1非調(diào)質(zhì)鋼中國專用汽車網(wǎng)漢陽專用汽車研究所中國汽車技術(shù)研究中心

1、汽車結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)及發(fā)展趨勢前言迄今為止，在各類汽車材料中，鋼鐵材料占有的比例最高。德國家庭用車的材料中，鋼材占58%，雪鐵龍富康轎車，鋼材占全部材料用量的54%，美國中型轎車材料中，鋼材占51%，可見鋼材仍是汽車制造中的基本材料。而鋼材中結(jié)構(gòu)鋼比例占36%。結(jié)構(gòu)鋼以其資源豐富、生產(chǎn)規(guī)模大、易于加工、性能多樣、價(jià)格低廉、使用方便和便于回收等特性成為重要的汽車材料。結(jié)構(gòu)鋼多用于動(dòng)力、傳動(dòng)、承載等總成部位的關(guān)鍵和重要零部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、車橋懸架等的齒輪、軸桿、彈簧類零件等，因此可以說結(jié)構(gòu)鋼是保證汽車運(yùn)行性能的核心部件的制造材料。近年來，隨著汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，新型合金結(jié)構(gòu)鋼不斷涌現(xiàn)。進(jìn)入21世紀(jì)

2、后，隨著節(jié)能、環(huán)保的法規(guī)要求和意識(shí)的提高，減輕汽車自身質(zhì)量成為了降低汽車燃料消耗及減少有害氣體排放的有效措施之一，減重、安全和節(jié)能以及汽車性能的提高都和合結(jié)鋼的性能改進(jìn)、提高密切相關(guān)。近年來，冶金技術(shù)的進(jìn)步，如爐外精煉、鋼包合金化、真空處理等使結(jié)構(gòu)鋼高純凈度化、合金成分嚴(yán)格控制、淬透性窄帶控制等成為可能。而電磁攪拌的應(yīng)用可使連鑄坯的偏析明顯下降，使之合金成份的均勻性提高，連鑄連軋的技術(shù)進(jìn)展，使鋼材的生產(chǎn)成本下降，生產(chǎn)率提高，這些因素都使為汽車工業(yè)提供高性能、低成本的材料成為可能。1非調(diào)質(zhì)鋼1.1 國際汽車用非調(diào)質(zhì)鋼發(fā)展?fàn)顩r及趨勢汽車用微合金非調(diào)質(zhì)鋼是20世紀(jì)70年代伴隨著第二次石油危機(jī)而開發(fā)的

3、新鋼種。微合金非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)化機(jī)理是在中碳鋼的基礎(chǔ)上添加微量合金元素釩、鈦、鈮等，通過控制軋制或鍛造過程的冷卻速度，使其在基體組織中因彌散析出碳、氮的化合物而得到強(qiáng)化，使其在不需要后續(xù)熱處理的情況下其性能指標(biāo)達(dá)到調(diào)質(zhì)鋼的水平，從而節(jié)省了能源，減少了生產(chǎn)工序，降低了成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。另外由于省略了調(diào)質(zhì)工序，減少了零件在熱處理工序產(chǎn)生的淬火裂紋和變形等一系列的質(zhì)量問題，對產(chǎn)品質(zhì)量的提升也有一定的好處。非調(diào)質(zhì)鋼首先美國得到應(yīng)用，早在六十年代美國在sae1140鋼的基礎(chǔ)上提高錳含量添加微合金元素鍛造后不經(jīng)過調(diào)質(zhì)應(yīng)用于轎車汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的制造。七十年代初期，德國開發(fā)了49mnvs3，用于汽車曲軸等零件的

4、。日本各鋼鐵公司和汽車制造廠家對非調(diào)質(zhì)鋼進(jìn)行了大量的研究工作并開發(fā)了一系列鋼種，應(yīng)用于汽車曲軸、半軸、輪轂軸、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂等零部件的制造。美國、法國、意大利、英國均分別研究開發(fā)了具有自己特色的微合金非調(diào)質(zhì)鋼系列。美國1994年公布了軋制狀態(tài)應(yīng)用的非調(diào)質(zhì)鋼標(biāo)準(zhǔn)（astma920/a920m-93）和熱軋后在鍛造的非調(diào)質(zhì)鋼標(biāo)準(zhǔn)（astma921/a921m-93），1992年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織公布了非調(diào)質(zhì)鋼標(biāo)準(zhǔn)提案（iso11692），其中也是分成軋制狀態(tài)應(yīng)用的非調(diào)質(zhì)鋼和熱軋后再鍛造的非調(diào)質(zhì)鋼兩類計(jì)10個(gè)牌號(hào)。非調(diào)質(zhì)鋼按其強(qiáng)韌性可以分4類，如表1。表1非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)韌性分類組織基本成分rm/mpa

5、akv適用部件基本型f+p中碳+v700-9000-50連桿、曲軸、輪轂軸、轉(zhuǎn)向節(jié)臂等高韌性型f+p中碳+高mn+v+ti低碳+高mn+v+s700-90050-100轉(zhuǎn)向節(jié)臂、輪轂軸、高強(qiáng)度型f+b中碳+高mn+v+ti高碳+mn+v+s900-10500-50連桿、輪轂軸高強(qiáng)度高韌性m低碳+高mn+cr+b+ti，nb900-105080-110轉(zhuǎn)向節(jié)、前軸目前列入標(biāo)準(zhǔn)的的微合金非調(diào)質(zhì)鋼大多是800mpa以下強(qiáng)度級(jí)的，其金相組織是鐵素體+珠光體。這類非調(diào)質(zhì)鋼的的韌性低、屈強(qiáng)比低，因此不能滿足汽車保安件的要求。因此近年來國外根據(jù)零部件不同的性能要求開發(fā)了高強(qiáng)度非調(diào)質(zhì)鋼、高韌性非調(diào)質(zhì)鋼和高強(qiáng)韌

6、性非調(diào)質(zhì)鋼。1.2 我國汽車用非調(diào)質(zhì)鋼發(fā)展?fàn)顩r及趨勢我國在八十年代初，機(jī)械工業(yè)部和冶金工業(yè)部分別把非調(diào)質(zhì)鋼列入科技攻關(guān)項(xiàng)目，鋼鐵企業(yè)和汽車企業(yè)合作對微合金非調(diào)質(zhì)鋼進(jìn)行了廣泛的研究，并取得極大的成果，開發(fā)出一系列的新鋼種，包括直接切削用微合金非調(diào)質(zhì)鋼、熱鍛用微合金非調(diào)質(zhì)鋼、冷鐓螺栓用微合金非調(diào)質(zhì)鋼等，并在汽車工業(yè)得以應(yīng)用。1995年我國公布了非調(diào)質(zhì)鋼的國家標(biāo)準(zhǔn)gb/t15712-1995，其中包括2類9個(gè)牌號(hào)。我國目前應(yīng)用的非調(diào)質(zhì)鋼種類不多，用量也不大，從鋼種上看還是以mnv系為主，強(qiáng)度一般在800mpa以下。主要是應(yīng)用在一些軸桿類零件上，在重要的保安件沒有應(yīng)用非調(diào)質(zhì)鋼。據(jù)測算現(xiàn)在國內(nèi)每年應(yīng)用的

