CN106222573B

CN106222573B - 一种高性能弹簧悬架

Info

Publication number: CN106222573B
Application number: CN201610717250.6A
Authority: CN
Inventors: 蒋建平; 蒋乾
Original assignee: NINGBO QIANHAO METAL PRODUCT CO Ltd
Current assignee: NINGBO QIANHAO METAL PRODUCT CO Ltd
Priority date: 2016-08-24
Filing date: 2016-08-24
Publication date: 2017-12-19
Anticipated expiration: 2036-08-24
Also published as: CN106222573A

Abstract

本发明涉及一种由合金钢制成的高性能弹簧悬架，属于合金材料加工技术领域。所述合金钢的组成元素及其质量百分比为C：0.10‑0.15％、Cr：0.4‑0.6％、Si：0.14‑0.20％、Mn：0.8‑1.15％、Al：0.03‑0.05％、N：0.008‑0.015％、Mo：0.25‑0.35％、Cu：0.025‑0.04％、S：0.005‑0.022％、V：0.08‑0.15％、RE：0.08‑0.15％、P≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明弹簧悬架采用配伍合理的合金钢加工而成，通过激光淬火和激光冲击复合强化处理，大幅度提高弹簧悬架表面硬度、抗磨性、抗腐蚀能力、强度等机械性能。

Description

一种高性能弹簧悬架

技术领域

本发明涉及一种高性能弹簧悬架，属于合金材料加工技术领域。

背景技术

钢铁应用于工业生产和生活中的各个方面，在人类的生活和工作中有着十分重要的作用，是科技发展的基础，但钢铁在大气中易锈蚀且锈蚀过程相当复杂，对工业生产及人们的生活产生不同程度的不利影响，带来不必要的经济损失。在我国，据中国工业和自然环境腐蚀调查项目组2008年调查结果显示，由腐蚀造成的直接经济损失达2300亿元，间接经济损失为5000～6000亿元，相当于当年我国国民生产总值的5％。因此，研究防止钢铁腐蚀的方法就变得很重要。

弹簧悬架又称合页是用来连接两个固体并允许两者之间做相对转动的机械装置。弹簧悬架可由可移动的组件构成，或者由可折叠的材料构成。现有技术中的弹簧悬架一般采用普通合金钢通过普通的成型工艺制成，其性能较为一般，尤其是强度和耐腐蚀性较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有较高强度、韧性、耐腐蚀性的弹簧悬架。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种高性能弹簧悬架，所述的高性能弹簧悬架由合金钢制成，所述合金钢的组成元素及其质量百分比为：C：0.10-0.15％、Cr：0.4-0.6％、Si：0.14-0.20％、Mn：0.8-1.15％、Al：0.03-0.05％、N：0.008-0.015％、Mo：0.25-0.35％、Cu：0.025-0.04％、S：0.005-0.022％、V：0.08-0.15％、RE：0.08-0.15％、P≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明高性能弹簧悬架的合金钢中降低了碳含量、铬含量，并添加了稀土元素，通过各元素之间产生的协同作用提高弹簧悬架的综合性能。在合金钢中加入低含量铬的同时，加入Cu、Mn、Mo、Al、Si、V等合金元素，放弃加入镍、钨等贵重金属元素，能够强化基体，获得MoC、VC等特殊碳化物和合金碳化物，从而提高弹簧悬架合金钢的组织稳定性。Cu、Al的加入可以提高弹簧悬架合金钢的散热性能。Cr、Si、Al能够提高合金钢的抗生长与抗氧化能力。散热性能、抗生长和抗氧化能力的提高又能进一步提高合金钢的高温性能，使其在高温环境下使用的寿命有所提高。Mn、Si等元素的加入能够提高钢液的流动性。稀土的影响与合金元素进行配合，进一步提高弹簧悬架合金钢的强韧性。在本发明弹簧悬架的合金钢中若碳含量过低，在加工中的深冷处理会严重影响强度和硬度，若碳含量过高，塑性低，还会影响后续的成型及电镀过程中的性能，造成开裂等问题。为了避免在渗层中发生内氧化形成“黑色网状组织”缺陷，本发明弹簧悬架合金钢中Si含量要求控制在0.20％以下。当加入0.14-0.20％Si可以提高弹簧悬架的强度，若Si含量低于0.14％，则会影响弹簧悬架的屈服强度。尽管Mn是固溶强化元素，但在本发明弹簧悬架合金钢中，若锰含量大于1.15％，则会大幅度降低弹簧悬架的塑性和韧性。弹簧悬架合金钢的耐热性随着Mo含量的增加而增强，此外Cr、Si、Al都可生成致密的氧化物，形成保护膜。铝是最基本、最有效的细化晶粒元素，在钢中主要以AlN形式存在。AlN主要分布于晶界，起到钉扎晶界阻止晶粒长大的作用。当合金钢中铝含量较高，但氮含量较低时，则不能形成足够的AlN使其均匀的分布于奥氏体晶界。AlN数量较少必然导致其分布较多的位置钉扎晶界作用明显，较少的位置则不能钉扎晶界阻止奥氏体晶粒的长大，这也是产生混晶，即晶粒局部异常长大的主要原因。经不断试验发现，在本发明弹簧悬架合金钢中铝含量为0.03-0.05％时，控制Al/N≥3能够保证在在后续的热处理时不发生混晶现象。本发明弹簧悬架合金钢中加入0.08-0.15％V细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒不仅是强化合物形成元素，还是钢材优良的脱氧剂，能与碳的结合，形成高熔点、高硬度、高弥散度且稳定的VC碳化物，且0.08-0.15％V与0.8-1.15％Mn起协同作用，共同提高钢的强度和硬度，其原因在于V与Mn配合使用不仅可以细化晶粒，还可以得到更高体积分数的弥散分布析出颗粒，同时起到细晶强化和弥散强化的作用，还可以提高弹簧悬架的强度、韧性以及抗腐蚀能力。且本发明弹簧悬架合金钢中由于0.08-0.15％稀土的存在，与0.08-0.15％V一起增强了弹簧悬架合金钢组织细化的程度，从而使其扩散系数降低，减轻其氧化程度。同时碳化物在回火的过程中析出速度和长大速度都较为缓慢，提高了钢的强度和抗回火稳定性。

