高强度弹簧钢的发展现状和趋势

rockston

1 前言

汽车、发动机制造业和铁路行业是弹簧钢的主要用户。由于弹簧的工作条件十分苛刻,对弹簧钢的要求就十分严格。近年来,随着汽车的轻量化和高性能化,迫切要求提高弹簧钢的强度,提高弹簧的设计应力;随着国内火车运行速度的不断提高,特别是货车向高速、重载方向发展,同样要求提高列车转向架悬挂弹簧的强度,延长疲劳寿命。鉴于此,国内外近年来开展了大量的研究工作,以期进一步提高弹簧钢的强度水平和使用寿命。

2 弹簧钢的高强度化和发展趋势

由于悬挂弹簧的质量与设计应力的平方成正比,减轻弹簧质量最有效的方法便是提高弹簧的设计应力。表1给出了弹簧设计应力与弹簧质量的关系[1]。可见,在弹簧性能不变的前提下,随着设计应力的提高,弹簧线径和有效卷数减少,弹簧可减重40%～50%。因此,伴随着汽车轻量化和铁路列车的高速重载化,弹簧的设计不断提高。如轿车悬挂弹簧的设计应力,在20世纪70年代为900MPa,80年代提高到

1000～1100MPa,目前国外轿车螺旋悬挂弹簧已开始普遍采用设计应力为1200MPa级的新一代超高强度弹簧钢[2]。这种弹簧钢将是今后轿车用弹簧钢的主流。日本和韩国分别在1991年和1996年还先后成功地开发出设计应力名列世界第一的1300MPa级的UHS2000、ND250S(RK360)等新型弹簧钢,但由于成本较高,目前这些新型弹簧钢仅局限在高级轿车上应用[3,4]。为了提高弹簧的设计应力,需提高弹簧钢的硬度(强度),如为了获得1200MPa级的设计应力,要求弹簧钢的硬度达到HRC53。但是对于现有的弹簧钢如高Si-Mn系的SUP7,在这么高的硬度水平下疲劳强度和弹减抗力会急剧下降。目前弹簧钢的发展趋势是向经济性和高性能化方向发展。国外现有弹簧钢钢号比较齐全,力学性能、淬透性和疲劳性能等基本上可以满足目前的生产和使用要求。目前,一方面是充分发挥现有弹簧钢的潜力,如改进生产工艺、采用新技术、对成分进行某些调整等,进一步提高其性能,扩大应用范围,如针对发动机用高性能气门而提出的超纯净弹簧钢;另一方面是进行新钢种的研究开发,由于影响提高弹簧设计应力的两个最主要因素是抗疲劳和抗弹性减退,因而这两个因素成为当今弹簧钢钢种研究开发的主题,如近来开发出UHS1900、UHS2000、ND120S等耐腐蚀疲劳的高强度弹簧钢和SRS60、ND250S等弹减抗力优良的高强度弹簧钢。表2是研究开发高强度弹簧钢时通常采用的手段。表3给出了近年来研究开发的几种高强度弹簧钢。值得注意的是,高强度弹簧钢新钢种的开发,必须在提高钢的力学性能和应用性能的同时兼顾其经济性,才能被广大用户所接受。