7、非調(diào)質(zhì)鋼數(shù)量在3萬噸左右。1.3 國家政策應(yīng)該優(yōu)先支持發(fā)展的汽車非調(diào)質(zhì)鋼材料領(lǐng)域1.3.1 高強(qiáng)度、高韌性及高強(qiáng)韌性非調(diào)質(zhì)鋼的開發(fā)非調(diào)質(zhì)鋼的總體發(fā)展趨勢是開發(fā)高強(qiáng)度、高韌性和高強(qiáng)韌性非調(diào)質(zhì)鋼，目前高強(qiáng)度和高韌性非調(diào)質(zhì)鋼在技術(shù)上基本得到解決，高強(qiáng)韌非調(diào)質(zhì)鋼的開發(fā)也取得一定的進(jìn)展，技術(shù)上還有開發(fā)的空間。另外非調(diào)質(zhì)鋼的發(fā)展和汽車產(chǎn)品的需求分不開的，一方面從節(jié)能環(huán)保方面的要求，非調(diào)質(zhì)鋼作為節(jié)能的產(chǎn)品有其強(qiáng)有力的競爭優(yōu)勢，另一方面從汽車產(chǎn)品的性能要求來看，非調(diào)質(zhì)鋼也有獨(dú)到的優(yōu)勢。近年來汽車的載重量逐步向大噸位發(fā)展，零部件相應(yīng)要加大，應(yīng)用調(diào)質(zhì)鋼普遍存在淬透性不足的問題，由此一些原來應(yīng)用碳鋼或低合金鋼的零件

8、，不得不采用合金鋼和高合金鋼制造，帶來了成本的大幅度提升。而非調(diào)質(zhì)鋼由于是靠微合金的彌散強(qiáng)化，不存在淬透性問題，特別適用于大截面的軸桿類零件。國外非調(diào)質(zhì)鋼廣泛應(yīng)用在1000mpa強(qiáng)度級(jí)別的產(chǎn)品上，我國下一步加大開發(fā)這一強(qiáng)度級(jí)別的非調(diào)質(zhì)鋼是當(dāng)務(wù)之急。1.3.2 高性能穩(wěn)定性非調(diào)質(zhì)鋼的開發(fā)非調(diào)質(zhì)鋼由于省略了調(diào)質(zhì)處理，零件的最終性能由鍛造工藝和鍛后的控冷來決定，因此對材料的要求是穩(wěn)定性。國外對特殊要求的非調(diào)質(zhì)鋼為了保證材料的穩(wěn)定，采用了不同的控制手段。如德國對非調(diào)質(zhì)鋼提出了淬透性要求，非調(diào)質(zhì)鋼不需要調(diào)質(zhì)為什么還提淬透性要求，主要是根據(jù)淬透性控制和評價(jià)材料的控冷硬化性能和穩(wěn)定性。而日本則對非調(diào)質(zhì)鋼提出

9、碳當(dāng)量的要求。我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對非調(diào)質(zhì)鋼還沒有這方面的要求，是需要解決的問題。2 滲碳鋼2.1國外滲碳鋼現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢國際汽車制造技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)著汽車用滲碳鋼的進(jìn)步與發(fā)展。在歐美、日本等汽車制造工業(yè)基礎(chǔ)雄厚的國家，經(jīng)過長期的技術(shù)發(fā)展和積累，從使用要求、資源條件、經(jīng)濟(jì)耐用的角度出發(fā)，形成了各自的滲碳鋼材料體系，并制定了嚴(yán)格的質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)，這些材料體系和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)都以國標(biāo)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的形式被執(zhí)行。在此基礎(chǔ)上，規(guī)模較大的汽車企業(yè)還有自己一套更加嚴(yán)格、更貼近于自己企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況的標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)資料表明，在美、日、德等汽車制造工業(yè)發(fā)達(dá)國家中，美國滲碳齒輪鋼種約有30多個(gè)、日本16個(gè)、前蘇聯(lián)10個(gè)、德國傳統(tǒng)的10

10、多個(gè)，各國已經(jīng)形成自己的齒輪用鋼系列，并對各滲碳鋼種按淬透性能分成檔次，每檔次均有對應(yīng)的鋼種，即淬透性能檔次齊全，重點(diǎn)(面大量廣者)檔次上還有多個(gè)鋼種。目前，美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家，由于當(dāng)代冶金技術(shù)的迅速發(fā)展，大部分都采取爐外精煉和真空脫氣處理，使鋼材氧含量普遍地低于20ppm，而且有的低于10ppm，從而顯著地提高了齒輪的接觸疲勞壽命。實(shí)現(xiàn)淬透性窄帶控制可以減小齒輪熱處理后的變形量，從而齒輪的修磨量小、嚙合精度高。特定模數(shù)齒輪的疲勞壽命也與最佳淬透性值相關(guān)。淬透性確定后，淬透性芾寬的大小很大程度上影響滲碳淬火后齒輪的變形。淬透性和淬透性帶寬的控制，主要決定于化學(xué)成分和化學(xué)成分的均勻性。因

11、此，近年來齒輪行業(yè)對冶金行業(yè)提出了窄淬透性帶的要求。國外齒輪鋼淬透性帶寬度一般控制6hrc左右，特殊要求的控制在4hrc以內(nèi)。鋼的純凈度主要指鋼中的氧含量，它反映了鋼中的氧化夾雜物含量。氧化物夾雜對齒輪的疲勞性能特別是接觸疲勞性能有明顯的危害。在冶煉過程中應(yīng)采取降低氧含量的工藝技術(shù)如真空處理等。爐外精煉的采用，使?jié)B碳鋼的純凈度更高，在成分控制上更加嚴(yán)格、精確。晶粒的粗細(xì)對齒輪鋼的疲勞性能有較大的影響。粗晶粒使?jié)B層碳濃度相對增高，導(dǎo)致脆性增加，使彎曲強(qiáng)度降低，齒面容易剝落。如果出現(xiàn)混晶，有可能使齒牙之間的熱處理變形失去規(guī)則而無法配對。在生產(chǎn)和加工過程中應(yīng)控制晶粒度，防止出現(xiàn)混晶，從而穩(wěn)定齒輪性能

12、。雖然在齒輪鋼方面美、歐、日汽車廠家早已形成自己的系列，但為了傳動(dòng)系統(tǒng)的緊湊和小型輕量化，還在開發(fā)強(qiáng)度更高的鋼種和更有效的強(qiáng)化工藝。如開發(fā)高純凈度齒輪鋼，其氧含量降低到9ppm以下，p濃度在90ppm以下，得到彎曲疲勞壽命提高17%、接觸疲勞壽命提高25%的效果。采用不發(fā)生相變的氮化或軟氮化技術(shù)處理后的齒輪具有變形小的優(yōu)點(diǎn)，因而很早就在齒輪中得到應(yīng)用。日本在開發(fā)適用于氮化齒輪的鋼種（齒輪的強(qiáng)度特性超過通常的滲碳淬火齒輪），以減小齒輪的熱處理變形，從而降低噪音。但是這種技術(shù)處理后的齒輪存在淬硬層深度較淺、疲勞強(qiáng)度較低的缺點(diǎn)，因而用作變速箱齒輪時(shí)受到一定的限制。對此，研究了v、cr、a1等合金元素

13、對氮化層硬度和深度的影響，結(jié)合氮化處理前組織的最佳化而丌發(fā)出各種軟氮化鋼，并得到了實(shí)際應(yīng)用。軟氮化鋼的熱處理變形和齒形誤差均在滲碳淬火鋼的13以下，而其疲勞強(qiáng)度與滲碳淬火鋼相同。在強(qiáng)化工藝方面，雙級(jí)噴丸和極細(xì)微粒沖擊強(qiáng)化都在逐步實(shí)用化。為進(jìn)一步提高滲碳件產(chǎn)品表面質(zhì)量，真空滲碳技術(shù)在國外得到了快速發(fā)展。為進(jìn)一步提高滲碳生產(chǎn)效率，高溫滲碳技術(shù)也在國外得到了大量應(yīng)用，這兩種技術(shù)發(fā)展，促進(jìn)了高溫下晶粒也不會(huì)異常長大的高溫滲碳鋼種的研發(fā)。降低滲碳層表面氧化傾向大的合金元素含量，添加氧化傾向小的合金元素；控制齒輪鋼中的殘余奧氏體量；減少晶界偏析元素的含量；開發(fā)和應(yīng)用噴丸表面強(qiáng)化技術(shù)，增加表面的殘余應(yīng)力；研

14、究和開發(fā)的新型齒輪鋼必須滿足高強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)性、生產(chǎn)性等多種因素；隨著機(jī)械加工線的自動(dòng)化，為了不斷提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，適應(yīng)高速程控機(jī)床的需要，要求鋼材具有易切削性能，為此不少國家已在開展易切削齒輪鋼(加pb、加s)的開發(fā)和應(yīng)用。由于制造齒輪時(shí)需進(jìn)行大量的切削加工，需要開發(fā)易切削齒輪鋼。對于接觸疲勞要求不太高的齒輪和環(huán)套類零件，含硫易切鋼的應(yīng)用和發(fā)展已經(jīng)開展了工作。真空滲碳?xì)獯泯X輪鋼適用于轎車用的中小齒輪，這是一種高溫、高淬透性的新型材料和工藝，在歐洲的汽車廠已有應(yīng)用，效果是節(jié)約能源、有利環(huán)境保護(hù)，減小變形，提高產(chǎn)品質(zhì)量。歐洲的瑞典某鋼廠正在試圖開發(fā)中高碳的非滲碳齒輪鋼，這將是帶有技術(shù)革命性的方向。2.

