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彈簧材料應具備的性能
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來源:互聯網 添加人:admin 添加時間:2010-12-6 10:39:00

 1)高的強度:為提高彈簧抗疲勞破壞和抗松弛的能力,彈簧材料應具有高的屈服強度 與彈性極限 ,尤其要有高的屈強比( / )。在通常情況下,材料的彈性極限與屈服強度成正比,因此彈簧設計和制造者總是希望材料具有高的屈服強度.而彈簧材料的抗拉強度 和屈服強度 較接近,如冷拔碳素鋼絲的 約為 的90%左右:由于抗拉強度比屈服強度容易測得,在材料交貨中提供的都是抗拉強度,故在設計制造時一般都用抗拉強度作為依據。但材料的抗拉強度并不是越高越好,強度過高會降低材料的塑性和韌性,增加脆性傾向。材料抗拉強度的高低與其化學成分、金相組織、熱處理狀況、冷加工(拉拔或軋制)程度及其他強化工藝等因素有關。抗拉強度與疲勞強度也有一定的關系,當材料的 在1600MPa以下時,其疲勞強度隨抗拉強度的增高而增高。大致上材料的疲勞強度與抗拉強度遵循的關系是:   (其中 為材料在對稱循環下的疲勞強度)。
    2)良好的塑性和韌性:在彈簧制造過程中材料需經受不同程度的加工變形,因此要求材料具有一定的塑性。例如形狀復雜的拉伸和扭轉彈簧的鉤環及扭臂,當曲率半徑很小時,在加工卷繞或沖壓彎曲成形時,彈簧材料均不得出現裂紋、折損等缺陷。同時彈簧在承受沖擊載荷或變載荷時,材料應具有良好的韌性,這樣對提高彈簧的使用壽命會有很大的裨益。
     3)優良的表面狀態和疲勞性能:彈簧工作時表面承受的應力最大,而疲勞破壞往往是從鋼絲表面開始的,對于用在重要場合的彈簧如氣門彈簧、閥門彈簧及懸架彈簧都要求有幾百萬次,幾千萬次甚至更長的循環壽命,這就對材料的疲勞性能提出了很高的要求。影響材料疲勞性能的因素很多,如材料的化學成分、硬度、鋼材的純凈程度、表面質量和金相組織等,尤為重要的是材料的表面質量。材料的表面缺陷,如裂紋、折疊、鱗皮、銹蝕、凹坑、劃痕和壓痕等,都易使彈簧在工作過程中造成應力集中。其應力集中的部位常常是造成疲勞破壞的疲勞源。疲勞源還易在表面脫碳的部位首先發生,因此嚴格控制脫碳層深度也是一個很重要的質量指標。為提高彈簧材料的表面質量,可以對材料表面進行磨光或拋光,在鋼絲拉拔前采用剝皮工藝剝除一層材料表皮,這樣可以將大部分表面缺陷去掉。彈簧熱處理時可采用控制氣氛或真空熱處理,防止表面脫碳和氧化。
    4)嚴格的尺寸精度:許多彈簧對負荷精度有較高的要求,如氣門彈簧的負荷偏差不得大于規定負荷的5%—6%,以具有圓鋼絲的拉、壓彈簧為例,如果鋼絲直徑偏差為1%,負荷就會產生4%左右的偏差。由此可見,嚴格的尺寸精度對保證彈簧的質量也是十分重要的。
    5)好的均勻性:對材料的均勻性要求是指對材料的化學成分、力學性能、尺寸偏差等各項指標要求均勻和穩定一致。如果材料各方面性能不一致,會給彈簧生產帶來很大的困難,造成產品幾何尺寸、硬度、負荷等參數的離散性,嚴重的不均勻性甚至會造成廢品。
    為了滿足上述性能要求,彈簧鋼必須具有優良的冶金質量,包括嚴格控制的化學成分、高的純潔度、低的雜質含量、低的非金屬夾雜物含量,并控制其形態、粒度和分布。此外還要求鋼質的均勻性和穩定性。彈簧鋼還應具有良好的表面質量(包括表面脫碳)和高精度的外形和尺寸。
    目前主要采用電爐或轉爐生產彈簧鋼,其特點是功率大、容量大,在保證鋼的質量同時具有經濟性,用作一般機械用彈簧材料。對于高使用性能彈簧的材料,目前,廣泛采用鋼包精煉、真空脫氣等爐外精煉技術,如鋼包吹氬、鋼包精煉爐(LF)、真空處理(RH)等,以嚴格控制化學成分、降低氣體和各種非金屬夾雜物含量等。而且還采用非金屬夾雜物控制技術,控制非金屬夾雜物的形態、粒度和分布,如喂人鈣絲、噴吹鈣粉等使非金屬夾雜物中含有CaO,并控制其粒度;在煉鋼過程中通過調整脫氧劑和爐渣成分來改變非金屬夾雜物的成分,使其在熱軋時容易塑性變形。使用RH脫氣技術,可使氧含量大大降低,從而顯著提高疲勞壽命。
