38SiMnVB在少片變截面彈簧上的應(yīng)用與研究
38SiMnVB在少片變截面彈簧上的應(yīng)用與研究
【摘要】對(duì)新型高強(qiáng)度彈簧鋼38SiMnVB在NJ1020和NJ6400車(chē)型上橫置少片變截面板簧上的應(yīng)用進(jìn)行了研究，介紹了該板簧的工藝、臺(tái)架疲勞試驗(yàn)和3萬(wàn)公里可靠性試驗(yàn)。測(cè)量了所制板簧的彈性松弛穩(wěn)定性，從而得出這類(lèi)彈簧鋼具有廣闊應(yīng)用前景，所制板簧具有較大經(jīng)濟(jì)效益。
Topic words：High strength steel，Leaf spring,Application?
主題詞：高強(qiáng)度鋼? 板簧? 應(yīng)用
1 引言
我國(guó)低碳彈簧鋼的開(kāi)發(fā)應(yīng)用經(jīng)歷了28SiMnB→30SiMnB→35SiMnB→35SiMnVB→38SiMnVB的發(fā)展過(guò)程。35SiMnVB早在北京汽車(chē)有限公司用于制造BJ2032Qc輕型載貨車(chē)的少片變截面板簧。目前鄭州海紐彈簧鋼開(kāi)發(fā)公司開(kāi)發(fā)了新型高強(qiáng)度彈簧鋼38SiMnVB已在轎車(chē)螺懸簧（重慶奧拓轎車(chē)）上取得了達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的力學(xué)性能和臺(tái)架疲勞壽命試驗(yàn)效果，但目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有在汽車(chē)板簧上應(yīng)用這種新鋼種。
南京汽車(chē)研究所采用新型高強(qiáng)度彈簧鋼開(kāi)展了在NJ1020和NJ6400車(chē)型橫置少片變截面板簧上的應(yīng)用研究。具體方案是使用該鋼對(duì)NJ1020小型客貨車(chē)和NJ6400小型乘用車(chē)的原方案橫置少片變截面鋼板彈簧進(jìn)行試制，對(duì)新型高強(qiáng)度彈簧鋼進(jìn)行一系列的分析、研究及試驗(yàn)驗(yàn)證工作。
2? 38SiMnVB在少片變截面板簧上的應(yīng)用試驗(yàn)
2.1 成份、性能、處理及制簧工藝
新型高強(qiáng)度彈簧鋼的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：碳0.34%~0.43%，硅0.80%~1.40%，錳1.10%~1.60%，磷<0.025%，硫<0.015%，釩0.08%~0.14%，硼0.0005%~0.035%，余量為鐵。
為使新鋼種達(dá)到設(shè)計(jì)要求和一系列嚴(yán)格的技術(shù)要求，保證鋼的高質(zhì)量，本鋼種在普通電爐一般工藝冶煉之后，又在爐外鋼包加熱、抽真空、吹氬及喂絲條件下進(jìn)行合金化、成份微調(diào)、脫氣、除非金屬夾雜物的精練處理工藝。
這種新型彈簧鋼強(qiáng)度高，韌性好，有良好的抗疲勞性能和抗松弛性能。該鋼種淬透性強(qiáng)，工藝性能好，易生產(chǎn)，成本低，可有效地解決轎車(chē)懸架螺旋彈簧用材料問(wèn)題，也可用于汽車(chē)變截面板簧和其它重要彈簧。
由于新鋼種含碳量少，合金元素少，因而軋制、拉拔、熱處理及繞簧工藝性能好。與該鋼種配套使用的制簧工藝先進(jìn)，采用先熱處理成高強(qiáng)度鋼絲然后再繞簧，生產(chǎn)效率高，不存在繞簧后熱處理變形，各件性能均勻一致（至少每盤(pán)繞的簧性能是一致的，每盤(pán)質(zhì)量為幾百千克甚至1t以上），質(zhì)量好，成本低。
2.2 性能及臺(tái)架垂直彎曲疲勞試驗(yàn)
