彈簧廣泛應(yīng)用于機(jī)械、儀表、電器、交通運(yùn)輸工具以及日常生活器具等,是一個(gè)影響面比較大的基礎(chǔ)性零件,其中又以圓柱螺旋彈簧應(yīng)用最為廣泛。目前,對(duì)冷成型圓柱螺旋彈簧的表面防腐蝕處理仍以傳統(tǒng)的氧化、鍍鋅工藝為主,不但防腐能力有限,難以適應(yīng)惡劣環(huán)境如海洋環(huán)境下的防腐蝕要求,而且由于彈簧件為高強(qiáng)度鋼絲制成,還存在嚴(yán)重的氫脆隱患。相對(duì)而言,滲鋅技術(shù)具有耐蝕性能優(yōu)異、無氫脆的特點(diǎn),因此,將滲鋅工藝應(yīng)用于圓柱螺旋彈簧防腐蝕處理的可行性有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
滲鋅是一種固態(tài)多元熱擴(kuò)散涂層加工技術(shù),它是利用加熱狀態(tài)下將鋅(Zn)及合金元素?cái)U(kuò)散進(jìn)入鋼鐵構(gòu)件表面制備Zn-Fe合金保護(hù)層的一種化學(xué)熱處理工藝。滲鋅涂層與基體金屬的結(jié)合強(qiáng)度很高,具有優(yōu)異抗高溫氧化性、耐腐蝕性和抗磨損與抗沖擊等性能。本文通過對(duì)冷成型圓柱螺旋彈簧滲鋅后尺寸、負(fù)荷、變形量、疲勞強(qiáng)度、鋼絲強(qiáng)度變化等方面的研究,確定了冷成型圓柱螺旋彈簧采用熱滲鋅工藝的適用性及適用范圍,為發(fā)揮滲鋅工藝對(duì)于彈簧件的防腐蝕作用提供參考。
1.彈簧鋼絲適用性
(1)鋼絲分類
冷成型圓柱螺旋彈簧一般由冷成型彈簧鋼絲冷卷制成,其大致分類如圖1所示。
圖1 冷成型彈簧鋼絲分類
上述彈簧鋼絲中,除彈簧用不銹鋼絲本身具有防腐蝕能力,無需再進(jìn)行防腐蝕處理外,典型的常用鋼絲有:硅錳彈簧鋼絲(GB5218-1985)、碳素彈簧鋼絲(GB/T4357-2009)、重要用途碳素彈簧鋼絲(GB/T4358-1995)。
(2)鋼絲滲鋅前后強(qiáng)度變化
試驗(yàn)選用鋼絲及試驗(yàn)項(xiàng)目見表1。
表1 彈簧鋼絲熱滲鋅后強(qiáng)度變化試驗(yàn)條件
序號(hào) | 項(xiàng)目 | 指標(biāo)/內(nèi)容 | ||
1 | 試驗(yàn)件 | 70C-GB/T4357-2009 | 65Mn-GB/T4358-1995 | 60Si2MnA-GB5218-1985 |
2 | 鋼絲規(guī)格/mm | φ3×200 | φ3×200 | φ6×100 |
3 | 數(shù)量 | 滲前滲后各3件 | 滲前滲后各3件 | 滲前滲后各3件 |
4 | 檢測(cè)項(xiàng)目 | 滲前滲后抗拉強(qiáng)度 | 滲前滲后抗拉強(qiáng)度 | 滲前滲前后硬度 |
5 | 檢測(cè)儀器 | CMT5105型萬能試驗(yàn)機(jī) | CMT5105型萬能試驗(yàn)機(jī) | HR150A洛氏硬度計(jì) |
70C、65Mn鋼絲滲鋅前后強(qiáng)度變化見表2。
表2 70C、65Mn鋼絲(φ3mm)滲鋅前后強(qiáng)度值
鋼絲牌號(hào) | 滲鋅 | 未滲鋅 | ||||
編號(hào) | 試驗(yàn)力/kN | 抗拉強(qiáng)度/MPa | 編號(hào) | 試驗(yàn)力/kN | 抗拉強(qiáng)度/MPa | |
65Mn | 1 | 9.80 | 1387 | 1 | 11.66 | 1650 |
2 | 9.75 | 1380 | 2 | 11.73 | 1660 | |
3 | 9.77 | 1383 | 3 | 11.70 | 1656 | |
70C | 1 | 9.77 | 1383 | 1 | 12.41 | 1756 |
2 | 9.79 | 1386 | 2 | 12.18 | 1727 | |
3 | 9.65 | 1366 | 3 | 12.37 | 1750 | |
注:滲鋅溫度選擇為400℃。
60Si2MnA鋼絲滲鋅前后硬度變化見表3。
表3 60Si2MnA鋼絲滲鋅前后硬度對(duì)比(HRC)
編號(hào) | 滲鋅前硬度 | 滲鋅后硬度 |
1 | 48 | 48 |
2 | 47 | 48 |
3 | 48 | 47 |
注:滲鋅溫度選擇為400℃。
(3)試驗(yàn)分析
結(jié)合表2～表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如下:
