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彈簧鋼絲的標準及用途
發布時間：2012-03-07
摘要：我國彈簧綱絲標準是參照ISO和JIS制訂的，本文以ISO和JIS為依據，分析了彈簧綱絲現行國家標準和行業標準的適用范圍，各組別之間隱含的的差別，對彈簧鋼絲的生產和使用都有參考價值。
關鍵詞：彈簧鋼絲、標準 、適用范圍
彈簧是機械行業和日常生活中最常用的零件，彈簧主要作用是利用自身形變時所儲存的能量來緩和機械或零部件的震動和沖擊、控制機械或零部件的運動。
1 彈簧鋼絲的使用特性和用途
彈簧在彈性范圍內使用，卸載后應回復到原來位置，希望塑性變形越小越好，因此鋼絲應具有高的彈性極限，屈服強度和抗拉強度。屈強比越高，彈性極限就越接近抗拉強度，因而越能提高強度利用率，制成的彈簧彈力越強。
彈簧依靠彈性變形吸收沖擊能量，所以彈簧鋼絲不一定要有很高的塑性，但起碼要有能承受彈簧成型的塑性，以及足夠的能承受沖擊能量的韌性。
彈簧通常在交變應力作用下長期工作，因此要有很高的疲勞極限，以及良好的抗蠕變和抗松弛性能。
在特定環境中使用的彈簧，對鋼絲還會有一些特殊要求，例如：在腐蝕介質中使用的彈簧，必須有良好的抗腐蝕性能。精密儀器中使用的彈簧，應具有長期穩定性和靈敏性，溫度系數要低，品質因素要高，后效作用要小，彈性模量要恒定。在高溫條件下工作的彈簧，要求在高溫時仍能保持足夠的彈性極限和良好的抗蠕變性能等。
此外，還應考慮彈簧鋼絲的成形工藝和熱處理工藝。冷拉彈簧鋼絲和油淬火回火彈簧鋼絲都以供貨狀態鋼絲直接繞制彈簧，彈簧成形后經消除應力處理直接使用。冷拉彈簧鋼絲的抗拉強度要略高于油淬火回火鋼絲。大規格冷拉鋼絲彈力太大，繞制彈簧很困難，所以冷拉彈簧鋼絲使用規格一般小于8.0mm，油淬火回火鋼絲使用規格一般小于13.0mm。實際上直徑13.0mm彈簧多選用輕拉狀態彈簧鋼絲，冷拉繞制成形后再淬回火使用。直徑15.0mm以上鋼絲大多采用加熱繞制工藝制簧。
彈簧根據運行狀態可分為靜態簧和動態簧。靜態彈簧指服役期振動次數有限的彈簧，如安全閥彈簧，彈簧墊，秤盤彈簧，定載荷彈簧，機械彈簧，手表游絲等。動態彈簧指服役期振動次數達1×106次以上的彈簧，如發動機閥門彈簧，車輛懸掛簧，防震彈簧，聯軸器彈簧，電梯緩沖彈簧等。靜態彈簧選材時主要考慮抗拉強度和穩定性，動態彈簧選材時主要考慮疲勞，松弛及共振性能。
彈簧根據負荷狀況可分為輕載荷、一般載荷和重載荷三種狀態。輕載荷指承受靜態應力，應力較低，變形量較小的彈簧，如安全裝置用彈簧，吸收振動用彈簧等。設計使用壽命103～104次。
一般載荷指設計壽命105～106次，在振動頻率300次/min條件下使用的普通彈簧。在許用應力范圍內，壽命保證1×106次，載荷應力越低，壽命越長。
重載荷指長時間工作、振動頻繁的彈簧。如閥門彈簧，空氣錘、壓力機、液壓控制器彈簧，其載荷較高，常常在低于許用應力10%左右使用，使用壽命大于1×106次，通常為107次。
