□文／陈 英（东风汽车悬架弹簧有限公司）
１ 引言
52CrMnB弹簧钢材料是东风汽车悬架弹簧公司联合东风汽车有限公司工艺研究所、东风汽车有限公司制造规划总部、东风汽车有限公司商用车研发中心、江西长力钢铁股份有限公司，结合实际市场环境、面向大规模生产制造而开发的取得国家发明专利的新型汽车钢板弹簧用新型高强度弹簧钢材料，该材料已全面应用于14～28mm厚大截面多片钢板弹簧和截面厚度≤36mm的变截面轧制钢板弹簧，仅该公司目前材料年使用量近8万t，并且保持每年逐步增长的趋势。本文有针对性的分析该新型高强度弹簧钢材料的性能要求及其合金元素的作用。２ 材料性能及要求
钢板弹簧是在周期性的弯曲、扭转等交变应力下工作，经受拉、压、扭、冲挤、疲劳、腐蚀等多种作用，有时还要承受极高的短时冲击载荷，因此要求弹簧钢具有很高的抗拉强度、屈服强度、屈强比、塑性、韧性、硬度及弹性极限、疲劳强度。目前钢板弹簧生产多采用淬火+中温回火得到均匀细密的回火屈氏体组织来满足钢板弹簧的使用性能要求。２．１ 使用性能要求
钢板弹簧工作条件特性决定了弹
簧钢必须满足以下优良使用性能：钢
板弹簧是在交变应力、振动、冲击等
动载荷的条件下使用的，因此除了抗
拉强度和硬度外，弹簧钢必须具有良
好的弹性极限、比例极限、塑性和韧
性等力学性能，以保证钢板弹簧在使
用中能满足各类性能的基本要求；钢
板弹簧在工作的过程中，表面所受到
的应力最大，这就要求弹簧表面具有
较高的抗拉强度和硬度；疲劳和弹性
减退是钢板弹簧最主要的两种破坏形
式，为了延长弹簧的使用寿命，在提
高弹簧的设计应力时，应保证弹簧钢
具有优良的抗疲劳性能和抗弹性减退
能力；要求良好的理化性能，主要包
括耐热性、耐低温性、抗氧化性和抗
腐蚀性能等；钢板弹簧在承受各种载
荷时，表面的应力最大，很容易发生
各种破坏，所以弹簧钢钢坯的表面质
量对于生产的钢板弹簧影响很大。脱
碳使钢板弹簧的抗疲劳性能及抗弹减
性能降低，因此，要保证弹簧钢良好
的抗脱碳性能。
２．１．１ 强度和韧性
影响弹簧钢材料强度和韧性的主
要原因是基本组织微观缺陷，它包括
晶粒间界、沉淀粒子、位错亚结构、
固溶畸变区等。上述微观缺陷结构均
将导致低合金钢强度的提高，然而除
了晶粒间界增多(即细晶强化)会使韧
性增高外，其余微观缺陷结构都将使
韧性下降。弹簧钢材料的强化可以通
过两个基本途径来实现：一是制成无
缺陷的完整晶体，使材料的强度接近
理论强度（例如晶须）；二是在有缺陷
的晶体中设法阻止位错运动。由于晶
须的强度极不稳定，当有一定数量位
错存在时，强度就急剧下降，故多采
用第二种强化途径，即通过在晶体中
引入大量缺陷阻止位错运动来提高强
度。具体分为细晶强化、沉淀和弥散
强化、固溶强化、位错强化几类。细
晶强化的实质是晶界强化。当晶粒越
细，晶界越多，则单位体积内的晶界
面积愈大，表现的阻碍作用也越大，
金属材料的屈服强度也越高。晶粒细
化不仅可以有效地提高材料的强度，
而且可以改善材料的塑性和韧性。细
化晶粒即增加晶界面积还可增大它对
裂纹扩展和解理断裂的阻碍作用而提
高钢的韧性。塑性变形主要是由位错
的滑移运动造成的。位错强化是钢铁
材料中最有效的强化方式之一。
２．１．２ 疲劳强度
钢板弹簧的使用环境是典型的交
变应力状态，尽管最大工作应力低于
静载荷下的材料的强度极限，甚至低
新型高强度弹簧钢５２ＣｒＭｎＢ材料性能及其合金元素的作用
