弹簧钢高强度化的现状及发展趋势

弹簧钢向高强度发展是当前弹簧钢生产和应用中表现出来的趋势。在日本，汽车、摩托车所用弹簧占弹簧钢生产总量的64.9%，从节能和经济性出发，要求汽车、摩托车减重，而减轻弹簧重量是这两个行业减重的一个重要方面，由此提出了开发新型高强度弹簧钢的要求。国内外近年来开展了大量的研究工作，以期进一步提高弹簧钢的强度水平和使用寿命。 高强度弹簧钢的现状 汽车、摩托车用弹簧钢可分悬架用弹簧钢和气门弹簧用弹簧钢。 1. 悬架弹簧钢 悬架用的弹簧可分为螺旋弹簧、钢板弹簧和扭杆弹簧。由于减小汽车、摩托车自身质量的要求，使得悬架各类弹簧的设计应力大幅度提高，尤其是变截面板簧的发展，不仅要求板簧在高应力下具有高的疲劳寿命，同时也要求板簧工作可靠并具有高的淬透性。目前弹簧钢的主要系列为Si－Mn系、Cr－Mn系、Cr－V系和Si－Cr系。Si－Mn系弹簧钢是用量最大的弹簧钢，以牌号60Si2Mn用量最大，在热轧弹簧钢中占总量的30%左右。对于淬透性要求较高的钢种，有的采用55SiVB钢，如EQ140汽车板簧等，但近年来由于其价格和交货硬度偏高，用量在下降。而大截面板簧和变截面板簧，多采用Cr－Mn钢和Cr－V钢系，对于厚度较大的变截面板簧则采用60CrMnB钢制造，如东风EQ153汽车变截面板簧就是用该钢制造的。 悬架弹簧经冷、热成形后，均需热处理。通常根据弹簧截面的大小选择淬透性合适的钢种，一般认为截面的中心应能达到80%的马氏体，弹簧才会具有较高的疲劳性能和冲击韧度，因此，淬透性是弹簧钢的重要指标。淬透性的高低决定了该类弹簧钢所能够制成的板簧的最大厚度。 在轿车上的螺旋悬架应用较多的是Si－Cr系弹簧钢(如美国SAE9254)。 这类钢的抗回火稳定性好，松弛抗力高，疲劳寿命较理想，但在一些微型车上，悬架螺簧也常用60Si2Mn或50CrVA钢。 扭杆弹簧结构简单，有利于车辆整体布置，在一些轿车和轻型车上应用，也有在重型军用车上应用的，如法国贝利埃军用车上的扭杆弹簧就用45SCD6、45MB5等。大截面高应力下则选用35NCD16、在CA6440和CA1020F上曾选用45CrNiMoVA钢作扭杆弹簧，后来已被价格更低的钢种替代。 悬架弹簧都要经过淬火和回火，热处理后的硬度是弹簧使用时的强度表征，也可通过硬度值估算弹簧钢的弹性极限和疲劳强度。淬火和回火硬度在500HBS以下时，硬度和疲劳强度呈线性关系，但硬度高时，会使弹簧钢的缺口敏感性增强，刚度和塑性下降。钢中的夹杂物和表面的缺陷都会成为疲劳裂纹源增加早期失效的危险。通常板簧的硬度在363～457HBS，螺旋悬架弹簧硬度在427～514HBS，扭杆悬架弹簧硬度在401～495HBS之间变动。 疲劳是悬架弹簧的重要特征，目前的几个系列，如Si－Mn系、Cr－Mn系及Cr－Mn－B系等，在强度级别相同、组织均为细密的回火托氏体的情况下，其钢材的旋转弯曲疲劳性能并无明显差异，但制成悬架弹簧之后，由于受冶炼条件、弹簧制造工艺、表面质量及附加强化工艺的影响，作为悬架弹簧的疲劳寿命可能会表现出明显差异。 2.气门弹簧钢 气门弹簧工作时承受高频交变负荷，一般发动机转速可达2000～5000r/min，气门弹簧的平均剪应力在500～800MPa，高则达到900～1000MPa，要求气门弹簧具有高的疲劳极限。