彈簧鋼向高強(qiáng)度發(fā)展是當(dāng)前彈簧鋼生產(chǎn)和應(yīng)用中表現(xiàn)出來(lái)的趨勢(shì)。在日本，汽車、摩托車所用彈簧占彈簧鋼生產(chǎn)總量的64.9%，從節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，要求汽車、摩托車減重，而減輕彈簧重量是這兩個(gè)行業(yè)減重的一個(gè)重要方面，由此提出了開發(fā)新型高強(qiáng)度彈簧鋼的要求。國(guó)內(nèi)外近年來(lái)開展了大量的研究工作，以期進(jìn)一步提高彈簧鋼的強(qiáng)度水平和使用壽命。

　　高強(qiáng)度彈簧鋼的現(xiàn)狀

　　汽車、摩托車用彈簧鋼可分懸架用彈簧鋼和氣門彈簧用彈簧鋼。

　　1. 懸架彈簧鋼

　　懸架用的彈簧可分為螺旋彈簧、鋼板彈簧和扭桿彈簧。由于減小汽車、摩托車自身質(zhì)量的要求，使得懸架各類彈簧的設(shè)計(jì)應(yīng)力大幅度提高，尤其是變截面板簧的發(fā)展，不僅要求板簧在高應(yīng)力下具有高的疲勞壽命，同時(shí)也要求板簧工作可靠并具有高的淬透性。目前彈簧鋼的主要系列為Si－Mn系、Cr－Mn系、Cr－V系和Si－Cr系。Si－Mn系彈簧鋼是用量最大的彈簧鋼，以牌號(hào)60Si2Mn用量最大，在熱軋彈簧鋼中占總量的30%左右。對(duì)于淬透性要求較高的鋼種，有的采用55SiVB鋼，如EQ140汽車板簧等，但近年來(lái)由于其價(jià)格和交貨硬度偏高，用量在下降。而大截面板簧和變截面板簧，多采用Cr－Mn鋼和Cr－V鋼系，對(duì)于厚度較大的變截面板簧則采用60CrMnB鋼制造，如東風(fēng)EQ153汽車變截面板簧就是用該鋼制造的。

　　懸架彈簧經(jīng)冷、熱成形后，均需熱處理。通常根據(jù)彈簧截面的大小選擇淬透性合適的鋼種，一般認(rèn)為截面的中心應(yīng)能達(dá)到80%的馬氏體，彈簧才會(huì)具有較高的疲勞性能和沖擊韌度，因此，淬透性是彈簧鋼的重要指標(biāo)。淬透性的高低決定了該類彈簧鋼所能夠制成的板簧的最大厚度。

　　在轎車上的螺旋懸架應(yīng)用較多的是Si－Cr系彈簧鋼(如美國(guó)SAE9254)。這類鋼的抗回火穩(wěn)定性好，松弛抗力高，疲勞壽命較理想，但在一些微型車上，懸架螺簧也常用60Si2Mn或50CrVA鋼。

　　扭桿彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有利于車輛整體布置，在一些轎車和輕型車上應(yīng)用，也有在重型軍用車上應(yīng)用的，如法國(guó)貝利埃軍用車上的扭桿彈簧就用45SCD6、45MB5等。大截面高應(yīng)力下則選用35NCD16、在CA6440和CA1020F上曾選用45CrNiMoVA鋼作扭桿彈簧，后來(lái)已被價(jià)格更低的鋼種替代。

　　懸架彈簧都要經(jīng)過淬火和回火，熱處理后的硬度是彈簧使用時(shí)的強(qiáng)度表征，也可通過硬度值估算彈簧鋼的彈性極限和疲勞強(qiáng)度。淬火和回火硬度在500HBS以下時(shí)，硬度和疲勞強(qiáng)度呈線性關(guān)系，但硬度高時(shí)，會(huì)使彈簧鋼的缺口敏感性增強(qiáng)，剛度和塑性下降。鋼中的夾雜物和表面的缺陷都會(huì)成為疲勞裂紋源增加早期失效的危險(xiǎn)。通常板簧的硬度在363～457HBS，螺旋懸架彈簧硬度在427～514HBS，扭桿懸架彈簧硬度在401～495HBS之間變動(dòng)。

