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1、弹簧钢金属学知识 及生产过程控制与检验,目 录,概 述 金 属 学 知 识 冶 炼 轧 制 检 验,一、概 述,定 义 是指由于在淬火和回火状态下的弹性，而专门用于制造弹簧和弹性元件的钢。钢的弹性取决于其弹性变形的能力，即在规定的范围之内，弹性变形的能力使其承受一定的载荷，在载荷去除之后不出现永久变形。,用途弹簧钢广泛用于制作飞机、铁道车辆、汽车和拖拉机等运输工具和其他工业产品的悬架弹簧、气门弹簧、稳定杆、异性弹簧等。,使用环境弹簧工作在周期性的弯曲、扭转等交变条件下，经受拉、压、冲击、扭、疲劳腐蚀等多种作用，有时还要承受极高的短时突加载荷，因此，弹簧钢应具有优良的综合性能，希望得到更高的力学
2、性能（弹性极限、强度极限、屈强比）、抗弹减性（抗松弛性能），疲劳性能、淬透性、物理化学性能（耐热、耐腐蚀、抗氧化等）,性能要求,高的强度,弹簧主要在动载荷下工作,即在冲击、振动的条件下,或在交变应力作用 下工作,利用弹性变形来吸收冲击能量,起缓冲作用。 由于弹簧经常承受振动 和长期在享变应力作用下工作,主要是疲劳破坏,故弹簧钢必须具有高的弹性 极限，为提高弹簧抗疲劳破坏和抗松弛的能力，弹簧材料还应具有一定的屈 服强度，尤其要有高的屈强比。在通常情况下，材料的弹性极限与屈服强度 成正比，因此弹簧设计和制造者总是希望材料具有高的屈服强度，而弹簧材 料的抗拉强度和屈服强度较接近，如冷拔碳素钢丝的屈服
3、强度约为抗拉强度 的90%左右。由于抗拉强度比屈服强度容易测得，在材料交货中提供的都是 抗拉强度，故在设计制造时一般都用抗拉强度作为依据。但材料的抗拉强度并不是越高，越好，强度过高会降低材料的塑性 和韧性，增加脆性倾向。材料抗拉强度的高低与其化学成分、金相组织 、热处理状况、冷加工（拉拔或轧制）程度及其他强化工艺等因素有关 。抗拉强度与疲劳强度也有一定的关系，当材料的抗拉强度在1600Mpa 以下时，其疲劳强度随抗拉强度的增高而增高。大致上材料的疲劳强度 与抗拉强度遵循的关系是：R-1（0.350.55）Rm（其中-1为材料 在对称循环下（如交变载荷）的疲劳强度）。,良 好 的 塑 性 、 韧
4、 性,在弹簧制造过程中材料需经受不同程度的加工变形，因此要求 材料具有一定的塑性。例如形状复杂的拉伸和扭转弹簧的钩环及扭 臂，当曲率半径很小时，在加工卷绕或冲压弯曲成形时，弹簧材料 均不得出现裂纹、折损等缺陷。同时弹簧在承受冲击载荷或变载荷 时，为防止在冲击力作用下突然脆断材料应具有良好的韧性，这样 能明显提高弹簧的使用寿命并减缓应力集中。,优 良 表 面 状 态 和 疲 劳 性 能,弹簧工作时表面承受的应力最大，而疲劳破坏往往是从钢丝表 面开始的，对于用在重要场合的弹簧，如轿车发动机气门弹簧一般 要求疲劳寿命2.3107次3.0107次，中高档轿车悬架弹簧一般 要求2.0106次5.0106
5、次甚至更长的疲劳寿命，这就对材料的 疲劳性能提出了很高的要求。影响材料疲劳性能的因素很多，如材 料的化学成分、硬度、钢材的纯净程度、表面质量和金相组织等， 尤为重要的是材料的表面质量。材料的表面缺陷，如裂纹、折叠、 鳞皮、锈蚀、凹坑、划痕和压痕等，都易使弹簧在工作过程中造成 应力集中。其应力集中的部位常常是造成疲劳破坏的疲劳源。疲劳 源还易在表面脱碳的部位首先发生，因此严格控制脱碳层深度也是 一个很重要的质量指标。为提高弹簧材料的表面质量，可以对材料 表面进行磨光或抛光，在钢丝拉拔前采用剥皮工艺剥除一层材料表 皮，这样可以将大部分表面缺陷去掉。弹簧热处理时可采用控制气 氛或真空热处理，防止表面
