轿车用悬挂弹簧及气门弹簧钢丝生产现状和发展.pdf

综 述轿车用悬挂弹簧及气门弹簧钢丝生产现状和发展陈锡昌(上海市金属学会,上海 200020)摘 要:本文论述了 55SiCr 和 55SiCrV 钢制轿车用悬挂弹簧和气门弹簧钢丝的生产现状,包括冶炼、浇铸和轧制等问题。并重点论述钢丝的感应热处理工艺方法,最后述说了日本新开发的悬挂弹簧钢及其测试评估。关键词:汽车弹簧;弹簧钢;热处理中图分类号:TG162.74 文献标识码:A 文章编号:1008-1690(2002)04-0008-04Current Production Situation and Development of Wires forPendulum Spring and Valve Spring of CarsCHEN Xi-chang(Shanghai Society of Metals)Abstract:Current production situation of 55 SiCr and 55SiCrV wires for pendulum spring andvalve spring of Cars,including steel-smelting,pouring,rolling and so on,are discussed in this pa-per.The key point is the induction heat treating technology.And the latest development of pendu-lum spring steel in Japan and its detecting and evaluating are also discussed.Key words:automotive coil spring;spring steel;heat treatment1 概述目前我国轿车生产形势喜人,国外很多知名轿车企业纷纷进入我国轿车生产行业,并由普及型逐渐向中高档和家用轿车方向发展,整车重量也向轻量化方向迈进。为此车身钢板采取高强化,铝合金用量逐渐增加,有些不可取代的钢制另件,也要高强化。如悬挂弹簧用钢的抗拉强度提高至 2000MPa,而气门弹簧的抗拉强度提高至 2200MPa,除强度提高外,韧性也要达到相当水平,即材料的强韧性要好。以气门弹簧为例,其钢丝的疲劳寿命要求 2300 万次,实际上是无限寿命,而且对之还要提出另外相关苛求,如因气门簧失效造成气缸损坏,相应要赔偿气缸更新费。这些都对弹簧钢丝的生产工艺稳定性,提出了十分苛刻的要求。本人由于长期从事特钢生产,同时也考察过不少有关国家的特钢生产情况,包括日本热炼热处理生产线等。现提出这些钢应该使用的有关工艺,供大家探讨。本文提出的钢种以 55SiCr 及 55SiCrV为主,这一钢种的美国标准牌号为 SAE9254;日本为 Super 12。两钢种的成分完全一样,后者气门簧用钢中加入 V0.15%。另外也介绍一些日本最新开发的一些钢种,相应的成分见表 1。)8)3热处理4 2002 年第 17 卷第 4 期 表 1 轿车用弹簧钢成分(X%)序号钢号成 份%CSiMnS、PCrNiCuMoVNbB(ppm)12345655SiCr55SiCrV新 A新 B新 CSup 70.51 0.590.51 0.590.40.450.400.611.2 1.61.2 1.61.701.502.532.00.6 0.80.6 0.80.220.200.700.89 0.025 0.025 0.025 0.025 0.025 0.0250.6 0.80.6 0.81.120.850.85/0.51.01.83/0.10 0.10 0.20 0.20 0.30/0.4/0.15 0.150.200.20/0.0250.025/1.5ppm/注:55SiCr 目前设计许用应力为 900 1000MPa,而新 A 钢种经各种试验则可达 1200MPa。C 钢为 1300MPa2 冶炼连铸工艺的选择2.1 冶炼工艺,通常有二种,即电炉+LF(真空);另外一种即转炉+LF+VD 或 RH。两者对比,前者含氧量可以控制 15ppm,但含氮量 即使 真 空 处 理 后,也 将 达 到 60 120ppm,同时杂质元素含量较高;采用转炉冶炼,由于使用高炉铁水加入废钢量少,钢水纯洁度提高,氮含量可以控制 30ppm。在日本热炼考察时,该厂技术负责人强调对 PC线和弹簧钢等要求用转炉钢,目前我国从日本和德国进口原料的厂商,如日本的神户和德国的萨斯厂都是采用转炉冶炼的。