15、2我國滲碳鋼現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢在國內(nèi)，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車產(chǎn)量的日益增多，對滲碳齒輪鋼的品種、規(guī)格、數(shù)量和質(zhì)量都提出了更高的要求。我國用作滲碳齒輪鋼的鋼號(hào)在合金鋼手冊中有30多個(gè)，但在實(shí)際生產(chǎn)中使用得好的卻不多?？偟目磥恚覈鴿B碳鋼的基本狀況是品種雜、使用單一、不成系列。20crmnti仍是我國齒輪鋼的主體鋼種，其原因主要有：建國初期鋼鐵標(biāo)準(zhǔn)主要套用前蘇聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)，該鋼號(hào)是五十年代由前蘇聯(lián)推薦在汽車行業(yè)使用的，一直延續(xù)至今；受國情的限制，該鋼用ti細(xì)化晶粒，晶粒粗化溫度高。機(jī)械加工行業(yè)用這種鋼生產(chǎn)齒輪，滲碳之后可采用直接淬火工藝，節(jié)約能源，工序簡單；錳是我國的富產(chǎn)元素，價(jià)格比較低廉，加之沒有綜合

16、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)與之相當(dāng)?shù)匿撎?hào)取代，也是它常用不衰的重要原因。從二十世紀(jì)八十年代開始，隨著國外先進(jìn)車型和零部件總成的引進(jìn)，多種滲碳鋼種也隨著引進(jìn)進(jìn)來，使我國滲碳鋼種豐富起來，滲碳鋼冶煉水平也上了一個(gè)新臺(tái)階。美國伊頓變速器進(jìn)入中國，帶來了sae8600系列滲碳鋼，滿足中、小模數(shù)齒輪滲碳用鋼。德國zf變速器進(jìn)入中國，帶來了該廠特有的zf系列滲碳鋼。以上新的外來鋼種，經(jīng)過國內(nèi)技術(shù)人員的努力工作，對鍛造工藝、滲碳熱處理工藝，熱處理變形，齒輪滲碳層深度，心部硬度進(jìn)行了系統(tǒng)研究。材料國產(chǎn)化工作基本完成。同時(shí)冶金工業(yè)技術(shù)改造，采用大量的先進(jìn)設(shè)備和工藝，給汽車工業(yè)發(fā)展提供了有力支持。我國生產(chǎn)的滲碳鋼實(shí)物質(zhì)量與國際

17、水平比相差甚遠(yuǎn)，達(dá)到國際先進(jìn)水平的不足總產(chǎn)量的10%，這在汽車用鋼上充分體現(xiàn)出來。國內(nèi)有實(shí)力的鋼廠在滲碳鋼生產(chǎn)上也采用了爐外精煉加真空脫氣、連鑄連軋等先進(jìn)工藝，但在實(shí)際生產(chǎn)中，只有少數(shù)幾家能過達(dá)到國外的標(biāo)準(zhǔn)要求，而且還存在較大的離散度。鋼的純凈度不高，特別是b類夾雜和硅酸鹽夾雜超標(biāo)問題常有發(fā)生，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量和使用性能。在成分控制精度上與國外還有一定差距，使齒輪用滲碳鋼淬透性不穩(wěn)定，毛坯正火硬度不均勻，加工性能波動(dòng)較大，熱處理變形不穩(wěn)定。因此，穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)窄帶控制還需要深入研究。另外高鉬鋼的帶狀問題應(yīng)從冶煉水平和制定標(biāo)準(zhǔn)兩個(gè)方面來控制。汽車齒輪用鋼主要是低碳合金鋼。鑒于各國資源和生產(chǎn)工藝條件的差

18、異，每個(gè)國家和地區(qū)應(yīng)用的齒輪鋼合余系列不盡相同，例如：德國采用mncr系列(16mncr5、20mncr5、25mncr5、27mncr5)：日本應(yīng)用cr系和crmo系(scm415h、scm420h)：美國采用crnim。系(sae8615、8620)：法國采用crni系(19cn5)和crmo系(20cd4、27cd4、30cd4)鋼。我國引進(jìn)的汽車來自多個(gè)國家，所用齒輪鋼種類較多，上述生產(chǎn)量較大的主要鋼種已納入新修訂的國標(biāo)中。就目前而言我國齒輪鋼基本滿足其使用要求和引進(jìn)技術(shù)國產(chǎn)化要求，而需要解決的是在吸收和引進(jìn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了我國自主的滲碳鋼體系。我們現(xiàn)在引進(jìn)的滲碳鋼材料技術(shù)幾乎全部以供

19、貨技術(shù)協(xié)議的方式在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中使用，不成體系、品種雜、數(shù)量少是必然的局面，因此帶來了鋼材產(chǎn)量形不成規(guī)模、使鋼廠和齒輪加工行業(yè)都面臨著成本的問題。在未來的幾年內(nèi)，冶金行業(yè)和汽車制造業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該共同努力，從制造和需求兩個(gè)角度出發(fā)，從國內(nèi)的資源出發(fā)，發(fā)揮自己的技術(shù)優(yōu)勢，開發(fā)自己的滲碳鋼材料，并逐漸完善自己的滲碳鋼材料體系，應(yīng)該是與國際材料技術(shù)接軌的標(biāo)準(zhǔn)體系，適應(yīng)和推動(dòng)汽車工業(yè)的發(fā)展。與國外相比，鋼廠應(yīng)具有材料處理工藝和疲勞性能的試驗(yàn)手段，提供材料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。2.3國家政策應(yīng)該優(yōu)先支持發(fā)展的汽車滲碳鋼材料領(lǐng)域汽車齒輪用齒輪鋼在保證具有足夠淬透性的前提下，正向低成本方向發(fā)展，正處在由各國、各大企業(yè)的

20、經(jīng)驗(yàn)型向科學(xué)化、國際化方向發(fā)展的過渡階段，由各具特色的crni鋼、crnimo鋼、nimo鋼向低成本、通用的crmo鋼、crmn鋼過渡。今后汽車齒輪用鋼將向充分利用廢鋼固有合金資源和共生礦多元鐵合金的微合會(huì)化、以保證淬透性為主、不嚴(yán)格控制合金元素類型和含量的mnb鋼和硼鋼方向發(fā)展，針對目前的材料價(jià)格和降成本的要求，應(yīng)考慮開發(fā)國內(nèi)的少用和不用鎳、鉬的較高淬透性材料，以鉻、錳為主體的齒輪鋼。3鉚螺3.1國外鉚螺鋼的應(yīng)用狀況及發(fā)展趨勢緊固件是機(jī)械行業(yè)三大基礎(chǔ)件之一，緊固件用的鉚螺鋼應(yīng)具有良好的冷鐓工藝性能、切削加工性和強(qiáng)度性能、疲勞性能以及高的抗延遲斷裂性能。這些性能依賴于鋼材良好的表面質(zhì)量、高的尺

