彈簧去應力回火後直徑變化的原因

冷拔碳素彈簧鋼絲和冷拔奧氏體不鏽鋼鋼絲是冷軋螺旋彈簧製造中廣泛使用的兩種彈簧材料，軋製後的彈簧必須進行低溫去應力回火。去應力回火又稱去應力退火，目的是消除彈簧鋼絲中的殘餘應力，穩定彈簧尺寸，提高彈簧鋼絲的彈性極限。經過去應力回火工藝後，碳彈簧鋼絲製成的彈簧直徑要減小；由不鏽鋼線圈製成的彈簧的直徑會增加。⑵這兩種完全相反的彈簧回火現象一般存在於冷螺旋彈簧的製造過程中。本文從材料科學的角度簡要分析了上述兩種彈簧鋼絲冷卷彈簧去應力回火後直徑變化不同的原因。

2.鋼絲製冷拉碳彈簧。冷拔碳素彈簧鋼絲是將碳素鋼坯加熱奧氏體化，然後按一定方式冷卻，獲得索氏體組織後，冷拔成型的一種彈簧鋼絲。加工硬化後，碳彈簧鋼絲可獲得高的彈性極限和抗拉強度，同時具有良好的卷簧所需的塑性。典型的材料等級爲70#、65Mn、82B等。根據彈簧說明書，冷拉碳素彈簧鋼絲的推薦回火溫度爲240 ~ 340′，保溫時間爲20 ~ 35分鐘。在這個溫度和時間內回火，既能保證消除彈簧的宏觀殘餘應力，又能避免再結晶引起的彈簧強度下降。

熱處理前，冷拔和卷簧後鋼絲的金相組織爲索氏體和形變鐵素體。由於鐵素體的塑性變形，晶粒沿變形方向拉長，纖維狀結構的碳彈簧鋼絲層錯能高。在變形過程中，由於位錯的增殖和相互作用，容易形成胞狀亞結構。去應力回火後，鋼絲的金相組織爲變形索氏體。在回覆作用下，塑性變形晶體中的點缺陷通過運動消失，位錯密度逐漸降低。細胞亞結構上的位錯通過滑動和攀移形成多邊形。其胞壁厚度減小，形成清晰的亞晶界。胞狀亞結構轉變爲亞晶後，其尺寸增大，並通過亞晶界的遷移進一步長大。綜上所述，冷拔碳素彈簧鋼絲彈簧去應力回火後直徑減小的原因是亞晶形成導致的尺寸增大。彈簧鋼絲冷拔後產生較大的拉伸變形，冷軋時鋼絲外圈的拉伸變形略大於內圈。回火後，外圈的亞晶數量多於內圈。隨着亞晶的不斷形成和長大，鋼絲外環尺寸比內環尺寸增加更多，鋼絲彎曲程度增大，彈簧直徑明顯減小。

3冷拉奧氏體不鏽鋼絲螺旋彈簧冷拉奧氏體不鏽鋼絲是由18-8奧氏體不鏽鋼經深拉制成的不鏽鋼絲。目前市場上常見的鋼絲有SUS304、SUS316等。，而且它們的硬度、強度等機械性能略遜於碳彈簧鋼絲，所以卷簧工藝相對困難。優點是耐腐蝕性強，成型的彈簧不需要額外的表面處理，可以在一定的高溫下工作。奧氏體鋼絲在冷拉和冷軋後也會產生加工硬化。與冷拉碳彈簧鋼絲不同，奧氏體不鏽鋼絲的層錯能低，其變形會產生晶體阻礙位錯運動，使得位錯以複雜網絡的形式存在。即使發生大量的塑性變形，也很難形成大量的胞狀亞結構。主要強化機制是應變誘發馬氏體# $ 6-%馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體，是一種不穩定結構。馬氏體的存在可以顯著提高奧氏體不鏽鋼絲的強度和硬度，使鋼絲具有一定的弱磁性。隨着鋼絲變形量的增加，奧氏體轉變爲馬氏體越多，抗拉強度越高。

去應力回火後，馬氏體中過飽和碳原子溶解，碳化物析出，產生彌散強化，鋼絲強度提高。同時馬氏體的方形度減小，逐漸分解爲穩定的回火馬氏體。由於馬氏體比容大，回火轉變會導致鋼絲收縮。另一方面，奧氏體將恢復，晶格畸變和位錯密度將降低。由於難以形成亞晶，對鋼絲體積影響不大，所以不鏽鋼絲在回火時體積主要受馬氏體回火轉變影響。根據鋼絲的實際變形程度分析，奧氏體不鏽鋼絲外環的拉伸變形程度較大，比內環產生更多的馬氏體。去應力回火後，馬氏體體積減小，鋼絲外環體積收縮大於內環，使鋼絲整體彎曲程度降低，宏觀上表現爲不鏽鋼彈簧直徑大幅度增大。可以看出，冷拉奧氏體不鏽鋼絲卷製成的螺旋彈簧直徑增大的主要原因是馬氏體回火轉變引起的體積減小。

去應力回火改變了彈簧鋼絲的顯微組織，從而導致彈簧直徑的變化。大量亞晶的形成導致碳彈簧鋼彈簧直徑減小；馬氏體回火使奧氏體不鏽鋼彈簧直徑變大。瞭解不同材料的特性，掌握其變化規律，可以更有效地預設彈簧冷軋時的尺寸，使成品彈簧的直徑更符合要求。