1.概述

彈簧是機(jī)械設(shè)備中重要的零件，而其工作狀態(tài)的好壞往往取決于所用材料的狀態(tài)，材料的品質(zhì)對彈簧的性能起到?jīng)Q定性的作用。

彈簧制造最常用的材料有金屬和非金屬兩大類。作為彈性元件的功能材料，高彈性無疑是材料最重要的性能，同時(shí)，由于彈簧通常是在變應(yīng)力的條件下工作，從而要求材料具有優(yōu)越的耐疲勞性能。另外，為了便于加工成形，減少突然性的失效，材料應(yīng)具有足夠的塑性和韌性。銳爾立專業(yè)生產(chǎn)各種彈簧，波形彈簧、碟形彈簧、波墊、蝶形墊圈、環(huán)形彈簧、膜片彈簧的材料有51CrV4/60Si2Mn/SUS301/302/304/316,17-7PH,INCONEL718, INCONELX-750 和 NIMONIC90等。

彈簧制造最初是采用木、竹類等天然材料，進(jìn)入工業(yè)化時(shí)代后，金屬材料開始廣泛應(yīng)用于彈簧制造領(lǐng)域。隨著機(jī)械產(chǎn)品功能的不斷擴(kuò)展，性能指標(biāo)的不斷提高，對彈簧的要求也不斷提高，逐步形成了各類特殊的、專用的彈簧材料。目前用量最大、用途最廣的彈簧材料當(dāng)屬彈簧鋼，彈簧鋼具有高強(qiáng)度、高屈強(qiáng)比的特性。為滿足特殊工況的使用要求，不銹彈簧鋼及特殊耐高溫、恒彈性合金等材料也開始用于彈簧制造，大大地拓寬了金屬彈簧的選材范圍。

在非金屬材料方面，近年來隨著化學(xué)橡膠工業(yè)地快速發(fā)展，橡膠、聚胺酷類和增強(qiáng)型塑料材料也廣泛被應(yīng)用于彈簧產(chǎn)品，并在減振、降噪音等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用：以氮?dú)饣驓庖簽榻橘|(zhì)的空氣彈簧也廣泛應(yīng)用于沖壓模具、主機(jī)減振、恒力器具、超高溫彈性結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域，陶瓷材料具有耐高溫(800℃以上)、耐腐蝕、耐磨損等特殊性能，也開始作為彈簧材料在一些場合應(yīng)用。

現(xiàn)代科技的發(fā)展使彈簧材料的品種越來越多，彈簧設(shè)計(jì)有了更寬廣的選材范圍，使得彈簧產(chǎn)品的應(yīng)用更能滿足其功能要求，也更具有安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境保護(hù)的特性。

1.1彈簧材料的種類

常用的金屬彈簧材料如下所示：

1.2彈簧材料的主要力學(xué)性能

（1）彈性物體在外力的作用下會(huì)發(fā)生變形。當(dāng)外力去除后物體能自動(dòng)恢復(fù)到原來的尺寸和形狀時(shí)，則該變形稱為彈性變形，不能恢復(fù)原來尺寸的變形則稱為塑性變形。物體所表現(xiàn)的這種性質(zhì)，主要是由物體內(nèi)部微觀粒子間的相互作用力造成的。物體內(nèi)部的微觀粒子主要受到正負(fù)電荷間的引力和同性電荷間的斥力作用。當(dāng)斥力和引力達(dá)到平衡時(shí)，物體在宏觀上表現(xiàn)為穩(wěn)定的尺寸和形狀。當(dāng)物體受到外力作用時(shí)，微觀粒子間的作用力平衡被打破，產(chǎn)生相對位移，物體在宏觀上表現(xiàn)為變形。如果變形不大，外力去除后物體內(nèi)部粒子可以重新回復(fù)到原有的平衡位置，這時(shí)的變形就是彈性變形。如果變形較大，物體內(nèi)部粒子產(chǎn)生了較大的位移，外力去除后不能回復(fù)原位，這時(shí)就產(chǎn)生了塑性變形:當(dāng)發(fā)生過量的塑性變形時(shí)，材料就會(huì)破裂。

