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彈簧鋼高強度化的現狀及發展趨勢
作者：admin 發布于：2023-7-27 7:40 Thursday
彈簧鋼向高強度發展是當前彈簧鋼生產和應用中表現出來的趨勢。在日本，汽車、摩托車所用彈簧占彈簧鋼生產總量的64.9%，從節能和經濟性出發，要求汽車、摩托車減重，而減輕彈簧重量是這兩個行業減重的一個重要方面，由此提出了開發新型高強度彈簧鋼的要求。國內外近年來開展了大量的研究工作，以期進一步提高彈簧鋼的強度水平和使用壽命。
高強度彈簧鋼的現狀
汽車、摩托車用彈簧鋼可分懸架用彈簧鋼和氣門彈簧用彈簧鋼。
1. 懸架彈簧鋼
懸架用的彈簧可分為螺旋彈簧、鋼板彈簧和扭桿彈簧。由于減小汽車、摩托車自身質量的要求，使得懸架各類彈簧的設計應力大幅度提高，尤其是變截面板簧的發展，不僅要求板簧在高應力下具有高的疲勞壽命，同時也要求板簧工作可靠并具有高的淬透性。目前彈簧鋼的主要系列為Si－Mn系、Cr－Mn系、Cr－V系和Si－Cr系。Si－Mn系彈簧鋼是用量最大的彈簧鋼，以牌號60Si2Mn用量最大，在熱軋彈簧鋼中占總量的30%左右。對于淬透性要求較高的鋼種，有的采用55SiVB鋼，如EQ140汽車板簧等，但近年來由于其價格和交貨硬度偏高，用量在下降。而大截面板簧和變截面板簧，多采用Cr－Mn鋼和Cr－V鋼系，對于厚度較大的變截面板簧則采用60CrMnB鋼制造，如東風EQ153汽車變截面板簧就是用該鋼制造的。
懸架彈簧經冷、熱成形后，均需熱處理。通常根據彈簧截面的大小選擇淬透性合適的鋼種，一般認為截面的中心應能達到80%的馬氏體，彈簧才會具有較高的疲勞性能和沖擊韌度，因此，淬透性是彈簧鋼的重要指標。淬透性的高低決定了該類彈簧鋼所能夠制成的板簧的最大厚度。
在轎車上的螺旋懸架應用較多的是Si－Cr系彈簧鋼(如美國SAE9254)。這類鋼的抗回火穩定性好，松弛抗力高，疲勞壽命較理想，但在一些微型車上，懸架螺簧也常用60Si2Mn或50CrVA鋼。
扭桿彈簧結構簡單，有利于車輛整體布置，在一些轎車和輕型車上應用，也有在重型軍用車上應用的，如法國貝利埃軍用車上的扭桿彈簧就用45SCD6、45MB5等。大截面高應力下則選用35NCD16、在CA6440和CA1020F上曾選用45CrNiMoVA鋼作扭桿彈簧，后來已被價格更低的鋼種替代。
懸架彈簧都要經過淬火和回火，熱處理后的硬度是彈簧使用時的強度表征，也可通過硬度值估算彈簧鋼的彈性極限和疲勞強度。淬火和回火硬度在500HBS以下時，硬度和疲勞強度呈線性關系，但硬度高時，會使彈簧鋼的缺口敏感性增強，剛度和塑性下降。鋼中的夾雜物和表面的缺陷都會成為疲勞裂紋源增加早期失效的危險。通常板簧的硬度在363～457HBS，螺旋懸架彈簧硬度在427～514HBS，扭桿懸架彈簧硬度在401～495HBS之間變動。
疲勞是懸架彈簧的重要特征，目前的幾個系列，如Si－Mn系、Cr－Mn系及Cr－Mn－B系等，在強度級別相同、組織均為細密的回火托氏體的情況下，其不銹鋼碳素鋼復合管的旋轉彎曲疲勞性能并無明顯差異，但制成懸架彈簧之后，由于受冶煉條件、彈簧制造工藝、表面質量及附加強化工藝的影響，作為懸架彈簧的疲勞壽命可能會表現出明顯差異。
