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冷成型圆柱螺旋弹簧渗锌,是否可行?

弹簧广泛应用于机械、仪表、电器、交通运输工具以及日常生活器具等,是一个影响面比较大的基础性零件,其中又以圆柱螺旋弹簧应用最为广泛。目前,对冷成型圆柱螺旋弹簧的表面防腐蚀处理仍以传统的氧化、镀锌工艺为主,不但防腐能力有限,难以适应恶劣环境如海洋环境下的防腐蚀要求,而且由于弹簧件为高强度钢丝制成,还存在严重的氢脆隐患。相对而言,渗锌技术具有耐蚀性能优异、无氢脆的特点,因此,将渗锌工艺应用于圆柱螺旋弹簧防腐蚀处理的可行性有着重要的现实意义。


渗锌是一种固态多元热扩散涂层加工技术,它是利用加热状态下将锌(Zn)及合金元素扩散进入钢铁构件表面制备Zn-Fe合金保护层的一种化学热处理工艺。渗锌涂层与基体金属的结合强度很高,具有优异抗高温氧化性、耐腐蚀性和抗磨损与抗冲击等性能。本文通过对冷成型圆柱螺旋弹簧渗锌后尺寸、负荷、变形量、疲劳强度、钢丝强度变化等方面的研究,确定了冷成型圆柱螺旋弹簧采用热渗锌工艺的适用性及适用范围,为发挥渗锌工艺对于弹簧件的防腐蚀作用提供参考。


1.弹簧钢丝适用性

(1)钢丝分类

冷成型圆柱螺旋弹簧一般由冷成型弹簧钢丝冷卷制成,其大致分类如图1所示。



图1 冷成型弹簧钢丝分类


上述弹簧钢丝中,除弹簧用不锈钢丝本身具有防腐蚀能力,无需再进行防腐蚀处理外,典型的常用钢丝有:硅锰弹簧钢丝(GB5218-1985)、碳素弹簧钢丝(GB/T4357-2009)、重要用途碳素弹簧钢丝(GB/T4358-1995)。


(2)钢丝渗锌前后强度变化

试验选用钢丝及试验项目见表1。


表1  弹簧钢丝热渗锌后强度变化试验条件

序号

项目

指标/内容

1

试验件

70C-GB/T4357-2009

65Mn-GB/T4358-1995

60Si2MnA-GB5218-1985

2

钢丝规格/mm

φ3×200

φ3×200

φ6×100

3

数量

渗前渗后各3件

渗前渗后各3件

渗前渗后各3件

4

检测项目

渗前渗后抗拉强度

渗前渗后抗拉强度

渗前渗前后硬度

5

检测仪器

CMT5105型万能试验机

CMT5105型万能试验机

HR150A洛氏硬度计


70C、65Mn钢丝渗锌前后强度变化见表2。


表2  70C、65Mn钢丝(φ3mm)渗锌前后强度值

钢丝牌号

渗锌

未渗锌

编号

试验力/kN

抗拉强度/MPa

编号

试验力/kN

抗拉强度/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:渗锌温度选择为400℃。


60Si2MnA钢丝渗锌前后硬度变化见表3。


表3  60Si2MnA钢丝渗锌前后硬度对比(HRC)

编号

渗锌前硬度

渗锌后硬度

1

48

48

2

47

48

3

48

47

注:渗锌温度选择为400℃。


(3)试验分析

结合表2~表3试验数据分析如下:

其一,70C-GB/T4357-2009、65Mn-GB/T4358-1995钢丝渗锌后抗拉强度值较热渗锌前有所降低。该类钢丝为铅浴等温淬火后冷拔强化而成,其强化机理为形变强化,且等温温度低于热渗锌温度(一般为400℃左右),故渗锌后强度值不可避免会有所降低,说明冷拔强化钢丝中的碳素弹簧钢丝、重要用途碳素弹簧钢丝、琴钢丝制成的弹簧不宜采用热渗锌工艺。


其二,60Si2MnA-GB5218-1985钢丝热渗锌前已经淬火强化,热渗锌后硬度未降低。60Si2MnA钢丝为冷拔钢丝中的典型代表,冷拔钢丝制弹簧强化机理是在卷簧后进行淬火强化,其回火温度一般在400℃以上,热渗锌过程中控制热渗锌温度不高于回火温度,可不降低钢丝原有强度。


其三,冷拔钢丝中的油淬火回火钢丝为淬火强化状态供货,该钢丝制弹簧是否适于采用热渗锌工艺应根据钢丝制造过程中的回火温度确定。


2.弹簧零件适用性

(1)试验件

根据弹簧钢丝的适用性结果,弹簧零件适用性研究试验件材料选择为需经淬火强化的60Si2MnA-GB/T5218-1985钢丝,尺寸规格则选择为不同钢丝直径、不同尺寸,共3类弹簧,如表4所示。


