彈簧的熱處理（一）

彈簧的熱處理（一）來源：每天學點熱處理彈簧及彈性元件，是量大面廣的基礎零件，可以說是無處不在。在動力機械、電器、儀表、武器中作為控制性元件，也是非常關鍵的零件。它的基本功能是利用材料的彈性和彈簧的結構特點，在產生及恢復變形時，可以把機械功或動能轉換為形變能，或者把形變能轉換為動能或機械功，以達到緩沖或減振、控制運動或復位、儲能或測量等目的。所以，在各類機械設備、儀器儀表、軍工產品、電器、家具、家電甚至文具、玩具中都廣泛使用彈簧。影響彈簧質量和使用壽命的因素很多，如設計、選材、生產工藝及工況條件等等。其中，材質和熱處理對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。本文分四個主題，分別介紹各類機械設備中常用的彈簧材料和典型彈簧的熱處理，對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、制造方法、材料成分和不同用途進行分類。每一類中又分為若干小類和不同規(guī)格。GB/T1805彈簧的標準中列出了22種，彈簧行業(yè)1990年提出的內部標準《彈簧種類》中，把彈簧分為15個小類。彈簧行業(yè)多按形狀分類，在機械制造業(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?！鴪D1

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）及應力狀態(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）幾個檔次。工作環(huán)境介質有空氣、水蒸氣、雨水、燃燒產物、以及酸、堿水溶液等。普通機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、承受高應力等各種特殊用途的彈簧。工作持續(xù)時間也是一個值得考慮的重要因素。▲氣門彈簧是要求最嚴苛的彈簧之一彈簧的載荷特性由彈簧變形時的載荷（P或T）與變形（F或）之間的關系曲線表示。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表2。▼表2

各類彈簧的載荷特性彈簧載荷有動載荷（振動、扭轉、彎曲等）和靜載荷，有些重要彈簧承受復雜的交變載荷。應力狀態(tài)是彈簧設計、選材及熱處理的一個極其重要的參數。在外力作用下，彈簧材料內部往往產生不同的應力：如彎曲應力、扭轉應力（切應力），或彎曲-扭轉復合應力等。典型彈簧的應力狀態(tài)見表3。▼表3

彈簧的應力狀態(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%。在生產實踐中可依據彈簧斷口特征來判斷其斷裂方式，可根據彈簧的受力條件找出其斷裂源，分析其裂紋的擴展速率。應力松弛(變形)失效是彈簧工作過程中普遍存在的現象，一般不被重視，而它對那些執(zhí)行控制的元件，則是影響產品效率、靈敏度及可靠性的關鍵性零件。彈簧的早期失效造成直接和間接的經濟損失巨大。所以，彈簧的失效分析和預防是一項重要的技術任務。典型彈簧的失效方式見表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雜，除了與設計、成形加工質量、安裝和使用是否正確等有關外，彈簧材料好壞和熱處理質量優(yōu)劣是影響產品的關鍵因素。3

對彈簧的性能要求彈簧性能好壞應包括彈簧材料、幾何形狀、尺寸精度和表面質量等內容，這其中，對彈簧性能的要求是重點。具體如下：3.1力學性能由于彈簧是在彈性范圍內工作，不允許產生永久變形。彈性好壞可用應變能或稱彈性比功（U）表示。用公式如下：σe2