　　疲勞是懸架彈簧的重要特征，目前的幾個(gè)系列，如Si－Mn系、Cr－Mn系及Cr－Mn－B系等，在強(qiáng)度級(jí)別相同、組織均為細(xì)密的回火托氏體的情況下，其鋼材的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能并無(wú)明顯差異，但制成懸架彈簧之后，由于受冶煉條件、彈簧制造工藝、表面質(zhì)量及附加強(qiáng)化工藝的影響，作為懸架彈簧的疲勞壽命可能會(huì)表現(xiàn)出明顯差異。

　　2.氣門彈簧鋼

　　氣門彈簧工作時(shí)承受高頻交變負(fù)荷，一般發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)2000～5000r/min，氣門彈簧的平均剪應(yīng)力在500～800MPa，高則達(dá)到900～1000MPa，要求氣門彈簧具有高的疲勞極限。另一方面氣門彈簧在150～200℃的潤(rùn)滑油環(huán)境下工作，因此希望具有一定的耐熱性，并希望對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排出氣體具有良好的抗腐蝕性能。

　　目前，氣門彈簧用材料大部分為油淬鋼絲。油淬鋼絲的性能均勻性好，硬度和強(qiáng)度范圍較為一致，在冷卷成形后，只需進(jìn)行消除應(yīng)力回火。目前，這類鋼絲已列入世界各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。另一類是退火狀態(tài)供應(yīng)的彈簧鋼絲，這種彈簧鋼絲要經(jīng)繞簧、淬火和回火以達(dá)到所需的性能，然后進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理。目前，氣門彈簧鋼絲的牌號(hào)為Si－Mn系、Cr－V系、Si－Cr系，以60Si2Mn、50CrV、55SiCr等鋼種為多。

　　彈簧鋼的高強(qiáng)度化和發(fā)展趨勢(shì)

　　當(dāng)今彈簧鋼的發(fā)展趨勢(shì)是向經(jīng)濟(jì)性和高性能化方向發(fā)展。國(guó)外現(xiàn)有彈簧鋼牌號(hào)比較齊全，力學(xué)性能、淬透性和疲勞性能等基本上可以滿足目前的生產(chǎn)和使用要求。一方面是充分發(fā)揮現(xiàn)有彈簧鋼的潛力，如改進(jìn)生產(chǎn)工藝、采用新技術(shù)對(duì)成分進(jìn)行某些調(diào)整等，進(jìn)一步提高其性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，如針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)用高性能氣門彈簧而提出的超純凈彈簧網(wǎng)；另一方面是進(jìn)行新鋼種的研究開發(fā)，由于影響提高彈簧設(shè)計(jì)應(yīng)力的兩個(gè)最主要因素是抗疲勞和抗彈性減退，因而這兩個(gè)因素成為當(dāng)今彈簧鋼鋼種研究開發(fā)的主題。如日本近年來(lái)開發(fā)出UHS1900、UHS2000、ND120S等耐腐蝕疲勞的高強(qiáng)度彈簧鋼和SRS60、ND250S等彈減抗力優(yōu)良的高強(qiáng)度彈簧鋼，附表是近年來(lái)日本研究開發(fā)的幾種高強(qiáng)度彈簧鋼，值得注意的是，高強(qiáng)度彈簧鋼新鋼種的開發(fā)，必須在提高鋼的力學(xué)性能和應(yīng)用性能的同時(shí)兼顧其經(jīng)濟(jì)性，才能被廣大用戶所接受。

