彈簧鋼
科技名詞定義
中文名稱：
彈簧鋼
英文名稱：
spring steel
定義：
含碳量為0.60%～0.95%的碳鋼，是經(jīng)冷變形強(qiáng)化的一種較好的彈簧鋼絲，用于制作各種彈簧。
應(yīng)用學(xué)科：
機(jī)械工程（一級(jí)學(xué)科）；儀器儀表材料（二級(jí)學(xué)科）；彈性材料(儀器儀表)（三級(jí)學(xué)科）
本內(nèi)容由全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)審定公布
彈簧鋼主要是有好的彈性，又由于它是在動(dòng)載荷環(huán)境條件下工作的，所以對(duì)制造彈簧的材質(zhì)最主要的應(yīng)有高的屈服強(qiáng)度；在承受重載荷時(shí)不引起塑性變形；應(yīng)有高的疲勞強(qiáng)度，在載荷反復(fù)作用下具有長(zhǎng)的使用壽命；并有足夠的韌性和塑性，以防在沖擊力作用下突然脆斷。
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)永久變形。
彈簧鋼應(yīng)具有優(yōu)良的綜合性能，如力學(xué)性能(特別是彈性極限、強(qiáng)度極限、屈強(qiáng)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(xué)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(yán)格控制表面缺陷和脫碳)、精確的外形和尺寸。
根據(jù)GB/T 13304《鋼分類》標(biāo)準(zhǔn)，按照基本性能及使用特性一，彈簧鋼屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼；按照質(zhì)量等級(jí)，屬于特殊質(zhì)量鋼，即在生產(chǎn)過(guò)程中需要特別嚴(yán)格控制質(zhì)量和性能的鋼。按照我國(guó)習(xí)慣，彈簧鋼屬于特殊鋼 ，制作彈簧鋼的時(shí)候技術(shù)要求比較高，技術(shù)的過(guò)硬直接決定品質(zhì)的高低。
彈簧鋼分類
根據(jù)GB/T 13304 標(biāo)準(zhǔn)，彈簧鋼按照其化學(xué)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(zhì)量分?jǐn)?shù))一般在0.62%~0.90%。按照其錳含量又分為一般錳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (0.50%~0.80%)如65、70、85和較高錳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (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(chǔ)上，通過(guò)適當(dāng)加入一種或幾種合金元素來(lái)提高鋼的力學(xué)性能、淬透性和其他性能，以滿足制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(chǔ)上，有一些牌號(hào)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(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、高速工具鋼、不銹鋼，選擇一些牌號(hào)作為彈簧用鋼。
按照生產(chǎn)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)。
按照鋼材交貨狀態(tài)分類
1. 熱軋 (鍛) 鋼材
A.以熱軋 (鍛) 狀態(tài)交貨 鋼材經(jīng)熱成形制成彈簧，然后進(jìn)行淬火和回火處理。
B.以退火狀態(tài)交貨 鋼材經(jīng)冷成形制成彈簧，然后進(jìn)行淬火和回火處理。
以上均應(yīng)符合相應(yīng)的交貨狀態(tài)硬度的規(guī)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) 鋼絲制成彈簧后只需進(jìn)行低溫回火，以消除應(yīng)力。
② 油淬火和回火鋼絲 冷拉成所需尺寸后，進(jìn)行連續(xù)加熱、連續(xù)油淬火和鉛回火。鋼絲制成彈簧后只需進(jìn)行底溫火，以消除應(yīng)力。
③ 冷拉鋼絲 (即不經(jīng)淬火和回火處理的鋼絲)
a. 以冷拉狀態(tài)交貨。
b. 以退火、正火或回火處理狀態(tài)交貨。
以上兩種狀態(tài)交貨的鋼絲制成彈簧后均需進(jìn)行淬火和回火處理。
B.鋼帶
① 冷軋狀態(tài)交貨 制成彈簧后需進(jìn)行低溫回火，以消除應(yīng)力。
② 淬火和回火狀態(tài)交貨 制成彈簧后需進(jìn)行低溫回火，以削除應(yīng)力。
③ 退火火狀態(tài)交貨 制成彈簧后需進(jìn)行淬火和回火處理
C.冷拉鋼材
以退火狀態(tài)交貨 鋼材經(jīng)冷成形制成彈簧，然后進(jìn)行淬火和回火處理。
其他分類方法
除以上所述外，還有一些其他分類方法，例如：
按交貨條件要求不同可分為按化學(xué)成分(力學(xué)性能)交貨和按淬透******貨。
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。
彈簧鋼
彈簧在沖擊、振動(dòng)或長(zhǎng)期交應(yīng)力下使用，所以要求彈簧鋼有高的抗拉強(qiáng)度、彈性極限、高的疲勞強(qiáng)度。在工藝上要求彈簧鋼有一定的淬透性、不易脫碳、表面質(zhì)量好等 碳素彈簧鋼即含碳量WC在0.6%-0.9%范圍內(nèi)的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)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(lái)，結(jié)合我國(guó)資源，并根據(jù)汽車、拖拉機(jī)設(shè)計(jì)新技術(shù)的要求，研制出在硅錳鋼基礎(chǔ)上加入硼、鈮、鉬等元素的新鋼種，延長(zhǎng)了彈簧的使用壽命，提高了彈簧質(zhì)量
