弹簧材料及热处理

弹簧是一种利用材料弹性特点的机械零件，它的性能和材料的关系十分密切，对弹簧材料的要求有两个方面；一个是与弹簧实际使用有关的材料基本性能，另一个是与制造过程有关的材料的工艺性能，我们弹簧生产就是要充分发挥材料和弹簧两个性能。

1、对弹簧材料的基本要求：

根据弹簧的工作性能，要求材料必须具有充分的弹性，材料的弹性极限要足够高。同时由于很多弹簧工作时承受交变载荷，它的变形量随着载荷变化而变化，因此除要求材料具有高的弹性外，还要有高的疲劳强度，能经受长时期的交变载荷作用。弹簧的使用场合非常广泛，根据服役条件和工作环境的不同，对弹簧材料还要提出各种各样的特殊要求，例如要求弹簧材料具有耐腐蚀、耐热、耐低温、恒弹性、非磁性及良好的导电性等等。同时还要求材料具备优良的加工性能，总而言之，弹簧材料应具备加工容易，制造简便，性能稳定，价额低廉等特点

对弹簧材料的使用性能要求；

材料的使用性能是指为保证弹簧正常工作应具备的性能，即在使用过程中表现出来的性能。优良的机械产品都会严格要求其耐用、安全、轻巧、能耗少，具有市场竞争价值，对于作为基础零部件的弹簧产品也会提出更高的要求，为保证最大限度减轻机器重量要求弹簧材料更高的强度和刚度性能，保证最大限度延长使用寿命则要求材料的冲击抗力、疲劳性能、抗松弛特性和耐腐蚀性能等。

力学性能：

根据弹簧的失效型式主要有断裂（其中大部分为疲劳断裂）和应力松弛（变形），对弹簧材料的力学性能要求主要包括以下几个方面：

强度性能：

要求弹簧材料有较高的弹性极限、比例极限、强度极限、屈强比，也要求有一定得塑性和韧性，即适合弹簧工作条件的最好的综合力学性能。

疲劳性能：

疲劳破坏是弹簧最主要的的破坏型式，影响材料疲劳性能的最主要因素为材料的强韧性（具有足够韧性的高强度性能），材料表面状态（包括表面缺陷、脱碳、残余应力等）以及材料的金相组织、均匀性和纯净度等也对弹簧的疲劳寿命有很大影响。

抗弹减性能：（或称抗松弛性能）；

即弹簧在室温下或工作温度下长期承受载荷状态下抵抗变形的能力，因为弹簧在工作状态下发生永久变形，会使承载能力下降甚至失效。

化学性能：

如材料的抗腐蚀性能、高温抗氧化性能。

物理性能：

如材料的导电、导磁性能。

对弹簧材料的工艺性能的要求：

工艺性能要求材料在弹簧制造过程中不管是冷卷还是热成型都要有足够的塑性和良好的弯曲、扭转及缠绕性能，对要求进行热处理淬火、回火处理的弹簧（主要为热成型弹簧）必须考虑其热处理工艺性能，要求材料有足够的淬透性和尽量少的表面脱碳倾向。

2、弹簧材料的强韧化途径：

冷变形强化：

材料在室温下的塑性变形会造成其变形抗力的不断提高，即在应力应变曲线中材料发生屈服后，随着应变的增加应力不断增加的过程。从微观机制来说就是晶体结构中晶格滑移发生位错增值而使位错密度增加而阻碍晶格进一步滑移所产生的材料强化效应，即应变强化效应，在弹簧用材料和弹簧制造工艺过程中利用冷变形强化的情况很多，如铅浴淬火处理后的冷拔，不锈钢材料的冷拉和冷轧过程，弹簧制造过程中的表面喷丸强化处理等等。

热处理强化：

材料通过热处理方法强化是机械零件制造过程中最常用的方法，在弹簧制造过程中采用的热处理方法主要有以下几种：

淬火、回火处理：

钢的淬火、回火处理的强化作用除了利用获得的回火马氏体组织的强韧性以外，淬火后的晶粒组织细化也有一定得强化效果。

等温淬火：

利用等温淬火获得的贝氏体组织具有高强度性能的同时又有更好的塑性和韧性，而且等温淬火工件变形小。

固溶时效处理：

利用材料基体中的第二相的沉淀析出强化。

化学热处理：

也称表面硬化处理，通过改变表面化学成分（渗人碳、氮等元素）提高表面材料的性能来获得弹簧特性和耐久性的改善。

其他强化方法：

表面喷丸强化处理。

如何通过热处理工艺实现弹簧产品的最佳综合力学性能：

金属及合金的性能是其内部组织结构的反映，金属及合金的组织结构的多样性、复杂性必然造成性能尤其是力学性能的多样性、复杂性。金属零件进行热处理的目的就是通过复杂多变的固态相变机制使其转变为预期的组织结构，赋予材料以人们所要求的各种性能。

