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    彈簧材料的發(fā)展在高應(yīng)力下的提高疲勞壽命和抗松弛性能方面
    揚(yáng)州邵星彈簧制造有限公司

    隨著彈簧應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,對(duì)彈簧材料提出了更多的要求。主要是在高應(yīng)力下的提高疲勞壽命和抗松弛性能方面;其次是根據(jù)不同的用途,要求具有耐蝕性、非磁性、導(dǎo)電性、耐磨性、耐熱性等方面。為此,彈簧材料除開發(fā)了新品種外,另從嚴(yán)格控制化學(xué)成分,降低非金屬夾雜,提高表面質(zhì)量和尺寸精度等方面取得了有益的成效。
    ??(1)彈簧鋼生產(chǎn)工藝的發(fā)展  為了提高彈簧鋼的質(zhì)量,工業(yè)發(fā)達(dá)**已普通采用爐外精煉技術(shù)、連鑄工藝、新型軋制和在線自動(dòng)檢測(cè)及控制設(shè)備等。
    ??為了保證鋼的化學(xué)成分,降低氣體和各種非金屬加夾物的含量,采用大容量電爐或轉(zhuǎn)爐熔煉,采用爐外鋼包精煉,使氧含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))降至(0.0021~0.0010)%,生產(chǎn)出超純凈鋼,從而大大提高了彈簧的設(shè)計(jì)和工作應(yīng)力。
    ??連鑄生產(chǎn)工藝在彈簧鋼生產(chǎn)中已被廣泛采用。連鑄可通過(guò)電磁攪拌、低溫鑄造等技術(shù)減小鋼的偏析,減小二次氧化,改善表面脫碳,使組織和性能穩(wěn)定、均勻。
    ??采用分列式全連續(xù)軋機(jī),可提高尺寸精度,表面質(zhì)量,同時(shí)也可使鋼材沿長(zhǎng)度顯微組織均勻。在軋制過(guò)程中為了保證產(chǎn)品的表面質(zhì)量采用在線自動(dòng)檢測(cè)和控制。為了適合變截面彈簧扁鋼生產(chǎn)而開發(fā)了奧氏體軋制成形新工藝,即先將鋼加熱到奧氏體區(qū)再急冷至亞穩(wěn)奧氏體區(qū)進(jìn)行塑性加工并淬火處理。這種工藝可使鋼在不降低塑性的同時(shí)提高強(qiáng)度。此外還有通過(guò)軋后在線熱處理和表面硬化處理來(lái)提高彈簧鋼的性能等。
    ??(2)合金鋼的發(fā)展  合金元素的主要作用是提高力學(xué)性能,改善工藝性能及賦予某種特殊性能。氣門彈簧和懸架彈簧已廣泛應(yīng)用SiCr鋼。Si是抗應(yīng)力松弛*好的合金元素,在SiCr鋼中添加V、Mo形成SiCrV和SiCrMo鋼,可以提高疲勞壽命和抗松弛性能。同時(shí)SiCr拉拔鋼絲,其在高溫下工作時(shí)的抗松弛性能,比琴鋼絲和重要用途碳素彈簧鋼絲要好。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)高速小型化,抗顫振性能好、質(zhì)量輕、彈性模量小的Ti合金得到了較為廣泛的應(yīng)用,其強(qiáng)度可達(dá)2000 MPa。
    ??(3)低碳奧氏體鋼的發(fā)展  低碳奧氏體鋼38SiMnB是我國(guó)自主研發(fā)的一種新型的高性能彈簧鋼,在此基礎(chǔ)上開發(fā)的38SiMnVBE更具優(yōu)越性,具有高強(qiáng)韌性、高淬透性、高應(yīng)用性和高性能比。在進(jìn)行超細(xì)晶粒控制軋制后,其抗拉強(qiáng)度 =(2030~2140)MPa,屈服強(qiáng)度 =(900~2010)MPa,伸長(zhǎng)率 =(12~15)%,面縮率 =(48~55)%。為少片變截面板彈簧提供了高性能的材料。
    ??(4)不銹鋼的發(fā)展  我國(guó)是生產(chǎn)不銹鋼的大國(guó),隨著不銹鋼的生產(chǎn)發(fā)展,自然也開發(fā)了不少品種,目前已達(dá)50多種,,基本滿足了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)發(fā)展的需要,對(duì)當(dāng)前開發(fā)的一些新品種作簡(jiǎn)要說(shuō)明。
    ??1)奧氏體不銹鋼體系的初步形成。為了消除碳元素造成的不銹鋼晶界腐蝕疲勞,開發(fā)出低碳奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9和00Cr17Ni2Mo2。為了提高其特殊性能可加Cu、Ti、Nb、Mn、Cr、Si和N等元素。
    ??2)含氮不銹鋼的發(fā)展。 在不銹鋼中以氮代碳取得了成果。在奧氏體不銹鋼中N和C有許多共同特性。N穩(wěn)定奧氏體的作用比Ni大,與C相當(dāng)。N與Mn結(jié)合能取代比較貴的Ni。
    ??在奧氏體中N也是*有效的固溶強(qiáng)化元素之一。N與Cr的親和力要比C與Cr的親和力小,奧氏體鋼很少見到Cr2N的析出。因此N能在不降低耐蝕性能的基礎(chǔ)上,提高不銹鋼強(qiáng)度。
