床墊彈簧有什麼特點:高碳錳鋼、鈦銅鋼、琴線鋼彈簧?

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台灣床墊市場行銷仍停留在比較床墊材料的階段,大部分廠商宣傳時,重點多在突出使用了哪些材料,其中彈簧就是一個例子。目前市場上出現高碳錳鋼彈簧、鈦銅鋼彈簧、琴線鋼彈簧、鈦合金彈簧,這些彈簧有什麼特點呢?選擇床墊時需要考慮這些彈簧嗎?本文將介紹這幾年市場上出現的幾種床墊彈簧材質,讀者也可以藉此了解這些彈簧到底有什麼特別之處。

床墊彈簧材料的條件

自從彈簧成為床墊材料中的選項後,對於製造彈簧的材料就開始成為研究的焦點之一。理想的彈簧材料的最基本的條件是強度高、耐疲勞、重量輕、耐腐蝕等,這些特性對於床墊性能上能發揮的作用都不難理解。

  • 強度高:能承受更大的重量而不會輕易產生彈簧鋼絲斷裂的嚴重問題。
  • 耐疲勞:能夠長久使用,彈簧不會產生永久變形,能恢復到原來狀態,一般床墊使用的彈簧會經過耐疲勞反覆滾壓測試,以 3 萬次循環來作基本測試,觀察彈簧永久型變的位移變化,簡單說就是反覆滾壓 3 萬次,彈簧高度是否改變,改變多少,是否在可接受範圍。目前品質優良的床墊彈簧幾乎都能輕易超過 10 年壽命,可以說彈簧是床墊中最不易損壞的零件之一。
  • 重量輕:床墊輕易於搬運,具有經濟上與使用便利的價值。
  • 耐腐蝕:人體在經過一晚正常約 7 到 9 個小時的睡眠後,體內的水分會自然蒸散約300cc,除了散逸到空氣外,部分可能經由床墊吸收再散逸。因此床墊彈簧基本上要保持強力的耐腐蝕、不生鏽狀態。
  • 彈性模量:任何材料都會有其彈性模量,這是衡量材料型變恢復的容易度,通常用彈性模量來計算。彈性模量小,材料容易型變,參考下圖,大部分鋼材的彈性模量數值差別很小。

如果材料能夠滿足以上的要求,那麼就是適合最為彈簧的材料。不過即使如此,在應用上除了考慮力學性能符合要求外,同時考慮的還有使用環境與經濟成本問題。

常見材料的彈性模量Gpa與蒲松比Poissons-ratio

什麼是彈性模量
彈性模量可視為衡量材料產生彈性變形難易程度的指標,其值越大,使材料發生一定彈性變形的應力也越大,即材料剛度越大,亦即在一定應力作用下,發生彈性變形越小。

常見的床墊彈簧材料

選擇彈簧材料時,應考慮其用途、使用條件(載荷性質、大小及迴圈特性、工作持續時間、工作溫度等)以及加工、熱處理和經濟性等因素。為了保障彈簧能夠可靠地工作,材料除應滿足具有較高的強度極限和屈服極限外,還必須具有較高的彈性極限、疲勞極限、衝擊韌性、塑性和良好的熱處理工藝性等。

一般常見實踐中應用最廣泛的就是彈簧鋼,其品種又有碳素彈簧鋼、低錳彈簧鋼、矽錳彈簧鋼和鉻釩鋼等。

  • 碳素彈簧鋼:價格便宜、來源方便,但彈性極限略低。
  • 低錳彈簧鋼:淬透性好、強度較高,淬火後易產生裂紋。
  • 矽錳彈簧鋼:彈性極限高,回火穩定性好,力學性能良好。
  • 鉻釩鋼:耐疲勞和抗衝擊性能好,價格貴,用於要求高的場合。

而鋼材發展過程中,就是透過特殊元素來調整其性能,例如:碳、錳、矽、磷與硫或是其他少數元素。

班尼斯選用高碳錳鋼彈簧

由於各國標準不同,台灣常見中鋼出品是以日本標準通用型號JIS 3506的硬鋼線作為床墊獨立筒彈簧。以台製獨立筒彈簧鋼材來說,常見的是SWRH67A、SWRH67B、SWRH72A、SWRH 72B 等型號的硬鋼線鋼材,SWRH是高碳鋼(High carbon steel wire rods)的簡稱,每種型號的微量元素含量不同,剛性、韌性等也會不同。

