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碳素彈簧鋼絲標(biāo)準(zhǔn)、適用范圍及工藝特點
發(fā)布時間：
2019-12-19
一類是冷變形強化鋼絲，又稱冷拉彈簧鋼絲。冷拉碳素彈簧鋼絲首先經(jīng)鉛淬火處理獲得索氏體組織，然后表面磷化，以很大減面率拉拔到成品尺寸，鋼絲組織呈纖維狀，有很高的抗拉強度和彈性極限，良好的彎曲和扭轉(zhuǎn)性能。冷拉彈簧鋼絲尺寸精度高，表面光潔，無氧化和脫碳缺陷，疲勞壽命比較穩(wěn)定，是使用最廣泛的彈簧鋼絲。
碳素彈簧鋼絲現(xiàn)行國家和行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)分兩種類型：
冷拉彈簧鋼絲
一類是冷變形強化鋼絲，又稱冷拉彈簧鋼絲。冷拉碳素彈簧鋼絲首先經(jīng)鉛淬火處理獲得索氏體組織，然后表面磷化，以很大減面率拉拔到成品尺寸，鋼絲組織呈纖維狀，有很高的抗拉強度和彈性極限，良好的彎曲和扭轉(zhuǎn)性能。冷拉彈簧鋼絲尺寸精度高，表面光潔，無氧化和脫碳缺陷，疲勞壽命比較穩(wěn)定，是使用最廣泛的彈簧鋼絲。
油淬火回火鋼絲
碳素彈簧鋼絲的另一類型是馬氏體強化鋼絲，又稱油淬火回火鋼絲。碳素鋼絲通過淬回火處理，可獲得良好的綜合力學(xué)性能，當(dāng)鋼絲規(guī)格較小時（φ≤2.0mm），油淬火回火鋼絲的各項強度指標(biāo)比索氏體化處理后冷拉鋼絲要低。當(dāng)鋼絲規(guī)格較大時（φ≥6.0mm）索氏體化的鋼絲不可能采用很大減面率來獲得所要求的強度指標(biāo)，而油淬火回火鋼絲只要完全淬透就可以獲得比冷拉鋼絲更高的性能。在抗拉強度相同條件下，馬氏體強化鋼絲比冷變形強化鋼絲具有更高的彈性極限。冷拉鋼絲金相組織呈纖維狀，各向異性明顯，油淬火回火鋼絲金相組織為均勻的回火馬氏體，幾乎是各向同性的。同時油淬火回火鋼絲的抗松弛性能優(yōu)于冷拉鋼絲，使用溫度（150～190℃）也高于冷拉鋼絲（≤120℃）。近年來中大規(guī)格油淬火、回火鋼絲大有取代冷拉鋼絲趨勢。
應(yīng)用范圍及工藝特點
下面按標(biāo)準(zhǔn)介紹各類碳素彈簧鋼絲的應(yīng)用范圍及工藝特點。
?。?）YB/T5220-93 《非機械彈簧用碳素彈簧鋼絲》
該標(biāo)準(zhǔn)適用于沙發(fā)墊簧，座墊，靠背拉簧，卡簧，夾簧等非機械彈簧用碳素彈簧鋼絲。標(biāo)準(zhǔn)按抗拉強度要求不同將鋼絲分成A1，A2，A3…A9九個組別，每個組別鋼絲不分規(guī)格大小按一個強度范圍供貨，抗拉強度偏差≤200Mpa。A1，A2和A3組用于制造較低應(yīng)力彈簧。A3，A4和A5用于制造一般應(yīng)力彈簧。A7，A8和A9用于制造較高應(yīng)力彈簧。床墊簧一般選用A3和A4組別。
從使用狀態(tài)分析，該標(biāo)準(zhǔn)鋼絲基本屬于靜態(tài)簧，成品鋼絲僅考核抗拉強度、纏繞和單次彎曲三項性能，詳見表3。 表3 YB/T5220-93 非機械彈簧用碳素彈簧鋼絲
說明：
