汽車彈簧材料及熱處理技術(shù)淺析

高陽，藍(lán)慶生，孟輝，高俊風(fēng)，楊保壘

長(zhǎng)城汽車股份有限公司 河北保定 071000

1 序言

汽車制造業(yè)是我國(guó)的第二大支柱產(chǎn)業(yè)，近年來我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展迅速，汽車的轉(zhuǎn)型升級(jí)與高質(zhì)量發(fā)展是促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。彈簧產(chǎn)業(yè)是整個(gè)制造業(yè)中的一小分支，但其所起的作用是不可低估的。我國(guó)汽車工業(yè)要加快發(fā)展，彈簧作為基礎(chǔ)零部件之一，有著無可替代的地位。

2 彈簧在汽車上的應(yīng)用

眾所周知，彈簧由彈簧鋼制造而成。選擇汽車彈簧時(shí)，需依據(jù)其承受的載荷性質(zhì)、方向、大小，以及實(shí)際所處部位的工作環(huán)境等。

筆者曾走訪了國(guó)內(nèi)主要的汽車彈簧零件供應(yīng)商，如上海中國(guó)彈簧廠、遼寧富奧汽車彈簧廠、成都寧興汽車彈簧有限公司、河南淅川順隆彈簧有限公司、廣州奧圖彈簧有限公司、重慶紅旗彈簧有限公司及江西方大長(zhǎng)力汽車零部件有限公司等。本文結(jié)合整車上典型彈簧的應(yīng)用分別作簡(jiǎn)要介紹。

2.1 螺旋彈簧

螺旋彈簧又稱懸掛或懸架彈簧（見圖1），廣泛應(yīng)用于汽車懸架系統(tǒng)。轎車普遍采用螺旋彈簧作為彈性元件，與減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)一起發(fā)揮減振作用。螺旋彈簧只承受垂直載荷，且在變形過程中不產(chǎn)生摩擦力。圓柱形等螺距螺旋彈簧剛度不變，圓錐形或不等螺距螺旋彈簧的剛度是可變的。主要參考標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 16947—2009《螺旋彈簧疲勞試驗(yàn)規(guī)范》和JB/T 10416—2004《懸架用螺旋彈簧技術(shù)條件》。

圖1 螺旋彈簧

2.2 鋼板彈簧

汽車板簧又稱葉片彈簧（見圖2），由多片疊加而成，是汽車懸架的重要組成部件，在載荷作用下變形時(shí)，各片相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生摩擦，產(chǎn)生一定的阻力，使車身的振動(dòng)衰減，因此汽車板簧一般不用安裝減振器。板簧主要用于載重汽車（含輕型、中型、重型載貨汽車）及大客車的前后懸架上，在汽車行駛時(shí)受交變應(yīng)力的作用，汽車行駛的平順及操縱穩(wěn)定性均受到鋼板彈簧的影響。參考標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 3279—2009《彈簧鋼熱軋鋼板》和QC/T 29035—1991《汽車鋼板彈簧技術(shù)條件》。

圖2 鋼板彈簧

2.3 座椅蛇形彈簧

座椅背靠蛇形（弓形）彈簧、渦卷彈簧（見圖3），一般都使用韌性較好的碳素彈簧鋼絲，或油淬火鋼絲，連成一片形成一個(gè)平面，起彈性支撐作用，在外力下發(fā)生形變，蛇形彈簧是扁的，制造中彎成圓形半弧，成形后就是“蛇形”。蛇形彈簧不僅起彈力作用，還起張力作用，起到良好的減振效果，具有壽命長(zhǎng)、傳遞效率高、拆裝方便等特點(diǎn)。參考標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 28269—2012《座椅用蛇形彈簧技術(shù)條件》和GB/T 4357—2009《冷拉碳素彈簧鋼絲》。

圖3 蛇形彈簧

2.4 氣門彈簧

氣門彈簧（見圖4）主要是保障氣門及時(shí)落座并緊密貼合，防止氣門在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)時(shí)發(fā)生跳動(dòng)，破壞其密封性。氣門彈簧安裝時(shí)預(yù)先壓縮產(chǎn)生的安裝預(yù)緊力，用來克服氣門關(guān)閉過程中氣門及其傳動(dòng)件的慣性力，消除各傳動(dòng)件之間因慣性力作用而產(chǎn)生的間隙，實(shí)現(xiàn)其功用。參考標(biāo)準(zhǔn)為JB/T 10591—2007《內(nèi)燃機(jī) 氣門彈簧 技術(shù)條件》。