对弹簧使用性能的要求最重要的是确保弹簧的疲劳寿命和弹减抗力，而弹簧钢的疲劳寿命和弹减抗力的提高，不仅要通过提高纯净度来保证，而且也要严格控制轧制工艺和热处理制度来增加钢的强韧性。

弹簧制造过程中需要进行淬火回火处理的工艺过程主要有两种情况，一种是热卷后直接进行余热淬火，另一种是进行重新加热淬火和回火的工艺。其中奥氏体化温度和淬火、回火的工艺参数对最终产品的综合力学性能都有影响。

如何根据产品的需要确定热处理工艺方法及其具体参数的问题，可以有以下几种方法：

1、通常情况下弹簧产品图样只有硬度要求，一般讲在产品试制过程中，按照材料牌号确定热处理工艺经小批量试验，硬度符合要求即可投入批量生产，这种情况只适用于要求相对较低的产品。

2、弹簧产品图样的技术要求除硬度要求外，还有疲劳寿命和抗弹减性能等其他要求，此时的热处理工艺应以最终产品性能满足产品技术指标的要求为前提，当热处理工艺确定后仍然无法达到时可以根据实际情况采取提高材料等级或采取改进工艺增加其他强化措施等方法来实现。这种情况适用于弹簧类产品中要求中等以上的产品。

3、弹簧产品属于高端产品的，产品图样中对疲劳寿命和抗弹减性能有比较严格的，并且对产品从样品提供、小批量试制到正式投入批量生产都有严格的重量控制和程序的要求，此时最好按以下方式进行：

1、对于以有设计好的产品图进行技术评审，确定合理的材料选用和工艺方案或根据产品使用要求及负荷状态进行材料确定和工艺设计。

2、结合样品试制进行热处理工艺方案和工艺参数的试验验证，根据

试验结果最终确定热处理工艺。

3、对试制样品做各项性能及耐久性的试验验证，根据试验结果确定小批量试生产工艺。

4、根据小批量试生产产品的装机试验或实际运行试验结果来分析最终确定热处理工艺。

弹簧产品的热处理应该针对弹簧产品的使用要求与负荷特点相对应的材料力学性能指标来确定合适的设备和工艺参数。虽然对弹簧经热处理后要有足够的强韧性的要求是一样的，对于不同的使用条件和负荷特性要求的弹簧其各项力学性能指标的最佳值是有区别的，如对于静载条件但对载荷的稳定性的要求较高的弹簧的要求材料在热处理后的屈服强度高且抗弹减性能好，对材料的塑性和韧性则无苛刻的要求，而对于动载荷（包括变载荷和冲击载荷）条件下工作的弹簧，则必须保证较高的韧性而不宜过分追求材料的抗拉强度和硬度。

3、弹簧热处理的相关问题：

弹簧热处理硬度：

多数弹簧热处理采用淬火回火处理工艺，图样要求通常表示为热处理后的合格硬度范围。但是，弹簧热处理的目的是获得弹簧所需的使用性能及其可靠性，（抗松弛特性与疲劳寿命），所以最终决定热处理工艺是否合适，不仅仅是硬度而是决定热处理后的材料的强度和韧性等材料特性。

硬度和抗拉强度之间的关系：

我们在规定弹簧热处理后的合格硬度范围时，需要考虑硬度与抗拉强度之间的关系，因为弹簧设计时应用的计算公式中引人的是材料的抗拉强度R_m,所以需要进行硬度值与抗拉强度之间的换算，国家标准GB/T1172-1999：｛黑色金属硬度及强度换算值｝，国际标准ISO18265-2003 ｛金属材料－硬度换算值｝而ISO/TR10108-1989 ｛钢－硬度和抗拉强度换算｝是一个硬度和抗拉强度换算的技术报告，是为布氏硬度和维氏硬度建立的硬度－抗拉强度换算带及其应用规则。

由于洛氏硬度和布氏硬度等压人式硬度试验与单向拉伸试验之间存在着类似点，因此硬度值与强度值之间也存在着一定的关系，但是，两种试验毕竟还是不同类型的试验，其应力状态的软性系数也不同，而且材料硬度与抗拉强度都会受到多种因素的影响而且会受制于不同的规律，所以硬度－抗拉强度换算关系具有一定的不确定性。

综合以上情况对于重要用途的弹簧，热处理工艺的制定应根据弹簧的使用条件即负荷的性质和大小要进行相关的力学性能指标的验证试验，只做硬度的验证是不够的，由于硬度试验比较简单易行，可以作为工艺操作是否正确或设备及工艺条件是否异常的监控手段，因为直接从弹簧实体上取样做拉伸试验比较困难，可以采用以产品同一原材料截取的试棒随炉处理后加工成试样做力学性能检验。

