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Spring type
弹簧钢应具备的特殊性能 精密弹簧生产
在特殊条件下使用的弹簧钢除了应具有弹簧钢的基本性能以外，往往还需要具有一些其他性能。
（1）抗腐蚀能力 有些弹簧的使用环境具有腐蚀性，这时就需要材料具有良好的耐蚀能力。为此，一般向钢中添加大量的Cr、Ni等合金元素，形成系列不锈弹簧钢，如奥氏体型304、304H及奥氏体-马氏体型沉淀硬化631j等。
（2）抗高温软化能力用于高温场所的弹簧必须具备良好的抗高温软化能力，否则，会因弹性减退造成失效。为此，一般采用合金含量大于 5的高合金弹管钢（如30W4Cr2VA），甚至采用高速工具钢（如 W18Cr4V）生产弹簧，这些材料使用温度可达500~550℃，而低合金淬回火弹簧钢丝制造的弹簧长期服役温度一般不应超过 150℃。
（3）无磁性 通常情况下，弹簧服役时对其有无磁性并无特殊要求，但在一些特定场合（如某些精密仪表中）安装的弹簧，为了避免磁力的干扰及保证其测量精度，要求弹簧必须没有磁性。
弹簧钢中合金元素的作用机理很复杂，很难用简洁的文字做出准确的描述。因此，仅对低合金弹簧钢中主要合金元素的作用进行概略的介绍。
（1）碳碳是弹簧钢中基本的强化元素，在钢中主要起固溶强化和弥散强化（和其他合金元素反应形成细小弥散分布的碳化物）作用，是弹簧钢中不可缺少的元素。碳素弹簧钢丝采用索氏体化冷拉工艺时。钢中碳的作用主要是影响片层状索氏体组织中片状碳化物含量及碳化物片的厚薄，为后续钢丝冷拉时抗拉强度的快速提高提供保证。采用淬回火热处理工艺时，碳主要起固溶强化作用，是保证其回火屈氏体组织具有良好强度和硬度的关键因素。
低合金弹箭钢中碳含量范围为0.47~0.70%少量板条马氏体加回火状态使用的汽车板簧用弹簧钢中碳含量范围为0.20~0.40%般较高的碳含量对钢的强度、硬度和弹性是有利的，但对钢的塑性和韧性是不利的。
（2）硅（Si） 硅不是碳化物形成元素。硅具有强烈的固溶强化能力，在钢中主要起固溶强化作用，并通过抑制渗碳体在回火过程中晶核的形成和长大，从而改变渗碳体的形态和分布，提高钢的抗松弛能力。在适量范围之内，硅含量越高，抗弹性减退能力越大，但硅有促使钢脱碳的倾向，且钢中硅和碳含量高到一定比例时，会出现石墨化现象，产生黑色断口。迄今为止，对钢中硅的更佳含量尚无统一观点，冶金产品实际控制范围大致在0.17%-60%
（3）锰（Mn）锰能提高钢的淬透性，有一定的固溶强化作用，但锰含量较高时会加大材料的热敏感性和回火脆性，淬火时开裂倾向亦较大。在弹簧钢产品中锰含量一般介于0.40%~1.00%间。
（4）铬（Cr）铬是弹簧钢中重要的合金元素，不但能显著提高钢的淬透性和抗氧化、抗腐蚀能力，还能提高其回火稳定性，有利于改善钢的强韧性。在钢中加入0.50% Cr 可使材料屈服强度提高 16%脱碳层深度减少 50%铬还能有效防止 Si-Mn弹簧钢球化退火时发生石墨化。铬对钢的抗松弛能力的影响比较复杂，当其含量低于0.70时，对钢的抗松弛能力没什么影响;大于0.70%，起负面作用。低合金弹簧钢中铬含量一部分介于0.50%~0.12%间;一部分不大于0.35%
（5）镍（Ni） 镍的价格昂贵，在弹簧钢冶炼过程中一般不主动添加镍元素，基本上以残余元素身份存在，只有极少数高品质弹簧钢中添加0.20~0.50%起改善韧性作用。
（6）钒（V）钒是强碳化物形成元素，在钢中形成细小弥散且硬度很高的 VC 可以细化钢的晶粒，提高钢的塑性、韧性和屈强比。弹簧钢中钒含量范围一般为0.10%.25%
