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2024-11-25 00:43
高強度耐腐蝕合金材料在轎車懸架彈簧輕量化設計中的開發(fā)設想 待解決
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隨著節(jié)能 \環(huán)保 \低碳經(jīng)濟成為全球共識 ,汽 車作為耗能大戶和環(huán)境污染的罪魁禍首屢遭非 議 ,。歐洲開始推行“ 超輕型汽車工程”,在未來 10 年內汽車自重下降20% ~30% ,。美國則推出 pNG計劃 ,政府每年出資 2 億美元 ,用于家庭轎 車的減重 ,而我國則在 2007 年中國汽車工程學 會聯(lián)合國內 10 多家有代表性的整車企業(yè)及高 校 ,成立了“ 汽車輕量化技術戰(zhàn)略聯(lián)盟”,宣布 3 ~5 a 內汽車平均自重下降 8% ~ 10% 的目標,。 在此大背景下 ,轎車懸架彈簧輕量化設計成為今 后技術發(fā)展的必然趨勢,。 實際上 ,與 20 世紀 80 年代相比 ,現(xiàn)在的彈 簧已達到重量減輕 30% ,其應力上升 20% 的水 平 ,新車型轎車前懸架彈簧平均重量 ≤3 kg ,后 彈簧≤2 . 5 kg ,平均應力 1 100 Mpa 以上 。預計 未來 3 ~5 a ,新車型懸架彈簧平均重量還有可能 再下降 10% ,應力水平突破 1 200 Mpa 已是必然 選擇,。 但是 , 隨著彈簧應力不斷提高 ,對腐蝕敏感 性迅速上升 , 彈簧服役過程的腐蝕疲勞失效問 題引起高度的關注 ,除了考慮傳統(tǒng)的疲勞外 ,腐 蝕疲勞也不容忽視 , 因此 ,更高強度和更好的耐 腐蝕疲勞性能將成為研究彈簧新材料的主攻 方向,。 1 國外應對高應力彈簧腐蝕疲勞的技術發(fā)展及 方向 1● 1 國外技術開發(fā)思路 隨著彈簧設計應力的不斷提高 ,通過工藝 強化來提高產(chǎn)品壽命 ,一直是彈簧設計者不斷
研究的課題 。其中噴丸強化是最常用的 \最有 效的方法之一 ,。噴丸強化主要有一次噴丸 ,二 次噴丸 ,多次噴丸 ,熱噴丸 ,應力噴丸或多種噴 丸形態(tài)的組合 ,極大程度上提升了產(chǎn)品的應用 領域 ,延長了產(chǎn)品的使用壽命 。但是也有學者 研究發(fā)現(xiàn) , 噴丸所起的作用主要在于冷作硬化 效應 , 噴丸引入彈簧表層的殘余應力 , 無助于 改變外施扭轉切應力在橫截面和縱截面上產(chǎn) 生的交變切應力水平 ,所以對彈簧發(fā)生橫向或 縱向切應力對疲勞壽命不產(chǎn)生影響 [1-2] ,。從某 些產(chǎn)品失效端口分析可見 ,對于鋼鐵表面腐蝕 性造成的缺陷上 , 噴丸所起作用甚微 , 因此 ,在 應對彈簧腐蝕疲勞方面 , 目前出現(xiàn) 2 種不同的 思路 ,。一種是以 日韓為代表的 ,傾向于提高 自 身防腐能力 ,研發(fā)耐腐蝕疲勞新材 , 代表鋼種 為 UHS1 900 和 UHS2 000 ,加上表面涂層的防 護作用 ,能極大程度地提高鋼鐵表面的防銹效 果 ;另一種以歐美為代表的 ,傾向于增強外在 保護 ,研發(fā)耐石擊 \ 高結合力 \ 吸能的新型涂 料 ,通過涂裝工藝附著在產(chǎn)品表面 , 代表性涂 料為羅門哈斯公司(2009 年被阿克蘇收購)的 復合型涂料 , 彈簧受到雙層防護 , 能有效地抵 御車輛在行駛過程中受飛石沖擊后鋼鐵表面 腐蝕液體的侵蝕 ,提高產(chǎn)品的使用壽命 。 1● 2 國外新鋼種開發(fā)實例 對于彈簧鋼高強度化及合金元素的作用 , 國內外學者都有研究 [3] , 而金屬材料的耐腐 蝕性能由材料成分 \ 化學性能 \ 組織形態(tài)等決 定 , 鋼中加入可形成保護膜 Cr \ Ni \ Al \ Ti合 金 \或改變電位極的 Cu 以及改善晶間腐蝕的
