修訂碳素彈簧鋼絲GB/T 4357-2009 標(biāo)準(zhǔn)的研究

段建華 （教授級(jí)高級(jí)工程師,，新余新鋼金屬制品有限公司副總經(jīng)理）

1 前言

GB/T 4357-2009 為現(xiàn)行的“ 冷拉碳素彈簧鋼 絲 ”國(guó) 家 標(biāo) 準(zhǔn)［1］ ,，是 修 訂 采 用 國(guó) 際 標(biāo) 準(zhǔn)ISO8458-2：2002 制定的［2］,，“ 冷拉碳素彈簧鋼絲”為圓形截面彈簧材料中的常用品種，除需要更耐腐蝕,、更耐熱、超過(guò)13 毫米的更大尺寸及特殊應(yīng)用之外,，“冷拉碳素彈簧鋼絲”是彈簧材料的不二選擇,。

GB/T 4357-2009 標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)布 11 年，但在彈簧市場(chǎng)中仍未廣泛采用,，市場(chǎng)中大量使用的是GB/T 4357-89 標(biāo)準(zhǔn)的鋼絲以及日本標(biāo)準(zhǔn)鋼絲［3］,。上述問(wèn)題的原因有多方面，如較多鋼絲及彈簧企 業(yè)不熟悉GB/T 4357-2009 標(biāo)準(zhǔn),，一些舊的圖紙?jiān)诔掷m(xù)使用,，一些采購(gòu)規(guī)范來(lái)自國(guó)外等。2020 年 3 月全國(guó)鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)發(fā)布的第一批國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃表中,，第5 項(xiàng)任務(wù)即為新余新鋼金屬制品有限公司等單位承擔(dān)的“冷拉碳素彈簧鋼 絲”,。作者在負(fù)責(zé)組織修訂此國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程 中，研究了標(biāo)準(zhǔn)中的幾個(gè)容易被爭(zhēng)議的概念,，以 及提高GB/T 4357 標(biāo)準(zhǔn)易用性的一些技術(shù)問(wèn)題,， 希望新版標(biāo)準(zhǔn)給彈簧設(shè)計(jì)者、鋼絲生產(chǎn)企業(yè)及彈 簧企業(yè)提供更清晰的指導(dǎo)信息,，使技術(shù)人員能更 準(zhǔn)確地選擇鋼絲等級(jí)和完成鋼號(hào)切換,。

2關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)中的幾個(gè)重要概念

在標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用及修訂研究中，需要澄清“索氏 體化”,、“動(dòng)載”和“靜載”這幾個(gè)術(shù)語(yǔ),，索氏體化到 底是什么？就是鉛淬火嗎,？和鋼絲的哪些特性 有關(guān)系,？到底該如何區(qū)分動(dòng)載和靜載用鋼絲？ 理清這些問(wèn)題對(duì)于制定和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)是非常 重要的,。