τe2U∝

——

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。要求彈性應變能大，也就是要求材料的彈性極限、屈服極限和屈強比要高。彈簧材料和熱處理工藝對這些性能影響很大。另一方面，許多重要彈簧是在交變載荷條件下長期工作的，要求彈簧有很高的疲勞強度，同時要求有良好的抗應力松性能，減少水久變形，以便保證機電產品效率的正常發(fā)揮和儀表的工作靈敏性及可靠性。因為應力松弛過程就是彈簧長期在室溫或較高溫度下工作、材料內部的微塑性變形逐漸轉變?yōu)橛谰米冃蔚谋厝唤Y果。為了提高彈簧的使用壽命，對材料的冶金質量有很高要求。例如：要求彈簧材料表面不應有裂紋或類裂紋、凹坑、刻痕等弊病，在彈簧加工過程中更不應產生上述缺陷，要求鋼質純凈(各種夾雜物含量要少、其形狀和大小應在1級以內)，第二相質點勻、細、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，要求材料尺寸公差應符合合同或有關標準進行。各項指標合格才能投入使用3.2理化性能彈簧的工況很復雜，有些彈簧是在較高或高溫下長期工作的，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、較小和較低的應力松弛率。相反，有些彈簧是在嚴寒地帶工作，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成分和組織狀態(tài)有密切關系。在腐蝕介質中工作的彈簧，其表層金屬與腐蝕介質發(fā)生化學或電化學反應，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。對于精密儀器和電器儀表中使用的彈性元件，則要求有高導電、無磁性、不產生火花或恒彈性等。例如，銅合金彈性材料能滿足高導電性能要求，鈦合金、銅合金及奧氏體不銹鋼彈性材料能滿足無磁的要求，恒彈性合金的熱脹系數很小，彈性模量在-50~+100°C之間基本上無變化，這是精密測量儀表及電子儀器中比較理想的彈性材料。3.3工藝性能對于要求淬火而其截面尺寸又較大的彈簧，其鋼材應有相應的淬透性、較小的過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、熱成形時要求材料有足夠的塑性和良好的彎曲、扭轉及纏繞性能，以便保證或提高彈簧的制造質量。尺寸較小的彈簧，熱處理時變形大、難以校正，這很難保證彈簧產品質量。這種情況就要選用已強化的彈簧材料進行冷成型，冷成形后只進行低溫退火，這樣更能保證大批量小彈簧的產品質量并且成本低廉。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、高彈性高導電的銅基合金)。非金屬彈性材料有橡膠、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。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。國標、冶標號分別為：GB/T1222、

GB/T4395、YB/T037

彈簧鋼的生產都是按國標或冶金標準進行的，其化學成分可查閱這些相關標準。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化效果，獲得較高強度或馬氏體相變強化效果，獲得較高的彈性極限，這是彈簧鋼的主要優(yōu)點。但是，彈簧鋼尤其是碳素彈簧鋼有淬透性小、抗應力松弛性能不夠好、耐腐蝕性差以及彈性模量溫度系數較大等缺點，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。在彈簧鋼標準的更替進程中，增刪了許多彈簧鋼鋼種。但標準中的有限鋼種遠不能滿足工業(yè)的廣泛需求，因此，碳素工具鋼、高速工具鋼、超高強度鋼、不銹鋼、耐熱鋼中有不少牌號也被選入彈簧鋼材料當中，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做特殊用途彈簧的材料。各種彈簧鋼的熱處理工藝參數、熱處理后的力學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性能（GB/T1222-1984）及應用舉例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行淬火，只需進行去應力退火(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行淬火和回火，以達到所要求的組織和力學性能。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。彈簧鋼絲的強化原理有如下幾個方面：合金化強化、冷形變強化、馬氏體相變強化和沉淀強化(時效硬化)。其中，形變和相變強化占有重要地位。反映在彈簧鋼絲的生產過程中就是拔絲和熱處理兩道工序。彈簧鋼絲生產企業(yè)的兩個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鍵工序。彈簧產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鉛浴淬火后經過多次拉撥達到所需的力學性能外，其他硬態(tài)彈簧鋼絲都是通過熱處理達到所要求的力學性能的。常用彈簧鋼絲的冷拔和熱處理過程、工藝原理、質量問題及組織性能特點，見圖2和表6?！鴪D2

