。因強度高，卷制彈簧后應(yīng)及時處理消除內(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、破碎機彈簧。

　　4. 55CrMnA

　　60CrMnA 突出優(yōu)點是淬透性好，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60mm。

　　6. 50CrVA

　　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(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。