彈簧材料發(fā)展歷程

      （1）彈簧鋼生產(chǎn)工藝的發(fā)展
為了提高彈簧鋼的質(zhì)量，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已普通采用爐外精煉技術(shù)、連鑄工藝、新型軋制和在線自動(dòng)檢測(cè)及控制設(shè)備等。

為了保證鋼的化學(xué)成分，降低氣體和各種非金屬加夾物的含量，采用大容量電爐或轉(zhuǎn)爐熔煉，采用爐外鋼包精煉，使氧含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）降至（0.0021～0.0010）%，生產(chǎn)出超純凈鋼，從而大大提高了彈簧的設(shè)計(jì)和工作應(yīng)力。

連鑄生產(chǎn)工藝在彈簧鋼生產(chǎn)中已被廣泛采用。連鑄可通過電磁攪拌、低溫鑄造等技術(shù)減小鋼的偏析，減小二次氧化，改善表面脫碳，使組織和性能穩(wěn)定、均勻。

采用分列式全連續(xù)軋機(jī)，可提高尺寸精度，表面質(zhì)量，同時(shí)也可使鋼材沿長(zhǎng)度顯微組織均勻。在軋制過程中為了保證產(chǎn)品的表面質(zhì)量采用在線自動(dòng)檢測(cè)和控制。為了適合變截面彈簧扁鋼生產(chǎn)而開發(fā)了奧氏體軋制成形新工藝，即先將鋼加熱到奧氏體區(qū)再急冷至亞穩(wěn)奧氏體區(qū)進(jìn)行塑性加工并淬火處理。這種工藝可使鋼在不降低塑性的同時(shí)提高強(qiáng)度。此外還有通過軋后在線熱處理和表面硬化處理來提高彈簧鋼的性能等。

（2）合金鋼的發(fā)展
合金元素的主要作用是提高力學(xué)性能，改善工藝性能及賦予某種特殊性能。氣門彈簧和懸架彈簧已廣泛應(yīng)用SiCr鋼。Si是抗應(yīng)力松弛最好的合金元素，在SiCr鋼中添加V、Mo形成SiCrV和SiCrMo鋼，可以提高疲勞壽命和抗松弛性能。同時(shí)SiCr拉拔鋼絲，其在高溫下工作時(shí)的抗松弛性能，比琴鋼絲和重要用途碳素彈簧鋼絲要好。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)高速小型化，抗顫振性能好、質(zhì)量輕、彈性模量小的Ti合金得到了較為廣泛的應(yīng)用，其強(qiáng)度可達(dá)2000MPa。

（3）低碳奧氏體鋼的發(fā)展
低碳奧氏體鋼38SiMnB是我國(guó)自主研發(fā)的一種新型的高性能彈簧鋼，在此基礎(chǔ)上開發(fā)的38SiMnVBE更具優(yōu)越性，具有高強(qiáng)韌性、高淬透性、高應(yīng)用性和高性能比。在進(jìn)行超細(xì)晶?？刂栖堉坪螅淇估瓘?qiáng)度 =（2030～2140）MPa，屈服強(qiáng)度 =（900～2010）MPa，伸長(zhǎng)率 =（12～15）%，面縮率 =（48～55）%。為少片變截面板彈簧提供了高性能的材料。

（4）不銹鋼的發(fā)展
我國(guó)是生產(chǎn)不銹鋼的大國(guó)，隨著不銹鋼的生產(chǎn)發(fā)展，自然也開發(fā)了不少品種，目前已達(dá)50多種，，基本滿足了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)發(fā)展的需要，對(duì)當(dāng)前開發(fā)的一些新品種作簡(jiǎn)要說明。

1）奧氏體不銹鋼體系的初步形成。為了消除碳元素造成的不銹鋼晶界腐蝕疲勞，開發(fā)出低碳奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9和00Cr17Ni2Mo2。為了提高其特殊性能可加Cu、Ti、Nb、Mn、Cr、Si和N等元素。

2）含氮不銹鋼的發(fā)展。 在不銹鋼中以氮代碳取得了成果。在奧氏體不銹鋼中N和C有許多共同特性。N穩(wěn)定奧氏體的作用比Ni大，與C相當(dāng)。N與Mn結(jié)合能取代比較貴的Ni。

在奧氏體中N也是最有效的固溶強(qiáng)化元素之一。N與Cr的親和力要比C與Cr的親和力小，奧氏體鋼很少見到Cr2N的析出。因此N能在不降低耐蝕性能的基礎(chǔ)上，提高不銹鋼強(qiáng)度。

3）超強(qiáng)鐵素體不銹鋼的發(fā)展。 鐵素體不銹鋼具有良好的腐蝕性能和抗氧化性能，其抗應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)于奧氏體不銹鋼。價(jià)格比奧氏體不銹鋼便宜。但存在可焊性差、脆性傾向比較大的缺點(diǎn)，生產(chǎn)和使用受到限制。通過降低鋼中的碳和氮的含量，添加Ti、Nb、Zr、Ta等穩(wěn)定化元素，添加Cu、AI、V等焊縫金屬韌化元素三種途徑，可以改善鐵素體鋼的可焊性和脆性。

