最后截稿的弹簧制造工艺学

弹 簧 制 造 工 艺 学（修订本） 中国机械通用零部件工业协会弹簧专业分会行业培训委员会 二0一一年八月中国机械通用零部件工业协会弹簧专业分会行业培训统编教材弹簧制造工艺学（修订本）前 言在中国机械通用零部件工业协会及弹簧专业分会领导的亲切关怀和热情指导下，在全行业各理事单位及会员单位的大力支持和积极参与下，行业培训统编教材弹簧制造工艺学（修订本）终于与大家见面了。这本教材的征求意见稿自二00八年十月面向全行业发行以来，受到了广大理事单位和会员单位的热情欢迎和高度关注，许多行业内享有盛誉的专家学者、企业领导、科技人员和培训学员们都纷纷提出了各类修改、补充的建议，尤其是机械工业职业技能鉴定指导中心弹簧行业分中心还于二0一0年七月在关于对部分“工龄较长、年龄较大”的弹簧工和弹簧检查工进行职业技能鉴定的实施办法中明确规定：弹簧制造工艺学（由弹簧专业分会行业培训委员会2008年编撰完成）可作为弹簧工初、中、高级工和弹簧检查工中、高级工的参考书目；并在同年十月份进行的首届弹簧工（中级工）职业技能鉴定考前培训中选用了本教材，同时结合本教材的使用为本教材的修改提出了许多宝贵的建议和意见。在大家的共同努力下，通过不断的修改和补充，本教材（修订本）才得以日臻完善。为此特向参加本教材编制、组稿、修改、使用等工作的各单位领导和有关人员表示最衷心的感谢和最诚挚的敬意！参加本教材编写和修改工作的主要人员有：第一章 弹簧的材料 郑州金属制品研究院 邱文鹏第二章 弹簧的设计计算 杭州弹簧有限公司 李和平国家弹簧产品质量监督检验中心 姜膺第三章 制造弹簧的常用设备 洛阳机床有限公司 张子路、常跃军盐城海旭弹簧有限公司 吴加宏第四章 弹簧制造工艺 上海中国弹簧制造有限公司 杨白桦杭州弹簧有限公司 董敏芳、姜晓炜山东联美汽车弹簧有限公司 孟宪芸、初振美扬州弹簧有限公司 孙建林大连弹簧有限公司 孙希发、戴玉田第五章 弹簧的热处理国家弹簧产品质量监督检验中心 姜膺浙江美力弹簧有限公司 屠世润第六章 弹簧的检验杭州弹簧有限公司 李和平济南时代试金仪器有限公司 张永立第七章 弹簧产品质量控制技术 杭州弹簧有限公司 李和平全书由中国机械通用零部件工业协会弹簧专业分会行业培训委员会主任委员单位杭州弹簧有限公司李和平同志统稿。为本教材热情提供相关资料并参与本教材讨论审阅工作的还有上海兴科机械设备有限公司郑新民、林炳辉，哈尔滨弹簧厂邢建平，南京弹簧有限公司孔令信、王敏，立洲集团厦门公司蔡茂盛、严世平等同志。参加本教材具体组稿工作及打印、编排、电子文档制作等工作的还有：杭州弹簧有限公司郑小凡、俞亚芬、曹颖等同志。另外，本教材在编写过程中，在一定程度上参考了原机械工业部农机工业局工人技术培训教材编写领导小组组织编写的弹簧制作工艺学（一九八八年版）。为此，在本教材（修订本）与大家见面的时候，行业培训委员会特向参加一九八八年版弹簧制作工艺学编写和编审工作的各位前辈（上海中国弹簧厂的项松年同志、石继宗同志、孙云秋同志；天津弹簧厂的肖椿霖同志、赵向善同志；洛阳拖拉机厂的姜增同志等）表示最衷心的感谢！本教材（修订本）根据中国机械通用零部件工业协会弹簧专业分会理事（扩大）会议精神，特向全行业各理事单位及会员单位采用电子邮件方式无偿发行，以进一步广泛征求大家的意见，继续修改、完善和提高，以适应行业培训工作的需要，并为行业推行职业技能鉴定工作、编写行业职业技能鉴定培训教材尽一份力量。中国机械通用零部件工业协会弹簧专业分会行业培训委员会二一一年四月三十日目 录前言绪论第一章 弹簧的材料第一节 机械弹簧对材料的要求第二节 弹簧材料的分类第三节 常用弹簧材料的化学成分第四节 弹簧材料的机械性能及其实验方法第五节 碳素弹簧钢第六节 合金弹簧钢第七节 油淬火弹簧钢丝第八节 特殊用途的弹性材料第二章 弹簧的设计计算 第一节 螺旋弹簧的主要几何尺寸和参数第二节 螺旋弹簧的机械图画法第三节 弹簧的特性线和刚度第四节 圆截面圆柱螺旋拉、压弹簧的负荷计算第五节 圆柱螺旋压缩和拉伸弹簧的受力分析第六节 圆柱螺旋拉伸弹簧的初拉力和初应力第七节 圆柱螺旋扭转弹簧第八节 弹簧的主要技术标准第九节 螺旋弹簧的设计第十节 不等节距螺旋弹簧第十一节 矩形截面螺旋弹簧第十二节 碟形弹簧第十三节 几种常用异形弹簧的计算第三章 制造弹簧的常用设备第一节 自动卷簧机第二节 自动卷簧机的基本结构和工作原理第三节 半自动卷簧车床和异形弹簧成形机第四节 热卷弹簧机第五节 磨簧机第六节 喷丸机第七节 冲床第八节 国外弹簧制造主要设备概况第四章 弹簧制作工艺第一节 各种弹簧的工艺流程第二节 车床卷簧及校正第三节 自动卷簧机卷簧第四节 弹簧端面的磨削及倒角第五节 喷丸处理及分析第六节 立定处理、强压（拉、扭）处理、加温强压（拉、扭）处理第七节 常用的弹簧防锈处理第八节 高精度弹簧制作、典型工艺第九节 多股弹簧及碟形弹簧的制作方法第十节 热卷弹簧的制作方法第五章 弹簧热处理第一节 钢加热和冷却时的组织转变第二节 弹簧的淬火与回火第三节 热处理设备第四节 碳素钢弹簧的热处理第五节 合金钢弹簧的热处理第六节 铜、不锈钢及弹性合金的热处理第七节 热处理常见缺陷及预防第六章 弹簧的检验第一节 概述第二节 产品的抽样第三节 原材料检验第四节 弹簧几何尺寸的检验第五节 弹簧负荷的检验第六节 弹簧喷丸质量和疲劳性能的检验第七节 弹簧热处理和表面处理的质量检验第八节 弹簧的无损检验第七章 弹簧产品质量的控制技术第一节 概述第二节 产品质量数据第三节 质量特性数据的统计分析第四节 过程能力指数第五节 过程质量控制的工具控制图第一章 弹簧的材料第一节 机械弹簧对材料的要求弹簧是一种利用材料弹性特点的机械零件，它的性能和材料的关系十分密切。