２０１０．４． ＨＥＡＶＹ ＴＲＵＣＫ《重型汽车》２７
于弹性极限，但是经历了长期的工作后，构件内高局部应力区较弱的晶粒形成细微裂纹，随着应力的重复交替改变，发展成宏观裂纹，然后，裂纹逐渐扩展、深入构件的其它部分，以致构件的截面面积逐渐减小，最后，当截面面积被削弱到某一程度，在一个偶然的振动或冲击作用下，甚至在正常的最大工作应力下，构件沿削弱截面会突然发生断裂破坏。疲劳性能对板簧的使用寿命至关重要。除设计、工艺制造及使用等因素有关外，影响弹簧疲劳强度的主要因素有非金属夹杂物、硬度及表面缺陷，表面强化效果响应（应力喷丸强化响应）、材料强度、韧性、塑性配合也都是重要的影响因素。
２．１．３ 弹性减退性能
弹簧钢弹性减退是指在室温下，由于长期的静载荷或交变的动、静载荷作用下，而发生塑性变形的一种力学现象，或者说在恒定的应变控制下，其承载能力逐渐下降的一种力学现象。弹簧材料的弹性减退抗力(简称弹减抗力)是材料抵抗塑性变形或承载能力下降的能力。
弹性减退是一个由弹性变形向塑性变形的转变过程。弹性减退使整车高度下降，影响汽车行驶的平顺性
、安全性、稳定性和操作性，所以材料的弹减抗力成为弹簧高应力化的决定因素。为了保证弹簧正常工作，特别是在提高弹簧的设计应力时，弹簧必须有良好的弹减抗力，提高弹簧弹减抗力的途径主要有固溶强化、沉淀强化、细晶强化等。在弹簧钢常用的合金元素中以Si提高弹减能力最大，这不仅是因为它有强烈的固溶强化的作用，还因为它能间接地助长沉淀强化作用。B亦能有效地提高钢的弹减抗力，与其提高淬透性的作用一样，只要加入极少量B即可显著改善材料的弹减抗力。２．１．４ 延迟断裂性能
延迟断裂是在静止应力作用下的
材料，经过一段时间后发生突然脆性
破坏的现象。这种现象是由于材料—
环境—应力的相互作用而产生的一种
环境脆化，以氢致材质恶化形态呈
现。实际用钢在自然环境下发生延迟
断裂的主要是淬火回火的马氏体系
钢，它一般具有以下特点：在抗拉强
度＞1200MPa、硬度HRC≥38的强度水
平时，延迟断裂的敏感性显著增加。
高强度弹簧钢中少量S常常会显
著偏析在晶界上，降低晶界结合力，
并引起低温沿晶断裂和高温脆化。B
的添加提高了晶界的结合力，沿晶偏
析的硼能够消除S偏析引起的晶界结
合力降低，还能提高铁的晶界结合
力。抑制S等有害元素的偏析，能增
强晶界能，提高高强度钢的抗延迟断
裂性能。
２．２ 工艺性能要求
２．２．１ 淬透性
钢板弹簧的力学性能，尤其是屈
服强度和冲击韧性与淬透性密切相
关。所谓淬透性是指钢在一定奥氏体
化条件下淬成全部或部分马氏体的能
力。从硬度上来讲，它是钢淬火后硬化
层深度的度量。完全淬透的工件具有良
好的综合力学能力，屈服强度、屈强
比、疲劳强度、冲击值和断面收缩率都
比较高，而脆性转变温度却比较低。
少片变截面板簧和重型车等截面
板簧的厚度一般在13～30mm之间，
为保证钢板有较好的力学特性，要求
钢种具有较好的淬透性。影响淬透性
的因素主要有钢的化学成分、奥氏体
均匀度、奥氏体化温度、奥氏体晶粒
尺寸及奥氏体中非金属夹杂物等因
素。淬透性高的钢，其力学性能沿截
面均匀分布，具有较高的韧性。钢的
淬透性实质上是奥氏体稳定性的表
现，而合金元素是影响奥氏体稳定性
的主要因素。在常用的合金元素中，
对降低临界冷却速度从而使钢容易淬
火的影响来说，以Mn为最强烈，其次
为M o、C r、A l、S i、N i，再次是其它
