基本介紹
- 中文名：彈簧鋼絲
- 外文名：SPRING WIRE
- 抗拉強度等級：1000-3000兆帕
- 圓形直徑範圍：0.08-20毫米
- 用途：做彈簧或鋼絲型件
- 學科：金屬材料
簡介,分類,生產方法,表面處理,拉絲,熱處理,特性用途,彈簧鋼絲標準,碳素鋼絲,合金鋼絲,
簡介
彈簧鋼絲的強度按品種、標準和規格的不同，抗拉強度等級可在1000-3000兆帕範圍。圓形彈簧鋼絲的直徑範圍在0.08-20毫米。彈簧鋼絲的截面形狀一般為圓形，也有長方、方、卵形等形狀，成品鋼絲一般是一卷卷交付，也有按直條交付的情況。
分類
製造各種類型和用途彈簧的鋼絲。主要種類有：（1）供冷卷彈簧用的鋼絲，這類彈簧冷捲成型後不經熱處理或只經低溫加熱後套用，主要是碳素彈簧鋼絲；（2）卷簧後經熱處理的彈簧鋼絲，主要是合金彈簧鋼絲；（3）調質彈簧鋼絲，又稱油淬火一回火彈簧鋼絲；（4）不銹彈簧鋼絲，這類鋼絲大多由奧氏體不鏽鋼製作，其生產特點見合金鋼絲。此外尚有正在開發中的形變熱處理鋼絲。
碳素彈簧鋼絲應具有高的抗拉強度、彈性極限、韌性和疲勞強度，並耐衝擊和振動。確保強度和韌性指標特別是防止扭轉裂紋的產生是生產彈簧鋼絲的關鍵。盤條的內在質量和表面質量都直接影響鋼絲的性能。碳素彈簧鋼絲用高碳優質碳素結構鋼或碳素工具鋼盤條製造，須根據彈簧的用途嚴格控制其化學成分、氣體含量和非金屬夾雜。為了減少表面缺陷和脫碳層，對生產盤條的鋼坯要進行表面研磨，必要時還要進行剝皮。盤條要進行正火或索氏體化處理，規格大的用球化退火代替。中間特別是成品拔程前的熱處理廣泛採用索氏體化處理。熱處理時要防止脫碳。熱處理後採用硫酸或鹽酸酸洗以清除氧化鐵皮。塗層（見潤滑載體）可採用蘸石灰、磷化、硼砂處理或鍍銅。成品拔程的拉拔工藝對產品性能的影響很大，一般採用90%左右的較大的總減面率（見面積減縮率）和較小的道次減面率（約≤23%），以保證產品的韌性。對於高強度彈簧鋼絲，拉拔時應控制各道次鋼絲的出口溫度低於150℃，防止鋼絲因產生應變時效而出現扭轉裂紋，這是造成鋼絲報廢的主要缺陷。為此，拉拔時必須有良好的潤滑和充分的冷卻，採用較小的道次減面率和拉拔速度有助於減少鋼絲的溫升。拉拔後鋼絲記憶體在較大的殘餘應力，影響其性能，可採用線上矯直或低溫 （180～370℃） 加熱等措施加以消除。
合金彈簧鋼絲用矽錳、鉻釩等合金彈簧鋼製造。盤條的軟化採用不完全退火。熱處理時要防止脫碳，對含矽彈簧鋼盤條還要防止石墨碳的析出。半成品的熱處理採用再結晶退火。酸洗、塗層工藝與生產碳素彈簧鋼絲相近。按需要，矽錳彈簧鋼絲有冷拉、退火、正火、高溫回火、銀亮及油淬火—回火等不同的交貨狀態；鉻釩彈簧鋼絲有冷拉、退火、銀亮等交貨狀態。一般合金彈簧鋼絲在繞成彈簧後，須經淬火和中溫回火後才可使用。
調質彈簧鋼絲主要有油淬火—回火碳素彈簧鋼絲和矽錳合金彈簧鋼絲，閥門用油淬火—回火碳素彈簧鋼絲和鉻矽合金彈簧鋼絲。彈簧鋼絲拉拔後進行油淬火—回火調質處理的目的是使鋼絲具有較高的彈性極限和屈強比以及良好的韌性和耐疲勞性能。用淬火—回火鋼絲製作的彈簧，幾何形狀和力學性能穩定、負荷波動小，可在低於回火溫度下加熱以消除繞制時產生的殘餘應力。
生產方法
不同類型的彈簧鋼絲有不同的生產方法，共同特點都是需要一定的強度、高韌性和良好的卷簧性能。
常用各種彈簧鋼絲的工藝製作方法如下：
（鋼）盤條--表面處理-- 拉絲（床墊鋼絲可用此法）
