不同彈簧材料制造波紋簧帶來(lái)的不同性能優(yōu)勢(shì)

文章作者：博世彈簧發(fā)布時(shí)間：2018/8/23 16:31:55瀏覽次數(shù)：

1)高的強(qiáng)度：為提高彈簧抗疲勞破壞和抗松弛的能力，彈簧材料應(yīng)具有高的屈服強(qiáng)度與彈性極限，尤其要有高的屈強(qiáng)比( ／ )。在通常情況下，材料的彈性極限與屈服強(qiáng)度成正比，因此彈簧設(shè)計(jì)和制造者總是希望材料具有高的屈服強(qiáng)度．而彈簧材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較接近，如冷拔碳素鋼絲的約為的90％左右：由于抗拉強(qiáng)度比屈服強(qiáng)度容易測(cè)得，在材料交貨中提供的都是抗拉強(qiáng)度，故在設(shè)計(jì)制造時(shí)一般都用抗拉強(qiáng)度作為依據(jù)。但材料的抗拉強(qiáng)度并不是越高越好，強(qiáng)度過(guò)高會(huì)降低材料的塑性和韌性，增加脆性傾向。彈力計(jì)算公式來(lái)計(jì)算波紋簧的彈力比較穩(wěn)妥材料抗拉強(qiáng)度的高低與其化學(xué)成分、金相組織、熱處理狀況、冷加工(拉拔或軋制)程度及其他強(qiáng)化工藝等因素有關(guān)。抗拉強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度也有一定的關(guān)系，當(dāng)材料的在1600MPa以下時(shí)，其疲勞強(qiáng)度隨抗拉強(qiáng)度的增高而增高。大致上材料的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度遵循的關(guān)系是： (其中為材料在對(duì)稱循環(huán)下的疲勞強(qiáng)度)。

2)良好的塑性和韌性：在彈簧制造過(guò)程中材料需經(jīng)受不同程度的加工變形，因此要求材料具有一定的塑性。例如形狀復(fù)雜的拉伸和扭轉(zhuǎn)波紋簧的鉤環(huán)及扭臂，當(dāng)曲率半徑很小時(shí)，在加工卷繞或沖壓彎曲成形時(shí)，彈簧材料均不得出現(xiàn)裂紋、折損等缺陷。同時(shí)彈簧在承受沖擊載荷或變載荷時(shí)，材料應(yīng)具有良好的韌性，這樣對(duì)提高波紋簧的使用壽命會(huì)有很大的裨益。

3)優(yōu)良的表面狀態(tài)和疲勞性能波紋簧工作時(shí)表面承受的應(yīng)力大，而疲勞破壞往往是從鋼絲表面開(kāi)始的，對(duì)于用在重要場(chǎng)合的彈簧如氣門彈簧、閥門彈簧及懸架彈簧都要求有幾百萬(wàn)次，幾千萬(wàn)次甚至更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，這就對(duì)材料的疲勞性能提出了很高的要求。影響材料疲勞性能的因素很多，篩粉機(jī)如材料的化學(xué)成分、硬度、鋼材的純凈程度、表面質(zhì)量和金相組織等，尤為重要的是材料的表面質(zhì)量。材料的表面缺陷，如裂紋、折疊、鱗皮、銹蝕、凹坑、劃痕和壓痕等，都易使彈簧在工作過(guò)程中造成應(yīng)力集中。其應(yīng)力集中的部位常常是造成疲勞破壞的疲勞源。疲勞源還易在表面脫碳的部位先發(fā)生，因此嚴(yán)格控制脫碳層深度也是一個(gè)很重要的質(zhì)量指標(biāo)。為提高彈簧材料的表面質(zhì)量，可以對(duì)材料表面進(jìn)行磨光或拋光，在鋼絲拉拔前采用剝皮工藝剝除一層材料表皮，這樣可以將大部分表面缺陷去掉。彈簧熱處理時(shí)可采用控制氣氛或真空熱處理，防止表面脫碳和氧化。

4)嚴(yán)格的尺寸精度：許多彈簧對(duì)負(fù)荷精度有較高的要求，如氣門彈簧的負(fù)荷偏差不得大于規(guī)定負(fù)荷的5％—6％，以具有圓鋼絲的拉、壓彈簧為例，如果鋼絲直徑偏差為1％，負(fù)荷就會(huì)產(chǎn)生4％左右的偏差。由此可見(jiàn)，嚴(yán)格的尺寸精度對(duì)保證彈簧的質(zhì)量也是十分重要的。