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-復合組織（B下+M）處理

HOf-鄧文退火（球化）工藝生產彈簧鋼絲的主要原料是熱軋盤條(即盤圓線材)，盤條質量的好壞直接影響彈簧鋼絲的質量。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或“散卷控制冷卻”工藝等來提高盤條質量。拔絲車間用來生產彈簧鋼絲的盤條的質量，即優(yōu)質碳素鋼(65、70、65Mn)和碳素工具鋼(T7A、T8A、T9A、T10A)盤條都應符合符合國標GB/T4354要求。琴鋼絲用鋼應符合國標GB/T699中的60、65、70、80、65Mn、70Mn和GB/T1298中的T8MnA、T9A等鋼種的相關要求。其盤條應符CB/T14981質量要求，盤條的絲徑一般在Φ4~Φ16范圍。制造異形鋼絲時，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，表面脫碳更屬常見的現象。線材內部缺陷則有縮孔、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過程，而且直接影響彈簧鋼絲的質量。為了進一步提高鋼絲質量，可對盤條進行剝皮處理。▼表6

常用彈簧鋼絲的主要生產過程、熱處理工藝原理、質量問題、組織性能特點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，盤條經過索氏體化處理，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，設備示意圖見圖3。▲圖3彈簧鋼絲鉛淬火設備示意圖

1-放線架

2-盤條鋼絲

3-加熱爐

4-鉛浴槽

5-收線架處理時盤條2（或鋼絲）置于放線架1上，一般十幾根或幾十根同時連續(xù)地通過加熱爐3，在爐中運行一定時間將鋼絲加熱到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。熱處理后鋼絲經過酸洗、沾白灰拉拔，即可達到所需要的力學性能。盤條在爐中淬火，淬火溫度

