两类弹簧钢丝的组织_强韧性及发展趋势

1、两类弹簧钢丝的组织强韧性及发展趋势两类弹簧钢丝的组织_强韧性及发展趋势.txt52每个人都一条抛物 线，天赋决定其开口，而最高点则需后天的努力。没有秋ei落叶的飘 零，何来新春绿芽的饿明丽？只有懂得失去，才会重新拥有。两类弹 簧钢丝的组织、强韧性及发展趋势苏徳达(天津大学材料学院300072)摘 要 对比冷拔弹簧钢丝和油淬火回火弹簧钢丝的金相组织 和性能特点。分析高强韧性弹簧钢丝的生产 技术耍点。依据钢丝强韧化原理，以弹簧市场需求为导向，从钢的合金 化、超纯净化、超细化处理等先进技术方面 论述弹簧钢丝的发展趋势。关键词 冷拔弹簧钢丝 油淬火回火弹簧钢丝 金相组织 市场需 求microstruc

2、ture, strength-toughness of two kinds of spring steelwires and it7 s development tendencysu deda(tianjin university 300072)abstract to compare the microstructures and strength-toughness characteristics of two kinds of spring steel wires the relationsand differences between its high strength-toughnes

3、s and the productive processes are analyzed accordingtothe requirements forthespring market and the productive techniques for super purifying and super grain size of austenite, the development tendency of thegood quality spring steel wires are also discussed keywords hard drawn spring steel wires; o

4、il-tempered spring steel wires: rnicrostriictiire; requirement for the spring market在金属制品生产中，弹簧钢丝不论在产品数量 和质量上都占有很重要的地位。在世界范围内，常 用弹簧钢丝有两类:冷拔碳素弹簧钢丝和各种淬火 回火弹簧钢丝。由于油淬火回火钢丝能简化弹簧生 产工艺、出簧率高、生产的弹簧质量高，因此越來越 受弹簧牛产厂家的青睐。但油淬火弹簧钢丝的价格 相对高一些。弹簧制造者如何正确选用和使用弹簧 钢丝，弹簧钢丝的生产者如何提高钢丝质量都有必 要深入了解钢丝的组织状态与强韧性的关系以及生 产技术与其组织和性能

5、之间的密切关系。1两类弹簧钢丝的金相组织结构特征及力学性能1 1冷拔弹簧钢丝的金和组织结构 冷拔弹簧钢丝的金相组织是纤维状，如图la所 示。它的形成过程是:钢丝经过韧化处理（即铅淬 火）后，获得极细片状珠光体,它是奥氏体的共析分 解产物，由渗碳体片和铁素体两相组成。铅淬火吋 的铅温越低，则珠光体片层越细薄。经深度冷拔后 便可达到所需要的规格尺寸和力学性能。极细珠光 体乂名索氏体，这种两相组织中铁素体量占绝对优 势,具有特别优异的冷拔性能。在冷拔过程中塑性 变形主要在铁素体内进行，每个晶粒被拉成条带状 （相片中的口色基底），而渗碳体量少而性脆,极难变 形,在拉拔过程中（或退火过程中）破碎呈点状或

6、小 块状，仍然分布在铁素体条带z间,此处乂是两相交 界处，构成微电池，内应力很高，极易腐蚀着色。所 以,从它的0m（光学显微镜）组织看到的，除了白色 条状的铁素体外，还夹杂着一些模糊不清的条状黑 色组织。用高倍率的透射电镜观察这种组织吋（即tem组织），黑白条带状更为清晰，如图lb所示。该 照片中，白色条带是铁素体，条带间的窄细黑条是渗 碳体及夹杂物汇集处，实际上该处仍以铁素体为基 地。在更高倍率观察吋就可看见点状或短条块状渗 碳体，呈不连续分布。黑色条带区域的位错密度很 高（位错密度p二1012根/cm）, 口条内铁素体的位错 密度很低。这表明tem和0m组织的一致性，前者 观察金属薄膜中较

7、小的视场范围，主要是研究它的 亚结构;后者是观察试样较大范围的金相组织。 此外，从冷拔弹簧钢丝中还可看到夹杂物的种 类、数量、大小、形态及其分布,它反映了钢质纯净度 水平。由于夹杂物对钢丝的力学性能及弹簧的疲劳 寿命有重要影响。所以，提高钢的纯净度是提高钢 丝质量的重要技术指标。冷拔弹簧钢丝中还可能出现以下非正常组织：第25卷第4期金属 制 品1999年8月vol 25no 4 steel wire products august 1999 图 1 冷拔弹簧钢丝仃i a组）的金相组织 a.om 组织（xi 000） b. tem 组织（x45 000） 先共析铁素体，马氏体,钢丝表面脱碳超标。

