根據彈簧的尺寸不同,成形與熱處理方法也不同。
1.冷成形彈簧
直徑較細或厚度較薄的彈簧一般應冷拉彈簧鋼絲或冷軋彈簧鋼帶制成。鋼絲可用60、70、65Mn、T7A、T8A和T9A等鋼。按GB/T4357-1989,碳素彈簧鋼絲分為B、C、D三組。B組抗拉強度在1080~2800MPa,用于一般低應力彈簧及其他用途;C組抗拉強度在1270~3140 MPa,用于中等應力彈簧;D組抗拉強度在1520~3240 MPa,用于高應力彈簧。同一組中,鋼絲直徑越細小,強度越高。
冷成形彈簧鋼絲按制造工藝不同可分為三類(lèi)。
①鉛浴等溫處理冷拉鋼絲
這種生產(chǎn)工藝的主要特點(diǎn)是,鋼絲在冷拉過(guò)程中經(jīng)過(guò)一定的快速等溫冷卻的工序,然后冷拉成所要求的尺寸。
以T8A鋼為例,先將正火態(tài)鋼絲酸洗,經(jīng)過(guò)三次冷拉拔,使總的拉拔量為50%,然后鋼絲以3.5m/min的速度經(jīng)過(guò)加熱爐,加熱到890~920℃奧氏體化溫度,在500~550℃的鉛浴中等溫分解成索氏體組織,然后經(jīng)多次拉拔至所需要直徑。
這類(lèi)鋼絲主要是60、70、65Mn牌號,最高強度可達3000 MPa以上,且有較高的塑性。用此類(lèi)鋼絲冷卷彈簧,只需在200~300℃下進(jìn)行去除應力回火,以消除應力并使彈簧定形。
摩托車(chē)減震彈簧φ6.0×φ35×280,材料是鉛浴淬火回火的55SiCrA鋼絲繞制,成型后經(jīng)250℃×2h低溫退火,使用強度達到1680MPa左右,硬度約為46-48HRC。
②油淬回火鋼絲
這類(lèi)鋼絲是指冷拔到規定的尺寸后,進(jìn)行油淬火和回火。鋼絲的抗拉強度不如鉛浴等溫處理冷拉鋼絲,但它的性能比較均勻一致,強度的波動(dòng)范圍較小,廣泛用于制造各種動(dòng)力機械閥門(mén)彈簧。這類(lèi)鋼絲冷卷成彈簧后,也只需進(jìn)行消除應力回火,不需再經(jīng)淬火回火處理。
如車(chē)輛上的柱塞彈簧、進(jìn)油針閥彈簧等,材料65Mn鋼。經(jīng)油淬回火處理的鋼絲,直徑0.8~1.5mm,在冷圈時(shí)均會(huì )產(chǎn)生冷作硬化,具有較高的強度,必須進(jìn)行消除應力回火,200~250℃×1h。而對于70鋼扭簧及拉簧,需再進(jìn)行端部的卷制加工,所以還要進(jìn)行第二次回火。第一次200~250℃×1h;第二次回火溫度180~200℃×1h空冷。
去應力回火的溫度要適當。溫度過(guò)低,不能充分消除應力;溫度過(guò)高,由于回火軟化作用,使抗拉強度和彈性極限降低。表1為幾種鋼絲冷卷彈簧后的去應力回火溫度范圍,時(shí)間一般為30~60min,時(shí)間過(guò)長(cháng)也不能使性能改善。
③ 退火狀態(tài)供應的合金彈簧鋼絲
用這種鋼絲制成的彈簧都需要淬火回火處理,才能達到所需要的力學(xué)性能。這類(lèi)鋼絲有50CrVA鋼絲、60Si2Mn鋼絲和55SiMnB鋼絲等。
2.熱成形彈簧
