38SiMnVB在少片變截面彈簧上的應用與研究

38SiMnVB在少片變截面彈簧上的應用與研究
【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用進行了研究，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定性，從而得出這類彈簧鋼具有廣闊應用前景，所制板簧具有較大經濟效益。
Topic words：High strength steel，Leaf spring,Application?
主題詞：高強度(du)鋼? 板簧(huang)? 應用(yong)

1 引言
我國低碳彈簧鋼的開發應用經歷了28SiMnB→30SiMnB→35SiMnB→35SiMnVB→38SiMnVB的發展過程。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公司開發了新型高強度彈簧鋼38SiMnVB已在轎車螺懸簧（重慶奧拓轎車）上取得了達到國際先進水平的力學性能和臺架疲勞壽命試驗效果，但目前國內還沒有在汽車板簧上應用這種新鋼種。
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行試制，對新型高強度彈簧鋼進行一系列的分析、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（質量分數）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。
為使新鋼種達到設計要求和一系列嚴格的技術要求，保證鋼的高質量，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行合金化、成份微調、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，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，采用先熱處理成高強度鋼絲然后再繞簧，生產效率高，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，每盤質量為幾百千克甚至1t以上），質量好，成本低。
2.2 性能及臺架垂直彎曲疲勞試驗
試驗表(biao)明(ming)，該簧的性(xing)(xing)能符合(he)設(she)計(ji)技術要求，臺架(jia)垂直彎曲疲(pi)勞試驗壽命(ming)達到《NJ1020系列汽車鋼板及(ji)底盤橫(heng)置鋼板彈(dan)(dan)(dan)簧總成技術條件(jian)》的10萬次疲(pi)勞壽命(ming)的設(she)計(ji)技術要求指標，且彈(dan)(dan)(dan)簧試驗前、后的剛度變化量小于設(she)計(ji)值的5%，然(ran)后又(you)加大(da)試驗振(zhen)幅(fu)進行試驗，試驗結果詳見表(biao)1及(ji)表(biao)2，圖(tu)1是汽車橫(heng)置鋼板彈(dan)(dan)(dan)簧總成性(xing)(xing)能曲線圖(tu)。

表1??? NJ6400汽車橫置鋼板彈簧疲勞試驗參數
參 數 進? 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×厚/mm 2? ╳? 6.4
（原方案二片） 2? ╳? 7
（現方案二片） 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
參 數 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×厚mm 2╳8
（原方案二片） 1╳8 + 2╳7
（現方案三片） 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
應力幅（MPa） 475.0 483.5 517
最大應力（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，3萬公里未發生斷簧。道路試驗前、后的剛度下降量小于設計值的5%。
2.4 臺架應力測量和道路應力測量
臺架應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力為1200Mpa,NJ1020
臺架疲勞試驗最大應力見圖2。道路應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力譜，試驗結果證明NJ1020汽車橫置少片變截面鋼板彈簧的道路最大應力為1200Mpa,與臺架垂直彎曲疲勞試驗相當，說明新鋼種NJ1020汽車橫置少片變截面鋼板彈簧在最大應力為1200Mpa條件下進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構及應力貼片店示意圖見圖3。
????????????????????? 圖2 NJ1020臺架疲勞試驗最大應力
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，并在西安交通大學進行了噴丸殘余應力測定。
3.1 化學成分分析
化學成分分析表明，該高強度彈簧鋼是中碳合金彈簧鋼。長期以來，國內外使用的傳統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展是一致的。
3.2 基本力學性能測試
基本力學性能測試表明，該新型高強度彈簧鋼在抗拉強度σb達到1900Mpa時，斷面收縮率ψ和延伸率δ分別達到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達到50%水平，這樣高的強度和塑性結合是能承受試驗彎曲應力1100Mpa,并具備達到1300Mpa的超負荷能力的基礎，兩者是有對應關系的。這樣高的抗拉強度，使得它有比實際使用應力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果。不同的彈簧鋼的抗彈性松弛性能是在同一試驗應力水平下測試的，傳統彈簧鋼的強度極限、屈服極限及彈性極限比新型高強度彈簧鋼低的多，所以在同應力水平上應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力（890Mpa）明顯高于進口簧（520Mpa）及國產60Si2Mn、50CrVA簧（600-750Mpa），所以能有效地提高板簧的彎曲疲勞性能。噴丸殘余應力如圖4所示。
4? 效益分析
?新型高強度彈簧鋼制品的質量比較見表3 。
表3 新型高強度彈簧鋼制品與常規彈簧鋼制品的質量比
?項 目 進口 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×厚/mm 2×6.4 2×7 2×6.4 1×8+
2×7 2×8
單架質量/Kg 7.9 8.7 8.1 13.4 9.8
減輕質量/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，適用于設計應力較高的少片彈簧，在提高舒適性的同時還可以大大節省鋼材，提高汽車的行駛經濟性，從表3可知，2種車型的新鋼種板簧的質量均比國產簧輕，可使汽車的自身質量降低，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，只要達到抗拉強度σb=1500-1650MPa水平，對多數傳統板簧就是一個突破，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60Si2Mn相當，在大批量應用后還會稍低。現在的新型高強度彈簧鋼制板簧的價格與現有國產簧價相當。
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，節省能源，從而帶來較大的經濟效益。
　5? 總結
以上(shang)分析表(biao)明(ming)，新(xin)(xin)型高強度彈簧鋼在(zai)NJ1020和NJ6400車型橫置少片變(bian)截面高應(ying)(ying)力板(ban)(ban)簧上(shang)的(de)應(ying)(ying)用技(ji)術(shu)研究是(shi)成(cheng)功的(de)，該(gai)簧最大(da)使用應(ying)(ying)力遠(yuan)遠(yuan)高于國(guo)(guo)家標準要求，并且影響(xiang)板(ban)(ban)簧疲勞壽(shou)命(ming)的(de)噴(pen)丸強度這一指標高達到(dao)890Mpa。其樣簧的(de)試生產成(cheng)功對國(guo)(guo)內板(ban)(ban)簧行(xing)業(ye)有較大(da)的(de)觸動，該(gai)新(xin)(xin)材料、新(xin)(xin)工藝和新(xin)(xin)技(ji)術(shu)可(ke)以較可(ke)靠(kao)地應(ying)(ying)用于汽車少片板(ban)(ban)簧，在(zai)不增(zeng)加(jia)汽車成(cheng)本的(de)基礎上(shang)滿足車輛的(de)舒適性(xing)、可(ke)靠(kao)性(xing)，并且具有很大(da)的(de)超載(zai)能力。