高强度变截面板弹簧失效分析及对策

期失效的原因之一，板簧弧形凹面（待喷丸面）朝下，
图３板弹簧的沿晶警口．． ～
４工荔改进岌效果
可以避开油喷嘴的烈焰，避免过热。
（３）喷丸工艺不合理也是造成试制弹簧早期失效
慧星纛鬈骺黜砘姗储丸能蝻
针对以上生产中存在的问题，结合厂家的实际情 况和以上分析的结果，采用以下措施进行改进：将热处 理工艺确定为９１５～９２５ ｃｃ加热，４７０＿４８０℃回火，放 慢回火炉网带移动速度，确保回火时间为１２０ ｍｉｎ，保 证回火充分。淬火加热时，板簧弧形凹面（待喷丸面） 朝下，避免油喷嘴的烈焰造成过热。改进喷丸工艺，先
金属热处理 HEAT TREATMENT OF METALS 2008,33(8)
参考文献(3条) 1.IVECO 16-5501.钢板弹簧疲劳寿命试验 2.Q/15N2820.变截面少片簧用弹簧钢技术条件 3.中国机械工程学会材料学会 弹簧的失效分析 1988
本文读者也读过(10条) 1. 赵艺 钢板弹簧的热处理工艺控制[期刊论文]-新疆农机化2004(5) 2. 王爱民.杨爱华.罗耀华.吴建勋.李和民.WANG Ai-min.YANG Ai-hua.LUO Yao-hua.WU Jian-xun.LI He-min 钢板 弹簧侧弯的形成机理及其控制[期刊论文]-金属热处理2000(10) 3. 冯月友.方书生.黄昌文 大截面板簧和稳定杆的热处理改进[期刊论文]-热处理2002,17(4) 4. 李细平.LI Xi-pin PAG在板簧热处理中的应用[期刊论文]-热处理技术与装备2010,31(5) 5. 占学红.董志航.王宏伟 有限单元接触算法在板弹簧设计计算中的应用[期刊论文]-机械工程师2007(7) 6. 袁文.包雪鹏 38SiMnVB钢板弹簧疲劳性能及其影响因素[期刊论文]-汽车工艺与材料2004(6) 7. 李霞 影响弹簧失效的主要因素及其预防措施[期刊论文]-科技资讯2009(27) 8. 宛农.周立新.王新社 板簧用钢SAE51B60热处理工艺参数的模拟及优化[期刊论文]-汽车工艺与材料2004(9) 9. 黄敬新.白秉哲.余贵春.杨志刚.方鸿生 新型贝氏体钢汽车板簧材料的性能研究[期刊论文]-金属热处理 2004,29(11) 10. 杨三序.王业正.殷保中.YANG San-xu.WANG Ye-zheng.YIN Bao-zhong 板弹簧用作称重弹性体时的迟滞与补偿 [期刊论文]-传感器与微系统2008,27(2)
（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｉｊｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１ １ １６７，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｎａｎｊｉｎｇ Ｉｖｅｃｏ Ｍｏｔｏｒ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｔｄ，Ｎａｎｉｊｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２ ｌ ００２８，Ｃｈｉｎａ．）
［２］沈伟芳．冷轧辊双频感应淬火工艺诀窍［Ｊ］．热处理，
（３）国产双频感应淬火机组是比利时ＯＳＢ双频感
１９９９（３）：３８＿４３．
１８０
《金属热处理》２００８年第３３卷第８期
万方数据
１ 失效弹簧原材料分析
某公司生产的少片簧用６０Ｓｉ２ＣｒＶＡ钢，化学成分 （质量分数，％）为：０．５７Ｃ、１．５７Ｓｉ、０．６４Ｍｎ、０．０１３Ｐ、
采取上述措施后，试制的第六批板簧疲劳寿命大 幅度提高，强化试验寿命达到了１９—２２万次。宏观断 口上出现疲劳海滩区域，微观断口观察到断续、细小的 疲劳辉纹。断口形貌见图４和图５。
５ 结论
（１）淬火温度及回火工艺不合理是造成试制弹簧 早期失效的主要原因，生产最佳工艺为９１５—９２５℃加 热淬火，４７０一４８０℃回火２ ｈ。
