第7章 专门用途的机械制造用结构钢7

1 弹 簧 钢弹簧是一种十分重要的机械零件

，在各种机械中可以起着缓冲、减震、储能、连接

、支承、传动、密封等作用，在国民经济的各个部门得到了广泛的应用。弹簧钢是制造各类弹簧和弹性件的主要材料

。虽然可用来制造弹簧的材料很多

，但是钢材在目前和今后相当一段时间，仍是用量较大、用途最广、综合性能好

，而且价格的弹簧材料。汽车行业是弹簧钢的较大用户，消耗量占弹簧钢总产量的

60％以上。弹簧钢除了用做各类弹簧外

，还可用于制造弹性零件，如弹性轴，以及某些机械零件和耐冲击的工模具等

。7

1 1 弹簧钢的工作条件和性能要求机械行业常用的弹簧

，根据外形可分为螺旋弹簧、钢板弹簧、扭杆弹簧、碟形弹簧

、平面蜗卷弹簧等。螺旋弹簧结构简单

，储能比较大，得到广泛的应用。螺旋弹簧不管是受压还是受拉

，其承受的应力均主要是扭转应力，在弹簧的内表面应力值较大。因此，在动负荷的情况下

，螺旋弹簧的主要破坏方式是疲劳，疲劳源一般在内表面。钢板弹簧主要用于机车

、汽车、拖拉机上，在车轮和车架之间起连接的作用。它除了承受巨大的车厢及载物的重量

(静负荷)外，还要承受因地面不平所引起的冲击负荷和振动

。板簧本身有棱角和中心孔，应力集中很明显。断口分析表明，汽车板簧断裂绝大多数是疲劳破坏引起的

。目前汽车使用的钢板弹簧主要采用的结构形式为多片等截面钢板弹簧和少片

变截面钢板弹簧

。多片等截面钢板弹簧的片数一般多于

5片，各片厚度相同，长度不同。截面为矩形的钢板弹簧结构较简单

，其中性轴在截面的对称位置上工作时，钢板的上表面承受的拉应力和下面承受压应力值相等

，但钢的抗压能力高于抗拉能力，所以承受拉应力的上表面首先出现疲劳断裂

。为改善钢板表面的应力分布，设计出单面双槽钢板弹簧

，即在承压面沿纵向开出两个槽，使中性轴上移，降低了表面拉应力

，可节约钢材10％，降低了动态应力，提高了使用寿命。少片变截面钢板弹簧的片数为1～4片，各片的长度相同，弹簧厚度延长方向不等厚

。与多片钢板弹簧相比，少片变截面钢板质量可减轻30％～50％。少片变截面钢板弹簧还可减轻片间摩擦

，减少接触疲劳，降低运动噪声，改善客车行驶的平顺性

，提高乘坐舒适性。虽然这种钢板的轧制工艺比较复杂，但近年来各国在汽车工业中发展变截面弹簧的趋势却有增无减

。扭杆弹簧

，即一端固定而另一端与工作部件连接的杆形弹簧，在汽车、铁路机车

、军事装备上得到广泛的应用。汽车使用的扭杆弹簧，其一端固定在车架上而另一端与车轮连接

，车轮上下跳动时扭杆产生扭转变形，靠扭转弹力来吸收振动能量

。因为扭杆弹簧单位质量储能量比钢板弹簧大许多，所以扭杆弹簧悬架质量小，目前在轻型客车和货车上得到广泛的应用

。弹簧钢按生产工艺可分为热成形弹簧用钢和冷成形弹簧用钢两种

。热成形弹簧用钢包括线材和棒材

(圆钢、方钢和扁钢)，其规格较大，主要用做汽车

、机车等行业的螺旋弹簧、扭转弹簧和钢板弹簧。热成形弹簧用钢可在热轧、热锻

、冷拉或退火状态交货。由于尺寸较大，弹簧需采用热成形，然后再经淬火及中温回火处理

，以形成回火屈氏体组织，可使弹簧获得优良的力学性能和疲劳性能

。为了改善弹簧的耐疲劳性能，在热处理后，可再进行低温气体氮化或采用喷丸强化处理

。冷成形弹簧用钢包括钢丝

、钢带，其规格小，一般加工成小型弹簧。钢丝又分为冷拉钢丝和油淬火钢丝

。冷拉钢丝一般经预先热处理并冷作强化

。这类钢丝的表面质量高，强度也高，较高抗拉强度可在3000犕犘犪以上。用这类钢丝冷卷成弹簧后

，仅进行消除应力退火(俗称低温回火)，不再经淬火-回火处理

，制成的弹簧尺寸精度高，表面质量好。小型弹簧大多采用冷拉钢丝。油淬火钢丝是在钢丝生产的阶段进行连续淬火

-回火处理，获得规定的力学性能。钢丝制成弹簧后

，只进行消除应力的低温退火。油淬火钢丝是油淬火-回火钢丝的简称

。弹簧钢带有碳素钢钢带

、合金钢钢带及不锈钢钢带，主要用做盘簧、弹簧挡环、碟形弹簧