彈簧鋼性能要求
彈簧在沖擊、振動(dòng)或長(zhǎng)期交應(yīng)力下使用，所以要求彈簧鋼有高的抗拉強(qiáng)度、彈性極限、高的疲勞強(qiáng)度。在工藝上要求彈簧鋼有一定的淬透性、不易脫碳、表面質(zhì)量好等 碳素彈簧鋼即含碳量WC在0.6%-0.9%范圍內(nèi)的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)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(lái)，結(jié)合我國(guó)資源，并根據(jù)汽車、拖拉機(jī)設(shè)計(jì)新技術(shù)的要求，研制出在硅錳鋼基礎(chǔ)上加入硼、鈮、鉬等元素的新鋼種，延長(zhǎng)了彈簧的使用壽命，提高了彈簧質(zhì)量。
彈簧鋼生產(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(shí)必須嚴(yán)格控制化學(xué)成分。硅含量較高時(shí)容易形成氣泡等缺陷，鋼錠鍛軋后冷卻不當(dāng)時(shí)易產(chǎn)生白點(diǎn)。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(guò)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(yán)重脫碳時(shí)，會(huì)顯著降低鋼的疲勞極限。對(duì)于高硅彈簧鋼如70Si3MnA，應(yīng)注意避免石墨化。因此，在熱加工時(shí)停軋溫度不應(yīng)過(guò)低(≥850℃),避免在石墨化較易形成的溫度范圍(650～800℃)內(nèi)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。
彈簧制成后經(jīng)噴丸處理能使彈簧表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，以抵銷表層上的部分工作應(yīng)力，抑制表層裂縫的形成，這可顯著提高彈簧的疲勞極限。
彈簧鋼熱處理規(guī)范
鋼號(hào) 淬火溫度 淬火介質(zhì) 硬度要求 回火溫度 冷卻介質(zhì) 硬度要求 應(yīng)用范圍
65 780-830 水或油 400-600 線徑小于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。
彈簧鋼特性和應(yīng)用
1. 65 、70 、85： 可得到很高強(qiáng)度、硬度、屈強(qiáng)比，但淬透性小，耐熱性不好，承受動(dòng)載和疲勞載荷的能力低 應(yīng)用非常廣泛，但多用于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(jī)、鐵道車輛及一般機(jī)械用的彈簧
65Mn 成分簡(jiǎn)單，淬透性和綜合力學(xué)性能、脫碳等工藝性能均比碳鋼好，但對(duì)過(guò)熱比較敏感，有回火脆性，淬火易出裂紋 價(jià)格較低，用量很大。制造各種小截面扁簧、圓簧、發(fā)條等，亦可制氣門彈簧、彈簧環(huán)，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(dá)2.00％)，
強(qiáng)度高，彈性好?？够鼗鸱€(wěn)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。制造各種彈簧，如汽車、機(jī)車、拖拉機(jī)的板簧、螺旋彈簧，汽缸安全閥簧及一些在高應(yīng)力下工作的重要彈簧，磨損嚴(yán)重的彈簧。
55Si2MnB 因含硼，其淬透性明顯改善 輕型、中型汽車的前后懸掛彈簧、副簧。
55Si2MnB 我國(guó)自行研制的鋼號(hào)，淬透性、綜合力學(xué)性能、疲勞性能均較60Si2Mn鋼好 主要制造中、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(qiáng)度彈簧鋼。淬透性高，熱處理工藝性能好。因強(qiáng)度高，卷制彈簧后應(yīng)及時(shí)處理消除內(nèi)應(yīng)力 制造載荷大的重要大型彈簧。60Si2CrA可制汽輪機(jī)汽封彈簧、調(diào)節(jié)彈簧、冷凝器支承彈簧、高壓水泵碟形彈簧等。60Si2CrVA鋼還制作極重要的彈簧，如常規(guī)武器取彈鉤彈簧、破碎機(jī)彈簧。
4. 55CrMnA
60CrMnA 突出優(yōu)點(diǎn)是淬透性好，另外熱加工性能、綜合力學(xué)性能、抗脫碳性能亦好 大截面的各種重要彈簧，如汽車、機(jī)車的大型板簧、螺旋彈簧等。
5. 60CrMnMoA
在現(xiàn)有各種彈簧鋼中淬透性最高。力學(xué)性能、抗回火穩(wěn)定性等亦好 大型土木建筑、重型車輛、機(jī)械等使用的超大型彈簧。鋼板厚度可達(dá)35mm以上，圓鋼直徑可超過(guò)60mm
6. 50CrVA
少量釩提高彈性、強(qiáng)度、屈強(qiáng)比和彈減抗力，細(xì)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(yīng)力振幅高、疲勞性能要求嚴(yán)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(zhuǎn)彈簧等。
8. 30W4Cr2VA
高強(qiáng)度耐熱彈簧鋼。淬透性很好。高溫抗松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(jī)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。
