弹簧钢丝生产工艺技术

2024年3月8日发(作者：爱国的名言警句)

弹簧钢丝生产工艺技术

quotquotquotquot第十三篇弹簧钢丝生产工艺技术第一章国内外重要用途弹簧钢丝发展状况弹簧是一种常用的弹性工作元件，也是各种机械设备和仪器仪表上的基础零件。它在周期性弯曲、扭转交变应力下工作，能产生较大的弹性变形，因而能把机械能或动能转变成变形能，或把变形能转变为动能、机械能。它适用于缓冲或减震、机械的储能以及控制运动方向(如气门、离合器、制动器、调节器)。弹簧在各种工业领域及人们日常生活中具有无法取代的作用。各种机械、电器、仪器、仪表离不开弹簧，一辆轿车上弹簧的种类就有上百种。家庭中的弹簧更是不计其数，只要用电池就要用弹簧。从尺寸和重量上看，小弹簧只有米粒大小，而大弹簧的重量有几十公斤;价值上，别针只值几分钱，而航天飞行器上的专用弹簧价值几万元。制造弹簧的主要原料是弹簧钢丝。在线材制品生产中，弹簧钢丝无论在产品数量上还是品种上都占有很重要的地位。数量上占优质钢丝产量的一半以上，品种上按不同的生产工艺、化学成分和用途可分为quot余种。按生产工艺可分为冷拉、退火、油回火;按化学成分可分为碳素、合金、不锈钢;按用途可分为非机械弹簧、机械弹簧、气门弹簧。既能制造普通弹簧，也能制造高级重要弹簧。在使用上能适应低温、中温和高温工作环境，还能用于静载荷或动载荷。其产量之高、品种之多、用途之广，是其他钢丝品种无可比拟的。使用中对弹簧的要求是尺寸精度高，抗松弛性能好，疲劳强度高，能够在应力负荷下不产生松弛，并且在规定的疲劳周期内不会出现早期失效。这就对弹簧钢丝的力学性能，主要是弹性和韧性，提出了相应的要求。??quot??第一章国内外重要用途弹簧钢丝发展状况第一节弹簧钢丝的力学性能弹簧钢丝的力学性能本质上是由加工工艺决定的，其次是由材料中的碳和锰含量以及材料规格决定的。弹簧钢丝的应用多半需要卷成螺旋弹簧，延展性是至关重要的。抗拉强度本身并不重要，但它是弹性极限的可靠度量，是弹簧应用

中的一个控制因素。硬度值也没:什么直接意义。在一般情况下抗拉强度越高，硬度值也越高，但是它们之间没有直接比例关系。硬度试验例如洛氏试验在细圆钢丝上是行不通的，因为难于准确地试验，试验结果对任何圆钢丝都是不可靠的。对各种规格上千次试验的相关分析导出了一条强度随规格变化的经验曲线。图quot展示了所谓级油回火钢丝对应强度的基本曲线，级具有高弹性与合适的可加工性之间最为有利的平衡。虽经过多年的工作对实际数据进行过修正，但是曲线的基本模样没有变化。图quot油回火级机械弹簧钢丝抗拉强度与规格的关系曲线在弹簧的应用性能中，与弹性同样重要的是钢丝在卷簧成型操作中的可加工性。虽然在拉伸试验中使用了韧性的度量，例如伸长率和断面收缩率，在一定程度上能代表可加工性，但是更好的评价方法是弯曲或缠绕试验。在正常检验中，直径amp’’以下的圆钢丝是在等于其自身直径的芯棒上进行缠绕的。对于超过amp’’直到’’直径的钢丝，标准规定是倍于钢丝直径的芯棒。直径超过’’，标准中没有规定，如果好做，就该以quot倍于钢丝直径的芯棒进行试验。在实际工厂实践中，很少进行缠绕，但是进行围绕适当????第十三篇弹簧钢丝生产工艺技术直径弯芯的quotampquot的弯曲试验。’的最新版本反映出这种情况，规定只有直径小于等于quot-.quot//的钢丝才进行缠绕试验。但是应该说，最能反映弹簧钢丝可加工性的还是缠绕试验。测量气门弹簧用油回火钢丝韧性常用的一个附加试验是扭转试验。可以是单向扭转(仅在一个方向)，或者在一个方向扭转一定圈数后在相反方向上扭转到破坏。但是，这个试验与其说是测量韧性，还不如说是检查坚固性和表面质量。通条力学性能的一致性非常重要，例如盘0重的直径

