（材料加工工程专业论文）新型62si2mna钢制造重载车用厚截面钢板弹簧的应用研究(1).pdf

浙江人学t 程坝i 。学位论史新型6 2 s i2 m n a 钢制造重型车用厚截面钢板弹簧的应用研究 新型6 2 s i 2 m n a 钢制造重载车用厚截面钢板弹簧的应用研究 岁耀华 浙江大学材料与化1 ：学院 摘要 在国内弹簧钢材大幅涨价的形势下，为降低厚等截面( 15 m m ) 钢板弹簧用材成本， 联合国内知名的弹簧钢生产公司共同开展本课题研究。本课题基本目的是在保证钢板 质量和服役性能的前提下，降低厚等截面( 15 m m ) 钢板弹簧材料成本。研究思路是在 传统6 0 s i2 m n a 的基础上开发新型的弹簧钢取代5 0 c r v a ，用于生产厚等截面( 15 m m ) 钢 板弹簧。 通过计算机辅助设计手段对新型材料的成分进行优化设计；采用炉外精练、真空 脱氧等先进冶炼工艺生产：通过对新材料的机械性能( 硬度、强度、韧性、塑性等) 试验检测和工艺性能( 淬透性、脱碳敏感性、淬裂倾向、) 试验结果表明， 新材料符合厚等截面( 15 m m ) 钢板弹簧标准和生产工艺要求。通过对新材料试制钢板 弹簧总成性能试验研究表明，新材料满足厚等截面( 15 m m ) 钢板弹簧制作工艺性能要 求和服役性能要求，可达到有关厚等截面( 15 m m ) 钢板弹簧的国家标准。 新材料代替5 0 cr v a 生产厚等截面( 15 n u n ) 钢板弹簧批量试制结果表明，新材料制 作的厚等截面( 15 m m ) 钢板弹簧满足各项性能技术要求，性能稳定，可以全面取代5 0 c r v a 进行大批量厚等截面( 15 m m ) 钢板弹簧，为我公司每年降低原材料成本3 0 0 多万圆。 关键词：6 2 s i 2 m n a 钢板弹簧淬透性疲劳寿命 渐江人学17 程颂l 学位论文新型6 2 s i 2 b n a 钢制造重型车用厚截面钢板弹簧的应用研究 t h ep r o c e s sa n da p p l i c a t i o n so fan e wt y p eo fs p r i n gs t e e l s6 2 s i 2 m n a f o rm a n u f a c t u r i n gh e a v yt r u c kl e a f - s p i n g s l u oy a o h u a z h e j i a n gu n i v e i ”s i t y ，c o l l e g eo fm a t e r i a ls c i e n c ea n dc h e m i c a l e n g in e e r in g a b s t r a c t ：u n d e rt h es i t u a t i o nt h a tt h ep r i c eo fs p r i n gs t e e lr i s e sg r e a t l yi nd o m e s t i cm a r k e t ， i no r d e rt or e d u c et h em a t e r i a lc o s to ft h i c kl e a f - s p r i n g so fc r o s s - s e c t i o n ( 15m m ) ，o u r c o m p a n yd e v e l o pas u b j e c tt os t u d yt o g e t h e rw i t ht h ed o m e s t i cw e l l - k n o w ns p r i n gs t e e l c o m p a n i e s t h i sb a s i cp u p p o s eo ft h i ss u b j e c ti st or e d u c et h em a t e r i a ic o s to ft h i c k l e a f - s p r i n g so fc r o s s s e c t i o n ( 15h i m lu n d e rp r e r e q u i s i t eo fg u a r a n t e e i n gt h eq u a l i t ya n dt h e s e r v i n gp e r f o r m a n c eo fs t e n c i lp l a t e s t h et h i n k i n go fs t u d yi st od e v e l o pt h en e w 。