研究進(jìn)展
傳統(tǒng)彈簧鋼的強(qiáng)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(xué)性能在材料質(zhì)量保證的前提下取決于熱處理工藝，而熱處理工藝也應(yīng)根據(jù)所用材料來(lái)決定，彈簧鋼高強(qiáng)度化的一個(gè)重要途徑是充分發(fā)揮合金元素的作用，達(dá)到最佳合金化效果。
1. 熱處理
彈簧鋼要求較高的強(qiáng)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(shù)對(duì)彈簧內(nèi)在質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。因此，如何進(jìn)一步提高彈簧疲勞壽命，需進(jìn)一步研究，尤其是化學(xué)表面改性熱處理、噴丸強(qiáng)化等都對(duì)彈簧疲勞壽命產(chǎn)生重要影響。為進(jìn)一步強(qiáng)化氣門彈簧的表面強(qiáng)度、增加壓應(yīng)力、提高疲勞壽命，氣門彈簧成形后，要進(jìn)一步經(jīng)過(guò)滲氮、低溫液體碳氮共滲或硫氮共滲處理，然后經(jīng)噴丸強(qiáng)化。例如，日本將f4mm的si－cr油淬鋼絲經(jīng)450℃×4.5h低溫體碳氮共滲與經(jīng)400℃×15min中溫回火進(jìn)行對(duì)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，而且還提高了殘余壓應(yīng)力，同時(shí)經(jīng)滲氮和低溫液體碳氮共滲的氣門彈簧高溫強(qiáng)度提高，150℃時(shí)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(shí)間應(yīng)嚴(yán)格控制，否則會(huì)形成網(wǎng)狀硫化物和網(wǎng)狀氮化物，反而會(huì)降低其疲勞強(qiáng)度。
氣門彈簧提高強(qiáng)度的方法還可以選擇噴丸，經(jīng)生產(chǎn)實(shí)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(dá)到較好的強(qiáng)化效果，又可使表面質(zhì)量得到改善。
2. 合金化
碳是鋼中的主要強(qiáng)化元素，對(duì)彈簧鋼的影響往往超過(guò)其他合金元素。根據(jù)使用要求，彈簧鋼材料應(yīng)是中高碳的合金鋼。當(dāng)今世界各國(guó)普遍采用的彈簧鋼，含碳量絕大部分在0.45%～0.65%。
為了克服彈簧鋼強(qiáng)度提高后韌性和塑性降低的難題，也有降低碳含量的趨勢(shì)。我國(guó)對(duì)低碳馬氏體彈簧鋼進(jìn)行了深入的研究，如28mnsib、35mnsib等，其碳含量在0.30%左右。實(shí)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(qiáng)度和優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，尤其是塑性、韌性極好。日本研究開(kāi)發(fā)的幾種高強(qiáng)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(xué)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(duì)彈減抗力影響最大的合金元素，這主要是由于硅具有強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化作用；同時(shí)，硅能抑制滲碳體在回火過(guò)程中的晶核形成和長(zhǎng)大，改變回火時(shí)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。目前，國(guó)內(nèi)鋼材牌號(hào)中wsi為1.8%～2.2%，是現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中含硅最高的彈簧鋼。但硅含量如果過(guò)高，將促進(jìn)鋼在軋制和熱處理過(guò)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(guò)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(shí)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(qiáng)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必須大于0.5%，以使淬火時(shí)彈簧鋼心部完全較變?yōu)轳R氏體，但當(dāng)wmn超過(guò)1.5%時(shí)，韌性明顯下降，這在選擇彈簧鋼時(shí)應(yīng)優(yōu)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(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中加鉬的彈簧鋼不多，加入量一般在0.4%以下。
釩是強(qiáng)碳化物形成元素，固態(tài)下所析出的細(xì)小彌散的mc型碳化物具有很強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化效果。在35crmnb鋼中加入0.11%v，可顯著提高鋼的淬透性，還發(fā)現(xiàn)釩能有效降低35simnb鋼的脫碳敏感性，認(rèn)為這與釩降低鋼中有效固溶碳、防止晶粒長(zhǎng)大和阻止晶界擴(kuò)散并提高抗氧化性有關(guān)。
