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来源：每天学点热处理 弹簧及弹性元件，是量大面广的基础零件，可以说是无处不在。在动力机械、电器、仪表、武器中作为控制性元件，也是非常关键的零件。它的基本功能是利用材料的弹性和弹簧的结构特点，在产生及恢复变形时，可以把机械功或动能转换为形变能，或者把形变能转换为动能或机械功，以达到缓冲或减振、控制运动或复位、储能或测量等目的。所以，在各类机械设备、仪器仪表、军工产品、电器、家具、家电甚至文具、玩具中都广泛使用弹簧。 影响弹簧质量和使用寿命的因素很多，如设计、选材、生产工艺及工况条件等等。其中，材质和热处理对弹簧的各种性能及其使用寿命有重要的甚至是决定性的影响。本文分四个主题，分别介绍各类机械设备中常用的弹簧材料和典型弹簧的热处理，对于特殊用途的弹性材料和元件的热处理只做扼要介绍。 一、弹簧的分类、服役条件、失效方式和性能要求 1 弹簧分类 弹簧种类很多，可按形状、承载特点、制造方法、材料成分和不同用途进行分类。每一类中又分为若干小类和不同规格。GB/T1805弹簧的标准中列出了22种，弹簧行业1990年提出的内部标准《弹簧种类》中，把弹簧分为15个小类。弹簧行业多按形状分类，在机械制造业中多按用途分类或按上述两者综合命名。如表1 。 ▼表1 弹簧的分类 典型螺旋弹簧及板簧如图1所示。 ▲图1 典型螺旋弹簧及板簧 2 弹簧的服役条件和失效形式 2.1 弹簧的服役条件和应力状态 弹簧的服役条件是指它的工作环境（温度和介质）及应力状态等因素。工作温度可分为低温（室温以下）、室温、较高温（120℃~350℃）、高温（350℃以上）几个档次。工作环境介质有空气、水蒸气、雨水、燃烧产物、以及酸、碱水溶液等。普通机械弹簧一般是在室温或较高工作温度、大气条件下承受载荷。也有用于耐蚀、承受高应力等各种特殊用途的弹簧。工作持续时间也是一个值得考虑的重要因素。
▲气门弹簧是要求最严苛的弹簧之一 弹簧的载荷特性由弹簧变形时的载荷（P或T）与变形（F或）之间的关系曲线表示。常用的有种三类型：直线型、渐增型、不重合型。各类弹簧的载荷特性见表2 。 ▼表2 各类弹簧的载荷特性
弹簧载荷有动载荷（振动、扭转、弯曲等）和静载荷，有些重要弹簧承受复杂的交变载荷。应力状态是弹簧设计、选材及热处理的一个极其重要的参数。在外力作用下，弹簧材料内部往往产生不同的应力：如弯曲应力、扭转应力（切应力），或弯曲-扭转复合应力等。典型弹簧的应力状态见表3 。 ▼表3 弹簧的应力状态举例
2.2 弹簧的失效方式 由于弹簧服役条件的复杂性和苛刻性，其失效方式也多种多样，但最主要的是“断裂失效”和“应力松弛(变形)失效”两大类。在断裂失效中又可分为脆性断裂和塑性断裂，其中突发性的脆性断裂危害性最大。在断裂失效中还有疲劳断裂、应力腐蚀断裂及腐蚀疲劳断裂。此外，还有氢脆、镉脆及黑脆等。其中疲劳断裂约占弹簧断裂失效的80%-90%。在生产实践中可依据弹簧断口特征来判断其断裂方式，可根据弹簧的受力条件找出其断裂源，分析其裂纹的扩展速率。应力松弛(变形)失效是弹簧工作过程中普遍存在的现象，一般不被重视，而它对那些执行控制的元件，则是影响产品效率、灵敏度及可靠性的关键性零件。弹簧的早期失效造成直接和间接的经济损失巨大。所以，弹簧的失效分析和预防是一项重要的技术任务。典型弹簧的失效方式见表4 。 ▼表4 弹簧的典型失效方式、特征及危害性
弹簧失效的原因比较复杂，除了与设计、成形加工质量、安装和使用是否正确等有关外，弹簧材料好坏和热处理质量优劣是影响产品的关键因素。 3 对弹簧的性能要求 弹簧性能好坏应包括弹簧材料、几何形状、尺寸精度和表面质量等内容，这其中，对弹簧性能的要求是重点。具体如下： 3.1 力学性能 由于弹簧是在弹性范围内工作，不允许产生永久变形。弹性好坏可用应变能或称弹性比功（U）表示。用公式如下： σe² τe² U∝ —— 或 U′∝ —— E G 即弹性比功与材料弹性极限（σe或 τe）的平方成正比，与材料的弹性模量（E）成反比。要求弹性应变能大，也就是要求材料的弹性极限、屈服极限和屈强比要高。弹簧材料和热处理工艺对这些性能影响很大。另一方面，许多重要弹簧是在交变载荷条件下长期工作的，要求弹簧有很高的疲劳强度，同时要求有良好的抗应力松性能，减少水久变形，以便保证机电产品效率的正常发挥和仪表的工作灵敏性及可靠性。因为应力松弛过程就是弹簧长期在室温或较高温度下工作、材料内部的微塑性变形逐渐转变为永久变形的必然结果。为了提高弹簧的使用寿命，对材料的冶金质量有很高要求。