2.氣門彈簧鋼
氣門彈簧工作時承受高頻交變負荷，一般發動機轉速可達2000～5000r/min，氣門彈簧的平均剪應力在500～800MPa，高則達到900～1000MPa，要求氣門彈簧具有高的疲勞極限。另一方面氣門彈簧在150～200℃的潤滑油環境下工作，因此希望具有一定的耐熱性，并希望對發動機排出氣體具有良好的抗腐蝕性能。
目前，氣門彈簧用材料大部分為油淬鋼絲。油淬鋼絲的性能均勻性好，硬度和強度范圍較為一致，在冷卷成形后，只需進行消除應力回火。目前，這類鋼絲已列入世界各國標準。另一類是退火狀態供應的彈簧鋼絲，這種彈簧鋼絲要經繞簧、淬火和回火以達到所需的性能，然后進行噴丸強化處理。目前，氣門彈簧鋼絲的牌號為Si－Mn系、Cr－V系、Si－Cr系，以60Si2Mn、50CrV、55SiCr等鋼種為多。
彈簧鋼的高強度化和發展趨勢
當今彈簧鋼的發展趨勢是向經濟性和高性能化方向發展。國外現有彈簧鋼牌號比較齊全，力學性能、淬透性和疲勞性能等基本上可以滿足目前的生產和使用要求。一方面是充分發揮現有彈簧鋼的潛力，如改進生產工藝、采用新技術對成分進行某些調整等，進一步提高其性能，擴大應用范圍，如針對發動機用高性能氣門彈簧而提出的超純凈彈簧網；另一方面是進行新鋼種的研究開發，由于影響提高彈簧設計應力的兩個最主要因素是抗疲勞和抗彈性減退，因而這兩個因素成為當今彈簧鋼鋼種研究開發的主題。如日本近年來開發出UHS1900、UHS2000、ND120S等耐腐蝕疲勞的高強度彈簧鋼和SRS60、ND250S等彈減抗力優良的高強度彈簧鋼，附表是近年來日本研究開發的幾種高強度彈簧鋼，值得注意的是，高強度彈簧鋼新鋼種的開發，必須在提高鋼的力學性能和應用性能的同時兼顧其經濟性，才能被廣大用戶所接受。
我國常用不銹鋼碳素鋼復合管牌號為Si－Mn系，如55SiMnVB、55Si2Mn、60Si2Mn以及近年發展起來的低碳彈簧鋼，如28MnSiB、35MnSiVB等，在我國彈簧鋼標準中也有Cr－Mn系和Cr－V系，但由于我國資源情況，其價格較貴。另外還有高強度彈簧鋼55SiMnVB鋼，該材料短缺且其價格也較貴，不利于工業批量生產。
中低碳彈簧鋼35MnSiB是近來研制的高強度彈簧鋼，其軋制成材率高，脫碳層易于控制，加工性能好，具有淬透性高、抗淬火開裂能力強、強韌性匹配好、沖擊韌度和斷裂韌性高、松弛抗力適中等優點，而且所制板簧還有自由偏頻低、平順性好的特點。同時，這類鋼由于碳含量下降，合金元素簡單，可用頂吹轉爐冶煉，并且實現連鑄連軋，可以預測此類彈簧鋼應用前景廣泛。對于松弛抗力較高的彈簧可進一步提高中低碳彈簧鋼的碳含量，也可用強烈的碳化物形成元素補充合金化，而35MnSiVB鋼既有高淬透性，又有良好綜合力學性能，同時軋制工藝性能好，是一種新的有發展前途的板彈簧用鋼。
彈簧鋼高強度化的研究進展
傳統彈簧鋼的強度水平難以滿足現代工業發展的要求，眾所周知，彈簧鋼力學性能在材料質量保證的前提下取決于熱處理工藝，而熱處理工藝也應根據所用材料來決定，彈簧鋼高強度化的一個重要途徑是充分發揮合金元素的作用，達到最佳合金化效果。
1. 熱處理