（7）硼（B）、硼能显著提高钢的淬透性，主要用于生产截面较大的汽车板簧等大截面弹簧。其含量一般为0.0005%~0.0040%某些研究表明，添加微量的硼有利于提高钢的弹减抗力，这可能是由于硼固溶于钢中时偏聚产生位错，钉扎位错使其不易移动的结果。
（8）钨（W）钨在弹簧钢中的作用主要是提高钢的淬透性和耐热性能及细化晶粒，使弹簧在较高温度下仍能保持高的强度和弹性。低合金钢中钨含量一般为0.05%~0.25%或0.80%~0.20%。
（9）钼（Mo） 钼是强碳化物的形成元素，主要是和钢中碳反应，在钢中形成细小弥散的碳化物微粒，起到二次硬化的作用。钼含量一般为0.05%~0.25%或0.20~0.75%。
研究表明，钢中夹杂物是制约弹簧疲劳寿命的主要因素之一，提高夹杂物控制水平因而成为弹簧钢生产者的主要研究课题之一。在这种背景下，"超纯净弹簧钢"的概念在治金行业和弹簧行业流行起来。
从炼钢装备的角度来看，国内外钢厂水平相当，关键的问题是国内钢厂由于起步较晚，尚未完全掌握夹杂物变性生产工艺，其成品夹杂物控制水平不稳定。此外，以从社会上回收的废钢为原料的特钢厂，在生产低合金弹簧钢时，其有害成分也不易控制。基于这两个原因，国产低合金弹簧钢的纯净度控制水平参差不齐，与国外先进水平相比尚有差距。
（1）炼钢 因为大颗粒夹杂物周围容易产生疲劳裂纹，所以超纯净弹簧钢中夹杂物的大小、数量和分布等控制十分严格，必须呈细小、弥散状态分布。除了允许一定数量的直径在5μm以下夹杂物之外，直径5～15μm 之间的夹杂物的量要严格控制，不允许出现15μm 以上的较大颗粒夹杂物。
若要达到这一要求有两种冶炼方法可以选用∶一是超低氧加超低氮化钛生产工艺;二是夹杂物变性生产工艺。
夹杂物变性工艺是将钢中氧含量控制在一定范围11～25×10-6内，采用特殊合成渣，使铝生成的夹杂物由高熔点的 Al，O3、CaO-Al，O、和 MgO-Al，O、转变为低熔点易变形的CaO-Al，03-SiO2-MgO复合物。目前钢厂主要采用这种冶炼方法，再辅以铝含量很低的铁水或废钢及改变钢包耐火材料的成分等措施，生产超纯净合金弹簧钢。
（2）铸造 国外钢厂一般采用300mm ×400mm 以上的大方坯连铸，并在拉坯过程中增加了火焰清理工序，以减少连铸坯的表面缺陷。国内钢厂近几年连铸装备水平提高很快，除少数钢厂受投资所限仍采用160mm×160mm 方或150mm ×150mm 方小方坯连铸或模铸外，大部分钢厂实现了300mm×400mm 以上的大方坯连铸，但一般缺少拉坯过程中火焰清理工序。小方坯连铸生产工艺的优势是节能，如果采用短流程技术则更节能，但控制产品表面质量难度较高，且偏析问题尚无有效解决办法。
模铸已是落后工艺，其头、尾料的偏析较小方坯更严重。例如;采用模铸法生产的φ8.0mm60Si2MnA和φ10.5mm55SiCrA 热轧线材，在制品厂拉拔道次中出现了断裂，经分析表明，是由于弹簧钢线材心部存在严重的成分偏析，造成组织异常引起的。
（3）控轧控冷 目前，控轧控冷技术已在国内轧钢厂普及应用，盘条质量因此有了质的飞跃。与国外先进水平相比、尺寸、公差和圆度等指标水平大体相当，但脱碳层、索氏体化率等指标还有较大差距。日本神户制钢和新日铁等公司能够保证线材表面无全脱碳层，部分 脱碳层深度也仅有线材直径的0.6%下，而国内钢厂生产的弹簧钢线材表层全脱碳现象难 以完全避免、时有出现，有时还很严重，厚度高达0.06mm。另外，线材的索氏体率也忽高忽低，导致钢材塑性不匀。
