弹簧钢的主要成分构成

　　碳的影响

　　碳是弹簧钢中最重要的元素，碳含量对弹簧钢的性能起着至关重要的作用。碳溶解在钢中形成间隙固溶体，起到固溶强化作用;它与强碳化物形成元素形成碳化物析出，起到沉淀强化作用，所以碳是主要的强化元素。当含量相同(均为0.5wt%)时，碳对淬火回火钢的强化效果大约为硅的5倍，铬的9倍和锰的18倍。碳还是影响抗弹减性最强烈的元素。为了保证弹簧钢具有足够的强度、硬度、弹性和疲劳寿命，钢中必须有相当高的碳含量，因此合金弹簧钢的碳含量一般比合金结构钢高。

　　各国标准中弹簧钢碳含量一般都较高(>0.50wt%)。这样高的碳含量虽然对强度、硬度、弹性、疲劳性能等有利，但对塑性和韧性、脱碳敏感性、成形性不利。如Si-Ni-Cr-Mo-V系钢的碳含量超过0.5wt%时，不仅塑性和韧性急剧下降，屈强比也大幅度降低。但为了提高钢的韧性和塑性，也有把碳含量降低的趋势。当前纳入标准的弹簧钢含碳量较低的有日本的SUP10(0.47～0.55wt%)，美国的SAE6150(0.48～0.53wt%)，德国的弹簧钢多数含碳量较低，含碳量最低的是38Si7(0.35～0.42wt%)，常用的50CrV4含碳量为0.47～0.55wt%，法国的46S7含碳量为0.43～0.49wt%，45C4含碳量为0.41～0.48wt%。有一些新研制的弹簧钢的碳含量更低，像我国研制开发的低碳马氏体弹簧钢，含碳量在0.30wt%左右，如28SiMnB，35SiMnB，由于碳含量低，热处理后得到的是低碳板条马氏体组织，塑性、韧性都特别好。此外，淬火后可自回火，加工性能好，而且成分简单，价格便宜。但过低的碳量可能降低钢的弹性抗力。

　　与此相反，为了获得更高的强度、硬度，以保证不断提高的工作应力的要求，弹簧钢的碳含量也有增加的趋势，许多新研制的高强度弹簧钢的碳含量上限达0.70wt%和0.80wt%，甚至更高。

　　硅的影响

　　硅是最常用和最重要的合金元素之一。弹簧钢中的硅含量多在1wt%以上，甚至可达3wt%。加硅的主要目的是提高钢的强度、弹性和回火稳定性。研究表明硅是所有合金元素中提高弹减抗力能力最强的，所以新研制的一些弹减抗力优良的弹簧钢都含有较多含量的硅。

　　硅原子半径较大，Si在钢中不形成碳化物，而是固溶到铁素体中可使铁素体晶粒发生畸变，从而有效地提高铁素体基体的强度。硅可以促进钢在回火时碳化物的析出起到沉淀强化作用。这不仅提高弹簧钢的回火稳定性，而且也改善其弹性松弛。在0.60wt%C-0.90wt%Mn-0.20wt%Mo钢中，随硅含量提高，碳化物数量几乎直线上升，而颗粒度和间距则相应减小。

　　但高硅增加钢的轧制抗力，对钢材表面质量会有不良影响。但是迄今为止，对钢中的最佳硅含量尚无一致的看法。一些研究者认为，1.5～2.0wt%Si弹减抗力值最高，且基本稳定，超过2.0wt%则下降;另有部分研究者认为硅含量即使提高到2.5wt%左右，弹减抗力仍不断提高，例如韩国生产的新型高Si(2.0～3.5wt%)弹簧钢，设计应力超过了1300MPa。因此在高Si钢(如SUP7)基础上添加V和Nb元素起到晶粒细化、沉淀强化作用的钢质在汽车弹簧上得到广泛应用。F.Borik等认为弹簧钢弹减抗力随Si含量在0.29～2.26wt%范围内增加而提高。虽然硅元素有显著提高弹簧钢弹减抗力的作用，但当硅含量达到一定值(2.2wt%左右)后，这种作用将使钢的Ac3温度升高，淬火组织不均匀;韧性下降、碳的活度增加;增加钢的轧制抗力，促进钢在轧制和热处理过程中的脱碳和石墨化倾向，使冶炼困难并易形成夹杂物。因此高硅含量弹簧钢的使用仍需慎重。在保证弹减抗力的前提下，降低硅含量是可行的，如Tata等将SAE9260钢中的硅含量降至1.00～1.25wt%时，该钢仍具有满意的弹减抗力。