21、寸精度、窄范圍的化學(xué)成分、以減少性能波動(dòng)；低的偏析，細(xì)小均勻分布的非金屬夾雜物，良好的球化組織以及熱處理質(zhì)量穩(wěn)定性。同時(shí)由于應(yīng)用量大而廣，還要求鋼材低成本和價(jià)格便宜。目前螺栓按其強(qiáng)度級(jí)別可分為4.812.9等若干個(gè)強(qiáng)度級(jí)別；6.8以下的級(jí)別的螺栓大都采用低碳鋼線材制造，無需熱處理；8.8級(jí)螺栓一般用ml35，亦可用低碳錳硼鋼制造。近年來，亦用微合金非調(diào)質(zhì)鋼制造，可以省去冷拔前的球化處理。9.8、10.9、12.9等級(jí)別的高強(qiáng)度螺栓大都采用合結(jié)鋼制造；經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。目前應(yīng)用較多的高強(qiáng)度螺栓為10.9級(jí)，但高強(qiáng)度螺栓的用量正在逐步擴(kuò)大。用低碳20mnvb系列可以代替40cr作連桿螺栓，但前者的回火

22、溫度較低，抗延遲斷裂的能力低于調(diào)質(zhì)中碳鋼。隨著汽車與發(fā)動(dòng)的高性能化和材料許用應(yīng)力的提高，零件尺寸減少，結(jié)構(gòu)的輕量化，對螺栓提出了更高的設(shè)計(jì)應(yīng)力和輕量化的要求，而最有效的措施是提高螺栓用鋼的使用強(qiáng)度，因此世界各國相繼研制、開發(fā)了高強(qiáng)韌性、高延遲斷裂抗力的螺栓鋼，如日本開發(fā)了抗拉強(qiáng)度為1372mpa（14.9t級(jí)）高延遲斷裂抗力用鋼。日本神戶制鋼開發(fā)出主要用鈦、鋁改善抗延遲斷裂性能的knds系列高強(qiáng)度螺栓鋼，與常用的jisscm440鋼相比，其延遲斷裂抗力有明顯改善。knds2適用于1200mpa級(jí)的凹頭螺栓，已批量生產(chǎn)，knds3和knds4可用于13001500mpa級(jí)的高強(qiáng)度汽車螺栓。3.2

23、我國鉚螺鋼的應(yīng)用狀況我國每年的鉚螺鋼總產(chǎn)量在200250萬噸，多數(shù)為非汽車用。冷鐓鋼的年需求量約為100萬噸，其中汽車工業(yè)需要約10萬噸。但由于技術(shù)等原因，現(xiàn)在國產(chǎn)冷鐓鋼絲只有30萬噸，每年要進(jìn)口近70萬噸。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，6.5以下需要15萬噸，8需16萬噸，9、14各需要8萬噸，目前國內(nèi)市場供不應(yīng)求。目前汽車螺栓用鋼基本上是國產(chǎn)材料，其中ml35占30%左右。鉚螺鋼在汽車上的應(yīng)用數(shù)據(jù)見表18。表18 鉚螺鋼在汽車上的應(yīng)用數(shù)據(jù)單車緊固件品種數(shù)單車上緊固件重量（kg）單車上緊固件總數(shù)緊固件成本比例（美國）緊固件成本比例（中國）高強(qiáng)度緊固件比例轎車5005040002.40%1.13%32%中重

24、型卡車5508871002.60%1.39%35%根據(jù)表18估算的汽車螺栓鋼的需求量見表19。其中2004年的各種類型汽車產(chǎn)量是依據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)行業(yè)的產(chǎn)量估算來得。其中輕微型車的螺栓用量依據(jù)轎車估算（略高于轎車）。表19汽車螺栓鋼的需求量單車上緊固件重量（kg）車產(chǎn)量（萬輛）用鋼（萬噸）備注轎車5025012.5000中重型卡車88504.4000輕微型車6523014.9500估合計(jì)31.85汽車用緊固件的制造工藝主要包括冷拔、冷鐓、滾絲（搓絲）、熱處理等，冷鐓工藝的特點(diǎn)是效率高、精度好、材料利用率高等。鉚螺鋼作為結(jié)構(gòu)鋼的一個(gè)分支，區(qū)別于其他結(jié)構(gòu)鋼而單獨(dú)作為一個(gè)類型存在，國內(nèi)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為gb647

25、8冷鐓鋼技術(shù)條件。由于特定的成形工藝所在，對于材料也有特殊的要求，如表面的質(zhì)量、冷頂鍛、脫碳層、含硅量略低、各種碳偏析的控制等。關(guān)于表面質(zhì)量，要求鋼坯的表面進(jìn)行較嚴(yán)格的修磨或剝皮。近幾年因冷鐓的性能和設(shè)備投資等原因，國內(nèi)的汽車用高強(qiáng)度螺栓應(yīng)用熱鐓成形工藝的越來越多（主要是江浙一帶規(guī)模較小的螺栓企業(yè)），因其大量采用螺栓表面剝皮的工藝，故材料廣泛地采用普通的合結(jié)鋼。目前的鉚螺鋼主要問題有：心部增碳，標(biāo)準(zhǔn)問題，表面質(zhì)量問題，直條和盤圓的供貨比例，材料利用率、質(zhì)量穩(wěn)定性、表面脫碳。3.3國家政策應(yīng)該優(yōu)先支持發(fā)展的汽車鉚螺鋼材料領(lǐng)域l 非調(diào)質(zhì)螺栓鋼為節(jié)約能源，今后對降低成本的要求越來越迫切，因此價(jià)格低廉

26、、能夠省略和簡化制造過程的微合金非調(diào)質(zhì)鋼和硼鋼的使用量將會(huì)顯著增加。在日本，8t非調(diào)質(zhì)鋼螺栓已大批量應(yīng)用于生產(chǎn)，技術(shù)特性為：含20錳鈮，控軋空冷工藝、強(qiáng)度、兩次拔制、冷拔量。特點(diǎn)是節(jié)能、精度高，其化學(xué)成分見表20。表20 新日鐵非調(diào)質(zhì)鋼螺栓化學(xué)成分（wt%）元素csimnpscrnbalni含量0.250.241.080.0170.0040.040.010.0240.01l 抗延遲斷裂螺栓鋼汽車的高性能化和輕量化對制造各類緊固件使用的材料提出更高設(shè)計(jì)應(yīng)力和輕量化要求，強(qiáng)度的提高相應(yīng)就會(huì)帶來延遲斷裂的危險(xiǎn)性，一般在強(qiáng)度超過1200mpa時(shí)，延遲斷裂就變得十分突出。因此，抗延遲斷裂高強(qiáng)度螺栓鋼的研

27、究開發(fā)就成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。4氣閥鋼4.1國際氣閥鋼的現(xiàn)狀氣閥鋼按使用要求來分的話，主要有進(jìn)氣門用鋼和排氣門用鋼兩種，其中進(jìn)氣門鋼主要以馬氏體耐熱不銹鋼為主，含一部分合金結(jié)構(gòu)鋼，排氣門用鋼主要以奧氏體耐熱不銹鋼為主，含一部分高溫合金。先進(jìn)工業(yè)國的氣門生產(chǎn)模式是，氣門生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)氣門、生產(chǎn)氣門、進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)。國內(nèi)的生產(chǎn)模式是，主機(jī)廠設(shè)計(jì)氣門、氣門廠生產(chǎn)氣門、主機(jī)廠進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)。國外的氣門生產(chǎn)模式能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量，國內(nèi)的生產(chǎn)模式在一定程度上影響氣門產(chǎn)品的質(zhì)量。高質(zhì)量氣閥鋼和高質(zhì)量氣門產(chǎn)品是，保證高質(zhì)量汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要條件。4.2國內(nèi)氣閥鋼及氣門生產(chǎn)現(xiàn)狀氣門是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件。氣門工作在高

