彈簧-高強度彈簧鋼絲生産工藝及研究

爲評估材料制造彈簧的性能，研究了壓縮彈簧琴鋼絲、油淬火鋼絲和奧氏體不鏽鋼等彈簧鋼絲。研究中量化彈簧性能參數：（1）加工問題；（2）極限應力；（3）松弛性能；（4）疲勞性能。

1、試驗材料

（1）2種琴鋼絲。試驗鋼絲比BS 5216 M5（當前國際技術規範中強度最高的彈簧鋼絲）有更高的強度，具有冷拉珠光體組織。

（2）3種低合金鉻矽鋼絲。第1種含有釩，並經過了油淬火，適于冷卷；第2種含有釩和鎳，含碳量較低，軟態供貨，適于熱卷；第3種是標准的鉻矽鋼絲，已尼過感應加熱處理。琴鋼絲和低合金鋼絲都通過抛丸處理提高疲勞性能，未考慮用于氮化的鉻矽合金。

（3）302不鏽鋼絲。強度水平相當于17/7PH時效後。鋼絲采用冷卷，彈簧用玻璃珠抛丸，以提高疲勞性能。

2、制造彈簧

各種鋼絲材料表面質量良好，抗拉強度符合要求。將鋼絲送交彈簧制造廠制造。廠家反映IHT（感應加熱處理的鋼絲）是卷制過的最硬的鋼絲，卷制後切斷鋼絲需要非常大的力。不過，卷繞很成功，在收到的樣品中，沒有發現在卷繞過程中造成的明顯損傷或擦傷。彈簧拉伸彈簧參數見表2。

3、拉力試驗

抗拉試驗執行EN10218-1標准，目的是確認鋼絲的實際抗拉強度。廠家提供的抗拉強度用維氏硬度試驗（EN ISO6507-1）進行核實，通過硬度值換算的結果見表3。

4、試驗結果

4。1靜態設計應力

彈簧進行預加應力試驗，記錄加載彈簧逐漸縮短的情況，以確定在沒有預應力情況下的安全靜態設計應力，同時記錄彈簧的極限應力

彈簧設計參數通常接受其極限應力，大約是UTS的70%，因而用這些設計確定真實的最大預加極限應力是不可能的。用設計的極限應力作爲參考是可行的，其結果比測得的實際最大值要保守一些。

4。2疲勞試驗

疲勞試驗在正弦加載機器上進行。彈簧以不到其固有頻率1/13的速度進行試驗以避免明顯的共振影響，試驗到1*107次循環爲止。感應加熱CrSi鋼和熱卷CrSi鋼試驗到1*106次循環。

抛丸和不抛丸的彈簧都進行疲勞試驗。對φ5mm以下鋼絲進行數據概率分析，並確定疲勞強度按BS 3518的應力等級測試相關數據。

就疲勞性能而言，高強度琴鋼絲與標准琴鋼絲相比沒有任何優勢。CrSiV鋼絲的結果不突出，但感應加熱處理彈簧、熱卷彈簧以及不鏽鋼彈簧都顯示出比BS有明顯的改進。

4。3松弛試驗數據

注：SP爲抛丸，UP爲不抛丸，S爲抛丸及熱預加應力

彈簧預加應力並加熱到225℃，壓縮到分檔長度，保持1。5s，然後淬冷4s。

用電子載荷試驗設備測量，用螺絲上緊的辦法把彈簧壓縮到與預期應力一致的高度。在每一段預定的時間之後取下彈簧冷卻，同時按其原始壓縮高度加載試驗。松弛率Re爲：

Re=（P0-P1）/P0*100% （1）

式（1）中：P0——在長度L（N）時的初始載荷；P1——在長度L（N）時的新載荷。

試樣分別在3，10，100，300h之後進行試驗，有的在1000h後試驗。載荷損失的百分比按時間對數描點作圖，據圖計算曲線斜率和載距。用式（2）推出相關的數據，並預測10000h的松弛性能。

L0=（a+b*lg t）*100% （2）

式（2）中：L0——載荷損失，%；a——試驗數據的載距；b——試驗數據的斜率；t——試驗時間，h

新型高強度材料的試驗數據與現有的在100℃，1000MPa條件下經10000h松弛後的載荷損失比較見表7。

4。4脆斷敏感度

對疲勞失效的彈簧進行外觀檢查，以查找不正常或脆性斷裂的原因。失效看上去和試驗標准牌號彈簧鋼絲時預計的情況非常相似。選擇彈簧在掃描電鏡上檢查過載斷裂區。盡管這些材料強度非常高，顯微空洞合並是主要斷裂機理。

每種材料的過載區都顯示出相似的特點，這證明材料的抗拉強度增加後，並沒有過多失去延展性。

疲勞斷裂起湖于鋼絲表面，彈簧斷裂沒有從夾雜物處開始的。

5、結論

用所試驗的高強度材料制簧時在靜態設計應力方面顯示出明顯的優越性，沒有一種材料因爲強度高而在彈簧加工或意外失效方面出現問題。

在彈簧性能方面，采用高強度琴鋼絲沒有優越性，但是，在琴鋼絲中添加w（si）=1%的Si，除了能使鋼絲達到相當的強度水平外，對彈簧的疲勞和松弛性能也有益。

高強度鉻矽材料在松弛性能方面優越明顯，疲勞性能一般也比標准材料好，而CrSiV彈簧並沒有比超純淨閥門彈簧質量的鉻矽材料顯得更好。
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