t淬火（℃）主要根據鋼的含碳量及線徑大小而定，可以用下式計算：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間τmin（s）可以用以下公式計算：也可以近似地認為與鋼絲直徑成正比，現場試驗確定參數。彈簧鋼絲的熱處理是連續(xù)流水作業(yè)，通道式加熱爐長十幾米甚至幾十米，由鋼絲直徑大小，加熱爐長度及鉛浴槽長度可以確定鋼絲運行速度，用無級變速器來調節(jié)收線機的回轉速度。鋼絲在爐中加熱過程中必須完成奧氏體化過程，將發(fā)生如下幾個轉變：①應變時效。②恢復、再結晶及珠光體球化。③奧氏體的形成。④奧氏體晶粒長大及成分均勻化等。由于爐內溫度分布不均，鋼絲之間也有差異，所以，加熱時鋼絲內部奧氏體化過程也不完全致。實踐表明，奧氏體形成、長大和成分均勻化過程占50%加熱全過程是合適的。提高加熱爐預熱段溫度，將縮短前兩個轉變過程所需的時間、延長后兩個轉變過程的時間，這有利于提高生產率。調整鉛淬火前的組織狀態(tài)或適當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性能。鉛浴淬火也可采用對鋼絲直接通電加熱法進行處理，也就是將鋼絲通低壓大電流，使之自身發(fā)熱。其優(yōu)點是加熱速度快，加熱時間較短、熱效率高，所占生產面積較小，比較容易采用保護氣氛加熱，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，鉛浴淬火時的冷卻條件對冷拔彈簧鋼絲的組織和性能也有很大影響。由于冷卻介質的不同，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，甚至風冷處理，有些做正火處理在這里也屬于這個范圍。目前，國內外仍被廣泛采用的還是鉛浴淬火。在生產中根據鋼中碳含量及絲徑大小確定鉛浴溫度。鋼中碳含量越多，鉛浴溫度應越高；絲徑越大，鉛浴溫度(°C)應越低。通常用下式計算：t鉛浴=400+60w(C)-15d式中w(C)—鋼中碳含量(%)；d—鋼絲直徑(mm)實際生產時，盤條通過鉛浴的時間約為60s。鉛浴的主要優(yōu)點是有很好的導熱能力，鋼絲可在較短的時間內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變的時間只需20s，實際生產中鋼絲在鉛浴中通過時間約60s。對于含有較多的Mn、Si、Cr等合金元素時，奧氏體穩(wěn)定，需要延長在鉛浴中的通過時間，否則容易出現淬火馬氏體組織。鉛淬工藝容易出現的問題有：表面脫碳、組織粗大、先共析鐵素體量超標（標準規(guī)定≤5%）。這是由于是鉛浴前端過熱、鋼絲通過鉛浴時間過快造成的。需要改善鉛浴循環(huán)冷卻，和適當調整工藝。另外，鉛淬也存在鉛蒸汽污染問題，對人體、環(huán)境有害。所以鉛浴替代技術是這個行業(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，還有用流態(tài)床做加熱和淬火介質的，小規(guī)格鋼絲也有人使用鼓風冷卻。隨著控制手段的不斷發(fā)展，鉛浴替代技術將趨于成熟。2）拉拔彈簧鋼絲的力學性能冷拔碳素彈簧鋼絲按絲徑不同共有46個規(guī)格，按用途和力學性能不同分為A、B、C三組，可參見GB/T4357。A組抗拉強度較低，用于制造一般彈簧；B組居中，用于制造低應力彈簧；C組的抗拉強度最高，用于制造高應力彈簧。此外，還有琴鋼絲用于制造具有重要用途的不經淬火、只進行去應力退火的彈簧。它們按用途不同亦分為三組，即G1組，共15個規(guī)格，用于制造各種重要用途的彈簧；G2組，共有15個規(guī)格，用于各種高應力彈簧；F組，共9個規(guī)格，用于各種閥門彈簧，其強度高于普通碳素彈簧鋼絲，而且，其強度波動范圍亦較小?？蓞⒁奊B/T4358。例如，直徑0.2-1.4mm鋼絲，強度的上下限不得超過±40MPa，其他尺寸鋼絲的抗拉強度不得超過規(guī)定上下限±30MPa。這類鋼絲對化學成分、顯微組織、表面質量、纏繞性能及疲勞壽命等都有更高的要求。在彈簧設計中，材料的抗拉強度(σb)是一個關鍵性數據?？刹捎没貧w方程通式：σb=a-lnd很方便地算出。對于（GB/T4357）標準中A、B、C三組相應為：A組方程：σb=1364-200lndB組方程：σb=1662-241lndC組方程：σb=1883-252lnd冷拔彈簧鋼絲應具有良好的工藝性能，見表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和纏繞性能，以利于成型，對鋼絲的表面質量要求也更高，以保證其疲勞壽命（琴絲的振動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內稱油淬火鋼絲，國外稱油回火鋼絲。冷拔彈簧鋼絲特別是細規(guī)格，可達到很高的綜合力學性能。這種鋼絲不是靠冷變形達到所要求的力學性能的，而是通過馬氏體相變強化來實現。只要鋼有足夠的淬透性，粗細鋼絲均能獲得比較均勻細小的馬氏體和良好的力學性能，這類鋼絲沒有內應力，挺直性優(yōu)異，冷纏繞性好，而且質量均勻穩(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行淬火回火的生產工藝，及大地提高了生產率和產品質量。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，一是普通質量的油淬火-回火鋼絲，用于制造重要的機械彈簧，二是專門用來制造閥門彈簧或其他要求高疲勞性能的閥門彈簧鋼絲。主要不同點是后者冶金質量高，含有害雜質（P、S、O等）更少，表面質量更高，力學性能波動范圍更小等。國產油淬火-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（標準GB2211）,閥門用油淬火-回火碳素彈簧鋼絲（標準YB/T5102）,閥門用油淬火-回火硅錳合金彈簧鋼絲（標準YB/T5104）,

閥門用油淬火-回火鉻硅合金彈簧鋼絲（標準YB/T5105）,以上這類彈簧鋼絲已在汽車拖拉機等生產中得到了廣泛的應用。下面分別敘述這類鋼絲的熱處理工藝、力學性能和發(fā)展趨勢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)運轉的專用熱處理生產線來生產各種油淬火-回火彈簧鋼絲。淬火加熱設備有兩種：一是電阻爐馬弗管(內村滲鋁管或不銹鋼管)輻射加熱法，見圖4。二是利用鋼絲直接通電自身加熱法(見圖4b)。前者加熱爐長：淬火油槽長：回火鉛浴爐長=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、絲徑大小及在爐內加熱時間長短等因素決定，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。加熱時間與爐溫、絲徑大小及其運行速度等有關，爐溫越高、絲徑越細、則加熱時間越短，每毫米直徑需加熱30s~50s，低合金鋼絲的加熱時間應為碳素鋼絲的2-3倍。淬火油溫應控制在40℃-70°C范圍，油應循環(huán)流動，保證冷卻均勻穩(wěn)定，以獲得勻細的馬氏體?；鼗鹨话阍阢U浴中進行，回火溫度和時間應根據鋼種，絲徑大小及其運行速度快慢來決定。例如50CrVA鋼絲的回火溫度為400℃~500°C，回火時間不少于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，顯著縮短加熱時間；處理鋼絲的加熱溫度亦可適當提高。例如50CrVA鋼絲可提高到1000°C，有利于獲得超細晶粒，提高生產率，但為保證冷卻和回火時間充分，淬火油槽和回火鉛浴爐應適當加長，否則會造成回火不足等質量事故?！鴪D4

