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彈簧鋼--指由於在淬火和回火狀態下的彈性,而專門用於製造彈簧和彈性元件的鋼。主要是有好的彈性,又由於它是在動載荷環境條件下工作的,所以對製造彈簧的材質最主要的應有高的屈服強度。

1 彈簧鋼 -定義

彈簧鋼是指由於在淬火和回火狀態下的彈性,而專門用於製造彈簧和彈性元件的鋼。鋼的彈性取決於其彈性變形的能力,即在規定的範圍之內,彈性變形的能力使其承受一定的載荷,在載荷去除之後不出現永久變形。
根據GB/T 13304《鋼分類》標準,按照基本性能及使用特性一,彈簧鋼屬於機械結構用鋼;按照質量等級,屬於特殊質量鋼,即在生產過程中需要特別嚴格控制質量和性能的鋼。按照中國習慣,彈簧鋼屬於特殊鋼。

2 彈簧鋼 -分類

1.按照化學成分分類
根據GB/T 13304 標準,彈簧鋼按照其化學成分分為非合金彈簧鋼(碳素彈簧鋼)和合金彈簧鋼。
(1)碳素彈簧鋼
碳素彈簧鋼的碳含量(質量分數)一般在0.62%~0.90%。按照其錳含量又分為一般錳含量(質量分數) (0.50%~0.80%)如65、70、85和較高錳含量(質量分數) (0.90~1.20%),如65Mn兩類。
(2)合金彈簧鋼
合金彈簧鋼是在碳素鋼的基礎上,通過適當加入一種或幾種合金元素來提高鋼的力學性能、淬透性和其他性能,以滿足製造各種彈簧所需性能的鋼。
合金彈簧鋼的基本組成系列有,硅錳彈簧鋼、硅鉻彈簧鋼、鉻錳彈簧鋼、鉻釩彈簧鋼、鎢鉻釩彈簧鋼等。在這些系列的基礎上,有一些牌號為了提高其某些方面的性能而加入了鉬、釩或硼等合金元素。
此外,還從其他鋼類,如優質碳素結構鋼、碳素工具鋼、高速工具鋼、不鏽鋼,選擇一些牌號作為彈簧用鋼。
2.按照生產加工方法分類
(1)熱軋 (鍛) 鋼材 包括熱軋軋圓鋼、方鋼、扁鋼、鋼板,鍛制圓鋼、方鋼。
(2)冷拉 (軋) 鋼材 包括鋼絲、鋼帶、冷拉材 (冷拉圓鋼)。 
3. 按照鋼材交貨狀態分類
(1)熱軋 (鍛) 鋼材
A.以熱軋 (鍛) 狀態交貨 鋼材經熱成形製成彈簧,然後進行淬火和回火處理。
B.以退火狀態交貨 鋼材經冷成形製成彈簧,然後進行淬火和回火處理。
以上均應符合相應的交貨狀態硬度的規定。
(2)冷拉 (軋) 鋼材
A.鋼絲
① 鉛浴等溫淬火冷拉鋼絲(又稱派登脫處理冷拉鋼絲) 鋼絲製成彈簧后只需進行低溫回火,以消除應力。
② 油淬火和回火鋼絲 冷拉成所需尺寸后,進行連續加熱、連續油淬火和鉛回火。鋼絲製成彈簧后只需進行底溫火,以消除應力。
③ 冷拉鋼絲 (即不經淬火和回火處理的鋼絲)
a. 以冷拉狀態交貨。
b. 以退火、正火或回火處理狀態交貨。
以上兩種狀態交貨的鋼絲製成彈簧后均需進行淬火和回火處理。
B.鋼帶
① 冷軋狀態交貨 製成彈簧后需進行低溫回火,以消除應力。
② 淬火和回火狀態交貨 製成彈簧后需進行低溫回火,以削除應力。
③ 退火火狀態交貨 製成彈簧后需進行淬火和回火處理
C.冷拉鋼材
以退火狀態交貨 鋼材經冷成形製成彈簧,然後進行淬火和回火處理。

3 彈簧鋼 -性能要求

彈簧在衝擊、振動或長期交應力下使用,所以要求彈簧鋼有高的抗拉強度、彈性極限、高的疲勞強度。在工藝上要求彈簧鋼有一定的淬透性、不易脫碳、表面質量好等 碳素彈簧鋼即含碳量WC在0.6%-0.9%範圍內的優質碳素結構鋼。合金彈簧鋼主要是硅錳系鋼種,它們的含碳量稍低,主要靠增加硅含量Wsi提高性能;另外還有硌、鎢、釩的合金彈簧鋼。近年來,結合中國資源,並根據汽車、拖拉機設計新技術的要求,研製出在硅錳鋼基礎上加入硼、鈮、鉬等元素的新鋼種,延長了彈簧的使用壽命,提高了彈簧質量。