//钢丝，长1quotquot/，各处的力学性能要均匀一致。当卷簧时，自动卷簧机的导辊要每毫米每毫米地使钢丝产生均匀变形，如果钢丝通条性能好，则一次调整卷簧机可连续把一盘钢丝加工完;若通条性能不好，则需要反复调整卷簧机参数;要是钢丝有缺陷的话，还会造成卷簧机零部件的损坏。在机械弹簧领域，疲劳性能即

承受反复负荷而不失效的能力在大多数使用环境中是很重要的。在这方面，油回火气门弹簧钢丝当然获得了最高的评价，因为它从炼钢操作起就执行了专门的工艺。在商品弹簧钢丝中，油回火钢丝显示的疲劳性能优于冷拉钢丝，但细规格的琴(弹簧)钢丝可能例外。疲劳性能既可以用规定循环周期内不出现失效的极限应力来度量，也可以用给定应力水平下的循环次数来度量。因为这些衡量标准受工作周期内应力范围的影响，所以不能给出简单的数据来描述。以下按照生产工艺的不同来介绍常用的弹簧钢丝的发展，主要有冷拉弹簧钢丝和油回火弹簧钢丝。第二节冷拉弹簧钢丝冷拉弹簧钢丝一般要经过铅淬火处理获得极细的片状珠光体(又叫索氏体)具有优异的拉拔性能，经多次拉拔后可达到需要的尺寸规格和力学性能。由于冷拉弹簧钢丝的生产历史悠久以及成本较低，至今在弹簧行业仍占有较大的市场份额。其中琴钢丝尺寸精度高、综合性能好，尤其在细规格领域能够胜于油回火钢丝。随着高线盘条的出现，索氏体量达quot2以上，如果强度合适的话，可以不进行铅淬火处理而直接拉拔，减面率能够达到quot2。??quot??第一章国内外重要用途弹簧钢丝发展状况磨光弹簧钢丝是冷拉后进行矫直和磨光，以消除钢丝表面的脱碳等缺陷，从而使疲劳寿命明显提高。日本采用盘条剥皮以及矫直磨光的方法生产琴钢丝。第三节油回火弹簧钢丝各种油回火钢丝的生产过程都是采用类似的连续热处理设备进行的。即将钢丝冷拉到所需尺寸后，通过加热到淬火温度，获得奥氏体组织，然后淬火为马氏体，再回火获得叫做屈氏体的回火马氏体组织。最初的油回火弹簧钢丝以碳素钢为主，后来出现了低合金钢。低合金钢在保持足够韧性的情况下具有非常高的强度和弹性，在温度升高时仍具稳定性。欧洲通常只使用quot合金钢，因为其表面质量优于quot合金钢，而且quot钢的表面脱碳和表面缺陷敏感性低。即使如此，气门簧失效的主要原因依然是表面缺陷。随着剥皮技术的发展，表面缺陷问题解决了，于是失效由表面转移到内部的非金属夹杂物。气门簧工作温度的升高引起了从quot钢向quot钢的转移。不仅由于quot钢强度更高，而且由于

含量高具有抗热性能。另外，硅合金钢具有更良好的高应力立定性能，因而形成了逐步取代quot合金钢的趋势，这类钢以amp’为代表。amp’是美国汽车工程师协会的简称，代表铬硅钢，代表平均含碳量。第四节重要用途弹簧钢丝重要用途弹簧钢丝是指能够制作气门弹簧的钢丝。对于碳素弹簧钢丝，原料常常是-.，相对一般用途来说，成品检验增加了脱碳层，表面质量和扭转值的要求都更加严格。在重要用途弹簧钢丝领域，低合金钢介入油回火生产已经占有很大比例。部分原因是冷卷簧设备的开发与普及，其综合经济效益得到用户的认可。对于合金弹簧钢丝，我国现行产品标准分为非油回火处理、阀门用非油回火处理和阀门用油回火处理/类。美国合金弹簧钢丝标准按钢种设立，每一个标准都包括冷拉和??001??第十三篇弹簧钢丝生产工艺技术油回火两部分。其中以油回火部分为主，规定明确，要求严格;而对冷拉部分要求较松。这说明了合金弹簧钢丝油回火状态供货的大趋势。日本弹簧钢丝标准中没有冷拉状态供货的合金弹簧钢丝标准，这主要是因为日本的油回火弹簧钢丝的生产与使用很普遍，弹簧制造厂可以直接用油回火钢丝制造弹簧省去淬火—回火工序，有较高的经济效

