汽車用油淬火回火彈簧鋼絲的發展現狀

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發布時間：2023-11-06 18:08:13
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汽車用油淬火回火彈簧鋼絲的發展現狀

　汽車工業是彈簧鋼的最大用戶，約消耗彈簧鋼產量的60%。而作為目前重要的汽車氣門彈簧和懸掛彈簧理想材料的油淬火一回火彈簧鋼絲也越來越受到人們的重視。本文主要從化學成分, 冶金質量,截面形狀,表面質量以及熱處理工藝方面探討了汽車用油淬火一回火彈簧鋼絲最新的研究進展和發展動態。

　　一、油淬火一回火彈簧鋼絲的用途、性能要求及生產工藝

　　1.1汽車用油淬火一回火彈簧鋼絲的用途轎車懸掛彈簧:懸掛彈簧是經修磨或剝皮后冷拔的鋼絲再經淬火一回火處理的彈簧鋼絲.懸掛彈簧在實際使用中要頻繁經受高應力的沖擊重載,因此要求其具有良好的耐疲勞性能,抗震性能和抗彈減性。

　　發動機氣門彈簧:氣門彈簧在內燃機上屬于關鍵零件,其作用是控制發動機的進氣和排氣. 由于其在高速,高應力和高溫下使用,因此它的承載力以及彈減力指標對汽車的安全性及發動機壽命都是至關重要的.

　　1.2對汽車用油淬火一回火彈簧鋼絲的要求

　　汽車氣門彈簧及懸架簧的發展趨勢是提高使用應力,減輕自身重量,縮小體積以及提高疲勞壽命.對彈簧鋼絲的要求是:①改進鋼的化學成分以及提高鋼絲的疲勞強度,淬透性,抗回火性和對高溫環境的適應性;②提高鋼質的潔凈度并改變夾雜物的種類,限制夾雜物的數量和尺寸以克服彈簧的早期失效;③提高疲勞壽命,一般國內彈簧疲勞次數要求是(2.3~5.0)x107次,而國外優秀企業的產品已普遍達到5×108次;④細化晶粒,提高屈服強度及韌性以提高彈簧的抗彈減性能;⑤改變橫截面形狀以獲得彈簧承受負荷時理想的應力分布;⑥消除表面劃傷和裂紋,減少脫碳層以延長在高應力條件下的使用壽命.

　　1.3油淬火一回火彈簧鋼絲的生產工藝

　　1.3.1懸掛彈簧油淬火一回火鋼絲生產工藝原料→表面處理→拉拔定徑;規格鋼絲→加熱→油淬火→回火處理→探傷→涂油→收卷→檢驗→包裝→入庫.

　　1.3.2 氣門彈簧油淬火一回火鋼絲生產工藝

　　①需要剝皮處理的鋼絲生產工藝流程為: 原料→剝皮→中間退火→表面處理→拉拔; 規格鋼絲→油淬火→回火處理→探傷→涂油→收卷→檢驗→包裝→入庫.

　　②不進行剝皮處理的鋼絲生產工藝流程同1.3.1.

　　二、油淬火一回火彈簧鋼絲性能的研究現狀

　　2.1化學成分與性能油淬火一回火彈黃鋼絲鋼種主要經歷了3個階段:即Si.Mn系→Cr.V系→Cr-Si系.目前主要以Cr-V系,Cr-Si系為主.

　　隨著汽車工業的發展，人們對彈簧的疲勞強度和抗彈減性能要求越來越高,從表I不難看出, 作為提高彈簧強度的元素C其含量總體趨勢是逐漸增加的.而合金化元素也從以前的Si,Mn逐漸轉變為Cr,V和Cr,Si,其主要原因也是為了增加彈簧的疲勞強度,耐蝕性能和抗彈減性能. 2.1.1化學成分對彈簧疲勞性能的影響

　　彈簧是在交變動載荷下工作的零件,其破壞形式主要是疲勞斷裂.因此彈簧的疲勞強度尤為重要.眾多學者在這方面進行了大量的研究,并獲得了一些成果.

　　為提高強度,把CrSi鋼中的Si含量提高到2.15%,并且添加加ω(Ni)=2.0%,ω(V)=0.2%,使疲勞強度提高到1300MPa.在570～1280MPa應力下疲勞壽命超過50萬次.同時抗松弛性能也得到提高,優于SAE9254。Garphyttan公司推出強度更高的OTEVAN90,抗拉強度達到2100MPa，就是因為該材料在Si-Cr鋼的基礎上添加Ni，使材料強韌性明顯提高。

