山特維克新牌號(hào)彈簧鋼絲樹(shù)立抗疲勞強(qiáng)度新標(biāo)準(zhǔn)

供稿|Linus Hasselrot， Jonas Eriksson， Phil Etheridge

應(yīng)用

彈簧鋼絲的疲勞性能主要取決于加載周期和應(yīng)力類型。在目前所有應(yīng)用中，對(duì)不銹鋼彈簧疲勞性能要求最高的可能當(dāng)屬共軌式燃油噴射系統(tǒng)的柱塞彈簧。

共軌式燃油噴射系統(tǒng)是一項(xiàng)最近10年才發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，它通過(guò)一個(gè)共用的燃油管道(共軌)向發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器注入燃油——設(shè)計(jì)用于將燃油在高壓噴射的狀態(tài)下注入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)，以滿足節(jié)能減排的需求。噴射壓力越高，燃油霧化效果越好，這可使燃油得到最大程度的燃燒，獲得極高的能量轉(zhuǎn)換率，并降低廢氣排放量。電子控制裝置能夠精確控制噴油量和噴油時(shí)間，不受發(fā)動(dòng)機(jī)速度的影響，并確保燃油在高壓下傳輸，減少燃油消耗量。

柱塞彈簧必須具有極高的強(qiáng)度以承受高的重復(fù)載荷和維持發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，避免失效危險(xiǎn)。這決定了柱塞彈簧必須具有極高的抗疲勞強(qiáng)度。此外，由于應(yīng)用空間有限，彈簧還必須具備體積小、質(zhì)量輕(約40 g)的特征。重達(dá)1000 g的大彈簧可以輕松滿足強(qiáng)度和抗疲勞性能的要求，但明顯與實(shí)際需求不符。

壓縮彈簧測(cè)試表明，Sandvik Springflex SF彈簧鋼絲能夠承受3億次以上的高應(yīng)力疲勞載荷，這大大超出了主要共軌式燃油噴射系統(tǒng)生產(chǎn)商的預(yù)期，樹(shù)立了新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

測(cè)試鋼絲直徑為3.6 mm，經(jīng)預(yù)加應(yīng)力、回火和噴丸處理。平均校準(zhǔn)應(yīng)力τmk約為570 MPa，最大校準(zhǔn)應(yīng)力如圖1所示。所有彈簧鋼絲的試驗(yàn)循環(huán)周期均超過(guò)3億次。

彈簧鋼絲制造

Sandvik Springflex SF是現(xiàn)有Sandvik Springflex雙相不銹鋼彈簧鋼絲的改進(jìn)型產(chǎn)品，集高的抗拉強(qiáng)度和抗松弛性能、優(yōu)異的抗疲勞性能和耐腐蝕性能等多種優(yōu)勢(shì)于一身。與17-7PH和ASTM 300系列不銹鋼彈簧鋼絲一樣，Sandvik Springflex SF也符合歐洲彈簧鋼絲標(biāo)準(zhǔn)EN-10270-3。此外，應(yīng)用證明該產(chǎn)品符合ASTM A313標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 Sandvik Spring flex SF 彈簧鋼絲疲勞測(cè)試結(jié)果

Sandvik Springflex SF也是一種雙相鋼，其組織為鐵素體-奧氏體兩相混合(其優(yōu)點(diǎn)將在后文加以討論)。但是，該產(chǎn)品的創(chuàng)新之處在于應(yīng)用了一種新生產(chǎn)工藝，可以最大限度提高抗疲勞性能。該工藝包括已獲專利的熱軋線材去皮工藝，其效果優(yōu)于冷拔。它能夠顯著減少表面缺陷，從而提高抗疲勞性能。另外，為全程確保產(chǎn)品的完整性和可靠性，山特維克制訂了嚴(yán)格的質(zhì)量保證計(jì)劃。