索氏體化概念來(lái)自制定GB/T 4357-2009 所依據(jù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),，“ISO 8458-2：2002 Steel wire for mechanical springs - Part  2：Patented cold- drawn non-alloy steel wire 機(jī)械彈簧用鋼絲-第 2 部分：索氏體化冷拉非合金鋼絲”，其中索氏體化的名詞英文為patenting,。在《ISO 4885：2018 黑色金屬產(chǎn)品 - 熱處理 - 術(shù)語(yǔ)》標(biāo)準(zhǔn)中［4］,，3. 154條將術(shù)語(yǔ)patenting 定義為：“一種熱處理，在奧氏體后，淬火方式能產(chǎn)生適合拉拔或冷軋的組織,。”,，其中的注釋1 中可以看到淬火介質(zhì)應(yīng)做出規(guī)定，如“空氣,、鹽等”,，這說(shuō)明索氏體化技術(shù)并非只有鉛浴淬火。在中國(guó)的熱處理術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)《GB/ T 7232-2012 金屬熱處理工藝 術(shù)語(yǔ)》中［5］,，第5. 50 條術(shù)語(yǔ)為“索氏體化處理 patenting”,，其中淬火過(guò)程描述為：“……在 Ac1 以下（~500℃）的熱浴中等溫或在強(qiáng)制流動(dòng)的氣流中冷卻以獲得 索氏體或以索氏體為主的組織，這種組織適于冷 拔,，冷拔后可獲得優(yōu)異的強(qiáng)韌性配合,。可分為鉛 浴索氏體化處理,、鹽浴索氏體化處理和流態(tài)床索 氏體化處理等多種,。”。~500℃的熱浴溫度對(duì)應(yīng) 無(wú)循環(huán)系統(tǒng)的技術(shù),，現(xiàn)在的鉛浴技術(shù)采用了鉛泵 循環(huán),，溫度要提高到~550℃。雖然彈簧鋼絲廣泛 采用鉛浴淬火技術(shù)實(shí)現(xiàn)索氏體化,，但上述術(shù)語(yǔ)定義中的淬火介質(zhì)為“熱浴”或“強(qiáng)制流動(dòng)的氣流”,，國(guó)標(biāo)定義已說(shuō)明鉛浴是熱浴技術(shù)之一，而盤條熱 軋過(guò)程中的控制風(fēng)冷技術(shù)則屬于用“強(qiáng)制流動(dòng)的 氣流”實(shí)現(xiàn)索氏體化,。高碳鋼盤條熱軋后普遍采用的受控強(qiáng)風(fēng)冷技術(shù)也被稱為Air patenting,，可翻譯成風(fēng)冷派登脫或者風(fēng)冷索氏體化，索氏體化 率可達(dá)85%  左右,，添加鉻等元素還可提高,，加鉻還可縮小線徑12 毫米以上規(guī)格材料截面芯部與邊沿的組織差異。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)定義沒(méi)有描述索氏體化后的組織特征,，而GB/T 7232-2012 中的13. 29 條將索氏體定義為“在光學(xué)金相顯微鏡下放大600 倍以上才能分辨片層的細(xì)珠光體,。”［5］。索氏體本質(zhì)上就是一種珠光體,，細(xì)的含義是其中滲碳體片間距很小,，通常在 80~150 納米范圍。這種組織是鋼絲能深度拉拔并獲得很高的強(qiáng)韌性的關(guān)鍵基礎(chǔ),，在拉拔過(guò)程中片間距會(huì)不斷減小,，滲碳體片之間的鐵素體（近似于純鐵）中位錯(cuò)密度增加，這兩種變化對(duì)鋼絲都起到強(qiáng)化作用,，到較高變形量以上時(shí)滲碳體中的碳會(huì)部分?jǐn)U散到鐵素體中,，再多一個(gè)固溶強(qiáng)化,。

拉拔鋼絲之前的索氏體化技術(shù)包括盤條控冷軋制、鉛淬火,、水浴淬火（較多用于輪胎鋼簾線等產(chǎn)品的生產(chǎn)）,、流化床粒子爐淬火及鹽浴淬火等， 彈簧鋼絲常用前兩種技術(shù),，其中采用盤條直接拉拔的技術(shù)俗稱為“生拉鋼絲”,，采用鉛淬火的稱為“鉛淬火鋼絲”。如果是琴鋼絲或等同級(jí)別的鋼 絲,，一般默認(rèn)按“鉛淬火鋼絲”交付,。表1 列出了兩種技術(shù)對(duì)彈簧鋼絲部分特性影響的比較。

表1 生拉鋼絲和鉛淬火鋼絲的彈簧應(yīng)用相關(guān)特性比較

在彈簧鋼絲的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、歐美及中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中,，都未對(duì)索氏體化方式做出規(guī)定,，只在日本標(biāo) 準(zhǔn)中找到一些相關(guān)個(gè)條款。在一般應(yīng)用冷拔鋼 絲的日本“JIS G3521-2018 冷拔鋼絲”標(biāo)準(zhǔn)中［6］,，

對(duì)拉拔前的熱處理工藝要求是“熱處理后冷拔加工,，熱處理工藝包括盤條軋制線上冷卻過(guò)程中的控冷。”,，而高品質(zhì)彈簧對(duì)應(yīng)的日本標(biāo)準(zhǔn)“JIS G3522-2014 琴鋼絲”則要求“必須進(jìn)行離線熱處理后再冷拔加工,。”［7］。這個(gè)差異說(shuō)明日本標(biāo)準(zhǔn)制定者認(rèn)為軋鋼廠的在線熱處理并不能滿足琴鋼絲的要求,，高品質(zhì)碳素彈簧鋼絲應(yīng)經(jīng)過(guò)離線的熱處理過(guò)程,，但對(duì)離線熱處理用什么技術(shù)未做出限定。雖然大多數(shù)碳素彈簧鋼絲的熱處理技術(shù)采用鉛淬火,，但制定標(biāo)準(zhǔn)有一個(gè)重要原則是不能阻礙創(chuàng)新技術(shù),，事實(shí)上有企業(yè)用鹽浴淬火技術(shù)獲得了很高質(zhì)量的索氏體組織。

再看“動(dòng)載,、靜載”這兩個(gè)術(shù)語(yǔ),。GB/T  4357-2009給出的靜載荷、動(dòng)載荷術(shù)語(yǔ)定義以 10 000

1 如何改善標(biāo)準(zhǔn)的易用性

根據(jù)和彈簧廠交流的情況,，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的易用性主要存在如下幾個(gè)問(wèn)題：