28、溫、腐蝕、磨損的惡劣工作環(huán)境，經(jīng)常出現(xiàn)氣門斷裂、早期磨損等事故。氣門斷裂容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢，氣門早期磨損會(huì)帶來缸壓降低、燃燒不充分、排氣污染升高的問題。防止氣門的早期事故要嚴(yán)格設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品質(zhì)量，高質(zhì)量的氣門產(chǎn)品要求高質(zhì)量的氣閥鋼。重慶特殊鋼廠曾經(jīng)是國內(nèi)主要?dú)忾y鋼生產(chǎn)廠，年生產(chǎn)量在2000噸以上。長城特殊鋼廠、大冶鋼廠、大連鋼廠、上鋼五廠也生產(chǎn)氣閥鋼，年生產(chǎn)量在1000噸以下。國內(nèi)氣閥鋼生產(chǎn)量每年都存在部分缺口，缺口部分是從意大利、日本等國進(jìn)口的。國內(nèi)氣閥鋼生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)技術(shù)相對落后，難以保證氣閥鋼質(zhì)量，主要質(zhì)量問題是表面質(zhì)量差和圓度不足。表面質(zhì)量差時(shí)，容易造成氣門生產(chǎn)廢品、氣門運(yùn)行中的失效事

29、故。圓度不足時(shí)，無法進(jìn)行正常氣門生產(chǎn)。因上述質(zhì)量問題，國內(nèi)原有氣閥鋼生產(chǎn)廠的生產(chǎn)量開始走下坡路，如重慶特殊鋼廠的2003年和2004年度的年生產(chǎn)量僅在500噸左右上徘徊。相比之下近幾年發(fā)展起來的江蘇申源特鋼公司和大連匯金泰鋼廠（均屬民營企業(yè)）卻有長足進(jìn)步，他們的年生產(chǎn)量已達(dá)到30005000噸。這可能和成本低于國營企業(yè)，所以具備價(jià)格優(yōu)勢，容易得到用戶認(rèn)可有關(guān)。汽車行業(yè)不斷降低汽車價(jià)格，降價(jià)的負(fù)面影響不斷轉(zhuǎn)嫁給氣門廠，氣門廠只好也轉(zhuǎn)嫁給鋼廠。這是民營企業(yè)利用價(jià)格優(yōu)勢取勝于國營企業(yè)的一個(gè)原因，另一方面不否認(rèn)民營企業(yè)的機(jī)制相對靈活有關(guān)。各氣閥鋼廠的2003年、2004年度的氣閥鋼生產(chǎn)量示在表22中。

30、表22各氣閥鋼廠的2003年、2004年度的氣閥鋼生產(chǎn)量（噸）企業(yè)名稱鋼種重慶特殊鋼廠長城特殊鋼廠大冶鋼廠大連鋼廠上鋼五廠申源特鋼公司匯金泰鋼廠2003年馬氏體500不詳不詳20002202000奧氏體300020002004年馬氏體500不詳不詳20004202500奧氏體45003000值得我們注意的是，在氣閥鋼生產(chǎn)中奧氏體氣閥鋼的生產(chǎn)難度遠(yuǎn)大于馬氏體氣閥鋼，且奧氏體氣閥鋼的缺口遠(yuǎn)大于馬氏體氣閥鋼。另外表22中統(tǒng)計(jì)的氣閥鋼生產(chǎn)量是供給全國各種發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)用鋼，其中約有2/3的量是供給汽車發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的。近幾年來各氣閥鋼生產(chǎn)廠（尤其是國營大型鋼廠）進(jìn)行了大量的技術(shù)改造，為大批量生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)氣閥鋼創(chuàng)造

31、了必要條件。作為氣門工作面的錐面在高溫、磨損、腐蝕的環(huán)境下，會(huì)產(chǎn)生早期磨損。為了解決早期磨損經(jīng)常采用錐面堆焊工藝，國內(nèi)外經(jīng)常采用的錐面堆焊合金粉主要有stellite6粉和stellitef粉。綜觀國內(nèi)氣閥鋼生產(chǎn)前景是可喜的，有望滿足氣門生產(chǎn)的需求。但還需進(jìn)行嚴(yán)格的技術(shù)管理，才能生產(chǎn)出高質(zhì)量氣閥鋼。我們現(xiàn)在還缺乏了解國外氣閥鋼生產(chǎn)先進(jìn)的技術(shù)管理經(jīng)驗(yàn)，有必要了解國外經(jīng)驗(yàn)，學(xué)習(xí)先進(jìn)的管理經(jīng)驗(yàn)。另外國內(nèi)生產(chǎn)的氣閥鋼品種比較單一，還不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)技術(shù)。這就要求我們不斷開發(fā)新品種，學(xué)習(xí)國外相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)和工藝。九十年代以前國內(nèi)的氣門生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)是很落后的，不能滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)技術(shù)。八十年代中后期開

32、始國內(nèi)很多發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)引進(jìn)了國外先進(jìn)技術(shù)，新技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)對氣門生產(chǎn)提出盤桿焊接、錐面堆焊、桿端面仿形淬火、新材料應(yīng)用等新工藝和新技術(shù)。當(dāng)時(shí)國內(nèi)各氣門生產(chǎn)廠都不能滿足這種要求。我們在“八五”和“九五”期間組織國內(nèi)主要?dú)忾T生產(chǎn)廠家進(jìn)行了攻關(guān)，得到了長足進(jìn)步，基本滿足了新技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的要求。九十年代開始引進(jìn)技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)越來越多，按現(xiàn)有的氣門生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)是無法滿足引進(jìn)技術(shù)的要求。為此國內(nèi)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門骨干企業(yè)，如濟(jì)南汽車配件廠、湖北三環(huán)氣門有限公司、廣東懷集汽車配件廠等企業(yè)相繼引進(jìn)了先進(jìn)氣門生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)，并通過不斷的消化和吸收新技術(shù)，從九十年代后期開始基本滿足了引進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的需求。湖北三環(huán)氣門有

33、限公司、濟(jì)南汽車配件廠和廣東懷集汽車配件廠都引進(jìn)了關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)，并進(jìn)行了大量技術(shù)改造。表24國內(nèi)氣門生產(chǎn)廠的2003年、2004年度的氣門生產(chǎn)量（萬支）及氣閥鋼使用量（噸）企業(yè)名稱濟(jì)南汽車配件廠湖北三環(huán)氣門有限公司廣東懷集汽車配件廠合計(jì)2003年14801300180045802004年1500143020004930氣閥鋼使用量2003年22201950270068702004年2250214530007395汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門使用量約為10萬支/萬輛，氣門生產(chǎn)用氣閥鋼使用量約為0.15kg/支。今年國內(nèi)的汽車生產(chǎn)量已達(dá)到500萬輛，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)的氣門需求量約為5000萬支，氣閥鋼的需求量

34、約為7500噸。通常發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)氣門使用量和維修用氣門使用量比例約為1：1，所以總的氣門需求量約為1億支，總的氣閥鋼的需求量約為15000噸。上述三家氣門廠主要為各主機(jī)廠生產(chǎn)配套氣門，生產(chǎn)少量維修氣門。全國至少還有7080家氣門生產(chǎn)廠，他們生產(chǎn)少量配套氣門，生產(chǎn)大部分維修氣門。我們到目前為止還沒有統(tǒng)計(jì)和調(diào)查相關(guān)情況，需要認(rèn)真調(diào)查和研究，如維修氣門中存在的各種質(zhì)量問題等。4.3氣閥鋼的發(fā)展趨勢精確的化學(xué)成分是保證氣閥鋼內(nèi)在質(zhì)量的重要因素。國外氣閥鋼的化學(xué)成分比較精確，目前國內(nèi)現(xiàn)有的煉鋼水平也能基本保證精確的化學(xué)成分，但部分氣閥鋼還不能保證精確的化學(xué)成分，應(yīng)加以提高。良好的表面質(zhì)量和精確的圓度是保證

