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高强度优质弹簧钢的性能要求及主要评价指标
发布日期：2009-09-22

弹簧一般工作在周期性的弯曲、扭转等交变应力条件下，经受拉压、冲击、扭转、疲劳腐蚀等多重作用，有时还要承受极高的短时突加载荷。优质弹簧钢要求有高的疲劳强度和弹减抗力来满足其使用需求。影响弹簧钢疲劳强度的主要因素包括硬度、夹杂物及表面缺陷。提高钢的纯净度和表面质量是改善弹簧疲劳强度的重要措施。而弹性减退是指弹簧在静载荷或动载荷作用下，在室温发生塑性变形和弹性模量降低的现象，是一种常温下的蠕变现象。近年来，由于冶炼、加工工艺和设备水平的快速发展，钢材的内在质量和表面质量都得到大幅度提高，弹簧的疲劳断裂己不是主要矛盾，而汽车悬架弹簧和铁路转向架弹簧的轻量化、高应力化，尤其是轿车的前轮驱动化及少片变载面板簧化的发展，使弹簧的抗弹减性更加受到重视。要保证弹簧在高应力下正常工作和具有足够的使用寿命，就要求弹簧在长期的动、静载荷作用下，具有良好的保持原有形状和尺寸的能力，即具有良好的弹减抗力。表面硬度、化学成分、显微组织及晶粒度等都是影响抗弹减性能的重要因素。除此之外还要求弹簧钢必须具有优良的综合性能，如力学性能（主要是指高的强度和屈强比、足够的塑性和韧性、均匀稳定的性能和良好的通条性能等）；制造弹簧工艺所需的加工成形性能（主要是指较好的淬透性、热处理性能，包括回火组织均匀细小、回火稳定性好、不易氧化、低的脱碳敏感性和石墨化倾向小等）；相应的物理、化学性能（包括耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等）[1]。以上综合性能要求与弹簧钢的内在质量（化学成分、纯净度、非金属夹杂物、精细组织等）、表面质量（裂纹、划伤、脱碳层等）有着密切关系。所以评价高强度优质弹簧钢主要考虑钢材的冶金质量、显微组织、脱碳层深度、表面缺陷等几个方面[2]。（1）冶金质量优质弹簧钢要求化学成分必须能够满足弹簧的使用要求，降低杂质元素O、P、S的含量以提高钢的纯净度，减少非金属夹杂物的数量和控制夹杂物的形态和分布，保证钢质的均匀性和稳定性，对于提高弹簧钢疲劳性能有明显的作用。研究结果表明，控制氧含量在10ppm以下，氧化物型夹杂尺寸减小，疲劳源出现的几率减小[3]。钢中夹杂物对疲劳性能的影响一方面取决于夹杂物的类型、数量、尺寸、形状和分布；另一方面取决于钢基体的组织和性质。与基体结合力弱且尺寸大的脆性夹杂物和球状不变形的夹杂物危害。而且钢的强度水平越高，夹杂物对疲劳极限的危害越大。目前要求高强度优质弹簧钢的T[O]含量控制在15ppm以下，钢中不得有大于15μm的脆性夹杂物。（2）显微组织为减轻车体重量，汽车弹簧钢向高强度化发展，但又不能破坏其塑性，因此其精细组织结构控制很重要。高强度弹簧钢要求热轧材铁素体与珠光体组织均匀，晶粒细小，不应有网状铁素体及淬火组织存在，要求索氏体化率越高越好。（3）脱碳层深度弹簧钢表面脱碳0.1mm就会使其疲劳极限明显下降，如果出现铁素体全脱碳层，可降低疲劳极限50%[4]。随着钢材表面脱碳层深度的增加，疲劳寿命下降。这是由于钢材淬火后，表面脱碳层达不到所要求的硬度及力学强度，而且表面层不同部位淬火时膨胀系数不同，致使部件全脱碳层与半脱碳层之间的过渡区产生微裂纹，这些可见的或不可见的裂纹成为应力集中区，并做为裂纹继续发展的起源，引起弹簧的失效断裂[5, 6]。高强度优质弹簧钢要求脱碳倾向越小越好，不允许出现铁素体全脱碳层组织，而且限定弹簧钢材总脱碳层深度。（4）表面质量为了保证弹簧能够持续稳定地工作，所受应力和变形均匀，要求弹簧钢有严格的尺寸精度和表面质量控制。在交变载荷作用下，钢材表面受外应力，任何表面缺陷都可充当缺口，因此绝大多数弹簧工件断裂都是从表面或皮下引起。所以表面质量对疲劳寿命的影响比钢材内在质量的影响更为明显。抗拉强度愈高的材料，表面质量对疲劳极限的影响愈大。所以标准GB1222-2007规定弹簧钢材不得有裂纹、折叠、结疤、夹杂和压入的氧化铁皮等表面超标缺陷[7]。对于铁路车辆用弹簧圆钢，一般黑皮材要求通过磁粉探伤，表面无毛细裂纹。随着高速铁路的发展，还要求使用磨光材，要求表面无缺陷。随着材料生产加工技术和制簧、喷丸等弹簧加工技术的进步，可以使表面质量得到稳定，从而提高弹簧钢的疲劳性能[8]。

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