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国内弹簧材料的发展状态

来源:弹簧厂      发布时间:13-07-02 02:22    次浏览   大小:  16px  14px  12px

   随着弹簧应用技术的发展,对弹簧材料提出了更高的要求。主要是在高应力下的提高疲劳寿命和抗松弛性能方面;其次是根据不同的用途,要求具有耐蚀性、非磁性、导电性、耐磨性、耐热性等方面。为此,弹簧材料除开发了新品种外,另从严格控制化学成分,降低非金属夹杂,提高表面质量和尺寸精度等方面取得了有益的成效。
 
  (1)弹簧钢生产工艺的发展 为了提高弹簧钢的质量,工业发达国家已普通采用炉外精炼技术、连铸工艺、新型轧制和在线自动检测及控制设备等。
 
  为了保证钢的化学成分,降低气体和各种非金属加夹物的含量,采用大容量电炉或转炉熔炼,采用炉外钢包精炼,使氧含量(质量分数)降至(0.0021—0.0010)%,生产出超纯净钢,从而大大提高了弹簧的设计和工作应力。
 
  连铸生产工艺在弹簧钢生产中已被广泛采用。连铸可通过电磁搅拌、低温铸造等技术减小钢的偏析,减小二次氧化,改善表面脱碳,使组织和性能稳定、均匀。
采用分列式全连续轧机,可提高尺寸精度,表面质量,同时也可使钢材沿长度显微组织均匀。在轧制过程中为了保证产品的表面质量采用在线自动检测和控制。为了适应变截面弹簧扁钢生产而开发了奥氏体轧制成形新工艺,即先将钢加热到奥氏体区再急冷至亚稳奥氏体区进行塑性加工并淬火处理。这种工艺可使钢在不降低塑性的同时提高强度。此外还有通过轧后在线热处理和表面硬化处理来提高弹簧钢的性能等。
 
  (2)合金钢的发展 合金元素的主要作用是提高力学性能,改善工艺性能及赋予某种
特殊性能。气门弹簧和悬架弹簧已广泛应用SiCr钢。Si是抗应力松弛最好的合金元素,在SiCr钢中添加V、Mo形成SiCrV和SiCrMo钢,可以提高疲劳寿命和抗松弛性能。同时SiCr拉拔钢丝,其在高温下工作时的抗松弛性能,比琴钢丝和重要用途碳素弹簧钢丝要好。随着发动机高速小型化,抗颤振性能好、质量轻、弹性模量小的Ti合金得到了较为广泛的应用,其强度度达2000MPa。
 
  (3)低碳奥氏体钢的发展 低碳奥氏体钢38SiMnB是我国自主研发的一种新型的高性能弹簧钢,在此基础上开发的38SiMnVBE更具优越性,具有高强韧性、高淬透性、高应用性和高性能比。在进行超细晶粒控制轧制后,其抗拉强度σb(2030—2140)MPa,屈服强度σ0.2(900—2010)MPa,伸长率δ5(12~15)%,面缩率ψ(48—55)%。为少片变截面板弹簧提供了高性能的材料。
 
  (4)不锈钢的发展 我国是生产不锈钢的大国,随着不锈钢的生产发展, 自然也开发厂不少品种, 目前已达50多种,基本满足了国内生产发展的需要,对当前开发的一些新品种作简要说明。
 
  1)奥氏体不锈钢体系的初步形成。为了消除碳元素造成的不锈钢晶界腐蚀疲劳,开发出低碳奥氏体不锈钢0Crl8Ni9和00Crl7Ni2Mo2。为了提高其特殊性能可加Cu、Ti、Nb、Mn、Cr、Si和N等元素。
 
  2)含氮不锈钢的发展。在不锈钢中以氮代碳取得了成果。在奥氏体不锈钢中N和C有许多共同特性。N稳定奥氏体的作用比Ni大,与C相当。N与Mn结合能取代比较贵的Ni。在奥氏体中N也是最有效的固溶强化元素之一。N与Cr的亲和力要比C与Cr的亲和力小,奥氏体钢很少见到Cr2N的析出。因此N能在不降低耐蚀性能的基础上,提高不锈钢强度。
 
  3)超强铁素体不锈钢的发展。铁素体不锈钢具有良好的耐蚀性能和抗氧化性能,其抗应力腐蚀性能优于奥氏体不锈钢。价格比奥氏体不锈钢便宜。但存在可焊性差、脆性倾向比较大的缺点,生产和使用受到限制。·通过降低钢中的碳和氮的含量,添加Ti、Nb,Zr、Ta等稳定化元素,添加Cu、Al、V等焊缝金属韧化元素三种途径,可以改善铁素体钢的可焊性和脆性。
 
