冷成形圆柱螺旋弹簧应用渗锌工艺可行性研究

2015-04-23孔令飞高杨李玲

金属加工(热加工) 2015年23期

■ 孔令飞，高杨，李玲

目前，对冷成形圆柱螺旋弹簧的表面防腐蚀处理仍以传统的氧化、镀锌工艺为主，不但防腐能力有限，难以适应恶劣环境如海洋环境下的防腐蚀要求，且由于弹簧件为高强度钢丝制成，存在严重的氢脆隐患。相对而言，渗锌技术具有优异的耐蚀性，且无氢脆的特点，因此，研究将渗锌工艺应用于圆柱螺旋弹簧防腐蚀处理的可行性有着重要的现实意义。

渗锌是一种固态多元热扩散涂层加工技术，利用加热状态下将锌（Zn）及合金元素扩散进入钢铁构件表面制备Zn-Fe合金保护层的一种化学热处理工艺。渗锌涂层与基体金属的结合强度很高，具有优异地抗高温氧化性、耐蚀性和抗磨损与抗冲击等性能。

1. 弹簧钢丝适用性

（1）钢丝分类冷成形圆柱螺旋弹簧一般由冷成形弹簧钢丝冷卷制成。图1分类的弹簧钢丝中，除不锈钢丝本身具有防腐蚀能力，无需再进行防腐蚀处理外，典型的常用钢丝有：硅锰弹簧钢丝（GB5218—1985）、碳素弹簧钢丝（GB/T4357—2009）、重要用途碳素弹簧钢丝（GB/T4358—1995）。

（2）钢丝渗锌前后强度变化试验选用钢丝及试验项目见表1。70C、65Mn钢丝渗锌前后强度变化见表2。60Si2MnA钢丝渗锌前后硬度变化见表3。

（3）试验分析结合表2、表3试验数据分析如下：

其一，70C、65Mn钢丝渗锌后抗拉强度值较渗锌前有所降低。该类钢丝为铅浴等温淬火后冷拔强化而成，其强化机理为形变强化，且等温温度低于渗锌温度，故渗锌后强度值不可避免地会有所降低，说明冷拔强化钢丝中的碳素弹簧钢丝、重要用途碳素弹簧钢丝、琴钢丝制成的弹簧不宜采用渗锌工艺。

图1 冷成形弹簧钢丝分类

表1 弹簧钢丝渗锌试验条件

表2 70C、65Mn钢丝（φ3mm）渗锌前后强度值

其二，60Si2MnA钢丝渗锌前已经淬火强化，渗锌后硬度未降低。60Si2MnA钢丝为冷拔钢丝中的典型代表，冷拔钢丝制弹簧强化机理是在卷簧后进行淬火强化，其回火温度一般在400℃以上，渗锌过程中控制渗锌温度不高于回火温度，可不降低钢丝原有强度。

其三，冷拔钢丝中的油淬火+回火钢丝为淬火强化状态供货，该钢丝制弹簧是否适于采用渗锌工艺，则应根据钢丝制造过程中的回火温度确定。

2. 弹簧零件适用性

（1）试验件根据弹簧钢丝的适用性结果，弹簧零件适用性研究试验件材料选择为需经淬火强化的60Si2MnA钢丝，尺寸规格则选择为不同钢丝直径、不同尺寸，共3类弹簧，如表4所示。

（2）外观弹簧渗锌后表面颜色呈灰色或银灰色，与渗锌层技术要求一致。

为保证锌粉与工件的充分接触，渗锌一般采取粉末滚动渗锌法，即将工件和渗锌剂按一定比例装入一个能转动的箱子（俗称转鼓）中，通过加热转鼓，实现“动态”下的扩散式渗锌。可见，渗锌时弹簧处于不断转动的状态，因此研究渗锌过程是否会导致弹簧变形是必要的。对以上试验件分别进行镀锌、带芯杆渗锌（见图2）、不带芯杆渗锌及不做处理等方式的表面处理，其外观对比如图3～图5所示。

经尺寸、垂直度检测，钢丝直径为1mm的弹簧Ⅱ在未采取防变形措施的情况下渗锌产生了较大变形，而带芯杆渗锌则无明显变形；钢丝直径3mm的锁紧弹簧和钢丝直径6mm的压缩弹簧不带芯杆渗锌与带芯杆渗锌相比，均无明显变形。

虽然在渗锌过程中弹簧处于不断的运动状态下，不可避免地会产生一定的变形，但只要变形量不超过弹簧的弹性变形范围，或采取措施控制变形量不超过弹簧的弹性变形范围，当导致变形的外力消失时，弹簧即可很快恢复至正常形态，故而可实现弹簧的无变形渗锌处理。

表3 60Si2MnA钢丝渗锌前后硬度对比（HRC）

表4 弹簧试验件参数

（3）负荷对以上渗锌后未变形的弹簧进行负荷检测，其中弹簧Ⅱ、锁紧弹簧负荷检测设备为TL-01B型弹簧压力试验机，而压缩弹簧因负荷较大，负荷检测设备为CMT5105型万能试验机，负荷检测结果见表5、表6。

由此可见，渗锌后3种弹簧负荷均符合图样要求。由于渗锌工艺的一般规律，弹簧渗锌后，钢丝直径会相应增大，增大量相当于2倍渗层厚度，导致弹簧负荷升高。但由于渗层厚度很浅，一般为30μm，负荷升高是轻微的，不会产生弹簧负荷的明显变化。

图2 渗锌前带芯杆

图3 弹簧Ⅱ（注：左1～3未进行表面处理；左4～6为镀锌处理件；左7～10为不带芯杆渗锌件，产生了较大变形；左11～14为带芯杆渗锌件）

图4 压缩弹簧（注：左1～2未进行表面处理；左3～5为镀锌处理件；左6～9为不带芯杆渗锌件；左10～12为带芯杆渗锌件）

图5 锁紧弹簧（注：左1～3为氧化处理件；左4～6为镀锌处理件；左7～9为不带芯杆渗锌件；左10～13为带芯杆渗锌件）

（4）疲劳强度弹簧在实际工作中受纯静应力的情况很少，当应力变化缓慢或变化幅度较小、次数较少时，则可以看作是静应力，应力变化次数多、变化幅度大的弹簧则应考虑疲劳强度。选用以上渗锌处理和氧化处理的弹簧进行疲劳试验，试验设备及参数如表7所示。

其中，1.5×107次达到了GB/T16947—2009《螺旋弹簧疲劳试验规范》附录A循环次数参照表中最高等级的气门弹簧循环作用次数。试验后，渗锌弹簧与氧化弹簧均未出现疲劳裂纹和折断，高度和负荷的降低情况如表8所示，不仅降低值很轻微，且降低幅度无明显差别，说明渗锌工艺不会导致弹簧疲劳强度的明显降低。