1.1概述:

弹簧是各类机电设备配套和维修的重要机械基础零部件，广泛应用于国民经济的各个领域。随着汽车、拖拉机、内燃机、摩托车及各类机械工业的发展，弹簧的品种逐渐增多，数量不断增加。
制造弹簧的主要原料是弹簧钢丝。在线材制品生产中，弹簧钢丝无论是在产品数量上还是品种上都占有很重要的地位。数量上占优质钢丝产量的一半以上，约在25万t左右。品种上按不同的生产工艺、化学成分和用途可分为10余种。按生产工艺可分为冷拉、退火、油回火弹簧钢丝；按化学成分可分为碳素、合金、不锈弹簧钢丝；按用途可分为非机械、机械、气门弹簧钢丝。在使用上能适应低温、中温和高温工作环境，还能用于静载荷或动载荷。其产量之高、品种之多、用途之广是其它钢丝品种无可比拟的。
弹簧钢丝种类见表1-1。

表1-1弹簧钢丝种类

1.3.1 冷拉弹簧钢丝
冷拉弹簧钢丝生产历史悠久，成本较低，至今在弹簧行业仍占有较大的市场份额。其中琴钢丝尺寸精度高、综合性能好，尤其在细规格领域能够胜于油回火钢丝。随着高线盘条的出现，索氏体量达80%以上，如果强度合适的话可以不进行铅淬火处理而直接拉拔，减面率能够达到90%。
磨光弹簧钢丝是冷拉后进行矫直和磨光以消除钢丝表面的脱碳等缺陷，从而使疲劳寿命明显提高。日本生产琴钢丝采用盘条剥皮以及矫直磨光的方法。
1.3.2 油回火弹簧钢丝
最初的油回火弹簧钢丝以碳素钢为主，后来出现了低合金钢。低合金钢在保持足够韧性的情况下具有非常高的强度和弹性，在温度升高时仍具稳定性。欧州通常只使用CrV合金钢，因为其表面质量优于CrSi合金钢，而且CrV钢的表面脱碳和表面缺陷敏感性低。即使如此，气门簧失效的主要原因依然是表面缺陷。随着剥皮技术的发展，表面缺陷问题解决了，于是失效由表面转移到内部的非金属夹杂物。
气门簧工作温度的升高引起了从CrV钢向CrSi钢的转移。不仅由于CrSi钢强度更高，而且由于Si含量高具有抗热性能。另外，硅合金钢具有更良好的高应力立定性能,因而形成了逐步取代CrV合金钢的趋势,这类钢以SAE9254为代表。SAE是美国汽车工程师协会的简称，92代表铬硅钢,54代表平均含碳量。???????????
1.3.3 重要用途弹簧钢丝
对于碳素弹簧钢丝，原料常常是65Mn，相对一般用途来说，成品检验增加了脱碳层，表面质量和扭转值的要求都更加严格。在重要用途弹簧钢丝领域，低合金钢介入油回火生产已经占有很大比例。部分原因是冷卷簧设备的开发与普及，其综合经济效益得到用户的认可。
对于合金弹簧钢丝，我国现行产品标准分为非油回火处理、阀门用非油回火处理和阀门用油回火3类。美国合金弹簧钢丝标准按钢种设立，每一个标准都包括冷拉和油回火两部分。其中以油回火部分为主，规定明确，要求严格；而对冷拉部分要求较松。这说明了合金弹簧钢丝油回火状态供货的大趋势。日本弹簧钢丝标准中没有冷拉状态供货的合金弹簧钢丝标准，这主要是因为日本的油回火弹簧钢丝的生产与使用很普遍，弹簧制造厂可以直接用油回火钢丝制造弹簧省去淬火-回火工序，有较高的经济效益和社会效益。油回火钢丝的强度和韧性可以和冷拉弹簧钢丝相同，但是疲劳强度以及较高工作温度下的抗应力松弛性能要比冷拉弹簧钢丝好得多。
1.3.4 重要用途弹簧钢丝开发研制的新进展
以汽车悬架簧和气门弹簧为代表的高应力（最高工作应力达到900Mpa）弹簧的发展趋势是提高使用应力、减轻自身重量、缩小体积以及提高疲劳寿命。目前国外气门弹簧在高应力下每分钟要经受3000～5000次的往复受压，疲劳寿命可以达到1×108，失效率小于3×10-6。因此对弹簧钢丝的要求是：
a 改进钢的化学成份以提高钢丝的疲劳强度、淬透性、回火稳定性和高温环境的适应性；
b 提高钢质的洁净度并改变夹杂物的种类,限制夹杂物的数量和尺寸以克服弹簧的早期失效；
c 提高抗拉强度以适应直径减少和应力负荷增大的需要；
d 细化晶粒，提高屈服强度及韧性以提高弹簧的抗松弛性能；
e 改变横截面形状以获得弹簧承受负荷时理想的应力分布；
f 消除表面划伤和裂纹,减少脱碳层以延长在高应力条件下的使用寿命。
为了适应上述要求，近年来发展的新技术主要有：超纯净钢、盘条剥皮、形变热处理及改进钢丝性能的其它技术。

