高强度弹簧钢的发展现状和趋势
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
表 2 高强度弹簧钢研究开发的主要手段[1] T ab le 2 M a in m ea su res fo r strengthen ing sp ring steels[1]
钢种开发
加工方法的改善
①高硬度化: 增加碳含量
①喷丸处理
②改善韧性: 添加细化晶粒的元素; 降低碳 ②表面处理, 渗碳
含量
表 1 弹簧设计应力与弹簧质量的关系 T ab le 1 T he rela tion sh ip betw een designed stress
and w eigh t of sp ring
参数
钢 种 材料直径 mm 有效卷数 卷 质量 kg 质量比 %
900 SU P6 1219 5105 2195
由于悬挂弹簧的质量与设计应力的平方成正 比, 减轻弹簧质量最有效的方法便是提高弹簧的设 计应力。 表 1 给出了弹簧设计应力与弹簧质量的关 系[1]。 可见, 在弹簧性能不变的前提下, 随着设计应
力的提高, 弹簧线径和有效卷数减少, 弹簧可减重 40 %～ 50 %。因此, 伴随着汽车轻量化和铁路列车 的高速重载化, 弹簧的设计不断提高。如轿车悬挂弹 簧的设计应力, 在 20 世纪 70 年代为 900 M Pa, 80 年代提高到1 000～ 1 100 M Pa, 目前国外轿车螺旋 悬挂弹簧已开始普遍采用设计应力为1 200 M Pa 级 的新一代超高强度弹簧钢[2]。 这种弹簧钢将是今后 轿车用弹簧钢的主流。日本和韩国分别在 1991 年和 1996 年还先后成功地开发出设计应力名列世界第 一的1 300 M Pa 级的U H S2000、ND 250S (R K360) 等 新型弹簧钢, 但由于成本较高, 目前这些新型弹簧钢 仅局限在高级轿车上应用[3, 4 ]。
减退, 因而这两个因素成为当今弹簧钢钢种研究开 发 的 主 题, 如 近 来 开 发 出 U H S1900、U H S2000、 ND 120S 等耐腐蚀疲劳的高强度弹簧钢和 SR S60、 ND 250S 等弹减抗力优良的高强度弹簧钢。 表 2 是 研究开发高强度弹簧钢时通常采用的手段。 表 3 给 出了近年来研究开发的几种高强度弹簧钢。 值得注 意的是, 高强度弹簧钢新钢种的开发, 必须在提高钢 的力学性能和应用性能的同时兼顾其经济性, 才能 被广大用户所接受。
1180 2150 1180
1150 0190 1125 1145 2150
2150
化学成分 %
Mn
Cr
—
0125 0140 0130
1100 0180 1100
0150
0150
0180 1125 0155
0150 0150 0160
0180
0185
0150
1 前言 汽车、发动机制造业和铁路行业是弹簧钢的主
要用户。由于弹簧的工作条件十分苛刻, 对弹簧钢的 要求就十分严格。近年来, 随着汽车的轻量化和高性 能化, 迫切要求提高弹簧钢的强度, 提高弹簧的设计 应力; 随着国内火车运行速度的不断提高, 特别是货 车向高速、重载方向发展, 同样要求提高列车转向架 悬挂弹簧的强度, 延长疲劳寿命。 鉴于此, 国内外近 年来开展了大量的研究工作, 以期进一步提高弹簧 钢的强度水平和使用寿命。 2 弹簧钢的高强度化和发展趋势
为了提高弹簧的设计应力, 需提高弹簧钢的硬 度 (强度) , 如为了获得1 200 M Pa 级的设计应力, 要 求弹簧钢的硬度达到 HRC53。但是对于现有的弹簧
·68·
钢 铁 第 39 卷
钢如高 Si2M n 系的 SU P 7, 在这么高的硬度水平下 疲劳强度和弹减抗力会急剧下降。
⑥改善加工性能
厂 家
日本爱知 日本神户
日本大同
日本神户 美国
Rockw ell 美国 In land
日本大同
韩国浦项
钢 种
U H S1900 U H S2000 ND 120S
SR S60 SA E92592V
92V 45
92V 54 K360 ND 250S Si2C r2N i2V
(H a rb in In st itu te of T echno logy)