、垫圈等小型弹性元件。仪表中的簧片和钟表发条多是采用冷轧的高级品质碳素钢钢带制作而成

。根据弹簧钢的工作条件及其失效模式的分析

，对弹簧钢提出以下的力学性能要求

［1，2］。(

1)具有高的强度，特别是弹性极限σ犲(σ0 01)，一般在考虑一定安全系数后可采用

σ0 2。对于减震弹簧，从吸收能量的角度考虑，要求有高的弹性极限，因为在弹性范围内单位体积的弹性应变能为

σ犲2/2犈，所以σ犲越大，能吸收的较大弹性应变能也就越大

。此外，还要求有高的屈强比σ狊/σ犫，以提高强度的利用率。目前弹簧钢生产大都采用淬火加中温回火以得到回火屈氏体组织

。(2)具有高的疲劳极限(包括缺口疲劳强度)，因为重要的弹簧大都在反复应力

下工作，疲劳破坏是其失效的主要形式。一般说来，在一定硬度之下(500犎犅以下

)，钢的疲劳极限和强度之间有一定的比例关系，强度极限越高，疲劳极限也相应地越高

。但是疲劳性能对于零件的表面状态很敏感，因此弹簧的表面质量是非常重要的

，要求不应有裂纹、折叠、斑疤、发裂、气泡、夹杂和压入的氧化铁皮等缺陷。这就要求注意冶金质量

，在加热过程中，尽量预防表面缺陷和减轻表面脱碳。弹簧钢还应具有低的裂纹扩展速率

，在裂纹萌生后，可以有较长的裂纹扩展过程，有利于弹簧件使用寿命的延长

。(

3)断裂韧度表征了弹簧钢韧性储备的高低，这一指标对于防止在高强度、高应力条件下工作的弹簧发生具危险性的脆断具有重要意义

，因此断裂韧度也常作为弹簧钢性能的一个指标

。断裂韧度还能反映弹簧钢的冶金质量、夹杂物的大小和

数量。(

4)弹簧钢的抗松弛能力(或弹性减退抗力)是保障弹簧在长期工作中具有良好形状及尺寸稳定性的一个指标

。弹性减退是指弹簧在动、静载荷下，在室温下发生塑性变形和模量降低的一种现象

，弹减失效也是弹簧最常见的破坏形式。目前弹性减退的试验方法有多种

，如拉伸与压缩应力松弛试验法、弯曲及扭转应力松弛试验法

、实物弹簧松弛试验法［3，4］。国家制定了犌犅/犜10120—1996《金属应力松弛试验方法

》。弹性减退实质上是材料长期在静

、动载荷作用下，在室温发生塑性变形的一种现象

。因此各种影响材料塑性变形的因素都会影响弹性减退抗力，可以通过以下途径提高弹簧钢的弹减抗力

：固溶强化、沉淀强化和细晶强化。弹簧钢还应具有比较好的工艺性能

，包括淬透性、脱碳倾向、成形性能等。弹簧用钢在卷成以前要有一定的塑性是为了便于成形

。经热处理后的成形弹簧也要有适当的塑性和韧性

，但要求并不太高。下面主要讨论淬透性和脱碳倾向。(

1)淬透性。汽车弹簧特殊的使用和受力状态，要求弹簧整个截面都具有良好的综合力学性能

，尤其是变截面板簧的发展，弹簧截面的增加对淬透性提出了更高的要求

。目前广泛使用的变截面板簧的较大厚度为32犿犿，要求板弹簧截面中心以油淬可得到

80％的马氏体，作为弹簧钢选择钢种淬透性的依据。这一要求较原来的截面中心油淬可得到

50％马氏体作为淬透性的要求有较大的提高

。(

2)脱碳倾向。脱碳使钢的表面硬度降低，影响弹簧的疲劳寿命和弹性减退抗力

，因此要求弹簧钢的脱碳敏感性越小越好。钢中的化学元素是影响其脱碳的主要因素

。碳含量越高，脱碳倾向越大，这是因为碳浓度越高

，脱碳时的碳浓度梯度越大。合金元素主要是通过改变钢中的碳原子的活度

，从而改变其扩散系数来影响钢的脱碳。硅明显提高碳的活度，增大碳的扩散系数，使钢的脱碳倾向增大。能降低钢中碳活度的合金元素都能降低钢的脱

碳倾向，如一些强碳化物生成元素犞、犕狅、犆狉等(参阅图3 3和式(3 31))。影响脱碳层厚度的另外一个因素是加热时的气氛和温度

。在氧化性气氛中加热时

，表面脱碳与表面氧化同时发生。有些元素通过改变氧化层的性质影响脱碳。铬增加了铁氧化层的致密度

，使含铬钢既不易氧化也不易脱碳。硼在钢中增加氧化层的脆性

，使之易破裂而脱掉，加剧了氧化反应，脱碳层却减薄，使含硼钢易氧化而不易脱碳

。温度的影响表现在