中鋼條鋼線材產品生產流程圖
中鋼條鋼線材產品生產流程圖

以班尼斯為例,採用 SWRH 72B,在碳、錳比例比其它型號更高,增加了鋼材的強度、韌性,這個型號鋼材因為是高碳(碳含量超過 0.6 以上),並添加錳(錳金屬含量達 0.60~0.90%)等元素,又稱為高碳錳鋼,非常適合用來作為床墊彈簧使用。此外這個型號是以盤元出廠,再經由專業抽絲廠進行抽絲為預定線徑,再到獨立筒製造廠。

JIS G 3506硬鋼線化學成分表。這種硬鋼線其實就是高碳錳鋼。
JIS G 3506硬鋼線化學成分表

獨立筒製造廠主要依靠自動化機台來製造獨立筒條。獨立筒彈簧一般在自動生產線上製作,好的機台可以從卷簧到裝袋、膠合等一次完成。生產線通常由送料、制簧、電擊加熱、裝袋、縫合、膠黏等工序。其中電擊加熱是為了消除鋼絲捲成彈簧後的應力,需要足夠的電擊熱度,電擊時產生的火花為紅色,這與溫度有關

普遍壓縮彈簧選用鉛浴等溫淬火冷拔鋼絲(碳素彈簧鋼絲、琴鋼絲)和油淬火回火彈簧鋼絲。用這些鋼絲冷卷制成的彈簧,不需淬火處理,但必須進行去應力退火。去應力退火通常簡稱為回火,有時也稱消除應力回火或去應力回火。去應力退火溫度,通常在150~350℃的範圍內選取。去應力退火的目的是:消除彈簧冷卷成形的內應力、穩定彈簧尺寸、提高金屬絲的抗拉強度和彈性極限。
普遍壓縮彈簧選用鉛浴等溫淬火冷拔鋼絲(碳素彈簧鋼絲、琴鋼絲)和油淬火回火彈簧鋼絲。用這些鋼絲冷卷制成的彈簧,不需淬火處理,但必須進行去應力退火。去應力退火通常簡稱為回火,有時也稱消除應力回火或去應力回火。去應力退火溫度,通常在150~350℃的範圍內選取。去應力退火的目的是:消除彈簧冷卷成形的內應力、穩定彈簧尺寸、提高金屬絲的抗拉強度和彈性極限。

有些舊型的機器產生的火花偏白光,代表電力較為不足,這時為了增加導電性,就必須先在彈簧上抹油,才能讓電熱順利傳導。

回火的溫度一般在 250 到 350 度之間,有些業者會將煉鋼時的高溫焠火溫度與製簧時的回火消除應力搞錯,或是將煉鋼製程也納入宣傳,這些都是對獨立筒彈簧認識不足。

班尼斯的獨立筒不僅從選擇材料上特別講究,同時也會確認製造商的機台,好的自動化機台能夠良好運用材料,製造出耐用的獨立筒彈簧。班尼斯的獨立筒彈簧經過驗證可以耐用 10 萬次彈簧耐用測試,這已足夠確保產品在正常使用下能夠滿足 10 年的負壓使用。

合金鋼材彈簧用途?為什麼用合金鋼材製造彈簧

由於歐美市場人體的體型普遍體重更重,BMI 值高者所在多有,成年人口超過 6 成屬於體重過重,一張雙人床可能要承重兩個成年人體重平均 160 公斤以上,如果考慮到 95%變異數,可能要承受 200 公斤的重量。因此床墊設計上必須考慮強化支撐層彈簧的耐用性,不僅剛度,還包含耐疲勞性等,因此合金鋼材成為其中的選項。

即使大部份的床墊仍然使用傳統高碳鋼材製造彈簧,但也有以合金鋼材為特色的產品出現,這些特別的鋼材其實通常運用在嚴苛環境的用途,例如:航空、航太、船舶、汽車等更強度要求更高,需要高壓、溫差大、海水腐蝕等環境下的長久穩定,於是太空船用的鋼材就進入了床墊,就如同太空總署的記憶棉,消費者總是喜歡這類的「高大上科技」產品。也許改天市場上就又出現太空彈簧+太空棉的高科技床墊,滿足不知情的消費者。

琴鋼線彈簧

琴鋼線又稱為樂器線(Musical Wire),也可以稱為鋼琴線,有優秀的抗拉(T/S)及耐疲乏性,適合用在樂器、手工具及懸吊、引擎閥門彈簧、機械彈簧等高壽命彈簧。依照日本標準是 JIS G 3522 的鋼材。

JIS G 3522 將琴鋼線區分為 A、B 及 V 三種類,其中 A 種琴鋼線能承受較高的應力極限(Maximum Stress)以及對於反覆負載具有極佳的抗疲勞特性。

