第九章弹簧钢丝.docx

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第九章弹簧钢丝

弹簧是机械行业和日常生活中最常用的零件，弹簧主要作用是利用自身形变时所储存的能量来缓和机械或零部件的震动和冲击、控制机械或零部件的运动。

弹簧用途广泛，在不同条件下使用的弹簧必须选用不同类型的钢丝来制造，才能满足使用要求。

1弹簧钢丝的分类、特性和用途

1.1弹簧钢丝的分类

弹簧钢丝按化学成分可分为：

碳素弹簧钢丝、合金弹簧钢丝和不锈弹簧钢丝。

按制造工艺分为：

形变强化弹簧钢丝（冷拉弹簧钢丝），马氏体强化弹簧钢丝（油淬火回火弹簧钢丝），综合强化弹簧钢丝（沉淀硬化不锈弹簧钢丝），银亮弹簧钢丝和异型弹簧钢丝。

按用途分为：

阀门用弹簧钢丝、机械用弹簧钢丝和非机械用途弹簧钢丝。

1.2弹簧钢丝的使用特性和用途

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。

弹簧根据运行状态可分为静态簧和动态簧。

静态弹簧指服役期振动次数有限的弹簧，如安全阀弹簧，弹簧垫，秤盘弹簧，定载荷弹簧，机械弹簧，手表游丝等。

动态弹簧指服役期振动次数达1×106次以上的弹簧，如发动机阀门弹簧，车辆悬挂簧，防震弹簧，联轴器弹簧，电梯缓冲弹簧等。

静态弹簧选材时主要考虑抗拉强度和稳定性，动态弹簧选材时主要考虑疲劳，松弛及共振性能。

弹簧根据负荷状况可分为轻载荷、一般载荷和重载荷三种状态。

轻载荷指承受静态应力，应力较低，变形量较小的弹簧，如安全装置用弹簧，吸收振动用弹簧等。

设计使用寿命103～104次。

一般载荷指设计寿命105～106次，在振动频率300次/min条件下使用的普通弹簧。

在许用应力范围内，寿命保证1×106次，载荷应力越低，寿命越长。

重载荷指长时间工作、振动频繁的弹簧。

如阀门弹簧，空气锤、压力机、液压控制器弹簧，其载荷较高，常常在低于许用应力10%左右使用，使用寿命大于1×106次，通常为107次。

弹簧选材的原则是：

首先满足功能要求，其次是强度要求，最后才考虑经济性。

碳素弹簧钢是弹簧钢中用途广泛，用量最大的钢类。

钢中含0.60～0.90%的碳和0.3～1.20%的锰，不再添加其它合金元素，使用成本相对较低。

碳素弹簧钢丝经适当的加工或热处理，可以获得很高的抗拉强度，足够的韧性和良好的疲劳寿命。

但碳素钢丝的淬透性低，抗松弛性能和耐蚀性能差，弹性模量的温度系数较大（高达300×10-6/℃），适用于制造截面较小，工作温度较低（〈120℃〉的弹簧。

合金弹簧钢一般含0.45~0.70%的碳和一定量的Si，Mn，Cr，V，W及B等合金元素。

合金元素的加入改善弹簧钢的抗松弛性能，提高钢的韧性，同时显著提高钢的淬透性和使用温度，适用于制造较大截面，较高温度下使用的弹簧。

国内外弹簧钢常用牌号对照如表9-1。

表9-1国内外弹簧钢常用牌号对照表

中国

日本

美国

德国

GB/T699-1999

GB/T1298-86

GB/T1299-2000

JISG3506-1996

JISG4801-84

ASTMA510M-1996

ASTMA752M-93

DIN17222-1979

DIN17223-1990

SWRH62A

1059

65Mn

SWRH67B

1065

C60

SWRH72A

1069

CK67

70Mn

SWRH72B

1070

T8MnA

SWRH82B

1085

CK85W

T9A

1090

50CrV

SUP10

6150

50CrV4

55CrSi

SUP12

9254

55CrSi63

55CrMnA

SUP9

5155

55Cr3

55Si2MnA

SUP6

9255

55Si7

60Si2MnA

SUP7

9260

60SiCr7

2弹簧钢丝标准、适用范围及工艺特点

我国弹簧钢丝标准分钢类制定，现行国家及行业推荐标准包括碳素弹簧钢丝标准6个，合金弹簧钢丝标准4个，标准明细如表9-2。

表9-2弹簧钢丝标准明细

序号

标准代号

标准名称

YB/T5220-93

非机械弹簧用碳素弹簧钢丝

GB/T4657-89

碳素弹簧钢丝

GB/T4358-1995

重要用途碳素弹簧钢丝

GJB1497-92

特殊用途碳素弹簧钢丝规范

YB/T5103-93

油淬火-回火碳素弹簧钢丝

