油淬火-回火VDCrSi耐疲彈簧鋼絲 汽車用鋼 高強度高韌性彈簧鋼

彈簧鋼具有優(yōu)良的綜合性能，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）、精確的外形和尺寸。

定義

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）、精確的外形和尺寸。

根據(jù)GB/T 13304《鋼分類》標準，按照基本性能及使用特性一，彈簧鋼屬于機械結(jié)構(gòu)用鋼；按照質(zhì)量等級，屬于特殊質(zhì)量鋼，即在生產(chǎn)過程中需要特別嚴格控制質(zhì)量和性能的鋼。按照中國習慣，彈簧鋼屬于特殊鋼，制作彈簧鋼的時候技術(shù)要求比較高，過硬的技術(shù)直接決定品質(zhì)的高低。

分類

按照化學成分分類

根據(jù)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。

碳素彈簧鋼

碳素彈簧鋼的碳含量（質(zhì)量分數(shù)）一般在0.62%~0.90%。按照其錳含量又分為一般錳含量（質(zhì)量分數(shù)） (0.50%~0.80%）如65、70、85和較高錳含量（質(zhì)量分數(shù)） (0.90~1.20%），如65Mn兩類。

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(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、高速工具鋼、不銹鋼，選擇一些牌號作為彈簧用鋼。

按照生產(chǎn)加工方法分類

⒈ 熱軋 （鍛）鋼材包括熱軋軋圓鋼、方鋼、扁鋼、鋼板，鍛制圓鋼、方鋼。

⒉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

⒈ 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，然后進行淬火和回火處理。

以上均應符合相應的交貨狀態(tài)硬度的規(guī)定。

⒉ 冷拉 （軋） 鋼材

A.鋼絲

① 鹽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(xù)加熱、連續(xù)油淬火和鉛回火。鋼絲制成彈簧后只需進行底溫火，以消除應力。

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 制成彈簧后需進行低溫回火，以消除應力。

② 淬火和回火狀態(tài)交貨 制成彈簧后需進行低溫回火，以削除應力。

③ 退火火狀態(tài)交貨 制成彈簧后需進行淬火和回火處理

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成分（力學性能）交貨和按淬透性交貨。

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。

工藝性能

彈簧在沖擊、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(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，結(jié)合中國資源，并根據(jù)汽車、拖拉機設計新技術(shù)的要求，研制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(zhì)量。

性能要求

彈簧在沖擊、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(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，結(jié)合中國資源，并根據(jù)汽車、拖拉機設計新技術(shù)的要求，研制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(zhì)量。

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。

熱處理規(guī)范

鋼號淬火溫度淬火介質(zhì)硬度要求 回火溫度 冷卻介質(zhì) 硬度要求 應用范圍

65780-830 水或油 400-600 線徑小于12-15mm的螺旋彈簧、彈簧墊圈

65Mn810-830 油或水 >60 370-400 水 42-50 5-10mm的板簧片及7-10mm的卷簧

50CrV850-870 油 >58 400-55 水 45-50截面較大和較重要的板簧片及螺旋彈簧

50CrV850-870 油 >58 370-420油 45-52 300C以下工作的高溫彈簧

60Si2MnA860-880 油 >60 500-520 水 HB363-444 厚度8-12mm的板簧片

特性應用

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、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。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2.00%）。

強度高，彈性好。抗回火穩(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、中型汽車的前后懸掛彈簧、副簧。

55Si2MnB 中國自行研制的鋼號，淬透性、綜合力學性能、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(nèi)應力 制造載荷大的重要大型彈簧。60Si2CrA可制汽輪機汽封彈簧、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、破碎機彈簧。

4. 55CrMnA

60CrMnA 突出優(yōu)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(xiàn)有各種彈簧鋼中淬透性最高。力學性能、抗回火穩(wěn)定性等亦好 大型土木建筑、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(zhuǎn)彈簧等。

8. 30W4Cr2VA

高強度耐熱彈簧鋼。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。

研究進展

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)量保證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，達到最佳合金化效果。

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(shù)對彈簧內(nèi)在質(zhì)量有著至關(guān)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。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。

氣門彈簧提高強度的方法還可以選擇噴丸，經(jīng)生產(chǎn)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(zhì)量得到改善。

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。當今世界各國普遍采用的彈簧鋼，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(yōu)良的綜合力學性能，尤其是塑性、韌性極好。日本研究開發(fā)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。目前，國內(nèi)鋼材牌號中wsi為1.8%～2.2%，是現(xiàn)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，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。

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%，以使淬火時彈簧鋼心部完全較變?yōu)轳R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(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(tài)下所析出的細小彌散的mc型碳化物具有很強的沉淀強化效果。在35crmnb鋼中加入0.11%v，可顯著提高鋼的淬透性，還發(fā)現(xiàn)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并提高抗氧化性有關(guān)。