弹簧钢简介与应用
弹簧是应用很广泛的各种机械和仪表中重要零件，其外形可分成板簧和螺旋弹簧两大类。弹簧的主要功能是消震及储能。弹簧工作时产生很大的弹性变形、吸收冲击能量、缓和冲击，例如汽车等车辆上的缓冲弹簧；弹簧还可以通过释放所吸收的能量，使其它零件完成某种动作，例如发动机上的气阀弹簧、仪表弹簧等。
1、 弹簧钢的特点
弹簧钢首先，必须应具备高的弹性极限和高的屈强比，以避免弹簧在高载荷下产生永久变形；其次，应具备高的疲劳极限和高的抗拉强度，以免弹簧在长期震动和交变载荷应力的作用下产生疲劳破坏；再次，有一定冲击韧度和足够的塑性；同时还要求有良好的淬透性和低的脱碳敏感性，使弹性极限大幅度降低；以及良好的表面质量，在冷热状态下容易加工成形和良好的热处理工艺性。
弹簧钢一般均在弹性极限范围内服役，承受载荷时不允许产生塑性变形，因此要求弹簧钢经淬火、中温回火后具有尽可能高的弹性极限和屈强比值（≥0.90）。
为了获得弹簧所要求的性能，弹簧钢采用较高的含碳量，碳素弹簧钢通常在0.60%～0.85%范围。如65、70钢等的淬透性较差，其截面尺寸超过12mm时在油中就不能淬透，若用水淬火就容易开裂。对于截面尺寸较大、承受较重负荷的弹簧都是用合金钢制造。
合金弹簧钢的合碳量一般在0.50%～0.70%之间，所含合金元素有Si、Mn、Cr、V等，它们的主要作用是提高钢的淬透性和回火稳定性，强化铁素体和细化晶粒，从而有效地改善弹簧钢的力学性能。Si和Mn主要提高淬透性，同时也提高屈强比，且以Si的作用最突出，但它在热处理时促进表面脱碳，Mn则使钢易过热，造成晶粒粗大。重要用途的弹簧钢必须加入Cr、V、W等元素，Si--Cr弹簧钢表面不易脱碳；Cr--V弹簧钢不易过热，晶粒细，不易长大粗化，耐冲击性能好，高温强度也高，其中Cr、V、W还有利于提高弹簧钢的高温强度。
2、 弹簧制造过程的特征
弹簧热处理后质量的判别主要是弹簧的寿命，从性能的角度考虑时需要调整弹性参数与韧性参数的平衡；性能与弹簧钢的淬透性有密切关系。
目前弹簧制造方法采用钢材和工艺路线的不同可分为三类。
其一采用冷轧钢带和冷拔钢丝、冷卷成型，经淬火回火或低温回火；
其二采用热轧不退火钢材，热成形后，进行淬火回火，一般板簧及大型卷簧的制造都采用此方法；
其三采用热轧退火钢材，冷卷成型，除应力整型后，再加热淬火和回火热处理，一般钢丝直径在6-12mm的中型卷簧。
弹簧钢的热处理可分冷拔钢丝的热处理和热轧弹簧钢的热处理。
冷拔钢丝的热处理是先对材料进行淬火+中温回火，获得回火托氏体组织，成形后进行低于150℃去除应力回火。
热轧弹簧钢的热处理是热成形后的弹簧，可在830～890℃加热后油淬火、400～480℃回火，获得回火托氏体组织。如果弹簧钢丝直径太大（＞15mm）、板材太厚（＞8mm），会出现淬不透现象，结果弹性极限下降，疲劳强度降低。
弹簧在服役时承受的弯曲应力、旋转应力在表面，故它的表面状态非常重要。热处理时的氧化脱碳是预防的重点，加热时要严格控制炉内气氛，尽量缩短加热时间。弹簧经热处理后，一般要进行喷丸处理，使表面强化并在表面产生残余压应力，以提高疲劳强度。
强力喷丸技术是将高速弹丸喷射到弹簧表面，使表面层在弹丸的冲击作用下发生塑性变形，由此产生强化及表面压应力，使弹簧的抗疲劳性能及耐应力腐蚀能力均得到改善的方法。
强力喷丸在弧高值为0.15-0.60mmA时，可以改善表面粗糙度值＞4μm的表面质量，延长了弹簧表面接触疲劳裂纹的萌生期，并使扩展裂纹多次分叉，扩展速度降低，使弯曲疲劳裂纹变得短而细，因而延缓了弯曲疲劳裂纹的形成及降低了裂纹扩展速度，弯曲疲劳强度提高42%-56%。
