汽车工业是弹簧钢的最大用户

汽车工业是弹簧钢的最大用户，约消耗弹簧钢产量的60%。弹簧钢约占汽车用钢材重量比例的5～6%，其典型用途为悬架用弹簧钢和气门弹簧钢。一辆轿车整车用钢量约850～900kg，其中悬架簧约10～15kg，占用钢总量的1.5%左右。虽然悬架用弹簧钢只占一小部分比重，但却在很大程度上代表了弹簧制造加工产业链在冶炼、轧制、热处理、机械加工方面的整体技术水平。

    悬架簧简介

    车辆悬架直接影响着汽车的行驶平顺性，是反映整车品质的一个重要标准。轿车悬架簧用于车轮的减震，分为前、后悬架簧，通常用合金钢丝绕制成螺旋弹簧。轿车用悬架弹簧钢丝和阀门弹簧钢丝代表着弹簧钢的质量水平和发展方向。

轿车悬架簧用线材一般以Φ10～16mm为主，钢种主要为60Si2Mn、55SiCr、50CrV等。目前世界各国悬架弹簧用钢主要系列为：Si-Mn系、Cr-V系、Si-Cr系等高强韧性和松弛抗力的微合金化弹簧钢。各国常用轿车的悬架簧材料牌号如表1；几类典型轿车的悬架簧材料特征如表2。

    表1
    各国常用轿车的悬架簧材料牌号

表2
    几类典型轿车的悬架簧材料特征

悬架簧钢丝市场分析

    1 国内轿车发展趋势

    据报道，从对全球20个具有代表性国家长达70年的考察可以看出：人均国民生产总值（GDP）与汽车普及率存在显著的相关关系，呈现出汽车拥有率随着人均收入水平上升而增长的普遍趋势，如表所示。

    表3
    人均收入水平与汽车普及率的关系

       

03年、04年我国人均GDP分别达到1000美元和1200美元，政府计划到2020年实现人均GDP3000美元。我国国民经济近年的快速发展和国民收入水平的提高，带动了轿车市场需求的高速增长，而04年全国汽车保有量仅2742万辆，其中轿车920万辆。我国过低的轿车人均保有量显示出我国轿车需求的巨大潜力。按2010年，13亿国民，轿车普及率为16辆/千人计算，则那时我国的轿车保有量约为2080万辆；在不考虑每年轿车更新数目的情况下，2005～2010年轿车年均需求增长率仍将达到14.2%左右。

    据统计，01年轿车产量71.9万辆，占汽车总产量的30.7
    %，同比增长18.5%。02年、03年轿车产量分别为123.0万辆和201.2万量，增长幅度高达60～70%以上。04年轿车产量225.1万辆，同比增长11.9%。05年上半年轿车产量已达134.2万辆。近年来，我国汽车工业快速发展，已一跃成为汽车生产大国，其中轿车的比重增长迅猛（见表4）。

表4
    近年来国产轿车年产量表

据国务院发展研究中心预测(以GDP增长速度8%为预测背景)，2005年，我国汽车总需求量为593万辆，其中轿车为294万量；2010年，汽车总需求量为994万辆，其中轿车为606万量；2015年，汽车总需求量为1457万辆，其中轿车为1126万量；2020年，汽车总需求量为2074万辆，其中轿车为2043万量。

    2 悬架簧钢丝的需求量

    汽车行业的快速发展对弹簧制造行业产生着明显的拉动作用。02年汽车悬架弹簧需求为700万件，03年汽车悬架弹簧需求量约1000万件，悬架弹簧已成为弹簧制造行业最主要的产品。根据表2各类轿车悬架弹簧的单重，不考虑轿车备件及制簧过程中的材料损耗，取每个悬架弹簧2.75kg保守计算（与有关文献按每30万辆轿车需4000～5000吨弹簧钢的估算方法比较而言），则2010年、2015年和2020年轿车产量与悬架簧钢丝需求量如下表5：

    表5  2010年～2020年轿车悬架簧钢丝需求量预测

       

90年代以来国内新上马了近十条弹簧钢丝生产线和五、六家生产弹簧钢的特钢厂，但在质量方面与日、德一流产品比还有差距，国内悬架弹簧产品主要用于中低档轿车、微型车、摩托车等低端市场。高要求轿车的悬架弹簧材料相当一部分仍需要从国外进口。

     悬架簧钢丝对线材的要求

1
    悬架簧钢丝的主要生产工艺

    
    悬架簧钢丝的生产，从炼钢到线材，直至金属制品都有严格的工艺质量要求。在冶炼和精炼过程中，严格控制夹杂物的组成、成份偏析、气体含量和残余元素含量，并通过渣处理，使脆性夹杂物转变为可塑性夹杂物。在轧制过程中，采用精整剥皮工艺控制方坯的表面质量；降低加热温度和在炉时间，减少表面脱碳；线材轧制时应避免折叠和表面划伤，通过控制冷却获得均匀的金相组织，达到线材表面无脱碳、无缺陷、内部组织均匀化。冶炼、轧制等主要工序如下：