未加入稀土时，合金钢组织非常不均匀，相对碳化合物尺寸较大，网状二次碳化合物较为明显。加入少量的稀土时，合金钢二次碳化合物断网明显。稀土含量越高，组织越来越均匀，越来越细。稀土含量的增加使得碳化合物支晶和莱氏体网格越来越细，进而提高合金钢的冲击韧性。热处理后，未加稀土与加入稀土的合金钢组织都包括回火马氏体、少量回火托氏体、含铬和锰等的合金碳化物与分布均匀的VC、MoC特殊碳化物。然而一定范围内含稀土越多，碳化物尺寸越小，这种特征在提高放大倍数后非常明显。此外稀土元素还可融入碳化合物中，或者与氧、磷、硫、硅、铝发生反应生成氧化物等，降低有害杂质对脆性的影响。经不断试验发现，在本发明弹簧悬架合金钢中添加0.08-0.15％稀土对碳化合物尺寸的减小，与合金元素的配合，在晶界处的分布以及减小有害物质的影响等综合效果较为明显。

一般的合金钢中，硫、磷等杂质元素的非金属夹杂会破坏钢的基体连续性，在静载荷和动载荷的作用下，往往成为裂纹的起点，影响合金钢的性能，但是本发明为了提高弹簧悬架切削性，需要添加一定的硫含量。

本发明还提供一种高性能弹簧悬架的加工工艺，所述的加工工艺包括如下步骤：

按高性能弹簧悬架所用合金钢的组成元素及质量百分比配料，将原料熔炼成钢水，钢水经真空冶炼、浇注、轧制成钢板，并将钢板加工成型，得弹簧悬架坯件；

将弹簧悬架坯件先进行激光淬火处理，然后进行激光冲击处理得高性能的弹簧悬架成品。

本发明对弹簧悬架坯件进行激光淬火和激光冲击复合强化处理，大幅度提高弹簧悬架表面硬度、抗磨性、抗腐蚀能力、韧性等机械性能。本发明弹簧悬架在激光淬火强化处理的基础上，继续进行激光冲击强化处理，首先激光冲击强化处理可进一步提高被处理区材料的位错密度，且位错密度沿层深方向呈梯度分布；其次可使组织晶粒更加细化；再次，在被强化区材料表层形成了很好的残余压应力。因而它的外在表现不仅提高了已淬火区硬度，而且大幅度提高了强化区材料的表面抗磨性能。！激光淬火+冲击复合强化处理大大改善了因纯激光淬火产生的残余应力的性质，使复合强化区产生了纯残余压应力，还将提高材料被强化区的抗疲劳性能。

