超高強(qiáng)韌彈簧鋼及其研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

陳禮清， 王 帥， 趙 陽

（東北大學(xué) 1. 軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 2. 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽110819）

作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料，彈簧鋼被廣泛應(yīng)用于汽車、鐵路車輛、航空航天、機(jī)械和儀器儀表等行業(yè)零部件的制造.彈簧是在周期性的彎曲、扭轉(zhuǎn)等交變載荷下工作，經(jīng)受拉、壓、扭、沖擊、疲勞、腐蝕等多種作用，有時還要承受極高的短時突變載荷.由于彈簧鋼服役環(huán)境惡劣，受力狀況復(fù)雜，對其綜合性能要求十分嚴(yán)格，不僅要求具有高的淬透性，保證整個彈簧截面獲得均勻的微觀組織和良好的力學(xué)性能，還要求具有低的脫碳傾向和均勻細(xì)密的微觀組織等.彈簧鋼不僅要具有高的強(qiáng)度和疲勞極限，而且要具有一定的沖擊韌性［1］.

隨著汽車和鐵路運(yùn)輸業(yè)向高速、重載以及輕量化方向發(fā)展，同時考慮節(jié)能環(huán)保等，對高強(qiáng)度、高壽命、高品質(zhì)彈簧鋼的需求日益增加，對彈簧鋼的抗疲勞和抗彈減性能也提出了更高的要求.計算結(jié)果表明，彈簧的質(zhì)量與設(shè)計應(yīng)力的平方成反比［2］，設(shè)計應(yīng)力與強(qiáng)度成正比.汽車用彈簧鋼約占汽車總質(zhì)量的8%～10%［3］，研究開發(fā)超高強(qiáng)度彈簧鋼是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑.材料的強(qiáng)度和塑韌性之間存在著倒置的關(guān)系，如何在獲得超高強(qiáng)度的同時也能得到良好的韌性，是新型彈簧鋼研發(fā)中的重要研究內(nèi)容.此外，彈簧鋼的疲勞失效起始于工作表面，因此，彈簧鋼的表面質(zhì)量和表面處理等均會嚴(yán)重影響其疲勞壽命.對于一定化學(xué)成分的彈簧鋼，如何在加工過程中控制其表面脫碳的傾向性，提高其疲勞壽命，也是新型彈簧鋼研發(fā)工作的重要內(nèi)容.

彈簧鋼的研究和應(yīng)用歷史較為久遠(yuǎn)，彈簧主要有懸架和氣門兩大類，懸架用的彈簧可以分為螺旋彈簧、鋼板彈簧和扭桿彈簧.隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，彈簧鋼的需求量不斷增加，對其性能的要求也越來越高.如何提高汽車懸架彈簧的疲勞壽命和使用壽命，發(fā)揮金屬材料的潛力，減少材料用量以減輕車身自重，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，受到廣泛的關(guān)注.本文中概述了彈簧鋼的特征和合金元素及其作用機(jī)理，同時對國內(nèi)外超高強(qiáng)度彈簧鋼的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析和總結(jié)，指出了在研發(fā)超高強(qiáng)度彈簧鋼時存在的主要問題及發(fā)展趨勢，并列舉了兩種超高強(qiáng)韌彈簧鋼的研究開發(fā)實(shí)例，為超高強(qiáng)度彈簧鋼的研發(fā)提供參考.

1 彈簧鋼及其工藝概述

根據(jù)彈簧鋼的化學(xué)成分（文中所述的化學(xué)成分均指質(zhì)量分?jǐn)?shù)），可以分為碳素彈簧鋼和合金彈簧鋼.碳素彈簧鋼中的碳含量一般在0.60%～0.90%，錳含量在0.50% ～1.20%，如65Mn，70Mn，80Mn 和85Mn 等.由于碳素彈簧鋼具有強(qiáng)度和韌性低、淬透性差、易脫碳等缺點(diǎn)，一般用來制作一些要求較低、不太重要的機(jī)械緩沖部件.合金彈簧鋼是在碳素彈簧鋼的基礎(chǔ)上，適當(dāng)添加一種或者多種合金元素來提高其強(qiáng)韌性、淬透性和抗疲勞性能等，因此合金彈簧鋼的性能更加優(yōu)越，應(yīng)用也更加廣泛.根據(jù)合金彈簧鋼中的主要合金元素類型，可以分為Si-Mn，Si-Cr，Cr-Mn，Si-Mn-Cr，Cr-V 以及W-Cr-V 系彈簧鋼等.為了滿足某些特殊性能的需要，還可以在合金彈簧鋼的基礎(chǔ)上添加Ni，Mo，V 和B 等元素.在最新版國家標(biāo)準(zhǔn)《彈簧鋼》（GB／T 1222—2016）中，共納入了6 種碳素彈簧鋼和20 種合金彈簧鋼；其他國家相應(yīng)的彈簧鋼標(biāo)準(zhǔn)中也有不同數(shù)量的彈簧鋼鋼種.