1.4 生产工艺

1.4.1 碳素弹簧钢丝生产工艺
碳素弹簧钢丝是一种经过铅浴淬火后，多次冷拉而成的高碳钢丝。原料用60、65、70等优质钢以及T9A工具钢，规格∮0.3～6mm不等。成品按强度及扭转分为Ⅰ组、Ⅱ组、Ⅱa组、Ⅲ组等。此种钢丝的生产过程有严格的工艺和技术要求，是轻工、机电、军工、纺织等工业冷缠弹簧的重要材料。
生产流程是：
盘条→酸洗磷化→拉拔→铅淬火热处理→酸洗→拉拔→浸油包装
一般来说，钢丝的加热温度是900～950℃，而铅温是470～500℃。
1.4.2 合金弹簧钢丝生产工艺
合金弹簧钢丝（如硅锰弹簧钢丝、铬钒弹簧钢丝、铬硅弹簧钢丝等）主要用于汽车、摩托车、柴油机等机械领域，属重要用途弹簧钢丝。冷拉合金弹簧钢丝与碳素弹簧钢丝工艺相近。
油回火弹簧钢丝是指钢丝在拉拔到要求的规格后进行油淬火和铅回火处理。油回火生产线包括以下5部分：放线装置、加热马弗炉、油淬火槽、铅回火炉以及收线设备。
感应加热生产线是生产油回火弹簧钢丝最理想的设备，它的工艺流程是：
放线→夹送→矫直→感应加热→均热→淬火→感应加热→均热→水冷→收线
1.4.3 不锈弹簧钢丝生产工艺
不锈弹簧钢丝大致分为：相变强化马氏体钢丝、形变强化奥氏体钢丝和沉淀硬化半奥氏体钢丝。这里着重介绍奥氏体不锈弹簧钢丝生产工艺。
固溶处理温度1000～1100℃，成品前全部采用连续炉进行固溶处理，出炉后空冷或水冷。
国外先进厂家都配有表面涂层和去涂层专用生产线，多采用氯系或氟系树脂涂层。国内合资企业大多从日本购进涂层材料，不少企业仍旧沿用盐石灰涂层或草酸盐涂层。
拉拔，一般头一道次减面率高达25％～30％，以后逐道次递减，成品道次减面率一般为12％～17％。
用形变强化不锈钢丝制作的弹簧，冷缠成形后必须进行消除应力退火。消除应力退火有去除弹簧钢丝中残余应力和稳定弹簧形状两种作用。退火温度350～450℃，保温时间1～2h，退火后钢丝抗拉强度上升80～200N/mm2。

