弹簧钢材料

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， 防止表面脱碳和氧化。
2）良好的塑性和韧性：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，材料应具有良好的韧性，这样能明显 提高弹簧的使用寿命。
4）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。
5）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。
悬架弹簧的成本构成中，原材料占到50%以上， 按照悬架弹簧生产工艺的不同，可分为棒材和盘圆 材料两类，前者用于热卷生产方式，后者由金属制 品厂加工成油淬火回火（简称OTW）或高周波热处 理冷卷成形用高强度弹簧钢线材（简称ITW状态材 料）供应给悬架弹簧制造商。热轧棒料还不能直接 制造悬架弹簧，需要再进行拉拔、磨光或剥皮加工。 2005年以来，一直依赖进口的剥皮、变截面材料已 经开始国产化。国产材料的品质目前还有些欠缺， 主要表现在表面缺陷和成分偏析。制造高应力悬架 弹簧的材料有一部分还需要进口，供应商有日本热 炼公司、杉田公司和韩国三和钢棒。
2、常用弹簧金属材料的技术标准
3、弹簧钢材料应具有的性能
1)高的强度：为提高弹簧抗疲劳破坏和抗 松弛的能力，弹簧材料应具有一定的屈服强度 σs与弹性极限σe，尤其要有高的屈强比 （σS/σb）。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σb和屈服强度σS较接近，如冷拔碳素钢 丝的σS约为σb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
从弹簧制造企业的角度
来看弹簧钢材料的现状与需求
一、概述
1、弹簧特性及其弹簧钢材料的重要性 弹簧产品是靠利用材料的物理特性， 通过一定的转换方式来实现其储存能量和 释放能量的使用功能的。材料特性在很大 程度上决定了弹簧的力学特性，影响着弹 簧的设计开发和技术性能要求的提升。
现代弹簧材料品种的发展，特别是新 型的高强度金属合金的不断出现和物理特 性的提高，使弹簧产品有了更高更广的效 能；同时弹簧产品制造加工工艺的不断更 新和优化，如结构成形、热处理和表面涂 装等，使弹簧的应用和发展更能满足其功 能要求，进一步提升了弹簧产品使用的安 全性、经济性和环保特性。
二、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，无法实现六西格玛 （零缺陷）。
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σb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：σ-1≈ （0.35～0.55）σb（其中σ-1为材料在对称循 环下（如交变载荷）的疲劳强度）。
6）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、低的杂质含量、 低的非金属夹杂物含量，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。
4、超纯净弹簧钢的概念 超纯净弹簧钢是近年来欧洲新提出来的弹 簧钢概念，它不能算是一种新材料，只是对某 些高强度弹簧钢的改进。基本的思路是尽量消 除高强度弹簧钢中高熔点、高硬度或脆性夹杂 物，在降低杂质元素、提高钢的纯净度的基础 上，通过工艺调整和添加剂显著降低高硬度或 脆性夹杂物百分比含量，从而提高弹簧的综合 力学性能，提高弹簧的使用工作应力、寿命和 可靠度。
近年来随着国际金融危机的发生，世界经 济的峰谷起伏，各工业发达国家已把中国当成 最大的市场和最佳的装备制造业基地，很多著 名的国际弹簧业巨头均已在中国办厂，如德国 的蒂森· 克虏伯、法国的欧雷法、日本的中央发 条、NHK（日本发条）、韩国的大元等公司。 不仅办弹簧厂，更多的是原材料厂家在中国设 办事处，直销弹簧钢原材料或直接办厂，生产 弹簧钢原材料，如苏州铃木加普腾公司、江阴 的法尔胜公司等。应该说中国大陆已成为世界 性的弹簧制造基地，年产销值有望迅速达到 300亿元以上，出口额也有望达到5亿美元以上。
常用的弹簧材料有金属材料和非金属材 料两大类。 常用的金属材料有：弹簧钢（包括最 近发展起来的超纯净弹簧钢）、弹簧用不 锈钢、弹簧用铜合金及镍合金、弹簧用其 他特殊合金等。 可以说：弹簧材料尤其是金属材料中的弹 簧钢对弹簧的技术性能及其质量特性至关 重要。弹簧行业有句俗语：“七分材料， 三分工艺”就是这个意思。
目前这类材料主要有瑞典Garphyttan公司 的OTEVA70SC、OTEVA75SC、 OTEVA90SC，法国Trefileurope公司的TH381E、TH-381HRE。亚洲日本、中国、韩国 等一流的钢铁公司如日本神户、新日铁、韩 国浦项、中国宝钢等通过特殊精炼也具有类 似的材料和性能，如日本新开发的UHS系列， 其最高使用工作应力可达到1300Mpa。目前 国内进口的常用材料型号为日本JIS标准的 SWOSC-V或美国SAE标准的9254-V等（其实 质是中国标准GB/T 18983的VDCrSi材料）。