同时强调要采用无铝脱氧,防止铝氧化物夹杂多;宝钢对钢帘线钢夹杂物控制一文中,也介绍了无铝脱氧和使氧化物夹杂降为无害的技术,无疑这种转炉冶炼出这些钢,比电炉冶炼要好,且成本也低。2.2 浇铸方面在/钢铁0杂志 2001)12 期 3,有大冶与无夕钢厂等,对 60Si2Mn A 弹簧钢采用模铸与连铸坯对比中,模铸坯 平 均 夹 杂 为44.6Lm,而 49Lm 的夹杂为 48.11%,对连铸坯夹杂平均为 18.8Lm,40Lm 的夹杂只占 7.3%,这说明采用模铸,夹杂物有富集现象,因此采用连铸工艺为好。对于连铸采用大小方坯之争,由来已久,从夹杂易于上浮,以及增加轧制中延伸量,使表面和中心夹杂变细小,以及表面质量改善出发,应以大方坯为主,但一次性投资较大。连铸机又分水平,立弯和立式三种;铸坯又有矩形,大方和园断面之分。从质量考虑,以立式为最好,主要铸坯不再产生内外弧夹杂差别,夹杂上浮也有利;铸坯断面以园坯为好。如日本大同特钢新建的连铸机为300 断面立式连铸机,台湾华新丽华不锈钢连铸也是200 园坯,准备扩大至240 园断面。3 轧制工艺(以线材为主)3.1 坯料选择:轿车悬挂及气门弹簧钢线材,一般以14 8mm 的盘元为主。由于该盘元表面质量要求极高,表面脱碳要求为无全脱碳层,内在夹杂层厚度 5Lm,为此轧制盘元的原始坯料)即连铸坯不宜使用小方坯,而用大方坯(300mm)开坯至方 120mm 左右,进行表面清理后,再轧成14 8mm 盘条。3.2 轧制主要工艺的控制将方 300mm 开坯至方 120mm 时,加热温度提高至 1200e,并进行适当保温。这有利于夹杂和偏析的扩散,以便在轧制中使它们弥散分布。但将二次坯方 120mm 加热时,以低温快速加热为好,主要为防止脱碳。轧后冷却要保证获得索氏体组织。同时,在轧制中,从开坯至成品,不允许出现扭转轧制,防止表面擦伤和折叠。如果使用 Y 型轧制会使轧材表面质量提高,变形也较相对均匀。4 热处理工艺传统的热处理工艺加热方式采用燃气,电阻或盐浴,由于加热保温时间长,会造成轧)9)3热处理4 2002 年第 17 卷第 4 期 材晶粒长大和表面脱碳等弊病,为此其强韧性比采用感应加热的低些。目前该类加热方式,主要适用于热卷弹簧生产上。对于冷卷弹簧用的钢丝大多采用感应加热进行热处理,该方法对管、棒、丝、带均可采用。这里主要针对14 2.5mm 的弹簧钢丝进行介绍:4.1 钢丝进行热处理前预处理:悬挂簧用钢丝直径为 14 10.5mm,将热轧的盘卷进行酸洗,拉拔至要求尺寸后除油清洗即可进入热处理生产线(可以不进行剥皮处理)。对气门簧用钢丝,直径一般为 4.5mm 2mm,它的坯料,必须进行剥皮抛光后才能进入热处理生产线。4.2 感应热处理感应热处理应用的频率,进线速度,淬火加热温度,保温,淬火介质,回火温度,回火保温,回火后冷却介质的选择是极为重要的。根据钢丝的钢种,规格大小,上述工艺参数有很大的差别,现分别概要介绍如下:4.2.1 高频感应频率的选择:对14 10.5mm规格的钢丝(钢种可以不考虑),淬火预热用8000 10000 赫兹,功率 250kW;加热用 4 万20万赫兹,功率选用 250kW 400kW;回火加热)一般都使用 8000 10000 赫兹,功率选用250kW 400kW不等。对4 2.5mm 的钢丝,淬火加的频率,将使用25 50万赫兹,否则不易升温至 1000e。4.2.2 钢丝走线速度:随着钢丝规格和钢种不同,以及使用加热功率的不同,走线速度差别很大。对14 10.5mm,以弹簧钢为准则为 1525m/分,对使用功率大的,则选用上限,对 PC 棒(30MnB)等钢种,如加热功率为 400kW 时,则线速可高至40m/分。4 2.5mm 气门簧淬回火时线速一般为 100 120m/分。4.2.3 淬火加热温度:感应加热热处理最大的特点是快速加热,为此淬火加热温度一般比传统加热方法高 200e。经实践,这种高温加热对脱碳和晶粒长大都无影响,相反比传统加热热处理时得到的晶粒细得多。4.2.4 淬火加热后的保温:在生产线设计中,有的有保温段,有的没有。我们认为对合金化高的钢种,设有保温段是较好的。4.2.5 淬火冷却介质的选择:它对14 2mm 规格大小来说,关系较小。冷却与钢种含碳量和合金化程度有关。一般认为 C 0.83%都可以用水,但水温一定要控制在 45e 50e,同时以采用流动水为好。有的单位对弹簧钢采用加入淬火剂方法,以调节冷却速度。4.2.6 回火温度:回火温度的确定,主要根据硬度要求而定。