彈簧鋼高強度化的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(二)
發(fā)布時間:2010年07月12日 點擊數(shù):
三、彈簧鋼高強度化的研究進展
傳統(tǒng)彈簧鋼的強度水平難以滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求,眾所周知,彈簧鋼力學性能在材料質(zhì)量保證的前提下取決于熱處理工藝,而熱處理工藝也應根據(jù)所用材料來決定,彈簧鋼高強度化的一個重要途徑是充分發(fā)揮合金元素的作用,達到最佳合金化效果。
1、熱處理
彈簧鋼要求較高的強度和疲勞極限,一般在淬火+中溫回火的狀態(tài)下使用,以獲得較高的彈性極限。熱處理工藝技術對彈簧內(nèi)在質(zhì)量有著至關重要的影響。因此,如何進一步提高彈簧疲勞壽命,需進一步研究,尤其是化學表面改性熱處理、噴丸強化等都對彈簧疲勞壽命產(chǎn)生重要影響。為進一步強化氣門彈簧的表面強度、增加壓應力、提高疲勞壽命,氣門彈簧成形后,要進一步經(jīng)過滲氮、低溫液體碳氮共滲或硫氮共滲處理,然后經(jīng)噴丸強化。例如,日本將f4mm的Si-Cr油淬鋼絲經(jīng)450℃×4.5h低溫體碳氮共滲與經(jīng)400℃×15min中溫回火進行對比,其疲勞極限可提高240MPa。氮的滲入,不僅消除了脫碳的不良影響,而且還提高了殘余壓應力,同時經(jīng)滲氮和低溫液體碳氮共滲的氣門彈簧高溫強度提高,150℃時的變形量為0.2%(規(guī)定值為0.5%),250℃的變形量為0.56%,提高了氣門彈簧的熱穩(wěn)定性和抗松弛穩(wěn)定性,但滲氮和液體碳氮共滲時間應嚴格控制,否則會形成網(wǎng)狀硫化物和網(wǎng)狀氮化物,反而會降低其疲勞強度。
氣門彈簧提高強度的方法還可以選擇噴丸,經(jīng)生產(chǎn)實踐表面氣門彈簧噴丸可用兩種丸粒,一種直徑為0.8mm,其顯微硬度為720HV0.2,另一種直徑0.25mm,其顯微硬度為800HV0.2,三次噴丸可達到較好的強化效果,又可使表面質(zhì)量得到改善。
2、合金化
碳是鋼中的主要強化元素,對彈簧鋼的影響往往超過其他合金元素。根據(jù)使用要求,彈簧鋼材料應是中高碳的合金鋼。當今世界各國普遍采用的彈簧鋼,含碳量絕大部分在0.45%~0.65%。
為了克服彈簧鋼強度提高后韌性和塑性降低的難題,也有降低碳含量的趨勢。我國對低碳馬氏體彈簧鋼進行了深入的研究,如28MnSiB、35MnSiB等,其碳含量在0.30%左右。實踐表明,這些彈簧鋼可以在低溫回火的板條狀馬氏體組織下使用,有足夠強度和優(yōu)良的綜合力學性能,尤其是塑性、韌性極好。日本研究開發(fā)的幾種高強度彈簧鋼,如UHS1900、VHS2000、ND120S、ND250S等,碳含量均在0.40%左右。
合金元素在彈簧鋼中的主要作用是提高力學性能、改善工藝性能及賦予某些特殊性能(如耐高溫、耐蝕)等。
很多彈簧鋼以硅為主要合金元素,它是對彈減抗力影響最大的合金元素,這主要是由于硅具有強烈的固溶強化作用;同時,硅能抑制滲碳體在回火過程中的晶核形成和長大,改變回火時析出碳化物的數(shù)量、尺寸和形態(tài),提高鋼的回火穩(wěn)定性。目前,國內(nèi)鋼材牌號中wsi為1.8%~2.2%,是現(xiàn)有標準中含硅最高的彈簧鋼。但硅含量如果過高,將促進鋼在軋制和熱處理過程中的脫碳和石墨化傾向,并且使冶煉困難和易形成夾雜物,因此,過高硅含量彈簧鋼的使用仍需慎重。
由于鉻能夠顯著提高鋼的淬透性,阻止Si-Cr鋼球化退火時的石墨化傾向,減少脫碳層,因此是彈簧鋼中的常用合金元素,以鉻為主要強化元素的彈簧鋼50CrV使用較廣泛。
錳是提高淬透性最有效的合金元素,它溶入鐵素體中有固溶性化作用。研究表明,wMn必須大于0.5%,以使淬火時彈簧鋼心部完全較變?yōu)轳R氏體,但當wMn超過1.5%時,韌性明顯下降,這在選擇彈簧鋼時應優(yōu)先考慮的。
鉬可以提高鋼的淬透性,防止回火脆性,改善疲勞性能,現(xiàn)有標準中加鉬的彈簧鋼不多,加入量一般在0.4%以下。
釩是強碳化物形成元素,固態(tài)下所析出的細小彌散的MC型碳化物具有很強的沉淀強化效果。在35CrMnB鋼中加入0.11%V,可顯著提高鋼的淬透性,還發(fā)現(xiàn)釩能有效降低35SiMnB鋼的脫碳敏感性,認為這與釩降低鋼中有效固溶碳、防止晶粒長大和阻止晶界擴散并提高抗氧化性有關。
冶金工業(yè)和汽車、摩托車工業(yè)的緊密結(jié)合和合作,不僅會進一步促進彈簧鋼的高強度化,促使彈簧性能的全面提升,同時也為汽車、摩托車工業(yè)的發(fā)展、競爭能力的提高提供了材料基礎,因此,值得大力關注。
——本文摘自《中國金屬制品網(wǎng)》
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