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彈簧材料的發展在高應力下的提高疲勞壽命和抗松弛性能方面

日期：2019/11/5 9:34:13 瀏覽：次

隨著彈簧應用技術的發展，對彈簧材料提出了更多的要求。主要是在高應力下的提高疲勞壽命和抗松弛性能方面；其次是根據不同的用途，要求具有耐蝕性、非磁性、導電性、耐磨性、耐熱性等方面。為此，彈簧材料除開發了新品種外，另從嚴格控制化學成分，降低非金屬夾雜，提高表面質量和尺寸精度等方面取得了有益的成效。
（1）彈簧鋼生產工藝的發展為了提高彈簧鋼的質量，工業發達已普通采用爐外精煉技術、連鑄工藝、新型軋制和在線自動檢測及控制設備等
為了保證鋼的化學成分，降低氣體和各種非金屬加夾物的含量，采用大容量電爐或轉爐熔煉，采用爐外鋼包精煉，使氧含量（質量分數）降至（0.0021~0.0010）%，生產出超純凈鋼，從而大大提高了彈簧的設計和工作應力。
連鑄生產工藝在彈簧鋼生產中已被廣泛采用。連鑄可通過電磁攪拌、低溫鑄造等技術減小鋼的偏析，減小二次氧化，改善表面脫碳，使組織和性能穩定、均勻。
采用分列式全連續軋機，可提高尺寸精度，表面質量，同時也可使鋼材沿長度顯微組織均勻。在軋制過程中為了保證產品的表面質量采用在線自動檢測和控制。為了適合變截面彈簧扁鋼生產而開發了奧氏體軋制成形新工藝，即先將鋼加熱到奧氏體區再急冷至亞穩奧氏體區進行塑性加工并淬火處理。這種工藝可使鋼在不降低塑性的同時提高強度。此外還有通過軋后在線熱處理和表面硬化處理來提高彈簧鋼的性能等。
（2）合金鋼的發展合金元素的主要作用是提高力學性能，改善工藝性能及賦予某種特殊性能。氣門彈簧和懸架彈簧已廣泛應用SiCr鋼。Si是抗應力松弛好的合金元素，在SiCr鋼中添加V、Mo形成SiCrV和SiCrMo鋼，可以提高疲勞壽命和抗松弛性能。同時SiCr拉拔鋼絲，其在高溫下工作時的抗松弛性能，比琴鋼絲和重要用途碳素彈簧鋼絲要好。隨著發動機高速小型化，抗顫振性能好、質量輕、彈性模量小的Ti合金得到了較為廣泛的應用，其強度可達2000 MPa。
（3）低碳奧氏體鋼的發展低碳奧氏體鋼38SiMnB是我國自主研發的一種新型的高性能彈簧鋼，在此基礎上開發的38SiMnVBE更具優越性，具有高強韌性、高淬透性、高應用性和高性能比。在進行超細晶粒控制軋制后，其抗拉強度 =（2030~2140）MPa，屈服強度 =（900~2010）MPa，伸長率 =（12~15）%，面縮率 =（48~55）%。為少片變截面板彈簧提供了高性能的材料。
（4）不銹鋼的發展我國是生產不銹鋼的大國，隨著不銹鋼的生產發展，自然也開發了不少品種，目前已達50多種，，基本滿足了國內生產發展的需要，對當前開發的一些新品種作簡要說明。
1）奧氏體不銹鋼體系的初步形成。為了消除碳元素造成的不銹鋼晶界腐蝕疲勞，開發出低碳奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9和00Cr17Ni2Mo2。為了提高其特殊性能可加Cu、Ti、Nb、Mn、Cr、Si和N等元素。
2）含氮不銹鋼的發展。在不銹鋼中以氮代碳取得了成果。在奧氏體不銹鋼中N和C有許多共同特性。N穩定奧氏體的作用比Ni大，與C相當。N與Mn結合能取代比較貴的Ni。
在奧氏體中N也是有效的固溶強化元素之一。N與Cr的親和力要比C與Cr的親和力小，奧氏體鋼很少見到Cr2N的析出。因此N能在不降低耐蝕性能的基礎上，提高不銹鋼強度。
