彈簧材料的選擇,應(yīng)根據(jù)彈簧承受載荷的性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力大小、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)、使用壽命、對導(dǎo)電導(dǎo)磁的要求、工藝性能、材料來源和價格等因素確定。
在確定材料截面形狀和尺寸時,應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用國家標準和部頒標準所規(guī)定的系列尺寸,盡量避免選用非標準系列規(guī)格的材料。
中、小型彈簧,特別是螺旋拉伸彈簧,應(yīng)當(dāng)優(yōu)先用經(jīng)過強化處理的鋼絲,鉛浴等溫冷拔鋼絲和油淬火回火鋼絲,具有較高的強度和良好表面質(zhì)量,疲勞性能高于普通淬火回火鋼絲,加工簡單,工藝性好,質(zhì)量穩(wěn)定。
碳素彈簧鋼絲和琴鋼絲冷拔后產(chǎn)生較大的剩余應(yīng)力,加工彈簧后,存在較大的剩余應(yīng)力,回火后尺寸變化較大,難以控制尺寸精度。油淬火回火鋼絲是在鋼絲是在鋼絲拉拔到規(guī)定尺寸后進行調(diào)制強化處理,基本上沒有剩余應(yīng)力存在,成型彈簧后經(jīng)低溫回火,尺寸變化很小,耐熱穩(wěn)定性好于冷拔強化鋼絲。
大中型彈簧,對于載荷精度和應(yīng)力較高的應(yīng)選用冷拔材或冷拔后磨光鋼材。對于載荷精度和應(yīng)力較低的彈簧,可選用熱軋鋼材。
鋼板彈簧一般選用55Si2Mn、60Si2MnA、55SiMnVB、55SiMnMoV、60CrMn、60CrMnB等牌號的扁鋼。
螺旋彈簧的材料截面,應(yīng)優(yōu)先選用圓形截面。正方形和矩形截面材料,承受能力較強,抗沖擊性能好,又可使彈簧小型化,但材料來源少。且價格較高,除特殊需要外,一般盡量不選用這種材料。近年來,研制用圓鋼絲軋扁代替梯形鋼絲,取得了很好的效果。
在高溫下工作的彈簧材料,要求強度有較好的熱穩(wěn)定性、抗松弛或蠕變能力、抗氧化能力、耐一定介質(zhì)腐蝕能力。
彈簧的工作溫度升高,彈簧材料的彈性模量下降,導(dǎo)致剛度下降,承載能力變小。因此,在高溫下工作的彈簧必須了解彈性模量的變化率(值),計算彈簧承載能力下降對使用性能的影響。按照GB1239規(guī)定,普通螺旋彈簧工作溫度超過60℃時,應(yīng)對切變模量進行修正,其公式為:Gt=KtG 式中G——常溫下的彈性模量;Gt——工作溫度t下的切變模量;Kt——溫度修正系數(shù)按表2—98選取。
在低溫下使用的彈簧材料,應(yīng)具有良好的低溫韌性。碳素彈簧鋼絲、琴鋼絲和1Cr18Ni9等奧氏體不銹鋼彈簧鋼絲、銅合金、鎳合金有較好的低溫韌性和強度。
在低溫下,材料的脆性對表面缺陷十分敏感,因此,對材料表面質(zhì)量應(yīng)嚴格要求。
在低溫下,環(huán)境介質(zhì)對材料腐蝕程度比在溫室下小得多,而鍍鎘和鍍鋅易引起冷脆。
在低溫下,材料的彈性模量和膨脹系數(shù)變化不大,在設(shè)計中可以不考慮。
彈簧鋼制作的彈簧,硬度(即強度)的選用應(yīng)依據(jù)彈簧承載性質(zhì)和應(yīng)力大小而定。但是,硬度高低與平面應(yīng)變斷裂韌性關(guān)系極大。
從曲線關(guān)系可以看出,隨著硬度增加,平面應(yīng)變斷裂韌性(KIC)值顯著下降。這就是說在確定彈簧的硬度硬度值時,應(yīng)本著在滿足彈簧特性要求的前提下,彈簧的硬度值偏低一些好。
彈簧選材時,要注意鋼材的淬透性。彈簧材料截面是否淬透以及淬透的程度,對彈簧質(zhì)量關(guān)系極大。
以彈簧本身作導(dǎo)體的電器彈簧或在濕度變化不定的條件下,如水(包括海水)、水蒸氣環(huán)境中工作的彈簧,一般選用銅和金材料。
在酸類接觸極其他腐蝕介質(zhì)下工作的彈簧,一般選用不銹耐酸鋼或鎳合金等耐蝕材料。在一般環(huán)境介質(zhì)條件下使用的彈簧,選用普通彈簧鋼,制成彈簧后在其表面進行防銹涂覆或電鍍(鍍鋅、鍍鎘、鍍銅)的方法防蝕。
在衡器和儀表中使用的彈簧,為了滿足其精度不受溫度變化的影響,一般選用彈性模量和膨脹系數(shù)變化極小的恒彈性合金。
在要求質(zhì)輕、絕緣、防碰、防銹蝕等特殊用途的彈簧,可選用增強塑料。目前,較為適用的塑料彈簧,是用環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂為基體,用玻璃纖維增強的熱固增強塑料GFRP。也可選用防振橡膠制造各種類型的橡膠彈簧。