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高强度优质弹簧钢的性能要求及主要评价指标
 
更新时间:2010.12.13 浏览次数:
 
 弹簧一般工作在周期性的弯曲、扭转等交变应力条件下,经受拉压、冲击、扭转、疲劳腐蚀等多重作用,有时还要承受极高的短时突加载荷。优质弹簧钢要求有高的疲劳强度和弹减抗力来满足其使用需求。影响弹簧钢疲劳强度的主要因素包括硬度、夹杂物及表面缺陷。提高钢的纯净度和表面质量是改善弹簧疲劳强度的重要措施。而弹性减退是指弹簧在静载荷或动载荷作用下,在室温发生塑性变形和弹性模量降低的现象,是一种常温下的蠕变现象。近年来,由于冶炼、加工工艺和设备水平的快速发展,钢材的内在质量和表面质量都得到大幅度提高,弹簧的疲劳断裂己不是主要矛盾,而汽车悬架弹簧和铁路转向架弹簧的轻量化、高应力化,尤其是轿车的前轮驱动化及少片变载面板簧化的发展,使弹簧的抗弹减性更加受到重视。要保证弹簧在高应力下正常工作和具有足够的使用寿命,就要求弹簧在长期的动、静载荷作用下,具有良好的保持原有形状和尺寸的能力,即具有良好的弹减抗力。表面硬度、化学成分、显微组织及晶粒度等都是影响抗弹减性能的重要因素。 
除此之外还要求弹簧钢必须具有优良的综合性能,如力学性能(主要是指高的强度和屈强比、足够的塑性和韧性、均匀稳定的性能和良好的通条性能等);制造弹簧工艺所需的加工成形性能(主要是指较好的淬透性、热处理性能,包括回火组织均匀细小、回火稳定性好、不易氧化、低的脱碳敏感性和石墨化倾向小等);相应的物理、化学性能(包括耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等)[1]。 
以上综合性能要求与弹簧钢的内在质量(化学成分、纯净度、非金属夹杂物、精细组织等)、表面质量(裂纹、划伤、脱碳层等)有着密切关系。所以评价高强度优质弹簧钢主要考虑钢材的冶金质量、显微组织、脱碳层深度、表面缺陷等几个方面[2]。 
(1)冶金质量 
优质弹簧钢要求化学成分必须能够满足弹簧的使用要求,降低杂质元素O、P、S的含量以提高钢的纯净度,减少非金属夹杂物的数量和控制夹杂物的形态和分布,保证钢质的均匀性和稳定性,对于提高弹簧钢疲劳性能有明显的作用。研究结果表明,控制氧含量在10ppm以下,氧化物型夹杂尺寸减小,疲劳源出现的几率减小[3]。钢中夹杂物对疲劳性能的影响一方面取决于夹杂物的类型、数量、尺寸、形状和分布;另一方面取决于钢基体的组织和性质。与基体结合力弱且尺寸大的脆性夹杂物和球状不变形的夹杂物危害最大。而且钢的强度水平越高,夹杂物对疲劳极限的危害越大。目前要求高强度优质弹簧钢的T[O]含量控制在15ppm以下,钢中不得有大于15μm的脆性夹杂物。 
(2)显微组织 
为减轻车体重量,汽车弹簧钢向高强度化发展,但又不能破坏其塑性,因此其精细组织结构控制很重要。高强度弹簧钢要求热轧材铁素体与珠光体组织均匀,晶粒细小,不应有网状铁素体及淬火组织存在,要求索氏体化率越高越好。 
(3)脱碳层深度 
弹簧钢表面脱碳0.1mm就会使其疲劳极限明显下降,如果出现铁素体全脱碳层,可降低疲劳极限50%[4]。随着钢材表面脱碳层深度的增加,疲劳寿命下降。这是由于钢材淬火后,表面脱碳层达不到所要求的硬度及力学强度,而且表面层不同部位淬火时膨胀系数不同,致使部件全脱碳层与半脱碳层之间的过渡区产生微裂纹,这些可见的或不可见的裂纹成为应力集中区,并做为裂纹继续发展的起源,引起弹簧的失效断裂[5, 6]。高强度优质弹簧钢要求脱碳倾向越小越好,不允许出现铁素体全脱碳层组织,而且限定弹簧钢材总脱碳层深度。 
(4)表面质量 
为了保证弹簧能够持续稳定地工作,所受应力和变形均匀,要求弹簧钢有严格的尺寸精度和表面质量控制。在交变载荷作用下,钢材表面受外应力最大,任何表面缺陷都可充当缺口,因此绝大多数弹簧工件断裂都是从表面或皮下引起。所以表面质量对疲劳寿命的影响比钢材内在质量的影响更为明显。抗拉强度愈高的材料,表面质量对疲劳极限的影响愈大。所以标准GB1222-2007规定弹簧钢材不得有裂纹、折叠、结疤、夹杂和压入的氧化铁皮等表面超标缺陷[7]。对于铁路车辆用弹簧圆钢,一般黑皮材要求通过磁粉探伤,表面无毛细裂纹。随着高速铁路的发展,还要求使用磨光材,要求表面无缺陷。随着材料生产加工技术和制簧、喷丸等弹簧加工技术的进步,可以使表面质量得到稳定,从而提高弹簧钢的疲劳性能[8]。 
参考文献 
[1]    徐德祥.新型高强度弹簧钢的研制及组织结构与性能.哈尔滨工业大学博士学位论文,2004 
[2]    《钢铁材料手册》总编辑委员会.钢铁材料手册第八卷弹簧钢.北京:中国标准出版社,2003:42-102 
[3]    Kotaro Watanabe,Masashi Tamura,Ken Yamaya,et al.Development of a new-type suspension spring for rally cars.Journal of Materials Processing Technology,2001,(111):132-134 
[4]    李晶,傅杰,李建,等.60Si2MnA弹簧钢脱氧工艺的优化.钢铁研究学报,2001,13(3):29-32 
[5]    赵长华,王锡和.Ф27mm圆弹簧钢表面缺陷及脱碳浅析.特钢技术,1999,(4):30-31 
[6]    曾汉生,蒋耀生,张道明,等.线材脱碳层厚度超标问题的研究与解决.能源与热工2004学术年会,2004:498-502 
[7]    GB1222—2007,弹簧钢 
[8]    尹钟大,徐德祥,刘德富.新型高强韧性弹簧钢40T和44T脱碳倾向的研究.特殊钢,2005,26(3):39-40 

 
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