弹簧常用材料的比较

弹簧常用材料的选择和比较

 

在选择弹簧材料时，应考虑其用途、使用条件、载荷性质、大小及循环特性、工作持续时间、工作温度等、以及方便加工、采购、热处理和经济性等因素。(http://www.hg-spring.com)

 

为了保障弹簧能够可靠地工作，其材料除应满足具有较高的强度极限和屈服极限外，还必须具有较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性、塑性和良好的热处理工艺性等。表20-2列出了几种主要弹簧材料及其使用性能。实践中应用最广泛的就是弹簧钢，其品种又有碳素弹簧钢、低锰弹簧钢、硅锰弹簧钢和铬钒钢等。图20-2给出了碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限。

弹簧材料选择必须充分考虑到弹簧的用途、重要程度与所受的载荷性质、大小、循环特性、工作温度、周围介质等使用条件，以及加工、热处理和经济性等因素，以便使选择结果与实际要求相吻合。钢是最常用的弹簧材料。当受力较小而又要求防腐蚀、防磁等特性时，可以采用有色金属。此外，还有用非金属材料制做的弹簧，如橡胶、塑料、软木及空气等。

 

碳素弹簧钢(如65、70钢)：价格便宜、来源方便，但弹性极限低；

低锰弹簧钢(如65Mn)：淬透性好、强度较高，淬火后易产生裂纹

硅锰弹簧钢(如60Si2MnA)：弹性极限高，回火稳定性好，力学性能良好；

铬钒钢(如50CrVA)：耐疲劳和抗冲击性能好，价格贵，用于要求高的场合。

 

 

表20-2 主要弹簧材料及其许用应力

类别	代号	许用扭应力[τT]			许用弯曲应力[σb]/MPa		切变模量G/GPa	弹性模量E/GPa	推荐硬度范围 HRC	推荐使用温度 °C	特性及用途
		Ⅰ类弹簧	Ⅱ类弹簧	Ⅲ类弹簧	Ⅰ类弹簧	Ⅱ类弹簧
钢丝	碳素弹簧钢丝 Ⅰ,Ⅱ,Ⅱa,Ⅲ	0.3σb	0.4σb	0.5σb	0.5σb	0.625σb	81.5～78.5	204～202	-	-40～120	强度高，性能好，适于做小弹簧
	60Si2Mn 60Si2MnA	471	627	785	785	981	78.5	197	45～50	-40～200	弹性好，回火稳定，易脱碳，适于做受大载荷的弹簧
	65Si2MnWA 60Si2CrVA	560	745	931	931	1167			47～52	-40～250	强度好，耐高温，弹性好
	30W4Cr2VA	442	588	735	735	920			43～47	-40～350	高温强度好，淬透性好。
	50CrVA								45～50	-40～210	高疲劳强度，淬透性和回火稳定性好
不锈钢	1Cr18Ni9Ti	324	432	540	540	677	71.5	193	-	-250～300	耐腐蚀，耐高温，适于做小弹簧
	4Cr13	442	588	735	735	920	75.5	215	48～53	-40～300	耐腐蚀，耐高温，适于做大弹簧
	Co40CrNiTiMo	500	666	834	834	1000	76.5	197	=	-40～500	耐腐蚀，高强度，无磁，高弹性
青铜丝	Qsi-3	265	353	442	442	550	40.2	93	HB90～120	-40～120	耐腐蚀，防磁好
	QSn4-3						39.2
	Qbe2	353	442	550	550	735	42.2	129.5	37～40		耐腐蚀，防磁，导电性及弹性好

注：1.按受力循环次数N不同，弹簧分为三类：Ⅰ类N>106；Ⅱ类N=103～105以及受冲击载荷的场合；Ⅲ类N<103。

　　　　　2.碳素弹簧钢丝按机械性能不同分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅱa、Ⅲ四组，Ⅰ组强度最高，依次为Ⅱ、Ⅱa、Ⅲ组。

　　　　　3.弹簧的工作极限应力τlim：Ⅰ类≤1.67[τ]；Ⅱ类≤1.25[τ]；Ⅲ类≤1.12[τ]。

　　　　　4.轧制钢材的机械性能与钢丝相同。

　　　　　5.碳素钢丝的切变模量和弹性模量对0.5～4mm直径有效，>4mm取下限。

 

