冷成形圓柱螺旋彈簧應(yīng)用滲鋅工藝可行性研究

■ 孔令飛，高楊，李玲

目前，對冷成形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，且由于彈簧件為高強(qiáng)度鋼絲制成，存在嚴(yán)重的氫脆隱患。相對而言，滲鋅技術(shù)具有優(yōu)異的耐蝕性，且無氫脆的特點，因此，研究將滲鋅工藝應(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)實意義。

滲鋅是一種固態(tài)多元熱擴(kuò)散涂層加工技術(shù)，利用加熱狀態(tài)下將鋅（Zn）及合金元素擴(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)異地抗高溫氧化性、耐蝕性和抗磨損與抗沖擊等性能。

1. 彈簧鋼絲適用性

（1）鋼絲分類 冷成形圓柱螺旋彈簧一般由冷成形彈簧鋼絲冷卷制成。圖1分類的彈簧鋼絲中，除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 試驗選用鋼絲及試驗項目見表1。70C、65Mn鋼絲滲鋅前后強(qiáng)度變化見表2。60Si2MnA鋼絲滲鋅前后硬度變化見表3。

（3）試驗分析 結(jié)合表2、表3試驗數(shù)據(jù)分析如下：

其一，70C、65Mn鋼絲滲鋅后抗拉強(qiáng)度值較滲鋅前有所降低。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，且等溫溫度低于滲鋅溫度，故滲鋅后強(qiáng)度值不可避免地會有所降低，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滲鋅工藝。

圖1 冷成形彈簧鋼絲分類

表1 彈簧鋼絲滲鋅試驗條件

表2 70C、65Mn鋼絲（φ3mm）滲鋅前后強(qiáng)度值

其二，60Si2MnA鋼絲滲鋅前已經(jīng)淬火強(qiáng)化，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，滲鋅過程中控制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滲鋅工藝，則應(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件材料選擇為需經(jīng)淬火強(qiáng)化的60Si2MnA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。

（2）外觀 彈簧滲鋅后表面顏色呈灰色或銀灰色，與滲鋅層技術(shù)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(zhuǎn)動的箱子（俗稱轉(zhuǎn)鼓）中，通過加熱轉(zhuǎn)鼓，實現(xiàn)“動態(tài)”下的擴(kuò)散式滲鋅。可見，滲鋅時彈簧處于不斷轉(zhuǎn)動的狀態(tài)，因此研究滲鋅過程是否會導(dǎo)致彈簧變形是必要的。對以上試驗件分別進(jìn)行鍍鋅、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。

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。

雖然在滲鋅過程中彈簧處于不斷的運(yùn)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，或采取措施控制變形量不超過彈簧的彈性變形范圍，當(dāng)導(dǎo)致變形的外力消失時，彈簧即可很快恢復(fù)至正常形態(tài)，故而可實現(xiàn)彈簧的無變形滲鋅處理。

表3 60Si2MnA鋼絲滲鋅前后硬度對比 （HRC）

表4 彈簧試驗件參數(shù)

（3）負(fù)荷 對以上滲鋅后未變形的彈簧進(jìn)行負(fù)荷檢測，其中彈簧Ⅱ、鎖緊彈簧負(fù)荷檢測設(shè)備為TL-01B型彈簧壓力試驗機(jī)，而壓縮彈簧因負(fù)荷較大，負(fù)荷檢測設(shè)備為CMT5105型萬能試驗機(jī)，負(fù)荷檢測結(jié)果見表5、表6。

由此可見，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)荷升高。但由于滲層厚度很淺，一般為30μm，負(fù)荷升高是輕微的，不會產(chǎn)生彈簧負(fù)荷的明顯變化。

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11～14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）

（4）疲勞強(qiáng)度 彈簧在實際工作中受純靜應(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，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，試驗設(shè)備及參數(shù)如表7所示。

其中，1.5×107次達(dá)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(fù)荷的降低情況如表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(dǎo)致彈簧疲勞強(qiáng)度的明顯降低。

表5 彈簧Ⅱ、鎖緊彈簧滲鋅后負(fù)荷檢測結(jié)果

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，不適于采用滲鋅工藝。

（2）只要選擇正確工藝路線，除鋼絲直徑增大外，滲鋅不會導(dǎo)致冷拔鋼絲彈簧性能降低。

表6 壓縮彈簧滲鋅后負(fù)荷檢測結(jié)果

表7 鎖緊彈簧疲勞試驗設(shè)備及參數(shù)

表8 疲勞試驗后彈簧高度及負(fù)荷下降值