汽车工业
汽车用油调质弹簧钢丝的发展现状
汽车行业是弹簧钢的最大用户，消耗了约60% % 的弹簧钢产量。油淬回火弹簧钢丝，这是目前汽车上气门弹簧和悬架弹簧的理想材料，也受到越来越多的关注。本文从化学成分、冶金质量、截面形状、表面质量和热处理工艺等方面论述了汽车用油调质弹簧钢丝的最新研究进展和发展。
一、油调质弹簧钢丝的使用、性能要求及生产工艺
1.1汽车油调质弹簧钢丝用途汽车悬架弹簧: 悬架弹簧是将冷拔钢丝修补或剥皮后再调质弹簧钢丝。悬架弹簧在实际使用中要经常承受高应力冲击载荷，因此要求具有良好的抗疲劳性、抗冲击性和抗弹性减缩性。
发动机气门弹簧: 气门弹簧属于内燃机中的关键零件，其作用是控制发动机进气和排气。由于其在高速、高应力和高温下使用，因此其承载能力和弹性减等指标对于汽车的安全性和发动机的寿命都至关重要。
汽车油淬回火弹簧钢丝1.2要求
汽车气门弹簧和悬架弹簧的发展趋势是提高使用应力，减轻其重量，减小尺寸和提高疲劳寿命。对弹簧钢丝的要求是: ① 改善钢的化学成分，提高钢丝的疲劳强度、淬透性、抗回火性能和对高温环境的适应性; ② 提高钢的洁净度，改变夹杂物的种类，限制夹杂物的数量和弹簧的尺寸，以克服弹簧的早期失效; ③ 为提高疲劳寿命，国产弹簧的一般疲劳要求是 (2.3 ~ 5.0) × 107倍，而国外优秀公司的产品一般已达到5.5 ~ 5.0倍，弹簧钢丝的疲劳寿命，弹簧钢丝的疲劳要求是 (2.3 ~ 5.0) × 107倍，而国外公司一般已达到5.5 ~ 10倍。优秀企业产品已普遍达到5 × 108次; ④ 细化晶粒，提高屈服强度和韧性，以改善弹簧的弹簧性能; ⑤ 改变横截面形状，以获得理想的应力分布加载的弹簧; ⑥ 消除表面划痕和裂纹，减少脱碳层，以延长在高应力条件下的使用寿命。
1.3油调质弹簧钢丝生产工艺
1.3.1悬挂弹簧油淬回火钢丝生产工艺原材料 → 表面处理 → 拉拔定径; 钢丝规格 → 加热 → 油淬 → 回火处理 → 探伤 → 涂油 → 收卷 → 检验 → 包装 → 入库。
1.3.2气门弹簧油调质钢丝生产工艺
① 待剥线钢丝的生产工艺为: 原材料 → 剥线 → 中间退火 → 表面处理 → 拉丝; 钢丝规格 → 油淬 → 回火 → 探伤 → 上油 → 卷取 → 检验 → 包装 → 入库。
② 不剥皮钢丝的生产工艺按1.3.1执行。
二、油调质弹簧钢丝性能的研究现状
2.1油淬火回火弹簧钢丝的化学成分和性能经历了三个阶段: Si。Mn系统 → Cr。V系统 → cr-si系统。目前主要以cr-v系、cr-si系为主。
随着汽车工业的发展，对弹簧的疲劳强度和弹簧的减性能要求也越来越高，从表一不难看出，作为弹簧提高强度的元素C，其含量的总体趋势是逐渐增加。合金元素从Si和Mn逐渐转变为Cr，V和Cr，Si，其主要原因是增加了疲劳强度，耐腐蚀性和耐弹簧性。2.1.1化学成分对弹簧疲劳性能的影响
弹簧是在交变载荷下工作的零件，其损伤主要表现为疲劳断裂。因此，弹簧的疲劳强度尤为重要。很多学者在这方面展开了年夜量的研讨，并获得了一些结果。
为了提高CrSi钢的强度，在Si含量增加到2.15% % 时，又加入 ω (Ni) = 2.0%，ω (V) = 0.2%，使疲劳强度提高到1300MPa，在570 ~ 1280MPa应力疲劳寿命达500,000次以上。同时耐松弛性能也得到了提高，优于sae9254。Garphyttan公司推出了强度更高的OTEVAN90，抗拉强度为2100MPa，是由于该材料在si-cr钢的基础上加入了Ni，使材料韧性显著提高。