t y p e s p r i n gs t e e l t o r e p l a c e5 0 c r v ao nt h e b a s i so ft r a d i t i o n a l6 0 s i 2 m n at oa p p l yt o m a n u f a c t u r i n gt h i c kl e a f - s p r i n g so fc r o s s s e c t i o n rl5r a m ) t oc a r r yo no p t i m i z a t i o n a ld e s i g n st ot h ec o m p o n e n t so ft h en e wm a t e r i a l sb yt h e m e a n so fc a d , t om a n u f a c t u r eb ya d v a n c e ds m e l tt e c h n o l o g ys u c ha sa d o p t i n go u t s i d e s t o v ec o n c i s e ，v a c u u md e o x i d a t i o n ，e t c ：t h er e s u l to fe x p e r i m e n t so nm e c h a n i c a i p e r f o r m a n c e ( h a r d n e s s i n t e n s i t y , t o u g h n e s s ，p l a s t i c i t y , e t c ) o ft h en e wm a t c r i a l a n d t e c h n o l o g i c a lp e r f o r m a n c e ( c o m p l e t eq u e n c h i n gq u a l i t y ，o f f - c a r b o n s e n s i t i v e n e s s ， q u e n c h i n ga n ds p l i t t i n gi n c l i n a t i o n ，s h o t p i n n i n gr e s p o n s e ) s h o w st h a t t h en e wm a t e r i a l a c c o r d sw i t ht h es t a n d a r do ft h i c k l e a f - s p r i n g o fc r o s s s e c t i o n f15m m ) a n dt h e t e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n to fp r o d u c t i o n t h et e s t so nt h ep e r f o r m a c eo ft h et r i a l p r o d u c i n g s t e n c i lp l a t ew i t hn e wm a t e r i a l si n d i c a t et h a tt h en e wm a t e r i a l sm e e tw i t ht h er e q u i r e m e n t o fm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y a n d s e r v i n gp e r f o r m a n c e o ft h i c k l e a f - s p r i n g s o f c r o s s s e c t i o n f15 m m la n dr e a c ht h er e l e v a n tn a t i o n a ls t a n d a r do ft h i c kl e a f - s p r i n g so f c r o s s s e c t i o n ( 15 m m s ) t h et e s tr e s u l t so ft r i a l p r o d u c t i o no f5 0 c r v at h i c ks t e n c i lp l a t e s p r i n g so fc r o s s s e c t i o n fl5 m m ) i nb a t c h e si n d i c a t el e a f - s p r i n g so fc r o s s - s e c t i o n ( 15 r a m ) m a d eo fn e wm a t e r i a l sm e e te v e r yt e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n tw i t hs t e a d yp e r f o r m a n c ec a n r e p l a c e5 0 c r v aa 1 1 一s i d e d l ya n dt h i c kl e a f - s p r i n g so fc r o s s s e c t i o n fl5m m lc a nb e m a n u f a c t u r e di