對于彈簧扁鋼，可以利用控制軋制進(jìn)行生產(chǎn)，使熱塑性變形和固態(tài)相變相結(jié)合，充分發(fā)揮各種強(qiáng)韌化機(jī)制的強(qiáng)化作用，有效細(xì)化晶粒，使得彈簧鋼具有超高的強(qiáng)度和良好的塑韌性.控制軋制主要是通過控制軋制溫度、軋制道次以及變形程度，以此調(diào)控鋼的軋后組織，進(jìn)而獲得需要的性能.馮光純等［4］研究了控軋控冷工藝對60Si2Mn 彈簧鋼組織性能的影響，采用奧氏體再結(jié)晶控制軋制并在軋后以6 ～10 ℃／s 的冷卻速率控制冷卻，可獲得細(xì)小均勻的珠光體組織和少量鐵素體組織，鋼的強(qiáng)韌性明顯提高，脫碳減少.崔娟等［5］研究了終軋溫度對彈簧鋼60Si2CrVAT 強(qiáng)韌性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著終軋溫度的降低，熱處理后鋼的組織細(xì)小且均勻，索氏體含量增加，強(qiáng)度和塑性提高.

通過合適的淬火和回火工藝配合，可以有效提高彈簧鋼的綜合性能.一般選用冷卻速率較低的礦物油作為彈簧鋼的淬火介質(zhì)，可以大大降低在淬火過程中彈簧鋼中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，防止淬火過程中的變形和開裂.大量的研究結(jié)果表明［6-7］：熱處理工藝對彈簧鋼的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響，不同種類的彈簧鋼熱處理工藝有所不同；一旦彈簧鋼的化學(xué)成分有小的改變，就應(yīng)該重新進(jìn)行試驗(yàn)，確定精確的熱處理工藝參數(shù)，以獲得最佳的微觀組織狀態(tài)和力學(xué)性能.對于何種類型的微觀組織才能保證彈簧鋼獲得超高強(qiáng)韌性和超長的疲勞壽命，目前并沒有確切的結(jié)論.最近有研究人員嘗試將以等溫淬火、淬火-配分等為代表的熱處理工藝應(yīng)用于制備高性能懸架彈簧鋼，但是這些工藝制度對彈簧鋼的疲勞性能指標(biāo)有何影響則需進(jìn)一步研究評估［8］.

2 彈簧鋼中的合金元素及作用機(jī)理

早在2017 年，我國彈簧鋼的產(chǎn)量就達(dá)到了300 萬t，消費(fèi)量超過320 萬t，合金彈簧鋼占據(jù)一半以上，其中汽車和鐵路行業(yè)用量最大，超過80%［9］.進(jìn)入21 世紀(jì)以來，汽車工業(yè)的快速發(fā)展引起輕量化、節(jié)能化、小型化、環(huán)保等問題備受關(guān)注，對于合金彈簧鋼的需求進(jìn)一步增加，尤其是對高性能合金彈簧鋼的需求.因此，深入研究各種合金元素在彈簧鋼中的作用，以及各種合金元素對彈簧鋼組織和性能的協(xié)同影響，對于新型高強(qiáng)高韌彈簧鋼的設(shè)計至關(guān)重要.

圖1 給出了彈簧鋼中主要合金元素碳、硅、錳和鉻對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)量［10］.從圖中可以看出，碳是提升彈簧鋼強(qiáng)度最有效的元素.碳對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)量大約是硅的5 倍，鉻的9 倍，錳的18 倍.為了確保彈簧鋼有較高的強(qiáng)度和硬度，彈簧鋼中的碳含量一般相對較高，為0.4%～0.6%.彈簧鋼經(jīng)高溫保溫后淬火至室溫，碳基本完全固溶在馬氏體基體中.在回火過程中，馬氏體發(fā)生回復(fù)，固溶在基體中的碳與一些元素結(jié)合，以碳化物的形式析出［11-12］.此外，很早就有研究結(jié)果表明，適量提高碳含量對彈簧鋼的抗彈減性也有一定的促進(jìn)作用［13］.但是，提高碳含量會明顯降低彈簧鋼的塑性和韌性，也會增加脫碳敏感性，影響疲勞壽命.近年來，為了降低高碳對彈簧鋼帶來的不利影響，各國相繼研發(fā)中低碳彈簧鋼， 如日本的UHS1900，UHS2000， ND120S， ND250S， 德 國 的38Si7，法 國 的46S7， 以 及 我 國 的38SiMnVB，38Si2，40SiMnVB 等.經(jīng)過淬火和低溫回火后，這些中低碳彈簧鋼可以獲得板條馬氏體組織，既保證高強(qiáng)度，又確保了一定的塑性.

圖1 彈簧鋼中主要元素的強(qiáng)化效果［10］Fig.1 Strengthening effects of carbon and alloying elements［10］

硅主要以原子形式固溶在鋼基體中，提高彈簧鋼的力學(xué)性能.同時，硅也能抑制回火時馬氏體基體的回復(fù)，提高回火穩(wěn)定性.Wittig 等［14］在Fe-Si合金中研究發(fā)現(xiàn)，由于Si-Si 之間的交互作用，增加了位錯運(yùn)動需要克服的額外阻力，并且隨著硅含量的升高，體心立方金屬中位錯的交滑移減少，因此，硅將阻礙基體的回復(fù).Kim 等［15］研究了回火溫度（300 ～400 ℃）和時間（1 800 ～3 600 s）對低硅（1.4%）和高硅（2.7%）馬氏體鋼的影響，通過觀察衍射峰（110）α和（211）α強(qiáng)度的變化（見圖2），發(fā)現(xiàn)低硅鋼在300 ℃回火3 600 s 后衍射強(qiáng)度與高硅鋼在350 ℃回火1 800 s的衍射強(qiáng)度相似.因此，可以推斷：硅影響了馬氏體基體的回復(fù).

