高强度弹簧钢丝生产工艺及研究
关键词：弹簧钢丝 材料 性能 试验
为评估材料制造弹簧的性能，研究了琴钢丝、油淬火钢丝和奥氏体不锈钢等弹簧钢丝。研究中量化弹簧性能参数：（1）加工问题；（2）极限应力；（3）松弛性能；（4）疲劳性能。
1、试验材料
试验钢丝的规格和化学成分见表1。
表1 弹簧钢丝化学成分
| 材质 | 直径/mm | 化学成分w/% | ||||||||||
| C | Si | Mn | P | S | Cr | V | Ni | Cu | Nb | Al | ||
| 火箭钢丝 | 1.90 | 0.86 | 0.20 | 0.45 | 0.011 | 0.004 | - | - | - | 0.010 | - | - |
| 302不锈钢丝 | 2.00 | 0.08 | 1.26 | 1.16 | 0.015 | 0.002 | 17.20 | - | 7.48 | - | - | - |
| CrSiV钢丝 | 3.50 | 0.65 | 1.43 | 0.60 | 0.011 | 0.013 | 0.70 | 0.108 | 0.02 | - | - | - |
| 超级琴钢丝 | 4.00 | 0.84 | 0.19 | 0.64 | 0.007 | 0.013 | 0.20 | 0.001 | 0.03 | 0.055 | 0.007 | 0.055 |
| 感应加热CrSi钢丝 | 7.95 | 0.55 | 1.44 | 0.68 | 0.011 | 0.003 | 0.70 | - | - | - | - | - |
| 热卷Crsi钢丝 | 12.45 | 0.40 | 1.59 | 0.18 | 0.015 | 0.004 | 1.01 | 0.160 | 0.53 | 0.210 | 0.010 | 0.024 |
（1）2种琴钢丝。试验钢丝比BS 5216 M5（当前国际技术规范中强度最高的弹簧钢丝）有更高的强度，具有冷拉珠光体组织。
（2）3种低合金铬硅钢丝。第1种含有钒，并经过了油淬火，适于冷卷；第2种含有钒和镍，含碳量较低，软态供货，适于热卷；第3种是标准的铬硅钢丝，已尼过感应加热处理。琴钢丝和低合金钢丝都通过抛丸处理提高疲劳性能，未考虑用于氮化的铬硅合金。
（3）302不锈钢丝。强度水平相当于17/7PH时效后。钢丝采用冷卷，弹簧用玻璃珠抛丸，以提高疲劳性能。
2、制造弹簧
各种钢丝材料表面质量良好，抗拉强度符合要求。将钢丝送交弹簧制造厂制造压缩弹簧。厂家反映IHT（感应加热处理的钢丝）是卷制过的最硬的钢丝，卷制后切断钢丝需要非常大的力。不过，卷绕很成功，在收到的样品中，没有发现在卷绕过程中造成的明显损伤或擦伤。弹簧参数见表2。
表2 弹簧设计参数
| 材质 | 钢丝直径/mm | 弹簧外径/mm | 圈数 | 自由高度/mm | 端部型式 | 相当于英国标准 | 弹簧刚度/(N·mm-1) | 极限应力/MPa |
| 火箭钢丝 | 1.90 | 13.75 | 7 | 32.00 | 闭合并磨平 | BS 5216 M5 | 14.6 | 1545 |
| 302不锈钢丝 | 2.00 | 14.30 | 7 | 34.00 | 闭合并磨平 | BS2056，302S26 | 14.0 | 1405 |
| GrSiV钢丝 | 3.50 | 25.10 | 7 | 54.90 | 闭合并磨平 | BS2803，685A55 | 27.6 | 1400 |
| 超级琴钢丝 | 4.00 | 28.70 | 7 | 68.90 | 闭合并磨平 | BS5216 M4 | 29.5 | 1520 |