另一方面气门弹簧在150～200℃的润滑油环境下工作，因此希望具有一定的耐热性，并希望对发动机排出气体具有良好的抗腐蚀性能。 目前，气门弹簧用材料大部分为油淬钢丝。油淬钢丝的性能均匀性好，硬度和强度范围较为一致，在冷卷成形后，只需进行消除应力回火。目前，这类钢丝已列入世界各国标准。另一类是退火状态供应的弹簧钢丝，这种弹簧钢丝要经绕簧、淬火和回火以达到所需的性能，然后进行喷丸强化处理。目前，气门弹簧钢丝的牌号为Si－Mn系、Cr－V系、Si－Cr系，以60Si2Mn、50CrV、55SiCr等钢种为多。 弹簧钢的高强度化和发展趋势 当今弹簧钢的发展趋势是向经济性和高性能化方向发展。国外现有弹簧钢牌号比较齐全，力学性能、淬透性和疲劳性能等基本上可以满足目前的生产和使用要求。 一方面是充分发挥现有弹簧钢的潜力，如改进生产工艺、采用新技术对成分进行某些调整等，进一步提高其性能，扩大应用范围，如针对发动机用高性能气门弹簧而提出的超纯净弹簧网； 另一方面是进行新钢种的研究开发，由于影响提高弹簧设计应力的两个最主要因素是抗疲劳和抗弹性减退，因而这两个因素成为当今弹簧钢钢种研究开发的主题。如日本近年来开发出UHS1900、UHS2000、ND120S等耐腐蚀疲劳的高强度弹簧钢和SRS60、ND250S等弹减抗力优良的高强度弹簧钢，附表是近年来日本研究开发的几种高强度弹簧钢，值得注意的是，高强度弹簧钢新钢种的开发，必须在提高钢的力学性能和应用性能的同时兼顾其经济性，才能被广大用户所接受。 我国常用钢材牌号为Si－Mn系，如55SiMnVB、55Si2Mn、60Si2Mn以及近年发展起来的低碳弹簧钢，如28MnSiB、35MnSiVB等，在我国弹簧钢标准中也有Cr－Mn系和Cr－V系，但由于我国资源情况，其价格较贵。另外还有高强度弹簧钢55SiMnVB钢，该材料短缺且其价格也较贵，不利于工业批量生产。 中低碳弹簧钢35MnSiB是近来研制的高强度弹簧钢，其轧制成材率高，脱碳层易于控制，加工性能好，具有淬透性高、抗淬火开裂能力强、强韧性匹配好、冲击韧度和断裂韧性高、松弛抗力适中等优点，而且所制板簧还有自由偏频低、平顺性好的特点。同时，这类钢由于碳含量下降，合金元素简单，可用顶吹转炉冶炼，并且实现连铸连轧，可以预测此类弹簧钢应用前景广泛。对于松弛抗力较高的弹簧可进一步提高中低碳弹簧钢的碳含量，也可用强烈的碳化物形成元素补充合金化，而35MnSiVB钢既有高淬透性，又有良好综合力学性能，同时轧制工艺性能好，是一种新的有发展前途的板弹簧用钢。 弹簧钢高强度化的研究进展 传统弹簧钢的强度水平难以满足现代工业发展的要求，众所周知，弹簧钢力学性能在材料质量保证的前提下取决于热处理工艺，而热处理工艺也应根据所用材料来决定，弹簧钢高强度化的一个重要途径是充分发挥合金元素的作用，达到最佳合金化效果。 1. 热处理 弹簧钢要求较高的强度和疲劳极限，一般在淬火＋中温回火的状态下使用，以获得较高的弹性极限。热处理工艺技术对弹簧内在质量有着至关重要的影响。因此，如何进一步提高弹簧疲劳寿命，需进一步研究，尤其是化学表面改性热处理、喷丸强化等都对弹簧疲劳寿命产生重要影响。 为进一步强化气门弹簧的表面强度、增加压应力、提高疲劳寿命，气门弹簧成形后，要进一步经过渗氮、低温液体碳氮共渗或硫氮共渗处理，然后经喷丸强化。