不锈弹簧钢丝

第1页共31页不锈弹簧钢丝东北特殊钢集团大连钢丝制品公司：徐效谦内容摘要：本文介绍了各国不锈弹簧钢丝使用现状，以及我国不锈弹簧钢丝标准的演变和使用状况的变化。着重描述了奥氏体不锈弹簧钢丝的牌号、性能和生产工艺，同时给出了相应的数据，目的是架设一座连接生产和使用的桥梁。关键词：不锈弹簧、钢丝、标准、生产工艺。碳素弹簧钢丝和合金弹簧钢丝在干燥空气和非腐蚀性介质中使用，疲劳极限是相对稳定的，但在潮湿空气、海洋性气氛和腐蚀性介质中，钢丝的疲劳极限随着应力循环次数的增加而持续下降，见图1。此时，腐蚀破坏成为弹簧失效的主要因素，为此开发了一系列具有不同耐蚀性能的不锈弹簧钢丝。图1腐蚀对钢丝疲劳极限的影响1.1不锈弹簧钢丝的分类及牌号目前国际通用的不锈弹簧钢丝的牌号大约有10余个，按显微组织结构可分为马氏体型、铁素体型、奥氏体型三类；按加工和使用方式可分为相变强化型、形变强化型和沉淀硬化型三类。一般说来，马氏体钢丝属于相变强化型弹簧钢丝，多以轻拉或退火状态供货，钢丝缠绕成簧后再进行淬火-回火处理，获得回火马氏体或索氏体组织。退火或轻拉状态马氏体钢丝，强度适中，柔韧性好，可以加工成各种形状复杂的弹簧元件，淬回火后的弹簧元件性能均匀、各向同性、具有良好的耐蚀性能，在空气、水、水蒸气和一些弱酸性介质中有比较稳定的疲劳极限。马氏体弹簧钢丝国内常用牌号有20Cr13、30Cr13、32Cr13Mo、12Cr12Ni2和20Cr17Ni2等，国外常用牌号有414、420、420J2、431、15Х12Н2МФ、420S45、431S29和441S49等。弹簧用马氏体钢丝成品抗拉强度一般不超过950MPa，其生产工艺与不锈耐热钢相同，各国均将该类钢列入不锈钢丝通用标准中，我国马氏体不锈钢丝标准见GB/T4240-2009。铁素体不锈钢丝无法通过淬火-回火强化，属于形变强化型弹簧钢丝。一般说来，铁素体不锈钢的耐蚀性能稍优于马氏体型不锈钢，铁素体钢丝的冷加工性能良好，能承受90%以上减面率的拉拔，但其冷加工强化系数较低，成品钢丝抗拉强度一般不超过1100N/mm2，多用于制作低应力弹簧，或进一步加工成形状复杂的异形弹簧。铁素体弹簧钢丝国内常用牌号有06Cr11Ti、06Cr12Nb、10Cr17和10Cr17Mo、国外常用牌号有409、409Nb、430、434、SUS430和GARBA17C1等。铁素体不锈弹簧钢丝可按GB/T4240-2009冷拉状态订货，成品抗拉强度由供需双方商定。奥氏体型不锈钢具有优良的耐蚀性能，虽然无法通过热处理强化，但具有优异的冷加工塑性，且冷加工强化系数高，可以通过大减面率拉拔达到相当高的强度。形变强化的奥氏体不锈钢丝的耐蚀性第2页共31页能优于马氏体钢丝和铁素体钢丝，在低温和高温下均能保持良好的强韧性，钢丝磁性较弱（有的牌号无磁性），用于制作在腐蚀性环境和各种腐蚀性介质中使用的弹性元件。从石油、化工、纺织等传统工业部门，到食品加工、家电、日用化妆品，奥氏体不锈弹簧钢丝起着其它钢丝无法取代的作用。奥氏体不锈钢牌号较多，按美国习惯又分为200系列、300系列和沉淀硬化型三类。200系列为Cr-Mn-Ni-N钢，300系列为Cr-Ni和Cr-Ni-Mo钢，美国标准ASTMA313-2003《不锈弹簧钢丝》列出的200系列牌号2个：XM-28和S20430(204Cu)，300系列牌号6个：302、304、305、316、321和347，沉淀硬化型牌号有2个：631和XM-16，共列出10个牌号。国内常用的300系列奥氏体不锈弹簧钢丝牌号有12Cr18Ni9、06Cr19Ni9、06Cr17Ni12Mo2、10Cr18Ni12、09Cr18Ni9Ti和24Cr19Ni9Mo2(3J9)；200系列奥氏体不锈弹簧钢丝牌号有07Cr12Mn5Ni4Mo3Al、20Cr15Mn15Ni2N、12Cr17Mn8Ni3Cu3N和12Cr18Mn9Ni5N。