传统弹簧钢的强度水平难以满足现代工业发展的要求

众所周知，弹簧钢力学性能在材料质量保证的前提下取决于热处理工艺，而热处理工艺也应根据所用材料来决定，弹簧钢高强度化的一个重要途径是充分发挥合金元素的作用，达到最佳合金化效果。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。为了克服弹簧钢强度提高后韧性和塑性降低的难题，也有降低碳含量的趋势。中国对低碳马氏体弹簧钢进行了深入的研究，如28mnsib、35mnsib等，其碳含量在0.30%左右。实践表明，这些弹簧钢可以在低温回火的板条状马氏体组织下使用，有足够强度和优良的综合力学性能，尤其是塑性、韧性极好。日本研究开发的几种高强度弹簧钢，如uhs1900、vhs2000、nd120s、nd250s等，碳含量均在0.40%左右。弹簧钢材有热轧材、冷拉钢材、冷轧钢带等。弹簧钢的冶炼是很重要的，必须保证有优良的冶金质量，不仅要保证准确的化学成分，而且要有高纯净度，硫、磷、氧、氮等含量要低，钢质均匀性、稳定性要好。弹簧钢的冶金质量应达到优质钢、高级优质钢的水平。
弹簧钢的表面质量和尺寸精度对弹簧的性能和寿命有极大的影响。因为弹簧钢材交货状态的表面除去表面喷丸强化之外不再进行加工，因而也就是成品弹簧的工作表面，原有表面上的各种缺陷也留给了弹簧。所以弹簧钢材表面要求极高，对脱碳、裂纹、折叠、结疤、夹杂、分层等限制极严。各种表面缺陷会使弹簧早期破坏、缩短寿命。以圆截面的钢丝为例，成品弹簧的强度和刚度分别与钢丝直径的三次方和四次方成正比，钢丝直径的微小变化会导致弹簧性能的巨大波动，所以要严格控制钢材的外形和尺寸公差。这样，弹簧钢的加工变形（热轧、冷轧、冷拔等）就十分重要了，必须极认真地对待。
热轧弹簧钢材有圆钢、方钢、扁钢等。钢材表面质量要求较高，可以热轧态交货或者经热处理后交货，以保证硬度不超过规定值，便于制簧。热轧材可以冷态制成螺旋弹簧，对于截面尺寸较大者需加热后制成弹簧。弹簧成型后再经淬火、中温回火，回火温度约为350～550℃，以获得较高屈强比和良好的综合力学性能。
因热轧材截面尺寸较大，故应采用淬透性足够高的牌号，保证心部淬透。若心部出现非马氏体转变产物，如铁素体、贝氏体等，则回火后的性能降低，特别是疲劳性能。
冷拉（轧）弹簧钢材包括钢丝、钢带。这类钢材的表面质量和尺寸精度要求格外严格。钢丝的生产工艺有油淬火和冷拉两种。
油淬火钢丝是把钢丝冷拔到规定尺寸后再加热、油淬火和铅浴回火，故钢丝出厂时已具备所需力学性能，制成弹簧后只要回火，消除应力即可使用。优点是整批性能均匀，稳定，挺直性好，适于大批量生产，可制造各种重要弹簧，特别是阀门弹簧。牌号有65Mn、50CrVA、60Si2Mn、55CrSi等。
合金弹簧钢丝也可以冷拉态交货，或经退火、正火、回火处理后交货，制成弹簧后再淬火、回火。其性能不如油淬火钢丝均匀、稳定，生产效率也低，成本高，多用于小批量弹簧生产。
此外，最近也研究了用高频感应加热处理高强度弹簧钢丝的工艺。冷拉钢丝在连续感应加热装置上进行淬火和回火，其内部组织均匀、细小，塑性和韧性以及弹减抗力、疲劳极限、断裂韧性等都明显优于常规处理的钢丝。这种钢丝在美国、日本都已有生产，制造汽车、摩托车的悬挂弹簧、发动机阀门弹簧，卡车、拖车等的紧急制动弹簧及各种高强度机械弹簧，使用效果令人满意。另外，感应加热处理在弹簧扁钢生产上也得到应用。
还有一种钢丝生产工艺，即铅浴等温淬火。钢材奥氏体化后在铅浴中等温，生成细小珠光体组织，然后冷拉到规定尺寸。通过调整钢中碳含量和冷变形量控制钢丝的力学性能，制簧后不需热处理，只要消除加工应力即可使用。应用这种工艺生产的都是碳素钢钢丝，但也有少数合金钢（如65Mn）钢丝。
冷轧弹簧钢带一般也是冷轧或再经退火后供货，制成弹簧后再淬火回火处理，或仅回火以消除加工应力。

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