鍍鋅彈簧鋼絲：通常在成品尺寸進行熱鍍或電鍍，也有採用盤條酸洗熱鍍後冷拔到規定尺寸的。
表面處理
一般採用酸洗磷化，去除氧化鐵皮，形成磷化膜；也有少數採用機械方法處理。目的都是滿足冷拔拉絲工序的要求，獲得光潔的表面。對於要求高疲勞壽命的彈簧鋼絲，如氣門彈簧鋼絲，應對盤條進行扒皮處理，減少表層缺陷，如果鋼廠能在鋼坯上進行修磨，也有益於減少缺陷。
拉絲
成品拔程的拉拔工藝對產品性能的影響很大，一般採用90%左右的較大的總減面率（見面積減縮率）和較小的道次減面率（約10%-20%），以保證產品的韌性。對於高強度彈簧鋼絲，拉拔時應控制各道次鋼絲的出口溫度低於150℃，防止鋼絲因產生應變時效而出現扭轉裂紋，這是造成鋼絲報廢的主要缺陷。為此，拉拔時必須有良好的潤滑和充分的冷卻，採用較小的道次減面率和拉拔速度有助於減少鋼絲的溫升。
熱處理
碳鋼彈簧鋼絲常用鉛浴淬火工藝，可獲得非常細小的珠光體組織（索氏體），對於改善深度拉拔性能及彈簧性能都是有益的，鉛浴的替代工藝流化床還未推廣，只在一些小直徑上有套用。合金鋼絲一般採用退火熱處理，使顯微組織適應拉拔變形。不鏽鋼絲的熱處理採用固溶處理，其目的也是改善組織以適應拉拔的需要。油淬火工藝用在成品鋼絲上，採用感應加熱或燃氣、燃油加熱爐，將鋼絲加熱至奧氏體化溫度保溫一段時間，淬火後再進行一次中溫回火。雖然名義上叫油淬火，基本上都採用水淬火或加高分子材料的水淬火。
特性用途
彈簧依靠彈性變形吸收衝擊能量，所以彈簧鋼絲不一定要有很高的塑性，但起碼要有能承受彈簧成型的塑性，以及足夠的能承受衝擊能量的韌性。
此外，還應考慮彈簧鋼絲的成形工藝和熱處理工藝。冷拉彈簧鋼絲和油淬火回火彈簧鋼絲都以供貨狀態鋼絲直接繞制彈簧，彈簧成形後經消除應力處理直接使用。冷拉彈簧鋼絲的抗拉強度要略高於油淬火回火鋼絲。大規格冷拉鋼絲彈力太大，繞制彈簧很困難，所以冷拉彈簧鋼絲使用規格一般小於8.0mm，油淬火回火鋼絲使用規格一般小於13.0mm。實際上直徑13.0mm彈簧多選用輕拉狀態彈簧鋼絲，冷拉繞製成形後再淬回火使用。直徑15.0mm以上鋼絲大多採用加熱繞制工藝制簧。
彈簧鋼絲標準
碳素彈簧鋼絲現行國家和行業推薦標準分兩種類型：
1、冷拉彈簧鋼絲
一類是冷變形強化鋼絲，又稱冷拉彈簧鋼絲。冷拉碳素彈簧鋼絲首先經鉛淬火處理獲得索氏體組織，然後表面磷化，以很大減面率拉拔到成品尺寸，鋼絲組織呈纖維狀，有很高的抗拉強度和彈性極限，良好的彎曲和扭轉性能。冷拉彈簧鋼絲尺寸精度高，表面光潔，無氧化和脫碳缺陷，疲勞壽命比較穩定，是使用最廣泛的彈簧鋼絲。
2、油淬火回火鋼絲
碳素彈簧鋼絲的另一類型是馬氏體強化鋼絲，又稱油淬火回火鋼絲。碳素鋼絲通過淬回火處理，可獲得良好的綜合力學性能，當鋼絲規格較小時（φ≤2.0mm），油淬火回火鋼絲的各項強度指標比索氏體化處理後冷拉鋼絲要低。當鋼絲規格較大時（φ≥6.0mm）索氏體化的鋼絲不可能採用很大減面率來獲得所要求的強度指標，而油淬火回火鋼絲只要完全淬透就可以獲得比冷拉鋼絲更高的性能。在抗拉強度相同條件下，馬氏體強化鋼絲比冷變形強化鋼絲具有更高的彈性極限。冷拉鋼絲金相組織呈纖維狀，各向異性明顯，油淬火回火鋼絲金相組織為均勻的回火馬氏體，幾乎是各向同性的。同時油淬火回火鋼絲的抗鬆弛性能優於冷拉鋼絲，使用溫度（150～190℃）也高於冷拉鋼絲（≤120℃）。大規格油淬火、回火鋼絲大有取代冷拉鋼絲趨勢。