圖4 氣門彈簧

2.5 橫向穩(wěn)定桿

橫向穩(wěn)定桿（見圖5）又稱“防傾桿”“平衡桿”，主要作用是防止車身在轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生過大的橫向側(cè)傾，減少汽車橫向側(cè)傾程度，改善平順性。橫向穩(wěn)定桿是汽車懸架中的一種輔助彈性元件，是用彈簧鋼制成的扭桿彈簧，形狀呈U形，橫置在汽車的前端和后端。汽車橫向穩(wěn)定桿一般采用無縫鋼管制造，國(guó)內(nèi)材質(zhì)主要為60Si2Mn鋼、50CrVA鋼，日本汽車公司習(xí)慣采用SUP9系列。穩(wěn)定桿關(guān)鍵生產(chǎn)工序?yàn)椋憾瞬砍尚巍w成形→淬火→回火→噴丸強(qiáng)化。參考標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 33821—2017《汽車穩(wěn)定桿用無縫鋼管》。

圖5 橫向穩(wěn)定桿

2.6 離合器膜片簧

汽車離合器膜片彈簧（見圖6）按壓緊形式分為膜片簧式（常用）和多簧式。膜片彈簧是碟形彈簧的一種，它是由薄彈簧鋼板制成的帶有一定錐度、中心部分開有許多均布徑向槽的圓錐形彈簧片，具有壓緊和分離杠桿兩個(gè)作用。參考標(biāo)準(zhǔn)為JB/T 12793—2016《離合器 膜片彈簧 技術(shù)條件》。

圖6 離合器膜片簧

其他彈簧鋼制零件還有行李箱支撐桿、點(diǎn)火開關(guān)回位彈簧、汽車雨刮彈簧、電子油門踏板彈簧及手剎回位彈簧等，這里不再贅述。

3 汽車彈簧材料及性能要求

汽車用彈簧是彈簧鋼市場(chǎng)的最大用戶，據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，原材料消耗占據(jù)彈簧鋼總產(chǎn)量60%以上[1]。典型汽車彈簧及其常用材料見表1。

2) 等待光電開關(guān)信號(hào)，以此確定發(fā)動(dòng)機(jī)是否到位，如果等待時(shí)間>5s無信號(hào)則報(bào)警提示光電開關(guān)異常并結(jié)束程序；

表1 汽車典型彈簧零件及所用材料

彈簧在動(dòng)載荷下工作，即在沖擊、振動(dòng)條件下，或在交變應(yīng)力作用下工作，利用彈性變形來吸收沖擊能量，起到很好的緩沖與減振作用。彈簧需經(jīng)常承受振動(dòng)及長(zhǎng)期在應(yīng)力作用下工作，常見失效形式為疲勞，因此彈簧鋼必須具有高的彈性極限和疲勞極限，以及足夠的韌性和塑性，以防止在沖擊力的作用下突然脆斷。另外，在工藝方面，彈簧鋼材料應(yīng)具有較好的淬透性與低的過熱傾向、脫碳敏感性，降低零件表面粗糙度及脫碳層深，提高疲勞壽命。

彈簧材料按化學(xué)成分可分為碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼，行業(yè)內(nèi)一般又將合金彈簧鋼分為Si-Mn系、Cr-Mn系、Si-Cr系、Cr-V系及Si-Cr-V系。國(guó)內(nèi)提供原材料的鋼企主要有方大特鋼、中信泰富集團(tuán)（大冶特鋼、江陰興澄）、東北特鋼、淮鋼及撫鋼、鄭州永通特鋼和沈陽東洋制鋼等。國(guó)內(nèi)外常見彈簧鋼牌號(hào)及引用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比見表2。

表2 國(guó)內(nèi)外常見彈簧鋼牌號(hào)及引用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

下面簡(jiǎn)要分析各元素在彈簧鋼中所起的作用[2，3]。

（1）C C為主要強(qiáng)化元素，在合金彈簧鋼中wC＝0.45%～0.75%，較高的C含量可提高硬度、強(qiáng)度、彈性及耐疲勞性，但會(huì)使塑性和韌性下降。近年，國(guó)內(nèi)開發(fā)了碳含量較低（wC＝0.2～0.4%）的高強(qiáng)度板簧，并適當(dāng)提高了合金元素種類及含量，經(jīng)熱處理后得到低碳板條狀馬氏體，表面少無脫碳層，如圖7所示。該板簧零件強(qiáng)韌性好，疲勞耐久壽命獲得大幅提升[4]。汽車板簧用新老材料的化學(xué)成分含量對(duì)比情況見表3，可明顯看出碳含量的差異。

