机械工程材料:弹簧钢

      用以製造弹簧或类似弹簧性能零件的钢类。具有高的弹性极限﹑疲劳极限(尤其是缺口疲劳极限)以及一定的衝击韧性和塑性﹐主要在衝击﹑震动等动载荷或长期週期性交变应力的条件下使用。所以在各种状态下工作的弹簧都要有良好的表面质量和较高的抗疲劳性能。在工艺性能上﹐需经淬火﹑回火的弹簧钢﹐应具有一定的淬透性﹐不易脱碳﹐过热敏感性低和塑性较高﹐在热状态下易於成形。製造小尺寸弹簧用的钢丝要有均匀的硬度和一定的塑性。

      类别弹簧钢按生產方法﹐可分为热轧弹簧钢和冷拉(轧)弹簧钢。热轧弹簧钢包括製造螺旋弹簧﹑扭力杆用的圆钢或梯形钢和製造板簧的扁钢﹔冷拉(轧)弹簧钢包括製造小规格螺旋弹簧的冷拉钢丝和製造发条以及各种弹簧片的冷轧钢带。合金弹簧钢中通常含锰﹑硅﹑铬﹑鉬﹑钨﹑钒和微量的硼﹐这些合金元素都可提高钢的淬透性﹐锰和硅固溶入铁素体中﹐可提高屈服强度。铬﹑钨﹑钒可以提高钢的弹性极限﹑屈强比和耐热性。按所含合金元素﹐常用的弹簧钢可分为以下几种﹕碳素弹簧钢价格低廉﹐用途广泛。

      如表面状态和热处理组织相同﹐疲劳极限并不低於合金弹簧钢。缺点是淬透性和屈服强度较低﹔截面较大的弹簧﹐油淬时不能淬透﹐水淬时容易开裂。如增加含碳量﹐虽能提高强度和弹性极限﹐却会降低衝击韧性和塑性﹐尤其是降低低温韧性。中国的碳素弹簧钢有65﹑70﹑75﹑85四个钢号。单纯含锰弹簧钢如65Mn﹐锰含量为0.90～1.20％。增加锰含量可提高钢的淬透性和强度﹐减小脱碳倾向﹔缺点是有过热敏感性和回火脆性﹐且易產生淬火裂纹﹐所以只适於製造各种小尺寸扁弹簧﹑圆弹簧。硅锰弹簧钢是主要的热轧合金弹簧钢种﹐中国有55Si2Mn﹑60Si2Mn﹑60Si2MnA﹑70Si3MnA四个钢号。

      硅含量为1.50～2.80％﹐锰含量为0.60～0.90％。钢中加硅可显著提高弹性极限和屈强比﹐提高回火稳定性﹔但易形成硅酸盐等夹杂物﹐增加脱碳敏感性。钢中碳和硅的含量均较高时﹐碳易於石墨化。这类钢广泛用於製作汽车﹑拖拉机﹑机车上的减震板簧和螺旋弹簧﹐以及要求承受较高应力的弹簧。含铬弹簧钢在国际上很通用﹐中国有50CrMn和50CrVA两个钢号。50CrMn由於含有1％左右的铬和锰﹐有较高的淬透性﹐脱碳倾向小﹔缺点是铬和锰均加重回火脆性的倾向﹐回火后需快冷﹐多用以製造截面较大的和较重要的板簧和螺旋弹簧。50CrVA钢具有良好的淬透性﹔加钒能细化组织﹐不易过热﹐并可提高钢的强度﹑韧性﹐降低缺口敏感性。

      这种钢脱碳倾向小﹐低温衝击韧性好﹐在较高温度下工作时﹐性能也较稳定﹐主要用於製造气门弹簧﹑安全阀弹簧和在较高温度下工作的弹簧。在50CrVA钢的基础上适当增加其他合金元素﹐能取得比上述两种弹簧钢更好的力学性能和淬透性。硅含量为1.40～1.80％﹑铬含量为0.90～1.20％﹑钒含量为0.10～0.20％的60Si2CrVA钢﹐具有高的淬透性和低的过热敏感性﹐在塑性指标相近时抗拉强度和屈服强度高於硅锰弹簧钢﹐主要用於製作承受高应力的弹簧。含钨弹簧钢65Si2MnWA钢的钨含量为0.80～1.20％﹐与60Si2CrVA钢一样﹐可用於製作承受高载荷的和耐热(≦350)﹑耐衝击的弹簧。

      合金含量较高的30W4Cr2VA钢是一种高强度耐热弹簧钢﹐有高的淬透性﹐主要用於製造低於500条件下使用的控制阀簧。上述几种钢的生產工艺较复杂﹐价格较高。在高温条件下工作的弹簧﹐可选用耐热钢和耐热合金﹔在腐蚀介质工作的弹簧﹐应按介质的性质(氧化性﹐还原性)选用相应牌号的不锈钢。中国还有55SiMnVB弹簧钢﹐是在硅锰弹簧钢的基础上增添少量或微量合金元素﹐以提高淬透性能﹐用来製造较大截面尺寸的汽车板弹簧。中国典型牌号弹簧钢的力学性能见附表中国典型牌号弹簧钢的力学性能。

      生產工艺一般弹簧钢可用电炉﹑平炉或氧气转炉生產﹔质量较好或具有特殊性能的优质弹簧钢﹐用电渣炉或真空炉炼製。弹簧钢中碳﹑锰﹑硅等主要元素的规定含量范围较窄﹐冶炼时必须严格控制化学成分。硅含量较高时容易形成气泡等缺陷﹐钢锭锻轧后冷却不当时易產生白点。因此﹐冶炼用的原材料必须乾燥﹐儘量除去气体及夹杂物﹐而且要避免钢水过热。弹簧钢在轧製加工中须特别注意脱碳和表面质量。钢材表面严重脱碳时﹐会显著降低钢的疲劳极限。对於高硅弹簧钢如70Si3MnA﹐应注意避免石墨化。

      因此﹐在热加工时停轧温度不应过低(≧850)﹐避免在石墨化较易形成的温度范围(650～800)内停留时间过长。弹簧製成后经喷丸处理能使弹簧表层產生残餘压应力﹐以抵销表层上的部分工作应力﹐抑制表层裂缝的形成﹐这可显著提高弹簧的疲劳极限。