弹簧去应力回火后直径变化的原因

冷拔碳素弹簧钢丝和冷拔奥氏体不锈钢钢丝是冷轧螺旋弹簧制造中广泛使用的两种弹簧材料，轧制后的弹簧必须进行低温去应力回火。去应力回火又称去应力退火，目的是消除弹簧钢丝中的残余应力，稳定弹簧尺寸，提高弹簧钢丝的弹性极限。经过去应力回火工艺后，碳弹簧钢丝制成的弹簧直径要减小；由不锈钢线圈制成的弹簧的直径会增加。⑵这两种完全相反的弹簧回火现象一般存在于冷螺旋弹簧的制造过程中。本文从材料科学的角度简要分析了上述两种弹簧钢丝冷卷弹簧去应力回火后直径变化不同的原因。

2.钢丝制冷拉碳弹簧。冷拔碳素弹簧钢丝是将碳素钢坯加热奥氏体化，然后按一定方式冷却，获得索氏体组织后，冷拔成型的一种弹簧钢丝。加工硬化后，碳弹簧钢丝可获得高的弹性极限和抗拉强度，同时具有良好的卷簧所需的塑性。典型的材料等级为70#、65Mn、82B等。根据弹簧说明书，冷拉碳素弹簧钢丝的推荐回火温度为240 ~ 340′，保温时间为20 ~ 35分钟。在这个温度和时间内回火，既能保证消除弹簧的宏观残余应力，又能避免再结晶引起的弹簧强度下降。

热处理前，冷拔和卷簧后钢丝的金相组织为索氏体和形变铁素体。由于铁素体的塑性变形，晶粒沿变形方向拉长，纤维状结构的碳弹簧钢丝层错能高。在变形过程中，由于位错的增殖和相互作用，容易形成胞状亚结构。去应力回火后，钢丝的金相组织为变形索氏体。在回复作用下，塑性变形晶体中的点缺陷通过运动消失，位错密度逐渐降低。细胞亚结构上的位错通过滑动和攀移形成多边形。其胞壁厚度减小，形成清晰的亚晶界。胞状亚结构转变为亚晶后，其尺寸增大，并通过亚晶界的迁移进一步长大。综上所述，冷拔碳素弹簧钢丝弹簧去应力回火后直径减小的原因是亚晶形成导致的尺寸增大。弹簧钢丝冷拔后产生较大的拉伸变形，冷轧时钢丝外圈的拉伸变形略大于内圈。回火后，外圈的亚晶数量多于内圈。随着亚晶的不断形成和长大，钢丝外环尺寸比内环尺寸增加更多，钢丝弯曲程度增大，弹簧直径明显减小。

3冷拉奥氏体不锈钢丝螺旋弹簧冷拉奥氏体不锈钢丝是由18-8奥氏体不锈钢经深拉制成的不锈钢丝。目前市场上常见的钢丝有SUS304、SUS316等。，而且它们的硬度、强度等机械性能略逊于碳弹簧钢丝，所以卷簧工艺相对困难。优点是耐腐蚀性强，成型的弹簧不需要额外的表面处理，可以在一定的高温下工作。奥氏体钢丝在冷拉和冷轧后也会产生加工硬化。与冷拉碳弹簧钢丝不同，奥氏体不锈钢丝的层错能低，其变形会产生晶体阻碍位错运动，使得位错以复杂网络的形式存在。即使发生大量的塑性变形，也很难形成大量的胞状亚结构。主要强化机制是应变诱发马氏体# $ 6-%马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，是一种不稳定结构。马氏体的存在可以显著提高奥氏体不锈钢丝的强度和硬度，使钢丝具有一定的弱磁性。随着钢丝变形量的增加，奥氏体转变为马氏体越多，抗拉强度越高。

去应力回火后，马氏体中过饱和碳原子溶解，碳化物析出，产生弥散强化，钢丝强度提高。同时马氏体的方形度减小，逐渐分解为稳定的回火马氏体。由于马氏体比容大，回火转变会导致钢丝收缩。另一方面，奥氏体将恢复，晶格畸变和位错密度将降低。由于难以形成亚晶，对钢丝体积影响不大，所以不锈钢丝在回火时体积主要受马氏体回火转变影响。根据钢丝的实际变形程度分析，奥氏体不锈钢丝外环的拉伸变形程度较大，比内环产生更多的马氏体。去应力回火后，马氏体体积减小，钢丝外环体积收缩大于内环，使钢丝整体弯曲程度降低，宏观上表现为不锈钢弹簧直径大幅度增大。可以看出，冷拉奥氏体不锈钢丝卷制成的螺旋弹簧直径增大的主要原因是马氏体回火转变引起的体积减小。

去应力回火改变了弹簧钢丝的显微组织，从而导致弹簧直径的变化。大量亚晶的形成导致碳弹簧钢弹簧直径减小；马氏体回火使奥氏体不锈钢弹簧直径变大。了解不同材料的特性，掌握其变化规律，可以更有效地预设弹簧冷轧时的尺寸，使成品弹簧的直径更符合要求。