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用于制造弹簧的钢,其交货状态有热轧和冷轧(拉)两种。热轧材料中包括圆钢、扁钢、钢板和梯形钢等。其规格和尺寸公差较大,表面质量较差,它们主要是用电炉或转炉熔炼后经热轧或锻造成形,并以退火状态供应,在以后制造弹簧的过程中,往往不再进行任何加工就直接加热卷绕。
目前通用的热轧弹簧用钢有碳素钢、锰钢、硅锰钢、锰铬钢、铬钒钢、硅铬钢、铬钒钨钢和无铬弹簧钢(包括硅锰钒硼钢、硅锰钒钢和硅锰钼钒铌等)。我国列入热轧弹簧钢材,按GB1222-75规定有65、70、75、85,65Mn,50Si2Mn,55Si2MnB、60Si2Mn,60Si2MnA,60Si2CrA,70Si3MnA、65Si2MnWA、60Si2CrVA、50CrMn、55SiMnVB、50CrVA、30W4Cr2VA、55SiMnMoV、55SiMnMoVNb等十九种。日本列入JIS标准中的有碳素钢(SUP3,SUP4)硅锰钢(SUP6,SUP7)、锰铬钢(SUP9,SUP9A)、铬钒钢(SUP10)和锰铬硼钢〔SUP11A〕等八种。
1.碳素钢系列的弹簧钢
这是价格最廉也是最易得到的弹簧钢,其表面质量不比合金钢差。人们对碳素钢的热处理方法较熟悉,其中共析成分的碳素钢,如日本的SUP3,即使进行普通的正火、退火也几乎不会出现初生的铁素体。但是它的缺点是淬透性较差,当圆钢的截面直径超过18mm或板材厚度超过11mm时在油中就不能淬透,因此不宜用在大截面的弹簧上,通常只有在铁路车辆中13毫米以下的板弹簧才用它。过共析成分的碳素钢,如日本的SUP4或美国的AISI1095,性能虽较SUP3为好,但也只用于铁道车辆中直径在19毫釆以下的螺旋弹簧。其热卷工艺是加热到870℃盘卷后空冷,然后在保温20,40min淬入油温小于650℃的油中,不待其完全冷透,在弹簧仍具90~150℃温度时,立即进行450~510℃、1~1.5h回火。
2.锰弹簧钢
常用的为65Mn,其淬透性较碳素钢好,脱碳倾向也小,但是它有过热敏感性和回火脆性等缺点,又易产生裂纹,因此国外已不采用,国内因其资源丰富,价格便宜,故仍列入弹簧钢标准中,一般多用于截面直径尺寸小于15mm的中小型低应力弹簧。
3.硅锰弹簧钢
在国内标准中有五种钢号,即55Si2Mn、55Si2MnB、60Si2Mn,60Si2MnA和70Si3MnA。日本JIS标准中列有SUP6和SUP7两种。美国有SAE9260和9255两种。其所以要添加硅锰两种元素是因为硅能固溶于铁素体和奥氏体中,从而提高了钢的硬度、强度、弹性极限、屈强比和疲劳强度,同时还能提高材料的回火稳定性和抗氧化性;锰能提高材料的淬透性,使25mm以下的弹簧都能在油中淬透。试验表明在含碳量0.5~0.7%的钢中,加入的硅和适量的锰,经淬火回火后,屈强比可提高到0.85以上,弹性极限也大为提高。但是硅含量提高了以后,易产生石墨化现象和增加表面脱碳倾向,同时在钢中易生成较多的硅酸盐夹杂物,易淬火开裂,因而在日本和美国已用得不多,在我国主要用于制造汽车、拖拉机、铁道车辆上的板弹簧、扭杆弹簧、螺旋弹簧,以及工作温度在250℃以下的中等应力的弹簧。
4.铬锰弹簧钢
是在钢中加入1%的铬和锰,在国内标准中有50CrMn钢一种。日本JIS标准中有SUP9和SUP9A两种,是在第二次世界大战后研制成功的低合金弹簧钢,它具有良好的热加工性和淬透性,即使其直径达50mm也能淬透,由于铬的加入,使钢的强度和硬度都有所提高,同时还提高了它的回火稳定性和减少脱碳倾向,缺点是有回火脆性的倾向,因此回火后需快冷。这类钢适宜用于制造铁路车辆和汽车的截面较大和较重要的板弹簧、扭杆弹簧和螺旋弹簧。
