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第7章 專門用途的機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼7

1 彈 簧 鋼彈簧是一種十分重要的機(jī)械零件

，在各種機(jī)械中可以起著緩沖、減震、儲(chǔ)能、連接

、支承、傳動(dòng)、密封等作用，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門得到了廣泛的應(yīng)用。彈簧鋼是制造各類彈簧和彈性件的主要材料

。雖然可用來(lái)制造彈簧的材料很多

，但是鋼材在目前和今后相當(dāng)一段時(shí)間，仍是用量較大、用途最廣、綜合性能好

，而且價(jià)格的彈簧材料。汽車行業(yè)是彈簧鋼的較大用戶，消耗量占彈簧鋼總產(chǎn)量的

60％以上。彈簧鋼除了用做各類彈簧外

，還可用于制造彈性零件，如彈性軸，以及某些機(jī)械零件和耐沖擊的工模具等

。7

1 1 彈簧鋼的工作條件和性能要求機(jī)械行業(yè)常用的彈簧

，根據(jù)外形可分為螺旋彈簧、鋼板彈簧、扭桿彈簧、碟形彈簧

、平面蝸卷彈簧等。螺旋彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

，儲(chǔ)能比較大，得到廣泛的應(yīng)用。螺旋彈簧不管是受壓還是受拉

，其承受的應(yīng)力均主要是扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，在彈簧的內(nèi)表面應(yīng)力值較大。因此，在動(dòng)負(fù)荷的情況下

，螺旋彈簧的主要破壞方式是疲勞，疲勞源一般在內(nèi)表面。鋼板彈簧主要用于機(jī)車

、汽車、拖拉機(jī)上，在車輪和車架之間起連接的作用。它除了承受巨大的車廂及載物的重量

(靜負(fù)荷)外，還要承受因地面不平所引起的沖擊負(fù)荷和振動(dòng)

。板簧本身有棱角和中心孔，應(yīng)力集中很明顯。斷口分析表明，汽車板簧斷裂絕大多數(shù)是疲勞破壞引起的

。目前汽車使用的鋼板彈簧主要采用的結(jié)構(gòu)形式為多片等截面鋼板彈簧和少片

變截面鋼板彈簧

。多片等截面鋼板彈簧的片數(shù)一般多于

5片，各片厚度相同，長(zhǎng)度不同。截面為矩形的鋼板彈簧結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單

，其中性軸在截面的對(duì)稱位置上工作時(shí)，鋼板的上表面承受的拉應(yīng)力和下面承受壓應(yīng)力值相等

，但鋼的抗壓能力高于抗拉能力，所以承受拉應(yīng)力的上表面首先出現(xiàn)疲勞斷裂

。為改善鋼板表面的應(yīng)力分布，設(shè)計(jì)出單面雙槽鋼板彈簧

，即在承壓面沿縱向開(kāi)出兩個(gè)槽，使中性軸上移，降低了表面拉應(yīng)力

，可節(jié)約鋼材10％，降低了動(dòng)態(tài)應(yīng)力，提高了使用壽命。少片變截面鋼板彈簧的片數(shù)為1～4片，各片的長(zhǎng)度相同，彈簧厚度延長(zhǎng)方向不等厚

。與多片鋼板彈簧相比，少片變截面鋼板質(zhì)量可減輕30％～50％。少片變截面鋼板彈簧還可減輕片間摩擦

，減少接觸疲勞，降低運(yùn)動(dòng)噪聲，改善客車行駛的平順性

，提高乘坐舒適性。雖然這種鋼板的軋制工藝比較復(fù)雜，但近年來(lái)各國(guó)在汽車工業(yè)中發(fā)展變截面彈簧的趨勢(shì)卻有增無(wú)減

。扭桿彈簧

，即一端固定而另一端與工作部件連接的桿形彈簧，在汽車、鐵路機(jī)車

、軍事裝備上得到廣泛的應(yīng)用。汽車使用的扭桿彈簧，其一端固定在車架上而另一端與車輪連接

，車輪上下跳動(dòng)時(shí)扭桿產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，靠扭轉(zhuǎn)彈力來(lái)吸收振動(dòng)能量

。因?yàn)榕U彈簧單位質(zhì)量?jī)?chǔ)能量比鋼板彈簧大許多，所以扭桿彈簧懸架質(zhì)量小，目前在輕型客車和貨車上得到廣泛的應(yīng)用

。彈簧鋼按生產(chǎn)工藝可分為熱成形彈簧用鋼和冷成形彈簧用鋼兩種

。熱成形彈簧用鋼包括線材和棒材

(圓鋼、方鋼和扁鋼)，其規(guī)格較大，主要用做汽車

、機(jī)車等行業(yè)的螺旋彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧和鋼板彈簧。熱成形彈簧用鋼可在熱軋、熱鍛