衡量物體彈性的主要指標(biāo)是彈性模量，其物理意義是:材料產(chǎn)生單位應(yīng)變時(shí)所需的應(yīng)力大小，單位為 MPa。彈性模量的本質(zhì)是物體內(nèi)部粒子離開平衡位置的難易程度，所以它只取決于物體內(nèi)部粒子結(jié)合的特性，而晶粒大小、組織結(jié)構(gòu)等特性對它的影響不大。從這個(gè)意義上說，彈性模量是一種對結(jié)構(gòu)特性不敏感的性質(zhì)。根據(jù)胡克定律，二個(gè)理想的彈性體，在應(yīng)變不大的情況下，應(yīng)力與應(yīng)變之間存在線性關(guān)系一般表達(dá)式為

2.1彈簧鋼應(yīng)具備的基本性能

(1)高強(qiáng)度 為了滿足機(jī)械設(shè)計(jì)中節(jié)能和輕量化的要求，所使用的彈簧鋼在滿足塑性和韌性的前提下，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度越高越好?？估瓘?qiáng)度和鋼的化學(xué)成分、微觀組織結(jié)構(gòu)、熱處理技術(shù)與工藝及冷加工(冷拔或冷軋)變形量等因素密切相關(guān)。如冷拉強(qiáng)化碳素彈簧鋼絲，碳含量越高，其原料和成品抗拉強(qiáng)度就越高;對于亞共析鋼 (如65Mn) 索氏體化處理來說，先共析鐵素體含量越少，索氏體片層間距越小，待拉拔原料和拉拔成品的抗拉強(qiáng)度就越高。對于生產(chǎn)淬回火彈簧鋼絲的材料來說，硅含量越高，材料抗拉強(qiáng)度越高，如55CrSi抗拉強(qiáng)度明顯高于50CrVA。

(2)高屈強(qiáng)比 彈簧的工作特性決定了彈簧鋼需要盡可能高的彈性變形能力，反映在性能參數(shù)上，就是在保證塑性的前提下，屈服強(qiáng)度越高越好。通常情況下，鋼的抗拉強(qiáng)度越高，其屈服強(qiáng)度也越高。但由于鋼的抗拉強(qiáng)度不能無限提高，所以希望在有限的抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)盡量提高鋼的屈服強(qiáng)度，也就是提高鋼的屈強(qiáng)比。

屈強(qiáng)比和鋼的化學(xué)成分、微觀組織結(jié)構(gòu)、熱處理技術(shù)和工藝、冷加工變形量等因素密切相關(guān)，它是鋼鐵行業(yè)的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容。目前淬回火低合金彈簧鋼絲屈強(qiáng)最大可達(dá)92%。

(3)良好的塑性在彈簧制造過程中，材料需經(jīng)過不同程度的加工變形，因此需要材料具有一定的塑性。尤其是冷加工成形過程，對塑性的要求更為嚴(yán)格。如形狀復(fù)雜的拉簧彎鉤和扭臂，曲率半徑往往很小，在局部會(huì)造成強(qiáng)烈的塑性變形，這時(shí)對材料的塑性就有很嚴(yán)格甚至是苛刻的要求。

(4)良好的韌性，成品彈管在服役過程中，需要承受動(dòng)載荷或靜載荷，同時(shí)可能承受應(yīng)力不確定的沖擊載荷，材料如果沒有足夠的沖擊韌性，彈簧的可靠性就無法保證。

(5)良好的抗松馳能力 彈簧的抗松弛能力也叫彈性減退抗力，是指彈警在工作環(huán)增下長期承受動(dòng)載荷或靜載荷時(shí)，抵抗發(fā)生塑性變形的一種能力。彈減失效是彈簧最常見的失效形式之一。

彈簧的抗松弛能力主要取決于鋼的化學(xué)成分和強(qiáng)化方式，如淬回火彈簧鋼中硅含量越高其彈簧的抗松弛能力越高，因而可通過調(diào)整合金元素種類和含量來改善固溶強(qiáng)化、沉淀硬化和細(xì)晶強(qiáng)化的效果，進(jìn)而提高彈簧的抗松弛能力。而不同的加工工藝其強(qiáng)化機(jī)理不同，抗松馳效果也不同，淬回火鋼絲制成的彈簧抗松馳能力明顯高于索氏體化冷拉鋼絲制成的彈簧。