8、1 2油淬火回火弹簧钢丝的金相组织特征 各种油淬火回火钢丝的生产过程都是采用类似 的连续热处理设备进行的。即将冷拔到所需尺寸后 的几根或几i 根钢丝通过加热炉达到所需的淬火温 度,获得奥氏体;出炉后立即用热油冷却（淬火油应 循环冷却，保证它良好的冷却能力）,使奥氏体转变 为马氏体;紧接着进行连续式铅浴回火或沸腾粒子 回火,回火足够时间后出炉，获得回火马氏体组织。 它的0m组织特征是匀细点状，如图2a所示。tem 组织见照片图2b,绝大部分是位错型马氏体(有时 也可见到李晶型马氏体)，经过短时间铅浴回火后， 还保留板条马氏体的形貌，其中，位错亚结构中的位 错密度分布不均匀。另一方面,马氏体回火吋

9、发生 分解，析出细小点状碳化物(如碳化机vc),基体变 成了铁素体，它的含碳量往往还高于其平衡条件下 的含碳量。由于回火马氏体组织很弥散，故极易侵 蚀着色。图2油淬火回火弹簧钢丝(50crva)的金相组织 a.om 组织(xi 000) b. tem 组织(x45 000)对比图2和图1,可见油淬火回火钢丝的金相 组织(om和tem)和冷拔弹簧钢丝的金和组织有显 著差别。前者的0m组织是点状、弥散匀布,后者呈 纤维状;前者的tem组织主要是板条形貌的回火马 氏体，后者为黑口条带状的亚结构。应该看到，这两 种弹簧钢丝均由铁素体和渗碳体或碳化物两相构 成，其中铁素体中的位错密度很高。当冷拔时的应

10、变增大时，黑色条带变宽,表示其位错密度增加，则 其强度增加，具有很高的内应力，使成品钢丝呈弯曲 状。而油淬火钢丝中铁素体的位错密度乃随回火温 度的升高而降低,组织匀细分布，儿乎没有内应力， 具有良好的弹直性能，因而有优异的冷绕簧性能。 油淬火回火钢丝的金相组织还包括下列内容：(1) 回火马氏体组织的评级；(2) 钢中夹杂物的评级；(3) 奥氏体晶粒度的评级；(4) 钢丝表面脱碳应在允许范围内；(5) 油淬火钢丝芯部不应出现珠光体类的组织。 以上几项指标是油淬火钢丝质量好坏的重要技 术内容。1-3两种弹簧钢丝的力学性能良好的组织状态是保证弹簧钢丝具有优异力学 6 金 属 制 品第25卷性能的基础

11、。图3列出了国产碳 素弹簧钢丝和各种油淬火回火钢丝的抗拉强度(。b)中值线与其丝径 (d)的关系。其中冷拔碳素弹簧钢丝(gb 435784) a、b、c三组的ob的中值线在该图中分别用a-a、bb> c-c线表示，它们分布在图的左下方。a 组的强度最低,b组居中,c组最高。应当指出,通过冷拔方法使尺寸较大的钢丝达 到很高的强度水平是困难的;采用低合金(mn除外) 钢通过冷拔技术达到高强度同样也是困难的。因为 低合金钢的索氏体化吋间比碳素钢长得多，铅浴槽 的长度需更长，否则很容易出现马氏体组织,显著降 低其冷拔性能;另一方面，合金铁素体的冷作硬化显 著，它比碳素钢的冷拔性能差得多。图3中相

12、应地标出了几种油淬火回火钢丝的抗 拉强度中值与丝径的关系曲线,6-6线代表fi本最 近开发的阀用高强度油淬火回火钢丝的中值水平， 该钢的化学成分是以60si2mna为基础、适当添加 cr. ni及v等合金元素,并采用高纯净的冶炼技术、进一步降低p、s、0、n等有害元素的含量、使钢中夹杂物含量更少，因而明显提高了钢丝的强韧性水平。图3冷拔弹簧钢丝及油淬火回火弹簧钢丝的抗 拉强度中值线与丝径的关系a-ab-bc-c冷拔碳素弹簧钢丝(gb435784)a组中值线b组中值线c组中值线余为油淬火回火弹簧钢丝1-1阀用碳素钢丝(gb 4359-84)中值线;2-2碳素钢丝 (gb436084) b 组;3