彈簧鋼絲直徑或彈簧鋼板厚度大于10~15mm的螺旋彈簧或板彈簧,一般在加熱淬火時(shí)成形。彈簧的制造工藝大致如下(以板簧為例):扁鋼切斷→加熱到淬火溫度壓彎后專(zhuān)用夾具夾持直接淬火+中溫回火→噴丸→裝配。此時(shí)的淬火溫度比平常高出50~80℃,成形后利用余熱立即淬火,也可在鹽浴爐中加熱,在油中冷至100~150℃時(shí)即可取出進(jìn)行中溫回火?;鼗饻囟雀鶕椈傻氖褂眯阅芤蠹右赃x擇,一般是在450-500℃范圍內,回火后的硬度大約在38~52HRC之間。板簧回火后的硬度為39~47HRC,螺旋彈簧回火后為44~50HRC,受剪切應力較大的彈簧回火后為47~52HRC。
某鋼鐵公司連鑄機滑動(dòng)水口彈簧,最高使用溫度500℃。圓柱螺旋彈簧線(xiàn)徑φ12.6mm、內徑φ116mm,耐高溫硬度為45-55HRC,材料30W4Cr2VA,用圓柱空心芯棒(材料:Q235)套住彈簧進(jìn)行加熱固定,使用設備B84T真空氣淬爐,先用850℃×120min對流預熱,提高低溫加熱均勻性,縮短加熱時(shí)間,縮小工件溫差,以減少淬火變形;再用1050-1070℃×70min真空加熱,升溫速率均采用10℃/min,加壓氣淬,氣淬壓力為5×105pa,把彈簧冷至約80℃左右出爐,如裝爐量大,可適當提高淬火壓力。必須及時(shí)回火,回火同樣在此真空爐中進(jìn)行,碳現象出現,檢測硬度48-51HRC。
彈簧的表面質(zhì)量對使用壽命影響很大,因為微小的表面缺陷(如脫碳、裂紋、夾雜、毛刺和斑疤等)即可造成應力集中,使彈簧的疲勞強度下降。為了提高彈簧的疲勞強度,在淬火和回火后可對彈簧進(jìn)行噴丸處理,以消除表面缺陷和由表面硬化產(chǎn)生的應力。試驗證明,采用噴丸處理后60Si2Mn鋼彈簧使用壽命提高5~6倍。
彈簧可進(jìn)行等溫淬火,主要用在熱處理機變形小以及希望獲得良好塑性及韌性的場(chǎng)合。當硬度相同時(shí),等溫淬火+中溫回火具有更高的塑性及韌性,不過(guò)彈性極限相應低些。
近年來(lái),彈簧鋼熱處理方面應用等溫淬火、形變熱處理等一系列新工藝,對其性能進(jìn)一步提高,取得了一定的成效,值得大力提倡。另外,彈簧在長(cháng)期應力作用下可能產(chǎn)生微量塑性變形,從而降低彈性和精度,這對要求很高的彈簧是不許可的。為解決這一問(wèn)題需對彈簧進(jìn)行“強壓處理”,即將彈簧加以壓力,使其各圈相互接觸保持24h,這一工序可使彈簧塑性變形預先發(fā)生,從而避免了在服役中出現塑性變形而影響彈性和尺寸精度。、
強壓處理方法有:①冷強壓處理,即在室溫下,強壓處理幾小時(shí)到幾十個(gè)小時(shí);②熱強壓處理,將強壓裝置放入溫度為一定的恒溫爐中,保持適當時(shí)間后,取出卸載并快冷到室溫;③磁場(chǎng)強壓處理,即將強壓彈簧裝置放入周?chē)写艌?chǎng)的浴爐中處理;④電強壓處理,即將強壓彈簧裝置放入兩極板間通電加熱較短時(shí)間后,取出快冷。經(jīng)強壓處理的彈簧不出現松弛率較大的第一階段,只出現松弛率較小的第二階段,這就有效地改善了彈簧的抗應力松弛性能,使彈簧工作10年的載荷損失率小于5%左右。