弹簧钢的特点
1. 弹簧钢的特点
(1) 弹簧的工作条件
弹簧是各种机器和仪表中的重要零件, 其功能是依靠材料的弹性与弹簧结构, 使机械功或动能与形变能得到相互转化。
弹簧主要在动载荷下, 即在冲击、振动的条件下或在交变应力作用下工作, 起着支承、减振、缓冲、测量、控制储存及输出能量等作用。弹簧失效的主要形式是疲劳断裂。
(2) 弹簧的性能要求
无论弹簧用在什么地方, 工作时总是处于变形 - 复原 - 再变形 - 再复原的过程中, 不允许产生永久变形。因此, 弹簧应有高的疲劳性能。在水、蒸汽、油类、盐或碱介质中工作的弹簧还应具有耐热、耐腐蚀性能。有些特殊用途的弹簧, 还要求具备导电性好、无磁性等。为保证弹簧可靠地工作, 弹簧钢须具备以下基本性能要求:
1) 必须具有高的屈服极限与弹性极限, 尤其是要有高的屈强比, 以避免弹簧在高载荷下产生塑性变形。
2) 具有高的疲劳极限, 以避免弹簧在长期振动和交变应力作用下产生疲劳破坏。
3) 有足够的冲击韧性和塑性, 以防在冲击作用下突然脆断。
4) 具有良好的表面质量, 任何细小的锈蚀、凹坑、碰伤、脱碳等, 都可能成为疲劳断裂的发源点。
5) 弹簧钢应具有良好的淬透性, 低的过热敏感性。
6) 特殊用途的弹簧还有特殊要求, 如电器仪表中的弹簧要求有高的导电性; 在高温或腐蚀介质中工作的弹簧, 要求有耐高温或耐腐蚀性能。
常用弹簧钢
经历了千百年的相持后,我们终于看到了战胜贫困的曙光。
(1) 碳素钢
碳素钢有 65、70、85 等, 含量碳为 0 .6% ～0. 9% (质量分数 ) , 具有较高的弹性极限与强度。其缺点是淬透性差、抗应力松弛性能不好、耐腐蚀性差、弹性模量的温度系数大。
多用于钢材截面小于 10 mm、工作温度不高的弹簧。
(2) 锰钢
使用较多的锰钢有 65Mn。与碳素弹簧钢相比其淬透性和强度较高, 脱碳倾向较小, 但过热倾向较大, 一般用于截面小于 15 mm 的中小型低应力弹簧。
(3) 硅锰钢
在锰钢中加入硅能使钢的屈服强度和抗回火稳定性显著提高。常用的硅锰弹 簧钢有55Si2Mn、60Si2Mn。为进一步提高硅锰钢的性能, 在钢中加入微量硼和钒, 如 55Si2MnB、55SiMnVB 钢等, 经热处理后可获得更好的综合力学性能。
(4) 硅铬钢和硅铬钒钢
硅铬钢和硅铬钒钢有 60Si2CrA、60Si2CrVA 等, 具有淬透性好、过热倾向小、在高温下工作时的力学性能较稳定的特点, 可用于制造在 350℃以下承受重载荷、冲击载荷的大型螺旋弹簧与板簧。
(5) 铬锰钢和铬锰钼钢
铬锰弹簧钢有 55CrMnA、60CrMnA 等, 具有较 65Mn 钢高的弹性极限和强度。但其缺点是有过热敏感性和易产生回火脆性。含钼的 60CrMnMoA 弹簧钢, 其淬透性、强度、塑性和高温强度得到提高, 过热倾向和回火脆性倾向降低, 可用于制造承受高载荷、应力较大的板簧和螺旋直径较大 ( 50 mm ) 的螺旋弹簧, 也可以用作工作温度 300℃以下的阀门弹簧、活塞弹簧等。
(6) 铬钒钢和钨铬钒钢
铬钒钢有 50CrVA 钢等, 该钢具有很高的弹性和疲劳极限, 可用于制造特别重要的承受大应力的多种尺寸螺旋弹簧, 以及大截面的工作温度在 300℃以下的重要弹簧。
钨铬钒钢有 30W4Cr2VA 钢, 这是一种高强度耐热弹簧钢, 具有特别高的淬透性。经1050～1 100℃淬火、550～650℃回火后, 抗拉强度可达 1500～1700 MPa。该钢主要用于制造在540℃以下高温使用的弹簧。
弹簧钢的热处理特点
弹簧钢的热处理, 因钢材状态、弹簧成型方法和弹簧的性能要求而异。
(1) 热轧弹簧钢
1) 未经退火的热轧弹簧钢 大型卷簧和板簧, 采用未经退火的热轧弹簧钢制造, 经热成型后进行淬火 + 回火处理。
2) 经退火的热轧弹簧钢 直径或厚度为 6～12 mm 的钢丝, 采用经退火的热轧弹簧钢制造, 冷卷成型后, 去应力整形, 再进行淬火 - 回火处理。
(2) 冷轧或冷拔弹簧钢