第二批板弹簧淬火温度降低到９２０℃，回火温度 ４２５℃比前一批略有提高。组织为回火屈氏体，硬度 偏高，材料韧性有所改善，寿命有所提高。宏观断口特 征与前批相同，脆性断裂特征明显；扩展区没有疲劳微 观特征，见图２。
第３批簧淬火温度保持９２０℃，回火温度提高到 ４８０℃，组织正常，硬度达到技术要求，断口出现疲劳 特征，但不明显，可能是回火时间短，韧性不够引起的， 说明工艺还不够合理。寿命比上批进一步提高，但宏
作者简介：蔡璐（１９６０一），女，江西龙南人，高级工程师，副教 授，主要从事金属材料研究及失效分析工作。联系电话：
标不够稳定，为保证批量化工业生产应用，需要对弹簧 失效件进行系统分析，找出影响产品质量的因素，从而
１３８１３８０２１３ｌ Ｅ—ｍａｉｌ：ｃａｉｌｕ＠ｎｊｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ 收稿日期：２００８ＪＤ４－２８
９００ ＭＰａ，而少片簧的设计应力则达到１１００ ＭＰａ。因 此，通过控制少片簧生产的关键工艺和材料，以进一步 提高少片簧的疲劳寿命和稳定性，成为少片簧开发应 用中迫切需要解决的问题。经热处理工艺优化的高强 度弹簧钢６０Ｓｉ２ＣｒｖＡ，试样的各项力学性能指标能够 满足高强度变截面少片板簧的设计要求，但由于产品 试制中各种工艺因素的影响，台架考核的疲劳寿命指
簧下料、变截面成型、切边卷耳、中心孔加工、成品热处 理、喷丸强化、总成装配、预压强化、油漆。制造的成品 簧按照标准ＩＶＥＣＯ １６－５５０１《钢板弹簧疲劳寿命试 验》进行强化试验，考核疲劳寿命为５万次以上【１１。
板弹簧的变截面工艺采用中频８５０—９５０℃加热 轧制成形。成品最终热处理是保证产品性能的关键， 对不同热处理工艺的试样进行常规力学性能和组织检 测，结果表明：试样经９２０℃油冷淬火，４３０℃回火，其 性能满足设计要求。
０．００８Ｓ、１．１３Ｃｒ、０．０３Ｎｉ、０．０６Ｃｕ、Ｏ．００６Ａｌ、Ｏ．１４Ｖ。
经Ｃｓ４００．３００ＫＮ电子万能试验机测试，力学性能各 项指标均符合设计单位提出的技术要求，检测结果见 表ｌ。
表ｌ印Ｓ讼ＣｒｖＡ钢热处理后的拉伸性能 Ｔａｂｌｅ ｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉ髓ｏｆ砷Ｓｉ２ＣｒｖＡ ｓｔｅｄ
ｌ ｌ 失效分析
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高强度变截面板弹簧失效分析及对策
蔡璐１。王磊２
（１．南京工程学院材料学院，江苏南京２１１１６７；２．南京依维柯汽车有限公司，江苏南京２１００２８）
摘要：采用金相、硬度、断口分析等方法，对多批次高强度变截面板弹簧试制产品进行失效分析。结果表明，淬火、
回火、喷丸等工艺参数控制不当，是造成弹簧失效的主要原因。采用９１５—９２５℃淬火，４７０—４８０℃回火２ ｈ，并 进行应力强化喷丸，弹簧寿命得到显著提高，性能达到了设计要求。
Ｔａｂｌｅ ２ Ｇｅｎｅ删ｓｉｔ啊ｔｉ蚰ｏｆ ｓｈｅｅｔ ｓｐｒｉＩＩｇ埘ａｌ－ｐｒｏｄｕ∞
注：＋表示箱式炉回火，其余为现生产步进炉回火数据；喷丸强度Ｏ．１８ｃ，弧高变化１７—１８一；疲劳强化试验最大应力９３０ ＭＰａ，最小应力
６８ ＭＰａ。
３ 失效分析
为保证厚截面处淬透，厂家第一批板弹簧选择 了９５０℃较高的淬火温度，４１０℃回火温度。最终组 织为回火马氏体，硬度大于技术要求。原因是淬火 温度高、回火温度低，材料韧性不够，所以寿命低。 宏观断口疲劳特征不明显，断裂源区为沿晶特征，见 图１所示。扩展区疲劳特征不明显。总体呈现脆性 断裂特征。
提高产品寿命。
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４ 结语
（１）实践证明，可控硅在国产双频（低中频）感应 淬火机上的应用是成功的、可靠的，不仅控制可靠而且 操作方便，便于双频感应淬火机实现国产化。