圖2 低硅鋼、高硅鋼（110）α 和（211）α 對應(yīng)的X 射線衍射峰［15］Fig.2 X-ray diffraction spectra for the （110）α 和（211）α in low Si and high Si steels［15］

圖3 為從文獻(xiàn)［16］和［17］中提取數(shù)據(jù)重新繪制的回火溫度對兩種不同硅含量的超高強(qiáng)度彈簧鋼抗拉強(qiáng)度的影響趨勢圖.從圖中可以看出，在高硅鋼中，回火溫度在300 ～400 ℃時，隨著回火溫度升高，其抗拉強(qiáng)度略有降低，依舊保持較高的抗拉強(qiáng)度.但在低硅鋼中，回火溫度超過400 ℃，其抗拉強(qiáng)度大幅度降低.此結(jié)果再次驗(yàn)證了高硅彈簧鋼通過抑制基體回復(fù)，使自身保持較高的抗拉強(qiáng)度.

圖3 回火溫度對不同含硅彈簧鋼的抗拉強(qiáng)度的影響［16-17］Fig.3 Effect of tempering temperature on the tensile strength of different silicon containing spring steels［16-17］

硅還能影響滲碳體形核與長大.Kim 等［18］研究了硅對滲碳體析出行為的影響并詳細(xì)分析了滲碳體形核與長大機(jī)制，如圖4 所示.淬火是因?yàn)槔渌倏欤杈鶆虻胤植荚诨w中，沒有明顯的偏聚.滲碳體（θ）可以在馬氏體基體中的有利位置形核，或者由過渡型ε 碳化物轉(zhuǎn)變，并且滲碳體的形核需要排出周圍的硅.因此，在回火過程中碳和硅會分別發(fā)生擴(kuò)散.碳向滲碳體中擴(kuò)散，滲碳體形核處同時排出多余的硅.當(dāng)硅在滲碳體和基體二者界面的濃度梯度達(dá)到一定值時，會顯著降低碳和硅的擴(kuò)散， 從而抑制了滲碳體的長大或者過渡型ε 碳化物向滲碳體轉(zhuǎn)變.Tariq 等［19］在研究低合金鋼0.3C-1.5Si-Mn-Cr-Mo 時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回火溫度為260 ℃時，ε 碳化物開始向滲碳體轉(zhuǎn)變.在本文作者的研究中［16］，設(shè)計了一種中碳高硅彈簧鋼（2.3%Si），發(fā)現(xiàn)當(dāng)回火溫度為400 ℃時，ε 碳化物開始向滲碳體轉(zhuǎn)變.

圖4 回火過程中滲碳體的長大機(jī)制和碳、硅的擴(kuò)散行為［18］Fig.4 The growth mechanism of cementite and diffusion behavior of carbon and silicon during tempering［18］

此外，硅是對彈簧鋼的抗彈性減退性能影響最大的元素.研究結(jié)果表明［20］，隨著硅含量的增加，彈簧鋼的抗彈性減退性能逐漸提升，當(dāng)硅含量達(dá)到1.5%時， 彈簧鋼的抗彈性減退性能提升最大.當(dāng)硅含量進(jìn)一步升高至2.0%時，彈簧鋼的抗彈性減退性能提升很小.但是，硅含量過高會引起彈簧鋼表面脫碳，增加脫碳層深度.這是因?yàn)楣柙龃罅颂荚阡撝械臄U(kuò)散系數(shù)，增加了碳的活度，促進(jìn)了脫碳層的產(chǎn)生.彈簧鋼的表面脫碳會降低表面質(zhì)量，進(jìn)一步影響其疲勞壽命，所以要嚴(yán)格控制彈簧鋼中的硅含量.

錳主要可以提升彈簧鋼的淬透性.研究結(jié)果表明［21］：只有當(dāng)錳含量高于0.5%時，油淬時彈簧鋼心部才能完全轉(zhuǎn)化為馬氏體；但當(dāng)錳含量超過1.50%時，彈簧鋼的韌性會明顯下降.由于錳與硫的親和力大于鐵與硫的親和力，因此，錳易與硫結(jié)合，從而降低硫引起的熱脆問題.

鉻是強(qiáng)碳化物形成元素，易和碳結(jié)合形成碳化物，從而降低碳的活度.并且，鉻與氧結(jié)合形成Cr2O3，可以阻止鋼表面進(jìn)一步被氧化，減緩鋼表面的脫碳傾向性［22］.在回火過程中，Si-Cr 系彈簧鋼中的鉻容易偏聚在滲碳體周圍，導(dǎo)致回火組織不均勻，使彈簧鋼的抗彈性減退能力降低.當(dāng)鉻含量小于0.7%時，對應(yīng)力松弛值影響較??；但是當(dāng)鉻含量超過1.5%時，回火組織嚴(yán)重不均勻，顯著降低彈簧鋼的抗彈性減退性能.

