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弹簧种类较多,按照所承受的载荷不同,弹簧可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等;而按照弹簧的形状不同,又可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、板簧和盘簧等。用以制造弹簧的钢材,统称弹簧钢。当前用于制造弹簧的钢材包括碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈、耐热钢以及合金工具钢和高速工具钢等钢种。通常所说的弹黄钢[10]是指碳素弹簧钢和合金弹簧钢(2007年中国合金弹簧钢产量160万t[11])。碳素弹簧钢的碳含量一般在0.62%~0.90%。按照其锰含量又分为一般锰含量(0.50%~0.80%,如65、70、85)和较高锰含量(0.90%~1.20%,如65Mn)两类。合金弹簧钢包括Si-Mn系(60Si2Mn,相当于美国的9260,日本的SUP6、SUP7,德国的60SiCr7);Cr-Mn系(55CrMnA,相当于美国的5155、日本的SUP9、德国的55Cr3);Cr-V系(50CrVA,相当于美国的6150、日本的SUP10、德国的50CrV4);CrMnB系(60CrMnBA,相当于美国的51B60、日本的SUP11A)等。
性能
  弹簧主要是在往复、交变动载荷及恶劣的环境条件(如振动、冲击、拉伸、压缩、扭转、弯曲、腐蚀等)下使用,要求弹簧钢具有下述性能:良好的力学性能,如高的抗拉强度、屈服强度、硬度、塑性、韧性以及弹性极限、比例极限等,但要同时保证其所有性能具有很高的水平是很困难的。因此,应视使用情况,优化各项指标,以达到最佳的综合力学性能配合;良好的抗疲劳性能和抗弹减性能;良好的工艺性能,包括淬透性、热处理工艺性能(如淬火变形小、不易过热、晶粒均匀细小、回火稳定性高、不易脱碳、石墨化和氧化等)和加工成形性能;此外,还必须具有良好的内在质量和表面质量。
  疲劳破坏和弹性减退失效是弹簧两种最常见的破坏形式。通常通过固溶强化、沉淀强化、细晶强化来提高弹簧钢弹减抗力,弹簧钢中常用的合金元素Si、V、Ni、B可提高其弹减抗力。
  良好的内在质量是由冶金过程决定的。首先应保证准确的化学成分,这样才能在加工和热处理后得到确保性能的显微组织,良好稳定的淬透性以及各种性能。另外,应有高的纯洁度,P、S等杂质元素和H、N等要低。钢中的各种非金属夹杂物不但要求含量低而且要控制其形状、大小、分布、成分等,尤其是要减少颗粒尺寸大、硬度高、不易变形的夹杂物,这些有害夹杂物是应力集中源,易引起裂纹疲劳破坏。
  表面质量是弹簧钢另一重要技术指标,表面质量包括表面脱碳、表面缺陷(裂纹、折叠、结疤、夹杂、分层等)。弹簧钢在承受弯、扭、交变应力等各种载荷时,表面应力最大,各种缺陷是应力集中源,在使用过程中易引起早期破坏和失效。据统计,表面夹杂物引起弹簧破损的比率为40%,表面缺陷和脱碳引起破损的比率为30%。弹簧制品表面,除喷丸强化外,保留了钢材供货状态的表面,因此钢材的表面状态对弹簧的工作性能和寿命具有很大影响。
  对采用圆形截面的钢丝制成的弹簧而言,其强度与刚度分别与钢丝直径的3次方和4次方成正比,故钢丝截面的微小变化都会对其强度产生很大影响,扁钢的厚度和宽度也有相似的影响。因此,弹簧钢的尺寸公差和精度是保证成品使用性能和寿命的重要因素。
生产工艺
  过去,一般要求的弹簧钢主要是在电炉、转炉、平炉中冶炼,模铸,横列式轧机轧制。较高质量要求的(主要是降低钢中夹杂物的含量)主要采用电炉+电渣重熔或真空重熔法生产。
  当今比较典型的生产工艺流程是:初炼钢水由电炉或转炉提供,根据不同的钢种、质量水平要求和生产者的装备条件选择二次精炼方法,在连铸工序中使用减少非金属夹杂物数量的技术(防止二次氧化、非金属夹杂物的上浮及分离)和防止偏析技术(低过热度浇铸、电磁搅拌等),可以生产出质量相当于模铸钢锭中下部的优质钢坯。钢坯加热一般采用步进炉,附有可控气氛系统,控制钢坯脱碳、氧化烧损。在加热炉与粗轧机之间,装有高压水除鳞机,清除钢坯表面氧化铁皮。使用无扭高刚度连轧机进行热机轧制(控轧控冷),获得高的尺寸精度、表面质量和满意的内部组织。为保证产品质量,采用磁粉或涡流和超声波探伤仪在线检查钢材表面、内部缺陷。对标识有缺陷的产品进行清理或剔除。同时,对质量要求较高的悬挂弹簧钢线材和阀门弹簧钢丝要分别进行钢坯修磨、软化处理、成品表面处理,经过剥皮、冷拔、退火、酸洗、油淬火/回火、探伤、防腐等一系列工序,才能确保钢材的表面质量。具体工艺流程如下。
  1)弹簧钢生产工艺流程:电炉或转炉-精炼炉(RH或LF+RH或ULO或ASEA-SKF或ULO+ULTiN或VAD)-连铸-热轧-精整。
  2)悬挂弹簧合金钢线材生产工艺流程:电炉或转炉-精炼炉-连铸-粗轧-修磨-线材轧制-检验-软化处理-表面处理-包装。
  3)油淬火阀门钢丝生产工艺流程:盘条检验-剥皮-冷拔、退火、酸洗/循环-油淬火/回火-涡流探伤-防腐处理-包装。
  RH真空脱气法、LF-RH、ASEA-SKF和VAD真空脱气加热法是大家较熟悉的处理方法,仅介绍ULO、ULO+ULTiN精炼法:
  1)ULO(超低氧)钢处理工艺[4],是日本大同特殊钢在RH基础上,为更有效地降低钢中夹杂物数量而采取的手段。具体步骤是:在1台超高功率碱性电弧炉中熔化钢水,接着吹氧后向钢水中加入Fe-Si或At进行预脱氧处理,得到高碱度还原渣。然后将钢水倒入钢包中,并将RH循环脱气设备“两腿”插入钢液中,汲取钢水进入脱气设备的真空室中。借助于大容量喷射泵,保持真空度<13.3 Pa,并将小流量氩气引入钢水中,钢水发泡进入真空室,钢水中碳脱氧反应快速进行,因而钢水脱氧。当碳氧反应达到平衡时,加入像Al这样合适的脱氧剂。为了促进脱氧产物的上浮分离和去除,以及保持脱氧状态的稳定,继续进行脱氧操作,最后调整加Al量。RH脱气后,氧含量下降到15×10-6以下。该处理工艺是实现悬挂弹簧钢2 000 MPa应力值的一种手段。
  2)ULTiN(超低氮化钛)钢处理工艺[4]:首先选择原材料,以得到Ti含量(30~50)×10-6的钢水,然后进行脱气操作,降低氮含量到(40~60)×10-6。如果ULO处理后再进行ULTiN处理(即ULO+ULTiN),钢中氧化物和TiN夹杂物可大幅度下降,钢的疲劳极限与真空电弧重熔钢相同,该弹簧钢可制造高强度阀门弹簧。
  随着机械工业的不断发展,特别是汽车工业的发展,弹簧的发展趋势是轻量化、大型化。为了适应弹簧的各种工作条件并满足高强度、高寿命的要求,弹簧钢除具有良好的综合性能外,还必须具有良好的内在质量和表面质量。
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