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

段建華 （教授級高級工程師,，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 家 標(biāo) 準(zhǔn)［1］ ，是 修 訂 采 用 國 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,，但在彈簧市場中仍未廣泛采用,，市場中大量使用的是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，一些采購規(guī)范來自國外等,。2020 年 3 月全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會發(fā)布的第一批國家標(biāo)準(zhǔn)計劃表中,，第5 項任務(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)組織修訂此國家標(biāo)準(zhǔn)的過程 中,，研究了標(biāo)準(zhǔn)中的幾個容易被爭議的概念,，以 及提高GB/T 4357 標(biāo)準(zhǔn)易用性的一些技術(shù)問題， 希望新版標(biāo)準(zhǔn)給彈簧設(shè)計者,、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)確地選擇鋼絲等級和完成鋼號切換。

2關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)中的幾個重要概念

在標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用及修訂研究中，需要澄清“索氏 體化”,、“動載”和“靜載”這幾個術(shù)語,，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)分動載和靜載用鋼絲？ 理清這些問題對于制定和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)來說是非常 重要的,。

索氏體化概念來自制定GB/T 4357-2009 所依據(jù)的國際標(biāo)準(zhǔn),，“ISO 8458-2：2002 Steel wire for mechanical springs - Part  2：Patented cold- drawn non-alloy steel wire 機械彈簧用鋼絲-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》標(biāo)準(zhǔn)中［4］,，3. 154條將術(shù)語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”，這說明索氏體化技術(shù)并非只有鉛浴淬火,。在中國的熱處理術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)《GB/ T 7232-2012 金屬熱處理工藝 術(shù)語》中［5］,，第5. 50 條術(shù)語為“索氏體化處理 patenting”，其中淬火過程描述為：“……在 Ac1 以下（~500℃）的熱浴中等溫或在強制流動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℃的熱浴溫度對應(yīng) 無循環(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)實現(xiàn)索氏體化，但上述術(shù)語定義中的淬火介質(zhì)為“熱浴”或“強制流動的氣流”,，國標(biāo)定義已說明鉛浴是熱浴技術(shù)之一,，而盤條熱 軋過程中的控制風(fēng)冷技術(shù)則屬于用“強制流動的 氣流”實現(xiàn)索氏體化。高碳鋼盤條熱軋后普遍采用的受控強風(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,。

國際標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語定義沒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韌性的關(guān)鍵基礎(chǔ),，在拉拔過程中片間距會不斷減小，滲碳體片之間的鐵素體（近似于純鐵）中位錯密度增加,，這兩種變化對鋼絲都起到強化作用,，到較高變形量以上時滲碳體中的碳會部分?jǐn)U散到鐵素體中，再多一個固溶強化,。

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

在彈簧鋼絲的國際標(biāo)準(zhǔn),、歐美及中國標(biāo)準(zhǔn)中,，都未對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程中的控冷。”,，而高品質(zhì)彈簧對應(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］。這個差異說明日本標(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)過離線的熱處理過程,，但對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)有一個重要原則是不能阻礙創(chuàng)新技術(shù),，事實上有企業(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“動載,、靜載”這兩個術(shù)語,。GB/T  4357-2009給出的靜載荷、動載荷術(shù)語定義以 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問題：

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

2） 彈簧廠需要獲得選擇正確鋼絲級別的指導(dǎo),；

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

下面分別討論這幾個問題。

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

目前市場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)實中的常見需求。另外,，GB 4357-1989這個已作廢標(biāo)準(zhǔn)是參照不適合動載彈簧用鋼絲JIS G3521 標(biāo)準(zhǔn)制定的,，很多彈簧行業(yè)的人并不清楚這點。大量C 組,、D 組鋼絲用于動載彈簧,， 拉低了中國彈簧工業(yè)的水準(zhǔn)，而且存在疲勞失效 后無法追責(zé)鋼絲企業(yè)的風(fēng)險,。

為降低上述風(fēng)險,，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”。因為表2 中等同級別鋼絲強度區(qū)間大部分是重疊的,，因此適用彈簧設(shè)計應(yīng)力水平非常接近,，差異顯著的材料切換時應(yīng)評估彈簧特性是否滿足應(yīng)用需求，或者要求新等級采用原等級的抗拉強度區(qū)間,。

針對動載彈簧制定的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)對盤條僅提了化學(xué)成分要求,，降低了鋼絲酸浸試驗要求,，沒有缺陷深度要求，這些都是該標(biāo)準(zhǔn)的重大技術(shù)缺陷,。推薦用DM,、DH 級替代YB/T 5311-2010 的E、F 組鋼絲,。

3. 2 新國標(biāo)中的不同等級與應(yīng)用的關(guān)系

為了指導(dǎo)彈簧企業(yè)選擇正確的等級,，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)避免選錯鋼絲,。“頻繁或突發(fā)動載荷”應(yīng)用要求材料的表面缺陷和脫 碳較淺或無,，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,，同時要表面質(zhì)量 好,，因此以上兩類都需要采用 D 級鋼絲，其中要求塑性好的材料應(yīng)采用強度適中的DM 級,。

表2 彈簧鋼絲等級對照

高時要采用含碳在0. 80% 左右或更高含量的牌號,，后者被稱為過共析鋼。如果鑄造或熱軋工藝控制不當(dāng),，過共析鋼會出現(xiàn)有害的網(wǎng)狀滲碳體組織,。對于中國特色的高錳彈簧鋼 65Mn，當(dāng)錳形成足夠的偏析程度時,，會出現(xiàn)有害組織如馬氏體塊,。硅通常不希望太高，目前常見標(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 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 不同彈簧鋼絲等級的推薦用途

牌號切換實例：

1）70 鋼可以切換為SWRH72A 或C70D，換成SWRH72B 如果強度略高了可以通過降低冷拔減面率實現(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） 雖然沒有含錳范圍與 65Mn 相似的其它牌號，但通過牌號切換可以獲得同樣品質(zhì)的鋼 絲,，疲勞性能要求不高的時候用 70 鋼,、C70D,、SWRH72A 等牌號替換 ，要 求高的用 C70D2,、SWRS72A 等牌號替換,。反過來，疲勞性能要求高時應(yīng)選擇較好鋼廠的65Mn 并經(jīng)過客戶驗證,， 疲勞要求不高的時候多數(shù)鋼廠的材料都能適應(yīng),。

需要強調(diào)的時，切換用于中高動載荷和線成型的牌號時,，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,，至少實測值要符合要求。彈簧企業(yè)或設(shè)計單位不能做出選擇時,，可以咨詢專業(yè)的彈簧鋼絲企業(yè),。

1 結(jié)語

經(jīng)過文獻(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“動載荷”和“靜載荷”術(shù)語定義,，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)給出各等級的推薦用途,，以及多個不同標(biāo)準(zhǔn)等級之間的切換建議,。在分析后給出了一些對鋼號切換建議，強調(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 級鋼絲時應(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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［5］GB/T 7232-2012，金屬熱處理工藝 術(shù)語［S］

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［11］EN 10270-1：2011,，機械彈簧用鋼絲 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》）