汽车悬架弹簧钢分析报告.pdf

前言
悬架弹簧是汽车重要部件,它在周期性弯曲扭转等交变应力下工作,经常承
受拉、压、扭、冲击、疲劳、腐蚀等多种作用,所以应具有高的弹性极限。同时
为防止疲劳与断裂,悬架弹簧还应有高的疲劳强度与足够的塑性、韧性。随着能
源日趋紧张,为了减轻汽车重量,对悬架弹簧钢提出了新的要求,减轻其重量的
最有效办法是提高弹簧设计应力。经计算,弹簧重量与设计应力平方成反比,而
抗疲劳与抗弹减性能是直接影响弹簧设计应力的主要因素。
汽车轻量化,促使汽车悬架弹簧高应力化非金属夹杂物则是悬架弹簧损坏
失效的主要原因,如何降低弹簧钢中非金属夹杂物数量,改善夹杂物形态与分
布,冶炼高纯弹簧钢已成为当前弹簧钢生产的一个关键问题。
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1汽车用悬架弹簧的质量要求
1.1车用悬架弹簧的种类和特点
悬架弹簧在汽车行驶过程中,承受高频往复压缩运动,起着缓冲和减震作
用,其质量好坏,对车辆平稳性、安全性起着至关重要的作用。轿车、客车对悬
架弹簧性能要求较高,需要达到减小噪音、提高舒适度和平稳性等要求;重型及超
重型载货车需要高强度悬架弹簧。悬架弹簧的技术发展趋势总体上向轻量化、高
应力、高可靠度发展,悬架弹簧设计应力要求大于1100MPa,高的可达1200MPa。
汽车行业使用的悬架弹簧分为钢板弹簧和螺旋悬架弹簧两大类。轿车用螺
旋悬架弹簧,钢丝直径9～16mm,常用4个悬架弹簧,每辆车平均需要弹簧钢线
材15kg,钢种为60Si2MnA,55SiCr(SUP12),50CrVA等。一些微型汽车和面包车
的悬架弹簧、摩托车减震弹簧等也使用螺旋悬架弹簧。悬架弹簧对弹簧钢丝的化
学成分、夹杂物数量和形态分布、表面质量、脱碳层、显微组织及力学性能等要
求较高。悬架弹簧要求表面脱碳层小于直径的0.5%、表面要磨光、尺寸公差要
求比较严格、应无缺陷交货。采用通常热加工方式难以达到用户要求,因此,轿
车悬架用弹簧逐渐由热成形改为冷成形,经拉拔、热处理后制成卷簧。悬架弹簧
钢丝发展方向是降低碳含量、减少脱碳,提高塑性成形性和抗弹性衰减等性能。
车用悬架弹簧应用较多的是Si-Cr系弹簧钢。这类钢的抗回火稳定性好,
松弛抗力高,疲劳寿命较理想,但在一些微型车上,悬架弹簧也常用
60Si2MnA或50CrVA钢。扭杆弹簧结构简单,有利于车辆整体布置,在一些轿
车和轻型车上应用,也有在重型军用车上应用的。
在传统Si-Mn弹簧钢的基础上通过降低C含量并添加Ni,Cr,Mo和V等合
金元素,已开发出高强度和韧性的弹簧用钢。在传统的Cr-V系弹簧钢中添加Nb
可提高钢的抗延迟断裂性能,使钢的抗拉强度达到1800MPa。提高弹簧疲劳强度
的有效途径是对弹簧进行喷丸和氮化处理。
1.2车用悬架弹簧对线材的质量要求
轿车悬架弹簧用线材对钢的纯净度、尺寸精度、表面质量有严格的要求。
实践证明,线材的直径精度对减少拉丝模磨损、降低能耗、减少断丝、保
证拉拔稳定进行具有重要意义。悬架弹簧用线材的直径公差控制在±0.2mm,椭圆
度不大于直径公差的60%。线材表面的裂纹、折叠、划伤等缺陷严重影响钢丝的
质量,降低悬架弹簧的疲劳寿命。线材表面应光滑,不得有裂纹、折叠、结疤、
耳子等。局部的凸块、凹坑、麻面等缺陷尺寸不得大于0.10mm。线材力学性能
,并且波动小。线材通条抗拉强度波动≤40MPa,断面收缩率波动≤15%,
索氏体体积分数≥85%,游离态铁素体对疲劳寿命有较大影响,体积分数应控制
在1.5%以内,晶粒度为8级以上,不得有马氏体。
夹杂物作为疲劳裂纹源会引发疲劳裂纹的扩展,最终导致弹簧断裂,它所
造成的弹簧失效已成为弹簧破损最主要的原因之一。特别是在高压应力条件下使
用的弹簧,疲劳极限与硬度之间不再是线性关系,当材料硬度HV值超过400以
后,显微夹杂物将成为疲劳裂纹源,使材料的疲劳极限下降,而汽车悬架弹簧通
常在HV值为430～535时使用,要求不得有大于15m的脆性夹杂物。
表面脱碳会引起表面硬度降低,易在加工中形成表面疲劳裂纹源,对悬架
弹簧的疲劳寿命有重要影响。要求线材表面总脱碳层不大于线材公称直径的1%,
避免全脱碳。
碳含量的波动,会引起力学性能波动:碳含量与抗拉强度正相关,与断面收
缩率负相关,减少碳含量可减少脱碳,提高成形性和抗弹减性。碳质量分数的波
动范围应小于0.03%。硅元素具有高的固溶强化作用,对提高抗弹减性有利,硅
含量过高易形成硅酸盐夹杂并产生脱碳倾向。锰可以加强弹簧的强度和淬透性,
但也增加了钢的过热敏感性和回火脆性。如高品质55SiCr中,硅的质量分数一般
在1.33%～1.45%,锰的质量分数为0.67%～0.69%。硫和磷含量要严格控制,高
质量悬架弹簧产品要求硫和磷的质量分数分别小于0.01%和0.015%,氧的质量分
数≤15×10,氮的质量分数≤35