試驗(yàn)表明，該簧的性能符合設(shè)計(jì)技術(shù)要求，臺(tái)架垂直彎曲疲勞試驗(yàn)壽命達(dá)到《NJ1020系列汽車(chē)鋼板及底盤(pán)橫置鋼板彈簧總成技術(shù)條件》的10萬(wàn)次疲勞壽命的設(shè)計(jì)技術(shù)要求指標(biāo)，且彈簧試驗(yàn)前、后的剛度變化量小于設(shè)計(jì)值的5%，然后又加大試驗(yàn)振幅進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表1及表2，圖1是汽車(chē)橫置鋼板彈簧總成性能曲線(xiàn)圖。
表1??? NJ6400汽車(chē)橫置鋼板彈簧疲勞試驗(yàn)參數(shù)
參 數(shù) 進(jìn)? 口 廠(chǎng)家1 新 鋼 種
1#簧 1#簧 1#簧 1#簧 2#簧 3#簧 1#簧 2#簧 3#簧
片數(shù)×厚/mm 2? ╳? 6.4
（原方案二片） 2? ╳? 7
（現(xiàn)方案二片） 2? ╳? 6.4
（原方案二片）
剛度N/mm 21.1 21.8 21.4 25.5 27.5 26.6 25.3 25.28
24.77
振幅(mm) ±58.0 ±58.0 ±58.0
預(yù)加變形 (mm) 58.0 52.0 55.0 40.0 28.0 33.0 35.0 35.5
36.0
疲勞壽命（萬(wàn)次） 5.16 4.15 4.76 3.39 4.76 7.38 >10 >10
>10
斷片位置
(mm) 距中心350
第2片 距中心358
第2片 距中心315
第1片 距中心312第1、2片 距中心310
第2片 距中心260
第1片 距中心
332
第2片 距中心
328
第2片 距中心
334
第2片
超載振幅mm ±69
超載予加變形 (mm) 35
超載壽命(萬(wàn)次) 3.0 6.3 5.4
合計(jì)壽命（萬(wàn)次） 13.0 16.3 15.4
硬度(HRC) 48~45 49~50 49~50 41~42 43 41 51~52 51~52
50~51
脫碳層深 mm 0.16 0.17 0.15 0.4 0.3 0.05 0.12 0.10
材料 50CrV 新鋼種
噴丸殘余力MPa 550 750 890
表2????????? NJ1020汽車(chē)橫置鋼板彈簧疲勞試驗(yàn)參數(shù)
參 數(shù) 廠(chǎng)家1 廠(chǎng)家2 廠(chǎng)家1 新 鋼 種
1#簧 2#簧 1#簧 2#簧 1#簧 2#簧 1#簧 2#簧 3#簧
片數(shù)×厚mm 2╳8
（原方案二片） 1╳8 + 2╳7
（現(xiàn)方案三片） 2╳8
（原方案二片）
剛度(N/m m) 49 47.5 54.7 56.5 55.6 59.5 48.6 49.5 50.3
振幅(mm) ±58 ±46 ±53.5 ±58
予加變形 (mm) 13.5 6.9 17.2 17.5 13 21.1 19.8 13.4
應(yīng)力幅（MPa） 475.0 483.5 517
最大應(yīng)力（MPa） 1106 1100 1210
疲勞壽命（萬(wàn)次） 3.4 2.3 4.3 3.7 5.74 5.69 >10 >10 >10
斷片位置
(mm) 距中心348
第2片 距中心303
第2片 距中心10
第2片 距中心10第1、2片 距中心45
第1片 距中心245
第1片 距中心
330
第2片 距中心
314
第2片 距中心
326
第2片
超載振幅mm ±70
超載予加變形 (mm) 30
超載壽命(萬(wàn)次) 4.5 3.14 6.2
合計(jì)壽命（萬(wàn)次） 14.5 13.14 16.2
硬度(HRC) 41~42 42 46~47 47~48 45~46 43~45 50~51 51~52
50~52
脫碳層深 mm 0.35 0.3 0.10 0.12 0．05 0．03 0.05 0.07
0.1
材料 60Si2Mn 50CrV 新鋼種
噴丸殘余力MPa 660 750 890
圖1? 汽車(chē)橫置鋼板彈簧總成性能曲線(xiàn)圖
2.3 道路試驗(yàn)
新型高強(qiáng)度彈簧鋼研制的NJ1020汽車(chē)橫置少片變截面鋼板彈簧的道路試驗(yàn)在海南汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)完成，該車(chē)的載荷增加了1000N，3萬(wàn)公里未發(fā)生斷簧。道路試驗(yàn)前、后的剛度下降量小于設(shè)計(jì)值的5%。