彈簧選材的原則是：首先滿足功能要求，其次是強度要求，最后才考慮經濟性。
碳素彈簧鋼是彈簧鋼中用途廣泛，用量最大的鋼類。鋼中含0.60%～0.90%的碳和0.3%～1.20%的錳，不再添加其它合金元素，使用成本相對較低。碳素彈簧鋼絲經適當的加工或熱處理，可以獲得很高的抗拉強度，足夠的韌性和良好的疲勞壽命。但碳素鋼絲的淬透性低，抗松弛性能和耐蝕性能差，彈性模量的溫度系數較大(高達300×10-6/℃)，適用于制造截面較小，工作溫度較低(120℃>)的彈簧。
合金彈簧鋼一般含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彈簧鋼的抗松弛性能，提高鋼的韌性，同時顯著提高鋼的淬透性和使用溫度，適用于制造較大截面，較高溫度下使用的彈簧。國內外彈簧鋼常用牌號對照如表1。
我國彈簧鋼絲標準是參照ISO和JIS標準，分鋼類制定的。現行國家及行業推薦標準包括碳素彈簧鋼絲標準6個，合金彈簧鋼絲標準4個，標準明細如表2。
碳素彈簧鋼絲現行國家和行業推薦標準分兩種類型：一類是冷變形強化鋼絲，又稱冷拉彈簧鋼絲。冷拉碳素彈簧鋼絲首先經鉛淬火處理獲得索氏體組織，然后表面磷化，以很大減面率拉拔到成品尺寸，鋼絲組織呈纖維狀，有很高的抗拉強度和彈性極限，良好的彎曲和扭轉性能。冷拉彈簧鋼絲尺寸精度高，表面光潔，無氧化和脫碳缺陷，疲勞壽命比較穩定，是使用最廣泛的彈簧鋼絲。
碳素彈簧鋼絲的另一類型是馬氏體強化鋼絲，又稱油淬火回火鋼絲。碳素鋼絲通過淬回火處理，可獲得良好的綜合力學性能，當鋼絲規格較小時（φ≤2.0mm），油淬火回火鋼絲的各項強度指標比索氏體化處理后冷拉鋼絲要低。當鋼絲規格較大時（φ≥6.0mm）索氏體化的鋼絲不可能采用很大減面率來獲得所要求的強度指標，而油淬火回火鋼絲只要完全淬透就可以獲得比冷拉鋼絲更高的性能。在抗拉強度相同條件下，馬氏體強化鋼絲比冷變形強化鋼絲具有更高的彈性極限。冷拉鋼絲金相組織呈纖維狀，各向異性明顯，油淬火回火鋼絲金相組織為均勻的回火馬氏體，幾乎是各向同性的。同時油淬火回火鋼絲的抗松弛性能優于冷拉鋼絲，使用溫度（150～190℃）也高于冷拉鋼絲（≤120℃）。近年來中大規格油淬火、回火鋼絲大有取代冷拉鋼絲趨勢。下面按標準介紹各類碳素彈簧鋼絲的應用范圍及工藝特點。
（1）YB/T5220-93 《非機械彈簧用碳素彈簧鋼絲》
該標準適用于沙發墊簧，座墊，靠背拉簧，卡簧，夾簧等非機械彈簧用碳素彈簧鋼絲。標準按抗拉強度要求不同將鋼絲分成A1，A2，A3…A9九個組別，每個組別鋼絲不分規格大小按一個強度范圍供貨，抗拉強度偏差≤200Mpa。A1，A2和A3組用于制造較低應力彈簧。A3，A4和A5用于制造一般應力彈簧。A7，A8和A9用于制造較高應力彈簧。床墊簧一般選用A3和A4組別。
①Φ≤4.0mm鋼絲在2d芯棒上纏繞兩圈無裂紋或折斷。
②Φ＞4.0mm鋼絲進行彎曲試驗，試樣沿R=10mm圓弧向不同方向彎曲90o，彎曲處不得有裂紋或折斷。