    ??3)超強(qiáng)鐵素體不銹鋼的發(fā)展。 鐵素體不銹鋼具有良好的腐蝕性能和抗氧化性能,其抗應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)于奧氏體不銹鋼。價(jià)格比奧氏體不銹鋼便宜。但存在可焊性差、脆性傾向比較大的缺點(diǎn),生產(chǎn)和使用受到限制。通過(guò)降低鋼中的碳和氮的含量,添加Ti、Nb、Zr、Ta等穩(wěn)定化元素,添加Cu、AI、V等焊縫金屬韌化元素三種途徑,可以改善鐵素體鋼的可焊性和脆性。
    ??4)超級(jí)奧氏體鋼的發(fā)展。 超級(jí)奧氏體鋼指Cr、Mo、N含量顯著高于常規(guī)不銹鋼的奧氏體鋼。其中比較著名的是含6% Mo的鋼(245S Mo)。這類鋼具有非常好的耐局部腐蝕性能,在海水、充氣、存在縫隙、低速?zèng)_刷條件下,有良好的抗點(diǎn)蝕性能(PI 40)和較好的抗應(yīng)力腐蝕性能,是Ni基合金和鈦合金的代用材料。
    ??5)超馬氏體不銹鋼的發(fā)展。 傳統(tǒng)的馬氏體不銹鋼2Cr13、3Cr13、4Cr13和1Cr17Ni2缺乏足夠的延展性,在冷頂鍛變形過(guò)程中對(duì)應(yīng)力十分敏感,冷加工成形比較困難。加之鋼的可焊性比較差,使用范圍受到限制。為克服馬氏體鋼的上述不足,近來(lái)已找到一種有效途徑,就是通過(guò)降低鋼的C、Ti含量,增加Ni含量,開發(fā)一個(gè)新系列合金鋼——超馬氏體鋼。這類鋼抗拉強(qiáng)度高,延展性好,焊接性能也得到改善,因此超馬氏體鋼又稱為軟馬氏體鋼或可焊接馬氏體鋼。
    ??(5)彈簧鋼絲的發(fā)展  彈簧鋼絲經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展,工藝技術(shù)經(jīng)歷了由鉛淬火到油淬火,現(xiàn)又發(fā)展到感應(yīng)加熱淬火。再加上工藝技術(shù)裝備不斷創(chuàng)新和完善,品種質(zhì)量不斷更新。近來(lái)開發(fā)的閥門用彈簧鋼絲感應(yīng)加熱淬火和回火處理工藝,試驗(yàn)證明,由于感應(yīng)加熱時(shí)間短,淬火組織細(xì)小,鋼絲表面幾乎沒有脫碳層,所以其塑性、韌性、抗松弛性、斷裂韌性、延遲斷裂抗力、疲勞壽命等都比油淬火回火鋼絲有較大提高。
    ??另一種研究取得成效的超細(xì)晶粒形變熱處理鋼絲已能實(shí)地應(yīng)用,超細(xì)晶粒形變熱處理是組織超細(xì)化與形變熱處理相結(jié)合的一種復(fù)合強(qiáng)韌化工藝。它既可提高鋼絲的力學(xué)性能,同時(shí)又能改善鋼絲的表面質(zhì)量。材料表面質(zhì)量對(duì)疲勞性能影響很大。為了保證表面質(zhì)量,對(duì)有特殊要求的材料采用剝皮工藝,將表層去掉0.1mm。對(duì)0.5mm深度的缺陷采用渦流探傷。對(duì)拔絲過(guò)程表面產(chǎn)生的凹凸不平,可用電解研磨,使表面粗糙度降到 =(6.5~3.4) m。
    ??(6)不銹鋼絲的發(fā)展  近年來(lái)國(guó)外不銹彈簧鋼絲生產(chǎn)發(fā)展較快。國(guó)內(nèi)需求量增大的品種主要為1Cr18Ni9和0Cr17Ni7AI。
    ??先進(jìn)的鋼絲生產(chǎn)工藝流程特點(diǎn)是盤條首先剝皮處理,去除熱加工在表面造成的缺陷,除**次固溶處理后要進(jìn)行酸洗外,整個(gè)冷加工過(guò)程均保持光亮表面。
    ??隨著工藝的發(fā)展,不繡鋼絲生產(chǎn)流程進(jìn)一步簡(jiǎn)化,將部分原屬金屬制品行業(yè)質(zhì)量控制簡(jiǎn)化,轉(zhuǎn)換為對(duì)盤條質(zhì)量的要求。在粗拉絲機(jī)后,應(yīng)用清潔球擦拭和水中清洗,去除表面涂層和殘余潤(rùn)滑膜。在光亮熱處理前配備電解酸洗、堿中和、水沖洗和烘干裝置,徹底去除鋼絲表面油污,改善表面質(zhì)量。
    ??(7)形狀記憶合金的開發(fā)  目前在彈簧方面有應(yīng)用前途的單向形狀記憶合金,以50Ti和50Ni性能*好。形狀記憶合金制成的彈簧,受溫度的作用可伸縮。主要用于恒溫、恒載荷、恒變形量的控制系統(tǒng)中。由于是靠彈簧伸縮推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),所以彈簧的工作應(yīng)力變化較大。
    ??(8)陶瓷的應(yīng)用  陶瓷的彈性模量高,斷裂強(qiáng)度低,適用于變形不大的地方。目前正在開發(fā)的有耐熱、耐磨、絕緣性好的陶瓷,應(yīng)用的有超塑性鋅合金(SPZ),在常溫下具有高的強(qiáng)度。另外,還有高強(qiáng)度的氮化硅,能耐高溫,可達(dá)1000℃。但陶瓷彈簧不適用于在沖擊載荷下工作。
    ??(9)纖維增強(qiáng)塑料在彈簧中應(yīng)用  玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)板簧在英、美和日本等國(guó)已廣泛應(yīng)用,除用于橫置懸架外,還可用于特殊輕型車輛,如賽車的縱置懸架。目前又研制成功了碳素纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)懸架彈簧,比金屬板簧要輕20%。

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