益和社会效益。油回火钢丝的强度和韧性可以和冷拉弹簧钢丝相同，但是疲劳强度以及较高工作温度下的抗应力松弛性能要比冷拉弹簧钢丝好得多。第五节弹簧钢新钢种的开发为提高强度，把quot钢中()提高到amp’，并且添加、使()amp-，()-amp，疲劳强度可提高到.--/01，在’2-34-/01应力下疲劳寿命超过’-万次。同时抗松弛性能也得到提高，优于567’8。同样制作自由高度.’’99的弹簧，用此钢种生产的钢丝直径amp-99、长-99即可，而使用567’8则要求钢丝直径amp:99、长8’-99。在567’8中添加和产生沉淀硬化，提高了拉伸屈服强度及扭转屈服强度，抗松弛性能也非常好，并且重量减轻’，使用应力比567:-提高74/01。对抗松弛性能的研究涉及、quot、/lt和，结论是—quot—是最好的组分，特别是、quot、的质量分数分别为amp’、-amp’、-amp的—quot—钢具有所

要求的各种性能:抗松弛、抗脱碳以及良好的淬透性。把的质量分数定在-amp.’3-amp’’，加入、quot和，的质量分数范围在-amp-3-amp-’时，可以形成细小的5晶粒，使抗松弛性能得到改善。为提高抗脱碳性，研究了gt的作用。gt在钢中以/gt存在，当钢在热加工或热处理时，/gt以形成鳞壳的形式防止出现铁素体脱碳层，并且能降低总脱碳层的深度。抗回火软化性能的研究通过多重回归分析得到了表.的钢种，此钢种在平均应力:42/01条件下疲劳性能比567’8平均应力’4:/01时还要好。表.新钢种各化学成分/0quot/A-amp:8amp.-amp:7-，

--amp-amp87-amp4-amp87??:-??第一章国内外重要用途弹簧钢丝发展状况对耐腐蚀疲劳性能的研究开发了quotampamp钢，化学成分见表’。在钢中添加、-、.等合金元素，使其在腐蚀环境下铁锈中非晶态组分增高，能够阻止/的侵入、减少腐蚀坑的形成和蔓延，以及防止腐蚀反应中形成的氢的出现，有效地降低了裂纹扩展率，从而提高了腐蚀抗力。另外，0的加入会生成微米级以下的0沉淀，从而改善了氢脆的影响。腐蚀疲劳试验结果表明，在最高应力ampamp123条件下，quotampamp钢疲劳寿命超过4amp万次，与567amp最高应力ampampamp123的疲劳寿命相当。表’quotampamp钢各化学成分8192.-:05/amplt7amp，

ampampampltampampampgtampampamp’’7ampamp4amp4ampampgt第六节关于产品标准的发展弹簧钢丝标准体系大致有两种，一种是以美国为代表的主要按钢丝的化学成分、加工方法或用途等形成完整的体系结构，例如501，共有4个标准。我国现行的弹簧钢丝标准基本上参照这种思路。另一种是以德国、国际标准()为代表，尽量合并相似产品，减少标准的数量。近年来日本开始仿照德国的做法减少标准的数量，例如原有7个油回火弹簧钢丝标准，在lt年修订时用两个标准来代替。由于许多工业发达国家油回火钢丝的生产与使用已相当普遍，弹簧厂使用这种钢丝卷簧后不需要再淬火和回火处理，不存在以冷拉状态供货的合金弹簧钢丝，所以许多国家不制定冷拉合金弹簧钢丝标准。最近修订的lt4(草案)反映了国际上对