4 彈簧鋼 -生產工藝

一般彈簧鋼可用電爐、平爐或氧氣轉爐生產;質量較好或具有特殊性能的優質彈簧鋼,用電渣爐或真空爐煉製。彈簧鋼中碳、錳、硅等主要元素的規定含量範圍較窄,冶鍊時必須嚴格控制化學成分。硅含量較高時容易形成氣泡等缺陷,鋼錠鍛軋后冷卻不當時易產生白點。因此,冶鍊用的原材料必須乾燥,盡量除去氣體及夾雜物,而且要避免鋼水過熱。
彈簧鋼在軋制加工中須特別注意脫碳和表面質量。鋼材表面嚴重脫碳時,會顯著降低鋼的疲勞極限。對於高硅彈簧鋼如70Si3MnA,應注意避免石墨化。因此,在熱加工時停軋溫度不應過低(≥850℃),避免在石墨化較易形成的溫度範圍(650~800℃)內停留時間過長。
彈簧製成后經噴丸處理能使彈簧表層產生殘餘壓應力,以抵銷表層上的部分工作應力,抑製表層裂縫的形成,這可顯著提高彈簧的疲勞極限。

5 彈簧鋼 -熱處理規範

鋼號 淬火溫度 淬火介質 硬度要求 回火溫度 冷卻介質 硬度要求 應用範圍

65  780-830 水或油 400-600 線徑小於12-15mm的螺旋彈簧、彈簧墊圈
65Mn  810-830 油或水 >60 370-400 水 42-50 5-10mm的板簧片及7-10mm的卷簧
50CrV  850-870 油 >58 400-55 水 45-50 截面較大和較重要的板簧片及螺旋彈簧
50CrV  850-870 油 >58 370-420 45-52 300C以下工作的高溫彈簧
60Si2MnA  860-880 油 >60 500-520 水 HB363-444 厚度8-12mm的板簧片

6 彈簧鋼 -特性和應用

1.  65 、70 、85: 可得到很高強度、硬度、屈強比,但淬透性小,耐熱性不好,承受動載和疲勞載荷的能力低 應用非常廣泛,但多用於工作溫度不高的小型彈簧或不太重要的較大彈簧。如汽車、拖拉機、鐵道車輛及一般機械用的彈簧
65Mn 成分簡單,淬透性和綜合力學性能、脫碳等工藝性能均比碳鋼好,但對過熱比較敏感,有回火脆性,淬火易出裂紋 價格較低,用量很大。製造各種小截面扁簧、圓簧、發條等,亦可制氣門彈簧、彈簧環,減振器和離合器簧片、剎車簧等。
2.  55Si2Mn 、60Si2Mn 、60Si2MnA硅含量(Wsi)高(上限達2.00%),
強度高,彈性好。抗回火穩定性好。易脫碳和石墨化。淬透性不高 。
主要的彈簧鋼類,用途很廣。製造各種彈簧,如汽車、機車、拖拉機的板簧、螺旋彈簧,汽缸安全閥簧及一些在高應力下工作的重要彈簧,磨損嚴重的彈簧。
55Si2MnB 因含硼,其淬透性明顯改善 輕型、中型汽車的前後懸挂彈簧、副簧。
55Si2MnB 中國自行研製的鋼號,淬透性、綜合力學性能、疲勞性能均較60Si2Mn鋼好 主要製造中、小型汽車的板簧,使用效果好,亦可制其他中等截面尺寸的板簧、螺旋彈簧 。
3.  60Si2CrA 60Si2CrVA
高強度彈簧鋼。淬透性高,熱處理工藝性能好。因強度高,卷制彈簧后應及時處理消除內應力 製造載荷大的重要大型彈簧。60Si2CrA可制汽輪機汽封彈簧、調節彈簧、冷凝器支承彈簧、高壓水泵碟形彈簧等。60Si2CrVA鋼還製作極重要的彈簧,如常規武器取彈鉤彈簧、破碎機彈簧。
4.  55CrMnA
60CrMnA 突出優點是淬透性好,另外熱加工性能、綜合力學性能、抗脫碳性能亦好 大截面的各種重要彈簧,如汽車、機車的大型板簧、螺旋彈簧等。
5.  60CrMnMoA
在現有各種彈簧鋼中淬透性最高。力學性能、抗回火穩定性等亦好 大型土木建築、重型車輛、機械等使用的超大型彈簧。鋼板厚度可達35mm以上,圓鋼直徑可超過60mm
6.  50CrVA
少量釩提高彈性、強度、屈強比和彈減抗力,細化晶粒,減小脫碳傾向。碳含量較小,塑性、韌性較其他彈簧鋼好。淬透性高,疲勞性能也好 各種重要的螺旋彈簧,特別適宜作工作應力振幅高、疲勞性能要求嚴格的彈簧,如閥門彈簧、噴油嘴彈簧、氣缸脹圈、安全閥簧等
7.   60CrMnBA
淬透性比60CrMnA高,其他各種性能相似 尺寸更大的板簧、螺旋彈簧、扭轉彈簧等。
8.   30W4Cr2VA
高強度耐熱彈簧鋼。淬透性很好。高溫抗鬆弛和熱加工性能也很好 工作溫度500~C以下的耐熱彈簧,如汽輪機主蒸汽閥彈簧、汽封彈簧片、鍋爐安全閥彈簧、400t鍋爐碟形閥彈簧等。

