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、强韧性及发展趋势苏徳达（天津大学材料学院300072）摘耍对比冷拔弹簧钢丝和油淬火回火弹赞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要点。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 汕淬火回火弹簧钢丝 金相纽织 市场需求 microstructure,strength-toughness of two kinds of spring steel wires and it' s development tendencysu deda（tianjin univ

2、ersity 300072）abstract to compare the microstructures and strength-toughness characteristics of two kinds of spring steel wires the relationsand differences between its high sirength-toughncss and the productive processes are analyzed accordingtothe requirements forthespring market and the productiv

3、e 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; oi1-tempered spring steel wires; microstructure; 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

4、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 冋火弹簧钢丝。由于汕淬火回火钢丝能简化弹费牛 产工艺、出簧率高、生产的弹簧质量高，因此越来越 受弹簧生产厂家的青睐。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4产者如何提髙钢丝质量都有必 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之间的密切关系。1两类弹赞钢丝的金相组织结构特征及力学性能11冷拔弹簧钢丝的金相组织结构冷拔弹赞钢丝的金相组织是纤维状，如图18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

5、 解产物，山渗碳体片和铁素体两相组成。铅淬火时 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，这种两相组织小铁索体量占绝对优 势,具有特別优界的冷拔性能。在冷拔过程屮塑性 变形主要在铁素体内进行，每个晶粒被拉成条带状 （相片屮的白色基底），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）破碎呈点状或小 块状,仍然分布在铁素体条带之间，此处又是两相交 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

6、组织时（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，实际上该处仍以铁索体为基 地。在更高倍率观察时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=1012根/cm）,白条内铁素体的位错 密度很低。这表明tem和0m组织的一致性，前者 观察金属薄膜屮较小的视场范围，主要是研究它的 亚结构;后者是观察试样较人范围的金相组织。 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。由于夹杂物対钢丝的力学性能及弹簧的疲劳 寿命有重耍影响。所

7、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：笫25卷 第4期金 属 制 品1999年8月vol 25 no 4 steel wire products august 1999 图 1 冷拔弹簧钢丝（ii a 组）的金 相组织a. 0m 纟ft织（x 1 000）b. tem 组织（x 45 000）先共析铁素体，马氏体，钢丝衣面脱碳超标。12油淬火回火弹簧钢丝的金和组织特征 各种油淬火回火钢丝的生产过程都是采川类似 的连续热处理设备进行的。即将冷拔到所需尺寸后 的儿根或儿十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

8、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，获得回火马氏休组织。 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,绝人部分是位错型马氏体（冇时 也可见到亨晶型马氏体），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，马氏体回火时发生 分解,析岀细小点状碳化物（如碳化饥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汕淬火回火弹簧钢丝（50crva）的金相组织a. om 组

9、织(x 1 000)b. tem 组织(x 45 000)对比图2和图1,可见汕淬火回火钢丝的金相 组织(0m和tem)和冷拔弹簧钢丝的金相组织有显 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冋火马 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 变增人时，黑色条带变宽,表示具位错密度增加，则 其强度增加，具有很高的内应力，使成品钢丝呈弯曲 状。而油淬火钢丝中诙索体的位错密度乃随回火温 度的升高而降低,组织匀细分布，几乎没有内应力， 具冇良好的弹直性能，因而冇

10、优异的冷绕簧性能。 汕淬火回火钢丝的金相纽织还包括-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) 钢丝表血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。 以上几项指标是汕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界力学 6金 属 制 品第25卷性能的基础。图3列出了国产碳素弹簧钢丝和各种 汕淬火冋火钢丝的抗拉强度(。b)屮值线与其丝径(d)的关系。其屮冷拔碳索弹费钢丝(gb 4357-84) a、b、c三组的ob的中值线在该图中分别用a-a、 b-b、c-c线表示

11、，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时间比碳素钢长得多，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;另一方而，合金铁素体的冷作硬化显 著，它比碳索钢的冷拔性能差得多。图3中相应地标出了几种汕淬火回火钢丝的抗 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

12、纯净的冶炼技术、 进一步降低p、s、0、n等有害元素的含量、便钢屮夹 杂物含量更少，因而明显提高了钢丝的强韧性水平。 图3冷拔弹簧钢丝及汕淬火回火弹簧钢丝的抗拉强度中值线与丝径的关系a-ab-b c-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 435984)中值线;2-2碳素钢丝 (gb436084) b 组;3-3 阀用锯帆钢丝(gb 227184) o b 的中值线;4-4硅猛合金钢丝(gb 436184) c组。b的中 值线;5-5硅辂合金钢丝(gb436284) b的屮值线;6-6 口本高强度

