彈簧鋼向高強度發(fā)展是當(dāng)前彈簧鋼生產(chǎn)和應(yīng)用中表現(xiàn)出來的趨勢。在日本，汽車、摩托車所用彈簧占彈簧鋼生產(chǎn)總量的64.9%，從節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，要求汽車、摩托車減重，而減輕彈簧重量是這兩個行業(yè)減重的一個重要方面，由此提出了開發(fā)新型高強度彈簧鋼的要求。國內(nèi)外近年來開展了大量的研究工作，以期進(jìn)一步提高彈簧鋼的強度水平和使用壽命。
一、高強度彈簧鋼的現(xiàn)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(zhì)量的要求，使得懸架各類彈簧的設(shè)計應(yīng)力大幅度提高，尤其是變截面板簧的發(fā)展，不僅要求板簧在高應(yīng)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(fēng)EQ153汽車變截面板簧就是用該鋼制造的。
懸架彈簧經(jīng)冷、熱成形后，均需熱處理。通常根據(jù)彈簧截面的大小選擇淬透性合適的鋼種，一般認(rèn)為截面的中心應(yīng)能達(dá)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(biāo)。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(yīng)用較多的是Si－Cr系彈簧鋼(如美國SAE9254)。這類鋼的抗回火穩(wěn)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(jié)構(gòu)簡單，有利于車輛整體布置，在一些轎車和輕型車上應(yīng)用，也有在重型軍用車上應(yīng)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(yīng)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(jīng)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(guān)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(xì)密的回火托氏體的情況下，其鋼材的旋轉(zhuǎn)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(zhì)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(xiàn)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(fù)荷，一般發(fā)動機轉(zhuǎn)速可達(dá)2000～5000r/min，氣門彈簧的平均剪應(yīng)力在500～800MPa，高則達(dá)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(huán)境下工作，因此希望具有一定的耐熱性，并希望對發(fā)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(jìn)行消除應(yīng)力回火。目前，這類鋼絲已列入世界各國標(biāo)準(zhǔn)。另一類是退火狀態(tài)供應(yīng)的彈簧鋼絲，這種彈簧鋼絲要經(jīng)繞簧、淬火和回火以達(dá)到所需的性能，然后進(jìn)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。
二、彈簧鋼的高強度化和發(fā)展趨勢
當(dāng)今彈簧鋼的發(fā)展趨勢是向經(jīng)濟(jì)性和高性能化方向發(fā)展。國外現(xiàn)有彈簧鋼牌號比較齊全，力學(xué)性能、淬透性和疲勞性能等基本上可以滿足目前的生產(chǎn)和使用要求。一方面是充分發(fā)揮現(xiàn)有彈簧鋼的潛力，如改進(jìn)生產(chǎn)工藝、采用新技術(shù)對成分進(jìn)行某些調(diào)整等，進(jìn)一步提高其性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，如針對發(fā)動機用高性能氣門彈簧而提出的超純凈彈簧網(wǎng)；另一方面是進(jìn)行新鋼種的研究開發(fā)，由于影響提高彈簧設(shè)計應(yīng)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(dāng)今彈簧鋼鋼種研究開發(fā)的主題。如日本近年來開發(fā)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(yōu)良的高強度彈簧鋼，附表是近年來日本研究開發(fā)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(fā)，必須在提高鋼的力學(xué)性能和應(yīng)用性能的同時兼顧其經(jīng)濟(jì)性，才能被廣大用戶所接受。
我國常用鋼材牌號為Si－Mn系，如55SiMnVB、55Si2Mn、60Si2Mn以及近年發(fā)展起來的低碳彈簧鋼，如28MnSiB、35MnSiVB等，在我國彈簧鋼標(biāo)準(zhǔn)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(yè)批量生產(chǎn)。
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(yōu)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(zhuǎn)爐冶煉，并且實現(xiàn)連鑄連軋，可以預(yù)測此類彈簧鋼應(yīng)用前景廣泛。對于松弛抗力較高的彈簧可進(jìn)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(xué)性能，同時軋制工藝性能好，是一種新的有發(fā)展前途的板彈簧用鋼。
——本文摘自《中國金屬制品網(wǎng)》
彈簧鋼高強度化的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（一）
作者：張銀環(huán)
來源：技術(shù)中心 發(fā)布時間：2010年06月25日 點擊數(shù)：
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