另外，本发明原料炼钢中采用真空冶炼。合金钢中的氧含量和非金属夹杂物，尤其是氧化物，对弹簧悬架合金钢的疲劳寿命有着相当大的影响，因此，本发明采用真空冶炼，提高合金钢的纯净度，进而提高弹簧悬架的接触疲劳性能，提高其使用寿命。通过真空冶炼氧含量从28mg/kg降低到16mg/kg，氧化物总量从64.9mg/kg降低到44.8mg/kg，存活率为50％时的接触疲劳寿命提高了29％，存活率为95％时接触疲劳寿命提高了20％。

在上述高性能弹簧悬架的加工工艺中，激光淬火处理中激光淬火功率为850-950W，扫描速度为20-30mm/s，光斑直径为3mm，搭接量为52-60％，用液氮冷却。

在上述高性能弹簧悬架的加工工艺中，激光淬火处理后，硬度层深度为0.84-1.1mm。

经过激光淬火后材料表面粗糙度变化和形变量小，且淬火过程中功率和扫描速率恒定，保证淬火强化层分布均匀。当具有高能量密度的激光束在需要强化的区域扫描时，材料瞬间吸收能量，温度急剧升高，材料表面奥氏体化，冷却速度极快，达到了理想的自淬火效果。经过激光淬火后，材料表面产生残余压应力，有效地阻止裂纹的萌生和扩展。

在上述高性能弹簧悬架的加工工艺中，激光冲击处理中脉冲能量为10-15J，激光波长为950-1100nm，脉冲宽度为15-25ns，功率密度为5-10GW/cm²。

在上述高性能弹簧悬架的加工工艺中，激光冲击处理中铝箔作激光能量吸收层，便于涂敷和清洗，用水作激光冲击时约束层，流水厚度约为1-2mm。

与未冲击区域的残余应力相比，激光冲击强化区域区的残余压应力明显提高，其原因在于激光与材料相互作用时，冲击波在冲击区产生平行于材料表面的拉应力，并使材料发生塑性变形。激光冲击作用之后，由于冲击区周围材料的反作用，将在冲击区中产生压应力。弹簧悬架表面残余应力是与激光冲击强化的塑性影响层深度成正比，塑性影响层越大，弹簧悬架表面残余应力就越大，塑性影响层的深度又与冲击波的能量有关，在冲击区域内，沿表面方向，距离冲击中心越远，冲击波的能量会越大，所以就会产生在冲击周围的残余压应力略大于冲击中心残余压应力的结果，进而改善合金钢冲击区域的表面残余应力。残余应力是提高弹簧悬架耐磨性的原因之一，其原因在于残余压应力的作用，材料表面可以抵抗弯曲和断裂。根据磨损的剥层理论，残余压应力可以提高材料的抗疲劳磨损和抗磨粒磨损。产品在位错堆积的应力影响下，裂纹或空穴在变形层中形成，在金属产生塑性剪切变形时，就相互结合在一起，裂纹在沿表面平行地扩散，这样扩展的结果就是在表层形成薄片，最后剥落。磨损期间所产生的循环载荷有助于裂纹的扩展，而残余压应力却有利于裂纹的封闭。因此，一定的残余压应力的存在，有利于提高在滑动磨损时弹簧悬架的耐磨性。由于在激光与材料相互作用时，冲击波在冲击区产生平行于材料表面的拉应力，并使材料发生塑性变形。激光冲击作用之后，由于冲击区周围材料的反作用，将在冲击区中产生压应力，由于反作用力的存在，材料再受到摩擦的同时，反作用力会与部分的摩擦力相抵消。从而使材料表面的摩擦力大大减小，摩擦力减小，就会延缓材料的磨损。另外，一般说来，表面越粗糙，摩擦系数越大，应力集中越严重，磨损越快，容易产生疲劳破坏。其原因在于，相互运动的两个零件表面越粗糙，则磨损就越快。因为这两个表面只能在轮廓的峰顶接触，当表面间产生相对运动时，峰顶的接触将对运动产生摩擦阻力。表面越粗糙，实际接触面积就越小，单位面积上的压力就越大。当两个材料发生相对运动时，在接触的峰顶间产生了弹塑性变形以及剪切力等，造成了材料表面的磨损。本发明通过激光冲击的作用，细化弹簧悬架表面的晶粒，降低峰顶的高度，当两个材料发生相对运动时，接触面积相对增大，接触时产生的弹塑性变形、剪切力、单位面积上的压力相对减小，从而减缓了材料表面的磨损。激光冲击强化降低弹簧悬架表面的粗糙度，直接改善弹簧悬架的磨损性能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明弹簧悬架的成分配伍合理，通过其组成元素及其元素之间产生的协同作用，提高弹簧悬架的硬度、强度、抗腐蚀性等性能。

