近年來，中國汽車工業發展迅猛，產量從2009年的1360多萬輛增加到2016年2811萬輛，已超過美國成為全球第一汽車生產大國。相關資料顯示，未來幾年，汽車行業每年至少仍有5%左右的增長。汽車用彈簧需求將持續增長，彈簧鋼需求也將同步增長。根據德國彈簧工業協會（VDFI）的統計數字，除供應商之外，其彈簧鋼行業62%的買家來自汽車行業。在日本，汽車、摩托車所用彈簧佔彈簧鋼生產總量的65%左右。汽車工業的強勁發展，必然帶動中國彈簧鋼線材產業的大力發展。

1 國內外汽車用彈簧鋼線材鋼種及其應用現狀

依據在汽車上最終使用效果和產品價效比，低合金彈簧鋼線材所涉及的鋼種較多，主要有Cr-V系、Cr-Mn系、Si-Mn系、Si-Cr系、Si-Cr-V系，以及在Si-Cr系基礎上新增少量合金元素V、Ni、Co、Mo、W等形成的更復雜系列。

Cr-V系代表鋼種有50CrVA和67CrVA；Cr-Mn系代表鋼種有55CrMnA；Si-Mn系代表鋼種有60Si2MnA（相當於日本的SUP6）；Si-Cr系代表鋼種有55SiCrA（相當於日本的SUP12，美國的SAE 9254）、60Si 2Cr A、OTEVA 70SC、SWOSC-V和SWOSCVH；Si-Cr-V系代表鋼種有55Si Cr VA、60Si 2Cr VA、OTEVA 75 SC、SWOSC-VHV、SWOSC-VHS和SRS60；複雜系列代表鋼種有OTEVA 76SC、OTEVA 9 0 S C、S W O S C - V H R、UHS1900、UHS1900M和UHS2000等。各鋼種具體成分見表1-表3。

Cr-V系韌性較好，但因強度不高，無法滿足彈簧輕量化和小型化的要求，現已基本不用。Cr-Mn系中的55CrMnA也僅用於製造汽車實心穩定杆。

Si-Mn系中60Si2MnA除用於製造設計應力880MPa以下的低檔乘用車螺旋懸架彈簧和質量要求相對不高的離合器彈簧及汽車實心穩定杆外，還廣泛用於製造中檔摩托車的減震簧和一般用途的機械簧；SUP7主要用於製造設計應力980MPa以下的中低檔乘用車螺旋懸架彈簧，但由於其矽含量較高，表面脫碳傾向大，不易控制，現趨於淘汰。

Si-Cr系中的55SiCrA、SAE 9254除了用於製造設計應力980MPa以下的中檔乘用車螺旋懸架彈簧和質量要求相對較高的離合器彈簧、剎車制動器彈簧、實心穩定杆和扭杆之外，還廣泛用於製造中低檔摩托車的氣門簧、高檔摩托車的減震簧和重要用途的機械簧；SAE 9254V主要用於製造設計應力900MPa以下的氣門彈簧以及質量很高的離合器彈簧和扭杆。

Si-Cr-V系中的SRS60用於製造設計應力1110MPa的乘用車螺旋懸架彈簧。複雜系列中的UHS1900、UHS1900M用於製造設計應力1200MPa的乘用車螺旋懸架彈簧；UHS2000用於製造設計應力1300MPa的乘用車螺旋懸架彈簧；OTEVA 76SC和OTEVA90SC製造的氣門彈簧設計應力可達1000MPa，OTEVA 90SC滲氮之後製造的氣門彈簧設計應力大於1100MPa。

已經工業化批次生產並用於汽車製造領域的中國產彈簧鋼線材品種主要有60Si 2MnA、55Si Cr A、55Cr MnA和50CrVA。 此外，還有處於研發、試生產中 的55SiCrVA、60Si2CrA、60Si2CrVA等。其中50CrVA韌性雖然較好，但因強度不高，無法滿足彈簧輕量化和小型化的要求，現已基本不生產；60Si2MnA和55SiCrA產量最大，年產量預計超過10萬噸。值得注意的是，中國除55SiCr鋼種之外，對更高應力的汽車懸架彈黃盤條還沒有生產例項。