(6)優(yōu)良的表面質(zhì)量 彈簧工作時(shí)次表面承受的應(yīng)力最大，但疲勞破壞絕大部分情況下都是由材料表面缺陷引起。如果材料表面存在裂紋、折疊、麻坑、麻面、劃傷和壓痕等缺陷，最易使彈簧工作中造成應(yīng)力集中，形成疲勞斷裂的源點(diǎn)。此外，如果材料表層存在嚴(yán)重的脫碳，尤其是有較厚的全脫碳層，會(huì)造成噴丸強(qiáng)化效果下降，使得疲勞裂紋首先在表層脫碳部分形成，降低彈簧疲勞壽命，因此嚴(yán)格控制脫碳層是非常重要的。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，對于高疲勞要求的重要用途彈簧，如氣門彈簧、懸架彈簧和離合器彈簧等，為了提高材料的表面質(zhì)量，一般采用扒皮或磨光工藝，將材料表面剝掉一層，使得小缺陷和不嚴(yán)重脫碳層完全去除，少量的大缺陷可用渦流檢測的方法標(biāo)定位置，在后續(xù)制簧過程中剔除。彈簧熱處理時(shí)，可采用保護(hù)氣氛加熱，防止表面脫碳和氧化。

(7) 高的疲勞壽命 彈簧的疲勞壽命是一個(gè)綜合性考核指標(biāo)，它和鋼的化學(xué)成分及其偏析程度、金相組織、晶粒度、非金屬夾雜含量及其分布狀態(tài)、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面收縮率、延伸率、表面質(zhì)量、制簧工藝 (如熱處理工藝、噴丸工藝、表層軟氮化等)、服役時(shí)的應(yīng)力水平及應(yīng)力幅、載荷性質(zhì)和裝配質(zhì)量等都有很大關(guān)系，因此在彈簧生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)都需要嚴(yán)格控制。

(8) 高的尺寸精度 許多彈簧對負(fù)荷精度有較高的要求，如氣門彈簧負(fù)荷偏差不得大于規(guī)定負(fù)荷的5%~6%。以采用圓鋼絲制成的拉、壓彈簧為例，如果鋼絲的直徑偏差1%負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生4%左右的偏差。因此，高的尺寸精度對彈簧的質(zhì)量也是十分的重要的。

(9) 良好的均勻性 材料的均勻性主要是指化學(xué)成分、力學(xué)性能、尺寸偏差和圓度等應(yīng)盡可能保持一致，其波動(dòng)范圍應(yīng)盡量小。如果材料的各項(xiàng)指標(biāo)相差較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致彈簧的幾何尺寸、硬度、負(fù)荷等參數(shù)離散性增大，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生大量的廢品。

2.2彈簧鋼應(yīng)具備的特殊性能

在特殊條件下使用的彈簧鋼除了應(yīng)具有彈簧鋼的基本性能以外，往往還需要具有一些其他性能。

(1)抗腐蝕能力 有些彈簧的使用環(huán)境具有腐蝕性，這時(shí)就需要材料具有良好的耐蝕能力。為此，一般向鋼中添加大量的 Cr、Ni等合金元素，形成系列不銹彈簧鋼，如奧氏體型304、304H及奧氏體-馬氏體型沉淀硬化631等。

(2)抗高溫軟化能力 用于高溫場所的彈簧必須具備良好的抗高溫軟化能力，否則，會(huì)因彈性減退造成失效。為此，一般采用合金含量大于5%的高合金彈簧鋼 (如30W4Cr2VA)，甚至采用高速工具鋼 (如W18Cr4V)生產(chǎn)彈簧，這些材料使用溫度可達(dá)500~550C，而低合金回火彈簧鋼絲制造的彈簧長期服役溫度一般不應(yīng)超過150。(3)無磁性通常情況下，彈簧服役時(shí)對其有無磁性并無特殊要求，但在一些特定場合 (如某些精密儀表中) 安裝的彈簧，為了避免磁力的干擾及保證其測量精度，要求彈簧必須沒有磁性。

2.3彈簧鋼中合金元素的作用

彈簧鋼中合金元素的作用機(jī)理很復(fù)雜，很難用簡潔的文字做出準(zhǔn)確的描述。因此，僅對低合金彈簧鋼中主要合金元素的作用進(jìn)行概略的介紹。(1)碳 碳是彈簧鋼中基本的強(qiáng)化元素，在鋼中主要起固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化(和其他合金元素反應(yīng)形成細(xì)小彌散分布的碳化物)作用，是彈簧鋼中不可缺少的元素。碳素彈簧鋼絲采用索氏體化冷拉工藝時(shí)，鋼中碳的作用主要是影響片層狀索氏體組織中片狀碳化物含量及碳化物片的厚薄，為后續(xù)鋼絲冷拉時(shí)抗拉強(qiáng)度的快速提高提供保證。采用淬回火熱處理工藝時(shí)，碳主要起固溶強(qiáng)化作用，是保證其回火屈氏體組織具有良好強(qiáng)度和硬