、冷拉或退火狀態(tài)交貨。由于尺寸較大，彈簧需采用熱成形，然后再經(jīng)淬火及中溫回火處理

，以形成回火屈氏體組織，可使彈簧獲得優(yōu)良的力學(xué)性能和疲勞性能

。為了改善彈簧的耐疲勞性能，在熱處理后，可再進(jìn)行低溫氣體氮化或采用噴丸強(qiáng)化處理

。冷成形彈簧用鋼包括鋼絲

、鋼帶，其規(guī)格小，一般加工成小型彈簧。鋼絲又分為冷拉鋼絲和油淬火鋼絲

。冷拉鋼絲一般經(jīng)預(yù)先熱處理并冷作強(qiáng)化

。這類鋼絲的表面質(zhì)量高，強(qiáng)度也高，較高抗拉強(qiáng)度可在3000犕犘犪以上。用這類鋼絲冷卷成彈簧后

，僅進(jìn)行消除應(yīng)力退火(俗稱低溫回火)，不再經(jīng)淬火-回火處理

，制成的彈簧尺寸精度高，表面質(zhì)量好。小型彈簧大多采用冷拉鋼絲。油淬火鋼絲是在鋼絲生產(chǎn)的階段進(jìn)行連續(xù)淬火

-回火處理，獲得規(guī)定的力學(xué)性能。鋼絲制成彈簧后

，只進(jìn)行消除應(yīng)力的低溫退火。油淬火鋼絲是油淬火-回火鋼絲的簡(jiǎn)稱

。彈簧鋼帶有碳素鋼鋼帶

、合金鋼鋼帶及不銹鋼鋼帶，主要用做盤簧、彈簧擋環(huán)、碟形彈簧

、墊圈等小型彈性元件。儀表中的簧片和鐘表發(fā)條多是采用冷軋的高級(jí)品質(zhì)碳素鋼鋼帶制作而成

。根據(jù)彈簧鋼的工作條件及其失效模式的分析

，對(duì)彈簧鋼提出以下的力學(xué)性能要求

［1，2］。(

1)具有高的強(qiáng)度，特別是彈性極限σ犲(σ0 01)，一般在考慮一定安全系數(shù)后可采用

σ0 2。對(duì)于減震彈簧，從吸收能量的角度考慮，要求有高的彈性極限，因?yàn)樵趶椥苑秶鷥?nèi)單位體積的彈性應(yīng)變能為

σ犲2/2犈，所以σ犲越大，能吸收的較大彈性應(yīng)變能也就越大

。此外，還要求有高的屈強(qiáng)比σ狊/σ犫，以提高強(qiáng)度的利用率。目前彈簧鋼生產(chǎn)大都采用淬火加中溫回火以得到回火屈氏體組織

。(2)具有高的疲勞極限(包括缺口疲勞強(qiáng)度)，因?yàn)橹匾膹椈纱蠖荚诜磸?fù)應(yīng)力

下工作，疲勞破壞是其失效的主要形式。一般說(shuō)來(lái)，在一定硬度之下(500犎犅以下

)，鋼的疲勞極限和強(qiáng)度之間有一定的比例關(guān)系，強(qiáng)度極限越高，疲勞極限也相應(yīng)地越高

。但是疲勞性能對(duì)于零件的表面狀態(tài)很敏感，因此彈簧的表面質(zhì)量是非常重要的

，要求不應(yīng)有裂紋、折疊、斑疤、發(fā)裂、氣泡、夾雜和壓入的氧化鐵皮等缺陷。這就要求注意冶金質(zhì)量

，在加熱過(guò)程中，盡量預(yù)防表面缺陷和減輕表面脫碳。彈簧鋼還應(yīng)具有低的裂紋擴(kuò)展速率

，在裂紋萌生后，可以有較長(zhǎng)的裂紋擴(kuò)展過(guò)程，有利于彈簧件使用壽命的延長(zhǎng)

。(

3)斷裂韌度表征了彈簧鋼韌性儲(chǔ)備的高低，這一指標(biāo)對(duì)于防止在高強(qiáng)度、高應(yīng)力條件下工作的彈簧發(fā)生具危險(xiǎn)性的脆斷具有重要意義

，因此斷裂韌度也常作為彈簧鋼性能的一個(gè)指標(biāo)

。斷裂韌度還能反映彈簧鋼的冶金質(zhì)量、夾雜物的大小和

數(shù)量。(

4)彈簧鋼的抗松弛能力(或彈性減退抗力)是保障彈簧在長(zhǎng)期工作中具有良好形狀及尺寸穩(wěn)定性的一個(gè)指標(biāo)

