用以製造彈簧或類似彈簧性能零件的鋼類。具有高的彈性極限﹑疲勞極限(尤其是缺口疲勞極限)以及一定的衝擊韌性和塑性﹐主要在衝擊﹑震動等動載荷或長期週期變應(yīng)力的條件下使用。所以在各種狀態(tài)下工作的彈簧都要有良好的表面質(zhì)量和較高的抗疲勞性能。在工藝性能上﹐需經(jīng)淬火﹑回火的彈簧鋼﹐應(yīng)具有一定的淬透性﹐不易脫碳﹐過熱敏感性低和塑性較高﹐在熱狀態(tài)下易於成形。製造小尺寸彈簧用的鋼絲要有均勻的硬度和一定的塑性。
類別 彈簧鋼按生產(chǎn)方法﹐可分為熱軋彈簧鋼和冷拉(軋)彈簧鋼。熱軋彈簧鋼包括製造螺旋彈簧﹑扭力桿用的圓鋼或梯形鋼和製造板簧的扁鋼﹔冷拉(軋)彈簧鋼包括製造小規(guī)格螺旋彈簧的冷拉鋼絲和製造發(fā)條以及各種彈簧片的冷軋鋼帶。合金彈簧鋼中通常含錳﹑硅﹑鉻﹑鉬﹑鎢﹑釩和微量的硼﹐這些合金元素都可提高鋼的淬透性﹐錳和硅固溶入鐵素體中﹐可提高屈服強度。鉻﹑鎢﹑釩可以提高鋼的彈性極限﹑屈強比和耐熱性。按所含合金元素﹐常用的彈簧鋼可分為以下幾種﹕
碳素彈簧鋼 價格低廉﹐用途廣泛。如表面狀態(tài)和熱處理組織相同﹐疲勞極限并不低於合金彈簧鋼。缺點是淬透性和屈服強度較低﹔截面較大的彈簧﹐油淬時不能淬透﹐水淬時容易開裂。如增加含碳量﹐雖能提高強度和彈性極限﹐卻會降低衝擊韌性和塑性﹐尤其是降低低溫韌性。中國的碳素彈簧鋼有65﹑70﹑75﹑85四個鋼號。
單純含錳彈簧鋼 如65Mn﹐錳含量為0.90～1.20％。增加錳含量可提高鋼的淬透性和強度﹐減小脫碳傾向﹔缺點是有過熱敏感性和回火脆性﹐且易產(chǎn)生淬火裂紋﹐所以只適於製造各種小尺寸扁彈簧﹑圓彈簧。
硅錳彈簧鋼 是主要的熱軋合金彈簧鋼種﹐中國有55Si2Mn﹑60Si2Mn﹑60Si2MnA﹑70Si3MnA四個鋼號。硅含量為1.50～2.80％﹐錳含量為0.60～0.90％。鋼中加硅可顯著提高彈性極限和屈強比﹐提高回火穩(wěn)定性﹔但易形成硅酸鹽等夾雜物﹐增加脫碳敏感性。鋼中碳和硅的含量均較高時﹐碳易於石墨化。這類鋼廣泛用於製作汽車﹑拖拉機﹑機車上的減震板簧和螺旋彈簧﹐以及要求承受較高應(yīng)力的彈簧。
含鉻彈簧鋼 在國際上很通用﹐中國有 50CrMn 和50CrVA兩個鋼號。50CrMn由於含有1％左右的鉻和錳﹐有較高的淬透性﹐脫碳傾向小﹔缺點是鉻和錳均加重回火脆性的傾向﹐回火后需快冷﹐多用以製造截面較大的和較重要的板簧和螺旋彈簧。50CrVA鋼具有良好的淬透性﹔加釩能細(xì)化組織﹐不易過熱﹐并可提高鋼的強度﹑韌性﹐降低缺口敏感性。這種鋼脫碳傾向小﹐低溫衝擊韌性好﹐在較高溫度下工作時﹐性能也較穩(wěn)定﹐主要用於製造氣門彈簧﹑閥彈簧和在較高溫度下工作的彈簧。在50CrVA鋼的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加其他合金元素﹐能取得比上述兩種彈簧鋼更好的力學(xué)性能和淬透性。 硅含量為1.40～1.80％﹑鉻含量為0.90～1.20％﹑釩含量為0.10～0.20％的60Si2CrVA鋼﹐具有高的淬透性和低的過熱敏感性﹐在塑性指標(biāo)相近時抗拉強度和屈服強度高於硅錳彈簧鋼﹐主要用於製作承受高應(yīng)力的彈簧。