2汽車用彈簧鋼冶煉技術

節能、環保、安全已成為汽車設計的首要考慮因素，汽車用彈簧鋼正在向輕量化、高應力、高可靠度方向發展，因此，對彈簧鋼的效能要求也越來越高。汽車用彈簧鋼尤以懸架彈簧和氣門彈簧為典型代表，其冶煉工藝也有所區別。

2.1懸架彈簧冶煉工藝

彈簧鋼冶煉過程中採用RH工藝，與VD工藝相比，處理夾雜物效率要更好，更有利於生產。日本在彈簧鋼生產技術方面一直走在世界前列，如新日鐵住金公司，其懸架彈簧線材生產工藝流程：270 t轉爐冶煉→RH-SCS處理→350 mm×560 mm大方坯連鑄（中間包等離子加熱+結晶器電磁攪拌+二冷區電磁攪拌+凸臺輥輕壓下）→連軋開坯→鋼坯清理→線材軋製。該生產技術生產的懸架彈簧強度高、抗彈減效能好、疲勞效能優越，廣泛運用於世界各種高檔汽車。

除新日鐵住金外，其他先進企業如日本大同特殊鋼知多鋼廠、愛知鋼廠、德國克虜伯等均採用LF+RH冶煉技術生產汽車懸架彈簧鋼。

國內生產彈簧鋼技術日趨成熟，生產企業借鑑工業發達國家的經驗，逐漸採用RH真空處理冶煉工藝替代VD，生產出來的彈簧鋼也開始廣泛應用於國內汽車等行業中。

近幾年，興澄特鋼生產彈簧鋼的原料採用澳洲進口優質礦石，含鐵量高，有害雜質少，從源頭上控制產品的質量。整個生產工藝流程：鐵水KR→BOF→LF→RH→CC大方坯→開坯→表面處理（內部檢驗）→線材加熱→控軋控冷→線上探傷→盤條成品。良好的生產工藝使彈簧鋼強度、韌性等效能得到了很好的提升，其彈簧鋼質量在國內被使用者廣泛認可。

寶鋼彈簧鋼盤條根據市場要求，質量不斷提高。生產的彈簧鋼盤條牌號：65Mn、60 Si 2 Mn A、6 0 Si 2 Cr A、50 Cr VA、60 Si 2 Cr VAT、B55SiCr和B55SiCr V等7類，盤條規格涵蓋國內使用者所需品種。高階彈簧鋼盤條所佔比例逐年提高。

寶鋼彈簧鋼盤條現有2條生產工藝路線：

1） 脫硫鐵水→300t轉爐→精煉（LF+RH）→模鑄→均熱爐加熱→初軋機開坯→6VH連軋機軋成142 mm×142 mm鋼坯→鋼坯表面全剝皮處理→加熱爐鋼坯加熱→高速線材軋機軋製→斯太爾摩控冷線冷卻→成品檢驗→包裝入庫

2） 廢鋼+鐵水→150t電爐→精煉（LF+VD）→連鑄160 mm×160 mm→鋼坯表面全剝皮處理→加熱爐鋼坯加熱→高速線材軋機軋製→斯太爾摩控冷線冷卻→成品檢驗→包裝入庫。

2.2 氣門彈簧冶煉工藝

氣門彈簧的效能要求比懸架彈簧高得多，生產難度也相對較大。氣門彈簧“無壽命”，直到汽車使用報廢，彈簧仍然不失效。與工業發達國家不斷推出新工藝和新鋼種相比，中國氣門彈簧鋼的生產、研發水平還比較落後。