5.铬钒弹簧钢
在国内有50CrVA一种,相当于日本JIS中的SUP10和美国的6150钢,由于铬和钒的作用,提高了钢的韧性、强度和弹性极限,降低了钢的过热敏感性和脱碳倾向,改善了表面质量,从而提高了材料的疲劳强度。在硬度较低时,它的缺口敏感性仍较低,而低温冲击韧性较好。它的淬透性比铬锰和硅锰弹簧钢要好,即使是直径60mm或板厚30mm也能淬透,而且由于这类钢的回火稳定性较高,在500~550℃回火后仍具有很髙的强度和弹性极限,因而在较高温度下工作时,性能仍比较稳定。
铬钒弹簧钢是一种广泛使用的优质弹簧钢,主要用于截面较大和应力较高,又要求有较长疲劳寿命的螺旋弹簧、扭杆弹簧、碟形弹簧和工作温度在2¬20℃以下的阀门弹簧和活塞弹簧等。
6.硅铬弹簧钢
属于这类钢的有60Si2CrA和60Si2CrVA,它是以1%铬代替了硅锰钢中的一部分的锰,因而机械性能较高,过热敏感性降低,在工作湿度较高时机械性能较稳定,还能降低含硅钢的石墨化倾向。它主要用于承受高应力或受冲击载荷的弹簧和工作温度在250~300℃的耐热弹簧。
7.硅锰钨弹簧钢
是在硅锰钢60Si2MnA中加入了0.8~1.2%的钨,在国内标准中有60Si2MnWA,国外还没有相应的牌号,由于钨在钢中易形成难溶碳化物,从而有效地提高了钢的回火稳定性和高温时的蠕变抗力,使钢具有一定的红硬性。钨还能増加淬透性和提高钢的硬度,它主要用于承受高载荷或耐冲击的弹簧,以及工作温度低于350℃的弹簧。
8.铬钒钨弹簧钢
国内标准中列有30W4Cr2VA,由于加入了铬、钨、钒等合金元素,大大提高了钢的淬透性和回火稳定性,以及在高温下的抗松弛性能,因而主要用于温度<500℃工作的弹簧。
9.无铬弹簧钢
是适应我国国内资源自行研制成功的合金弹簧钢,它是在硅锰弹簧钢的基础上加入了微量的钼、钒、铌、硼等元索,属于这类钢的有55SiMnVB、55SiMnMoV和55SiMnMoVNb三种,由于这些微量元素的作用,使这三种钢都有较高的抗拉强度和弹性极限,而且有良好的塑性和韧性,因此适宜作高强度的板弹簧和螺旋弹簧。
10.铬锰硼弹簧钢
它是在铬锰钢的基础上加入微量的硼,国内尚无相应的牌号,日本JIS标准中列有SUP11,它的基本性能和铬锰钢相似,但具有更好的淬透性,通常用于制造超大型的弹簧,例如推土机上的迭板弹簧,船舶上的大型螺旋弹簧和大型扭力弹簧等。
11.高合金弹簧钢
除了上述通常采用的碳索钢和低合金钢外,某些工具钢有时也能用作为弹簧锕,但在国外都没有将这些列入弹簧钢系列中。例如工具中用得最广的18-4-1髙速钢就是用得较普遍的—种高温弹簧钢材,通常用于工作温度在以下的弹簧。但是作为弹簧钢有些数据如弹性极限值还不够完整,可它至少相等于或略高于通常所用的铬钒钢和铬硅钢,因此在设计时可以采用铬硅钢的数据,其热处理工艺和制作工具时不同,可以采用缓慢加热至850℃均热后转入1280~1310℃的高温炉内,然后油淬至100℃左右立即在650~675℃回火1~2h,这样可获得HRC50~54的硬度。此外如油硬碳素工具钢有时也可用来制造弹簧。这类钢在780℃淬火,350℃回火后可得到HRC50~54的硬度。对于长期暴露在氧化性气氛中并在高温环境下工作的弹簧,日本采用SEHI钢,其化学成分为0.40~0.50%C,3~3.3%Si和7.5~9.5%Cr,相当于我国的4Cr9Si2钢。