6、脱碳和氧化。,严格 的 尺寸 精度,许多弹簧对负荷精度有较高的要求，如气门弹簧的负荷偏 差不得大于规定负荷的5%6%，以采用圆钢丝的拉、压弹簧 为例，如果钢丝直径偏差为1%，负荷就会产生4%左右的偏差 。由此可见，严格的尺寸精度对保证弹簧的质量也是十分重要 的。,好 的 均 匀 性,对材料的均匀性要求是指对材料的化学成分、力学性 能、尺寸偏差等各项指标要求均匀和稳定一致。如果材料 各方面性能不一致，会给弹簧生产带来很大的困难，造成 产品几何尺寸、硬度、负荷等参数的离散性，严重的不均 匀性甚至会造成废品。,为了满足上述性能要求，弹簧钢必须具有优良的冶金质量，包括严格控制的化学成分、高的纯净度、低
7、的杂质含量、并控制其形态、粒度和分布。此外还要求钢质的均匀性和稳定性。弹簧钢还应具有良好的表面质量（包括表面脱碳）和高精度的外形和尺寸。,国内弹簧钢材料的现状1、品种众多，低中端过剩，高端品种以及特殊品种难以提供。 2、一般的力学特性能达到，但工艺水平及质量控制不稳定。 3、弹簧产品规格繁多，批量有大有小，弹簧钢材料供应脱挡脱节。 4、超纯净材料难以生产，表面质量也难以持久稳定。 5、现场质量管理以及物流过程质量管理均薄弱，炉批号标识跟不上。 6、在线检测水平低，无法实现零缺陷。,分 类,弹簧钢,按外形分,板 弹 簧,螺 旋 弹 簧,蝶 形 弹 簧,合 金 弹 簧 钢,按成分分,碳 素 弹 簧
8、 钢,扭 杆 弹 簧,按加工方法分,热 轧（锻） 弹 簧 钢,冷 轧（拉） 弹 簧 钢,按工作条件分,静 载 荷 弹 簧,冲 击 载 荷 弹 簧,耐 高 低 温 弹 簧,耐 腐 蚀 弹 簧,常用弹簧金属材料的技术标准,二、金属学知识,为了获得所需的性能,弹簧钢必须具有较高的含碳量。碳素弹簧钢的含碳量在0.6-0.9之间,由于碳素弹簧钢的淬透性差,故只用于制造截面尺寸不超过10-15mm的弹簧。对于截面尺寸较大的弹簧,必须采用合金弹簧钢。合金弹簧钢碳含量在0.45-0.75之间,加入的合金元素Mn ,Si 有,W ,V ,Mo等。它们的主要作用是提高淬透性和回火稳定性,强化铁素体和细化晶粒,有效
9、地改善弹簧钢的力学性能,其中Cr ,W ,Mo还能提高钢的高温强度。,合金元素的作用：,固溶于钢中起固溶强化。 与碳化物形成元素结合生成碳化物析出起沉淀强化。 强度、抗弹减性贡献最大的元素 降低钢的塑性与韧性,固溶强化：以固溶态存在，起固溶强化作用,能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比(s/b) ,以及疲劳强度 增加钢的脱碳倾向，有强烈的促进碳的石墨化的作用 。 硅降低钢的可焊性 提高弹簧钢的弹减抗力：抗弹减性次于碳，强于其它合金元素，主要因为其具有强烈的固溶强化的作用，同时，硅能抑制渗碳体在回火过程中的晶核形成与长大，改变回火时碳化物的析出数量、大小及形态，提高回火稳定性。,以固溶态存在，起
10、固溶强化作用。 提高钢的淬透性。 含量很高时，钢的抗氧化性能下降 由于提高了淬透性和降低了马氏体转变温度，对焊接性能有不利影响,提高钢的强度和硬度 减缓奥氏体的分解速度，提高钢的淬透性，与锰共用最好。 提高钢的抗氧化性能 促使钢的表面形成钝化膜，当有一定含量的铬时，显著提高钢的耐腐蚀性能 增加钢的热强性，主要用于耐高温弹簧钢。 降低钢中碳的活性，又是碳化物形成元素，减轻钢的脱碳倾向。 增加了淬火+回火钢的松弛性，降低抗弹减性。 高于0.7%的铬明显降低钢的韧性。,碳化物形成元素，沉淀强化作用。 弹簧钢硬度低于HRC50，将提高钢的抗弹减性。 降低钢中有效固溶碳及碳活度，防止晶粒长大和阻止晶界扩
11、散提高抗氧化性，从而降低钢的脱碳倾向。,强烈提高钢的淬透性。 提高抗弹减型，硼以间隙原子的形式溶入奥氏体或铁素体，其易聚集在位错线附近，阻碍位错的运动，抑制其变形。 提高表面淬火钢的塑性：硼优先渗入晶界，可以控制磷的偏析，防止晶界淬火。,常见弹簧钢及其特性,碳素 弹簧 钢,常见钢：65、70、75、85钢。 用途：一般用于制造尺寸较小的板弹簧和螺旋弹簧。 优点：经热处理后可以得到较高的强度和适当的韧性。 缺点：淬透性较低，截面超过1215在油中便不能淬透，在水中淬火容易开 裂和变形，变形后难以校正。,硅锰 弹簧 钢,常见钢：55Si2Mn、 60Si2Mn 。 用途：制造各种弹簧，如汽车、机车