表3 板簧新老材料化學(xué)成分對(duì)比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖7 高強(qiáng)度板簧顯微組織

（2）Si Si起固溶強(qiáng)化作用并能提高鋼在低中溫時(shí)的回火穩(wěn)定性。硅不能形成強(qiáng)化基體組織的碳化物，但能影響熱處理回火時(shí)析出碳化物粒子的數(shù)量、形狀、粒度和間距。

（3）Mn Mn能提高鋼的淬透性，有固溶強(qiáng)化的作用。含量高會(huì)使晶粒粗大惡化性能，在彈簧鋼中wMn通常為0.6%～1.3%。

（5）Mo Mo能提升鋼的淬透性，防止回火脆性的產(chǎn)生，提高彈簧零件服役時(shí)滿足的工作溫度。當(dāng)wMo＜0.4%時(shí)，對(duì)鋼的屈強(qiáng)比（即彈減抗力）提高有好處。

（6）V和Nb V、Nb均為強(qiáng)碳化物（MC型）形成元素，能起到細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化的作用。

（7）B B添加ppm級(jí)（百萬分之一）的微量即可強(qiáng)烈提升鋼的淬透性，另微量的硼也可提高彈簧鋼的屈強(qiáng)比。

通常，汽車主機(jī)廠在彈簧鋼的標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)協(xié)議中對(duì)冶煉方法、非金屬夾雜物、帶狀偏析、脫碳層、金相組織、表面質(zhì)量及尺寸允許公差等都有相關(guān)限定，鋼廠及彈簧總成零件生產(chǎn)企業(yè)在進(jìn)出檢驗(yàn)時(shí)，必須嚴(yán)加管控。

4 汽車彈簧制造及熱處理技術(shù)

4.1 生產(chǎn)工藝路線

1）線性彈簧：切料→兩頭制扁→加熱鋼棒→熱卷彈簧→整形→淬火→回火→端面磨削→噴丸→冷/熱強(qiáng)壓定型→檢測(cè)入庫。

2）鋼板板簧：切料→板簧中心鉆孔→端面加工→包耳→卷耳→淬火→回火→折彎夾箍→噴丸→電泳→壓套→鉚卡→組裝→預(yù)壓分弧→檢驗(yàn)入庫。

3）冷拔碳素鋼絲：經(jīng)盤條（線材）拉拔而成，無需淬火，只進(jìn)行去應(yīng)力低溫退火，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。

表面質(zhì)量對(duì)彈簧的使用壽命影響很大，細(xì)小缺陷（如脫碳、斑痕、裂紋和夾雜等）均可使疲勞強(qiáng)度降低，或稱為應(yīng)力集中的起源（疲勞源）。因此，熱處理后采用噴丸處理進(jìn)行表面強(qiáng)化，使表面層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，提升彈簧的疲勞壽命。

4.2 彈簧鋼的熱處理

熱處理是彈簧零件生產(chǎn)工藝路線中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，可充分發(fā)揮彈簧鋼材料自身的潛力，獲得零件預(yù)期性能，提高總成的使用壽命。

熱成形彈簧（懸掛彈簧、板簧等）熱處理方式一般為淬火（油淬）+(400～500)℃中溫回火，得到回火屈氏體組織，塑性和韌性較好，彈性極限和屈服強(qiáng)度較高[5]。對(duì)于離合器膜片簧，還需進(jìn)行高頻感應(yīng)淬火的最終熱處理，將圓錐形彈簧片（即圖6中“指頭”部位）淬硬，提升其耐磨性。

熱成形彈簧的常見熱處理工藝曲線如圖8所示，彈簧的常見淬回火生產(chǎn)線如圖9所示，離合器膜片簧感應(yīng)淬火設(shè)備如圖10所示。

圖8 熱成形彈簧的熱處理工藝曲線

圖9 彈簧的淬回火生產(chǎn)線

圖10 膜片簧感應(yīng)淬火

冷成形彈簧（冷拔碳素鋼絲等）用于制造尺寸較小的彈簧，冷拔及去應(yīng)力退火工序，避免了熱處理過程中奧氏體化帶來的晶粒粗大及脫碳的不良影響。

5 結(jié)束語

汽車彈簧作為機(jī)械零件的一個(gè)重要分支，有其處于汽車工業(yè)及在總成運(yùn)行環(huán)境的特點(diǎn)。除了優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與嚴(yán)控表面質(zhì)量外，采用高純凈的材料及適宜的熱處理設(shè)備和工藝，可提高汽車彈簧的可靠性并實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)的疲勞耐久壽命。