碳素鋼絲
下面按標準介紹各類碳素彈簧鋼絲的套用範圍及工藝特點。
（1）YB/T5220-93 《非機械彈簧用碳素彈簧鋼絲》
該標準適用於沙發墊簧，座墊，靠背拉簧，卡簧，夾簧等非機械彈簧用碳素彈簧鋼絲。標準按抗拉強度要求不同將鋼絲分成A1，A2，A3…A9九個組別，每個組別鋼絲不分規格大小按一個強度範圍供貨，抗拉強度偏差≤200Mpa。A1，A2和A3組用於製造較低應力彈簧。A3，A4和A5用於製造一般應力彈簧。A7，A8和A9用於製造較高應力彈簧。床墊簧一般選用A3和A4組別。
A1-A3組鋼絲一般選用45～70鋼，A3～A6組選用65Mn或70鋼，A7～A9組鋼絲選用70或T8MnA（82B）生產。由於按該標準供貨的鋼絲基本用於製作靜態彈簧，對疲勞壽命的要求相對寬鬆，鋼絲可以採用控軋控冷盤條直接拉拔成品。鋼絲成前熱處理也可以用正火代替鉛浴處理。同時允許選用轉爐鎮靜鋼作為原料。
（2）GB/T4357-89 《碳素彈簧鋼絲》
（3）GB/T4358-1995《重要用途碳素彈簧鋼絲》
按該標準供貨的鋼絲，主要用於製作在各種應力狀態下工作的動態彈簧。根據彈簧工作應力狀態，鋼絲分3個組別供貨：E組適用於中等應力動態彈簧，F組適用於高應力動態彈簧，G組適用於高疲勞壽命的動態彈簧。成品鋼絲考核抗拉強度，扭轉，纏繞，彎曲和脫碳五項性能指標。
由於按該標準供貨的鋼絲用於製作中、高應力狀態下工作的動態彈簧，成品鋼絲除保持高的彈性極限和良好的韌性指標外，還必須考慮到疲勞極限和彈簧的疲勞壽命。為此，對鋼的純淨度，非金屬夾雜含量和氣體含量，鐵素體含量及表面脫碳程度有更高的要求。鋼絲用盤條必須採用電爐+爐外精煉法冶煉，對盤條的化學成分有更高的要求：P≤0.025%、S≤0.020%，Cr ≤0.10%、Ni≤0.15%（0.12%）、Cu≤0.20%。實際生產中為提高疲勞壽命往往將Mn控制在高限，E組選用70或70Mn（72B），F組選用T8MnA或T9RtA，G組選用65Mn（Mn可調整到0.9-1.2%）或67B。降低鋼中P、S含量，提高Mn含量和採用爐外精煉的目的是：消減鋼中非金屬夾雜含量，改善夾雜物形態和降低氣體含量，提高疲勞極限和疲勞壽命。如果鋼絲顯微組織中含有游離鐵素體，會較大幅度地降低疲勞壽命，按該標準供貨的鋼絲，成前必須進行鉛淬火處理。
G組鋼絲用於製作在劇烈振動狀態下工作的閥門彈簧，對疲勞壽命要求極高，所以選用韌性更好的65Mn盤條，抗拉強度雖有所下降，但疲勞壽命更有保證。鋼絲表面脫碳，形成鐵素體組織嚴重影響疲勞性能，標準對G組鋼絲增加脫碳層檢驗，規定總脫碳層深度不得大於1.0%d，但對較大規格鋼絲（Φ>4.0mm）受減面率限制，由熱軋盤條帶來的脫碳層很難徹底消除，標準補充規定："徵得需方同意，可供應脫碳層不超直徑1.5%d的鋼絲"。
（4）GJB1497-92 《特殊用途碳素彈簧鋼絲規範》
在某些特定場合，需要彈簧具有超出常規要求的彈力，如槍械彈簧，為便於攜帶和使用，彈簧所占的空間很小，彈力要足夠大，必須選用抗拉強度特高，韌性較好的鋼絲來製作彈簧,《特殊用途碳素彈簧鋼絲》就適應這種需要的標準。
該標準規定鋼絲分甲、乙、丙3組供貨。丙組適應於較高應力彈簧，乙組適應於高應力彈簧，甲組適用於超高應力彈簧。標準推薦鋼絲採用T9A，T10A和T8MnA製造。實際上鋼絲抗拉強度隨碳含量增高而上升，扭轉性能（韌性指標）隨碳含量上升而下降，綜合考慮，遼寧特殊鋼集團大連三大鋼絲公司選用加稀土的T9A鋼絲生產甲、乙、丙組鋼絲。成品鋼絲考核抗拉強度、扭轉、扭轉斷口、纏繞、抗拉強度均勻性和尺寸均勻性六項性能指標，常見規格的力學性能如表6。