台灣也有廠商以琴鋼線來製造床墊彈簧,主要是延長彈簧耐用的抗疲勞性。而琴鋼線之所以具有較佳的耐疲勞性是因為添加了些微的銅元素(0.2% 以下),其彈性模量與高碳鋼相等(剪切模量都是79000MPa),依照公式製造出來的彈簧與高碳鋼具相等的彈力,因此就彈簧的體感與高碳鋼並無明顯差別。

不過因為添加了銅元素,因此理論上彈簧的耐疲勞性能夠更好

鈦合金彈簧

鈦合金彈簧具有體積小,重量輕,耐腐蝕性優良和抗疲勞等優點。由於鈦合金材料的剪切模量(modulus of rigidity)比鋼材的大,彈性模量小於碳鋼,因此,所需彎成是圈數比鋼質彈簧少。即使兩種材料的比重相同,由於鈦合金彈簧使用的材料少,因而重量也比鋼質彈簧輕。在大多數情況下,鈦合金彈簧的比重比鋼質彈簧輕60%≈72%,而且鈦合金彈簧的高度設計也可以降低,可比鋼質彈簧低50%≈80%。

鈦合金因具有強度高、耐疲勞、耐腐蝕等性能而適合於做彈簧,鈦合金只有鋼鐵的 60﹪重量,鈦合金彈簧在高達 600℃ 下比所有金屬的強度都高,且在 -250℃ 超低溫下保持其機械性能,雖然我們不太有機會到太空睡覺,但看起來就很高科技。

鈦合金彈簧的疲勞強度(Fatigue strength)和屈強比(σ0.2/σb)都比較高,對抗裂紋擴展性和抗疲勞性(Fatigue resistance)都比其它金屬彈簧要好。

屈強比越大,結構零件的可靠性越高,一般碳素鋼屈強比為 0.6-0.65,而鈦的屈強比較高,一般在 0.70~0.95 之間,變形抗力大。

鈦合金彈簧的另一個優點是耐腐蝕性。在標準鹽霧腐蝕疲勞試驗中,一般鋼質彈簧的疲勞壽命比在空氣中下降50%。在相同的試驗中,鈦合金彈簧的疲勞壽命僅比空氣中下降4%。而且與鋼質彈簧不同的是,鈦合金彈簧不需要保護塗層、鍍層

因此一般來說鈦合金彈簧多半用在外太空、飛機等重要機件,用在床墊上似乎有殺雞用牛刀的問題,不過某個程度,這已經不是材料學,而是行銷學的課題。

使用鈦合金彈簧作為床墊彈簧最有名的當屬美國 3S1K 四大品牌中的席伊麗 Sealy。席伊麗在十幾年前就開始採用鈦合金彈簧來作為床墊彈簧,不過主要是開口彈簧,與獨立筒有一定差別。鈦合金彈簧雖然性能優越,但缺點就是成本高,相較於市場常用的高碳鋼彈簧,成本增加數倍。以鈦合金彈簧製造床墊,其成本恐占床墊整體成本40%以上,甚至更高,因此一般床墊中採用的業者不多,僅應用在高單價品牌上。

什麼是鈦銅鋼?鈦銅鋼彈簧不是鈦銅鋼

鈦銅(titanium copper)是一種中間合金,是在銅金屬添加鈦(Ti),具有高彈性、耐高溫特性優良等特性,可以應用於電子材料中,但這與時下被熱炒的鈦銅鋼完全不是相同的材料與概念。

最近台灣床墊市場一直被熱炒的是鈦銅鋼彈簧床墊,這款來自德國知名床墊彈簧製造商AGRO「秘密」推出的彈簧,成為床墊業者炒作的題材。說它秘密是因為AGRO官網上並沒有這款產品的介紹,業者投入市場試水溫的姿態,也許是它高額定價的預行銷熱身最大的理由,那麼它有什麼魔力呢?