其一,70C-GB/T4357-2009、65Mn-GB/T4358-1995鋼絲滲鋅后抗拉強(qiáng)度值較熱滲鋅前有所降低。該類鋼絲為鉛浴等溫淬火后冷拔強(qiáng)化而成,其強(qiáng)化機(jī)理為形變強(qiáng)化,且等溫溫度低于熱滲鋅溫度(一般為400℃左右),故滲鋅后強(qiáng)度值不可避免會(huì)有所降低,說明冷拔強(qiáng)化鋼絲中的碳素彈簧鋼絲、重要用途碳素彈簧鋼絲、琴鋼絲制成的彈簧不宜采用熱滲鋅工藝。
其二,60Si2MnA-GB5218-1985鋼絲熱滲鋅前已經(jīng)淬火強(qiáng)化,熱滲鋅后硬度未降低。60Si2MnA鋼絲為冷拔鋼絲中的典型代表,冷拔鋼絲制彈簧強(qiáng)化機(jī)理是在卷簧后進(jìn)行淬火強(qiáng)化,其回火溫度一般在400℃以上,熱滲鋅過程中控制熱滲鋅溫度不高于回火溫度,可不降低鋼絲原有強(qiáng)度。
其三,冷拔鋼絲中的油淬火回火鋼絲為淬火強(qiáng)化狀態(tài)供貨,該鋼絲制彈簧是否適于采用熱滲鋅工藝應(yīng)根據(jù)鋼絲制造過程中的回火溫度確定。
2.彈簧零件適用性
(1)試驗(yàn)件
根據(jù)彈簧鋼絲的適用性結(jié)果,彈簧零件適用性研究試驗(yàn)件材料選擇為需經(jīng)淬火強(qiáng)化的60Si2MnA-GB/T5218-1985鋼絲,尺寸規(guī)格則選擇為不同鋼絲直徑、不同尺寸,共3類彈簧,如表4所示。
表4 彈簧試驗(yàn)件參數(shù)
序號(hào) | 名稱 | 鋼絲直徑/mm | 彈簧中徑/mm | 有效圈數(shù) | 彈簧高度/mm |
1 | 彈簧Ⅱ | 1 | 12±0.1 | 6 | 38±0.5 |
2 | 鎖緊彈簧 | 3 | 18±0.2 | 6 | 38.5±0.5 |
3 | 壓縮彈簧 | 6 | 35±1 | 8.5 | 105±1.5 |
(2)外觀
彈簧滲鋅后表面顏色呈灰色至銀灰色(見圖3～圖5),與滲鋅層呈灰色或銀灰色要求一致。
為保證鋅粉與工件的充分接觸,滲鋅一般采取粉末滾動(dòng)滲鋅法,即將工件和滲鋅劑按一定比例裝入一個(gè)能轉(zhuǎn)動(dòng)的箱子(俗稱轉(zhuǎn)鼓)中,通過加熱轉(zhuǎn)鼓,實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)”下的擴(kuò)散式滲鋅?？梢?滲鋅時(shí)彈簧處于不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)下,因此,研究滲鋅過程是否會(huì)導(dǎo)致彈簧變形是必要的。對(duì)以上試驗(yàn)件分別進(jìn)行了鍍鋅、帶芯桿滲鋅(見圖2)、不帶芯桿滲鋅及不做處理等方式的表面處理,其外觀對(duì)比如圖3～圖5所示。
圖2 滲鋅前帶芯桿
圖3 彈簧Ⅱ(注:左1～3未進(jìn)行表面處理;左4～6為鍍鋅處理件;左7～10為不帶芯桿滲鋅件,產(chǎn)生了較大變形;左10～13為帶芯桿滲鋅件)
圖4 壓縮彈簧(注:左1～2未進(jìn)行表面處理;左3～5為鍍鋅處理件;左6～9為不帶芯桿滲鋅件;左10～12為帶芯桿滲鋅件)
圖5 鎖緊彈簧(注:左1～3為氧化處理件;左4～6為鍍鋅處理件;左7～9為不帶芯桿滲鋅件;左10～13為帶芯桿滲鋅件)
經(jīng)尺寸、垂直度檢測(cè),鋼絲直徑為1mm的彈簧Ⅱ在未采取防變形措施的情況下滲鋅產(chǎn)生了較大變形,而帶芯桿滲鋅則無明顯變形;鋼絲直徑3mm的鎖緊彈簧和鋼絲直徑6mm的壓縮彈簧不帶芯桿滲鋅與帶芯桿滲鋅相比,均無明顯變形。
彈簧為彈性零件,雖然在滲鋅過程中彈簧處于不斷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,不可避免地會(huì)產(chǎn)生一定的變形,但只要變形量不超過彈簧的彈性變形范圍(如以上鎖緊彈簧和壓縮彈簧),或采取措施控制變形量不超過彈簧的彈性變形范圍(如以上帶芯桿滲鋅的彈簧Ⅱ),當(dāng)導(dǎo)致變形的外力消失時(shí),彈簧即可很快恢復(fù)至正常形態(tài),故而可實(shí)現(xiàn)彈簧的無變形滲鋅處理。
(3)負(fù)荷
對(duì)以上滲鋅后未變形的彈簧進(jìn)行負(fù)荷檢測(cè),其中,彈簧Ⅱ、鎖緊彈簧負(fù)荷檢測(cè)設(shè)備為TL-01B型彈簧壓力試驗(yàn)機(jī) ,壓縮彈簧因負(fù)荷較大,負(fù)荷檢測(cè)設(shè)備為CMT5105型萬能試驗(yàn)機(jī),負(fù)荷檢測(cè)結(jié)果見表5、表6。
