38SiMnVB在少片变截面弹簧上的应用与研究

38SiMnVB在少片变截面弹簧上的应用与研究
【摘要】对新型高强度弹簧钢38SiMnVB在NJ1020和NJ6400车型上横置少片变截面板簧上的应用进行了研究，介绍了该板簧的工艺、台架疲劳试验和3万公里可靠性试验。测量了所制板簧的弹性松弛稳定性，从而得出这类弹簧钢具有广阔应用前景，所制板簧具有较大经济效益。
Topic words：High strength steel，Leaf spring,Application 
主题词：高强度钢  板簧  应用

1 引言
我国低碳弹簧钢的开发应用经历了28SiMnB→30SiMnB→35SiMnB→35SiMnVB→38SiMnVB的发展过程。35SiMnVB早在北京汽车有限公司用于制造BJ2032Qc轻型载货车的少片变截面板簧。目前郑州海纽弹簧钢开发公司开发了新型高强度弹簧钢38SiMnVB已在轿车螺悬簧（重庆奥拓轿车）上取得了达到国际先进水平的力学性能和台架疲劳寿命试验效果，但目前国内还没有在汽车板簧上应用这种新钢种。
南京汽车研究所采用新型高强度弹簧钢开展了在NJ1020和NJ6400车型横置少片变截面板簧上的应用研究。具体方案是使用该钢对NJ1020小型客货车和NJ6400小型乘用车的原方案横置少片变截面钢板弹簧进行试制，对新型高强度弹簧钢进行一系列的分析、研究及试验验证工作。
2  38SiMnVB在少片变截面板簧上的应用试验
2.1 成份、性能、处理及制簧工艺
新型高强度弹簧钢的成分（质量分数）为：碳0.34%~0.43%，硅0.80%~1.40%，锰1.10%~1.60%，磷<0.025%，硫<0.015%，钒0.08%~0.14%，硼0.0005%~0.035%，余量为铁。
为使新钢种达到设计要求和一系列严格的技术要求，保证钢的高质量，本钢种在普通电炉一般工艺冶炼之后，又在炉外钢包加热、抽真空、吹氩及喂丝条件下进行合金化、成份微调、脱气、除非金属夹杂物的精练处理工艺。
这种新型弹簧钢强度高，韧性好，有良好的抗疲劳性能和抗松弛性能。该钢种淬透性强，工艺性能好，易生产，成本低，可有效地解决轿车悬架螺旋弹簧用材料问题，也可用于汽车变截面板簧和其它重要弹簧。
由于新钢种含碳量少，合金元素少，因而轧制、拉拔、热处理及绕簧工艺性能好。与该钢种配套使用的制簧工艺先进，采用先热处理成高强度钢丝然后再绕簧，生产效率高，不存在绕簧后热处理变形，各件性能均匀一致（至少每盘绕的簧性能是一致的，每盘质量为几百千克甚至1t以上），质量好，成本低。
2.2 性能及台架垂直弯曲疲劳试验
试验表明，该簧的性能符合设计技术要求，台架垂直弯曲疲劳试验寿命达到《NJ1020系列汽车钢板及底盘横置钢板弹簧总成技术条件》的10万次疲劳寿命的设计技术要求指标，且弹簧试验前、后的刚度变化量小于设计值的5%，然后又加大试验振幅进行试验，试验结果详见表1及表2，图1是汽车横置钢板弹簧总成性能曲线图。

表1    NJ6400汽车横置钢板弹簧疲劳试验参数
参 数 进  口 厂家1 新 钢 种
1#簧 1#簧 1#簧 1#簧 2#簧 3#簧 1#簧 2#簧 3#簧
片数×厚/mm 2  ╳  6.4
（原方案二片） 2  ╳  7
（现方案二片） 2  ╳  6.4
（原方案二片）
刚度N/mm 21.1 21.8 21.4 25.5 27.5 26.6 25.3 25.28
24.77
振幅(mm) ±58.0 ±58.0 ±58.0
预加变形 (mm) 58.0 52.0 55.0 40.0 28.0 33.0 35.0 35.5
36.0
疲劳寿命（万次） 5.16 4.15 4.76 3.39 4.76 7.38 >10 >10
>10
断片位置
(mm) 距中心350
第2片 距中心358
第2片 距中心315
第1片 距中心312第1、2片 距中心310
第2片 距中心260
第1片 距中心
332
第2片 距中心
328
第2片 距中心
334
第2片
超载振幅mm ±69
超载予加变形 (mm) 35
超载寿命(万次) 3.0 6.3 5.4
合计寿命（万次） 13.0 16.3 15.4
硬度(HRC) 48~45 49~50 49~50 41~42 43 41 51~52 51~52
50~51
脱碳层深 mm 0.16 0.17 0.15 0.4 0.3 0.05 0.12 0.10
材料 50CrV 新钢种
喷丸残余力MPa 550 750 890