ne n o r m o u sq u a n t i t i e sa n dt h i sr e d u c e sm o r et h a n3m i l l i o ny u a no fc o s to f r a wm a t e r i a l se v e r yy e a rf o ro u rc o m p a n y k e yw o r d s ：6 2 s i 2 m n a ；l e a f s pr i n g s ：h a r d e n a b i l f y ；f a t i g u el i f e 浙江人学r 程f i ! i | 卜学化论义 新型6 2 s i 2 m n a 钢制造重型车用厚截面钢板弹簧的应用研究 第一章国内外钢板弹簧材料应用发展现 状及课题来源 1 1 钢板弹簧材料i 生能及成份要求 1 1 1 力学性能要求 钢板弹簧土要是在动载荷作川 如往复或变变惠力、振动、冲击臀条件f 使川，冈此耍求 具有高强度和疲劳极限以及一定的冲击韧性。同时保证弹簧具有很高的抗拉强度、屈 服强度、屈强比、塑性、韧性、硬度及弹性极p i t o n 比例极限对制作材料弹簧俐有很 高的要求。弹簧钢合金化应首先保汪足够的强度和高的屈强比，这样弹性极限也会棚 应提高。目前弹簧生产中多采用中温回火得到心火屈氏体组织来满足弹赞的使用 性能要求。 疲劳破坏和弹性减退失效是铡板弹簧最常见的两种破坏形式，特别是后矗在刚外 受到极大的重视。所谓弹性减退失效就是弹簧存静载荷或动载荷的作用f ，但参温发 7 l 塑性变形或弹性模最降低的一种现象。为了保证弹簧正常工作，特别是在提商弹簧 的设计应力时，弹簧必须有良好的抗弹减性。提高弹簧弹减抗力的途径主要有以f 几 个方面：1 2 1 ( 1 ) 固溶强化( 合金元素以s i 作用最大) ； ( 2 ) 沉淀强化( 加入v ，n b 形成v 4 c 3 ，n b c 效果显著) ； ( 3 ) 细品强化 最新研究证明，b 能有效地提高钢的弹减抗力| 3 】。与其提高淬透性的作1 7 。样， 只要加入极少量b 即可显著改善材料的弹减抗力。 疲劳性能对板簧的使用寿命至关重要。影l i l l , j n 板弹簧疲劳性能的因素除设汁、i 艺制造及使用等因素有关外，材料的冶炼纯度、夹杂物含量、表面质萤、表断强化效 果响应( 应力喷丸强化响应) ，材料强度、韧性、塑性配合都是重要的影响闪素。 1 1 2 工艺性能要求 汽车钢板弹簧主要加工工艺流程为：下料一冲孔一校直一轧制( 变截面板簧) 一卷耳( 包耳) 一切边一成形淬火一回火一喷丸一装配一喷漆一检测。 因此，弹簧钢的工艺性能包括：冷) b i l 3 2 性能( 如下料、冲j l 、喷丸强化响应等) 、 热加工性能( 主要包括热成形一p k 自p a n 轧制、卷包耳、切边，脱碳倾向，淬裂倾向，汗 透性、淬火成形性能等) 。 1 1 2 1 冷加工性能 钢板弹簧加工生产过程中一般要通过冷裁下料和冷冲中心孑l 加工。要求原材料的 交货硬度不宜偏高，易于冲裁卜料和冲叶 一t ：, 4 d 。g b l 2 2 2 8 4 规定弹簧钢热轧交货硬 度h b 3 2 i ，实际上这一硬度指标已经不适应牛产使用要求。在我公司的_ 卜料r 序和 冲孔工序经常发现在原材料硬度 s u p l l ao 15 03 507 0 - l0 0 0 6 4 0 0 3 50 0 3 5 1 0 0 0 0 0 0 5 o5 l 0 6 0 s u p l 21 2 0 1 6 0 06 0 09 0 0 5 9 0 0 3 50 0 3 5 0 9 0 0 5 6 07 0 o 2 5 s u p l 3o 15 0 3 5 07 0 l0 0 0 6 4 o0 3 5o 0 3 5 0 9 0o _ 3 5 注：1 在各种钢中，铜作为j 质，其含量不应超过03 0 ： 2 当按照川户要求进行产品分析时，对s u p 3 化学成分偏差值戍符合j i s g 0 3 2 i 标准中表2 的 规定，对其他钢，化学成分偏著值应符台j i s g 0 3 2 1 标准中表3 的规定 表l - 3美国弹簧钢几种有代表性的钢号及化学成分( ) a i s i 钢号 cs im nc rm o 其它 1 0 6 5 0 6 0 - 0 7 00 15 03 00 6 0 0 9 0 1 0 8 00 7 5 0 8 80 1 5 o 3 00 6 0 0 9 0 1 0 9 509 0 - l0 30l5 03 00 3 0 05 0 1 5 6 606 0 0 7 10 15 - 03 00 8 5 - l1 5 4 15 004 8 - 05 3o2 0 0 3 50 7 5 1 0 00 8 0 1 1 0o 15 - 0 2 5 5 0 8 6 00 5 6 o 6 40 2 0 03 507 5 10 00 4 0 - 06 0 b 00 0 0 5 5 1 6 00 5 6 , - - 0 6 40 2 0 0 3 5o 7 5 