表5 彈簧Ⅱ、鎖緊彈簧滲鋅后負(fù)荷檢測(cè)結(jié)果
零件名稱 | 圖樣要求負(fù)荷/N | 編號(hào) | 實(shí)測(cè)負(fù)荷/N |
彈簧Ⅱ | P1=8±2 | 1 | 6 |
2 | 7 | ||
3 | 6 | ||
4 | 7 | ||
Pn=17±3 | 1 | 15 | |
2 | 15 | ||
3 | 15 | ||
4 | 16 | ||
鎖緊彈簧 | P1=182.7±10 | 1 | 182 |
2 | 184 | ||
3 | 192 | ||
4 | 183 | ||
P2=262.6±10 | 1 | 269 | |
2 | 270 | ||
3 | 284 | ||
4 | 273 | ||
P2=319.7±15 | 1 | 325 | |
2 | 330 | ||
3 | 334 | ||
4 | 328 |
表6 壓縮彈簧滲鋅后負(fù)荷檢測(cè)結(jié)果
零件名稱 | 計(jì)算負(fù)荷/N | 編號(hào) | 實(shí)測(cè)負(fù)荷/N |
壓縮彈簧 | P70=1229±100 | 1 | 1258 |
2 | 1180 | ||
3 | 1184 | ||
4 | 1160 | ||
5 | 1146 | ||
6 | 1140 | ||
P65=1404±100 | 1 | 1496 | |
2 | 1385 | ||
3 | 1423 | ||
4 | 1371 | ||
5 | 1521(已貼合) | ||
6 | 1367 |
可見,滲鋅后3種彈簧負(fù)荷均符合圖樣要求。由于滲鋅工藝的一般規(guī)律,彈簧滲鋅后,鋼絲直徑會(huì)相應(yīng)增大,增大量相當(dāng)于2倍滲層厚度,導(dǎo)致彈簧負(fù)荷的升高。但由于滲層厚度很淺,一般為30μm,負(fù)荷的升高是輕微的,不會(huì)產(chǎn)生彈簧負(fù)荷的明顯變化。
(4)疲勞強(qiáng)度
彈簧在實(shí)際工作中受純靜應(yīng)力的情況很少,當(dāng)應(yīng)力變化緩慢、或變化幅度較小,次數(shù)較少時(shí),則可以看作是靜應(yīng)力,應(yīng)力變化次數(shù)多、變化幅度大的彈簧則應(yīng)考慮疲勞強(qiáng)度。選用以上滲鋅處理和氧化處理的彈簧進(jìn)行疲勞試驗(yàn),試驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)如表7所示。
表7 鎖緊彈簧疲勞試驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)
設(shè)備 | 載荷/N | 振幅/mm | 頻率/Hz | 循環(huán)次數(shù)/次 |
DV8-S6彈簧疲勞試驗(yàn)機(jī) | 182.7～319.7 | 8～14 | 15 | 1.5×107 |
其中,1.5×107次達(dá)到了GB/T16947-2009《螺旋彈簧疲勞試驗(yàn)規(guī)范》附錄A循環(huán)次數(shù)參照表中最高等級(jí)的氣門彈簧循環(huán)作用次數(shù)。試驗(yàn)后,滲鋅彈簧與氧化彈簧均未出現(xiàn)疲勞裂紋和折斷,高度和負(fù)荷的降低情況則如表8所示,不僅降低值很輕微,且降低幅度無明顯差別,說明滲鋅工藝不會(huì)導(dǎo)致彈簧疲勞強(qiáng)度的明顯降低。
表8 疲勞試驗(yàn)后彈簧高度及負(fù)荷下降值
試驗(yàn)件 | 高度下降值/mm | F1下降值/N | Fn下降值/N |
滲鋅彈簧 | 38.5-38.4=0.1 | 202-197=5 | 371-369=2 |
氧化彈簧 | 38.7-38.5=0.2 | 179-176=3 | 319-318=1 |
3.結(jié)語
(1)冷拔鉛浴淬火強(qiáng)化鋼絲制彈簧滲鋅后存在降低鋼絲強(qiáng)度隱患,不適于采用熱滲鋅工藝。
(2)只要選擇正確的工藝路線,除鋼絲直徑增大外,滲鋅不會(huì)導(dǎo)致冷拔鋼絲制彈簧性能的降低。
作者:孔令飛、李玲,山西長(zhǎng)治清華機(jī)械廠
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