鎳能擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，改善淬火組織，提高鋼的韌性.目前大部分彈簧鋼中不含鎳.日本的研究人員在高強(qiáng)度彈簧鋼中加入一定的鎳，使其韌性得到明顯提升， 如UHS2000，ND250S 和ND120S等. 圖5 為幾種不同鎳含量彈簧鋼的沖擊功隨回火溫度的變化情況.從圖中可以看出，添加一定量的鎳能顯著提高彈簧鋼的沖擊功，提高沖擊韌性.但是，實(shí)際生產(chǎn)中添加過多的鎳會帶來原材料成本的增加，因此，彈簧鋼中添加鎳需要慎重.

圖5 不同鎳含量彈簧鋼的沖擊功隨回火溫度的變化Fig.5 Variation of impact energy with tempering temperature in spring steels with different nickel contents

鉬可以提升鋼的淬透性，防止回火脆性，提高鋼的抗回火軟化能力，改善疲勞性能.另外，鉬可以和碳結(jié)合形成細(xì)小彌散的碳化物，阻礙位錯運(yùn)動.鉬含量超過0.5%時，作用基本達(dá)到飽和.目前含鉬的彈簧鋼相對較少，鉬的添加量一般在0.4%以下.

鈮和釩都是強(qiáng)碳化物形成元素，與碳結(jié)合形成MC 型碳化物，能夠抑制奧氏體晶粒長大，還能起到析出強(qiáng)化作用.圖6 為兩種不同含釩彈簧鋼經(jīng)過不同奧氏體化后的奧氏體晶粒尺寸變化情況.從圖中可以看出，經(jīng)過相同的保溫處理后，0.15%V 彈簧鋼奧氏體晶粒尺寸明顯小于0.03%V彈簧鋼奧氏體晶粒尺寸. 此外，當(dāng)釩固溶在奧氏體中時，能夠增加奧氏體的穩(wěn)定性和碳的擴(kuò)散阻力，降低鋼的脫碳敏感性［22］.固溶在奧氏體中的鈮原子對溶質(zhì)原子有拖曳作用，并且能阻止晶界遷移.控制軋制和熱處理工藝可以調(diào)控鈮釩微合金元素的析出行為，從而充分發(fā)揮微合金元素的作用.此外，鈮和釩復(fù)合添加的效果比單獨(dú)添加的效果更加顯著，能最大限度發(fā)揮兩者的優(yōu)勢.

圖6 奧氏體化溫度對不同含釩彈簧鋼奧氏體晶粒尺寸的影響Fig.6 Effect of austenitization temperature on austenite grain size in two V-containing spring steels

彈簧鋼中有時也添加微量的硼，能極大地提升鋼的淬透性.在淬火過程中，硼原子偏聚在奧氏體晶界，減少原子在晶界的擴(kuò)散并降低界面能，從而提升了鋼的淬透性能［23］.

3 超高強(qiáng)度彈簧鋼的國內(nèi)外研究概況

高強(qiáng)度是當(dāng)前彈簧鋼生產(chǎn)和應(yīng)用中的突出需求和發(fā)展趨勢.從節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，要求減輕彈簧質(zhì)量是交通運(yùn)輸車輛輕量化的一個重要方面，由此提出了開發(fā)新型高強(qiáng)度彈簧鋼的要求.圍繞彈簧鋼的強(qiáng)度水平和使用壽命，國內(nèi)外開展了大量的研究工作.

高強(qiáng)度彈簧鋼在國外的研究起步較早，牌號比較齊全，力學(xué)性能、淬透性和抗疲勞性能等基本上可以滿足目前的生產(chǎn)和使用要求.早在20 世紀(jì)80 年代，日本愛知制鋼即已研制出SUP7 彈簧鋼，神戶制鋼在SUP7 的基礎(chǔ)上研發(fā)了SRS60 高強(qiáng)度彈簧鋼，設(shè)計應(yīng)力為1 100 MPa，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 960 MPa.1991 年，神戶制鋼再次研發(fā)出中低碳高硅超高強(qiáng)度彈簧鋼UHS1900 和UHS2000，設(shè)計應(yīng)力分別為1 200和1 300 MPa.日本大同特殊鋼也成功研制了設(shè)計應(yīng)力為1 300 MPa的ND250S 彈簧鋼，隨后又成功研制了ND120S，相比于SUP7，質(zhì)量減少20%.

美國Rockwell 和Inland 公司利用Nb-V 微合金化，改進(jìn)了SAE9254 和SAE9259 彈簧鋼，該鋼種的抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 960 MPa.韓國浦項(xiàng)鋼鐵公司在SAE9254 的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)硅含量至2.5%，并加入了0.2%V 和2.0%Ni，成功研制出一種抗彈性減退及抗疲勞性能良好的高強(qiáng)度彈簧鋼，該鋼種設(shè)計應(yīng)力也可達(dá)1 300 MPa.表1 中列出了國外研制的幾種高強(qiáng)度彈簧鋼的化學(xué)成分及設(shè)計應(yīng)力［2］.從表中可以看出，幾乎所有的超高強(qiáng)度彈簧鋼都采用了微合金化技術(shù)，但是，日本所研發(fā)的幾類高強(qiáng)度彈簧鋼大多采用低碳的設(shè)計思路，并且還添加了一定量的鎳，彈簧鋼的韌性得到了大幅度提升.