为此，弹簧零件一般均采用强力喷丸，应注意的是强力喷丸工艺指标值的确定。JB/T10174-2000规定“喷丸强度一般应为0.35mmA以上，表面覆盖率一般应不低与200%”。根据喷丸对弹簧表面微观结构的影响，弹簧喷丸强度为0.35-0.43mmA较为适宜。考虑在相同条件下，板簧发生弯曲疲劳断裂的表面部位喷丸强度只有圆棒的1/3，弹簧喷丸的表面覆盖率要求≥250%为佳。
3、 弹簧的热处理种类
弹簧用材有钢和非铁金属，大部分是钢材。原材料状态有棒料、丝料、板料和带料；有些是在热轧、冷轧、冷拔后进行退火、淬火回火或贝氏体等温淬火状态供货，制成弹簧后再进行最终热处理。
3、1预备热处理
3．1．1退火
热成形弹簧用的各种圆钢及硬钢丝等，为了便于进一步冷拔或切削，需进行软化退火（球化退火），以降低材料硬度，改善其切削性能、提高冷塑性变形能力。弹簧钢材料退火应在有保护气氛的炉内进行加热，以防止表面严重氧化脱碳。退火组织应为球状珠光体。硬度约在180HBW左右。
3．1．2正火
对于某些弹簧，如汽车扭杆弹簧，在热加工时容易引起组织和性能不均匀，残留较大的内应力。采用正火可以使弹簧钢组织均匀细小，消除内应力，便于加工成形。
3、2最终热处理
3．2．1淬火
弹簧淬火加热时，要特别注意防止表面脱碳、过热和过烧、晶界氧化等缺陷，必须在有保护气氛的加热炉内加热，或在弹簧上涂保护涂料后在炉中加热，然后根据钢种采用水或油冷却。
如汽车用内孔φ12、φ16mm的波形弹簧垫圈，为防止氢脆现象65Mn改用65#和70#钢制造，技术要求43-47HRC。使用设备SY-805-4无马弗连续式网带炉生产线，加热温度820℃±5℃，网带转速35min，碳势控制在0.62%-0.65%；回火温度410℃±10℃，出炉用水冷，检测硬度值为43-45HRC。操作注意事项，装炉时要保证加料均匀，高度为3-4个垫圈厚度，不要堆积过厚或零散堆放，造成加热不匀或过热现象，淬入快速淬火油中，不要开搅拌机，以免造成变形量过大。回火后出炉用水快速冷却，以防止第二类回火脆性。
生产上已广泛采用马氏体分级淬火或贝氏体等温淬火，也可以在进行贝氏体等温淬火时，保温较短时间，未达到贝氏体转变终止线，保留一部分奥氏体，再继续冷至室温，使这部分奥氏体转变为马氏体，在组织上兼有贝氏体和奥氏体，在性能上兼有较高强度和较好韧性，是强韧化的一种方法。这种处理方法还需要进行一次回火，只有截面小的弹簧才能采用这种淬火工艺。
3．2．2回火
弹簧淬火后应及时回火，淬火后的停留时间应不大于4小时，以防止淬火开裂，有利于提高塑性和韧性，降低淬火的内应力。回火加热应均匀，容易出现第二类回火脆性的弹簧钢，回火后应快速冷却。
3．2．3低温退火（去应力回火）
琴钢丝、冷拔硬钢丝、不锈弹簧钢丝或磷青铜等非铁金属丝通常都是冷成形弹簧材料；淬火-回火钢丝、形变热处理钢丝和热处理钢带也属于冷成形弹簧材料。用这些材料绕制的各种弹簧，内部都产生较高的内应力，必须进行低温退火（去应力回火）以去除绕制时产生的内应力。低温退火（去应力回火）的加热温度一般在再结晶温度以下，保温适当时间后，出炉空冷。这样做不仅可以部分消除弹簧中的存在的内应力，稳定形状和尺寸，还能有效地改善力学性能，如提高硬度（2～3HRC）、抗拉强度、屈强比、弹性极限、抗疲劳性及抗应力松弛性。
3．2．4沉淀硬化