	类别 代号 许用扭应力[τT] 许用弯曲应力[σb]/MPa 切变模量G/GPa 弹性模量E/GPa 推荐硬度范围HRC 推荐使用温度°C 特性及用途 Ⅰ类弹簧 Ⅱ类弹簧 Ⅲ类弹簧 Ⅰ类弹簧 Ⅱ类弹簧 钢丝 碳素弹簧钢丝 Ⅰ,Ⅱ,Ⅱa,Ⅲ 0.3σb 0.4σb 0.5σb 0.5σb 0.625σb 81.5～78.5 204～202 - -40～120 强度高，性能好，适于做小弹簧 60Si2Mn 60Si2MnA 471 627 785 785 981 78.5 197 45～50 -40～200 弹性好，回火稳定，易脱碳，适于做受大载荷的弹簧 65Si2MnWA 60Si2CrVA 560 745 931 931 1167 47～52 -40～250 强度好，耐高温，弹性好 30W4Cr2VA 442 588 735 735 920 43～47 -40～350 高温强度好，淬透性好。 50CrVA 45～50 -40～210 高疲劳强度，淬透性和回火稳定性好 不锈钢 1Cr18Ni9Ti 324 432 540 540 677 71.5 193 - -250～300 耐腐蚀，耐高温，适于做小弹簧 4Cr13 442 588 735 735 920 75.5 215 48～53 -40～300 耐腐蚀，耐高温，适于做大弹簧 Co40CrNiTiMo 500 666 834 834 1000 76.5 197 = -40～500 耐腐蚀，高强度，无磁，高弹性 青铜丝 Qsi-3 265 353 442 442 550 40.2 93 HB90～120 -40～120 耐腐蚀，防磁好 QSn4-3 39.2 Qbe2 353 442 550 550 735 42.2 129.5 37～40 耐腐蚀，防磁，导电性及弹性好
	表20-2 主要弹簧材料及其许用应力 注： 1.按受力循环次数N不同，弹簧分为三类：Ⅰ类N>106；Ⅱ类N=103～105以及受冲击载荷的场合；Ⅲ类N<103。   2.碳素弹簧钢丝按机械性能不同分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅱa、Ⅲ四组，Ⅰ组强度最高，依次为Ⅱ、Ⅱa、Ⅲ组。   3.弹簧的工作极限应力τlim：Ⅰ类≤1.67[τ]；Ⅱ类≤1.25[τ]；Ⅲ类≤1.12[τ]。   4.轧制钢材的机械性能与钢丝相同。   5.碳素钢丝的切变模量和弹性模量对0.5～4mm直径有效，>4mm取下限。

 

一、弹簧常用材料

（摘自GB/T1239.6-92）

 

 

65Mn,60Si2Mn,50CrVA弹簧钢的区别

 

65Mn

1 综述：该钢为常用弹簧钢。它强度高、淬透性好、脱碳倾向小、价格低、切削加工性好。但有过热敏感性，易产生淬火裂纹，并有回火脆性。用途广泛，用于制造各种截面较小的扁、圆弹簧、板簧和弹簧片。 

2 相当于国外牌号：65Γ（俄）、1065（美）、080A67\EN43E（英）。 

3 成分（WC%） C:0.62-0.75 Mn0.90-1.20 Si:0.17-0.37 S≤0.030 P≤0.035 Cr≤0.25 Ni≤0.25

4 热处理制度：830℃ OC+540℃ AC （回火、空冷） 

5 技术条件规定的性能 

 

60Si2MnA

 

1.综述 

 

它是用途十分广泛的一种合金弹簧钢。该钢淬透性好。淬火回火后具有较高的强度和弹性极限。较高的屈强比（б0.2/бb）和抗松弛能力及回火稳定性。如需用等温淬火其综合性能更好。尤其疲劳寿命显著提高,但该钢脱碳倾向大,冷变形塑性低。切削加工比较重。主要用于250℃以下工作的厚度小于10mm。直径＜25 mm的各种板簧、螺旋弹簧、安全阀弹簧、减振弹簧、仪表弹簧等。 

2 相当于国外牌号:60C2A(俄)；9260(美)；SUP6(日)；250A58、250A61、En45A（英）。 

3 化学成份（Wt℅）C 0.56～0.64；Mn 0.60～0.90；Si 1.50～2.00；S≤0.040；P≤0.040； Cr≤0.35；Ni≤0.35。

4 热处理：棒材 870℃ OC+440 回火。 

5 技术条件规定性能： 

 

50CrVA

 

1综述 

 

该钢是高级优质弹簧钢。具有高的比例极限和强度，高的疲劳度和良好的塑性及韧性，良好的回火稳定性，当加热到300℃弹性仍可保持。该钢切削加工性尚好。但冷作塑性较差。焊接性差。适用于制造重要的承受大应力的各种弹簧，使用温度不超过400℃。 

