A 彈簧鋼簡介與應(yīng)用
彈簧是應(yīng)用很廣泛的各種機械和儀表中重要零件，其外形可分成板簧和螺旋彈簧兩大類。彈簧的主要功能是消震及儲能。彈簧工作時產(chǎn)生很大的彈性變形、吸收沖擊能量、緩和沖擊，例如汽車等車輛上的緩沖彈簧；彈簧還可以通過釋放所吸收的能量，使其它零件完成某種動作，例如發(fā)動機上的氣閥彈簧、儀表彈簧等。
1、 彈簧鋼的特點
彈簧鋼首先，必須應(yīng)具備高的彈性極限和高的屈強比，以避免彈簧在高載荷下產(chǎn)生永久變形；其次，應(yīng)具備高的疲勞極限和高的抗拉強度，以免彈簧在長期震動和交變載荷應(yīng)力的作用下產(chǎn)生疲勞破壞；再次，有一定沖擊韌度和足夠的塑性；同時還要求有良好的淬透性和低的脫碳敏感性，使彈性極限大幅度降低；以及良好的表面質(zhì)量，在冷熱狀態(tài)下容易加工成形和良好的熱處理工藝性。
彈簧鋼一般均在彈性極限范圍內(nèi)服役，承受載荷時不允許產(chǎn)生塑性變形，因此要求彈簧鋼經(jīng)淬火、中溫回火后具有盡可能高的彈性極限和屈強比值（≥0.90）。
為了獲得彈簧所要求的性能，彈簧鋼采用較高的含碳量，碳素彈簧鋼通常在0.60%～0.85%范圍。如65、70鋼等的淬透性較差，其截面尺寸超過12mm時在油中就不能淬透，若用水淬火就容易開裂。對于截面尺寸較大、承受較重負荷的彈簧都是用合金鋼制造。
合金彈簧鋼的合碳量一般在0.50%～0.70%之間，所含合金元素有Si、Mn、Cr、V等，它們的主要作用是提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，強化鐵素體和細化晶粒，從而有效地改善彈簧鋼的力學(xué)性能。Si和Mn主要提高淬透性，同時也提高屈強比，且以Si的作用最突出，但它在熱處理時促進表面脫碳，Mn則使鋼易過熱，造成晶粒粗大。重要用途的彈簧鋼必須加入Cr、V、W等元素，Si--Cr彈簧鋼表面不易脫碳；Cr--V彈簧鋼不易過熱，晶粒細，不易長大粗化，耐沖擊性能好，高溫強度也高，其中Cr、V、W還有利于提高彈簧鋼的高溫強度。
2、 彈簧制造過程的特征
彈簧熱處理后質(zhì)量的判別主要是彈簧的壽命，從性能的角度考慮時需要調(diào)整彈性參數(shù)與韌性參數(shù)的平衡；性能與彈簧鋼的淬透性有密切關(guān)系。
目前彈簧制造方法采用鋼材和工藝路線的不同可分為三類。
其一采用冷軋鋼帶和冷拔鋼絲、冷卷成型，經(jīng)淬火回火或低溫回火；
其二采用熱軋不退火鋼材，熱成形后，進行淬火回火，一般板簧及大型卷簧的制造都采用此方法；
其三采用熱軋退火鋼材，冷卷成型，除應(yīng)力整型后，再加熱淬火和回火熱處理，一般鋼絲直徑在6-12mm的中型卷簧。
彈簧鋼的熱處理可分冷拔鋼絲的熱處理和熱軋彈簧鋼的熱處理。
冷拔鋼絲的熱處理是先對材料進行淬火+中溫回火，獲得回火托氏體組織，成形后進行低于150℃去除應(yīng)力回火。
熱軋彈簧鋼的熱處理是熱成形后的彈簧，可在830～890℃加熱后油淬火、400～480℃回火，獲得回火托氏體組織。如果彈簧鋼絲直徑太大（＞15mm）、板材太厚（＞8mm），會出現(xiàn)淬不透現(xiàn)象，結(jié)果彈性極限下降，疲勞強度降低。
