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合金元素在弹簧材料中的作用有哪些?

  • 作者:admin
  • 发布时间:2021-04-17 14:03:37
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目前主要采用电炉或转炉生产弹簧钢,其特点是功率大、容量大,在保证钢的质量同时具有经济性,用作一般机械用弹簧材料。对于高使用性能弹簧的材料,目前,广泛采用钢包精炼、真空脱气等炉外精炼技术,如钢包吹氩、钢包精炼炉(LF)、真空处理(RH)等,以严格控制化学成分、降低气体和各种非金属夹杂物含量等。而且还采用非金属夹杂物控制技术,控制非金属夹杂物的形态、粒度和分布,如喂人钙丝、喷吹钙粉等使非金属夹杂物中含有CaO,并控制其粒度;在炼钢过程中通过调整脱氧剂和炉渣成分来改变非金属夹杂物的成分,使其在热轧时容易塑性变形。使用RH脱气技术,可使氧含量大大降低,从而显著提高疲劳寿命。

  在弹簧钢生产中已广泛采用连铸。与模铸相比,采用连铸可通过电磁搅拌、低温铸造等技术减小钢的偏析,提高钢质的均匀性;减少二次氧化,改善钢的表面脱碳;使钢的组织和性能稳定、均匀;提高收得率和生产效率;与炉外精炼技术相配合降低氧含量和有效地控制钢的化学成分。

  在对弹簧钢材的尺寸偏差、截面形状、表面质量(包括表面脱碳层深度)和沿钢材长度显微组织均匀性的要求不断提高的情况下,国外广泛采用了纵列式全连续轧机,并不断改进以实现高速、无扭、无张力轧制。为了保证钢材尺寸精度采用短应力线或预应力轧机。

  (2)合金元素在弹簧材料中的作用 弹簧材料的化学元素主要以铁、碳为主,为保证弹簧能满足不同条件下工作的需要,则在碳素弹簧钢的基础上添加了一定量的合金元素,从而使材料具有碳素弹簧钢所没有的优良性能,如高的弹性极限、良好的淬透性和耐腐蚀性等。各种合金元素在弹簧材料中的作用如下:

  碳(C)是钢中重要的化学元素,弹簧钢的 /(C)范围是0.3%~1.2%,其中碳素弹簧钢的 /(C)在0.60%~0.90%之间,合金弹簧钢的 /(C)在0.46%~0.75%之间。含碳量越高,钢的硬度和强度越高,但塑性降低,脆性增加。

  锰(Mn)在弹簧钢中一般加入量为1%左右。其优点是淬透性好、强度较高、脱碳倾向较小,缺点是有过热敏感性和回火脆性倾向,淬火时开裂倾向亦较大。

  硅(Si)在碳素钢中的 (Si)通常不超过0.37%,它是作为冶炼过程中的脱氧剂而加钢中的。含硅的合金弹簧钢其 (Si)在0.70%~2.80%之间。由于硅能溶人铁素体中,入使铁素体显著强化,从而提高了钢的强度和屈强比,硅还能提高钢的淬透性和回火稳定性。但弹簧钢中含硅量不能过高,否则会造成钢的晶粒粗化,增加石墨化倾向。

  铬(Cr)能提高淬透性、细化晶粒,是制造高疲劳性能弹簧所用合金钢中的重要元素之一,当 (Cr)达到13%以上时,具有很好的防腐蚀能力,是制造弹簧所用不锈钢中的主要添加元素。但铬能引起回火脆性,回火后均需快冷,以避免回火脆性的产生。

  镍(Ni)是我国资源较少的元素,一般弹簧钢中很少使用,它是奥氏体不锈钢中的主要成分之一。镍主要用于形成稳定奥氏体组织,铬镍奥氏体的组织稳定,高温下长期使用也不会脆化。

  钒(V)是强碳化物元素,和碳能结合成熔点很高的碳化钒,合金弹簧钢中加入少量的钒,则细化晶粒的作用就已十分明显,如50CrVA的 (V)仅为0.1%—0.2%。弹簧钢中加入了钒细化了晶粒、降低了过热敏感性、提高了钢的静强度和疲劳强度。

  钨(w)主要作用是提高钢的淬透性耐热性能,使弹簧在较高温度下仍能保持高的强度和弹性,钨还能细化晶粒,如常用的弹簧材料65Si2MnWA,其淬透性、耐热性能都优于50CrVA。

  硼(B)能大大提高弹簧淬透性,加入极微量的硼(质量分数为十万分之几),作用就极为明显。在硅锰弹簧钢的基础上加入微量的硼以后淬透性明显提高,在某些耐高温的合金弹簧材料中加入硼,能增加材料的持久强度。

  铝(A1)、钛(Ti)、铌(Nb)主要添加在弹簧用不锈钢或其他特殊用途的弹簧材料中,主要目的是提高材料的耐腐蚀性能或与镍、钼等组成沉淀硬化相,起到沉淀强化作用。

  钴(Co)是恒弹性材料,钴在3J21、3J32中作为主要添加元素,能使弹簧材料获得高的弹性极限,并且弹性模量温度系数也很小。但钻是贵重合金元素,除非必要,一般不轻易使用。

  铜(Cu)常作为铜合金中的基体元素,与其他添加的元素组成铜合金弹性材料。如与锡(Sn)、磷(P)、组成锡磷青铜,与硅、锰组成硅青铜,与铝组成铝青铜,与铍(Be) 组成铍青铜等。以铜镍为主的蒙乃尔弹性合金有很好的耐腐蚀性能。

  铍(Be)主要是加人铜中组成铍青铜。铍青铜有优良的弹性性能。但铍有毒,且价格也很贵。

  上述各种合金元素可以单独添加,也可以几种元素一起添加,几种元素一起添加所起的作用要远大于每种元素单独添加所起作用的叠加,所以现在新研制的弹簧钢,在合金元素方面,都倾向于采用少量多元的办法。

  钢中除了以上这些有益元素外,还不可避免地存在一些有害的杂质。如硫(S)、磷(P)等。这些杂质会降低钢的塑性和韧性,增加脆性,形成的夹杂物严重地降低弹簧的寿命,所以要求这两种有害元素在钢中的含量越少越好。

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