弹簧钢的定义： 弹簧钢是指由于在淬火和回火状态下的弹性，而专门用于制造弹簧和弹性元件的钢。 钢的弹性取决于其弹性变形的能力，即在规定的范围之内，弹性变形的能力使其承受一定的载荷， 在载荷去除之后不出现永久变形。 弹簧钢应具有优良的综合性能，如力学性能(特别是弹性极限、强度极限、屈强比)、抗弹减性能(即抗弹性减退性能，又称抗松弛性能)、疲劳性能、淬透性、物理化学性能(耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等)。为了满足上述性能要求，弹簧钢具有优良的冶金质量(高的纯洁度和均匀性)、良好的表面质量(严格控制表面缺陷和脱碳)、精确的外形和尺寸。 根据《钢分类》标准，按照基本性能及使用特性一，弹簧钢属于机械结构用钢；按照质量等级，属于特殊质量钢，即在生产过程中需要特别严格控制质量和性能的钢。按照我国习惯，弹簧钢属于特殊钢. 二 分类 .碳素弹簧钢 碳素弹簧钢的碳含量(质量分数)一般在0.62%~0.90%。按照其锰含量又分为一般锰含量(质量分数) (0.50%~0.80%)如65、70、85和较高锰含量(质量分数) (0.90~1.20%)，如65Mn两类。 2.合金弹簧钢 合金弹簧钢是在碳素钢的基础上，通过适当加入一种或几种合金元素来提高钢的力学性能、淬透性和其他性能，以满足制造各种弹簧所需性能的钢。 合金弹簧钢的基本组成系列有，硅锰弹簧钢、硅铬弹簧钢、铬锰弹簧钢、铬钒弹簧钢、钨铬钒弹簧钢等。在这些系列的基础上，有一些牌号为了提高其某些方面的性能而加入了钼、钒或硼等合金元素。 此外，还从其他钢类，如优质碳素结构钢、碳素工具钢、高速工具钢、不锈钢，选择一些牌号作为弹簧用钢。 弹簧钢概述 弹簧在冲击、振动或长期交应力下使用，所以要求弹簧钢有高的抗拉强度、弹性极限、高的疲劳强度。在工艺上要求弹簧钢有一定的淬透性、不易脱碳、表面质量好等碳素弹簧钢即含碳量WC在0.6%-0.9%范围内的优质碳素结构钢。合金弹簧钢主要是硅锰系钢种，它们的含碳量稍低，主要靠增加硅含量Wsi提高性能；另外还有硌、钨、钒的合金弹簧钢。近年来，结合我国资源，并根据汽车、拖拉机设计新技术的要求，研制出在硅锰钢基础上加入硼、铌、钼等元素的新钢种，延长了弹簧的使用寿命，提高了弹簧质量. 弹簧钢的特性： ①高的弹性极限σe和屈强比σs/σb，以保证优良的弹性性能，即吸收大量的弹性能而不产生塑性变形； ②高的疲劳极限，疲劳是弹簧的最主要破坏形式之一，疲劳性能除与钢的成分结构有关以外，还主要地受钢的冶金质量（如非金属夹杂物）和弹簧表面质量（如脱碳）的影响； ③足够的塑性和韧性，以防止冲击断裂； ④其它性能，如良好的热处理和塑性加工性能，特殊条件下工作的耐热性或耐蚀性要求等。 2．成分特点钢中碳与合金元素的含量及作用为： （1）中、高碳一般地，碳素弹簧钢wc＝0.6％~0.9％，合金弹簧钢wc＝0.45％~0.70％，经淬火加中温回火后得到回火托氏体组织，能较好地保证弹簧的性能要求。 （2）合金元素普通用途的合金弹簧钢一般是低合金钢。