　　锰的影响

　　锰、铬是在弹簧钢中仅次于硅的常用合金元素。锰是一种有利于消除硫的有害作用又有利于脱氧的元素。锰显著提高淬透性，改善热处理性能，强化基体和细化珠光体组织，从而提高钢的强度和硬度。此外，锰是扩大奥氏体区的元素，具有推迟γ-α转变过程的作用，增强了奥氏体的稳定性，增大孕育期，随着Mn含量的增加，相变开始温度降低。但当锰含量小于0.1wt%时作用很小。当含量超过1wt%时由于淬透性增强，热轧后钢的组织很可能转变为贝氏体或马氏体，使钢的韧性变坏，以致使钢丝不易加工且稳定性变坏。在一种耐久性和抗弹减性优良的弹簧钢中，认为锰含量必须大于0.5wt%，以使淬火时弹簧钢心部完全进行马氏体转变，但当锰含量超过1.5wt%时，韧性明显下降。目前较为一致的看法是，锰的含量应为0.50～1.50wt%。

　　铬的影响

　　铬能显著提高钢的淬透性，与锰共用效果更好。与硅相比，铬的突出优点是它不易促使弹簧钢脱碳、石墨化和晶粒粗化。铬阻止石墨化的原因在于Cr可以降低钢中碳活度，而且又是碳化物形成元素，提高了钢中碳扩散的激活能，减轻了钢的脱碳倾向。Cr是一种固溶强化元素，与α—Fe可形成置换式固溶体，起到固溶强化的作用，而对韧塑性影响不大。Cr元素能够提高钢的强度，其主要原因是Cr使钢C曲线明显右移，相同冷速下获得的珠光体片间距更加细化，从而提高珠光体的强度。Cr元素影响珠光体转变动力学可以从以下几方面来分析。首先，珠光体转变是典型的扩散型转变，转变受碳的扩散控制，而合金元素Cr的加入降低了C的扩散速度，从而降低了珠光体的形核率和长大速率，推迟了珠光体转变。其次，珠光体转变时合金元素通过扩散在渗碳体和铁素体间进行了再分配，转变受合金元素的扩散所控制。因为合金元素扩散系数远远小于碳的扩散系数，约为碳的扩散系数的10-3～10-4，故使珠光体转变速度大大减慢。合金元素在r/α界面聚集，起到了阻止界面移动的拖曳作用，降低珠光体形成速度。

　　以铬为主要强化元素的弹簧钢50CrV4在世界各国有较广泛的应用。美国用量最大的弹簧钢5160属于Cr-Mn系钢，由于资源问题，美国曾研究过低铬或无铬的悬架弹簧用钢，通过详细研究铬对Si-Mn系弹簧钢性能的影响，发现铬含量在0.3～0.56wt%的范围内降低含1wt%Si钢的鲍辛格效应，这就说明铬降低钢的抗弹减性。文献研究了向9260钢中加入铬对弹减抗力的影响，其中9260-Crl含0.51wt%Cr，9260-Cr2含1.02wt%Cr，可以看出，加0.51wt%Cr对9260钢的抗弹减性没有明显影响，但加入1.02wt%Cr则明显对抗弹减性不利。这个原因尚不清楚，但发现含铬的9260钢回火组织不均匀。认为这可能是由于在SAE9260这样的高硅钢中，回火时硅和铬的倾向不同，硅倾向于稳定ε碳化物，阻碍向Fe3C转变，使硅脱离Fe3C位置，而铬倾向于聚集在Fe3C中。在Si-Cr、Si-Cr-Mo、Si-Cr-V系弹簧钢中，随铬含量的增加，鲍辛格迟滞迥线面积减小，说明铬降低钢的抗弹减性。

　　但目前Si-Mn弹簧钢中加入Cr可提高淬透性、提高屈服强度、减小脱碳层深度，通常的Si-Mn弹簧钢性能大大提高。因此，即使在新研制的弹簧钢中也总是含有不同含量的铬元素。