Ti,、Ni 等 合 金 , 可 以 提 高 金 屬 材 料 的 腐 蝕 性 能 [4] ,。 據(jù)資料顯示 , 目前有神戶 ,、大同 NHK 、愛 知-CHKK等 知 名 企 業(yè) 均 已 開 發(fā) 出 類 似 鋼 種 [5] ,甚至有些材料已經(jīng)投入市場 , 得到全面 推廣運用( 如神戶的 UHS 系列 ,適合于彈簧熱 卷 ,冷卷成型也已經(jīng)獲得突破) , 其化學成分 見表 1 ,。 1 . 2 . 1 神戶 UHS 及 KBFLEX系列 神戶 UHS 系列是以傳統(tǒng) Si-Cr 系作為成分 設計基礎 ,采用 Mo,、V微合金復合強化技術或 V微合金強化技術 。KBFLEX系列同樣是以傳 統(tǒng) Si- Cr 系作為成分設計基礎 ,采用 Ti,、V復合 或 Ti合金強化技術 ,。各鋼種的耐腐蝕性主要 采用 CU、Ni 復合 , 同時適當加入 Ti,、Cr等合金 配合 ,。其強度級別及防腐性能如圖 1 ~ 圖 3 所 示 。 由此可見 ,不論是 UHS 系列還是 KBFLEX 系列 ,在高應力前提下 ,均具有良好的腐蝕疲勞 特性,。
1 . 2 . 2 日本大同 NHK的 A,、B、C系列 日本大同開發(fā)的 A,、B鋼種是以傳統(tǒng) Si-Cr 系作為成分設計基礎 , 以 Nb,、V復合合微合金化 作為主要強化技術 ,A鋼種還復合加入硼元素;C 鋼種是以傳統(tǒng) Si- Mn-Cr 系作為成分設計基礎 , 以 V合合金化作為主要強化技術;3 種鋼的耐腐 蝕性主要采用 Cr、Ni 等合金配合 ,。對比 A鋼種 與傳統(tǒng)鋼種 SUP7(國內相近牌號為 60Si2MnA)2 種材料及相同彈簧制造工藝進行腐蝕疲勞性能
圖 1 各鋼種硬度與設計應力之間的關系
圖 2 各鋼種疲勞壽命與設計應力之間的關系 見表2 ,結果表明 A鋼種強韌性和腐蝕疲勞性能 優(yōu)于傳統(tǒng) SUP7 材料,。 1 . 2 . 3 愛知-CHKK公司 N 系列 以傳統(tǒng) Si- Mn 系作為成分設計基礎 , 以 V 合金化作為主要強化技術 ,其耐腐蝕性主要采用 Ni等合金配合 。對比 SAE9254 材料 ,采用相同 工藝制成試樣 ,然后同時對試樣進行噴鹽腐蝕 , 表 1 國外 1 200 Mpa ~ 級 ,、1 300 Mpa 級高應力耐腐蝕鋼主要成分設計及要求
圖 3 KBFLEX系列產(chǎn)品腐蝕疲勞性能 與傳統(tǒng)鋼種對比 接著進行彎曲疲勞試驗 ,結果新材料的疲勞極限 提高約22% ,腐蝕坑深度較sAE9254 淺 ,這顯然 是 Ni元素發(fā)揮了極大作用(阻礙 cl對金屬的腐 蝕) ,。 1 . 2 . 4 韓國浦項 sii-crNii-V系列 韓國浦項的高應力耐腐蝕彈簧鋼 sii-crNii- V沿用傳統(tǒng)高碳思路 , 以 sii- Mni-cr系作為成分 設計基礎 ,采用 V,、Ni 復合微合金化作為主要強 化技術。 新材料均采用了不同的成分基礎和合金化 技術 ,以獲得很好的強度性能及耐腐蝕性能 , 同 時兼顧經(jīng)濟效益 ,結合彈簧實際使用要求以及工 藝設備能力等綜合因素 ,最終決定適合不同的材 料強化路線與耐腐蝕性工藝,。 2 對我國新鋼種研發(fā)建議 2● 1 國內技術開發(fā)思路 我國汽車工業(yè)發(fā)展相對滯后于歐美和 日韓 等發(fā)達國家 ,尤其是煉鋼技術和新鋼種的開發(fā)方
面 ,。在激烈的市場競爭下 ,不少主機廠逐漸尋求 在國內采購盤條 ,用于懸架簧的生產(chǎn) 。 目前寶鋼 的 cr-si 系列材料正日益成為新寵 ,逐漸替代進 口盤條 ,從而降低零部件的成本壓力 ,。但其材料 以 55 crsi 和 55 crsiV等 ,其彈簧應力在 1 100 Mpa左右較低的水平 , 已不適合懸架彈簧 1 200 Mpa 以上級別的高應力耐腐蝕要求,。 考慮到雙涂層的工藝復雜性及成本因素等 綜合考慮 ,筆者更傾向于選擇第一種方式 ,提高 自身防腐能力 ,作為今后高應力(尤其是 1 200 ~ 1 300 Mpa級別) 耐腐蝕懸架簧的研發(fā)方向 , 同 時 ,考慮到我國汽車零部件產(chǎn)品價格競爭相當激 烈 ,所以 ,必須著重考慮產(chǎn)品的成本可行性 。這 種新型材料 ,主要是在鋼中加入適量的微量合金 化元素 ,以第二相粒子強化基體 , 同時適當降低 c,合理控制 Ni含量 , 以達到延遲與控制腐蝕產(chǎn) 生的目的,。 