1) 经淬铅处理的冷拔弹簧钢 一般小型弹簧如直径小于 6 mm 的高应力重要弹簧及阀门弹簧, 采用的冷拔弹簧钢丝, 在冷拔之前为使钢材具有很高的塑性和较好的强度, 先经过Ac3以上充分奥氏体化, 恒温铅浴淬火, 得到高塑性索氏体, 再经过多次冷拔强化使其获得很高的强度。经淬铅处理的冷拔弹簧钢丝, 可直接进行卷簧。卷簧后不再进行淬火处理, 而只需进行定型处理或低温去应力回火。
2) 中间进行退火的冷拔弹簧钢 经过多次冷拔, 并在多次冷拔中间进行退火 ( 提高塑性) 的冷拔弹簧钢, 用于制造直径在 13 mm 以下的低应力弹簧。这种冷拔弹簧钢丝, 经过多次冷强化, 弹簧成型后, 只需在 200～300℃保温 20～30 min 低温回火, 即可消除应力,提高强度极限和稳定尺寸, 或者不进行任何热处理。
3) 交货态为油淬火、回火的弹簧钢 该类弹簧钢材料在冶金企业冷拔后, 已进行淬火与中温回火处理, 所以弹簧成型后, 也只要进行低温稳定化处理。弹簧回火后如需进行矫正工序, 矫正后应在比回火温度低 10～20℃的情况下消除矫正应力。
4) 冷拔而未经淬火的弹簧钢 冷拔而未经淬火的弹簧钢如 60Si2MnA、50CrVA 等冷拔合金弹簧钢丝, 在弹簧成型后, 按热轧钢相同的方法进行热处理。
弹簧钢的热处理工艺
(1) 退火处理
热成型弹簧所用的钢丝或圆钢, 须进行软化退火或球化退火, 以改善冷塑性变形和切削性能。退火处理工艺为:
1) 在 Ac1 点以下 700℃±10℃加热退火。
2) 在 Ac1 上下循环加热 - 冷却退火。
3) 在 Ac1 以上加热, 保温后缓冷或在 Ar1 以下等温退火。
退火后的组织为球状珠光体, 钢的硬度约为 HBS180。
(2) 正火处理
弹簧钢在进行热加工时, 由于各部位冷却速度不同, 导致各部位组织性能不均匀, 并有较大的残余应力, 常用正火处理来消除应力, 均匀组织。正火处理工艺为: 加热到 Ac3以上40～60℃保温后空冷。正火可得到比退火更细更均匀的组织, 具有较高的强度和韧性。
(3) 淬火处理
1) 淬火加热 弹簧钢的淬火加热温度为 Ac3 ( 或 Acm ) 以上 30～70℃, 加热淬火温度不能太高, 加热时应特别注意防止过热和表面脱碳。弹簧的加热最好在盐浴炉中进行, 如在空气炉中加热应采取防止氧化脱碳的措施。同时, 在保证达到奥氏体化的前提下, 应尽量缩短弹簧在高温下的停留时间。一般在空气炉中加热的保温系数为 2 min/ mm, 在盐浴中加热保温系数为 0. 5 min/ mm。
2) 淬火冷却 弹簧淬火时, 为保证获得足够的马氏体组织和硬度, 心部不出现铁素体,淬火介质应有足够的冷却能力。弹簧淬火冷却一般都采用油冷或在 300～400℃盐浴中进行等温淬火。淬透性较差的钢, 或截面有效尺寸超过 25 mm 时可采用水淬 - 油冷方法, 但要注意严格控制水淬时间, 淬火后应及时回火; 或采取适当降低淬火温度的措施防止淬裂。大批量生产的大型螺旋压缩弹簧, 大多采用连续加热成型淬火法, 即钢材在通道式加热炉中加热到 950～1 000℃后, 热卷成型、热整形, 然后立即淬火冷却。汽车板簧大多采用此3) 淬火变形及预防措施 螺旋弹簧淬火时常产生淬火变形, 如中心线弯曲, 螺距发生变化等。为了控制变形, 加热时在炉中的放置和吊挂方式要特别注意。弹簧在炉中必须水平放置, 不应竖直放置或堆放。弹簧淬火变形情况与淬火冷却方式有关。一般来讲, 水平入油时, 中心线弯曲较大而螺距变形较小; 垂直入油时, 则变形情况与上述相反。采用与螺旋弹簧内径相近的带孔钢管穿入弹簧内孔作为吊具进行水平淬火, 可有效地减少淬火变形。弹簧等温淬火是减少变形的淬火方法之一。
对已产生变形的弹簧, 可利用专门的夹具在回火过程中进行定型校正。工艺过程为: 先在 300℃左右加热去应力一次, 然后将弹簧装入夹具, 在正常回火温度下进行校正变形回火。此方法广泛用于各种片状弹簧。
(4) 回火处理
弹簧淬火后应立即进行 400～500℃中温回火, 回火保温时间按 1 .5 min/ mm 计算, 但最短不少于 30 min, 一般为 30～60 min, 为使加热均匀, 应尽量在硝盐炉或热风炉中进行。回火后应采用油冷或水冷, 这既可防止回火脆性, 又能在表面形成残余压应力, 提高抗疲劳性能。
