弹簧的材料、选材与制造

弹簧的材料、选材与制造

1 弹簧材料

为了保障弹簧能够可靠地工作，其材料除应满足具有较高的强度极限和屈服极限外，还必须具有较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性、塑性和良好的热处理工艺性等。表20-2列出了几种主要弹簧材料及其使用性能。实践中应用最广泛的就是弹簧钢，其品种又有碳素弹簧钢、低锰弹簧钢、硅锰弹簧钢和铬钒钢等。图20-2给出了碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限。

图20-2 碳素钢丝直径与强度的关系

表20-2 主要弹簧材料及其许用应力

类别代号

许用扭应力[t T]

许用弯曲应

力[σb]/MPa切变

模量

G/GPa

弹性模量

E/GPa

推荐硬

度范围

HRC

推荐使

用温

度°C

特性及用途Ⅰ类

弹簧

Ⅱ类

弹簧

Ⅲ类

弹簧

Ⅰ类

弹簧

Ⅱ类弹

簧

钢丝碳素弹簧钢丝

Ⅰ,Ⅱ,Ⅱa,Ⅲ

0.3σb0.4σb0.5σb0.5σb0.625σb

81.5～

78.5

204～202-

-40～

120

强度高，性能好，

适于做小弹簧

60Si2Mn

60Si2MnA

471627785785981

78.5197

45～50

-40～

200

弹性好，回火稳

定，易脱碳，适

于做受大载荷的

弹簧

65Si2MnW A

60Si2CrV A

560745931931116747～52

-40～

250

强度好，耐高温，

弹性好

30W4Cr2V A

442588735735920

43～47

-40～

350

高温强度好，淬

透性好。

50CrV A45～50

-40～

210

高疲劳强度，淬

透性和回火稳定

性好

注：

1.按受力循环次数N不同，弹簧分为三类：Ⅰ类N>106；Ⅱ类N=103～105以及受冲击载荷的场合；Ⅲ类N<103。

2.碳素弹簧钢丝按机械性能不同分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅱa、Ⅲ四组，Ⅰ组强度最高，依次为Ⅱ、Ⅱa、Ⅲ组。

3.弹簧的工作极限应力tlim：Ⅰ类￡1.67[t]；Ⅱ类￡1.25[t]；Ⅲ类￡1.12[t]。

4.轧制钢材的机械性能与钢丝相同。

5.碳素钢丝的切变模量和弹性模量对0.5～4mm直径有效，>4mm取下限。

2 材料选择

弹簧材料选择必须充分考虑到弹簧的用途、重要程度与所受的载荷性质、大小、循环特性、工作温度、周围介质等使用条件，以及加工、热处理和经济性等因素，以便使选择结果与实际要求相吻合。钢是最常用的弹簧材料。当受力较小而又要求防腐蚀、防磁等特性时，可以采用有色金属。此外，还有用非金属材料制做的弹簧，如橡胶、塑料、软木及空气等。

3 弹簧制造

螺旋弹簧的制造工艺过程如下：

①绕制；

②钩环制造；

③端部的制作与精加工；

④热处理；

⑤工艺试验等，对于重要的弹簧还要进行强压处理。

弹簧的绕制方法分冷卷法与热卷法两种。

（1）冷卷法：簧丝直径d≤8mm的采用冷卷法绕制。冷态下卷绕的弹簧常用冷拉并经预先热处理的优质碳素弹簧钢丝，卷绕后一般不再进行淬火处理，只须低温回火以消除卷绕时的内应力。

（2）热卷法：簧丝直径较大（d>8mm）的弹簧则用热卷法绕制。在热态下卷制的弹簧，卷成后必须进行淬火、中温回火等处理。

对于重要的弹簧，还要进行工艺检验和冲击疲劳等试验。为提高弹簧的承载能力，可将弹簧在超过工作极限载荷下进行强压处理，以便在簧丝内产生塑性变形和有益的残余应力，由于残余应力的符号与工作应力相反，因而弹簧在工作时的最大应力（见图所示）比未经强压处理的弹簧小。

碟形弹簧介绍

碟形弹簧的生产和制造在欧洲由来已久，但在北美洲，碟形弹簧制造工业正在蓬勃兴起并逐渐被接受。碟形弹簧最早是100多年前法国J. Belleville发明的。20世纪30年代早期，工程师(G.M.)Almen and Laszio 发展了理论、制订了生产、质量标准DIN 2092 和DIN 2093。这些标准作为碟形弹簧的第一次工业标准被世界各地接受，并传遍了欧洲，目前已经被许多跨国公司广泛采用。日本制订了他们自己的相应标准，但美国还没有就碟形弹簧制定自己的工业标准。许多美国生产商以DIN 标准作为碟形弹簧质量标准。1980年我国也参照DIN规定制定了相应标准，1992年作了修订，标准号为GB/T1972－1992，它规定了碟形弹簧的尺寸系列、技术要求、试验方法、检验规则和设计计算。

(一)碟形弹簧的材料

我国碟形弹簧采用材料有高质量的弹簧钢60Si2MnA、50CrV A或特殊材料，如不锈钢、铬镍铁合金等。其中特殊材料不锈钢、铬镍铁合金等适用于高温和腐蚀性环境。大连高压阀门厂刘敏亮等2002年介绍采用铬镍铁合金碟形弹簧的高温高压硬密封球阀，密封可靠, 零泄漏, 可承受很大的轴向力, 适用于液体、气体和酸类等强腐蚀介质以及泥浆和砂类等强磨损介质，可广泛用于石油、化工和电力等行业。武汉锅炉股份有限公司工艺处薛松等2002年介绍镍基合金材料(0Cr15Ni70Ti3AlNb)制碟形弹簧可用于核反应堆设备。某公司在铬镍铁合金中主要添加了Al、Ti、Nb元素，使碟形弹簧的强度、弹性和塑性进一步提高。

国外碟形弹簧的材料比较典型的有：

0.120.09

1.511

211

0.080.080.08

0.51

11

≤ 70