弹簧钢丝的标准及用途(一)
关键词 弹簧钢丝、标准 、适用范围
弹簧是机械行业和日常生活中最常用的零件。弹簧在弹性范围内使用，卸载后应回复到原来位置，希望塑性变形越小越好，因此钢丝应具有高的弹性极限，屈服强度和抗拉强度。屈强比越高，弹性极限就越接近抗拉强度，因而越能提高强度利用率，制成的弹簧弹力越强。
弹簧依靠弹性变形吸收冲击能量，所以弹簧钢丝不一定要有很高的塑性，但起码要有能承受弹簧成型的塑性，以及足够的能承受冲击能量的韧性。
弹簧通常在交变应力作用下长期工作，因此要有很高的疲劳极限，以及良好的抗蠕变和抗松弛性能。
在特定环境中使用的弹簧，对钢丝还会有一些特殊要求，例如：在腐蚀介质中使用的弹簧，必须有良好的抗腐蚀性能。精密仪器中使用的弹簧，应具有长期稳定性和灵敏性，温度系数要低，品质因素要高，后效作用要小，弹性模量要恒定。在高温条件下工作的弹簧，要求在高温时仍能保持足够的弹性极限和良好的抗蠕变性能等。
此外，还应考虑弹簧钢丝的成形工艺和热处理工艺。冷拉弹簧钢丝和油淬火回火弹簧钢丝都以供货状态钢丝直接绕制弹簧，弹簧成形后经消除应力处理直接使用。冷拉弹簧钢丝的抗拉强度要略高于油淬火回火钢丝。大规格冷拉钢丝弹力太大，绕制弹簧很困难，所以冷拉弹簧钢丝使用规格一般小于8.0mm，油淬火回火钢丝使用规格一般小于13.0mm。实际上直径13.0mm弹簧多选用轻拉状态弹簧钢丝，冷拉绕制成形后再淬回火使用。直径15.0mm以上钢丝大多采用加热绕制工艺制簧。
弹簧根据运行状态可分为静态簧和动态簧。静态弹簧指服役期振动次数有限的弹簧，如安全阀弹簧，弹簧垫，秤盘弹簧，定载荷弹簧，机械弹簧，手表游丝等。动态弹簧指服役期振动次数达1 ×106次以上的弹簧，如发动机阀门弹簧，车辆悬挂簧，防震弹簧，联轴器弹簧，电梯缓冲弹簧等。静态弹簧选材时主要考虑抗拉强度和稳定性，动态弹簧选材时主要考虑疲劳，松弛及共振性能。
弹簧根据负荷状况可分为轻载荷、一般载荷和重载荷三种状态。轻载荷指承受静态应力，应力较低，变形量较小的弹簧，如安全装置用弹簧，吸收振动用弹簧等。设计使用寿命103～104次。
一般载荷指设计寿命105～106次，在振动频率300次/min条件下使用的普通弹簧。在许用应力范围内，寿命保证1 ×106次，载荷应力越低，寿命越长。
重载荷指长时间工作、振动频繁的弹簧。如阀门弹簧，空气锤、压力机、液压控制器弹簧，其载荷较高，常常在低于许用应力10%左右使用，使用寿命大于1 ×106次，通常为107次。
弹簧选材的原则是：首先满足功能要求，其次是强度要求，最后才考虑经济性。
碳素弹簧钢是弹簧钢中用途广泛，用量最大的钢类。钢中含0.60%～0.90%的碳和0.3%～1.20%的锰，不再添加其它合金元素，使用成本相对较低。碳素弹簧钢丝经适当的加工或热处理，可以获得很高的抗拉强度，足够的韧性和良好的疲劳寿命。但碳素钢丝的淬透性低，抗松弛性能和耐蚀性能差，弹性模量的温度系数较大(高达300 ×10-6/℃)，适用于制造截面较小，工作温度较低(120℃>)的弹簧。
合金弹簧钢一般含0.45%～0.70%的碳和一定量的Si，Mn，Cr，V，W及B等合金元素。合金元素的加入改善弹簧钢的抗松弛性能，提高钢的韧性，同时显著提高钢的淬透性和使用温度，适用于制造较大截面，较高温度下使用的弹簧。国内外弹簧钢常用牌号对照如表1。
表1 国内外弹簧钢常用牌号对照表
2 弹簧钢丝标准、适用范围及工艺特点
我国弹簧钢丝标准是参照ISO和JIS标准，分钢类制定的。现行国家及行业推荐标准包括碳素弹簧钢丝标准6个，合金弹簧钢丝标准4个，标准明细如表2。
表2 弹簧钢丝标准明
2.1 碳素弹簧钢丝标准、适用范围及工艺特点
碳素弹簧钢丝现行国家和行业推荐标准分两种类型：一类是冷变形强化钢丝，又称冷拉弹簧钢丝。冷拉碳素弹簧钢丝首先经铅淬火处理获得索氏体组织，然后表面磷化，以很大减面率拉拔到成品尺寸，钢丝组织呈纤维状，有很高的抗拉强度和弹性极限，良好的弯曲和扭转性能。冷拉弹簧钢丝尺寸精度高，表面光洁，无氧化和脱碳缺陷，疲劳寿命比较稳定，是使用最广泛的弹簧钢丝。
碳素弹簧钢丝的另一类型是马氏体强化钢丝，又称油淬火回火钢丝。碳素钢丝通过淬回火处理，可获得良好的综合力学性能，当钢丝规格较小时（ φ≤2.0mm），油淬火回火钢丝的各项强度指标比索氏体化处理后冷拉钢丝要低。当钢丝规格较大时（φ≥6.0mm）索氏体化的钢丝不可能采用很大减面率来获得所要求的强度指标，而油淬火回火钢丝只要完全淬透就可以获得比冷拉钢丝更高的性能。在抗拉强度相同条件下，马氏体强化钢丝比冷变形强化钢丝具有更高的弹性极限。冷拉钢丝金相组织呈纤维状，各向异性明显，油淬火回火钢丝金相组织为均匀的回火马氏体，几乎是各向同性的。同时油淬火回火钢丝的抗松弛性能优于冷拉钢丝，使用温度（150～190℃）也高于冷拉钢丝（≤120℃）。近年来中大规格油淬火、回火钢丝大有取代冷拉钢丝趋势。下面按标准介绍各类碳素弹簧钢丝的应用范围及工艺特点。
（1）YB/T5220-93 《非机械弹簧用碳素弹簧钢丝》
该标准适用于沙发垫簧，座垫，靠背拉簧，卡簧，夹簧等非机械弹簧用碳素弹簧钢丝。标准按抗拉强度要求不同将钢丝分成A1，A2，A3 …A9九个组别，每个组别钢丝不分规格大小按一个强度范围供货，抗拉强度偏差≤200Mpa。A1，A2和A3组用于制造较低应力弹簧。A3，A4和A5用于制造一般应力弹簧。A7，A8和A9用于制造较高应力弹簧。床垫簧一般选用A3和A4组别。
从使用状态分析，该标准钢丝基本属于静态簧，成品钢丝仅考核抗拉强度、缠绕和单次弯曲三项性能，详见表3。
表3 YB/T5220-93 非机械弹簧用碳素弹簧钢丝