YB/T5102-93

阀门用油淬火-回火碳素弹簧钢丝

GB/T5218-1999

合金弹簧钢丝

YB/T5136-93

阀门用铬钒弹簧钢丝

YB/T5104-93

油淬火-回火硅锰合金弹簧钢丝

YB/T5105-93

阀门用油淬火-回火铬硅合金弹簧钢丝

2.1碳素弹簧钢丝标准、适用范围及工艺特点

碳素弹簧钢丝现行国家和行业推荐标准分两种类型：

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。

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。

下面按标准介绍各类碳素弹簧钢丝的应用范围及工艺特点。

（1）YB/T5220-93《非机械弹簧用碳素弹簧钢丝》

该标准适用于沙发垫簧，座垫，靠背拉簧，卡簧，夹簧等非机械弹簧用碳素弹簧钢丝。

标准按抗拉强度要求不同将钢丝分成A1，A2，A3…A9九个组别，每个组别钢丝不分规格大小按一个强度范围供货，抗拉强度偏差≤200Mpa。

A1，A2和A3组用于制造较低应力弹簧。

A3，A4和A5用于制造一般应力弹簧。

A7，A8和A9用于制造较高应力弹簧。

床垫簧一般选用A3和A4组别。

从使用状态分析，该标准钢丝基本属于静态簧，成品钢丝仅考核抗拉强度、缠绕和单次弯曲三项性能，详见表9-3。

表9-3YB/T5220-93非机械弹簧用碳素弹簧钢丝

组别

直径范围mm

抗拉强度MPa

用途

6.0~7.0

1180~1380

用于较低应力弹簧

3.2~7.0

1380~1580

用于较低应力弹簧

1.6~6.0

1580~1780

用于较低应力弹簧

0.6~4.0

1780~1980

用于一般应力弹簧

0.3~2.6

1980~2180

用于一般应力弹簧

0.3~1.6

2180~2380

用于一般应力弹簧

0.3~1.0

2380~2580

用于较高应力弹簧

0.3~0.6

2580~2780

用于较高应力弹簧

0.2~0.4

2780~2980

用于较高应力弹簧

说明：

①Φ≤4.0mm钢丝在2d芯棒上缠绕两圈无裂纹或折断。

②Φ＞4.0mm钢丝进行弯曲试验，试样沿R=10mm圆弧向不同方向弯曲90o，

弯曲处不得有裂纹或折断。

A1—A3组钢丝一般选用45～70钢，A3～A6组选用65Mn或70钢，A7～A9组钢丝选用70或T8MnA（82B）生产。

由于按该标准供货的钢丝基本用于制作静态弹簧，对疲劳寿命的要求相对宽松，钢丝可以采用控轧控冷盘条直接拉拔成品。

钢丝成前热处理也可以用正火代替铅浴处理。

同时允许选用转炉镇静钢作为原料。

（2）GB/T4357-89《碳素弹簧钢丝》

该标准是冷拉碳素弹簧钢丝的通用标准，主要用于制作在各种应力状态下工作的静态弹簧。

根据弹簧工作应力状态钢丝可分三个级别供货：

B级用于低应力弹簧，C级用于中等应力弹簧，D级用于高应力弹簧。

成品钢丝考核抗拉强度、扭转、缠绕和弯曲四项性能，详见表9-4。

表9-4GB/T4357-89碳素弹簧钢丝

直径

B组

C组

D组

抗拉强度

MPa

扭转次数

不小于

抗拉强度

MPa

扭转次数不小于

抗拉强度

MPa

扭转次数不小于

0.22

2110~2500

2350~2750

2690~3090

0.25

2060~2450

2300~2700

2640~3040

0.28

2010~2400

2300~2700

2640~3040

0.30

2010~2400

2300~2700

2640~3040

0.32

1960~2350

2250~2650

2600~2990

0.35

1960~2350

2250~2650

2600~2990

0.40

1910~2300

2250~2650

2600~2990

0.45

1860~2260

2200~2600

2550~2940

0.50

1860~2260

2200~2600

2550~2940

0.55

1810~2210

2150~2550

2500~2890

0.60

1760~2160

2110~2500

2450~2840

0.63

1760~2160

2110~2500

2450~2840

0.70

1710~2110

2060~2450

