彈簧及彈性元件，是量大面廣的基礎(chǔ)零件，可以說(shuō)是無(wú)處不在。在動(dòng)力機(jī)械、電器、儀表、武器中作為控制性元件，也是非常關(guān)鍵的零件。它的基本功能是利用材料的彈性和彈簧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在產(chǎn)生及恢復(fù)變形時(shí)，可以把機(jī)械功或動(dòng)能轉(zhuǎn)換為形變能，或者把形變能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能或機(jī)械功，以達(dá)到緩沖或減振、控制運(yùn)動(dòng)或復(fù)位、儲(chǔ)能或測(cè)量等目的。所以，在各類機(jī)械設(shè)備、儀器儀表、軍工產(chǎn)品、電器、家具、家電甚至文具、玩具中都廣泛使用彈簧。

   影響彈簧質(zhì)量和使用壽命的因素很多，如設(shè)計(jì)、選材、生產(chǎn)工藝及工況條件等等。其中，材質(zhì)和熱處理對(duì)彈簧的各種性能及其使用壽命有重要的甚至是決定性的影響。本文分四個(gè)主題，分別介紹各類機(jī)械設(shè)備中常用的彈簧材料和典型彈簧的熱處理，對(duì)于特殊用途的彈性材料和元件的熱處理只做扼要介紹。

一、彈簧的分類、服役條件、失效方式和性能要求

1  彈簧分類

   彈簧種類很多，可按形狀、承載特點(diǎn)、制造方法、材料成分和不同用途進(jìn)行分類。每一類中又分為若干小類和不同規(guī)格。GB/T1805彈簧的標(biāo)準(zhǔn)中列出了22種，彈簧行業(yè)1990年提出的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)《彈簧種類》中，把彈簧分為15個(gè)小類。彈簧行業(yè)多按形狀分類，在機(jī)械制造業(yè)中多按用途分類或按上述兩者綜合命名。如表1 。

            ▼表1  彈簧的分類

 典型螺旋彈簧及板簧如圖1所示。

      ▲圖1  典型螺旋彈簧及板簧

2  彈簧的服役條件和失效形式

2.1 彈簧的服役條件和應(yīng)力狀態(tài)

   彈簧的服役條件是指它的工作環(huán)境（溫度和介質(zhì)）及應(yīng)力狀態(tài)等因素。工作溫度可分為低溫（室溫以下）、室溫、較高溫（120℃~350℃）、高溫（350℃以上）幾個(gè)檔次。工作環(huán)境介質(zhì)有空氣、水蒸氣、雨水、燃燒產(chǎn)物、以及酸、堿水溶液等。普通機(jī)械彈簧一般是在室溫或較高工作溫度、大氣條件下承受載荷。也有用于耐蝕、承受高應(yīng)力等各種特殊用途的彈簧。工作持續(xù)時(shí)間也是一個(gè)值得考慮的重要因素。

▲氣門彈簧是要求最嚴(yán)苛的彈簧之一

   彈簧的載荷特性由彈簧變形時(shí)的載荷（P或T）與變形（F或）之間的關(guān)系曲線表示。常用的有種三類型：直線型、漸增型、不重合型。各類彈簧的載荷特性見(jiàn)表2 。

▼表2  各類彈簧的載荷特性

     彈簧載荷有動(dòng)載荷（振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)、彎曲等）和靜載荷，有些重要彈簧承受復(fù)雜的交變載荷。應(yīng)力狀態(tài)是彈簧設(shè)計(jì)、選材及熱處理的一個(gè)極其重要的參數(shù)。在外力作用下，彈簧材料內(nèi)部往往產(chǎn)生不同的應(yīng)力：如彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（切應(yīng)力），或彎曲-扭轉(zhuǎn)復(fù)合應(yīng)力等。典型彈簧的應(yīng)力狀態(tài)見(jiàn)表3 。

▼表3  彈簧的應(yīng)力狀態(tài)舉例

2.2 彈簧的失效方式

     由于彈簧服役條件的復(fù)雜性和苛刻性，其失效方式也多種多樣，但最主要的是“斷裂失效”和“應(yīng)力松弛(變形)失效”兩大類。在斷裂失效中又可分為脆性斷裂和塑性斷裂，其中突發(fā)性的脆性斷裂危害性最大。在斷裂失效中還有疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂及腐蝕疲勞斷裂。此外，還有氫脆、鎘脆及黑脆等。其中疲勞斷裂約占彈簧斷裂失效的80%-90%。在生產(chǎn)實(shí)踐中可依據(jù)彈簧斷口特征來(lái)判斷其斷裂方式，可根據(jù)彈簧的受力條件找出其斷裂源，分析其裂紋的擴(kuò)展速率。應(yīng)力松弛(變形)失效是彈簧工作過(guò)程中普遍存在的現(xiàn)象，一般不被重視，而它對(duì)那些執(zhí)行控制的元件，則是影響產(chǎn)品效率、靈敏度及可靠性的關(guān)鍵性零件。彈簧的早期失效造成直接和間接的經(jīng)濟(jì)損失巨大。所以，彈簧的失效分析和預(yù)防是一項(xiàng)重要的技術(shù)任務(wù)。典型彈簧的失效方式見(jiàn)表4 。

▼表4  彈簧的典型失效方式、特征及危害性

   彈簧失效的原因比較復(fù)雜，除了與設(shè)計(jì)、成形加工質(zhì)量、安裝和使用是否正確等有關(guān)外，彈簧材料好壞和熱處理質(zhì)量?jī)?yōu)劣是影響產(chǎn)品的關(guān)鍵因素。

3  對(duì)彈簧的性能要求

   彈簧性能好壞應(yīng)包括彈簧材料、幾何形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量等內(nèi)容，這其中，對(duì)彈簧性能的要求是重點(diǎn)。具體如下：

3.1 力學(xué)性能

   由于彈簧是在彈性范圍內(nèi)工作，不允許產(chǎn)生永久變形。彈性好壞可用應(yīng)變能或稱彈性比功（U）表示。用公式如下：

           σe2                       τe2

      U∝ ——  或  U′∝    ——

           E                    G

    即彈性比功與材料彈性極限（σe或 τe）的平方成正比，與材料的彈性模量（E）成反比。要求彈性應(yīng)變能大，也就是要求材料的彈性極限、屈服極限和屈強(qiáng)比要高。彈簧材料和熱處理工藝對(duì)這些性能影響很大。另一方面，許多重要彈簧是在交變載荷條件下長(zhǎng)期工作的，要求彈簧有很高的疲勞強(qiáng)度，同時(shí)要求有良好的抗應(yīng)力松性能，減少水久變形，以便保證機(jī)電產(chǎn)品效率的正常發(fā)揮和儀表的工作靈敏性及可靠性。因?yàn)閼?yīng)力松弛過(guò)程就是彈簧長(zhǎng)期在室溫或較高溫度下工作、材料內(nèi)部的微塑性變形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛谰米冃蔚谋厝唤Y(jié)果。為了提高彈簧的使用壽命，對(duì)材料的冶金質(zhì)量有很高要求。例如：要求彈簧材料表面不應(yīng)有裂紋或類裂紋、凹坑、刻痕等弊病，在彈簧加工過(guò)程中更不應(yīng)產(chǎn)生上述缺陷，要求鋼質(zhì)純凈(各種夾雜物含量要少、其形狀和大小應(yīng)在1級(jí)以內(nèi))，第二相質(zhì)點(diǎn)勻、細(xì)、圓、顯微組織均勻，不含脆性馬氏體等，盡可能堿少表面脫碳。同時(shí)，要求材料尺寸公差應(yīng)符合合同或有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。各項(xiàng)指標(biāo)合格才能投入使用