表1 幾種國外研制的高強(qiáng)度彈簧鋼成分及設(shè)計應(yīng)力［2］Table 1 Chemical compositions and designed stress in some high strength spring steels developed in foreign countries［2］

我國彈簧鋼發(fā)展起步晚，在發(fā)展初期主要吸取國外的先進(jìn)技術(shù)，生產(chǎn)較多的Si-Mn 系彈簧鋼.20 世紀(jì)80 年代以后，在改進(jìn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，又引進(jìn)了一些國際通用彈簧鋼牌號，才使我國彈簧鋼研發(fā)和生產(chǎn)水平有了大幅度提高.近年來，我國科研人員在高強(qiáng)度彈簧鋼成分設(shè)計、冶煉技術(shù)、熱加工及熱處理工藝等方面開展了深入研究，并且取得了很好的進(jìn)展.

通過添加微合金元素鈮和釩，采用常規(guī)的淬火+回火工藝，Chen 等［24］實(shí)現(xiàn)了55SiCr 懸架彈簧鋼的超高強(qiáng)韌化，其抗拉強(qiáng)度為2 021 MPa，屈服強(qiáng)度為1 826 MPa，伸長率為10.3%，斷面收縮率為42.7%.采用低碳高硅的成分設(shè)計思路，添加一定量的鎳，Wang 等［16］也實(shí)現(xiàn)了彈簧鋼的超高強(qiáng)韌化，該鋼室溫組織為回火馬氏體、殘余奧氏體和大量的納米級碳化物，抗拉強(qiáng)度為2 002 MPa，屈服強(qiáng)度為1 780 MPa，伸長率為11.1%，沖擊功為38 J.Zhang 等［25］通過調(diào)控?zé)彳垜B(tài)60Si2MnA 片層珠光體的間距發(fā)現(xiàn)：當(dāng)片層間距較大時，淬火后奧氏體晶粒較大，回火后鋼的力學(xué)性能較低；珠光體片層間距在140 ～280 nm 時，經(jīng)過相同的熱處理工藝，鋼的抗拉強(qiáng)度超過2 000 MPa.采用溫變形工藝，Wang 等［26］將65Mn 的奧氏體晶粒細(xì)化至5.6 μm，獲得高達(dá)2 220 MPa 的抗拉強(qiáng)度. Luo等［27］采用循環(huán)淬火工藝，不僅細(xì)化了奧氏體晶粒，還引入了大量的納米級孿晶，大幅度提高了51CrV4 彈簧鋼的力學(xué)性能，將其抗拉強(qiáng)度提高至2 036.2 MPa，屈服強(qiáng)度為1 792.3 MPa.Chen 等［28］對比了淬火+回火、等溫淬火和等溫淬火+回火三種熱處理工藝，發(fā)現(xiàn)采用等溫淬火工藝在中碳富硅微合金鋼中引入一定量的殘余奧氏體后，在拉伸變形過程中發(fā)生了TRIP 效應(yīng)，鋼的斷后伸長率升高至15%，同時抗拉強(qiáng)度達(dá)2 205 MPa，但是屈服強(qiáng)度僅為1 624 MPa.通過總結(jié)以上文獻(xiàn)可知，細(xì)化晶粒是實(shí)現(xiàn)彈簧鋼超高強(qiáng)度的有效手段之一；在組織中引入一定量的殘余奧氏體，可以同時實(shí)現(xiàn)彈簧鋼的高強(qiáng)韌性配合.

根據(jù)我國彈簧鋼標(biāo)準(zhǔn)GB／T 1222—2016 中記錄，抗拉強(qiáng)度超過1 800 MPa的僅有2 個牌號，分別為60Si2CrV 和40SiMnVBE，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足汽車行業(yè)對高性能彈簧鋼的需求，因而，有必要研發(fā)超高強(qiáng)度、超長壽命的汽車板簧鋼.針對汽車懸架系統(tǒng)板簧鋼強(qiáng)度和疲勞壽命偏低，不能滿足高工作應(yīng)力、少片簧的設(shè)計和使用要求的問題，作者聯(lián)合國內(nèi)某板簧制造企業(yè)和鋼鐵生產(chǎn)廠家，采用產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合、全鏈條創(chuàng)新的模式，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室研究和多輪工業(yè)試驗(yàn)，成功研發(fā)出超高強(qiáng)度、超長壽命汽車板簧鋼（抗拉強(qiáng)度超過1 800 MPa，臺架試驗(yàn)疲勞壽命高達(dá)100 萬次，設(shè)計應(yīng)力為1 200 MPa），企標(biāo)代號為LQD1800.該板簧鋼的創(chuàng)新之處在于：①采用低碳、多元合金化的成分設(shè)計方法，保證板簧鋼強(qiáng)度和韌性同步提高，實(shí)現(xiàn)超長壽命的預(yù)期目標(biāo)；②基于新設(shè)計的板簧鋼的成分特點(diǎn)，制定了獨(dú)特的軋制和熱處理以及后續(xù)表面處理工藝，為該板簧鋼獲得優(yōu)良的力學(xué)和抗疲勞性能奠定了技術(shù)基礎(chǔ).該板簧鋼目前已在某品牌8 m 純電動公交車以及某車型重卡前簧中獲得應(yīng)用，并在某汽車公司用于單片簧的制造.LQD1800 超高強(qiáng)度彈簧鋼經(jīng)熱處理后的微觀組織為回火屈氏體（見圖7），表2 中列出其典型的力學(xué)性能指標(biāo).