1） 彈簧廠需要知道如何從89 版國(guó)標(biāo)及日本標(biāo)準(zhǔn)切換到最新的國(guó)標(biāo),；

2） 彈簧廠需要獲得選擇正確鋼絲級(jí)別的指導(dǎo)；

3）4357 標(biāo)準(zhǔn)引用標(biāo)準(zhǔn)的新牌號(hào)并不為大家熟悉,，鋼絲廠及彈簧廠如何選擇鋼號(hào),，如果圖紙中還是70 鋼、T8MnA 或65Mn 怎么辦,？

下面分別討論這幾個(gè)問(wèn)題,。

3. 1 如何從89 版國(guó)標(biāo)及日本JIS 標(biāo)準(zhǔn)切換到最新的國(guó)標(biāo)

目前市場(chǎng)上大部分彈簧圖紙仍在使用GB 4357-1989 標(biāo)準(zhǔn)的鋼絲，部分日資產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)商使用JIS G3521 或JIS G3522 標(biāo)準(zhǔn),，如何做等效切換是現(xiàn)實(shí)中的常見(jiàn)需求,。另外,，GB 4357-1989這個(gè)已作廢標(biāo)準(zhǔn)是參照不適合動(dòng)載彈簧用鋼絲JIS G3521 標(biāo)準(zhǔn)制定的，很多彈簧行業(yè)的人并不清楚這點(diǎn),。大量C 組,、D 組鋼絲用于動(dòng)載彈簧， 拉低了中國(guó)彈簧工業(yè)的水準(zhǔn),，而且存在疲勞失效 后無(wú)法追責(zé)鋼絲企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn),。

為降低上述風(fēng)險(xiǎn)，提供標(biāo)準(zhǔn)切換建議,，為修訂標(biāo)準(zhǔn)起草了表2,。在尺寸相同的情況下，建議按照表2 的建議去替換“可代替的鋼絲等級(jí)”,。因?yàn)楸? 中等同級(jí)別鋼絲強(qiáng)度區(qū)間大部分是重疊的,，因此適用彈簧設(shè)計(jì)應(yīng)力水平非常接近，差異顯著的材料切換時(shí)應(yīng)評(píng)估彈簧特性是否滿足應(yīng)用需求,，或者要求新等級(jí)采用原等級(jí)的抗拉強(qiáng)度區(qū)間,。

針對(duì)動(dòng)載彈簧制定的GB/T 4358-1995 重要用途彈簧鋼絲標(biāo)準(zhǔn)，已轉(zhuǎn)換為表 3 中的 YB/T 5311-2010［10］,，此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)盤條僅提了化學(xué)成分要求,，降低了鋼絲酸浸試驗(yàn)要求，沒(méi)有缺陷深度要求,，這些都是該標(biāo)準(zhǔn)的重大技術(shù)缺陷。推薦用DM,、DH 級(jí)替代YB/T 5311-2010 的E,、F 組鋼絲。

3. 2 新國(guó)標(biāo)中的不同等級(jí)與應(yīng)用的關(guān)系

為了指導(dǎo)彈簧企業(yè)選擇正確的等級(jí),，借鑒最新的歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 10270-1：2011（2017 發(fā)布修訂單）的附件A 相關(guān)內(nèi)容［11］,，打算在新標(biāo)準(zhǔn)附錄增加表3，希望可以讓彈簧企業(yè)避免選錯(cuò)鋼絲,。“頻繁或突發(fā)動(dòng)載荷”應(yīng)用要求材料的表面缺陷和脫 碳較淺或無(wú),，組織均勻良好，而“受到劇烈彎曲” 意味著材料要有良好的塑性,，同時(shí)要表面質(zhì)量 好,，因此以上兩類都需要采用 D 級(jí)鋼絲，其中要求塑性好的材料應(yīng)采用強(qiáng)度適中的DM 級(jí),。

表2 彈簧鋼絲等級(jí)對(duì)照

高時(shí)要采用含碳在0. 80% 左右或更高含量的牌號(hào),，后者被稱為過(guò)共析鋼,。如果鑄造或熱軋工藝控制不當(dāng)，過(guò)共析鋼會(huì)出現(xiàn)有害的網(wǎng)狀滲碳體組織,。對(duì)于中國(guó)特色的高錳彈簧鋼 65Mn,，當(dāng)錳形成足夠的偏析程度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)有害組織如馬氏體塊,。硅通常不希望太高,，目前常見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)允許的最高值為0. 37%。硅可以固溶在鐵中,，如果以二氧化硅顆粒的形式存在就成為缺陷,，但是如果有好的冶金技術(shù)可以用超過(guò) 0. 37% 的硅含量，以改善碳素彈簧鋼絲的耐熱性和耐疲勞特性,。綜上所述,，碳錳硅是否有害取決于是否以有害組織形式出現(xiàn)，而不是具體數(shù)值,，從成分角度切換牌號(hào)的建議規(guī)則是選擇碳錳硅標(biāo)準(zhǔn)成分接近的,，磷硫銅水平一致或更優(yōu)的。 