3.2 理化性能

   彈簧的工況很復(fù)雜，有些彈簧是在較高或高溫下長(zhǎng)期工作的，因此要求彈簧材料有良好的耐熱性，即有高的蠕變極限、蠕變速率、較小和較低的應(yīng)力松弛率。相反，有些彈簧是在嚴(yán)寒地帶工作，則要求村料有較高的低溫沖擊韌度、較低的脆性轉(zhuǎn)化溫度(θ或△TTRS低)，以免發(fā)生冷脆，這方面的性能與彈簧材料的化學(xué)成分和組織狀態(tài)有密切關(guān)系。在腐蝕介質(zhì)中工作的彈簧，其表層金屬與腐蝕介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，彈簧表層逐漸被腐蝕，易造成腐蝕脆性斷裂。特別是在交變應(yīng)力作用下，材料的疲勞極限將顯降低，彈簧更易發(fā)生腐蝕疲勞斷裂失效。所以，在這種情況下使用的彈簧必須具有良好的耐蝕性能。

   對(duì)于精密儀器和電器儀表中使用的彈性元件，則要求有高導(dǎo)電、無(wú)磁性、不產(chǎn)生火花或恒彈性等。例如，銅合金彈性材料能滿足高導(dǎo)電性能要求，鈦合金、銅合金及奧氏體不銹鋼彈性材料能滿足無(wú)磁的要求，恒彈性合金的熱脹系數(shù)很小，彈性模量在-50~+100°C之間基本上無(wú)變化，這是精密測(cè)量?jī)x表及電子儀器中比較理想的彈性材料。

3.3 工藝性能

   對(duì)于要求淬火而其截面尺寸又較大的彈簧，其鋼材應(yīng)有相應(yīng)的淬透性、較小的過(guò)熱敏感性和表面脫碳傾向。只有這樣，才能保證彈簧表里組織和性能的一致性。在冷、熱成形時(shí)要求材料有足夠的塑性和良好的彎曲、扭轉(zhuǎn)及纏繞性能，以便保證或提高彈簧的制造質(zhì)量。尺寸較小的彈簧，熱處理時(shí)變形大、難以校正，這很難保證彈簧產(chǎn)品質(zhì)量。這種情況就要選用已強(qiáng)化的彈簧材料進(jìn)行冷成型，冷成形后只進(jìn)行低溫退火，這樣更能保證大批量小彈簧的產(chǎn)品質(zhì)量并且成本低廉。

二  彈簧材料及其熱處理

   彈簧材料的種類繁多，生產(chǎn)上用量最多的是分類為彈簧鋼的彈簧專用鋼材。如碳素彈簧鋼、低合金彈簧鋼及高強(qiáng)度彈簧鋼等，其次是具有特殊性能的彈簧材料，如不銹耐酸彈簧鋼、耐熱彈簧鋼及合金(鎳基、鈦基及鈷基合金、高彈性高導(dǎo)電的銅基合金)。非金屬?gòu)椥圆牧嫌邢鹉z、塑料、陶瓷及流體等。這里只介紹金屬類彈簧材料，以通用彈簧鋼材為重點(diǎn)。

1  通用彈簧鋼材及其熱處理

1.1 通用彈簧鋼材

   彈簧鋼大部分是圓鋼、盤條、和扁鋼。

   國(guó)標(biāo)、冶標(biāo)號(hào)分別為：GB/T1222、 GB/T4395、YB/T037   

   彈簧鋼的生產(chǎn)都是按國(guó)標(biāo)或冶金標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，其化學(xué)成分可查閱這些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

   彈簧鋼的含碳量（wt）在0.3%~1.2%之間，其中，碳素彈簧鋼一般在0.6%~0.9%范圍，屬于高碳鋼。合金彈簧鋼的含碳量一般在0.45%~0.70%范圍。鋼中含碳量增加，能有效提高冷變形強(qiáng)化效果，獲得較高強(qiáng)度或馬氏體相變強(qiáng)化效果，獲得較高的彈性極限，這是彈簧鋼的主要優(yōu)點(diǎn)。

   但是，彈簧鋼尤其是碳素彈簧鋼有淬透性小、抗應(yīng)力松弛性能不夠好、耐腐蝕性差以及彈性模量溫度系數(shù)較大等缺點(diǎn)，只能用于制造截面較小，工作溫度不高的彈簧。為了改善上述不利因素，在鋼中加入Si、Mn、Cr、Ni、Mo、V、W、Nb、B等元素制成合金彈簧鋼。

   在彈簧鋼標(biāo)準(zhǔn)的更替進(jìn)程中，增刪了許多彈簧鋼鋼種。但標(biāo)準(zhǔn)中的有限鋼種遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)的廣泛需求，因此，碳素工具鋼、高速工具鋼、超高強(qiáng)度鋼、不銹鋼、耐熱鋼中有不少牌號(hào)也被選入彈簧鋼材料當(dāng)中，甚至還從銅基合金、鎳基合金、或鎳鉻基合金中選用某些牌號(hào)做特殊用途彈簧的材料。

   各種彈簧鋼的熱處理工藝參數(shù)、熱處理后的力學(xué)性能及主要用途列于表5中，供參照。

▼表5  熱軋彈簧鋼熱處理后力學(xué)性能（GB/T1222-1984）及應(yīng)用舉例

1.2 冷成型用彈簧鋼絲及其熱處理

1.2.1 彈簧鋼絲分類及其熱處理工藝原理

   彈簧鋼絲是制造各種螺旋彈簧用量較多的材料，品種繁多。按其化學(xué)成分的不同，可分為碳素彈簧鋼絲、合金彈簧鋼絲(如硅錳彈簧鋼絲、鉻釩彈簧鋼絲、硅鉻彈簧鋼絲等)、不銹彈簧鋼絲等。按供貨狀態(tài)不同，可分為硬態(tài)和軟態(tài)兩大類，前者有冷拔強(qiáng)化的彈簧鋼絲、油淬-火回火彈簧鋼絲、形變熱處理彈鋼絲等，用硬態(tài)材料冷成形彈簧不需再進(jìn)行淬火，只需進(jìn)行去應(yīng)力退火(也稱低溫回火)即可；后者以退火狀態(tài)供貨，它包括碳素工具鋼絲、低合金和高合金鋼絲，用這類材料冷成形的彈簧必須進(jìn)行淬火和回火，以達(dá)到所要求的組織和力學(xué)性能。目前以冷拔碳素彈簧鋼絲和各種油淬火-回火鋼絲用量最大。彈簧鋼絲的強(qiáng)化原理有如下幾個(gè)方面：合金化強(qiáng)化、冷形變強(qiáng)化、馬氏體相變強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化(時(shí)效硬化)。其中，形變和相變強(qiáng)化占有重要地位。反映在彈簧鋼絲的生產(chǎn)過(guò)程中就是拔絲和熱處理兩道工序。彈簧鋼絲生產(chǎn)企業(yè)的兩個(gè)支柱部門就是拔絲車間和熱處理車間，而熱處理又是其中的關(guān)鍵工序。