彈簧鋼要求較高的強度和疲勞極限，一般在淬火＋中溫回火的狀態下使用，以獲得較高的彈性極限。熱處理工藝技術對彈簧內在質量有著至關重要的影響。因此，如何進一步提高彈簧疲勞壽命，需進一步研究，尤其是化學表面改性熱處理、噴丸強化等都對彈簧疲勞壽命產生重要影響。為進一步強化氣門彈簧的表面強度、增加壓應力、提高疲勞壽命，氣門彈簧成形后，要進一步經過滲氮、低溫液體碳氮共滲或硫氮共滲處理，然后經噴丸強化。例如，日本將f4mm的Si－Cr油淬鋼絲經450℃×4.5h低溫體碳氮共滲與經400℃×15min中溫回火進行對比，其疲勞極限可提高240MPa。氮的滲入，不僅消除了脫碳的不良影響，而且還提高了殘余壓應力，同時經滲氮和低溫液體碳氮共滲的氣門彈簧高溫強度提高，150℃時的變形量為0.2%(規定值為0.5%)，250℃的變形量為0.56%，提高了氣門彈簧的熱穩定性和抗松弛穩定性，但滲氮和液體碳氮共滲時間應嚴格控制，否則會形成網狀硫化物和網狀氮化物，反而會降低其疲勞強度。
氣門彈簧提高強度的方法還可以選擇噴丸，經生產實踐表面氣門彈簧噴丸可用兩種丸粒，一種直徑為0.8mm，其顯微硬度為720HV0.2，另一種直徑0.25mm，其顯微硬度為800HV0.2，三次噴丸可達到較好的強化效果，又可使表面質量得到改善。
2. 合金化
碳是鋼中的主要強化元素，對彈簧鋼的影響往往超過其他合金元素。根據使用要求，彈簧不銹鋼碳素鋼復合管料應是中高碳的合金鋼。當今世界各國普遍采用的彈簧鋼，含碳量絕大部分在0.45%～0.65%。
為了克服彈簧鋼強度提高后韌性和塑性降低的難題，也有降低碳含量的趨勢。我國對低碳馬氏體彈簧鋼進行了深入的研究，如28MnSiB、35MnSiB等，其碳含量在0.30%左右。實踐表明，這些彈簧鋼可以在低溫回火的板條狀馬氏體組織下使用，有足夠強度和優良的綜合力學性能，尤其是塑性、韌性極好。日本研究開發的幾種高強度彈簧鋼，如UHS1900、VHS2000、ND120S、ND250S等，碳含量均在0.40%左右。
合金元素在彈簧鋼中的主要作用是提高力學性能、改善工藝性能及賦予某些特殊性能(如耐高溫、耐蝕)等。
很多彈簧鋼以硅為主要合金元素，它是對彈減抗力影響最大的合金元素，這主要是由于硅具有強烈的固溶強化作用；同時，硅能抑制滲碳體在回火過程中的晶核形成和長大，改變回火時析出碳化物的數量、尺寸和形態，提高鋼的回火穩定性。目前，國內不銹鋼碳素鋼復合管牌號中wsi為1.8%～2.2%，是現有標準中含硅最高的彈簧鋼。但硅含量如果過高，將促進鋼在軋制和熱處理過程中的脫碳和石墨化傾向，并且使冶煉困難和易形成夾雜物，因此，過高硅含量彈簧鋼的使用仍需慎重。
由于鉻能夠顯著提高鋼的淬透性，阻止Si－Cr鋼球化退火時的石墨化傾向，減少脫碳層，因此是彈簧鋼中的常用合金元素，以鉻為主要強化元素的彈簧鋼50CrV使用較廣泛。
錳是提高淬透性最有效的合金元素，它溶入鐵素體中有固溶性化作用。研究表明，wMn必須大于0.5%，以使淬火時彈簧鋼心部完全較變為馬氏體，但當wMn超過1.5%時，韌性明顯下降，這在選擇彈簧鋼時應優先考慮的。
鉬可以提高鋼的淬透性，防止回火脆性，改善疲勞性能，現有標準中加鉬的彈簧鋼不多，加入量一般在0.4%以下。
釩是強碳化物形成元素，固態下所析出的細小彌散的MC型碳化物具有很強的沉淀強化效果。在35CrMnB鋼中加入0.11%V，可顯著提高鋼的淬透性，還發現釩能有效降低35SiMnB鋼的脫碳敏感性，認為這與釩降低鋼中有效固溶碳、防止晶粒長大和阻止晶界擴散并提高抗氧化性有關。