根据弹簧的工作性能，要求材料必须具有充足的弹性，材料的弹性极限要足够高。同时，由于很多弹簧工作时承受交变载荷，它的变形量随载荷变化而变化，因此除要求材料具有高的弹性外，还要有高的疲劳强度，能经受长时期的交变载荷作用。弹簧的使用场合非常广泛，根据服役条件和工作环境的不同，对弹簧材料还要提出各种各样的特殊要求，例如要求弹簧材料具有耐腐蚀、耐热、耐低温、恒弹性、非磁性及良好的导电性等等。此外还要求材料具备优良的加工性能。总而言之，弹簧材料应具备加工容易，制造简便，性能稳定，价格低廉等特点。一、高的强度在通常情况下，材料的弹性极限与屈服强度成正比，即材料的屈服强度越高，它的弹性极限也越高。因此弹簧的设计者和制造者总是希望材料具有高的屈服强度。图1-1是典型的弹簧材料拉伸试验曲线，图中Rm是抗拉强度，Re是屈服强度。弹簧材料的Rm和Re较接近，如冷拔碳素钢丝的Re约为Rm的90%左右。由于抗拉强度比屈服强度容易测得，在材料的交货中提供的都是抗拉强度数据，故在设计和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、热处理状况及冷加工程度等许多因素有关。通常热加工卷制的弹簧材料，它的抗拉强度与热处理的关系较为密切；冷加工卷制的小型弹簧材料，材料的冷变形程度对抗拉强度的影响较大。抗拉强度与疲劳强度之间也有一定的关系，一般来说，当材料的Rm在1600N/mm2以下时，其疲劳强度随着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如下关系：-1（0.350.55）Rm式中-1材料在对称循环下的疲劳强度。图 1-1 弹簧钢的拉伸试验曲线二、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弹簧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过程中，弹簧材料均不得出现裂纹、折叠等缺陷。同时弹簧在承受冲击载荷或变载荷时，良好韧性对提高弹簧的使用寿命会有明显效果。三、优良的表面状态和疲劳性能内燃机气门弹簧和压缩机的阀门弹簧、油泵柱塞弹簧和汽车、摩托车的悬架弹簧等，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、表面质量和金相显微组织等等，重要的是材料的表面质量。材料的表面缺陷，如裂缝、折迭、鳞皮、锈蚀、凹坑、划痕和压痕等等，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分首先发生。为了提高弹簧材料的表面质量，可以采用多种方法，如对材料的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的表皮，这样可以将大部分的表面缺陷去掉。采用剥皮工艺的钢丝常常用于制造要求较高的弹簧，如气门弹簧、油泵弹簧等。汽车悬架弹簧也有用磨光的棒料来制造。四、严格的尺寸精度许多弹簧对负荷精度有较高的要求，例如气门弹簧的负荷偏差不得大于规定负荷的56%。以具有圆截面的拉、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。五、对材料的通条性要求对材料的通条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。对一批材料或一捆钢丝，要求它的化学成分及物理、力学性能变化很小。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，严重的材料不均匀性甚至会造成废品。在实际生产时，不论何种卷簧机卷绕，都希望同一批材料卷绕出的弹簧几何尺寸稳定，长度、直径、节距偏差很小。因此要求材料的软硬要一致，卷制弹簧后的回弹量相同（回弹是指卷绕后放松时所产生的直径增大现象，见图1-2所示）。此外还要求钢丝平整度好、没有不规则的翘曲现象、一捆钢丝打开后不得散乱、扭转或呈“”字型。对弹簧材料表面还需要采取防锈蚀措施，如涂防锈油或采取镀铜和镀锌等表面处理。这些镀层既能防护材料的锈蚀，卷簧时又能起到润滑作用。六、对弹簧的特殊要求除以上的几项要求外，在特殊场合下使用的弹簧，对材料还需提出特殊的要求耐蚀性、耐高温和良好的导电性能等。化工、石油和船舶等工业部门所用的弹簧通常在潮湿或腐蚀介质的情况下工作，要求弹簧材料应具有较高的抗腐蚀能力，此时可采用耐腐蚀性能较好的铜合金材料或不锈钢材料。