   彈簧產(chǎn)品的熱處理一般可分為中間熱處理和最終熱處理兩類：前者有退火(等溫退火、再結(jié)晶退火等)、正火及索氏體化處理。主要目的是軟化，為冷拔工序準(zhǔn)備良好的金相組織；后者有鉛浴淬火、油淬火-回火、形變熱處理及貝氏體等溫淬火等。除冷拔彈簧鋼絲通過(guò)鉛浴淬火后經(jīng)過(guò)多次拉撥達(dá)到所需的力學(xué)性能外，其他硬態(tài)彈簧鋼絲都是通過(guò)熱處理達(dá)到所要求的力學(xué)性能的。

   常用彈簧鋼絲的冷拔和熱處理過(guò)程、工藝原理、質(zhì)量問(wèn)題及組織性能特點(diǎn)，見(jiàn)圖2和表6。

▲圖2  彈簧鋼絲的熱處理工藝原理示意圖

HOa-鉛浴淬火（索氏體化）  HOb-油淬火  

HOc-低溫形熱處理  HOd-貝氏體鄧文淬火   

HOe-復(fù)合組織（B下+M）處理   

HOf-鄧文退火（球化）工藝

   生產(chǎn)彈簧鋼絲的主要原料是熱軋盤條(即盤圓線材)，盤條質(zhì)量的好壞直接影響彈簧鋼絲的質(zhì)量。為了減少金屬的耗損，拔絲前容易清洗并提高鋼絲性能的均勻性，目前多采用控軋技術(shù)或“散卷控制冷卻”工藝等來(lái)提高盤條質(zhì)量。

   拔絲車間用來(lái)生產(chǎn)彈簧鋼絲的盤條的質(zhì)量，即優(yōu)質(zhì)碳素鋼(65、70、65Mn)和碳素工具鋼(T7A、T8A、T9A、T10A)盤條都應(yīng)符合符合國(guó)標(biāo)GB/T4354要求。琴鋼絲用鋼應(yīng)符合國(guó)標(biāo)GB/T699中的60、65、70、80、65Mn、70Mn和GB/T1298 中的T8MnA、T9A等鋼種的相關(guān)要求。其盤條應(yīng)符CB/T14981質(zhì)量要求，盤條的絲徑一般在Φ4~Φ16范圍。制造異形鋼絲時(shí)，寬邊為5-15，盤條的圈徑為Φ500~Φ1000。盤條往往存在著各種表面缺陷，如橢圓或其他異形、飛邊、折疊、鱗皮、凹坑及刻痕，甚至有表面裂紋，表面脫碳更屬常見(jiàn)的現(xiàn)象。線材內(nèi)部缺陷則有縮孔、疏松、偏析、氣孔及非金屬夾雜物等。這些缺陷不僅影響拔絲的生產(chǎn)過(guò)程，而且直接影響彈簧鋼絲的質(zhì)量。為了進(jìn)一步提高鋼絲質(zhì)量，可對(duì)盤條進(jìn)行剝皮處理。

▼表6  常用彈簧鋼絲的主要生產(chǎn)過(guò)程、熱處理工藝原理、質(zhì)量問(wèn)題、組織性能特點(diǎn)

1.2.2 冷拔彈簧鋼絲及其熱處理

   冷拔彈簧鋼絲分為碳素彈簧鋼絲（GB/T4357）、重要用途的65Mn彈簧鋼絲（GB/T4358）。都是用盤條拉拔而成。在拉拔前，盤條經(jīng)過(guò)索氏體化處理，以利于拉拔。

    1）鋼絲的索氏體化

    鋼絲的索氏體化俗稱鉛淬火或焙燉處理，設(shè)備示意圖見(jiàn)圖3。

▲圖3 彈簧鋼絲鉛淬火設(shè)備示意圖 

1-放線架  2-盤條鋼絲  3-加熱爐  4-鉛浴槽  5-收線架

     處理時(shí)盤條2（或鋼絲）置于放線架1上，一般十幾根或幾十根同時(shí)連續(xù)地通過(guò)加熱爐3，在爐中運(yùn)行一定時(shí)間將鋼絲加熱到900℃~950℃后，浸入450℃~600℃的鉛槽4中淬火，隨后出槽空冷或淋水冷卻，最后由收線架5收成盤圓。這種熱處理使盤條獲得均勻細(xì)片狀索氏體，它具有優(yōu)異的拉拔性能，斷面收縮率可以到80%~90%以上。熱處理后鋼絲經(jīng)過(guò)酸洗、沾白灰拉拔，即可達(dá)到所需要的力學(xué)性能。

    盤條在爐中淬火，淬火溫度 t淬火（℃）主要根據(jù)鋼的含碳量及線徑大小而定，可以用下式計(jì)算：

               t淬火=900-50w（C）+10d

               式中 w（C）——鋼中含碳量（%）

                d ——線徑

   鋼絲在爐中的最短加熱時(shí)間τmin（s）可以用以下公式計(jì)算：

   也可以近似地認(rèn)為與鋼絲直徑成正比，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定參數(shù)。

   彈簧鋼絲的熱處理是連續(xù)流水作業(yè)，通道式加熱爐長(zhǎng)十幾米甚至幾十米，由鋼絲直徑大小，加熱爐長(zhǎng)度及鉛浴槽長(zhǎng)度可以確定鋼絲運(yùn)行速度，用無(wú)級(jí)變速器來(lái)調(diào)節(jié)收線機(jī)的回轉(zhuǎn)速度。

   鋼絲在爐中加熱過(guò)程中必須完成奧氏體化過(guò)程，將發(fā)生如下幾個(gè)轉(zhuǎn)變：

   ①應(yīng)變時(shí)效。

   ②恢復(fù)、再結(jié)晶及珠光體球化。

   ③奧氏體的形成。

   ④奧氏體晶粒長(zhǎng)大及成分均勻化等。

   由于爐內(nèi)溫度分布不均，鋼絲之間也有差異，所以，加熱時(shí)鋼絲內(nèi)部奧氏體化過(guò)程也不完全致。實(shí)踐表明，奧氏體形成、長(zhǎng)大和成分均勻化過(guò)程占50%加熱全過(guò)程是合適的。提高加熱爐預(yù)熱段溫度，將縮短前兩個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程所需的時(shí)間、延長(zhǎng)后兩個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程的時(shí)間，這有利于提高生產(chǎn)率。調(diào)整鉛淬火前的組織狀態(tài)或適當(dāng)提高鋼絲的加熱溫度，都可改善索氏體處理后的組織均勻性，改善冷拔性能并提高鋼絲的綜合力學(xué)性能。

   鉛浴淬火也可采用對(duì)鋼絲直接通電加熱法進(jìn)行處理，也就是將鋼絲通低壓大電流，使之自身發(fā)熱。其優(yōu)點(diǎn)是加熱速度快，加熱時(shí)間較短、熱效率高，所占生產(chǎn)面積較小，比較容易采用保護(hù)氣氛加熱，減少鋼絲表面脫碳和金屬耗損等。鋼絲加熱到奧氏體狀態(tài)是淬火的前提條件，鉛浴淬火時(shí)的冷卻條件對(duì)冷拔彈簧鋼絲的組織和性能也有很大影響。由于冷卻介質(zhì)的不同，索氏體處理便有不同的名稱，例如，鉛浴處理、鹽浴處理、流態(tài)床處理、熱水浴處理等，甚至風(fēng)冷處理，有些做正火處理在這里也屬于這個(gè)范圍。

