弹簧钢

辽宁科技大学特殊钢轧制技术材加12- A1 付晨2015/10/29弹簧钢前言中国热轧弹簧钢正式生产始于20世纪50年代初期。

1952年颁布的《重9—52》是中国第一个部级弹簧钢标准，它是以原苏联标准为蓝本，所有钢号、生产工艺、技术条件等都取自于原苏联标准。

随着汽车工业的诞生和发展，约在50年代中期中国自产的60Si2Mn扁钢制造的弹簧开始用于解放牌汽车。

此后弹簧钢的产量、生产技术、质量都不断提高。

一．弹簧钢发展现状60年代后相继开发出一些以硅-锰系为基础的新弹簧钢，如 55SiMnVB、55Si2MnB、55SiMnMoVNb等。

这些牌号的推出标志中国弹簧钢已经开始自行研究的阶段。

80年代之前中国弹簧钢一直以硅锰系为主，但随着工业生产，特别是汽车工业的迅速发展，以及国际交往的不断扩大，迫切需要改变这种情况。

为此在80年代以后对弹簧钢的各种标准，包括钢号做了调整。

这些调整有利于中国弹簧钢的发展，也更靠近国际标准和实况。

弹簧钢丝的发展相对晚一些。

大约五、六十年代开始生产冷拉碳素钢丝和合金弹簧钢丝，70年代初开始研制油淬火回火弹簧钢丝，以后又制定了吸取国外弹簧钢丝标准的优点并结合中国具体情况的弹簧钢丝标准体系。

经过几十年努力，中国弹簧钢的生产技术水平、钢材的质量和性能等都有很大提高，已经基本可以满足国内大多数部门的需要。

二．弹簧钢的合金元素最常用的合金元素有硅、锰、铬、钒、钼、镍、钨、硼等。

(1)硅。

硅是普通弹簧钢中使用最多和用量最大的合金元素(含量多在1%以上，甚至可达3%)。

其主要作用是提高强度、屈强比、弹性和回火稳定性。

最近发现硅还是最有效提高弹性减退抗力的元素，当含量约为1.5%左右时效果最明显。

所以最新研制的一些弹减抗力优良的弹簧钢都含有较多的硅。

但硅易使钢在热处理时脱碳和石墨化，故一般需加入少量碳化物形成元素。

(2)锰。

锰可强烈提高钢的淬透性，改善钢的热处理性能，含量一般在1%左右。

与硅配合使用的硅-锰系列弹簧钢是普通弹簧钢的重要组成部分。

(3)铬。

铬含量约1%左右，铬除能提高淬透性外还可减小热处理时的脱碳敏感性、石墨化倾向及晶粒长大。

在特殊弹簧钢中铬是最常用元素之一，可提高不锈、耐蚀、高温抗氧化(不起皮)等性能。

(4)钒。

钒在普通弹簧钢中含量很少，一般不超过0.20%，主要起细化晶粒、沉淀强化作用，提高强度、屈强比，特别是比例极限和弹性极限，并可降低脱碳敏感性。

钒也能提高弹性减退抗力。

通常钒与其他合金元素如铬、硅、锰等配合使用。

(5)钼。

钼在普通弹簧钢中含量不超过0.40%，作用是提高淬透性、热强性，防止回火脆性，改善回火稳定性。

也用于特殊弹簧钢，可提高耐热性、耐酸耐蚀性能等。

(6)硼。

硼提高淬透性的能力极强，而且可改善弹性减退抗力，但所需数量极少(不超过0.0040%)，所以可节省大量合金元素，并降低钢的价格。

(7)镍。

镍的价格高，普通弹簧钢很少使用，但却是特殊弹簧钢的常用合金元素。

性能弹簧的工作环境和受力条件往往十分恶劣和严苛，如经常承受各种形式的应力(拉、压、弯、扭、冲击、疲劳等)作用，故弹簧钢应当有良好的强度、塑性、韧性以及疲劳性能和弹性减退抗力，以保证弹簧可靠的工作性能和长的使用寿命。

现有标准弹簧钢已经形成系列，其力学性能可以满足制作设计应力900、1000、1100MPa弹簧的要求。

在某些特殊环境下工作的弹簧要承受高温、低温、腐蚀、氧化等作用，弹簧钢也应具有足够的耐热、耐低温、耐腐蚀等性能。

普通合金弹簧钢虽含有一定数量合金元素，一般可在-40℃至100～200℃的温度范围内使用，也具有一定耐蚀性，但要求更高时则需选用特殊弹簧钢。

为保证弹簧钢生产和弹簧制造及弹簧的性能，弹簧钢应具有良好的工艺性能，如淬透性、热处理性能(淬火变形小、不易过热、组织和晶粒均匀细小、回火稳定性好、脱碳和石墨化倾向小等)和变形性能等。

