弹簧钢的发展方向

 随着工业的进步，弹簧对材料的力学性能、疲劳性能、抗弹性能、物理和化学性能、工艺性能的要求越来越高。主要体现在：

• 采用超纯净钢制造弹簧。随着冶金技术的进步，钢中非金属夹杂物的含量低，同时对非金属夹杂物的形态和尺寸进行控制，使之成为无害夹杂物。
• 弹簧的轻量化。开发和应用超高强度弹簧钢，提高弹簧的设计应力。
• 采用有限元法设计弹簧。异型截面弹簧的出现使弹簧在使用过程中应力分布均匀，如卵形截面的气门弹簧的内外径受力较平均，变径悬架弹簧的受力更加合理。
• 涂装、喷丸和表面氮化等表面处理技术应用于弹簧，使之耐久性增加。
• 叠板弹簧的变截面结合形变热处理可进一步降低弹簧的重量。
• 电子设备用的弹簧材料包括高精度不锈钢、铜合金超细丝板的需求增多，这类材料的评价方法有待研究。

    从弹簧加工成型的方法上可将弹簧钢分为热成型弹簧钢和冷成型弹簧钢两种。热成型弹簧钢有制造螺旋弹簧的圆钢、方钢、制造板簧的板钢以及板材等。冷成型弹簧钢有制造螺旋弹簧、薄板弹簧、发条弹簧。弹簧垫圈的钢丝和冷轧钢带等。

1 热成型弹簧钢

    在热成型弹簧钢中汽车和铁道用悬架弹簧占据主要地位。伴随着汽车轻量化和铁路不断提速的进程，悬架弹簧的设计应力不断提高。随着设计应力提高，弹簧的重量降低。减轻弹簧重量的主要手段有：（1）弹簧的高应力化；（2）改变弹簧的形状使应力分布均匀化；（3）改变弹簧材料。由于在计算上，悬挂弹簧的重量与设计应力的平方成反比，减轻弹簧重量最有效的方法是提高弹簧的设计应力，因而提高弹簧的设计应力是弹簧的发展趋势。为了达到弹簧的超高强度需要，必须采用新钢种和新工艺的方法。

    表1给出了设计应力与弹簧重量的计算结果。可见，随着设计应力的提高，在弹簧性能不变的前提下，弹簧线径和有效卷数减小，弹簧减重可达40-50%。汽车弹簧的设计应力已从原来的900MPa级。现在国外轿车螺旋悬挂弹簧已开始普遍采用设计应力为1200MPa级的新一代超高强度弹簧钢。这种弹簧钢将是今后轿车用弹簧钢的主流。日本和韩国分别在91年和96年还先后成功地开发出设计应力名列世界第一的1300MPa级的UHS2000、ND250S(RK360)等新型弹簧钢，但由于成本较高，目前这些新型弹簧钢仅局限在高级轿车上应用。 

          表1  悬架弹簧重量随着设计应力提高而降低

    设计应力的提高要求弹簧同时应具有良好的疲劳性能和抗弹减性能。当硬度较高时（HV600)，疲劳性能与硬度的直线增加关系取决于钢中夹杂物和表面缺陷。传统的弹簧钢在高硬度时表现出较低的韧性，此时夹杂物和表面缺陷对疲劳性能影响很大。硬度增高有可能并不提高疲劳性能。为此日本在Si-Mn钢的基础上降C,并添加Ni、Cr、Mo、V等合金元素，研制开发了高强度韧性弹簧钢。其设计应力可达1270MPa,最大减重效果达40%。

    叠板弹簧在汽车中所占重量比率较大，对其轻量化的要求更加明显。采用奥氏体形变热处理提高强度需要，结合少片变截面扁钢制造弹簧替代多片等截面扁钢，可使应力延长度方向上的分布更均匀和合理，从而节约钢材，降低弹簧重量达40-50%。

2 冷成型弹簧钢丝

    冷成型弹簧钢丝可分为冷拔钢丝和油淬火钢丝两类。冷成型弹簧钢丝的钢种基本上与热轧弹簧钢相同。冷成型弹簧钢丝的表面质量和尺寸精度都较高，成品钢丝即达到所需求的力学性能，不须再施以热处理。