表3 不同彈簧鋼絲等級(jí)的推薦用途

牌號(hào)切換實(shí)例：

1）70 鋼可以切換為SWRH72A 或C70D,，換成SWRH72B 如果強(qiáng)度略高了可以通過(guò)降低冷拔減面率實(shí)現(xiàn)一樣的結(jié)果,；同樣 70 鋼可以代替SWRH72A 或 C70D，但 不可以代替 C70D2 和SWRS72A,；

2） T8MnA 切換要考慮應(yīng)用的重要性（特別是疲勞性能）,，要 求高的可用 SWRS82A 或 C82D2，高水平鋼廠的SWRH82B 也行,，要求低的可以用80 鋼,、C80D 或SWRH82B；

3） 雖然沒(méi)有含錳范圍與 65Mn 相似的其它牌號(hào),，但通過(guò)牌號(hào)切換可以獲得同樣品質(zhì)的鋼 絲,，疲勞性能要求不高的時(shí)候用 70 鋼、C70D,、SWRH72A 等牌號(hào)替換 ，要 求高的用 C70D2,、SWRS72A 等牌號(hào)替換,。反過(guò)來(lái)，疲勞性能要求高時(shí)應(yīng)選擇較好鋼廠的65Mn 并經(jīng)過(guò)客戶驗(yàn)證,， 疲勞要求不高的時(shí)候多數(shù)鋼廠的材料都能適應(yīng),。

需要強(qiáng)調(diào)的時(shí)，切換用于中高動(dòng)載荷和線成型的牌號(hào)時(shí),，還應(yīng)考慮磷硫銅的標(biāo)準(zhǔn)水準(zhǔn)或?qū)嵨锼疁?zhǔn),，以及對(duì)疲勞有害的脫碳及缺陷的深度，都應(yīng)符合GB/T 4357 新標(biāo)準(zhǔn)要求,，如果標(biāo)準(zhǔn)值不同,，至少實(shí)測(cè)值要符合要求,。彈簧企業(yè)或設(shè)計(jì)單位不能做出選擇時(shí)，可以咨詢專業(yè)的彈簧鋼絲企業(yè),。

1 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)研究,，澄清了“索氏體化”概念，建議標(biāo)準(zhǔn)中增加D 級(jí)鋼絲應(yīng)采用“必須進(jìn)行離線熱處理后再冷拔加工,。”的要求,，建議刪除 GB/T 4357 中的“動(dòng)載荷”和“靜載荷”術(shù)語(yǔ)定義，正文

相關(guān)內(nèi)容借鑒歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 10270-1 最新版的描述方法,。

為改善標(biāo)準(zhǔn)的易用性,，建議在附錄中參考EN 10270-1 最新版標(biāo)準(zhǔn)給出各等級(jí)的推薦用途，以及多個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)之間的切換建議,。在分析后給出了一些對(duì)鋼號(hào)切換建議,，強(qiáng)調(diào)碳錳硅成分標(biāo)準(zhǔn)值不必完全一致，磷硫銅要達(dá)到同等水平,。應(yīng)用于D 級(jí)鋼絲時(shí)應(yīng)滿足表面缺陷及脫碳深度的要求,。這些研究今后還應(yīng)深入，形成標(biāo)準(zhǔn)中的適當(dāng)條款,。

參考文獻(xiàn)

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［2］ISO 8458-2：2001，機(jī)械彈簧用鋼絲 第 2 部分：索氏體化冷拔非合金彈簧鋼絲［S］

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［5］GB/T 7232-2012,，金屬熱處理工藝 術(shù)語(yǔ)［S］

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［11］EN 10270-1：2011,，機(jī)械彈簧用鋼絲 第 1 部分：索氏體化冷拔非合金彈簧鋼絲［S］

［12 ］GB/T 4354-2008，優(yōu)質(zhì)碳素鋼熱軋盤條［S］

［13］JIS G3502-2004,，高碳鋼線材［S］

［14］JIS G3506-2017,，琴鋼絲線材［S］

［15］GB/T 24242.1，制絲用非合金鋼盤條 第 1 部分：一般要求［S］

［16］GB/T 24242.2,，制絲用非合金鋼盤條 第 2 部分：一般用途盤條［S］

［17］GB/T 24242.4,，制絲用非合金鋼盤條 第 4 部分：特殊用途盤條［S］

（原載2021《彈簧學(xué)術(shù)論文集》）