例如：要求弹簧材料表面不应有裂纹或类裂纹、凹坑、刻痕等弊病，在弹簧加工过程中更不应产生上述缺陷，要求钢质纯净(各种夹杂物含量要少、其形状和大小应在1级以内)，第二相质点匀、细、圆、显微组织均匀，不含脆性马氏体等，尽可能碱少表面脱碳。同时，要求材料尺寸公差应符合合同或有关标准进行。各项指标合格才能投入使用 3.2 理化性能 弹簧的工况很复杂，有些弹簧是在较高或高温下长期工作的，因此要求弹簧材料有良好的耐热性，即有高的蠕变极限、蠕变速率、较小和较低的应力松弛率。相反，有些弹簧是在严寒地带工作，则要求村料有较高的低温冲击韧度、较低的脆性转化温度(θ或△TTRS低)，以免发生冷脆，这方面的性能与弹簧材料的化学成分和组织状态有密切关系。在腐蚀介质中工作的弹簧，其表层金属与腐蚀介质发生化学或电化学反应，弹簧表层逐渐被腐蚀，易造成腐蚀脆性断裂。特别是在交变应力作用下，材料的疲劳极限将显降低，弹簧更易发生腐蚀疲劳断裂失效。所以，在这种情况下使用的弹簧必须具有良好的耐蚀性能。 对于精密仪器和电器仪表中使用的弹性元件，则要求有高导电、无磁性、不产生火花或恒弹性等。例如，铜合金弹性材料能满足高导电性能要求，钛合金、铜合金及奥氏体不锈钢弹性材料能满足无磁的要求，恒弹性合金的热胀系数很小，弹性模量在-50~+100°C之间基本上无变化，这是精密测量仪表及电子仪器中比较理想的弹性材料。 3.3 工艺性能 对于要求淬火而其截面尺寸又较大的弹簧，其钢材应有相应的淬透性、较小的过热敏感性和表面脱碳倾向。只有这样，才能保证弹簧表里组织和性能的一致性。在冷、热成形时要求材料有足够的塑性和良好的弯曲、扭转及缠绕性能，以便保证或提高弹簧的制造质量。尺寸较小的弹簧，热处理时变形大、难以校正，这很难保证弹簧产品质量。这种情况就要选用已强化的弹簧材料进行冷成型，冷成形后只进行低温退火，这样更能保证大批量小弹簧的产品质量并且成本低廉。 二 弹簧材料及其热处理 弹簧材料的种类繁多，生产上用量最多的是分类为弹簧钢的弹簧专用钢材。如碳素弹簧钢、低合金弹簧钢及高强度弹簧钢等，其次是具有特殊性能的弹簧材料，如不锈耐酸弹簧钢、耐热弹簧钢及合金(镍基、钛基及钴基合金、高弹性高导电的铜基合金)。非金属弹性材料有橡胶、塑料、陶瓷及流体等。这里只介绍金属类弹簧材料，以通用弹簧钢材为重点。 1 通用弹簧钢材及其热处理 1.1 通用弹簧钢材 弹簧钢大部分是圆钢、盘条、和扁钢。 国标、冶标号分别为：GB/T1222、 GB/T4395、YB/T037 弹簧钢的生产都是按国标或冶金标准进行的，其化学成分可查阅这些相关标准。
弹簧钢的含碳量（wt）在0.3%~1.2%之间，其中，碳素弹簧钢一般在0.6%~0.9%范围，属于高碳钢。合金弹簧钢的含碳量一般在0.45%~0.70%范围。钢中含碳量增加，能有效提高冷变形强化效果，获得较高强度或马氏体相变强化效果，获得较高的弹性极限，这是弹簧钢的主要优点。 但是，弹簧钢尤其是碳素弹簧钢有淬透性小、抗应力松弛性能不够好、耐腐蚀性差以及弹性模量温度系数较大等缺点，只能用于制造截面较小，工作温度不高的弹簧。为了改善上述不利因素，在钢中加入Si、Mn、Cr、Ni、Mo、V、W、Nb、B等元素制成合金弹簧钢。 在弹簧钢标准的更替进程中，增删了许多弹簧钢钢种。但标准中的有限钢种远不能满足工业的广泛需求，因此，碳素工具钢、高速工具钢、超高强度钢、不锈钢、耐热钢中有不少牌号也被选入弹簧钢材料当中，甚至还从铜基合金、镍基合金、或镍铬基合金中选用某些牌号做特殊用途弹簧的材料。 各种弹簧钢的热处理工艺参数、热处理后的力学性能及主要用途列于表5中，供参照。 ▼表5 热轧弹簧钢热处理后力学性能（GB/T1222-1984）及应用举例
1.2 冷成型用弹簧钢丝及其热处理 1.2.1 弹簧钢丝分类及其热处理工艺原理 弹簧钢丝是制造各种螺旋弹簧用量较多的材料，品种繁多。按其化学成分的不同，可分为碳素弹簧钢丝、合金弹簧钢丝(如硅锰弹簧钢丝、铬钒弹簧钢丝、硅铬弹簧钢丝等)、不锈弹簧钢丝等。按供货状态不同，可分为硬态和软态两大类，前者有冷拔强化的弹簧钢丝、油淬-火回火弹簧钢丝、形变热处理弹钢丝等，用硬态材料冷成形弹簧不需再进行淬火，只需进行去应力退火(也称低温回火)即可；后者以退火状态供货，它包括碳素工具钢丝、低合金和高合金钢丝，用这类材料冷成形的弹簧必须进行淬火和回火，以达到所要求的组织和力学性能。目前以冷拔碳素弹簧钢丝和各种油淬火-回火钢丝用量最大。弹簧钢丝的强化原理有如下几个方面：合金化强化、冷形变强化、马氏体相变强化和沉淀强化(时效硬化)。其中，形变和相变强化占有重要地位。反映在弹簧钢丝的生产过程中就是拔丝和热处理两道工序。弹簧钢丝生产企业的两个支柱部门就是拔丝车间和热处理车间，而热处理又是其中的关键工序。 弹簧产品的热处理一般可分为中间热处理和最终热处理两类：前者有退火(等温退火、再结晶退火等)、正火及索氏体化处理。主要目的是软化，为冷拔工序准备良好的金相组织；后者有铅浴淬火、油淬火-回火、形变热处理及贝氏体等温淬火等。除冷拔弹簧钢丝通过铅浴淬火后经过多次拉拨达到所需的力学性能外，其他硬态弹簧钢丝都是通过热处理达到所要求的力学性能的。 常用弹簧钢丝的冷拔和热处理过程、工艺原理、质量问题及组织性能特点，见图2和表6。