    电炉/转炉→精炼→连铸（模铸/大方连铸→开坯）→坯料探伤精整→加热→线材轧制→包装出厂

    悬架簧的制造方式有两种：热卷成簧和冷卷成簧，其主要工序分别如下：

    弹簧直条（冷拉退火钢丝/热轧退火剥皮抛光料）→热卷簧→油淬火、回火→磨削、抛丸→热强压→整型→负荷分类→包装

    油淬火回火钢丝→冷卷簧→去应力→磨削、抛丸→热强压→整型→负荷分类→包装

    
    无论是采用热卷成簧或冷卷成簧工艺都离不开对卷簧材料的油淬火回火工序。由于油淬火回火钢丝疲劳值高，屈强比高，平直度好，绕制的弹簧形状稳定、力学性能稳定、材料损耗小，是弹簧厂用料的发展方向。油淬火回火钢丝的主要加工工艺如下：

    线材→表面处理（酸洗/剥皮/抛丸/探伤）→拉丝定径→感应加热→油淬火→回火→冷却（探伤）→卷取

    2 对线材的实物质量要求

    
    弹簧使用的最主要特性为抗疲劳性和抗弹性减退能力。大量的统计分析表明，弹簧的主要失效模式是疲劳断裂和弹性松弛。因此对弹簧钢的性能要求为：高的弹性极限和松弛抗力；良好的淬透性和合适的淬硬性；高的断裂韧性和应变疲劳寿命；良好的冶金工艺性能和成形性；并且有一定的耐磨性和抗蚀性等。

    
    优质的悬架簧离不开优质的弹簧钢线材。轿车悬架簧用线材是高水平的弹簧钢，对钢的纯净度、尺寸精度、表面质量有严格的要求。质量方面要重点控制非金属夹杂物、脱碳和表面缺陷。在材料改进方面要重点研究高抗弹减性、抗疲劳性和高强度特性。为顺应汽车向轻量化方向发展，还应着力开发允许设计应力为1200MPa～1300MPa，甚至1500MPa的新型悬架簧材料。
    

    尺寸公差。拉丝实践证明，线材的直径精度对减少拉丝模磨损、减低能耗、减少断丝保证拉拔稳定进行具有重要意义。悬架簧用线材的直径公差要求控制在±0.2mm。椭圆度不大于直径公差的60%。

    
    表面质量。线材表面的裂纹、折叠、划伤等缺陷严重影响钢丝的质量，降低悬架簧的疲劳寿命。线材表面应光滑，不得有裂纹、折叠、结疤、耳子等。局部的凸块、凹坑、麻面等缺陷，其深/高度不得大于0.10mm。在线材用料中要注重提高坯料的表面精整质量；在轧制过程中要重点控制折叠和划伤的产生；在运输仓储环节中要避免表面划伤，建议采用外包装交货。

    力学性能。力学性能要求优良并且波动小。线材通条抗拉强度波动范围≤40MPa，断面收缩率波动范围≤15%。

    金相组织。索氏体含量≥85%；游离态铁素体对疲劳寿命有较大影响，应控制≤1.5%；晶粒度为8级以上。不得有马氏体。

    夹杂物。夹杂物作为疲劳裂纹源引发的疲劳裂纹的扩展，最终导致弹簧断裂所造成的弹簧失效已成为弹簧破损最主要的原因之一。特别是在高压应力条件下使用的弹簧钢，疲劳极限与硬度之间不在成线性关系，当材料硬度超过HV400以后，原来不成问题的显微夹杂物也将成为疲劳裂纹源，使材料的疲劳极限下降，而汽车悬架簧通常在HV430～535范围内使用。

悬架簧对钢质纯净度要求不得有大于15μm的脆性夹杂物。降低夹杂物含量，改善弹簧钢的夹杂物形态和分布，对提高疲劳极限十分重要。下表为一些知名弹簧钢线材的非金属夹杂物含量控制水平。

    表6
    一些知名弹簧钢线材的非金属夹杂物含量控制水平

注：GB105461-89评级图-ASTM标准；JIS
    G0555-1997。

    表面脱碳。表面脱碳会引起表面硬度降低，易再加工中形成表面疲劳裂纹源，对悬架簧的疲劳寿命有重要影响。要求线材表面总脱碳层不大于线材公称直径的≤1%，避免全脱碳。

    

     化学成份。碳含量的波动，会引起力学性能波动；碳含量与抗拉强度正相关，与断面收缩率负相关；另一方面，减少碳含量可降低脱碳，提高成形性和抗弹减性。碳含量的波动范围应小于0.02～0.03%。硅具有高的固溶强化作用，对提高弹减抗力有利，硅含量过高易形成硅酸盐夹杂和产生脱碳倾向。锰可以加强弹簧的强度和淬透性，但也增加了钢的热敏感性和回火脆性。如高品质55SiCr中，硅和锰的含量一般在1.33～1.45%和0.67～0.69%。硫和磷含量要严格控制，高质量悬架簧产品要求硫和磷含量分别≤0.01%和≤0.015%。氧含量≤15ppm；氮含量≤35ppm。

伴随着国内轿车市场的稳定增长，预计2010年、2015年轿车悬架簧钢丝的市场需求量将分别达到6.6万吨和12.39万吨，2020年前后的需求量将达到22.47万吨左右。高质量的线材是生产优质轿车悬架簧钢丝的基础。由于悬架簧使用特性的要求和国产轿车质量要求的提升，将对线材原料的质量和数量提出更高的要求，我国线材制造厂应在质量改进、新产品研发上积极作为，以进一步满足国产轿车工业发展的需要，不断提高我国轿车用弹簧钢的生产技术水平和原料供应质量。