所以 ,在當前未開發(fā)出國產(chǎn)新鋼種之前 , 國 內彈簧廠可借鑒歐美的一些成功經(jīng)驗 ,結合我國 實際工藝設備條件及技術條件 ,對高應力懸架彈 簧腐蝕性能先采用相對成熟的熱態(tài)復合涂層工 藝 ,然后與鋼廠同步研發(fā) ,開發(fā)出適合不同產(chǎn)品 需求的高強度耐腐蝕材料,。 2●2 新鋼種成分設計與討論 新鋼種的研發(fā)必須要綜合經(jīng)濟效益、實用性 及工藝設備可行性各種因素 ,不能盲目追求高強 化和耐腐蝕性而忽視材料韌性及綜合效益 ,。筆 者提出一種介于 UHs 等不同系列之外的新配方 見表 3,。 表 2 大同-NHKA公司 A鋼種與傳統(tǒng)鋼種 SUP7 性能對比情況
方案 1 是以神戶制鋼的 UHs1 900 為藍本 , 以 si-Cr系為成分基礎 ,低 C設計 ,有選擇地添加 了 V,、Cu、Ni,、Re等合金,。 方案2 是以大同公司的 A鋼種為藍本 , 同樣 以 si-Cr系為成分基礎 , 中 C設計 ,有選擇地添加 了 Nb、V,、Ni,、B、Re等合金,。 方案 3 是以浦項公司的 si-CrNi-V為藍本 , 以 si-Cr-Mn 系為成分基礎 ,傳統(tǒng)高碳設計 ,有選 擇地添加了 V,、N、Cu,、Ni,、Re等合金。 由于我國稀土資源豐富 ,3 種方案均考慮加 入微量稀土元素 ,可改善鋼的各項性能 ,。 由于稀 土能凈化晶界 ,減少有害元素的危害性 ,。同時稀 土元素與 Ni元素一樣可以改善鋼的淬透性和韌 性 ,考慮經(jīng)濟性 ,可加入適當含量的稀土 。雖然 Cu 對提高材料的腐蝕性能有較大的效果 ,但 Cu 是低熔點元素 ,在冶煉與軋制工藝控制要求非常 嚴格 ,控制不好容易產(chǎn)生材料表面缺陷 ,。適當含 量的 Ni 可以穩(wěn)定奧氏體 ,增強鋼的淬透性和韌 性 , 同時可以與 Cu 結合 ,在一定程度上消除或減 緩鋼的 Cu 脆現(xiàn)象 ,此外 , 鉬可以提高鋼的淬透 性 ,防止回火脆性 ,改善鋼的抗彈減性和疲勞性 能 ,但因其合金成本較高 ,推廣應用在一定程度 上受到制約 ,。一定含量的 Ti與 C化合形成細小 的碳化物強化材料 ,但 Ti是活性元素 ,冶煉回收 率較低 ,對冶煉和熱軋工藝要求較高 , 同時過多
的 Ti容易形成不可變形的夾雜物 , 易導致彈簧 疲勞失效 ,在應用時需要綜合考慮。 綜合上述討論 ,針對表 4 成分設計 ,考慮可 實現(xiàn)性與成本可接受性 ,對成分進行適當調整 , 實現(xiàn)市場認同 ,性價比較高,、可操作性較強的高 應力耐腐蝕彈簧鋼,。 3 結語 更高強度的高應力耐腐蝕彈簧鋼是轎車懸 架彈簧輕量化設計技術發(fā)展的必然趨勢 。 國外 在這方面的研究起步較早 ,并已研發(fā)出相應的新 鋼種 ,部分已成功投入市場 ,而國內受制于技術 落后 ,開發(fā)更高強度的高應力耐腐蝕彈簧鋼正日 益成為彈簧等轎車零部件廠家迫切需要解決的 難題 ,。希望國內鋼廠能研究開發(fā)出新型材料 ,打 破外資企業(yè)零部件產(chǎn)品原材料方面的技術壁壘 , 取代進 口 , 快速推動民族汽車工業(yè)的國產(chǎn)化 進程,。 參 考 文 獻 [1] 王仁智 , 姜傳海. 圓柱螺旋彈簧的正斷/切斷型疲 勞斷裂模式與提高其疲勞斷裂抗力的途徑[J]. 中 國表面工程 ,2010(6) :7-14 . [2] 王仁智 ,楊偉明. 螺旋彈簧快速疲勞試驗加載優(yōu)化 方法[J]. 金屬制品 ,2013(1) :23-29 . [3] 徐德祥 ,尹鍾大. 彈簧鋼高強度化及合金元素的作 用[J]. 金屬熱處理 , 2003 ,28(12) :30-36 . [4] 于福洲. 金屬材料的耐腐蝕性[M] . 北京:科學出 版社 ,1982. [5] Tomohiro , TakaYuki sakakibara , Masami wakita , et al. 腐蝕疲勞改進的高強度螺旋懸架彈簧//中國科 學技術協(xié)會. 2004 年中國 國 際線材研討會論文 集. 北京:中國科學技術協(xié)會 ,2004:265-275 .
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