原子能、航空、兵器等工业部门的一些弹簧，要求能在较高的工作温度下服役，例如燃气轮机中的喷油器弹簧，其工作温度高达200500。在这种条件下工作的弹簧材料往往要求具有低的弹性模量温度系数和高的持久强度。这时，需采用特殊用途的弹簧材料。一些电气和电工仪表上的弹簧和弹性元件，需要有良好的导电性能，常采用铜合金材料制造。七、脱碳对疲劳性能的影响承受交变载荷的弹簧，在交变应力的作用下，材料的表面受到最大的应力，首先形成疲劳源。一般来说，弹簧从开始工作到形成疲劳源，这段时间要占整个使用寿命的80左右，一旦疲劳源形成后裂纹就会很快扩展并导致弹簧的断裂。因此，要提高弹簧的使用寿命，首先必须从防止形成疲劳源方面着手。脱碳会使弹簧承受应力最大的表面部位形成一层强度很低的脱碳区，疲劳源往往在此区域形成，从而造成弹簧的疲劳断裂。故对弹簧材料来说，脱碳层深度是一个很重要的质量指标，阀门用的弹簧钢丝脱碳层一般都必须限制在材料直径的1%以下。图 1-2 有芯卷簧时的回弹现象a）放松前簧丝贴紧芯轴 b）放松后簧丝发生回弹第二节 弹簧材料的分类一、按化学成分分类弹簧材料大致可以分为下列几大类：弹簧材料按材质可以分为金属和非金属两大类，机械工程中大量采用的是金属弹性材料。金属弹性材料中又根据材料中的主要金属元素成分分为几种不同的种类，其中弹簧钢是使用量最大，使用范围最广的弹簧材料。弹簧钢中，碳素弹簧钢和合金弹簧钢都是以铁为主要成分，合金弹簧钢中还适当地添加了锰、硅、铬、钒、钨、钼、铌、硼等合金元素，以得到所需要的性能。二、按交货状态分类相同化学成分的弹簧材料可以有不同的交货状态，例如按钢材的轧制方法不同，可以分为热轧弹簧钢和冷轧弹簧钢两种。热轧钢的尺寸精度和表面质量都不及冷轧钢。热轧弹簧钢一般截面尺寸较大，如圆钢棒材的直径最大可达80。冷轧弹簧材料根据加工和热处理方法的不同又可分为下列几种不同交货状态。1、退火状态这种材料在弹簧成形后需要进行淬火和回火处理，工艺比较复杂，弹簧在热处理过程中也容易变形。它的优点是加工容易，特别适用于卷绕旋绕比很小的弹簧，如喷油器调压弹簧和某些需要进行冲压的弹簧（如碟形弹簧等），其价格也比较便宜。2、索氏体化状态经过铅浴等温冷变形（索氏体化处理）的材料俗称为铅淬冷拔钢丝，具有很高的强度。如1mm直径的弹簧钢丝，其抗拉强度可达到3000N/mm2左右。琴钢丝就是用这种方法制造的。弹簧成形后只需进行消除应力回火即可使用，因此可以简化工艺，缩短生产周期。目前，这种交货状态的材料已大量用于制造弹簧，产量占冷轧弹簧材料之首位。它的缺点是抗松弛能力较差，使用温度只能在120以下。3、淬火回火状态材料交货时已经过淬火和回火处理。国内简称油淬火钢丝，国外则通称为油回火钢丝(Oil tempered steel wire)。弹簧成形后同样不用淬火，只需进行消除应力回火，而且抗松驰性优于铅淬冷拔钢丝，不足之处是成本较高。4、冷变形状态这类材料在供货时已经过反复多次的冷变形，对材料进行了强化。这些材料都必须是主要一些无法通过热处理方法强化的弹簧材料，如奥氏体不锈钢和某些铜合金等。5、固溶冷变形状态这类材料大都是作特殊用途的弹簧材料，弹簧成形后可以通过时效处理进一步提高材料的强度水平，这些材料一般都含有较高的合金元素，价格较贵。三、按材料截面分类弹簧材料按型材截面分类，大致可分为圆形、方形、矩形、梯形、菱形、椭圆形、卵形、扁钢、板材、带材等等，其中以圆截面和扁钢的使用最多，绝大部分的螺旋弹簧使用的都是圆截面材料，而扁钢则主要用于制造板弹簧。矩形、方形和梯形截面的弹簧材料主要用于制造刚度大而装配又很紧凑的弹簧，如兵器和模具上使用的一些弹簧。菱形截面的材料主要用于制造与螺丝或螺钉配合使用时的弹簧，如螺纹丝套。带材和板材主要用于制造涡卷弹簧、碟形弹簧、片弹簧、恒力弹簧等。而近几年在气门弹簧上已开始采用椭圆形、卵形、“D”形等异型截面钢丝。也有使用变截面和中空的材料来制造弹簧的。四、按弹簧制造工艺分类按弹簧制造工艺分类，可分为热卷弹簧钢丝和冷卷弹簧钢丝两类。热卷弹簧钢丝的直径一般在14mm以上，材料要通过加热卷制成弹簧，表面质量要求较低。冷卷弹簧钢丝则是在室温下直接卷制成形的。随着弹簧制造工艺的不断完善，原采用热卷成形的弹簧许多都已改成冷卷成形。第三节 常用弹簧材料的化学成分常用弹簧材料中大部分是碳素弹簧钢，其化学成分中除含有铁以外还含有一定量的碳，还有一部分碳素弹簧钢具有较高的含锰量，称为高锰碳素弹簧钢，典型的有65Mn。合金弹簧钢和一些特殊用途的弹簧材料，则是在碳素钢的基础上添加了一定量的合金元素，从而使材料具有碳素弹簧钢所没有的优良性能，如高的弹性极限、良好的淬透性和耐腐蚀性等等。各种合金元素在弹簧材料中的作用如下所述：碳（C）是钢中重要的化学元素。碳素弹簧钢的含碳量在0.600.90%之间，合金弹簧钢的含碳量在0.450.75%之间。含碳量越高，钢的硬度和强度越高，但塑性降低，脆性增加。钢的含碳量与硬度的关系见图1-3。硅（Si）在碳素钢中的含量通常不超过0.4%，它是作为冶炼过程中的脱氧剂而加入钢中的。含硅的合金弹簧钢其硅的含量在1.42.8%之间。