（２）国产双频感应淬火机对冷轧辊试淬过程和线 切割试块切片证明：在Ｃｒ２、Ｃｒｌ４状态下其控制功能和
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆａｉｌｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｃａｒＴｉｅｄ ｏｕｔ ｆｏｒ ｔｒｉａｌ ｐｍｄｕｃｔｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎ群ｈ ｔ印ｅｒ ｌｅａｆ ｓｐｒｉｎｇ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｍｅｔａｌｌｏｇｍｐｈｙ，
ｈａｒｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｆｈｃｔｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｐｒｉｎｇ ｆａｉｌｕｒｅ ｍａｉｎｌｙ ａｔｔｒｉｂｕｔｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｐｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ，ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ，ｓｈｏｔ ｐｅｅｎｉｎｇ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｌｅａｆ ｓｐｒｉｎｇ ｉｓ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ａｔ ９１５～９２５℃，ｔｈｅｎ ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ ａｔ ４７０～４８０℃ｆｏｒ ２ ｈ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｓｔｒｅｎ殍ｈｅｎｉｎｇ ｓｈｏｔ ｐｅｅｎｉｎｇ，ｔｈｅ ｓｅｎ，ｉｃｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｒｉｎｇｓ ｉｓ ｏｂｖｉｏｕｓ ｌｏｎｇｅｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ｐｍｐｅｎｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｒｉｎｇｓ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎ昏ｈ；ｌｅａｆ ｓｐｒｉｎｇ；ｆａｉｌｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ
应淬火机组（进口）投资成本的ｌ／ｌｏ以下，投资成本 低廉。
（４）国产双频感应淬火机组国内的建成投产，为 开拓双频感应淬火机的国产化开辟了新路。 参考文献： ［１］沈伟芳．武钢双频淬火机控制功能的改造［Ｊ］．冶金设
产品质量，不仅达到ＧＢ／Ｔ１３３１４国家标准，而且达到
备，１９９８（３）：２３－２５．
进口辊水平。
关键词：高强度；板弹簧；失效分析 中图分类号：ＴＧｌ５７ 文献标识码：Ｂ
文章编号：０２５４—６０５１（２００８）０８＿０１８０ｍ３
Ｆａｉｌｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ ｆｂｒ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｔａｐｅｒ ｌｅａｆ ｓｐｒｉｎｇ
ＣＡＩ Ｌｕｌ．ＷＡＮＧ ＩＪｅｉ２
丸，提高疲劳寿命‘３｜。
北京：机械工业出版社，１９鼹－