冶金工業和汽車、摩托車工業的緊密結合和合作，不僅會進一步促進彈簧鋼的高強度化，促使彈簧性能的全面提升，同時也為汽車、摩托車工業的發展、競爭能力的提高提供了材料基礎，因此，值得大力關注。(冶金報)
高強度彈簧鋼的現狀
汽車、摩托車用彈簧鋼可分懸架用彈簧鋼和氣門彈簧用彈簧鋼。
1. 懸架彈簧鋼
懸架用的彈簧可分為螺旋彈簧、鋼板彈簧和扭桿彈簧。由于減小汽車、摩托車自身質量的要求，使得懸架各類彈簧的設計應力大幅度提高，尤其是變截面板簧的發展，不僅要求板簧在高應力下具有高的疲勞壽命，同時也要求板簧工作可靠并具有高的淬透性。目前彈簧鋼的主要系列為Si－Mn系、Cr－Mn系、Cr－V系和Si－Cr系。Si－Mn系彈簧鋼是用量最大的彈簧鋼，以牌號60Si2Mn用量最大，在熱軋彈簧鋼中占總量的30%左右。對于淬透性要求較高的鋼種，有的采用55SiVB鋼，如EQ140汽車板簧等，但近年來由于其價格和交貨硬度偏高，用量在下降。而大截面板簧和變截面板簧，多采用Cr－Mn鋼和Cr－V鋼系，對于厚度較大的變截面板簧則采用60CrMnB鋼制造，如東風EQ153汽車變截面板簧就是用該鋼制造的。
懸架彈簧經冷、熱成形后，均需熱處理。通常根據彈簧截面的大小選擇淬透性合適的鋼種，一般認為截面的中心應能達到80%的馬氏體，彈簧才會具有較高的疲勞性能和沖擊韌度，因此，淬透性是彈簧鋼的重要指標。淬透性的高低決定了該類彈簧鋼所能夠制成的板簧的最大厚度。
在轎車上的螺旋懸架應用較多的是Si－Cr系彈簧鋼(如美國SAE9254)。這類鋼的抗回火穩定性好，松弛抗力高，疲勞壽命較理想，但在一些微型車上，懸架螺簧也常用60Si2Mn或50CrVA鋼。
扭桿彈簧結構簡單，有利于車輛整體布置，在一些轎車和輕型車上應用，也有在重型軍用車上應用的，如法國貝利埃軍用車上的扭桿彈簧就用45SCD6、45MB5等。大截面高應力下則選用35NCD16、在CA6440和CA1020F上曾選用45CrNiMoVA鋼作扭桿彈簧，后來已被價格更低的鋼種替代。
懸架彈簧都要經過淬火和回火，熱處理后的硬度是彈簧使用時的強度表征，也可通過硬度值估算彈簧鋼的彈性極限和疲勞強度。淬火和回火硬度在500HBS以下時，硬度和疲勞強度呈線性關系，但硬度高時，會使彈簧鋼的缺口敏感性增強，剛度和塑性下降。鋼中的夾雜物和表面的缺陷都會成為疲勞裂紋源增加早期失效的危險。通常板簧的硬度在363～457HBS，螺旋懸架彈簧硬度在427～514HBS，扭桿懸架彈簧硬度在401～495HBS之間變動。
疲勞是懸架彈簧的重要特征，目前的幾個系列，如Si－Mn系、Cr－Mn系及Cr－Mn－B系等，在強度級別相同、組織均為細密的回火托氏體的情況下，其不銹鋼碳素鋼復合管的旋轉彎曲疲勞性能并無明顯差異，但制成懸架彈簧之后，由于受冶煉條件、彈簧制造工藝、表面質量及附加強化工藝的影響，作為懸架彈簧的疲勞壽命可能會表現出明顯差異。
2.氣門彈簧鋼
氣門彈簧工作時承受高頻交變負荷，一般發動機轉速可達2000～5000r/min，氣門彈簧的平均剪應力在500～800MPa，高則達到900～1000MPa，要求氣門彈簧具有高的疲勞極限。另一方面氣門彈簧在150～200℃的潤滑油環境下工作，因此希望具有一定的耐熱性，并希望對發動機排出氣體具有良好的抗腐蝕性能。