▲图2 弹簧钢丝的热处理工艺原理示意图 HOa-铅浴淬火（索氏体化） HOb-油淬火 HOc-低温形热处理 HOd-贝氏体邓文淬火 HOe-复合组织（B下+M）处理 HOf-邓文退火（球化）工艺 生产弹簧钢丝的主要原料是热轧盘条(即盘圆线材)，盘条质量的好坏直接影响弹簧钢丝的质量。为了减少金属的耗损，拔丝前容易清洗并提高钢丝性能的均匀性，目前多采用控轧技术或“散卷控制冷却”工艺等来提高盘条质量。
拔丝车间用来生产弹簧钢丝的盘条的质量，即优质碳素钢(65、70、65Mn)和碳素工具钢(T7A、T8A、T9A、T10A)盘条都应符合符合国标GB/T4354要求。琴钢丝用钢应符合国标GB/T699中的60、65、70、80、65Mn、70Mn和GB/T1298 中的T8MnA、T9A等钢种的相关要求。其盘条应符CB/T14981质量要求，盘条的丝径一般在Φ4~Φ16范围。制造异形钢丝时，宽边为5-15，盘条的圈径为Φ500~Φ1000。盘条往往存在着各种表面缺陷，如椭圆或其他异形、飞边、折叠、鳞皮、凹坑及刻痕，甚至有表面裂纹，表面脱碳更属常见的现象。线材内部缺陷则有缩孔、疏松、偏析、气孔及非金属夹杂物等。这些缺陷不仅影响拔丝的生产过程，而且直接影响弹簧钢丝的质量。为了进一步提高钢丝质量，可对盘条进行剥皮处理。 ▼表6 常用弹簧钢丝的主要生产过程、热处理工艺原理、质量问题、组织性能特点
1.2.2 冷拔弹簧钢丝及其热处理 冷拔弹簧钢丝分为碳素弹簧钢丝（GB/T4357）、重要用途的65Mn弹簧钢丝（GB/T4358）。都是用盘条拉拔而成。在拉拔前，盘条经过索氏体化处理，以利于拉拔。 1）钢丝的索氏体化 钢丝的索氏体化俗称铅淬火或焙燉处理，设备示意图见图3。
▲图3 弹簧钢丝铅淬火设备示意图 1-放线架 2-盘条钢丝 3-加热炉 4-铅浴槽 5-收线架 处理时盘条2（或钢丝）置于放线架1上，一般十几根或几十根同时连续地通过加热炉3，在炉中运行一定时间将钢丝加热到900℃~950℃后，浸入450℃~600℃的铅槽4中淬火，随后出槽空冷或淋水冷却，最后由收线架5收成盘圆。这种热处理使盘条获得均匀细片状索氏体，它具有优异的拉拔性能，断面收缩率可以到80%~90%以上。热处理后钢丝经过酸洗、沾白灰拉拔，即可达到所需要的力学性能。 盘条在炉中淬火，淬火温度 t淬火（℃）主要根据钢的含碳量及线径大小而定，可以用下式计算： t淬火=900-50w（C）+10d 式中 w（C）——钢中含碳量（%） d ——线径 钢丝在炉中的最短加热时间τmin（s）可以用以下公式计算：
也可以近似地认为与钢丝直径成正比，现场试验确定参数。 弹簧钢丝的热处理是连续流水作业，通道式加热炉长十几米甚至几十米，由钢丝直径大小，加热炉长度及铅浴槽长度可以确定钢丝运行速度，用无级变速器来调节收线机的回转速度。 钢丝在炉中加热过程中必须完成奥氏体化过程，将发生如下几个转变： ①应变时效。 ②恢复、再结晶及珠光体球化。 ③奥氏体的形成。 ④奥氏体晶粒长大及成分均匀化等。 由于炉内温度分布不均，钢丝之间也有差异，所以，加热时钢丝内部奥氏体化过程也不完全致。实践表明，奥氏体形成、长大和成分均匀化过程占50%加热全过程是合适的。提高加热炉预热段温度，将缩短前两个转变过程所需的时间、延长后两个转变过程的时间，这有利于提高生产率。调整铅淬火前的组织状态或适当提高钢丝的加热温度，都可改善索氏体处理后的组织均匀性，改善冷拔性能并提高钢丝的综合力学性能。 铅浴淬火也可采用对钢丝直接通电加热法进行处理，也就是将钢丝通低压大电流，使之自身发热。其优点是加热速度快，加热时间较短、热效率高，所占生产面积较小，比较容易采用保护气氛加热，减少钢丝表面脱碳和金属耗损等。钢丝加热到奥氏体状态是淬火的前提条件，铅浴淬火时的冷却条件对冷拔弹簧钢丝的组织和性能也有很大影响。由于冷却介质的不同，索氏体处理便有不同的名称，例如，铅浴处理、盐浴处理、流态床处理、热水浴处理等，甚至风冷处理，有些做正火处理在这里也属于这个范围。 目前，国内外仍被广泛采用的还是铅浴淬火。在生产中根据钢中碳含量及丝径大小确定铅浴温度。