浅析冷卷螺旋弹簧去应力回火后直径变化的原因

摘 要：本文简要分析了冷拔碳素弹簧钢丝和冷拔奥氏体不锈钢丝所卷制的螺旋弹簧经过去应力回火后直径产生不同变化的原因。

关键词：弹簧;去应力回火;碳素弹簧钢丝;奥氏体不锈钢丝;弹簧直径

1 绪论

在冷卷螺旋弹簧制造中，冷拔碳素弹簧钢丝和冷拔奥氏体不锈钢丝是两种运用非常广泛弹簧材料，所卷制的弹簧都必须进行低温去应力回火。去应力回火也称去应力退火，目的是消除弹簧钢丝中的残余应力，稳定弹簧尺寸以及提高弹簧钢丝的弹性极限。经过去应力回火工序，碳素弹簧钢丝卷制的弹簧，其直径要缩小;奥氏体不锈钢丝卷制成的弹簧，其直径会涨大。[1]这两种完全相反的弹簧回火现象普遍存在于冷卷螺旋弹簧制造过程中。本文从材料学角度简要分析了上述两种弹簧钢丝冷卷的弹簧在去应力回火后直径产生不同变化的原因。

2 冷拔碳素弹簧钢丝卷制的弹簧

冷拔碳素弹簧钢丝是碳钢坯料经过加热奥氏体化后以一定的方式冷却得到索氏体组织，然后冷拉成型的弹簧钢丝。通过加工硬化后，碳素弹簧钢丝能得到较高的弹性极限与抗拉强度，同时又有满足弹簧卷制时所需的良好塑性，典型的材料牌号有70#、65Mn、82B等等。从弹簧手册中可知，冷拔碳素弹簧钢丝推荐回火温度为240～340℃，保温20～35min。在此温度时间内回火既能保证弹簧宏观残余应力的消除，又可避免再结晶导致的弹簧强度的下降。

热处理前，经过钢丝冷拔与弹簧冷卷的钢丝金相组织为索氏体和变形的铁素体。铁素体由于产生塑性变形，晶粒沿变形方向被拉长，呈现纤维状组织。[2]碳素弹簧钢丝的层错能较高，在变形过程中由于位错的增殖和交互作用，很容易形成胞状亚结构。[3]

去应力回火后，钢丝金相组织呈现为变形索氏体。受回复作用，塑性变形的晶体中点缺陷通过运动而消失，位错密度逐渐下降。胞状亚结构上的位错通过滑移和攀移，发生多边形化进程;其胞壁厚度减小，形成比较清晰明确的亚晶界。胞状亚结构转变为亚晶粒后尺寸有所增大，并且会通过亚晶界的迁移进一步长大[4-5]。

综上所述，冷拔碳素弹簧钢丝弹簧去应力回火后直径缩小的原因是亚晶粒形成引起的尺寸增大。弹簧钢丝经过冷拔后产生大量拉伸变形，冷卷时钢丝外圈区域的拉伸变形量略大于内圈;回火后外圈亚晶粒数量比内圈多。随着亚晶粒的不断形成长大，钢丝外圈尺寸增加比内圈多，钢丝的弯曲程度增加，弹簧直径尺寸明显减小。

3 冷拔奥氏体不锈钢丝卷制的弹簧

冷拔奥氏体不锈钢丝是18-8型奥氏体不锈钢经深度拉拔而成的不锈钢丝。目前市面上常见的该类钢丝有SUS304、SUS316等，其在硬度强度等力学性能方面稍逊于碳素弹簧钢丝，弹簧卷制工艺相对较困难。优势是具有较强的耐腐蚀性能，成型的弹簧无需做额外表面处理，且能在一定的高温条件下工作。文献[1]中推荐的回火温度为280℃～360℃，保温20～40min。

奥氏体不锈钢丝经过冷拔和冷卷后也会产生加工硬化现象。和冷拔碳素弹簧钢丝不同的是，奥氏体不锈钢丝因为层错能很低，形变会产生孪晶阻碍位错运动，使位错以复杂网络的形式存在。即使产生大量塑性变形，也很难形成大量的胞装亚结构，[3]其主要强化机制是应变诱发马氏体引起的相变强化。[6-7]马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，是一种不稳定的组织。马氏体的存在能显著提高奥氏体不锈钢丝的强度硬度，并使钢丝带有一定的弱磁性。随着钢丝变形度的增大，奥氏体向马氏体转变的量越多，抗拉强度越高。

去应力回火后，马氏体中的过饱和碳原子脱溶并析出ε碳化物，产生弥散强化，钢丝强度有所提高。同时马氏体正方度减小，开始逐步分解转变为稳定的回火马氏体。因为马氏体比容大的缘故，发生回火转变时会导致钢丝体积的收缩。[8]另一方面，奥氏体发生回复，点阵畸变与位错密度降低。因其形成亚晶粒的难度大，对钢丝体积的影响很小，故不锈钢丝回火时体积主要受马氏体回火转变影响。

结合钢丝的实际变形程度分析，奥氏体不锈钢丝外圈的拉伸变形度大，产生的马氏体比内圈部分多。经过去应力回火后，马氏体体积减小，钢丝外圈部分体积收缩量大于内圈体积收缩量，使得钢丝整体的弯曲程度降低，宏观上表现为不锈钢弹簧直径涨大。可见，冷拔奧氏体不锈钢丝卷制成的螺旋弹簧直径涨大的主要原因是马氏体回火转变引起的体积减小。

4 结语

去应力回火使弹簧钢丝的显微组织发生变化，引起了弹簧直径的改变。大量亚晶粒的形成导致碳素弹簧钢弹簧直径减小;马氏体回火转变使得奥氏体不锈钢弹簧直径变大。了解不同材料的特性，掌握其中的变化规律可以更有效地预置弹簧冷卷时的尺寸，使成品弹簧直径尺寸更加符合要求。

参考文献：

[1]张英会，刘辉航，王德成.弹簧手册（第三版）[M].北京：机械工业出版社，2017.

[2]苏德达.两类弹簧钢丝的组织_强韧性及发展趋势[J].金属制品，1999（08）.

[3]胡赓祥，蔡珣，戎咏华.材料科学基础（第三版）[M].上海：上海交通大学出版社，2010.

[4]刘宗昌.材料组织结构转变原理[M].北京：冶金工业出版社，2006.

[5]崔忠圻，覃耀春.金属学与热处理（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2010.

[6]龚娜，武会宾，曹嘉明，牛刚，许立雄.冷变形对304奥氏体不锈钢组织和性能的影响[J].热加工工艺，2018（03）.

[7]申勇峰，李晓旭，薛文颖，刘振宇.304不锈钢拉伸变形过程中的马氏体相变[J].东北大学学报，2012（08）.

[8]庞勃.浅谈淬火碳钢在回火时的转变[J].中国新技术新产品，2014（10）.

作者简介：沈琦（1991-），男，浙江嘉兴人，本科，材料工程助理工程师，毕业于中国计量学院材料科学与工程专业，目前主要工作领域是弹簧的制造工艺。