　　HiromuIzumida等人在研究奧氏體晶粒度對高Si油回火鋼絲疲勞強度影響時發現:與常規高強合金油淬火一回火鋼絲相比,高Si油淬火一回火鋼絲的疲勞強度較高.主要是由于細化奧氏體晶粒得到尺寸較小的馬氏體.提高了鋼絲的疲勞強度.所以,通過控制碳化物的沉淀細化可以得到具有更高疲勞極限和更好韌性的鋼絲。在SAE9260中添加V和Nb,產生沉淀強化并且有效地防止了奧氏體晶粒的長大,從而提高了拉伸屈服強度及扭轉屈服強度,并使得使用應力比SAE9260提高98MPa。另外,Ti的加入會在鋼中生成微米級以下的TiC沉淀.能夠吸收可擴散的氫,使之不擴散,從而減少氫脆的影響.腐蝕疲勞試驗結果表明:在S,.=1200MPa條件下, UHSl900鋼的疲勞壽命超過50萬次,與SAE9260的疲勞壽命(S.,=1000MPa)相當用.滲氮及噴丸也是提高鋼絲強度的重要途徑,通過應力噴丸的彈簧鋼絲在"90%疲勞壽命可靠性"這一指標上比常規噴丸最大能提高6.5 倍,而表面滲氮不僅能提高彈簧的表面硬度(HV>900),改善彈簧的耐磨性.更重要的是能引入更高的殘余應力場.由此提高彈簧的疲勞抗力。宛杰魁等人對SWOSC-V,OTEVA一75SC彈簧進行450℃氮碳共滲.使彈簧疲勞性能得到提高。另外,對SWOHS-V進行高溫滲氮及強化噴丸處理后.其疲勞性能與只經滲氮處理的SWOSC-VTS相比提高了25%。

　　2.1.2化學成分對彈簧抗彈減性的影響

　　除了疲勞強度.抗彈減性也是彈簧重要的性能參數之一。提高抗彈減性的方法有彈簧坯材的高強度化和增加鋼的抗回火性。

　　KawakamiH等人通過對彈簧抗彈減性的研究發現,Si,Cr,V的質量分數分別為1.5%,0.5%, 0.2%的Si.Cr-V鋼具有良好的抗彈減性。另外在鋼中加入0.01%~0.025%的N可形成細小的 AIN晶粒,使彈簧的抗松弛性能得到改善。含V鋼由于V在450℃以上回火時會出現二次析出硬化.提高了抗回火性,從而使彈簧的抗彈減性提高。

　　2.2冶金質量與性能

　　非金屬夾雜物數量和顆粒大小是影響彈簧在交變應力作用下性能好壞的重要因素之一.近年來.在煉鋼方面廣泛應用二次冶金等技術生產彈簧鋼,使鋼中氧的質量分數小于15x10-6，減少影響疲勞性能的非金屬夾雜物含量,改變夾雜物形態和粒度,提高彈簧的疲勞極限。通常采用的冶煉工藝有電爐+爐外精煉和轉爐或轉爐+爐外精煉。電爐+爐外精煉可以提高鋼的純凈度,在電爐冶煉的基礎上，可以增加爐外精煉工序。爐外精煉的目的主要是減少鋼中夾雜物數量;降低夾雜物級別;微調鋼水成分(C,Mn,Si,Cr等);去除鋼中有害元素(如S,P等).轉爐和轉爐+爐外精煉可以減少廢鋼帶來的雜質和雜質元素,提高彈簧鋼的原料純凈度,加上爐外精煉措施,可生產出質量較高的優質彈簧鋼。兩者對比,前者含氧量可以控制21 rng/m3.但含氮量即使經真空處理后也達 75～150mg/m3,同時雜質元素含量較高;采用轉爐冶煉,由于使用高爐鐵水加入廢鋼量少,鋼水純凈度提高,氮含量可以控制在38mg/m3以下.目前我國從日本和德國進口原料都是采用轉爐冶煉的。超純凈彈簧鋼生產的提出是基于汽車發動機氣門彈簧的需要而發展起來的一種冶煉技術. 經過超純凈冶煉的彈簧鋼夾雜物的最大尺寸(或厚度)小于15μm,且呈彌散分布.從而把夾雜物對彈簧疲勞壽命的影響降低到最大限度,實現了鋼絲夾雜物的無害化，使鋼的性能得到提高。

　　2.3表面質量與性能

　　在鋼絲中，表面缺陷嚴重影響鋼絲的質量,降低鋼絲的疲勞壽命。這些缺陷主要包括劃傷、裂紋、折迭和麻坑。他們的存在會引起應力集中,使表面實際應力增加而形成疲勞失效的初始點。因此必須消除表面缺陷以延長在高應力條件下的使用壽命。為提高彈簧表面質量,人們采取了各種措施,如鋼坯研磨,低溫軋制(減少脫碳),軋后控冷等;對盤條剝皮或研磨可以去掉裂紋和脫碳層而得到光滑表面;無損探傷對規定缺陷深度以上的由于拉拔或裝卸運送造成的劃痕等缺陷進行鑒別并標記，以便在卷成彈簧時能很容易挑出來;對有些彈簧還進行電解拋光進一步改善彈簧的表面質量。