主加元素为Si、Mn、Cr等，其主要作用是提高淬透性、固溶强化基体并提高回火稳定性；辅加元素为Mo、W、V等强碳化物形成元素，主要作用有防止Si引起的脱碳缺陷、Mn引起的过热缺陷并提高回火稳定性及耐热性等。 弹簧选材的原则是：首先满足功能要求，其次是强度要求，最后才考虑经济性。 碳素弹簧钢是弹簧钢中用途广泛，用量最大的钢类。钢中含0.60%～0.90%的碳和0.3%～1.20%的锰，不再添加其它合金元素，使用成本相对较低。碳素弹簧钢丝经适当的加工或热处理，可以获得很高的抗拉强度，足够的韧性和良好的疲劳寿命。但碳素钢丝的淬透性低，抗松弛性能和耐蚀性能差，弹性模量的温度系数较大(高达300×10-6/℃)，适用于制造截面较小，工作温度较低(120℃>)的弹簧。 合金弹簧钢一般含0.45%～0.70%的碳和一定量的Si，Mn，Cr，V，W及B等合金元素。合金元素的加入改善弹簧钢的抗松弛性能，提高钢的韧性，同时显著提高钢的淬透性和使用温度，适用于制造较大截面，较高温度下使用的弹簧。 弹簧依靠弹性变形吸收冲击能量，所以弹簧钢丝不一定要有很高的塑性，但起码要有能承受弹簧成型的塑性，以及足够的能承受冲击能量的韧性。 弹簧通常在交变应力作用下长期工作，因此要有很高的疲劳极限，以及良好的抗蠕变和抗松弛性能。 在特定环境中使用的弹簧，对钢丝还会有一些特殊要求，例如：在腐蚀介质中使用的弹簧，必须有良好的抗腐蚀性能。精密仪器中使用的弹簧，应具有长期稳定性和灵敏性，温度系数要低，品质因素要高，后效作用要小，弹性模量要恒定。在高温条件下工作的弹簧，要求在高温时仍能保持足够的弹性极限和良好的抗蠕变性能等。 此外，还应考虑弹簧钢丝的成形工艺和热处理工艺。冷拉弹簧钢丝和油淬火回火弹簧钢丝都以供货状态钢丝直接绕制弹簧，弹簧成形后经消除应力处理直接使用。冷拉弹簧钢丝的抗拉强度要略高于油淬火回火钢丝。大规格冷拉钢丝弹力太大，绕制弹簧很困难，所以冷拉弹簧钢丝使用规格一般小于8.0mm，油淬火回火钢丝使用规格一般小于13.0mm。实际上直径13.0mm弹簧多选用轻拉状态弹簧钢丝，冷拉绕制成形后再淬回火使用。直径15.0mm以上钢丝大多采用加热绕制工艺制簧。 弹簧钢的特点---弹簧主要在动载荷下工作,即在冲击、振动的条件下,或在交变应力作用下工作,利用弹性变形来吸收冲击能量,起缓冲作用。 由于弹簧经常承受振动和长期在享变应力作用下工作,主要是疲劳破坏,故弹簧钢必须具有高的弹性极限和高疲劳极限。此外,还应有足够的韧性和塑性,以防止在冲击力作用下突然脆断。 在工艺性方面,弹簧钢应具有较好的淬透性和低的过热、脱碳敏感性。降低弹簧表面粗糙度能提高疲劳寿命。 为了获得所需的性能,弹簧钢必须具有较高的含碳量。碳素弹簧钢的含碳量在0.6-0.9％之间,由于碳素弹簧钢的淬透性差,故只用于制造截面尺寸不超过10-15mm的弹簧。对于截面尺寸较大的弹簧,必须采用合金弹簧钢。合金弹簧钢碳含量在0.45-0.75％之间,加入的合金元素有Mn ,Si ,W ,V ,Mo等。它们的主要作用是提高淬透性和回火稳定性,强化铁素体和细化晶粒,有效地改善弹簧钢的力学性能,其中Cr ,W ,Mo还能提高钢的高温强度。 