| GrSi钢丝（1） | 7.95 | 75.70 | 6 | 169.50 | 闭合并磨平 | BS2803，685A55 | 30.6 | 1490 |
| GrSi钢丝（2） | 7.95 | 56.30 | 3 | 38.30 | 闭合并磨平 | BS2803，685A55 | 274.3 | 1330 |
| 热卷CrSi钢丝 | 12.45 | 155.00 | 5.2 | 384.00 | 敞开且不磨 | BS970第2部分 | 22.1 | 1415 |
3、拉力试验
抗拉试验执行EN10218-1标准，目的是确认钢丝的实际抗拉强度。厂家提供的抗拉强度用维氏硬度试验（EN ISO6507-1）进行核实，通过硬度值换算的结果见表3。
表3 制造厂提供的数据和试验数据比较
| 材质 | 生产厂家数据 | 试验数据 | ||
| 直径/ mm | 抗拉强度/MPa | 直径/mm | 抗拉强度/MPa | |
| 火箭钢丝 | 1.8-2.0 | 2210-2460 | 1.90 | 2392 |
| 302不锈钢丝 | 1.993 | 1969 | 2.00 | 1974 |
| CrSiV钢丝 | 3.2-4.0 | 2060-2160 | 3.50 | (2060) |
| 超级琴钢丝 | 4.00 | 2110-2120 | 4.00 | 2110 |
| 感应加热 | 8.01 | 1948 | 8.00 | 1980 |
| CrSi钢丝 | ||||
| 热卷Crsi钢丝 | 12.45 | 1920-1950 | 12.45 | (1950) |
4、试验结果
4.1静态设计应力
弹簧进行预加应力试验，记录加载弹簧逐渐缩短的情况，以确定在没有预应力情况下的安全静态设计应力，同时记录弹簧的极限应力，结果见表4。
| 材质 | 试验数据 | 推荐数据 | ||
| 无预加应力的工作应力 | 预加应力的极限应力 | 无预加应力的工作应力 | 预加应力的极限应力 | |
| 火箭钢丝 | 42 | 69 | 42 | 70 |
| 302不锈钢丝 | 39 | 71 | 35 | 59 |
| CrSiV钢丝 | 60 | 71 | 45 | 70 |
| 超级琴钢丝 | 42 | 72 | 42 | 70 |
| 感应加热 | 47 | 76 | 45 | 70 |
| CrSi钢丝 | ||||
| 热卷Crsi钢丝 | 57 | 70 | 45 | 70 |
弹簧设计参数通常接受其极限应力，大约是UTS的70%，因而用这些设计确定真实的最大预加极限应力是不可能的。用设计的极限应力作为参考是可行的，其结果比测得的实际最大值要保守一些。
4.2疲劳试验
疲劳试验在正弦加载机器上进行。弹簧以不到其固有频率1/13的速度进行试验以避免明显的共振影响，试验到1*107次循环为止。感应加热CrSi钢和热卷CrSi钢试验到1*106次循环。
抛丸和不抛丸的弹簧都进行疲劳试验。对φ5mm以下钢丝进行数据概率分析，并确定疲劳强度按BS 3518的应力等级测试相关数据。
抛丸疲劳极限换算成钢丝抗拉强度的百分比结果见表5。
| 钢丝材质 | 循环次数 | 疲强比/% | |
| 新型高强度钢丝 | 最接近的BS材料 | ||
| 火箭钢丝 | 1*107 | 37.6 | 38.7 |
| 超级302不锈钢丝 | 1*107 | 46.9 | 39.3 |
| CrSiV钢丝 | 1*107 | 42.1 | 46.0 |
| 超级琴钢丝 | 1*107 | 37.4 | 39.5 |
| 感应加热 | 1*106 | 45.5 | 44.5 |
| CrSi钢丝 | |||
| 热卷Crsi钢丝 | 1*106 | 46.1 | 42.6 |