機(jī)械性能

彈簧鋼絲生產(chǎn)后的回火過(guò)程會(huì)使抗拉強(qiáng)度增加將近200～400 MPa，最終獲得中等抗拉強(qiáng)度。

表1 成品的抗拉強(qiáng)度Rm和屈服強(qiáng)度Rp 0.21) MPa

冶金

疲勞強(qiáng)度被定義為彈簧鋼絲承受動(dòng)態(tài)載荷時(shí)抵抗裂紋的能力，決定了產(chǎn)生裂紋的概率。為了最大程度地提高疲勞強(qiáng)度，必須在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)彈簧鋼絲的以下性能加以優(yōu)化：

抗拉強(qiáng)度

表面缺陷及夾雜物

微觀組織

延展性

彈簧設(shè)計(jì)人員有時(shí)會(huì)應(yīng)終端用戶的要求開(kāi)發(fā)一種彈簧設(shè)計(jì)方案，確保彈簧在指定位置運(yùn)行時(shí)應(yīng)力水平最低。該方案可通過(guò)平衡彈簧圈數(shù)、改變鋼絲直徑和彈簧直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。彈簧制造商側(cè)重于彈簧線圈、預(yù)壓應(yīng)力、熱處理方式及噴丸處理的優(yōu)化，但是歸根結(jié)底，彈簧設(shè)計(jì)人員和制造商都不得不借助彈簧鋼絲的性能來(lái)優(yōu)化彈簧的性能。

雙相組織具備奧氏體和鐵素體這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在拔絲、卷繞和熱處理過(guò)程中能夠被充分利用且始終保持穩(wěn)定。其特殊的化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝確保產(chǎn)品在整個(gè)制造過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變，且保持良好的延展性。

馬氏體硬度高于奧氏體，合理的馬氏體量對(duì)抗拉強(qiáng)度有重要的貢獻(xiàn)。但馬氏體是一種脆性相，容易使鋼件產(chǎn)生裂紋，尤其是縱向裂紋。馬氏體的密度低于奧氏體，意味著在冷加工過(guò)程中其膨脹會(huì)增加周圍奧氏體的應(yīng)力水平，這同樣會(huì)增加開(kāi)裂的危險(xiǎn)。盡管如此，馬氏體相依然為ASTM 302 和17-7PH等鋼材采用。

在雙相材料中，奧氏體和鐵素體之間的晶界疲勞裂紋擴(kuò)展起阻礙作用。因此，雙相材料擁有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是裂紋傳播敏感性低于奧氏體鋼。

腐蝕

雙相鋼不僅強(qiáng)度高，抗疲勞性能優(yōu)異，而且耐腐蝕性能好，適用于柱塞彈簧應(yīng)用。有證據(jù)表明，摻有大量水分的劣質(zhì)柴油會(huì)導(dǎo)致共軌式柱塞彈簧產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

Sandvik Springflex SF具有高耐腐蝕性能，不僅耐氯化物和硫化氫應(yīng)力腐蝕性能良好，而且耐普通腐蝕、點(diǎn)蝕、間隙腐蝕、侵蝕腐蝕和腐蝕疲勞的性能也非常優(yōu)異。

在一般的彈簧應(yīng)用中，氯化物是最常見(jiàn)的腐蝕源，它對(duì)奧氏體鋼的腐蝕尤其迅速。

圖2 設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度范圍對(duì)比

圖3 不同氯化鈉濃度下的臨界點(diǎn)蝕溫度(穩(wěn)定測(cè)量電壓：300 mV SCE)，PH值約為6.0。

結(jié)論

山特維克認(rèn)為Sandvik Springflex SF不僅可以解決柱塞彈簧所面臨的抗疲勞強(qiáng)度挑戰(zhàn)，而且可以廣泛應(yīng)用于其他需要提高材料性能的潛在終端用戶和市場(chǎng)。典型的應(yīng)用包括：

使用傳統(tǒng)不銹鋼，但對(duì)抗疲勞性能有更高要求的應(yīng)用；

使用碳鋼、Cr-Si或Cr-Si-V等合金鋼材，對(duì)疲勞性能要求高，但對(duì)耐腐蝕性提出更高要求的應(yīng)用；

替代由碳鋼、Cr-Si 或 Cr-Si-V等合金鋼材制造的具有涂層表面的彈簧。

圖4 選擇采用山特維克彈簧鋼絲制作的彈簧