彈簧鋼:制造各類彈簧及其他彈性元件的專用合金鋼-中文百科頻道

定義

彈簧鋼是指由于在淬火和回火狀态下的彈性，而專門用于制造彈簧和彈性元件的鋼。鋼的彈性取決于其彈性變形的能力，即在規定的範圍之内，彈性變形的能力使其承受一定的載荷，在載荷去除之後不出現永久變形。

根據GB/T 13304《鋼分類》标準，按照基本性能及使用特性一，彈簧鋼屬于機械結構用鋼；按照質量等級，屬于特殊質量鋼，即在生産過程中需要特别嚴格控制質量和性能的鋼。按照我國習慣，彈簧鋼屬于特殊鋼。

分類

按照化學成分分類

根據GB/T 13304 标準，彈簧鋼按照其化學成分分為非合金彈簧鋼(碳素彈簧鋼)和合金彈簧鋼。

碳素彈簧鋼

碳素彈簧鋼的碳含量(質量分數)一般在0.62%~0.90%。按照其錳含量又分為一般錳含量(質量分數) (0.50%~0.80%)如65、70、85和較高錳含量(質量分數) (0.90~1.20%)，如65Mn兩類。

合金彈簧鋼

1.合金彈簧鋼是在碳素鋼的基礎上，通過适當加入一種或幾種合金元素來提高鋼的力學性能、淬透性和其他性能，以滿足制造各種彈簧所需性能的鋼。

合金彈簧鋼的基本組成系列有，矽錳彈簧鋼、矽鉻彈簧鋼、鉻錳彈簧鋼、鉻釩彈簧鋼、鎢鉻釩彈簧鋼等。在這些系列的基礎上，有一些牌号為了提高其某些方面的性能而加入了钼、釩或硼等合金元素。

此外，還從其他鋼類，如優質碳素結構鋼、碳素工具鋼、高速工具鋼、不鏽鋼，選擇一些牌号作為彈簧用鋼。

2.按照生産加工方法分類

（1）熱軋 (鍛) 鋼材包括熱軋軋圓鋼、方鋼、扁鋼、鋼闆，鍛制圓鋼、方鋼。

（2）冷拉 (軋) 鋼材包括鋼絲、鋼帶、冷拉材 (冷拉圓鋼)。

3. 按照鋼材交貨狀态分類

（1）熱軋 (鍛) 鋼材

A.以熱軋 (鍛) 狀态交貨鋼材經熱成形制成彈簧，然後進行淬火和回火處理。

B.以退火狀态交貨鋼材經冷成形制成彈簧，然後進行淬火和回火處理。

以上均應符合相應的交貨狀态硬度的規定。

（2）冷拉 (軋) 鋼材

A.鋼絲

① 鉛浴等溫淬火冷拉鋼絲(又稱派登脫處理冷拉鋼絲) 鋼絲制成彈簧後隻需進行低溫回火，以消除應力。

② 油淬火和回火鋼絲冷拉成所需尺寸後，進行連續加熱、連續油淬火和鉛回火。鋼絲制成彈簧後隻需進行底溫火，以消除應力。

③ 冷拉鋼絲 (即不經淬火和回火處理的鋼絲)

a. 以冷拉狀态交貨。

b. 以退火、正火或回火處理狀态交貨。

以上兩種狀态交貨的鋼絲制成彈簧後均需進行淬火和回火處理。

B.鋼帶

① 冷軋狀态交貨制成彈簧後需進行低溫回火，以消除應力。

② 淬火和回火狀态交貨制成彈簧後需進行低溫回火，以削除應力。

③ 退火火狀态交貨制成彈簧後需進行淬火和回火處理

C.冷拉鋼材

以退火狀态交貨鋼材經冷成形制成彈簧，然後進行淬火和回火處理。

工藝性能

彈簧在沖擊、振動或長期交應力下使用，所以要求彈簧鋼有高的抗拉強度、彈性極限、高的疲勞強度。在工藝上要求彈簧鋼有一定的淬透性、不易脫碳、表面質量好等碳素彈簧鋼即含碳量WC在0.6%-0.9%範圍内的優質碳素結構鋼。合金彈簧鋼主要是矽錳系鋼種，它們的含碳量稍低，主要靠增加矽含量Wsi提高性能；另外還有硌、鎢、釩的合金彈簧鋼。近年來，結合我國資源，并根據汽車、拖拉機設計新技術的要求，研制出在矽錳鋼基礎上加入硼、铌、钼等元素的新鋼種，延長了彈簧的使用壽命，提高了彈簧質量。