含鎢彈簧鋼 65Si2MnWA鋼的鎢含量為0.80～1.20%﹐與 60Si2CrVA鋼一樣﹐可用於製作承受高載荷的和耐熱(≦350)﹑耐衝擊的彈簧。合金含量較高的30W4Cr2VA鋼是一種高強度耐熱彈簧鋼﹐有高的淬透性﹐主要用於製造低於500條件下使用的控制閥簧。上述幾種鋼的生產(chǎn)工藝較復(fù)雜﹐價格較高。
在高溫條件下工作的彈簧﹐可選用耐熱鋼和耐熱合金﹔在腐蝕介質(zhì)工作的彈簧﹐應(yīng)按介質(zhì)的性質(zhì)(氧化性﹐還原性)選用相應(yīng)牌號的不銹鋼。
彈簧鋼
彈簧鋼的特點---彈簧主要在動載荷下工作,即在沖擊、振動的條件下,或在交變應(yīng)力作用下工作,利用彈性變形來吸收沖擊能量,起緩沖作用。
由于彈簧經(jīng)常承受振動和長期在享變應(yīng)力作用下工作,主要是疲勞破壞,故彈簧鋼必須具有高的彈性極限和高疲勞極限。此外,還應(yīng)有足夠的韌性和塑性,以防止在沖擊力作用下突然脆斷。
在工藝性方面,彈簧鋼應(yīng)具有較好的淬透性和低的過熱、脫碳敏感性。降低彈簧表面粗糙度能提高疲勞壽命。
為了獲得所需的性能,彈簧鋼必須具有較高的含碳量。碳素彈簧鋼的含碳量在0.6-0.9％之間,由于碳素彈簧鋼的淬透性差,故只用于制造截面尺寸不超過10-15mm的彈簧。對于截面尺寸較大的彈簧,必須采用合金彈簧鋼。合金彈簧鋼碳含量在0.45-0.75％之間,加入的合金元素有Mn ,Si ,W ,V ,Mo等。它們的主要作用是提高淬透性和回火穩(wěn)定性,強化鐵素體和細(xì)化晶粒,有效地改善彈簧鋼的力學(xué)性能,其中Cr ,W ,Mo還能提高鋼的高溫強度。
在熱狀態(tài)下成型的彈簧(直徑或厚度一般在10mm以上)
在冷狀態(tài)下成型的彈簧(直徑或厚度一般在10mm以下)
熱成型彈簧的熱處理工藝--用這種方法成型彈簧多數(shù)是將熱成型和熱處理結(jié)合在一起進(jìn)行的,而螺旋彈簧則大多數(shù)是在熱成型后再進(jìn)行熱處理。這種彈簧鋼的熱處理方式是淬火+中溫回火,熱處理后組織為回火托氏體。這種組織的彈性極限和屈服極限高,并有一定的韌性。
冷成型彈簧的熱處理工藝--對于用冷軋鋼板、鋼帶或冷拉鋼絲制成的彈簧,由于冷塑性變形使材料強化,己達(dá)到彈簧所要求的性能。故彈簧成型后只需在250C左右范圍內(nèi),保溫30min左右的去應(yīng)力處理,以消除冷成型彈簧所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,并使彈簧定型即可。
耐熱彈簧鋼的熱處理--內(nèi)燃機的氣閥彈簧是在較高溫度下工作,有的還存在腐蝕性氣氛,因此必須選用特殊的彈簧鋼和合適的熱處理規(guī)范。
彈簧淬火時常見的缺陷及防止措施
(1)脫碳(降低使用壽命)--1、采用鹽浴爐或拄制氣氛加熱爐加熱。2、采用快速加熱工藝。
(2)淬火后硬度不足,非馬氏體數(shù)量較多,心部出現(xiàn)鐵素體(產(chǎn)生和殘存變形,降低使用壽命)--1、選用淬透性較好的材料。2、改善淬火冷卻劑的冷卻能力。3、彈簧進(jìn)入冷卻劑的溫度應(yīng)控制在Ar3以上。4、適當(dāng)提高淬火加熱溫度。
