本文轉載自美國彈簧協會 SMI 發行之 SPRINGS 彈簧專業論文月刊英文版 2002 年 8 月號第 53 至 55 頁，臺灣區彈簧工業同業公會劉秘書中譯
- 彈簧設計與彈簧材料關係及重要性
彈簧無所不在；幾乎所有產品都應用了某些形式之彈簧，作為鎖夾或回復彈簧之用。使用許多種類材質，從金屬到塑膠，製造這些彈簧，彈簧的形狀及負載特性係隨著其不同使用情形而變化。最基本地、當彈簧被移位（displaced）時，彈簧是一種為了能夠儲存機械能的裝置。一條好的彈簧，即承受負載時，彈簧偏移度（deflection）可接受，並且在不受任何尺寸上改變時能回復到平衡狀態。
- 彈簧設計的重要性
設計人員在工作期間，每一位工程設計者都發現他們須要設計出幾種不同形式彈簧，通常設計出的彈簧僅供檢視直到設計程序結束為止。但是、彈簧通常是最重要的零件，若彈簧失效，機器就不能運轉。
因此、當設計階段就必須儘可能考慮周詳，諸如彈簧設計者要能提供使用者最經濟效益、壽命最長的產品。倘事先未能計劃周延，以致於空間無法容納彈簧，或經常發生這種情況、為能達彈簧原設計功能，卻須要增加額外一些操作，導致不必要的預算支出。
所有設計人員一定認同彈簧可靠度對於任何機械壽命關係重大，統計資料顯示，正確彈簧設計能確保機械壽限最重要的一項因子。設計之初有正確的規格構想，設計出來的彈簧性能必定良好且壽命很長。
彈簧設計者藉由起始關念構想－經由設計計算公式、初期雛形及初期產製等階段，再到最後量產，一連串設計製造程序。一位彈簧專業人員以很快的時間在現場就能做設計上修改。
- 彈簧材料－工作上選用正確的材料
彈簧材料是使用在工業中是最強硬的材質，彈簧被設計來執行其工作的工作應力遠大於其他物件，本例來說，螺旋壓縮彈簧能夠加壓力達 70% 或大於材料極高拉伸強度（UTS-ultimate tensile strength）。另外、彈簧材料必須能夠在超高溫、腐蝕溶液、超低溫、超動態負載及震動負載環境中工作。
彈簧材料也不僅利用其機械特性，同時也有利用其導電及導磁能力特性。
彈簧材料專業屬於既廣泛且深遠的領域，本篇僅作簡單介紹，希望能提供你在選擇材料時較為有信心。本篇文章涵蓋三種主要彈簧材料：低合金碳銅、不銹銅及銅合金。
- 冷抽碳銅
為了一般工程上的使用，彈簧鋼由於其相對價格低及來源廣泛，對設計者而言是最佳選擇，也因彈簧銅最強硬所以設計者願意選用。
鋼線線徑低於 2.00 mm ，特別是標準冷抽 BS5216, S202 及 DEF106 等碳鋼最強硬。這些材料在強度及表面磨光達一定標準所以較容易符合彈簧端部上一定要求。舉例來說、線徑為 1.60 mm，BS5216 材料等級一般使用情況如表1。
材料表面磨光度也用來區分等級，因此動態負荷可參閱表2。
這些等級也有一些經鋅或鋁/鋅表面處理預硬化碳銅，對於非熾熱應用提供較佳防腐蝕保護功能。反之、這些材料例如碳或低合金鋼，就特別需要某方面的防腐蝕保証。
- 預硬化回火碳銅
另外一種型式彈簧材料是低合金或碳預硬化回火銅，這些材料經線材廠抽線退火並硬化以產生高強度鋼線。這些比冷抽材料線徑 2.00 mm 有更高強度，這些材料經由硬化程序獲得機械強度（mechanical strength），所以不會因為線材直徑大小改變笙極高拉伸強度。事實上，有可能用粗鋼線比細鋼線獲得較高的極高扯伸強度。
