合金化
碳是鋼中的主要強(qiáng)化元素,對(duì)彈簧鋼的影響往往超過(guò)其他合金元素。根據(jù)使用要求,彈簧鋼材料應(yīng)是中高碳的合金鋼。當(dāng)今世界各國(guó)普遍采用的彈簧鋼,含碳量絕大部分在0.45%~0.65%。
為了克服彈簧鋼強(qiáng)度提高后韌性和塑性降低的難題,也有降低碳含量的趨勢(shì)。中國(guó)對(duì)低碳馬氏體彈簧鋼進(jìn)行了深入的研究,如28mnsib、35mnsib等,其碳含量在0.30%左右。實(shí)踐表明,這些彈簧鋼可以在低溫回火的板條狀馬氏體組織下使用,有足夠強(qiáng)度和優(yōu)良的綜合力學(xué)性能,尤其是塑性、韌性極好。日本研究開(kāi)發(fā)的幾種高強(qiáng)度彈簧鋼,如uhs1900、vhs2000、nd120s、nd250s等,碳含量均在0.40%左右。
合金元素在彈簧鋼中的主要作用是提高力學(xué)性能、改善工藝性能及賦予某些特殊性能(如耐高溫、耐蝕)等。
很多彈簧鋼以硅為主要合金元素,它是對(duì)彈減抗力影響最大的合金元素,這主要是由于硅具有強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化作用;同時(shí),硅能抑制滲碳體在回火過(guò)程中的晶核形成和長(zhǎng)大,改變回火時(shí)析出碳化物的數(shù)量、尺寸和形態(tài),提高鋼的回火穩(wěn)定性。目前,國(guó)內(nèi)鋼材牌號(hào)中wsi為1.8%~2.2%,是現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中含硅最高的彈簧鋼。但硅含量如果過(guò)高,將促進(jìn)鋼在軋制和熱處理過(guò)程中的脫碳和石墨化傾向,并且使冶煉困難和易形成夾雜物,因此,過(guò)高硅含量彈簧鋼的使用仍需慎重。
由于鉻能夠顯著提高鋼的淬透性,阻止si-cr鋼球化退火時(shí)的石墨化傾向,減少脫碳層,因此是彈簧鋼中的常用合金元素,以鉻為主要強(qiáng)化元素的彈簧鋼50crv使用較廣泛。
錳是提高淬透性最有效的合金元素,它溶入鐵素體中有固溶性化作用。研究表明,wmn必須大于0.5%,以使淬火時(shí)彈簧鋼心部完全較變?yōu)轳R氏體,但當(dāng)wmn超過(guò)1.5%時(shí),韌性明顯下降,這在選擇彈簧鋼時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮的。
鉬可以提高鋼的淬透性,防止回火脆性,改善疲勞性能,現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中加鉬的彈簧鋼不多,加入量一般在0.4%以下。
釩是強(qiáng)碳化物形成元素,固態(tài)下所析出的細(xì)小彌散的mc型碳化物具有很強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化效果。在35crmnb鋼中加入0.11%v,可顯著提高鋼的淬透性,還發(fā)現(xiàn)釩能有效降低35simnb鋼的脫碳敏感性,認(rèn)為這與釩降低鋼中有效固溶碳、防止晶粒長(zhǎng)大和阻止晶界擴(kuò)散并提高抗氧化性有關(guān)。
性能要求
彈簧在沖擊、振動(dòng)或長(zhǎng)期交應(yīng)力下使用,所以要求彈簧鋼有高的抗拉強(qiáng)度、彈性極限、高的疲勞強(qiáng)度。在工藝上要求彈簧鋼有一定的淬透性、不易脫碳、表面質(zhì)量好等 碳素彈簧鋼即含碳量WC在0.6%-0.9%范圍內(nèi)的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。合金彈簧鋼主要是硅錳系鋼種,它們的含碳量稍低,主要靠增加硅含量Wsi提高性能;另外還有硌、鎢、釩的合金彈簧鋼。近年來(lái),結(jié)合中國(guó)資源,并根據(jù)汽車(chē)、拖拉機(jī)設(shè)計(jì)新技術(shù)的要求,研制出在硅錳鋼基礎(chǔ)上加入硼、鈮、鉬等元素的新鋼種,延長(zhǎng)了彈簧的使用壽命,提高了彈簧質(zhì)量。