彈簧在服役時承受的彎曲應(yīng)力、旋轉(zhuǎn)應(yīng)力在表面，故它的表面狀態(tài)非常重要。熱處理時的氧化脫碳是預(yù)防的重點，加熱時要嚴格控制爐內(nèi)氣氛，盡量縮短加熱時間。彈簧經(jīng)熱處理后，一般要進行噴丸處理，使表面強化并在表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，以提高疲勞強度。
強力噴丸技術(shù)是將高速彈丸噴射到彈簧表面，使表面層在彈丸的沖擊作用下發(fā)生塑性變形，由此產(chǎn)生強化及表面壓應(yīng)力，使彈簧的抗疲勞性能及耐應(yīng)力腐蝕能力均得到改善的方法。
強力噴丸在弧高值為0.15-0.60mmA時，可以改善表面粗糙度值＞4μm的表面質(zhì)量，延長了彈簧表面接觸疲勞裂紋的萌生期，并使擴展裂紋多次分叉，擴展速度降低，使彎曲疲勞裂紋變得短而細，因而延緩了彎曲疲勞裂紋的形成及降低了裂紋擴展速度，彎曲疲勞強度提高42%-56%。
為此，彈簧零件一般均采用強力噴丸，應(yīng)注意的是強力噴丸工藝指標(biāo)值的確定。JB/T10174-2000規(guī)定“噴丸強度一般應(yīng)為0.35mmA以上，表面覆蓋率一般應(yīng)不低與200%”。根據(jù)噴丸對彈簧表面微觀結(jié)構(gòu)的影響，彈簧噴丸強度為0.35-0.43mmA較為適宜?？紤]在相同條件下，板簧發(fā)生彎曲疲勞斷裂的表面部位噴丸強度只有圓棒的1/3，彈簧噴丸的表面覆蓋率要求≥250%為佳。
3、 彈簧的熱處理種類
彈簧用材有鋼和非鐵金屬，大部分是鋼材。原材料狀態(tài)有棒料、絲料、板料和帶料；有些是在熱軋、冷軋、冷拔后進行退火、淬火回火或貝氏體等溫淬火狀態(tài)供貨，制成彈簧后再進行最終熱處理。
3、1預(yù)備熱處理
3．1．1退火
熱成形彈簧用的各種圓鋼及硬鋼絲等，為了便于進一步冷拔或切削，需進行軟化退火（球化退火），以降低材料硬度，改善其切削性能、提高冷塑性變形能力。彈簧鋼材料退火應(yīng)在有保護氣氛的爐內(nèi)進行加熱，以防止表面嚴重氧化脫碳。退火組織應(yīng)為球狀珠光體。硬度約在180HBW左右。
3．1．2正火
對于某些彈簧，如汽車扭桿彈簧，在熱加工時容易引起組織和性能不均勻，殘留較大的內(nèi)應(yīng)力。采用正火可以使彈簧鋼組織均勻細小，消除內(nèi)應(yīng)力，便于加工成形。
3、2最終熱處理
3．2．1淬火
彈簧淬火加熱時，要特別注意防止表面脫碳、過熱和過燒、晶界氧化等缺陷，必須在有保護氣氛的加熱爐內(nèi)加熱，或在彈簧上涂保護涂料后在爐中加熱，然后根據(jù)鋼種采用水或油冷卻。
如汽車用內(nèi)孔φ12、φ16mm的波形彈簧墊圈，為防止氫脆現(xiàn)象65Mn改用65#和70#鋼制造，技術(shù)要求43-47HRC。使用設(shè)備SY-805-4無馬弗連續(xù)式網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線，加熱溫度820℃±5℃，網(wǎng)帶轉(zhuǎn)速35min，碳勢控制在0.62%-0.65%；回火溫度410℃±10℃，出爐用水冷，檢測硬度值為43-45HRC。操作注意事項，裝爐時要保證加料均勻，高度為3-4個墊圈厚度，不要堆積過厚或零散堆放，造成加熱不勻或過熱現(xiàn)象，淬入快速淬火油中，不要開攪拌機，以免造成變形量過大?；鼗鸷蟪鰻t用水快速冷卻，以防止第二類回火脆性。