1 0 00 7 0 - 0 9 0 15 8 6 0o 5 6 o 6 40 2 0 - 0 3 50 7 5 10 00 7 0 - 0 9 0 b 0 0 0 0 5 6 15 00 4 8 - 0 5 302 0 - 0 3 50 8 0 - 1 1 0 v 0 15 8 6 5 50 5l o 5 9o 2 0 0 3 5o 7 5 1 0 004 0 - 0 6 00 1 5 o2 5n i0 4 0 - - - 07 0 9 2 6 00 5 6 - 0 6 418 0 2 2 0o 7 5 1 0 0 注：1 0 6 5 、1 0 8 0 、1 0 9 5 及15 6 6 四个钢号的p 、s 含苗分别不人丁o 0 4 0 及0 0 5 0 ；其它各钢号的 p 、s 含譬分别不人丁o 0 3 5 及00 4 0 销5 且 浙江人学丁程删i j 学位论文 新型6 2 s i 2 1 d n a 钢制造重型车用厚截面钢板弹簧的应用研究 表1 - 4 德围弹簧钢几种有代表性的钒号及化学成分( ) 钢种化学成分( 质姑分数) 钢号 材料号 cs im n p 最高s 最高 c rm 0 v 3 8 s i 7 1 5 0 2 3o 3 5 - l5 0 l8 0 0 5 0 0 0 3 00 0 3 0 o 4 20 8 0 5 4 s i c r 61 7 1 0 2 o5 1 l2 0 - 16 0 o5 0 o0 3 00 0 3 00 5 0 - 0 5 90 撂00 8 0 6 0 s i c r 717 1 0 80 5 7 l5 0 - l8 0 0 7 0 00 3 00 0 3 0o2 0 o 6 5 1 o o0 4 0 5 5 c r 31 7 1 7 60 5 2 - o 2 5 - 05 0 0 7 0 -0 0 3 00 0 3 0o 7 0 o 5 91 1 010 0 5 0 c r v 418 1 5 90 ，4 7 - 0 1 5 - 04 0 07 0 0 0 3 00 0 3 00 9 0 -o 1 0 0 5 5l1 01 2 0o 2 0 5 l c r m o1 7 7 0 10 4 8 0 15 - 04 0 0 7 0 -00 3 00 0 3 009 0 o 1 5 o 2 5o0 8 v 405 6】01 2 00 15 注：表中术列入元素，除了熔炼时最终处理( 需要加入) 外，术证得订货者的同意，不得有意识地加 入铜中有异议时，按欧洲标准2 0 的极限含苗办理 表1 - 5德国弹簧钢对应于不同心部淬火硬度的极限尺寸 l234 钢种淬火淬火 最大尺寸淬火最大尺寸 钢号材料号温度介后心扁钢圆钢后心扁钢圆铡 质部最f厚f直部最 (厚 f直 低硬 度1 m径1 m低硬度) m径) m 度值 mm 度值 mm h r ch r c 3 8 s i 71 5 0 2 38 3 0 水 4 7l o1 25 6 8 6 0 5 4 s i c r 61 7 1 0 28 3 0 油 5 4 2 0 5 6 1 2 1 8 8 6 0 6 0 s i c r 71 7 1 0 88 3 0 油 5 4 1 8 2 5 5 6 1 4 2 2 8 6 0 5 5 c r 31 7 1 7 68 3 0 油 5 4 1 6 2 5 5 6 1 4 2 2 8 6 0 5 0 c r v 41 8 1 5 98 3 0 油 5 4 2 5 4 0 5 6 2 0 3 0 8 6 0 5 l c r m o1 7 7 0 l8 3 0 油 5 4 4 5 6 5 5 6 3 5 6 0 v 48 6 0 适_ l j 1 第2 栏的淬火温度： 必须按 有较多贝氏体成分计算： 必须按照有较少贝氏体成分计算： 淬火时使_ l j 高教淬火油： 这些数值根据需要在订货时曲一议： 暂定值： 如果限定化学成分使末端淬透性曲线在袁7 。7 分布i ：面2 3 之内、可获得该表中所给的最 鹕6 虹 浙江人学t 程坝i j 学他论殳新型6 2 s i 2 m n a 钢制造重型车用厚截面钢板弹簧的应用研究 人尺寸 1 3 国内外弹簧钢的最新发展动向 自2 0 世纪5 0 年代中期我国丌始创建汽车工、i k 以来，直至8 0 年代木期 1 随以 生，“中型卡车为主。9 0 年代中后期到本世纪初，重型车和轻、微车才得以崭露头角。 但也未能改变汽车悬挂系统以等截面钢板弹簧占主导地位的局面，因此，我幽新型弹 簧钢的丌发一直围绕着钢板弹簧用钢进行着。6 0 年代后期，我国钢铁工作者在s i m n 系钏基础上相继研制出许多新犁弹簧钢，具有代表性的有5 5 s i m n v b 、5 5 s i 2 m n b 、 5 5 s i m n m o v 、5 5 s i m l l m o v n b 等。其中只有人冶钢厂。和东风汽车公司共同研制丌发的 5 5 s i m n v b 在7 0 年代中期至9 0 年代中期成为“东风”牌汽车的主要弹簧用钢，山丁 其原材料成本较高，目前已被传统的6 0 s i 2 m n a 取代。 