表4 弹簧试验件参数

序号

名称

钢丝直径/mm

弹簧中径/mm

有效圈数

弹簧高度/mm

1

弹簧Ⅱ

1

12±0.1

6

38±0.5

2

锁紧弹簧

3

18±0.2

6

38.5±0.5

3

压缩弹簧

6

35±1

8.5

105±1.5

(2)外观

弹簧渗锌后表面颜色呈灰色至银灰色(见图3~图5),与渗锌层呈灰色或银灰色要求一致。


为保证锌粉与工件的充分接触,渗锌一般采取粉末滚动渗锌法,即将工件和渗锌剂按一定比例装入一个能转动的箱子(俗称转鼓)中,通过加热转鼓,实现“动态”下的扩散式渗锌。可见,渗锌时弹簧处于不断转动的状态下,因此,研究渗锌过程是否会导致弹簧变形是必要的。对以上试验件分别进行了镀锌、带芯杆渗锌(见图2)、不带芯杆渗锌及不做处理等方式的表面处理,其外观对比如图3~图5所示。




图2 渗锌前带芯杆  




图3 弹簧Ⅱ(注:左1~3未进行表面处理;左4~6为镀锌处理件;左7~10为不带芯杆渗锌件,产生了较大变形;左10~13为带芯杆渗锌件)




图4  压缩弹簧(注:左1~2未进行表面处理;左3~5为镀锌处理件;左6~9为不带芯杆渗锌件;左10~12为带芯杆渗锌件)  




图5  锁紧弹簧(注:左1~3为氧化处理件;左4~6为镀锌处理件;左7~9为不带芯杆渗锌件;左10~13为带芯杆渗锌件)


经尺寸、垂直度检测,钢丝直径为1mm的弹簧Ⅱ在未采取防变形措施的情况下渗锌产生了较大变形,而带芯杆渗锌则无明显变形;钢丝直径3mm的锁紧弹簧和钢丝直径6mm的压缩弹簧不带芯杆渗锌与带芯杆渗锌相比,均无明显变形。


弹簧为弹性零件,虽然在渗锌过程中弹簧处于不断的运动状态下,不可避免地会产生一定的变形,但只要变形量不超过弹簧的弹性变形范围(如以上锁紧弹簧和压缩弹簧),或采取措施控制变形量不超过弹簧的弹性变形范围(如以上带芯杆渗锌的弹簧Ⅱ),当导致变形的外力消失时,弹簧即可很快恢复至正常形态,故而可实现弹簧的无变形渗锌处理。


(3)负荷

对以上渗锌后未变形的弹簧进行负荷检测,其中,弹簧Ⅱ、锁紧弹簧负荷检测设备为TL-01B型弹簧压力试验机 ,压缩弹簧因负荷较大,负荷检测设备为CMT5105型万能试验机,负荷检测结果见表5、表6。


表5 弹簧Ⅱ、锁紧弹簧渗锌后负荷检测结果

零件名称

图样要求负荷/N

编号

实测负荷/N

弹簧Ⅱ

P1=8±2

1

6

2

7

3

6

4

7

Pn=17±3

1

15

2

15

3

15

4

16

锁紧弹簧

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 压缩弹簧渗锌后负荷检测结果

零件名称

计算负荷/N

编号

实测负荷/N

压缩弹簧

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(已贴合)

6

1367

可见,渗锌后3种弹簧负荷均符合图样要求。由于渗锌工艺的一般规律,弹簧渗锌后,钢丝直径会相应增大,增大量相当于2倍渗层厚度,导致弹簧负荷的升高。但由于渗层厚度很浅,一般为30μm,负荷的升高是轻微的,不会产生弹簧负荷的明显变化。


(4)疲劳强度

弹簧在实际工作中受纯静应力的情况很少,当应力变化缓慢、或变化幅度较小,次数较少时,则可以看作是静应力,应力变化次数多、变化幅度大的弹簧则应考虑疲劳强度。选用以上渗锌处理和氧化处理的弹簧进行疲劳试验,试验设备及参数如表7所示。


表7  锁紧弹簧疲劳试验设备及参数

设备

载荷/N

振幅/mm

频率/Hz

循环次数/次

DV8-S6弹簧疲劳试验机

182.7~319.7

8~14

15

1.5×107


其中,1.5×107次达到了GB/T16947-2009《螺旋弹簧疲劳试验规范》附录A循环次数参照表中最高等级的气门弹簧循环作用次数。试验后,渗锌弹簧与氧化弹簧均未出现疲劳裂纹和折断,高度和负荷的降低情况则如表8所示,不仅降低值很轻微,且降低幅度无明显差别,说明渗锌工艺不会导致弹簧疲劳强度的明显降低。


表8 疲劳试验后弹簧高度及负荷下降值

试验件

高度下降值/mm

F1下降值/N

Fn下降值/N

渗锌弹簧

38.5-38.4=0.1

202-197=5

371-369=2

氧化弹簧

38.7-38.5=0.2

179-176=3

319-318=1

3.结语

(1)冷拔铅浴淬火强化钢丝制弹簧渗锌后存在降低钢丝强度隐患,不适于采用热渗锌工艺。


(2)只要选择正确的工艺路线,除钢丝直径增大外,渗锌不会导致冷拔钢丝制弹簧性能的降低。

作者:孔令飞、李玲,山西长治清华机械厂

           高杨,二炮驻519厂军代室

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