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彈簧鋼分類、生產(chǎn)工藝及研究方向介紹

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彈簧鋼是指由于在淬火和回火狀態(tài)下的彈性，而專門用于制造彈簧和彈性元件的鋼。鋼的彈性取決于其彈性變形的能力，即在規(guī)定的范圍之內(nèi)，彈性變形的能力使其承受一定的載荷，在載荷去除之后不出現(xiàn)變形。
彈簧鋼應具有優(yōu)良的綜合性能，如力學性能(特別是彈性極限、強度極限、屈強比)、抗彈減性能(即抗彈性減退性能，又稱抗松弛性能)、疲勞性能、淬透性、物理化學性能(耐熱、耐低溫、抗氧化、耐腐蝕等)。為了滿足上述性能要求，彈簧鋼具有優(yōu)良的冶金質(zhì)量(高的純潔度和均勻性)、良好的表面質(zhì)量(嚴格控制表面缺陷和脫碳)、的外形和尺寸。
1.分類
(1)碳素彈簧鋼
碳素彈簧鋼的碳含量一般在0.62%—0.90%。按照其錳含量又分為一般錳含量(0.50%—0.80%)如65、70、85和較高錳含量(0.90—1.20%)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，以滿足制造各種氣彈簧所需性能的鋼。
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。
按彈簧工作條件可分為承受靜載荷彈簧鋼、承受沖擊載荷彈簧鋼、耐高(低)溫彈簧和耐腐蝕彈簧鋼等。
2.生產(chǎn)工藝
一般彈簧鋼可用電爐、平爐或氧氣轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)；質(zhì)量較好或具有特殊性能的優(yōu)質(zhì)彈簧鋼，用電渣爐或真空爐煉制。彈簧鋼中碳、錳、硅等主要元素的規(guī)定含量范圍較窄，冶煉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(chǎn)生白點。因此，冶煉用的原材料必須干燥，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(zhì)量。鋼材表面嚴重脫碳時，會顯著降低鋼的疲勞極限。對于高硅彈簧鋼如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范圍(650—800℃)內(nèi)停留時間過長。
彈簧制成后經(jīng)噴丸處理能使彈簧表層產(chǎn)生殘余壓應力，以抵銷表層上的部分工作應力，抑制表層裂縫的形成，這可顯著提高彈簧的疲勞極限。
3.研究方向
傳統(tǒng)彈簧鋼的強度水平難以滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求，眾所周知，彈簧鋼力學性能在材料質(zhì)量的前提下取決于熱處理工藝，而熱處理工藝也應根據(jù)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(fā)揮合金元素的作用，達到佳合金化效果。
(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(tài)下使用，以獲得較高的彈性極限。熱處理工藝技術對彈簧內(nèi)在質(zhì)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(chǎn)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(jīng)過滲氮、低溫液體碳氮共滲或硫氮共滲處理，然后經(jīng)噴丸強化。氮的滲入，不僅消除了脫碳的不良影響，而且還提高了殘余壓應力，同時經(jīng)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(guī)定值為0.5%)，250℃的變形量為0.56%，提高了氣門彈簧的熱穩(wěn)定性和抗松弛穩(wěn)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(wǎng)狀硫化物和網(wǎng)狀氮化物，反而會降低其疲勞強度。
(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(jù)使用要求，彈簧鋼材料應是中高碳的合金鋼。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。
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大的合金元素，這主要是由于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(shù)量、尺寸和形態(tài)，提高鋼的回火穩(wěn)定性。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，并且使冶煉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。
由于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。
鉬可以提高鋼的淬透性，防止回火脆性，改善疲勞性能，現(xiàn)有標準中加鉬的彈簧鋼不多，加入量一般在0.4%以下。(圖/文http://www.jshht.com/)

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