2、本发明弹簧悬架通过激光淬火和激光冲击复合强化处理，大幅度提高弹簧悬架表面硬度、耐磨性、抗腐蚀能力、强度等机械性能。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

原料炼钢：按弹簧悬架所用合金钢的组成元素及质量百分比配料：C：0.12％、Cr：0.5％、Si：0.16％、Mn：0.98％、Al：0.042％、N：0.012％、Mo：0.28％、Cu：0.035％、S：0.015％、V：0.12％、RE：0.12％、P≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质；将原料熔炼成钢水，钢水经真空冶炼、浇注、轧制成钢板，并将钢板加工成型，得弹簧悬架坯件。

将弹簧悬架坯件先进行激光淬火处理，然后进行激光冲击处理得高性能的弹簧悬架成品。其中，激光淬火处理中激光淬火功率为900W，扫描速度为25mm/s，光斑直径为3mm，搭接量为55％，用液氮冷却，激光淬火处理后，硬度层深度为0.92mm；激光冲击处理中用铝箔作激光能量吸收层，水作激光冲击时约束层，流水厚度约为1-2mm；脉冲能量为12J，激光波长为1020nm，脉冲宽度为20ns，功率密度为8GW/cm²。

实施例2

原料炼钢：按弹簧悬架所用合金钢的组成元素及质量百分比配料：C：0.14％、Cr：0.45％、Si：0.18％、Mn：1.05％、Al：0.038％、N：0.010％、Mo：0.28％、Cu：0.038％、S：0.018％、V：0.1％、RE：0.14％、P≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质；将原料熔炼成钢水，钢水经真空冶炼、浇注、轧制成钢板，并将钢板加工成型，得弹簧悬架坯件。

将弹簧悬架坯件先进行激光淬火处理，然后进行激光冲击处理得高性能的弹簧悬架成品。其中，激光淬火处理中激光淬火功率为880W，扫描速度为28mm/s，光斑直径为3mm，搭接量为54％，用液氮冷却，激光淬火处理后，硬度层深度为0.88mm；激光冲击处理中用铝箔作激光能量吸收层，水作激光冲击时约束层，流水厚度约为1-2mm；脉冲能量为14J，激光波长为980nm，脉冲宽度为22ns，功率密度为6GW/cm²。

实施例3

原料炼钢：按弹簧悬架所用合金钢的组成元素及质量百分比配料：C：0.15％、Cr：0.4％、Si：0.20％、Mn：0.8％、Al：0.05％、N：0.015％、Mo：0.25％、Cu：0.04％、S：0.005％、V：0.15％、RE：0.08％、P≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质；将原料熔炼成钢水，钢水经真空冶炼、浇注、轧制成钢板，并将钢板加工成型，得弹簧悬架坯件。

将弹簧悬架坯件先进行激光淬火处理，然后进行激光冲击处理得高性能的弹簧悬架成品。其中，激光淬火处理中激光淬火功率为850W，扫描速度为30mm/s，光斑直径为3mm，搭接量为52％，用液氮冷却，激光淬火处理后，硬度层深度为0.84mm；激光冲击处理中用铝箔作激光能量吸收层，水作激光冲击时约束层，流水厚度约为1-2mm；脉冲能量为10J，激光波长为1100nm，脉冲宽度为15ns，功率密度为10GW/cm²。