钢中碳含量越多，铅浴温度应越高；丝径越大，铅浴温度(°C)应越低。通常用下式计算： t铅浴=400+60w(C)-15d 式中 w(C)—钢中碳含量(%)； d—钢丝直径(mm) 实际生产时，盘条通过铅浴的时间约为60s。 铅浴的主要优点是有很好的导热能力，钢丝可在较短的时间内从奥氏体化温度冷却到接近铅浴的温度。碳钢的奥氏体在500℃左右的铅浴中完成索氏体转变的时间只需20s，实际生产中钢丝在铅浴中通过时间约60s。对于含有较多的Mn、Si、Cr等合金元素时，奥氏体稳定，需要延长在铅浴中的通过时间，否则容易出现淬火马氏体组织。 铅淬工艺容易出现的问题有：表面脱碳、组织粗大、先共析铁素体量超标（标准规定≤5%）。这是由于是铅浴前端过热、钢丝通过铅浴时间过快造成的。需要改善铅浴循环冷却，和适当调整工艺。另外，铅淬也存在铅蒸汽污染问题，对人体、环境有害。所以铅浴替代技术是这个行业值得重视的课题。有人使用PAG水溶液、4%~7%聚丙烯酸钠水溶液等做淬火介质，还有用流态床做加热和淬火介质的，小规格钢丝也有人使用鼓风冷却。随着控制手段的不断发展，铅浴替代技术将趋于成熟。 2）拉拔弹簧钢丝的力学性能 冷拔碳素弹簧钢丝按丝径不同共有46个规格，按用途和力学性能不同分为A、B、C三组，可参见GB/T4357。A组抗拉强度较低，用于制造一般弹簧；B组居中，用于制造低应力弹簧；C组的抗拉强度最高，用于制造高应力弹簧。 此外，还有琴钢丝用于制造具有重要用途的不经淬火、只进行去应力退火的弹簧。它们按用途不同亦分为三组，即G1组，共15个规格，用于制造各种重要用途的弹簧；G2组，共有15个规格，用于各种高应力弹簧；F组，共9个规格，用于各种阀门弹簧，其强度高于普通碳素弹簧钢丝，而且，其强度波动范围亦较小。可参见GB/T4358。例如，直径0.2-1.4mm钢丝，强度的上下限不得超过±40MPa，其他尺寸钢丝的抗拉强度不得超过规定上下限±30MPa。这类钢丝对化学成分、显微组织、表面质量、缠绕性能及疲劳寿命等都有更高的要求。
在弹簧设计中，材料的抗拉强度(σb)是一个关键性数据。可采用回归方程通式： σb=a-lnd 很方便地算出。对于（GB/T4357）标准中A、B、C三组相应为： A组方程：σb=1364-200lnd B组方程：σb=1662-241lnd C组方程：σb=1883-252lnd 冷拔弹簧钢丝应具有良好的工艺性能，见表8 。其中，琴钢丝（特别是F组）要求比碳素弹簧钢丝有更好的扭转和缠绕性能，以利于成型，对钢丝的表面质量要求也更高，以保证其疲劳寿命（琴丝的振动是一种高频率的交变载荷）。 1.2.3 油淬火-回火钢丝 这种钢丝国内称油淬火钢丝，国外称油回火钢丝。冷拔弹簧钢丝特别是细规格，可达到很高的综合力学性能。这种钢丝不是靠冷变形达到所要求的力学性能的，而是通过马氏体相变强化来实现。只要钢有足够的淬透性，粗细钢丝均能获得比较均匀细小的马氏体和良好的力学性能，这类钢丝没有内应力，挺直性优异，冷缠绕性好，而且质量均匀稳定，弹性极限极高，抗疲劳性能好，从而取代了用退火料缠绕后再进行淬火回火的生产工艺，及大地提高了生产率和产品质量。也使得大直径的油淬火-回火钢丝、钢棒容易制造。 油淬火-回火钢丝分两类，一是普通质量的油淬火-回火钢丝，用于制造重要的机械弹簧，二是专门用来制造阀门弹簧或其他要求高疲劳性能的阀门弹簧钢丝。主要不同点是后者冶金质量高，含有害杂质（P、S、O等）更少，表面质量更高，力学性能波动范围更小等。 国产油淬火-回火弹簧钢丝有以下几种： 阀门用油淬火-回火铬钒合金弹簧钢丝（标准GB2211）, 阀门用油淬火-回火碳素弹簧钢丝（标准YB/T5102）, 阀门用油淬火-回火硅锰合金弹簧钢丝（标准YB/T5104）, 阀门用油淬火-回火铬硅合金弹簧钢丝（标准YB/T5105）, 以上这类弹簧钢丝已在汽车拖拉机等生产中得到了广泛的应用。 下面分别叙述这类钢丝的热处理工艺、力学性能和发展趋势 1）油淬火-回火弹簧钢丝的热处理工艺 冶金企业通常采用连续运转的专用热处理生产线来生产各种油淬火-回火弹簧钢丝。淬火加热设备有两种：一是电阻炉马弗管(内村渗铝管或不锈钢管)辐射加热法，见图4。二是利用钢丝直接通电自身加热法(见图4b)。前者加热炉长：淬火油槽长：回火铅浴炉长=4:1:2，适于处理丝径Φ2-Φ7的弹簧钢丝。淬火加热温度由钢种、丝径大小及在炉内加热时间长短等因素决定，一般选800℃~950°C，其下限适于处理碳素钢和锰钢，上限适于处理50CrVA等低合金钢丝。加热时间与炉温、丝径大小及其运行速度等有关，炉温越高、丝径越细、则加热时间越短，每毫米直径需加热30s~50s，低合金钢丝的加热时间应为碳素钢丝的2-3倍。淬火油温应控制在40℃-70°C范围，油应循环流动，保证冷却均匀稳定，以获得匀细的马氏体。回火一般在铅浴中进行，回火温度和时间应根据钢种，丝径大小及其运行速度快慢来决定。例如50CrVA钢丝的回火温度为400℃~500°C，回火时间不少于10s。 如果提高炉温(高于1000°C)或采用直接通电加热法，将大幅度提高加热速度，显著缩短加热时间；处理钢丝的加热温度亦可适当提高。例如50CrVA钢丝可提高到1000°C，有利于获得超细晶粒，提高生产率，但为保证冷却和回火时间充分，淬火油槽和回火铅浴炉应适当加长，否则会造成回火不足等质量事故。