淬透性：

大截面弹簧在淬火时往往达不到硬度要求，因此，事先在选材及工艺制定时要充分考虑，其中最重要的问题是钢的淬透性问题，钢的淬透性之所以重要是因为如果钢的淬透性不足，对于需要淬火回火处理的零件处理后的硬度会达不到要求，而对于调质处理的零件则即使硬度可以达到要求值，但由于淬火时产生了部分非马氏体组织，会使材料的力学性能显著降低。

淬透性的基本概念：

淬透性是钢的重要热处理工艺性能，也是选材和制定热处理工艺的重要依据之一。首先需规定“淬透”的标准（涵义）。例如按50％马氏体加50%其他转变产物这种复合组织的硬度（简称半马氏体硬度）作为淬透的一种标准。在端淬曲线上相应于半马氏体区的距离J（简称半马距）也可以作为淬透性的一种量度。当然也可以根据其他马氏体百分数来规定淬透的标准，如99%马氏体，90%马氏体等。50％马氏体之所以用的较多，除了在实验上测定起来较方便以外，主要是因为按化学成分计算淬透性的基础工作都是基于格罗斯曼关于联想临界直径D_I的概念。而D_I是以50%马氏体来定义的。

钢的淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层（也称淬火透层）深度大小的能力，（即钢材淬透能力），是在给定的冷却条件下钢试样在一定的深度处过冷奥氏体转变成马氏体的能力。也是钢的过冷奥氏体稳定性的大小。它可由钢的连线冷却转变曲线所限定的淬火临界冷却速度来衡量。临界冷却速度是过冷奥氏体不发生M_S点（马氏体开始转变的温度）以上任何转变所需的最小冷速。淬透性是指每种钢材所固有的属性，淬硬层愈深，就表明钢的淬透性愈好。

实际工件的有效淬硬深度与钢的淬透性、工件尺寸及淬火介质的冷却能力等许多因素有关，例如；同一钢种在介质相同中淬火，小件比大件的淬硬层深，同一钢种相同尺寸时，水淬比油淬的淬硬层深。

淬透性与淬硬性不是一个概念，要注意区别。淬硬性是指钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力，它取决于淬火马氏体中碳的含量，实际上主要受限于钢的含碳量，所以低碳钢淬火后的最高硬度不会很高。

影响淬透性的因素：

钢的淬硬性由其临界冷却速度决定。临界冷却速度越小，表明过冷奥氏体越稳定，钢的淬透性越好，因此凡是影响奥氏体稳定性的因素，均影响钢的淬透性，影响钢的淬透性因素有以下几种：含碳量的影响、合金元素的影响、奥氏体化温度的影响以及钢中未溶第二相等。

同一种钢，其成分和冶练质量必然在一定的范围内波动，因而有关手册上所提供的某钢号的淬透性曲线往往不是一条线，而是一个范围，称淬透性带。所以钢的淬透性包含两方面内容，一是钢材的淬透能力，它主要是保证不同大小零件的心部硬度，以满足零件对强度及耐久性的，二是淬透性带的宽度，要求尽可能小的淬透性带的波动，以有利于对热处理变形和热处理质量的控制。我国淬透性带的宽度为12HRC,国外大公司淬透性带的宽度为≤8HRC。

钢的淬透性值可用J ( HRC / d )表示，其中J表示末端淬透性，d 表示至水冷端的距离，HRC为该处测定的硬度值，例如：淬透性值J ( 42 / 5 )表示距水冷端5mm处试样硬度为HRC42；淬透性值J ( 30~35 / 10 )表示距水冷端10mm处试样硬度为30~35HRC.对淬透性值有具体要求的钢其钢号最后用H表示，如42CrMoH。

在评估钢的淬透性方面还有其他各种方法，因为钢的淬透性主要决定于化学成分，所以有许多根据钢的实际化学成分的计算方法。例如；对实际钢的临界淬透性直径D _I的计算公式如下：

D.I(in)=0.54C*(0.7Si+1)*(0.3333Mn+1)*(2.16Cr+1)*(3Mo+1)*(0.363Ni+1)*(0.365Cu+1)*(1,73V+1)

弹簧钢按ISO683-14标准，对标准提供的10钢号可用的最大尺寸的推荐值（暂定），其前提条件是：按表中指定的淬火温度范围油中淬火，淬火后的心部硬度应达到54HRC或56HRC.

