弹簧材料应具备的性能

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弹簧材料应具备的性能

  • 发布时间:2021-05-04

  • 编辑:压缩弹簧

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  弹簧材料应具备的性能

  

  1)高的强度:为提高弹簧抗疲劳破坏和抗松弛的能力,弹簧材料应具有高的屈服强度与弹性极限,尤其要有高的屈强比。在通常情况下,材料的弹性极限与屈服强度成正比,因此弹簧设计和制造者总是希望材料具有高的屈服强度。而弹簧材料的抗拉强度和屈服强度较接近,如冷拔碳素钢丝的约为的90%左右:由于抗拉强度比屈服强度容易测得,在材料交货中提供的都是抗拉强度,故在设计制造时一般都用抗拉强度作为依据。但材料的抗拉强度并不是越高越好,强度过高会降低材料的塑性和韧性,增加脆性倾向。材料抗拉强度的高低与其化学成分、金相组织、热处理状况、冷加工(拉拔或轧制)程度及其他强化工艺等因素有关。抗拉强度与疲劳强度也有一定的关系,当材料的在1600MPa以下时,其疲劳强度随抗拉强度的增高而增高。大致上材料的疲劳强度与抗拉强度遵循的关系是:(其中为材料在对称循环下的疲劳强度)。

  

  2)良好的塑性和韧性:在弹簧制造过程中材料需经受不同程度的加工变形,因此要求材料具有一定的塑性。例如形状复杂的拉伸和扭转弹簧的钩环及扭臂,当曲率半径很小时,在加工卷绕或冲压弯曲成形时,弹簧材料均不得出现裂纹、折损等缺陷。同时弹簧在承受冲击载荷或变载荷时,材料应具有良好的韧性,这样对提高弹簧的使用寿命会有很大的裨益。

  

  3)优良的表面状态和疲劳性能:弹簧工作时表面承受的应力最大,而疲劳破坏往往是从钢丝表面开始的,对于用在重要场合的弹簧如气门弹簧、阀门弹簧及悬架弹簧都要求有几百万次,几千万次甚至更长的循环寿命,这就对材料的疲劳性能提出了很高的要求。影响材料疲劳性能的因素很多,如材料的化学成分、硬度、钢材的纯净程度、表面质量和金相组织等,尤为重要的是材料的表面质量。材料的表面缺陷,如裂纹、折叠、鳞皮、锈蚀、凹坑、划痕和压痕等,都易使弹簧在工作过程中造成应力集中。其应力集中的部位常常是造成疲劳破坏的疲劳源。疲劳源还易在表面脱碳的部位首先发生,因此严格控制脱碳层深度也是一个很重要的质量指标。为提高弹簧材料的表面质量,可以对材料表面进行磨光或抛光,在钢丝拉拔前采用剥皮工艺剥除一层材料表皮,这样可以将大部分表面缺陷去掉。弹簧热处理时可采用控制气氛或真空热处理,防止表面脱碳和氧化。

  

  4)严格的尺寸精度:许多弹簧对负荷精度有较高的要求,如气门弹簧的负荷偏差不得大于规定负荷的5%—6%,以具有圆钢丝的拉、压弹簧为例,如果钢丝直径偏差为1%,负荷就会产生4%左右的偏差。由此可见,严格的尺寸精度对保证弹簧的质量也是十分重要的。

  

  5)好的均匀性:对材料的均匀性要求是指对材料的化学成分、力学性能、尺寸偏差等各项指标要求均匀和稳定一致。如果材料各方面性能不一致,会给弹簧生产带来很大的困难,造成产品几何尺寸、硬度、负荷等参数的离散性,严重的不均匀性甚至会造成废品。

  

  为了满足上述性能要求,弹簧钢必须具有优良的冶金质量,包括严格控制的化学成分、高的纯洁度、低的杂质含量、低的非金属夹杂物含量,并控制其形态、粒度和分布。此外还要求钢质的均匀性和稳定性。弹簧钢还应具有良好的表面质量(包括表面脱碳)和高精度的外形和尺寸。

  

  目前主要采用电炉或转炉生产弹簧钢,其特点是功率大、容量大,在保证钢的质量同时具有经济性,用作一般机械用弹簧材料。对于高使用性能弹簧的材料,目前,广泛采用钢包精炼、真空脱气等炉外精炼技术,如钢包吹氩、钢包精炼炉(LF)、真空处理(RH)等,以严格控制化学成分、降低气体和各种非金属夹杂物含量等。而且还采用非金属夹杂物控制技术,控制非金属夹杂物的形态、粒度和分布,如喂人钙丝、喷吹钙粉等使非金属夹杂物中含有CaO,并控制其粒度;在炼钢过程中通过调整脱氧剂和炉渣成分来改变非金属夹杂物的成分,使其在热轧时容易塑性变形。使用RH脱气技术,可使氧含量大大降低,从而显著提高疲劳寿命。

  

