弹簧钢在轧制加工中须特别注意脱碳和表面质量。钢材表面严重脱碳时,会显著降低钢的疲劳极限。对于高硅弹簧钢如70Si3MnA,应注意避免石墨化。
因此,在热加工时停轧温度不应过低,避免在石墨化较易形成的温度范围内停留时间过长。
弹簧制成后经喷丸处理能使弹簧表层产生残余压应力,以抵销表层上的部分工作应力,抑制表层裂缝的形成,这可显著提高弹簧的疲劳极限。
热处理规范 钢号 淬火温度 淬火介质硬度要求 回火温度 冷却介质 硬度要求 应用范围 65 780-830 水或油 400-600 线径小于12-15mm的螺旋弹簧、弹簧垫圈
65Mn 810-830 油或水 >60 370-400 水 42-50 5-10mm的板簧片及7-10mm的卷簧 50CrV 850-870 油 >58 400-55 水 45-50 截面较大和较重要的板簧片及螺旋弹簧 50CrV 850-870 油 >58 370-420 45-52 300C以下工作的高温弹簧
60Si2MnA 860-880 油 >60 500-520 水 HB363-444 厚度8-12mm的板簧片
1. 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。
2. 合金化 碳是钢中的主要强化元素,对弹簧钢的影响往往超过其他合金元素。根据使用要求,弹簧钢材料应是中高碳的合金钢。当今世界各国普遍采用的弹簧钢,含碳量绝大部分在0.45%~0.65%。
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。我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。
合金元素在弹簧钢中的主要作用是提高力学性能、改善工艺性能及赋予某些特殊性能(如耐高温、耐蚀)等。 很多弹簧钢以硅为主要合金元素,它是对弹减抗力影响最大的合金元素,这主要是由于硅具有强烈的固溶强化作用;同时,硅能抑制渗碳体在回火过程中的晶核形成和长大,改变回火时析出碳化物的数量、尺寸和形态,提高钢的回火稳定性。目前,国内钢材牌号中wsi为1.8%~2.2%,是现有标准中含硅最高的弹簧钢。但硅含量如果过高,将促进钢在轧制和热处理过程中的脱碳和石墨化倾向,并且使冶炼困难和易形成夹杂物,因此,过高硅含量弹簧钢的使用仍需慎重
由于铬能够显著提高钢的淬透性,阻止si-cr钢球化退火时的石墨化倾向,减少脱碳层,因此是弹簧钢中的常用合金元素,以铬为主要强化元素的弹簧钢50crv使用较广泛。
锰是提高淬透性最有效的合金元素,它溶入铁素体中有固溶性化作用。研究表明,wmn必须大于0.5%,以使淬火时弹簧钢心部完全较变为马氏体当wmn超过1.5%时,韧性明显下降,这在选择弹簧钢时应优先考虑的。
钼可以提高钢的淬透性,防止回火脆性,改善疲劳性能,现有标准中加钼的弹簧钢不多,加入量一般在0.4%以下。