?、?Phi;≤4.0mm鋼絲在2d芯棒上纏繞兩圈無裂紋或折斷。
?、?Phi;＞4.0mm鋼絲進行彎曲試驗，試樣沿R=10mm圓弧向不同方向彎曲90o，彎曲處不得有裂紋或折斷。
A1-A3組鋼絲一般選用45～70鋼，A3～A6組選用65Mn或70鋼，A7～A9組鋼絲選用70或T8MnA（82B）生產(chǎn)。由于按該標(biāo)準(zhǔn)供貨的鋼絲基本用于制作靜態(tài)彈簧，對疲勞壽命的要求相對寬松，鋼絲可以采用控軋控冷盤條直接拉拔成品。鋼絲成前熱處理也可以用正火代替鉛浴處理。同時允許選用轉(zhuǎn)爐鎮(zhèn)靜鋼作為原料。
(2)GB/T4357-89 《碳素彈簧鋼絲》
該標(biāo)準(zhǔn)是冷拉碳素彈簧鋼絲的通用標(biāo)準(zhǔn)，主要用于制作在各種應(yīng)力狀態(tài)下工作的靜態(tài)彈簧。根據(jù)彈簧工作應(yīng)力狀態(tài)鋼絲可分三個級別供貨：B級用于低應(yīng)力彈簧，C級用于中等應(yīng)力彈簧，D級用于高應(yīng)力彈簧。成品鋼絲考核抗拉強度、扭轉(zhuǎn)、纏繞和彎曲四項性能，常見規(guī)格的力學(xué)性能如表4。 表4 GB/T4357-89 碳素彈簧鋼絲
說明:
?、?Phi;≤4.0mm的D級鋼絲和Φ≤6.0mm的B級、C級鋼絲在等于鋼絲直徑的芯棒上纏繞2圈、 纏繞后的試樣表面不得產(chǎn)生裂紋和斷裂。
?、?Phi;＞4.0mm的D級鋼絲在2倍鋼絲直徑的芯棒上纏繞2圈，纏繞后的試樣表面不得產(chǎn)生裂紋和斷裂。
③Φ＞6.00mm的鋼絲應(yīng)進行彎曲檢驗，試樣沿R=10mm圓弧向不同方向彎曲900，彎曲后不得產(chǎn)生裂紋和斷裂。
B級和C級鋼絲一般選用70（67A、72A）或65Mn（67B），D級選用T9XtA和T8MnA（82B）生產(chǎn)。
本標(biāo)準(zhǔn)鋼絲主要用于制作靜態(tài)機械彈簧，其服役期振動頻次要高于非機械彈簧，對疲勞壽命有一定的要求，成品也增加扭轉(zhuǎn)性能的考核。因此對鋼絲用盤條應(yīng)采用電爐或電爐+爐外精煉法冶煉，盤條中P≤0.030%、S≤0.020%等。成品鋼絲顯微組織中如含有游離鐵素體，會降低彈簧疲勞壽命，而控軋控冷盤條中一般均存有5%～1.5%的游離鐵素體，一般不宜采用盤條直接生產(chǎn)成品鋼絲。按此標(biāo)準(zhǔn)供應(yīng)的鋼絲原則上成前應(yīng)經(jīng)鉛浴處理，消除游離鐵素體組織，成品鋼絲顯微組織應(yīng)為纖維化索氏體組織。
(3)GB/T4358-1995《重要用途碳素彈簧鋼絲》
按該標(biāo)準(zhǔn)供貨的鋼絲，主要用于制作在各種應(yīng)力狀態(tài)下工作的動態(tài)彈簧。根據(jù)彈簧工作應(yīng)力狀態(tài)，鋼絲分3個組別供貨：E組適用于中等應(yīng)力動態(tài)彈簧，F(xiàn)組適用于高應(yīng)力動態(tài)彈簧，G組適用于高疲勞壽命的動態(tài)彈簧。成品鋼絲考核抗拉強度，扭轉(zhuǎn)，纏繞，彎曲和脫碳五項性能指標(biāo)，常見規(guī)格的力學(xué)性能如表5。 表5 GB/T4358-1995 重要用途碳素彈簧鋼絲