圖7 新型LQD1800 板簧鋼典型金相組織照片F(xiàn)ig.7 The optical microstructure of newly developed LQD1800 leaf spring steel

表2 新型LQD1800 板簧鋼典型的力學(xué)性能指標(biāo)Table 2 Typical mechanical properties of newly developed LQD1800 leaf spring steel

在此基礎(chǔ)上，本課題組近年來通過調(diào)整化學(xué)成分、軋制及熱處理工藝，在超高強(qiáng)韌彈簧鋼研發(fā)方面再次取得良好進(jìn)展：抗拉強(qiáng)度超過2 000 MPa，屈服強(qiáng)度超過1 750 MPa，伸長率超過11%，沖擊功超過30 J.本文第5 節(jié)將對此進(jìn)行介紹.

通過以上分析可以看出，超高強(qiáng)度彈簧鋼的研發(fā)在成分設(shè)計、冶金質(zhì)量、熱加工及熱處理工藝等方面都極為關(guān)鍵.研發(fā)時應(yīng)特別注意如何在超高強(qiáng)度下保持彈簧鋼良好的韌性，因?yàn)橹挥袕?qiáng)度和韌性兼顧的超純凈彈簧鋼才能獲得超長的疲勞壽命.采用合金及微合金化技術(shù)設(shè)計超高強(qiáng)度彈簧鋼時，還要考慮添加合金元素帶來的成本問題.

4 彈簧鋼設(shè)計生產(chǎn)中的主要問題和發(fā)展趨勢

4.1 彈簧鋼設(shè)計和生產(chǎn)中的主要問題

彈簧鋼長期處于周期性交變載荷中，受力狀態(tài)復(fù)雜，服役時不允許產(chǎn)生塑性變形，因此需要較高的彈性極限和疲勞極限.為了保證彈簧鋼服役時安全、穩(wěn)定、可靠，在設(shè)計和研發(fā)超高強(qiáng)度彈簧鋼的同時，鋼的組織狀態(tài)是需要考慮的首要因素，主要包括晶粒度、回火組織穩(wěn)定性、淬透性、脫碳傾向性以及氮、氫、氧含量等.這里主要總結(jié)與冶煉和加工過程有關(guān)的冶金質(zhì)量和脫碳傾向性問題.

4.1.1 冶金質(zhì)量

冶金質(zhì)量主要指彈簧鋼的化學(xué)成分和純凈度的控制，其中夾雜物的控制是關(guān)鍵.彈簧鋼的失效方式有很多，如疲勞、腐蝕、彈性減退等，其中最主要的是疲勞失效，而鋼中非金屬夾雜物是引起疲勞失效的主要原因.在承受交變載荷時，彈簧鋼中非金屬夾雜物周圍容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，加速彈簧鋼疲勞失效［29］.非金屬夾雜物的種類、尺寸、數(shù)量對彈簧鋼的疲勞性能有不同影響，其中不規(guī)則和多棱角夾雜物對疲勞性能影響最大.要保證彈簧鋼良好的綜合性能，關(guān)鍵是要保證其具有高純凈度、成分均勻，且非金屬夾雜物控制效果理想.

夾雜物的控制包括兩個方面：一是降低夾雜物含量，改變其尺寸，控制其分布；二是控制夾雜物的化學(xué)組成和形態(tài).在冶煉過程中采用氣體攪拌的方式，設(shè)法向鋼液中吹入數(shù)量更多、尺寸更小的氣泡，能有效減少夾雜物的數(shù)量，減小夾雜物的尺寸；加強(qiáng)鋼渣界面的攪動，促進(jìn)夾雜物分離，有利于提高電磁凈化和渣洗去除夾雜物的效率；采用變性處理，在鋼水中加入稀土或鈣，不僅能脫硫，而且能使形成的硫化物夾雜的形貌變?yōu)榍驙罨蚣忓N體，從而減小硫化物夾雜對彈簧鋼橫向性能的影響.

總之，在彈簧鋼的冶煉生產(chǎn)過程中，采用合適的冶煉工藝、脫氧方式，均可以減少鋼中夾雜物的種類、數(shù)量和尺寸，提高彈簧鋼的純凈度［30］.國外采用超低氧、超純凈的生產(chǎn)工藝生產(chǎn)彈簧鋼，生產(chǎn)技術(shù)中廣泛采用RH，LF-RH，ASEA-SKF，VAD 等精煉手段，可將鋼中的氧含量降到較低水平.實(shí)踐證明，當(dāng)氧含量低于1.5×10-5時，可保證彈簧鋼2 000 MPa的高強(qiáng)度.通常采用二火成材、鋼坯修磨等措施降低鋼材中心偏析，提高其表面質(zhì)量.