　　我國(guó)常用鋼材牌號(hào)為Si－Mn系，如55SiMnVB、55Si2Mn、60Si2Mn以及近年發(fā)展起來(lái)的低碳彈簧鋼，如28MnSiB、35MnSiVB等，在我國(guó)彈簧鋼標(biāo)準(zhǔn)中也有Cr－Mn系和Cr－V系，但由于我國(guó)資源情況，其價(jià)格較貴。另外還有高強(qiáng)度彈簧鋼55SiMnVB鋼，該材料短缺且其價(jià)格也較貴，不利于工業(yè)批量生產(chǎn)。

　　中低碳彈簧鋼35MnSiB是近來(lái)研制的高強(qiáng)度彈簧鋼，其軋制成材率高，脫碳層易于控制，加工性能好，具有淬透性高、抗淬火開裂能力強(qiáng)、強(qiáng)韌性匹配好、沖擊韌度和斷裂韌性高、松弛抗力適中等優(yōu)點(diǎn)，而且所制板簧還有自由偏頻低、平順性好的特點(diǎn)。同時(shí)，這類鋼由于碳含量下降，合金元素簡(jiǎn)單，可用頂吹轉(zhuǎn)爐冶煉，并且實(shí)現(xiàn)連鑄連軋，可以預(yù)測(cè)此類彈簧鋼應(yīng)用前景廣泛。對(duì)于松弛抗力較高的彈簧可進(jìn)一步提高中低碳彈簧鋼的碳含量，也可用強(qiáng)烈的碳化物形成元素補(bǔ)充合金化，而35MnSiVB鋼既有高淬透性，又有良好綜合力學(xué)性能，同時(shí)軋制工藝性能好，是一種新的有發(fā)展前途的板彈簧用鋼。

　　彈簧鋼高強(qiáng)度化的研究進(jìn)展

　　傳統(tǒng)彈簧鋼的強(qiáng)度水平難以滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求，眾所周知，彈簧鋼力學(xué)性能在材料質(zhì)量保證的前提下取決于熱處理工藝，而熱處理工藝也應(yīng)根據(jù)所用材料來(lái)決定，彈簧鋼高強(qiáng)度化的一個(gè)重要途徑是充分發(fā)揮合金元素的作用，達(dá)到最佳合金化效果。

　　1. 熱處理

　　彈簧鋼要求較高的強(qiáng)度和疲勞極限，一般在淬火＋中溫回火的狀態(tài)下使用，以獲得較高的彈性極限。熱處理工藝技術(shù)對(duì)彈簧內(nèi)在質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。因此，如何進(jìn)一步提高彈簧疲勞壽命，需進(jìn)一步研究，尤其是化學(xué)表面改性熱處理、噴丸強(qiáng)化等都對(duì)彈簧疲勞壽命產(chǎn)生重要影響。為進(jìn)一步強(qiáng)化氣門彈簧的表面強(qiáng)度、增加壓應(yīng)力、提高疲勞壽命，氣門彈簧成形后，要進(jìn)一步經(jīng)過滲氮、低溫液體碳氮共滲或硫氮共滲處理，然后經(jīng)噴丸強(qiáng)化。例如，日本將f4mm的Si－Cr油淬鋼絲經(jīng)450℃×4.5h低溫體碳氮共滲與經(jīng)400℃×15min中溫回火進(jìn)行對(duì)比，其疲勞極限可提高240MPa。氮的滲入，不僅消除了脫碳的不良影響，而且還提高了殘余壓應(yīng)力，同時(shí)經(jīng)滲氮和低溫液體碳氮共滲的氣門彈簧高溫強(qiáng)度提高，150℃時(shí)的變形量為0.2%(規(guī)定值為0.5%)，250℃的變形量為0.56%，提高了氣門彈簧的熱穩(wěn)定性和抗松弛穩(wěn)定性，但滲氮和液體碳氮共滲時(shí)間應(yīng)嚴(yán)格控制，否則會(huì)形成網(wǎng)狀硫化物和網(wǎng)狀氮化物，反而會(huì)降低其疲勞強(qiáng)度。