由于硅能溶于铁素体中，从而能提高钢的强度和屈强比（Re/Rm）。硅还能提高钢的淬透性和耐热性能。但弹簧钢中的含硅量不能过高，否则会造成钢的晶粒粗化，增加石墨化倾向。锰（Mn）能有效地提高钢的淬透性，它和硅都是我国弹簧钢中的主要添加元素，一般加入量为1%左右。锰的缺点是脱碳倾向较大，容易过热。图1-3 钢的含碳量与硬度的关系铬（Cr）能提高钢的淬透性，细化晶粒，是制造高疲劳性能的弹簧所用合 金钢中的重要合金元素之一，当铬的含量达到13%以上时，具有很好的防腐蚀能力，是制造不锈钢中的主要添加元素。镍（Ni）是我国资源较少的元素，一般弹簧钢中很少使用，它是奥氏体不锈钢的主要成分之一，与铬一起加入钢中，对于某些特殊用途的弹簧材料，如GH145（InconelX-750）、GH169 (Inconel718)来说，镍也是其中的主要成分之一。由于含镍的弹簧材料价格较贵，因此在能满足使用性能的前提下尽量不用。钒（V）是强碳化物元素，和碳能结合成熔点很高的碳化钒。钒在弹簧热卷和热处理过程中能起到细化晶粒的作用，合金弹簧钢中钒只需加入很少量，其细化晶粒的作用就已十分明显。如合金弹簧钢中的50CrVA的含钒量仅为0.10.2%。钨（W）主要作用是提高钢的淬透性和耐热性能，使弹簧在较高的温度下仍能保持高的强度和弹性，钨还能细化晶粒，如常用的弹簧材料65Si2MnWA，其淬透性、耐热性能都优于50CrVA。钼（Mo）的作用和钨类似，钼还能消除硅锰钢中的第二类回火脆性。近年来，我国新发展的一些弹簧钢，如55SiMnMoV、55SiMnMoVNb都含有钼。硼（B）能大大提高淬透性。 加入极微量的硼（十万分之几），作用就极为明显。如55SiMnMoVB中加入了0.0010.0035%的硼以后淬透性有明显的提高。在某些耐高温的合金弹簧材料中加入了硼，能增加材料的持久强度，如GH132（A-286）中便含有0.0010.01%的硼。铝（A1）、钛（Ti）、铌（Nb）主要添加在弹簧用不锈钢或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、钼等组成沉淀硬化相，起到沉淀强化作用。钴（Co） 是恒弹性材料，钴在3J21、3J22中作为主要添加元素，能使弹簧材料获得高的弹性极限，低的非弹性效应，并且弹性模量温度系数也很小。钴是贵重的合金元素，除非必要，一般不轻易使用。铜（Cu）常作为铜合金中的基体元素与其它添加元素组成铜合金弹性材料。如与锡（Sn）、磷（P）组成锡磷青铜，与硅、锰组成硅青铜，与铝组成铝青铜，与铍（Be）组成铍青铜等。以铜镍为主的蒙乃尔弹性合金有良好的耐腐蚀性能。铍（Be）主要是加入铜中组成铍青铜。铍青铜有优良的弹性性能，但铍有毒，且价格也很贵，故铍青铜只有在十分必要时才使用。上述各种合金元素可以单独添加，也可以几种元素一起添加，几种元素一起添加所起的作用要远大于每种元素可以单独添加所起作用的叠加，所以现在新研制的弹簧钢，在合金元素方面，都倾向于采用少量多元的办法。如55SiMnMoVNb，55SiMnVb，55SiMnMoV等钢种，都同时含有45种合金元素。钢中除了以上这些有益元素外，还不可避免地存在一些有害的杂质。如硫（S）、磷（P）等。这些杂质会降低钢的塑性和韧性，增加脆性，形成夹杂物，严重地降低弹簧的寿命。所以要求这两种有害元素在钢中的含量越少越好。根据规定，优质钢中硫和磷的含量不能超过0.040%，高级优质钢（牌号后面标有“A”者即表示高级优质钢），硫的含量不能超过0.030%，磷的含量不能超过0.035%。但例外的是有些铜合金中加入了0.10.4%的磷以后，可以提高其弹性。一、碳素钢和合金钢的化学成分我国常用碳素弹簧钢和合金弹簧钢的化学成分见表1-1所列。GB/T12222007是弹簧钢的标准。表1-1 常用碳素弹簧钢和合金弹簧钢的化学成分（GB/T1222-2007）序号统一数字代号牌号bCSiMnCrVWBNiCuaPS不大于1U20652650.62-0.700.17-0.370.50-0.800.250.250.250.0350.0352U20702700.62-0.750.17-0.370.50-0.800.250.250.250.0350.0353U20852850.82-0.900.17-0.370.50-0.800.250.250.250.0350.0354U2165365Mn0.62-0.700.17-0.370.90-1.200.250.250.250.0350.0355A7755255SiMnVB0.52-0.600.70-1.001.00-1.300.350.08-0.160.0005-0.00350.350.250.0350.0356A1160260Si2Mn0.56-0.641.50-2.000.60-0.900.350.350.250.0350.0357A1160360Si2MnA0.56-0.641.60-2.000.60-0.900.350.350.250.0300.0308A2160360Si2CrA0.56-0.641.40-1.800.40-0.700