汽車(chē)工業(yè)是彈簧鋼的最大用戶(hù)，約消耗彈簧鋼產(chǎn)量的60%。而作為目前重要的汽車(chē)氣門(mén)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(lái)越受到人們的重視。本文主要從化學(xué)成分, 冶金質(zhì)量,截面形狀,表面質(zhì)量以及熱處理工藝方面探討了汽車(chē)用油淬火一回火彈簧鋼絲最新的研究進(jìn)展和發(fā)展動(dòng)態(tài)。

　　一、油淬火一回火彈簧鋼絲的用途、性能要求及生產(chǎn)工藝

　　1.1汽車(chē)用油淬火一回火彈簧鋼絲的用途 轎車(chē)懸掛彈簧:懸掛彈簧是經(jīng)修磨或剝皮后冷拔的鋼絲再經(jīng)淬火一回火處理的彈簧鋼絲.懸 掛彈簧在實(shí)際使用中要頻繁經(jīng)受高應(yīng)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(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧:氣門(mén)彈簧在內(nèi)燃機(jī)上屬于關(guān)鍵零件,其作用是控制發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣和排氣. 由于其在高速,高應(yīng)力和高溫下使用,因此它的承載力以及彈減力指標(biāo)對(duì)汽車(chē)的安全性及發(fā)動(dòng)機(jī)壽命都是至關(guān)重要的.

　　1.2對(duì)汽車(chē)用油淬火一回火彈簧鋼絲的要求

　　汽車(chē)氣門(mén)彈簧及懸架簧的發(fā)展趨勢(shì)是提高使用應(yīng)力,減輕自身重量,縮小體積以及提高疲勞壽 命.對(duì)彈簧鋼絲的要求是:①改進(jìn)鋼的化學(xué)成分以及提高鋼絲的疲勞強(qiáng)度,淬透性,抗回火性和對(duì)高溫環(huán)境的適應(yīng)性;②提高鋼質(zhì)的潔凈度并改變夾雜物的種類(lèi),限制夾雜物的數(shù)量和尺寸以克服彈簧的早期失效;③提高疲勞壽命,一般國(guó)內(nèi)彈簧疲勞 次數(shù)要求是(2.3~5.0)x107次,而國(guó)外優(yōu)秀企業(yè)的產(chǎn)品已普遍達(dá)到5×108次;④細(xì)化晶粒,提高屈服強(qiáng)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(fù)荷時(shí)理想的應(yīng)力分布;⑥消除表面劃傷和裂紋,減少脫碳層以延長(zhǎng)在高應(yīng)力條件下的使用壽命.

　　1.3油淬火一回火彈簧鋼絲的生產(chǎn)工藝

　　1.3.1懸掛彈簧油淬火一回火鋼絲生產(chǎn)工藝 原料→表面處理→拉拔定徑;規(guī)格鋼絲→加熱→油淬火→回火處理→探傷→涂油→收卷→檢驗(yàn)→包裝→入庫(kù).

　　1.3.2 氣門(mén)彈簧油淬火一回火鋼絲生產(chǎn)工藝

　　①需要?jiǎng)兤ぬ幚淼匿摻z生產(chǎn)工藝流程為: 原料→剝皮→中間退火→表面處理→拉拔; 規(guī)格鋼絲→油淬火→回火處理→探傷→涂油→收卷→檢驗(yàn)→包裝→入庫(kù).

　　②不進(jìn)行剝皮處理的鋼絲生產(chǎn)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(xiàn)狀

　　2.1化學(xué)成分與性能 油淬火一回火彈黃鋼絲鋼種主要經(jīng)歷了3個(gè) 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(chē)工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)彈簧的疲勞強(qiáng)度和抗彈減性能要求越來(lái)越高,從表I不難看出, 作為提高彈簧強(qiáng)度的元素C其含量總體趨勢(shì)是逐漸增加的.而合金化元素也從以前的Si,Mn逐 漸轉(zhuǎn)變?yōu)镃r,V和Cr,Si,其主要原因也是為了增加彈簧的疲勞強(qiáng)度,耐蝕性能和抗彈減性能. 2.1.1化學(xué)成分對(duì)彈簧疲勞性能的影響

　　彈簧是在交變動(dòng)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(qiáng)度尤為 重要.眾多學(xué)者在這方面進(jìn)行了大量的研究,并獲得了一些成果.