弹簧钢丝标准的一些共识:()此标准分为’部分:)一般技术要求:)铅淬火冷拉碳素钢丝;’)油回火钢丝。其中冷拉钢丝部分包括了静负荷和动负荷各种强度的钢丝，油回火钢丝部分包括了碳素、合金、普通弹簧钢丝和气门弹簧钢丝，另外增加了承受中等疲劳负荷的离合器弹簧钢丝，几乎囊括了不锈钢丝以外的所有用途的弹簧钢丝。()以英文字母符号表示各种弹簧钢丝。冷拉弹簧钢丝方面，表示静负荷，A表示动负荷，B、1、quot分别表示低、中、高抗拉强度，可以把冷拉碳素钢丝分为B、1、quot、A1、Aquot等4类;油回火方面，CA表示静负荷，0A表示中等疲劳负荷，:A表示剧烈动负??7amp??第十三篇弹簧钢丝生产工艺技术荷，表示碳素钢，quot表示铬钒合

金钢，quot表示硅铬合金钢，amp’表示较低强度，amp表示较高强度。()各种钢丝对应的化学成分在标准中直接引出(见表ampamp)，分别按钢丝符号列表规定，不再使用我们平常说的钢种符号。对于油回火钢丝中铬钒钢，规定了两种化学成分以对应两种抗拉强度，就是我们平常说的quot和-.quot。而硅铬钢就是我们平常说的’/012。另外，标准修订后对于磷硫含量规定得更加严格。表ampamp化学成分3从冶金学的观点看，油回火钢丝的含碳量范围相当宽，但是淬透性没什么大问题，因为通常制造的钢丝规格足够小，任何常规处理都能完全淬透。表中碳素钢的碳、锰含量范围比较宽，实际上每一生产批次都是按限定的界限供应的。例如碳波动范围在43以内，锰波动范围在43以内。含锰量随各厂的习惯也有不同，对于中细规格，经常是在4-35403的范围;对粗规格是4035413，原因是较大的含锰量能增强淬透性。在制造机械弹簧的油回火钢丝领域里，有两种中合金钢具有不可忽视的重要性。这两种钢就是通常说的’/-和’/012，分别对应于我国的6和quot。近年来在’/-的基础上又开发了其改进型，即通常说的-.6，虽然美国汽车工程师协会(’/)还没有它的正式牌号，但它在高应力气门弹簧钢丝领域已经占据了重要地位，并且在78929中得到确认。??-??第一章国内外重要用途弹簧钢丝发

展状况这种钢能够在具有相当韧性的情况下提供非常高的抗拉强度和弹性。另外，它们超过碳钢的主要优点是在高工作温度条件下的稳定性。例如在自动传动弹簧的应用中，这些材料在温度高达quotamp’时保持工作负荷而蠕变程度很小。这些钢在淬火和回火周期中需要专门考虑，因为它们的转变速率很慢，并且如果不在严密控制下操作会有脆性缺陷。(’)参照德国标准增加了对同盘钢丝抗拉强度波动范围的规定;增加了对、钢丝进行正反两个方向扭转试验的规定;增加了对夹杂物检查和涡流探伤的要求;增加了对细规格钢丝的不同于缠绕试验的卷绕试验。另外，许多弹簧钢丝制造厂除进行产品标准规定的各项检验外，还进行中村式钢丝旋转弯曲疲劳试验，能够预示钢丝卷簧后对弹簧进行疲劳试验的结果。瑞典佳菲腾公司在其气门弹簧钢丝企业产品标准中，除给出该产品在各种温度、各种初始应力下的应力松弛曲线外，还以最大应力—最小应力为坐标绘制出循环周期为-quotamp.的疲劳性能曲线(/001234图)，为用户使用提供方便(见图quot5quot5，图quot5quot5)。图quot5quot5应力松弛曲线?紂uot5quot5疲劳性能曲线??’.ampquot??第十三篇弹簧钢丝生产工艺技术第二章弹簧钢丝开发研制的新技术以汽车悬架簧和气门弹簧为代表的高应力(最高工作应力达到quotquot)弹簧的发展趋势，是提高使用应力、减轻自身重量、缩小体积以及提高疲劳寿命。目前国外气门弹簧在高应力下每分钟要经受ampquotquotquot’quotquotquot次的往复受压，疲劳寿命可以达到quot，失效率小于ampquot-。因此对弹簧钢丝的要求是:()改进钢的化学成分以提高钢丝的疲劳强度、淬透性、回火稳定性和高温环境的适应性;(.)提高钢质的洁净度并改变夹杂物的种类，限制夹杂物的数量和尺寸以克服弹簧的早期失效;(amp)提高抗拉强度以适应直径减少和应力负荷增大的需要;(/)细化晶粒，提高屈服强度及韧性以提高弹簧的抗松弛性能;()改变横截面形状以获得弹簧承受负荷时理想的应力分布;(-)消除表面划伤和裂纹，减少脱碳层以延长在高应力条件下的使用寿命。为了适应这些要求，近年来发展的新技术主要有以下几项。第一节超纯净钢气门弹