由表5可知，就疲劳性能而言，高强度琴钢丝与标准琴钢丝相比没有任何优势。CrSiV钢丝的结果不突出，但感应加热处理弹簧、热卷弹簧以及不锈钢弹簧都显示出比BS有明显的改进。
4.3松弛试验数据
每种材料都有特定的应力和温度条件，试验条件见表6。
表6 松弛试验程序
| 材质 | 应力/MPa | 工艺类型 | tmax/h | 温度/℃ |
| 火箭钢丝 | 1000 | 3*SP | 300 | 100 |
| 1200 | 1*SP | 300 | 100 | |
| 不锈钢丝 | 1000 | 3*SP | 300 | 100 |
| 1200 | 1*SP | 300 | 100 | |
| CrSiV钢丝 | 1000 | 3*S，3*SP，3*UP | 1000 | 100 |
| 1000 | 3*SP | 300 | 200 | |
| 1200 | 1*SP | 300 | 100 | |
| 超级琴钢丝 | 1000 | 3*S，3*SP，3*UP | 1000 | 100 |
| 1200 | 1*SP | 300 | 100 | |
| 感应加热 | 1000 | 1*UP | 300 | 100 |
| CrSi钢丝（1） | 1200 | 1*UP | 300 | 100 |
注：SP为抛丸，UP为不抛丸，S为抛丸及热预加应力
弹簧预加应力并加热到225℃，压缩到分档长度，保持1.5s，然后淬冷4s。
用电子载荷试验设备测量，用螺丝上紧的办法把弹簧压缩到与预期应力一致的高度。在每一段预定的时间之后取下弹簧冷却，同时按其原始压缩高度加载试验。松弛率Re为：
Re=（P0-P1）/P0*100% （1）
式（1）中：P0——在长度L（N）时的初始载荷；P1——在长度L（N）时的新载荷。
试样分别在3，10，100，300h之后进行试验，有的在1000h后试验。载荷损失的百分比按时间对数描点作图，据图计算曲线斜率和载距。用式（2）推出相关的数据，并预测10000h的松弛性能。
L0=（a+b*lg t）*100% （2）
式（2）中：L0——载荷损失，%；a——试验数据的载距；b——试验数据的斜率；t——试验时间，h
新型高强度材料的试验数据与现有的在100℃，1000MPa条件下经10000h松弛后的载荷损失比较见表7。
表7 松弛性能比较
| 材质 | 载荷损失/% | |
| 新型材料 | 最接近的BS材料 | |
| 火箭钢丝 | 15.9 | 14.4 |
| 302不锈钢丝 | 2.2 | 2.5 |
| CrSiV钢丝 | 9.3 | 10.5 |
| 超级琴钢丝 | 17.1 | 14.4 |
| 感应加热CrSi钢丝（不抛丸） | 8.6 | 10.5 |
4.4脆断敏感度
对疲劳失效的弹簧进行外观检查，以查找不正常或脆性断裂的原因。失效看上去和试验标准牌号弹簧钢丝时预计的情况非常相似。选择弹簧在扫描电镜上检查过载断裂区。尽管这些材料强度非常高，显微空洞合并是主要断裂机理。
每种材料的过载区都显示出相似的特点，这证明材料的抗拉强度增加后，并没有过多失去延展性。
疲劳断裂起湖于钢丝表面，弹簧断裂没有从夹杂物处开始的。
5、结论
用所试验的高强度材料制簧时在静态设计应力方面显示出明显的优越性，没有一种材料因为强度高而在弹簧加工或意外失效方面出现问题。
在弹簧性能方面，采用高强度琴钢丝没有优越性，但是，在琴钢丝中添加w（si）=1%的Si，除了能使钢丝达到相当的强度水平外，对弹簧的疲劳和松弛性能也有益。
高强度铬硅材料在松弛性能方面优越明显，疲劳性能一般也比标准材料好，而CrSiV弹簧并没有比超纯净阀门弹簧质量的铬硅材料显得更好。
Mark P.Hayes著 姜岩 编译