　　為提高強(qiáng)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(qiáng)度提高到1300MPa.在570～1280MPa應(yīng)力下疲勞壽命超過(guò)50萬(wàn)次.同時(shí)抗松弛性能也得到提高,優(yōu)于SAE9254。Garphyttan公司推出強(qiáng)度更高的OTEVAN90,抗拉強(qiáng)度達(dá)到2100MPa，就是因?yàn)樵摬牧显赟i-Cr鋼的基礎(chǔ)上添加Ni，使材料強(qiáng)韌性明顯提高。

　　HiromuIzumida等人在研究奧氏體晶粒度對(duì)高Si油回火鋼絲疲勞強(qiáng)度影響時(shí)發(fā)現(xiàn):與常規(guī)高強(qiáng)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(qiáng)度較高.主要是由于細(xì)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(qiáng)度.所以,通過(guò)控制碳化物的沉淀細(xì)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(chǎn)生沉淀強(qiáng)化并且有效地防止了奧氏體晶粒的長(zhǎng)大,從而提高了拉伸屈服強(qiáng)度及扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度,并使得使用應(yīng)力比SAE9260提高98MPa。另外,Ti的加入會(huì)在鋼中生成微米級(jí)以下的TiC沉淀.能夠吸收可擴(kuò)散的氫,使之不擴(kuò)散,從而減少氫脆的影響.腐蝕疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明:在S,.=1200MPa條件下, UHSl900鋼的疲勞壽命超過(guò)50萬(wàn)次,與SAE9260的疲勞壽命(S.,=1000MPa)相當(dāng)用.滲氮及噴丸也是提高鋼絲強(qiáng)度的重要途徑,通過(guò)應(yīng)力噴丸的彈簧鋼絲在"90%疲勞壽命可靠性"這一指標(biāo)上比常規(guī)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(yīng)力場(chǎng).由此提高彈簧的疲勞抗力。宛杰魁等人對(duì)SWOSC-V,OTEVA一75SC彈簧進(jìn)行450℃氮碳共滲.使彈簧疲勞性能得到提高。另外,對(duì)SWOHS-V進(jìn)行高溫滲氮及強(qiáng)化噴丸處理后.其疲勞性能與只經(jīng)滲氮處理的SWOSC-VTS相比提高了25%。

　　2.1.2化學(xué)成分對(duì)彈簧抗彈減性的影響

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

　　KawakamiH等人通過(guò)對(duì)彈簧抗彈減性的研究發(fā)現(xiàn),Si,Cr,V的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(xì)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(shí)會(huì)出現(xiàn)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(zhì)量與性能

　　非金屬夾雜物數(shù)量和顆粒大小是影響彈簧在交變應(yīng)力作用下性能好壞的重要因素之一.近年來(lái).在煉鋼方面廣泛應(yīng)用二次冶金等技術(shù)生產(chǎn)彈簧鋼,使鋼中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(tài)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(zhuǎn)爐或轉(zhuǎn)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(chǔ)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(shù)量;降低夾雜物級(jí)別;微調(diào)鋼水成分(C,Mn,Si,Cr等);去除鋼中有害元素(如S,P等).轉(zhuǎn)爐和轉(zhuǎn)爐+爐外精煉可以減少?gòu)U鋼帶來(lái)的雜質(zhì)和雜質(zhì)元素,提高彈簧鋼的原料純凈度,加上爐外精煉措施,可生產(chǎn)出質(zhì)量較高的優(yōu)質(zhì)彈簧鋼。兩者對(duì)比,前者含氧量可以控制21 rng/m3.但含氮量即使經(jīng)真空處理后也達(dá) 75～150mg/m3,同時(shí)雜質(zhì)元素含量較高;采用轉(zhuǎn)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(guó)從日本和德國(guó)進(jìn)口原料都是采用轉(zhuǎn)爐冶煉的。超純凈彈簧鋼生產(chǎn)的提出是基于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧的需要而發(fā)展起來(lái)的一種冶煉技術(shù). 經(jīng)過(guò)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(duì)彈簧疲勞壽命的影響降低到最大限度,實(shí)現(xiàn)了鋼絲夾雜物的無(wú)害化，使鋼的性能得到提高。

　　2.3表面質(zhì)量與性能

　　在鋼絲中，表面缺陷嚴(yán)重影響鋼絲的質(zhì)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(huì)引起應(yīng)力集中,使表面實(shí)際應(yīng)力增加而形成疲勞失效的初始點(diǎn)。因此必須消除表面缺陷以延長(zhǎng)在高應(yīng)力條件下的使用壽命。為提高彈簧表面質(zhì)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(duì)盤(pán)條剝皮或研磨可以去掉裂紋和脫碳層而得到光滑表面;無(wú)損探傷對(duì)規(guī)定缺陷深度以上的由于拉拔或裝卸運(yùn)送造成的劃痕等缺陷進(jìn)行鑒別并標(biāo)記，以便在卷成彈簧時(shí)能很容易挑出來(lái);對(duì)有些彈簧還進(jìn)行電解拋光進(jìn)一步改善彈簧的表面質(zhì)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(duì)彈簧鋼絲橫截面形狀的研究也已進(jìn)行多年.圓形橫截 面鋼絲制成的壓縮螺旋彈簧內(nèi)圈徑向承受的剪切應(yīng)力最大，沿著圓周很快地減小,造成很壞的應(yīng)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(méi)引起人們更多的興趣,后來(lái)提出了半圓半橢圓截面并進(jìn)行改進(jìn)，如今這種截面鋼絲已經(jīng)在氣門(mén)彈簧上得到更好的應(yīng)用。這種截面避免了內(nèi)圈的最大應(yīng)力峰，應(yīng)力分布曲線趨于平緩,但四周應(yīng)力仍有差別。卵形橫截面另一個(gè)好處是高度小于圓形截面,因此彈簧的有效圈數(shù)增加，在同樣應(yīng)力情況下比圓形截面的彈簧更柔韌。不同的長(zhǎng)短軸組合以及橢圓邊向里或向外的設(shè)計(jì)可以在應(yīng)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(guó)內(nèi)對(duì)卵形截面鋼絲制成的氣門(mén)彈簧的需求量也在逐年增加。

