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弹簧钢的技术发展与生产使用

时间:2013-12-03 10:24来源:弹簧网 作者: 点击:
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[导读] 弹簧钢是一种重要的机械设备基础材料,主要用于航天航空、汽车、铁路车辆等诸多领域。如汽车用弹簧钢可分为悬架用弹簧钢和气

  弹簧钢是一种重要的机械设备基础材料,主要用于航天航空、汽车、铁路车辆等诸多领域。如汽车用弹簧钢可分为悬架用弹簧钢和气门弹簧用弹簧钢。悬架用的弹簧可分为螺旋弹簧、钢板弹簧和扭杆弹簧。由于汽车轻量化的要求,使得悬架各类弹簧的设计应力大幅度提高,尤其是变截面板簧的发展,不仅要求板簧在高应力下具有高的疲劳寿命,同时也要求板簧工作可靠,并具有高的淬透性。气门弹簧工作时承受高频交变负荷,一般发动机转速可达2000-5000r/min,气门弹簧的平均剪应力在500-800Mpa,高则达到900-1000Mpa,要求气门弹簧具有高的疲劳极限,另一方面气门弹簧在150-200℃的润滑油环境下工作。因此,希望具有一定的耐热性,并希望对发动机排出气体具有良好的抗腐蚀性能。

  1、弹簧钢的技术发展

  从节能和经济性出发,要求进一步减轻弹簧的质量,减轻弹簧质量最有效的方法是提高弹簧的设计应力,但为了提高弹簧的设计应力,则需提高弹簧的强度,也就是提高弹簧钢的屈服极限,因为屈服极限随着弹簧钢强度的增加而线性增加,而影响弹簧钢设计应力的最主要因素是抗疲劳和抗弹减退性,这两个因素已成为国内外弹簧钢研究开发的主题。

  弹簧钢的质量,尤其是性能,在很大程度上决定于冶炼过程中的化学成分、钢的洁净度(气体、有害元素、夹杂物)、铸坯质量(成分偏析、宏观结构及表面状况)和轧制等几个方面。

  弹簧钢比较难于连铸,由于碳含量高,钢中碳和杂质元素磷、硫的宏观偏析比较严重,铸坯的凝固收缩率高,因而造成很大的中心缩孔。随着弹簧的高应力和使用条件的苛刻,中心缩孔和非金属夹杂物将成为破坏弹簧的主要原因。因此弹簧钢对钢水洁净度的要求与日俱增。对钢水洁净度的要求见表1。

  表1 弹簧钢对钢水洁净度的要求 W/10-6

  ONH

  SP

  ≤15≤60≤3≤10000≤10000

  弹簧钢的技术发展是弹簧钢设计应力等性能不断提升的过程。国内产品在质量上与日本、韩国同类产品相比还有差距,但因价格相对较低,已为相关企业提供制造微型汽车悬架弹簧、面包车悬架弹簧、摩托车减震弹簧等线材。国内主要合金弹簧钢线材的生产企业为宝钢、首钢特钢、大连钢厂、上海五钢等企业,宝钢高线厂弹簧钢线材有55SiCr、50CrV、60Si2MnA等,其中55SiCr弹簧钢已经在国内中高档乘用车上使用。

  2、弹簧钢的合金化特点

  弹簧钢的主要性能要求是高强度、高屈服极限和高抗疲劳极限,所以弹簧钢材大都有较高的含碳量,具有较好的淬透性,还需要加入合金元素,合金钢中的主要合金元素是硅和锰,为了提高弹簧钢的耐疲劳、耐高温性,钒、铬和钼等合金元素逐步被采用,合金元素的增加使得弹簧钢的屈强比突显,应用能力不断提高。弹簧钢化学成分作用机制见表2。

  表2 弹簧钢化学成分作用机制

  元素作用

  C弹簧钢主要强化元素,碳质量分数绝大部分在0.45%-0.65%

  Si弹簧钢主要合金元素,对弹减抗力影响最大,含硅量质量分数在1.8%-2.2%是最高的弹簧钢

  Mn提高淬透性最有效的元素,溶入铁素体中有固溶强化作用

  Cr显著提高淬透性,可阻止Si-Cr钢球化退火时的石墨化倾向,减少脱碳层,是常用的合金元素

  Mo可以提高钢的淬透性,防止回火脆性,改善疲劳性能,加入量一般在0.4%以下

  V和Nb是强碳化物生成元素,固态下所析出的细小弥散的MC型碳化物具有很强的沉淀强化效果

  B强烈提高淬透性的元素,0.001%-0.003%的硼的作用分别相当于0.6%Mn、0.7%Cr、0.15%Mo、1.5%Ni

  Ni弹簧钢中应用较少,为保证超高强度弹簧钢的韧性和提高淬透性,加入0.5%左右,还可以抑制在腐蚀环境下蚀坑的萌生和扩展

  3、弹簧钢的生产使用

  国内的弹簧钢的生产发展日新月异,洁净度冶炼、合金化和微合金化、控轧控冷等技术为弹簧钢的进一步发展提供了强有力的支持,但弹簧钢产品对弹簧疲劳寿命影响较大的表面缺陷、脱碳这两项指标难以达到国外水平,与日本神户钢铁公司相比差距较大。国内外知名高档品牌汽车使用的悬架弹簧和阀门弹簧大多由日本神户钢铁公司的盘条或棒料生产。