冷拔强化碳素钢丝是弹簧制造业普遍采用的制簧材料。 主要应用于工作应力。精度均要求高的螺旋弹簧及冲压件弹簧等。它用热轧盘条经热处理后或直接用盘条通过冷拔的方式形成材料的加工硬化，从而满足弹簧的基本力学性能。同时，通过冷拔加工，材料的几何形状更加规整、尺寸波动大大降低、表面状态更好，卷簧性能比热轧材料明显改善。
一般承受静载荷或用于非重要用途的弹簧钢丝，可以用热轧盘条直接冷拔而成。热轧盘条直接拉拔而成的钢丝，因受盘条性能影响较大，钢丝的性能指标波动较大，因此不适宜生产一些要求较严格的弹簧钢丝。
热处理采用的工艺有退火、正火、索氏体化处理等多种方式，而公认为效果更好的方式是索氏体化处理，英语称为"Patenting"。索氏体化处理除了可以均匀化学成分、细化晶粒之外，还能把金相组织改变成最有利于拉拔加工的索氏体，因而被广泛应用于钢丝生产中。
碳素弹簧钢丝适用于制造静载荷和动载荷用机械弹簧，是选用碳素钢盘条经索氏体化后冷拔强化而成，执行标准为GB/T4357《冷拉碳素弹簧钢丝》。钢丝按照抗拉强度分为低抗拉强度、中等抗拉强度和高抗拉强度三个等级，分别用符号L、M、H代表。按照弹簧载荷特点可将载荷分为静载荷和动载荷，分别用符号S和D代表。
琴钢丝 弹簧厂家
具有重要用途的碳素弹簧钢丝一度被称为琴钢丝，但琴钢丝这一称谓所指的并不是琴弦用钢丝或钢琴用钢丝，琴用钢丝执行的标准是 YB/T5218—1993《乐器用钢丝》。我国的琴 钢丝标准始于GB 4358—1984《琴钢丝》，该
标准等效采用日本标准JIS G 3522—1991《琴钢丝》。1995年按我国国情相关组织将 GB 4358—1984 修订为GB/T4358—1995《重要用途碳素弹簧钢丝》，该标准于 2006年、2010年两次修订，现行标准为 YB/T中 5311—2010
《重要用途碳素弹簧钢丝》。日本现行琴钢丝标准为 JIS G3522—2014《琴钢丝》。
弹簧钢应具备的特殊性能 精密弹簧生产
在特殊条件下使用的弹簧钢除了应具有弹簧钢的基本性能以外，往往还需要具有一些其他性能。
（1）抗腐蚀能力 有些弹簧的使用环境具有腐蚀性，这时就需要材料具有良好的耐蚀能力。为此，一般向钢中添加大量的Cr、Ni等合金元素，形成系列不锈弹簧钢，如奥氏体型304、304H及奥氏体-马氏体型沉淀硬化631j等。
（2）抗高温软化能力用于高温场所的弹簧必须具备良好的抗高温软化能力，否则，会因弹性减退造成失效。为此，一般采用合金含量大于 5的高合金弹管钢（如30W4Cr2VA），甚至采用高速工具钢（如 W18Cr4V）生产弹簧，这些材料使用温度可达500~550℃，而低合金淬回火弹簧钢丝制造的弹簧长期服役温度一般不应超过 150℃。
（3）无磁性 通常情况下，弹簧服役时对其有无磁性并无特殊要求，但在一些特定场合（如某些精密仪表中）安装的弹簧，为了避免磁力的干扰及保证其测量精度，要求弹簧必须没有磁性。
弹簧钢中合金元素的作用机理很复杂，很难用简洁的文字做出准确的描述。因此，仅对低合金弹簧钢中主要合金元素的作用进行概略的介绍。
（1）碳碳是弹簧钢中基本的强化元素，在钢中主要起固溶强化和弥散强化（和其他合金元素反应形成细小弥散分布的碳化物）作用，是弹簧钢中不可缺少的元素。碳素弹簧钢丝采用索氏体化冷拉工艺时。钢中碳的作用主要是影响片层状索氏体组织中片状碳化物含量及碳化物片的厚薄，为后续钢丝冷拉时抗拉强度的快速提高提供保证。采用淬回火热处理工艺时，碳主要起固溶强化作用，是保证其回火屈氏体组织具有良好强度和硬度的关键因素。
低合金弹箭钢中碳含量范围为0.47~0.70%少量板条马氏体加回火状态使用的汽车板簧用弹簧钢中碳含量范围为0.20~0.40%般较高的碳含量对钢的强度、硬度和弹性是有利的，但对钢的塑性和韧性是不利的。