目前，國內發動機氣門彈簧幾乎全靠進口，無法合格穩定生產。世界上生產氣門彈簧鋼最好的企業是日本神戶制鋼，其生產的氣門彈簧份額約佔全世界的50%。

神戶制鋼氣門彈簧用線材生產工藝流程：轉爐冶煉→鋼包除渣→ASEA-SKF→300mm×430mm大方坯連鑄（中間包電磁感應加熱+結晶器電磁攪拌+重壓下）→鋼坯清理→初軋→軋製。轉爐出鋼採用矽鐵脫氧，以避免產生富含Al2O3的夾雜物，SKF爐中加入低鹼度造渣料，並依靠電磁攪拌和真空脫氣促使夾雜物變性處理和上浮去除。用此工藝冶煉的SAE9254氧的質量分數在20×10-6左右，而採用鋁脫氧方式氧含量一般小於10×10-6，由此可以看出，神戶制鋼氣門彈簧採用了夾雜物塑性化冶煉工藝。

除神戶制鋼外，新日鐵住金氣門彈簧也廣泛用於各種汽車，其線材生產工藝流程：270t轉爐冶煉→LF精煉→350 mm×560 mm大方坯連鑄→連軋開坯→鋼坯清理→線材軋製。可以看出，新日鐵住金氣門彈簧生產工藝同神戶制鋼有相同之處，即均採用了夾雜物塑性化工藝。

3懸架彈簧鋼夾雜物控制

彈簧鋼失效的一個重要形式為疲勞斷裂，而引起疲勞斷裂的原因往往是鋼中的非金屬夾雜物。非金屬夾雜物周圍的應力集中，容易導致裂紋產生。因此，彈簧鋼生產過程中對夾雜物的控制有著嚴格的要求。

夾雜物控制在彈簧鋼生產的過程中，因不同的脫氧方式，對夾雜物控制的方向大致分為兩種。一種為夾雜物塑性化工藝，採用矽或矽錳脫氧配合低鹼度精煉渣，將夾雜物控制在CaO-SiO2-Al2O3系中的鈣斜長石、磷石英和假矽灰石附近，即低熔點塑性區A，使夾雜物有著良好的塑性變形能力，如圖1所示；另一種為超低氧工藝，採用鋁脫氧配合高鹼度精煉渣，減少夾雜物數量的同時儘量控制夾雜物在CaOSiO2-Al2O3系中的鋁酸三鈣、鈣黃長石、鋁酸鈣附近，即低熔點塑性區B中。

3.1懸架彈簧夾雜物塑性化工藝

汽車用懸架彈簧鋼多采用低鹼度精煉渣配合矽脫氧的夾雜物塑性化工藝，將鋼液中酸溶鋁含量控制在一個較低的水平，並透過低鹼度合成渣精煉工藝將夾雜物成分控制在低熔點塑性變形區域A。

研究人員用低鹼度精煉渣配合矽脫氧冶煉55SiCr懸架彈簧鋼時發現，夾雜物中脆性夾雜Al2O3含量較低，SiO2含量較高，其成分趨近於Al2O3-SiO2-CaO系統中低熔點塑性化區間，但相對於高鹼度精煉工藝來說，成分更加分散，更不利於大顆粒夾雜物的控制與消除。周俐等人採用矽錳脫氧加低鹼度精煉渣（R=1.2）亦成功將夾雜物控制在低熔點區域A中，夾雜物形貌多為球形，且尺寸可達到5μm左右。

研究人員利用Factsage軟體對Si-Mn系彈簧鋼精煉渣成分進行計算並結合生產試驗發現，渣中加入MgO後，低熔點塑性區域會明顯擴大。當鹼度為1.0-1.19，ω（CaO）/ω（Al2O3）>9時（ 圖2），生成的夾雜物主要有MnS、CaO-Si O2-Al2O3-MgO、CaO-SiO2-Al2O3-MgO-MnS三種類型。CaO-SiO2-Al2O3-MgO系夾雜物在軋製的時候被壓縮拉長，如圖3所示，此範圍的精煉渣可有效地控制夾雜物的可塑性。

