汽車工(gōng)業是彈簧鋼的最大(dà)用(yòng)戶，約消耗彈簧鋼産量的60%。而作(zuò)爲目前重要的汽車氣門(mén)彈簧和(hé)懸挂彈簧理(lǐ)想材料的油淬火一回火彈簧鋼絲也(yě)越來(lái)越受到(dào)人們的重視(shì)。本文(wén)主要從(cóng)化學成分, 冶金(jīn)質量,截面形狀,表面質量以及熱處理(lǐ)工(gōng)藝方面探讨了(le)汽車用(yòng)油淬火一回火彈簧鋼絲最新的研究進展和(hé)發展動态。

　　一、油淬火一回火彈簧鋼絲的用(yòng)途、性能(néng)要求及生産工(gōng)藝

　　1.1汽車用(yòng)油淬火一回火彈簧鋼絲的用(yòng)途 轎車懸挂彈簧:懸挂彈簧是經修磨或剝皮後冷拔的鋼絲再經淬火一回火處理(lǐ)的彈簧鋼絲.懸 挂彈簧在實際使用(yòng)中要頻繁經受高(gāo)應力的沖擊重載,因此要求其具有良好(hǎo)的耐疲勞性能(néng),抗震性能(néng)和(hé)抗彈減性。

　　發動機氣門(mén)彈簧:氣門(mén)彈簧在内燃機上(shàng)屬于關鍵零件,其作(zuò)用(yòng)是控制發動機的進氣和(hé)排氣. 由于其在高(gāo)速,高(gāo)應力和(hé)高(gāo)溫下(xià)使用(yòng),因此它的承載力以及彈減力指标對(duì)汽車的安全性及發動機壽命都是至關重要的.

　　1.2對(duì)汽車用(yòng)油淬火一回火彈簧鋼絲的要求

　　汽車氣門(mén)彈簧及懸架簧的發展趨勢是提高(gāo)使用(yòng)應力,減輕自(zì)身重量,縮小(xiǎo)體積以及提高(gāo)疲勞壽 命.對(duì)彈簧鋼絲的要求是:①改進鋼的化學成分以及提高(gāo)鋼絲的疲勞強度,淬透性,抗回火性和(hé)對(duì)高(gāo)溫環境的适應性;②提高(gāo)鋼質的潔淨度并改變夾雜(zá)物的種類,限制夾雜(zá)物的數量和(hé)尺寸以克服彈簧的早期失效;③提高(gāo)疲勞壽命,一般國内彈簧疲勞 次數要求是(2.3~5.0)x107次,而國外(wài)優秀企業的産品已普遍達到(dào)5×108次;④細化晶粒,提高(gāo)屈服強度及韌性以提高(gāo)彈簧的抗彈減性能(néng);⑤改變橫截面形狀以獲得彈簧承受負荷時(shí)理(lǐ)想的應力分布;⑥消除表面劃傷和(hé)裂紋,減少脫碳層以延長在高(gāo)應力條件下(xià)的使用(yòng)壽命.

　　1.3油淬火一回火彈簧鋼絲的生産工(gōng)藝

　　1.3.1懸挂彈簧油淬火一回火鋼絲生産工(gōng)藝 原料→表面處理(lǐ)→拉拔定徑;規格鋼絲→加熱→油淬火→回火處理(lǐ)→探傷→塗油→收卷→檢驗→包裝→入庫.

　　1.3.2 氣門(mén)彈簧油淬火一回火鋼絲生産工(gōng)藝

　　①需要剝皮處理(lǐ)的鋼絲生産工(gōng)藝流程爲: 原料→剝皮→中間退火→表面處理(lǐ)→拉拔; 規格鋼絲→油淬火→回火處理(lǐ)→探傷→塗油→收卷→檢驗→包裝→入庫.

　　②不進行剝皮處理(lǐ)的鋼絲生産工(gōng)藝流程同1.3.1.

