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高应力阀门弹簧钢丝的开发
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com
更新时间：2015-01-17
高应力阀门弹簧钢丝的开发
阀门弹簧用钢丝的开发：
(1) 高端阀门弹簧钢丝
用于应力水平≥1000MPa以上的超高应力阀门弹簧制造，基本要求如下：
1）高纯净度：除对P、S之外，对存在于钢中的气体元素，如O、H也严格限制。
2）添加能促进氮化的有益元素：为使材料能在较高的温度下（460℃~480℃）长期停留，基体硬度能保持在HV580以上，Si是不可缺少的元素。Cr作为弹簧钢中常用添加元素，同时也是促进氮化元素之一；Mo既是弹簧钢中的有益元素，也是促进氮化物生成的元素；V除能有效细化晶粒之外，还能促进氮化，因此Cr、Mo、V均可列入添加元素之列。Al虽是强氮化物元素，但又是形成B类（氧化铝）夹杂物的主要因素，不能作为添加元素。
3）C和Ni含量：C是保证阀门弹簧材料强度（硬度）的关键元素。钢中含碳量达到0.6%之后，再增加碳的含量对强度（硬度）提高作用已不明显，因此平均碳含量控制在0.6%。添加Ni有利于提高材料韧性。
(2) 中高端阀门弹簧钢丝
中高端阀门弹簧钢丝适用于制造应力为1000MPa以下的阀门弹簧，其中Si-Cr仍是主要的添加元素。考虑成本因素，设计两种钢种，分别用于制造应力τmax≥900MPa~1000MPa与τmax≤900MPa阀门弹簧。对材料成份与合金元素添加量说明如下：
C：使用应力τmax≥900 MPa~1000MPa的阀门弹簧钢丝含碳量取高值，0.56%~0.64%；使用应力τmax≤900MPa的阀门弹簧钢丝含碳量取中等水平，0.51%~0.59%。
Si：能够有效提高材料的屈强比的元素，权衡Si的有利（强化基体）与有害（石墨化）因素，含量取1.20%~1.60%。
Mn：弱碳化物元素，细化晶粒作用不大，添加的主要作用为减轻硫的热脆危害性，添加到0.50%~0.80%即可。
Cr：中等碳化物元素，形成碳化物能提高基体强度，并抑制Si石墨化倾向。从成本考虑，V2的Cr 0.9%~1.2%；V3的Cr取0.60%~0.90%。
V：对细化晶粒作用非常明显，阀门弹簧钢丝的必加元素。V2添加量0.10%~0.20%，考虑成本因素，V3钢种将V降到0.05%~0.15%。
B：硼有净化晶界的作用，添加微量硼起到抑制偏聚晶界杂质元素的有害作用。
4 高应力阀门弹簧钢丝研发相关问题
(1) 坯料冶炼
阀门弹簧疲劳裂纹往往起源于材料表面或近表面夹杂物处，因此对阀门弹簧钢坯的纯净度有很高的要求，必须达到超纯净级。除对杂质元素S、P严格限制之外，有害气体元素O、H、应严格限制，Al和Ti会形成不可变形夹杂物，也要限制。对有害元素限制要求：S≤0.020%；P≤0.020%，争取控制到0.010%以下；O含量控制30ppm以下；H不允许出现；Al含量在0.05%以下；Ti含量在0.03%以下；Cu控制到0.06%以下；其它有害杂质元素，如As、Sb、Sn等相应控制。炉外精炼方面，V1钢考虑电渣重熔；V2和V3钢丝采取真空脱气工艺，两种工艺方案的可行性仍需论证。
(2) 热轧盘条
钢锭使用大方坯，轧前钢坯经过剥皮和探伤处理；盘条质量要求无折叠，表面脱碳≤0.07；表面缺陷≤0.10。
(3) 钢丝加工
1）表面剥皮：盘条剥皮去除量单边不少于0.15mm；
2）钢丝表面无全脱碳，部分脱碳深度不大于0.5%d，钢丝经过两次 (贯通式与旋转式)涡流探伤，材料表面缺陷深度不超过40μm；
3）钢丝机械性能：与钢丝直径粗细有关，钢丝越细，材料的强度越高。
(4) 弹簧氮化工艺
1）弹簧氮化装备的开发；
2）氮化工艺：低温（440℃~480℃）氮化原子扩散速率，升温方式（一段还是分段）、炉内温度差、渗氮时间、气氛组成及活性氮原子发生率（如NH3分解率）装炉方式、炉内气氛均匀性对渗层厚度影响等；
3）氮化层硬度要求不低于HV800，厚度不小于1μm；芯部硬度不低于HV580；
4）渗氮前后喷丸工艺、次数、丸粒大小和硬度。
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