乘用车悬架弹簧55sicr卷簧断裂分析

第47卷第6期2019年12月
Vol. 47 No. 6Dec. 2019
现代冶金
Modern Metallurgy
乘用车悬架弹簧55SiCr 卷簧断裂分析
张权企，董娟
（江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏江阴214429）
摘要：通过对钢丝断口采用断口学和电镜分析等手段，查找引起钢丝卷簧断裂的具体原因，并提出相应的改进 措施。

关键词：悬架弹簧；55SiCr ；断口；失效
中图分类号：TH135； TG115. 21
引言
悬架弹簧是乘用车底盘系统重要部件，大多是
螺旋压缩弹簧，与减震器一起安装在四个车轮上，主
要作用是：与减震器共同承载车身重量；吸收车身的 振动；作用于车身和轮胎之间，保证轮胎与地面之间
的附着力，利于车辆的稳定控制「门。

目前乘用车悬 架弹簧主要是采用55SiCr （SAE9254,54SiCr6）作为
表1
化学元素成分技术指标/%
!（C ）!（Si ）!（Mn ）!（P ）!（S ）w （Cr ）!（Ni ）!（Cu ）0. 51-0. 59
1. 20-1. 60
0. 50-0. 80
"0. 025
"0. 025
0. 50-0. 80
"0.35
"0.25
55SiCr 用于悬架弹簧疲劳寿命大多要求大于 30万次，对原材料的要求较高，主要体现在：①非金
属夹杂物数量少且尺寸小，多趋向使用Si-Mn 脱氧 方式控制，提高非金属夹杂物变性能力，其在CaO-
Al 2O3-SiO 2系三元相图上的落点在低熔点区，如图 1所示的阴影部分其熔化温度低于1350 H ； ②钢中化学成分均匀性要好，钢丝截面上元素偏析
小，成品弹簧的组织均匀；③热轧盘条必须具备优良
的表面质量，因弹簧工作时表面承受的应力最大，疲 劳破坏绝大部分是由材料的表面缺陷引起的，需要
在盘条的轧制、运输等过程中严格控制，减少表面缺 陷；④盘条表面不得有＞0. 05 mm 的全脱碳，需要
对坯料表面质量及加热工艺等采取必要的手段消除
引起脱碳的因素，将脱碳控制越低越好。

⑤目前弹 簧钢更多地使用感应加热热处理工艺，淬火感应加 热只有短短的20-30 s,奥氏体化时间非常短，不利 于奥氏体的均匀化；为减少奥氏体均匀化的时间，需
原料，由钢厂提供热轧盘条，经弹簧制造企业将热轧
盘条感应加热热处理加工成钢丝，再经过冷卷簧制
造工艺卷制成弹簧，冷卷簧过程中对材料的表面缺
陷尤为敏感，容易引起钢丝冷卷簧过程中发生断裂（
1热轧盘条基本要求
如表1所示是55SiCr 的化学元素组成，参考国 家标准《弹簧钢》（GC/T 1222-2016）o
在盘条轧制时采用控轧控冷工艺，使盘条的组织更 利于感应加热热处理工艺的需要（
SiO 2
图1 CaO-Al O 3-SiO 2系三元相图
收稿日期：2019-06-12
作者简介：张权企（1983-），男，
工程师
12现代冶金第47卷
2钢丝生产工艺
钢厂将热轧盘条提供给钢丝生产企业，为了控制弹簧钢丝的表面质量和尺寸精度，目前使用最多的是冷卷簧工艺：热轧盘条经过抛丸或酸洗$拉拔$探伤$修磨$感应加热$水淬或油淬$感应回火制成钢丝，再经过冷卷簧工艺制成悬架弹簧。

酸洗或抛丸是为了去除表面的氧化铁皮，减少对拉丝模和钢丝的损伤;拉拔工艺使钢丝的尺寸精度和椭圆度得以控制在更精确的范围；探伤并标记盘条表面的缺陷，便于后序的修磨消除或分选。

目前汽车轻量化的大趋势下，悬架弹簧能够适应应力水平达1100-1150MP/就需要热处理后钢丝的抗拉强度达到1800-2100MP/甚至是更高的强度水平，这对钢丝表面质量提出更严格要求。

3原因分析
3.1样品说明
样品（如图2所示）是热轧盘条由①17mm拉拔至①15mm的钢丝在冷卷簧过程中断裂。

在拉拔过程中使用通过式涡流探伤仪，大于0.15mm的缺陷经人工修磨去除。

通过感应加热热处理工艺，并在钢丝集卷前使用通过式和旋转式涡流探头检测钢丝表面质量，对于深度大于0.15mm的缺陷喷涂色标,便于制成弹簧后单独挑出并做进一步处理。

图2断裂样品外观形貌
3.2样品基本理化性能分析
3.2.1化学成分
采用OCLF QSG750直读光谱仪和LECO CS230型碳硫分析仪对钢丝样品化学成分检验，化学成分（如表2所示）符合表1的标准要求。

表2样品的化学成分/%
w(C)w(Si)w(Mn)!(P)!(S)!(C,
0.58 1.520.600.0080.0090.58
3.2.2金相组织与脱碳
在断口处取横向试样研磨、抛光，并使用4%硝酸酒精溶液腐蚀，观察组织为正常中温回火组织，有少许碳化物颗粒,属正常热处理组织；钢丝表面无明显脱碳现象（如图3所示）。