生產(chǎn)上已廣泛采用馬氏體分級淬火或貝氏體等溫淬火，也可以在進行貝氏體等溫淬火時，保溫較短時間，未達到貝氏體轉(zhuǎn)變終止線，保留一部分奧氏體，再繼續(xù)冷至室溫，使這部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，在組織上兼有貝氏體和奧氏體，在性能上兼有較高強度和較好韌性，是強韌化的一種方法。這種處理方法還需要進行一次回火，只有截面小的彈簧才能采用這種淬火工藝。
3．2．2回火
彈簧淬火后應(yīng)及時回火，淬火后的停留時間應(yīng)不大于4小時，以防止淬火開裂，有利于提高塑性和韌性，降低淬火的內(nèi)應(yīng)力?；鼗鸺訜釕?yīng)均勻，容易出現(xiàn)第二類回火脆性的彈簧鋼，回火后應(yīng)快速冷卻。
3．2．3低溫退火（去應(yīng)力回火）
琴鋼絲、冷拔硬鋼絲、不銹彈簧鋼絲或磷青銅等非鐵金屬絲通常都是冷成形彈簧材料；淬火-回火鋼絲、形變熱處理鋼絲和熱處理鋼帶也屬于冷成形彈簧材料。用這些材料繞制的各種彈簧，內(nèi)部都產(chǎn)生較高的內(nèi)應(yīng)力，必須進行低溫退火（去應(yīng)力回火）以去除繞制時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。低溫退火（去應(yīng)力回火）的加熱溫度一般在再結(jié)晶溫度以下，保溫適當(dāng)時間后，出爐空冷。這樣做不僅可以部分消除彈簧中的存在的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定形狀和尺寸，還能有效地改善力學(xué)性能，如提高硬度（2～3HRC）、抗拉強度、屈強比、彈性極限、抗疲勞性及抗應(yīng)力松弛性。
3．2．4沉淀硬化
沉淀硬化工藝包括將合金加熱到相變點以上，獲得某種元素的過飽和固溶體，然后急冷的固溶熱處理，將彈簧及其鋼絲加熱到合金溶解度曲線以上某一適當(dāng)溫度，保溫適當(dāng)時間，使過飽和固溶體中沉淀出均勻分布的細硬質(zhì)相顆粒的時效處理。這種熱處理方法可使彈簧材料達到所需要的強韌性的彈性。彈簧制造中所用的沉淀硬化材料大致有07Cr17Ni7Al（0Cr17Ni7Al）、Be-Cu合金、Fe-Ni基高彈性合金、Ni73Cr15Fe7NbTi (lnconellX-750)和lnconell-718等。
3．2．5形變熱處理
60Si2Mn和55SiMnB鋼板彈簧采用高溫形變熱處理，可以提高板簧的強韌性和疲勞壽命，同時還能提高制作板簧的勞動生產(chǎn)率，降低勞動強度和成本。汽車鋼板彈簧的加工制造就是在加熱狀態(tài)將板簧用壓力彎曲機彎曲，并在彎曲狀態(tài)淬火入油中淬火，并中溫回火。
4．典型彈簧的熱處理特征
根據(jù)彈簧的尺寸不同，成形與熱處理方法也不同。
4．1冷成形彈簧
直徑較細或厚度較薄的彈簧一般應(yīng)冷拉彈簧鋼絲或冷軋彈簧鋼帶制成。鋼絲可用60、70、65Mn、T7A、T8A和T9A等鋼。按GB/T4357-1989，碳素彈簧鋼絲分為B、C、D三組。B組抗拉強度在1080～2800MPa，用于一般低應(yīng)力彈簧及其他用途；C組抗拉強度在1270～3140 MPa，用于中等應(yīng)力彈簧；D組抗拉強度在1520～3240 MPa，用于高應(yīng)力彈簧。同一組中，鋼絲直徑越細小，強度越高。