.70-1.000.350.250.0300.0309A2860360Si2CrVA0.56-0.641.40-1.800.40-0.700.90-1.200.10-0.200.350.250.0300.03010A2155355SiCrA0.51-0.591.20-1.600.50-0.800.50-0.800.350.250.0300.03011A2255355CrMnA0.52-0.600.17-0.370.65-0.950.65-0.950.350.250.0300.03012A2260360CrMnA0.56-0.640.17-0.370.70-1.000.70-1.000.350.250.0300.03013A2350350CrVA0.46-0.540.17-0.370.50-0.800.80-1.100.10-0.200.350.250.0300.03014A2261360CrMnBA0.56-0.640.17-0.370.70-1.000.70-1.000.0005-0.00400.350.250.0300.03015A2730330W4Cr2VA0.26-0.340.17-0.370.402.00-2.500.50-0.804-4.50.350.250.0300.030二、弹簧用不锈钢和铜合金材料弹簧用不锈钢的化学成分应符合GB43562002不锈钢技术条件的规定。常用的牌号中马氏体不锈钢有3 Cr13、4 Cr13，1 Cr17Ni2等。奥氏体不锈钢有1 Cr18Ni9，1 Cr18Ni9Ti等；沉淀硬化不锈钢有0Cr17Ni7A1、0Cr15Ni7Mo2A1等。化学成分见表1-11。铜及铜合金线材的选用可按GB/T 216522008铜及铜合金线材进行。用于制造弹簧的主要材料有锡青铜如QSn6.5-0.1, QSn6.5-0.4；无锡青铜如QSi3-1，铝青铜QA17及铍青铜如QBe2等。其化学成分见表1-17和表1-18。三、弹簧钢牌号命名的方法根据钢的命名原则，碳素弹簧钢和低合金弹簧钢前面的二位数字为含碳量，表示这种材料平均含碳量的万分之几。例如70钢，它的平均含碳量是万分之七十即0.70%。50CrVA，它的平均含碳量是万分之五十即0.50%，以此类推。钢中的合金元素是以该元素的化学符号表示，当这种元素的平均含量小于1.5%时，只标出该元素的符号，不标数字。含量大于或等于1.5%而小于2.5%时，除标出合金元素符号外还标数字“2”，表示该元素平均含量为2，以此类推，如50CrVA表示合金元素铬和钒的平均含量都小于1.5，60Si2MnA表示合金元素Si的平均含量为2%左右，Mn的平均含量为1%左右。弹簧用的不锈钢，合金元素的命名方法同上，但含碳量是以平均含量的千分之几来表示的，如1Cr18Ni9Ti的平均含碳量为千分之一左右，而不是万分之一。当含碳量小于0.09%，前面标以阿拉伯数字“0”，如0Cr17Ni7Al。铜合金弹簧材料的命名方法是青铜以“Q”表示，“Q”后面的化学符号表示主要的添加元素名称，后面一组或二组数字中，前面一组数字表示主要添加元素的平均百分比含量，如QSn6.5-0.1表示锡青铜，主要添加元素锡的平均6.5%，其它添加元素磷的平均含量为0.1%。QBe2则表示铍青铜，主要添加元素铍的平均含量为2%。特殊用途的弹簧材料一般不标出含碳量，仅标出其主要合金元素的含量，如Ni36CrTiAl只标出主要合金元素镍的平均含量为36%，虽然铬的平均含量在12%左右，但不标出其含量的多少。耐高温弹簧材料如0Cr15Ni25Ti2MoVB等，一般在牌号前边冠以高温合金的拼音字母“GH”。“G”为“高”的第一个拼音字头，“H”为合的第一个拼音字头，如上述合金可写成GH132，其中数字为顺序编号。第四节 弹簧材料的力学性能及其试验方法弹簧材料的力学性能包括硬度、强度、弹性、塑性、韧性、疲劳性能等。其力学性能及试验方法，与其它金属材料的要求和试验方法基本一致，但也有特殊的地方。一、硬度及其测量材料的硬度与材料的强度有一定的关系。一般材料的硬度越高，强度也越高，见表1-2。根据不同的使用要求，弹簧的硬度常在HRC4055范围内选取。承受冲击载荷的弹簧，硬度可略低些，例如取HRC4247，气门弹簧的硬度范围一般在HRC4550之间，而承受较高应力的弹簧，则可以取较高的硬度，如喷油器调压弹簧的硬度，最高可达HRC54。表1-2 碳素钢的硬度、强度对照表HRCHRAHVHBRm（MPa）HRCHRAHVHBRm（MPa）38/35735011704774.24634491550397036736012104874.747846116004070.537737012404975.349347416604171.138838012805075.850948817204271.639939113205176.352550117804372.141140113605276.9543/18504472.642341314105377.4561/19404573.243642414505477.9579/19904673.744943615005578.5599/2070*Rm 为近似强度。