SPRING WIRE 弹簧钢丝的强度按品种、标准和规格的不同,抗拉强度等级可在1000-3000兆帕范围。
圆形弹簧钢丝的直径范围在0.08-20毫米。
弹簧钢丝的截面形状一般为圆形,也有长方、方、卵形等形状,成品钢丝一般是一卷卷交付,也有按直条交付的情况。
弹簧在弹性范围内使用,卸载后应回复到原来位置,希望塑性变形越小越好,因此钢丝应具有高的弹性极限,屈服强度和抗拉强度。屈强比越高,弹性极限就越接近抗拉强度,因而越能提高强度利用率,制成的弹簧弹力越强。
弹簧依靠弹性变形吸收冲击能量,所以弹簧钢丝不一定要有很高的塑性,但起码要有能承受弹簧成型的塑性,以及足够的能承受冲击能量的韧性。
弹簧通常在交变应力作用下长期工作,因此要有很高的疲劳极限,以及良好的抗蠕变和抗松弛性能。
在特定环境中使用的弹簧,对钢丝还会有一些特殊要求,例如:在腐蚀介质中使用的弹簧,必须有良好的抗腐蚀性能。精密仪器中使用的弹簧,应具有长期稳定性和灵敏性,温度系数要低,品质因素要高,后效作用要小,弹性模量要恒定。在高温条件下工作的弹簧,要求在高温时仍能保持足够的弹性极限和良好的抗蠕变性能等。
此外,还应考虑弹簧钢丝的成形工艺和热处理工艺。冷拉弹簧钢丝和油淬火回火弹簧钢丝都以供货状态钢丝直接绕制弹簧,弹簧成形后经消除应力处理直接使用。冷拉弹簧钢丝的抗拉强度要略高于油淬火回火钢丝。大规格冷拉钢丝弹力太大,绕制弹簧很困难,所以冷拉弹簧钢丝使用规格一般小于8.0mm,油淬火回火钢丝使用规格一般小于13.0mm。实际上直径13.0mm弹簧多选用轻拉状态弹簧钢丝,冷拉绕制成形后再淬回火使用。直径15.0mm以上钢丝大多采用加热绕制工艺制簧。碳素弹簧钢丝现行国家和行业推荐标准分两种类型:
1、冷拉弹簧钢丝 一类是冷变形强化钢丝,又称冷拉弹簧钢丝。冷拉碳素弹簧钢丝首先经铅淬火处理获得索氏体组织,然后表面磷化,以很大减面率拉拔到成品尺寸,钢丝组织呈纤维状,有很高的抗拉强度和弹性极限,良好的弯曲和扭转性能。冷拉弹簧钢丝尺寸精度高,表面光洁,无氧化和脱碳缺陷,疲劳寿命比较稳定,是使用最广泛的弹簧钢丝。
2、油淬火回火钢丝 碳素弹簧钢丝的另一类型是马氏体强化钢丝,又称油淬火回火钢丝。碳素钢丝通过淬回火处理,可获得良好的综合力学性能,当钢丝规格较小时( φ ≤2.0mm),油淬火回火钢丝的各项强度指标比索氏体化处理后冷拉钢丝要低。当钢丝规格较大时( φ ≥6.0mm)索氏体化的钢丝不可能采用很大减面率来获得所要求的强度指标,而油淬火回火钢丝只要完全淬透就可以获得比冷拉钢丝更高的性能。在抗拉强度相同条件下,马氏体强化钢丝比冷变形强化钢丝具有更高的弹性极限。冷拉钢丝金相组织呈纤维状,各向异性明显,油淬火回火钢丝金相组织为均匀的回火马氏体,几乎是各向同性的。同时油淬火回火钢丝的抗松弛性能优于冷拉钢丝,使用温度(150~190℃)也高于冷拉钢丝( ≤120℃)。近年来中大规格油淬火、回火钢丝大有取代冷拉钢丝趋势。
弹簧钢热处理弹簧钢要求较高的强度和疲劳极限,一般在淬火+中温回火的状态下使用,以获得较高的弹性极限。热处理工艺技术对弹簧内在质量有着至关重要的影响。因此,如何进一步提高弹簧疲劳寿命,需进一步研究,尤其是化学表面改性热处理、喷丸强化等都对弹簧疲劳寿命产生重要影响。为进一步强化气门弹簧的表面强度、增加压应力、提高疲劳寿命,气门弹簧成形后,要进一步经过渗氮、低温液体碳氮共渗或硫氮共渗处理,然后经喷丸强化。例如,日本将f4mm的si-cr油淬钢丝经450℃ ×
4.5h低温体碳氮共渗与经400℃ × 15min中温回火进行对比,其疲劳极限可提高240mpa。氮的渗入,不仅消除了脱碳的不良影响,而且还提高了残余压应力,同时经渗氮和低温液体碳氮共渗的气门弹簧高温强度提高,150℃时的变形量为0.2%(规定值为0.5%),250℃的变形量为0.56%,提高了气门弹簧的热稳定性和抗松弛稳定性,但渗氮和液体碳氮共渗时间应严格控制,否则会形成网状硫化物和网状氮化物,反而会降低其疲劳强度。 气门弹簧提高强度的方法还可以选择喷丸,经生产实践表面气门弹簧喷丸可用两种丸粒,一种直径为0.8mm,其显微硬度为720hv0.2,另一种直径0.25mm,其显微硬度为800hv0.2,三次喷丸可达到较好的强化效果,又可使表面质量得到改善。