3）超強鐵素體不銹鋼的發展。鐵素體不銹鋼具有良好的腐蝕性能和抗氧化性能，其抗應力腐蝕性能優于奧氏體不銹鋼。價格比奧氏體不銹鋼便宜。但存在可焊性差、脆性傾向比較大的缺點，生產和使用受到***。通過降低鋼中的碳和氮的含量，添加Ti、Nb、Zr、Ta等穩定化元素，添加Cu、AI、V等焊縫金屬韌化元素三種途徑，可以改善鐵素體鋼的可焊性和脆性。
4）超級奧氏體鋼的發展。超級奧氏體鋼指Cr、Mo、N含量顯著高于常規不銹鋼的奧氏體鋼。其中比較著名的是含6% Mo的鋼（245S Mo）。這類鋼具有非常好的耐局部腐蝕性能，在海水、充氣、存在縫隙、低速沖刷條件下，有良好的抗點蝕性能（PI 40）和較好的抗應力腐蝕性能，是Ni基合金和鈦合金的代用材料。
5）超馬氏體不銹鋼的發展。傳統的馬氏體不銹鋼2Cr13、3Cr13、4Cr13和1Cr17Ni2缺乏足夠的延展性，在冷頂鍛變形過程中對應力十分敏感，冷加工成形比較困難。加之鋼的可焊性比較差，使用范圍受到***。為克服馬氏體鋼的上述不足，近來已找到一種有效途徑，就是通過降低鋼的C、Ti含量，增加Ni含量，開發一個新系列合金鋼——超馬氏體鋼。這類鋼抗拉強度高，延展性好，焊接性能也得到改善，因此超馬氏體鋼又稱為軟馬氏體鋼或可焊接馬氏體鋼。
（5）彈簧鋼絲的發展彈簧鋼絲經過100多年的發展，工藝技術經歷了由鉛淬火到油淬火，現又發展到感應加熱淬火。再加上工藝技術裝備不斷創新和完善，品種質量不斷更新。近來開發的閥門用彈簧鋼絲感應加熱淬火和回火處理工藝，試驗證明，由于感應加熱時間短，淬火組織細小，鋼絲表面幾乎沒有脫碳層，所以其塑性、韌性、抗松弛性、斷裂韌性、延遲斷裂抗力、疲勞壽命等都比油淬火回火鋼絲有較大提高。
另一種研究取得成效的超細晶粒形變熱處理鋼絲已能實地應用，超細晶粒形變熱處理是組織超細化與形變熱處理相結合的一種復合強韌化工藝。它既可提高鋼絲的力學性能，同時又能改善鋼絲的表面質量。材料表面質量對疲勞性能影響很大。為了保證表面質量，對有特殊要求的材料采用剝皮工藝，將表層去掉0.1mm。對0.5mm深度的缺陷采用渦流探傷。對拔絲過程表面產生的凹凸不平，可用電解研磨，使表面粗糙度降到 =（6.5~3.4） m。
（6）不銹鋼絲的發展近年來國外不銹彈簧鋼絲生產發展較快。國內需求量增大的品種主要為1Cr18Ni9和0Cr17Ni7AI。
先進的鋼絲生產工藝流程特點是盤條首先剝皮處理，去除熱加工在表面造成的缺陷，除一次固溶處理后要進行酸洗外，整個冷加工過程均保持光亮表面。
隨著工藝的發展，不繡鋼絲生產流程進一步簡化，將部分原屬金屬制品行業質量控制簡化，轉換為對盤條質量的要求。在粗拉絲機后，應用清潔球擦拭和水中清洗，去除表面涂層和殘余潤滑膜。在光亮熱處理前配備電解酸洗、堿中和、水沖洗和烘干裝置，徹底去除鋼絲表面油污，改善表面質量。
（7）形狀記憶合金的開發目前在彈簧方面有應用前途的單向形狀記憶合金，以50Ti和50Ni性能好。形狀記憶合金制成的彈簧，受溫度的作用可伸縮。主要用于恒溫、恒載荷、恒變形量的控制系統中。由于是靠彈簧伸縮推動執行機構，所以彈簧的工作應力變化較大。
（8）陶瓷的應用陶瓷的彈性模量高，斷裂強度低，適用于變形不大的地方。目前正在開發的有耐熱、耐磨、絕緣性好的陶瓷，應用的有超塑性鋅合金（SPZ），在常溫下具有高的強度。另外，還有高強度的氮化硅，能耐高溫，可達1000℃。但陶瓷彈簧不適用于在沖擊載荷下工作。
（9）纖維增強塑料在彈簧中應用玻璃纖維增強塑料（GFRP）板簧在英、美和日本等國已廣泛應用，除用于橫置懸架外，還可用于特殊輕型車輛，如賽車的縱置懸架。目前又研制成功了碳素纖維增強塑料（GFRP）懸架彈簧，比金屬板簧要輕20%。