35、氣門生產(chǎn)質(zhì)量的重要因素。國外氣閥鋼的表面質(zhì)量和圓度良好，但國內(nèi)氣閥鋼的表面質(zhì)量和圓度還存在較大的問題，影響氣門生產(chǎn)質(zhì)量，急需提高鋼材生產(chǎn)水平。目前一汽已制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行氣閥鋼質(zhì)量技術(shù)管理。發(fā)動(dòng)機(jī)氣門工作在不同腐蝕介質(zhì)中，所以要求氣閥鋼具有一定的耐腐蝕性能。通常用耐氧化鉛和耐硫化物腐蝕性能衡量氣閥鋼耐腐蝕性能。國外汽車生產(chǎn)先進(jìn)國都建立相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)把握氣閥鋼質(zhì)量，目前一汽已制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行氣閥鋼質(zhì)量技術(shù)管理。相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)是保證氣閥鋼質(zhì)量和氣門生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵因素，各主機(jī)生產(chǎn)廠應(yīng)及時(shí)建立標(biāo)準(zhǔn)，把握發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)質(zhì)量。在氣門生產(chǎn)中保證熱處理質(zhì)量是保證氣門使用性能的主要因素之一。通常奧氏體氣閥鋼采用固溶和時(shí)效

36、的方法，提高高溫強(qiáng)度和疲勞性能。馬氏體氣閥鋼采用淬火和回火的方法，提高高溫強(qiáng)度和疲勞性能。目前國內(nèi)的氣門生產(chǎn)廠都能采用這種技術(shù)，存在的問題是設(shè)備落后、工藝落后。國外先進(jìn)汽車生產(chǎn)國通常采用電加熱和氣體保護(hù)工藝，國內(nèi)大都采用鹽浴爐進(jìn)行氣閥鋼熱處理。鹽浴爐熱處理存在的問題是，裝爐量有限、只能油淬、造成污染等問題，需要盡快地得到解決。目前國內(nèi)生產(chǎn)氣門的類型基本能夠滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)廠的需求。國內(nèi)現(xiàn)有的設(shè)備和技術(shù)難以生產(chǎn)中空鈉冷式氣門，這種氣門國內(nèi)還有一定的需求，如一汽大眾的五氣門發(fā)動(dòng)機(jī)就要求采用這種氣門。這種氣門的需求量越來越多，需要認(rèn)真對待。目前大部分靠引進(jìn)維持生產(chǎn)，需要盡快完成國產(chǎn)化生產(chǎn)。綜觀國內(nèi)

37、國內(nèi)氣門生產(chǎn)情況，無論在數(shù)量和質(zhì)量、品種上都能基本滿足國內(nèi)各種汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的需求。但還需我們引起注意的是，氣門和氣門座的合理匹配的可靠性研究、氣門的可靠性設(shè)計(jì)、氣門失效原因分析和氣門失效的預(yù)防等問題上應(yīng)進(jìn)行多方面深入的研究，才能保證產(chǎn)品的不斷發(fā)展和質(zhì)量。5 彈簧鋼5.1國際汽車彈簧材料的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢汽車輕量化是世界汽車的總體發(fā)展趨勢之一，減輕汽車彈簧質(zhì)量的主要手段有：彈簧的高強(qiáng)化、改變彈簧的形狀使應(yīng)力分布均勻化、改變彈簧材料。以以懸掛螺旋彈簧為例，由于懸架彈簧的質(zhì)量與設(shè)計(jì)應(yīng)力的平方成反比，減輕彈簧質(zhì)量最有效的方法是提高彈簧的設(shè)計(jì)應(yīng)力。在彈簧性能不變的前提下，設(shè)計(jì)應(yīng)力的提高，彈簧線徑和有效圈

38、數(shù)減小，彈簧減輕質(zhì)量可達(dá)4050%，見表25。表25彈簧設(shè)計(jì)應(yīng)力與彈簧質(zhì)量（以懸掛螺旋彈簧為例）鋼種最大應(yīng)力（mpa）材料直徑(mm)有效圈數(shù)質(zhì)量(kg)質(zhì)量比(%)sup690012.95.052.95100sup7100012.54.452.5285.4srs60110011.2.13.911.2.1572.9n120k120011.73.421.8362.0nd250s130011.43.081.6154.6目前，國外汽車彈簧鋼的發(fā)展趨勢是向經(jīng)濟(jì)性和高性能方向發(fā)展，具體有以下幾個(gè)方面：l 超純凈彈簧鋼：轎車用彈簧鋼的使用硬度通常為430550hv。對于中低強(qiáng)度鋼（400hv），一般隨強(qiáng)度

39、或硬度的增加，光滑試樣的疲勞強(qiáng)度線性增加。超過這一硬度值或在較高的強(qiáng)度水平下，表層下的夾雜物就往往成為疲勞源，這使得疲勞強(qiáng)度與hv或rm之間不再呈線性關(guān)系，且分散度顯著增加。基于高強(qiáng)度彈簧鋼疲勞行為對夾雜物得敏感性的認(rèn)識(shí)，日本在八十年代提出了超純凈彈簧鋼概念，日本大同特殊鋼公司關(guān)于純凈度對懸架彈簧sup6、sup7性能影響的研究證實(shí)，使用含氧量低于0.0015%的超低氧鋼是實(shí)現(xiàn)懸架彈簧達(dá)到2000mpa高應(yīng)力的一種有效手段。l 耐腐蝕疲勞高強(qiáng)度彈簧鋼：對在寒冷地區(qū)使用的懸架彈簧，日本十分重視彈簧的表面腐蝕問題，通常采用的主要預(yù)防方法是：抑制生成作為疲勞裂紋源的腐蝕坑，添架銅、鎳、鉻等元素和低碳

40、化，生成致密穩(wěn)定的鐵銹，抑制cl-1的浸入，減小蝕坑的深度和使蝕坑光滑，降低蝕坑底部的應(yīng)力集中；抑制腐蝕裂紋的擴(kuò)展，添加鈦、釩等元素細(xì)化晶粒并低碳化，提高基體的韌性，同時(shí)鈦的微小析出物還可以捕獲腐蝕時(shí)生成的促進(jìn)裂紋擴(kuò)展的氫。日本愛知制鋼與中央發(fā)條公司共同研制出一種耐腐蝕疲勞性能十分優(yōu)良的螺旋懸架彈簧用鋼。該鋼是以si-mn系彈簧鋼為基礎(chǔ)，通過添加ni提高耐蝕性，降低含s量以減少作為腐蝕起點(diǎn)的mns夾雜。此外，為了保證高硬度下的韌性要求，還降低了碳含量和添加v以細(xì)化晶粒。該鋼的腐蝕疲勞強(qiáng)度較對比鋼提高40%以上，作為設(shè)計(jì)應(yīng)力1200n/mm2級(jí)的懸架彈簧已于1997年實(shí)用化。神戶制鋼的uhs20

41、00由于合金含量較高，成本較貴，僅局限用于高級(jí)轎車，uhs1900成本較低，1997年已批量生產(chǎn)，應(yīng)用于多種車型上。大同特殊鋼公司在已經(jīng)實(shí)用化的nd250s的基礎(chǔ)上，開發(fā)出1200n/mm2級(jí)彈簧鋼nd120s。其成分特點(diǎn)是添加硼強(qiáng)化晶界、添加鈮細(xì)化晶粒，以改善鋼的延遲斷裂抗力。實(shí)驗(yàn)室試樣和實(shí)際彈簧的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，nd120s（53hrc）較sup7（51hrc）具有良好的耐腐蝕疲勞性能和耐延遲斷裂性能。l 高彈減抗力高強(qiáng)度彈簧鋼：彈簧材料的彈減抗力是材料抵抗塑性變形或承載能力下降的能力。在彈簧設(shè)計(jì)中，決定許用應(yīng)力的主要因素是彈減抗力，因此提高彈減抗力一直是高強(qiáng)度彈簧鋼研究開發(fā)的重點(diǎn)。提高硬