▲图4 油淬火-回火弹簧钢丝热处理生产线布置示意图 a）马弗管间接加热法 b）直接通电加热法 1-放线架 2-钢丝 3-加热炉 4-淬火油槽 5-铅浴回火槽 6-收线架 7-淬火油循环冷却装置 8-冷接点（铅浴） 9-热接点（铅浴） 10-稳压器及调压器 为了防止钢丝表面脱碳，在加热管中有保护气氛(如滴入微量甲醇等)可获得良好的效果。油淬火回火工艺中存在的质量问题主要有： ①钢丝表面脱碳超标； ②硬度过高，这是回火不足造成的，导致钢丝变脆； ③组织粗大，这是加热温度过高的结果； ④操作不当，使钢丝发生碰伤或刻痕等缺陷。 2）油淬火-回火弹簧钢丝的力学性能 机械弹簧用油淬火-回火钢丝国标是GB/T1222，其中包含碳素钢丝和60Si2MnA。其抗拉强度σb与丝径（d）的关系见图5 。后者是低合金钢（Si+Mn），其σb比碳素钢要高。由于硅锰元素增加钢的淬透性，当丝径较小时它们差距不大；当丝径较大（d＞5mm）时，则强度差距拉大。还应指出，油淬火-回火碳素钢丝（GB/T1222）分为A、B两类，A类选优质碳素钢（GB/T4354）盘条制造，即选择55、60、60Mn、65Mn、70、70Mn等钢制造。B类选65、65Mn、70、70Mn、75、80等钢制造。丝径范围Φ2-Φ12，共有18个规格。按抗拉强度高低分为A类和B类，B类的σb比A类高98.1MPa，强度波动范围为±73.6MPa。60Si2MnA钢丝（GB/T1222）按σb的不同分为A、B、C三类，其中A类强度最低，B类居中，C类最高，并且均相差98.1MPa，波动范围也是±73.6MPa。丝径d 在A、B两类中有24个规格，丝径范围为Φ2-Φ14，在C类中有16个规格，丝径范围为Φ2-Φ12 。
▲图5 机械弹簧用油淬火-回火钢丝的抗拉强度与丝径的关系
阀门用油淬火-回火弹簧钢丝的抗拉强度和丝径关系见图6。由图可见，55CrSi钢（YB/T5105）强度最高，它有16个规格，丝径范围Φ1.6-Φ8.其次是50CrVA（YB/T5008）,它有21个规格，丝径范围Φ1.0-Φ10。碳素钢（YB/T5102）的强度最低，它有11个规格，丝径范围Φ2-Φ6 。上述三种阀门弹簧钢丝强度波动范围皆为±73.6MPa，但50CrVA的Φ1.0-Φ1.8例外，波动范围98.1MPa 。
▲图6 阀门用油淬火-回火弹簧钢丝的抗拉强度与丝径的关系
阀门用油淬火回火弹簧钢丝的塑性及工艺性能要求见表7。应该指出，机械弹簧用油淬火回火钢丝对工艺性能要求和阀门用油基本相同。但对断面收缩率和扭转试验没有具体指标。国外航空用的油淬火-回火钢丝的抗拉强度上下波动±49MPa甚至±29MPa在規格品种方面，国外大规格的油淬火回火钢棒的直径达20-30，小规格的丝径Φ＜1.0。 ▼表7 阀门用油淬火-回火弹簧钢丝的塑性及工艺性能要求
3）油淬火回火弹簧钢丝的发展趋势 a.日本开发的高强度油摔火回火钢丝专门用来制造汽车阀门弹簧，其化学成分(wt):C0.57%-062%，Si1.40%-1.6%，Mn0.50%-0.80%，Cr<0.15%，V0.05-0.10,另加Ni，S和P均≤0.020%(这相当于国产牌号60Si2MnVA)。它的抗拉强度σb与丝径（Φ2-Φ6） 的关系曲线正好落在55SiCr钢丝的上方，比55SiCr钢的σb 高约150MPa（参见图6）。这是由于该钢含有较多的碳、镍和钒的结果；另一方面，钢中有镍可提高淬透性和韧性，主要是合金化强化。从C、Si、Mn三种元素含量看，这种高强度钢是在60Si2MnA钢基础上开发出来的新型弹簧钢。添加Ni和V，通过精炼技术尽可能减少P、S、O等有害元素的量，不像60Si2MnA那样形成较多的硅酸盐夹杂物，V和Ni可细化显微组织，所以，这种钢具有很高的强韧性，与俄罗斯ГOCT602HA较为接近。 b.瑞典在上世纪80年代推出的专利产品OTEVA-40，其主要成分相当于我国的65Mn，含Mn量较多，而且加入微量元素Ti或V，从而获得ASTM11级以上的超细晶粒油淬火-回火弹簧钢丝，其强度水平比油淬火-回火碳素弹簧钢丝的要高，接近50CrVA油淬火-回火钢丝的水平。我国实验人员采用直接通电快速加热方法(加热速度50°C/s左右)，将钢丝加热到820℃~850℃后于油中淬火，铅浴中回火，一次处理(见图2e线所示)就可获得ASTM14级超细晶粒的油淬火-回火65Mn钢丝和ASTM11~12级50CrVA油淬火(1000℃)回火弹簧钢丝。此外，日本采用循环3-4次感应加热法，可生产较粗规格的超细晶粒的高强度弹性棒材。