3）优良的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2.3×107次～3.0×107次，中高档轿 车悬架弹簧一般要求2.0×106次～5.0×106 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
针对高应力悬架弹簧腐蚀疲劳失效的矛盾已 经研发出新型的保护涂层，新型涂层可以有 效地保护弹簧表面，从而阻断产生腐蚀疲劳 的源头。 2、气门弹簧 在所有弹簧产品中没有比气门弹簧对材 料要求更为严格了，特别是高应力及异型截 面气门弹簧对材料要求近似苛刻：
高强度：抗拉强度2000MPa。 优异的表面质量：表面不允许全脱碳， 半脱碳深度最大不能超过钢丝直径的0.5%， 表面缺陷深度最大不超过40μm，为达到这 种要求钢丝在加工过程中，表面要剥皮并 经过两种方式（贯通式和旋转式）的涡流 探伤，缺陷部位自动喷上标识。
在2009年的《中国机械通用零部件工业年鉴》中， 中国弹簧专业协会会长邹定伟先生说：“国产弹簧原材 料质量不高和新钢种研发滞后，问题由来已久，是弹簧 行业最关心的问题之一。客观原因是弹簧材料质量要求 十分高，而用量相对较少，因而对弹簧新材料研发和对 现有材料品质提升积极性不高。正因为如此，一些高要 求产品，如制造高应力气门弹簧的钢丝基本上都是进口 钢丝的天下，致使成本居高不下，产品缺少竞争力。其 他高要求弹簧的情况大同小异，国产弹簧原材料质量和 品种成为牵制弹簧产品水平和市场竞争力的重要因素。 弹簧业界需要国家将提升弹簧钢丝品质和研发新钢种列 入国家发展战略，在政策和资金上加大支持力度，调动 冶金业对开发精品钢种的积极性”。
套弹簧重量占车辆本身的1%左右，上述3种 弹簧钢材需求量在10万吨以上。那么08年 国内汽车总产量约为1200万辆，2010年已 达到1800万辆，上述3种弹簧钢材需求量已 达到15万吨以上。若按Байду номын сангаас国弹簧年产值200 亿元算，目前，弹簧产品产值已接近“半 工半料”，也就是说200亿中有100亿是材 料价值。
悬架弹簧大量使用的55SiCr(SAE9254)、 55SiCr+V(SAE9254+V)不能胜任应力1200MPa以 上的超高应力弹簧，后继的替代钢种的研发与试 验势在必行。目前，德国M&B公司已为上海大众 设计出应力高达1380MPa的悬架弹簧。悬架弹簧 新材料研发日本处于领先地位，20世纪90年代已 经研究出用于应力达到1200MPa、1300MPa的新材 料。目前已经投入市场的有UHS1900及UHS2000 两个牌号。新材料与传统材料相比，重点提高了 材料的腐蚀疲劳性能和改善了强化方式，对材料 的化学成分做出了很大调整，C下降到0.4%，添加 了Mo、V、Nb、B、Ni等元素，其中Ni有助于提 高材料的抗腐蚀性能。
具体的说： 1、悬架弹簧 Si-Cr系列钢种，55SiCr(SAE9254.SUP12) 以及同一大类的材料55SiCrV(SAE9254V、 54SiCrV6)、SRS60、60Si2CrA是目前制造悬架 弹簧的主流钢种。Cr-V型钢种， 50CrV(50CrV4、SUP10)基本退出。Si-Mn系列 材料60Si2MnA(SUP6、SUP7)、55CrMn(55Cr3) 价格低于Si-Cr系列钢种，主要用于制造较低应 力的悬架弹簧和维修配件。
超纯净：对氧化物、硫化物的夹杂物 等级均达到0级，材料中的氧含量、氮含量 以及铜、铝、钛的含量均有控制要求，因 此生产气门弹簧钢需要从源头冶炼就进行 控制。 良好的抗松弛性能：要求气门弹簧长 期在120～150℃的服役条件下，负荷衰减 低于5%。
强度的均匀性：同一盘材料强度差最大 不超过140MPa，异型截面材料如卵形截面对 不同圆的曲率相切点，椭圆截面对长短轴都 有特殊的要求。 国外气门弹簧专用钢丝生产主要集中在 日、韩、瑞典，厂商有日本铃木、三兴、住 友、神钢钢线、韩国KiSWire、瑞典 Garphyttan，他们几乎垄断了中国全部异型 截面和高应力气门弹簧钢丝市场，每年进口 量已达到6500t以上。
3、稳定杆 稳定杆按照制造的材料不同分为实心杆 和空心杆两大类，前者用实心的弹簧钢制造， 后者用无缝钢管制造，相比之下空心杆的重 量比实心杆轻，有利于减轻轿车的重量，所 以有些车辆如别克、帕萨特等采用空心杆设 计。 稳定杆的原材料一般为热轧退火态，可 以有定尺和非定尺，如使用定尺材料，则可 省去落料工序，在产品成形后进行热处理， 材料的表面状态视用户要求而定，通常有热 轧、剥皮、冷拔等。制造空心稳定杆的材料 为无缝钢管，厚度通常为2.5mm。
三、弹簧制造企业的需求及期盼 根据2009年底出版的《中国机械通用零 部件工业年鉴》透露的信息，2008年全国 （大陆地区，不含港澳台）约有弹簧制造企 业10000家以上，其中规模以上企业（年产值 500万元以上）的约3000余家，总产销值205 亿，其中出口1.5亿美元（进口4.2亿美元）。 以汽车行业为例，2008年，国内汽车悬架弹 簧需求已达到2500万件，气门弹簧需求达到2 亿件；稳定杆达到900万根，一辆乘用车中配