12、、拖拉机的板簧、螺旋弹簧，汽缸安全阀簧 及一些在高应力下工作的重要弹簧，磨损严重的弹簧。 优点：强度高，弹性好。抗回火稳定性好。 缺点：易脱碳和石墨化 。,铬 合 金 弹 簧 钢,常见钢：50CrMn、 50CrVA 、60Si2 Cr 、60Si2 CrA 。 用途：汽车、机车的大型板簧、螺旋弹簧及扭杆弹簧等 。 优点：淬透性高，脱碳倾向小，热处理工艺性能好。,50CrVA钢是应用最广泛的铬合金弹簧钢，这种钢过热敏感性低、回火稳定性 较高、500 550 回火后，仍具有高的弹性极限和强度极限，并具有高的 韧性，尤其是低温韧性、缺口敏感性低，热处理不易脱碳并无石墨倾向，用于 制造截面较大的承受
13、应力较高的螺旋弹簧和扭杆弹簧以及工作温度低于300 的汽门弹簧。,成 形 后 强 化,在软化状态下使弹簧钢成形后再进行淬火和回火。大型板弹簧及螺旋弹簧需要进行热成形，即在奥氏体状态下成形，然后进行淬火和 回火。也可以成形后利用余热淬火 ，这种形变热处理方式可以有效地提高汽车板弹簧 的疲劳寿命并减轻总成重量。对于中小型弹簧也可以在冷状态下卷制成形后再进行淬 火并回火处理。弹簧钢在淬火加热时，为避免氧化和脱碳应尽可能采用快速加热，最 好是盐浴炉或带有保护气氛的加热炉进行。在淬火后也宜尽快回火，以防延迟断裂。弹簧的回火温度一般为400 500 ，若钢材表面状态良好应选用低限回火 温度以充分发挥钢材的
14、强度潜力。反之，如钢材表面质量欠佳，可取上限温度回火 提高钢材韧性，降低对表面缺陷的敏感性。弹簧钢淬火成马氏体后，在400 500 回火时，马氏体已充分分解，但碳 化物尚未发生明显地聚集长大，仍保持着弥散状态，分布在铁素体相的基体上，铁 素体相的回复过程也已充分进行，残余奥氏体已经分解，由淬火相变引起的晶体中 的微观内应力也已大幅度下降，但尚未发生再结晶，仍保持着马氏体的针状形态和 一定的强化效果，故具有高的强度和弹性。,弹簧钢的强化方式,强 化 后 成 形,对于小型弹簧，如线径在8以下的螺旋弹簧或弹簧钢带等，可以强化状态下成形。 这类弹簧的制作过程是先对弹簧钢丝或钢带进行强化处理，再在冷状态
15、下卷制成形， 最后进行低温退火以消除应力与稳定尺寸。按照卷制前强化工艺不同，这类弹簧钢又可分为以下三种：1）铅浴等温淬火弹簧钢丝。工艺：先将冷拔弹簧钢丝盘条经正火、酸洗后冷拔到一 定尺寸，在加热到Ac3或Accm+100200 奥氏体化，一般在880950 之间，以 得到均匀的奥氏体，使其有较高的稳定性，然后迅速淬入480540 的铅浴中等温 ，已得到细片状珠光体组织。经铅浴处理的钢丝具有很高的塑性和较好的强度，在此 基础上再进行总变形量很大（可达8590%）的多次拉拔，最后便可获得表面光洁并 高强度及一定塑性的弹簧钢丝。该处理方法是通过位错强化得一种强化工艺，这种钢丝是目前工业生产上所用 材
16、料中强度最高的。,强 化 后 成 形,2）硬拉弹簧钢丝。该钢丝也主要是通过冷拉变形而得到强化，但与铅浴等温淬火冷 拉弹簧钢丝不同，它是通过在冷拉工序中间加一道600680 的中间退火而改善塑 性恢复其变形能力，使钢丝得以继续冷拔到最终尺寸。用于：碳素弹簧钢及65Mn钢， 但其强度水平不如前者高，弹性也不够均匀，仅能用于低应力弹簧。3）油淬回火弹簧钢丝。该钢丝是在冷拉到最终尺寸后，再淬火和中温回火而强化的。 主要用于高碳钢，50CrVA、60Si2MnA和60Si2MnWA等。该钢丝抗松弛性能较好， 强度与弹性也较高。但生产工艺复杂，强度水平不如铅浴等温淬火冷拉弹簧钢丝高。,以上三种方法强化的钢丝，使用时经冷卷成形后，需要进行消除内应力的低温退火，以 稳定尺寸和提高弹性极限。退火温度一般为250300 ，保温时间为1060分。因为 已经过强化处理的弹簧钢丝在冷卷成形时，将使易动位错数量增多，并导致钢的起始塑变 抗力的降低，所以这时弹性极限并不高。只要在冷卷成形后进行一次较低温度的退火， 经过恢复和多变化弹性极限才能恢复。,