4.1.2 脫碳傾向性

彈簧鋼在軋制和熱處理時，表面會產(chǎn)生脫碳和氧化，顯著降低其表面質(zhì)量.彈簧鋼疲勞失效起始于工作表面，因此，彈簧鋼表面的脫碳與氧化還會影響其疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命.針對不同成分和用途的彈簧鋼，每個國家和企業(yè)都制定了相應(yīng)的彈簧鋼總脫碳層深度的標(biāo)準(zhǔn).影響彈簧鋼脫碳傾向性的主要因素為化學(xué)成分（主要是碳和硅）；此外，加熱溫度、保溫時間以及加熱爐內(nèi)的氣氛也是影響彈簧鋼脫碳層深度的重要因素.較高碳和硅含量的彈簧鋼極易產(chǎn)生脫碳，而鉻和錳能夠抑制彈簧鋼中的脫碳傾向［31］.因此，在高品質(zhì)彈簧鋼化學(xué)成分設(shè)計及加工和熱處理工藝制定時，需要首先考慮和控制脫碳的問題.

文獻(xiàn)［32］中對50CrMnV 彈簧鋼的氧化和脫碳行為進(jìn)行了研究.結(jié)果表明：在兩相區(qū)770 ℃附近加熱，試樣表面產(chǎn)生明顯全脫碳層，當(dāng)溫度達(dá)到870 ℃時，全脫碳層消失；隨著保溫溫度的升高和加熱時間的延長，總脫碳層深度逐漸增加，當(dāng)溫度達(dá)到1 120 ℃時，出現(xiàn)全脫碳層，達(dá)到1 170 ℃以后，脫碳層深度不再明顯增加；大生產(chǎn)采用快速加熱工藝，加熱爐均溫區(qū)采用1 020 ℃以下的溫度加熱，可滿足無全脫碳層、總脫碳層深度不大于0.2 mm 的要求［32］.

4.2 彈簧鋼的發(fā)展趨勢

4.2.1 向高強(qiáng)度方向發(fā)展

提高設(shè)計應(yīng)力、減輕質(zhì)量是彈簧鋼的發(fā)展方向［33］.影響彈簧鋼設(shè)計應(yīng)力的兩個主要因素是抗疲勞性能和抗彈減性能.新一代彈簧鋼不僅應(yīng)具有超高強(qiáng)度，還應(yīng)有超高疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕疲勞性能，優(yōu)良的抗彈減性能以及良好的經(jīng)濟(jì)性.為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，主要采取的途徑有以下兩種.一是新型鋼種的研制開發(fā).一方面，優(yōu)化現(xiàn)有彈簧鋼的合金元素含量并添加微合金化元素；另一方面，借鑒超高強(qiáng)度鋼的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，降低彈簧鋼的含碳量并添加鈮和釩等.二是新型熱加工和熱處理工藝的研究開發(fā).在現(xiàn)有鋼種基本不變的情況下，通過形變熱處理、感應(yīng)熱處理及在線熱處理等工藝的研究開發(fā)，實(shí)現(xiàn)彈簧鋼的超高強(qiáng)度化.在汽車輕量化技術(shù)和節(jié)能減排的背景下，商用汽車板簧正向變截面、高應(yīng)力及復(fù)合材料等方向快速發(fā)展.

4.2.2 向高彈減抗力方向發(fā)展

決定彈簧許用應(yīng)力的主要因素是彈減抗力，因此提高彈減抗力一直是高強(qiáng)度彈簧鋼研究開發(fā)的重點(diǎn).彈簧材料的彈減抗力是材料抵抗塑性變形或承載能力下降的能力.如果僅從材料本身來看，為了提高彈減抗力，應(yīng)從選擇合適的化學(xué)成分入手，再配合恰當(dāng)?shù)臒峒庸ず蜔崽幚砉に?，以獲得理想的微觀組織、晶粒度、第二相質(zhì)點(diǎn)和硬度等.

硅是合金元素中能夠提高彈簧鋼彈減抗力的有效元素之一，作用僅次于碳.這是由于硅的固溶強(qiáng)化效應(yīng)顯著，且能改變回火時析出碳化物的數(shù)量、尺寸和形態(tài)等，提高鋼的回火穩(wěn)定性.因此，早期彈減抗力優(yōu)良的彈簧鋼（設(shè)計應(yīng)力1 000 ～1 100 MPa）中硅含量均較高，如SUP7 和SUP12.但是，SUP7，SAE9260 這類鋼的含硅量已達(dá)最高值，再靠提高硅含量來提高彈減抗力很困難.要想開發(fā)彈減抗力更好，且綜合性能優(yōu)良的新材料，必須尋找新的途徑.其中一個重要途徑便是利用析出強(qiáng)化和晶粒細(xì)化強(qiáng)化技術(shù)，如添加微合金元素鈮和釩.