說明:
?、?Phi;＜4.0mm的鋼絲在等于鋼絲直徑的芯棒上、Φ≥4.0mm鋼絲在2倍鋼絲直徑的芯棒上纏繞5圈，不得有裂紋或折斷。
②Φ＞1.0mm鋼絲進行彎曲試驗，試樣沿R圓弧向不同方向彎曲900，彎曲處不得有裂紋或折斷，Φ≤4.0mm，R=5mm；Φ＞4.0mm，R=10mm。
?、跥組鋼絲脫碳層≤1.0d%。
由于按該標(biāo)準(zhǔn)供貨的鋼絲用于制作中、高應(yīng)力狀態(tài)下工作的動態(tài)彈簧，成品鋼絲除保持高的彈性極限和良好的韌性指標(biāo)外，還必須考慮到疲勞極限和彈簧的疲勞壽命。為此，對鋼的純凈度，非金屬夾雜含量和氣體含量，鐵素體含量及表面脫碳程度有更高的要求。鋼絲用盤條必須采用電爐+爐外精煉法冶煉，對盤條的化學(xué)成分有更高的要求：P≤0.025%、S≤0.020%，Cr ≤0.10%、Ni≤0.15%（0.12%）、Cu≤0.20%。實際生產(chǎn)中為提高疲勞壽命往往將Mn控制在高限，E組選用70或70Mn（72B），F(xiàn)組選用T8MnA或T9RtA，G組選用65Mn（Mn可調(diào)整到0.9-1.2%）或67B。降低鋼中P、S含量，提高Mn含量和采用爐外精煉的目的是：消減鋼中非金屬夾雜含量，改善夾雜物形態(tài)和降低氣體含量，提高疲勞極限和疲勞壽命。如果鋼絲顯微組織中含有游離鐵素體，會較大幅度地降低疲勞壽命，按該標(biāo)準(zhǔn)供貨的鋼絲，成前必須進行鉛淬火處理。
G組鋼絲用于制作在劇烈振動狀態(tài)下工作的閥門彈簧，對疲勞壽命要求極高，所以選用韌性更好的65Mn盤條，抗拉強度雖有所下降，但疲勞壽命更有保證。鋼絲表面脫碳，形成鐵素體組織嚴(yán)重影響疲勞性能，標(biāo)準(zhǔn)對G組鋼絲增加脫碳層檢驗，規(guī)定總脫碳層深度不得大于1.0%d，但對較大規(guī)格鋼絲（Φ＞4.0mm）受減面率限制，由熱軋盤條帶來的脫碳層很難徹底消除，標(biāo)準(zhǔn)補充規(guī)定："征得需方同意，可供應(yīng)脫碳層不超直徑1.5%d的鋼絲"。
(4)GJB1497-92 《特殊用途碳素彈簧鋼絲規(guī)范》
在某些特定場合，需要彈簧具有超出常規(guī)要求的彈力，如槍械彈簧，為便于攜帶和使用，彈簧所占的空間很小，彈力要足夠大，必須選用抗拉強度特高，韌性較好的鋼絲來制作彈簧,《特殊用途碳素彈簧鋼絲》就適應(yīng)這種需要的標(biāo)準(zhǔn)。
該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鋼絲分甲、乙、丙3組供貨。丙組適應(yīng)于較高應(yīng)力彈簧，乙組適應(yīng)于高應(yīng)力彈簧，甲組適用于超高應(yīng)力彈簧。標(biāo)準(zhǔn)推薦鋼絲采用T9A，T10A和T8MnA制造。實際上鋼絲抗拉強度隨碳含量增高而上升，扭轉(zhuǎn)性能（韌性指標(biāo)）隨碳含量上升而下降，綜合考慮，遼寧特殊鋼集團大連三大鋼絲公司選用加稀土的T9A鋼絲生產(chǎn)甲、乙、丙組鋼絲。成品鋼絲考核抗拉強度、扭轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)斷口、纏繞、抗拉強度均勻性和尺寸均勻性六項性能指標(biāo)，常見規(guī)格的力學(xué)性能如表6。