目前，氣門彈簧用材料大部分為油淬鋼絲。油淬鋼絲的性能均勻性好，硬度和強度范圍較為一致，在冷卷成形后，只需進行消除應力回火。目前，這類鋼絲已列入世界各國標準。另一類是退火狀態供應的彈簧鋼絲，這種彈簧鋼絲要經繞簧、淬火和回火以達到所需的性能，然后進行噴丸強化處理。目前，氣門彈簧鋼絲的牌號為Si－Mn系、Cr－V系、Si－Cr系，以60Si2Mn、50CrV、55SiCr等鋼種為多。
彈簧鋼的高強度化和發展趨勢
當今彈簧鋼的發展趨勢是向經濟性和高性能化方向發展。國外現有彈簧鋼牌號比較齊全，力學性能、淬透性和疲勞性能等基本上可以滿足目前的生產和使用要求。一方面是充分發揮現有彈簧鋼的潛力，如改進生產工藝、采用新技術對成分進行某些調整等，進一步提高其性能，擴大應用范圍，如針對發動機用高性能氣門彈簧而提出的超純凈彈簧網；另一方面是進行新鋼種的研究開發，由于影響提高彈簧設計應力的兩個最主要因素是抗疲勞和抗彈性減退，因而這兩個因素成為當今彈簧鋼鋼種研究開發的主題。如日本近年來開發出UHS1900、UHS2000、ND120S等耐腐蝕疲勞的高強度彈簧鋼和SRS60、ND250S等彈減抗力優良的高強度彈簧鋼，附表是近年來日本研究開發的幾種高強度彈簧鋼，值得注意的是，高強度彈簧鋼新鋼種的開發，必須在提高鋼的力學性能和應用性能的同時兼顧其經濟性，才能被廣大用戶所接受。
我國常用不銹鋼碳素鋼復合管牌號為Si－Mn系，如55SiMnVB、55Si2Mn、60Si2Mn以及近年發展起來的低碳彈簧鋼，如28MnSiB、35MnSiVB等，在我國彈簧鋼標準中也有Cr－Mn系和Cr－V系，但由于我國資源情況，其價格較貴。另外還有高強度彈簧鋼55SiMnVB鋼，該材料短缺且其價格也較貴，不利于工業批量生產。
中低碳彈簧鋼35MnSiB是近來研制的高強度彈簧鋼，其軋制成材率高，脫碳層易于控制，加工性能好，具有淬透性高、抗淬火開裂能力強、強韌性匹配好、沖擊韌度和斷裂韌性高、松弛抗力適中等優點，而且所制板簧還有自由偏頻低、平順性好的特點。同時，這類鋼由于碳含量下降，合金元素簡單，可用頂吹轉爐冶煉，并且實現連鑄連軋，可以預測此類彈簧鋼應用前景廣泛。對于松弛抗力較高的彈簧可進一步提高中低碳彈簧鋼的碳含量，也可用強烈的碳化物形成元素補充合金化，而35MnSiVB鋼既有高淬透性，又有良好綜合力學性能，同時軋制工藝性能好，是一種新的有發展前途的板彈簧用鋼。
彈簧鋼高強度化的研究進展
傳統彈簧鋼的強度水平難以滿足現代工業發展的要求，眾所周知，彈簧鋼力學性能在材料質量保證的前提下取決于熱處理工藝，而熱處理工藝也應根據所用材料來決定，彈簧鋼高強度化的一個重要途徑是充分發揮合金元素的作用，達到最佳合金化效果。
1. 熱處理