弹簧钢经淬火回火后的组织为回火托氏体, 这种组织具有高的弹性极限和屈服极限, 并有一定的韧性, 硬度一般在 HRC40～47 范围内。
(5) 去应力退火处理
经冷塑性变形成型的弹簧, 弹簧内部产生晶格扭曲, 内应力较高。为稳定形状和尺寸,消除弹簧中的残余应力, 必须进行去应力退火。工艺过程是: 将弹簧加热到再结晶温度以下的某一温度 (冷拔弹簧钢及琴钢丝为 200～ 350℃, 低合金钢油淬火 - 回火钢 丝为 300 ～400℃) , 经过 30～60 min 保温后出炉空冷。
(6) 贝氏体等温淬火处理
对于钢丝直径较小, 要求热处理变形小的弹簧, 可采用贝氏体等温淬火。即将弹簧加热至淬火温度, 保温后移入 Ms 点以上的下贝氏体等温转变温度等温停留, 直至奥氏体全部转变为下贝氏体, 然后在水或油中冷却。等温淬火后, 再在适当温度 ( 中温或低温) 进行一次补充回火。贝氏体等温淬火, 可使弹簧获得更高的屈服和弹性极限, 同时弹簧变形小, 有更高的疲劳寿命。
(7) 贝氏体等温 - 马氏体分级淬火处理
将弹簧加热至淬火温度, 保温后移入 Ms 点以上的下贝氏体等温转变温度短时停留, 奥氏体部分地转变为下贝氏体, 然后淬入水或油中冷却, 获得不同比例的马氏体与下贝氏体的双相组织, 这称为贝氏体等温 - 马氏体分级淬火处理。经贝氏体等温 - 马氏体分级淬火处理后, 再在中温或低温进行一次回火。此工艺方法能减少弹簧畸变, 避免开裂, 可提高强度和韧性。
弹簧的强化处理
对精度和疲劳强度要求高的弹簧, 以及在较高温度下工作的弹簧, 还需采取其他强化处理, 进一步提高弹簧性能。
(1) 抛丸处理
对热处理后的弹簧, 用高硬度的金属弹丸, 以高速抛射打击弹簧表面, 用以改善弹簧表面质量, 提高表面强度, 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。
抛丸处理所用的弹丸趋近于球形, 直径一般为 0. 3～0.7 mm; 直径小于3 mm 钢丝制造
的弹簧所用弹丸为直径0.4 mm;3～6mm弹簧用直径 0.7mm 弹丸。抛丸强化效果的检验
指标为表面覆盖率和试片的弧高度。
(2) 形变热处理
形变热处理是把形变强化和热处理强化结合起来, 进一步提高弹簧的强度和塑性。形变热处理有高温、中温、低温之分。目前生产实际中只应用高温、中温两种。
1) 高温形变热处理 高温形变热处理是在稳定的奥氏体状态下产生形变后立即淬火和回火, 也可以与锻造或热轧结合起来, 即热成型后立即淬火和回火。如 60Si2Mn 钢制造的汽车板簧在 920～ 930℃经热 轧, 形 变量约 18% , 随后 淬油约 30 s 左右, 再采用 650℃、3 min 15 s 的高温快速回火, 强度和韧性, 特别是疲劳寿命较原淬火 - 回火工艺有明显提高。
2) 中温形变热处理 中温形变热处理是指在再结晶温度下马氏体点以上进行的压力加工形变, 然后迅速进行淬火 - 回火的一种工艺。钢在 400～500℃范围内, 经强烈形变 ( 变形量为 25%～90% ) , 能使钢的强度、屈服强度和疲劳极限比采用高温形变热处理时有更大的提高。
(3) 松弛处理
弹簧在长时间工作过程中, 会产生微量永久性塑性变形, 从而导致弹簧的力学特性发生变化, 这种现象叫做应力松弛。这对于一些精密弹簧来讲是不允许的。为避免精密弹簧, 特别是在较高温度下工作的弹簧出现应力松弛, 可在弹簧淬火 - 回火后进行松弛处理。松弛处理也叫强压处理, 处理的方法有以下三种:
1) 冷强压松弛处理 在室温下强压 16～24 h, 或采用多次快速强压 ( 动强压 ) 的方法处理。
2) 热强压松弛处理 在高于工作温度 20℃的恒温下强压 2～8 h。
3) 磁场强压或电强压松弛处理 在磁场浴炉中强压, 或在两电极板间强压并通电短时加热, 然后空冷进行松弛处理。
(4) 低温碳氮共渗强化处理
采用回火与低温碳氮共渗相结合的工艺, 也可显著提高弹簧的疲劳寿命和耐蚀性。