HiromuIzumida等在研究奥氏体晶粒尺寸对高Si油淬火回火钢丝疲劳强度的影响时发现: 与常规高强度合金油淬火回火钢丝相比，高Si油淬火回火钢丝的疲劳强度更高。奥氏体细化的主要原因是马氏体晶粒尺寸较小。线材的疲劳强度增加。因此，通过控制碳化物析出细化可以获得具有更高疲劳极限和更好韧性的线材。在SAE9260中添加V和Nb产生了沉淀强化，有效地阻止了奥氏体晶粒的长大，从而提高了拉伸屈服强度和扭转屈服强度，与SAE9260相比，使用应力提高了98 MPa。此外，Ti的添加在钢中产生微米级以下的TiC析出物。它可以吸收可扩散的氢，使其不扩散，从而降低氢脆的影响。腐蚀疲劳试验结果表明: 在S、。= 1200MPa条件下，UHSl900钢的疲劳寿命超过500,000倍，与SAE9260疲劳寿命 (S。，= 1000MPa) 相当。渗氮和喷丸处理也是提高钢丝强度的重要途径，通过应力喷丸弹簧钢丝在 '90% 疲劳寿命可靠性' 这一指标上比常规喷丸处理最多可提高6.5倍，而表面渗氮不仅提高了弹簧的表面硬度 (HV>900)，提高了弹簧的耐磨性。更重要的是，它可以引入更高的残余应力场。这提高了弹簧的抗疲劳性。万杰奎等。SWOSC-V，OTEVA a 75SC弹簧450 ℃ 氮碳共渗。使弹簧的疲劳性能得到了改善。此外，swohs-v高温氮化和喷丸处理。其疲劳性能与仅氮化处理的swosc-vts相比25% 提高。
2.1.2化学成分对弹簧弹性减弹性的影响
除了疲劳强度。弹性减弹性也是弹簧的重要性能参数之一。可以通过增加弹簧坯料的强度和通过增加钢的抗回火性来实现抗弹簧性的改进。
KawakamiH等发现Si、Cr和V的质量分数分别为1.5% 、0.5% 和0.2% 的Si.Cr-v钢具有良好的抗弹性。另外，通过在钢中0.025% N中添加0.01%，能够形成微细的AIN晶粒，提高耐弹簧松弛特性。含V钢由于V在450 ℃ 以上回火会发生二次析出硬化。提高了耐回火性，使弹簧的耐弹簧性降低了。
2.2冶金质量和性能
非金属夹杂物的数量和粒径是影响交变应力下弹簧性能的最重要因素之一。近年来。在炼钢中广泛采用二次冶金等工艺生产弹簧钢，使钢中氧的质量分数小于15x10-6，降低了疲劳性能中的非金属夹杂物含量，改变了夹杂物形态和粒度，提高弹簧的疲劳极限。通常采用的冶炼工艺有电炉精炼和转炉或转炉精炼。电炉精炼炉能提高钢的纯净度，在电炉冶炼的基础上加炉精炼炉工艺。OT精炼的目的是减少钢中夹杂物的数量，降低夹杂物的水平，微调钢的成分 (C、Mn、Si、Cr等)，去除钢中有害元素 (如S、P、等)。转炉和转炉炉精炼可以减少废料带来的杂质和杂质元素，提高弹簧钢原料的纯度，再加上炉精炼措施，可以生产出高质量的弹簧钢。两者比较，前者可控制含氧量为21 rng/m3，但含氮量即使经过真空处理也达到75 ~ 150mg/m3，同时杂质元素含量较高; 利用转炉冶炼，由于采用高炉炼铁时加入的废钢量小，钢水的纯净度提高，氮含量可控制在38mg/m3以下。目前，我国从日本和德国进口的原料都用于转炉冶炼。超纯弹簧钢生产是根据汽车发动机气门弹簧的需要而发展起来的一种冶炼技术。弹簧钢超纯冶炼后夹杂物的最大尺寸 (或厚度) 小于15 μ m，且呈弥散分布。这样，夹杂物对弹簧疲劳寿命的影响就最大限度地降低了，达到了对钢线夹杂物无害，使钢的性能得到了提高。
2.3表面质量和性能
在钢丝中，表面缺陷严重影响钢丝的质量，降低钢丝的疲劳寿命。这些缺陷主要包括划痕、裂纹、褶皱和凹坑。它们的存在会引起应力集中，使表面实际应力增大而形成疲劳破坏的初始点。因此，必须消除表面缺陷，以延长在高应力条件下的使用寿命。为了提高弹簧的表面质量，人们采取了多种措施，如钢坯磨削、低温轧制 (以减少脱碳) 、轧后控冷等；剥皮或打磨的卷材可去除裂纹和脱碳层，得到光滑的表面；无损探伤检测对规定缺陷深度以上的因拉深缺陷或装卸运输造成的划痕缺陷要进行识别和标记，以便在卷成弹簧时可以方便地挑出；有的弹簧还进行电解抛光，以进一步提高弹簧的表面质量。
2.4导线截面形状和特性