13、_3 阀用辂飢钢丝(gb 227184) ob 的中值线;4-4硅猛合金钢丝(gb 436184) c组ob的中 值线;5-5硅辂合金钢丝(gb436284) ob的中值线;6-6 13本高强度钢丝ob中值线1从图3中比较这两种弹簧钢丝的强度水平：当丝径小于1 5伽左右时，冷拔钢丝的强度高于油淬火钢丝。特别是丝径小于1mm时，冷拔钢丝的强度随丝径的减小而急剧上升，当do 01 mm吋，o b可达5 ooompa,表明冷拔技术可使细钢丝的强度达到很高水平，而油淬火刨火弹簧钢丝相应地只有2 500mpa以下的水平。当丝径超过2mm时，由于钢丝本身的质量效应，所有弹簧钢丝的强度皆随丝径的加大而降低，

14、冷拔弹簧钢丝降得最陡,油淬火钢丝次zo由图3还可看出，油淬火钢丝的发展趋势，即低合金油淬火钢丝的强度明显高于碳素钢丝，其主要 原因是由于适当合金化能有效地提高钢的淬透性。 钢丝的强韧性除要求高强度指标外，还要求高 韧性;对于阀门弹簧钢丝还要求良好的疲劳强度和 抗应力松弛性能;此外，为了弹簧生产的顺利进行， 还要求钢丝有优良的冷绕簧性能。实践表明，油淬 火回火钢丝的上述性能不比冷拔弹簧钢丝差，但疲 劳强度和较高t作温度下的抗应力松弛性能均比冷 拔弹簧钢丝要好得多。如果说冷拔弹簧钢丝标志着19世纪的技术水 平，那么，油淬火回火弹簧钢丝就是20世纪的产品, 两者相辅相成。细规格弹簧钢丝在传统上以冷拔

15、钢 丝使用较多;对于尺寸较粗的阀门弹簧采用油淬火 ih1火钢丝制造更有明显的优势。2弹簧钢丝生产技术的发展趋势弹簧钢丝强韧性的好坏主要决定于它的组织状 态。影响组织状态的因素3个方面：(1) 钢的化学成分和炼钢技术。钢的强度主要取决于含碳量。通用弹簧钢的含碳量一般为0 5% 0 9%,碳素弹簧钢取上限(如t9a等),低合金弹 簧钢取下限(如50crva等)。为了提高油淬火钢丝 的强度水平，目前的发展趋势是适当增加其碳含量。对于高强度或超高强度弹簧钢丝而言，保证足够的 韧性是一个主要技术问题。最有成效的办法是采用 先进的冶炼技术,尽可能减少钢中有害杂质的含量, 即提高钢质纯净度。由此可见，选配好

16、钢的化学成 分和釆用超纯净化的冶炼技术是决定金和组织与性 能的先决条件；(2) 冷热塑性变形技术与工艺；(3) 热处理技术与工艺。上述3方面都是改变弹簧钢组织状态(即组成相、数量、形态、大小及其分布等)的因素，它包括了金属制品生产过程的主要工序，自然也是人们分析 其发展趋势的基础。2 - 1冷拔弹簧钢丝的强韧化发展趋势 冷拔弹簧钢丝生产技术比较成熟，对钢的化学 成分设计、冶金、铅淬火工艺及冷拔技术等都有比较深入的研究。例如，采用控制轧制技术获得大盘重7-第4期苏德达:两类弹簧钢丝的组织、强韧性及发展趋势索氏 体化盘条提高生产率，降低成木,可获得较好的 经济效益;采用高温加热铅淬火工艺可改善弹簧

17、钢 丝的强韧性等等。冷拔弹簧钢丝的强韧化来源于铅 淬火的相变强化(组织微细强化)和拉丝过程中的形 变强化两个方面。钢丝经铅淬火后的金相组织是铁素体(q )和渗 碳体(fe3c),呈极细片层状，属于两相机械混合物， 故其强度可按混合律求出。0=vuoa+v9o9(l)式中:v ci极细珠光体中铁素体所占的体积百分数；。q铁素体的强度；v 6珠光体中渗碳体(fe3c)所占的体积百分数；。9渗碳体的强度。由(1)式可知，钢中碳含量越多，按fe-c相图 判断,v6量将越多；由于fe3c是硬脆相，儿乎无塑 性变形能力，它的强度近似地认为常量，铁素体量占 绝对优势，它是韧性相，拉拔时的塑性变形主要是在 铁

18、素体内进行。所以,铅淬火时钢丝的强度主要取 决于渗碳体的量(v 9 )和片层组织的片间距(入)大 小,ve量越多，入越小，则铅淬火后钢丝的强度越 高。铁素体的塑性变形强化(俗称加工硬化)水平与 其位错密度(p )的平方根成正比,并可用(2)式表 示。o ci 二。a 0+ a gb p (2)式中：。a0铁素体的摩擦力(乂名派欧斯力),o a 060mpa;q常数；g铁素体的切变模量；b柏氏矢量；p铁素体中的位错密度。将式代入式中得a -v ci o ci 0+v ci ( a gb p ) +v 9 o 0 (3)由(3)式可求出铅淬火后钢丝的强度。如位错密度(p)是总应变仁)的函数则由、式