2450~2840

0.80

1710~2060

2010~2400

2400~2840

0.90

1710~2060

2010~2350

2350~2750

1.00

1660~2010

1960~2300

2300~2690

1.20

1620~1960

1910~2250

2250~2550

1.40

1620~1910

1860~2210

2150~2450

1.60

1570~1860

1810~2160

2110~2400

1.80

1520~1810

1760~2110

2010~2300

2.00

1470~1760

1710~2010

1910~2200

2.20

1420~1710

1660~1960

1810~2110

2.50

1420~1710

1660~1960

1760~2060

2.80

1370~1670

1620~1910

1710~2010

3.00

1370~1670

1570~1860

1710~1960

3.20

1320~1620

1570~1810

1660~1910

3.50

1320~1620

1570~1810

1660~1910

4.00

1320~1620

1520~1760

1620~1860

4.50

1320~1570

1520~1760

1620~1860

5.00

1320~1570

1470~1710

1570~1810

5.50

1270~1520

1470~1710

1570~1810

6.00

1220~1470

1420~1660

1520~1760

6.30

1220~1470

1420~1610

7.00

1170~1420

1370~1570

8.00

1170~1420

1370~1570

9.00

1130~1320

1320~1520

10.00

1130~1320

1320~1520

11.00

1080~1270

1270~1470

12.00

1080~1270

1270~1470

13.00

1030~1220

1220~1420

说明:

①Φ≤4.0mm的D级钢丝和Φ≤6.0mm的B级、C级钢丝在等于钢丝直径的芯棒上缠绕2圈、

缠绕后的试样表面不得产生裂纹和断裂。

②Φ＞4.0mm的D级钢丝在2倍钢丝直径的芯棒上缠绕2圈，缠绕后的试样表面不得产生裂纹

和断裂。

③Φ＞6.00mm的钢丝应进行弯曲检验，试样沿R=10mm圆弧向不同方向弯曲900，弯曲后不得

产生裂纹和断裂。

B级和C级钢丝一般选用70（67A、72A）或65Mn（67B），D级选用T9XtA和T8MnA（82B）生产。

本标准钢丝主要用于制作静态机械弹簧，其服役期振动频次要高于非机械弹簧，对疲劳寿命有一定的要求，成品也增加扭转性能的考核。

因此对钢丝用盘条应采用电炉或电炉+炉外精炼法冶炼，盘条中P≤0.030%、S≤0.020%等。

成品钢丝显微组织中如含有游离铁素体，会降低弹簧疲劳寿命，而控轧控冷盘条中一般均存有5～1.5%的游离铁素体，一般不宜采用盘条直接生产成品钢丝。

按此标准供应的钢丝原则上成前应经铅浴处理，消除游离铁素体组织，成品钢丝显微组织应为纤维化索氏体组织。

（3）GB/T4358-1995《重要用途碳素弹簧钢丝》

按该标准供货的钢丝，主要用于制作在各种应力状态下工作的动态弹簧。

根据弹簧工作应力状态，钢丝分三个组别供货：

E组适用于中等应力动态弹簧，F组适用于高应力动态弹簧，G组适用于高疲劳寿命的动态弹簧。

成品钢丝考核抗拉强度，扭转，缠绕，弯曲和脱碳五项性能指标，详见表9-5。

由于按该标准供货的钢丝用于制作中、高应力状态下工作的动态弹簧，成品钢丝除保持高的弹性极限和良好的韧性指标外，还必须考虑到疲劳极限和弹簧的疲劳寿命。

为此，对钢的纯净度，非金属夹杂含量和气体含量，铁素体含量及表面脱碳程度有更高的要求。

钢丝用盘条必须采用电炉+炉外精炼法冶炼，对盘条的化学成分有更高的要求：

P≤0.025%、S≤0.020%，Cr≤0.10%、Ni≤0.15%（0.12%）、Cu≤0.20%。

实际生产中为提高疲劳寿命往往将Mn控制在高限，E组选用70或70Mn（72B），F组选用T8MnA或T9RtA，G组选用65Mn（Mn可调整到0.9-1.2%）或67B。