鉴于s i m n 弹簧钢是我国汽车t j i k 主导用钢，但在实际生产中s _ 一m n 系弹簧 钢存在着钢材表面质量不良易脱碳等缺点。8 0 年代以来，我国钢铁工作者对低碳弹簧 钢进行了大量研究、丌发工作，取得了令人瞩目的成果。 祖荣祥在实验室中研究了碳及合金元素( s i ，m n ，c r ，v ，n b ，b ) 对弹簧铡 性能的影响i l ，结果发现o 3 5 c 的弹簧钢( 0 3 5 c ，1 5 s i ，1 0 0 c r ，o0 5 n b ) 与含碳量0 6 的常规铡相比，塑性、韧性、综合力学性能高，特别是脱碳量倾向小， 弹性、疲劳性能好。为了研究低碳量，发展低碳量新型弹簧的可行性，祖荣祥义将j 种成份低碳弹簧钢同传统的弹簧钢( 6 0 s i m n ) 做了力学性能、弹性、减退执力、疲劳 性能、淬透性、脱碳倾向对比证实了这种设想的可行性nj 。 ( 1 )低碳含量弹簧钢的很多性能都优于传统弹簧，特别是塑性、韧性好，适 于汽车钢板弹簧低周疲劳的服役条件，疲劳强度高；而且工艺性能大大改善，脱c 倾 向小，加工成形性能好，适于变截面板簧生产。 ( 2 )碳含量降低使钢的显微组织发生变化，淬火组织中高位错密度的板条状 马氏体量增加，片状马氏体量减少，断口组织也发生变化，因此十分适合于水( 或水 基淬火介质) 冷却淬火。 ( 3 )碳含量降低之后，势必影响钢的强度，为了弥补这一损失，除在热处理 l 采用一些措施外( 如改用水基淬火介质、快速淬火油、降低回火温度等) ，合令元 素的作用更为重要。通过选择恰当的化学成份和热处理i ：艺，完全可以使低碳弹簧铡 的各项性能达到和超过传统弹簧钢，满足生产和使用要求。 在上述思想指导下，近年来出现的系列低碳弹簧钢如已获中国专利的2 8 s i m n b 、 2 6 s i 2 m n c r v 、3 5 s i m n b 等，已在我困一些中轻( 微) 型汽车上获得应用，用户反映 良好，并有部分钢材出口。 对于钢板弹簧用钢，近年来困外在增加设计应力( 弹簧的重量与弹簧的设计戍 力的平方成反比【l 】) 节省材料、提高弹簧寿命和可靠性方面有很大进步，但几乎没有 推出新钢种。2 0 世纪7 0 年代和8 0 年代初炉外精炼和连铸技术在国外取得料突飞猛进 的发展，目前国外工业先进国家采用炉内初炼钢水和连铸钢坯的标准弹簧铡生产线 ( 主要有r h 、a s e a 、s k f 、v a d 、l f 等) ，可以大批量生产高纯度弹簧钏。【日外牛 产高纯弹簧钢的的生产技术方法主要有： ( 1 ) 降低非金属央杂物数量，缩小夹杂物的粒度； ( 2 ) 控制火杂物的组分和形态： ( 3 ) 上述两种方法的结合。 最近，国外( 特别是n 本) 钏铁厂在这些设备上进行了工艺改进，不仅人晰度降 浙江人学t 程倾1 j 学位论文新型6 2 s i 2 m n a 钢制造重型车用厚截面钢板弹簧的应用研究 低了钢中的氯含量，减少了非会属央杂物的数量，而且可以控制央杂物组成、形状和 分布，形成了所谓“超纯弹簧钢”的，l 产技术。目前我因特殊钢厂由于整体设备配套 存在差距，因此在优质弹簧钢生产技术和国外存在较大差距。但是国内也有少数弹簧 钢生产厂引进了炉外精练技术，如汀苏泰富兴澄特殊钢股份有限公司，其弹簧钢丌发 和冶炼水平在处于国内领先水平，接近国外发达国家8 0 年代的水平。 1 4 课题来源及研究思路 1 4 1 课题来源及其目的和意义 近几年，我公司使用各种牌号弹簧钢的价格、用量和用途见表1 - - 6 ：5 0 ( ；f v a 表1 6并种牌号弹簧钢使_ l 】情况 价格( 元吨) 材料牌号用茸( 吨年)用途 2 0 0 22 0 0 3 5 5 s i m n v b3 5 0 03 8 0 02 0 0 0 川1 一军1 j 等截面弹簧生产 川丁变截面和1 5 r a m 厚度以f ：等截面弹 5 0 c r v a3 7 0 04 1 5 0 2 3 0 0 0 簧生产 6 0 s i 2 m n a2 6 5 03 1 0 03 0 0 0 0 用丁1 3 m m 厚度以r 等截面弹簧生产 6 0 c r m n a淬裂倾向严重， _ l 前未使州。 和6 0 s j2 m n a 用量最大，两种材料用量占我公司每年消耗材料总量的9 8 。而5 0 c r v a 除用于生产变截面板簧外，还用于生产重型车等截面板簧。 5 5 s i m n v b _ l j 丁等截面弹簧生 产，成本较高。( 使川时间为建 厂初期至1 9 9 8 年1 5 5 s i m n v b _ l jt - 等截面弹簧生 产，成本较高。( 使川时间为建 厂初划至1 9 9 8 年) 5 5 s i m n v bh 丁军乍等 截面弹簧生产，成本较 高。( 使j j 时间为建厂初 期至今年1 6 0 s i 2 m n a _ l _ j ：1 3 m m 厚 度以r 等截面弹簧生产， 成本较低。