2.4 臺(tái)架應(yīng)力測(cè)量和道路應(yīng)力測(cè)量
臺(tái)架應(yīng)力測(cè)量在南京汽車(chē)研究所完成，測(cè)出的臺(tái)架垂直疲勞試驗(yàn)的最大應(yīng)力為1200Mpa,NJ1020
臺(tái)架疲勞試驗(yàn)最大應(yīng)力見(jiàn)圖2。道路應(yīng)力測(cè)量在海南汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)完成，采集道路試驗(yàn)場(chǎng)可靠性路面的應(yīng)力譜，試驗(yàn)結(jié)果證明NJ1020汽車(chē)橫置少片變截面鋼板彈簧的道路最大應(yīng)力為1200Mpa,與臺(tái)架垂直彎曲疲勞試驗(yàn)相當(dāng)，說(shuō)明新鋼種NJ1020汽車(chē)橫置少片變截面鋼板彈簧在最大應(yīng)力為1200Mpa條件下進(jìn)行臺(tái)架垂直彎曲疲勞試驗(yàn)是合理的。NJ1020汽車(chē)橫置少片變截面鋼板彈簧結(jié)構(gòu)及應(yīng)力貼片店示意圖見(jiàn)圖3。
????????????????????? 圖2 NJ1020臺(tái)架疲勞試驗(yàn)最大應(yīng)力
3? 新型高強(qiáng)度彈簧鋼的材料分析
我們對(duì)新型高強(qiáng)度彈簧鋼做了材料的化學(xué)分析，拉力試棒的強(qiáng)度、金相分析、電鏡分析，并在西安交通大學(xué)進(jìn)行了噴丸殘余應(yīng)力測(cè)定。
3.1 化學(xué)成分分析
化學(xué)成分分析表明，該高強(qiáng)度彈簧鋼是中碳合金彈簧鋼。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外使用的傳統(tǒng)彈簧鋼主要是高碳鋼這些彈簧鋼在性能和使用上有很多優(yōu)點(diǎn)，但是由于含碳量比較高，因而也存在許多缺點(diǎn)和不足。其中主要是塑性和韌性差。所以綜合力學(xué)性能不夠理想且使用壽命短，另外制造工藝性能也不夠好，容易脫碳，變形抗力大，加工性能差，特別是冷成型困難等，這些問(wèn)題都給彈簧的制造和使用帶來(lái)麻煩。
我們測(cè)試的這種符合我國(guó)資源優(yōu)勢(shì)的新型高強(qiáng)度中碳合金彈簧鋼與國(guó)外新型高強(qiáng)度彈簧鋼向中碳發(fā)展是一致的。
3.2 基本力學(xué)性能測(cè)試
基本力學(xué)性能測(cè)試表明，該新型高強(qiáng)度彈簧鋼在抗拉強(qiáng)度σb達(dá)到1900Mpa時(shí)，斷面收縮率ψ和延伸率δ分別達(dá)到50%和10%，這次焦作華豐汽車(chē)彈簧廠(chǎng)采用新型高強(qiáng)度彈簧鋼研制的2片板簧的材料抗拉強(qiáng)度σb為1800Mpa，斷面收縮率ψ達(dá)到50%水平，這樣高的強(qiáng)度和塑性結(jié)合是能承受試驗(yàn)彎曲應(yīng)力1100Mpa,并具備達(dá)到1300Mpa的超負(fù)荷能力的基礎(chǔ)，兩者是有對(duì)應(yīng)關(guān)系的。這樣高的抗拉強(qiáng)度，使得它有比實(shí)際使用應(yīng)力1100Mpa高得多的屈服極限及彈性極限，因而其抗彈性松弛性能很好也是必然的結(jié)果。不同的彈簧鋼的抗彈性松弛性能是在同一試驗(yàn)應(yīng)力水平下測(cè)試的，傳統(tǒng)彈簧鋼的強(qiáng)度極限、屈服極限及彈性極限比新型高強(qiáng)度彈簧鋼低的多，所以在同應(yīng)力水平上應(yīng)用新型高強(qiáng)度彈簧鋼是可靠的，各種試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。
3.3 顯微電鏡測(cè)試