   目前，國(guó)內(nèi)外仍被廣泛采用的還是鉛浴淬火。在生產(chǎn)中根據(jù)鋼中碳含量及絲徑大小確定鉛浴溫度。鋼中碳含量越多，鉛浴溫度應(yīng)越高；絲徑越大，鉛浴溫度(°C)應(yīng)越低。通常用下式計(jì)算：

         t鉛浴=400+60w(C)-15d

            式中 w(C)—鋼中碳含量(%)；

              d—鋼絲直徑(mm)

   實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，盤條通過(guò)鉛浴的時(shí)間約為60s。

   鉛浴的主要優(yōu)點(diǎn)是有很好的導(dǎo)熱能力，鋼絲可在較短的時(shí)間內(nèi)從奧氏體化溫度冷卻到接近鉛浴的溫度。碳鋼的奧氏體在500℃左右的鉛浴中完成索氏體轉(zhuǎn)變的時(shí)間只需20s，實(shí)際生產(chǎn)中鋼絲在鉛浴中通過(guò)時(shí)間約60s。對(duì)于含有較多的Mn、Si、Cr等合金元素時(shí)，奧氏體穩(wěn)定，需要延長(zhǎng)在鉛浴中的通過(guò)時(shí)間，否則容易出現(xiàn)淬火馬氏體組織。

   鉛淬工藝容易出現(xiàn)的問(wèn)題有：表面脫碳、組織粗大、先共析鐵素體量超標(biāo)（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定≤5%）。這是由于是鉛浴前端過(guò)熱、鋼絲通過(guò)鉛浴時(shí)間過(guò)快造成的。需要改善鉛浴循環(huán)冷卻，和適當(dāng)調(diào)整工藝。另外，鉛淬也存在鉛蒸汽污染問(wèn)題，對(duì)人體、環(huán)境有害。所以鉛浴替代技術(shù)是這個(gè)行業(yè)值得重視的課題。有人使用PAG水溶液、4%~7%聚丙烯酸鈉水溶液等做淬火介質(zhì)，還有用流態(tài)床做加熱和淬火介質(zhì)的，小規(guī)格鋼絲也有人使用鼓風(fēng)冷卻。隨著控制手段的不斷發(fā)展，鉛浴替代技術(shù)將趨于成熟。

    2）拉拔彈簧鋼絲的力學(xué)性能

   冷拔碳素彈簧鋼絲按絲徑不同共有46個(gè)規(guī)格，按用途和力學(xué)性能不同分為A、B、C三組，可參見(jiàn)GB/T4357。A組抗拉強(qiáng)度較低，用于制造一般彈簧；B組居中，用于制造低應(yīng)力彈簧；C組的抗拉強(qiáng)度最高，用于制造高應(yīng)力彈簧。

   此外，還有琴鋼絲用于制造具有重要用途的不經(jīng)淬火、只進(jìn)行去應(yīng)力退火的彈簧。它們按用途不同亦分為三組，即G1組，共15個(gè)規(guī)格，用于制造各種重要用途的彈簧；G2組，共有15個(gè)規(guī)格，用于各種高應(yīng)力彈簧；F組，共9個(gè)規(guī)格，用于各種閥門彈簧，其強(qiáng)度高于普通碳素彈簧鋼絲，而且，其強(qiáng)度波動(dòng)范圍亦較小。可參見(jiàn)GB/T4358。例如，直徑0.2-1.4mm鋼絲，強(qiáng)度的上下限不得超過(guò)±40MPa，其他尺寸鋼絲的抗拉強(qiáng)度不得超過(guò)規(guī)定上下限±30MPa。這類鋼絲對(duì)化學(xué)成分、顯微組織、表面質(zhì)量、纏繞性能及疲勞壽命等都有更高的要求。

    在彈簧設(shè)計(jì)中，材料的抗拉強(qiáng)度(σb)是一個(gè)關(guān)鍵性數(shù)據(jù)?？刹捎没貧w方程通式：

                σb=a-lnd

   很方便地算出。對(duì)于（GB/T4357）標(biāo)準(zhǔn)中A、B、C三組相應(yīng)為：

                   A組方程：σb=1364-200lnd

                   B組方程：σb=1662-241lnd

                   C組方程：σb=1883-252lnd

   冷拔彈簧鋼絲應(yīng)具有良好的工藝性能，見(jiàn)表8 。其中，琴鋼絲（特別是F組）要求比碳素彈簧鋼絲有更好的扭轉(zhuǎn)和纏繞性能，以利于成型，對(duì)鋼絲的表面質(zhì)量要求也更高，以保證其疲勞壽命（琴絲的振動(dòng)是一種高頻率的交變載荷）。

1.2.3 油淬火-回火鋼絲

   這種鋼絲國(guó)內(nèi)稱油淬火鋼絲，國(guó)外稱油回火鋼絲。冷拔彈簧鋼絲特別是細(xì)規(guī)格，可達(dá)到很高的綜合力學(xué)性能。這種鋼絲不是靠冷變形達(dá)到所要求的力學(xué)性能的，而是通過(guò)馬氏體相變強(qiáng)化來(lái)實(shí)現(xiàn)。只要鋼有足夠的淬透性，粗細(xì)鋼絲均能獲得比較均勻細(xì)小的馬氏體和良好的力學(xué)性能，這類鋼絲沒(méi)有內(nèi)應(yīng)力，挺直性優(yōu)異，冷纏繞性好，而且質(zhì)量均勻穩(wěn)定，彈性極限極高，抗疲勞性能好，從而取代了用退火料纏繞后再進(jìn)行淬火回火的生產(chǎn)工藝，及大地提高了生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量。也使得大直徑的油淬火-回火鋼絲、鋼棒容易制造。

   油淬火-回火鋼絲分兩類，一是普通質(zhì)量的油淬火-回火鋼絲，用于制造重要的機(jī)械彈簧，二是專門用來(lái)制造閥門彈簧或其他要求高疲勞性能的閥門彈簧鋼絲。主要不同點(diǎn)是后者冶金質(zhì)量高，含有害雜質(zhì)（P、S、O等）更少，表面質(zhì)量更高，力學(xué)性能波動(dòng)范圍更小等。

   國(guó)產(chǎn)油淬火-回火彈簧鋼絲有以下幾種：

    閥門用油淬火-回火鉻釩合金彈簧鋼絲（標(biāo)準(zhǔn)GB2211）,

    閥門用油淬火-回火碳素彈簧鋼絲（標(biāo)準(zhǔn)YB/T5102）,

    閥門用油淬火-回火硅錳合金彈簧鋼絲（標(biāo)準(zhǔn)YB/T5104）, 

    閥門用油淬火-回火鉻硅合金彈簧鋼絲（標(biāo)準(zhǔn)YB/T5105）,

   以上這類彈簧鋼絲已在汽車拖拉機(jī)等生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。

下面分別敘述這類鋼絲的熱處理工藝、力學(xué)性能和發(fā)展趨勢(shì)