應該指出鋼絲的超高抗拉強度是以犧牲部分塑性和疲勞壽命換來的，只適用於製作形狀簡單，對疲勞壽命要求不很高的彈簧，該標準不宜推廣使用。
（5）YB/T5103-93 油淬火-回火碳素彈簧鋼絲
冷拉彈簧鋼絲的各向異性明顯，而油淬火回火鋼絲幾乎各相同性。油淬火回火鋼絲的疲勞壽及抗應力鬆弛性能比冷拉鋼絲好得多，工作溫度更高（150～170℃），抗蠕變性能更好。另外油淬火回火鋼絲直條度好，打開盤卷後鋼絲彈直，幾乎無彎曲，纏繞彈簧時成形性能更好。因此工業已開發國家大規格油淬火回火碳素彈簧鋼絲幾乎取代了冷拉碳素彈簧鋼絲。
（6）YB/T5102-93《閥門用油淬火回火碳素彈簧鋼絲》
YB/T5102-93與YB/T5103-93的關係相當於GB/T4358-1995與GB/T4357-89的關係。前者用於製作動態彈簧，後者是通用標準，主要用於製作靜態彈簧。由於動態油淬火回火彈簧對組織均勻性要求更嚴格，碳素鋼淬透性有限，YB/T5102規定供貨規格更小（直徑≤6.0mm）。
閥門用油淬火回火碳素鋼絲使用範圍和質量控制要求基本與GB/T4358-1995 G組相當，這裡不再贅述。
合金鋼絲
我國合金彈簧鋼絲分三類，合金彈簧鋼絲，油淬火回火矽錳彈簧鋼絲，閥門用油淬火回火鉻矽合金彈簧鋼絲，從已開發國家合金彈簧使用現狀來看，油淬火回火鋼絲所占比例越來越大，日本工業標準（JIS）規定，合金彈簧鋼絲全部以油淬火回火狀態供貨。
（1） GB/T5218-1999《合金彈簧鋼絲》
該標準將原GB5218-85《矽錳彈簧鋼絲》、GB5219-85《鉻釩彈簧鋼絲》和GB5221-85《鉻矽彈簧鋼絲》三個標準合併成一個標準。
標準適用於製作高、中應力彈簧用合金彈簧鋼絲，鋼絲纏簧成形後需經淬火回火處理才能使用。
鋼絲一般按冷拉狀態交貨，成品直徑≤5.0mm檢驗抗拉強度σb≤1035Mpa，直徑>5.0mm鋼絲檢驗HB≤302，相當於輕拉狀態。生產中大規格（Ф>8.0）成品冷拉減面率不超過25%，小規格鋼絲（Ф≤5.0）減面率不超過30%。退火狀態交貨鋼絲太軟，極易產生死彎，纏簧時往往造成簧形不好，螺距不均。冷拉減面率偏大時鋼絲太硬、纏簧時反彈大，粗簧成形困難。所以直接纏簧的鋼絲以輕拉狀態供貨最合適。對於鋼絲購回還要進行冷加工（如壓扁、軋成異型截面等）的用戶，應推薦選用退火狀態交貨鋼絲。
為保證纏簧性能，成品鋼絲進行纏繞試驗，直徑≤5.0mm鋼絲在相當於鋼絲直徑1～2倍的芯棒上纏繞6圈，不得破裂和折斷。
脫碳和表面缺陷嚴重的降低彈簧疲勞壽命，必須嚴格控制。特別是60Si2MnA和55CrSi，含矽量較高，退火時極易脫碳。盤條球化退火和半成品再結晶退火推薦採用低溫，長時間的退火工藝。如前所述，疲勞壽命要求高的彈簧，必須選用磨光鋼絲，但需要分清是退火磨光還是冷拉磨光。50CrV軟態鋼絲磨光時磨屑極易粘附到鋼絲表面，形成不規則小白點，所以儘可能採用冷拉磨光工藝，減少表面"白點"。
在表面質量保證條件下，夾雜含量就成為影響疲勞壽命的最重要因素，所以標準規定，需方有要求時可增加非金屬夾雜物，石墨碳檢驗。
（2）YB/T5104-93《油淬火-回火矽錳合金彈簧鋼絲》