除了热处理、弹簧制造工艺等方面的考虑外，弹簧钢丝截面形状的研究已经进行了多年。圆形截面的钢丝制成的压缩螺旋弹簧内圈径向承受最大的剪切应力，沿圆周的圆周迅速减小，导致应力分布非常不好。因此，圆形横截面不是理想的横截面，并且不允许材料充分发挥其潜力。椭圆截面也没有引起更多的兴趣，然后提出了半圆形和半椭圆截面并进行了改进，现在这种截面的钢丝已较好地应用于气门弹簧。这种横截面避免了在内圈的最大应力峰值，应力分布曲线趋于平坦，但周围的应力仍有差异。卵形横截面的另一个优点是，它的高度小于圆形横截面，因此增加了主动线圈的数量，并使弹簧在相同应力下比具有圆形横截面的弹簧更具柔性。短轴和长轴以及向内或向外的椭圆形边缘的不同组合可以在应力或偏转方面提供不同的益处。因此，必须继续寻找最佳横截面。国内对椭圆形截面钢丝制成的气门弹簧的需求也在逐年增加。
2.5油调质设备、生产工艺及性能
油淬火和回火是生产油淬火和回火弹簧钢丝的最重要工艺，它决定了弹簧钢丝的最终组织和性能。近年来，油淬火和回火设备和生产技术经历了以下几个阶段。
2.5.1加热技术生产弹簧钢丝时，选择合理的加热技术是获得良好回火弯曲组织的基本保证。目前主要采用的加热技术有管式炉加热技术和感应加热技术。
(1) 管式炉加热技术: 管式炉加热的好处是过程稳定且易于控制，能耗小，对原料原有的组织适应性强，但占地面积大。目前管式炉加热采用的是日本Sugita的悬挂弹簧钢丝和瑞典的气门弹簧钢丝加飞腾。
(2) 感应加热技术: 感应加热生产的弹簧钢丝具有设备集成化程度高、占地面积少、加热速度快等优点，但其应用频率、进给速度、淬火加热温度、保温、淬火介质、回火温度、回火保温，回火后冷却介质的选择极为重要。目前，在感应加热技术研究方面也取得了一定的成果。李树亮等对感应加热温度控制的两种方式和系统组成进行了研究。通过建立合理的数学模型和闭环控制后发现，该温度控制系统可以节省原材料，热量均匀，降低劳动强度。李贵改等通过对感应加热设备的改造，达到细化晶粒，改善组织，降低应力，提高产品性能，降低能耗，大大提高产品的力学性能。另外，经由过程对感应加热装备电源频率的研讨。小金等人设计了功率因数高; 调节功率范数大; 开关损耗低; 输出效率高; 电源结构简单: 抗干扰能力强的感应加热电源。
除上述两种加热技术外，还有一些加热技术也用于生产油淬火和回火弹簧钢丝。采用电联系我们快速加热技术。但钢丝经热处理后获得超细晶粒，并使回火弯曲组织微细化。苏德达等人抢救发现，采用电联系我们快速加热、分级油淬和回火连续处理的4Cr13钢丝应选用1070 ~ 1200 ℃ 油淬。并用自制的电联系我们快速加热连续式油淬回火设备试制了4Cr13油淬钢丝，其使用效果良好。电子束或激光加热技术。它具有加热速度极快、相变温度高、奥氏体化时间极短、淬火冷却时间极快等特点。刘莉等通过对激光加热表面淬火的研究，发现经激光加热淬火后的钢的耐磨性明显高于未经激光处理的钢，处理后的钢表面晶粒明显细化。
2.5.2回火方法
目前，在弹簧钢丝生产过程中，铅浴回火是较常用的回火方法之一。此外，也有流体颗粒炉回火。
铅浴回火虽然成本较低，易于实现生产，但其污染较为严重。流化颗粒炉是一种高效，节能，无污染，灵活的热处理炉。其应用和发展越来越受到重视。
三.结论
本文主要从化学成分、冶金质量、截面形状、表面质量和热处理工艺等方面概述了汽车用油淬火回火弹簧钢丝的发展现状。综上所述，弹簧钢丝的开发和生产从原材料出发，首先是控制钢的化学成分，开发新的钢种，以适应日益增长的高性能弹簧钢丝质量的需求。其次，提高钢的纯净度，保证钢的淬透性均匀。第三，提高表面质量和尺寸，探索新的截面形状，以确保弹簧的性能和使用寿命，最后，开发和使用先进的钢丝油淬火-回火设备和工艺，以适应高性能弹簧生产的发展要求。
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