6.2.2 弹簧的热处理特性
1.碳素弹簧钢丝的热处理
碳素弹簧钢丝包括65、70、75、85钢。这类材料的淬透性比较差，易开裂、易脱碳，常用于制造弹簧垫片、片形弹簧和其他不重要的弹簧。材料直径小于15mm的弹簧可以在油中淬透。
（1）弹簧的去应力退火 采用冷卷工艺卷制的螺旋弹簧，普遍选用铅浴等温淬火冷拔钢丝（碳素弹簧钢丝、琴钢丝）和油淬火回火弹簧钢丝。用这些钢丝冷卷制成的弹簧，不需淬火处理，但必须进行去应力退火，也称为回火、消除应力回火或去应力回火。
去应力退火的目的：
1）消除金属冷拔加工和弹簧冷卷成形的内应力。
2）稳定弹簧尺寸，未经去应力退火的弹簧在后面的加工工序中和使用过程中会产生外径增大或尺寸不稳定现象。
3）提高金属丝的抗拉强度和弹性极限。
4）利用去应力退火来控制弹簧尺寸。如将弹簧装在夹具上进行去应力退火能起到调整弹簧高度的作用。去应力退火温度通常在150～350℃内选取。去应力退火温度及保温时间见表6-5所示。
表6-5 去应力退火温度及保温时间
螺旋拉伸弹簧和螺旋扭转弹簧的第二次去应力退火温度比第一次低约20℃，保温时间可缩短一些。经抛丸处理弹簧的去应力退火温度一般在180～220℃，保温时间为20～30min。需采用去应力退火的方法来调整弹簧尺寸时，其温度可比一般介绍的温度高约20℃。
（2）热处理工艺及力学性能 退火态碳素钢的热处理工艺及力学性能见表6-6。
表6-6 退火态碳素钢的热处理工艺及力学性能
2.合金弹簧钢的热处理
（1）硅锰钢的热处理 该类钢具有成本低，淬透性好，抗拉强度、屈服点、弹性极限高，回火稳定性好等优点。但硅锰钢为本质粗晶粒钢，过热敏感、脱碳倾向大，易产生石墨化。所以，热处理时淬火温度不易过高，保温时间不宜过长，以防止晶粒粗大和脱碳。常用硅弹簧钢的热处理工艺及力学性能见表6-7，不同回火温度下的硬度值见表6-8。
表6-7 常用硅弹簧钢热处理工艺及力学性能
表6-8 不同回火温度下的硬度值（HRC）
注：试件d=8mm，硝盐炉，保温60min，硬偏差±2HRC。
（2）铬钒钢及铬锰钢的热处理 这类钢包括50CrVA、50CrMn、50CrMnA、60Si2CrA、60Si2CrVA等。由于钢中含有Cr、V等元素，使钢的淬透性得到了显著地改善。同时V和Cr都是强烈的碳化物形成元素，其碳化物存在于晶界附近，能有效地阻止晶粒的长大。这类钢材虽然碳的质量分数不高，强度稍微低些，但具有很好的韧性，特别优良的疲劳性能。因此，要求高疲劳性能的弹簧，如气门弹簧、调压弹簧、安全阀弹簧几乎都选用50CrVA来卷制。
50CrVA、50CrMn热处理工艺及力学性能见表6-9。
表6-9 50CrVA、50CrMn热处理工艺及力学性能
（3）高强度弹簧钢的热处理 此类钢特点是强度高、淬透性好，在油中淬透直径都在50mm以上，用于制造工作温度在250℃以下的高应力弹簧，如气门弹簧、油泵弹簧、汽车悬浮弹簧等。这类弹簧在较高温度下回火仍保持较高的强度。为获得高的强度，硬度一般在48～52HRC之间选取。高强度弹簧钢的热处理规范和力学性能见表6-10。
表6-10 高强度弹簧钢的热处理规范和力学性能
（4）硅锰新钢种的热处理 这类钢是在硅锰钢的基础上，结合我国优势资源，在钢中加入了硼、钼、钒、铌等合金元素，淬透性比硅锰钢有较大的提高，直径50mm以上的工件在油中可淬透，脱碳和过热的倾向比硅锰钢低，韧性和疲劳性能都优于硅锰钢，主要用于制造汽车板簧。常用的牌号有55Si2MnVB、55SiMnMoV、55SiMnMoVNb。其热处理规范和力学性能见表6-11。
表6-11 弹簧钢新钢种热处理规范和力学性能
（续）
（5）耐热弹簧的热处理 这类钢的牌号有45CrMoV、30W4Cr2V等，主要用于制造汽轮机及锅炉中高温下工作的弹簧。这类材料的淬火和加热温度较高，热导率低，在高温加热之前要经过预热，预热温度一般在820～870℃之间，预热温度系数为0.5min/mm，在高温炉中的加热时间不宜过长，否则容易引起弹簧表面的氧化和脱碳，一般取10～20s/mm。45CrMoV钢可用于制造工作温度在450℃以下的弹簧，30W4Cr2V钢可用于制造工作温度在500℃以下的弹簧。45CrMoV和30W4Cr2V钢的热处理规范及力学性能见表6-12。