。彈性減退是指彈簧在動(dòng)、靜載荷下，在室溫下發(fā)生塑性變形和模量降低的一種現(xiàn)象

，彈減失效也是彈簧最常見(jiàn)的破壞形式。目前彈性減退的試驗(yàn)方法有多種

，如拉伸與壓縮應(yīng)力松弛試驗(yàn)法、彎曲及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力松弛試驗(yàn)法

、實(shí)物彈簧松弛試驗(yàn)法［3，4］。國(guó)家制定了犌犅/犜10120—1996《金屬應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法

》。彈性減退實(shí)質(zhì)上是材料長(zhǎng)期在靜

、動(dòng)載荷作用下，在室溫發(fā)生塑性變形的一種現(xiàn)象

。因此各種影響材料塑性變形的因素都會(huì)影響彈性減退抗力，可以通過(guò)以下途徑提高彈簧鋼的彈減抗力

：固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化。彈簧鋼還應(yīng)具有比較好的工藝性能

，包括淬透性、脫碳傾向、成形性能等。彈簧用鋼在卷成以前要有一定的塑性是為了便于成形

。經(jīng)熱處理后的成形彈簧也要有適當(dāng)?shù)乃苄院晚g性

，但要求并不太高。下面主要討論淬透性和脫碳傾向。(

1)淬透性。汽車彈簧特殊的使用和受力狀態(tài)，要求彈簧整個(gè)截面都具有良好的綜合力學(xué)性能

，尤其是變截面板簧的發(fā)展，彈簧截面的增加對(duì)淬透性提出了更高的要求

。目前廣泛使用的變截面板簧的較大厚度為32犿犿，要求板彈簧截面中心以油淬可得到

80％的馬氏體，作為彈簧鋼選擇鋼種淬透性的依據(jù)。這一要求較原來(lái)的截面中心油淬可得到

50％馬氏體作為淬透性的要求有較大的提高

。(

2)脫碳傾向。脫碳使鋼的表面硬度降低，影響彈簧的疲勞壽命和彈性減退抗力

，因此要求彈簧鋼的脫碳敏感性越小越好。鋼中的化學(xué)元素是影響其脫碳的主要因素

。碳含量越高，脫碳傾向越大，這是因?yàn)樘紳舛仍礁?/p>

，脫碳時(shí)的碳濃度梯度越大。合金元素主要是通過(guò)改變鋼中的碳原子的活度

，從而改變其擴(kuò)散系數(shù)來(lái)影響鋼的脫碳。硅明顯提高碳的活度，增大碳的擴(kuò)散系數(shù)，使鋼的脫碳傾向增大。能降低鋼中碳活度的合金元素都能降低鋼的脫

碳傾向，如一些強(qiáng)碳化物生成元素犞、犕狅、犆狉等(參閱圖3 3和式(3 31))。影響脫碳層厚度的另外一個(gè)因素是加熱時(shí)的氣氛和溫度

。在氧化性氣氛中加熱時(shí)

，表面脫碳與表面氧化同時(shí)發(fā)生。有些元素通過(guò)改變氧化層的性質(zhì)影響脫碳。鉻增加了鐵氧化層的致密度

，使含鉻鋼既不易氧化也不易脫碳。硼在鋼中增加氧化層的脆性

，使之易破裂而脫掉，加劇了氧化反應(yīng)，脫碳層卻減薄，使含硼鋼易氧化而不易脫碳

。溫度的影響表現(xiàn)在

，較低溫度下，脫碳層隨溫度的升高而逐漸增厚，高溫時(shí)氧化速率快于脫碳

，氧化層變得疏松易脫落，使脫碳層減薄。上面所述是對(duì)一般彈簧用鋼的性能要求

，某些在特殊條件下工作的彈簧還有特殊的要求

。在較高溫度下工作時(shí)，需要耐熱彈簧鋼；在腐蝕介質(zhì)中使用時(shí)，需要耐蝕彈簧鋼

；在精密儀表中工作時(shí)，要求在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)和一定溫度范圍內(nèi)有穩(wěn)定的彈性等

。7

1 2 彈簧鋼所含元素及其作用彈簧鋼按化學(xué)成分可分為碳素彈簧鋼

、合金彈簧鋼和高合金彈簧鋼。其中，合金彈簧鋼具有性能優(yōu)良

、適應(yīng)性強(qiáng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此用途廣泛，是最重要的彈簧材料

。常用合金彈簧鋼的化學(xué)成分與合金結(jié)構(gòu)鋼相比，除碳含量較高外，沒(méi)有其他大的差別

。但隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，彈簧的設(shè)計(jì)應(yīng)力不斷提高，彈簧尺寸不斷增大