（2）硅（Si） 硅不是碳化物形成元素。硅具有强烈的固溶强化能力，在钢中主要起固溶强化作用，并通过抑制渗碳体在回火过程中晶核的形成和长大，从而改变渗碳体的形态和分布，提高钢的抗松弛能力。在适量范围之内，硅含量越高，抗弹性减退能力越大，但硅有促使钢脱碳的倾向，且钢中硅和碳含量高到一定比例时，会出现石墨化现象，产生黑色断口。迄今为止，对钢中硅的更佳含量尚无统一观点，冶金产品实际控制范围大致在0.17%-60%
（3）锰（Mn）锰能提高钢的淬透性，有一定的固溶强化作用，但锰含量较高时会加大材料的热敏感性和回火脆性，淬火时开裂倾向亦较大。在弹簧钢产品中锰含量一般介于0.40%~1.00%间。
（4）铬（Cr）铬是弹簧钢中重要的合金元素，不但能显著提高钢的淬透性和抗氧化、抗腐蚀能力，还能提高其回火稳定性，有利于改善钢的强韧性。在钢中加入0.50% Cr 可使材料屈服强度提高 16%脱碳层深度减少 50%铬还能有效防止 Si-Mn弹簧钢球化退火时发生石墨化。铬对钢的抗松弛能力的影响比较复杂，当其含量低于0.70时，对钢的抗松弛能力没什么影响;大于0.70%，起负面作用。低合金弹簧钢中铬含量一部分介于0.50%~0.12%间;一部分不大于0.35%
（5）镍（Ni） 镍的价格昂贵，在弹簧钢冶炼过程中一般不主动添加镍元素，基本上以残余元素身份存在，只有极少数高品质弹簧钢中添加0.20~0.50%起改善韧性作用。
（6）钒（V）钒是强碳化物形成元素，在钢中形成细小弥散且硬度很高的 VC 可以细化钢的晶粒，提高钢的塑性、韧性和屈强比。弹簧钢中钒含量范围一般为0.10%.25%
（7）硼（B）、硼能显著提高钢的淬透性，主要用于生产截面较大的汽车板簧等大截面弹簧。其含量一般为0.0005%~0.0040%某些研究表明，添加微量的硼有利于提高钢的弹减抗力，这可能是由于硼固溶于钢中时偏聚产生位错，钉扎位错使其不易移动的结果。
（8）钨（W）钨在弹簧钢中的作用主要是提高钢的淬透性和耐热性能及细化晶粒，使弹簧在较高温度下仍能保持高的强度和弹性。低合金钢中钨含量一般为0.05%~0.25%或0.80%~0.20%。
（9）钼（Mo） 钼是强碳化物的形成元素，主要是和钢中碳反应，在钢中形成细小弥散的碳化物微粒，起到二次硬化的作用。钼含量一般为0.05%~0.25%或0.20~0.75%。
研究表明，钢中夹杂物是制约弹簧疲劳寿命的主要因素之一，提高夹杂物控制水平因而成为弹簧钢生产者的主要研究课题之一。在这种背景下，"超纯净弹簧钢"的概念在治金行业和弹簧行业流行起来。
从炼钢装备的角度来看，国内外钢厂水平相当，关键的问题是国内钢厂由于起步较晚，尚未完全掌握夹杂物变性生产工艺，其成品夹杂物控制水平不稳定。此外，以从社会上回收的废钢为原料的特钢厂，在生产低合金弹簧钢时，其有害成分也不易控制。基于这两个原因，国产低合金弹簧钢的纯净度控制水平参差不齐，与国外先进水平相比尚有差距。
（1）炼钢 因为大颗粒夹杂物周围容易产生疲劳裂纹，所以超纯净弹簧钢中夹杂物的大小、数量和分布等控制十分严格，必须呈细小、弥散状态分布。除了允许一定数量的直径在5μm以下夹杂物之外，直径5～15μm 之间的夹杂物的量要严格控制，不允许出现15μm 以上的较大颗粒夹杂物。
若要达到这一要求有两种冶炼方法可以选用∶一是超低氧加超低氮化钛生产工艺;二是夹杂物变性生产工艺。
夹杂物变性工艺是将钢中氧含量控制在一定范围11～25×10-6内，采用特殊合成渣，使铝生成的夹杂物由高熔点的 Al，O3、CaO-Al，O、和 MgO-Al，O、转变为低熔点易变形的CaO-Al，03-SiO2-MgO复合物。目前钢厂主要采用这种冶炼方法，再辅以铝含量很低的铁水或废钢及改变钢包耐火材料的成分等措施，生产超纯净合金弹簧钢。