油淬火-回火彈簧鋼絲熱處理生產線布置示意圖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（鉛?。?/p>

9-熱接點（鉛?。?/p>

10-穩(wěn)壓器及調壓器為了防止鋼絲表面脫碳，在加熱管中有保護氣氛(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量問題主要有：①鋼絲表面脫碳超標；②硬度過高，這是回火不足造成的，導致鋼絲變脆；③組織粗大，這是加熱溫度過高的結果；④操作不當，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性能機械彈簧用油淬火-回火鋼絲國標是GB/T1222，其中包含碳素鋼絲和60Si2MnA。其抗拉強度σb與絲徑（d）的關系見圖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，當絲徑較小時它們差距不大；當絲徑較大（d＞5mm）時，則強度差距拉大。還應指出，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個規(guī)格。按抗拉強度高低分為A類和B類，B類的σb比A類高98.1MPa，強度波動范圍為±73.6MPa。60Si2MnA鋼絲（GB/T1222）按σb的不同分為A、B、C三類，其中A類強度最低，B類居中，C類最高，并且均相差98.1MPa，波動范圍也是±73.6MPa。絲徑d

在A、B兩類中有24個規(guī)格，絲徑范圍為Φ2-Φ14，在C類中有16個規(guī)格，絲徑范圍為Φ2-Φ12?！鴪D5

機械彈簧用油淬火-回火鋼絲的抗拉強度與絲徑的關系閥門用油淬火-回火彈簧鋼絲的抗拉強度和絲徑關系見圖6。由圖可見，55CrSi鋼（YB/T5105）強度最高，它有16個規(guī)格，絲徑范圍Φ1.6-Φ8.其次是50CrVA（YB/T5008）,它有21個規(guī)格，絲徑范圍Φ1.0-Φ10。碳素鋼（YB/T5102）的強度最低，它有11個規(guī)格，絲徑范圍Φ2-Φ6。上述三種閥門彈簧鋼絲強度波動范圍皆為±73.6MPa，但50CrVA的Φ1.0-Φ1.8例外，波動范圍98.1MPa。▲圖6

閥門用油淬火-回火彈簧鋼絲的抗拉強度與絲徑的關系閥門用油淬火回火彈簧鋼絲的塑性及工藝性能要求見表7。應該指出，機械彈簧用油淬火回火鋼絲對工藝性能要求和閥門用油基本相同。但對斷面收縮率和扭轉試驗沒有具體指標。國外航空用的油淬火-回火鋼絲的抗拉強度上下波動±49MPa甚至±29MPa在規(guī)格品種方面，國外大規(guī)格的油淬火回火鋼棒的直徑達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a.日本開發(fā)的高強度油摔火回火鋼絲專門用來制造汽車閥門彈簧，其化學成分(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%(這相當于國產牌號60Si2MnVA)。它的抗拉強度σb與絲徑（Φ2-Φ6）的關系曲線正好落在55SiCr鋼絲的上方，比55SiCr鋼的σb