4）超級(jí)奧氏體鋼的發(fā)展。 超級(jí)奧氏體鋼指Cr、Mo、N含量顯著高于常規(guī)不銹鋼的奧氏體鋼。其中比較著名的是含6% Mo的鋼（245SMo）。這類鋼具有非常好的耐局部腐蝕性能，在海水、充氣、存在縫隙、低速?zèng)_刷條件下，有良好的抗點(diǎn)蝕性能（PI 40）和較好的抗應(yīng)力腐蝕性能，是Ni基合金和鈦合金的代用材料。

5）超馬氏體不銹鋼的發(fā)展。 傳統(tǒng)的馬氏體不銹鋼2Cr13、3Cr13、4Cr13和1Cr17Ni2缺乏足夠的延展性，在冷頂鍛變形過程中對(duì)應(yīng)力十分敏感，冷加工成形比較困難。加之鋼的可焊性比較差，使用范圍受到限制。為克服馬氏體鋼的上述不足，近來已找到一種有效途徑，就是通過降低鋼的C、Ti含量，增加Ni含量，開發(fā)一個(gè)新系列合金鋼——超馬氏體鋼。這類鋼抗拉強(qiáng)度高，延展性好，焊接性能也得到改善，因此超馬氏體鋼又稱為軟馬氏體鋼或可焊接馬氏體鋼。

（5）彈簧鋼絲的發(fā)展
彈簧鋼絲經(jīng)過100多年的發(fā)展，工藝技術(shù)經(jīng)歷了由鉛淬火到油淬火，現(xiàn)又發(fā)展到感應(yīng)加熱淬火。再加上工藝技術(shù)裝備不斷創(chuàng)新和完善，品種質(zhì)量不斷更新。近來開發(fā)的閥門用彈簧鋼絲感應(yīng)加熱淬火和回火處理工藝，試驗(yàn)證明，由于感應(yīng)加熱時(shí)間短，淬火組織細(xì)小，鋼絲表面幾乎沒有脫碳層，所以其塑性、韌性、抗松弛性、斷裂韌性、延遲斷裂抗力、疲勞壽命等都比油淬火回火鋼絲有較大提高。

另一種研究取得成效的超細(xì)晶粒形變熱處理鋼絲已能實(shí)地應(yīng)用，超細(xì)晶粒形變熱處理是組織超細(xì)化與形變熱處理相結(jié)合的一種復(fù)合強(qiáng)韌化工藝。它既可提高鋼絲的力學(xué)性能，同時(shí)又能改善鋼絲的表面質(zhì)量。材料表面質(zhì)量對(duì)疲勞性能影響很大。為了保證表面質(zhì)量，對(duì)有特殊要求的材料采用剝皮工藝，將表層去掉0.1mm。對(duì)0.5mm深度的缺陷采用渦流探傷。對(duì)拔絲過程表面產(chǎn)生的凹凸不平，可用電解研磨，使表面粗糙度降到 =（6.5~3.4） m。

（6）不銹鋼絲的發(fā)展
近年來國(guó)外不銹彈簧鋼絲生產(chǎn)發(fā)展較快。國(guó)內(nèi)需求量增大的品種主要為1Cr18Ni9和0Cr17Ni7AI。

先進(jìn)的鋼絲生產(chǎn)工藝流程特點(diǎn)是盤條首先剝皮處理，去除熱加工在表面造成的缺陷，除第一次固溶處理后要進(jìn)行酸洗外，整個(gè)冷加工過程均保持光亮表面。

隨著工藝的發(fā)展，不繡鋼絲生產(chǎn)流程進(jìn)一步簡(jiǎn)化，將部分原屬金屬制品行業(yè)質(zhì)量控制簡(jiǎn)化，轉(zhuǎn)換為對(duì)盤條質(zhì)量的要求。在粗拉絲機(jī)后，應(yīng)用清潔球擦拭和水中清洗，去除表面涂層和殘余潤(rùn)滑膜。在光亮熱處理前配備電解酸洗、堿中和、水沖洗和烘干裝置，徹底去除鋼絲表面油污，改善表面質(zhì)量。

（7）形狀記憶合金的開發(fā)
目前在彈簧方面有應(yīng)用前途的單向形狀記憶合金，以50Ti和50Ni性能最好。形狀記憶合金制成的彈簧，受溫度的作用可伸縮。主要用于恒溫、恒載荷、恒變形量的控制系統(tǒng)中。由于是靠彈簧伸縮推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所以彈簧的工作應(yīng)力變化較大。

（8）陶瓷的應(yīng)用
陶瓷的彈性模量高，斷裂強(qiáng)度低，適用于變形不大的地方。目前正在開發(fā)的有耐熱、耐磨、絕緣性好的陶瓷，應(yīng)用的有超塑性鋅合金（SPZ），在常溫下具有高的強(qiáng)度。另外，還有高強(qiáng)度的氮化硅，能耐高溫，可達(dá)1000℃。但陶瓷彈簧不適用于在沖擊載荷下工作。

（9）纖維增強(qiáng)塑料在彈簧中應(yīng)用
玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）板簧在英、美和日本等國(guó)已廣泛應(yīng)用，除用于橫置懸架外，還可用于特殊輕型車輛，如賽車的縱置懸架。目前又研制成功了碳素纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）懸架彈簧，比金屬板簧要輕20%。
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