冷成形彈簧鋼絲按制造工藝不同可分為三類。
① 鉛浴等溫處理冷拉鋼絲
這種生產(chǎn)工藝的主要特點是，鋼絲在冷拉過程中經(jīng)過一定的快速等溫冷卻的工序，然后冷拉成所要求的尺寸。
以T8A鋼為例，先將正火態(tài)鋼絲酸洗，經(jīng)過三次冷拉拔，使總的拉拔量為50%，然后鋼絲以3.5m/min的速度經(jīng)過加熱爐，加熱到890～920℃奧氏體化溫度，在500～550℃的鉛浴中等溫分解成索氏體組織，然后經(jīng)多次拉拔至所需要直徑。
這類鋼絲主要是60、70、65Mn牌號，最高強度可達3000 MPa以上，且有較高的塑性。用此類鋼絲冷卷彈簧，只需在200～300℃下進行去除應(yīng)力回火，以消除應(yīng)力并使彈簧定形。
摩托車減震彈簧φ6.0×φ35×280，材料是鉛浴淬火回火的55SiCrA鋼絲繞制，成型后經(jīng)250℃×2h低溫退火，使用強度達到1680MPa左右，硬度約為46-48HRC。
② 油淬回火鋼絲
這類鋼絲是指冷拔到規(guī)定的尺寸后，進行油淬火和回火。鋼絲的抗拉強度不如鉛浴等溫處理冷拉鋼絲，但它的性能比較均勻一致，強度的波動范圍較小，廣泛用于制造各種動力機械閥門彈簧。這類鋼絲冷卷成彈簧后，也只需進行消除應(yīng)力回火，不需再經(jīng)淬火回火處理。
如車輛上的柱塞彈簧、進油針閥彈簧等，材料65Mn鋼。經(jīng)油淬回火處理的鋼絲，直徑0.8～1.5mm，在冷圈時均會產(chǎn)生冷作硬化，具有較高的強度，必須進行消除應(yīng)力回火，200～250℃×1h。而對于70鋼扭簧及拉簧，需再進行端部的卷制加工，所以還要進行第二次回火。第一次200～250℃×1h；第二次回火溫度180～200℃×1h空冷。
去應(yīng)力回火的溫度要適當(dāng)。溫度過低，不能充分消除應(yīng)力；溫度過高，由于回火軟化作用，使抗拉強度和彈性極限降低。表1為幾種鋼絲冷卷彈簧后的去應(yīng)力回火溫度范圍，時間一般為30～60min，時間過長也不能使性能改善。
冷卷彈簧消除應(yīng)力的回火溫度
彈簧鋼絲種類去應(yīng)力回火溫度 /℃
冷拉碳素鋼絲230～260
油淬回火鋼絲230～290
氣閥彈簧鋼絲230～400
Cr-V合金彈簧鋼絲315～370
Cr-Si合金彈簧鋼絲425～455
③ 退火狀態(tài)供應(yīng)的合金彈簧鋼絲
用這種鋼絲制成的彈簧都需要淬火回火處理，才能達到所需要的力學(xué)性能。這類鋼絲有50CrVA鋼絲、60Si2Mn鋼絲和55SiMnB鋼絲等。
4．2熱成形彈簧
彈簧鋼絲直徑或彈簧鋼板厚度大于10～15mm的螺旋彈簧或板彈簧，一般在加熱淬火時成形。彈簧的制造工藝大致如下（以板簧為例）：扁鋼切斷→加熱到淬火溫度壓彎后專用夾具夾持直接淬火+中溫回火→噴丸→裝配。此時的淬火溫度比平常高出50～80℃，成形后利用余熱立即淬火，也可在鹽浴爐中加熱，在油中冷至100～150℃時即可取出進行中溫回火。回火溫度根據(jù)彈簧的使用性能要求加以選擇，一般是在450-500℃范圍內(nèi)，回火后的硬度大約在38～52HRC之間。板簧回火后的硬度為39～47HRC，螺旋彈簧回火后為44～50HRC，受剪切應(yīng)力較大的彈簧回火后為47～52HRC。