19、可得：o (i-o a 0= ( o -v a o a 0-v 9 o 0 ) /v a = a gb p (4)上式中，。为钢丝强度实测值，借助fe-c相图可求 出vq及vb,利用式可算出(o -v a o a 0v 0 o 0 )/va值，此值和agbp相等;如用ln(agbp)和总应变仁t)作图得一组近似直线关系2。总应变量包括拉丝和拉伸试验时两部分应变，即£ t二£ d+ £(5)式中：ed拉丝吋的真应变；e拉伸试验吋o max对应的最大应变，如£ t取0 63 6,则可由资 料2证明，对于两种碳钢(一为w (c) =0 83%,另一 种为w(c

20、) =0 92%, w(cr) =0 2%的过共析钢)经 奥氏体化后在55(f590°c铅浴温度淬火，求得该组 直线方程为：ln(ugbp)=b e t+lnk (6)式中:b、k为常数，其中b为该直线的斜率。由此 可见，总应变量£ t越大，则位错强化增量越显著。 对于 w(c)=0 83%的钢,b0 46;对于 w(c)二 0 92%的钢,b0 50o如铅淬火时能得到100%珠 光体组织，其b值为0 5。如铅淬火吋得不到100% 珠光体，则b<0 5o这表明铅淬火工艺参数及钢中 含碳量均影响到珠光体组织的形成量，因而对冷拔 态钢丝的性能有重要影响。2 2油淬火回火弹

21、簧钢丝生产技术的发展趋势 如前所述,弹簧产品的市场需求是油淬火回火 钢丝纶产发展的动力。冷拔弹簧钢丝的强韧化原理 主要是加t硬化，其次是索氏体化;油淬火强化原理 是热处理相变强化及合金化占主导地位，塑性变形 强化只起次要作用。因为油淬火钢丝的成品组织是 回火马氏体，所以，改变这种组织状态的诸因素都对 其强韧性有重要影响。2-2-1钢丝的化学成分(合金化)及超纯净处理 油淬火回火弹簧钢丝追求高强韧性，首先应合 理选择其含碳量和合金化，其次应严格限定钢的化 学成分。(1) 钢中含碳量。传统弹簧钢的成分表明，碳素 弹簧钢的含碳量选上限;低合金弹簧钢相应选下限。对于油淬火回火碳素钢丝讲，其含碳量又选上

22、述碳 素钢成分的下限，即选w(c)二065%左右。这是因 为当钢中碳的质量分数大于0 7%吋，淬火将出现 脆性更大的李晶马氏体和较多的残留奥氏体，并且 加热时，奥氏体晶粒长大趋势明显，因而降低了油淬 火钢丝的强韧性水平。马氏体的强硬性主要决定于 钢中含碳量，当钢中碳的质量分数低于0 6%时,韧 性虽有所改善，但不能达到所要求的强度。对于低 合金钢丝讲，特别是加入那些强碳化物形成元素的 钢，由于碳化物的形成，需适当增加钢的含碳量。（2）合金化。加入合金元素的原则是多元微量 合金化。主要是加入那些使铁素体固溶强化并细化 金相组织的元素，如si、mn、ni> cr等;这些合金元素 均显著提高钢

23、的淬透性，能保证截面尺寸较大的钢 丝油淬时获得马氏体。其次是微量加入能细化奥氏 8 金 属 制品第25卷体晶粒及组织的合金元素，如v、ti、nb等，以便获得 超细晶粒的油淬火钢丝。瑞典专利产品oteva- 40就是在含较高的碳、镒量基础上适当加入微量的 ti制成的；13本高强度油淬火回火钢丝产品正是在 60si2mna和50crva钢的基础上再添加适量的ni（质量分数为0.4%）制成的1。（3）超纯净化技术。高或超高强度钢存在的难题是塑、韧性不足。原因之一是钢中夹杂物过多。 所以，在炼钢过程中采用超纯净化技术，除去有害的 杂质元素如p、s、0、n等，具有特殊的意义。 钢中夹杂物是一种严重的金相