度的關(guān)鍵因素。低合金彈簧鋼中碳含量范圍為0.47% ~0.70%;極少量板條馬氏體加回火狀態(tài)使用的汽車板簧用彈簧鋼中碳含量范圍為 0.20% ~0.40%。一般較高的碳含量對鋼的強(qiáng)度、硬度和彈性是有利的，但對鋼的塑性和韌性是不利的。

(2) 硅(Si) 硅不是碳化物形成元素。硅具有強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化能力，在鋼中主要起固溶強(qiáng)化作用，并通過抑制滲碳體在回火過程中晶核的形成和長大，從而改變滲碳體的形態(tài)和分布，提高鋼的抗松弛能力。在適量范圍之內(nèi)，硅含量越高，抗彈性減退能力越大.但硅有促使鋼脫碳的傾向，且鋼中硅和碳含量高到一定比例時(shí)，會(huì)出現(xiàn)石墨化現(xiàn)象，產(chǎn)生黑色斷口。迄今為止，對鋼中硅的最佳含量尚無統(tǒng)一觀點(diǎn)，冶金產(chǎn)品實(shí)際控制范圍大致在0.17%~2.60%。

(3) 錳(Mn)錳能提高鋼的淬透性，有一定的固溶強(qiáng)化作用，但含量較高時(shí)會(huì)加大材料的熱敏感性和回火脆性，淬火時(shí)開裂傾向亦較大。在彈簧鋼產(chǎn)品中錳含量一般介于0.40%~1.00%之間。

(4)鉻(Cr)鉻是彈簧鋼中重要的合金元素，不但能顯著提高鋼的淬透性和抗氧化抗腐蝕能力，還能提高其回火穩(wěn)定性，有利于改善鋼的強(qiáng)韌性。在鋼中加人0.50%的Cr可使材料屈服強(qiáng)度提高16%，脫碳層深度減少50%。鉻還能有效防止 Si-Mn 彈簧鋼球化退火時(shí)發(fā)生石墨化。鉻對鋼的抗松馳能力的影響比較復(fù)雜，當(dāng)其含量低于0.70% 時(shí)，對鋼的抗松弛能力沒什么影響;大于0.70% 時(shí)，起負(fù)面作用。低合金彈簧鋼中鉻含量一部分介于0.50%~1.12%之間:一部分不大于0.35%

(5)鎳(Ni)鎳的價(jià)格昂貴，在彈簧鋼冶煉過程中一般不主動(dòng)添加鎳元素，基本上以殘余元素身份存在，只有極少數(shù)高品質(zhì)彈簧鋼中添加0.20% ~0.50%，起改善韌性作用。

(6)釩(V)釩是強(qiáng)碳化物形成元素，在鋼中形成細(xì)小彌散且硬度很高的VC可以細(xì)化鋼的晶粒，提高鋼的塑性、韌性和屈強(qiáng)比。彈簧鋼中釩含量范圍一般為0.10%~025%。

(7)硼(B)硼能顯著提高鋼的透性，主要用于生產(chǎn)截面較大的汽車板簧等大截面彈簧。其含量一般為0.0005% ~0.0040%。某些研究表明，添加微量的硼有利于提高鋼的彈減抗力，這可能是由于硼固溶于鋼中時(shí)偏聚產(chǎn)生位錯(cuò)，釘扎位錯(cuò)使其不易移動(dòng)的結(jié)果。

(8)鎢(W)鎢在彈簧鋼中的作用主要是提高鋼的淬透性和耐熱性能及細(xì)化晶粒，使彈簧在較高溫度下仍能保持高的強(qiáng)度和彈性。低合金鋼中鎢含量一般為0.05% -0.25%或0.80%-1.20%。

(9)(Mo)是強(qiáng)碳化物的形成元素，主要是和鋼中碳反應(yīng)，在鋼中形成細(xì)小彌散的碳化物微粒，起到二次硬化的作用。含量一般為0.05%~025%或0.20%~075%。