(3)過熱(脆性增加)--1、嚴(yán)格控制成型及淬火加熱溫度。2、加強淬火時的金相檢驗。
(4)開裂(脆性增加,嚴(yán)重降低使用壽命)--1、控制淬火加熱溫度。2、淬火時冷到250-300C時,取出空冷。3、及時回火
提高彈簧質(zhì)量的措施
(1)形變熱處理--將鋼的變形強化與熱處理強化兩者結(jié)合起來,以進(jìn)一步提高鋼的強度和韌性。形變熱處理有高、中、低溫之分。高溫形變熱處理是在奧氏體狀態(tài)下產(chǎn)生形變后立即淬火,也可與鍛造或熱軋結(jié)合起來,即熱成型后立即淬火。形變熱處理己應(yīng)用于汽車板簧生產(chǎn)中。
(2)彈簧的等溫淬火--對于直徑較小或透透性足夠的彈簧可采用等溫淬火,它不僅能減少變形,而且還能提高強韌性,在等溫淬火后再進(jìn)行一次回火,可提高彈性極限,回火溫度與等溫淬火溫度相同。
(3)彈簧的松弛處理--彈簧長時間在外力作用下工作,由于應(yīng)力松弛的結(jié)果會產(chǎn)生微量的(塑性)變形,特別是高溫工作的彈簧,在高溫下應(yīng)力松弛現(xiàn)象更為嚴(yán)重,使彈簧的精度降低,這對于一般精密彈簧是不允許的。因此,這類彈簧在淬火,回火后應(yīng)進(jìn)行松弛處理--對彈簧預(yù)先加載荷,使其變形量超過彈簧工作時可能產(chǎn)生的變形量。然后在高于工作溫度20C的條件下加熱,保溫8-24h。
(4)低溫碳氮共滲--采用回火與低溫碳氮共滲(軟氮化)相結(jié)合的工藝,能顯著提高彈簧的疲勞壽命及耐蝕性,此工藝多用于卷簧。
(5)噴丸處理--劃痕、折疊、氧化脫碳等表面缺陷往往會成為彈簧工作時應(yīng)力集中的地方和疲勞斷裂源。若用細(xì)小的鋼丸高速噴打彈簧表面,不僅改善彈簧表面質(zhì)量,提高表面強度,并使表面處于壓應(yīng)力狀態(tài),從而提高彈簧疲勞強度和使用壽命。
操作注意事項
(1)熱處理前檢查表面是否有脫碳、裂紋等缺陷。這些表面缺陷將嚴(yán)重地降低彈簧的疲勞極限。
(2)淬火加熱應(yīng)特別注意防止過熱和脫碳,做好鹽浴脫氧,控制爐氣氣氛,嚴(yán)格控制加熱溫度與時間。
(3)為減少變形,彈簧在加熱時的裝爐方式,夾具形式和冷卻時淬入冷卻方法。
(4)淬火后要盡快回火,加熱要盡量均勺。回火后快冷能防止回火脆性和造成表面壓應(yīng)力,提高疲勞強度。
質(zhì)量檢查
熱處理前
(1)鋼材的軋制表面往往就是制成彈簧后的表面,故不應(yīng)有裂紋、折疊、斑疤、發(fā)紋、氣泡、夾層和壓入的氧化皮等。
(2)表面脫碳會顯著降什彈簧的疲勞強度,應(yīng)按規(guī)定檢驗脫碳層的深度。
熱處理后
(1)肉眼或低倍放大鏡觀察彈簧表的不應(yīng)有裂紋、腐蝕麻點和嚴(yán)重的淬火變形。
(2)硬度及其均勻性符合規(guī)定。大量生產(chǎn)時,允許用銼刀抽檢硬度,但必須注意銼痕位置應(yīng)不影響彈簧的精度。
(3)金相組織應(yīng)是托氏體或托氏體和索氏體的混合組織。
(4)板簧裝配后,通常還要進(jìn)行工作載荷下的變形以及靜載撓度試驗。