中国弹簧材料的分析与现况

中国弹簧材料的分析与现况

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中国各行各业的弹簧应用技术的发展，对材料提出了更高的要求。主要是在高应力下的提高疲劳寿命和抗松弛性能；其次是根据不同的用途，要求具有耐蚀性、非磁性、导电性、耐磨性、耐热性等。为此，弹簧材料除开发了新品种外，另外严格控制化学成分，降低非金属夹杂，提高表面质量和尺寸精度等方面也取得了有益的成效。

1．提高材料纯度 对高强度材料，严格控制夹杂，提高纯度以保证其性能。如气门弹簧材料的含氧量，目前已达20-10-6级别。

2．改善表面质量 材料表面质量对疲劳性能影响很大。为了保证表面质量，对有特殊要求的材料采用剥皮工艺将表层0.1 mm厚的材料剥掉。对0.5mm深度的缺陷采用涡流探伤。对拔丝过程表面产生的凹凸不平，可用电解研磨，使表面粗糙降到Ra=6.5-3.4μm。

3．合金钢丝的发展 气门弹簧和悬架弹簧已广泛应用Si-Cr钢。为了提高疲劳寿命和抗松弛性能，在Si-Cr钢中添加V、Mo。同时开发了Si-Cr拉拔钢丝，其在高温下工作时的抗松弛性能，比琴钢丝好。随着发动机高速小型化，抗颤振性能好、质量轻、弹性模量小的Ti合金得到了较为广泛的应用，其强度可达2000MPa。

4．电镀钢丝的发展 在特殊情况下，除要求弹簧特性外，还要求耐蚀、导电等附加性能，大多均采用电镀工艺解决。

部分不锈钢丝和琴钢丝的耐蚀性能相当于镀锌的耐蚀性能，若再镀一层ZnAI（5%）的合金，则耐蚀性可提高约3倍。

对电阻性能有要求的不锈钢丝或琴钢丝，钢丝直径小于0.4mm的可镀铜，大于0.4mm的可采用内部是铜，外部是不锈钢材料。一般琴钢丝镀5μm厚的Ni，可提高其导电性。

一般来说，能使材料表面硬化形成残余应力的工艺（如喷丸强化和表面氮化等）均可提高疲劳强度。目前正在研究非电解镀Ni，通过加热（300500℃）可将7%的P以PNi析出，可提高维氏硬度达HV 500。喷丸后，若在300℃以下加热镀Ni，亦可提高硬度10％。

5．不锈钢丝的发展

(1)奥氏体组织不锈钢丝强度比铁素体组织的好，其耐蚀性也优于马氏体组织，因而应用范围不断扩大。

(2)低温拔丝或低温氮化拔丝可提高钢丝强度。马氏体受热时组织不稳定，而在低温液体氮中拔丝能形成隐针状马氏体，可获得热态高强度。此种钢丝在美国和日本已有不少应用，但目前只能处理1mm以下的钢。

(3)电子设备中的精密弹簧要求非磁性，此种钢丝在拉拔加工时，不能生成隐针状马氏体。为此要添加N、Mn、Ni等元素。为了满足这方面的需求，美国开发了AUS205（0.15C-17Cr-1Ni-15Mn-0.3N） 和YUS（0.17C-21Cr-5Ni-10Mn-0.3N）。由于Mn的含量增加，加工中不会生成隐针状马氏体。经固溶处理，强度可达2000MPa，疲劳性能高，优于SUS 304。

6．形状记忆合金的开发 目前在弹簧方面有应用前途的单向形状记忆合金，以50Ti-50Ni性能最好。形状记忆合金制成的弹簧，受温度的作用可伸缩。主要用于恒温、恒载荷、恒变形量的控制系统中。由于是靠弹簧伸缩推动执行机构，所以弹簧的工作应力变化较大。