ABSTRACT W ith the developm en t of m odern t ran spo rta t ion indu st ry, there a re an increa sing need s fo r w eigh t and co st saving s. T herefo re, con siderab le effo rt s have been m ade in the developm en t of h igh p erfo rm ance sp ring steels w ith h igher st reng th and longer life these yea rs. In th is p ap er, the m ethod s to increa se the st reng th of sp ring steels and it’s develop ing t rend s a re review ed. A s a lloying m od ifica t ion is a lso an im po rtan t m ethod fo r the developm en t of h igh p erfo rm ance sp ring steels, the effect of a lloying elem en t s in the sp ring steels and the a lloying fea tu res of sp ring steels have a lso been d iscu ssed. KEY WO RD S sp ring steel, st reng th, a lloying elem en t s
1 200 1 200 1 300 1 200
1 100 级 1 100 级
抗拉强度 ≥1 950
1 300 级
1 300 级
3 弹簧钢合金化的研究进展 如前所述, 传统的弹簧钢的强度水平难以满足
现代工业发展的要求。 解决这一问题的一个重要途 径便是如何充分发挥合金元素的作用, 达到最佳合 金化效果。 311 碳含量的变化
如前所述, 提高弹簧钢的弹减抗力是目前弹簧 钢种研究开发的主要之一。因此, 近期对合金元素所 作的研究工作都是围绕这一问题的。
(1) Si 很多弹簧钢以硅为主要合金元素, 它是对弹减 抗力影响最大的合金元素, 这主要是由于硅具有强 烈的固溶强化作用; 同时, 硅能抑制渗碳体在回火过 程中的晶核形成和长大, 改变回火时析出碳化物的 数量、尺寸和形态, 提高钢的回火稳定性[5], 从而提 高位错运动的阻力, 显著提高弹簧钢的弹减抗力。据 报 导[6], 在 0160 % C 20190 %M n20120 %M o 的 钢 中, 随着硅含量增加, 碳化物颗粒数目增加, 而碳化 物颗粒尺寸和间距则缩小。因此, 近年来研制开发的 很多高强度弹簧钢均含有较高的硅, 如 R K360 含 2151 % Si, ND 250S 含 215 % Si[3], ND 120S 含 1170 % S i[7 ]。 关于提高弹减抗力作用最大的最佳硅含量, 各 个 研 究 者 得 出 的 数 据 至 今 仍 不 尽 相 同。 如 Kaw akam i 等[8, 9] 的研究结果表明, 在 Si2C r、Si2C r2 M o 和 Si2C r2V 钢中硅含量为 115 % 时作用最大, 并 据此开发出一种弹减抗力优异的新型弹簧钢 SR S60。大原等[10]对 SU P 9A 钢的结果表明, 硅含量 在 115 %～ 210 % 附近弹减抗力呈饱和状态, 超过 210 % 则下降。 新仓等认为 Si2M n 钢中硅含量为
为了克服弹簧钢强度提高后韧性和塑性降低的 难题, 也有把碳含量降低的趋势。当前纳入标准的弹 簧 钢 中 含 碳 较 低 的 有 日 本 的 SU P10 ( 0147 %～ 0155 % )、美国的 6150 (0148 %～ 0153 % )、德国的 38Si7 (0135 %～ 0142 % )、法国的 45C 4 (0141 %～
第 1 期 徐德祥等: 高强度弹簧钢的发展现状和趋势
·69·