　　2.5油淬火一回火設(shè)備,生產(chǎn)技術(shù)與性能

　　油淬火一回火是生產(chǎn)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(shè)備和生產(chǎn)技術(shù)大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段。

　　2.5.1加熱技術(shù) 生產(chǎn)彈簧鋼絲，選擇合理的加熱技術(shù)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(shù)有管式爐加熱技術(shù)和感應(yīng)加熱技術(shù)。

　　(1)管式爐加熱技術(shù)：管式爐加熱的好處是工藝穩(wěn)定易于控制、能耗小，對(duì)原料的原始組織適應(yīng)性強(qiáng),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(mén)彈簧鋼絲均采用了管式爐加熱。

　　(2)感應(yīng)加熱技術(shù)：感應(yīng)加熱生產(chǎn)彈簧鋼絲具有設(shè)備集成度高,占地面積少,加熱速度快等優(yōu) 點(diǎn),但是其應(yīng)用的頻率,進(jìn)線速度,淬火加熱溫度, 保溫,淬火介質(zhì),回火溫度,回火保溫,回火后冷卻介質(zhì)的選擇是極為重要的。目前,在感應(yīng)加熱技術(shù)的研究上也取得了一些成果.李舒亮等人對(duì)感應(yīng)加熱溫度控制的2種方式及系統(tǒng)組成進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)溫控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)建立合理的數(shù)學(xué)模型和閉環(huán)控制后,可以取得節(jié)省原料,均勻加熱,降低勞動(dòng)強(qiáng)度等效果。李桂變等人通過(guò)對(duì)感應(yīng)加熱設(shè)備的改造,達(dá)到了細(xì)化晶粒,改善組織,減小應(yīng)力, 提高產(chǎn)品性能,降低能耗的目的,并且大大提高了產(chǎn)品的機(jī)械性能。另外,通過(guò)對(duì)感應(yīng)加熱設(shè)備的電源頻率進(jìn)行了研究.肖進(jìn)等人設(shè)計(jì)出了功率因數(shù)高;調(diào)功范同大;開(kāi)關(guān)損耗低;輸出效率高;電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單:抗干擾能力強(qiáng)的感應(yīng)加熱電源。

　　除了以上兩種加熱技術(shù)外，還有一些加熱技術(shù)也被用于油淬火一回火彈簧鋼絲的生產(chǎn)。采用電接觸快速加熱技術(shù)。可是鋼絲經(jīng)熱處理后獲得超細(xì)晶粒，并使回火屈氏體組織微細(xì)化。蘇德達(dá)等人救發(fā)現(xiàn)用電接觸快速加熱、分級(jí)油淬和回火連續(xù)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(xù)油淬火回火設(shè)備試生產(chǎn)4Cr13油淬火鋼絲，其使用效果良好。電子束或激光加熱技術(shù)。其具有加熱速度極快，相變溫度高，奧氏體化時(shí)間極短以及淬火冷卻時(shí)間極快等特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)激光加熱表面淬火的研究，劉麗等人發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)激光加熱并淬火的鋼耐磨性明顯高于未經(jīng)過(guò)激光處理的鋼，而且經(jīng)過(guò)處理的鋼表面晶粒明顯細(xì)化。

　　2.5.2回火方式

　　目前，在彈簧鋼絲生產(chǎn)過(guò)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(tài)粒子爐進(jìn)行回火。

　　鉛浴回火雖然成本較低，容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)，但是其污染較為嚴(yán)重。流態(tài)粒子爐是一種高效、節(jié)能、無(wú)污染、靈活性強(qiáng)的熱處理爐。其應(yīng)用和發(fā)展越來(lái)越受到人們的重視。

　　三、結(jié)語(yǔ)

　　本文主要從化學(xué)成分、冶金質(zhì)量、截面形狀、表面質(zhì)量以及熱處理工藝方面概述了汽車(chē)用油淬火-回火彈簧鋼絲的發(fā)展現(xiàn)狀。綜上所述，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)彈簧鋼絲要從原料入手，首先是控制鋼的化學(xué)成分，開(kāi)發(fā)新鋼種， 以適應(yīng)對(duì)高性能彈簧鋼絲不斷增長(zhǎng)的質(zhì)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(zhì)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(kāi)發(fā)和利用先進(jìn)鋼絲油淬火 - 回火設(shè)備及工藝，以適應(yīng)高性能彈簧生產(chǎn)發(fā)展的要求。