彈簧鋼的定義： 彈簧鋼是指由于在淬火和回火狀態下的彈性，而專門用于制造彈簧和彈性元件的鋼。 鋼的彈性取決于其彈性變形的能力，即在規定的范圍之內，彈性變形的能力使其承受一定的載荷， 在載荷去除之后不出現永久變形。 彈簧鋼應具有優良的綜合性能，如力學性能(特別是彈性極限、強度極限、屈強比)、抗彈減性能(即抗彈性減退性能，又稱抗松弛性能)、疲勞性能、淬透性、物理化學性能(耐熱、耐低溫、抗氧化、耐腐蝕等)。為了滿足上述性能要求，彈簧鋼具有優良的冶金質量(高的純潔度和均勻性)、良好的表面質量(嚴格控制表面缺陷和脫碳)、精確的外形和尺寸。 根據《鋼分類》標準，按照基本性能及使用特性一，彈簧鋼屬于機械結構用鋼；按照質量等級，屬于特殊質量鋼，即在生產過程中需要特別嚴格控制質量和性能的鋼。按照我國習慣，彈簧鋼屬于特殊鋼. 二 分類 .碳素彈簧鋼 碳素彈簧鋼的碳含量(質量分數)一般在0.62%~0.90%。按照其錳含量又分為一般錳含量(質量分數) (0.50%~0.80%)如65、70、85和較高錳含量(質量分數) (0.90~1.20%)，如65Mn兩類。 2.合金彈簧鋼 合金彈簧鋼是在碳素鋼的基礎上，通過適當加入一種或幾種合金元素來提高鋼的力學性能、淬透性和其他性能，以滿足制造各種彈簧所需性能的鋼。 合金彈簧鋼的基本組成系列有，硅錳彈簧鋼、硅鉻彈簧鋼、鉻錳彈簧鋼、鉻釩彈簧鋼、鎢鉻釩彈簧鋼等。在這些系列的基礎上，有一些牌號為了提高其某些方面的性能而加入了鉬、釩或硼等合金元素。 此外，還從其他鋼類，如優質碳素結構鋼、碳素工具鋼、高速工具鋼、不銹鋼，選擇一些牌號作為彈簧用鋼。 彈簧鋼概述 彈簧在沖擊、振動或長期交應力下使用，所以要求彈簧鋼有高的抗拉強度、彈性極限、高的疲勞強度。在工藝上要求彈簧鋼有一定的淬透性、不易脫碳、表面質量好等碳素彈簧鋼即含碳量WC在0.6%-0.9%范圍內的優質碳素結構鋼。合金彈簧鋼主要是硅錳系鋼種，它們的含碳量稍低，主要靠增加硅含量Wsi提高性能；另外還有硌、鎢、釩的合金彈簧鋼。近年來，結合我國資源，并根據汽車、拖拉機設計新技術的要求，研制出在硅錳鋼基礎上加入硼、鈮、鉬等元素的新鋼種，延長了彈簧的使用壽命，提高了彈簧質量. 彈簧鋼的特性： ①高的彈性極限σe和屈強比σs/σb，以保證優良的彈性性能，即吸收大量的彈性能而不產生塑性變形； ②高的疲勞極限，疲勞是彈簧的最主要破壞形式之一，疲勞性能除與鋼的成分結構有關以外，還主要地受鋼的冶金質量（如非金屬夾雜物）和彈簧表面質量（如脫碳）的影響； ③足夠的塑性和韌性，以防止沖擊斷裂； ④其它性能，如良好的熱處理和塑性加工性能，特殊條件下工作的耐熱性或耐蝕性要求等。 2．成分特點鋼中碳與合金元素的含量及作用為： （1）中、高碳一般地，碳素彈簧鋼wc＝0.6％~0.9％，合金彈簧鋼wc＝0.45％~0.70％，經淬火加中溫回火后得到回火托氏體組織，能較好地保證彈簧的性能要求。 （2）合金元素普通用途的合金彈簧鋼一般是低合金鋼。主加元素為Si、Mn、Cr等，其主要作用是提高淬透性、固溶強化基體并提高回火穩定性；輔加元素為Mo、W、V等強碳化物形成元素，主要作用有防止Si引起的脫碳缺陷、Mn引起的過熱缺陷并提高回火穩定性及耐熱性等。 彈簧選材的原則是：首先滿足功能要求，其次是強度要求，最后才考慮經濟性。 碳素彈簧鋼是彈簧鋼中用途廣泛，用量最大的鋼類。鋼中含0.60%～0.90%的碳和0.3%～1.20%的錳，不再添加其它合金元素，使用成本相對較低。碳素彈簧鋼絲經適當的加工或熱處理，可以獲得很高的抗拉強度，足夠的韌性和良好的疲勞壽命。但碳素鋼絲的淬透性低，抗松弛性能和耐蝕性能差，彈性模量的溫度系數較大(高達300×10-6/℃)，適用于制造截面較小，工作溫度較低(120℃>)的彈簧。 合金彈簧鋼一般含0.45%～0.70%的碳和一定量的Si，Mn，Cr，V，W及B等合金元素。合金元素的加入改善彈簧鋼的抗松弛性能，提高鋼的韌性，同時顯著提高鋼的淬透性和使用溫度，適用于制造較大截面，較高溫度下使用的彈簧。 彈簧依靠彈性變形吸收沖擊能量，所以彈簧鋼絲不一定要有很高的塑性，但起碼要有能承受彈簧成型的塑性，以及足夠的能承受沖擊能量的韌性。 