元素。当同时加入数种合金元素时，
由于相互激发的效应，更能大大降低
临界冷却速度，从而使钢的淬透性得
到显著提高。在52CrMnB中，Cr和
Mn一起合金化就会显著增加钢的淬透
性。钢中加入微量B，其含量虽只有
万分之几，但能大大提高钢的淬透
性，使钢在热处理后，在提高塑性的
条件下，同时获得较高的抗拉强度和
屈服强度。微量的B之所以起到这样
的作用，主要是因为它具有表面活性
而存在于奥氏体的晶界上，降低奥氏
体晶界的能量，因而延长了奥氏体分
解转变的孕育期，提高了过冷奥氏体
在马氏体点以上温度区间的稳定性。
２．２．２ 脱碳倾向
碳是钢中主要的合金元素之一，
起到强化作用。但含碳量越高，钢的
脱碳倾向越大，而且不同含碳钢种脱
碳后，其微观组织亦不同。当弹簧表
面氧化脱碳以后，表层的硬度和强度
降低，容易产生裂纹，甚至产生断
裂。弹簧钢表面脱碳0.1mm就会使其
疲劳极限显著下降。特别是表面脱碳
层出现铁素体时可降低疲劳极限
50%。因此，当限制弹簧钢材的脱碳
层深度。
60Si2MnA钢中Si元素不容易形成
碳化物，大多都是以固溶物的形态存
在。它本身具有固溶强化作用，可以
改变析出碳化物的数量、形态和尺寸
等，对钢的脱碳有十分明显地促进作
用。另外，60Si2Mn中的Si元素可以增
加奥氏体中碳的活度，提高碳的扩散
系数，从而增大弹簧钢的脱碳性，所
以，弹簧钢60Si2Mn比碳钢更容易脱
碳。而Cr则相反，Cr也可降低弹簧钢
的脱碳敏感性，降低碳的扩散速度，
又比较容易形成碳化物，提高了钢中
碳扩散的激活能，并可在钢的表面形
Ｑｉｃｈｅｇｏｎｇｙｉ汽车工艺
《重型汽车》ＨＥＡＶＹ ＴＲＵＣＫ ２０１０．４．
２８
成较致密的薄膜，阻止氧继续进入钢中，抑制脱碳过程，Cr—Mn钢比Si—Mn钢脱碳倾向小。几种合金元素与碳结合能力从弱到强的顺序为：铁、锰、铬、钨、钒、铌。
３ 合金元素及其作用
合金化元素在钢中应用的基本原理在于其在钢中的固溶、偏聚和沉淀作用，尤其是微合金元素与碳、氮交互作用，产生了诸如晶粒细化、析出强化、再结晶控制、夹杂物改性等一系列的次生作用，这些因素综合的对钢产生了强韧化效果，同时提高材料的工艺性能。52CrMnB涉及的化学元素主要有C、S i、M n、C r、B等，其作用分述如下。
３．１ 碳
设计C含量的应主要考虑固溶强化及回火二次沉淀硬化所需。C是主要的强化元素，C溶解在钢中形成间隙固溶体，起固溶强化作用，它与强碳化物形成元素形成碳化物析出时，起沉淀强化作用。碳对弹簧的
强度、硬度、塑性、韧性、脱碳倾向、显微组织都有很大的影响。弹簧钢要求较高的强度和疲劳，一般在淬火+中温回火的状态下使用，使获得较高的弹性极限。为保证强度，弹簧钢中必须含有足够的C，但随C含量的上升，塑形、韧性会下降。为了提高弹簧钢的韧性和塑性，碳含量有降低的趋势。C含量高虽然对强度、硬度、弹性等有利，但塑性、综合性能不够理想、韧性较低，易脱碳，对弹减抗性不利，影响弹簧的疲劳寿命。
３．２ 硅
Si不是碳化物形成元素，基本上以固溶态存在，具有固溶强化效果高于Mn，在常用合金元素中名列前茅。Si 本身不仅有固溶强化作用，而且能改变钢回火时析出碳化物的数量、尺寸和形态等，提高钢的回火稳定性，因此，对提高材料强度、硬度有好处。
当合金元素和C含量在一定的范
围内时，Si对弹性减退抗力的贡献居
各种合金元素之首。Si增强抗弹性减