簧需要在高反复速度下具有恒定的抗疲劳性能，所以必须把裂纹、脱碳和非金属夹杂物限制到最小。日本神户制钢研究了炼钢新工艺，通过用01脱氧调整非金属夹??-quot??第二章弹簧钢丝开发研制的新技术杂物的

成分，用最低数量的小的非金属夹杂物代替硬的不易变形的氧化铝夹杂物和高熔点的钙铝酸盐夹杂物，减少了对疲劳性能有害的夹杂物，开发了世界公认的“超纯净钢”，并在供应高可靠性的气门弹簧钢方面取得成功。一、纯净钢的概念夹杂物引发疲劳失效与疲劳寿命的关系引发失效的夹杂物的尺寸、化学成分和形状是影响疲劳寿命的重要因素。图quotquot划出了夹杂物的化学成分(形状)、尺寸与疲劳寿命的关系曲线，从中看出夹杂物的化学成分对疲劳寿命没有什么影响，只是尺寸变小时疲劳寿命提高。所以必须消除大的夹杂物以得到高稳定性的弹簧钢。amp制造纯净钢的设想减少对疲劳性能有害的大尺寸夹杂物有两种方法。一种是铝镇静钢，用钢包精炼的方法降低气体含量。另外一种是用钢包精炼的方法改变夹杂物的成分，使其成为可变形夹杂物，在轧制时被拉长而变得更小。表quotquot显示了两种方法所对应的钢锭、钢坯及盘条中夹杂物的尺寸和形状的变化。在铝镇静钢中夹杂物的组成是’系，如试样所示，在浇铸阶段呈群聚状。这种群聚的形式在轧制过程中发生变化。然而’颗粒本身不发生变形，并且由于其高熔点仍以大夹杂物存在。氧在钢中以氧化物存在，并且盘条中氧含量与夹杂物数量相对应，因此被认为对疲劳寿命有害。图quotquot夹杂物的化学成分、尺寸与疲劳寿命的关系曲线??quot??第十三篇弹簧钢丝生产工艺技术表quot轧制过程中夹杂物的尺寸和形状的变化另一方面，硅镇静钢夹杂物的组成是amp’—’—’quot系，熔点比’quot系要低。浇铸阶段夹杂物是球状，在轧制时变形，如试样、quot所示。可以看出低熔点夹杂物轧制到盘条时变得非常小。神户制钢把这种减少大夹杂物存在几率、具有高稳定疲劳性能的硅镇静钢叫做超纯净钢。二、超纯净钢的研究优化夹杂物的组成神户制钢研究了amp钢(-./0)疲劳性能与夹杂物组成的关系。试样夹