国外常用牌号有302、304H、316H、SUS302、SUS304、SUS304N1、SUS316、302S26、301S81、X12CrNi17.7、XM-28、201和S20430(204Cu)等。马氏体弹簧钢可以通过热处理强化，但耐蚀性能一般，弹簧在低温条件下使用有一定的脆化倾向。奥氏体弹簧钢耐蚀性能和冷加工塑性俱佳，但无法通过热处理强化；沉淀硬化不锈钢兼有两者的优点，固溶(退火)状态下较软，容易加工成形；通过拉拔可获得很高强度；具有与奥氏体不锈钢相当的耐蚀性能。此外，沉淀硬化不锈弹簧钢丝通过冷拉达到一定强度后再进行适当的时效处理，析出沉淀相，钢丝强度进一步提高。沉淀硬化钢常用牌号有07Cr17Ni7Al、07Cr15Ni7Mo2Al和06Cr17Ni4Cu4Nb，其中07Cr17Ni7Al和07Cr15Ni7Mo2Al属奥氏体型沉淀硬化不锈钢，多用于制作飞机发动机、兵器和仪器仪表用弹簧、天线和紧固件等。06Cr17Ni4Cu4Nb属马氏体型沉淀硬化不锈钢，用于制作有一定耐蚀要求的高强度容器、高强度螺栓和喷气发动机的零部件等。国内常用的沉淀硬化不锈钢丝牌号有07Cr17Ni7Al和06Cr17Ni4Cu4Nb。国外常用牌号有630、631、632、XM-16、SUS631J1、301S81和X7CrNiAl17.7等2。国内外常用不锈弹簧钢丝牌号对照见表1。表1不锈弹簧钢丝牌号对照表GJB3320-98GB/T24588-2009GB/T4240-2009ASTMA313JISG4314DIN17224BS2056ISO6931-1（-2）ISO6931-2:2005EN10270-3SANDVIK1GARPHTTAN2(12Cr17Ni7)(301)(SUS301)301S3612Cr18Ni9302SUS302X12CrNi17.7302S26X10CrNi18-812R10GARBA178Mo06Cr19Ni9304HSUS304(X5CrNi18.10)(304S31)11R51GARBA18806Cr19Ni9N304NSUS304N1(12Cr18Ni12)305(SUS305)305S1106Cr17Ni12Mo2316HSUS316X5CrNiMo18.10316S33X2CrNiMo17-12-25S60GARBA1812Mo09Cr18Ni9Ti321(SUS321)(321S31)(俄12X18H9T)(07Cr18Ni11Nb)347(SUS347)(24Cr19Ni9Mo2)(3J9)(俄2X19H9M)(022Cr20Ni25Mo4.5Cu)(904L)904S142RK65GARBA90407Cr17Ni7Al631SUS631J1X7CrNiAl17.7301S81X7CrNiAl17-79RU10GARBA17-7PH(07Cr15Ni7Mo2Al)(632)07Cr12Mn5Ni4Mo3Al(12Cr18Mn13Ni2N)XM-28(12Cr17Mn8Ni3Cu3N)204Cu(12Cr18Mn9Ni5N)(202)(SUS130M)(202S16)X11CrNiMnN19-8-6第3页共31页(20Cr15Mn15Ni2N)(04Cr12Ni8Cu2MoTiNb)XM-16(06Cr17Ni4Cu4Nb)(630)20Cr13(420)(SUS420J1)(X20Cr13)(420S37)(X20Cr13)30Cr13(420)(SUS420J2)(X30Cr13)420S45(X30Cr16)32Cr13Mo7C17Mo2GARBA14C4Mo40Cr13(俄40X13)12Cr12Ni2(414)20Cr17Ni2(431)(SUS431)(X20CrNi17.2)(431S29)(12Cr11Ni2W2MoV)(俄15X12H2MФ)06Cr11Ti(409)(409S17)06Cr12Nb(409Nb)10Cr17(430)(SUS430)(430S18)GARBA17C110Cr17Mo(434)(SUS434)(434S20)注：①括号中的牌号是该国使用,但列举标准中未列出的牌号。