超细晶粒油淬火回火弹簧钢丝有优异的综合力学性能，扭转和冷绕簧性能良好。我们知道，晶粒越细小，钢的越高、韧性越好、在断裂过程中需消耗的功越多；另一方面，晶粒越细小，钢丝的屈强比越高。所以，超细晶粒油淬火-回火65Mh弹簧钢丝强屈比比普通热处理要高得多，和瑞典 OTEVA-40的性能基本一致。扭转疲劳试验表明：用超细晶粒油淬火-回火钢丝制成的弹簧比用普通热处理具有更高的疲劳寿命。由于这种钢丝的σ0.2和屈强比均较高，用它绕制的阀门弹簧也具有更好的抗应力松弛性能。用超细晶粒油淬火-回火钢丝制造气阀弹簧使用寿命比一般材料制造的提高几倍到几十倍。大大提高发动机的运行可靠性。 c.形变热处理技术在弹簧钢方面的应用最为成功。其实质就是通过形变热处理使油淬火-回火弹簧钢丝得到超细组织，从而具有高强度和良好的韧性。其设备与图4相似，不同之处是热接点铅浴槽中安置了一个拔丝模，让过冷奥氏体进行拉拔后即刻淬油，然后回火，参见图2曲线c，另外，拔丝机取代收线机。 70、75、80、65Mn、70Mn、80Mn、60s2Mn、50CrVA、以及65Si2MnWA等钢种均可试制和生产形变热处理弹簧钢丝。其奥氏体化温度为800℃~950°C；形变温度为400℃-340°C(铅浴)，拉拔时断面缩率约25%；油淬(油温70°C)；回火温度在350℃-400°C(铅浴炉或流态粒子炉)范围内选择。拉拔形变时润滑是一个关键技术问题。形变热处理弹簧钢丝和油淬火钢丝力学性能的比较见表8。可见，在相同的塑性条件下，形变热处理弹簧钢丝的抗拉强度σb比普通油淬火钢丝高250~300MPa。 ▼表8 形变热处理弹簧钢丝与油淬火钢丝力学性能比较
1.2.4 退火（或冷拉）状态下的低合金弹簧钢丝 钢丝这类弹簧材料包括硅锰弹簧钢丝如60Si2MnA(GB/T5218)、铬硅弹簧钢丝(GB5221)、铬钒弹簧钢丝(GB5218)及阀门用铬钒弹簧钢丝(YB/T5136)。此外，还有65Si2MnWA及70Si3MnA等。硅锰弹簧钢丝交货状态有冷拉(L)、退火(T)、正火(h)、高温回火（Gh）和银亮(Zy)等五种，丝径范围Φ1.0-Φ12.0。铬钒或铬硅弹簧钢丝只有冷拉(L)和退火(T)两种，丝径范围Φ0.8~Φ12.0。阀门用铬钒弹簧钢丝有冷拉(L)、退火(T)、冷拔+银亮(L+Zy)、退火+银亮(T+y)等四种，丝径范围Φ0.5~Φ12.0。 这类钢丝是软态或半硬态，冷绕成弹簧后必须进行淬火-回火达到所要求的力学性能。弹簧质量的高低不仅与钢丝原材料的好坏有密切关系，在很大程度上取决于热处理的工艺水平。特别是那些规格＜Φ1.0的钢丝绕制成的压缩机阀门弹簧，数量大而尺寸很小，热处理生产时极易变形、淬火质量达不到要求、表面氧化、锈蚀严重等，故一般选用油淬火-回火钢丝来制造。 对规格较粗的退火态或油淬火-回火钢丝进行磨光或抛光，使其表面质量提高，减少表面缺陷，可提高弹簧的疲劳寿命。如成盘供货或以定尺直条钢棒供货，常用来制造非常重要的弹簧。如轿车的气门弹簧、喷油嘴调压弹簧及石油工业中的钻头卡簧等，这类弹簧都必须进行淬火-回火后才能使用。热处理时应保护其表面质量，不能碰撞造成刻痕或氧化脱碳。如采用磨光或抛光油淬火钢丝制造上述重要弹簧。则其热处理简单，又能保证内在质量。 1.3 弹簧用钢板及薄钢带 弹簧薄钢板和钢带用来制造碟簧、波形弹簧和蜗卷螺旋弹簧等。钢种有碳素钢、低合金钢及高合金钢三类。由于状态不同，弹簧钢、钢板可分为两类：即退火钢带(<200HV)、冷轧钢带，其中一种是半硬态(230-270HV)；另一种是全硬态(≤33HRC)。热处理钢带有调质钢带和贝氏体钢带。常用弹簧薄钢板和钢带的种类及技术标准见表9 。 ▼表9 常用弹簧钢薄钢板和钢带的种类及技术标准
1.3.1 弹簧薄钢板(YB543) 弹簧薄钢板选用的钢号及其化学成分应符合YB/T59的规定。供货状态下的力学性能见表10。这类材料制成的弹簧都必须经过热处理才能获得所需的力学性能。 ▼表10 弹簧钢用薄钢板的钢号及其力学性能
1.3.2 热处理弹簧钢带