2.1 阀门弹簧用钢丝

   发动机的阀门弹簧可由琴钢丝、油淬火碳素钢丝和油淬火Cr-V、Cr-Si钢丝制造。如日本JIS中的SWP-V、SWO-V、SWOCV-V和SWOSC-V，随着发动机转数的增加和应力的生高，SWOSC-V是油淬火弹簧钢丝的发展主流。通过提高C含量，添加V、Mo、Ni等元素，使钢丝的抗拉强度达到2000MPa。

    高强度阀门弹簧钢丝对疲劳性能和抗弹减性能提出了更高的要求，从而要使钢材中有害夹杂物和表面缺陷降低到最低程度。而要达到此目的，必须对冶铁、浇铸、轧制、检验等全工序进行控制。

2.2 悬架弹簧用钢丝

   轿车的悬架弹簧目前正由热成形向冷成形发展，SUP12即为典型的冷成形钢种。对于悬架弹簧，抗弹减性能日益受到重视。为了达到提高抗弹减性能的目标，大都采用高强度钢。在SUP12中添加V可将设计应力由970MPa提高到1070MPa，从而提高弹簧的抗弹减性能。

    由于弹簧用钢的高强度化，对钢中夹杂物、表面脱碳、表面缺陷和表面蚀坑等需严格控制方可提高钢的疲劳强度。一般来说，疲劳强度随着钢的硬度增大而呈直线增大关系。然而当硬度超过500HV时，这种关系是否存在则取决于钢中上述缺陷的控制。通过超纯净冶炼控制非金属夹杂物组成和形态，配合合理的热处理制度，使得直至600HV时钢的疲劳强度仍随硬度增大而增高。

2.3 高强度细钢丝

    在金属材料中强度最高者当数琴钢丝。以往此类钢丝的上限碳含量为0.9%。随着韧化处理工艺的改进，当碳含量达1.0%时，直径1mm以下的钢丝仍具有极细的珠光体和良好的韧性（直径0.06mm,5.2GPa)。另一方面是通过降低钢中碳含量至0.2%左右，在钢中形成的针状铁素体和马氏体混合组织经高应变变形后，可在15um的钢丝中得到5.5GPa的强度。

2.4 弹簧用不锈钢丝

    用于弹簧的不锈钢丝包括奥氏体型的SUS301和SUS304、马氏体型的SUS420 J2和沉淀硬化不锈钢SUS631，采用不锈钢制作弹簧除考虑耐蚀耐热性能外，同时还要考虑无磁性的因素。电器设备在使用中常会遇到无磁、高温强度的要求，而满足这一要求的最佳选择为17Cr-15Mn-0.35N钢。在采用不锈钢制作弹簧时也要考虑到疲劳强度、服役温度、抗弹减性能、成形性等综合性能。瑞典Sandvik公司对AISI301和AISI1095的各种性能进行了对比[3]。在干燥空气中两者的疲劳强度相同，而在蒸馏水中，AISI301的疲劳强度高于AISI1095；AISI1095的服役温度为100摄氏度，而AISI301的服役温度可达250摄氏度；此外不锈钢的组织结构稳定，其抗弹减性能优于AISI1095；在成形性方面，AISI301不锈钢也优于高碳钢AISI1095.

3 冷成形弹簧板带

    冷成形弹簧板带可分为低合金（或碳钢）弹簧钢、不锈钢和铜合金三类。冷轧碳素弹簧钢是使用最多的冷成形弹簧板带。当存在耐蚀、耐热和美观的要求时，选用不锈钢板带。不锈弹簧钢带的主要生产钢种有奥氏体型的SUS304和SUS631。

    近年来随着弹簧服役条件的苛刻，日本研究开发了NKP-10耐热弹簧钢带（0.48%C-0.2%Si-0.75%Mn-0.55%Ni-1.10%Cr-1.25%Mo-0.15%V)，其抗回火能力高[4]。为了提高弹簧的抗磨损能力，还研究开发了耐磨弹簧钢SUJ2(0.97%C-0.27%Si-0.38%Mn-1.39%Cr)。

    从日本冷成形弹簧钢带的产量看，低合金（或碳素）弹簧钢带的需求量逐年下降，而不锈钢弹簧钢带的需求量则基本上保持稳定。但其中以SUS304为代表Ni-Cr系不锈钢的用量减少，而以SUS430为代表的Cr系不锈钢用量增加。