例如，日本将f4mm的Si－Cr油淬钢丝经450℃×4.5h低温体碳氮共渗与经400℃×15min中温回火进行对比，其疲劳极限可提高240MPa。氮的渗入，不仅消除了脱碳的不良影响，而且还提高了残余压应力，同时经渗氮和低温液体碳氮共渗的气门弹簧高温强度提高，150℃时的变形量为0.2%(规定值为0.5%)，250℃的变形量为0.56%，提高了气门弹簧的热稳定性和抗松弛稳定性，但渗氮和液体碳氮共渗时间应严格控制，否则会形成网状硫化物和网状氮化物，反而会降低其疲劳强度。 气门弹簧提高强度的方法还可以选择喷丸，经生产实践表面气门弹簧喷丸可用两种丸粒，一种直径为0.8mm，其显微硬度为720HV0.2，另一种直径0.25mm，其显微硬度为800HV0.2，三次喷丸可达到较好的强化效果，又可使表面质量得到改善。 2. 合金化 碳是钢中的主要强化元素，对弹簧钢的影响往往超过其他合金元素。根据使用要求，弹簧钢材料应是中高碳的合金钢。当今世界各国普遍采用的弹簧钢，含碳量绝大部分在0.45%～0.65%。 为了克服弹簧钢强度提高后韧性和塑性降低的难题，也有降低碳含量的趋势。我国对低碳马氏体弹簧钢进行了深入的研究，如28MnSiB、35MnSiB等，其碳含量在0.30%左右。实践表明，这些弹簧钢可以在低温回火的板条状马氏体组织下使用，有足够强度和优良的综合力学性能，尤其是塑性、韧性极好。日本研究开发的几种高强度弹簧钢，如UHS1900、VHS2000、ND120S、ND250S等，碳含量均在0.40%左右。 合金元素在弹簧钢中的主要作用是提高力学性能、改善工艺性能及赋予某些特殊性能(如耐高温、耐蚀)等。 很多弹簧钢以硅为主要合金元素，它是对弹减抗力影响最大的合金元素，这主要是由于硅具有强烈的固溶强化作用；同时，硅能抑制渗碳体在回火过程中的晶核形成和长大，改变回火时析出碳化物的数量、尺寸和形态，提高钢的回火稳定性。 目前，国内钢材牌号中wsi为1.8%～2.2%，是现有标准中含硅最高的弹簧钢。但硅含量如果过高，将促进钢在轧制和热处理过程中的脱碳和石墨化倾向，并且使冶炼困难和易形成夹杂物，因此，过高硅含量弹簧钢的使用仍需慎重。 由于铬能够显著提高钢的淬透性，阻止Si－Cr钢球化退火时的石墨化倾向，减少脱碳层，因此是弹簧钢中的常用合金元素，以铬为主要强化元素的弹簧钢50CrV使用较广泛。锰是提高淬透性最有效的合金元素，它溶入铁素体中有固溶性化作用。研究表明，wMn必须大于0.5%，以使淬火时弹簧钢心部完全较变为马氏体，但当wMn超过1.5%时，韧性明显下降，这在选择弹簧钢时应优先考虑的。 钼可以提高钢的淬透性，防止回火脆性，改善疲劳性能，现有标准中加钼的弹簧钢不多，加入量一般在0.4%以下。钒是强碳化物形成元素，固态下所析出的细小弥散的MC型碳化物具有很强的沉淀强化效果。在35CrMnB钢中加入0.11%V，可显著提高钢的淬透性，还发现钒能有效降低35SiMnB钢的脱碳敏感性，认为这与钒降低钢中有效固溶碳、防止晶粒长大和阻止晶界扩散并提高抗氧化性有关。 冶金工业和汽车、摩托车工业的紧密结合和合作，不仅会进一步促进弹簧钢的高强度化，促使弹簧性能的全面提升，同时也为汽车、摩托车工业的发展、竞争能力的提高提供了材料基础，因此，值得大力关注。