性能要求

彈簧在沖擊、振動或長期交應力下使用，所以要求彈簧鋼有高的抗拉強度、彈性極限、高的疲勞強度。在工藝上要求彈簧鋼有一定的淬透性、不易脫碳、表面質量好等碳素彈簧鋼即含碳量WC在0.6%-0.9%範圍内的優質碳素結構鋼。合金彈簧鋼主要是矽錳系鋼種，它們的含碳量稍低，主要靠增加矽含量Wsi提高性能；另外還有硌、鎢、釩的合金彈簧鋼。近年來，結合中國資源，并根據汽車、拖拉機設計新技術的要求，研制出在矽錳鋼基礎上加入硼、铌、钼等元素的新鋼種，延長了彈簧的使用壽命，提高了彈簧質量。

生産工藝

一般彈簧鋼可用電爐、平爐或氧氣轉爐生産；質量較好或具有特殊性能的優質彈簧鋼，用電渣爐或真空爐煉制。彈簧鋼中碳、錳、矽等主要元素的規定含量範圍較窄，冶煉時必須嚴格控制化學成分。矽含量較高時容易形成氣泡等缺陷，鋼錠鍛軋後冷卻不當時易産生白點。因此，冶煉用的原材料必須幹燥，盡量除去氣體及夾雜物，而且要避免鋼水過熱。

彈簧鋼在軋制加工中須特别注意脫碳和表面質量。鋼材表面嚴重脫碳時，會顯著降低鋼的疲勞極限。對于高矽彈簧鋼如70Si3MnA，應注意避免石墨化。因此，在熱加工時停軋溫度不應過低(≥850℃),避免在石墨化較易形成的溫度範圍(650～800℃)内停留時間過長。

彈簧制成後經噴丸處理能使彈簧表層産生殘餘壓應力，以抵銷表層上的部分工作應力，抑制表層裂縫的形成，這可顯著提高彈簧的疲勞極限。

熱處理規範

鋼号淬火溫度淬火介質硬度要求回火溫度冷卻介質硬度要求應用範圍

65 780-830 水或油 400-600 線徑小于12-15mm的螺旋彈簧、彈簧墊圈

65Mn 810-830 油或水 >60 370-400 水 42-50 5-10mm的闆簧片及7-10mm的卷簧

50CrV 850-870 油 >58 400-55 水 45-50 截面較大和較重要的闆簧片及螺旋彈簧

50CrV 850-870 油 >58 370-420 45-52 300C以下工作的高溫彈簧

60Si2MnA 860-880 油 >60 500-520 水 HB363-444 厚度8-12mm的闆簧片

特性和應用

65 、70 、85

：可得到很高強度、硬度、屈強比，但淬透性小，耐熱性不好，承受動載和疲勞載荷的能力低應用非常廣泛，但多用于工作溫度不高的小型彈簧或不太重要的較大彈簧。如汽車、拖拉機、鐵道車輛及一般機械用的彈簧

65Mn 成分簡單，淬透性和綜合力學性能、脫碳等工藝性能均比碳鋼好，但對過熱比較敏感，有回火脆性，淬火易出裂紋價格較低，用量很大。制造各種小截面扁簧、圓簧、發條等，亦可制氣門彈簧、彈簧環，減振器和離合器簧片、刹車簧等。

55Si2Mn 、60Si2Mn 、60Si2MnA

矽含量(Wsi)高(上限達2.00％)，

強度高，彈性好。抗回火穩定性好。易脫碳和石墨化。淬透性不高。

主要的彈簧鋼類，用途很廣。制造各種彈簧，如汽車、機車、拖拉機的闆簧、螺旋彈簧，汽缸安全閥簧及一些在高應力下工作的重要彈簧，磨損嚴重的彈簧。

55Si2MnB 因含硼，其淬透性明顯改善輕型、中型汽車的前後懸挂彈簧、副簧。

55Si2MnB 我國自行研制的鋼号，淬透性、綜合力學性能、疲勞性能均較60Si2Mn鋼好主要制造中、小型汽車的闆簧，使用效果好，亦可制其他中等截面尺寸的闆簧、螺旋彈簧。

60Si2CrA60Si2CrVA

高強度彈簧鋼。淬透性高，熱處理工藝性能好。因強度高，卷制彈簧後應及時處理消除内應力制造載荷大的重要大型彈簧。60Si2CrA可制汽輪機汽封彈簧、調節彈簧、冷凝器支承彈簧、高壓水泵碟形彈簧等。60Si2CrVA鋼還制作極重要的彈簧，如常規武器取彈鈎彈簧、破碎機彈簧。

55CrMnA

60CrMnA 突出優點是淬透性好，另外熱加工性能、綜合力學性能、抗脫碳性能亦好大截面的各種重要彈簧，如汽車、機車的大型闆簧、螺旋彈簧等。

60CrMnMoA

在現有各種彈簧鋼中淬透性最高。力學性能、抗回火穩定性等亦好大型土木建築、重型車輛、機械等使用的超大型彈簧。鋼闆厚度可達35mm以上，圓鋼直徑可超過60mm

50CrVA

少量釩提高彈性、強度、屈強比和彈減抗力，細化晶粒，減小脫碳傾向。碳含量較小，塑性、韌性較其他彈簧鋼好。淬透性高，疲勞性能也好各種重要的螺旋彈簧，特别适宜作工作應力振幅高、疲勞性能要求嚴格的彈簧，如閥門彈簧、噴油嘴彈簧、氣缸脹圈、安全閥簧等

