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精选弹簧钢
1)中文名称：
弹簧钢英文名称：spring steel
弹簧钢主要是有好的弹性，又由于它是在动载荷环境条件下工作的，所以对制造弹簧的材质最主要的应有高的屈服强度；在承受重载荷时不引起塑性变形；应有高的疲劳强度，在载荷反复作用下具有长的使用寿命；并有足够的韧性和塑性，以防在冲击力作用下突然脆断。
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GB/T 13304《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，制作弹簧钢的时候技术要求比较高，技术的过硬直接决定品质的高低。
2）弹簧钢性能要求：
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。
3)弹簧钢的热处理工艺：
热处理弹簧钢要求较高的强度和疲劳极限，一般在淬火＋中温回火的
状态下使用，以获得较高的弹性极限。热处理工艺技术对弹簧内在质量有着至关
重要的影响。因此，如何进一步提高弹簧疲劳寿命，需进一步研究，尤其是化学
表面改性热处理、喷丸强化等都对弹簧疲劳寿命产生重要影响。为进一步强化
气门弹簧的表面强度、增加压应力、提高疲劳寿命，气门弹簧成形后，要进一步
经过渗氮、低温液体碳氮共渗或硫氮共渗处理，然后经喷丸强化。
例如，日本将f4mm的si－cr油淬钢丝经450℃×4.5h低温体碳氮共渗与经
400
℃×15min中温回火进行对比，其疲劳极限可提高240mpa。氮的渗入，
不仅消除了脱碳的不良影响，而且还提高了残余压应力，同时经渗氮和低温
液体碳氮共渗的气门弹簧高温强度提高，150℃时的变形量为0.2%(规定值为0.5%)，250℃的变形量为0.56%，提高了气门弹簧的热稳定性和抗松弛
稳定性，但渗氮和液体碳氮共渗时间应严格控制，否则会形成网状硫化物和
网状氮化物，反而会降低其疲劳强度。 气门弹簧提高强度的方法还可以
选择喷丸，经生产实践表面气门弹簧喷丸可用两种丸粒，一种直径为0.8mm，
其显微硬度为720hv0.2，另一种直径0.25mm，其显微硬度为800hv0.2，
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碳 C ：0.52～0.60
硅 Si：1.50～2.00
锰 Man：0.60～0.90
硫 S ：≤0.035
磷 P ：≤0.035
铬 Cr：≤0.35
镍 Ni：≤0.35
铜 Cu：≤0.25
力学性能：
抗拉强度 be(Map)：≥1274(130)
屈服强度 as (Map)：≥1176(120)
伸长率 δ10 (％)：≥6
断面收缩率 ψ (％)：≥30
硬度 ：热轧,≤302HB;冷拉+热处理,≤321HB
热处理规范及金相组织：
热处理规范：淬火870℃±20℃,油冷; 回火480℃±50℃(特殊需要时,±30℃)。
金相组织：回火屈氏体。
交货状态：热轧钢材以热处理或不热处理状态交货，冷拉钢材以热处理状态交货。
标准：GB/T 1222-1984
特性及适用范围：
60Si2Mn弹簧钢硅和锰提高弹性强度和屈强比，提高淬透性，抗回火稳定性和抗松弛稳定性，过热敏感性也较小，但脱碳倾向较大，尤其是硅与碳含量较高时，碳易于石墨化，使钢变脆。55Si2Mn弹簧钢用作汽车、拖拉机和机车上的减振板簧和螺旋弹簧、气缸安全阀簧，还可用作250℃以下使用的耐热弹簧。
弹簧成型方法：
对直径或板簧厚度大于10 mm的大弹簧，可在比正常淬火温度高出50～80℃的温度热成形，对直径或板簧厚度小于8～10mm的小弹簧，常用冷拔弹簧钢丝冷卷成形。
[为保证弹簧具有高的强度和足够的韧性，通50CrVA钢的力学性能与60Si2Mn钢相近，但淬透性更高，钢中Cr和V能提高弹性极限、强度、韧性和耐回火性，常用于制作承受重载荷、工作温度较高及截面尺寸较大的弹簧。锅炉主安全阀弹簧、汽轮机汽封弹簧等。
常采用淬火+中温回火。对热成形弹簧，可采用热成形余热淬火，对热冷成形的弹簧，有时可省去淬火、中温回火工艺，成形后只需进行200～300℃进行去应力退火即可。弹簧钢热处理后通常进行喷丸处理，其目的是在弹簧表面产生残余压应力，以提高弹簧的疲劳强度。
硬度为40～48HRC，有较高的弹性极限和疲劳强度，以及一定的塑性和韧性
弹簧是起缓冲、减振和储能等作用。弹簧一般是在交变应力下工作，常见的破坏形式是疲劳破坏，因此，必须具有高的屈服点和屈强比（σs/ σb）、弹性极限、抗疲劳性能，以保证弹簧有足够的弹性变形能力并能承受较大的载荷。同时，弹簧钢还要求具有一定的塑性与韧性，一定的淬透性，不易脱碳及不易过热。一些特殊弹簧还要求有耐热性、耐蚀性或在长时间内有稳定的弹性。
中碳钢和高碳钢都可作弹簧使用，但因其淬透性和强度较低，只能用来制造截面较小、受力较小的弹簧。合金弹簧钢则可制造截面较大、屈服极限较高的重要弹簧。
