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彈簧廣泛應用于機械、儀表、電器、交通運輸工具以及日常生活器具等,是一個影響面比較大的基礎性零件,其中又以圓柱螺旋彈簧應用最為廣泛。目前,對冷成型圓柱螺旋彈簧的表面防腐蝕處理仍以傳統的氧化、鍍鋅工藝為主,不但防腐能力有限,難以適應惡劣環境如海洋環境下的防腐蝕要求,而且由于彈簧件為高強度鋼絲制成,還存在嚴重的氫脆隱患。相對而言,滲鋅技術具有耐蝕性能優異、無氫脆的特點,因此,將滲鋅工藝應用于圓柱螺旋彈簧防腐蝕處理的可行性有著重要的現實意義。

滲鋅是一種固態多元熱擴散涂層加工技術,它是利用加熱狀態下將鋅(Zn)及合金元素擴散進入鋼鐵構件表面制備Zn-Fe合金保護層的一種化學熱處理工藝。滲鋅涂層與基體金屬的結合強度很高,具有優異抗高溫氧化性、耐腐蝕性和抗磨損與抗沖擊等性能。本文通過對冷成型圓柱螺旋彈簧滲鋅后尺寸、負荷、變形量、疲勞強度、鋼絲強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,為發揮滲鋅工藝對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)鋼絲滲鋅前后強度變化

試驗選用鋼絲及試驗項目見表1。

表1  彈簧鋼絲熱滲鋅后強度變化試驗條件

70C、65Mn鋼絲滲鋅前后強度變化見表2。

表2  70C、65Mn鋼絲(φ3mm)滲鋅前后強度值

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比(HRC)

注:滲鋅溫度選擇為400℃。

(3)試驗分析

結合表2～表3試驗數據分析如下:

其一,70C-GB/T4357-2009、65Mn-GB/T4358-1995鋼絲滲鋅后抗拉強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化而成,其強化機理為形變強化,且等溫溫度低于熱滲鋅溫度(一般為400℃左右),故滲鋅后強度值不可避免會有所降低,說明冷拔強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鋼絲熱滲鋅前已經淬火強化,熱滲鋅后硬度未降低。60Si2MnA鋼絲為冷拔鋼絲中的典型代表,冷拔鋼絲制彈簧強化機理是在卷簧后進行淬火強化,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度。

其三,冷拔鋼絲中的油淬火回火鋼絲為淬火強化狀態供貨,該鋼絲制彈簧是否適于采用熱滲鋅工藝應根據鋼絲制造過程中的回火溫度確定。

2.彈簧零件適用性

(1)試驗件

根據彈簧鋼絲的適用性結果,彈簧零件適用性研究試驗件材料選擇為需經淬火強化的60Si2MnA-GB/T5218-1985鋼絲,尺寸規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 彈簧試驗件參數

(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滲鋅法,即將工件和滲鋅劑按一定比例裝入一個能轉動的箱子(俗稱轉鼓)中,通過加熱轉鼓,實現“動態”下的擴散式滲鋅。可見,滲鋅時彈簧處于不斷轉動的狀態下,因此,研究滲鋅過程是否會導致彈簧變形是必要的。對以上試驗件分別進行了鍍鋅、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)

經尺寸、垂直度檢測,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動狀態下,不可避免地會產生一定的變形,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),當導致變形的外力消失時,彈簧即可很快恢復至正常形態,故而可實現彈簧的無變形滲鋅處理。

(3)負荷

對以上滲鋅后未變形的彈簧進行負荷檢測,其中,彈簧Ⅱ、鎖緊彈簧負荷檢測設備為TL-01B型彈簧壓力試驗機 ,壓縮彈簧因負荷較大,負荷檢測設備為CMT5105型萬能試驗機,負荷檢測結果見表5、表6。

表5 彈簧Ⅱ、鎖緊彈簧滲鋅后負荷檢測結果

表6 壓縮彈簧滲鋅后負荷檢測結果

可見,滲鋅后3種彈簧負荷均符合圖樣要求。由于滲鋅工藝的一般規律,彈簧滲鋅后,鋼絲直徑會相應增大,增大量相當于2倍滲層厚度,導致彈簧負荷的升高。但由于滲層厚度很淺,一般為30μm,負荷的升高是輕微的,不會產生彈簧負荷的明顯變化。

(4)疲勞強度

彈簧在實際工作中受純靜應力的情況很少,當應力變化緩慢、或變化幅度較小,次數較少時,則可以看作是靜應力,應力變化次數多、變化幅度大的彈簧則應考慮疲勞強度。選用以上滲鋅處理和氧化處理的彈簧進行疲勞試驗,試驗設備及參數如表7所示。

表7  鎖緊彈簧疲勞試驗設備及參數

其中,1.5×10⁷次達到了GB/T16947-2009《螺旋彈簧疲勞試驗規范》附錄A循環次數參照表中最高等級的氣門彈簧循環作用次數。試驗后,滲鋅彈簧與氧化彈簧均未出現疲勞裂紋和折斷,高度和負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,說明滲鋅工藝不會導致彈簧疲勞強度的明顯降低。

表8 疲勞試驗后彈簧高度及負荷下降值

3.結語

(1)冷拔鉛浴淬火強化鋼絲制彈簧滲鋅后存在降低鋼絲強度隱患,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,滲鋅不會導致冷拔鋼絲制彈簧性能的降低。

作者:孔令飛、李玲,山西長治清華機械廠

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