现有弹簧钢的淬透性高低不等，已经形成系列，可以根据要求选用。

淬透性最高的钢号是60CrMnMoA(SUP13、SAE4161)，最大淬透直径达70mm(心部为80%马氏体)，可以满足超大型弹簧的需要。

一般说来硅锰系弹簧钢脱碳敏感性大，铬锰系钢则要好得多，主要是因为铬降低碳的扩散速度，并在钢表面形成较致密的薄膜，阻止氧进入钢内。

这类钢的石墨化现象也比硅锰钢要轻。

分类及应用合金弹簧钢从性能要求及使用条件分为普通弹簧钢及特殊弹簧钢。

普通弹簧钢普通弹簧钢是用量最大、使用范围最广、最重要的弹簧钢。

其碳含量一般为0.45%～0.75%，合金元素总含量不超过5%，属于中碳低合金钢，是经济型钢种。

主要的合金系列为硅锰、铬锰，另外还有铬钒、硅铬、硅锰硼、铬锰钼、铬锰硼等。

虽然各国的资源条件和使用政策以及生产、应用的具体情况各不相同，但是主要的合金系及钢号仍很相近。

(1)硅锰系。

硅锰系的典型钢号有60Si2Mn(类似钢号有美国的SAE9260、日本的SUP7和前苏联的60C2)，其弹性、屈强比、疲劳强度、弹性减退抗力高，应用范围广，主要制造汽车、拖拉机、铁道车辆的悬挂弹簧、安全阀弹簧、重型机械的减震器等。

(2)铬锰系。

铬锰系钢号有55CrMnA(美国SAE5155H、日本 SUP9、德国 55Cr3)、60CrMnA(SAE5160H、SUP9A)，这类钢热加工性好，淬透性高，综合力学性能好，多制造截面尺寸较大的板簧、螺旋簧、扭簧等，脱碳倾向小于硅锰系弹簧钢，耐蚀性亦更好。

(3)铬硅系。

铬硅系的代表性钢号是55CrSiA(SAE9254、SUP12)。

硅和铬的共同作用使其抗弹性减退能力、淬透性、抗氧化能力、综合力学性能均优，脱碳敏感性亦较小，多作为高级油淬火钢丝，制造汽车发动机阀门弹簧，有时也用于悬挂螺旋簧。

(4)铬钒系。

50CrVA(SAE6150、SUP10、50XΦA)是铬钒系的代表，系高级优质弹簧钢。

因碳含量低，塑性更高，疲劳性能亦好，广泛用于汽车、航空工业的螺旋弹簧，如发动机阀门弹簧、锅炉安全阀弹簧等。

(5)其他。

60CrMnBA(SAE51B60H、SUP11A)性能与60CrMnA相近，惟淬透性更高，可用于超大型弹簧。

60CrMnMoA(SAE4161、SUP13)淬透性极高，可制特大弹簧。

三．弹簧钢的性能特殊弹簧钢用来制造在某些特殊环境和条件下工作的弹簧，因而需具有特殊的物理、化学性能，多制成钢丝、薄带，合金元素含量高，用量比普通合金弹簧钢少得多。

这类钢有不锈弹簧钢、耐热弹簧钢、低温弹簧钢等。

不锈弹簧钢应在腐蚀介质条件下具有良好的不锈、抗蚀能力;耐热弹簧钢应能在较长时间的高温下保持一定的强度、显微组织稳定性及抗蠕变、松弛性能;低温弹簧钢在较低温度下应能保持较高韧性，因而脆性转变温度应低于工作温度。

标准弹簧钢中的30W4Cr2VA含有4.0%～4.5%钨，0.50%～0.80%钒及2.0%～2.5%铬，合金元素总量超过5%，具有良好的耐热性能，最高使用温度可达400℃以上。