應(yīng)該指出鋼絲的超高抗拉強度是以犧牲部分塑性和疲勞壽命換來的，只適用于制作形狀簡單，對疲勞壽命要求不很高的彈簧，該標(biāo)準(zhǔn)不宜推廣使用。 表6 GJB 1497-92 特殊用途碳素彈簧鋼絲規(guī)范
說明：
?、倜勘P鋼絲兩端抗拉強度差不得大于100Mpa。
?、阡摻z扭轉(zhuǎn)時，在規(guī)定扭轉(zhuǎn)次數(shù)以內(nèi)不得有肉眼可見的裂紋和分層。
?、垆摻z進行纏繞試驗，鋼絲繞芯棒纏繞1~5圈后不得折斷和破裂。芯棒直徑等于鋼絲直徑。
(5)YB/T5103-93 油淬火-回火碳素彈簧鋼絲
油淬火、回火鋼絲先將鋼絲生產(chǎn)到成品尺寸，然后再進行油淬火回火處理，以回火馬氏體組織交貨。組織均勻性是決定油淬火回火鋼絲性能的重要指標(biāo)，因碳素彈簧鋼絲淬透性有限，規(guī)格太大的鋼絲油淬火回火后芯部不能完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，所以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定油淬火回火碳素彈簧鋼絲供貨直徑小于12.0mm。
與冷拉碳素彈簧鋼絲相比，直徑≤2.0mm的油淬火回火鋼絲抗拉強度和彈性極限低于冷拉鋼絲。但大規(guī)格鋼絲（Φ≥6.0mm）索氏體處理后，不可能采用大減面率拉拔獲得高的抗拉強度，而油淬火回火鋼絲只要完全淬透，就可以獲得比冷拉鋼絲更高的抗拉強度。即使在抗拉強度相同條件下，油淬火回火鋼絲的彈性極限也高與冷拉鋼絲。
冷拉彈簧鋼絲的各向異性明顯，而油淬火回火鋼絲幾乎各相同性。油淬火回火鋼絲的疲勞壽及抗應(yīng)力松弛性能比冷拉鋼絲好得多，工作溫度更高（150～170℃），抗蠕變性能更好。另外油淬火回火鋼絲直條度好，打開盤卷后鋼絲彈直，幾乎無彎曲，纏繞彈簧時成形性能更好。因此工業(yè)發(fā)達國家大規(guī)格油淬火回火碳素彈簧鋼絲幾乎取代了冷拉碳素彈簧鋼絲。
(6)YB/T5102-93《閥門用油淬火回火碳素彈簧鋼絲》
YB/T5102-93與YB/T5103-93的關(guān)系相當(dāng)于GB/T4358-1995與GB/T4357-89的關(guān)系。前者用于制作動態(tài)彈簧，后者是通用標(biāo)準(zhǔn)，主要用于制作靜態(tài)彈簧。由于動態(tài)油淬火回火彈簧對組織均勻性要求更嚴(yán)格，碳素鋼淬透性有限，YB/T5102規(guī)定供貨規(guī)格更?。ㄖ睆?le;6.0mm）。
閥門用油淬火回火碳素鋼絲使用范圍和質(zhì)量控制要求基本與GB/T4358-1995 G組相當(dāng)，這里不再贅述。
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