    1）油淬火-回火彈簧鋼絲的熱處理工藝

   冶金企業(yè)通常采用連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的專用熱處理生產(chǎn)線來(lái)生產(chǎn)各種油淬火-回火彈簧鋼絲。淬火加熱設(shè)備有兩種：一是電阻爐馬弗管(內(nèi)村滲鋁管或不銹鋼管)輻射加熱法，見(jiàn)圖4。二是利用鋼絲直接通電自身加熱法(見(jiàn)圖4b)。前者加熱爐長(zhǎng)：淬火油槽長(zhǎng)：回火鉛浴爐長(zhǎng)=4:1:2，適于處理絲徑Φ2-Φ7的彈簧鋼絲。淬火加熱溫度由鋼種、絲徑大小及在爐內(nèi)加熱時(shí)間長(zhǎng)短等因素決定，一般選800℃~950°C，其下限適于處理碳素鋼和錳鋼，上限適于處理50CrVA等低合金鋼絲。加熱時(shí)間與爐溫、絲徑大小及其運(yùn)行速度等有關(guān)，爐溫越高、絲徑越細(xì)、則加熱時(shí)間越短，每毫米直徑需加熱30s~50s，低合金鋼絲的加熱時(shí)間應(yīng)為碳素鋼絲的2-3倍。淬火油溫應(yīng)控制在40℃-70°C范圍，油應(yīng)循環(huán)流動(dòng)，保證冷卻均勻穩(wěn)定，以獲得勻細(xì)的馬氏體?；鼗鹨话阍阢U浴中進(jìn)行，回火溫度和時(shí)間應(yīng)根據(jù)鋼種，絲徑大小及其運(yùn)行速度快慢來(lái)決定。例如50CrVA鋼絲的回火溫度為400℃~500°C，回火時(shí)間不少于10s。

   如果提高爐溫(高于1000°C)或采用直接通電加熱法，將大幅度提高加熱速度，顯著縮短加熱時(shí)間；處理鋼絲的加熱溫度亦可適當(dāng)提高。例如50CrVA鋼絲可提高到1000°C，有利于獲得超細(xì)晶粒，提高生產(chǎn)率，但為保證冷卻和回火時(shí)間充分，淬火油槽和回火鉛浴爐應(yīng)適當(dāng)加長(zhǎng)，否則會(huì)造成回火不足等質(zhì)量事故。

▲圖4  油淬火-回火彈簧鋼絲熱處理生產(chǎn)線布置示意圖

a）馬弗管間接加熱法    b）直接通電加熱法

1-放線架  2-鋼絲  3-加熱爐  4-淬火油槽  5-鉛浴回火槽 

 6-收線架  7-淬火油循環(huán)冷卻裝置  8-冷接點(diǎn)（鉛?。?nbsp;

 9-熱接點(diǎn)（鉛?。?nbsp; 10-穩(wěn)壓器及調(diào)壓器

   為了防止鋼絲表面脫碳，在加熱管中有保護(hù)氣氛(如滴入微量甲醇等)可獲得良好的效果。油淬火回火工藝中存在的質(zhì)量問(wèn)題主要有：

   ①鋼絲表面脫碳超標(biāo)；

   ②硬度過(guò)高，這是回火不足造成的，導(dǎo)致鋼絲變脆；

   ③組織粗大，這是加熱溫度過(guò)高的結(jié)果；

   ④操作不當(dāng)，使鋼絲發(fā)生碰傷或刻痕等缺陷。

    2）油淬火-回火彈簧鋼絲的力學(xué)性能

   機(jī)械彈簧用油淬火-回火鋼絲國(guó)標(biāo)是GB/T1222，其中包含碳素鋼絲和60Si2MnA。其抗拉強(qiáng)度σb與絲徑（d）的關(guān)系見(jiàn)圖5 。后者是低合金鋼（Si+Mn），其σb比碳素鋼要高。由于硅錳元素增加鋼的淬透性，當(dāng)絲徑較小時(shí)它們差距不大；當(dāng)絲徑較大（d＞5mm）時(shí)，則強(qiáng)度差距拉大。還應(yīng)指出，油淬火-回火碳素鋼絲（GB/T1222）分為A、B兩類，A類選優(yōu)質(zhì)碳素鋼（GB/T4354）盤條制造，即選擇55、60、60Mn、65Mn、70、70Mn等鋼制造。B類選65、65Mn、70、70Mn、75、80等鋼制造。絲徑范圍Φ2-Φ12，共有18個(gè)規(guī)格。按抗拉強(qiáng)度高低分為A類和B類，B類的σb比A類高98.1MPa，強(qiáng)度波動(dòng)范圍為±73.6MPa。60Si2MnA鋼絲（GB/T1222）按σb的不同分為A、B、C三類，其中A類強(qiáng)度最低，B類居中，C類最高，并且均相差98.1MPa，波動(dòng)范圍也是±73.6MPa。絲徑d 在A、B兩類中有24個(gè)規(guī)格，絲徑范圍為Φ2-Φ14，在C類中有16個(gè)規(guī)格，絲徑范圍為Φ2-Φ12 。

▲圖5  機(jī)械彈簧用油淬火-回火鋼絲的抗拉強(qiáng)度與絲徑的關(guān)系

   閥門用油淬火-回火彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度和絲徑關(guān)系見(jiàn)圖6。由圖可見(jiàn)，55CrSi鋼（YB/T5105）強(qiáng)度最高，它有16個(gè)規(guī)格，絲徑范圍Φ1.6-Φ8.其次是50CrVA（YB/T5008）,它有21個(gè)規(guī)格，絲徑范圍Φ1.0-Φ10。碳素鋼（YB/T5102）的強(qiáng)度最低，它有11個(gè)規(guī)格，絲徑范圍Φ2-Φ6 。上述三種閥門彈簧鋼絲強(qiáng)度波動(dòng)范圍皆為±73.6MPa，但50CrVA的Φ1.0-Φ1.8例外，波動(dòng)范圍98.1MPa 。

▲圖6  閥門用油淬火-回火彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度與絲徑的關(guān)系

   閥門用油淬火回火彈簧鋼絲的塑性及工藝性能要求見(jiàn)表7。應(yīng)該指出，機(jī)械彈簧用油淬火回火鋼絲對(duì)工藝性能要求和閥門用油基本相同。但對(duì)斷面收縮率和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)沒(méi)有具體指標(biāo)。國(guó)外航空用的油淬火-回火鋼絲的抗拉強(qiáng)度上下波動(dòng)±49MPa甚至±29MPa在規(guī)格品種方面，國(guó)外大規(guī)格的油淬火回火鋼棒的直徑達(dá)20-30，小規(guī)格的絲徑Φ＜1.0。

