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  在持續(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 ,?？煞譃殂U  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(pán)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(pán)條熱軋后普遍采  用的受控強(qiáng)風(fēng)冷技術(shù)也被稱(chēng)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(xiàn)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(pán)條控冷  軋制、鉛淬火,、水浴淬火（較多用于輪胎鋼簾線(xiàn)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(pán)條直接拉  拔的技術(shù)俗稱(chēng)為“生拉鋼絲”,，采用鉛淬火的稱(chēng)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(pán)條軋制線(xiàn)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(xiàn)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(chǎng)的在線(xiàn)熱處理并不能滿(mǎn)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(xiàn)的 熱處理過(guò)程,，但對(duì)離線(xiàn)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  次區(qū)分動(dòng)靜載,，在《GB/T 23935-2009 彈簧設(shè)計(jì)》 5. 1 條款中找到同樣以一萬(wàn)次分界的定義［8］，而  且將動(dòng)符合分為有限疲勞壽命（N≧104~ 106 次） 和無(wú)限疲勞壽命（N≧107 次）,。 但是,，彈簧手冊(cè)中  對(duì)圓柱螺旋彈簧受載做了如下不同的分類(lèi)［9］：

III 類(lèi)載荷   受靜載以及變載荷作用次數(shù)在 1×103 次以下的載荷等；

II 類(lèi)載荷   受變載荷作用次數(shù)在 1×103~ 1× 106 次范圍內(nèi)的載荷,，以及沖擊載荷等,；

I 類(lèi)載荷   受變載荷作用次數(shù)在 1×106 次以 上的載荷。

實(shí)際上不同類(lèi)型及不同應(yīng)力水平的動(dòng)載彈 簧,，設(shè)計(jì)疲勞壽命是有明顯差異的,，設(shè)計(jì)疲勞壽 命從五萬(wàn)到千萬(wàn)次都有，而GB/T 4357 原有動(dòng)載 靜載術(shù)語(yǔ)定義以一萬(wàn)次為界線(xiàn),，這可能引起誤導(dǎo) 或質(zhì)量爭(zhēng)議,，因此建議刪除 。在介紹兩類(lèi)鋼絲的 適用性時(shí),，考慮參照歐盟標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)考慮應(yīng)力水平 和載荷性質(zhì)來(lái)分類(lèi),，將 S 級(jí)鋼絲對(duì)應(yīng)“靜載荷或 不頻繁動(dòng)載”，D 級(jí)鋼絲對(duì)應(yīng)“頻繁或突發(fā)動(dòng)載 荷,，要受到劇烈彎曲或低旋繞比”,。S 級(jí)用料品 質(zhì)要求不高，也不要求一定要進(jìn)行鉛淬火 ,。D 級(jí) 用料對(duì)脫碳深度及表面缺陷深度限制更嚴(yán),，這些 特性對(duì)提高耐疲勞性能有利的 。如果參照日本 琴鋼絲標(biāo)準(zhǔn),，可考慮對(duì)D 級(jí)鋼絲要求拉拔前進(jìn)行 “離線(xiàn)熱處理”,，熱處理工藝可以細(xì)化晶粒以提高 疲勞壽命 。標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)限制熱處理方式,，因?yàn)榭捎?/p>

技術(shù)包括鉛浴淬火和鹽浴淬火等,。

3    如何改善標(biāo)準(zhǔn)的易用性

根據(jù)和彈簧廠(chǎng)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(chǎng)需要知道如何從89 版國(guó)標(biāo)及日本 JIS 標(biāo)準(zhǔn)切換到最新的國(guó)標(biāo),；

2）彈簧廠(chǎng)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(chǎng)及彈簧廠(chǎng)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(mǎn)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(pán)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

表2    彈簧鋼絲等級(jí)對(duì)照

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(lèi)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3    不同彈簧鋼絲等級(jí)的推薦用途

3. 3    鋼號(hào)的選擇和替換

國(guó)內(nèi)碳素鋼彈簧的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)較多采用 70,、 65Mn 等牌號(hào)［12 ］,，外資企業(yè)在中國(guó)市場(chǎng)引入了  SWRH 和 SWRS 等系列牌號(hào)［13~ 14］，而現(xiàn)行國(guó)標(biāo)與  國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和歐盟標(biāo)準(zhǔn)一樣,，有如 C70D,、C80D2、 C92D2 等大量可用牌號(hào)［15~ 17］,，4357 標(biāo)準(zhǔn)也允許采  用質(zhì)量相當(dāng)?shù)钠渌铺?hào) ,。不同牌號(hào)之間如何可  靠地切換顯然是一個(gè)重要問(wèn)題。

對(duì)材料加工及特性不夠深入了解的人,，會(huì)過(guò) 度關(guān)注碳錳硅數(shù)據(jù),，其實(shí)影響品質(zhì)的關(guān)鍵元素是 磷硫銅，這些都是有******限值的有害元素 ,。碳錳 硅元素屬于強(qiáng)化元素,，相似牌號(hào)之間這些元素的 標(biāo)準(zhǔn)值有小的差異，這并不影響彈簧特性 ,。鋼絲 強(qiáng)度特性是組合成分,、熱處理工藝和拉拔工藝來(lái) 實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)代用牌號(hào)的成分差異影響到半成品強(qiáng) 度時(shí),，可以通過(guò)調(diào)整熱處理和/或拉拔工藝來(lái)獲