  国内相关钢铁企业生产现状,宝钢生产的弹簧钢线材料具有钢材洁净度高、偏析量小、脱碳层浅,表面质量优良的特点,主要用于制造悬架簧、气门簧,钢种有60Si2MnA、55SiCr 、50CrV 、60Si2Cr等。江苏淮钢集团有限公司目前生产的弹簧钢种有弹簧圆钢和弹簧扁钢,钢材牌号有60Si2Mn(A)、65Mn、55SiMnVB和60Si2CrVA等。山东青岛钢铁有限公司至今共生产弹簧钢标准中的16种规格的扁钢系列近3万吨,各项性能指标均达到国标规定要求。江苏南京钢铁联合有限公司目前生产钢种主要有60Si2MnA棒料以及60Si2CrVA、55SiMnVB、60Si2Cr 、50CrVA 等其他品种。

  如今我国弹簧钢的发展趋势不仅向高性能化方向发展,而且向经济性方向发展,只有在提高弹簧钢的力学性能和应用性能的同时兼顾到其经济性,才能被广大用户接受。

  4.弹簧钢牌号

  国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会于2007年8月14日发布了GB/T1222-2007弹簧钢新标准,弹簧钢化学成分见表3,该标准于2008年3月1日开始实施。与被代替的GB/T1222-1984标准相比,主要变化如下:

  (1) 取消了55Si2M、55Si2MnB、60CrMnMoA三个牌号,增加了55SiCrA牌号。

  (2) 对60Si2Mn、60Si2MnA钢中的Mn含量作了调整。

  (3) 提高了部分牌号的硫、磷含量的要求。

  表3 弹簧钢化学成分(质量分数,W%)

  牌号 化学成分(质量分数,%)

  C

  Si

  Mn

  Cr

  其他

  Ni P S

  不大于

  650.62-0.700.17-0.370.50-0.80≤0.25—0.250.0350.035

  700.62-0.750.17-0.370.50-0.80≤0.25—0.250.0350.035

  850.82-0.900.17-0.370.50-0.80≤0.25—0.250.0350.035

  65Mn0.62-0.700.17-0.370.90-1.20≤0.25—0.250.0350.035

  55SiMnB0.52-0.600.70-1.001.00-1.20≤0.35V0.08-0.160.350.0350.035

  60Si2Mn0.56-0.641.50-2.000.70-1.00≤0.35—0.350.0350.035

  60Si2MnA0.56-0.641.60-2.000.70-1.00≤0.35—0.350.0250.025

  60Si2CrA0.56-0.641.40-1.800.40-0.700.70-1.00—0.350.0250.025

  60Si2CrVA0.56-0.641.40-1.800.40-0.700.90-1.20V0.10-0.200.350.0250.025

  55SiCrA0.51-0.591.20-1.600.50-0.800.50-0.80—0.350.0250.025

  55CrMnA0.52-0.600.17-0.370.65-0.950.65-0.95—0.350.0250.025

  60CrMnA0.56-0.640.17-0.370.70-1.000.70-1.00—0.350.0250.025

  50CrVA0.46-0.540.17-0.370.50-0.800.80-1.10V0.10-0.200.350.0250.025

  60CrMnBA0.56-0.640.17-0.370.70-1.000.70-1.00B0.0005-0.00400.350.0250.025

  30W4Cr2VA0.26-0.340.17-0.37≤0.402.00-2.50V0.50-0.800.350.0250.025

  28MnSiB0.24-0.320.60-1.001.20-1.60≤0.25B0.0005-0.00350.350.0350.035

  表4 中外弹簧钢牌号近似对照

  中国GB/T1222
              俄罗斯Roct14959
              日本JISG4802
              美国ASTMA29/A29M
              欧洲EN10089

  6565S65-CSP1065EN10083-1

  C60E4

  7070S70-CSP

  1070EN10016-2

  C700

  8585SK5-CSP1084C86D

  65Mn65MnS65C-CSP1566EN10083-1

  C60E45

  55SiMnVB//9255/

  60Si2Mn60C2/926061SiCr7

  60Si2MnA60C2A/926061SiCr7

  60Si2CrA60C2XA//54SiCr6

  60Si2CrVA60Si2CrA//60SiCrV7

  55 SiCrA//925454SiCr6

  55CrMnA55XrASUP9515555Cr3

  60CrMnA/SUP9A516060Cr3

  50CrVA50XVASUP10615051CrV4

  60CrMnBA/SUP11A51B60/

  30W4Cr2VA////

  28MnSiB////

  参考文献

  1.惠卫军等.高强度弹簧钢的疲劳性能[J ] 弹簧工程.1998(3)

  2.徐德祥,尹种大.高强度弹簧钢的发展现状和趋势[J ]钢铁.2004(1)

  3.江阴兴澄特种钢铁有限公司.GB/T1222-2007弹簧钢[S]北京:中国标准出版社,2007.

  4.张先鸣.弹簧钢高强度化的现状及发展趋势[J ]现代零部件.2006(7)

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