表2          NJ1020汽车横置钢板弹簧疲劳试验参数
参 数 厂家1 厂家2 厂家1 新 钢 种
1#簧 2#簧 1#簧 2#簧 1#簧 2#簧 1#簧 2#簧 3#簧
片数×厚mm 2╳8
（原方案二片） 1╳8 + 2╳7
（现方案三片） 2╳8
（原方案二片）
刚度(N/m m) 49 47.5 54.7 56.5 55.6 59.5 48.6 49.5 50.3
振幅(mm) ±58 ±46 ±53.5 ±58
予加变形 (mm) 13.5 6.9 17.2 17.5 13 21.1 19.8 13.4
应力幅（MPa） 475.0 483.5 517
最大应力（MPa） 1106 1100 1210
疲劳寿命（万次） 3.4 2.3 4.3 3.7 5.74 5.69 >10 >10 >10
断片位置
(mm) 距中心348
第2片 距中心303
第2片 距中心10
第2片 距中心10第1、2片 距中心45
第1片 距中心245
第1片 距中心
330
第2片 距中心
314
第2片 距中心
326
第2片
超载振幅mm ±70
超载予加变形 (mm) 30
超载寿命(万次) 4.5 3.14 6.2
合计寿命（万次） 14.5 13.14 16.2
硬度(HRC) 41~42 42 46~47 47~48 45~46 43~45 50~51 51~52
50~52
脱碳层深 mm 0.35 0.3 0.10 0.12 0．05 0．03 0.05 0.07
0.1
材料 60Si2Mn 50CrV 新钢种
喷丸残余力MPa 660 750 890