淬火工艺的优化:

关于弹簧钢热处理工艺的优化问题，近年来发表的比较多的是60Si2Mn的研究，也有其他含Cr、Mo、V、Ni等钢种的研究。很多研究表明，适当提高弹簧钢的淬火加热温度可以改善材料的塑性和韧性或者在保证一定塑性和韧性的前提下提高材料的强度性能。其强韧化效果主要来自：

a、马氏体形态的变化，即淬火温度提高使淬火组织中板条马氏体增加而针状马氏体减少，而板条马氏体回火后的综合力学性能更好且材料的断裂韧性提高有利于改善疲劳性能。

b、提高奥氏体化温度开始钢中的碳化物溶解更充分，奥氏体成分更均匀，对改善钢的组织和性能有利。

一般认为提高淬火加热温度会使奥氏体晶粒粗大，而使材料热处理后的性能下降，但实际上60Si2Mn钢的奥氏体晶粒粗大化的温度在950℃以上，故适当提高淬火加热温度不会引起奥氏体晶粒的粗大。对于加入了钒、铌等元素的弹簧钢，因其碳化物具有很强的沉淀硬化效果，提高奥氏体化温度可以使碳化物的溶解量增加，从而提高沉淀硬化效果。

回火处理过程相关的问题：。

合金元素对回火转变的影响：

合金钢淬火组织的马氏体的分解过程与碳钢基本相似，但其分解速度有明显的差别，合金元素主要通过影响碳的扩散妨碍马氏体分解过程，这种作用的大小因合金元素与碳的结合力大小不同而异。

合金元素特别是Mo、W、V、Nb、Ti等强碳化物形成元素会阻碍马氏体的分解，此时只有部分碳以渗碳体的形势析出，这使得淬火钢的强度和硬度下降较少从而提高了钢的回火稳定性，这种含有强碳化物形成元素的钢有时甚至会在更高的温度下析出细小的特殊碳化物而出现“二次硬化”现象。

淬火弹簧钢中、高温回火后的各项力学性能：

弹簧钢淬火组织中主要是马氏体和少量的残余奥氏体（含碳量较高的钢中会有少量的末溶碳化物），工程上，机械零部件都不会直接应用淬火马氏体，一般要加热到A₁点以下的温度进行恒温处理，通常称为回火处理。传统上20~150℃的恒温处理称为时效处理，150~250℃的温度区间、350℃附近和450~550℃区间的恒温处理分别称为低、中和高温回火处理。弹簧钢的回火处理多为中、高温处理。

为了适应不同产品对材料力学性能强韧性的多种多样的要求，应当了解弹簧钢淬火、回火处理后的各项力学性能随着回火温度提高的变化情况，这样可以得到很多有用的信息：

1、随着回火温度的提高力学性能的变化符合一般中、高碳合金钢淬火回火后的性能变化趋势，即强度、硬度逐渐下降，塑性（伸长率与断面收缩率）略有提高。

2、值得注意的是两种钢的屈强比（R_P0,2/R_m）随着温度的变化有明显的差别，55SiCrA钢的屈强比保持在0.91左右基本不变，而50CrVA钢的屈强比则随着回火温度的提高由不足0.92提高到0.95以上。产生这种差异的主要原因是合金元素钒，因为钒是强烈形成碳化物VC的元素，在回火处理过程中细小的VC颗粒的析出产生的沉淀硬化效果会提高材料的抵抗变形的能力，表现在强度性能上是屈服强度和屈强比的提高，这种性能特点对弹簧产品特别是抗松弛性能要求高的产品特好。而且，由于弥散硬化的效果产生于此前在淬火加热时VC颗粒的溶解，只有充分溶解才能获得随后的回火时更好的沉淀硬化效果，所以对如60Si2CrVA弹簧钢的研究认为将淬火温度提高到910℃左右可获得最佳的强韧性效果。

3、弹簧钢淬火后的回火不可忽视回火脆性问题，第一类回火脆性出现在250~400℃之间，几乎所有的钢都存在第一类回火脆性；在450~600℃之间出现回火脆性称为第二类回火脆性，Ni、Cr、Mn、Si 、C等是促进第二类回火脆性的合金元素，而Mo、W、V、Ti等是抑制第二类回火脆性的合金元素。回火处理后快速冷却可消除或减弱第二类回火脆性，且已经处于脆性状态的零件重新回火加热并快冷可消除脆性而恢复到韧性状态，所以第二类回火脆性称为“可逆回火脆性”。我们现在在热处理生产线回火处理结束后让弹簧滑人冷却水槽其目的就是减少回火脆性，另一个目的是为快速转序。

4、以上介绍的情况说明，对于弹簧钢这样含有一定合金元素的特殊钢，其淬火马氏体在回火时组织转变的多样性和复杂性，所以对弹簧钢的热处理工艺采用系统的研究（通常情况下采用正交试验法）来实现最优化是最好的改善方案。