顯微電鏡測(cè)試表明，用該新型高強(qiáng)度彈簧鋼制造的板簧的金相組織為板條狀馬氏體，伴有很少量的片狀（或針狀）馬氏體，板簧臺(tái)架試驗(yàn)后的斷片分析為韌性斷列裂。對(duì)噴丸強(qiáng)化后的金相組織變形流線(xiàn)分析表明，在顯微鏡下可觀(guān)測(cè)到較明顯的彈坑和表層的形變流線(xiàn)，該新型高強(qiáng)度彈簧鋼有良好的強(qiáng)韌性。從西安交通大學(xué)的彈簧鋼的噴丸測(cè)定報(bào)告中可知：該新型高強(qiáng)度彈簧鋼的噴丸殘余應(yīng)力（890Mpa）明顯高于進(jìn)口簧（520Mpa）及國(guó)產(chǎn)60Si2Mn、50CrVA簧（600-750Mpa），所以能有效地提高板簧的彎曲疲勞性能。噴丸殘余應(yīng)力如圖4所示。
4? 效益分析
?新型高強(qiáng)度彈簧鋼制品的質(zhì)量比較見(jiàn)表3 。
表3 新型高強(qiáng)度彈簧鋼制品與常規(guī)彈簧鋼制品的質(zhì)量比
?項(xiàng) 目 進(jìn)口 廠(chǎng)家1 新鋼種 廠(chǎng)家1 新鋼種
NJ6400用板簧 NJ1020用板簧
材?? 料 50CrVA 新鋼種 50CrV 新鋼種
片數(shù)×厚/mm 2×6.4 2×7 2×6.4 1×8+
2×7 2×8
單架質(zhì)量/Kg 7.9 8.7 8.1 13.4 9.8
減輕質(zhì)量/Kg
（比列%） 0.6
（7） 3.6
（27）
新型高強(qiáng)度彈簧鋼具有較高的強(qiáng)度和塑性，強(qiáng)塑性配合較好，適用于設(shè)計(jì)應(yīng)力較高的少片彈簧，在提高舒適性的同時(shí)還可以大大節(jié)省鋼材，提高汽車(chē)的行駛經(jīng)濟(jì)性，從表3可知，2種車(chē)型的新鋼種板簧的質(zhì)量均比國(guó)產(chǎn)簧輕，可使汽車(chē)的自身質(zhì)量降低，油耗降低，降低汽車(chē)的使用成本。
目前板簧要求抗拉強(qiáng)度σb=1800MPa水平的是少量的，只要達(dá)到抗拉強(qiáng)度σb=1500-1650MPa水平，對(duì)多數(shù)傳統(tǒng)板簧就是一個(gè)突破，而σb≥1800MPa精煉的新型高強(qiáng)度彈簧鋼價(jià)格比國(guó)內(nèi)外同等性能水平的彈簧鋼價(jià)格要低的多。σb=1500-1650Mpa的用另外一種新型高強(qiáng)度彈簧鋼價(jià)格與國(guó)產(chǎn)60Si2Mn相當(dāng)，在大批量應(yīng)用后還會(huì)稍低。現(xiàn)在的新型高強(qiáng)度彈簧鋼制板簧的價(jià)格與現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)簧價(jià)相當(dāng)。
新型高強(qiáng)度彈簧鋼具有良好的冷加工性，新材料軋制抗力低，成材率高?？梢蕴岣邉趧?dòng)生產(chǎn)率，提高材料利用率，提高軋機(jī)的使用壽命，降低輔助原料消耗，節(jié)省能源，從而帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益。
5? 總結(jié)
以上分析表明，新型高強(qiáng)度彈簧鋼在NJ1020和NJ6400車(chē)型橫置少片變截面高應(yīng)力板簧上的應(yīng)用技術(shù)研究是成功的，該簧最大使用應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，并且影響板簧疲勞壽命的噴丸強(qiáng)度這一指標(biāo)高達(dá)到890Mpa。其樣簧的試生產(chǎn)成功對(duì)國(guó)內(nèi)板簧行業(yè)有較大的觸動(dòng)，該新材料、新工藝和新技術(shù)可以較可靠地應(yīng)用于汽車(chē)少片板簧，在不增加汽車(chē)成本的基礎(chǔ)上滿(mǎn)足車(chē)輛的舒適性、可靠性，并且具有很大的超載能力。