表6-12 45CrMoV和30W4Cr2V钢的热处理规范及力学性能
（6）高速弹簧钢的热处理 要求在450～600℃的高温条件下工作的弹簧一般可用W18Cr4V高速钢来制造。这种弹簧材料以退火状态供应，卷制成形后需要淬火与回火处理。热处理工艺：820～850℃预热，预热的时间是加热时间的两倍，在1270～1290℃的温度预热，在580～620℃低温盐浴中分级冷却或油冷，然后在600℃进行二次回火，每次1h；或者第二次回火加热到700℃，保温2h，以提高弹簧的疲劳强度，热处理硬度为52～60HRC。
3.弹簧淬火时常见的缺陷及预防措施
（1）脱碳（降低使用寿命）
1）采用盐浴炉或可控气氛加热炉加热。
2）采用快速加热工艺。
（2）淬火后硬度不足，非马氏体数量较多，心部出现铁素体（产全残余变形，降低使用寿命）。
1）选用淬透性较好的材料。
2）改善淬火冷却剂的冷却能力。
3）弹簧进入冷却剂的温度应控制在Ar3以上。
4）适当提高淬火加热温度。
（3）过热（脆性增加）
1）严格控制成形及淬火加热温度。
2）加强淬火时的金相检验。
（4）开裂（脆性增加，严重降低使用寿命）
1）控制淬火加热温度。
2）淬火时冷却到250～300℃时，取出空冷。
3）及时回火。
4.弹簧的其他强化方法
（1）形变热处理 将钢的形变强化与热处理强化两者结合起来，以进一步提高钢的强度和韧性。形变热处理有高、中、低温之分。高温形变热处理是在奥氏体状态下产生形变后立即淬火，也可与锻造或热轧结合起来，即热成形后立即淬火。形变热处理已应用于60Si2Mn钢汽车板簧生产中。
（2）弹簧的等温淬火 对于直径较小或淬透性足够的弹簧可采用等温淬火，它不仅能减少变形，而且还能提高强韧性，在等温淬火后最好再进行一次回火，可提高弹性极限，回火温度与等温淬火温度相同。
（3）弹簧的松弛处理 弹簧长时间在外力作用下工作，由于应力松弛的结果会产生微量的永久（塑性）变形，特别是高温工作的弹簧，在高温下应力松弛现象更为严重，使弹簧的精度降低，这对于精密弹簧是不允许的。因此，这类弹簧在淬火、回火后应进行松弛处理，对弹簧预先加载荷，使其变形量超过弹簧工作时可能产生的变形量，然后在高于工作温度20℃的条件下加热，保温8～24h。
（4）低温碳氮共渗 采用回火与低温碳氮共渗（软氮化）相结合的工艺，能显著提高弹簧的疲劳寿命及耐蚀性，此工艺多用于卷簧。
（5）喷丸处理 划痕、折叠、氧化脱碳等表面缺陷往往会成为弹簧工作时应力集中的地方和疲劳断裂源。若用细小的钢丸高速喷打弹簧表面，不仅可改善弹簧表面质量，提高表面强度，还可使表面处于压应力状态，从而提高弹簧的疲劳强度和使用寿命。
5.弹簧热处理操作注意事项
1）热处理前检查表面是否有脱碳、裂纹等缺陷。这些表面缺陷将严重降低弹簧的疲劳极限。
2）淬火加热应特别注意防止过热和脱碳，做好盐浴脱氧，控制炉气特性，严格控制加热温度与时间。
3）为减少变形，应注意弹簧在加热时的装炉方式、夹具形式和冷却时的淬火冷却方法。
4）淬火后要尽快回火，加热要尽量均匀。回火后快冷能防止回火脆性和造成表面压应力，提高疲劳强度。
6.弹簧热处理质量检查
1）热处理前质量检查：
① 钢材的轧制表面往往就是制成弹簧后的表面，故不应有裂纹、折叠、斑疤、发纹、气泡、夹层和压入的氧化皮等。
② 表面脱碳会显著降低弹簧的疲劳强度，应按规定检验脱碳层的深度。
2）热处理后质量检查：
① 肉眼或低倍放大镜观察弹簧表面的不应有裂纹、腐蚀麻点和严重淬火变形。
② 硬度及其均匀性符合规定。大量生产时，允许用锉刀抽检硬度，但必须注意锉痕位置应不影响弹簧的最后精度。
③ 金相组织应是托氏体或托氏体和索氏体的混合组织。
④ 板簧装配后，通常还要进行工作载荷下的永久变形以及静载挠度试验。