，较低温度下，脱碳层随温度的升高而逐渐增厚，高温时氧化速率快于脱碳

，氧化层变得疏松易脱落，使脱碳层减薄。上面所述是对一般弹簧用钢的性能要求

，某些在特殊条件下工作的弹簧还有特殊的要求

。在较高温度下工作时，需要耐热弹簧钢；在腐蚀介质中使用时，需要耐蚀弹簧钢

；在精密仪表中工作时，要求在长时间内和一定温度范围内有稳定的弹性等

。7

1 2 弹簧钢所含元素及其作用弹簧钢按化学成分可分为碳素弹簧钢

、合金弹簧钢和高合金弹簧钢。其中，合金弹簧钢具有性能优良

、适应性强、价格低廉等优点，因此用途广泛，是最重要的弹簧材料

。常用合金弹簧钢的化学成分与合金结构钢相比，除碳含量较高外，没有其他大的差别

。但随着工业的不断发展，弹簧的设计应力不断提高，弹簧尺寸不断增大

，寿命要求也不断提高等，近年来国内外开发出一些新的弹簧钢。下面分析弹簧钢中常含有的各元素的作用

［5，6］。碳

碳在弹簧钢中是主要的强化元素，在合金弹簧钢中碳含量大多在0 45％～0

75％。较高的碳含量对强度、硬度、弹性、疲劳性能是有利的，但对塑性和韧性不利

。2

0世纪80年代以来，国内外均开发出碳含量较低的、适于制造汽车板簧的弹簧钢

，碳含量在0 20％～0 40％。由于碳含量低，热处理后得到低碳板条马氏体组织

，塑韧性好，淬火后可自行回火，加工性能好。与此相反，为了获得更高的强度

、硬度，以满足提高工作应力的要求，也有增加弹簧钢碳含量的趋势。一些新研制的高强度弹簧钢的碳含量上限达到

0 7％，甚至更高。硅

硅在钢中有固溶强化作用并能提高钢在低温、中温的回火稳定性。硅虽然不是碳化物形成元素

，却能影响回火时析出的碳化物粒子的形状、数量、粒度和间距

。由图7 1可以看出，在含0 60％犆、0 90％犕狀、0 20％犕狅的钢中，随硅含量的提高

，碳化物数量几乎直线上升，而间距则相应减小。图中还列入犛犃犈9260(含2

2％犛犻)和犛犃犈5160(含0 24％犛犻)两种钢有关数据进行对比。犛犃犈9260钢中的渗碳体呈椭球状

，而在犛犃犈5160钢中的渗碳体则呈棒状。成分：0 60％犆、0.90％犕狀、0 20％犕狅研究表明

，在所有合金元素中，硅提高弹减抗力的能力最强，所以新研制的一些弹减抗力优良的弹簧钢都含有较多的硅

。硅之所以能有效地提高弹减抗力，是由于硅具有强烈的固溶强化能力

，并能抑制渗碳体在回火过程中晶核的形成和长大

，从而改变渗碳体的形状和间距。但迄今为止，对钢中的硅含量尚无一致的看法

，但基本上是1 5％～2 0％。硅可以防止氧化

，但却促进脱碳倾向，应特别注意保护，提高钢中的锰含量可以减轻脱碳倾向

。当钢中硅、碳含量较高时，会出现石墨化现象，产生黑色断口

。锰

锰提高钢的淬透性，有固溶强化的作用，但锰含量较高时有粗化晶粒的倾向

，故弹簧钢中锰含量的范围通常为0 60％～1 30％。铬

铬对弹簧钢的多种性能有良好的作用。铬能显著提高淬透性和抗氧化、抗腐蚀的能力

，提高回火稳定性，有利于提高钢的力学性能。加入0 5％犆狉可使σ

0 2提高16％，脱碳层深度减小约50％。铬还能有效防止犛犻-犕狀弹簧钢球化退火时出现石墨化

。铬降低钢的抗弹减性，当其含量小于0 7％时，对抗弹减性没有什么影响

。铬在弹簧钢中的含量通常为0 7％～1 0％。钼

钼提高钢的淬透性和防止回火脆性。钼含量在0 4％以下时，随钼含量的增加

，钢的屈强比提高，亦即弹减抗力提高。钼还可以提高弹簧的工作温度

。钒和铌

钒和铌都是强碳化物形成元素，在钢中有沉淀强化和细化晶粒的作用

。这两种元素均可生成细小弥散而且硬度高的犕犆型碳化物。在高强度犛犻-犖犻-犆狉

-犕狅钢中加入0 20％犞有助于提高弹减抗力，并改善钢的塑韧性和屈强比，钒含量再提高时

，效果反而不好。钒在弹簧钢中的含量一般为0 10％～0 25％。

钢中同时加入钒和铌时，因其复合作用的结果，可以收到更好的效果。硼

弹簧钢中常加入硼，其作用与在合金结构钢中相同，主要是提高钢的淬透性

。一些试验表明，添加微量的硼