1前言
悬架弹簧是汽车重要部件,它在周期性弯曲扭转等交变应力下工作 ,经常承受拉、压、扭、冲击、疲劳、腐蚀等多种作用 ,所以应具有高的弹性极限。同时为防止疲劳与断裂 ,悬架弹簧还应有高的疲劳强度与足够的塑性、韧性。随着能源日趋紧张 ,为了减轻汽车重量 ,对悬架弹簧钢提出了新的要求 ,减轻其重量的最有效办法是提高弹簧设计应力。经计算 ,弹簧重量与设计应力平方成反比 ,而抗疲劳与抗弹减性能是直接影响弹簧设计应力的主要因素。
汽车轻量化 ,促使汽车悬架弹簧高应力化非金属夹杂物则是悬架弹簧损坏失效的主要原因 ,如何降低弹簧钢中非金属夹杂物数量 ,改善夹杂物形态与分布 ,冶炼高纯弹簧钢已成为当前弹簧钢生产的一个关键问题。
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1 汽车用悬架弹簧的质量要求
1. 1 车用悬架弹簧的种类和特点
悬架弹簧在汽车行驶过程中 ,承受高频往复压缩运动 ,起着缓冲和减震作用 ,其质量好坏 ,对车辆平稳性、安全性起着至关重要的作用。轿车、客车对悬架弹簧性能要求较高 ,需要达到减小噪音、提高舒适度和平稳性等要求;重型及超重型载货车需要高强度悬架弹簧。悬架弹簧的技术发展趋势总体上向轻量化、高应力、高可靠度发展 ,悬架弹簧设计应力要求大于1100MPa,高的可达1200MPa。
汽车行业使用的悬架弹簧分为钢板弹簧和螺旋悬架弹簧两大类。轿车用螺旋悬架弹簧 ,钢丝直径9～16mm,常用4个悬架弹簧 ,每辆车平均需要弹簧钢线材15 kg,钢种为60Si2MnA,55SiCr(SUP12) , 50CrVA等。一些微型汽车和面包车的悬架弹簧、摩托车减震弹簧等也使用螺旋悬架弹簧。悬架弹簧对弹簧钢丝的化学成分、夹杂物数量和形态分布、表面质量、脱碳层、显微组织及力学性能等要求较高。悬架弹簧要求表面脱碳层小于直径的0.5%、表面要磨光、尺寸公差要求比较严格、应无缺陷交货。采用通常热加工方式难以达到用户要求 ,因此 ,轿车悬架用弹簧逐渐由热成形改为冷成形 ,经拉拔、热处理后制成卷簧。悬架弹簧钢丝发展方向是降低碳含量、减少脱碳 ,提高塑性成形性和抗弹性衰减等性能。
车用悬架弹簧应用较多的是Si - Cr系弹簧钢。这类钢的抗回火稳定性好 ,松弛抗力高 ,疲劳寿命较理想 , 但在一些微型车上 , 悬架弹簧也常用60Si2MnA或 50CrVA钢。扭杆弹簧结构简单 ,有利于车辆整体布置 ,在一些轿车和轻型车上应用 ,也有在重型军用车上应用的。
在传统 Si-Mn弹簧钢的基础上通过降低 C含量并添加Ni, Cr,Mo和V等合金元素 ,汽车悬挂已开发出高强度和韧性的弹簧用钢。在传统的Cr-V系弹簧钢中添加Nb可提高钢的抗延迟断裂性能 ,使钢的抗拉强度达到1800MPa。提高弹簧疲劳强度的有效途径是对弹簧进行喷丸和氮化处理。
1. 2 车用悬架弹簧对线材的质量要求
轿车悬架弹簧用线材对钢的纯净度、尺寸精度、表面质量有严格的要求。
实践证明 ,线材的直径精度对减少拉丝模磨损、降低能耗、减少断丝、保证拉拔稳定进行具有重要意义。悬架弹簧用线材的直径公差控制在±0.2mm,椭圆度不大于直径公差的60%。线材表面的裂纹、折叠、划伤等缺陷严重影响钢丝的质量 ,降低悬架弹簧的疲劳寿命。线材表面应光滑 ,不得有裂纹、折叠、结疤、耳子等。局部的凸块、凹坑、麻面等缺陷尺寸不得
大于0.10mm。线材力学性能要好 ,并且波动小。线材通条抗拉强度波动 ≤40MPa,断面收缩率波动 ≤15%,索氏体体积分数 ≥85%,游离态铁素体对疲劳寿命有较大影响 ,体积分数应控制在1. 5%以内 ,晶粒度为8级以上 ,不得有马氏体。
夹杂物作为疲劳裂纹源会引发疲劳裂纹的扩展 ,最终导致弹簧断裂 ,它所造成的弹簧失效已成为弹簧破损最主要的原因之一。特别是在高压应力条件下使用的弹簧 ,疲劳极限与硬度之间不再是线性关系 ,当材料硬度HV值超过400以后 ,显微夹杂物将成为疲劳裂纹源 ,使材料的疲劳极限下降 ,而汽车悬架弹簧通常在HV值为430～535时使用 ,要求不得有大于15μm的脆性夹杂物。
表面脱碳会引起表面硬度降低 ,易在加工中形成表面疲劳裂纹源 ,对悬架弹簧的疲劳寿命有重要影响。要求线材表面总脱碳层不大于线材公称直径的1%,避免全脱碳。
