重型汽车少片变截面钢板弹簧新材料的研究与应用

重型汽车少片变截面钢板弹簧新材料的研究与应用高伟1王岩2（1.中国第一汽车集团公司技术中心；2.中国人民解放军驻第一汽车集团公司军事代表室）【摘要】针对重型汽车少片变截面钢板弹簧材料存在的问题，研制了少片簧用新材料钢。介绍了钢的试制过程及其性能，并对其进行了组织结构与强韧化机理分析。分析表明，该材料具有高强度、高塑性和优良的工艺性，可满足少片簧材料的各项性能要求。台架试验表明，钢制少片簧的台架疲劳寿命是技术标准要求的数倍，最高达万次以上；道路试验表明，钢制少片簧可满足重型汽车使用要求。主题词：重型汽车 少片簧 力学性能 工艺性能 应用试验 中图分类号： 文献标识码： 文章编号：（）1前言重型汽车少片变截面钢板弹簧（简称少片簧）是先进的汽车钢板弹簧技术，其特点是可降低自重以上，并且可靠性高，维护容易，因此在国外高档重型汽车甚至工程车中被大量采用。世纪年代，我国开始研究重型汽车少片簧，但因其疲劳性能低而没有推广应用，主要原因是弹簧材料（如、等弹簧钢）的综合技术性能较差，不能满足少片簧的高应力、高疲劳性、高可靠性及工艺性要求。为解决重型汽车少片簧的材料问题，研制出了一种新型汽车钢板弹簧材料。通过各项性能试验表明，该材料具有高强度、高塑韧性和优良的工艺性，满足了少片簧的材料要求。应用结果表明，新材料少片簧具有高疲劳性能，完全满足装车要求。2新材料的技术方案（合金设计）新材料应满足：低合金的复合合金化和微合金化；控制杂质含量；高强度和高塑性；满足少片簧工艺性要求；符合我国现有冶金技术条件与能力。2.1化学成分新材料的主要化学成分设计见表，其钢号（按我国钢号编制原则）为。其中的碳、锰、铬、钒、硫等元素间存在交互作用和复合作用，这种作用可以有效发挥元素的优势而不损害材料的技术性能，并可极大地降低合金含量和材料成本。中碳保证了材料的强韧性基体；适量的锰、铬保证材料具有一定的淬透性和强化效果；适量的钒可控制材料的高温热加工性能，并具有析出强化和提高淬透性的作用。如表1表12.2力学性能钢的杂质控制是通过冶金工艺实现的，最终表现在材料的力学性能上。钢的力学性能设计技术指标与我国常用弹簧钢力学性能对比见表，由表可知，钢具有超高强度和高塑性，综合力学性能明显优于国内现有弹簧钢。如表2表22.3工艺性能少片簧的主要热加工工艺是高温轧制、淬火和中温回火。因此，对钢的工艺性要求为：油淬火直接淬透厚度不小于；脱碳层深不大于。2.4冶金工艺冶金工艺是根据我国的冶金工艺特点和少片簧材料的技术要求设计的，不仅保证了弹簧材料的技术性能，而且有利于降低材料成本和适于批量生产。冶金工艺采用电炉方法冶炼，电渣重熔或炉外真空精炼，以实现对材料的杂质控制。可采用连铸方法铸钢锭，开坯前对钢坯进行表面处理和探伤，以减少材料的表面质量缺陷。3新材料试制按技术方案和大生产条件试制了炉钢（电炉），试验用材料的规格（）分别为、和等种。表3为从3个炉号抽取的材料化学成分检验结果。由表可知，该材料化学成分符合技术方案要求。按钢的技术方案检验了新材料的各项技术性能，结果表明均达到了技术方案要求。从5炉钢的冶金质量来看，材料的技术指标稳定，说明可以利用我国现有冶金技术条件大规模生产钢。如表3表34 钢的力学性能、组织结构与工艺性4.1力学性能表4是钢在常规热处理条件下的力学性能，在的回火温度范围内，钢的强度为，断面收缩率为。该结果表明，在常规热处理条件下，材料的塑性存在一定的离散性，未完全达到高强度和高塑性的目的，因此需对钢的热处理工艺进行优化。如表4表4表5为进行了热处理工艺优化后的材料力学性能，可看出该材料具有高强度和高塑性，达到了技术方案的设计要求。如表5表54.2组织结构与强韧化机理分析图为钢经淬火和回火后的金相组织，为细致的回火屈氏体。图 钢经淬火和回火后的金相组织利用透射电子显微镜观察了钢的组织结构，如图所示。由图可看出，基体组织为位错马氏体及少量的孪晶马氏体，在基体上弥散分布细小的碳化物，这种组织结构是钢具有超高强度和优良塑韧性的原因。4.3工艺性淬硬性厚扁钢的油淬火硬度为。图 钢的电子显微组织淬透性图为钢的末端淬透性曲线。图 钢的淬透性曲线直接淬透厚度对尺寸扁钢进行直接油淬火试验，淬火后材料表面与心部的硬度均为。表为尺寸扁钢直接淬火试验结果，其表面硬度为、深度为时的硬度为。以上结果说明，钢的淬透性能适合厚度在以内的扁钢。表 厚扁钢直接油淬火试验结果脱碳倾向性钢的脱碳倾向性较小，厚扁钢的最大脱碳深度不大于，有利于少片簧的热加工和疲劳性能。5 钢在重型汽车少片簧上的应用试验用钢加工成重型汽车少片簧，通过台架疲劳试验和道路试验来检验钢是否满足重型汽车少片簧的技术性能要求。5.1台架疲劳试验汽车钢板弹簧的主要失效形式是疲劳断裂，其台架疲劳试验寿命与实际使用寿命或行车里程成对应关系，因此台架试验是汽车钢板弹簧的基本试验方法。目前我国汽车钢板弹簧的台架疲劳寿命通常在万次，表为汽车钢板弹簧台架疲劳试验技术标准。因钢少片簧的台架疲劳寿命很高，所以台架疲劳试验采用分段试验方法，以提高试验效率，即应力循环次数在万次以内时，最大试验应力为；应力循环次数超过万次时，最大试验应力为。表为钢少片簧的台架疲劳试验结果。由表可看出，钢少片簧的疲劳寿命是技术标准要求的数倍以上，也是普通钢板弹簧疲劳寿命的数倍以上。钢少片簧的疲劳寿命是目前我国汽车钢板弹簧所达到的新水平，其疲劳性能达到了国外先进少片簧台架疲劳试验技术水平。影响少片簧疲劳寿命的因素较多，如表中的圆角碰伤将直接降低弹簧的疲劳寿命，说明少片簧技术的复杂性。少片簧的疲劳断裂影响因素是今后研究的内容。5.2道路试验图是道路强化试验用钢少片簧。道路试验的路面为号路，装载量为正常载荷的。道路试验结果表明，数万公里道路试验无簧片断裂，钢少片簧满足了装车使用要求。6结束语为解决重型汽车少片簧材料存在的问题，研制了少片簧用新材料钢。钢可取代现有的、等汽车钢板弹簧材料；可大幅度提高汽车钢板弹簧质量，并可降低材料消耗；因钢按我国现有