弹簧钢新技术与方向

    影响弹簧设计应力的两个最主要因素是抗疲劳性能和抗弹性减退能力。为了提高弹簧钢的设计应力，必须开发抗疲劳和抗弹性减退的新型弹簧钢。为此，在冶炼技术、热处理工艺和化学成分等方面均需要产生新技术。在炼钢方面，近年来广泛应用钢包精炼、真空脱气、连铸等技术，使钢中氧含量小于15ppm。减少影响疲劳性能的非金属夹杂物含量，改变夹杂物形态和粒度，提高弹簧的疲劳极限。
    在弹簧钢种化学成分不变的情况下，弹簧的自重随设计应力的提高而不断下降。作为热成形悬接弹簧钢，日本过去大量使用的SUP6（Si-Mn钢），它的极限应力值是882MPa。从1978年起开始用含硅较多的SUP7（Si-Mn钢）来替代，设计应力提高到980MPa，使弹簧减重约20％。有一个发展动向值得注意，那就是轿车螺旋悬架弹簧逐渐由热成形改为冷成形，所用钢丝由SUP6改用SUP7或SUP12（Si-Cr钢），钢丝的强度极限达到1764-1960MPa。为了提高弹性减退抗力，开发了以Si-Mn钢为基础、添加钒和铌来细化晶粒，并采用碳氮化物沉淀硬化的新钢种，设计应力可达1078MPa。现在及将采用的目标是开发设计应力为1176-1274MPa甚至更高的弹簧钢，并且使之商业化。
    美国经常使用的弹簧钢是9260、9254、6150、5160，尤以5160（H）和9260应用最广，其含碳量一般在0.45％-0.60％。多年来5160是美国螺旋悬架弹簧钢的主要钢种，当对抗弹减性能要求较高时选用9260钢。
    人们早已知道抗弹减性能与钢中的硅含量成正比，然而硅促进铁素体的形成（脱碳），因此开发了9259钢，其硅含量中等，具有良好的抗弹减性能。目前9259弹簧钢是北美的主要螺旋悬架弹簧钢。由于9254钢比9259钢的硅含量高，可提供更好的抗弹性减退性能。北美油回火钢丝工业多年来一直采用9254钢生产冷卷弹簧，日本同样采用9254钢生产热卷悬架弹簧，9254钢在北美和日本的用量都在逐步增加。
    任何一个螺旋悬架弹簧都要经淬火和回火处理以得到马氏体组织，处理后硬度一般HRC48-51。弹簧在工作状态时承受剪切应力，其表面的工作应力最大，因此它对表面的缺陷十分敏感。弹簧表面经喷丸处理后形成压应力，此时表面的应力最大，从而内部缺陷成为断裂的根源。钢的疲劳强度随着抗拉强度的提高而增大，但是当钢的强度达到一定值时，疲劳强度与抗拉强度的直线关系存在与否取决于钢中是否存在夹杂物。若存在夹杂物将降低钢的疲劳强度，因此控制钢中夹杂物的组成、形态和分布成为高强度弹簧钢研究开发的重点。
    在过去的10年中，美国数家公司独立研究开发了微合金超高强度弹簧钢。与上述目前常用的弹簧钢相比，微合金超高强度弹簧钢的抗拉强度可达2000Pa，同时疲劳寿命和抗弹性减退性能保持不变或更好。结果是在成本提高不多的条件下，获得了减重和节省空间的效果。微合金超高强度弹簧钢的目标是在正常的热卷／冷卷工艺下满足下列要求：硬度为H RC52－55时具有良好的塑性；较目前的钢种有相同或更好的抗疲劳性能；较目前的钢种有相同或更好的抗弹性减退性能。
    研究开发微合金超高强度弹簧钢的思路有两个：一是在现有的9259钢或9254钢中添加微量合金元素，如92V54钢；二是借鉴航空用超高强度钢的经验，将碳含量降低并添加钒和钼，如92V45钢。微合金超高强度弹簧钢与基础的9259钢相比，可减轻弹簧重量16％。
    弹簧钢钢种的发展方向是开发设计应力为1176-1274M Pa或更高的弹簧钢。另一个发展方向是降低碳含量，减小脱碳倾向，提高塑性成形性和抗弹性减退性能。在新钢种开发中，除应重视耐疲劳性能、抗弹性减退性和淬透性外，还应重视耐蚀性，防止悬架弹簧表面出现蚀坑，以致造成应力腐蚀疲劳破坏。