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彈簧鋼絲的標(biāo)準(zhǔn)及用途
發(fā)布時(shí)間：2012-03-07
摘要：我國彈簧綱絲標(biāo)準(zhǔn)是參照ISO和JIS制訂的，本文以ISO和JIS為依據(jù)，分析了彈簧綱絲現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍，各組別之間隱含的的差別，對彈簧鋼絲的生產(chǎn)和使用都有參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：彈簧鋼絲、標(biāo)準(zhǔn) 、適用范圍
彈簧是機(jī)械行業(yè)和日常生活中最常用的零件，彈簧主要作用是利用自身形變時(shí)所儲(chǔ)存的能量來緩和機(jī)械或零部件的震動(dòng)和沖擊、控制機(jī)械或零部件的運(yùn)動(dòng)。
1 彈簧鋼絲的使用特性和用途
彈簧在彈性范圍內(nèi)使用，卸載后應(yīng)回復(fù)到原來位置，希望塑性變形越小越好，因此鋼絲應(yīng)具有高的彈性極限，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。屈強(qiáng)比越高，彈性極限就越接近抗拉強(qiáng)度，因而越能提高強(qiáng)度利用率，制成的彈簧彈力越強(qiáng)。
彈簧依靠彈性變形吸收沖擊能量，所以彈簧鋼絲不一定要有很高的塑性，但起碼要有能承受彈簧成型的塑性，以及足夠的能承受沖擊能量的韌性。
彈簧通常在交變應(yīng)力作用下長期工作，因此要有很高的疲勞極限，以及良好的抗蠕變和抗松弛性能。
在特定環(huán)境中使用的彈簧，對鋼絲還會(huì)有一些特殊要求，例如：在腐蝕介質(zhì)中使用的彈簧，必須有良好的抗腐蝕性能。精密儀器中使用的彈簧，應(yīng)具有長期穩(wěn)定性和靈敏性，溫度系數(shù)要低，品質(zhì)因素要高，后效作用要小，彈性模量要恒定。在高溫條件下工作的彈簧，要求在高溫時(shí)仍能保持足夠的彈性極限和良好的抗蠕變性能等。
此外，還應(yīng)考慮彈簧鋼絲的成形工藝和熱處理工藝。冷拉彈簧鋼絲和油淬火回火彈簧鋼絲都以供貨狀態(tài)鋼絲直接繞制彈簧，彈簧成形后經(jīng)消除應(yīng)力處理直接使用。冷拉彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度要略高于油淬火回火鋼絲。大規(guī)格冷拉鋼絲彈力太大，繞制彈簧很困難，所以冷拉彈簧鋼絲使用規(guī)格一般小于8.0mm，油淬火回火鋼絲使用規(guī)格一般小于13.0mm。實(shí)際上直徑13.0mm彈簧多選用輕拉狀態(tài)彈簧鋼絲，冷拉繞制成形后再淬回火使用。直徑15.0mm以上鋼絲大多采用加熱繞制工藝制簧。
彈簧根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)可分為靜態(tài)簧和動(dòng)態(tài)簧。靜態(tài)彈簧指服役期振動(dòng)次數(shù)有限的彈簧，如安全閥彈簧，彈簧墊，秤盤彈簧，定載荷彈簧，機(jī)械彈簧，手表游絲等。動(dòng)態(tài)彈簧指服役期振動(dòng)次數(shù)達(dá)1×106次以上的彈簧，如發(fā)動(dòng)機(jī)閥門彈簧，車輛懸掛簧，防震彈簧，聯(lián)軸器彈簧，電梯緩沖彈簧等。靜態(tài)彈簧選材時(shí)主要考慮抗拉強(qiáng)度和穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)彈簧選材時(shí)主要考慮疲勞，松弛及共振性能。