热处理弹簧钢带有两种：即通过调质处理的钢带和经过等温淬火的下贝氏体钢带，它们都是用连续作业炉生产的。热处理时控制加热炉钢带进出处的炉温及回火浴炉的温度。例如，厚度0.3的T10A钢带，运行速度为8m/min时，淬火加热炉(炉长4m)的入口处温度为840°C，出口处温度为930°C。钢带加热好后引入温度为320°C的铅锑合金浴炉中进行贝氏体等温淬火，或直接油淬。随后按所需强度级别，连续在380℃~580°C的浴炉中回火。按国标，热处理弹簧钢带的强度分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三级，其力学性能和相应的回火温度见表11。显然，用调质或下贝氏体钢带制成的弹簧均不需再淬火回火处理，只进行去应力退火就即可。 ▼表11 热处理弹簧钢带的力学性能及推荐回火温度
1.3.3 冷轧钢带（YB208） 冷轧钢带(YB208)弹簧钢及工具钢冷轧钢带按制造精密分类：普通精度钢带(P)、宽度精密钢带(K)、厚度精密钢带(H)、宽度及厚度均精密的钢带(KH)等四种。按表面状态分类：光亮钢带(G)、不光亮钢带(BG)两种；按边部状态分；切边钢带(Q)和不切边钢带(BQ)两种；按材料状态分类：冷轧硬钢带(L)和正火钢带(T)等。其力学性能见表12。用退火态钢带制造的弹簧或弹性元件必须进行淬火回火处理来得到所要求的性能。 ▼表12 弹簧钢和工具钢冷轧钢带的力学性能（YB208）
2 特殊用途的弹簧钢、合金钢的热处理 为了满足各种弹簧在不同工作条件下的性能要求，必须选用特殊性能的弹簧材料，如不锈耐蚀，高导电、无磁、耐热、及恒弹性材料等。 2.1 不锈耐蚀弹簧钢及其热处理 在腐蚀介质中或在较高温度下工作的弹簧和弹性元件，采用冷拔弹簧钢丝或油淬火-回火钢丝来制造已不能胜任时，就必须用不锈钢或耐热钢来制造。常用不锈耐蚀弹簧钢的品种主要有奥氏体类、马氏体类、过度类（沉淀硬化型）等，其牌号及主要用途如表13所示。 ▼表13 常用不锈耐蚀弹簧钢的牌号及主要用途举例
2.1.1 马氏体类不锈弹簧钢 马氏体相变强化不锈钢有2Cr13、3Cr13、4Cr13及1Cr17Ni2等钢号。如果用退火态材料制成弹簧，就必须进行淬火回火以达到要求性能。如果采用油淬火-回火的3Cr13及4Cr13不锈钢丝来制造弹簧，则其生产工艺简单，可免去高温淬火时弹簧易变形、软硬不均匀等缺点。实践表明：采用直接通电加热法处理上述不锈钢丝（即油淬火-回火），可获得良好的效果。例如，Φ1.7的4Cr13不锈弹簧钢丝的快速加热工艺：淬火温度(1070±10)°C、加热时间9s； (360±10)°C分级冷却10s；在40℃-60°C油中冷却9s；再在(460±10)°C铅浴中连续回火32s，回火后应再在油中冷却，防止回火脆性。处理后钢丝的力学性能为σb≥1600 MPa HRC≥45，弯、扭及缠绕性能良好。 1CrI7Ni2钢属于马氏体-铁素体型不锈钢，它具有较高的耐蚀性和力学性能。但脆性倾向较大。其淬火温度为980~1000°C，回火温度为350℃~450°C 2.1.2 奥氏体类耐蚀不锈弹簧钢 通用的18-8型镍铬奥氏体不锈钢比上述马氏体不锈钢具有更好的耐蚀性、良好的冷变形性能。在常温或低温下有很好的塑性和韧性。在室温下保持奥氏体组织、无磁，它属于形变强化的不锈弹簧钢。简单的18-8型奥氏体不锈钢的一个严重缺点是会发生晶间腐蚀现象，因此，在钢中加入适量的钛或铌等元素使其和碳结合，基体的铬含量不降低，在晶界附近就不会形成贫铬区，从而防止晶间腐蚀现象的出现。在18-8型钢中加入Mo2%~4%(wt)，可提高它在硫酸和氯化物中的耐蚀性。为了获得纯奥氏体组织，相应增加钢中的镍含量，于是得到一些新的奥氏体不锈钢，如0Cr18Ni9Ti和1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni12Mo2Ti及1Cr18Ni12Mo2Ti等。 YB/T11推荐的不锈弹簧钢号只有1Cr18Ni9、0Cr19Ni10、0Cr17Ni2Mo2及0Cr17Ni8Al等。按其抗拉强度σb的不同分为三组： A，Φ0.08-Φ8.0，共41个规格， B，Φ0.08-Φ10.0，共44个规格， C，Φ0.1-Φ6.0，共36个规格。 其力学性能见图7。
▲图7 拉拔不锈弹簧钢丝的强度与丝径的关系（按YB/T11绘制）
