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】對新型高強度彈簧鋼38SiMnVB在NJ1020和NJ6400車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、臺架疲勞試驗和3萬公里可靠性試驗。測量了所制板簧的彈性松弛穩(wěn)定性，從而得出這類彈簧鋼具有廣闊應(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：高強度鋼? 板簧? 應(yīng)用
1 引言
我國低碳彈簧鋼的開發(fā)應(yīng)用經(jīng)歷了28SiMnB→30SiMnB→35SiMnB→35SiMnVB→38SiMnVB的發(fā)展過程。35SiMnVB早在北京汽車有限公司用于制造BJ2032Qc輕型載貨車的少片變截面板簧。目前鄭州海紐彈簧鋼開發(fā)公司開發(fā)了新型高強度彈簧鋼38SiMnVB已在轎車螺懸簧（重慶奧拓轎車）上取得了達(dá)到國際先進(jìn)水平的力學(xué)性能和臺架疲勞壽命試驗效果，但目前國內(nèi)還沒有在汽車板簧上應(yīng)用這種新鋼種。
南京汽車研究所采用新型高強度彈簧鋼開展了在NJ1020和NJ6400車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NJ1020小型客貨車和NJ6400小型乘用車的原方案橫置少片變截面鋼板彈簧進(jìn)行試制，對新型高強度彈簧鋼進(jìn)行一系列的分析、研究及試驗驗證工作。
2? 38SiMnVB在少片變截面板簧上的應(yīng)用試驗
2.1 成份、性能、處理及制簧工藝
新型高強度彈簧鋼的成分（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，工藝性能好，易生產(chǎn)，成本低，可有效地解決轎車懸架螺旋彈簧用材料問題，也可用于汽車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（至少每盤繞的簧性能是一致的，每盤質(zhì)量為幾百千克甚至1t以上），質(zhì)量好，成本低。
2.2 性能及臺架垂直彎曲疲勞試驗
試驗表明，該簧的性能符合設(shè)計技術(shù)要求，臺架垂直彎曲疲勞試驗壽命達(dá)到《NJ1020系列汽車鋼板及底盤橫置鋼板彈簧總成技術(shù)條件》的10萬次疲勞壽命的設(shè)計技術(shù)要求指標(biāo)，且彈簧試驗前、后的剛度變化量小于設(shè)計值的5%，然后又加大試驗振幅進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果詳見表1及表2，圖1是汽車橫置鋼板彈簧總成性能曲線圖。
表1??? NJ6400汽車橫置鋼板彈簧疲勞試驗參數(shù)
參 數(shù) 進(jìn)? 口 廠家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(萬次) 3.0 6.3 5.4
合計壽命（萬次） 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汽車橫置鋼板彈簧疲勞試驗參數(shù)
參 數(shù) 廠家1 廠家2 廠家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(萬次) 4.5 3.14 6.2
合計壽命（萬次） 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? 汽車橫置鋼板彈簧總成性能曲線圖
2.3 道路試驗
新型高強度彈簧鋼研制的NJ1020汽車橫置少片變截面鋼板彈簧的道路試驗在海南汽車試驗場完成，該車的載荷增加了1000N，3萬公里未發(fā)生斷簧。道路試驗前、后的剛度下降量小于設(shè)計值的5%。
2.4 臺架應(yīng)力測量和道路應(yīng)力測量
臺架應(yīng)力測量在南京汽車研究所完成，測出的臺架垂直疲勞試驗的最大應(yīng)力為1200Mpa,NJ1020
臺架疲勞試驗最大應(yīng)力見圖2。道路應(yīng)力測量在海南汽車試驗場完成，采集道路試驗場可靠性路面的應(yīng)力譜，試驗結(jié)果證明NJ1020汽車橫置少片變截面鋼板彈簧的道路最大應(yīng)力為1200Mpa,與臺架垂直彎曲疲勞試驗相當(dāng)，說明新鋼種NJ1020汽車橫置少片變截面鋼板彈簧在最大應(yīng)力為1200Mpa條件下進(jìn)行臺架垂直彎曲疲勞試驗是合理的。NJ1020汽車橫置少片變截面鋼板彈簧結(jié)構(gòu)及應(yīng)力貼片店示意圖見圖3。
????????????????????? 圖2 NJ1020臺架疲勞試驗最大應(yīng)力
