機(jī)械工程材料:彈簧鋼
2015-06-28
用以製造彈簧或類似彈簧性能零件的鋼類。具有高的彈性極限﹑疲勞極限(尤其是缺口疲勞極限)以及一定的衝擊韌性和塑性﹐主要在衝擊﹑震動(dòng)等動(dòng)載荷或長(zhǎng)期週期性交變應(yīng)力的條件下使用。所以在各種狀態(tài)下工作的彈簧都要有良好的表面質(zhì)量和較高的抗疲勞性能。在工藝性能上﹐需經(jīng)淬火﹑回火的彈簧鋼﹐應(yīng)具有一定的淬透性﹐不易脫碳﹐過(guò)熱敏感性低和塑性較高﹐在熱狀態(tài)下易於成形。製造小尺寸彈簧用的鋼絲要有均勻的硬度和一定的塑性。
類別 彈簧鋼按生產(chǎn)方法﹐可分為熱軋彈簧鋼和冷拉(軋)彈簧鋼。熱軋彈簧鋼包括製造螺旋彈簧﹑扭力桿用的圓鋼或梯形鋼和製造板簧的扁鋼﹔冷拉(軋)彈簧鋼包括製造小規(guī)格螺旋彈簧的冷拉鋼絲和製造發(fā)條以及各種彈簧片的冷軋鋼帶。合金彈簧鋼中通常含錳﹑硅﹑鉻﹑鉬﹑鎢﹑釩和微量的硼﹐這些合金元素都可提高鋼的淬透性﹐錳和硅固溶入鐵素體中﹐可提高屈服強(qiáng)度。鉻﹑鎢﹑釩可以提高鋼的彈性極限﹑屈強(qiáng)比和耐熱性。按所含合金元素﹐常用的彈簧鋼可分為以下幾種﹕
碳素彈簧鋼 價(jià)格低廉﹐用途廣泛。如表面狀態(tài)和熱處理組織相同﹐疲勞極限并不低於合金彈簧鋼。缺點(diǎn)是淬透性和屈服強(qiáng)度較低﹔截面較大的彈簧﹐油淬時(shí)不能淬透﹐水淬時(shí)容易開裂。如增加含碳量﹐雖能提高強(qiáng)度和彈性極限﹐卻會(huì)降低衝擊韌性和塑性﹐尤其是降低低溫韌性。中國(guó)的碳素彈簧鋼有65﹑70﹑75﹑85四個(gè)鋼號(hào)。
單純含錳彈簧鋼 如65Mn﹐錳含量為0.90～1.20％。增加錳含量可提高鋼的淬透性和強(qiáng)度﹐減小脫碳傾向﹔缺點(diǎn)是有過(guò)熱敏感性和回火脆性﹐且易產(chǎn)生淬火裂紋﹐所以只適於製造各種小尺寸扁彈簧﹑圓彈簧。
硅錳彈簧鋼 是主要的熱軋合金彈簧鋼種﹐中國(guó)有55Si2Mn﹑60Si2Mn﹑60Si2MnA﹑70Si3MnA四個(gè)鋼號(hào)。硅含量為1.50～2.80％﹐錳含量為0.60～0.90％。鋼中加硅可顯著提高彈性極限和屈強(qiáng)比﹐提高回火穩(wěn)定性﹔但易形成硅酸鹽等夾雜物﹐增加脫碳敏感性。鋼中碳和硅的含量均較高時(shí)﹐碳易於石墨化。這類鋼廣泛用於製作汽車﹑拖拉機(jī)﹑機(jī)車上的減震板簧和螺旋彈簧﹐以及要求承受較高應(yīng)力的彈簧。
含鉻彈簧鋼 在國(guó)際上很通用﹐中國(guó)有 50CrMn 和50CrVA兩個(gè)鋼號(hào)。50CrMn由於含有1％左右的鉻和錳﹐有較高的淬透性﹐脫碳傾向小﹔缺點(diǎn)是鉻和錳均加重回火脆性的傾向﹐回火后需快冷﹐多用以製造截面較大的和較重要的板簧和螺旋彈簧。50CrVA鋼具有良好的淬透性﹔加釩能細(xì)化組織﹐不易過(guò)熱﹐并可提高鋼的強(qiáng)度﹑韌性﹐降低缺口敏感性。這種鋼脫碳傾向小﹐低溫衝擊韌性好﹐在較高溫度下工作時(shí)﹐性能也較穩(wěn)定﹐主要用於製造氣門彈簧﹑安全閥彈簧和在較高溫度下工作的彈簧。在50CrVA鋼的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加其他合金元素﹐能取得比上述兩種彈簧鋼更好的力學(xué)性能和淬透性。
硅含量為1.40～1.80％﹑鉻含量為0.90～1.20％﹑釩含量為0.10～0.20％的60Si2CrVA鋼﹐具有高的淬透性和低的過(guò)熱敏感性﹐在塑性指標(biāo)相近時(shí)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度高於硅錳彈簧鋼﹐主要用於製作承受高應(yīng)力的彈簧。