彈簧鋼要求較高的強度和疲勞極限，一般在淬火＋中溫回火的狀態下使用，以獲得較高的彈性極限。熱處理工藝技術對彈簧內在質量有著至關重要的影響。因此，如何進一步提高彈簧疲勞壽命，需進一步研究，尤其是化學表面改性熱處理、噴丸強化等都對彈簧疲勞壽命產生重要影響。為進一步強化氣門彈簧的表面強度、增加壓應力、提高疲勞壽命，氣門彈簧成形后，要進一步經過滲氮、低溫液體碳氮共滲或硫氮共滲處理，然后經噴丸強化。例如，日本將f4mm的Si－Cr油淬鋼絲經450℃×4.5h低溫體碳氮共滲與經400℃×15min中溫回火進行對比，其疲勞極限可提高240MPa。氮的滲入，不僅消除了脫碳的不良影響，而且還提高了殘余壓應力，同時經滲氮和低溫液體碳氮共滲的氣門彈簧高溫強度提高，150℃時的變形量為0.2%(規定值為0.5%)，250℃的變形量為0.56%，提高了氣門彈簧的熱穩定性和抗松弛穩定性，但滲氮和液體碳氮共滲時間應嚴格控制，否則會形成網狀硫化物和網狀氮化物，反而會降低其疲勞強度。
氣門彈簧提高強度的方法還可以選擇噴丸，經生產實踐表面氣門彈簧噴丸可用兩種丸粒，一種直徑為0.8mm，其顯微硬度為720HV0.2，另一種直徑0.25mm，其顯微硬度為800HV0.2，三次噴丸可達到較好的強化效果，又可使表面質量得到改善。
2. 合金化
碳是鋼中的主要強化元素，對彈簧鋼的影響往往超過其他合金元素。根據使用要求，彈簧不銹鋼碳素鋼復合管料應是中高碳的合金鋼。當今世界各國普遍采用的彈簧鋼，含碳量絕大部分在0.45%～0.65%。
為了克服彈簧鋼強度提高后韌性和塑性降低的難題，也有降低碳含量的趨勢。我國對低碳馬氏體彈簧鋼進行了深入的研究，如28MnSiB、35MnSiB等，其碳含量在0.30%左右。實踐表明，這些彈簧鋼可以在低溫回火的板條狀馬氏體組織下使用，有足夠強度和優良的綜合力學性能，尤其是塑性、韌性極好。日本研究開發的幾種高強度彈簧鋼，如UHS1900、VHS2000、ND120S、ND250S等，碳含量均在0.40%左右。
合金元素在彈簧鋼中的主要作用是提高力學性能、改善工藝性能及賦予某些特殊性能(如耐高溫、耐蝕)等。
很多彈簧鋼以硅為主要合金元素，它是對彈減抗力影響最大的合金元素，這主要是由于硅具有強烈的固溶強化作用；同時，硅能抑制滲碳體在回火過程中的晶核形成和長大，改變回火時析出碳化物的數量、尺寸和形態，提高鋼的回火穩定性。目前，國內不銹鋼碳素鋼復合管牌號中wsi為1.8%～2.2%，是現有標準中含硅最高的彈簧鋼。但硅含量如果過高，將促進鋼在軋制和熱處理過程中的脫碳和石墨化傾向，并且使冶煉困難和易形成夾雜物，因此，過高硅含量彈簧鋼的使用仍需慎重。
由于鉻能夠顯著提高鋼的淬透性，阻止Si－Cr鋼球化退火時的石墨化傾向，減少脫碳層，因此是彈簧鋼中的常用合金元素，以鉻為主要強化元素的彈簧鋼50CrV使用較廣泛。
錳是提高淬透性最有效的合金元素，它溶入鐵素體中有固溶性化作用。研究表明，wMn必須大于0.5%，以使淬火時彈簧鋼心部完全較變為馬氏體，但當wMn超過1.5%時，韌性明顯下降，這在選擇彈簧鋼時應優先考慮的。
鉬可以提高鋼的淬透性，防止回火脆性，改善疲勞性能，現有標準中加鉬的彈簧鋼不多，加入量一般在0.4%以下。
釩是強碳化物形成元素，固態下所析出的細小彌散的MC型碳化物具有很強的沉淀強化效果。在35CrMnB鋼中加入0.11%V，可顯著提高鋼的淬透性，還發現釩能有效降低35SiMnB鋼的脫碳敏感性，認為這與釩降低鋼中有效固溶碳、防止晶粒長大和阻止晶界擴散并提高抗氧化性有關。
冶金工業和汽車、摩托車工業的緊密結合和合作，不僅會進一步促進彈簧鋼的高強度化，促使彈簧性能的全面提升，同時也為汽車、摩托車工業的發展、競爭能力的提高提供了材料基礎，因此，值得大力關注。(冶金報)