在一定范围内，材料的疲劳强度随着强度的增加而增加。硬度过高会增加钢的缺口敏感性，反而容易造成弹簧早期失效。不锈钢、高温合金和铜合金等弹簧材料，有多种交货状态，不同交货状态的硬度各不相同。它们的硬度相差甚大，卷成弹簧后热处理方法也不相同。如铍青铜有四种不同的交货状态，其硬度范围差别很悬殊。硬度是材料表面上不大体积内抵抗变形或抵抗破裂的抗力。弹簧钢的硬度常用布氏硬度计、洛氏硬度计和维氏硬度计来进行测量。采用的都是压入法硬度试验。布氏硬度用HB表示，硬度试验机的压头是淬硬的钢球，直径D为10mm、5mm、2.5mm 三种。施加的载荷，黑色金属为30D2或10D2两种。试验时，钢球在载荷作用下压入被测金属的表面，保持一定时间后，卸除载荷，见图1-4。金属表面压痕的凹陷面积F除载荷P所得的商，称为布氏硬度值。在实际测定中，只需测出压痕直径d，通过查表却可得出材料的布氏硬度值。图1-4 布氏硬度测量原理布氏硬度只适用于HB450的金属材料，如退火状态的弹簧钢板，制造板簧的扁钢等，淬硬后的弹簧不能测定布氏硬度，否则会损坏钢球，太薄的材料或成品弹簧也不宜使用布氏硬度计来测定硬度。洛氏硬度以HR表示，试验用的压头是夹角为120的金钢石圆锥或直径为1.588mm的淬火钢球。与布氏硬度不同的是它不是以压痕的表面积来测定硬度，而是以压痕的深度来测量材料的硬度值，见图1-5。常用的洛氏硬度按照载荷和压头的不同有A标、B标和C标三种，分别称为HRA、HRB和HRC。HRA的总载荷为588.6N，压头为金刚石圆锥；HRC总载荷为1471.5N，压头亦为金刚石圆锥；HRB的总载荷为98.1N，压头为淬火钢球。三种标尺的预载荷都是98.1N。则洛氏硬度值为：式中K常数；h压入深度（mm）。使用金刚石压头时，K=0.2mm，使用淬火钢球时，K=0.26mm。测定洛氏硬度，还可以直接在表盘上读出，在同一表盘上，HRA、HRC的数值以黑色表示，HRB的数值以红色表示。HRA应用于测定厚度较薄的弹簧材料，如1mm左右的弹簧冷轧带钢，使用范围为HRA7085。HRC适用于测定经淬火、回火的弹簧，大部分弹簧都可以使用。HRC的载荷较大，压痕较深。所以,很薄的片弹簧和厚度在1mm以下的碟形弹簧就不能采用HRC，而要采用HRA，或用表面洛氏硬度计和维氏硬度计进行硬度测定。HRC的应用范围为HRC2067。HRB适用于退火状态的弹簧材料，适用范围为HRB25100。维氏硬度用符号HV表示，其压头是一个夹角为136的金刚石四棱锥，载荷可以根据需要进行改变，通过测定压痕对角线的长度，查出维氏硬度值。维氏硬度大都用于测定薄片弹簧材料的硬度，数值比洛氏硬度精确，但不及洛氏硬度直观，需要通过换算才能得到，在生产上使用不及洛氏硬度普遍。 表1-5 洛氏硬度试验原理二、强度试验材料受到外力作用时要产生变形，同时材料的内部产生应力。不同种类的弹簧在承受载荷时，材料的应力可以分为正应力和剪切应力之分，拉应力以表示，压应力以-表示，剪切应力以表示。材料承受弯曲应力时，一面受到的是拉应力，另一面受到的是压应力。表1-3是不同种类弹簧的受力情况举例。表1-3 弹簧受力情况举例应力性质剪切应力（） 弯曲应力（）弹簧类型螺旋压缩弹簧 旋转拉伸弹簧 扭杆弹簧螺旋扭转弹簧 卡簧 碟形弹簧弹簧能够承受的应力大小与材料的强度有一定的关系。其中较密切的是抗拉强度和扭转强度。但由于线材的扭转强度值测定较难，一般材料的抗拉强度越高，它的扭转强度值也越高。因此，常以材料的抗拉强度代表材料的强度性能。材料的抗拉强度可在万能材料试验机上测定。试验时，如果被测材料是线材，则截取一定长度的材料夹持在专门的夹头上进行拉伸。被测材料截面较大时可做成如图1-6所示形状的试样。按GB2282002的规定进行试验。图 1-6 拉伸试样表1-4 弹簧材料拉伸试验试样尺寸试样号d0Dhh1R 最小l0lL1410161032100110L=l+2h+h1158131032808816612102.51.5606617511102.51.55050试验时先将试样夹在材料度验机的上下两个夹头之间，慢慢地逐渐加载，材料在外力作用下渐渐伸长，直至断裂。根据材料承受的应力和材料应变的关系可描绘出应力应变曲线图如图1-7所示。 图1-7 应力应变曲线图图中横坐标为应变量，试样的拉伸变形量与试样原始长度之比，即为应变量，即纵坐标是试样所受到的应力，在数值上等于试样原始截面积除所承受的拉伸力，即： 式中P拉伸力；S试样原始截面面积。在应力应变曲线上，点1以前的直线段，应变量与应力的关系符合虎克定律，即=E 式中E比例常数。因此，材料弹性模量的数值相当于直线段与横坐标夹角a的正切值，E值的大小主要取决于材料的种类。常用弹簧材料的E值见表1-5所示。点1对应的应力称为比例极限。点1至点2的阶段，虽仍属于弹性变形阶段，即外载荷去除后，变形也即消失，但应力与应变的关系已不符合虎克定律。点2对应的应力称为材料的弹性极限。点2以后，材料发生了塑性变形，直线开始发生弯曲，当外力除去以后，试样不能恢复到原来的长度，留有永久性的变形（即残余变形）。