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文 | 文渊

编辑 |文渊

<—前言—>

弹簧钢是一种重要的结构材料 ，被广泛用于制造汽车、铁路车辆、航空航天、机械和仪器仪表等行业的零部件。弹簧在周期性的弯曲、扭转和其他交变载荷下工作，同时还承受拉力、压力、扭力、冲击、疲劳、腐蚀等多种作用，有时还需要承受极高的短时突变载荷。

由于弹簧钢在使用环境恶劣且受力状况复杂，对其综合性能有极严格的要求 。首先，它需要具备高的淬透性，以确保整个弹簧截面的微观组织均匀并且具备良好的力学性能。其次，它还需要具备低的脱碳倾向和均匀细密的微观组织。弹簧钢不仅需要高强度和疲劳极限，还要具备一定的冲击韧性。

<—弹簧钢及其工艺—>

根据弹簧钢的化学成分组成，可以将其分为 碳素弹簧钢和合金弹簧钢 。碳素弹簧钢具有强度和韧性相对较低、淬透性差、易脱碳等缺点，主要适用于不太重要、要求较低的机械缓冲部件制造。

根据合金弹簧钢中主要合金元素的不同类型， 可分为Si-Mn、Si-Cr、Cr-Mn、Si-Mn-Cr、Cr-V和W-Cr-V等系列的弹簧钢 。为了满足特殊性能需求，还可以在合金弹簧钢的基础上添加Ni、Mo、V和B等元素。

在最新版的国家标准《弹簧钢》(GB/T 1222—2016)中，包括了 6种碳素弹簧钢和20种合金弹簧钢 。其他国家的弹簧钢标准中也包含不同数量和类型的弹簧钢。

控制轧制是一种通过调控轧制温度、轧制道次以及变形程度来生产弹簧扁钢的方法。 它将热塑性变形和固态相变相结合，以发挥各种强韧化机制的强化作用，有效细化晶粒，使得弹簧钢具有超高的强度和良好的塑韧性。

通过控制轧制的工艺参数，可以调节钢的轧后组织，从而获得所需的性能 。有的研究表明，在控轧控冷工艺中采用奥氏体再结晶控制轧制，并在轧制后以较快的冷却速率进行冷却，可以获得细小均匀的珠光体组织和少量的铁素体组织，从而显著提高钢的强韧性，并减少脱碳。

还有的研究则针对终轧温度对弹簧钢60Si2CrVAT的强韧性影响进行了探索 。研究结果显示，随着终轧温度的降低，经过热处理后钢的组织变得更加细小且均匀，索氏体含量增加，从而提高了强度和塑性。

通过控制轧制工艺，可以实现对弹簧钢性能的精确调控，从而满足特定应用需求。 不同的轧制参数和工艺调节方式都会对弹簧钢的组织和性能产生影响 ，因此对于弹簧钢的生产和研发来说，控制轧制技术具有重要的意义。

合适的淬火和回火工艺可有效提高弹簧钢的综合性能。 一般选择冷却速率较低的矿物油作为淬火介质，可以降低弹簧钢在淬火过程中产生的内应力，防止变形和开裂的发生。

许多研究结果表明，热处理工艺对弹簧钢的力学性能具有显著影响， 不同种类的弹簧钢需要采用不同的热处理工艺 。当弹簧钢的化学成分发生细小变化时，应重新进行试验，确定精确的热处理工艺参数，以获得最佳的微观组织状态和力学性能。

目前尚无确切的结论表明哪种类型的微观组织能够确保弹簧钢具有超高的强韧性和超长的疲劳寿命。近期的研究中， 有学者尝试将等温淬火、淬火-配分等热处理工艺应用于高性能悬架弹簧钢的制备，但对这些工艺对弹簧钢的疲劳性能指标的影响仍需进一步研究评估。

<—弹簧钢中的合金元素及作用机理—>

下图中展示了碳、硅、锰和铬等主要合金元素对弹簧钢强度的贡献。从图中可以明显看出， 碳元素对提高弹簧钢强度起到最为显著的作用。 碳的贡献量约为硅的5倍、铬的9倍、锰的18倍。