彈簧根據(jù)負(fù)荷狀況可分為輕載荷、一般載荷和重載荷三種狀態(tài)。輕載荷指承受靜態(tài)應(yīng)力，應(yīng)力較低，變形量較小的彈簧，如安全裝置用彈簧，吸收振動(dòng)用彈簧等。設(shè)計(jì)使用壽命103～104次。
一般載荷指設(shè)計(jì)壽命105～106次，在振動(dòng)頻率300次/min條件下使用的普通彈簧。在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，壽命保證1×106次，載荷應(yīng)力越低，壽命越長。
重載荷指長時(shí)間工作、振動(dòng)頻繁的彈簧。如閥門彈簧，空氣錘、壓力機(jī)、液壓控制器彈簧，其載荷較高，常常在低于許用應(yīng)力10%左右使用，使用壽命大于1×106次，通常為107次。
彈簧選材的原則是：首先滿足功能要求，其次是強(qiáng)度要求，最后才考慮經(jīng)濟(jì)性。
碳素彈簧鋼是彈簧鋼中用途廣泛，用量最大的鋼類。鋼中含0.60%～0.90%的碳和0.3%～1.20%的錳，不再添加其它合金元素，使用成本相對較低。碳素彈簧鋼絲經(jīng)適當(dāng)?shù)募庸せ驘崽幚?，可以獲得很高的抗拉強(qiáng)度，足夠的韌性和良好的疲勞壽命。但碳素鋼絲的淬透性低，抗松弛性能和耐蝕性能差，彈性模量的溫度系數(shù)較大(高達(dá)300×10-6/℃)，適用于制造截面較小，工作溫度較低(120℃>)的彈簧。
合金彈簧鋼一般含0.45%～0.70%的碳和一定量的Si，Mn，Cr，V，W及B等合金元素。合金元素的加入改善彈簧鋼的抗松弛性能，提高鋼的韌性，同時(shí)顯著提高鋼的淬透性和使用溫度，適用于制造較大截面，較高溫度下使用的彈簧。國內(nèi)外彈簧鋼常用牌號對照如表1。
我國彈簧鋼絲標(biāo)準(zhǔn)是參照ISO和JIS標(biāo)準(zhǔn)，分鋼類制定的?，F(xiàn)行國家及行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)包括碳素彈簧鋼絲標(biāo)準(zhǔn)6個(gè)，合金彈簧鋼絲標(biāo)準(zhǔn)4個(gè)，標(biāo)準(zhǔn)明細(xì)如表2。
碳素彈簧鋼絲現(xiàn)行國家和行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)分兩種類型：一類是冷變形強(qiáng)化鋼絲，又稱冷拉彈簧鋼絲。冷拉碳素彈簧鋼絲首先經(jīng)鉛淬火處理獲得索氏體組織，然后表面磷化，以很大減面率拉拔到成品尺寸，鋼絲組織呈纖維狀，有很高的抗拉強(qiáng)度和彈性極限，良好的彎曲和扭轉(zhuǎn)性能。冷拉彈簧鋼絲尺寸精度高，表面光潔，無氧化和脫碳缺陷，疲勞壽命比較穩(wěn)定，是使用最廣泛的彈簧鋼絲。
碳素彈簧鋼絲的另一類型是馬氏體強(qiáng)化鋼絲，又稱油淬火回火鋼絲。碳素鋼絲通過淬回火處理，可獲得良好的綜合力學(xué)性能，當(dāng)鋼絲規(guī)格較小時(shí)（φ≤2.0mm），油淬火回火鋼絲的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)比索氏體化處理后冷拉鋼絲要低。當(dāng)鋼絲規(guī)格較大時(shí)（φ≥6.0mm）索氏體化的鋼絲不可能采用很大減面率來獲得所要求的強(qiáng)度指標(biāo)，而油淬火回火鋼絲只要完全淬透就可以獲得比冷拉鋼絲更高的性能。