60CrMnBA

淬透性比60CrMnA高，其他各種性能相似尺寸更大的闆簧、螺旋彈簧、扭轉彈簧等。

30W4Cr2VA

高強度耐熱彈簧鋼。淬透性很好。高溫抗松弛和熱加工性能也很好工作溫度500~C以下的耐熱彈簧，如汽輪機主蒸汽閥彈簧、汽封彈簧片、鍋爐安全閥彈簧、400t鍋爐碟形閥彈簧等。

研究進展

傳統彈簧鋼的強度水平難以滿足現代工業發展的要求，衆所周知，彈簧鋼力學性能在材料質量保證的前提下取決于熱處理工藝，而熱處理工藝也應根據所用材料來決定，彈簧鋼高強度化的一個重要途徑是充分發揮合金元素的作用，達到最佳合金化效果。

熱處理

彈簧鋼要求較高的強度和疲勞極限，一般在淬火＋中溫回火的狀态下使用，以獲得較高的彈性極限。熱處理工藝技術對彈簧内在質量有着至關重要的影響。因此，如何進一步提高彈簧疲勞壽命，需進一步研究，尤其是化學表面改性熱處理、噴丸強化等都對彈簧疲勞壽命産生重要影響。為進一步強化氣門彈簧的表面強度、增加壓應力、提高疲勞壽命，氣門彈簧成形後，要進一步經過滲氮、低溫液體碳氮共滲或硫氮共滲處理，然後經噴丸強化。例如，日本将f4mm的si－cr油淬鋼絲經450℃×4.5h低溫體碳氮共滲與經400℃×15min中溫回火進行對比，其疲勞極限可提高240mpa。氮的滲入，不僅消除了脫碳的不良影響，而且還提高了殘餘壓應力，同時經滲氮和低溫液體碳氮共滲的氣門彈簧高溫強度提高，150℃時的變形量為0.2%(規定值為0.5%)，250℃的變形量為0.56%，提高了氣門彈簧的熱穩定性和抗松弛穩定性，但滲氮和液體碳氮共滲時間應嚴格控制，否則會形成網狀硫化物和網狀氮化物，反而會降低其疲勞強度。

氣門彈簧提高強度的方法還可以選擇噴丸，經生産實踐表面氣門彈簧噴丸可用兩種丸粒，一種直徑為0.8mm，其顯微硬度為720hv0.2，另一種直徑0.25mm，其顯微硬度為800hv0.2，三次噴丸可達到較好的強化效果，又可使表面質量得到改善。

合金化碳是鋼中的主要強化元素，對彈簧鋼的影響往往超過其他合金元素。根據使用要求，彈簧鋼材料應是中高碳的合金鋼。當今世界各國普遍采用的彈簧鋼，含碳量絕大部分在0.45%～0.65%。

為了克服彈簧鋼強度提高後韌性和塑性降低的難題，也有降低碳含量的趨勢。我國對低碳馬氏體彈簧鋼進行了深入的研究，如28mnsib、35mnsib等，其碳含量在0.30%左右。實踐表明，這些彈簧鋼可以在低溫回火的闆條狀馬氏體組織下使用，有足夠強度和優良的綜合力學性能，尤其是塑性、韌性極好。日本研究開發的幾種高強度彈簧鋼，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。

很多彈簧鋼以矽為主要合金元素，它是對彈減抗力影響最大的合金元素，這主要是由于矽具有強烈的固溶強化作用；同時，矽能抑制滲碳體在回火過程中的晶核形成和長大，改變回火時析出碳化物的數量、尺寸和形态，提高鋼的回火穩定性。目前，國内鋼材牌号中wsi為1.8%～2.2%，是現有标準中含矽最高的彈簧鋼。但矽含量如果過高，将促進鋼在軋制和熱處理過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，過高矽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%，以使淬火時彈簧鋼心完全較變為馬氏體，但當wmn超過1.5%時，韌性明顯下降，這在選擇彈簧鋼時應優先考慮的。

钼可以提高鋼的淬透性，防止回火脆性，改善疲勞性能，現有标準中加钼的彈簧鋼不多，加入量一般在0.4%以下。

釩是強碳化物形成元素，固态下所析出的細小彌散的mc型碳化物具有很強的沉澱強化效果。在35crmnb鋼中加入0.11%v，可顯著提高鋼的淬透性，還發現釩能有效降低35simnb鋼的脫碳敏感性，認為這與釩降低鋼中有效固溶碳、防止晶粒長大和阻止晶界擴散并提高抗氧化性有關。