碳含量的波动 ,会引起力学性能波动:碳含量与抗拉强度正相关 ,与断面收缩率负相关 ,减少碳含量可减少脱碳 ,提高成形性和抗弹减性。碳质量分数的波动范围应小于 0.03%。硅元素具有高的固溶强化作用 ,对提高抗弹减性有利 ,硅含量过高易形成硅酸盐夹杂并产生脱碳倾向。锰可以加强弹簧的强度和淬透性 ,但也增加了钢的过热敏感性和回火脆性。如高品质55
SiCr中 ,硅的质量分数一般在1.33%～1.45%,锰的质量分数为0. 67%～0. 69%。硫和磷含量要严格控制 ,高质量悬架弹簧产品要求硫和磷的质量分数分别小于0.01%和 0.015%,氧的质量分数 ≤15×10 ,氮的质量分数 ≤35×10。
1. 3 车用悬架弹簧的生产工艺
悬架弹簧的制造方式有两种:热卷成簧和冷卷成簧。热卷成簧工艺:弹簧直条 (冷拉退火钢丝 /热轧退火剥皮抛光料 )→热卷簧→油淬火、回火→磨削、喷丸 →热强压→整型→负荷分类→包装。冷卷成簧工艺:油淬火回火钢丝 →冷卷簧 →去应力→磨削、喷丸 →热强压→整型→负荷分类→包装[1]。
2 国外超纯弹簧钢冶炼新工艺
60Si2MnA是高级优质弹簧钢 ,其纯净度、夹杂物形态及分布、表面质量对弹簧抗弹减性、疲劳强度有重要影响 ,俄罗斯奥斯尼斯克等冶金厂掌握了从直接还原铁冶炼 60Si2MnA 新工艺 ,日本大同特钢厂二次冶金技术的应用 ,为大批量生产低成本、高质量弹簧钢提供了可能。
.1 从直接还原铁冶炼超弹簧钢
1原料
奥斯尼斯克厂主要运用占金属炉料40%-100%的优质炉料 ——金属球团矿(由俄罗斯库尔斯克独一无二的地磁异常矿石直接还原) 。
炉料由自动输送系统加入150t 电弧炉中熔炼。
2.1.2 冶炼工艺
在熔炼中按配方准确控制添加合金元素(硅硅锰合金) ,认真制定脱氧工艺 ,将硅与铝直接加入炉中 ,在吹氩及真空冶炼时 ,监查铝的加入量 ,在连铸中采用保护套管与浸入式水口 ,设计、制造了专用气(氩)系统。浇钢包采用高氧化铝耐火材
料 ,采用防止二次氧化的保护浇铸技术。在浇钢包中添加固态造渣混合物脱硫。
2.2 二次冶金技术
2.2.1 降低夹杂物含量精炼技术
DH、RH真空脱气是常用精炼方法,在RH基础上,日本钢公司的RH- SCS法,见图1、2,大同特钢研制的ULO(超低氧)钢处理工艺可达极限含量。
大同特殊钢厂按图3所示生产工艺研究了纯洁度对悬架弹簧钢60Si2MnA 所需性能影响,并得出如下结论:
(1) 证实了氧含量低于15×10-6的超低氧(ULO)钢是实现悬架弹簧钢200kgf 高应力值的一种有效手段。
(2)用超低氧加超低氮化钛工艺生产的ULO+ULTiN钢的疲劳极限和真空电弧重熔钢相同。
大同特殊钢厂ULO超低氧处理简介如下:
在超高功率碱性电弧炉中熔化钢水 ,吹氧后钢水加入 Fe-Si 进行脱氧处理并得到高碱度还原渣 ,然后将钢水倒入钢包 ,并将 RH循环脱气设备插入钢液 ,汲取钢水进入真空室。利用大容量喷射泵 ,保持真空度<13.3Pa(0.1mmHg) ,并将小流量氩气引入钢水 ,钢水发泡进入真空室 ,钢水中碳脱氧反应快速进行 ,从而钢水脱氧 ,当碳氧反应达到平衡时 ,加入铝脱氧剂 ,以促进脱氧产物上浮分离与去除 ,保持脱氧状态的稳定 ,继续进行脱氧操作 ,最后调整加铝量。RH循环脱气后 ,氧含量下降到15 ×10-6 以下 ,为保持氧含量不大于15 ×10-6,应在钢水浇注及凝固时保持钢水免遭污染 , 并促进去除脱氧产物。
采用脱气法生产超纯弹簧钢主要目的在于严格限制钢中氧含量 ,降低钢中夹杂物的尺寸与数量。
2.2.2 控制弹簧钢夹杂物形态及分布的纯洁钢精炼技术
此精炼技术是在 ASEA - SKF 或 VAD 精炼炉中通过合成渣控制弹簧钢中夹杂物组分、形状及分布。日本神户制钢超纯化处理工艺如下:
用电弧使钢水保持适当温度 ,同时采用电磁搅拌去除夹杂物 ,控制夹杂物。另外为了消除混入铝产生的不良影响 ,控制钢水加热及搅拌时钢包顶部渣子组分。调整渣子碱度 将钢中氧含量,控制在最适宜值 ,可使铝生成的夹杂物由高熔点的Al2O3、CaO·Al2O3 、MgO-Al2O3 转变成低熔点的CaO·Al2O3 - SiO2·MgO的复杂夹杂物。随着大量塑性夹杂物增加 ,Al2O3 等脆性夹杂物大幅度减少。通过调整渣子 ,控制夹杂物的工艺不但改善了弹簧钢的疲劳寿命及可靠性 ,而且提高了弹簧钢的抗弹减性及耐热性。
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