图1  汽车横置钢板弹簧总成性能曲线图
　
2.3 道路试验
新型高强度弹簧钢研制的NJ1020汽车横置少片变截面钢板弹簧的道路试验在海南汽车试验场完成，该车的载荷增加了1000N，3万公里未发生断簧。道路试验前、后的刚度下降量小于设计值的5%。
2.4 台架应力测量和道路应力测量
台架应力测量在南京汽车研究所完成，测出的台架垂直疲劳试验的最大应力为1200Mpa,NJ1020
台架疲劳试验最大应力见图2。道路应力测量在海南汽车试验场完成，采集道路试验场可靠性路面的应力谱，试验结果证明NJ1020汽车横置少片变截面钢板弹簧的道路最大应力为1200Mpa,与台架垂直弯曲疲劳试验相当，说明新钢种NJ1020汽车横置少片变截面钢板弹簧在最大应力为1200Mpa条件下进行台架垂直弯曲疲劳试验是合理的。NJ1020汽车横置少片变截面钢板弹簧结构及应力贴片店示意图见图3。
                      图2 NJ1020台架疲劳试验最大应力
3  新型高强度弹簧钢的材料分析
我们对新型高强度弹簧钢做了材料的化学分析，拉力试棒的强度、金相分析、电镜分析，并在西安交通大学进行了喷丸残余应力测定。
3.1 化学成分分析
化学成分分析表明，该高强度弹簧钢是中碳合金弹簧钢。长期以来，国内外使用的传统弹簧钢主要是高碳钢这些弹簧钢在性能和使用上有很多优点，但是由于含碳量比较高，因而也存在许多缺点和不足。其中主要是塑性和韧性差。所以综合力学性能不够理想且使用寿命短，另外制造工艺性能也不够好，容易脱碳，变形抗力大，加工性能差，特别是冷成型困难等，这些问题都给弹簧的制造和使用带来麻烦。
我们测试的这种符合我国资源优势的新型高强度中碳合金弹簧钢与国外新型高强度弹簧钢向中碳发展是一致的。
3.2 基本力学性能测试
基本力学性能测试表明，该新型高强度弹簧钢在抗拉强度σb达到1900Mpa时，断面收缩率ψ和延伸率δ分别达到50%和10%，这次焦作华丰汽车弹簧厂采用新型高强度弹簧钢研制的2片板簧的材料抗拉强度σb为1800Mpa，断面收缩率ψ达到50%水平，这样高的强度和塑性结合是能承受试验弯曲应力1100Mpa,并具备达到1300Mpa的超负荷能力的基础，两者是有对应关系的。这样高的抗拉强度，使得它有比实际使用应力1100Mpa高得多的屈服极限及弹性极限，因而其抗弹性松弛性能很好也是必然的结果。不同的弹簧钢的抗弹性松弛性能是在同一试验应力水平下测试的，传统弹簧钢的强度极限、屈服极限及弹性极限比新型高强度弹簧钢低的多，所以在同应力水平上应用新型高强度弹簧钢是可靠的，各种试验也证明了这一点。
3.3 显微电镜测试
显微电镜测试表明，用该新型高强度弹簧钢制造的板簧的金相组织为板条状马氏体，伴有很少量的片状（或针状）马氏体，板簧台架试验后的断片分析为韧性断列裂。对喷丸强化后的金相组织变形流线分析表明，在显微镜下可观测到较明显的弹坑和表层的形变流线，该新型高强度弹簧钢有良好的强韧性。从西安交通大学的弹簧钢的喷丸测定报告中可知：该新型高强度弹簧钢的喷丸残余应力（890Mpa）明显高于进口簧（520Mpa）及国产60Si2Mn、50CrVA簧（600-750Mpa），所以能有效地提高板簧的弯曲疲劳性能。喷丸残余应力如图4所示。
4  效益分析
 新型高强度弹簧钢制品的质量比较见表3 。
表3 新型高强度弹簧钢制品与常规弹簧钢制品的质量比
 项 目 进口 厂家1 新钢种 厂家1 新钢种
NJ6400用板簧 NJ1020用板簧
材   料 50CrVA 新钢种 50CrV 新钢种
片数×厚/mm 2×6.4 2×7 2×6.4 1×8+
2×7 2×8
单架质量/Kg 7.9 8.7 8.1 13.4 9.8
减轻质量/Kg
（比列%） 0.6
（7） 3.6
（27）
新型高强度弹簧钢具有较高的强度和塑性，强塑性配合较好，适用于设计应力较高的少片弹簧，在提高舒适性的同时还可以大大节省钢材，提高汽车的行驶经济性，从表3可知，2种车型的新钢种板簧的质量均比国产簧轻，可使汽车的自身质量降低，油耗降低，降低汽车的使用成本。
目前板簧要求抗拉强度σb=1800MPa水平的是少量的，只要达到抗拉强度σb=1500-1650MPa水平，对多数传统板簧就是一个突破，而σb≥1800MPa精炼的新型高强度弹簧钢价格比国内外同等性能水平的弹簧钢价格要低的多。σb=1500-1650Mpa的用另外一种新型高强度弹簧钢价格与国产60Si2Mn相当，在大批量应用后还会稍低。现在的新型高强度弹簧钢制板簧的价格与现有国产簧价相当。
新型高强度弹簧钢具有良好的冷加工性，新材料轧制抗力低，成材率高。可以提高劳动生产率，提高材料利用率，提高轧机的使用寿命，降低辅助原料消耗，节省能源，从而带来较大的经济效益。
　5  总结
以上分析表明，新型高强度弹簧钢在NJ1020和NJ6400车型横置少片变截面高应力板簧上的应用技术研究是成功的，该簧最大使用应力远远高于国家标准要求，并且影响板簧疲劳寿命的喷丸强度这一指标高达到890Mpa。其样簧的试生产成功对国內板簧行业有较大的触动，该新材料、新工艺和新技术可以较可靠地应用于汽车少片板簧，在不增加汽车成本的基础上满足车辆的舒适性、可靠性，并且具有很大的超载能力。