　　2.4鋼絲截面形狀與性能

　　除熱處理,制簧工藝等方面的考慮外,對彈簧鋼絲橫截面形狀的研究也已進行多年.圓形橫截面鋼絲制成的壓縮螺旋彈簧內圈徑向承受的剪切應力最大，沿著圓周很快地減小,造成很壞的應力分布。因此圓形不是理想的截面，不能使材料盡其所用。橢圓截面也沒引起人們更多的興趣,后來提出了半圓半橢圓截面并進行改進，如今這種截面鋼絲已經在氣門彈簧上得到更好的應用。這種截面避免了內圈的最大應力峰，應力分布曲線趨于平緩,但四周應力仍有差別。卵形橫截面另一個好處是高度小于圓形截面,因此彈簧的有效圈數增加，在同樣應力情況下比圓形截面的彈簧更柔韌。不同的長短軸組合以及橢圓邊向里或向外的設計可以在應力或變形量上得到不同的收益。因此尋找最佳截面的工作還要做下去。目前國內對卵形截面鋼絲制成的氣門彈簧的需求量也在逐年增加。

　　2.5油淬火一回火設備,生產技術與性能

　　油淬火一回火是生產油淬火一回火彈簧鋼絲的最主要工序,它決定了彈簧鋼絲的最終組織和性能。近些年,油淬火一回火設備和生產技術大致經歷了以下幾個階段。

　　2.5.1加熱技術生產彈簧鋼絲，選擇合理的加熱技術是獲得良好回火屈氏體組織的基本保證。目前主要使用的加熱技術有管式爐加熱技術和感應加熱技術。

　　(1)管式爐加熱技術：管式爐加熱的好處是工藝穩定易于控制、能耗小，對原料的原始組織適應性強,但占地面積大。目前日本杉田的懸架彈簧鋼絲和瑞典加飛騰氣門彈簧鋼絲均采用了管式爐加熱。

　　(2)感應加熱技術：感應加熱生產彈簧鋼絲具有設備集成度高,占地面積少,加熱速度快等優點,但是其應用的頻率,進線速度,淬火加熱溫度, 保溫,淬火介質,回火溫度,回火保溫,回火后冷卻介質的選擇是極為重要的。目前,在感應加熱技術的研究上也取得了一些成果.李舒亮等人對感應加熱溫度控制的2種方式及系統組成進行了研究。發現溫控系統經過建立合理的數學模型和閉環控制后,可以取得節省原料,均勻加熱,降低勞動強度等效果。李桂變等人通過對感應加熱設備的改造,達到了細化晶粒,改善組織,減小應力, 提高產品性能,降低能耗的目的,并且大大提高了產品的機械性能。另外,通過對感應加熱設備的電源頻率進行了研究.肖進等人設計出了功率因數高;調功范同大;開關損耗低;輸出效率高;電源結構簡單:抗干擾能力強的感應加熱電源。

　　除了以上兩種加熱技術外，還有一些加熱技術也被用于油淬火一回火彈簧鋼絲的生產。采用電接觸快速加熱技術。可是鋼絲經熱處理后獲得超細晶粒，并使回火屈氏體組織微細化。蘇德達等人救發現用電接觸快速加熱、分級油淬和回火連續處理4Cr13鋼絲宜選1070~1200℃油淬火。并用自制的電接觸快速加熱連續油淬火回火設備試生產4Cr13油淬火鋼絲，其使用效果良好。電子束或激光加熱技術。其具有加熱速度極快，相變溫度高，奧氏體化時間極短以及淬火冷卻時間極快等特點。通過對激光加熱表面淬火的研究，劉麗等人發現經過激光加熱并淬火的鋼耐磨性明顯高于未經過激光處理的鋼，而且經過處理的鋼表面晶粒明顯細化。

　　2.5.2回火方式

　　目前，在彈簧鋼絲生產過程中，鉛浴回火是使用比較普遍的一種回火方式。除此之外，還有用流態粒子爐進行回火。

　　鉛浴回火雖然成本較低，容易實現生產，但是其污染較為嚴重。流態粒子爐是一種高效、節能、無污染、靈活性強的熱處理爐。其應用和發展越來越受到人們的重視。

　　三、結語

　　本文主要從化學成分、冶金質量、截面形狀、表面質量以及熱處理工藝方面概述了汽車用油淬火-回火彈簧鋼絲的發展現狀。綜上所述，開發生產彈簧鋼絲要從原料入手，首先是控制鋼的化學成分，開發新鋼種，以適應對高性能彈簧鋼絲不斷增長的質量需求。其次是提高鋼的純潔度，以保證鋼均勻的淬透性。第三，提高表面質量和尺寸，探索新的截面形狀以保證彈簧的性能和使用壽命，最后是開發和利用先進鋼絲油淬火 - 回火設備及工藝，以適應高性能彈簧生產發展的要求。

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