　　二、油淬火一回火彈簧鋼絲性能(néng)的研究現(xiàn)狀

　　2.1化學成分與性能(néng) 油淬火一回火彈黃鋼絲鋼種主要經曆了(le)3個 階段:即Si.Mn系→Cr.V系→Cr-Si系.目前主要 以Cr-V系,Cr-Si系爲主.

　　随着汽車工(gōng)業的發展，人們對(duì)彈簧的疲勞強度和(hé)抗彈減性能(néng)要求越來(lái)越高(gāo),從(cóng)表I不難看(kàn)出, 作(zuò)爲提高(gāo)彈簧強度的元素C其含量總體趨勢是逐漸增加的.而合金(jīn)化元素也(yě)從(cóng)以前的Si,Mn逐 漸轉變爲Cr,V和(hé)Cr,Si,其主要原因也(yě)是爲了(le)增加彈簧的疲勞強度,耐蝕性能(néng)和(hé)抗彈減性能(néng). 2.1.1化學成分對(duì)彈簧疲勞性能(néng)的影響

　　彈簧是在交變動載荷下(xià)工(gōng)作(zuò)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爲 重要.衆多學者在這(zhè)方面進行了(le)大(dà)量的研究,并獲得了(le)一些(xiē)成果.

　　爲提高(gāo)強度,把CrSi鋼中的Si含量提高(gāo)到(dào)2.15%,并且添加加ω(Ni)=2.0%,ω(V)=0.2%,使疲勞強度提高(gāo)到(dào)1300MPa.在570～1280MPa應力下(xià)疲勞壽命超過50萬次.同時(shí)抗松弛性能(néng)也(yě)得到(dào)提高(gāo),優于SAE9254。Garphyttan公司推出強度更高(gāo)的OTEVAN90,抗拉強度達到(dào)2100MPa，就是因爲該材料在Si-Cr鋼的基礎上(shàng)添加Ni，使材料強韌性明(míng)顯提高(gāo)。

　　HiromuIzumida等人在研究奧氏體晶粒度對(duì)高(gāo)Si油回火鋼絲疲勞強度影響時(shí)發現(xiàn):與常規高(gāo)強合金(jīn)油淬火一回火鋼絲相比,高(gāo)Si油淬火一回火鋼絲的疲勞強度較高(gāo).主要是由于細化奧氏體晶粒得到(dào)尺寸較小(xiǎo)的馬氏體.提高(gāo)了(le)鋼絲的疲勞強度.所以,通過控制碳化物的沉澱細化可以得到(dào)具有更高(gāo)疲勞極限和(hé)更好(hǎo)韌性的鋼絲。在SAE9260中添加V和(hé)Nb,産生沉澱強化并且有效地防止了(le)奧氏體晶粒的長大(dà),從(cóng)而提高(gāo)了(le)拉伸屈服強度及扭轉屈服強度,并使得使用(yòng)應力比SAE9260提高(gāo)98MPa。另外(wài),Ti的加入會(huì)在鋼中生成微米級以下(xià)的TiC沉澱.能(néng)夠吸收可擴散的氫,使之不擴散,從(cóng)而減少氫脆的影響.腐蝕疲勞試驗結果表明(míng):在S,.=1200MPa條件下(xià), UHSl900鋼的疲勞壽命超過50萬次,與SAE9260的疲勞壽命(S.,=1000MPa)相當用(yòng).滲氮及噴丸也(yě)是提高(gāo)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(zhè)一指标上(shàng)比常規噴丸最大(dà)能(néng)提高(gāo)6.5 倍,而表面滲氮不僅能(néng)提高(gāo)彈簧的表面硬度(HV>900),改善彈簧的耐磨性.更重要的是能(néng)引入更高(gāo)的殘餘應力場.由此提高(gāo)彈簧的疲勞抗力。宛傑魁等人對(duì)SWOSC-V,OTEVA一75SC彈簧進行450℃氮碳共滲.使彈簧疲勞性能(néng)得到(dào)提高(gāo)。另外(wài),對(duì)SWOHS-V進行高(gāo)溫滲氮及強化噴丸處理(lǐ)後.其疲勞性能(néng)與隻經滲氮處理(lǐ)的SWOSC-VTS相比提高(gāo)了(le)25%。