A1-A3組鋼絲一般選用45～70鋼，A3～A6組選用65Mn或70鋼，A7～A9組鋼絲選用70或T8MnA（82B）生產。由于按該標準供貨的鋼絲基本用于制作靜態彈簧，對疲勞壽命的要求相對寬松，鋼絲可以采用控軋控冷盤條直接拉拔成品。鋼絲成前熱處理也可以用正火代替鉛浴處理。同時允許選用轉爐鎮靜鋼作為原料。
(2)GB/T4357-89 《碳素彈簧鋼絲》
該標準是冷拉碳素彈簧鋼絲的通用標準，主要用于制作在各種應力狀態下工作的靜態彈簧。根據彈簧工作應力狀態鋼絲可分三個級別供貨：B級用于低應力彈簧，C級用于中等應力彈簧，D級用于高應力彈簧。成品鋼絲考核抗拉強度、扭轉、纏繞和彎曲四項性能，常見規格的力學性能如表4。
①Φ≤4.0mm的D級鋼絲和Φ≤6.0mm的B級、C級鋼絲在等于鋼絲直徑的芯棒上纏繞2圈、 纏繞后的試樣表面不得產生裂紋和斷裂。
②Φ＞4.0mm的D級鋼絲在2倍鋼絲直徑的芯棒上纏繞2圈，纏繞后的試樣表面不得產生裂紋和斷裂。
③Φ＞6.00mm的鋼絲應進行彎曲檢驗，試樣沿R=10mm圓弧向不同方向彎曲900，彎曲后不得產生裂紋和斷裂。
B級和C級鋼絲一般選用70（67A、72A）或65Mn（67B），D級選用T9XtA和T8MnA（82B）生產。
本標準鋼絲主要用于制作靜態機械彈簧，其服役期振動頻次要高于非機械彈簧，對疲勞壽命有一定的要求，成品也增加扭轉性能的考核。因此對鋼絲用盤條應采用電爐或電爐+爐外精煉法冶煉，盤條中P≤0.030%、S≤0.020%等。成品鋼絲顯微組織中如含有游離鐵素體，會降低彈簧疲勞壽命，而控軋控冷盤條中一般均存有5%～1.5%的游離鐵素體，一般不宜采用盤條直接生產成品鋼絲。按此標準供應的鋼絲原則上成前應經鉛浴處理，消除游離鐵素體組織，成品鋼絲顯微組織應為纖維化索氏體組織。
(3)GB/T4358-1995《重要用途碳素彈簧鋼絲》
按該標準供貨的鋼絲，主要用于制作在各種應力狀態下工作的動態彈簧。根據彈簧工作應力狀態，鋼絲分3個組別供貨：E組適用于中等應力動態彈簧，F組適用于高應力動態彈簧，G組適用于高疲勞壽命的動態彈簧。成品鋼絲考核抗拉強度，扭轉，纏繞，彎曲和脫碳五項性能指標，常見規格的力學性能如表5。
①Φ＜4.0mm的鋼絲在等于鋼絲直徑的芯棒上、Φ≥4.0mm鋼絲在2倍鋼絲直徑的芯棒上纏繞5圈，不得有裂紋或折斷。
②Φ＞1.0mm鋼絲進行彎曲試驗，試樣沿R圓弧向不同方向彎曲900，彎曲處不得有裂紋或折斷，Φ≤4.0mm，R=5mm；Φ＞4.0mm，R=10mm。
③G組鋼絲脫碳層≤1.0d%。
由于按該標準供貨的鋼絲用于制作中、高應力狀態下工作的動態彈簧，成品鋼絲除保持高的彈性極限和良好的韌性指標外，還必須考慮到疲勞極限和彈簧的疲勞壽命。為此，對鋼的純凈度，非金屬夾雜含量和氣體含量，鐵素體含量及表面脫碳程度有更高的要求。鋼絲用盤條必須采用電爐+爐外精煉法冶煉，對盤條的化學成分有更高的要求：P≤0.025%、S≤0.020%，Cr ≤0.10%、Ni≤0.15%（0.12%）、Cu≤0.20%。實際生產中為提高疲勞壽命往往將Mn控制在高限，E組選用70或70Mn（72B），F組選用T8MnA或T9RtA，G組選用65Mn（Mn可調整到0.9-1.2%）或67B。降低鋼中P、S含量，提高Mn含量和采用爐外精煉的目的是：消減鋼中非金屬夾雜含量，改善夾雜物形態和降低氣體含量，提高疲勞極限和疲勞壽命。如果鋼絲顯微組織中含有游離鐵素體，會較大幅度地降低疲勞壽命，按該標準供貨的鋼絲，成前必須進行鉛淬火處理。