▼表7  閥門用油淬火-回火彈簧鋼絲的塑性及工藝性能要求

    3）油淬火回火彈簧鋼絲的發(fā)展趨勢(shì)

   a.日本開(kāi)發(fā)的高強(qiáng)度油摔火回火鋼絲專門用來(lái)制造汽車閥門彈簧，其化學(xué)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%(這相當(dāng)于國(guó)產(chǎn)牌號(hào)60Si2MnVA)。它的抗拉強(qiáng)度σb與絲徑（Φ2-Φ6） 的關(guān)系曲線正好落在55SiCr鋼絲的上方，比55SiCr鋼的σb 高約150MPa（參見(jiàn)圖6）。這是由于該鋼含有較多的碳、鎳和釩的結(jié)果；另一方面，鋼中有鎳可提高淬透性和韌性，主要是合金化強(qiáng)化。從C、Si、Mn三種元素含量看，這種高強(qiáng)度鋼是在60Si2MnA鋼基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的新型彈簧鋼。添加Ni和V，通過(guò)精煉技術(shù)盡可能減少P、S、O等有害元素的量，不像60Si2MnA那樣形成較多的硅酸鹽夾雜物，V和Ni可細(xì)化顯微組織，所以，這種鋼具有很高的強(qiáng)韌性，與俄羅斯ГOCT602HA較為接近。

   b.瑞典在上世紀(jì)80年代推出的專利產(chǎn)品OTEVA-40，其主要成分相當(dāng)于我國(guó)的65Mn，含Mn量較多，而且加入微量元素Ti或V，從而獲得ASTM11級(jí)以上的超細(xì)晶粒油淬火-回火彈簧鋼絲，其強(qiáng)度水平比油淬火-回火碳素彈簧鋼絲的要高，接近50CrVA油淬火-回火鋼絲的水平。我國(guó)實(shí)驗(yàn)人員采用直接通電快速加熱方法(加熱速度50°C/s左右)，將鋼絲加熱到820℃~850℃后于油中淬火，鉛浴中回火，一次處理(見(jiàn)圖2e線所示)就可獲得ASTM14級(jí)超細(xì)晶粒的油淬火-回火65Mn鋼絲和ASTM11~12級(jí)50CrVA油淬火(1000℃)回火彈簧鋼絲。此外，日本采用循環(huán)3-4次感應(yīng)加熱法，可生產(chǎn)較粗規(guī)格的超細(xì)晶粒的高強(qiáng)度彈性棒材。

   超細(xì)晶粒油淬火回火彈簧鋼絲有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，扭轉(zhuǎn)和冷繞簧性能良好。我們知道，晶粒越細(xì)小，鋼的越高、韌性越好、在斷裂過(guò)程中需消耗的功越多；另一方面，晶粒越細(xì)小，鋼絲的屈強(qiáng)比越高。所以，超細(xì)晶粒油淬火-回火65Mh彈簧鋼絲強(qiáng)屈比比普通熱處理要高得多，和瑞典 OTEVA-40的性能基本一致。扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)表明：用超細(xì)晶粒油淬火-回火鋼絲制成的彈簧比用普通熱處理具有更高的疲勞壽命。由于這種鋼絲的σ0.2和屈強(qiáng)比均較高，用它繞制的閥門彈簧也具有更好的抗應(yīng)力松弛性能。用超細(xì)晶粒油淬火-回火鋼絲制造氣閥彈簧使用壽命比一般材料制造的提高幾倍到幾十倍。大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行可靠性。

   c.形變熱處理技術(shù)在彈簧鋼方面的應(yīng)用最為成功。其實(shí)質(zhì)就是通過(guò)形變熱處理使油淬火-回火彈簧鋼絲得到超細(xì)組織，從而具有高強(qiáng)度和良好的韌性。其設(shè)備與圖4相似，不同之處是熱接點(diǎn)鉛浴槽中安置了一個(gè)拔絲模，讓過(guò)冷奧氏體進(jìn)行拉拔后即刻淬油，然后回火，參見(jiàn)圖2曲線c，另外，拔絲機(jī)取代收線機(jī)。

   70、75、80、65Mn、70Mn、80Mn、60s2Mn、50CrVA、以及65Si2MnWA等鋼種均可試制和生產(chǎn)形變熱處理彈簧鋼絲。其奧氏體化溫度為800℃~950°C；形變溫度為400℃-340°C(鉛浴)，拉拔時(shí)斷面縮率約25%；油淬(油溫70°C)；回火溫度在350℃-400°C(鉛浴爐或流態(tài)粒子爐)范圍內(nèi)選擇。拉拔形變時(shí)潤(rùn)滑是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。形變熱處理彈簧鋼絲和油淬火鋼絲力學(xué)性能的比較見(jiàn)表8?？梢?jiàn)，在相同的塑性條件下，形變熱處理彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度σb比普通油淬火鋼絲高250~300MPa。

▼表8  形變熱處理彈簧鋼絲與油淬火鋼絲力學(xué)性能比較

1.2.4 退火（或冷拉）狀態(tài)下的低合金彈簧鋼絲

   鋼絲這類彈簧材料包括硅錳彈簧鋼絲如60Si2MnA(GB/T5218)、鉻硅彈簧鋼絲(GB5221)、鉻釩彈簧鋼絲(GB5218)及閥門用鉻釩彈簧鋼絲(YB/T5136)。此外，還有65Si2MnWA及70Si3MnA等。硅錳彈簧鋼絲交貨狀態(tài)有冷拉(L)、退火(T)、正火(h)、高溫回火（Gh）和銀亮(Zy)等五種，絲徑范圍Φ1.0-Φ12.0。鉻釩或鉻硅彈簧鋼絲只有冷拉(L)和退火(T)兩種，絲徑范圍Φ0.8~Φ12.0。閥門用鉻釩彈簧鋼絲有冷拉(L)、退火(T)、冷拔+銀亮(L+Zy)、退火+銀亮(T+y)等四種，絲徑范圍Φ0.5~Φ12.0。

   這類鋼絲是軟態(tài)或半硬態(tài)，冷繞成彈簧后必須進(jìn)行淬火-回火達(dá)到所要求的力學(xué)性能。彈簧質(zhì)量的高低不僅與鋼絲原材料的好壞有密切關(guān)系，在很大程度上取決于熱處理的工藝水平。特別是那些規(guī)格＜Φ1.0的鋼絲繞制成的壓縮機(jī)閥門彈簧，數(shù)量大而尺寸很小，熱處理生產(chǎn)時(shí)極易變形、淬火質(zhì)量達(dá)不到要求、表面氧化、銹蝕嚴(yán)重等，故一般選用油淬火-回火鋼絲來(lái)制造。

   對(duì)規(guī)格較粗的退火態(tài)或油淬火-回火鋼絲進(jìn)行磨光或拋光，使其表面質(zhì)量提高，減少表面缺陷，可提高彈簧的疲勞壽命。如成盤供貨或以定尺直條鋼棒供貨，常用來(lái)制造非常重要的彈簧。如轎車的氣門彈簧、噴油嘴調(diào)壓彈簧及石油工業(yè)中的鉆頭卡簧等，這類彈簧都必須進(jìn)行淬火-回火后才能使用。熱處理時(shí)應(yīng)保護(hù)其表面質(zhì)量，不能碰撞造成刻痕或氧化脫碳。如采用磨光或拋光油淬火鋼絲制造上述重要彈簧。則其熱處理簡(jiǎn)單，又能保證內(nèi)在質(zhì)量。