7 彈簧鋼 -研究進展

 傳統彈簧鋼的強度水平難以滿足現代工業發展的要求,眾所周知,彈簧鋼力學性能在材料質量保證的前提下取決於熱處理工藝,而熱處理工藝也應根據所用材料來決定,彈簧鋼高強度化的一個重要途徑是充分發揮合金元素的作用,達到最佳合金化效果。
1. 熱處理
彈簧鋼要求較高的強度和疲勞極限,一般在淬火+中溫回火的狀態下使用,以獲得較高的彈性極限。熱處理工藝技術對彈簧內在質量有著至關重要的影響。因此,如何進一步提高彈簧疲勞壽命,需進一步研究,尤其是化學表面改性熱處理、噴丸強化等都對彈簧疲勞壽命產生重要影響。為進一步強化氣門彈簧的表面強度、增加壓應力、提高疲勞壽命,氣門彈簧成形后,要進一步經過滲氮、低溫液體碳氮共滲或硫氮共滲處理,然後經噴丸強化。例如,日本將f4mm的si-cr油淬鋼絲經450℃×4.5h低溫體碳氮共滲與經400℃×15min中溫回火進行對比,其疲勞極限可提高240mpa。氮的滲入,不僅消除了脫碳的不良影響,而且還提高了殘餘壓應力,同時經滲氮和低溫液體碳氮共滲的氣門彈簧高溫強度提高,150℃時的變形量為0.2%(規定值為0.5%),250℃的變形量為0.56%,提高了氣門彈簧的熱穩定性和抗鬆弛穩定性,但滲氮和液體碳氮共滲時間應嚴格控制,否則會形成網狀硫化物和網狀氮化物,反而會降低其疲勞強度。
氣門彈簧提高強度的方法還可以選擇噴丸,經生產實踐表面氣門彈簧噴丸可用兩種丸粒,一種直徑為0.8mm,其顯微硬度為720hv0.2,另一種直徑0.25mm,其顯微硬度為800hv0.2,三次噴丸可達到較好的強化效果,又可使表面質量得到改善。

2. 合金化
碳是鋼中的主要強化元素,對彈簧鋼的影響往往超過其他合金元素。根據使用要求,彈簧鋼材料應是中高碳的合金鋼。當今世界各國普遍採用的彈簧鋼,含碳量絕大部分在0.45%~0.65%。
為了克服彈簧鋼強度提高后韌性和塑性降低的難題,也有降低碳含量的趨勢。中國對低碳馬氏體彈簧鋼進行了深入的研究,如28mnsib、35mnsib等,其碳含量在0.30%左右。實踐表明,這些彈簧鋼可以在低溫回火的板條狀馬氏體組織下使用,有足夠強度和優良的綜合力學性能,尤其是塑性、韌性極好。日本研究開發的幾種高強度彈簧鋼,如uhs1900、vhs2000、nd120s、nd250s等,碳含量均在0.40%左右。
合金元素在彈簧鋼中的主要作用是提高力學性能、改善工藝性能及賦予某些特殊性能(如耐高溫、耐蝕)等。
很多彈簧鋼以硅為主要合金元素,它是對彈減抗力影響最大的合金元素,這主要是由於硅具有強烈的固溶強化作用;同時,硅能抑制滲碳體在回火過程中的晶核形成和長大,改變回火時析出碳化物的數量、尺寸和形態,提高鋼的回火穩定性。目前,國內鋼材牌號中wsi為1.8%~2.2%,是現有標準中含硅最高的彈簧鋼。但硅含量如果過高,將促進鋼在軋制和熱處理過程中的脫碳和石墨化傾向,並且使冶鍊困難和易形成夾雜物,因此,過高硅含量彈簧鋼的使用仍需慎重。
由於鉻能夠顯著提高鋼的淬透性,阻止si-cr鋼球化退火時的石墨化傾向,減少脫碳層,因此是彈簧鋼中的常用合金元素,以鉻為主要強化元素的彈簧鋼50crv使用較廣泛。
錳是提高淬透性最有效的合金元素,它溶入鐵素體中有固溶性化作用。研究表明,wmn必須大於0.5%,以使淬火時彈簧鋼心部完全較變為馬氏體,但當wmn超過1.5%時,韌性明顯下降,這在選擇彈簧鋼時應優先考慮的。
鉬可以提高鋼的淬透性,防止回火脆性,改善疲勞性能,現有標準中加鉬的彈簧鋼不多,加入量一般在0.4%以下。
釩是強碳化物形成元素,固態下所析出的細小彌散的mc型碳化物具有很強的沉澱強化效果。在35crmnb鋼中加入0.11%v,可顯著提高鋼的淬透性,還發現釩能有效降低35simnb鋼的脫碳敏感性,認為這與釩降低鋼中有效固溶碳、防止晶粒長大和阻止晶界擴散並提高抗氧化性有關。

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