高約150MPa（參見圖6）。這是由于該鋼含有較多的碳、鎳和釩的結果；另一方面，鋼中有鎳可提高淬透性和韌性，主要是合金化強化。從C、Si、Mn三種元素含量看，這種高強度鋼是在60Si2MnA鋼基礎上開發(fā)出來的新型彈簧鋼。添加Ni和V，通過精煉技術盡可能減少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可細化顯微組織，所以，這種鋼具有很高的強韌性，與俄羅斯ГOCT602HA較為接近。b.瑞典在上世紀80年代推出的專利產品OTEVA-40，其主要成分相當于我國的65Mn，含Mn量較多，而且加入微量元素Ti或V，從而獲得ASTM11級以上的超細晶粒油淬火-回火彈簧鋼絲，其強度水平比油淬火-回火碳素彈簧鋼絲的要高，接近50CrVA油淬火-回火鋼絲的水平。我國實驗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(見圖2e線所示)就可獲得ASTM14級超細晶粒的油淬火-回火65Mn鋼絲和ASTM11~12級50CrVA油淬火(1000℃)回火彈簧鋼絲。此外，日本采用循環(huán)3-4次感應加熱法，可生產較粗規(guī)格的超細晶粒的高強度彈性棒材。超細晶粒油淬火回火彈簧鋼絲有優(yōu)異的綜合力學性能，扭轉和冷繞簧性能良好。我們知道，晶粒越細小，鋼的越高、韌性越好、在斷裂過程中需消耗的功越多；另一方面，晶粒越細小，鋼絲的屈強比越高。所以，超細晶粒油淬火-回火65Mh彈簧鋼絲強屈比比普通熱處理要高得多，和瑞典OTEVA-40的性能基本一致。扭轉疲勞試驗表明：用超細晶粒油淬火-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和屈強比均較高，用它繞制的閥門彈簧也具有更好的抗應力松弛性能。用超細晶粒油淬火-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)動機的運行可靠性。c.形變熱處理技術在彈簧鋼方面的應用最為成功。其實質就是通過形變熱處理使油淬火-回火彈簧鋼絲得到超細組織，從而具有高強度和良好的韌性。其設備與圖4相似，不同之處是熱接點鉛浴槽中安置了一個拔絲模，讓過冷奧氏體進行拉拔后即刻淬油，然后回火，參見圖2曲線c，另外，拔絲機取代收線機。70、75、80、65Mn、70Mn、80Mn、60s2Mn、50CrVA、以及65Si2MnWA等鋼種均可試制和生產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)范圍內選擇。拉拔形變時潤滑是一個關鍵技術問題。形變熱處理彈簧鋼絲和油淬火鋼絲力學性能的比較見表8。可見，在相同的塑性條件下，形變熱處理彈簧鋼絲的抗拉強度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行淬火-回火達到所要求的力學性能。彈簧質量的高低不僅與鋼絲原材料的好壞有密切關系，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閥門彈簧，數量大而尺寸很小，熱處理生產時極易變形、淬火質量達不到要求、表面氧化、銹蝕嚴重等，故一般選用油淬火-回火鋼絲來制造。對規(guī)格較粗的退火態(tài)或油淬火-回火鋼絲進行磨光或拋光，使其表面質量提高，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，常用來制造非常重要的彈簧。如轎車的氣門彈簧、噴油嘴調壓彈簧及石油工業(yè)中的鉆頭卡簧等，這類彈簧都必須進行淬火-回火后才能使用。熱處理時應保護其表面質量，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。則其熱處理簡單，又能保證內在質量。1.3

彈簧用鋼板及薄鋼帶彈簧薄鋼板和鋼帶用來制造碟簧、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)。熱處理鋼帶有調質鋼帶和貝氏體鋼帶。常用彈簧薄鋼板和鋼帶的種類及技術標準見表9。▼表9

常用彈簧鋼薄鋼板和鋼帶的種類及技術標準1.3.1彈簧薄鋼板(YB543)彈簧薄鋼板選用的鋼號及其化學成分應符合YB/T59的規(guī)定。供貨狀態(tài)下的力學性能見表10。這類材料制成的彈簧都必須經過熱處理才能獲得所需的力學性能。▼表10