  在弹簧钢生产中已广泛采用连铸。与模铸相比,采用连铸可通过电磁搅拌、低温铸造等技术减小钢的偏析,提高钢质的均匀性;减少二次氧化,改善钢的表面脱碳;使钢的组织和性能稳定、均匀;提高收得率和生产效率;与炉外精炼技术相配合降低氧含量和有效地控制钢的化学成分。

  

  在对弹簧钢材的尺寸偏差、截面形状、表面质量(包括表面脱碳层深度)和沿钢材长度显微组织均匀性的要求不断提高的情况下,国外广泛采用了纵列式全连续轧机,并不断改进以实现高速、无扭、无张力轧制。为了保证钢材尺寸精度采用短应力线或预应力轧机。

  

  合金元素在弹簧材料中的作用弹簧材料的化学元素主要以铁、碳为主,为了保证弹簧能够满足不同条件下的工作需求,在碳弹簧钢的基础上添加一定量的合金元素,使材料具有碳弹簧钢所没有的优良性能,如高弹性极限、良好的淬火性和耐腐蚀性等。各种合金要素在弹簧材料中的作用如下

  

  碳(c)是钢中重要的化学要素,弹簧钢的/(c)范围为0。3%~1%。2%,其中碳弹簧钢/(c)为0。60%~0%。90%之间,合金弹簧钢的/(c)为0。46%~0。75%之间。碳含量越高,钢的硬度和强度越高,但塑性降低,脆性增加。

  

  锰(Mn)在弹簧钢中一般加入量为1%左右。其优点是淬透性好,强度高,脱碳倾向小,缺点是有过热敏感性和回火脆性倾向,淬火时破裂倾向也大。

  

  硅(Si)碳钢中的(Si)通常不超过0。37%是作为冶炼中的脱氧剂加入钢中的。含硅的合金弹簧钢(Si)为0。70%~2。80%之间。硅溶解人铁素体,显着强化铁素体,提高钢的强度和屈强比,硅提高钢的淬火性和回火稳定性。但是,弹簧钢中的硅含量不能过高。不那样的话,钢的晶粒会变粗,石墨化的倾向会增加。

  

  铬(Cr)提高淬火性、细化晶粒,是制造高疲劳性能弹簧使用的合金钢的重要因素之一,(Cr)达到13%以上时,具有良好的防腐能力,是制造弹簧使用的不锈钢的主要添加因素。但铬会引起回火脆性,回火后必须早点冷却,以免发生回火脆性。

  

  镍(Ni)是我国资源少的元素,一般弹簧钢很少使用,是奥氏体不锈钢的主要成分之一。镍主要用于形成稳定奥氏体组织,铬镍奥氏体组织稳定,高温下长期使用也不会脆化。

  

  钒(V)是强碳化物要素,与碳结合成熔点高的碳钒,在合金弹簧钢中加入少量钒,细化晶粒的作用显着,如50CrVA的(V)只有0。1%-0。2%。弹簧钢加钒细化晶粒,降低过热敏感性,提高钢的静态强度和疲劳强度。

  

  钨(w)的主要作用是提高钢的淬火性耐热性能,使弹簧在高温下保持高强度和弹性,钨还能细分晶粒,如常用弹簧材料65Si2MnWA,其淬火性、耐热性能优于50CrVA。

  

  硼(B)可以大大提高弹簧火性,加入极微量硼(质量分数为十万分之几),作用极为明显。硅锰弹簧钢加入微量硼后,淬火性明显提高,在耐高温的合金弹簧材料中加入硼,可以提高材料的耐久性。

  

  铝(A1)、钛(Ti)、铌(Nb)主要添加在弹簧用不锈钢或其他特殊用途的弹簧材料中,主要目的是提高材料的耐腐蚀性能或与镍、钼等构成沉淀硬化相,发挥沉淀强化作用。

  

  钴(Co)是恒弹性材料,钴作为3J21、3J32的主要添加要素,可以使弹簧材料达到高弹性极限,弹性模量温度系数也小。但钻头是一种贵重的合金元素,除非必要,否则一般不容易使用。

  

  铜(Cu)常作为铜合金的基体要素,与其他添加的要素构成铜合金弹性材料。例如锡、磷、锡磷青铜、硅、锰、铝、蛆、汨等。以铜镍为主的蒙乃尔弹性合金具有良好的耐腐蚀性。

  

  汨(Be)主要在人铜中构成汨青铜。汨青铜具有优异的弹性。但汨有毒,价格也很高。

  

  上述各种合金要素可以单独添加,也可以一起添加几个要素,一起添加几个要素的作用远远大于每个要素单独添加的作用重叠,因此现在新开发的弹簧钢在合金要素方面倾向于采用少量多样的方法。

  

  钢中除了上述有益因素外,还不可避免地存在有害杂质。例如硫(S)、磷(P)等。这些杂质会降低钢的塑性和韧性,增加脆性,形成的杂质会严重降低弹簧的使用寿命,因此这两种有害因素要求钢中的含量越少越好。


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