55SiCr 悬挂弹簧要求硬度为 50HRC,55SiCrV 的为 53 54HRC;随着硬度确定,强度也就随之而定。4.2.7 回火后的冷却:回火后的保温十分重要,也有二种方法。一种是用电阻丝加热,加热保温段一般长达20m 左右;另一种采用感应加热高温合金管,回火钢丝从钢管中通过,依靠钢管中简接辐射方式加热钢丝。显然,钢管内保持恒温十分重要。保温管的长度为 4m,与电阻加热相比,其长度大大缩短。回火后钢丝冷却介质一般都使用 40e 50e 热水浴。5 弹簧钢丝交货条件:以上所述的弹簧钢丝是经过淬火回火处理的,都用于冷卷加工弹簧。以桑车为例,后轿用弹簧钢丝交货时,Rb1750MPa,W40%,晶粒度为 11 级,表面无缺陷,无全脱碳层,制成弹簧的疲劳寿命4 105次,高度损失 1.8mm。气门簧钢丝交货时 Rb1800)10)3热处理4 2002 年第 17 卷第 4 期 2000MPa,W45%,脱 碳 层 5Lm 和 0.025mm 半脱 碳层,以 上都依 55SiCr 或55SiCrV 为主。6 新材料测试评估新材料开发为轿车弹簧时,日本使用的测试评估法介绍如下:新开发的悬挂弹簧钢号成分为 C 0.4%,Si1.7%,Mn 0.22%S.P 0.025,Cr 1.12%,Ni0.5%,V 0.15%,Nb 0.025%,B 1.5ppm.。它满足设计许用应力为1200MPa。6.1 大气疲劳强度试验:经试验:新钢种的Smax为 1176MPa(旋转弯曲疲劳强度)。6.2 抗变形性:将弹簧装入固定装置中,加温至 80e,加载剪切应力 1176MPa,保持 96 小时后,测定弹簧高度损失值。为作对比,桑塔纳悬挂簧高度损失值 1.8mm,新钢种 A 测定 4mm。6.3 多周期腐蚀疲劳强度试验:每一周期为:用 5%NaCl 溶液喷 30c,加载拉压应力为 735(+)/441(-)MPa,振动次数为 3000 次,在 26e,95%湿度的容器中存放 23 小时。新钢种连续经 20 个周期发生断裂。为作对比,60Si2Mn 钢只能承受一个周期即发生断裂。6.4 延迟断裂试验:每一周期为:在一固定容器中,弹簧放入后加载 1176MPa 应力,于 15%HCl 中浸泡 2分钟用水冲洗,然后放入 26e,95%湿度的容器中保持 23 小时。同样,经连续 20 个周期,直至弹簧断裂为止。对断口,要应用扫描电镜进行观察确定断裂的性质。针对新材料而言,确定为延性断裂。日本指出,新钢种制成弹簧后应用,满足设计许用应力 1200MPa,它比老钢种可以减轻重量 20%,其优越性是明显的。7 结束语本文概述了轿车用悬挂弹簧和气门弹簧钢丝的要求和生产现状,钢种以 55SiCr 和55SiCrV 为主。文章指出,冶炼采用转炉+LF+VD 或 RH 工艺方法。浇铸方法以采用连铸工艺为好,并要注意合理的轧制工艺,文章着重叙述了钢丝热处理预处理和目前提倡的感应淬火热处理方法及感应回火的情况。文章最后述明日本新开发的悬挂弹簧钢成分及模拟测试评方法。以上观点对目前国内两种弹簧钢丝的生产具有一定的借鉴作用。参考文献 1 Development of New High Strength Spring Steel and Its Apptica-tion To Automobile Coil Spring.)Yulaku KUKEDAYASM,YUK10.TT O 等 2 宝钢帘线钢夹杂物控制技术)雷思源,万根节,沈凯.3 60Si2MnA 钢模铸与连铸夹杂物分析.)2001)12 期,钢铁)作者邵光杰.4 Seneca 线材技术信息.)TOM Kellogg.收稿日期:2001-09-1 学术交流信息中国机械工程学会第十二届华东六省一市(浙江、江苏、江西、安徽、上海、山东、福建)热处理年会于 2002 年 10 月 10日14 日在浙江省杭州市召开,参加会议有各省市代表 153 人。上海市机械工程学会热处理专业委员会、上海市热处理协会和5热处理6杂志共 10 人参加会议,会议共收到论文 138 篇(上海占 25 篇,其中 3 人在大会上宣读论文,7 人获优秀论文奖)。中科院院士徐祖耀教授出席了会议,并作了/热处理技术进展与瞻望0的学术报告。会议期间上海市热处理专业委员会还与六省市热处理专业委员会的代表就进一步开展每届六省一市年会的交流活动和加强各专业委员会之间的联系进行了广泛、深入的讨论,取得了圆满成功。上海市机械工程学会热处理专业委员会 秘书组2002.10.28)11)3热处理4 2002 年第 17 卷第 4 期