点3对应的应力值称为屈服强度，记作Re达到点4时试样被拉伸断裂，此时的最大应力值，称为抗拉强度，记作Rm。材料的抗拉强度Rm数值可以从拉伸试验获得，大多数弹簧材料的技术标准中对材料的抗拉强度都有规定的数值。例：在材料试验机上做4mm碳素弹簧钢丝的拉伸试验，当材料拉断时，试验机记录盘上最大负荷示值是19650N，试求该材料的抗拉强度Rm值。解：材料截面积 抗拉强度 表1-5 常用弹簧材料的弹性模量材料名称牌号剪切弹性模量 G（GPa）弹性摸量 E（GPa）碳素弹簧钢丝A组、B组和C组0.5d4mm 78.5-81.0 d4mm 78.50.5d4mm 201.1-203.6d4mm 196.2琴钢丝G1组、G2组和F组重要用途碳素弹簧钢丝甲组、乙组和丙组合金弹簧钢55Si2Mn60Si2Mn60Si2MnA70Si3MnA60Si2CrA60Si2CrVA50CrVA50CrMn30W4Cr2VA 65Si2MnWA55CrSi78.5196.2奥氏体不锈钢1Cr18Ni9 1Cr18Ni9Ti 2Cr18Ni971.6193.3马氏体不锈钢3Cr13 4Cr1375.5214.8沉淀硬化不锈钢0Cr17Ni7Al 0Cr15Ni7Mo2Al 1Cr12Mn5Ni4Mo3Al73.4183.4精密弹簧合金Ni36CrTiAl75.5196.2Ni42CrTi65.7186.4Co40CrNiMo76.5196.2铜合金QSi 3-140.293.2QSn 6.5-0.139.2/QB 242.2129.5三、扭转、弯曲和缠绕试验为了检验弹簧材料的塑性和均匀性，常采用扭转试验、反复弯曲试验和缠绕试验等三种方法。1、扭转试验弹簧材料的扭转试验的主要目的是检验材料的塑性变形能力，通过检验能显示出材料的不均匀性，表面缺陷及部分内部缺陷。扭转试验在扭转试验机上进行，其方法是将待测试样两端夹住，一端固定，一端扭转。在扭转变形的开始阶段，施加的扭转力矩与试样扭转变形之间成正比关系，与拉伸试验相类似。即式中扭转时材料所受的应力；扭转应变（切应变）；G比例常数。G称为剪切弹性模量，与E的单位相同。G值的大小同E值一样主要取决于材料的种类，常用弹簧材料的G值已列在表1-5中。E值和G值存在着下列的关系，即式中材料的泊松比。钢的0.3。通过扭转试验同样可以得出材料的扭转屈服强度s和扭转极限强度b 。通常弹簧材料的扭转极限强度b约等于0.8Rm 。弹簧钢钢丝作扭转试验，一般都是将钢丝扭断为止，记下扭转的次数（每转360为一次），用n来表示。扭转次数越多，说明材料塑性越好。弹簧钢丝的扭转次数有相应的技术标准予以规定。检验钢丝质量时，合格的材料不仅应达到规定的扭转次数，并且断口平整，不得有开裂现象发生。同一牌号的钢丝，直径越细，扭转次数n就越高。线材扭转试验的技术条件见GB2391999中线材扭转试验方法。近年来，国际标准对某些油淬火回火钢丝要求进行两个方向上扭转。2、反复弯曲试验弹簧钢丝的另一种经常采用的试验方法是反复弯曲试验，目的是通过试验判断材料承受反复弯曲的能力，显示有否缺陷。反复弯曲试验在弯曲试验机上进行，见图1-8。方法是将校直的试样插入拔杆孔内，下面用钳口夹紧。夹紧时注意不要把钢丝夹扁，保持钢丝垂直。对于夹紧钳口的弯曲圆弧R和拔杆孔d都有规定，须与待测钢丝相配合。试样装夹好以后，用握把作左右往返90弯曲，一个往返算作一次，直至钢丝断裂，并记录弯曲次数。弯曲次数m越多，说明材料塑性越好。在弹簧钢丝的技术标准中对反复弯曲次数也有规定。相同牌号的钢丝，直径越小，m越高。弯曲试验应按GB2382002金属反复弯曲试验方法的规定进行。3、缠绕试验缠绕试验主要用来检验弹簧线材的塑性和工艺加工性能，检验线材在经过缠绕变形后，表面是否会出现缺陷。缠绕试验的方法与用车床芯轴卷绕弹簧相类似，当线材用均匀速度绕510圈后，表面不允许出现开裂、鳞皮等缺陷，更不容许折断。对缠绕芯轴大致规定如下：钢丝直径在46mm时，芯轴直径为钢丝直径的二倍。钢丝直径小于4mm时，芯轴直径与钢丝直径相等。线材缠绕试验按照GB29762004线材缠绕松懈试验方法的规定进行。 图1-8 弯曲试验机示意图第五节 碳素弹簧钢碳素弹簧钢和合金弹簧钢是目前使用最广泛的弹簧材料，两者约占弹簧材料用量的百分之九十以上。一、热轧碳素弹簧钢热轧碳素弹簧钢主要有65、70、75、85和65Mn五种，这几种热轧碳素钢的化学成分已列在表1-1中。热轧碳素弹簧钢淬透性低，晶粒粗，过热和脱碳倾向大，水淬易开裂，油淬又不能淬透，力学性能较差，现已很少用于制造机械弹簧。65Mn是含锰量较高的碳素弹簧钢，由于锰的作用，使钢材的淬透性有所提高，但过热和脱碳倾向仍较大，大都用于碟形弹簧、片形弹簧、平面涡卷弹簧及疲劳性能要求较低、截面较小的螺旋弹簧。冷轧碳素钢丝的性能和热轧弹簧钢丝相类似，但表面质量比热轧材料好，价格便宜，用来制造不太重要的弹簧。机械弹簧一般采用性能较好的铅淬冷拔钢丝制作。二、铅淬冷拔钢丝铅淬冷拔钢丝的制造是将碳素弹簧钢盘条在炉中加热到9001000，然后，在500600的铅浴槽中进行等温转变，再经多次冷拔得到所需要的尺寸和力学性能。