在热状态下成型的弹簧(直径或厚度一般在10mm以上) 在冷状态下成型的弹簧(直径或厚度一般在10mm以下) 热成型弹簧的热处理工艺--用这种方法成型弹簧多数是将热成型和热处理结合在一起进行的,而螺旋弹簧则大多数是在热成型后再进行热处理。这种弹簧钢的热处理方式是淬火+中温回火,热处理后组织为回火托氏体。这种组织的弹性极限和屈服极限高,并有一定的韧性。 冷成型弹簧的热处理工艺--对于用冷轧钢板、钢带或冷拉钢丝制成的弹簧,由于冷塑性变形使材料强化,己达到弹簧所要求的性能。故弹簧成型后只需在250C左右范围内,保温30min左右的去应力处理,以消除冷成型弹簧所产生的内应力,并使弹簧定型即可。 耐热弹簧钢的热处理--内燃机的气阀弹簧是在较高温度下工作,有的还存在腐蚀性气氛,因此必须选用特殊的弹簧钢和合适的热处理规范。 弹簧淬火时常见的缺陷及防止措施 (1)脱碳(降低使用寿命)--1、采用盐浴炉或拄制气氛加热炉加热。2、采用快速加热工艺。 (2)淬火后硬度不足,非马氏体数量较多,心部出现铁素体(产生和残存变形,降低使用寿命)--1、选用淬透性较好的材料。2、改善淬火冷却剂的冷却能力。3、弹簧进入冷却剂的温度应控制在Ar3以上。4、适当提高淬火加热温度。 (3)过热(脆性增加)--1、严格控制成型及淬火加热温度。2、加强淬火时的金相检验。 (4)开裂(脆性增加,严重降低使用寿命)--1、控制淬火加热温度。2、淬火时冷到250-300C时,取出空冷。3、及时回火 提高弹簧质量的措施 (1)形变热处理--将钢的变形强化与热处理强化两者结合起来,以进一步提高钢的强度和韧性。形变热处理有高、中、低温之分。高温形变热处理是在奥氏体状态下产生形变后立即淬火,也可与锻造或热轧结合起来,即热成型后立即淬火。形变热处理己应用于汽车板簧生产中。 (2)弹簧的等温淬火--对于直径较小或透透性足够的弹簧可采用等温淬火,它不仅能减少变形,而且还能提高强韧性,在等温淬火后最好再进行一次回火,可提高弹性极限,回火温度与等温淬火温度相同。 (3)弹簧的松弛处理--弹簧长时间在外力作用下工作,由于应力松弛的结果会产生微量的永久(塑性)变形,特别是高温工作的弹簧,在高温下应力松弛现象更为严重,使弹簧的精度降低,这对于一般精密弹簧是不允许的。因此,这类弹簧在淬火,回火后应进行松弛处理--对弹簧预先加载荷,使其变形量超过弹簧工作时可能产生的变形量。然后在高于工作温度20C的条件下加热,保温8-24h。 (4)低温碳氮共渗--采用回火与低温碳氮共渗(软氮化)相结合的工艺,能显著提高弹簧的疲劳寿命及耐蚀性,此工艺多用于卷簧。 (5)喷丸处理--划痕、折叠、氧化脱碳等表面缺陷往往会成为弹簧工作时应力集中的地方和疲劳断裂源。若用细小的钢丸高速喷打弹簧表面,不仅改善弹簧表面质量,提高表面强度,并使表面处于压应力状态,从而提高弹簧疲劳强度和使用寿命。 操作注意事项 (1)热处理前检查表面是否有脱碳、裂纹等缺陷。这些表面缺陷将严重地降低弹簧的疲劳极限。 (2)淬火加热应特别注意防止过热和脱碳,做好盐浴脱氧,控制炉气气氛,严格控制加热温度与时间。 (3)为减少变形,弹簧在加热时的装炉方式,夹具形式和冷却时淬入冷却方法。 (4)淬火后要尽快回火,加热要尽量均勺。回火后快冷能防止回火脆性和造成表面压应力,提高疲劳强度。