杂物的成分标注在图quot的amp’’’quot三元相图中。从1到夹杂物中’quot的含量逐渐增加;2和3熔点最低;从-到夹杂物的可变形程度越来越小。图quotquot显示了用-./0钢制成直径044油回火钢丝后进行旋转弯曲疲劳试验的结果。可以看出当夹杂物熔点降低时疲劳寿命明显提高，从而出现了最佳的夹杂??567??第二章弹簧钢丝开发研制的新技术物组成区域，即图quot中的斜线区域。图quot标注在三元相图中的夹杂物成分图quotquot旋转弯曲疲劳试验结果超纯净钢冶炼工艺的特征常规方法是用amp’型真空脱气，减少富quot的夹杂物，并且限制合金元素中铝的加入。但是用这种工艺控制可变形夹杂物是十分困难的。在钢包精炼之前先用扒渣机把碱性氧气转炉()的渣除去，以便控制钢包渣的成分。然后加入专门的渣，对钢水加热并且充分搅拌，利用渣与金属之间的反应把夹杂物??-./??第十三篇弹簧钢丝生产工艺技术的组成调整到低熔点。同时把钢水中的夹杂物搅拌离散。纯净度与疲劳性能的比较用光学显微镜观察直径quot盘条试样纵截面最大厚度夹杂物，图amp’amp和图amp’amp分别显示了超纯净钢和常规钢夹杂物水平。从图中明显看出超纯净钢具有较高的纯净度。图amp’amp超纯净-’最大夹杂物厚度图图amp’amp常规-’最大夹杂物厚度图图amp’amp.表示用酸溶法收集的直径quot盘条中大于’/富0’1夹杂物数目的比较。超纯净钢夹杂物的数量大约是常规钢的2/。??-./??第二章弹簧钢丝开发研制的新技术疲劳试验结果示于图quot，试样夹杂物水平示于图quotamp、图quot’和图quot。超纯净钢引发失效的夹杂物数目显著低于常规钢。图quot酸溶法收集富氧化铝夹杂物数量比较图quot旋转弯曲疲劳试验结果超纯净钢和铝镇静钢疲劳性能的比较疲劳试验结果示于图quot，低氧铝镇静钢引发失效的夹杂物数目比常规铝镇静钢的少。硅镇静钢引发失效的夹杂物数目又显著低于低氧铝镇

静钢。结论是硅镇静钢比低氧铝镇静钢有更好的疲劳性能。制造超纯净钢的想法是作为—-.钢的例子提出的，这一方法不仅能用于生产—-.钢，而且也能生产其

他气门弹簧钢，例如碳素钢和-.—/钢。??00??第十三篇弹簧钢丝生产工艺技术图quot超纯净钢与常规铝镇静钢疲劳试验结果第二节盘条剥皮表面缺陷由于引起应力集中，也会增加该处的实际应力，成为疲劳失效的初始点，所以消除表面缺陷是提高疲劳寿命的有效方法。把热轧弹簧钢盘条用旋削或刮削的办法剥去一定深度的表层，可以消除下列缺陷:()热轧工艺或随后冷却引起的表面裂纹;()表面脱碳;(quot)近表面非金属夹杂物。去掉表面缺陷的盘条能用来制造高性能弹簧钢丝，满足弹簧行业越来越苛刻的技术要求。剥皮与不剥皮相比，在其他条件完全相同的情况下，疲劳强度可以提高amp’。剥皮方法分旋削和模削两种。()旋削。旋削一般针对直径’’的盘条，矫直后用旋转的刀具削去一定深度的表层，盘条运动速度amp’-./，刀具旋转速度’’’0’’’1-./，切削刀的调整范围最大amp。切削表面粗糙度为2amp。可对“重的盘条成卷地收放线处理。曾经有过在钢丝圆周布置多个刀具，当钢丝前进时依次进行刮削的方法，但目前刮削主要是指模削。()模削。模削可以处理直径小于’的盘条。模削的工具是剥皮模(图quot3)，由碳化钨制造。工作时钢丝由较小拉拔量的拉丝模和定位模定中心，剥皮模放置在??4’??第二章弹簧钢丝开发研制的新技术中间进行刮削。刮削下来的铁削用旋转刀具切断(图quot)。刮削深度为amp’amp，钢丝运动速度最高可达。由收线卷筒作为钢丝前进动力，可对-重的盘条卷对卷地处理。还可以在作业线上增加机械除鳞装置代替酸洗。图quot.剥皮模图quot旋转刀具模削具有以下优点:()表面比其他方法更光洁，也不会像旋削那样留下痕记;()处理盘条尺寸范围广，能处理直径以下的钢丝，这是其他方法无法实现的;(quot)生产效率高，处理成本低，设备费用也低;(/)操作简便。模削的缺点是钢丝表面会产生一种硬化层，需要进行例如铅淬火软化热处理，才能进一步拉拔。第三节形变热处理晶粒细化可以增加晶粒数目和晶界面积，降低应力集中和提高位错运动阻力。晶粒??0??第十三篇弹簧钢丝

生产工艺技术细化的作用早已在气门弹簧制造中受到重视，在悬架簧的生产中也得到了验.