退的能力随着含量增加而增强，在含
量1.5%时效果最佳。但是，Si也可能
在一定程度上对塑性、韧性产生不良
影响。Si含量较高时还助长钢加热时
的脱碳、石墨化和晶粒粗化倾向。一
般弹簧钢中硅含量不大于0.3%。
３．３ 锰
Mn是弱碳化物形成元素，在钢中
主要以固溶的形式存在于基体中。一
部分固溶于铁素体（或奥氏体），另一
部分形成含M n的合金渗碳体（F e、
Mn）
3
C。以固溶形式存在的Mn具有较
强的固溶强化效果，Mn对铁素体的固
溶强化作用仅次于P和Si。同时Mn是
奥氏体稳定化元素，能扩大奥氏体相
区，钢中加入Mn还能显著提高钢的淬
透性，改善热处理性能，强化基体、
降低珠光体的形成温度，细化珠光体
的片间距离，从而提高钢的强度和硬
度，其对淬透性的增强作用高于Cr，
Mo、Ni。同时Mn矿为我国富产，价
廉易取。但Mn增大了弹簧钢的过热敏
感性，晶粒易粗大，还易增大回火脆
性，因此，Mn含量不宜过高。
３．４ 铬
Cr是中强碳化物形成元素，加热
时溶入奥氏体的Cr能强烈地提高淬透
性。钢中的Cr一部分形成碳化物，另
一部分溶入基体产生固溶强化，提高
钢的强度和硬度。Cr不仅能使C曲线
明显地右移，而且使珠光体和贝氏体
转变的C曲线明显分开。在52CrMnB
中，Cr与Mn适当配合，显著提高了钢
的淬透性，并且较多的Cr将促进位错
马氏体的形成。但是Cr在钢中起到强
化作用的同时亦使塑性有所降低，并
增加回火脆性。52CrMnB用于35mm
以下的厚大截面钢板弹簧，需要良好
的淬透性，因此52CrMnB在避免回火
脆性的同时增加Cr含量。
３．５ 硼
B能使钢的淬透性显著提高，B原
子偏聚于奥氏体淬火冷却过程中晶界
上，降低晶界能，抑制铁素体的形
核，推迟铁素体的形成，同时晶界上的
B原子也阻滞晶界原子的扩散，使铁素
体在晶界上扩散形核减缓，从而增加淬
透性。常用化学元素中，B对淬透性贡
献最大，0.001%～0.003%B的作用分别
相当于0.6%Mn、0.7%Cr、0.15%Mo、
1.5%N i，应用B可节省大量合金元
素。淬透性随硼含量的增加而增加,
但B含量超过0.001%后淬透性不再增
加。而且钢中的C含量越少，B的淬透
性效应越发突出。B还能提高钢的抗
弹减性，当B元素以间隙原子形式固
溶于奥氏体、铁素体时，特别容易聚
集在位错线附近，抑制变形过程。
但是，B在化学元素周期表中位
于第二周期，是第ⅢA族的第一个元
素。它和N、O都有很强的亲和力，并
能与S、C化合。加热能提高B的化学
活性。B同钢中的N、O结合形成氧化
物和氮化物后，就失去提高钢的淬透
性功能。同时B在冶炼过程中极易挥
发，因此B钢的冶炼过程中对脱O、脱
N要求较高，B回收利用难度较大。
４ 结论
本文从合金元素对弹簧钢材料性
能影响的角度，分析了高强度钢板弹
簧对材料的性能要求，并阐述了目前
成功开发大规模应用的新型52CrMnB
高强度弹簧钢材料的合金元素及其作
用。新型高强度弹簧钢52Cr Mn B材
料，通过C、S i、M n、C r、B各元素
的合理匹配，使新材料具有较高的力
学性能、工艺性和经济性，满足14～汽车弹簧
28mm厚大截面多片钢板弹簧和截面厚
度≤36mm的变截面轧制钢板弹簧高强
度材料需求。
参考文献略。
Ｑｉｃｈｅｇｏｎｇｙｉ汽车工艺
２０１０．４． ＨＥＡＶＹ ＴＲＵＣＫ《重型汽车》２９
发布评论