4.2.3 向高純凈度方向發(fā)展

追求高純凈度是所有高品質(zhì)鋼的一般要求，尤其是對疲勞性能要求較高的鋼種，對其中的雜質(zhì)元素含量均有嚴(yán)格的限制.國內(nèi)外鋼廠和汽車廠對彈簧鋼中的氧含量和氮含量提出了嚴(yán)格的要求，如瑞典SKF 標(biāo)準(zhǔn)要求彈簧鋼中氧含量低于1.5×10-5，夾雜物最大尺寸小于15 μm.為避免出現(xiàn)塊狀化合物，Ti／N 的值不低于10.彈簧鋼生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)從冶煉工藝及連鑄工藝兩方面入手，采取加強(qiáng)原料管理、合理配料、精料入爐，強(qiáng)化冶煉操作、優(yōu)化冶煉工藝，改進(jìn)脫氧和造渣制度、強(qiáng)化爐解精煉等措施，生產(chǎn)高純凈度彈簧鋼.

4.2.4 向高韌性和高耐蝕性方向發(fā)展

隨著溫度的降低，金屬材料的韌性會下降.在冬季低溫條件下運(yùn)行的車輛，其懸架系統(tǒng)可能發(fā)生脆斷，因此具有高的低溫沖擊韌性也是彈簧鋼發(fā)展的必然趨勢.作為一種重要的機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)材料，往往在化學(xué)成分設(shè)計時就要考慮其抗蝕性.長期在惡劣環(huán)境下工作的汽車懸架系統(tǒng)等，對耐蝕性有較高的要求.因此，向高韌性和高耐蝕性方向發(fā)展是新一代超高強(qiáng)彈簧鋼的新特征.

5 超高強(qiáng)韌彈簧鋼的研究與開發(fā)實(shí)例

近年來，本文作者在總結(jié)和分析國內(nèi)外超高強(qiáng)度彈簧鋼設(shè)計理念以及所面臨的問題的基礎(chǔ)上，采用中低碳的成分設(shè)計思路，開展了超高強(qiáng)韌汽車板簧鋼的研發(fā)［16-17］.表3 中列出了兩種不同碳和硅含量試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分.

表3 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 3 Chemical compositions of the experimental steel （mass fraction） %

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室真空感應(yīng)爐冶煉、鍛造和二階段軋制后，分別研究了這兩種成分的試驗(yàn)鋼的最佳熱處理工藝.圖8 為這兩種試驗(yàn)鋼在最佳熱處理工藝條件下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，表4 中列出了這兩種試驗(yàn)鋼的具體力學(xué)性能.

圖8 1＃和2＃試驗(yàn)鋼的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 The engineering stress-strain curves of the experimental steels 1＃ and 2＃

從表4 中可以看出，按這兩種成分體系設(shè)計的試驗(yàn)鋼同時實(shí)現(xiàn)了超高強(qiáng)度和良好的韌性，其抗拉強(qiáng)度超過了1 950 MPa，屈服強(qiáng)度超過1 750 MPa，伸長率和斷面收縮率也分別超過了11%和45%.此外，這兩種試驗(yàn)鋼的沖擊功分別高達(dá)38.5 和30.8 J，遠(yuǎn)高于目前超高強(qiáng)度彈簧鋼的沖擊功.

表4 1＃和2＃試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of the experimental steels 1＃ and 2＃

圖9 為1＃和2＃試驗(yàn)鋼的掃描電鏡顯微組織照片.從圖中可以看出，這兩種成分的試驗(yàn)鋼分別經(jīng)過淬火+回火處理后，微觀組織均為回火馬氏體，均具有較高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度.對于一般的中高碳彈簧鋼，為了獲得良好的綜合性能，通常采用中高溫回火，其室溫組織為回火屈氏體，因此力學(xué)性能偏低.

圖9 試驗(yàn)鋼微觀組織掃描電鏡照片F(xiàn)ig.9 SEM micrographs showing the microstructures of the experimental steels

圖10 為1＃和2＃試驗(yàn)鋼的透射電鏡顯微組織照片.從圖中可以看出，在試驗(yàn)鋼的馬氏體基體上存在著高密度位錯和大量不同種類的納米級析出物，主要強(qiáng)化貢獻(xiàn)來源于位錯強(qiáng)化和析出強(qiáng)化.

圖10 試驗(yàn)鋼顯微組織的透射電鏡照片F(xiàn)ig.10 TEM micrographs showing the fine microstructures of the experimental steels

向經(jīng)濟(jì)性和高性能化方向發(fā)展，是當(dāng)今彈簧鋼總的發(fā)展趨勢.未來的工作方向，一方面是在對彈簧鋼強(qiáng)韌性和抗疲勞性能繼續(xù)深入認(rèn)識的基礎(chǔ)上，采用新的工藝技術(shù)，充分發(fā)揮現(xiàn)有彈簧鋼的性能潛力；另一方面是圍繞輕量化進(jìn)行高設(shè)計應(yīng)力新鋼種的研究開發(fā)，提高其抗疲勞和抗彈性減退能力，這也是當(dāng)今彈簧鋼研究開發(fā)的主題.