由此可見，將夾雜物控制在CaO-SiO2-Al2O3系中的鈣斜長石、磷石英和假矽灰石附近低熔點區並不難實現，這也是國內很多企業選擇塑性化工藝的一個重要原因。

3.2懸架彈簧鋼超低氧工藝

懸架彈簧鋼除了利用塑性化工藝，將夾雜物控制鈣斜長石、磷石英和假矽灰石附近低熔點區外，也可以透過鋁脫氧等方式減少鋼中氧含量，從而減少夾雜物數量，實現超低氧工藝，來滿足彈簧鋼對夾雜物的要求。研究人員採用鋁脫氧加高鹼度精煉渣冶煉彈簧鋼60Si2MnA，使最終鑄坯氧含量達10×10-6，大大減少了夾雜物數量。但在採用超低氧工藝時，試圖將夾雜物控制在夾雜物塑性區B中，如圖4所示，有一部分落在了塑性區外，塑性化控制效果並不是很好。

研究人員對武鋼、寶鋼和新日鐵住金55SiCr彈簧鋼進行了化學分析（表4）。新日鐵住金Al s含量為0.023%，明顯高於武鋼和寶鋼，T.O也僅有7×10-6，遠低於武鋼和寶鋼。新日鐵住金生產的55SiCr彈簧鋼明顯採用了鋁脫氧。另此，對新日鐵住金夾雜物進行分析發現，夾雜物並不是塑形夾雜，而是直徑細小的脆硬性夾雜。

鋁脫氧生產懸架彈簧鋼，由於鋁酸三鈣、鈣黃長石、鋁酸鈣附近的低熔點區面積較小，因此，將夾雜物控制在低熔點區內生成塑性夾雜的難度較大。但是，採用該工藝可大大減少夾雜物的數量，縮小夾雜物的尺寸，即使生成的夾雜物為Al2O3或MgO·Al2O3這樣的脆性夾雜，只要尺寸足夠小，對彈簧的使用效能也沒有太大的影響。

4 氣門彈簧夾雜物控制

氣門彈簧直徑較小，對脆硬性夾雜物較為敏感，在減少夾雜物的同時需要儘可能將高熔點夾雜轉變成軋製過程中易變形的低熔點複合夾雜。

世界上生產超純淨氣門彈簧鋼線材最好的企業是日本的神戶制鋼，神戶制鋼在氣門彈簧用鋼的生產中，在世界上首次開發出一種超純淨鋼生產技術，不僅可降低非金屬夾雜物的數量，而且還可降低夾雜物的危害，即夾雜物塑性化和超純淨化生產技術。

神戶制鋼夾雜物塑性化超純淨氣門簧用鋼在鋼水精煉過程中採用低鹼度渣使矽錳脫氧產物轉變成MnO-SiO2-Al2O3系中錳鋁榴石區或CaOSiO2-Al2O3系中假矽灰石和鈣長石共熔區，很好地實現了夾雜物塑性化。

國內企業氣門彈簧鋼夾雜物控制方面與國外先進企業有著明顯的差距。對中國產55SiCrA、浦項SAE9254V及新日鐵住金65Si2CrV氣門彈簧鋼進行對比分析發現，中國產55SiCrA鋼中夾雜物中平均ω（Al2O3）高達42 %，夾雜物基本均偏離低熔點區，夾雜物長寬比均小於3，寬度尺寸大，多呈塊狀。而國外彈簧鋼中夾雜物基本都在低熔點區，夾雜物中平均ω（Al2O3）均低於15%，夾雜物變形性好，寬度尺寸小，多呈長條狀；且中國產55SiCrA鋼中電解出的大型夾雜物數量、尺寸均比國外彈簧鋼中的大，並含有對彈簧鋼質量造成危害的高MgO類及高Al2O3類大型夾雜物。