0148 % ) 等。 国内对低碳马氏体弹簧钢进行了深入 的 研 究[5], 并 开 发 出 了 一 系 列 的 低 碳 弹 簧 钢, 如 28SiM nB、35SiM nB、26Si2M nC rV 等, 其碳含 量 在 0130 % 左右。 研究结果表明, 这些弹簧钢可以在低 温回火的板条状马氏体组织下使用, 有足够强度和 优良的综合力学性能, 尤其是塑、韧性极好。 日本最 近研究开发的 几 种 高 强 度 弹 簧 钢, 如 U H S1900、 U H S2000、ND 120S、ND 250S 等, 碳 含 量 均 在 0140 % 左右, 见表 3[3 ]。
THE TEND ENCY TO H IGH STRENGTH O F SPR ING STEEL S AND THE EFFECT O F ALLOY ING EL EM ENTS
XU D ex iang Y IN Zhongda
(B eim an Sp ecia l Steel Co. , L td. )
及氮化处理
③提高疲劳性能: 减少夹杂物的数量和控制 ③ 强压处理 夹杂物的形态; 改善钢材表面状况 (粗糙 度、表面缺陷和脱碳)
④改善弹减抗力: 固溶强化 (高硅化) ; 晶粒 细化; 析出强化 (添加M o、V 等) ; 提高硬 度 (低温回火)
⑤ 改善环境敏感 性 ( 延 迟 断 裂、腐 蚀 疲 劳 等) : 添加合金元素
可见, 降低弹簧钢中的碳含量是研究开发新一 代超高强度弹簧钢的一个重要手段。此时, 因碳含量 降低所造成的强度和硬度降低可通过优化合金元素 和降低回火温度来实现。 312 合金元素作用
合金元素在弹簧钢中的主要作用是提高力学性 能、改善工艺性能及赋予某些特殊性能 (如耐高温、 耐蚀) 等, 对此已有相当的了解。 但随着弹簧钢进一 步的高强度化和长寿命化, 特别是要满足一些新的 性能要求, 必须对合金元素的作用有更加深入的了 解。
第 39 卷 第 1 期 2004 年 1 月
·综合论述·
钢 铁 IRON AND ST EEL
V o l. 39, N o. 1 January 2004
Baidu Nhomakorabea
高强度弹簧钢的发展现状和趋势
徐德祥 尹钟大
(北满特殊钢公司) (哈尔滨工业大学)
摘 要 随着现代交通运输业的不断发展, 对弹簧钢的性能要求越来越高, 迫切要求提高弹簧钢的强度和延 长使用寿命。对此, 国内外近年来开展了大量的研究工作。评述了弹簧钢高强度化的途径和发展趋势、弹簧钢 中碳和各种合金元素的作用及其合金化特点。 关键词 弹簧钢 强度 合金元素
100
最大应力 M Pa 1 000 1 100 1 200 SU P7 SR S60 N 120K 1215 1211 1117 4145 3191 3142 2152 2115 1183 8514 7219 6210
1 300 ND 250S
1114 3108 1161 5416
目前弹簧钢的发展趋势是向经济性和高性能化 方向发展。 国外现有弹簧钢钢号比较齐全, 力学性 能、淬透性和疲劳性能等基本上可以满足目前的生 产和使用要求。目前, 一方面是充分发挥现有弹簧钢 的潜力, 如改进生产工艺、采用新技术、对成分进行 某些调整等, 进一步提高其性能, 扩大应用范围, 如 针对发动机用高性能气门而提出的超纯净弹簧钢; 另一方面是进行新钢种的研究开发, 由于影响提高 弹簧设计应力的两个最主要因素是抗疲劳和抗弹性
0150
特殊元素
N i, V
N i, Cu, T i, V M o,V
V 0120、N i 0150 B 01001 5 —
— — —
N i 2100 M o 0140
N i 2100
其他 低S — —
Nb
V 0120 V 0111
V 0115
V 0115 V 0120
-
设计应力 M Pa
表 3 近年来新研制的几种高强度悬挂弹簧钢
T ab le 3 Som e h igh2strength sp ring steels develop ed recen tly
C
0140 0140 0140 0160 0159 0149 0154 0140 0157
Si 低 C2Si2M n
碳是钢中的主要强化元素, 对弹簧钢性能的影 响往往超过其他合金元素。 弹簧钢需要较高的强度 和疲劳极限, 一般在淬火+ 中温回火的状态下使用,