小編在採購AGRO獨立筒彈簧時,也聽過進口商介紹這款型號,不過因為與班尼斯既定的床墊設計系列理念仍未有交匯之處,因此一直沒有將它納入材料採購清單。

鈦銅鋼是德國 AGRO 公司所推出的 A.TiCu-S 獨立筒彈簧,這是一種鈦微合金化(microalloying)鋼材。這種工藝利用添加微量鈦的鋼材來製造彈簧,在熱軋過程中的最佳混合比和特殊的溫度控制形成了細化的晶粒結構。

AGRO 並在這種鋼材外表塗佈銅元素,因此稱為鈦銅鋼。A 代表 Agro,Ti 是鈦金屬,Cu是銅,S 是表面。簡言之,這是一種將原有鋼材透過添加少量的鈦元素,並在表面添加銅,提高延展性並實現彈簧鋼絲的最大耐用性、表面抗菌性

AGRO A.TiCu-S 鈦銅鋼獨立筒彈簧。
AGRO A.TiCu-S 鈦銅鋼獨立筒彈簧。

微合金化技術

微合金化技術是 20 世紀 70 年代在國際冶金界出現的新型冶金學科。「微合金化」是指這些元素在鋼中的含量較低,通常低於 0.1%(品質分數)。微合金化處理是透過在鋼中加入微量的合金元素,可以明顯地改善材料的性能。鈦微合金化成本較低,能夠明顯細化奧氏體晶粒,提高材料的強度,具有廣泛的應用價值。

AGRO 宣稱 A.TiCu-S的耐用度和強度是普通鈦合金彈簧的兩倍,重量比傳統床墊減輕1/4,強度高,耐腐蝕性能好,最適合台灣潮濕的氣候。這些都是從彈簧材料中著手,強化彈簧鋼材的耐用度與耐疲勞性能。不過問題是,您需要床墊彈簧發揮多久的作用

以下針對幾種市場常見床墊彈簧鋼材作比較。

碳鋼高碳鋼高碳錳鋼琴鋼線彈簧鈦合金彈簧鈦銅鋼彈簧
標準型號品質不佳JIS G 3506JIS G 3506
DIN EN 12071
JIS G 3522鈦合金鋼微合金化鋼材
特性鋼性、韌性差鋼性、韌性普通鋼性、韌性優良優秀的抗拉(T/S)體積小,重量輕,耐腐蝕性優良和抗疲勞、剪切模量比鋼大,彈性模量小於碳鋼耐用度和強度是普通鈦合金彈簧的兩倍,重量比傳統床墊減輕1/4,強度高,耐腐蝕性能好
抗疲勞性較優最優最優
代表廠商大陸不明來源劣質品一般廠商使用班尼斯、
德國 AGRO
席夢思席伊麗 Sealy德國 AGRO
價格低到適中適中到高最高高到最高

床墊彈簧的選擇

床墊彈簧的選擇基本上還是依照圈徑、線徑、圈數決定其彈力,鋼材種類與耐疲勞度、耐腐蝕性關係較大。

合金鋼材不影響彈簧軟硬度與彈力

床墊彈簧即使採用不同的鋼材,但在設計每個彈簧的彈力仍然是依照相同的公式,只是不同材料的彈性模量不同,因此計算出的彈力就會不同。影響彈簧彈力主要仍是以圈徑、線徑、圈數、高度、鋼材彈性模量來綜合考量,而不同合金鋼材對於彈簧的影響主要是表現在耐疲勞性,簡單說就是可以用得更久

歐亞人口的體重不同

歐洲市場與亞洲市場有很大的差異。根據人體工學的人口數據顯示,歐美人士在體重比亞洲人平均重了 10~20 公斤,如果以雙人床來看,增加了 25 到 35 公斤的重量,因此床墊中承擔支撐作用的彈簧需要考慮這個重要影響因子。

床墊的消費與使用習慣

根據近年來一份關於睡眠市場的研究報告顯示:「一張床墊用終生」已成過去,床墊也有保質期。而基於床墊細菌滋生和人生各個階段睡眠標準的不同,人的一生至少需要更換8張床墊。

  1. 78.5% 的消費者認為床墊需要保質期。
  2. 47.7% 的消費者認為床墊的保質期在 4~6 年,認為床墊保質期在 10 年以上的僅占 12%。
  3. 進一步分析床墊需要保質期的原因,排在首位的是「床墊滋生蟎蟲以及細菌」,占 64.8%;其次是「床墊性能降低,不能匹配我的睡姿、體形」占 49.0%;然後是「床墊破損」占 45.4%。
  4. 大多數人認為 4~6 年需要更換一次床墊,但僅有 16.5% 的人基本做到了這個更換頻率,遠低於歐美國家約每 5 年更換一次床墊的頻率。

購買床墊的原因呢?最大宗的原因是:

  1. 床墊壞了(52.9%)。
  2. 床墊髒了(18.3%)。
  3. 買新房子(13.9%)。
  4. 此外調查顯示,「床墊變形,有塌陷、結塊」是消費者更換床墊的首要原因,占 41.07%。

這些數據其實顯示床墊市場逐漸發生改變,消費者更加重視床墊帶來的睡眠健康,也願意縮短床墊使用年限,甚至在床墊還不到損壞的階段就更換床墊,這個現象越年輕的族群越明顯。