( 使i l j 时间为 建厂初期至1 9 9 8 年) 6 0 c r m n a _ l ； jt - 变截面弹簧生产， 成本较高，淬裂倾向严重。( 使 _ 【_ 时间为1 9 8 6 年至2 0 0 0 年) 5 0 c r v ah j 丁+ 变截面利15 r a mj 1 度以上等截面弹簧生产，成本相 对较低1 ：艺性女，。( 使川时问 为2 0 0 0 年至2 0 0 3 年) 图l - - 2尔风汽下愚架弹簧有限公司原材料开发府川发展简幽 我公司弹簧钢新材料的丌发应用一直围绕新产品开发、提高产品质量、节约原材 料成本三个方面进行。经过多年的努力，我公司使用的原材料发生了较人的变化为 解决我公司的产品质量问题、降低原材料成本作出了积极的贡献。具体情况见图l 一2 。 8 负 浙江人学t 程坝1 。学位论义 新型6 2 s i2 m n a 钢制造重型车用厚截面钢板弹簧的应用研究 由图可见，我公司原材料的丌发应用的特点是：等截面簧用材料在向不断降低成本、 变截面簧用材料在向不断提高产品性能的方向发展。目前，根据新产品丌发需要，特 别是针对变截面簧使用中存在的问题度、板簧厚度的增大以及厚等截面簧成本高的特 点，正在同钢厂积极丌发应用新型材料。 本课题就是围绕降低重型车等截面板簧用材料成本，联合江苏泰富兴澄特殊钢股 份有限公司丌展的。我公司厚等截面板簧主要有1 5 9 0 和2 0 9 0 两种规格改进前 都是使用5 0 c r v a ，成本较高，特别是在近年国内弹簧钢大幅涨价的情况下，这个问题 显得尤为突出。厚等截面板簧材料用量统计见表1 7 。 表l 一7 厚等截面板簧材料用量统计 材料规格( 厚m m 材料牌号 用量( 吨) 宽f i l m ) 2 0 0 2 壬e 2 0 0 3 年 1 5 9 0 5 0 c r v a 1 1 4 8 2 8 71 3 6 7 1 1 2 2 0 9 05 0 c r v a 1 4 0 5 9 l1 6 7 3 8 2 等截而钢板弹簧相对变截而板簧而言，其片问设计应力较低( 等截面簧片问改汁 应力一般为4 0 0 - - 6 0 0 m p a ，变截面簧片白j 设计应力一般为6 0 0 - - 7 5 0 m p a ) ，因此相对向 吉。等截面簧对使用材料的要求较低。如果能丌发一种成本较低的新材料来取代5 0 c r v a 生产1 5 厚度的重型车等截面板簧，将会大大降低重型车板簧原材料成本，为我公一d 带 来较大的经济效益。 1 4 2 课题的技术难点和研究思路 5 0 c r v a 的市场价格较6 0 s i 2 m n a 高的主要原因在于：由于成分不同“生的成本 差异。表l 8 列出了5 0 c r v a 和6 0 s i 2 m n a 成分，从表中可以看出5 0 c r v a 除含有含 有s i 、m n 之外，还含有c r 和v 元素。硅原材料易取，价格低廉。锰矿叶1 陶富产， 价格不高；而铬是我国贫产金属，钒是贵重金属。目前硅、锰、铬和钒矿石的n i 场价 格见表l 一9 。从表中可以看出，c r 和v 的价格远远高于s i 和m n ，导致5 0 c r v a 的 j 泉材料成本较6 0 s i 2 m n a 高。 表1 85 0 c r v a 和6 0 s i 2 m n a 化学成分对照表 化学成分( 质培分数1 ， 旧 牌号n jc ups cs im nc rv 6 0 s i 2 m n ao 5 6 l6 0 o 6 0 o3 502 5 10 3 5 0 0 3 0 0 6 02 0 00 9 0 5 0 c r v ao 4 6 o 1 7 0 5 0 0 1 0 o3 502 500 3 000 3 0 208 0 10 0 0 5 403 70 8 00 2 0 表1 9 硅、锰、铬和钒市场价格对照表 合金名称 硅盐 锰铁铬合金钒铁 价格( 元吨) 5 0 0 5 5 6 07 5 2 09 2 7 0 本课题的研究思路在于：在6 0 s i 2 m n a 基础卜适当调整合余元素的含量，丌发一 种满足1 5 r a m 厚度的重型车等截面板簧生产和使用性能要求的新型弹簧钢，柬代替 5 0 c r v a 生产1 5 m m 厚度的重型车等截面板簧。 本课题的技术难点在丁： 第9 业 】：l i 【人学t 程顺l j 学位论空新型6 2 s i2 m n a 钢制造重型车用厚截面钢板弹簧的应用研究 ( 1 ) 新型弹簧钢的成分设计和成分确定。材料的合金含量是影响材料各种 性能的重要凼素，因此合理确定材料的成分至关重要；同时要求尽量 降低材料成本，对原材料成本和冶炼成本较高的合会元素( 如钒，硼 等) 力求避免使用 ( 2 )新型弹簧钢生产r 艺优化试验。优化t 艺参数，特别是热处理i i 艺参 数充分保证弹簧使用性能要求也是本课题的技术要点之 。 本课题实施的基本工作流程见图l 一3 。 1 5 本章小结 化学成分设计和成分确定和冶炼 材料的淬透性和机械性能试验 工艺试验 钢板弹簧总成性能试验 试生产和结论 图1 3 课题实施工作流程 本章对钢板弹簧用材料的成份、性能特点及工艺、使用性能要求作了简单的介 绍和论述。