在抗拉強(qiáng)度相同條件下，馬氏體強(qiáng)化鋼絲比冷變形強(qiáng)化鋼絲具有更高的彈性極限。冷拉鋼絲金相組織呈纖維狀，各向異性明顯，油淬火回火鋼絲金相組織為均勻的回火馬氏體，幾乎是各向同性的。同時(shí)油淬火回火鋼絲的抗松弛性能優(yōu)于冷拉鋼絲，使用溫度（150～190℃）也高于冷拉鋼絲（≤120℃）。近年來中大規(guī)格油淬火、回火鋼絲大有取代冷拉鋼絲趨勢。下面按標(biāo)準(zhǔn)介紹各類碳素彈簧鋼絲的應(yīng)用范圍及工藝特點(diǎn)。
（1）YB/T5220-93 《非機(jī)械彈簧用碳素彈簧鋼絲》
該標(biāo)準(zhǔn)適用于沙發(fā)墊簧，座墊，靠背拉簧，卡簧，夾簧等非機(jī)械彈簧用碳素彈簧鋼絲。標(biāo)準(zhǔn)按抗拉強(qiáng)度要求不同將鋼絲分成A1，A2，A3…A9九個(gè)組別，每個(gè)組別鋼絲不分規(guī)格大小按一個(gè)強(qiáng)度范圍供貨，抗拉強(qiáng)度偏差≤200Mpa。A1，A2和A3組用于制造較低應(yīng)力彈簧。A3，A4和A5用于制造一般應(yīng)力彈簧。A7，A8和A9用于制造較高應(yīng)力彈簧。床墊簧一般選用A3和A4組別。
①Φ≤4.0mm鋼絲在2d芯棒上纏繞兩圈無裂紋或折斷。
②Φ＞4.0mm鋼絲進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，試樣沿R=10mm圓弧向不同方向彎曲90o，彎曲處不得有裂紋或折斷。
A1-A3組鋼絲一般選用45～70鋼，A3～A6組選用65Mn或70鋼，A7～A9組鋼絲選用70或T8MnA（82B）生產(chǎn)。由于按該標(biāo)準(zhǔn)供貨的鋼絲基本用于制作靜態(tài)彈簧，對疲勞壽命的要求相對寬松，鋼絲可以采用控軋控冷盤條直接拉拔成品。鋼絲成前熱處理也可以用正火代替鉛浴處理。同時(shí)允許選用轉(zhuǎn)爐鎮(zhèn)靜鋼作為原料。
(2)GB/T4357-89 《碳素彈簧鋼絲》
該標(biāo)準(zhǔn)是冷拉碳素彈簧鋼絲的通用標(biāo)準(zhǔn)，主要用于制作在各種應(yīng)力狀態(tài)下工作的靜態(tài)彈簧。根據(jù)彈簧工作應(yīng)力狀態(tài)鋼絲可分三個(gè)級別供貨：B級用于低應(yīng)力彈簧，C級用于中等應(yīng)力彈簧，D級用于高應(yīng)力彈簧。成品鋼絲考核抗拉強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)、纏繞和彎曲四項(xiàng)性能，常見規(guī)格的力學(xué)性能如表4。
①Φ≤4.0mm的D級鋼絲和Φ≤6.0mm的B級、C級鋼絲在等于鋼絲直徑的芯棒上纏繞2圈、 纏繞后的試樣表面不得產(chǎn)生裂紋和斷裂。
②Φ＞4.0mm的D級鋼絲在2倍鋼絲直徑的芯棒上纏繞2圈，纏繞后的試樣表面不得產(chǎn)生裂紋和斷裂。
③Φ＞6.00mm的鋼絲應(yīng)進(jìn)行彎曲檢驗(yàn)，試樣沿R=10mm圓弧向不同方向彎曲900，彎曲后不得產(chǎn)生裂紋和斷裂。
B級和C級鋼絲一般選用70（67A、72A）或65Mn（67B），D級選用T9XtA和T8MnA（82B）生產(chǎn)。