24、组织缺陷，它的 存在对钢的基体是一种割裂损伤。资料3表明，夹 杂物（特别是脆性者）的尺寸大小对钢的断裂韧性的 高低密切相关。有害夹杂物的数量越多、尺寸越大， 呈尖角形，分布呈网状，则对钢的强韧性损害越大 （对高强度油淬火钢丝的危害性尤甚）。从断裂力学看,韧性是强度(。s)和塑性应变(5 c)的综合表现，并可用下式表示。glc sco s(7)式中:g1 c平面应力条件下裂纹扩展时的能量释放率或叫裂纹扩展力伸位:mn/m) o由式可见， 既提高强度(。s),又提高塑性应变(5c),才能达到提高断裂韧性(glc)的理想效果。为此,在不断提高油 淬火钢丝强度的同时，必须采用超纯净化技术来改 善钢的塑

25、性应变能力。超净化技术一般属于专利。它主要是采取双真 空熔炼，进行脱气(0、n等)处理和电磁搅拌等技术， 使钢中的含氧量w(02)达到10x10-6的水平，使各 种非金属夹杂物达到少、小、匀、圆的目的。2-2-2热处理技术的改进油淬火回火是生产这种弹簧钢丝的主要工序， 因为它决定了该产品的最终组织和性能。这类钢丝 的热处理技术包括奥氏体化过程、油冷时马氏体的 形成以及铅浴回火过程，重点是淬火加热技术的控 制和改进。(1) 根据钢的合金化特点，采用细化奥氏体晶粒 的热处理技术，获得超细晶粒的油淬火弹簧钢丝。 奥氏体晶粒越细小，其屈服强度(0 s)越高，而且钢丝的塑性、韧性越好,脆性转化温度越低。

26、(2) 油淬火凹火t艺的选择应保证组织微细化(即回火马氏体应匀细)。合理的合金化、止确地选 择油淬火回火工艺是获得良好回火马氏体组织的基 木保证。具体的热处理技术有：%1 美国弹簧钢丝有限公司生产的碳素及合金钢阀用油淬火回火钢丝占产量的90%以上，丝径可达 16mmo该公司michael urbaneic采用二次铅浴热处理技术来改善阀簧钢丝的疲劳性能4。该工艺的主要特点是有效地控制奥氏体晶粒度和防止钢丝表面 脱碳；%1 采用电接触快速加热技术。可使钢丝经热处 理后获得超细晶粒,并使回火马氏体组织微细化5;%1 采用感应加热技术。日本已发明这方面的专利，采用34次循环感应加热技术，获得超细晶粒。

27、%1 采用电了束或激光加热技术等。(3) 防止油淬火钢丝的表面脱碳。对于要求高 疲劳寿命的阀门弹簧，其重要技术措施除上述合金 化、超纯净化及晶粒微细化外，防止钢丝表面脱碳和提高其表面光洁度也是一项极为重要的技术要求。 主要是通过采用快速加热技术或保护气氛加热方法 來实现的。2 2 3新型油淬火回火钢丝的研制弹簧需求市场最大的产业是汽车工业,其中又 以阀门弹簧、悬挂弹簧及稳定杆的需求量最大。如 前所述，阀弹簧钢丝的发展趋向是对其强度要求愈 来愈高，至少要超过sicr型汕淬火钢丝的强度水 平，以便保证阀簧长期工作的安全可靠性。另一方 面，由于汽车工业设计中采用更轻、更小的阀簧和悬挂弹簧等，以便降低

28、车自重、降低能耗和生产成本， 增加经济效益。这就要求弹簧钢丝不仅有很高的强 韧性，还要求钢丝有最佳的截面形状。为了满足这 种市场需求，需要综合利用上述3方面的有关技术, 特别是把塑性变形和热处理技术紧密结合起來，研 制出新型油淬火回火钢丝。例如：(1) 螺旋弹簧传统采用圆形截面钢丝，从弹簧受 力分析看，采用圆形截面不尽合理,如进行形状优 化,其截面应接近椭圜形(俗称卵形)1, 68。所以，等截面积的卵形油淬火钢丝的研制已提到h程上 來，可使阀簧小型、轻量化；(2) 采用高温形变热处理技术研制出尺寸较粗 的等截面或不等截面的悬挂弹簧用油淬火回火钢 丝，后者可以使汽车高度降低，实现轻量、小型化。 此外，各类减震器用螺旋弹簧亦可选用这类新材料， 可有效地节约弹簧用优质钢材；(3) 形变热处理弹簧钢丝的推广应用。h木的 高强度油淬火回火钢丝的强度比(下转第26页)9-笫4期苏德达:两类弹簧钢丝的组织、强韧性及发展趋势图 14裂纹从铁素体处形成图15裂纹沿铁素体、珠光体边界开裂图16裂纹核从铁素体基体 的碳化物颗粒