，壽命要求也不斷提高等，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)出一些新的彈簧鋼。下面分析彈簧鋼中常含有的各元素的作用

［5，6］。碳

碳在彈簧鋼中是主要的強(qiáng)化元素，在合金彈簧鋼中碳含量大多在0 45％～0

75％。較高的碳含量對(duì)強(qiáng)度、硬度、彈性、疲勞性能是有利的，但對(duì)塑性和韌性不利

。2

0世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外均開(kāi)發(fā)出碳含量較低的、適于制造汽車板簧的彈簧鋼

，碳含量在0 20％～0 40％。由于碳含量低，熱處理后得到低碳板條馬氏體組織

，塑韌性好，淬火后可自行回火，加工性能好。與此相反，為了獲得更高的強(qiáng)度

、硬度，以滿足提高工作應(yīng)力的要求，也有增加彈簧鋼碳含量的趨勢(shì)。一些新研制的高強(qiáng)度彈簧鋼的碳含量上限達(dá)到

0 7％，甚至更高。硅

硅在鋼中有固溶強(qiáng)化作用并能提高鋼在低溫、中溫的回火穩(wěn)定性。硅雖然不是碳化物形成元素

，卻能影響回火時(shí)析出的碳化物粒子的形狀、數(shù)量、粒度和間距

。由圖7 1可以看出，在含0 60％犆、0 90％犕狀、0 20％犕狅的鋼中，隨硅含量的提高

，碳化物數(shù)量幾乎直線上升，而間距則相應(yīng)減小。圖中還列入犛犃犈9260(含2

2％犛犻)和犛犃犈5160(含0 24％犛犻)兩種鋼有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。犛犃犈9260鋼中的滲碳體呈橢球狀

，而在犛犃犈5160鋼中的滲碳體則呈棒狀。成分：0 60％犆、0.90％犕狀、0 20％犕狅研究表明

，在所有合金元素中，硅提高彈減抗力的能力最強(qiáng)，所以新研制的一些彈減抗力優(yōu)良的彈簧鋼都含有較多的硅

。硅之所以能有效地提高彈減抗力，是由于硅具有強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化能力

，并能抑制滲碳體在回火過(guò)程中晶核的形成和長(zhǎng)大

，從而改變滲碳體的形狀和間距。但迄今為止，對(duì)鋼中的硅含量尚無(wú)一致的看法

，但基本上是1 5％～2 0％。硅可以防止氧化

，但卻促進(jìn)脫碳傾向，應(yīng)特別注意保護(hù)，提高鋼中的錳含量可以減輕脫碳傾向

。當(dāng)鋼中硅、碳含量較高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)石墨化現(xiàn)象，產(chǎn)生黑色斷口

。錳

錳提高鋼的淬透性，有固溶強(qiáng)化的作用，但錳含量較高時(shí)有粗化晶粒的傾向

，故彈簧鋼中錳含量的范圍通常為0 60％～1 30％。鉻

鉻對(duì)彈簧鋼的多種性能有良好的作用。鉻能顯著提高淬透性和抗氧化、抗腐蝕的能力

，提高回火穩(wěn)定性，有利于提高鋼的力學(xué)性能。加入0 5％犆狉可使σ

0 2提高16％，脫碳層深度減小約50％。鉻還能有效防止?fàn)訝?犕狀彈簧鋼球化退火時(shí)出現(xiàn)石墨化

。鉻降低鋼的抗彈減性，當(dāng)其含量小于0 7％時(shí)，對(duì)抗彈減性沒(méi)有什么影響

。鉻在彈簧鋼中的含量通常為0 7％～1 0％。鉬

鉬提高鋼的淬透性和防止回火脆性。鉬含量在0 4％以下時(shí)，隨鉬含量的增加

，鋼的屈強(qiáng)比提高，亦即彈減抗力提高。鉬還可以提高彈簧的工作溫度

。釩和鈮

釩和鈮都是強(qiáng)碳化物形成元素，在鋼中有沉淀強(qiáng)化和細(xì)化晶粒的作用

。這兩種元素均可生成細(xì)小彌散而且硬度高的犕犆型碳化物。在高強(qiáng)度犛犻-犖犻-犆狉

-犕狅鋼中加入0 20％犞有助于提高彈減抗力，并改善鋼的塑韌性和屈強(qiáng)比，釩含量再提高時(shí)

，效果反而不好。釩在彈簧鋼中的含量一般為0 10％～0 25％。

鋼中同時(shí)加入釩和鈮時(shí)，因其復(fù)合作用的結(jié)果，可以收到更好的效果。硼

彈簧鋼中常加入硼，其作用與在合金結(jié)構(gòu)鋼中相同，主要是提高鋼的淬透性

。一些試驗(yàn)表明，添加微量的硼