实施例4

原料炼钢：按弹簧悬架所用合金钢的组成元素及质量百分比配料：C：0.10％、Cr：0.6％、Si：0.14％、Mn：1.15％、Al：0.03％、N：0.008％、Mo：0.35％、Cu：0.025％、S：0.022％、V：0.08％、RE：0.15％、P≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质；将原料熔炼成钢水，钢水经真空冶炼、浇注、轧制成钢板，并将钢板加工成型，得弹簧悬架坯件。

将弹簧悬架坯件先进行激光淬火处理，然后进行激光冲击处理得高性能的弹簧悬架成品。其中，激光淬火处理中激光淬火功率为950W，扫描速度为20mm/s，光斑直径为3mm，搭接量为60％，用液氮冷却，激光淬火处理后，硬度层深度为0.86mm；激光冲击处理中用铝箔作激光能量吸收层，水作激光冲击时约束层，流水厚度约为1-2mm；脉冲能量为15J，激光波长为950nm，脉冲宽度为25ns，功率密度为5GW/cm²。

对比例1

与实施例1的区别仅在于，采用普通合金钢加工弹簧悬架。

对比例2

采用如实施例1所述合金钢通过现有技术中普通的加工方法制得的弹簧悬架。

对比例3

与实施例1的区别仅在于，该对比例在激光淬火处理后没有进行激光冲击处理，即只进行了激光淬火处理。

对比例4

与实施例1的区别仅在于，该对比例没有进行激光淬火处理，只进行了激光冲击处理。

在上述实施例中未明确说明的工艺均为现有技术中普通常规的工艺，如熔炼、浇注、轧制、钝化处理等。

将实施例1-4及对比例1-4中加工得到的弹簧悬架进行性能测试，测试结果如表1所示。

表1：实施例1-4及对比例1-4中加工得到的弹簧悬架的性能测试

从表1可知，本发明弹簧悬架采用配伍合理的合金钢加工而成，通过激光淬火和激光冲击复合强化处理，大幅度提高弹簧悬架表面硬度、耐磨性、抗腐蚀能力、强度等机械性能。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种高性能弹簧悬架，其特征在于，所述的高性能弹簧悬架由合金钢制成，所述合金钢的组成元素及其质量百分比为：C：0.10-0.15%、Cr：0.4-0.6%、Si：0.14-0.20%、Mn：0.8-1.15%、Al：0.03-0.05%、N：0.008-0.015%、Mo：0.25-0.35%、Cu：0.025-0.04%、S：0.005-0.022%、V：0.08-0.15%、RE：0.08-0.15%、P≤0.015%，余量为Fe及不可避免的杂质，Al/N≥3；

所述高性能弹簧悬架的加工工艺包括如下步骤：

将弹簧悬架坯件先进行激光淬火处理，然后进行激光冲击处理得高性能的弹簧悬架成品；

其中，激光淬火处理中激光淬火功率为850-950W，扫描速度为20-30mm/s，光斑直径为3mm，搭接量为52-60%，用液氮冷却；

激光冲击处理中脉冲能量为10-15J，激光波长为950-1100nm，脉冲宽度为15-25ns，功率密度为5-10GW/cm²；激光冲击处理中铝箔作激光能量吸收层，用水作激光冲击时约束层，流水厚度为1-2mm。

2.根据权利要求1所述的高性能弹簧悬架，其特征在于，所述的高性能弹簧悬架由合金钢制成，所述合金钢的组成元素及其质量百分比为：C：0.12-0.15%、Cr：0.45-0.55%、Si：0.15-0.18%、Mn：0.95-1.05%、Al：0.03-0.04%、N：0.01-0.013%、Mo：0.28-0.32%、Cu：0.028-0.035%、S：0.01-0.02%、V：0.1-0.12%、RE：0.1-0.12%、P≤0.015%，余量为Fe及不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述高性能弹簧悬架，其特征在于，激光淬火处理后，硬度层深度为0.84-1.1mm。