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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(tǒng)的氧化、鍍鋅工藝為主,不但防腐能力有限,難以適應惡劣環(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(yōu)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(xiàn)實意義。

滲鋅是一種固態(tài)多元熱擴散涂層加工技術,它是利用加熱狀態(tài)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(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(fā)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(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(jīng)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(tài)供貨,該鋼絲制彈簧是否適于采用熱滲鋅工藝應根據(jù)鋼絲制造過程中的回火溫度確定。

2.彈簧零件適用性

(1)試驗件

根據(jù)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(jīng)淬火強化的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 彈簧試驗件參數(shù)

(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(xiàn)“動態(tài)”下的擴散式滲鋅。可見,滲鋅時彈簧處于不斷轉動的狀態(tài)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(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,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動狀態(tài)下,不可避免地會產(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),當導致變形的外力消失時,彈簧即可很快恢復至正常形態(tài),故而可實現(xiàn)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(guī)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(chǎn)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(shù)較少時,則可以看作是靜應力,應力變化次數(shù)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(shù)如表7所示。

表7  鎖緊彈簧疲勞試驗設備及參數(shù)

其中,1.5×10⁷次達到了GB/T16947-2009《螺旋彈簧疲勞試驗規(guī)范》附錄A循環(huán)次數(shù)參照表中最高等級的氣門彈簧循環(huán)作用次數(shù)。試驗后,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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