以获得较高的弹性极限。为保证强度, 弹簧钢中必须 含有足够的碳。 但随钢中碳含量的上升, 钢的塑性、 韧性会急剧下降。 当前世界各国所广泛使用的弹簧 钢, 碳含量绝大部分在 0145 %～ 0165 %。
钢种开发
加工方法的改善
①高硬度化: 增加碳含量
①喷丸处理
②改善韧性: 添加细化晶粒的元素; 降低碳 ②表面处理, 渗碳
含量
表 1 弹簧设计应力与弹簧质量的关系 T ab le 1 T he rela tion sh ip betw een designed stress
and w eigh t of sp ring
参数
钢 种 材料直径 mm 有效卷数 卷 质量 kg 质量比 %
900 SU P6 1219 5105 2195
由于悬挂弹簧的质量与设计应力的平方成正 比, 减轻弹簧质量最有效的方法便是提高弹簧的设 计应力。 表 1 给出了弹簧设计应力与弹簧质量的关 系[1]。 可见, 在弹簧性能不变的前提下, 随着设计应
力的提高, 弹簧线径和有效卷数减少, 弹簧可减重 40 %～ 50 %。因此, 伴随着汽车轻量化和铁路列车 的高速重载化, 弹簧的设计不断提高。如轿车悬挂弹 簧的设计应力, 在 20 世纪 70 年代为 900 M Pa, 80 年代提高到1 000～ 1 100 M Pa, 目前国外轿车螺旋 悬挂弹簧已开始普遍采用设计应力为1 200 M Pa 级 的新一代超高强度弹簧钢[2]。 这种弹簧钢将是今后 轿车用弹簧钢的主流。日本和韩国分别在 1991 年和 1996 年还先后成功地开发出设计应力名列世界第 一的1 300 M Pa 级的U H S2000、ND 250S (R K360) 等 新型弹簧钢, 但由于成本较高, 目前这些新型弹簧钢 仅局限在高级轿车上应用[3, 4 ]。
减退, 因而这两个因素成为当今弹簧钢钢种研究开 发 的 主 题, 如 近 来 开 发 出 U H S1900、U H S2000、 ND 120S 等耐腐蚀疲劳的高强度弹簧钢和 SR S60、 ND 250S 等弹减抗力优良的高强度弹簧钢。 表 2 是 研究开发高强度弹簧钢时通常采用的手段。 表 3 给 出了近年来研究开发的几种高强度弹簧钢。 值得注 意的是, 高强度弹簧钢新钢种的开发, 必须在提高钢 的力学性能和应用性能的同时兼顾其经济性, 才能 被广大用户所接受。
1180 2150 1180
1150 0190 1125 1145 2150
2150
化学成分 %
Mn
Cr
—
0125 0140 0130
1100 0180 1100
0150
0150
0180 1125 0155
0150 0150 0160
0180
0185
0150
1 前言 汽车、发动机制造业和铁路行业是弹簧钢的主
要用户。由于弹簧的工作条件十分苛刻, 对弹簧钢的 要求就十分严格。近年来, 随着汽车的轻量化和高性 能化, 迫切要求提高弹簧钢的强度, 提高弹簧的设计 应力; 随着国内火车运行速度的不断提高, 特别是货 车向高速、重载方向发展, 同样要求提高列车转向架 悬挂弹簧的强度, 延长疲劳寿命。 鉴于此, 国内外近 年来开展了大量的研究工作, 以期进一步提高弹簧 钢的强度水平和使用寿命。 2 弹簧钢的高强度化和发展趋势
为了提高弹簧的设计应力, 需提高弹簧钢的硬 度 (强度) , 如为了获得1 200 M Pa 级的设计应力, 要 求弹簧钢的硬度达到 HRC53。但是对于现有的弹簧
·68·
钢 铁 第 39 卷
钢如高 Si2M n 系的 SU P 7, 在这么高的硬度水平下 疲劳强度和弹减抗力会急剧下降。
⑥改善加工性能
厂 家
日本爱知 日本神户
日本大同
日本神户 美国
Rockw ell 美国 In land
日本大同
韩国浦项
钢 种
U H S1900 U H S2000 ND 120S
SR S60 SA E92592V
92V 45
92V 54 K360 ND 250S Si2C r2N i2V
(H a rb in In st itu te of T echno logy)