除此之外，特殊弹簧钢多选用不锈钢，耐热钢、合金工具钢、高速工具钢的钢号。

作为不锈弹簧钢使用的不锈钢可按使用状态的组织分为奥氏体型、马氏体型和沉淀硬化型三种。

奥氏体型不锈钢，如1Cr18Ni9等(302型)，消除应力回火后有磁性，多制作小截面的不锈、耐热弹簧，如仪表垫圈、挡圈等。

工作温度可达300℃。

马氏体型不锈钢，如3Cr13、4Cr13等，强度高，耐高温，适合制造较大弹簧，工作温度可达400℃，但不宜用于强腐蚀条件下。

沉淀硬化型不锈钢，如 0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al等，耐蚀性与奥氏体型钢相近，强度、硬度更高，加工性好，耐高温(工作温度分别可达350℃和425℃)，可制造形状较复杂表面要求高的耐蚀弹簧。

一些合金工具钢(如3Cr2W8V)、高速工具钢(如W18Cr4V)亦可制造耐热弹簧，其工作温度比一般弹簧钢高，甚至可达500℃以上(W18Cr4V)。

普通合金弹簧钢均可用于-40℃，更低的工作温度可选用不锈钢或有色合金。

四．弹簧钢的生产工艺弹簧钢的冶炼是很重要的，必须保证有优良的冶金质量，不仅要保证准确的化学成分，而且要有高纯净度，硫、磷、氧、氮等含量要低，钢质均匀性、稳定性要好。

弹簧钢的冶金质量应达到优质钢、高级优质钢的水平。

弹簧钢的表面质量和尺寸精度对弹簧的性能和寿命有极大的影响。

因为弹簧钢材交货状态的表面除去表面喷丸强化之外不再进行加工，因而也就是成品弹簧的工作表面，原有表面上的各种缺陷也留给了弹簧。

所以弹簧钢材表面要求极高，对脱碳、裂纹、折叠、结疤、夹杂、分层等限制极严。

各种表面缺陷会使弹簧早期破坏、缩短寿命。

以圆截面的钢丝为例，成品弹簧的强度和刚度分别与钢丝直径的三次方和四次方成正比，钢丝直径的微小变化会导致弹簧性能的巨大波动，所以要严格控制钢材的外形和尺寸公差。

这样，弹簧钢的加工变形(热轧、冷轧、冷拔等)就十分重要了，必须极认真地对待。

热轧弹簧钢材有圆钢、方钢、扁钢等。

钢材表面质量要求较高，可以热轧态交货或者经热处理后交货，以保证硬度不超过规定值，便于制簧。

热轧材可以冷态制成螺旋弹簧，对于截面尺寸较大者需加热后制成弹簧。

弹簧成型后再经淬火、中温回火，回火温度约为350～550℃，以获得较高屈强比和良好的综合力学性能。

因热轧材截面尺寸较大，故应采用淬透性足够高的牌号，保证心部淬透。

若心部出现非马氏体转变产物，如铁素体、贝氏体等，则回火后的性能降低，特别是疲劳性能。

冷拉(轧)弹簧钢材包括钢丝、钢带。

这类钢材的表面质量和尺寸精度要求格外严格。

钢丝的生产工艺有油淬火和冷拉两种。

油淬火钢丝是把钢丝冷拔到规定尺寸后再加热、油淬火和铅浴回火，故钢丝出厂时已具备所需力学性能，制成弹簧后只要回火，消除应力即可使用。

优点是整批性能均匀，稳定，挺直性好，适于大批量生产，可制造各种重要弹簧，特别是阀门弹簧。

牌号有65Mn、50CrVA、60Si2Mn、55CrSi等。

合金弹簧钢丝也可以冷拉态交货，或经退火、正火、回火处理后交货，制成弹簧后再淬火、回火。

其性能不如油淬火钢丝均匀、稳定，生产效率也低，成本高，多用于小批量弹簧生产。

此外，最近也研究了用高频感应加热处理高强度弹簧钢丝的工艺。

冷拉钢丝在连续感应加热装置上进行淬火和回火，其内部组织均匀、细小，塑性和韧性以及弹减抗力、疲劳极限、断裂韧性等都明显优于常规处理的钢丝。

这种钢丝在美国、日本都已有生产，制造汽车、摩托车的悬挂弹簧、发动机阀门弹簧，卡车、拖车等的紧急制动弹簧及各种高强度机械弹簧，使用效果令人满意。

另外，感应加热处理在弹簧扁钢生产上也得到应用。

还有一种钢丝生产工艺，即铅浴等温淬火。

钢材奥氏体化后在铅浴中等温，生成细小珠光体组织，然后冷拉到规定尺寸。

通过调整钢中碳含量和冷变形量控制钢丝的力学性能，制簧后不需热处理，只要消除加工应力即可使用。