沉淀硬化工艺包括将合金加热到相变点以上，获得某种元素的过饱和固溶体，然后急冷的固溶热处理，将弹簧及其钢丝加热到合金溶解度曲线以上某一适当温度，保温适当时间，使过饱和固溶体中沉淀出均匀分布的细硬质相颗粒的时效处理。这种热处理方法可使弹簧材料达到所需要的强韧性的弹性。弹簧制造中所用的沉淀硬化材料大致有07Cr17Ni7Al（0Cr17Ni7Al）、Be-Cu合金、Fe-Ni基高弹性合金、Ni73Cr15Fe7NbTi (lnconellX-750)和lnconell-718等。
3．2．5形变热处理
60Si2Mn和55SiMnB钢板弹簧采用高温形变热处理，可以提高板簧的强韧性和疲劳寿命，同时还能提高制作板簧的劳动生产率，降低劳动强度和成本。汽车钢板弹簧的加工制造就是在加热状态将板簧用压力弯曲机弯曲，并在弯曲状态淬火入油中淬火，并中温回火。
4．典型弹簧的热处理特征
根据弹簧的尺寸不同，成形与热处理方法也不同。
4．1冷成形弹簧
直径较细或厚度较薄的弹簧一般应冷拉弹簧钢丝或冷轧弹簧钢带制成。钢丝可用60、70、65Mn、T7A、T8A和T9A等钢。按GB/T4357-1989，碳素弹簧钢丝分为B、C、D三组。B组抗拉强度在1080～2800MPa，用于一般低应力弹簧及其他用途；C组抗拉强度在1270～3140 MPa，用于中等应力弹簧；D组抗拉强度在1520～3240 MPa，用于高应力弹簧。同一组中，钢丝直径越细小，强度越高。
冷成形弹簧钢丝按制造工艺不同可分为三类。
① 铅浴等温处理冷拉钢丝
这种生产工艺的主要特点是，钢丝在冷拉过程中经过一定的快速等温冷却的工序，然后冷拉成所要求的尺寸。
以T8A钢为例，先将正火态钢丝酸洗，经过三次冷拉拔，使总的拉拔量为50%，然后钢丝以3.5m/min的速度经过加热炉，加热到890～920℃奥氏体化温度，在500～550℃的铅浴中等温分解成索氏体组织，然后经多次拉拔至所需要直径。
这类钢丝主要是60、70、65Mn牌号，最高强度可达3000 MPa以上，且有较高的塑性。用此类钢丝冷卷弹簧，只需在200～300℃下进行去除应力回火，以消除应力并使弹簧定形。
摩托车减震弹簧φ6.0×φ35×280，材料是铅浴淬火回火的55SiCrA钢丝绕制，成型后经250℃×2h低温退火，使用强度达到1680MPa左右，硬度约为46-48HRC。
② 油淬回火钢丝
这类钢丝是指冷拔到规定的尺寸后，进行油淬火和回火。钢丝的抗拉强度不如铅浴等温处理冷拉钢丝，但它的性能比较均匀一致，强度的波动范围较小，广泛用于制造各种动力机械阀门弹簧。这类钢丝冷卷成弹簧后，也只需进行消除应力回火，不需再经淬火回火处理。
如车辆上的柱塞弹簧、进油针阀弹簧等，材料65Mn钢。经油淬回火处理的钢丝，直径0.8～1.5mm，在冷圈时均会产生冷作硬化，具有较高的强度，必须进行消除应力回火，200～250℃×1h。而对于70钢扭簧及拉簧，需再进行端部的卷制加工，所以还要进行第二次回火。第一次200～250℃×1h；第二次回火温度180～200℃×1h空冷。
去应力回火的温度要适当。温度过低，不能充分消除应力；温度过高，由于回火软化作用，使抗拉强度和弹性极限降低。表1为几种钢丝冷卷弹簧后的去应力回火温度范围，时间一般为30～60min，时间过长也不能使性能改善。
冷卷弹簧消除应力的回火温度
弹簧钢丝种类去应力回火温度 /℃
冷拉碳素钢丝230～260
油淬回火钢丝230～290
气阀弹簧钢丝230～400
Cr-V合金弹簧钢丝315～370
Cr-Si合金弹簧钢丝425～455
③ 退火状态供应的合金弹簧钢丝