2相当于国外牌号 50×Фa（俄）；6150（美）；SUP10（日）；735A50 En75（英）50CV（法） 

3化学成份（Wt℅）C 0.45～0.54； Mn 0.50～0.80；Si 0.17～0.37；S≤0.030；P≤0.030；Cr≤0.80～1.10；Ni≤0.35；V 0.10～0.20。 

4热处理制度 860℃ OC+440～500℃ OC （回火、油冷） 

5技术条件规定的技能 

 

说明：δb 强度极限 Mpa

δ5 长度为5d试样。拉起后的延伸率（%） 

δp 比例极限 Mpa

δ10 长度为10d试样。拉起后的延伸率（%） 

δ0.2 2%残余伸长屈服长度 Mpa

ψ 断面收缩率(%)

OC 油冷 

HBS 布氏硬度 

WC 水冷 

HRC(RC) 洛氏硬度 

AC 空冷 

HBV 纸氏硬度

 

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二、弹簧材料的发展

　　

随着弹簧应用技术的发展，对弹簧材料提出了更多的要求。主要是在高应力下的提高疲劳寿命和抗松弛性能方面；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、耐热性等方面。为此，弹簧材料除开发了新品种外，另从严格控制化学成分，降低非金属夹杂，提高表面质量和尺寸精度等方面取得了有益的成效。

 

弹簧钢丝经过100多年的发展，工艺技术经历了由铅淬火到油淬火，现又发展到感应加热淬火。再加上工艺技术装备不断创新和完善，品种质量不断更新。近来开发的阀门用弹簧钢丝感应加热淬火和回火处理工艺，试验证明，由于感应加热时间短，淬火组织细小，钢丝表面几乎没有脱碳层，所以其塑性、韧性、抗松弛性、断裂韧性、延迟断裂抗力、疲劳寿命等都比油淬火回火钢丝有较大提高。

　　

　　另一种研究取得成效的超细晶粒形变热处理钢丝已能实地应用，超细晶粒形变热处理是组织超细化与形变热处理相结合的一种复合强韧化工艺。它既可提高钢丝的力学性能，同时又能改善钢丝的表面质量。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，将表层去掉0.1mm。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，使表面粗糙度降到 =（6.5~3.4） m。

 

 

1.       弹簧钢生产工艺的发展  为了提高弹簧钢的质量，工业发达国家已普通采用炉外精炼技术、连铸工艺、新型轧制和在线自动检测及控制设备等。

　　

为了保证钢的化学成分，降低气体和各种非金属加夹物的含量，采用大容量电炉或转炉熔炼，采用炉外钢包精炼，使氧含量（质量分数）降至（0.0021~0.0010）%，生产出超纯净钢，从而大大提高了弹簧的设计和工作应力。

 

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20×10ˉ６发展

　　

　　连铸生产工艺在弹簧钢生产中已被广泛采用。连铸可通过电磁搅拌、低温铸造等技术减小钢的偏析，减小二次氧化，改善表面脱碳，使组织和性能稳定、均匀。

　　

采用分列式全连续轧机，可提高尺寸精度，表面质量，同时也可使钢材沿长度显微组织均匀。在轧制过程中为了保证产品的表面质量采用在线自动检测和控制。为了适合变截面弹簧扁钢生产而开发了奥氏体轧制成形新工艺，即先将钢加热到奥氏体区再急冷至亚稳奥氏体区进行塑性加工并淬火处理。这种工艺可使钢在不降低塑性的同时提高强度。此外还有通过轧后在线热处理和表面硬化处理来提高弹簧钢的性能等。

　　

2.       合金钢的发展  合金元素的主要作用是提高力学性能，改善工艺性能及赋予某种特殊性能。气门弹簧和悬架弹簧已广泛应用SiCr钢。Si是抗应力松弛最好的合金元素，在SiCr钢中添加V、Mo形成SiCrV和SiCrMo钢，可以提高疲劳寿命和抗松弛性能。同时SiCr拉拔钢丝，其在高温下工作时的抗松弛性能，比琴钢丝和重要用途碳素弹簧钢丝要好。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2000 MPa。

　　

3.       低碳奥氏体钢的发展  低碳奥氏体钢38SiMnB是我国自主研发的一种新型的高性能弹簧钢，在此基础上开发的38SiMnVBE更具优越性，具有高强韧性、高淬透性、高应用性和高性能比。在进行超细晶粒控制轧制后，其抗拉强度 =（2030~2140）MPa，屈服强度 =（900~2010）MPa，伸长率 =（12~15）%，面缩率 =（48~55）%。为少片变截面板弹簧提供了高性能的材料。

