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          彈簧材料的發展

          更新日期:[12/18/2017]

          彈簧應用技術的發展,對材料提出了更高的要求。主要是在高應力下的提高疲勞壽命和抗松弛性能;其次是根據不同的作途,要求具有耐蝕性、非磁性、導電性、耐磨性、耐熱性等。為此,彈簧材料除開發了新品種外,另外嚴格控制化學成分,降低非金屬夾雜,提高表面質量和尺寸精度等方面也取得了有益的成效。

          1.合金鋼的發展 氣門彈簧和懸架彈簧已廣泛應用Si-Cr鋼。為了提高疲勞壽命和抗松弛性能,在Si-Cr鋼中添加V、Mo。同時開發了Si-Cr拉拔鋼絲,其在高溫下工作時的抗松弛性能,比琴鋼絲好。隨著發動機高速小型化,抗顫振性能好、質量輕、彈性模量小的Ti合金得到了較為廣泛的應用,其強度可達2000Mpa。
          2.不銹鋼絲的發展
          1)奧氏體組織不銹鋼絲強度比鐵素體組織的好,其耐蝕性也優于馬氏體組織,因面應用范圍不斷擴大。
          2)低溫拔絲或低溫氮化拔絲可提高鋼絲強度。馬氏體受熱時組織不穩定,而在低溫液體氮中拔絲能形成隱針狀馬氏體,可獲得熱態高強度。此種鋼絲在美國和日本已有不少應用,但目前只能處理1mm以下的鋼絲。
          3)電子設備中的精密彈簧要求非磁性,此種鋼絲在拉拔加工時,不能生成隱針狀馬氏體。為此要添加N、Mn、Ni等元素。為了滿足這方面的需求,美國開發了AUS205(0.15C-17Cr-1Ni-15Mn-0.3N)和YUS(0.17C-21Cr-5Ni-10Mn-0.3N)。由于Mn的含量增加,加工中不會生成隱針狀馬氏體。經固溶處理,強度可達2000Mpa,疲勞性能高,優于SUS304。
          3.提高材料純度 對高強度材料,嚴格控制夾雜,提高純度以保證其性能。如氣門彈簧材料的含氧量,目前已達20×10ˉ6發展。
          4.改善表面質量 材料表面質量對疲勞性能影響很大。為了保證表面質量,對有特殊要求的材料采用剝皮工藝將表層0.1mm。對0.5mm深度的缺陷采用渦流探傷。對拔絲過程表面產生的凹凸不平,可用電解研磨,使表面粗糙降到Ra=6.5~3.4μm。
          5.電鍍鋼絲的發展 在特殊情況下,除要求彈簧特性外,還要求耐蝕、導電等附加性能,大多均采用電鍍工藝解決。
          部分不銹鋼絲和琴鋼絲的耐蝕性能相當于鍍鋅的耐蝕性能,若再鍍一層ZnAl(5%)的合金,則耐蝕性可提高約3倍。
          對電阻性能有要求的不銹鋼絲或琴鋼絲,鋼絲直徑小于0.4mm的可鍍銅,大于0.4mm的可采用內部是銅,外部是不銹鋼材料。一般琴鋼絲鍍5μm厚的Ni,可提高其導電性。
          一般來說,能使材料表面硬化形成剩余應力的工藝(如噴丸強化和表面氮化等)均可提高疲勞強度。目前正在研究非電解鍍Ni,通過加熱(300~500℃)可將7%的P以PNi析出,可提高維氏硬度達HV500。噴丸后,若在300℃以下加熱鍍Ni,亦可提高硬度10%。
          6.形狀記憶合金的開發 目前在彈簧方面有應用前途的單向形狀記憶合金,以50Ti-50Ni性能最好。形狀記憶合金制成的彈簧,受溫度的作用可伸縮。主要用于恒溫、恒載荷、恒變形量的控制系統中。由于是靠彈簧伸縮推動執行機構,所以彈簧的工作應力變化較大。
          7.陶瓷的應用 陶瓷的彈性模量高,斷裂強度低,適用于變化不大的地方。目前正在開發的有耐熱、耐磨、絕緣性好的陶瓷;應用的有超塑性鋅合金(SPZ),在常溫下具有高的強度。另外,還有高強度的氮化硅,能耐高溫,可達1000℃。但陶瓷彈簧不適用于在沖擊載荷下工作。
          8.纖維增強塑料在彈簧中的應用 玻璃纖維增強塑料(GFRP)板彈簧在英、美和日本等國已廣泛應用,除用于橫置懸架外,還可用于特殊輕型車輛,如賽車的縱置懸架。目前又研制成功了碳素纖維增強塑料(CFRP)懸架彈簧,比金屬板簧要輕20。

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