1 / 10 两类弹簧钢丝的组织、强韧性及发展趋势 苏德达 (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 油淬火回火弹簧钢丝 金相组织 市场需求 Microstructure,Strength-toughness of Two Kinds of Spring Steel

Wires and It′s Development Tendency Su Deda (Tianjin University 300072) Abstract To compare the microstructures and strength-toughness characteristics of two kinds of spring steel wires·The relations and differences between its high strength-toughness and the productive processes are analyzed·Accordingtothe requirements forthe spring market and the productive techniques for super purifying and super grain size of austenite,the development tendency of the good quality spring steel wires are also discussed· Keywords hard drawn spring steel wires; oil-tempered spring steel wires; rnicrostructure; 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 冷拔弹簧钢丝的金相组织结构 冷拔弹簧钢丝的金相组织是纤维状,如图1a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 体又名索氏体,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 2 / 10

(相片中的白色基底),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OM(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时(即 TEM组织),黑白条带状更为清晰,如图1b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ρ=1012根/cm),白条内铁素体的位错 密度很低。这表明TEM和OM组织的一致性,前者 观察金属薄膜中较小的视场范围,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·25 No·4 Steel Wire Products August 1999 图1 冷拔弹簧钢丝(Ⅱa组)的金相组织 a.OM组织(×1 000) b.TEM组织(×45 000) 先共析铁素体,马氏体,钢丝表面脱碳超标。 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OM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 也可见到孪晶型马氏体),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,析出细小点状碳化物(如碳化钒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。 3 / 10

图2 油淬火回火弹簧钢丝(50CrVA)的金相组织 a.OM组织(×1 000) b.TEM组织(×45 000) 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相组织有显 著差别。前者的OM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,后者为黑白条带状的亚结构。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,几乎没有内应力, 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。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(σb)中值线与其丝径 (d)的关系。其中冷拔碳素弹簧钢丝(GB 4357—84) A、B、C三组的σb的中值线在该图中分别用A-A、 B-B、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线代表日本最 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、O、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。 4 / 10

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-A B-B C-C —冷拔碳素弹簧钢丝 (GB4357—84) 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 (GB4360—84)B组;3-3阀用铬钒钢丝(GB 2271—84)σb 的中值线;4-4硅锰合金钢丝(GB 4361—84)C组σb的中 值线;5-5硅铬合金钢丝(GB4362—84)σb的中值线;6-6 日本高强度钢丝σb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1·5mm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d≈0·01 mm时,σb可 达5 000MPa,表明冷拔技术可使细钢丝的强度达到 很高水平,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,冷拔弹簧钢丝降得最陡,油淬火钢丝次 之。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钢 丝使用较多;对于尺寸较粗的阀门弹簧采用油淬火 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