3? 新型高強度彈簧鋼的材料分析
我們對新型高強度彈簧鋼做了材料的化學(xué)分析，拉力試棒的強度、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)力測定。
3.1 化學(xué)成分分析
化學(xué)成分分析表明，該高強度彈簧鋼是中碳合金彈簧鋼。長期以來，國內(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，但是由于含碳量比較高，因而也存在許多缺點和不足。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，這些問題都給彈簧的制造和使用帶來麻煩。
我們測試的這種符合我國資源優(yōu)勢的新型高強度中碳合金彈簧鋼與國外新型高強度彈簧鋼向中碳發(fā)展是一致的。
3.2 基本力學(xué)性能測試
基本力學(xué)性能測試表明，該新型高強度彈簧鋼在抗拉強度σb達(dá)到1900Mpa時，斷面收縮率ψ和延伸率δ分別達(dá)到50%和10%，這次焦作華豐汽車彈簧廠采用新型高強度彈簧鋼研制的2片板簧的材料抗拉強度σb為1800Mpa，斷面收縮率ψ達(dá)到50%水平，這樣高的強度和塑性結(jié)合是能承受試驗彎曲應(yīng)力1100Mpa,并具備達(dá)到1300Mpa的超負(fù)荷能力的基礎(chǔ)，兩者是有對應(yīng)關(guān)系的。這樣高的抗拉強度，使得它有比實際使用應(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應(yīng)力水平下測試的，傳統(tǒng)彈簧鋼的強度極限、屈服極限及彈性極限比新型高強度彈簧鋼低的多，所以在同應(yīng)力水平上應(yīng)用新型高強度彈簧鋼是可靠的，各種試驗也證明了這一點。
3.3 顯微電鏡測試
顯微電鏡測試表明，用該新型高強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，板簧臺架試驗后的斷片分析為韌性斷列裂。對噴丸強化后的金相組織變形流線分析表明，在顯微鏡下可觀測到較明顯的彈坑和表層的形變流線，該新型高強度彈簧鋼有良好的強韌性。從西安交通大學(xué)的彈簧鋼的噴丸測定報告中可知：該新型高強度彈簧鋼的噴丸殘余應(yīng)力（890Mpa）明顯高于進(jìn)口簧（520Mpa）及國產(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
?新型高強度彈簧鋼制品的質(zhì)量比較見表3 。
表3 新型高強度彈簧鋼制品與常規(guī)彈簧鋼制品的質(zhì)量比
?項 目 進(jìn)口 廠家1 新鋼種 廠家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）
新型高強度彈簧鋼具有較高的強度和塑性，強塑性配合較好，適用于設(shè)計應(yīng)力較高的少片彈簧，在提高舒適性的同時還可以大大節(jié)省鋼材，提高汽車的行駛經(jīng)濟(jì)性，從表3可知，2種車型的新鋼種板簧的質(zhì)量均比國產(chǎn)簧輕，可使汽車的自身質(zhì)量降低，油耗降低，降低汽車的使用成本。
目前板簧要求抗拉強度σb=1800MPa水平的是少量的，只要達(dá)到抗拉強度σb=1500-1650MPa水平，對多數(shù)傳統(tǒng)板簧就是一個突破，而σb≥1800MPa精煉的新型高強度彈簧鋼價格比國內(nèi)外同等性能水平的彈簧鋼價格要低的多。σb=1500-1650Mpa的用另外一種新型高強度彈簧鋼價格與國產(chǎn)60Si2Mn相當(dāng)，在大批量應(yīng)用后還會稍低?，F(xiàn)在的新型高強度彈簧鋼制板簧的價格與現(xiàn)有國產(chǎn)簧價相當(dāng)。
新型高強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。可以提高勞動生產(chǎn)率，提高材料利用率，提高軋機的使用壽命，降低輔助原料消耗，節(jié)省能源，從而帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。
5? 總結(jié)
以上分析表明，新型高強度彈簧鋼在NJ1020和NJ6400車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)高于國家標(biāo)準(zhǔn)要求，并且影響板簧疲勞壽命的噴丸強度這一指標(biāo)高達(dá)到890Mpa。其樣簧的試生產(chǎn)成功對國內(nèi)板簧行業(yè)有較大的觸動，該新材料、新工藝和新技術(shù)可以較可靠地應(yīng)用于汽車少片板簧，在不增加汽車成本的基礎(chǔ)上滿足車輛的舒適性、可靠性，并且具有很大的超載能力。