(4)GJB1497-92 《特殊用途碳素彈簧鋼絲規范》
在某些特定場合，需要彈簧具有超出常規要求的彈力，如槍械彈簧，為便于攜帶和使用，彈簧所占的空間很小，彈力要足夠大，必須選用抗拉強度特高，韌性較好的鋼絲來制作彈簧,《特殊用途碳素彈簧鋼絲》就適應這種需要的標準。
該標準規定鋼絲分甲、乙、丙3組供貨。丙組適應于較高應力彈簧，乙組適應于高應力彈簧，甲組適用于超高應力彈簧。標準推薦鋼絲采用T9A，T10A和T8MnA制造。實際上鋼絲抗拉強度隨碳含量增高而上升，扭轉性能（韌性指標）隨碳含量上升而下降，綜合考慮，遼寧特殊鋼集團大連三大鋼絲公司選用加稀土的T9A鋼絲生產甲、乙、丙組鋼絲。成品鋼絲考核抗拉強度、扭轉、扭轉斷口、纏繞、抗拉強度均勻性和尺寸均勻性六項性能指標，常見規格的力學性能如表6。
應該指出鋼絲的超高抗拉強度是以犧牲部分塑性和疲勞壽命換來的，只適用于制作形狀簡單，對疲勞壽命要求不很高的彈簧，該標準不宜推廣使用。
說明：
①每盤鋼絲兩端抗拉強度差不得大于100Mpa。
②鋼絲扭轉時，在規定扭轉次數以內不得有肉眼可見的裂紋和分層。
③鋼絲進行纏繞試驗，鋼絲繞芯棒纏繞1~5圈后不得折斷和破裂。芯棒直徑等于鋼絲直徑。
(5)YB/T5103-93 油淬火-回火碳素彈簧鋼絲
油淬火、回火鋼絲先將鋼絲生產到成品尺寸，然后再進行油淬火回火處理，以回火馬氏體組織交貨。組織均勻性是決定油淬火回火鋼絲性能的重要指標，因碳素彈簧鋼絲淬透性有限，規格太大的鋼絲油淬火回火后芯部不能完全轉變為馬氏體，所以標準規定油淬火回火碳素彈簧鋼絲供貨直徑小于12.0mm。
與冷拉碳素彈簧鋼絲相比，直徑≤2.0mm的油淬火回火鋼絲抗拉強度和彈性極限低于冷拉鋼絲。但大規格鋼絲（Φ≥6.0mm）索氏體處理后，不可能采用大減面率拉拔獲得高的抗拉強度，而油淬火回火鋼絲只要完全淬透，就可以獲得比冷拉鋼絲更高的抗拉強度。即使在抗拉強度相同條件下，油淬火回火鋼絲的彈性極限也高與冷拉鋼絲。
冷拉彈簧鋼絲的各向異性明顯，而油淬火回火鋼絲幾乎各相同性。油淬火回火鋼絲的疲勞壽及抗應力松弛性能比冷拉鋼絲好得多，工作溫度更高（150～170℃），抗蠕變性能更好。另外油淬火回火鋼絲直條度好，打開盤卷后鋼絲彈直，幾乎無彎曲，纏繞彈簧時成形性能更好。因此工業發達國家大規格油淬火回火碳素彈簧鋼絲幾乎取代了冷拉碳素彈簧鋼絲。
(6)YB/T5102-93《閥門用油淬火回火碳素彈簧鋼絲》
