彈簧鋼

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    彈簧是機(jī)械行業(yè)和日常生活中最常用的零件。彈簧在彈性范圍內(nèi)使用，卸載后應(yīng)回復(fù)到原來位置，希望塑性變形越小越好，因此鋼絲應(yīng)具有高的彈性極限，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。屈強(qiáng)比越高，彈性極限就越接近抗拉強(qiáng)度，因而越能提高強(qiáng)度利用率，制成的彈簧彈力越強(qiáng)。 

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(yīng)力作用下長(zhǎng)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(huán)境中使用的彈簧，對(duì)鋼絲還會(huì)有一些特殊要求，例如：在腐蝕介質(zhì)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(yīng)具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性和靈敏性，溫度系數(shù)要低，品質(zhì)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(shí)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(yīng)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(tài)鋼絲直接繞制彈簧，彈簧成形后經(jīng)消除應(yīng)力處理直接使用。冷拉彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度要略高于油淬火回火鋼絲。大規(guī)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(guī)格一般小于8.0mm，油淬火回火鋼絲使用規(guī)格一般小于13.0mm。實(shí)際上直徑13.0mm彈簧多選用輕拉狀態(tài)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。 

　　彈簧根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)可分為靜態(tài)簧和動(dòng)態(tài)簧。靜態(tài)彈簧指服役期振動(dòng)次數(shù)有限的彈簧，如安全閥彈簧，彈簧墊，秤盤彈簧，定載荷彈簧，機(jī)械彈簧，手表游絲等。動(dòng)態(tài)彈簧指服役期振動(dòng)次數(shù)達(dá)1×106次以上的彈簧，如發(fā)動(dòng)機(jī)閥門彈簧，車輛懸掛簧，防震彈簧，聯(lián)軸器彈簧，電梯緩沖彈簧等。靜態(tài)彈簧選材時(shí)主要考慮抗拉強(qiáng)度和穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)彈簧選材時(shí)主要考慮疲勞，松弛及共振性能。 

　　彈簧根據(jù)負(fù)荷狀況可分為輕載荷、一般載荷和重載荷三種狀態(tài)。輕載荷指承受靜態(tài)應(yīng)力，應(yīng)力較低，變形量較小的彈簧，如安全裝置用彈簧，吸收振動(dòng)用彈簧等。設(shè)計(jì)使用壽命103～104次。 

　　一般載荷指設(shè)計(jì)壽命105～106次，在振動(dòng)頻率300次/min條件下使用的普通彈簧。在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，壽命保證1×106次，載荷應(yīng)力越低，壽命越長(zhǎng)。 

　　重載荷指長(zhǎng)時(shí)間工作、振動(dòng)頻繁的彈簧。如閥門彈簧，空氣錘、壓力機(jī)、液壓控制器彈簧，其載荷較高，常常在低于許用應(yīng)力10%左右使用，使用壽命大于1×106次，通常為107次。 

　　彈簧選材的原則是：首先滿足功能要求，其次是強(qiáng)度要求，最后才考慮經(jīng)濟(jì)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(duì)較低。碳素彈簧鋼絲經(jīng)適當(dāng)?shù)募庸せ驘崽幚恚梢垣@得很高的抗拉強(qiáng)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(shù)較大(高達(dá)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(shí)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。 

彈簧鋼的熱處理
    由于彈簧經(jīng)常承受振動(dòng)和長(zhǎng)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(duì)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(qiáng)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(qiáng)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(duì)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(qiáng)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(jī)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。 

操作注意事項(xiàng) 
    (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(shí)間。
    (3)為減少變形,彈簧在加熱時(shí)的裝爐方式,夾具形式和冷卻時(shí)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(qiáng)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(huì)顯著降什彈簧的疲勞強(qiáng)度,應(yīng)按規(guī)定檢驗(yàn)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(diǎn)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(shí),允許用銼刀抽檢硬度,但必須注意銼痕位置應(yīng)不影響彈簧的最后精度。 
    (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)行工作載荷下的永久變形以及靜載撓度試驗(yàn)。