 

4.       不锈钢丝的发展 

 

  我国是生产不锈钢的大国，随着不锈钢的生产发展，自然也开发了不少品种，目前已达50多种，，基本满足了国内生产发展的需要，对当前开发的一些新品种作简要说明。 近年来国外不锈弹簧钢丝生产发展较快。国内需求量增大的品种主要为1Cr18Ni9和0Cr17Ni7AI。先进的钢丝生产工艺流程特点是盘条首先剥皮处理，去除热加工在表面造成的缺陷，除第一次固溶处理后要进行酸洗外，整个冷加工过程均保持光亮表面。

　　

　　随着工艺的发展，不绣钢丝生产流程进一步简化，将部分原属金属制品行业质量控制简化，转换为对盘条质量的要求。在粗拉丝机后，应用清洁球擦拭和水中清洗，去除表面涂层和残余润滑膜。在光亮热处理前配备电解酸洗、碱中和、水冲洗和烘干装置，彻底去除钢丝表面油污，改善表面质量。

 

 

   a). 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，因面应用范围不断扩大。 奥氏体不锈钢体系的初步形成。为了消除碳元素造成的不锈钢晶界腐蚀疲劳，开发出低碳奥氏体不锈钢0Cr18Ni9和00Cr17Ni2Mo2。为了提高其特殊性能可加Cu、Ti、Nb、Mn、Cr、Si和N等元素。

 

  b). 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以下的钢丝。 

 

c). 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SUS304。 

　　d）.含氮不锈钢的发展。 在不锈钢中以氮代碳取得了成果。在奥氏体不锈钢中N和C有许多共同特性。N稳定奥氏体的作用比Ni大，与C相当。N与Mn结合能取代比较贵的Ni。在奥氏体中N也是最有效的固溶强化元素之一。N与Cr的亲和力要比C与Cr的亲和力小，奥氏体钢很少见到Cr2N的析出。因此N能在不降低耐蚀性能的基础上，提高不锈钢强度。

　　

　　e）超强铁素体不锈钢的发展。 铁素体不锈钢具有良好的腐蚀性能和抗氧化性能，其抗应力腐蚀性能优于奥氏体不锈钢。价格比奥氏体不锈钢便宜。但存在可焊性差、脆性倾向比较大的缺点，生产和使用受到限制。通过降低钢中的碳和氮的含量，添加Ti、Nb、Zr、Ta等稳定化元素，添加Cu、AI、V等焊缝金属韧化元素三种途径，可以改善铁素体钢的可焊性和脆性。

　　

　　f）超级奥氏体钢的发展。 超级奥氏体钢指Cr、Mo、N含量显着高于常规不锈钢的奥氏体钢。其中比较着名的是含6% Mo的钢（245S Mo）。这类钢具有非常好的耐局部腐蚀性能，在海水、充气、存在缝隙、低速冲刷条件下，有良好的抗点蚀性能（PI 40）和较好的抗应力腐蚀性能，是Ni基合金和钛合金的代用材料。

　　

　　g）超马氏体不锈钢的发展。 传统的马氏体不锈钢2Cr13、3Cr13、4Cr13和1Cr17Ni2缺乏足够的延展性，在冷顶锻变形过程中对应力十分敏感，冷加工成形比较困难。加之钢的可焊性比较差，使用范围受到限制。为克服马氏体钢的上述不足，近来已找到一种有效途径，就是通过降低钢的C、Ti含量，增加Ni含量，开发一个新系列合金钢——超马氏体钢。这类钢抗拉强度高，延展性好，焊接性能也得到改善，因此超马氏体钢又称为软马氏体钢或可焊接马氏体钢。

 

 

5.       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ZnAl(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。

　　

　　　　　　

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和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。

　　

7.       陶瓷的应用  陶瓷的弹性模量高，断裂强度低，适用于变形不大的地方。目前正在开发的有耐热、耐磨、绝缘性好的陶瓷，应用的有超塑性锌合金（SPZ），在常温下具有高的强度。另外，还有高强度的氮化硅，能耐高温，可达1000℃。但陶瓷弹簧不适用于在冲击载荷下工作。

　　

8.       纤维增强塑料在弹簧中应用  玻璃纤维增强塑料（GFRP）板簧在英、美和日本等国已广泛应用，除用于横置悬架外，还可用于特殊轻型车辆，如赛车的纵置悬架。目前又研制成功了碳素纤维增强塑料（GFRP）悬架弹簧，比金属板簧要轻20%。