1.5 对高应力弹簧钢丝用线材的技术要求

我国生产弹簧钢线材的厂家虽有十余家，但是用于制造悬架簧和气门簧的高应力弹簧钢丝用线材基本上全部进口，主要是从日本住友株式会社和日本神户公司进口。悬架弹簧钢丝用线材的钢种一般为60Si2MnA、55CrSi，规格为φ6.5～φ17.0mm。钢丝规格一般为φ5.0～φ15.0mm，采用标准JISG3560-94；气门弹簧钢丝用线材的钢种为55CrSi、50CrVA、67CrV，规格为φ5.5～φ8.0mm。钢丝规格一般为φ2.0～φ6.0mm，采用标准JISG3561-94。
高应力弹簧主要指内燃机阀门弹簧、汽车悬架簧、摇架簧等。近年来汽车行业要求气门簧工作应由450MPa提高到800～900MPa，疲劳寿命为2.5×107 不断裂，应力松弛率10年内≤5%等。欧洲各国长期以来习惯用CrV钢，代表钢号是50CrV；近年来又大量使用CrSi钢，代表钢号是55CrSi。日本最近又开发了在CrSi钢基础上加钒及镍、铌等元素，综合性能优良，且每个弹簧重量比55CrSi 钢号减轻22.6%。
下面介绍我国某单位向日本神户制钢及住友金属签订线材订货协议时的技术条件:
1.5.1 气门簧用线材的技术条件
⑴ 神户制钢
1）钢的牌号??? 9254V（超纯净Si-Cr钢）
2）化学成分ω%（熔炼成分）：
C： 0.51～0.59??? S： ≤0.020
Si：1.20～1.60??? Cu：≤0.10
Mn：0.60～0.80??? Ni：≤0.10
P： ≤0.025????? Cr：0.60～0.80
3) 尺寸公差：±0.25mm(D≤10mm)
4）不圆度：≤0.35mm(D≤10mm)
5）表面划痕深度（在卷的二端）
≤0.12(mm)(D≤10mm)
6）脱C层深度（按JISG0558）
总脱C层深? DM—T≤0.12mm(D≤10mm)
全脱C????? 不允许
7）非金属夹杂物（按JISG0555）
夹杂物总量?? dT≤0.1%
按“Max-l”法：
Mmax -≤10μm（表层：从表面到0.5R（半径）之间）
Mmax -≤20μm（中心层：从0.5R到中心之间）
8）盘卷外径 ≤1450mm
9）盘卷内径 ≤800mm
10）盘卷重量约2t

⑵ 住友金属
1）钢的牌号 C9254MSC及C6150ASC
2）尺寸 ∮5.5～9.5mm（成卷）
3）化学成分

4）奥氏体晶粒度。应为细晶组织，按JISG0551 Gh（淬回火处理法）检验，其晶粒度≤6级。
5）脱C层。局部脱碳最深不大于1%；完全脱碳，不允许。
6）非金属夹杂物。受检面积1000mm2（每个炉号作一个样）。

7）显微组织。应为均匀的铁素体、珠光体组织，不允许有球状退火组织及马氏体组织。
8）力学性能。热轧状态σb=950～1200N/mm2。
9）外观状态
a 在实际产品上不应存在任何有害缺陷。
b 尺寸公差：±0.3mm。
c 不圆度：≤0.4mm。
d 裂纹：任何裂纹、伤痕等深度应≤0.1mm。
10）盘卷：内径? 800～1100mm
外径 1200～1400mm
盘重 1800～2100kg
卷取方向? 逆时针
1.5.2 悬架簧用线材的技术条件
⑴ 神户制钢
1）钢的牌号：9254
2）化学成分ω%（熔炼成分）：
C 0.51～0.59?? P ≤0.03???? Ni ≤0.2?????? Si 1.20～1.60???
S ≤0.03??? Cr 0.60～0.80?? Mn 0.60～0.80??? Cu ≤0.2
3）尺寸公差
±0.25mm（直径D≤10mm）；±0.30mm（10mm＜D≤16mm）
4）不圆度
≤0.35mm（D≤10mm）； ≤0.40mm（10＜D≤16mm）
5）表面划伤深度（在卷二端）
≤0.15mm（D≤10mm）； ≤1.5%D（10＜D≤16mm）
6）脱C层（按JISG0558）
a）总脱C层深度
DM-T≤0.15mm（D≤10mm）； DM-T≤1.5%D（10＜D≤16mm）
b）总脱C层
DM-F≤0.03mm
7）夹杂物（按JISG0555）
夹杂物总量? dT≤0.15%
8）盘卷 外径≤1450mm；内径≥800mm；重量≌2t/卷。
⑵ 住友金属
1）钢的牌号：SUP12（SUP12M）
2）尺寸 ∮7.0～18.0mm（成卷）
3）化学成分：