本標(biāo)準(zhǔn)鋼絲主要用于制作靜態(tài)機(jī)械彈簧，其服役期振動(dòng)頻次要高于非機(jī)械彈簧，對疲勞壽命有一定的要求，成品也增加扭轉(zhuǎn)性能的考核。因此對鋼絲用盤條應(yīng)采用電爐或電爐+爐外精煉法冶煉，盤條中P≤0.030%、S≤0.020%等。成品鋼絲顯微組織中如含有游離鐵素體，會(huì)降低彈簧疲勞壽命，而控軋控冷盤條中一般均存有5%～1.5%的游離鐵素體，一般不宜采用盤條直接生產(chǎn)成品鋼絲。按此標(biāo)準(zhǔn)供應(yīng)的鋼絲原則上成前應(yīng)經(jīng)鉛浴處理，消除游離鐵素體組織，成品鋼絲顯微組織應(yīng)為纖維化索氏體組織。
(3)GB/T4358-1995《重要用途碳素彈簧鋼絲》
按該標(biāo)準(zhǔn)供貨的鋼絲，主要用于制作在各種應(yīng)力狀態(tài)下工作的動(dòng)態(tài)彈簧。根據(jù)彈簧工作應(yīng)力狀態(tài)，鋼絲分3個(gè)組別供貨：E組適用于中等應(yīng)力動(dòng)態(tài)彈簧，F(xiàn)組適用于高應(yīng)力動(dòng)態(tài)彈簧，G組適用于高疲勞壽命的動(dòng)態(tài)彈簧。成品鋼絲考核抗拉強(qiáng)度，扭轉(zhuǎn)，纏繞，彎曲和脫碳五項(xiàng)性能指標(biāo)，常見規(guī)格的力學(xué)性能如表5。
①Φ＜4.0mm的鋼絲在等于鋼絲直徑的芯棒上、Φ≥4.0mm鋼絲在2倍鋼絲直徑的芯棒上纏繞5圈，不得有裂紋或折斷。
②Φ＞1.0mm鋼絲進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，試樣沿R圓弧向不同方向彎曲900，彎曲處不得有裂紋或折斷，Φ≤4.0mm，R=5mm；Φ＞4.0mm，R=10mm。
③G組鋼絲脫碳層≤1.0d%。
由于按該標(biāo)準(zhǔn)供貨的鋼絲用于制作中、高應(yīng)力狀態(tài)下工作的動(dòng)態(tài)彈簧，成品鋼絲除保持高的彈性極限和良好的韌性指標(biāo)外，還必須考慮到疲勞極限和彈簧的疲勞壽命。為此，對鋼的純凈度，非金屬夾雜含量和氣體含量，鐵素體含量及表面脫碳程度有更高的要求。鋼絲用盤條必須采用電爐+爐外精煉法冶煉，對盤條的化學(xué)成分有更高的要求：P≤0.025%、S≤0.020%，Cr ≤0.10%、Ni≤0.15%（0.12%）、Cu≤0.20%。實(shí)際生產(chǎn)中為提高疲勞壽命往往將Mn控制在高限，E組選用70或70Mn（72B），F(xiàn)組選用T8MnA或T9RtA，G組選用65Mn（Mn可調(diào)整到0.9-1.2%）或67B。降低鋼中P、S含量，提高M(jìn)n含量和采用爐外精煉的目的是：消減鋼中非金屬夾雜含量，改善夾雜物形態(tài)和降低氣體含量，提高疲勞極限和疲勞壽命。如果鋼絲顯微組織中含有游離鐵素體，會(huì)較大幅度地降低疲勞壽命，按該標(biāo)準(zhǔn)供貨的鋼絲，成前必須進(jìn)行鉛淬火處理。
(4)GJB1497-92 《特殊用途碳素彈簧鋼絲規(guī)范》
在某些特定場合，需要彈簧具有超出常規(guī)要求的彈力，如槍械彈簧，為便于攜帶和使用，彈簧所占的空間很小，彈力要足夠大，必須選用抗拉強(qiáng)度特高，韌性較好的鋼絲來制作彈簧,《特殊用途碳素彈簧鋼絲》就適應(yīng)這種需要的標(biāo)準(zhǔn)。
該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鋼絲分甲、乙、丙3組供貨。丙組適應(yīng)于較高應(yīng)力彈簧，乙組適應(yīng)于高應(yīng)力彈簧，甲組適用于超高應(yīng)力彈簧。標(biāo)準(zhǔn)推薦鋼絲采用T9A，T10A和T8MnA制造。實(shí)際上鋼絲抗拉強(qiáng)度隨碳含量增高而上升，扭轉(zhuǎn)性能（韌性指標(biāo)）隨碳含量上升而下降，綜合考慮，遼寧特殊鋼集團(tuán)大連三大鋼絲公司選用加稀土的T9A鋼絲生產(chǎn)甲、乙、丙組鋼絲。成品鋼絲考核抗拉強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)斷口、纏繞、抗拉強(qiáng)度均勻性和尺寸均勻性六項(xiàng)性能指標(biāo)，常見規(guī)格的力學(xué)性能如表6。