5)好的均勻性：對(duì)材料的均勻性要求是指對(duì)材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、尺寸偏差等各項(xiàng)指標(biāo)要求均勻和穩(wěn)定一致。如果材料各方面性能不一致，會(huì)給彈簧生產(chǎn)帶來(lái)很大的困難，造成產(chǎn)品幾何尺寸、硬度、負(fù)荷等參數(shù)的離散性，嚴(yán)重的不均勻性甚至?xí)斐蓮U品。

為了滿足上述性能要求，波紋簧鋼必須具有優(yōu)良的冶金質(zhì)量，包括嚴(yán)格控制的化學(xué)成分、高的純潔度、低的雜質(zhì)含量、低的非金屬夾雜物含量，并控制其形態(tài)、粒度和分布。此外還要求鋼質(zhì)的均勻性和穩(wěn)定性。波紋簧鋼還應(yīng)具有良好的表面質(zhì)量(包括表面脫碳)和高精度的外形和尺寸。

目前主要采用電爐或轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)彈簧鋼，其特點(diǎn)是功率大、容量大，在保證鋼的質(zhì)量同時(shí)具有經(jīng)濟(jì)性，用作一般機(jī)械用彈簧材料。對(duì)于高使用性能彈簧的材料，目前，廣泛采用鋼包精煉、真空脫氣等爐外精煉技術(shù)，如鋼包吹氬、鋼包精煉爐(LF)、真空處理(RH)等，以嚴(yán)格控制化學(xué)成分、降低氣體和各種非金屬夾雜物含量等。而且還采用非金屬夾雜物控制技術(shù)，控制非金屬夾雜物的形態(tài)、粒度和分布，如喂人鈣絲、噴吹鈣粉等使非金屬夾雜物中含有CaO，并控制其粒度；在煉鋼過(guò)程中通過(guò)調(diào)整脫氧劑和爐渣成分來(lái)改變非金屬夾雜物的成分，使其在熱軋時(shí)容易塑性變形。使用RH脫氣技術(shù)，可使氧含量大大降低，從而顯著提高疲勞壽命。

在彈簧鋼生產(chǎn)中已廣泛采用連鑄。與模鑄相比，采用連鑄可通過(guò)電磁攪拌、低溫鑄造等技術(shù)減小鋼的偏析，提高鋼質(zhì)的均勻性；減少二次氧化，改善鋼的表面脫碳；使鋼的組織和性能穩(wěn)定、均勻；提高收得率和生產(chǎn)效率；與爐外精煉技術(shù)相配合降低氧含量和有效地控制鋼的化學(xué)成分。

在對(duì)彈簧鋼材的尺寸偏差、截面形狀、表面質(zhì)量(包括表面脫碳層深度)和沿鋼材長(zhǎng)度顯微組織均勻性的要求不斷提高的情況下，國(guó)外廣泛采用了縱列式全連續(xù)軋機(jī)，并不斷改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)高速、無(wú)扭、無(wú)張力軋制。為了保證鋼材尺寸精度采用短應(yīng)力線或預(yù)應(yīng)力軋機(jī)。

(2)合金元素在彈簧材料中的作用彈簧材料的化學(xué)元素主要以鐵、碳為主，為保證波紋簧能滿足不同條件下工作的需要，則在碳素彈簧鋼的基礎(chǔ)上添加了一定量的合金元素，從而使材料具有碳素彈簧鋼所沒(méi)有的優(yōu)良性能，如高的彈性極限、良好的淬透性和耐腐蝕性等。各種合金元素在彈簧材料中的作用如下：

碳(C)是鋼中重要的化學(xué)元素，彈簧鋼的／(C)范圍是0．3％~1．2％，其中碳素波紋簧鋼的／(C)在0．60％~0．90％之間，合金彈簧鋼的／(C)在0．46％~0．75％之間。含碳量越高，鋼的硬度和強(qiáng)度越高，但塑性降低，脆性增加。

錳(Mn)在彈簧鋼中一般加入量為1％左右。其優(yōu)點(diǎn)是淬透性好、強(qiáng)度較高、脫碳傾向較小，缺點(diǎn)是有過(guò)熱敏感性和回火脆性傾向，淬火時(shí)開(kāi)裂傾向亦較大。