（2）铸造 国外钢厂一般采用300mm ×400mm 以上的大方坯连铸，并在拉坯过程中增加了火焰清理工序，以减少连铸坯的表面缺陷。国内钢厂近几年连铸装备水平提高很快，除少数钢厂受投资所限仍采用160mm×160mm 方或150mm ×150mm 方小方坯连铸或模铸外，大部分钢厂实现了300mm×400mm 以上的大方坯连铸，但一般缺少拉坯过程中火焰清理工序。小方坯连铸生产工艺的优势是节能，如果采用短流程技术则更节能，但控制产品表面质量难度较高，且偏析问题尚无有效解决办法。
模铸已是落后工艺，其头、尾料的偏析较小方坯更严重。例如;采用模铸法生产的φ8.0mm60Si2MnA和φ10.5mm55SiCrA 热轧线材，在制品厂拉拔道次中出现了断裂，经分析表明，是由于弹簧钢线材心部存在严重的成分偏析，造成组织异常引起的。
（3）控轧控冷 目前，控轧控冷技术已在国内轧钢厂普及应用，盘条质量因此有了质的飞跃。与国外先进水平相比、尺寸、公差和圆度等指标水平大体相当，但脱碳层、索氏体化率等指标还有较大差距。日本神户制钢和新日铁等公司能够保证线材表面无全脱碳层，部分 脱碳层深度也仅有线材直径的0.6%下，而国内钢厂生产的弹簧钢线材表层全脱碳现象难 以完全避免、时有出现，有时还很严重，厚度高达0.06mm。另外，线材的索氏体率也忽高忽低，导致钢材塑性不匀。
冷拔强化碳素钢丝是弹簧制造业普遍采用的制簧材料。 主要应用于工作应力。精度均要求高的螺旋弹簧及冲压件弹簧等。它用热轧盘条经热处理后或直接用盘条通过冷拔的方式形成材料的加工硬化，从而满足弹簧的基本力学性能。同时，通过冷拔加工，材料的几何形状更加规整、尺寸波动大大降低、表面状态更好，卷簧性能比热轧材料明显改善。
一般承受静载荷或用于非重要用途的弹簧钢丝，可以用热轧盘条直接冷拔而成。热轧盘条直接拉拔而成的钢丝，因受盘条性能影响较大，钢丝的性能指标波动较大，因此不适宜生产一些要求较严格的弹簧钢丝。
热处理采用的工艺有退火、正火、索氏体化处理等多种方式，而公认为效果更好的方式是索氏体化处理，英语称为"Patenting"。索氏体化处理除了可以均匀化学成分、细化晶粒之外，还能把金相组织改变成最有利于拉拔加工的索氏体，因而被广泛应用于钢丝生产中。
碳素弹簧钢丝适用于制造静载荷和动载荷用机械弹簧，是选用碳素钢盘条经索氏体化后冷拔强化而成，执行标准为GB/T4357《冷拉碳素弹簧钢丝》。钢丝按照抗拉强度分为低抗拉强度、中等抗拉强度和高抗拉强度三个等级，分别用符号L、M、H代表。按照弹簧载荷特点可将载荷分为静载荷和动载荷，分别用符号S和D代表。
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具有重要用途的碳素弹簧钢丝一度被称为琴钢丝，但琴钢丝这一称谓所指的并不是琴弦用钢丝或钢琴用钢丝，琴用钢丝执行的标准是 YB/T5218—1993《乐器用钢丝》。我国的琴 钢丝标准始于GB 4358—1984《琴钢丝》，该
标准等效采用日本标准JIS G 3522—1991《琴钢丝》。1995年按我国国情相关组织将 GB 4358—1984 修订为GB/T4358—1995《重要用途碳素弹簧钢丝》，该标准于 2006年、2010年两次修订，现行标准为 YB/T中 5311—2010
《重要用途碳素弹簧钢丝》。日本现行琴钢丝标准为 JIS G3522—2014《琴钢丝》。
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