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文章專欄 / ARTICLE

如何選擇彈簧材料



彈簧材料的選擇,應根據彈簧承受載荷的性質、應力狀態、應力大小、工作溫度、環境介質、使用壽命、對導電導磁的要求、工藝性能、材料來源和彈簧價格等因素確定。

在確定材料截面形狀和尺寸時,應當優先選用國家標準和部頒標準所規定的系列尺寸,儘量避免選用非標準系列規格的材料。

中、小型彈簧,特別是螺旋拉伸彈簧,應當優先用經過強化處理的鋼絲,鉛浴等溫冷拔鋼絲和油淬火回火鋼絲,具有較高的強度和良好表面質量,疲勞性能高於普通淬火回火鋼絲,加工簡單,工藝性好,質量穩定。

碳素彈簧鋼絲和琴鋼絲冷拔後產生較大的剩餘應力,加工彈簧後,存在較大的剩餘應力,回火後尺寸變化較大,難以控制尺寸精度。油淬火回火鋼絲是在鋼絲是在鋼絲拉拔到規定尺寸後進行調製強化處理,基本上沒有剩餘應力存在,成型彈簧後經低溫回火,尺寸變化很小,耐熱穩定性好於冷拔強化鋼絲。

大中型彈簧,對於載荷精度和應力較高的應選用冷拔材或冷拔後磨光鋼材。對於載荷精度和應力較低的彈簧,可選用熱軋鋼材。

鋼板彈簧一般選用55Si2Mn、60Si2MnA、55SiMnVB、55SiMnMoV、60CrMn、60CrMnB等牌號的扁鋼。

螺旋彈簧的材料截面,應優先選用圓形截面。正方形和矩形截面材料,承受能力較強,抗衝擊性能好,又可使彈簧小型化,但材料來源少。且價格較高,除特殊需要外,一般儘量不選用這種材料。近年來,研製用圓鋼絲軋扁代替梯形鋼絲,取得了很好的效果。

在高溫下工作的彈簧材料,要求強度有較好的熱穩定性、抗鬆弛或蠕變能力、抗氧化能力、耐一定介質腐蝕能力。

彈簧的工作溫度升高,彈簧材料的彈性模量下降,導致剛度下降,承載能力變小。因此,在高溫下工作的彈簧必須了解彈性模量的變化率(值),計算彈簧承載能力下降對使用性能的影響。按照GB1239規定,普通螺旋彈簧工作溫度超過60℃時,應對切變模量進行修正,其公式為:Gt=KtG式中G——常溫下的彈性模量;Gt——工作溫度t下的切變模量;Kt——溫度修正係數按表2—98選取。

在低溫下使用的彈簧材料,應具有良好的低溫韌性。碳素彈簧鋼絲、琴鋼絲和1Cr18Ni9等奧氏體不鏽鋼彈簧鋼絲、銅合金、鎳合金有較好的低溫韌性和強度。

在低溫下,材料的脆性對表面缺陷十分敏感,因此,對材料表面質量應嚴格要求。

在低溫下,環境介質對材料腐蝕程度比在溫室下小得多,而鍍鎘和鍍鋅易引起冷脆。

在低溫下,材料的彈性模量和膨脹係數變化不大,在設計中可以不考慮。

彈簧鋼製作的彈簧,硬度(即強度)的選用應依據彈簧承載性質和應力大小而定。但是,硬度高低與平面應變斷裂韌性關係極大。

隨著硬度增加,平面應變斷裂韌性(KIC)值顯著下降。這就是說在確定彈簧的硬度硬度值時,應本著在滿足彈簧特性要求的前提下,彈簧的硬度值偏低一些好。

彈簧選材時,要注意鋼材的淬透性。彈簧材料截面是否淬透以及淬透的程度,對彈簧質量關係極大。

以彈簧本身作導體的電器彈簧或在濕度變化不定的條件下,如水(包括海水)、水蒸氣環境中工作的彈簧,一般選用銅和金材料。

在酸類接觸極其他腐蝕介質下工作的彈簧,一般選用不銹耐酸鋼或鎳合金等耐蝕材料。在一般環境介質條件下使用的彈簧,選用普通彈簧鋼,製成彈簧後在其表面進行防鏽塗覆或電鍍(鍍鋅、鍍鎘、鍍銅)的方法防蝕。

在衡器和儀表中使用的彈簧,為了滿足其精度不受溫度變化的影響,一般選用彈性模量和膨脹係數變化極小的恆彈性合金。

在要求質輕、絕緣、防碰、防鏽蝕等特殊用途的彈簧,可選用增強塑料。目前,較為適用的塑料彈簧,是用環氧樹脂、酚醛樹脂為基體,用玻璃纖維增強的熱固增強塑料GFRP。也可選用防振橡膠製造各種類型的橡膠彈簧。