42、度是提高彈減抗力最簡便的辦法，且在高應(yīng)力下，硬度的影響更加明顯，但須同時(shí)保證鋼的韌性。眾多研究者的研究結(jié)果表明，在化學(xué)成分因素中，硅是提高彈減抗力最有效的元素。因此早期彈減抗力優(yōu)良的彈簧鋼（設(shè)計(jì)應(yīng)力10001100n/mm2級(jí)）一般硅含量均較高，如sup7、sup12。但是象sup7、sae9260這類鋼的含硅量已達(dá)到最高值，要開發(fā)彈減抗力更好，綜合性能優(yōu)良的新材料，必須尋找新的途徑。其中一個(gè)重要途徑就是利用析出強(qiáng)化和晶粒細(xì)化強(qiáng)化技術(shù)，如加入微合金元素釩和鈮。上世紀(jì)八十年代初，日本愛知制鋼公司開發(fā)了以sup7為基礎(chǔ)，添加釩和鈮析出強(qiáng)化的新鋼種（sup7-v-nb）。這種鋼除了彈減抗力優(yōu)于sup

43、7外，淬透性和疲勞性能與sup7相當(dāng)，設(shè)計(jì)應(yīng)力提高了100n/mm2，可減輕懸架彈簧質(zhì)量15%，從1982年起，陸續(xù)在一些新車型上使用。神戶制鋼采用si-cr-v系做為基礎(chǔ)元素開發(fā)出彈減抗力優(yōu)于sup7的新型彈簧鋼srs60。該鋼的設(shè)計(jì)應(yīng)力可達(dá)1100n/mm2級(jí)，已于1983年開始批量生產(chǎn)。九十年代初，美國rockwell公司開發(fā)出了微合金元素釩處理的改進(jìn)型sae9259和sae9254彈簧鋼。這兩種鋼具有良好的彈減抗力和疲勞性能，設(shè)計(jì)應(yīng)力也達(dá)到1100n/mm2級(jí)，可使懸架彈簧減輕質(zhì)量15%，已在美國普遍使用。同時(shí)美國inland鋼鐵公司也開發(fā)出釩、鎳處理的懸架彈簧鋼92v45和92v54

44、。為了進(jìn)一步使彈簧鋼的彈減抗力能夠滿足1300n/mm2級(jí)設(shè)計(jì)應(yīng)力的要求，20世紀(jì)九十年代初，日本大同特殊鋼公司在常用的4343型超高強(qiáng)度鋼基礎(chǔ)上，開發(fā)出了一種新型彈簧鋼rk360(nd250s)。該鋼的彈減抗力、斷裂韌度、疲勞和腐蝕疲勞壽命、耐腐蝕性及抗延遲斷裂性能均優(yōu)于常用彈簧鋼sup7，可制造設(shè)計(jì)應(yīng)力為1300n/mm2級(jí)的懸架彈簧，并已在轎車上試用。九十年代中期，韓國浦項(xiàng)鋼鐵公司基于sae9254，把硅含量提高到2.5%，添加0.2%的釩產(chǎn)生析出硬化，并添加2%的鎳補(bǔ)償因強(qiáng)度提高而造成的韌性損失，開發(fā)出一種具有良好彈減抗力和疲勞性能的si-cr-ni-v系新鋼種，其設(shè)計(jì)應(yīng)力亦可達(dá)130

45、0n/mm2級(jí)。表27為幾種彈減抗力高的典型高強(qiáng)度彈簧鋼。表27高彈減抗力的高強(qiáng)度懸架彈簧鋼生產(chǎn)廠家年份鋼種典型化學(xué)成分（%）設(shè)計(jì)應(yīng)力（抗拉強(qiáng)度）csimncrnimov其他美國鋼公司1977si-mn-cr0.601.000.900.55-1000日本愛知1982sup7-v-nb0.561.900.800.10-0.200.15nb1100日本神戶1983srs600.601.500.500.50-0.20-1100美國rockwell1991sae9259-v0.590.900.800.50-0.110.014n1100美國inland199692v450.491.251.250.50-

46、0.150.02nb，0.01n(1950)92v540.541.450.550.60-0.150.002n-日本大同1991rk360/dn250s0.402.500.800.852.000.400.20-1300韓國浦項(xiàng)1996si-cr-ni-v0.572.500.500.502.00-0.20-130055si2crv0.551.500.700.70-0.15-1000中國五鋼1998sup70.602.000.85-10005.2我國汽車彈簧材料的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢5.2.1主要汽車彈簧材料汽車用的重要彈簧有氣門彈簧，鋼板彈簧、懸架螺旋彈簧和扭桿彈簧。彈簧用鋼材分為熱軋彈簧鋼和冷拔彈簧鋼

47、，前者主要用于生產(chǎn)鋼板彈簧和扭桿彈簧，后者主要用于生產(chǎn)懸架螺旋彈簧和氣門彈簧。熱軋鋼板彈簧的碳含量通常在0.55-0.65%之間，鋼種有simn、crmncrmnb、simnb、simnvb、mncrmo等，冷拔彈簧鋼主要有油淬火的優(yōu)質(zhì)碳素彈簧鋼絲和crv、crsi、simn合金彈簧鋼絲。按結(jié)構(gòu)、負(fù)荷、工藝條件，彈簧材料可分為六大類：螺旋彈簧材料、鋼板彈簧材料、變截面鋼板彈簧材料、扭桿彈簧材料、氣門彈簧材料和其它彈簧材料，主要用途、用量等詳見表28。表28各類彈簧材料的主要用途和數(shù)量彈簧類型主要用途單件重量（kg）每車用量（kg）年用量材料螺旋彈簧轎車懸掛螺旋彈簧，商用車駕駛室減振螺旋彈簧24

48、816約2.5萬噸鋼板彈簧輕型、中型、重型汽車懸掛鋼板彈簧1010050400約70萬噸變截面鋼板彈簧輕型、中型、重型汽車懸掛變截面鋼板彈簧，多功能車懸掛鋼板彈簧扭桿彈簧微型汽車懸掛扭桿彈簧，轎車穩(wěn)定桿，商用車穩(wěn)定桿，商用車駕駛室翻轉(zhuǎn)扭桿彈簧520520約2萬噸氣門彈簧發(fā)動(dòng)機(jī)氣門彈簧用量較少其它彈簧拉、壓圓柱彈簧壓，各種墊片，卡簧等用量較少5.2.2 螺旋彈簧材料我國國產(chǎn)螺旋彈簧的設(shè)計(jì)應(yīng)力為800900mpa，主要應(yīng)用的螺旋彈簧材料主要有50crva、50crv4、60si2cra、60si2mna，近年來又新開發(fā)出54sicr6。螺旋彈簧材料對表面質(zhì)量要求較高，通常采用機(jī)械剝皮處理，去除表面

49、各種缺陷。對熱成形螺旋彈簧，供貨材料為銀亮鋼，或熱軋鋼，熱軋鋼由彈簧廠自已剝皮理。對冷卷螺旋彈簧，鋼廠供給已熱處理和剝皮的成品材料，彈簧廠直接使用不再熱處理。我國螺旋彈簧材料的發(fā)展速度較快，基本上與國際水平相當(dāng)。近年來，出現(xiàn)了設(shè)計(jì)應(yīng)力高達(dá)10001200mpa的螺旋彈簧，主要用于轎車，一方面輕量化，另一方面提高平順性。螺旋材料發(fā)展方向是向高強(qiáng)度發(fā)展，另一方面降低材料成本，特別是轎車價(jià)格的下調(diào)更需要這方面的工作。螺旋彈簧材料的技術(shù)要求是高表面質(zhì)量、高強(qiáng)度和高塑韌性。韓國開發(fā)成功強(qiáng)度高達(dá)1900mpa的螺旋彈簧材料，其斷面收縮率高達(dá)45%以上，并且直接冷卷使用，這是目前已在我國實(shí)際應(yīng)用的最高強(qiáng)度螺