    在彈簧鋼生產中已廣泛采用連鑄。與模鑄相比,采用連鑄可通過電磁攪拌、低溫鑄造等技術減小鋼的偏析,提高鋼質的均勻性;減少二次氧化,改善鋼的表面脫碳;使鋼的組織和性能穩定、均勻;提高收得率和生產效率;與爐外精煉技術相配合降低氧含量和有效地控制鋼的化學成分。 
    在對彈簧鋼材的尺寸偏差、截面形狀、表面質量(包括表面脫碳層深度)和沿鋼材長度顯微組織均勻性的要求不斷提高的情況下,國外廣泛采用了縱列式全連續軋機,并不斷改進以實現高速、無扭、無張力軋制。為了保證鋼材尺寸精度采用短應力線或預應力軋機。
    (2)合金元素在彈簧材料中的作用  彈簧材料的化學元素主要以鐵、碳為主,為保證彈簧能滿足不同條件下工作的需要,則在碳素彈簧鋼的基礎上添加了一定量的合金元素,從而使材料具有碳素彈簧鋼所沒有的優良性能,如高的彈性極限、良好的淬透性和耐腐蝕性等。各種合金元素在彈簧材料中的作用如下:
    碳(C)是鋼中重要的化學元素,彈簧鋼的 /(C)范圍是0.3%~1.2%,其中碳素彈簧鋼的 /(C)在0.60%~0.90%之間,合金彈簧鋼的 /(C)在0.46%~0.75%之間。含碳量越高,鋼的硬度和強度越高,但塑性降低,脆性增加。
    錳(Mn)在彈簧鋼中一般加入量為1%左右。其優點是淬透性好、強度較高、脫碳傾向較小,缺點是有過熱敏感性和回火脆性傾向,淬火時開裂傾向亦較大。
    硅(Si)在碳素鋼中的 (Si)通常不超過0.37%,它是作為冶煉過程中的脫氧劑而加鋼中的。含硅的合金彈簧鋼其 (Si)在0.70%~2.80%之間。由于硅能溶人鐵素體中,入使鐵素體顯著強化,從而提高了鋼的強度和屈強比,硅還能提高鋼的淬透性和回火穩定性。但彈簧鋼中含硅量不能過高,否則會造成鋼的晶粒粗化,增加石墨化傾向。
    鉻(Cr)能提高淬透性、細化晶粒,是制造高疲勞性能彈簧所用合金鋼中的重要元素之一,當 (Cr)達到13%以上時,具有很好的防腐蝕能力,是制造彈簧所用不銹鋼中的主要添加元素。但鉻能引起回火脆性,回火后均需快冷,以避免回火脆性的產生。
    鎳(Ni)是我國資源較少的元素,一般彈簧鋼中很少使用,它是奧氏體不銹鋼中的主要成分之一。鎳主要用于形成穩定奧氏體組織,鉻鎳奧氏體的組織穩定,高溫下長期使用也不會脆化。
    釩(V)是強碳化物元素,和碳能結合成熔點很高的碳化釩,合金彈簧鋼中加入少量的釩,則細化晶粒的作用就已十分明顯,如50CrVA的  (V)僅為0.1%—0.2%。彈簧鋼中加入了釩細化了晶粒、降低了過熱敏感性、提高了鋼的靜強度和疲勞強度。
    鎢(w)主要作用是提高鋼的淬透性耐熱性能,使彈簧在較高溫度下仍能保持高的強度和彈性,鎢還能細化晶粒,如常用的彈簧材料65Si2MnWA,其淬透性、耐熱性能都優于50CrVA。
    硼(B)能大大提高彈簧淬透性,加入極微量的硼(質量分數為十萬分之幾),作用就極為明顯。在硅錳彈簧鋼的基礎上加入微量的硼以后淬透性明顯提高,在某些耐高溫的合金彈簧材料中加入硼,能增加材料的持久強度。
    鋁(A1)、鈦(Ti)、鈮(Nb)主要添加在彈簧用不銹鋼或其他特殊用途的彈簧材料中,主要目的是提高材料的耐腐蝕性能或與鎳、鉬等組成沉淀硬化相,起到沉淀強化作用。
    鈷(Co)是恒彈性材料,鈷在3J21、3J32中作為主要添加元素,能使彈簧材料獲得高的彈性極限,并且彈性模量溫度系數也很小。但鉆是貴重合金元素,除非必要,一般不輕易使用。
     銅(Cu)常作為銅合金中的基體元素,與其他添加的元素組成銅合金彈性材料。如與錫(Sn)、磷(P)、組成錫磷青銅,與硅、錳組成硅青銅,與鋁組成鋁青銅,與鈹(Be) 組成鈹青銅等。以銅鎳為主的蒙乃爾彈性合金有很好的耐腐蝕性能。
    鈹(Be)主要是加人銅中組成鈹青銅。鈹青銅有優良的彈性性能。但鈹有毒,且價格也很貴。
    上述各種合金元素可以單獨添加,也可以幾種元素一起添加,幾種元素一起添加所起的作用要遠大于每種元素單獨添加所起作用的疊加,所以現在新研制的彈簧鋼,在合金元素方面,都傾向于采用少量多元的辦法。
    鋼中除了以上這些有益元素外,還不可避免地存在一些有害的雜質。如硫(S)、磷(P)等。這些雜質會降低鋼的塑性和韌性,增加脆性,形成的夾雜物嚴重地降低彈簧的壽命,所以要求這兩種有害元素在鋼中的含量越少越好。
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