彈簧通常在交變應力作用下長期工作，因此要有很高的疲勞極限，以及良好的抗蠕變和抗松弛性能。 在特定環境中使用的彈簧，對鋼絲還會有一些特殊要求，例如：在腐蝕介質中使用的彈簧，必須有良好的抗腐蝕性能。精密儀器中使用的彈簧，應具有長期穩定性和靈敏性，溫度系數要低，品質因素要高，后效作用要小，彈性模量要恒定。在高溫條件下工作的彈簧，要求在高溫時仍能保持足夠的彈性極限和良好的抗蠕變性能等。 此外，還應考慮彈簧鋼絲的成形工藝和熱處理工藝。冷拉彈簧鋼絲和油淬火回火彈簧鋼絲都以供貨狀態鋼絲直接繞制彈簧，彈簧成形后經消除應力處理直接使用。冷拉彈簧鋼絲的抗拉強度要略高于油淬火回火鋼絲。大規格冷拉鋼絲彈力太大，繞制彈簧很困難，所以冷拉彈簧鋼絲使用規格一般小于8.0mm，油淬火回火鋼絲使用規格一般小于13.0mm。實際上直徑13.0mm彈簧多選用輕拉狀態彈簧鋼絲，冷拉繞制成形后再淬回火使用。直徑15.0mm以上鋼絲大多采用加熱繞制工藝制簧。 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。 由于彈簧經常承受振動和長期在享變應力作用下工作,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定性,強化鐵素體和細化晶粒,有效地改善彈簧鋼的力學性能,其中Cr ,W ,Mo還能提高鋼的高溫強度。 在熱狀態下成型的彈簧(直徑或厚度一般在10mm以上) 在冷狀態下成型的彈簧(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是將熱成型和熱處理結合在一起進行的,而螺旋彈簧則大多數是在熱成型后再進行熱處理。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,己達到彈簧所要求的性能。故彈簧成型后只需在250C左右范圍內,保溫30min左右的去應力處理,以消除冷成型彈簧所產生的內應力,并使彈簧定型即可。 耐熱彈簧鋼的熱處理--內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,非馬氏體數量較多,心部出現鐵素體(產生和殘存變形,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、彈簧進入冷卻劑的溫度應控制在Ar3以上。4、適當提高淬火加熱溫度。 (3)過熱(脆性增加)--1、嚴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合起來,以進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下產生形變后立即淬火,也可與鍛造或熱軋結合起來,即熱成型后立即淬火。形變熱處理己應用于汽車板簧生產中。 (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,在等溫淬火后最好再進行一次回火,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,由于應力松弛的結果會產生微量的永久(塑性)變形,特別是高溫工作的彈簧,在高溫下應力松弛現象更為嚴重,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,回火后應進行松弛處理--對彈簧預先加載荷,使其變形量超過彈簧工作時可能產生的變形量。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力集中的地方和疲勞斷裂源。若用細小的鋼丸高速噴打彈簧表面,不僅改善彈簧表面質量,提高表面強度,并使表面處于壓應力狀態,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。這些表面缺陷將嚴重地降低彈簧的疲勞極限。 (2)淬火加熱應特別注意防止過熱和脫碳,做好鹽浴脫氧,控制爐氣氣氛,嚴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力,提高疲勞強度。