对国内外弹簧钢的应用现状及最新发展动向进行了简要的描述。 从东风汽车悬架弹簧有限公司弹簧钢的应用发展及现生产需要提出丌发成本较 低的新材料来取代5 0 c r v a 生n1 5 厚度的重型午等截面板簧的必要性和可行性。在此 摹础上提出了课题的技术难点、研究思路和实施流程。 浙江人学t 程何 i j 学位论义新型6 2 s i2 m n a 钢制造重型车用厚截面钢板弹簧的应用研究 i 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 l 参考文献 项硕云合金结构钢冶金i 业山版社1 9 9 8 7 ( 2 ) ：2 2 8 k a w a k a l f te ta 1 8 a e 饥荣祥，弹簧1 。科1 9 9 8 t e c h ，p 8 2 0 1 2 8 ，1 9 8 2 2 ：4 2 f 笑大金属材料学机械 饥荣祥钢铁研究总院学报 t a t a te ta 1 s a et e c h 业出版社，1 9 8 7 ，4 ( 3 ) ：4 8 4 9 1 9 8 9 ：l ( 3 ) 3 7 4 4 p 8 0 0 4 8 0 ，1 9 8 0 o z o n et a u t o m a t i v ee n g i n e e r i n g 1 9 8 2 ：3 ：5 0 一5 4 l e w e l l y nd te ta 1 m e t a ls t e c h 】9 7 4 ：l ：5 1 7 公开特订公报( j a p a n ) ：1 9 8 4 ，1 8 2 9 4 9 饥荣样，锏铁研究总院学报，1 9 8 9 ：1 ( 3 ) ：3 7 4 4 朱麻波国外弹簧生产技术编译”籍：1 9 9 3 ：3 ：5 6 第l l 贝 浙江人学丁程倾l j 学位论史新型6 2 s i2 m n a 钢制造重型车用厚截面钢板弹簧的应用研究 第二章6 2 5 i 2 m n a 材料的成份设计 及冶炼工艺 材料的成份是材料性能的基础。对于丌发新型弹簧钢而言，成份设计是关键】作 之一，它刁i 仅需要一定的理论基础作为指导，而且对于弹簧钢一定的实践经验也必不 i t _ 少。本课题是东风汽车悬架有限公司同江苏泰富兴澄特殊钢股份有限公司j t 州协作 丌展完成的课题，其成份设汁一作是在东风汽车悬架有限公司协助下，由汀、泰富兴 澄特殊钢股份有限公司丌发部在6 0 s i 2 m n a 基础 ：通过计算机辅助成份设计手段完成 的。 2 1 成份设计 2 1 1 成份理论设计 6 2 s i 2 m n a 的成份设计主要思路是在6 0 s i 2 m n a 的基础l ：调整合金7 i 素含鞋，n ： 提高其淬透性的同时保证良好的、满足重载钢板弹簧r 艺加t 和使用性能要求的综合 性能。因此，6 0 s i 2 m n a 的化学成份是新材料成份的参照和基础，淬透性满足1 5 m m 厚度的钢板完全淬透是前提，满足重载钢板弹簧使用性能要求是目的。表2 1 歹| j h l 了6 0 s i 2 m n a 的化学成份，f 面以6 0 s i 2 m n a 的化学成份作为参照讨论初步确定新材 料的化学成份。 表2 16 0 s i 2 m n a 的化学成份 牌号 化学成份( 质量份数) 惕 n ic ups cs i m nc r v 6 0 s i 2 m n a 05 6 , 0 6 0 一20 006 0 o9 0 035 03 5o2 5 00 3 0 6 4 0 0 3 0 ( 1 ) 碳：设计碳含量应主要考虑固溶强化及回火二次沉淀硬化所需。碳对弹簧的强 度，硬度、塑性、韧性、脱碳倾向、显微组织都有很大的影响。图2 1 表明了含碳 量对碳钢机械性能的影响：当钢的含碳量小于0 9 时，合金中珠光体量愈多，合 会的强度和硬度得到提高，而塑性、韧性相应降低。因为弹簧钏要求不仅有较高的强 度，而且要有足够的塑性和韧性，所以弹簧钢碳含量一般在中碳范f 目：0 4 5 一一0 6 5 。6 0 s i 2 m n a 的含碳量为o5 6 一o6 4 ，考虑到新材料的淬透性必须提高，为了不 使材料的热处理表面硬度超出标准所要求的h r c 4 0 5 - - 4 6 5 吐对新材料的含碳量有所 限定，即为：o 5 6 0 6 0 。 ( 2 ) 硅：s i 本身不仅有固溶强化作用，而且能改变钢回火时析出碳化物的数鞋、j t 寸和形态等，提高钢的回火稳定性，因此，对提高材料强度、硬度的作用相当显著。 因为s i 不是碳化物形成元素，基本上以因溶态存在，其固溶强化作用在常用合会几 素中名列前茅。s i 含量较高时还助长钢加热时的脱碳、石墨化和晶粒卡h 化倾向。 6 0 s i 2 m n a 中s i 的含量为1 6 2 o ，因此新材料的含硅量保持与6 0 s i 2 m n a 桐同。 ( 3 ) 锰：m n 能显著提高淬透性，改善热处理性能，强化基体和细化珠光体，从而提 高钢的强度和硬度。