  4)超级奥氏体钢的发展。超级奥氏体钢指Cr、Mo、N含量显著高于常规不锈钢的奥氏体钢。其中比较著名的是含6%Mo的钢(245SMo)。这类钢具有非常好的耐局部腐蚀性能,在海水、充气、存在缝隙、低速冲刷条件下,有良好的抗点蚀性能(PI≥40)和较好的应力腐蚀性能,是Ni基合金和钛合金的代用材料。
 
  5)超马氏体不锈钢的发展。传统的马氏体不锈钢2Crl3、3Crl3、4Crl3和1Crl7Ni2缺乏足够的延展性,在冷顶锻变形过程中对应力十分敏感,冷加工成形比较困难。加之钢的可焊性比较差,使用范围受到限制。为克服马氏体钢的上述不足,近来已找到一种有效途径,就是通过降低钢的C、Ti含量,增加Ni含量,开发一个新系列合金钢——超马氏体钢。这类钢抗拉强度高,延展性好,焊接性能也得到改善,因此超马氏体钢又称为软马氏体钢或可焊接马氏体钢。
 
  (5)弹簧钢丝的发展 弹簧钢丝经过100多年的发展,工艺技术经历了由铅淬火到油淬火.现又发展到感应加热淬火。再加上工艺技术装备不断创新和完善,品种质量不断更新。近来开发的阀门用弹簧钢丝感应加热淬火和回火处理工艺,试验证明,由于感应加热时间短,淬火组织细小,钢丝表面几乎没有脱碳层,所以其塑性、韧性、抗松弛性、断裂韧性、延迟断裂抗力、疲劳寿命等都比油淬火回火钢丝有较大提高。
 
  另一种研究取得成效的超细晶粒形变热处理钢丝已能实地应用,超细晶粒形变处理是组织超细化与形变热处理相结合的一种复合强韧化工艺。它既可提高钢丝的力学性能,同时又能改善钢丝的表面质量。材料表面质量对疲劳性能影响很大。为了保证表面质量,对有特殊要求的材料采用剥皮工艺,将表层去掉0.1mm。对0.5mm深度的缺陷采用涡流探伤。对拔丝过程表面产生的凹凸不平,可用电解研磨,使表面粗糙度降到Ra(6.5-3.4)μm。
 
  (6)不锈钢丝的发展 近年来国外不锈弹簧钢丝生产发展较快。国内需求量增大的品种主要为1Crl8Ni9和OCrl7Ni7AI。
 
  先进的钢丝生产工艺流程特点是盘条首先剥皮处理,去除热加工在表面造成的缺陷,除第一次固溶处理后要进行酸洗外,整个冷加工过程均保持光亮表面。
 
  随着工艺的发展,不锈钢丝的生产流程进一步简化,将部分原属金属制品行业质量控制简化,转换为对盘条质量的要求。在粗拉丝机后,应用清洁球擦拭和水中清洗,去除表面涂层和残余润滑膜。在光亮热处理前配备电解酸洗、碱中和、水冲洗和烘干装置,彻底去除钢丝表面油污,改善表面质量。
 
  (7)形状记忆合金的开发 目前在弹簧方面有应用前途的单向形状记忆合金,以50Ti和50Ni性能最好。形状记忆合金制成的弹簧,受温度的作用可伸缩。主要用于恒温、恒载荷、恒变形量的控制系统中。由于是靠弹簧伸缩推动执行机构,所以弹簧的工作应力变化较大。
 
  (8)陶瓷的应用 陶瓷的弹性模量高,断裂强度低,适用于变形不大的地方。目前正在开发的有耐热、耐磨、绝缘性好的陶瓷,应用的有超塑性锌合金(SPZ),在常温下具有高的强度。另外,还有高强度的氮化硅,能耐高温,可达1000~C。但陶瓷弹簧不适用于在冲击载荷下工作。
 
  (9)纤维增强塑料在弹簧中应用 玻璃纤维增强塑料(GFRP)板簧在英、美和日本等国已广泛应用,除用于横置悬架外,还可用于特殊轻型车辆,如赛车的纵置悬架。目前又研制成功了碳素纤维增强塑料(CFRP)悬架弹簧,比金属板簧要轻20%。

  
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