②我国不锈钢脾号表示方法2007年进行了变革（见GB/T20878-2007），本文采用变革后的表示方法，但介绍以前标准时仍用原牌号。2.不锈弹簧钢丝标准不锈弹簧钢丝现行国家标准及国外标准见表2。在发达国家不锈弹簧钢丝使用范围广泛，在家电、装潢和日用品领域有完全取代碳素弹簧钢丝的趋势。我国不锈弹簧钢丝目前主要用于家用电器，仪表、化工机械和军品等少数领域，年表观消费量仅3万吨左右，相对而言使用牌号比较集中，标准中列出牌号有限，现行国家及行业标准有GJB3320-1998、YB(T)11-83（将被GB/T24588-2009取代）和YB/T5135-1993，标准中未列出牌号生产企业均按企业标准交货。比较各国标准，美国材料试验协会标准ASTMA313-03列出牌号最多、最具权威性，该标准分类细，数据也比较详尽。从生产历史和品质方面看，瑞典山特维克(Sandvik)和加普腾(Garphttan)生产的不锈弹簧钢丝是最著名的品牌。表2各国不锈弹簧钢丝现行标准序号标准代号标准名称1GJB3320-1998航空用不锈弹簧钢丝规范2GB/T24588-2009不锈弹簧钢丝3YB/T5135-1993发条用高弹性合金3J9(2Cr19Ni9Mo)4ASTMA313M-2003不锈弹簧钢丝5JISG4314-1994弹簧用不锈钢丝6DIN17224-1982不锈弹簧钢丝和弹簧钢带7BS2056-1991机械弹簧用不锈钢丝8EN10270-3:2001不锈弹簧钢丝9ISO6931-1-1994(E)弹簧用不锈钢第1部分：钢丝10ISO6931-2：2005弹簧用不锈钢第2部分：窄带2.1.GJB3320-1998《航空用不锈弹簧钢丝规范》国军标GJB3320-1998是目前国内要求最严的不锈弹簧钢丝标准，标准中包含0Cr12Mn5Ni4Mo3Al、第4页共31页0Cr17Ni7Al、0Cr18Ni9和3Cr13四个牌号，每个牌号根据使用应力状况不同又分成不同的组别。标准规定：钢丝用钢经真空感应炉、电弧炉加炉外精炼或电弧炉加电渣重熔冶炼；钢坯经低倍检验，其横向酸浸低倍试片上不得有目视可见的缩孔、气泡、裂纹和夹杂，一般疏松、中心疏松和偏析级别均应大于GB/T1979中的2级。(1)0Cr12Mn5Ni4Mo3Al由航空行业标准HB5298-85《航空用Cr12Mn5Ni4Mo3Al(69111)不锈弹簧钢丝》升到国军标中，属于半奥氏体沉淀硬化型钢丝。该牌号钢在高温固溶状态下为奥氏体组织，含有5～10%的δ铁素体，具有良好的加工成形性能和焊接性能。经适量的冷加工、冷处理和时效处理，达到较高强度3。标准规定成品钢丝分A和B两个组别供货，成品钢丝主要考核力学性能、单向扭转和缠绕性能，0Cr12Mn5Ni4Mo3Al弹簧钢丝的力学性能和工艺性能考核指标见表3。表30Cr12Mn5Ni4Mo3Al弹簧钢丝的力学性能和工艺性能钢丝直径mm时效状态抗拉强度Rm，MPa单向扭转次数Nt，次A组B组0.102100～2360≥19600.202100～2360≥19600.302100～2360≥19600.402100～2360≥19600.502060～2300≥19100.602060～2300≥1910≥30.702060～2300≥1910≥30.802010～2260≥1860≥30.902010～2260≥1860≥31.002010～2260≥1860≥31.201960～2200≥1820≥21.401960～2200≥1820≥21.601910～2160≥1760≥21.801910～2160≥1760≥22.001910～2160≥1760≥22.201860～2110≥1720≥22.501860～2110≥1720≥22.801820～2060≥1660