降低钢中P、S含量，提高Mn含量和采用炉外精炼的目的是：

消减钢中非金属夹杂含量，改善夹杂物形态和降低气体含量，提高疲劳极限和疲劳寿命。

如果钢丝显微组织中含有游离铁素体，会较大幅度地降低疲劳寿命，按该标准供货的钢丝，成前必须进行铅淬火处理。

G组钢丝用于制作在剧烈振动状态下工作的阀门弹簧，对疲劳寿命要求极高，所以选用韧性更好的65Mn盘条，抗拉强度虽有所下降，但疲劳寿命更有保证。

钢丝表面脱碳，形成铁素体组织严重影响疲劳性能，标准对G组钢丝增加脱碳层检验，规定总脱碳层深度不得大于1.0%d，但对较大规格钢丝（Φ＞4.0mm）受减面率限制，由热轧盘条带来的脱碳层很难彻底消除，标准补充规定：

“征得需方同意，可供应脱碳层不超直径1.5%d的钢丝”。

表9-5GB/T4358-1995重要用途碳素弹簧钢丝

钢丝直径mm

E组

F组

G组

抗拉强度MPa

扭转次数不小于

抗拉强度MPa

扭转次数不小于

抗拉强度MPa

扭转次数不小于

0.25

2220~2600

2600~2950

0.28

2220~2600

2600~2950

0.30

2210~2600

2600~2950

0.32

2210~2590

2590~2940

0.35

2210~2590

2590~2940

0.40

2200~2580

2580~2930

0.45

2190~2570

2570~2920

0.50

2180~2560

2560~2910

0.55

2170~2550

2550~2900

0.60

2160~2540

2540~2890

0.63

2140~2520

2520~2870

0.70

2120~2500

2500~2850

0.80

2110~2490

2490~2840

0.90

2060~2390

2390~2690

1.0

2020~2350

2350~2650

1850~2110

1.2

1920~2270

2270~2570

1820~2080

1.4

1870~2200

2200~2500

1780~2040

1.6

1830~2140

2160~2480

1750~2010

1.8

1800~2130

2060~2360

1700~1960

2.0

1760~2090

1970~2230

1670~1910

2.2

1720~2000

1870~2130

1620~1860

2.5

1680~1960

1770~2030

1620~1860

2.8

1630~1910

1720~1980

1570~1810

3.0

1610~1890

1690~1950

1570~1810

3.2

1560~1840

1670~1930

1570~1810

3.5

1520~1750

1620~1840

1470~1710

4.0

1480~1710

1570~1790

1470~1710

4.5

1410~1640

1500~1720

1470~1710

5.0

1380~1610

1480~1700

1420~1660

5.5

1330~1560

1440~1660

1400~1640

6.0

1320~1550

1420~1660

1350~1590

说明:

①Φ＜4.0mm的钢丝在等于钢丝直径的芯棒上、Φ≥4.0mm钢丝在2倍钢丝直径的芯棒上缠绕5圈，

不得有裂纹或折断。

②Φ＞1.0mm钢丝进行弯曲试验，试样沿R圆弧向不同方向弯曲900，弯曲处不得有裂纹或折断，

Φ≤4.0mm，R=5mm；Φ＞4.0mm，R=10mm。

③G组钢丝脱碳层≤1.0d%。

（4）GJB1497-92《特殊用途碳素弹簧钢丝规范》

在某些特定场合，需要弹簧具有超出常规要求的弹力，如枪械弹簧，为便于携带和使用，弹簧所占的空间很小，弹力要足够大，必须选用抗拉强度特高，韧性较好的钢丝来制作弹簧,《特殊用途碳素弹簧钢丝》就适应这种需要的标准。

该标准规定钢丝分甲、乙、丙三组供货。

丙组适应于较高应力弹簧，乙组适应于高应力弹簧，甲组适用于超高应力弹簧。

标准推荐钢丝采用T9A，T10A和T8MnA制造。

实际上钢丝抗拉强度随碳含量增高而上升，扭转性能（韧性指标）随碳含量上升而下降，综合考虑，辽宁特殊钢集团大连三大钢丝公司选用加稀土的T9A钢丝生产甲、乙、丙组钢丝。

成品钢丝考核抗拉强度、扭转、扭转断口、缠绕、抗拉强度均匀性和尺寸均匀性六项性能指标，详见表9-6。

应该指出钢丝的超高抗拉强度是以牺牲部分塑性和疲劳寿命换来的，只适用于制作形状简单，对疲劳寿命要求不很高的弹簧，该标准不宜推广使用。

表9-6GJB1497-92特殊用途碳素弹簧钢丝规范

直径

抗拉强度

MPa

扭转次数

不小于，次

甲组

乙组

丙组

甲组

乙组

丙组

0.20

2840~3140

2700~2950

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