1.3  彈簧用鋼板及薄鋼帶

   彈簧薄鋼板和鋼帶用來(lái)制造碟簧、波形彈簧和蝸卷螺旋彈簧等。鋼種有碳素鋼、低合金鋼及高合金鋼三類。由于狀態(tài)不同，彈簧鋼、鋼板可分為兩類：即退火鋼帶(<200HV)、冷軋鋼帶，其中一種是半硬態(tài)(230-270HV)；另一種是全硬態(tài)(≤33HRC)。熱處理鋼帶有調(diào)質(zhì)鋼帶和貝氏體鋼帶。常用彈簧薄鋼板和鋼帶的種類及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表9 。

▼表9  常用彈簧鋼薄鋼板和鋼帶的種類及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.1 彈簧薄鋼板(YB543)

   彈簧薄鋼板選用的鋼號(hào)及其化學(xué)成分應(yīng)符合YB/T59的規(guī)定。供貨狀態(tài)下的力學(xué)性能見(jiàn)表10。這類材料制成的彈簧都必須經(jīng)過(guò)熱處理才能獲得所需的力學(xué)性能。

▼表10  彈簧鋼用薄鋼板的鋼號(hào)及其力學(xué)性能

1.3.2 熱處理彈簧鋼帶

   熱處理彈簧鋼帶有兩種：即通過(guò)調(diào)質(zhì)處理的鋼帶和經(jīng)過(guò)等溫淬火的下貝氏體鋼帶，它們都是用連續(xù)作業(yè)爐生產(chǎn)的。熱處理時(shí)控制加熱爐鋼帶進(jìn)出處的爐溫及回火浴爐的溫度。例如，厚度0.3的T10A鋼帶，運(yùn)行速度為8m/min時(shí)，淬火加熱爐(爐長(zhǎng)4m)的入口處溫度為840°C，出口處溫度為930°C。鋼帶加熱好后引入溫度為320°C的鉛銻合金浴爐中進(jìn)行貝氏體等溫淬火，或直接油淬。隨后按所需強(qiáng)度級(jí)別，連續(xù)在380℃~580°C的浴爐中回火。按國(guó)標(biāo)，熱處理彈簧鋼帶的強(qiáng)度分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三級(jí)，其力學(xué)性能和相應(yīng)的回火溫度見(jiàn)表11。顯然，用調(diào)質(zhì)或下貝氏體鋼帶制成的彈簧均不需再淬火回火處理，只進(jìn)行去應(yīng)力退火就即可。

▼表11  熱處理彈簧鋼帶的力學(xué)性能及推薦回火溫度

1.3.3 冷軋鋼帶（YB208）

   冷軋鋼帶(YB208)彈簧鋼及工具鋼冷軋鋼帶按制造精密分類：普通精度鋼帶(P)、寬度精密鋼帶(K)、厚度精密鋼帶(H)、寬度及厚度均精密的鋼帶(KH)等四種。按表面狀態(tài)分類：光亮鋼帶(G)、不光亮鋼帶(BG)兩種；按邊部狀態(tài)分；切邊鋼帶(Q)和不切邊鋼帶(BQ)兩種；按材料狀態(tài)分類：冷軋硬鋼帶(L)和正火鋼帶(T)等。其力學(xué)性能見(jiàn)表12。用退火態(tài)鋼帶制造的彈簧或彈性元件必須進(jìn)行淬火回火處理來(lái)得到所要求的性能。

▼表12  彈簧鋼和工具鋼冷軋鋼帶的力學(xué)性能（YB208）

2  特殊用途的彈簧鋼、合金鋼的熱處理

    為了滿足各種彈簧在不同工作條件下的性能要求，必須選用特殊性能的彈簧材料，如不銹耐蝕，高導(dǎo)電、無(wú)磁、耐熱、及恒彈性材料等。

2.1 不銹耐蝕彈簧鋼及其熱處理

   在腐蝕介質(zhì)中或在較高溫度下工作的彈簧和彈性元件，采用冷拔彈簧鋼絲或油淬火-回火鋼絲來(lái)制造已不能勝任時(shí)，就必須用不銹鋼或耐熱鋼來(lái)制造。常用不銹耐蝕彈簧鋼的品種主要有奧氏體類、馬氏體類、過(guò)度類（沉淀硬化型）等，其牌號(hào)及主要用途如表13所示。

▼表13  常用不銹耐蝕彈簧鋼的牌號(hào)及主要用途舉例

2.1.1 馬氏體類不銹彈簧鋼

   馬氏體相變強(qiáng)化不銹鋼有2Cr13、3Cr13、4Cr13及1Cr17Ni2等鋼號(hào)。如果用退火態(tài)材料制成彈簧，就必須進(jìn)行淬火回火以達(dá)到要求性能。如果采用油淬火-回火的3Cr13及4Cr13不銹鋼絲來(lái)制造彈簧，則其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，可免去高溫淬火時(shí)彈簧易變形、軟硬不均勻等缺點(diǎn)。實(shí)踐表明：采用直接通電加熱法處理上述不銹鋼絲（即油淬火-回火），可獲得良好的效果。例如，Φ1.7的4Cr13不銹彈簧鋼絲的快速加熱工藝：淬火溫度(1070±10)°C、加熱時(shí)間9s；

(360±10)°C分級(jí)冷卻10s；在40℃-60°C油中冷卻9s；再在(460±10)°C鉛浴中連續(xù)回火32s，回火后應(yīng)再在油中冷卻，防止回火脆性。處理后鋼絲的力學(xué)性能為σb≥1600 MPa HRC≥45，彎、扭及纏繞性能良好。

   1CrI7Ni2鋼屬于馬氏體-鐵素體型不銹鋼，它具有較高的耐蝕性和力學(xué)性能。但脆性傾向較大。其淬火溫度為980~1000°C，回火溫度為350℃~450°C

2.1.2 奧氏體類耐蝕不銹彈簧鋼

   通用的18-8型鎳鉻奧氏體不銹鋼比上述馬氏體不銹鋼具有更好的耐蝕性、良好的冷變形性能。在常溫或低溫下有很好的塑性和韌性。在室溫下保持奧氏體組織、無(wú)磁，它屬于形變強(qiáng)化的不銹彈簧鋼。簡(jiǎn)單的18-8型奧氏體不銹鋼的一個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)是會(huì)發(fā)生晶間腐蝕現(xiàn)象，因此，在鋼中加入適量的鈦或鈮等元素使其和碳結(jié)合，基體的鉻含量不降低，在晶界附近就不會(huì)形成貧鉻區(qū)，從而防止晶間腐蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)。在18-8型鋼中加入Mo2%~4%(wt)，可提高它在硫酸和氯化物中的耐蝕性。為了獲得純奧氏體組織，相應(yīng)增加鋼中的鎳含量，于是得到一些新的奧氏體不銹鋼，如0Cr18Ni9Ti和1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni12Mo2Ti及1Cr18Ni12Mo2Ti等。

 YB/T11推薦的不銹彈簧鋼號(hào)只有1Cr18Ni9、0Cr19Ni10、0Cr17Ni2Mo2及0Cr17Ni8Al等。按其抗拉強(qiáng)度σb的不同分為三組：

