淺析冷卷螺旋彈簧去應力回火后直徑變化的原因

摘 要：本文簡要分析了冷拔碳素彈簧鋼絲和冷拔奧氏體不銹鋼絲所卷制的螺旋彈簧經(jīng)過去應力回火后直徑產(chǎn)生不同變化的原因。

關鍵詞：彈簧;去應力回火;碳素彈簧鋼絲;奧氏體不銹鋼絲;彈簧直徑

1 緒論

在冷卷螺旋彈簧制造中，冷拔碳素彈簧鋼絲和冷拔奧氏體不銹鋼絲是兩種運用非常廣泛彈簧材料，所卷制的彈簧都必須進行低溫去應力回火。去應力回火也稱去應力退火，目的是消除彈簧鋼絲中的殘余應力，穩(wěn)定彈簧尺寸以及提高彈簧鋼絲的彈性極限。經(jīng)過去應力回火工序，碳素彈簧鋼絲卷制的彈簧，其直徑要縮小;奧氏體不銹鋼絲卷制成的彈簧，其直徑會漲大。[1]這兩種完全相反的彈簧回火現(xiàn)象普遍存在于冷卷螺旋彈簧制造過程中。本文從材料學角度簡要分析了上述兩種彈簧鋼絲冷卷的彈簧在去應力回火后直徑產(chǎn)生不同變化的原因。

2 冷拔碳素彈簧鋼絲卷制的彈簧

冷拔碳素彈簧鋼絲是碳鋼坯料經(jīng)過加熱奧氏體化后以一定的方式冷卻得到索氏體組織，然后冷拉成型的彈簧鋼絲。通過加工硬化后，碳素彈簧鋼絲能得到較高的彈性極限與抗拉強度，同時又有滿足彈簧卷制時所需的良好塑性，典型的材料牌號有70#、65Mn、82B等等。從彈簧手冊中可知，冷拔碳素彈簧鋼絲推薦回火溫度為240～340℃，保溫20～35min。在此溫度時間內(nèi)回火既能保證彈簧宏觀殘余應力的消除，又可避免再結晶導致的彈簧強度的下降。

熱處理前，經(jīng)過鋼絲冷拔與彈簧冷卷的鋼絲金相組織為索氏體和變形的鐵素體。鐵素體由于產(chǎn)生塑性變形，晶粒沿變形方向被拉長，呈現(xiàn)纖維狀組織。[2]碳素彈簧鋼絲的層錯能較高，在變形過程中由于位錯的增殖和交互作用，很容易形成胞狀亞結構。[3]

去應力回火后，鋼絲金相組織呈現(xiàn)為變形索氏體。受回復作用，塑性變形的晶體中點缺陷通過運動而消失，位錯密度逐漸下降。胞狀亞結構上的位錯通過滑移和攀移，發(fā)生多邊形化進程;其胞壁厚度減小，形成比較清晰明確的亞晶界。胞狀亞結構轉變?yōu)閬喚Я：蟪叽缬兴龃螅⑶視ㄟ^亞晶界的遷移進一步長大[4-5]。

綜上所述，冷拔碳素彈簧鋼絲彈簧去應力回火后直徑縮小的原因是亞晶粒形成引起的尺寸增大。彈簧鋼絲經(jīng)過冷拔后產(chǎn)生大量拉伸變形，冷卷時鋼絲外圈區(qū)域的拉伸變形量略大于內(nèi)圈;回火后外圈亞晶粒數(shù)量比內(nèi)圈多。隨著亞晶粒的不斷形成長大，鋼絲外圈尺寸增加比內(nèi)圈多，鋼絲的彎曲程度增加，彈簧直徑尺寸明顯減小。

3 冷拔奧氏體不銹鋼絲卷制的彈簧

冷拔奧氏體不銹鋼絲是18-8型奧氏體不銹鋼經(jīng)深度拉拔而成的不銹鋼絲。目前市面上常見的該類鋼絲有SUS304、SUS316等，其在硬度強度等力學性能方面稍遜于碳素彈簧鋼絲，彈簧卷制工藝相對較困難。優(yōu)勢是具有較強的耐腐蝕性能，成型的彈簧無需做額外表面處理，且能在一定的高溫條件下工作。文獻[1]中推薦的回火溫度為280℃～360℃，保溫20～40min。

奧氏體不銹鋼絲經(jīng)過冷拔和冷卷后也會產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。和冷拔碳素彈簧鋼絲不同的是，奧氏體不銹鋼絲因為層錯能很低，形變會產(chǎn)生孿晶阻礙位錯運動，使位錯以復雜網(wǎng)絡的形式存在。即使產(chǎn)生大量塑性變形，也很難形成大量的胞裝亞結構，[3]其主要強化機制是應變誘發(fā)馬氏體引起的相變強化。[6-7]馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體，是一種不穩(wěn)定的組織。馬氏體的存在能顯著提高奧氏體不銹鋼絲的強度硬度，并使鋼絲帶有一定的弱磁性。隨著鋼絲變形度的增大，奧氏體向馬氏體轉變的量越多，抗拉強度越高。

去應力回火后，馬氏體中的過飽和碳原子脫溶并析出ε碳化物，產(chǎn)生彌散強化，鋼絲強度有所提高。同時馬氏體正方度減小，開始逐步分解轉變?yōu)榉€(wěn)定的回火馬氏體。因為馬氏體比容大的緣故，發(fā)生回火轉變時會導致鋼絲體積的收縮。[8]另一方面，奧氏體發(fā)生回復，點陣畸變與位錯密度降低。因其形成亞晶粒的難度大，對鋼絲體積的影響很小，故不銹鋼絲回火時體積主要受馬氏體回火轉變影響。

結合鋼絲的實際變形程度分析，奧氏體不銹鋼絲外圈的拉伸變形度大，產(chǎn)生的馬氏體比內(nèi)圈部分多。經(jīng)過去應力回火后，馬氏體體積減小，鋼絲外圈部分體積收縮量大于內(nèi)圈體積收縮量，使得鋼絲整體的彎曲程度降低，宏觀上表現(xiàn)為不銹鋼彈簧直徑漲大。可見，冷拔奧氏體不銹鋼絲卷制成的螺旋彈簧直徑漲大的主要原因是馬氏體回火轉變引起的體積減小。

4 結語

去應力回火使彈簧鋼絲的顯微組織發(fā)生變化，引起了彈簧直徑的改變。大量亞晶粒的形成導致碳素彈簧鋼彈簧直徑減小;馬氏體回火轉變使得奧氏體不銹鋼彈簧直徑變大。了解不同材料的特性，掌握其中的變化規(guī)律可以更有效地預置彈簧冷卷時的尺寸，使成品彈簧直徑尺寸更加符合要求。

參考文獻：

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[7]申勇峰，李曉旭，薛文穎，劉振宇.304不銹鋼拉伸變形過程中的馬氏體相變[J].東北大學學報，2012（08）.

[8]龐勃.淺談淬火碳鋼在回火時的轉變[J].中國新技術新產(chǎn)品，2014（10）.

作者簡介：沈琦（1991-），男，浙江嘉興人，本科，材料工程助理工程師，畢業(yè)于中國計量學院材料科學與工程專業(yè)，目前主要工作領域是彈簧的制造工藝。