YB/T5102-93與YB/T5103-93的關系相當于GB/T4358-1995與GB/T4357-89的關系。前者用于制作動態彈簧，后者是通用標準，主要用于制作靜態彈簧。由于動態油淬火回火彈簧對組織均勻性要求更嚴格，碳素鋼淬透性有限，YB/T5102規定供貨規格更小（直徑≤6.0mm）。
閥門用油淬火回火碳素鋼絲使用范圍和質量控制要求基本與GB/T4358-1995 G組相當，這里不再贅述。
2.2 合金彈簧鋼絲標準、適用范圍及工藝特點
我國合金彈簧鋼絲分三類，合金彈簧鋼絲，油淬火回火硅錳彈簧鋼絲，閥門用油淬火回火鉻硅合金彈簧鋼絲，從發達國家合金彈簧使用現狀來看，油淬火回火鋼絲所占比例越來越大，日本工業標準（JIS）規定，合金彈簧鋼絲全部以油淬火回火狀態供貨。
(1) GB/T5218-1999《合金彈簧鋼絲》
該標準將原GB5218-85《硅錳彈簧鋼絲》、GB5219-85《鉻釩彈簧鋼絲》和GB5221-85《鉻硅彈簧鋼絲》三個標準合并成一個標準。
標準適用于制作高、中應力彈簧用合金彈簧鋼絲，鋼絲纏簧成形后需經淬火回火處理才能使用。
標準列出60Si2MnA、50CrVA和55CrSiA三個鋼號，同時規定根據需方要求，可以供應其它牌號鋼絲。
鋼絲一般按冷拉狀態交貨，成品直徑≤5.0mm檢驗抗拉強度σb≤1035Mpa，直徑>5.0mm鋼絲檢驗HB≤302，相當于輕拉狀態。生產中大規格（Ф>8.0）成品冷拉減面率不超過25%，小規格鋼絲（Ф≤5.0）減面率不超過30%。退火狀態交貨鋼絲太軟，極易產生死彎，纏簧時往往造成簧形不好，螺距不均。冷拉減面率偏大時鋼絲太硬、纏簧時反彈大，粗簧成形困難。所以直接纏簧的鋼絲以輕拉狀態供貨最合適。對于鋼絲購回還要進行冷加工（如壓扁、軋成異型截面等）的用戶，應推薦選用退火狀態交貨鋼絲。
為保證纏簧性能，成品鋼絲進行纏繞試驗，直徑≤5.0mm鋼絲在相當于鋼絲直徑1～2倍的芯棒上纏繞6圈，不得破裂和折斷。
脫碳和表面缺陷嚴重的降低彈簧疲勞壽命，必須嚴格控制。特別是60Si2MnA和55CrSi，含硅量較高，退火時極易脫碳。盤條球化退火和半成品再結晶退火推薦采用低溫，長時間的退火工藝。如前所述，疲勞壽命要求高的彈簧，必須選用磨光鋼絲，但需要分清是退火磨光還是冷拉磨光。50CrV軟態鋼絲磨光時磨屑極易粘附到鋼絲表面，形成不規則小白點，所以盡可能采用冷拉磨光工藝，減少表面"白點"。
在表面質量保證條件下，夾雜含量就成為影響疲勞壽命的最重要因素，所以標準規定，需方有要求時可增加非金屬夾雜物，石墨碳檢驗。
(2)YB/T5104-93《油淬火-回火硅錳合金彈簧鋼絲》和YB/T5105-93《閥門用油淬火-回火鉻硅合金彈簧鋼絲》。
使用油淬火回火合金彈簧鋼絲制簧后,不需要再進行淬回火處理，只要象冷拉碳素彈簧鋼絲一樣進行消除應力處理即可使用，深受歡迎，直徑14.0mm以下合金彈簧越來越多地使用這兩個標準。
YB/T5104-93分3種類別供貨，A類適用于中等載荷的靜態彈簧，B類適用于中等載荷，中等疲勞壽命的動態彈簧，C類適用于較高應力狀態的動態簧，如汽車懸掛彈簧。YB/T5105-93適用于承受劇烈動負荷的發動機的閥門彈簧。