　　2.1.2化學成分對(duì)彈簧抗彈減性的影響

　　除了(le)疲勞強度.抗彈減性也(yě)是彈簧重要的性能(néng)參數之一。提高(gāo)抗彈減性的方法有彈簧坯材的 高(gāo)強度化和(hé)增加鋼的抗回火性。

　　KawakamiH等人通過對(duì)彈簧抗彈減性的研究發現(xiàn),Si,Cr,V的質量分數分别爲1.5%,0.5%, 0.2%的Si.Cr-V鋼具有良好(hǎo)的抗彈減性。另外(wài)在鋼中加入0.01%~0.025%的N可形成細小(xiǎo)的 AIN晶粒,使彈簧的抗松弛性能(néng)得到(dào)改善。含V鋼由于V在450℃以上(shàng)回火時(shí)會(huì)出現(xiàn)二次析出硬化.提高(gāo)了(le)抗回火性,從(cóng)而使彈簧的抗彈減性提高(gāo)。

　　2.2冶金(jīn)質量與性能(néng)

　　非金(jīn)屬夾雜(zá)物數量和(hé)顆粒大(dà)小(xiǎo)是影響彈簧在交變應力作(zuò)用(yòng)下(xià)性能(néng)好(hǎo)壞的重要因素之一.近年來(lái).在煉鋼方面廣泛應用(yòng)二次冶金(jīn)等技術生産彈簧鋼,使鋼中氧的質量分數小(xiǎo)于15x10-6，減少影響疲勞性能(néng)的非金(jīn)屬夾雜(zá)物含量,改變夾雜(zá)物形态和(hé)粒度,提高(gāo)彈簧的疲勞極限。通常采用(yòng)的冶煉工(gōng)藝有電爐+爐外(wài)精煉和(hé)轉爐或轉爐+爐外(wài)精煉。電爐+爐外(wài)精煉可以提高(gāo)鋼的純淨度,在電爐冶煉的基礎上(shàng)，可以增加爐外(wài)精煉工(gōng)序。爐外(wài)精煉的目的主要是減少鋼中夾雜(zá)物數量;降低(dī)夾雜(zá)物級别;微調鋼水(shuǐ)成分(C,Mn,Si,Cr等);去除鋼中有害元素(如S,P等).轉爐和(hé)轉爐+爐外(wài)精煉可以減少廢鋼帶來(lái)的雜(zá)質和(hé)雜(zá)質元素,提高(gāo)彈簧鋼的原料純淨度,加上(shàng)爐外(wài)精煉措施,可生産出質量較高(gāo)的優質彈簧鋼。兩者對(duì)比,前者含氧量可以控制21 rng/m3.但(dàn)含氮量即使經真空(kōng)處理(lǐ)後也(yě)達 75～150mg/m3,同時(shí)雜(zá)質元素含量較高(gāo);采用(yòng)轉爐冶煉,由于使用(yòng)高(gāo)爐鐵(tiě)水(shuǐ)加入廢鋼量少,鋼水(shuǐ)純淨度提高(gāo),氮含量可以控制在38mg/m3以下(xià).目前我國從(cóng)日本和(hé)德國進口原料都是采用(yòng)轉爐冶煉的。超純淨彈簧鋼生産的提出是基于汽車發動機氣門(mén)彈簧的需要而發展起來(lái)的一種冶煉技術. 經過超純淨冶煉的彈簧鋼夾雜(zá)物的最大(dà)尺寸(或厚度)小(xiǎo)于15μm,且呈彌散分布.從(cóng)而把夾雜(zá)物對(duì)彈簧疲勞壽命的影響降低(dī)到(dào)最大(dà)限度,實現(xiàn)了(le)鋼絲夾雜(zá)物的無害化，使鋼的性能(néng)得到(dào)提高(gāo)。

