汽车板弹簧材料的选择

汽车板弹簧材料的选择汽车钢板弹簧在汽车行驶过程中承受各种应力的作用，其中以反复弯曲应力为主，绝大多数是疲劳破坏。所以要求弹簧钢应有高的弹性极限以及弹性减退抗力好，较高的屈强比，为防止在交变应力下发生疲劳和断裂，弹簧应具有高的疲劳强度和耐蚀等性能。其性能要求：σ0.2≥1160MPa；σb≥1280MPa；δ10≥5％；ψ≥25％，而且，同样材料处理是否正确，其寿命相差也很大。图（1）板弹簧实物图一、板簧材料的选择及分析备选材料钢号有：20Cr、40CrNiMn、60Si2Mn、65Mn。下面比较一下这四种材料的性能及用途。1、20Cr该钢是我国目前产量最大的几个合金结构钢之一，用途广泛。硬度较高。且此钢比相同含碳量的碳素钢具有较好的淬透性、强度和韧度。为了提高该模具钢的耐磨性，常进行渗碳处理（注意：渗碳时钢的晶粒有长大倾向），然后进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有很高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧度。常用于制造截面小于30mm的、形状简单的、转速较高的渗碳件或氰化件，如活塞销、小轴等；也可以用于调制钢零件。2、40CrNiMn高淬透性的调质钢，有高的强度、韧度和良好的淬透性和抗过热的稳定性，但白点敏感性高，有回火脆性。焊接性较差，焊前需经高温预热，焊后需消除应力，经调质后使用。应用：一般制作强度高、塑性好的重要零部件，氮化处理后制作特殊性能要求的重要零件，如轴类、齿轮、紧固件等；在低温回火或等温回火后可作超高强度钢使用。3、60Si2Mn由于硅含量高，其强度和弹性极限均比55Si2Mn高抗回火稳定性好，淬透性不高，易脱碳和石墨化。主要用作汽车拖拉机上的板弹簧、螺旋弹簧等。也用于制造承受交变载荷及高应力下工作的重要弹簧、抗磨损簧等。4、65Mn钢中加入锰为0.8%~1.2%，使淬透性和综合性能有所提高，脱碳倾向减小，但有过热倾向及回火脆性，易出现淬火裂纹。且锰钢价格便宜，资源丰富。应用：（1）可用于普通模具弹簧；（2）冷冲模具凸模；（3）弹簧环、汽门簧。通过以上比较，我们发现60Si2Mn淬透性号、弹性极限、屈强比和疲劳极限均较高，能符合汽车板簧的性能要求。因此我们选择60Si2Mn作为所需材料。二、60Si2Mn的各项指标1、化学成分表160Si2Mn的化学成分化学成分CSiMnCr质量分数/％0.56-.641.50-2.000.60-0.90≤0.35硅锰弹簧钢（60Si2Mn）是同时加入硅、锰，能显著强化基体铁素体，大为提高了钢的弹性极限，屈强比可达到0.8~0.9，而且疲劳强度也显著提高。硅锰元素的共同作用提高了钢的淬透性，硅还有效地提高了回火稳定性，锰提高了耐磨性。但硅促进脱碳倾向，锰增大了钢过热敏感性，但是两者复合加入后，硅锰钢的脱碳和过热敏感性较硅钢、锰钢为小，但还是会因过热敏感性产生淬火裂纹，因脱碳对工件耐磨性、疲劳强度产生显著影响。2、临界点表260Si2Mn的临界点临界点Ac3Ar3Ac1Ar1Ms温度/℃8107707557002303、60Si2Mn的拉伸性能表360Si2Mn的拉伸性能牌号热处理制度拉伸性能（≥）淬火温度/℃淬火介质回火温度/℃屈服强度/MPa抗拉强度/MPa断后伸长率/%断面收缩率/%60Si2Mn870油48011761274525三、板弹簧加工工艺加工工艺路线：下料→校直→钻孔→卷耳→淬火+中温回火→喷丸→装配→预压缩。1、热处理工艺图（2）60Si2Mn钢的C曲线（1）淬火淬火工艺为：淬火温度为850-880℃，淬火时间有板厚决定，其参数如下表。表4淬火时间选择板厚/㎜≤≤≤≤时间/min20-2222-2425-2827-30淬火介质为10号轻柴油，在油中冷却50-75S，油温控制在20-50℃。图（３）60Si2Mn钢淬火温度与硬度的关系硬度（ＨＲＣ）图（3）描述了60Si2Mn淬火温度与硬度的关系，从图中可以看出：淬火温度低于820℃时，硬度值较低，满足不了模具使用时对硬度指标的要求，但淬火温度在高于840~900℃区间时，硬度值变化不大。鉴于60Si2Mn过热敏感性较强，晶粒易于粗大，所以淬火温度不宜过高，油淬温度860~870℃。由于Si为强石墨化促成元素，容易造成表面脱碳，致使耐磨性、疲劳强度显著下降，最好是在保护气氛中加热或用真空炉加热，但采用可控气氛和真空炉加热方式显然需要特殊设备，成本高。无上述条件时，可采用流动粒子炉或盐浴炉加热。（2）中温回火中温回火工艺：中温快速回火，以提高生产效率和强度。回火温度及时间视板厚而定，见表5。表5回火工艺参数板厚/mm≤8＞8时间/min1830回火炉后部温度/℃480±20460±20回火炉后部温度/℃680±20650±20图（4）60Si2Mn钢回火温度图（5）60Si2Mn钢经回火后硬度与硬度关系与冲击性关系图（4）描述了60Si2Mn回火硬度随回火温度升高而发生变化的规律，由图可见，在180-280℃范围内回火时，其硬度随回火温度升高而变化不大。在300℃回火时，硬度略有升高，为57-58HRC。图（5）描述了60Si2Mn在870℃冷淬火后经不同温度回火后的硬度值与冲击韧度的关系。图（5）所示的冲击韧度有两个峰值，其中一个峰值约为400J/cm2，对应的硬度为50-52HRC，这个硬度对冷作模具而言，显然是偏低的。另一峰值韧度约为380J/cm2，其对应的硬度值为57-58HRC。对于膜片弹簧成形压淬模而言，硬度为50-55HRC较为合宜，硬度为55HRC时，冲击值为谷点(实际回火脆性为350℃左右)，应避开。回火最后得到的组织为回火屈氏体。2、喷丸为了提高弹簧的强度和疲劳寿命，要对热处理后的板簧进行喷丸处理。经喷丸处理的疲劳寿命一般可达未喷丸的5-10倍。四、影响板簧寿命的主要因素（1）原材料的选用碳素弹簧钢因淬透性低，较少使用于汽车中；锰钢淬透性好，但易产生淬火裂纹，并有回火脆性。因此，硅锰钢在我国应用较广泛。（2）原材料缺陷①杂质大大降低板簧的疲劳强度；②带状组织严重降低钢的力学性能。（3）热处理缺陷表面脱碳、淬火欠热组织、羽毛状组织等均会降低板簧的疲劳强度。（4）喷丸的质量喷丸处理不仅使弹簧表面产生强化层，还能清除弹簧表面微小的缺陷和脱碳现象，减少应力集中等。而喷丸质量的差异，也是造成钢板弹簧使用寿命差异的原因之一。（5）使用水平驾驶员操作谨慎的车辆，其钢板弹簧使用寿命远高于路况恶劣、超载严重、驾驶员粗暴驾驶车辆的钢板弹簧。