　　钒和铌的影响

　　钒和铌均是强碳化物形成元素，在钢中有沉淀强化和细晶强化的作用。近期的研究进一步证实这一点，这两种元素生成细小弥散且硬度高的MC型碳化物，其强化效果超过M2C和M3C碳化物，且所需数量少。高强度Si-Ni-Cr-Mo钢加入0.20wt%V有助于提高弹减抗力，同时还能改善塑性、韧性和屈强比，钒含量再高，效果反而不好。在SAE9254弹簧钢中加入0.21wt%V可提高钢的塑性和疲劳极限。

　　铌除具有与钒相似的作用外，还可预防热加工时钢的晶粒粗化和由此导致的韧性下降，改善抗断性。同时加入钒和铌时因其复合作用的结果可以收到更好的效果。SAE9260钢中同时加入少量钒(0.09～0.29wt%)、铌(0.04～0.22wt%)，钢的淬透性提高，奥氏体晶粒细化，550℃回火时出现明显二次硬化峰，而且显著提高弹减抗力，研究了在SAE9260钢中加入钒和铌所起的作用。由于钒和铌抑制钢回火时的软化，所以在相同的回火温度下，钒和铌处理的钢强度高于SAE9260。由于屈服强度是发生一定程度塑性变形时的应力，因而可以认为钒和铌处理的钢抗弹减性优于SAE9260，即钒和铌元素提高了钢的抗弹减性。

　　还有文献报导钒有效降低35SiMnB钢的脱碳敏感性，认为这与钒降低钢中有效固溶碳，防止晶粒长大和阻止晶界扩散并提高抗氧化性有关。同时含钒钢的碳活度低于不含钒钢，因而其脱碳敏感性也较低。

　　其他微量合金元素

　　近来的研究非常重视微量合金元素在弹簧钢中应用，所涉及的微量元素最多的就是硼。

　　硼是强烈提高淬透性的元素，0.001～0.003wt%的硼的作用分别相当于0.6wt%Mn、0.7wt%Cr、0.15wt%Mo、1.5wt%Ni。在冶炼过程中，必须加一定量的Ti以固定B。硼以间隙原子形式溶入奥氏体、铁素体时，特别容易聚集在位错线附近，阻碍位错运动，抑制变形过程，因而使钢的弹减抗力提高。许多研究表明，当固溶B为某一数值或范围时，对应有最佳的淬透性。最佳固溶B含量取决于在γ相晶界等α相形核位置上B的偏析量。当B量不足时，晶界上B的吸附量很少，使钢的淬透性较低;当B量过多时，则会在晶界上析出硼化物，这会促进γ→α转变，同样降低钢的淬透性。再则，B含量增加，在冶炼时加Ti量也增加，这必然会增加钢中Ti(C，N)夹杂物的量，这对钢的疲劳性能是很不利的，同时也增加了钢的成本。由于B吸附在γ晶界上，降低γ晶界自由能，抑制了γ→α的转变，因而提高了钢的淬透性。但是随着B含量升高，当B在奥氏体晶界上偏析的量超过它的固溶度后，在晶界上就会析出硼化物，它会加速珠光体形核，促进γ→P转变，因而降低钢的淬透性。通过淬透性实验得出结论，在不析出硼化物的前提下，B的奥氏体晶界上吸附的量越多，它对提高淬透性所起的作用就越显著;一旦B量超过了它的固溶度以后，一部分B就以硼化物的形式在晶界上析出，从而降低钢的淬透性。所以B量的加入存在一个极大值，对应有最佳淬透性，实验得出是0.0009wt%。

　　在弹簧钢中加硼的目的多数是为了提高钢的淬透性，也有报导硼可以提高钢的塑性、韧性和抗弹减性。对这种现象的解释是，硼优先渗透进入晶界，可以控制磷的晶间偏析，从而防止晶界脆化。则Si-Cr-V-Ni-Nb-B弹簧钢的冲击值高于其它常规弹簧钢就是这个原因。在加B的时候，应在保证淬透性的前提下尽量少加。这样不但能够提高钢的内部质量，而且还能降低钢的成本。

　　磷、硫、铜的作用

　　化学成分中磷、硫为有害元素，含量应尽可能的低。钢中残余铜也应尽可能的低，因为含铜的钢在氧化气氛中加热，氧化皮下易形成富铜层，当晶界上分布有游离铜时，加热温度高于1100℃，晶界熔化，加热同时产生表面裂纹。