硅(Si)在碳素鋼中的 (Si)通常不超過(guò)0．37％，它是作為冶煉過(guò)程中的脫氧劑而加鋼中的。含硅的合金波紋簧鋼其 (Si)在0．70％~2．80％之間。由于硅能溶人鐵素體中，入使鐵素體顯著強(qiáng)化，從而提高了鋼的強(qiáng)度和屈強(qiáng)比，硅還能提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性。但波紋簧鋼中含硅量不能過(guò)高，否則會(huì)造成鋼的晶粒粗化，增加石墨化傾向。

鉻(Cr)能提高淬透性、細(xì)化晶粒，是制造高疲勞性能彈簧所用合金鋼中的重要元素之一，當(dāng) (Cr)達(dá)到13％以上時(shí)，具有很好的防腐蝕能力，是制造彈簧所用不銹鋼中的主要添加元素。但鉻能引起回火脆性，回火后均需快冷，以避免回火脆性的產(chǎn)生。

鎳(Ni)是我國(guó)資源較少的元素，一般彈簧鋼中很少使用，它是奧氏體不銹鋼中的主要成分之一。鎳主要用于形成穩(wěn)定奧氏體組織，鉻鎳奧氏體的組織穩(wěn)定，高溫下長(zhǎng)期使用也不會(huì)脆化。

釩(V)是強(qiáng)碳化物元素，和碳能結(jié)合成熔點(diǎn)很高的碳化釩，合金彈簧鋼中加入少量的釩，則細(xì)化晶粒的作用就已十分明顯，如50CrVA的 (V)僅為0．1％—0．2％。彈簧鋼中加入了釩細(xì)化了晶粒、降低了過(guò)熱敏感性、提高了鋼的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。

鎢(w)主要作用是提高鋼的淬透性耐熱性能，使波紋簧在較高溫度下仍能保持高的強(qiáng)度和彈性，鎢還能細(xì)化晶粒，如常用的彈簧材料65Si2MnWA，其淬透性、耐熱性能都優(yōu)于50CrVA。

硼(B)能大大提高彈簧淬透性，加入極微量的硼(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為十萬(wàn)分之幾)，作用就極為明顯。在硅錳彈簧鋼的基礎(chǔ)上加入微量的硼以后淬透性明顯提高，在某些耐高溫的合金彈簧材料中加入硼，能增加材料的持久強(qiáng)度。

鋁(A1)、鈦(Ti)、鈮(Nb)主要添加在波紋簧用不銹鋼或其他特殊用途的彈簧材料中，主要目的是提高材料的耐腐蝕性能或與鎳、鉬等組成沉淀硬化相，起到沉淀強(qiáng)化作用。

鈷(Co)是恒彈性材料，鈷在3J21、3J32中作為主要添加元素，能使彈簧材料獲得高的彈性極限，并且彈性模量溫度系數(shù)也很小。但鉆是貴重合金元素，除非必要，一般不輕易使用。

銅(Cu)常作為銅合金中的基體元素，與其他添加的元素組成銅合金彈性材料。如與錫(Sn)、磷(P)、組成錫磷青銅，與硅、錳組成硅青銅，與鋁組成鋁青銅，與鈹(Be) 組成鈹青銅等。以銅鎳為主的蒙乃爾彈性合金有很好的耐腐蝕性能。

鈹(Be)主要是加人銅中組成鈹青銅。鈹青銅有優(yōu)良的彈性性能。但鈹有毒，且價(jià)格也很貴。

上述各種合金元素可以單獨(dú)添加，也可以幾種元素一起添加，幾種元素一起添加所起的作用要遠(yuǎn)大于每種元素單獨(dú)添加所起作用的疊加，所以現(xiàn)在新研制的彈簧鋼，在合金元素方面，都傾向于采用少量多元的辦法。

鋼中除了以上這些有益元素外，還不可避免地存在一些有害的雜質(zhì)。如硫(S)、磷(P)等。這些雜質(zhì)會(huì)降低鋼的塑性和韌性，增加脆性，形成的夾雜物嚴(yán)重地降低彈簧的壽命，所以要求這兩種有害元素在鋼中的含量越少越好。

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