ABSTRACT W ith the developm en t of m odern t ran spo rta t ion indu st ry, there a re an increa sing need s fo r w eigh t and co st saving s. T herefo re, con siderab le effo rt s have been m ade in the developm en t of h igh p erfo rm ance sp ring steels w ith h igher st reng th and longer life these yea rs. In th is p ap er, the m ethod s to increa se the st reng th of sp ring steels and it’s develop ing t rend s a re review ed. A s a lloying m od ifica t ion is a lso an im po rtan t m ethod fo r the developm en t of h igh p erfo rm ance sp ring steels, the effect of a lloying elem en t s in the sp ring steels and the a lloying fea tu res of sp ring steels have a lso been d iscu ssed. KEY WO RD S sp ring steel, st reng th, a lloying elem en t s
1 200 1 200 1 300 1 200
1 100 级 1 100 级
抗拉强度 ≥1 950
1 300 级
1 300 级
3 弹簧钢合金化的研究进展 如前所述, 传统的弹簧钢的强度水平难以满足
现代工业发展的要求。 解决这一问题的一个重要途 径便是如何充分发挥合金元素的作用, 达到最佳合 金化效果。 311 碳含量的变化
如前所述, 提高弹簧钢的弹减抗力是目前弹簧 钢种研究开发的主要之一。因此, 近期对合金元素所 作的研究工作都是围绕这一问题的。
(1) Si 很多弹簧钢以硅为主要合金元素, 它是对弹减 抗力影响最大的合金元素, 这主要是由于硅具有强 烈的固溶强化作用; 同时, 硅能抑制渗碳体在回火过 程中的晶核形成和长大, 改变回火时析出碳化物的 数量、尺寸和形态, 提高钢的回火稳定性[5], 从而提 高位错运动的阻力, 显著提高弹簧钢的弹减抗力。据 报 导[6], 在 0160 % C 20190 %M n20120 %M o 的 钢 中, 随着硅含量增加, 碳化物颗粒数目增加, 而碳化 物颗粒尺寸和间距则缩小。因此, 近年来研制开发的 很多高强度弹簧钢均含有较高的硅, 如 R K360 含 2151 % Si, ND 250S 含 215 % Si[3], ND 120S 含 1170 % S i[7 ]。 关于提高弹减抗力作用最大的最佳硅含量, 各 个 研 究 者 得 出 的 数 据 至 今 仍 不 尽 相 同。 如 Kaw akam i 等[8, 9] 的研究结果表明, 在 Si2C r、Si2C r2 M o 和 Si2C r2V 钢中硅含量为 115 % 时作用最大, 并 据此开发出一种弹减抗力优异的新型弹簧钢 SR S60。大原等[10]对 SU P 9A 钢的结果表明, 硅含量 在 115 %～ 210 % 附近弹减抗力呈饱和状态, 超过 210 % 则下降。 新仓等认为 Si2M n 钢中硅含量为
为了克服弹簧钢强度提高后韧性和塑性降低的 难题, 也有把碳含量降低的趋势。当前纳入标准的弹 簧 钢 中 含 碳 较 低 的 有 日 本 的 SU P10 ( 0147 %～ 0155 % )、美国的 6150 (0148 %～ 0153 % )、德国的 38Si7 (0135 %～ 0142 % )、法国的 45C 4 (0141 %～
第 1 期 徐德祥等: 高强度弹簧钢的发展现状和趋势
·69·