　　氣門彈簧提高強(qiáng)度的方法還可以選擇噴丸，經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐表面氣門彈簧噴丸可用兩種丸粒，一種直徑為0.8mm，其顯微硬度為720HV0.2，另一種直徑0.25mm，其顯微硬度為800HV0.2，三次噴丸可達(dá)到較好的強(qiáng)化效果，又可使表面質(zhì)量得到改善。

　　2. 合金化

　　碳是鋼中的主要強(qiáng)化元素，對(duì)彈簧鋼的影響往往超過其他合金元素。根據(jù)使用要求，彈簧鋼材料應(yīng)是中高碳的合金鋼。當(dāng)今世界各國(guó)普遍采用的彈簧鋼，含碳量絕大部分在0.45%～0.65%。

　　為了克服彈簧鋼強(qiáng)度提高后韌性和塑性降低的難題，也有降低碳含量的趨勢(shì)。我國(guó)對(duì)低碳馬氏體彈簧鋼進(jìn)行了深入的研究，如28MnSiB、35MnSiB等，其碳含量在0.30%左右。實(shí)踐表明，這些彈簧鋼可以在低溫回火的板條狀馬氏體組織下使用，有足夠強(qiáng)度和優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，尤其是塑性、韌性極好。日本研究開發(fā)的幾種高強(qiáng)度彈簧鋼，如UHS1900、VHS2000、ND120S、ND250S等，碳含量均在0.40%左右。

　　合金元素在彈簧鋼中的主要作用是提高力學(xué)性能、改善工藝性能及賦予某些特殊性能(如耐高溫、耐蝕)等。

　　很多彈簧鋼以硅為主要合金元素，它是對(duì)彈減抗力影響最大的合金元素，這主要是由于硅具有強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化作用；同時(shí)，硅能抑制滲碳體在回火過程中的晶核形成和長(zhǎng)大，改變回火時(shí)析出碳化物的數(shù)量、尺寸和形態(tài)，提高鋼的回火穩(wěn)定性。目前，國(guó)內(nèi)鋼材牌號(hào)中wsi為1.8%～2.2%，是現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中含硅最高的彈簧鋼。但硅含量如果過高，將促進(jìn)鋼在軋制和熱處理過程中的脫碳和石墨化傾向，并且使冶煉困難和易形成夾雜物，因此，過高硅含量彈簧鋼的使用仍需慎重。

　　由于鉻能夠顯著提高鋼的淬透性，阻止Si－Cr鋼球化退火時(shí)的石墨化傾向，減少脫碳層，因此是彈簧鋼中的常用合金元素，以鉻為主要強(qiáng)化元素的彈簧鋼50CrV使用較廣泛。

　　錳是提高淬透性最有效的合金元素，它溶入鐵素體中有固溶性化作用。研究表明，wMn必須大于0.5%，以使淬火時(shí)彈簧鋼心部完全較變?yōu)轳R氏體，但當(dāng)wMn超過1.5%時(shí)，韌性明顯下降，這在選擇彈簧鋼時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮的。

　　鉬可以提高鋼的淬透性，防止回火脆性，改善疲勞性能，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中加鉬的彈簧鋼不多，加入量一般在0.4%以下。

　　釩是強(qiáng)碳化物形成元素，固態(tài)下所析出的細(xì)小彌散的MC型碳化物具有很強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化效果。在35CrMnB鋼中加入0.11%V，可顯著提高鋼的淬透性，還發(fā)現(xiàn)釩能有效降低35SiMnB鋼的脫碳敏感性，認(rèn)為這與釩降低鋼中有效固溶碳、防止晶粒長(zhǎng)大和阻止晶界擴(kuò)散并提高抗氧化性有關(guān)。

　　冶金工業(yè)和汽車、摩托車工業(yè)的緊密結(jié)合和合作，不僅會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)彈簧鋼的高強(qiáng)度化，促使彈簧性能的全面提升，同時(shí)也為汽車、摩托車工業(yè)的發(fā)展、競(jìng)爭(zhēng)能力的提高提供了材料基礎(chǔ)，因此，值得大力關(guān)注。