50、旋彈簧材料。盡管有很多新開發(fā)的高強(qiáng)度螺旋彈簧材料，但很難產(chǎn)業(yè)化和實(shí)際應(yīng)用，主要原因是工藝復(fù)雜、成本高。降低螺旋彈簧材料成本是當(dāng)前最急需解決的問題，在滿足強(qiáng)度要求的前提下一方面采用低合金化和低成本合金元素，另一方面降低冶金工藝復(fù)雜程度而降低成本。綜上所述，螺旋彈簧材料的主要發(fā)展趨勢是高強(qiáng)度、高塑性、高表面質(zhì)量、低成本。5.2.3鋼板彈簧材料長期以來，等截面鋼板彈簧一直是商用汽車主要懸架減振零件，這是一種消耗材料高、材料性能低、自重大、壽命低、維修容易的彈簧零件，由于這種特性，所以等截面鋼板彈簧一直占據(jù)汽車部件的主導(dǎo)地位。汽車用等截面鋼板彈簧大量使用的彈簧材料為60si2mna，其次是50crva

51、，其它材料如55simnvb、28simnb等用量比較少。表1中所列的鋼板彈簧材料主要由這種等截面鋼板彈簧所消耗，而變截面鋼板彈簧材料僅占很少的一部分。等截面鋼板彈簧材料的主要特點(diǎn)是，冶金工藝簡單、彈簧材料技術(shù)性能低、材料成本低、社會(huì)需求量大。從發(fā)展趨勢看，等截鋼板彈簧的材料和能源消耗量很大，不利于保護(hù)資源和降低能耗，因此等截面鋼板彈簧用量將呈下降趨勢，彈簧材料用量也隨之下降。在國外，商用汽車基本以少片變截面鋼板彈簧或空氣懸架彈簧為主，僅在軍事上少量使用（等截面）鋼板彈簧。變截面少片鋼板彈簧是輕量化懸架零件，特點(diǎn)是耗材料少、重量輕（與多片簧相比降重2040%）、技術(shù)含量高、平順性好，是汽車鋼板

52、彈簧發(fā)展的重要方向。少片簧技術(shù)在我國的應(yīng)用速度很快，中高檔客車基本為少片簧，商用車少片簧尚在開發(fā)階段。近年來，我國引進(jìn)的很多重型汽車技術(shù)，全部改為等截面鋼板彈簧，可能與我國的商用汽車使用狀況和鋼板彈簧生產(chǎn)技術(shù)有關(guān)。在少片變截面鋼板彈簧設(shè)計(jì)應(yīng)力上，我國通常為550mpa，而國外最先進(jìn)的少片簧設(shè)計(jì)應(yīng)力高達(dá)650mpa以上，高應(yīng)力少片簧進(jìn)一步降低鋼板彈簧自重。但是，高應(yīng)力少片簧對材料的技術(shù)性能要求較高，因此研究開發(fā)高應(yīng)力少片變截面鋼板彈簧材料將是我國彈簧材料研究的重要課題。我國現(xiàn)有的少片簧材料，主要有50crva和50crv4，其中的50crva用于客車少片簧，50crv4用于商用車少片簧。高應(yīng)力變

53、截面少片鋼板彈簧對材料的性能要求不同于普通少片簧材料，不僅要求高強(qiáng)度而且要求高塑韌性和高表面質(zhì)量。我國現(xiàn)有50crv4彈簧材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)1500mpa以上，斷面收縮率大于40%，是我國目前技術(shù)性能最優(yōu)良的少片簧材料。追求更高強(qiáng)度的少片簧材料是國內(nèi)外的重要課題，但從已公布資料來看，某些彈簧材料盡管有很高的抗拉強(qiáng)度但塑韌性不高，所以沒有在少片簧上的應(yīng)用實(shí)例。少片簧材料的發(fā)展方向類似于螺旋彈簧材料，即高強(qiáng)度和高塑韌性，并且要滿足少片簧工藝性能要求，此外還要有低的材料成本。在冶金工藝上，我國少片簧材料采用真空精煉，但在國外為普通電爐冶煉，這是我國少片簧材料技術(shù)與國外的差距之一。表面質(zhì)量也是少片簧材料

54、的主要技術(shù)指標(biāo)，國外開發(fā)出低脫碳彈簧材料，如日本和韓國，在普通冶金工藝下可達(dá)到很低的脫碳層深，有利于彈簧材料表面質(zhì)量的提高和高應(yīng)力少片簧的開發(fā)。5.2.4扭桿彈簧與穩(wěn)定桿材料我國扭桿彈簧與穩(wěn)定桿材料主要是60si2mna和50crv4（或相當(dāng)材料），其它材料應(yīng)用較少，較重要的扭桿彈簧采用45crnimo材料。我國的穩(wěn)定桿為實(shí)心型，國外出現(xiàn)了空心穩(wěn)定桿，已經(jīng)用于轎車，具有輕量化的技術(shù)特點(diǎn)。這種空心穩(wěn)定桿的彈簧材料為中低碳合金鋼。為了提高汽車的平順性，商用車也開始采用穩(wěn)定桿，彈簧材料直徑達(dá)40mm。如果商用車穩(wěn)定桿材料能采用空心彈簧材料制造，將極大降低自重，但我國目前這方面的研究還很少。5.2.5

55、氣門彈簧材料氣門彈簧是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣系統(tǒng)中的重要零件，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，它受到從最小切應(yīng)力到最大切應(yīng)力的周期性循環(huán)應(yīng)力，這種應(yīng)力變化十分劇烈。對于轎車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門彈簧，不但應(yīng)力變化劇烈，而且工作應(yīng)力很高，故安全系數(shù)相對較低，而要求的壽命則很高。轎車的使用壽命為1520萬公里，氣門彈簧的相應(yīng)循環(huán)周次為1108次，對其要求可以說是無限壽命。在此期間如果氣門彈簧斷裂，就會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)因氣門落入氣缸而損壞。因此，對氣門彈簧材料的性能、質(zhì)量要求極高，制造工藝十分精細(xì)。氣門彈簧用材料主要有simn、crv、sicr系，代表的牌號(hào)是60si2mn、50crv、55crsi、68crv。60si2mn、50crv主

56、要用于商用車氣門彈簧，55crsi、67crv用于轎車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門彈簧。目前我國商用車氣門彈簧國內(nèi)基本可以解決，但轎車用氣門彈簧鋼絲基本依靠進(jìn)口。美國克萊斯勒公司488發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品圖樣規(guī)定氣門彈簧材料為otewa-60，產(chǎn)品開發(fā)過程其卷制由國內(nèi)生產(chǎn)，但其彈簧鋼絲一直從瑞典和日本進(jìn)口。為盡快實(shí)現(xiàn)氣門彈簧產(chǎn)品的全部國產(chǎn)化，用新開發(fā)彈簧鋼絲替代進(jìn)口彈簧鋼絲是必須解決的問題，一汽與首特及大連鋼廠共同對以上兩種彈簧材料進(jìn)行了國產(chǎn)化工作，產(chǎn)品質(zhì)量基本滿足國內(nèi)轎車高應(yīng)力氣門彈簧鋼絲的技術(shù)要求。5.3 我國汽車彈簧材料存在的主要問題長期以來，我國新開發(fā)的彈簧材料較少，一直沿用傳統(tǒng)的彈簧材料，由彈簧材料標(biāo)準(zhǔn)的更新速度和新材料的增加可看出這一點(diǎn)。質(zhì)量低、價(jià)格高是我國彈簧材料的主要問題，導(dǎo)致彈簧零件的低壽命、低可靠性的結(jié)果。我國彈簧材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的材料技術(shù)指標(biāo)低國外標(biāo)準(zhǔn)，如熱軋彈簧材料的脫碳層深高