13、钢丝。b中值线1从图3中比鮫这两种弹簧钢丝的强度水平:当 丝径小于15mm左右时，冷拔钢丝的强度高于汕淬 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d001 mm bt, ob可 达5 ooompa,表明冷拔技术可使细钢丝的强度达到 很鬲水平，而油淬火回火弹簧钢丝相应地只有2 500 mpa以下的水平。当丝径超过2mm时，由于钢丝木 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，冷拔弹簧钢丝降得最陡,油淬火钢丝次 z。由图3还町看出，油淬火钢丝的发展趋势，即低 合金汕淬火钢丝的强度明显高于碳索钢丝，其主要 原因是山于适当合金化能有效地提屈钢的淬透性。

14、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，汕淬 火回火钢丝的上述性能不比冷拔弹簧钢丝差，但疲 劳强度和较高工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著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钢 丝使用较多;对于尺寸较粗的阀门弹簧采用汕淬火 回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

15、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05%、09%,碳素弹簧钢取上限（如t9a等），低合金弹簧钢取下限（如50crva等）。为了提高汕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赞钢丝而言，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,尽可能减少钢屮有害杂质的含量，即提高钢质纯净度。由此可见,选配好钢的化学成分和采用超纯净化的冶炼技术是决定金相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方而都是改变弹赞钢组织状态（即组成相、数量、形态、大小及其分布等）

16、的因索，它包括了金属制品生产过程的主要工序，白然也是人们分析其发展趋势的基础。21冷拔弹赞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冇比较深入的研究。例如，采用控制轧制技术获得大盘重7 笫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, 降低成本,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钢丝的强韧性等等。冷拔弹费钢丝的强韧化來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纽织是铁素体（a ）和渗碳体（fo3c）,呈极细片层状，属于两相机械混合物，故其强度可按

17、混合律求出。a =v a o a +v 0 0 （1）式中:v（i极细珠光体中铁素体所占的体积冇分数；o a恢素体的强度；v 6珠光体中渗碳体（fe3c）所占的体积百分数；。e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,v 9量将越多；由于fe3c是硬脆相，几乎无幫性变形能力，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，拉拔吋的塑性变形主要是在铁素体内进行。所以，铅淬火时钢丝的强度主要取决于渗碳体的量（v（）和片层组织的片间距（入）人小,v 0虽越多，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

18、比,并可用式表/j'' oo (1=0 a 0+ a gb p (2)式中：o a 0铁素体的摩擦力(又名派欧斯力)，。a 060mpo;a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o 二v a o a 0+v a ( a gb p ) +v 0 o 0 (3)山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、式可得：a a - a a 0= ( o -v a a a 0v 0 o 9 ) /v a = a gb p (4) 上式中，。为钢丝强度实测值，借助fe-c和图可求 111 va 及 v0,利用式可算!l|(o-v

19、a o ao-vo a 0)/ va值,此值和agbp相等;如用ln(agbp)和总应变 (e t)作图得一组近似直线关系2。总应变虽包括拉 丝和拉伸试验吋两部分应变，即£ " £ d+ £(5) 式中：£ d拉丝时的真应变；£拉伸试验时o max对应的最大应变，如£ t取0 6、36,贝!i可由资 料2证明,对于两种碳钢(一为w(c)=083%,另一 种为w(c)=092%,w(cr)=0 2%的过共析钢)经 奥氏体化后在550590°c铅浴温度淬火，求得该组 直线方程为：in ( a gb p )=b 

20、3; t+lnk (6)式中:b、k为常数，其中b为该点线的斜率。由此 可见，总应变量£ t越大，则位错强化增虽越显著。 对于 w(c)=0 83%的钢,b0 46;对于 w(c) = 092%的钢,b050o如铅淬火时能得到100%珠 光体组织，其b值为05。如铅淬火时得不到100% 珠光体，则b05。这表明铅淬火工艺参数及钢中 含碳虽均影响到珠光体组织的形成屋，因而对冷拔 态钢丝的性能有重要影响。22油淬火回火弹簧钢丝牛产技术的发展趋势 如前所述，弹簧产品的市场需求是油淬火回火 钢丝生产发展的动力。冷拔弹簧钢丝的强韧化原理 主要是加工硕化，其次是索氏体化;汕淬火强化原理 是热处理

