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

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

3、60Si2Mn的拉伸性能

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/min

20-22

22-24

25-28

27-30

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/min 18 30 回火炉后部温度/℃480±20 460±20

回火炉后部温度/℃680±20 650±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400 J/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。