为了确保弹簧钢具备较高的强度和硬度，通常在其化学成分中设置相对较高的碳含量，一般在0.4%到0.6%之间。在高温保温后，弹簧钢通过淬火至室温， 碳很大程度上会固溶在马氏体基体当中 。而在回火过程中，马氏体发生回复作用，此时固溶在基体中的碳会与一些元素结合形成碳化物的析出。

早期的研究结果表明，适量提高碳含量对于弹簧钢的抗弹减性也具有一定的促进作用。 但是提高碳含量将明显降低弹簧钢的塑性和韧性，并增加其脱碳敏感性，进而影响疲劳寿命。

为了降低高碳元素对弹簧钢的不利影响，近年来各国纷纷研发中低碳弹簧钢。通过 淬火和低温回火等工艺 ，这些中低碳弹簧钢可以获得板条马氏体组织， 既保证了高强度，又确保了一定的塑性。

硅以原子形式主要固溶在弹簧钢的基体中，这可以提高弹簧钢的力学性能。 同时，硅还能抑制回火时马氏体基体的回复，从而提高回火的稳定性。 有专家在Fe-Si合金的研究中发现，由于硅之间的相互作用，增加了位错运动所需的额外阻力。

随着硅含量的增加，体心立方金属中位错的交滑移减少，因此硅会阻碍基体的回复。 还有人研究了回火温度（300~400℃）和时间（1800~3600秒）对低硅（1.4%）和高硅（2.7%）马氏体钢的影响。

通过观察衍射峰（110）α和（211）α的强度变化（见下图），他们发现 低硅钢在300℃回火3600秒后的衍射强度与高硅钢在350℃回火1800秒后的衍射强度相似 ，可以推断硅会影响马氏体基体的回复。

下图呈现了根据其他研究中提取数据重新绘制的 回火温度对两种不同硅含量的超高强度弹簧钢抗拉强度的影响 趋势图。

在观察图中，可以看到，在高硅钢中，随着回火温度的升高（在300～400℃范围内），抗拉强度略微下降，但仍然维持着较高的水平。然而，在低硅钢中，一旦回火温度超过400℃，抗拉强度就显著降低。 这一结果再次证实了高硅弹簧钢通过抑制基体回复来保持较高的抗拉强度。

硅还可以影响渗碳体的形核和长大。 一些专家研究了硅对渗碳体析出行为的影响，并详细分析了渗碳体形核和长大的机制，如下图所示。

在淬火过程中，由于冷却速度快，硅会均匀地分布在基体中，没有明显的偏聚。 渗碳体(θ)可以在马氏体基体中的有利位置形核，或者由过渡型ε碳化物转变。 渗碳体的形核需要排出周围的硅。

所以在回火过程中，碳和硅会分别发生扩散。 碳会向渗碳体中扩散，同时渗碳体形核处会排出多余的硅。 当硅在渗碳体和基体之间的界面上的浓度梯度达到一定值时，会显著降低碳和硅的扩散速率，从而抑制渗碳体的长大或者过渡型ε碳化物向渗碳体的转变。

还有人在研究低合金钢0.3C-1.5Si-Mn-Cr-Mo时发现，当回火温度为260℃时，ε碳化物开始向渗碳体转变。 在研究中，设计了一种中碳高硅弹簧钢(2.3%Si)，发现当回火温度为400℃时，ε碳化物开始向渗碳体转变。

研究结果表明， 随着硅含量的增加，弹簧钢的抗弹性减退性能逐渐提升。 当硅含量达到1.5%时，弹簧钢的抗弹性减退性能提升最大。

当硅含量进一步升高至2.0%时，弹簧钢的抗弹性减退性能提升很小。 然而，硅含量过高会引起弹簧钢表面脱碳，增加脱碳层的深度。

这是因为硅增大了碳在钢中的扩散系数，增加了碳的活度，从而促进了脱碳层的产生。 弹簧钢表面的脱碳会降低表面质量，并进一步影响其疲劳寿命 ，因此需要严格控制弹簧钢中硅的含量。