彈簧鋼用薄鋼板的鋼號及其力學性能1.3.2熱處理彈簧鋼帶熱處理彈簧鋼帶有兩種：即通過調質處理的鋼帶和經過等溫淬火的下貝氏體鋼帶，它們都是用連續(xù)作業(yè)爐生產的。熱處理時控制加熱爐鋼帶進出處的爐溫及回火浴爐的溫度。例如，厚度0.3的T10A鋼帶，運行速度為8m/min時，淬火加熱爐(爐長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行貝氏體等溫淬火，或直接油淬。隨后按所需強度級別，連續(xù)在380℃~580°C的浴爐中回火。按國標，熱處理彈簧鋼帶的強度分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三級，其力學性能和相應的回火溫度見表11。顯然，用調質或下貝氏體鋼帶制成的彈簧均不需再淬火回火處理，只進行去應力退火就即可。▼表11

熱處理彈簧鋼帶的力學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。其力學性能見表12。用退火態(tài)鋼帶制造的彈簧或彈性元件必須進行淬火回火處理來得到所要求的性能。▼表12

彈簧鋼和工具鋼冷軋鋼帶的力學性能（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，高導電、無磁、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-回火鋼絲來制造已不能勝任時，就必須用不銹鋼或耐熱鋼來制造。常用不銹耐蝕彈簧鋼的品種主要有奧氏體類、馬氏體類、過度類（沉淀硬化型）等，其牌號及主要用途如表13所示。▼表13

常用不銹耐蝕彈簧鋼的牌號及主要用途舉例2.1.1

馬氏體類不銹彈簧鋼馬氏體相變強化不銹鋼有2Cr13、3Cr13、4Cr13及1Cr17Ni2等鋼號。如果用退火態(tài)材料制成彈簧，就必須進行淬火回火以達到要求性能。如果采用油淬火-回火的3Cr13及4Cr13不銹鋼絲來制造彈簧，則其生產工藝簡單，可免去高溫淬火時彈簧易變形、軟硬不均勻等缺點。實踐表明：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、加熱時間9s；(360±10)°C分級冷卻10s；在40℃-60°C油中冷卻9s；再在(460±10)°C鉛浴中連續(xù)回火32s，回火后應再在油中冷卻，防止回火脆性。處理后鋼絲的力學性能為σb≥1600MPaHRC≥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°C2.1.2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、無磁，它屬于形變強化的不銹彈簧鋼。簡單的18-8型奧氏體不銹鋼的一個嚴重缺點是會發(fā)生晶間腐蝕現象，因此，在鋼中加入適量的鈦或鈮等元素使其和碳結合，基體的鉻含量不降低，在晶界附近就不會形成貧鉻區(qū)，從而防止晶間腐蝕現象的出現。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只有1Cr18Ni9、0Cr19Ni10、0Cr17Ni2Mo2及0Cr17Ni8Al等。按其抗拉強度σb的不同分為三組：A，Φ0.08-Φ8.0，共41個規(guī)格，B，Φ0.08-Φ10.0，共44個規(guī)格，C，Φ0.1-Φ6.0，共36個規(guī)格。其力學性能見圖7?！鴪D7

拉拔不銹彈簧鋼絲的強度與絲徑的關系（按YB/T11繪制）B組的強度最高，A組最低，C組居中。三組的抗拉強度中值線在圖7中分別用BB'、AA'及CC′連線表示。三組鋼絲的強度波動皆為±122.6MPa。由此可知，YB/T11推薦的彈簧用不銹鋼的強度波動范圍比油淬火鋼絲者要大。應當指出，18-8型奧氏體在深度冷拔時，形變將誘發(fā)馬氏體相變；試驗證明，斷面縮率越大，溫度越低，誘發(fā)馬氏體的數量越多，鋼絲強化效果越大。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度波動較大的原因。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(簡稱17-7PH)、0Cr15NiMo2Al(簡稱15-7MoPH)、1Cr17Ni14Mo2N及0Cr12Ni14Mn5Mo3Al(YB/E7)等鋼號。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，在時效時會轉變?yōu)轳R氏體，所以稱為奧氏體-馬氏體過度類不銹鋼，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、鉬等元素在時效時起沉淀強化作用，能進一