　　2.3表面質量與性能(néng)

　　在鋼絲中，表面缺陷嚴重影響鋼絲的質量,降低(dī)鋼絲的疲勞壽命。這(zhè)些(xiē)缺陷主要包括劃傷、裂紋、折叠和(hé)麻坑。他(tā)們的存在會(huì)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(gāo)應力條件下(xià)的使用(yòng)壽命。爲提高(gāo)彈簧表面質量,人們采取了(le)各種措施,如鋼坯研磨,低(dī)溫軋制(減少脫碳),軋後控冷等;對(duì)盤條剝皮或研磨可以去掉裂紋和(hé)脫碳層而得到(dào)光滑表面;無損探傷對(duì)規定缺陷深度以上(shàng)的由于拉拔或裝卸運送造成的劃痕等缺陷進行鑒别并标記，以便在卷成彈簧時(shí)能(néng)很(hěn)容易挑出來(lái);對(duì)有些(xiē)彈簧還進行電解抛光進一步改善彈簧的表面質量。

　　2.4鋼絲截面形狀與性能(néng)

　　除熱處理(lǐ),制簧工(gōng)藝等方面的考慮外(wài),對(duì)彈簧鋼絲橫截面形狀的研究也(yě)已進行多年.圓形橫截 面鋼絲制成的壓縮螺旋彈簧内圈徑向承受的剪切應力最大(dà)，沿着圓周很(hěn)快(kuài)地減小(xiǎo),造成很(hěn)壞的應力分布。因此圓形不是理(lǐ)想的截面，不能(néng)使材料盡其所用(yòng)。橢圓截面也(yě)沒引起人們更多的興趣,後來(lái)提出了(le)半圓半橢圓截面并進行改進，如今這(zhè)種截面鋼絲已經在氣門(mén)彈簧上(shàng)得到(dào)更好(hǎo)的應用(yòng)。這(zhè)種截面避免了(le)内圈的最大(dà)應力峰，應力分布曲線趨于平緩,但(dàn)四周應力仍有差别。卵形橫截面另一個好(hǎo)處是高(gāo)度小(xiǎo)于圓形截面,因此彈簧的有效圈數增加，在同樣應力情況下(xià)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裏或向外(wài)的設計(jì)可以在應力或變形量上(shàng)得到(dào)不同的收益。因此尋找最佳截面的工(gōng)作(zuò)還要做下(xià)去。目前國内對(duì)卵形截面鋼絲制成的氣門(mén)彈簧的需求量也(yě)在逐年增加。

　　2.5油淬火一回火設備,生産技術與性能(néng)

　　油淬火一回火是生産油淬火一回火彈簧鋼絲的最主要工(gōng)序,它決定了(le)彈簧鋼絲的最終組織和(hé) 性能(néng)。近些(xiē)年,油淬火一回火設備和(hé)生産技術大(dà)緻經曆了(le)以下(xià)幾個階段。

　　2.5.1加熱技術 生産彈簧鋼絲，選擇合理(lǐ)的加熱技術是獲得良好(hǎo)回火屈氏體組織的基本保證。目前主要使用(yòng) 的加熱技術有管式爐加熱技術和(hé)感應加熱技術。

　　(1)管式爐加熱技術：管式爐加熱的好(hǎo)處是工(gōng)藝穩定易于控制、能(néng)耗小(xiǎo)，對(duì)原料的原始組織适應性強,但(dàn)占地面積大(dà)。目前日本杉田的懸架彈簧鋼絲和(hé)瑞典加飛(fēi)騰氣門(mén)彈簧鋼絲均采用(yòng)了(le)管式爐加熱。

