淺析冷卷螺旋彈簧去應(yīng)力回火后直徑變化的原因

摘 要：本文簡(jiǎn)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(guò)去應(yīng)力回火后直徑產(chǎn)生不同變化的原因。

關(guān)鍵詞：彈簧;去應(yīng)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(yùn)用非常廣泛彈簧材料，所卷制的彈簧都必須進(jìn)行低溫去應(yīng)力回火。去應(yīng)力回火也稱去應(yīng)力退火，目的是消除彈簧鋼絲中的殘余應(yīng)力，穩(wěn)定彈簧尺寸以及提高彈簧鋼絲的彈性極限。經(jīng)過(guò)去應(yīng)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(huì)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(guò)程中。本文從材料學(xué)角度簡(jiǎn)要分析了上述兩種彈簧鋼絲冷卷的彈簧在去應(yīng)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(guò)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(guò)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(qiáng)度，同時(shí)又有滿足彈簧卷制時(shí)所需的良好塑性，典型的材料牌號(hào)有70#、65Mn、82B等等。從彈簧手冊(cè)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(shí)間內(nèi)回火既能保證彈簧宏觀殘余應(yīng)力的消除，又可避免再結(jié)晶導(dǎo)致的彈簧強(qiáng)度的下降。

熱處理前，經(jīng)過(guò)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(zhǎng)，呈現(xiàn)纖維狀組織。[2]碳素彈簧鋼絲的層錯(cuò)能較高，在變形過(guò)程中由于位錯(cuò)的增殖和交互作用，很容易形成胞狀亞結(jié)構(gòu)。[3]

去應(yīng)力回火后，鋼絲金相組織呈現(xiàn)為變形索氏體。受回復(fù)作用，塑性變形的晶體中點(diǎn)缺陷通過(guò)運(yùn)動(dòng)而消失，位錯(cuò)密度逐漸下降。胞狀亞結(jié)構(gòu)上的位錯(cuò)通過(guò)滑移和攀移，發(fā)生多邊形化進(jìn)程;其胞壁厚度減小，形成比較清晰明確的亞晶界。胞狀亞結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閬喚Я：蟪叽缬兴龃?，并且?huì)通過(guò)亞晶界的遷移進(jìn)一步長(zhǎng)大[4-5]。

綜上所述，冷拔碳素彈簧鋼絲彈簧去應(yīng)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(guò)冷拔后產(chǎn)生大量拉伸變形，冷卷時(shí)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(zhǎng)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(jiàn)的該類鋼絲有SUS304、SUS316等，其在硬度強(qiáng)度等力學(xué)性能方面稍遜于碳素彈簧鋼絲，彈簧卷制工藝相對(duì)較困難。優(yōu)勢(shì)是具有較強(qiáng)的耐腐蝕性能，成型的彈簧無(wú)需做額外表面處理，且能在一定的高溫條件下工作。文獻(xiàn)[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(guò)冷拔和冷卷后也會(huì)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?yàn)閷渝e(cuò)能很低，形變會(huì)產(chǎn)生孿晶阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使位錯(cuò)以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)，[3]其主要強(qiáng)化機(jī)制是應(yīng)變誘發(fā)馬氏體引起的相變強(qiáng)化。[6-7]馬氏體是碳在α-Fe中的過(guò)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(qiáng)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(zhuǎn)變的量越多，抗拉強(qiáng)度越高。

去應(yīng)力回火后，馬氏體中的過(guò)飽和碳原子脫溶并析出ε碳化物，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化，鋼絲強(qiáng)度有所提高。同時(shí)馬氏體正方度減小，開(kāi)始逐步分解轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火馬氏體。因?yàn)轳R氏體比容大的緣故，發(fā)生回火轉(zhuǎn)變時(shí)會(huì)導(dǎo)致鋼絲體積的收縮。[8]另一方面，奧氏體發(fā)生回復(fù)，點(diǎn)陣畸變與位錯(cuò)密度降低。因其形成亞晶粒的難度大，對(duì)鋼絲體積的影響很小，故不銹鋼絲回火時(shí)體積主要受馬氏體回火轉(zhuǎn)變影響。

結(jié)合鋼絲的實(shí)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(guò)去應(yīng)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?？梢?jiàn)，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(zhuǎn)變引起的體積減小。

4 結(jié)語(yǔ)

去應(yīng)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(dǎo)致碳素彈簧鋼彈簧直徑減小;馬氏體回火轉(zhuǎn)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(yù)置彈簧冷卷時(shí)的尺寸，使成品彈簧直徑尺寸更加符合要求。

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作者簡(jiǎn)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(guó)計(jì)量學(xué)院材料科學(xué)與工程專業(yè)，目前主要工作領(lǐng)域是彈簧的制造工藝。