0148 % ) 等。 国内对低碳马氏体弹簧钢进行了深入 的 研 究[5], 并 开 发 出 了 一 系 列 的 低 碳 弹 簧 钢, 如 28SiM nB、35SiM nB、26Si2M nC rV 等, 其碳含 量 在 0130 % 左右。 研究结果表明, 这些弹簧钢可以在低 温回火的板条状马氏体组织下使用, 有足够强度和 优良的综合力学性能, 尤其是塑、韧性极好。 日本最 近研究开发的 几 种 高 强 度 弹 簧 钢, 如 U H S1900、 U H S2000、ND 120S、ND 250S 等, 碳 含 量 均 在 0140 % 左右, 见表 3[3 ]。
THE TEND ENCY TO H IGH STRENGTH O F SPR ING STEEL S AND THE EFFECT O F ALLOY ING EL EM ENTS
XU D ex iang Y IN Zhongda
(B eim an Sp ecia l Steel Co. , L td. )
及氮化处理
③提高疲劳性能: 减少夹杂物的数量和控制 ③ 强压处理 夹杂物的形态; 改善钢材表面状况 (粗糙 度、表面缺陷和脱碳)
④改善弹减抗力: 固溶强化 (高硅化) ; 晶粒 细化; 析出强化 (添加M o、V 等) ; 提高硬 度 (低温回火)
⑤ 改善环境敏感 性 ( 延 迟 断 裂、腐 蚀 疲 劳 等) : 添加合金元素
可见, 降低弹簧钢中的碳含量是研究开发新一 代超高强度弹簧钢的一个重要手段。此时, 因碳含量 降低所造成的强度和硬度降低可通过优化合金元素 和降低回火温度来实现。 312 合金元素作用
合金元素在弹簧钢中的主要作用是提高力学性 能、改善工艺性能及赋予某些特殊性能 (如耐高温、 耐蚀) 等, 对此已有相当的了解。 但随着弹簧钢进一 步的高强度化和长寿命化, 特别是要满足一些新的 性能要求, 必须对合金元素的作用有更加深入的了 解。
第 39 卷 第 1 期 2004 年 1 月
·综合论述·
钢 铁 IRON AND ST EEL
V o l. 39, N o. 1 January 2004
Baidu Nhomakorabea
高强度弹簧钢的发展现状和趋势
徐德祥 尹钟大
(北满特殊钢公司) (哈尔滨工业大学)
摘 要 随着现代交通运输业的不断发展, 对弹簧钢的性能要求越来越高, 迫切要求提高弹簧钢的强度和延 长使用寿命。对此, 国内外近年来开展了大量的研究工作。评述了弹簧钢高强度化的途径和发展趋势、弹簧钢 中碳和各种合金元素的作用及其合金化特点。 关键词 弹簧钢 强度 合金元素
100
最大应力 M Pa 1 000 1 100 1 200 SU P7 SR S60 N 120K 1215 1211 1117 4145 3191 3142 2152 2115 1183 8514 7219 6210
1 300 ND 250S
1114 3108 1161 5416
目前弹簧钢的发展趋势是向经济性和高性能化 方向发展。 国外现有弹簧钢钢号比较齐全, 力学性 能、淬透性和疲劳性能等基本上可以满足目前的生 产和使用要求。目前, 一方面是充分发挥现有弹簧钢 的潜力, 如改进生产工艺、采用新技术、对成分进行 某些调整等, 进一步提高其性能, 扩大应用范围, 如 针对发动机用高性能气门而提出的超纯净弹簧钢; 另一方面是进行新钢种的研究开发, 由于影响提高 弹簧设计应力的两个最主要因素是抗疲劳和抗弹性
0150
特殊元素
N i, V
N i, Cu, T i, V M o,V
V 0120、N i 0150 B 01001 5 —
— — —
N i 2100 M o 0140
N i 2100
其他 低S — —
Nb
V 0120 V 0111
V 0115
V 0115 V 0120
-
设计应力 M Pa
表 3 近年来新研制的几种高强度悬挂弹簧钢
T ab le 3 Som e h igh2strength sp ring steels develop ed recen tly
C
0140 0140 0140 0160 0159 0149 0154 0140 0157
Si 低 C2Si2M n
碳是钢中的主要强化元素, 对弹簧钢性能的影 响往往超过其他合金元素。 弹簧钢需要较高的强度 和疲劳极限, 一般在淬火+ 中温回火的状态下使用,
以获得较高的弹性极限。为保证强度, 弹簧钢中必须 含有足够的碳。 但随钢中碳含量的上升, 钢的塑性、 韧性会急剧下降。 当前世界各国所广泛使用的弹簧 钢, 碳含量绝大部分在 0145 %～ 0165 %。