　　(2)感應加熱技術：感應加熱生産彈簧鋼絲具有設備集成度高(gāo),占地面積少,加熱速度快(kuài)等優 點,但(dàn)是其應用(yòng)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,回火後冷卻介質的選擇是極爲重要的。目前,在感應加熱技術的研究上(shàng)也(yě)取得了(le)一些(xiē)成果.李舒亮(liàng)等人對(duì)感應加熱溫度控制的2種方式及系統組成進行了(le)研究。發現(xiàn)溫控系統經過建立合理(lǐ)的數學模型和(hé)閉環控制後,可以取得節省原料,均勻加熱,降低(dī)勞動強度等效果。李桂變等人通過對(duì)感應加熱設備的改造,達到(dào)了(le)細化晶粒,改善組織,減小(xiǎo)應力, 提高(gāo)産品性能(néng),降低(dī)能(néng)耗的目的,并且大(dà)大(dà)提高(gāo)了(le)産品的機械性能(néng)。另外(wài),通過對(duì)感應加熱設備的電源頻率進行了(le)研究.肖進等人設計(jì)出了(le)功率因數高(gāo);調功範同大(dà);開(kāi)關損耗低(dī);輸出效率高(gāo);電源結構簡單:抗幹擾能(néng)力強的感應加熱電源。

　　除了(le)以上(shàng)兩種加熱技術外(wài)，還有一些(xiē)加熱技術也(yě)被用(yòng)于油淬火一回火彈簧鋼絲的生産。采用(yòng)電接觸快(kuài)速加熱技術。可是鋼絲經熱處理(lǐ)後獲得超細晶粒，并使回火屈氏體組織微細化。蘇德達等人救發現(xiàn)用(yòng)電接觸快(kuài)速加熱、分級油淬和(hé)回火連續處理(lǐ)4Cr13鋼絲宜選1070~1200℃油淬火。并用(yòng)自(zì)制的電接觸快(kuài)速加熱連續油淬火回火設備試生産4Cr13油淬火鋼絲，其使用(yòng)效果良好(hǎo)。電子束或激光加熱技術。其具有加熱速度極快(kuài)，相變溫度高(gāo)，奧氏體化時(shí)間極短以及淬火冷卻時(shí)間極快(kuài)等特點。通過對(duì)激光加熱表面淬火的研究，劉麗(lì)等人發現(xiàn)經過激光加熱并淬火的鋼耐磨性明(míng)顯高(gāo)于未經過激光處理(lǐ)的鋼，而且經過處理(lǐ)的鋼表面晶粒明(míng)顯細化。

　　2.5.2回火方式

　　目前，在彈簧鋼絲生産過程中，鉛浴回火是使用(yòng)比較普遍的一種回火方式。除此之外(wài)，還有用(yòng)流态粒子爐進行回火。

　　鉛浴回火雖然成本較低(dī)，容易實現(xiàn)生産，但(dàn)是其污染較爲嚴重。流态粒子爐是一種高(gāo)效、節能(néng)、無污染、靈活性強的熱處理(lǐ)爐。其應用(yòng)和(hé)發展越來(lái)越受到(dào)人們的重視(shì)。

　　三、結語

　　本文(wén)主要從(cóng)化學成分、冶金(jīn)質量、截面形狀、表面質量以及熱處理(lǐ)工(gōng)藝方面概述了(le)汽車用(yòng)油淬火-回火彈簧鋼絲的發展現(xiàn)狀。綜上(shàng)所述，開(kāi)發生産彈簧鋼絲要從(cóng)原料入手，首先是控制鋼的化學成分，開(kāi)發新鋼種， 以适應對(duì)高(gāo)性能(néng)彈簧鋼絲不斷增長的質量需求。其次是提高(gāo)鋼的純潔度，以保證鋼均勻的淬透性。第三，提高(gāo)表面質量和(hé)尺寸，探索新的截面形狀以保證彈簧的性能(néng)和(hé)使用(yòng)壽命 ，最後是開(kāi)發和(hé)利用(yòng)先進鋼絲油淬火 - 回火設備及工(gōng)藝，以适應高(gāo)性能(néng)彈簧生産發展的要求。