含鎢彈簧鋼 65Si2MnWA鋼的鎢含量為0.80～1.20％﹐與 60Si2CrVA鋼一樣﹐可用於製作承受高載荷的和耐熱(≦350)﹑耐衝擊的彈簧。合金含量較高的30W4Cr2VA鋼是一種高強(qiáng)度耐熱彈簧鋼﹐有高的淬透性﹐主要用於製造低於500條件下使用的控制閥簧。上述幾種鋼的生產(chǎn)工藝較復(fù)雜﹐價(jià)格較高。
在高溫條件下工作的彈簧﹐可選用耐熱鋼和耐熱合金﹔在腐蝕介質(zhì)工作的彈簧﹐應(yīng)按介質(zhì)的性質(zhì)(氧化性﹐還原性)選用相應(yīng)牌號(hào)的不銹鋼。
中國(guó)還有55SiMnVB彈簧鋼﹐是在硅錳彈簧鋼的基礎(chǔ)上增添少量或微量合金元素﹐以提高淬透性能﹐用來(lái)製造較大截面尺寸的汽車板彈簧。中國(guó)典型牌號(hào)彈簧鋼的力學(xué)性能見附表 中國(guó)典型牌號(hào)彈簧鋼的力學(xué)性能。
生產(chǎn)工藝 一般彈簧鋼可用電爐﹑平爐或氧氣轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)﹔質(zhì)量較好或具有特殊性能的優(yōu)質(zhì)彈簧鋼﹐用電渣爐或真空爐煉製。彈簧鋼中碳﹑錳﹑硅等主要元素的規(guī)定含量范圍較窄﹐冶煉時(shí)必須嚴(yán)格控制化學(xué)成分。硅含量較高時(shí)容易形成氣泡等缺陷﹐鋼錠鍛軋后冷卻不當(dāng)時(shí)易產(chǎn)生白點(diǎn)。因此﹐冶煉用的原材料必須乾燥﹐儘量除去氣體及夾雜物﹐而且要避免鋼水過(guò)熱。
彈簧鋼在軋製加工中須特別注意脫碳和表面質(zhì)量。鋼材表面嚴(yán)重脫碳時(shí)﹐會(huì)顯著降低鋼的疲勞極限。對(duì)於高硅彈簧鋼如70Si3MnA﹐應(yīng)注意避免石墨化。因此﹐在熱加工時(shí)停軋溫度不應(yīng)過(guò)低(≧850)﹐避免在石墨化較易形成的溫度范圍(650～800)內(nèi)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。
彈簧製成后經(jīng)噴丸處理能使彈簧表層產(chǎn)生殘餘壓應(yīng)力﹐以抵銷表層上的部分工作應(yīng)力﹐抑制表層裂縫的形成﹐這可顯著提高彈簧的疲勞極限。
類別 彈簧鋼按生產(chǎn)方法﹐可分為熱軋彈簧鋼和冷拉(軋)彈簧鋼。熱軋彈簧鋼包括製造螺旋彈簧﹑扭力桿用的圓鋼或梯形鋼和製造板簧的扁鋼﹔冷拉(軋)彈簧鋼包括製造小規(guī)格螺旋彈簧的冷拉鋼絲和製造發(fā)條以及各種彈簧片的冷軋鋼帶。合金彈簧鋼中通常含錳﹑硅﹑鉻﹑鉬﹑鎢﹑釩和微量的硼﹐這些合金元素都可提高鋼的淬透性﹐錳和硅固溶入鐵素體中﹐可提高屈服強(qiáng)度。鉻﹑鎢﹑釩可以提高鋼的彈性極限﹑屈強(qiáng)比和耐熱性。按所含合金元素﹐常用的彈簧鋼可分為以下幾種﹕
碳素彈簧鋼 價(jià)格低廉﹐用途廣泛。如表面狀態(tài)和熱處理組織相同﹐疲勞極限并不低於合金彈簧鋼。缺點(diǎn)是淬透性和屈服強(qiáng)度較低﹔截面較大的彈簧﹐油淬時(shí)不能淬透﹐水淬時(shí)容易開裂。如增加含碳量﹐雖能提高強(qiáng)度和彈性極限﹐卻會(huì)降低衝擊韌性和塑性﹐尤其是降低低溫韌性。中國(guó)的碳素彈簧鋼有65﹑70﹑75﹑85四個(gè)鋼號(hào)。
單純含錳彈簧鋼 如65Mn﹐錳含量為0.90～1.20％。增加錳含量可提高鋼的淬透性和強(qiáng)度﹐減小脫碳傾向﹔缺點(diǎn)是有過(guò)熱敏感性和回火脆性﹐且易產(chǎn)生淬火裂紋﹐所以只適於製造各種小尺寸扁彈簧﹑圓彈簧。
硅錳彈簧鋼 是主要的熱軋合金彈簧鋼種﹐中國(guó)有55Si2Mn﹑60Si2Mn﹑60Si2MnA﹑70Si3MnA四個(gè)鋼號(hào)。硅含量為1.50～2.80％﹐錳含量為0.60～0.90％。鋼中加硅可顯著提高彈性極限和屈強(qiáng)比﹐提高回火穩(wěn)定性﹔但易形成硅酸鹽等夾雜物﹐增加脫碳敏感性。鋼中碳和硅的含量均較高時(shí)﹐碳易於石墨化。這類鋼廣泛用於製作汽車﹑拖拉機(jī)﹑機(jī)車上的減震板簧和螺旋彈簧﹐以及要求承受較高應(yīng)力的彈簧。