铅淬冷拔钢丝的生产是采用连续生产的方式进行的。铅浴淬火的目的是得到极细的珠光体，使材料的组织和性能适应以后的冷拔加工。多次的冷拔加工，可以使材料获得很高的强度。这种钢丝虽然强度极高，但仍具有一定的塑性和韧性以及良好的工艺性能。用这种钢丝制造的弹簧，不需要再经过淬火，只须作低温回火处理，这既消除冷拔和卷簧过程中的残余应力，又简化了工艺，因此广泛用于制造各种工作温度低于120的螺旋弹簧。铅淬冷拔碳素弹簧钢有碳素弹簧钢丝、琴钢丝、重要用途碳素弹簧钢丝等三种品种，其品种规格见表1-6所示。其中碳素弹簧钢丝根据抗拉强度的高低分为B、C、D三组。B组的抗拉强度最低，仅用于制造一般弹簧或其它用途的弹簧，如用于制造机械弹簧则强度偏低一些。C组的抗拉强度较高，用于制造低应力弹簧。D组强度最高，用于制造较高应力的弹簧。琴钢丝以制造乐器的琴弦而得名，但现在所说的“琴钢丝”指的是性能指标很高的冷拉弹簧钢丝，真正用于琴弦的钢丝被称为“乐器用钢丝”。目前所用的琴钢丝分为G1，G2和F三组。G1组用于制造各种重要用途弹簧，G2组用于制造高应力弹簧，F组是阀弹簧的专用钢丝。钢丝的抗拉强度以G2组为最高；G1组次之；F组的抗拉强度又比G1组稍低一些。重要用途碳素弹簧钢丝有E、F、G三组，抗拉强度以F组最高；E组其次；G组最低，主要用于制造应力要求高的弹簧，如航空用的各种小型弹簧。碳素弹簧钢丝和琴钢丝的抗拉强度见表1-7和表1-8。表1-6 铅淬冷拔碳素钢丝的品种和规格序号名称标准牌号规格1碳素弹簧钢丝GB/T4357-1989B组、C组和D组B和C组：0.0813.0；D组：0.086.02琴钢丝YB/T5101-1993G1 组、G2组和F组G1和G2组：0.086.0；F组2.05.0；：3重要用途碳素弹簧钢丝GB/T4358-1995E、F和G组E和F组：0.086.0；G组：1.06.0表1-7 碳素弹簧钢丝的力学性能钢丝直径抗拉强度（MPa）扭转次数不小于B级C级D级B、C级D级0.0824002800274031402840324020180.092350275026903090284032400.102300270026503040279031900.122250265026002990274031400.142200260025502940274031400.162150255025002890269030900.182150255024502840269030900.202150255024002790269030900.222110250023502750269030900.252060245023002700264030400.282010240023002700264030400.302010240023002700264030400.321960235022502650260029900.351960235022502650260029900.401910230022502650260029900.451860226022002600255029400.501860226022002600255029400.551810221021502550250028900.601760216021102500245028400.631760216021102500245028400.701710206020602450245028400.801710206020102400240028400.901710206019602350235027501.001660201019602300230026901.201620196019102250225025501.401620191018602210215024501.601570186018102160211024001.801520181017602110201023002.001470176017102010191022002.2014201710166019601810211015132.501420171016601960176020602.801370167016201910171020103.001370167015701860171019603.201320162015701810166019101283.501320162015701810166019104.001320162015201760162018604.501320157015201760162018601055.001320157014701710157018105.50127015201470171015701810836.001220147014201660152017606.301220147014201610/7.0011701420137015708.0011701420137015709.00113013201320152010.00113013201320152011.00108012701270147012.00108012701270147013.001030