21、和变强化及合金化占主导地位，塑性变形 强化只起次要作川。因为油淬火钢丝的成品组织是 回火马氏体，所以，改变这种纽织状态的诸因索都对其强韧性冇重要彩响。221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）钢小含碳量。传统弹费钢的成分表明，碳素 弹赞钢的含碳量选上限;低合金弹簧钢相应选下限。 对于油淬火回火碳素钢丝讲，其含碳量乂选上述碳 素钢成分的f限，即选w（c）=o65%左右。这是因 为当钢屮碳的质量分数人于07%时，淬火将出现 脆性更大的弯晶马氏体和较多的残留奥氏体，并r 加热吋，奥氏体品粒长大趋势

22、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06%时,韧 性虽有所改善，但不能达到所要求的强度。对于低 介金钢丝讲，特别是加入那些强碳化物形成元索的 钢，由于碳化物的形成，需适当增加钢的含碳最。（2）合金化。加入合金元素的原则是多元微量合金化。主耍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i、nb等，以便获得8 金 属 制 品笫25卷体品粒及组织的合金元素，如v、 超细晶粒的油淬火钢丝。瑞典专利产品

23、oteva- 40就是在含较高的碳、猛量基础上适当加入微竝的 ti制成的；h本高强度汕淬火冋火钢丝产品正是在 60si2mna和socrva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，除去冇害的 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 朵物（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。冇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

24、损害越人 （对高强度油淬火钢丝的危害性尤甚）o从断裂力学 看,韧性是强度（。s）和塑性应变（6 c）的综合表现，并 可用下式表示。glc s c o s（7） 式中:glc平面应力条件下裂纹扩展吋的能量释放率或叫裂纹扩展力（单位:mn/m） o由式可见, 既提高强度（。s）, 乂提高槊性应变（§ c）,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 善钢的塑性应变能力。超净化技术一般属于专利。它主耍是采取双真 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10x 10-6的水平，使各 种非

25、金属夹杂物达到少、小、匀、圆的目的。2-22热处理技术的改进汕淬火回火是牛产这种弹簧钢丝的主要工序，因为它决定了该产品的最终纟r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。根据钢的合金化特点,采用细化奥氏体晶粒 的热处理技术，获得超细品粒的油淬火弹簧钢丝。 奥氏体晶粒越细小，其屈服强度(o s)越高，而fl.钢丝 的赠性、韧性越好，脆性转化温度越低。(2) 油淬火回火工艺的选择应保证组织微细化(即凹火马氏体应匀细)。合理的合金化、正确地选 择汕淬火回火工艺是获得良好冋火马氏体纟r织的基 本保证。具体的热处理技术冇：%

26、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 16mm。该公司michael urbancic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上钢丝农面 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,并使回火马氏体纽织微细化5;%1 采用感应加热技术。日本已发明这方而的专利，采用34次循环感应加热技术，获得超细晶粒。%1 采用电子束或激光加热技术等。(3) 防止油淬火钢丝的表血脱碳。对于要求高 疲劳寿命的阀门弹簧，具重要技术措施除上述合金 化、超纯净化及品粒微细化外,防止钢丝表

27、而脱碳和 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。223新型油淬火回火钢丝的研制弹簧需求市场最人的产业是汽车工业，其屮又 以阀门弹费、悬挂弹簧及稳定杆的需求量最人。如 前所述，阀弹簧钢丝的发展趋向是对其强度耍求愈 來愈高，至少要超过sicr型油淬火钢丝的强度水 平，以便保证阀簧长期工作的安全可靠性。另一方 ifti,由于汽车工业设计中采用更轻、更小的阀簧和悬挂弹簧等，以便降低车白重、降低能耗和生产成木，增加经济效益。这就要求弹簧钢丝不仅有很高的强韧性，述耍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方而的有关技术

28、，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血钢丝，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，其截面应接近椭圆形(俗称卵形)1, 68 o所以， 等截面积的卵形油淬火钢丝的研制已提到口程上 来，可使阀簧小型、轻量化；(2) 采川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川汕淬火回火钢丝，后者可以使汽车高度降低，实现轻量、小型化。此外，各类减展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本的高强度油淬火回火钢丝的强度比(下转第26页)9 第4期苏徳达: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裂纹沿铁索体、 珠光体边界开裂图16裂