不論是碳銅或低合金鋼成份材質，廠商產製許多種標準化的預硬化回火碳銅及合金鋼，例如矽鉻（BS2083, 685A55）或鉻釩（BS2083, 730A65）均廣泛被使用。
- 不銹銅
不銹鋼由於具備防腐蝕及防鬆弛或工作溫度高等需求，彈簧業者普遍作為一般的彈簧銅使用。不銹鋼有許多等級，係按照其機械特性及防腐蝕分級。一般而言、同樣尺寸粗細不銹銅較彈簧銅軟弱 20%，但是析出硬化等級（precipitation-hardening）不銹鋼與彈簧鋼有相等的強度。
不銹銅包括 BS2056, 1991，一般常被使用是 301S26 及 302S26 不銹鋼，每種分別具有 17%/18% 的鉻及 7%/8% 的鎳成份。然而、如需要較高抗腐蝕，特別是使用在鹹水中，宜採用 316S33 及 316S42 等級的不銹鋼，使用添加了鉬元素以提昇抗氯化物腐蝕。
前面所討論到各種等級不銹銅，都是用冷抽程序以獲得強度，這種程序使得材料略帶有磁性，假如對線材要求為極低導磁性，有兩種等級不銹鋼可使用：305S11 及 904S14，其完全排除殘留磁性。
假如須要更高強度的不銹銅，可使用析出硬化不銹鋼，成型後的彈簧成品，在 480℃溫度熱處理。這將使材料少許析出，增大極高拉伸強度。例如、抽線情形下 1.00 mm 鋼線極高拉伸強度至少達 171O N/mm2，但是，相較於 302S26 及 301S26 腐蝕性就不良。
- 銅合金
以銅為主的合金使用於高導電及導熱，非磁性或良好大氣阻抗需求，彈簧業者常使用三種銅合金，涵括 BS2873，分別為 CZ107彈簧黃銅線， PBl02 及 PBl03 磷青銅線，及 CB102 鈹銅線。
彈簧黃銅線 CZ107，磷青銅線 PB102 及 PB103 以冷抽方式獲得材料強度，磷青銅線若再有高成份的鍚，其具極高拉伸強度，所以磷青銅線含高成份鍚，這種銅合金被廣泛使用。
鈹銅線 CB102是析出硬化材料，依據線材廠熱處理程度，則有各種硬度不等線材可供購買，雖然屬銅合金是最昂貴的一種線材，但它可被硬化，它比其他種類銅合金更能承受較大工作應力。
- 去應力退火熱處理
良心上的建議，所有材質的彈簧在成型後都必須做去應力退火熱處理，就冷抽彈簧鋼線而論，最好是用 220℃ 至 375℃ 溫度處理 10 分鐘至 1 小時，可視彈簧種類或應用而定。此程序主要目的就是減低彈簧成型時導入的應力，因為此應力毫無益處，尤其是就壓簧及拉簧而言更須注意。
去應力退火也少許增加了材料的彈性極限，並穩固彈簧的尺寸大小，去應力的問題就是「成型導入」應力被去除。彈性移除將造成彈簧的尺寸大小的改變，所以在設計彈簧之前，製造者必須考量尺寸大小的改變問題。
簡明材料對照如表3所示，並不代表任何意義，因為限於篇幅及時間，所以不能完整呈現彈簧材料。另外，針對特定材料如鎳合金，未能以清單方式呈現供參考，倘貴讀者想要瞭解更詳細的材料，歡迎與本人聯絡。
- 原文作者簡介
Matthew Drew 為英國罕布夏郡南方彈簧公司技術部經理，曾就讀於彈簧技術學院（IST）並獲頒證照。連絡電話：＋44(0)1425611517；e-mail：matt@southernsprings.co.uk
- 文章來源
台灣區彈簧工業同業公會月刊 第七十三期