某鋼鐵公司連鑄機滑動水口彈簧，最高使用溫度500℃。圓柱螺旋彈簧線徑φ12.6mm、內(nèi)徑φ116mm，耐高溫硬度為45-55HRC，材料30W4Cr2VA，用圓柱空心芯棒（材料：Q235）套住彈簧進行加熱固定，使用設(shè)備B84T真空氣淬爐，先用850℃×120min對流預(yù)熱，提高低溫加熱均勻性，縮短加熱時間，縮小工件溫差，以減少淬火變形；再用1050-1070℃×70min真空加熱，升溫速率均采用10℃/min，加壓氣淬，氣淬壓力為5×105pa，把彈簧冷至約80℃左右出爐，如裝爐量大，可適當(dāng)提高淬火壓力。必須及時回火，回火同樣在此真空爐中進行，采用600℃ ±10℃×90min。若不用真空爐回火，可用保護氣氛爐進行，注意氧化或脫 碳現(xiàn)象出現(xiàn)，檢測硬度48-51HRC。
彈簧的表面質(zhì)量對使用壽命影響很大，因為微小的表面缺陷（如脫碳、裂紋、夾雜、毛刺和斑疤等）即可造成應(yīng)力集中，使彈簧的疲勞強度下降。為了提高彈簧的疲勞強度，在淬火和回火后可對彈簧進行噴丸處理，以消除表面缺陷和由表面硬化產(chǎn)生的應(yīng)力。試驗證明，采用噴丸處理后60Si2Mn鋼彈簧使用壽命提高5～6倍。
彈簧可進行等溫淬火，主要用在熱處理機變形小以及希望獲得良好塑性及韌性的場合。當(dāng)硬度相同時，等溫淬火+中溫回火具有更高的塑性及韌性，不過彈性極限相應(yīng)低些。
近年來，彈簧鋼熱處理方面應(yīng)用等溫淬火、形變熱處理等一系列新工藝，對其性能進一步提高，取得了一定的成效，值得大力提倡。另外，彈簧在長期應(yīng)力作用下可能產(chǎn)生微量塑性變形，從而降低彈性和精度，這對要求很高的彈簧是不許可的。為解決這一問題需對彈簧進行“強壓處理”，即將彈簧加以壓力，使其各圈相互接觸保持24h，這一工序可使彈簧塑性變形預(yù)先發(fā)生，從而避免了在服役中出現(xiàn)塑性變形而影響彈性和尺寸精度。、
強壓處理方法有：①冷強壓處理，即在室溫下，強壓處理幾小時到幾十個小時；②熱強壓處理，將強壓裝置放入溫度為一定的恒溫爐中，保持適當(dāng)時間后，取出卸載并快冷到室溫；③磁場強壓處理，即將強壓彈簧裝置放入周圍有磁場的浴爐中處理；④電強壓處理，即將強壓彈簧裝置放入兩極板間通電加熱較短時間后，取出快冷。經(jīng)強壓處理的彈簧不出現(xiàn)松弛率較大的第一階段，只出現(xiàn)松弛率較小的第二階段，這就有效地改善了彈簧的抗應(yīng)力松弛性能，使彈簧工作10年的載荷損失率小于5%左右。
5、 結(jié)束語
彈簧熱處理過程是一個無法通過后續(xù)檢驗或試驗來保證產(chǎn)品質(zhì)量的特殊過程。因此，對于它的控制必須有合理的制度來實現(xiàn)。首先，對可能造成過程失效的因素加以甄別，做好熱處理工藝技術(shù)的制定工作；其次，建立完善的熱處理工藝管理制度，工藝文件明確清晰地標(biāo)注出熱處理過程的操作方法、工藝參數(shù)及檢驗的方法和位置，同時應(yīng)該特別強調(diào)裝爐方法和裝爐量，解決操作的可行性和方法的正確性。
