弹簧材料的选用

(1)基本原则

1)满足弹簧的使用要求，如力学性能、使用温度、工作环境、寿命需求、电磁特性等。

2)适应加工过程的需要，如卷制规格限度、操作空间、热处理能力、检测手段等。

3)材料易于采购。

4)生产成本适当，包括材料价格及制作费用等。

5)符合环保要求。

(2)材料选用需考虑的因素

1)工作温度的影响。

①高温的影响：随着工作温度的升高，材料中的松弛现象会逐渐明显，弹簧的弹力表现出逐渐降低的趋势。在高温下工作的弹簧材料，要求其具有较好的热稳定性、抗松弛或抗蠕变能力、抗氧化和耐一定介质腐蚀的能力。各种材料在一定的工作应力下所能承受的最高工作温度各不相同，各种弹簧金属材料的推荐使用温度见表2-6。

弹簧的工作温度升高，弹簧材料的弹性模量下降，导致刚度下降，承载能力变小。因此，在高温下工作的弹簧必须了解弹性模量的变化率(值)对使用性能的影响。图2-6所示为弹簧钢切变模量和温度关系曲线。

②低温的影响：在低温下使用的弹簧材料，应具有良好的低温韧性。冷拉强化碳素弹簧钢丝、奥氏体不锈弹簧钢丝以及铜合金、镍合金均有较好的低温韧性和强度。碳素弹簧钢、低合金弹簧钢、30Cr13(3Cr13) 、40Cr13(4Cr13) 不锈弹簧钢及弹性合金的使用温度可低达-40℃。在更低的温度下，如-200℃，则需用12Cr18Ni9、10Cr18Ni9Ti、QSn4-3、QSn6.5-0.1、QBe2 以及 Ni66Cu29A13(Monelk500) 、 GH4169(Inconel718) 等材料。

2)热膨胀系数的影响：在衡器和仪表中使用的弹簧，为了满足其精度不受温度变化影响，一般选用弹性模量和膨胀系数变化极小的恒弹性合金。

3)工作介质的影响：在存在腐蚀性介质的情况下，材料容易因被腐蚀而失效。由于碳素钢及低合金弹簧钢的耐蚀性能较差，在酸性及其他腐蚀介质下工作的弹簧， 一般选用不锈 耐酸钢或镍合金等耐蚀材料。在腐蚀性很强的条件下，可考虑选用非金属材料。

在一般环境介质条件下使用的普通弹簧钢弹簧，如需提高抗腐蚀能力，也可采用制成弹簧后在其表面进行防锈涂镀，如镀锌、镀镉、镀铜等。

4)材料规格的影响：大规格弹簧一般采用热成形工艺，材料通常选用热轧线材或软态交货的钢丝；小规格、形状复杂、精度较高且要求高弹力的弹簧常采用冷拉强化钢丝或淬回 火钢丝为原料，用冷成形工艺制造。

5)制造工艺的影响：弹簧的制造工艺有多种多样，但其主要的成形工艺主要有冷成形和热成形两种。

在弹簧冷成形工艺中，弹簧的设计工作应力与所采用的材料性能相关。冷成形弹簧的制作主要采 用淬回火钢丝和冷拔强化钢丝，冷拔强化钢丝和连 续淬回火钢丝具有较高的强度和良好的表面质量， 综合性能较好。尤其是感应加热淬回火热处理后的钢丝，其组织晶粒度可以达到10级甚至更高，比辐射加热淬回火钢丝具有更高的韧性和疲劳强度。

淬回火钢丝和散件淬回火的疲劳性能对比如图 2-13所示。

为提高弹簧的抗腐蚀能力，有时会采用制成弹簧后在其表面进行防锈涂镀(镀锌、镀镉、镀铜 等)的方法。在这种情况下需要注意：表面处理前，如果材料中的残余应力没有充分去除，表面处理过程中很容易发生应力腐蚀，造成弹簧报废。另外，表面处理过程中会有氢原子渗人材料基体，如不能充分除氢，弹簧容易在后续的加工和使用过程中发生氢脆。

6)材料特性的影响：制造弹簧时，材料的弹性极限显然是极其重要的性能指标，应根据不同的弹性和刚性需求选用不同的材料。

7)其他影响：高应力、高寿命、高可靠性要求的螺旋弹簧、板弹簧及其他弹性件产品，一般需要优化工件的实际工作应力而采用异形截面、变截面等高强度材料来达到产品的高质量要求。