用这种钢丝制成的弹簧都需要淬火回火处理，才能达到所需要的力学性能。这类钢丝有50CrVA钢丝、60Si2Mn钢丝和55SiMnB钢丝等。
4．2热成形弹簧
弹簧钢丝直径或弹簧钢板厚度大于10～15mm的螺旋弹簧或板弹簧，一般在加热淬火时成形。弹簧的制造工艺大致如下（以板簧为例）：扁钢切断→加热到淬火温度压弯后专用夹具夹持直接淬火+中温回火→喷丸→装配。此时的淬火温度比平常高出50～80℃，成形后利用余热立即淬火，也可在盐浴炉中加热，在油中冷至100～150℃时即可取出进行中温回火。回火温度根据弹簧的使用性能要求加以选择，一般是在450-500℃范围内，回火后的硬度大约在38～52HRC之间。板簧回火后的硬度为39～47HRC，螺旋弹簧回火后为44～50HRC，受剪切应力较大的弹簧回火后为47～52HRC。
某钢铁公司连铸机滑动水口弹簧，最高使用温度500℃。圆柱螺旋弹簧线径φ12.6mm、内径φ116mm，耐高温硬度为45-55HRC，材料30W4Cr2VA，用圆柱空心芯棒（材料：Q235）套住弹簧进行加热固定，使用设备B84T真空气淬炉，先用850℃×120min对流预热，提高低温加热均匀性，缩短加热时间，缩小工件温差，以减少淬火变形；再用1050-1070℃×70min真空加热，升温速率均采用10℃/min，加压气淬，气淬压力为5×105pa，把弹簧冷至约80℃左右出炉，如装炉量大，可适当提高淬火压力。必须及时回火，回火同样在此真空炉中进行，采用600℃ ±10℃×90min。若不用真空炉回火，可用保护气氛炉进行，注意氧化或脱 碳现象出现，检测硬度48-51HRC。
弹簧的表面质量对使用寿命影响很大，因为微小的表面缺陷（如脱碳、裂纹、夹杂、毛刺和斑疤等）即可造成应力集中，使弹簧的疲劳强度下降。为了提高弹簧的疲劳强度，在淬火和回火后可对弹簧进行喷丸处理，以消除表面缺陷和由表面硬化产生的应力。试验证明，采用喷丸处理后60Si2Mn钢弹簧使用寿命提高5～6倍。
弹簧可进行等温淬火，主要用在热处理机变形小以及希望获得良好塑性及韧性的场合。当硬度相同时，等温淬火+中温回火具有更高的塑性及韧性，不过弹性极限相应低些。
近年来，弹簧钢热处理方面应用等温淬火、形变热处理等一系列新工艺，对其性能进一步提高，取得了一定的成效，值得大力提倡。另外，弹簧在长期应力作用下可能产生微量塑性变形，从而降低弹性和精度，这对要求很高的弹簧是不许可的。为解决这一问题需对弹簧进行“强压处理”，即将弹簧加以压力，使其各圈相互接触保持24h，这一工序可使弹簧塑性变形预先发生，从而避免了在服役中出现塑性变形而影响弹性和尺寸精度。、
强压处理方法有：①冷强压处理，即在室温下，强压处理几小时到几十个小时；②热强压处理，将强压装置放入温度为一定的恒温炉中，保持适当时间后，取出卸载并快冷到室温；③磁场强压处理，即将强压弹簧装置放入周围有磁场的浴炉中处理；④电强压处理，即将强压弹簧装置放入两极板间通电加热较短时间后，取出快冷。经强压处理的弹簧不出现松弛率较大的第一阶段，只出现松弛率较小的第二阶段，这就有效地改善了弹簧的抗应力松弛性能，使弹簧工作10年的载荷损失率小于5%左右。
5、 结束语
弹簧热处理过程是一个无法通过后续检验或试验来保证产品质量的特殊过程。因此，对于它的控制必须有合理的制度来实现。首先，对可能造成过程失效的因素加以甄别，做好热处理工艺技术的制定工作；其次，建立完善的热处理工艺管理制度，工艺文件明确清晰地标注出热处理过程的操作方法、工艺参数及检验的方法和位置，同时应该特别强调装炉方法和装炉量，解决操作的可行性和方法的正确性。