同的锰矿为我国富产，价廉易取。6 0 s i 2 m n a 中m n 的含疑为0 6 - - 0 9 ，为提高新材料的淬透性，m n 含量适当提高定为0 9 1 l 。 第1 2 见 浙江人学t 干口倾l j 学位沦义新型6 2 s i2 m n k 钢制造重型车用厚截面钢扳弹簧的应用研究 1 黝 、 、 f p k b t 掣? 0 弋 _ 弋 0夕 ，1篷 _ k 0望 。u f 、 i 、 6 0 e o d c 图2 1 含碳量对碳钢机械性能的影响i j 】 ( 4 ) c r 能显著提高钢的淬透性，c r 与m n 共用有相得益彰之效，刚时加入能娃著提 高材料的淬透性。与s i 相比，c r 、m n 突出优点是不促使钢脱碳、石墨化和晶粒粗化。 这主要是由于c r 可降低钢中碳活度；囚c r 是碳化物形成元素，u 提高钢中碳的扩散 激活能，减轻钢的脱碳倾向。c r 对屈服强度的贡献甚微。6 0 s i 2 m n a 巾c r 的含量为 o 3 5 ( 一般交货材料的c r 含量为o 0 5 一o 1 ) ，c r 元素是我国贫产矿，主要考虑 的冶炼成本因素。新材料为了提高淬透性，满足1 5 m m 厚度材料淬火要求，c r 的含 黾有适当提高，为o 3 04 。 ( 5 ) 其余杂质元素按6 0 s i 2 m n a 标准要求。 通过以上分析，新材料的化学成份可以仞步确定见表22 ：为避免和6 0 s i 2 m n a 材料混淆和材料的保密性要求，同汀苏泰富兴澄特殊钢股份有限公司丌发部商定新材 料的牌号暂时定为6 2 s i 2 m n a 。 表2 26 2 s i 2 m n a 的化学成份 化学成份( 质鼙份数) 牌号n ic ups cs j m n c rv 0 5 6 16 0 03 0 6 2 s i 2 m n a0 9 0 11 o3 5o 2 5o0 3 00 0 3 0 0 6 12o o 04 0 2 1 2 淬透性的理论计算和试验验证 由化学成份和晶粒度计算钢的理想淬透临界直径d i 值的方法是山格岁斯曼 ( g r o s s m a n ) 在1 9 4 2 年提出的，现已被普遍采用。这种方法是建立在奥氏体的化学 成份及其品粒度的基础卜的，而且计算时假设合会元素全部在奥氏体中充分扩散，碳 化物都固溶于奥氏体中，以及奥氏体时均匀的。淬透性采用理想淬透i 临界直径d i 米 笫1 3 贝 h 皇u 、r l m m m 釉掣6 2 s2 m 制制l 生荸叫车崩库截钢扳弹篱自_ , r ：t j 硼j i f ! _ ，i l i 门必、，址一九从( t t j i i i i l 粘艘水f 1h ( ：h i i ? j 。n4 1 “l 点4 r 1 ，仆山。i 、小，1 + i _ _ _ 】l 【i tr l 。l h i v ) ，以1 1 1 1 0 ：小：f 水夯扦柑拍u 未i ? j ? 儿g ： l7 ? ，引” 】jir i 、v i i _ 1 ，l ) ，r 一引下系数i 、1 ，r 7 jf 、7 p 【，7 jj ? 儿寰j 川脏，m ? lh ：小 1 1 ，_1 、h i - - 1 1 愀机【”“i1 1 1 1 1 托r 心k 门 i 、1 、什运r | ： 、i i【tl 、】1 分川l 】i 、i 、( 、“j 引乍： 数 儿j 、称乃川肥认二悦求秒、；、钾汁嗄l h ! ：7 圩圳列j i i 、1 。? 琏r 1 t i i l 一 ，剑隹糸数。 5 d 0 舔3 j 蟮 趟 稻 瓣2 l 。 l 7l 一形 ，| 一一l 一一拦 ，么r - 一 i j j么 i 、l j 。芝缪i 台垒，c j f 岔挝，w ， 剖4 故 - “ j 、。、 i f l l j 数融滟 髓耐 套 嘉0 ，糸h州跌 、 二t i 兰里旦7 mr 、 壁些盟尘堕刚。燮塑豫”坐 1 i 、i 1 l 到删 l 。i f | 1 觚川，f 川礼( , 2 n i 2 n i n ：1 l p 甜h 州t i 、t r 。，二rj ，“j 州】j f i0 ；、e 、“i 、几0 jh ，叭f j 川m | _ f ，叫0 一i i i rj 蛳t ”i ，! 【l 川0 ：、川川】。川i j 【川、1 1 1 ；【f 7 1i 、i 、川i 。f 。 、 怎址州m jh 。欠，歪r 0 ；越2j l 麒州 、l 般：，ir 槲。一川- i f 也州，j此外久铲艾- 如i 1 ：1 ) 1 i 、圯囊i j 汁f 计n 鲫，外i ? 计 ；j 、 【：，4 门州。透怖外l r f 纠ij ，! j 划、ji 峨r j ij 圳v i - 芝二ii 。j 4 、叫j ”t 4 。j 引1 r i ，州i 。州小蛤_ 川i ，“c 叫l o m i n ij 、j 托( i b 2 2 5 l ”f “，l 一 】_ r ii i ! j 【j c ：、| 、，“：j 汪、忆 i , 州二3 小崩，i 。：。州”。、fhc ，25 r a m ( 1