應(yīng)該指出鋼絲的超高抗拉強(qiáng)度是以犧牲部分塑性和疲勞壽命換來的，只適用于制作形狀簡單，對疲勞壽命要求不很高的彈簧，該標(biāo)準(zhǔn)不宜推廣使用。
說明：
①每盤鋼絲兩端抗拉強(qiáng)度差不得大于100Mpa。
②鋼絲扭轉(zhuǎn)時(shí)，在規(guī)定扭轉(zhuǎn)次數(shù)以內(nèi)不得有肉眼可見的裂紋和分層。
③鋼絲進(jìn)行纏繞試驗(yàn)，鋼絲繞芯棒纏繞1~5圈后不得折斷和破裂。芯棒直徑等于鋼絲直徑。
(5)YB/T5103-93 油淬火-回火碳素彈簧鋼絲
油淬火、回火鋼絲先將鋼絲生產(chǎn)到成品尺寸，然后再進(jìn)行油淬火回火處理，以回火馬氏體組織交貨。組織均勻性是決定油淬火回火鋼絲性能的重要指標(biāo)，因碳素彈簧鋼絲淬透性有限，規(guī)格太大的鋼絲油淬火回火后芯部不能完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，所以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定油淬火回火碳素彈簧鋼絲供貨直徑小于12.0mm。
與冷拉碳素彈簧鋼絲相比，直徑≤2.0mm的油淬火回火鋼絲抗拉強(qiáng)度和彈性極限低于冷拉鋼絲。但大規(guī)格鋼絲（Φ≥6.0mm）索氏體處理后，不可能采用大減面率拉拔獲得高的抗拉強(qiáng)度，而油淬火回火鋼絲只要完全淬透，就可以獲得比冷拉鋼絲更高的抗拉強(qiáng)度。即使在抗拉強(qiáng)度相同條件下，油淬火回火鋼絲的彈性極限也高與冷拉鋼絲。
冷拉彈簧鋼絲的各向異性明顯，而油淬火回火鋼絲幾乎各相同性。油淬火回火鋼絲的疲勞壽及抗應(yīng)力松弛性能比冷拉鋼絲好得多，工作溫度更高（150～170℃），抗蠕變性能更好。另外油淬火回火鋼絲直條度好，打開盤卷后鋼絲彈直，幾乎無彎曲，纏繞彈簧時(shí)成形性能更好。因此工業(yè)發(fā)達(dá)國家大規(guī)格油淬火回火碳素彈簧鋼絲幾乎取代了冷拉碳素彈簧鋼絲。
(6)YB/T5102-93《閥門用油淬火回火碳素彈簧鋼絲》
YB/T5102-93與YB/T5103-93的關(guān)系相當(dāng)于GB/T4358-1995與GB/T4357-89的關(guān)系。前者用于制作動(dòng)態(tài)彈簧，后者是通用標(biāo)準(zhǔn)，主要用于制作靜態(tài)彈簧。由于動(dòng)態(tài)油淬火回火彈簧對組織均勻性要求更嚴(yán)格，碳素鋼淬透性有限，YB/T5102規(guī)定供貨規(guī)格更?。ㄖ睆?le;6.0mm）。
閥門用油淬火回火碳素鋼絲使用范圍和質(zhì)量控制要求基本與GB/T4358-1995 G組相當(dāng)，這里不再贅述。
2.2 合金彈簧鋼絲標(biāo)準(zhǔn)、適用范圍及工藝特點(diǎn)
我國合金彈簧鋼絲分三類，合金彈簧鋼絲，油淬火回火硅錳彈簧鋼絲，閥門用油淬火回火鉻硅合金彈簧鋼絲，從發(fā)達(dá)國家合金彈簧使用現(xiàn)狀來看，油淬火回火鋼絲所占比例越來越大，日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）規(guī)定，合金彈簧鋼絲全部以油淬火回火狀態(tài)供貨。