含鉻彈簧鋼 在國(guó)際上很通用﹐中國(guó)有 50CrMn 和50CrVA兩個(gè)鋼號(hào)。50CrMn由於含有1％左右的鉻和錳﹐有較高的淬透性﹐脫碳傾向小﹔缺點(diǎn)是鉻和錳均加重回火脆性的傾向﹐回火后需快冷﹐多用以製造截面較大的和較重要的板簧和螺旋彈簧。50CrVA鋼具有良好的淬透性﹔加釩能細(xì)化組織﹐不易過(guò)熱﹐并可提高鋼的強(qiáng)度﹑韌性﹐降低缺口敏感性。這種鋼脫碳傾向小﹐低溫衝擊韌性好﹐在較高溫度下工作時(shí)﹐性能也較穩(wěn)定﹐主要用於製造氣門彈簧﹑安全閥彈簧和在較高溫度下工作的彈簧。在50CrVA鋼的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加其他合金元素﹐能取得比上述兩種彈簧鋼更好的力學(xué)性能和淬透性。
硅含量為1.40～1.80％﹑鉻含量為0.90～1.20％﹑釩含量為0.10～0.20％的60Si2CrVA鋼﹐具有高的淬透性和低的過(guò)熱敏感性﹐在塑性指標(biāo)相近時(shí)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度高於硅錳彈簧鋼﹐主要用於製作承受高應(yīng)力的彈簧。
含鎢彈簧鋼 65Si2MnWA鋼的鎢含量為0.80～1.20％﹐與 60Si2CrVA鋼一樣﹐可用於製作承受高載荷的和耐熱(≦350)﹑耐衝擊的彈簧。合金含量較高的30W4Cr2VA鋼是一種高強(qiáng)度耐熱彈簧鋼﹐有高的淬透性﹐主要用於製造低於500條件下使用的控制閥簧。上述幾種鋼的生產(chǎn)工藝較復(fù)雜﹐價(jià)格較高。
在高溫條件下工作的彈簧﹐可選用耐熱鋼和耐熱合金﹔在腐蝕介質(zhì)工作的彈簧﹐應(yīng)按介質(zhì)的性質(zhì)(氧化性﹐還原性)選用相應(yīng)牌號(hào)的不銹鋼。
中國(guó)還有55SiMnVB彈簧鋼﹐是在硅錳彈簧鋼的基礎(chǔ)上增添少量或微量合金元素﹐以提高淬透性能﹐用來(lái)製造較大截面尺寸的汽車板彈簧。中國(guó)典型牌號(hào)彈簧鋼的力學(xué)性能見附表 中國(guó)典型牌號(hào)彈簧鋼的力學(xué)性能。
生產(chǎn)工藝 一般彈簧鋼可用電爐﹑平爐或氧氣轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)﹔質(zhì)量較好或具有特殊性能的優(yōu)質(zhì)彈簧鋼﹐用電渣爐或真空爐煉製。彈簧鋼中碳﹑錳﹑硅等主要元素的規(guī)定含量范圍較窄﹐冶煉時(shí)必須嚴(yán)格控制化學(xué)成分。硅含量較高時(shí)容易形成氣泡等缺陷﹐鋼錠鍛軋后冷卻不當(dāng)時(shí)易產(chǎn)生白點(diǎn)。因此﹐冶煉用的原材料必須乾燥﹐儘量除去氣體及夾雜物﹐而且要避免鋼水過(guò)熱。
彈簧鋼在軋製加工中須特別注意脫碳和表面質(zhì)量。鋼材表面嚴(yán)重脫碳時(shí)﹐會(huì)顯著降低鋼的疲勞極限。對(duì)於高硅彈簧鋼如70Si3MnA﹐應(yīng)注意避免石墨化。因此﹐在熱加工時(shí)停軋溫度不應(yīng)過(guò)低(≧850)﹐避免在石墨化較易形成的溫度范圍(650～800)內(nèi)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。
彈簧製成后經(jīng)噴丸處理能使彈簧表層產(chǎn)生殘餘壓應(yīng)力﹐以抵銷表層上的部分工作應(yīng)力﹐抑制表層裂縫的形成﹐這可顯著提高彈簧的疲勞極限。