床墊的損壞,包括變形、塌陷等問題,很大部分來自舒適層的改變,例如:人體壓痕的問題。床墊彈簧只要品質優良,幾乎所有業者都提供 10 年以上保固,這種信心其實顯示了床墊彈簧是床墊材料中最不容易損壞的部分,很多台灣早期陪伴家庭 20 年的傳統連結式彈簧床,都是因為彈簧穿透床墊裱布層才更換的例子,裱布或竹蓆破損,但拆開後,彈簧外表看起來還是堪用。

因此如果您計畫 10 年更換床墊,您會需要可以使用 15 年,甚至 20 年以上的彈簧嗎?這仍然是市場行銷學的課題。

如何看待床墊彈簧的材質與選擇

消費者對於床墊彈簧的選擇首先仍應該考慮彈簧的彈力需求,其次是品質,最後才是耐用性,理由很簡單,因為作為床墊中最耐用的材料,彈簧真正扮演的是合理支撐、抗干擾以及穩定性。

消費者在使用床墊時的核心首要是軟硬度以及支撐性能,其次才是透氣通風、導熱涼爽、抗菌防螨等進階效能,彈簧真正的力學作用就是軟硬度與支撐、抗干擾性能。

以使用者身材來評估彈性需求

以班尼斯選用的標準獨立筒彈簧,就是中鋼優良鋼材,並經過一流製程,確保回火,這是適用於普遍群眾的線徑、圈徑與圈數,偏好軟的消費者,可以選擇線徑更細或是圈徑較大。如果希望耐用,可以選擇線徑更細、圈徑較小,增加彈簧數量,減少每顆彈簧的平均承重。

班尼斯選用中鋼鋼材中的高碳錳鋼,在台灣製造的袋裝彈簧作為床墊支撐系統
Agro獨立筒也採用瑞士機台
班尼斯採用的AGRO德國桶型彈簧,圈徑6公分,線徑2.0mm,6.5圈、高18公分,採中心黏合,發揮獨立筒彈簧最大抗干擾特性。

如果希望彈簧能夠耐用更久,班尼斯也推出採用AGRO德國桶型彈簧,圈徑6公分,線徑2.0mm,6.5圈、高18公分,採中心黏合,發揮獨立筒彈簧最大抗干擾特性。中心黏合代表兩端都能自由壓縮,在阻尼特性上影響範圍。

市場上最常見的高碳錳鋼材質彈簧其實已經能夠滿足一定時間的堅固使用,當然進一步也要考慮業者的製程,不過這些資訊一般消費者多半無法取得,因此只要廠商能提出保固,並保證是台灣製品,品質基本上都有一定保障。

目前市場上需要注意的其實有幾點:

  1. 台灣進口彈簧多半從中國大陸占大多數,其次少部分在東南亞;高端市場則是從歐美進口。進口彈簧最關鍵的是:a.鋼材品質與b.製程自動化機械。中國大陸近年來在鋼材冶鍊上有很大的進步,高碳鋼的品質已經不是問題,但問題在於彈簧製造業者是否真的從知名鋼廠採購鋼材?更多的低價品其實是來自低劣的小廠製造的碳鋼,甚至是回收的鋼材,不僅雜質多、元素含量缺乏穩定,進而大幅影響彈簧的使用安全與壽命,這才是進口彈簧最關鍵的問題,問題在於不僅消費者無法辨識,即便是床墊製造同業也難以辨別。
  2. 台灣本地彈簧品質優良,因此選擇時應該確認床墊業者是否能提供足夠的證據或床墊的保固範圍,這才能確保購買的產品是符合一定品質的。
  3. 歐美特殊合金彈簧更適合體型高大、體重更重的使用者,如果是 BMI 值超過 35 以上,希望床墊更耐用,那麼特殊合金的彈簧是一種好選擇。
  4. 除此之外,BMI 值更高的使用者,其實更適合的是製造優良的連結式彈簧床墊,這種類型的彈簧比獨立筒彈簧更能提高支撐性、穩定性。
  5. 選購 AGRO 鈦銅鋼彈簧的床墊,應該要求廠商提出證明,因為這張床的彈簧成本可能高達 3 成以上,您有權利因為多付出的金錢要求合理的證據。當然,如果是中鋼鋼材製造的台灣彈簧,您也可以要求廠商提供文件證明,並提供合理保固。

以上是對於床墊彈簧材質的簡單介紹,希望能提供選擇床墊時更聰明的決策。


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