(1) GB/T5218-1999《合金彈簧鋼絲》
該標(biāo)準(zhǔn)將原GB5218-85《硅錳彈簧鋼絲》、GB5219-85《鉻釩彈簧鋼絲》和GB5221-85《鉻硅彈簧鋼絲》三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)合并成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。
標(biāo)準(zhǔn)適用于制作高、中應(yīng)力彈簧用合金彈簧鋼絲，鋼絲纏簧成形后需經(jīng)淬火回火處理才能使用。
標(biāo)準(zhǔn)列出60Si2MnA、50CrVA和55CrSiA三個(gè)鋼號，同時(shí)規(guī)定根據(jù)需方要求，可以供應(yīng)其它牌號鋼絲。
鋼絲一般按冷拉狀態(tài)交貨，成品直徑≤5.0mm檢驗(yàn)抗拉強(qiáng)度σb≤1035Mpa，直徑>5.0mm鋼絲檢驗(yàn)HB≤302，相當(dāng)于輕拉狀態(tài)。生產(chǎn)中大規(guī)格（Ф>8.0）成品冷拉減面率不超過25%，小規(guī)格鋼絲（Ф≤5.0）減面率不超過30%。退火狀態(tài)交貨鋼絲太軟，極易產(chǎn)生死彎，纏簧時(shí)往往造成簧形不好，螺距不均。冷拉減面率偏大時(shí)鋼絲太硬、纏簧時(shí)反彈大，粗簧成形困難。所以直接纏簧的鋼絲以輕拉狀態(tài)供貨最合適。對于鋼絲購回還要進(jìn)行冷加工（如壓扁、軋成異型截面等）的用戶，應(yīng)推薦選用退火狀態(tài)交貨鋼絲。
為保證纏簧性能，成品鋼絲進(jìn)行纏繞試驗(yàn)，直徑≤5.0mm鋼絲在相當(dāng)于鋼絲直徑1～2倍的芯棒上纏繞6圈，不得破裂和折斷。
脫碳和表面缺陷嚴(yán)重的降低彈簧疲勞壽命，必須嚴(yán)格控制。特別是60Si2MnA和55CrSi，含硅量較高，退火時(shí)極易脫碳。盤條球化退火和半成品再結(jié)晶退火推薦采用低溫，長時(shí)間的退火工藝。如前所述，疲勞壽命要求高的彈簧，必須選用磨光鋼絲，但需要分清是退火磨光還是冷拉磨光。50CrV軟態(tài)鋼絲磨光時(shí)磨屑極易粘附到鋼絲表面，形成不規(guī)則小白點(diǎn)，所以盡可能采用冷拉磨光工藝，減少表面"白點(diǎn)"。
在表面質(zhì)量保證條件下，夾雜含量就成為影響疲勞壽命的最重要因素，所以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，需方有要求時(shí)可增加非金屬夾雜物，石墨碳檢驗(yàn)。
(2)YB/T5104-93《油淬火-回火硅錳合金彈簧鋼絲》和YB/T5105-93《閥門用油淬火-回火鉻硅合金彈簧鋼絲》。
使用油淬火回火合金彈簧鋼絲制簧后,不需要再進(jìn)行淬回火處理，只要象冷拉碳素彈簧鋼絲一樣進(jìn)行消除應(yīng)力處理即可使用，深受歡迎，直徑14.0mm以下合金彈簧越來越多地使用這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。
YB/T5104-93分3種類別供貨，A類適用于中等載荷的靜態(tài)彈簧，B類適用于中等載荷，中等疲勞壽命的動(dòng)態(tài)彈簧，C類適用于較高應(yīng)力狀態(tài)的動(dòng)態(tài)簧，如汽車懸掛彈簧。YB/T5105-93適用于承受劇烈動(dòng)負(fù)荷的發(fā)動(dòng)機(jī)的閥門彈簧。