合金弹簧钢为中、高碳成分，一般wick=0.5％～0.7％，以满足高弹性、高强度的性能要求。加入的合金元素主要是Si、 Man、Cr，作用是强化铁素体、提高淬透性和耐回火性。但加入过多的Si会造成钢在加热时表面容易脱碳，加入过多的Man容易使晶粒长大。加入少量的V和Mo可细化晶粒，从而进一步提高强度并改善韧性。此外，它们还有进一步提高淬透性和耐回火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：
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进口高抗疲劳弹簧钢
焊接性能
氩弧焊对焊工艺
为了减小电极的消耗，选择直流正接进行线材的对焊试验，即选用直流电源，线材接电源的正极，钨极接电源的负极。
含1%或2%氧化钍的钨极发射电子效率高，电流承载能力好，且抗污染性能好，引弧容易并且电弧比较稳定。为了便于操作，选择直径为2 mm的较细的钍钨极，并且电极前端磨尖。
由于氩气较低的电弧电压特性对于薄板和线材的手弧焊特别有益，因此选择氩气做保护气体。
试验选用直流手工氩弧焊机，焊接前，将钢丝两端头仔细磨平，为防止焊点产生气孔，用丙酮将端头油污清洗干净。将两端磨平的线材放在平整洁净的对正板上（图1），使两端头对正，接头处不留间隙，用压铁压住接头两侧。将线材接焊机正极，钨极接负极，分别将电流调至20 A，15 A，10 A，8 A进行焊接。焊接时，在接头旁边引燃点弧并使之燃烧稳定，将电弧移至接头处使接头金属熔化后迅速将电弧熄灭，同时轻微施加顶锻力，冷却后即完成焊接过程，焊接过程中不使用填充焊丝。
试验发现，当焊接电流为20 A时，电弧燃烧剧烈，接头处金属飞溅严重，焊点塌陷严重。当电流调至15 A时，电弧燃烧较平稳，熔池飞溅少，但焊缝仍有塌陷。但电流降至10 A时，引弧容易，电弧燃烧稳定，焊缝处没有塌陷现象。图2为焊接电流10 A时，用数码相机在Leica MZ6型体视显微镜下拍下的焊接接头形状。可以看出，接头的圆柱度较好，将其打磨后能满足线锯的要求。当电流调至8 A以下时，引弧困难且电弧不稳定，难以完成焊接过程。
焊接接头试验
由于65Mn钢具有过热倾向，因此焊接热影响区对接头的力学性能影响很大。直径0.7 mm的65Mn钢丝经氩弧焊对焊后接头处非常硬脆，轻轻折弯焊点处，就会在熔合线或焊缝处脆断，断口呈明显的脆性断裂形貌。所得接头由焊缝和热影响区组成，沿接头轴线测试从焊缝中心至母材各个区域的显微硬度。测量结果表明，从母材到热影响区及焊缝中部，显微硬度急剧增加，焊缝中部硬度达HV 1 060，这说明热影响区及焊缝中部生成了硬脆组织。对于这种具有硬脆组织的接头，为了提高其韧性和塑性，降低其硬度，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，必须对焊接接头进行适当的回火处理。热处理后，应将热影响区的脆性消除，同时应能使母材保持一定的强度和弹性。回火在箱式电阻炉内进行，回火工艺见表1。将回火后的钢丝焊接接头处仔细打磨，使其直径与母材直径大致相等，再在WE-50拉伸试验机上进行拉伸试验。每种回火处理的试样取三根，取其拉力的平均值。
由试验可以看出，330℃以上热处理后，母材弹性基本消失，且断裂均发生在母材处，而不发生在焊点及其热影响区，这说明热处理后虽然热影响区的脆性完全消失，但母材的强度被大大削落（经试验，所用母材的抗拉强度为1 663 MPa）。260℃保温10 min时，虽然材料弹性基本不变，但热影响区的脆性不能消除。当加热温度为280℃，保温10 min时效果最好，热影响区的抗拉强度只比母材降低20%左右，而母材的弹性消失较小。将280℃回火处理的焊头沿轴线方向测试纵剖面上各个区的显微硬度，发现焊缝处的最高硬度值降低到HV 500左右，比未处理时的硬度降低大约1倍。 焊好的环形钢丝不但应能满足一定的强度和弹性要求，而且具有一定的疲劳强度.
弹簧钢按其加工成型方式分为热成型和冷成型两类，由于加工方式的不同，在后续的热处理方式也不尽相同，具体如下：
1热成型弹簧的热处理
直径或板厚大于10-15mm的大型弹簧件，多用热轧盘条拉拔的钢丝或钢板制成。
加工及热处理为：先把弹簧钢丝加热到高于正常淬火温度50-80℃的条件下热卷成型，然后淬火+中温回火，获得弹性极限和疲劳强度极佳的回火索氏体。弹簧钢淬火加热应选用少氧或无氧化的设备如盐浴炉、保护气氛炉等，防止氧化脱碳。
弹簧钢热处理后还要进行喷丸处理，强化表面，产生残余压应力，提高疲劳强度。
热轧弹簧钢采用的工艺流程为：扁钢剪断——>加热压弯成形后余热淬火+中温回火+喷丸——>包装。
2冷成型弹簧的热处理
直径小于8mm的弹簧件，常用冷拔钢丝冷卷成形。冷拉钢丝制造工艺及后续热处理，主要是以下三类：
1）铅浴处理冷拉钢丝
先将钢丝连续拉拔三次，总变形量达到50%，接着加热到Ac3以上温度使其奥氏体化，随后在450-550℃的铅浴中等温处理，奥氏体转化为索氏体组织。屈服强度为1600Mpa,冷卷成形后，在200-300℃退火消除应力即可。
2）油淬火回火钢丝
钢丝拉拔到处理尺寸后，进行油淬火回火。这类钢丝的强度不如铅浴处理的钢丝，但性能均匀一致，成本较低。冷卷成形后，进行去应力处理。
3）退火状态钢丝
将钢丝拉拔到规定尺寸，再进行退火处理。软化后的钢丝冷卷成形后，需经过淬火+中温回火后才能获得所需的力学性能。
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