研究结果表明， 锰是提升弹簧钢淬透性的关键因素。 当锰含量超过0.5%时，在油淬过程中，弹簧钢的中心部分能够完全转变为马氏体。

然而，过高的锰含量（超过1.50%）会导致弹簧钢的韧性显著下降。 这是因为锰与硫有较高的亲和力，易于与硫结合，进而降低硫引起的热脆问题。 所以在控制弹簧钢性能时，必须严格控制锰含量的范围。

铬是一种能够与碳结合形成碳化物的元素，它能够降低碳的活性并形成强碳化物。此外，铬还能与氧结合形成Cr2O3，从而防止钢表面进一步氧化，并减缓脱碳的发生。

在回火过程中， 铬在Si-Cr系列的弹簧钢中会部分富集在渗碳体周围，导致回火组织的不均匀性，从而降低了弹簧钢的抗弹性减退能力。

当铬含量小于0.7%时，对应力松弛值的影响较小。但当铬含量超过1.5%时，回火组织会显著不均匀，严重降低弹簧钢的抗弹性减退性能。 在生产中需要严格控制弹簧钢中的铬含量，以保证其性能的稳定性。

镍在钢中可以扩大奥氏体相区，改善淬火组织并提高钢的韧性。 目前大多数弹簧钢中不含有镍。然而，日本的研究人员在高强度弹簧钢中添加了适量的镍，显著提高了其韧性，像什么UHS2000、ND250S和ND120S等钢种都采用了这种方法。

以下是几种不同镍含量弹簧钢的冲击功随回火温度变化的图示。

从图中可以观察到， 添加适量的镍可以大幅提高弹簧钢的冲击功，增强其冲击韧性 。然而，在实际生产中过度添加镍会增加原材料成本。因此，在弹簧钢中添加镍需要慎重考虑。

钼能够增加钢材的淬透性，防止回火脆性，提高其抵抗回火软化的能力，并改善其疲劳性能。 此外，钼与碳结合可以形成细小的碳化物，阻碍位错运动。当钼含量超过0.5%时，其作用基本达到饱和。然而，目前含钼的弹簧钢相对较少，一般添加的钼含量在0.4%以下。

铌和钒 都是促使碳化物形成的元素。它们与碳结合后形成MC型碳化物， 能够抑制奥氏体晶粒的长大，并起到析出强化的作用。

下图展示了经过不同奥氏体化处理的两种含钒弹簧钢的奥氏体晶粒尺寸变化情况。从图中可以观察到， 在相同的保温处理条件下，0.15%钒弹簧钢的奥氏体晶粒尺寸明显小于0.03%钒弹簧钢的奥氏体晶粒尺寸。

当钒固溶在奥氏体中时，能够增加奥氏体的稳定性，并阻碍碳的扩散，从而降低钢的脱碳敏感性。铌原子固溶在奥氏体中对溶质原子有拖曳作用，同时还能阻止晶界的迁移。

通过 控制轧制和热处理工艺 ， 可以调节铌钒微合金元素的析出行为，充分发挥微合金元素的作用。 此外，铌和钒的复合添加效果比单独添加更显著，能够最大限度地发挥两者的优势。

弹簧钢中有时也会添加 微量的硼 ， 这可以极大地提高钢的淬透性能 。在淬火过程中，硼原子会聚集在奥氏体晶界处，减少原子在晶界的扩散并降低界面能量，从而提升钢的淬透性。

<—结语—>

弹簧钢的研究和应用历史较为悠久，主要用于悬架和气门两个主要领域。 悬架弹簧通常分为螺旋弹簧、钢板弹簧和扭杆弹簧。随着我国汽车工业的发展，对弹簧钢的需求量不断增加，对其性能的要求也越来越高。

如何提高汽车悬架弹簧的疲劳寿命和使用寿命，发挥金属材料的潜力，减少材料用量以减轻车身自重，实现节能减排，这些问题受到广泛关注。

<—参考文献—>

董瀚，等． 先进钢铁材料［M］． 北京: 科学出版社，2008．

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