儘管研究指出，夾雜物的熔點越低塑性越好，但仍不能完全保證彈簧鋼在軋製過程中具備良好的變形能力。據有關報道，軋製過程中夾雜物變形能力和其成分也有密切關係，當夾雜物偏離低熔點區，成分落在SiO2粗晶區時，其塑性變形能力甚至優於處在低熔點塑性區的夾雜物。也有研究指出，夾雜物在後續加熱處理過程中結晶並變得脆而硬，夾雜物的晶體結構是其變形能力的一個重要影響因素。因此，為了保證鋼在高溫及低溫變形加工過程中可變形，氧化物夾雜必須是非晶態的。故在氣門彈簧的生產過程中，除了關注夾雜物是否處於低熔點區外，還應該關注夾雜物是否為非晶態。

塑性夾雜物對彈簧鋼效能影響較小，可並非所有塑性好、軋製過程中易變形的夾雜物都好。可變形氧化物類夾雜物對彈簧鋼疲勞強度影響不明顯，但可變形夾雜物MnS卻會因形成大而長的魚眼裂紋，對彈簧鋼疲勞效能產生極其不利，軋製後橫向的疲勞強度幾乎只有一半。

另外，TiN夾雜物尺寸很小，但TiN夾雜物因在鋼中呈方塊形而導致高應力集中，更容易成為疲勞裂紋源，與同尺寸的氧化物夾雜相比，對氣門彈簧的疲勞效能危害更大。因此，要嚴格控制TiN類夾雜物生成與帶入。

5 結論

1） 汽車用彈簧鋼目前以Si-Cr系和Si-Mn係為主，國內外都是透過新增和改變微量合金元素V、Ni、Co、Mo、W、Nb等來達到新品種的開發以及高強度要求。

2） 汽車懸架彈簧在冶煉過程中，RH真空處理較VD處理在夾雜物去除方面有優勢，國內外先進的生產企業普遍選擇RH真空處理，VD較少；氣門彈簧生產過程中必須採用塑性化冶煉。

3） 懸架彈簧鋼可根據兩種夾雜物控制途徑進行生產，即採用矽或矽錳脫氧的塑性化工藝和鋁脫氧的超低氧工藝，兩者對夾雜物控制方向不同，但都能滿足實際使用要求；而氣門彈簧則既要求夾雜物純淨化，又要求夾雜物塑性化，生產難度更大。

彈簧鋼指的是製造各類彈簧及其他彈性元件的專用合金鋼。按效能要求、使用條件可分為普通合金彈簧鋼和特殊合金彈簧鋼。彈簧鋼具有優良的綜合性能，彈簧鋼具有優良的冶金質量（高的純潔度和均勻性）、良好的表面質量（嚴格控制表面缺陷和脫碳）、精確的外形和尺寸。

彈簧鋼是指由於在淬火和回火狀態下的彈性，而專門用於製造彈簧和彈性元件的鋼。

根據GB/T 13304 標準，彈簧鋼按照其化學成分分為非合金彈簧鋼（碳素彈簧鋼）和合金彈簧鋼。

碳素彈簧鋼的碳含量（質量分數）一般在0.62%~0.90%。按照其錳含量又分為一般錳含量（質量分數） （0.50%~0.80%）如65、70、85和較高錳含量（質量分數） （0.90~1.20%），如65Mn兩類。

合金彈簧鋼的基本組成系列有，矽錳彈簧鋼、矽鉻彈簧鋼、鉻錳彈簧鋼、鉻釩彈簧鋼、鎢鉻釩彈簧鋼等。在這些系列的基礎上，有一些牌號為了提高其某些方面的效能而加入了鉬、釩或硼等合金元素。

可以透過以下方法提升強度

（1）生產加工方法，如熱軋、熱鍛等

（2）加一些微量元素，如增加矽含量Wsi提高效能，硌、鎢、釩的合金彈簧鋼

（3）熱處理，如淬火、回火

（4）成分的調製

這屬於鋼材配方類問題。這個一般真正的技術都在配料師傅手上，很難得到。不過可以透過物理結構來改變彈簧的耐用性。