B组的强度最高，A组最低，C组居中。三组的抗拉强度中值线在图7中分别用BB'、AA'及CC′连线表示。三组钢丝的强度波动皆为±122.6MPa。由此可知，YB/T11推荐的弹簧用不锈钢的强度波动范围比油淬火钢丝者要大。应当指出，18-8型奥氏体在深度冷拔时，形变将诱发马氏体相变；试验证明，断面缩率越大，温度越低，诱发马氏体的数量越多，钢丝强化效果越大。如冷拉不均匀，诱发马氏体量也不均匀，这是造成此类钢丝强度波动较大的原因。 2.1.3 沉淀硬化(PH型)不锈弹簧钢及其热处理 用来制造弹簧或弹性元件的沉淀硬化型不锈钢有GB/T1220中的0Cr17Ni7A(简称17-7PH)、0Cr15NiMo2Al(简称15-7MoPH)、1Cr17Ni14Mo2N及0Cr12Ni14Mn5Mo3Al (YB/E7)等钢号。这类钢中含镍量低于18-8型不锈钢。钢中含铝、钼等合金元素的相，在时效时会转变为马氏体，所以称为奥氏体-马氏体过度类不锈钢，它们的耐蚀性比奥氏体不锈钢要低，但优于马氏体不锈钢。钢中的铝、钼等元素在时效时起沉淀强化作用，能进一步提高其强度和耐热性。 17-7PH钢的冷加工和热处理过程比较复杂，主要有以下几种情况：固溶处理（A处理）、冷变形处理（T处理）、冷处理（C处理）、冷变形处理（R处理）具体工艺流程见图8 。
▲图8 沉淀硬化不锈弹簧钢（17-1PH）的工序流程及工艺参数 2.1.4 马氏体时效不锈钢 马氏体时效不锈钢主要有四个系列：Fe-Cr-Ni-Mo、Fe-Cr-Ni-Ti、Fe-Co-Mo、及Fe-Cr-Co-Mn。由于这类钢的超低碳（wt C≤0.03%），热处理后得到斑条状马氏体再经沉淀硬化（时效），既保留了马氏体时效的高强度、高弹性极限和优良的韧性、塑性、冷加工优异性等特点，又具有不锈钢的耐蚀性，但价格贵。国产钢号有：00Cr12Ni9CuTiNb、00Cr13Ni6MoNb及00Cr12Co12NiMo4TiAl等。这几种不锈耐蚀弹簧钢经不同热处理后的力学性能见表14 。 ▼表14 不锈耐蚀弹簧钢经不同热处理后的力学性能
2.2 耐热弹簧钢和合金 在室温~250℃范围内工作的弹簧，一般选用冷拔碳素钢丝或油淬火钢丝。工作温度更高时，可选用各种不锈弹簧钢、高合金工具钢或耐热弹性和金。各种弹簧钢、工具钢及耐热合金的允许工作温度见表15 。 ▼表15 各种弹簧钢、工具钢及耐热合金的允许工作温度
耐高温高弹性合金主要用来制造自动仪器仪表调压阀门弹簧，大型飞机发动机油门弹簧差压膜片、膜盒和波纹管，微型继电器弹簧片，电视机显像管内支撑弹簧片及汽油转子发动机刮片弹簧等。下面介绍三类耐热弹簧材料 2.2.1 高合金工具钢 热作模具钢3Cr2W8V及4Cr5MoSiV、高速钢W18Cr4V的耐热性能好，其热处理工艺比较成熟，也可用来制造耐热弹簧。钢丝热卷簧成形后，经淬火-回火后获得硬度<60HRC。但是，高合金工具钢的热处理工艺比较复杂，性脆，耐热性不够稳定，故应用较少。新型热作模具钢30W4Cr2V即( DIN30WCrV179)、65Cr4W8MoV即(DIN65WMo348)等、钢中含碳及含钨量较低，不仅降低了成本，也改善了钢的塑性和韧性，有利于缠簧并改善其热处理工艺性。 2.2.2 奥氏体沉淀强化合金 这类材料属于Fe-Ni基耐热合金，主要有Ni36CrTiAl(3J1)、Ni36CrTiAIMo5(3J2) 及 Ni36CrTiAIMo8 (3J3)等。在淬火状态(固溶处理)为奥氏体组织，有良好的塑性，易于成形加工，再通过时效处理、析出弥散分布的金属间化合物。这类合金的主要优点是在较高工作温度下仍保持高弹性，高的弹性稳定性，且无磁、耐蚀性能好。热处理后的力学性能见表16。 ▼表16 耐热弹簧钢及合金的热处理工艺和力学性能
铁基奥氏体沉淀硬化合金有Cr14Ni25Mo及3Cr19 Ni9WMoNbTi等。合金中含有较多的铬和镍，故在室温下为奥氏体组织；又含有Mo、W、Nb及Ti等强碳化物形成元素，故固溶后沉淀强化显著，并形成稳定的第二相，阻止晶粒粗化，故有较高的热强性，在高温下有良好的抗氧化和耐蚀性。GH2132、A286美(0Cr15Ni26MoVTi2AIB)也属于这一类合金，其热处理工艺和处理后的力学性能见表16。 2.2.3 镍基及钻基耐热高弹性合金 它们是些不含或少含铁的镍基合金(合金含量为质量分数)，可分为两类：Ni-Cr(19%)系列和Ni-Cr(15%)-Co(29%)系列，组织为Ni-Cr基奥氏体。钴基耐热合金中含有(10%-20%Cr+Ni)，并有少量的Mo、Ti、Nb、W、AI等元素。它们属于高级弹性合金，具有高弹性、高疲劳极限、高的弹性稳定性、耐蚀、无磁等，用来制造在燃气中长期工作的弹性元件及钟表仪器中的精密弹 簧。它们的热处理工艺及力学性能见表16。 |
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