A，Φ0.08-Φ8.0，共41個(gè)規(guī)格，

B，Φ0.08-Φ10.0，共44個(gè)規(guī)格，

C，Φ0.1-Φ6.0，共36個(gè)規(guī)格。

其力學(xué)性能見(jiàn)圖7。

▲圖7  拉拔不銹彈簧鋼絲的強(qiáng)度與絲徑的關(guān)系（按YB/T11繪制）

   B組的強(qiáng)度最高，A組最低，C組居中。三組的抗拉強(qiáng)度中值線在圖7中分別用BB'、AA'及CC′連線表示。三組鋼絲的強(qiáng)度波動(dòng)皆為±122.6MPa。由此可知，YB/T11推薦的彈簧用不銹鋼的強(qiáng)度波動(dòng)范圍比油淬火鋼絲者要大。應(yīng)當(dāng)指出，18-8型奧氏體在深度冷拔時(shí)，形變將誘發(fā)馬氏體相變；試驗(yàn)證明，斷面縮率越大，溫度越低，誘發(fā)馬氏體的數(shù)量越多，鋼絲強(qiáng)化效果越大。如冷拉不均勻，誘發(fā)馬氏體量也不均勻，這是造成此類鋼絲強(qiáng)度波動(dòng)較大的原因。

2.1.3 沉淀硬化(PH型)不銹彈簧鋼及其熱處理

   用來(lái)制造彈簧或彈性元件的沉淀硬化型不銹鋼有GB/T1220中的0Cr17Ni7A(簡(jiǎn)稱17-7PH)、0Cr15NiMo2Al(簡(jiǎn)稱15-7MoPH)、1Cr17Ni14Mo2N及0Cr12Ni14Mn5Mo3Al (YB/E7)等鋼號(hào)。這類鋼中含鎳量低于18-8型不銹鋼。鋼中含鋁、鉬等合金元素的相，在時(shí)效時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，所以稱為奧氏體-馬氏體過(guò)度類不銹鋼，它們的耐蝕性比奧氏體不銹鋼要低，但優(yōu)于馬氏體不銹鋼。鋼中的鋁、鉬等元素在時(shí)效時(shí)起沉淀強(qiáng)化作用，能進(jìn)一步提高其強(qiáng)度和耐熱性。

   17-7PH鋼的冷加工和熱處理過(guò)程比較復(fù)雜，主要有以下幾種情況：固溶處理（A處理）、冷變形處理（T處理）、冷處理（C處理）、冷變形處理（R處理）具體工藝流程見(jiàn)圖8 。

▲圖8  沉淀硬化不銹彈簧鋼（17-1PH）的工序流程及工藝參數(shù)

2.1.4 馬氏體時(shí)效不銹鋼

   馬氏體時(shí)效不銹鋼主要有四個(gè)系列：Fe-Cr-Ni-Mo、Fe-Cr-Ni-Ti、Fe-Co-Mo、及Fe-Cr-Co-Mn。由于這類鋼的超低碳（wt C≤0.03%），熱處理后得到斑條狀馬氏體再經(jīng)沉淀硬化（時(shí)效），既保留了馬氏體時(shí)效的高強(qiáng)度、高彈性極限和優(yōu)良的韌性、塑性、冷加工優(yōu)異性等特點(diǎn)，又具有不銹鋼的耐蝕性，但價(jià)格貴。國(guó)產(chǎn)鋼號(hào)有：00Cr12Ni9CuTiNb、00Cr13Ni6MoNb及00Cr12Co12NiMo4TiAl等。這幾種不銹耐蝕彈簧鋼經(jīng)不同熱處理后的力學(xué)性能見(jiàn)表14 。

▼表14  不銹耐蝕彈簧鋼經(jīng)不同熱處理后的力學(xué)性能

2.2 耐熱彈簧鋼和合金

   在室溫~250℃范圍內(nèi)工作的彈簧，一般選用冷拔碳素鋼絲或油淬火鋼絲。工作溫度更高時(shí)，可選用各種不銹彈簧鋼、高合金工具鋼或耐熱彈性和金。各種彈簧鋼、工具鋼及耐熱合金的允許工作溫度見(jiàn)表15 。

▼表15  各種彈簧鋼、工具鋼及耐熱合金的允許工作溫度

   耐高溫高彈性合金主要用來(lái)制造自動(dòng)儀器儀表調(diào)壓閥門彈簧，大型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)油門彈簧差壓膜片、膜盒和波紋管，微型繼電器彈簧片，電視機(jī)顯像管內(nèi)支撐彈簧片及汽油轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)刮片彈簧等。下面介紹三類耐熱彈簧材料

2.2.1 高合金工具鋼

    熱作模具鋼3Cr2W8V及4Cr5MoSiV、高速鋼W18Cr4V的耐熱性能好，其熱處理工藝比較成熟，也可用來(lái)制造耐熱彈簧。鋼絲熱卷簧成形后，經(jīng)淬火-回火后獲得硬度<60HRC。但是，高合金工具鋼的熱處理工藝比較復(fù)雜，性脆，耐熱性不夠穩(wěn)定，故應(yīng)用較少。新型熱作模具鋼30W4Cr2V即( DIN30WCrV179)、65Cr4W8MoV即(DIN65WMo348)等、鋼中含碳及含鎢量較低，不僅降低了成本，也改善了鋼的塑性和韌性，有利于纏簧并改善其熱處理工藝性。

2.2.2 奧氏體沉淀強(qiáng)化合金

     這類材料屬于Fe-Ni基耐熱合金，主要有Ni36CrTiAl(3J1)、Ni36CrTiAIMo5(3J2) 及 Ni36CrTiAIMo8 (3J3)等。在淬火狀態(tài)(固溶處理)為奧氏體組織，有良好的塑性，易于成形加工，再通過(guò)時(shí)效處理、析出彌散分布的金屬間化合物。這類合金的主要優(yōu)點(diǎn)是在較高工作溫度下仍保持高彈性，高的彈性穩(wěn)定性，且無(wú)磁、耐蝕性能好。熱處理后的力學(xué)性能見(jiàn)表16。

▼表16  耐熱彈簧鋼及合金的熱處理工藝和力學(xué)性能

   鐵基奧氏體沉淀硬化合金有Cr14Ni25Mo及3Cr19 Ni9WMoNbTi等。合金中含有較多的鉻和鎳，故在室溫下為奧氏體組織；又含有Mo、W、Nb及Ti等強(qiáng)碳化物形成元素，故固溶后沉淀強(qiáng)化顯著，并形成穩(wěn)定的第二相，阻止晶粒粗化，故有較高的熱強(qiáng)性，在高溫下有良好的抗氧化和耐蝕性。GH2132、A286美(0Cr15Ni26MoVTi2AIB)也屬于這一類合金，其熱處理工藝和處理后的力學(xué)性能見(jiàn)表16。

2.2.3 鎳基及鉆基耐熱高彈性合金

   它們是些不含或少含鐵的鎳基合金(合金含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù))，可分為兩類：Ni-Cr(19%)系列和Ni-Cr(15%)-Co(29%)系列，組織為Ni-Cr基奧氏體。鈷基耐熱合金中含有(10%-20%Cr+Ni)，并有少量的Mo、Ti、Nb、W、AI等元素。它們屬于高級(jí)彈性合金，具有高彈性、高疲勞極限、高的彈性穩(wěn)定性、耐蝕、無(wú)磁等，用來(lái)制造在燃?xì)庵虚L(zhǎng)期工作的彈性元件及鐘表儀器中的精密彈

簧。它們的熱處理工藝及力學(xué)性能見(jiàn)表16。