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《金属热处理》２００８年第３３卷第８期
万方数据
高强度变截面板弹簧失效分析及对策
作者： 作者单位：
刊名： 英文刊名： 年，卷(期)：
蔡璐， 王磊， CAI Lu， WANG Lei 蔡璐,CAI Lu(南京工程学院,材料学院,江苏,南京,211167)， 王磊,WANG Lei(南京依维柯Hale Waihona Puke Baidu 车有限公司,江苏,南京,210028)
采用以上热处理工艺制造的成品簧硬度为４９～
５２ ＨＲＣ，达到技术要求［２］。厂家按照上述工艺生产的
五批试制板弹簧在强化试验考核时，寿命均没有达到
２ 变截面少片簧生产工艺概况
某钢板弹簧制造厂的主要生产工艺流程如下：板
要求或疲劳寿命不稳定。关于５批试制板弹簧的工 艺、组织、性能、寿命情况见表２。
表２试制５批板弹簧的概况
图４ 改进后的板弹簧的宏观断口 Ｆ谚４ Ｍａｃｍｓｃｏｐｉｃ ｆｒａｃｔｕＩｅ ｏｆ
ｔｌｌｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｌｅａｆ ｓｐｒｉｎｇ
图５改进后板弹簧的扩展区的疲劳辉纹
Ｆｉ昏５ ＦａｔｉｇＩｌｅ ｓｔｒｉｐｅ ０ｆ ｔｈｅ ｉｍｐｍｖｅｄ ｌｅａｆ ｓｐｒｉｎｇ
（２）淬火加热装炉方式不合理是造成试制弹簧早
观断口疲劳特征仍然不明显。
图ｌ板弹簧的断裂源区为沿晶特征
Ｆｉｇ．１ Ｉｎｔｅｒｇｒａｎｕｌａｒ ｈ批ｔｕ阳ｏｆ ｃｒａｃｋ 耐ｇｉｎ ｏｆ ｔｌｌｅ ｌｅａｆ ｓ两ＩＩｇ
图２ 板弹簧的扩展区形貌
Ｆ幽ｃｔｕｒｅ Ｆｉ昏２
０ｆ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ａｒｅａ ｏｆｔＩＩｅ ｌｅａｆ ｓ面ＩＩｇ
《金属热处理》２００８年第３３卷第８期
（４）改进后的工艺明显提高了弹簧寿命，达到了 技术要求。 参考文献： ［１］ＩｖＥｃｏ标准１６＿５５０１，钢板弹簧疲劳寿命试验［ｓ］． ［２］南京依维柯企业标准Ｑ／１５Ｎ２８２０，变截面少片簧用弹簧
钢技术条件［ｓ］．
自由喷丸。以清除表面氧化物等，再进行应力强化喷
［３］中国机械工程学会材料学会主编．弹簧的失效分析［Ｍ］．
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万方数据
第４批淬火温度仍然为９２０℃，进一步提高回火 温度５００℃以增加产品的韧性。由于淬火操作不当组 织中出现少量铁素体，并且硬度偏低，故疲劳寿命 很低。
第５批工艺与第４批相同。在断口处取样进行分 析，心部组织与前相同，但板簧承载受拉表面的局部区 域组织异常，晶粒度粗大，晶界有黑色氧化网，断口呈 沿晶特征，见图３所示，具有过热特征，断裂起始于缺 陷区域。整体硬度在技术要求下限。现场调查发现， 板簧淬火采用油炉加热，炉长８ ｍ，共分布６个加热油 喷嘴。装炉方式恰好是承载受拉弧形凹面朝着喷油 嘴，瞬时烈焰高温极可能造成这些地方过热。检查刚 刚淬火后的板簧表面，确实发现表面有对应的烧伤 痕迹。
弹簧在服役过程中主要作用是缓冲、减震、储能、 统的多片簧明显增大，多片簧设计应力通常不超过
联接、密封及传递力和力矩等，汽车为弹簧的主要应用 产业，其中又以板簧的应用量最大。目前，在国外工业 化国家已经比较普遍地采用了由一片或两三片纵向变 截面弹簧组成的少片板簧来代替传统的纵向等截面多 片板簧。由于少片簧在设计上具有片数少、重量轻、平 顺性好等优点，能实现汽车轻量化和提高整车性能，已 逐渐在国内汽车上采用。由于少片簧的设计应力比传
综上所述，引起试制品早期失效的原因各不相同， 归纳为：①淬火加热温度高，材料韧性差；②回火温度 低、回火时间短，致使组织、硬度不理想，材料韧性差； ③回火温度高，强度低；④装炉方式不合理，出现过热 缺陷组织；⑤喷丸工艺不理想，实际调查发现５批弹簧 表面喷丸覆盖率较低且不均匀，没有达到强化喷丸的 效果。