图3金相组织
3.2.3硬度
从断裂钢丝靠近断口处取样，并采用QNESS Q30A+型自动维氏硬度机使用10kgf的载荷测试维氏硬度，按照《金属材料硬度值的转换》（GC/T 33362-2016）,对测试样品的硬度转换成抗拉强度（如表3所示），力学性能满足产品要求。

表3断口样品的抗拉强度
实测维氏转换成抗拉抗拉强度
硬度/HV10强度/MP/要求/MPa
5851937.5
5861941.0
1800-2100
5851937.5
3.2.4非金属夹杂物
从断裂钢丝上取一段样品纵向解剖并研磨，按照《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》（GC/T10561-2005）A法检验钢丝非金属夹杂物，结果如表4所示。

第 6 期张权企，等：乘用车悬架弹簧55SiCr 卷簧断裂分析
13
表*非金属夹杂物/级
A 细A 粗C 细C 粗C 细C 粗D 细D 粗 Ds
0.5 0 0.5000 0.5 0 0
3.3断口分析
3. 3. 1 断口 SEM 分析
将断裂样品放入纯度＞99. 7%的无水乙醇中，
并使用超声波清洗断口，清除断口污物，便于使用扫 描电镜对断口的观察。

通过扫描电镜观察：宏观断 口形貌（如图4所示），发现断裂源从表面开始呈放 射状向内部扩展,裂纹萌生于钢丝表面，断裂源与近
表面处的基体在形态上有差异；对断裂源附近进一 步放大观察（如图5所示），断裂源周围存在大量的
锥形韧窝，为韧性断裂「3';对断裂源表面进行观察
（如图6所示），发现表面有椭圆形疤块与基体间存
在间隙，呈明显的分离特征。

图4断口 SEM 宏观形貌
图5断裂源SEM 形貌
图6断裂源表面SEM 形貌
3.3.2 解剖断裂源
沿断裂源的中心纵向解剖（如图7所示#对解 剖面研磨和抛光，并使用体积分数为4%的硝酸酒 精溶液腐蚀，通过扫描电镜观察组织，发现断裂源附
近有裂纹且与基体间存在间隙，部分剥离，局部与基
体相连判断为结疤。

对裂纹进一步放大观察（如图8
图7断裂源纵向解剖宏观形貌
图8
结疤的微观形貌
14现代冶金第47卷
图9氧化铁能谱图
所示)，显微组织不均匀，裂纹两侧存在大量的铁素体,而基体是正常中温回火组织，确认表层有脱碳现象,而裂纹间隙内的物质通过能谱分析(如图9所示)，确认为氧化铁皮。

4分析与讨论
4.1断裂原因
钢丝的化学成分、纯净度、力学性能和显微组织均符合产品要求。

断裂原因是钢丝卷制弹簧过程中，较大的弯曲应力集中在表面结疤缺陷处引起的(
4.2结疤分析
需要分析和讨论样品上的结疤来源，特别是需要分析清楚脱碳和氧化铁皮的来源。

对可能产生脱碳的钢丝热处理和盘条轧制过程分析与讨论:首先钢丝的热处理工艺——感应加热热处理，因热处理效率高、时间短，升温速度快，感应加热从室温加热至淬火温度(900-950H)并保持一定的奥氏体化温度只需20-30s,回火温度低于500°C。

根据相关资料查阅：感应加热快速热处理可以完全避免钢材表面脱碳⑷，但感应加热时，由于交变电流通过圆形断面导体时，电流沿导体横断面呈不均匀分布，表面层电流密度最大，依次向中小减弱，称为集肤效应⑷；表面结疤易产生集肤效应,虽然时间短，但结疤局部比较薄，温度升高暴露在空气中也会产生脱碳和氧化现象。

其次，盘条轧制过程的坯料加热、轧制及冷却等过程均会产生脱碳，二次冷却过程会产生氧化现象。

结合钢丝制造整个流程分析，结疤可能来自于：1)盘条轧制过程或者坯料的缺陷处理不干净造成的。

2)钢丝感应加热前搬运等环节产生的表面擦伤、结疤等未能消除并残留在钢丝表面。

4.3建议
为防止类似的事件再次发生，建议采取如下措施：
(1)对坯料表面质量的检查、修磨控制，减少坯料缺陷；
(2)加强轧辊、导卫等工装设备的维护与保养,并进行检查和确认，轧制过程中勤观察、勤检查，及时发现异常；
(3)盘条或钢丝搬运过程注意防护，减少表面擦伤；
(4)探伤发现的钢丝表面缺陷应及时消除，避免有缺陷的钢丝流入下道工序。

5结束语
(1)钢丝卷簧过程断裂原因是钢丝表面结疤引起的应力集中导致的断裂；
(2)钢丝表面缺陷来自于盘条搬运过程及拉丝前的擦伤或盘条轧制过程或者坯料带来的缺陷造成。

参考文献：
［1］张英会，刘辉航，王德成.弹簧手册［M'.北京：机械工业出版社，2017.
［2］高文芳，赵继宇，易卫东，等•钢中非金属夹杂物塑性化研究［J］.炼钢,2008,26(6):23.
［3］姜锡山，赵晗.钢铁显微断口速查手册［M］.北京:机械工业出版社2010
［4］王振东，牟俊茂.钢感应加热快速热处理［M］.北京:化学工业出版社，
2012.。