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1.性能要求①高的弹性极限σe和屈强比σs/σb,以保证优良的弹性性能,即吸收大量的弹性能而不产生塑性变形;②高的疲劳极限,疲劳是弹簧的 主要破坏形式之一,疲劳性能除与钢的成分结构有关以外,还主要地受钢的冶金质量(如非金属夹杂物)和弹簧表面质量(如脱碳)的影响;③足够的塑性和韧性,以防止冲击断裂;④其它性能,如良好的热处理和塑性加工性能,特殊条件下工作的耐热性或耐蚀性要求等。  

2.成分特点钢中碳与合金元素的含量及作用为:(1)中、高碳一般地,碳素弹簧钢wc=0.6%~0.9%,合金弹簧钢wc=0.45%~0.70%,经淬火加中温回火后得到回火托氏体组织,能较好地保证弹簧的性能要求。(2)合金元素普通用途的合金弹簧钢一般是低合金钢。主加元素为Si、Mn、Cr等,其主要作用是提高淬透性、固溶强化基体并提高回火稳定性;辅加元素为Mo、W、V等强碳化物形成元素,主要作用有防止Si引起的脱碳缺陷、Mn引起的过热缺陷并提高回火稳定性及耐热性等。  

3.常用弹簧钢表12-10为我国常用弹簧钢的牌号、性能特点和主要用途,其成分、热处理工艺和力学性能可参照有关国家标准(如GB1222-1984)。表12-10常用主要弹簧钢的牌号性能特点与用途种类钢号性能特点产要用途碳素弹簧钢普通Mn量65硬度、强度、屈强比高,但淬透性差,耐热性不好,承受动载和疲劳载荷的能力 格低廉,多应用于工作温度不高的小型弹簧<12mm或不重要的较大弹簧7085较高Mn量65Mn淬透性、综合力学性能优于碳钢,但对过热比较敏感价格较低,用量很大,制造各种小截面<15mm的扁簧、发条、减震器与离合器簧片,刹车轴等合金弹簧钢Si-Mn系55Si2Mn强度高、弹性好,抗回火稳定性佳;但易脱碳和石墨化。含B钢淬透性明显提高主要的弹簧钢类,用途很广,可制造各种中等截面<25mm的重要弹簧,如汽车、拖拉机板簧、螺旋弹簧等60Si2Mn55Si2MnB55SiMnVBCr系50CrVA淬透性优良、回火稳定性高、脱碳与石墨化倾向低;综合力学性能佳,有一定的耐蚀性,含V、Mo、W等元素的弹簧具有一定的耐高温性;由于均为高级优质钢,故疲劳性能进一步改善用于制造载荷大的重型大型尺寸(50~60mm)的重要弹簧,如发动机阀门弹簧、常规武器取弹钩弹簧、破碎机弹簧;耐热弹簧,如锅炉安全阀弹簧、喷油嘴弹簧、气缸胀圈等60CrMnA60CrMnBA60CrMnMoA60Si2CrA60Si2CrVA1)碳素弹簧钢(即非合金弹簧钢)其价格便宜但淬透性较差,适合于截面尺寸较小的非重要弹簧,其中以65、65Mn 常用。2)合金弹簧钢根据主加合金元素种类不同可分为两大类:Si-Mn系弹簧钢和Cr系弹簧钢。前者淬透性较碳钢高,价格不很昂贵,故应用 广,主要用于截面尺寸不大于25mm的各类弹簧,60Si2Mn是其典型代表;后者的淬透性较好,综合力学性能高,弹簧表面不易脱碳,但价格相对较高,一般用于截面尺寸较大的重要弹簧,50CrVA是其典型代表。  

4.热处理特点弹簧钢的热处理取决于弹簧的加工成形方法,一般可分为热成形弹簧和冷成形弹簧两大类:1)热成形弹簧对截面尺寸>10mm各种大型和形状复杂的弹簧均采用热成形(如热轧、热卷),如汽车、拖拉机、火车的板簧和螺旋弹簧。其简明加工路线为:扁钢或圆钢下料→加热压弯或卷绕→淬火中温回火→表面喷丸处理,使用状态组织为回火托氏体。喷丸可强化表面并提高弹簧表面质量,显著改善疲劳性能。2)冷成形弹簧截面尺寸<10mm的各种小型弹簧可采用冷成形(如冷卷、冷轧),如仪表中的螺旋弹簧、发条及弹簧片等。这类弹簧在成形前先进行冷拉(冷轧)、淬火中温回火或铅浴等温淬火后冷拉(轧)强化;然后再进行冷成形加工,此过程中将进一步强化金属,但也产生了较大的内应力和脆性,故在其后应进行低温去应力退火(一般200~400℃)。  

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。

弹簧钢热处理方式
   
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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