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日本弹簧钢和轴承钢研发动态

发布日期:2016-06-24 14:32 来源:http://www.hotte.cn 点击:

1 弹簧钢

1.1 弹簧钢的类别、特性和用途

弹簧钢可分为3大类别:汽车悬簧用钢、小型部件的钢丝弹簧钢和板状弹簧钢。

SUP7是用于汽车螺旋弹簧的普通钢号,由于添加了2%的Si,与SUP6相比弹性极限和抗弹性衰减性都有所提高。

SUP9是用于汽车板簧、弹扭杆、稳定器的钢号,由于添加了提高淬透性元素Mn和Cr,可以热成型大尺寸的板簧和螺旋弹簧。

SUP10是用于汽车叠板簧的钢号,由于添加V并降低C含量,使钢在高强度化的同时还具有较好的韧性。

SUP12是用于汽车螺旋弹簧的、可进行冷、热成型的钢号,由于Mn和Si的添加保证了钢的淬透性和抗弹性衰减性,由于还添加了Cr等元素,钢具有良好的耐蚀性。

SUP13是用于汽车大型叠板簧和工程机械大规格螺旋弹簧的钢号,这种钢Φ100大规格线材都可以进行淬火处理。随着时代的进步逐渐开发出上述的、满足下列(1)~(4)项特性要求的弹簧钢钢种。

(1)荷重特性

为使配置弹簧的车辆和机械发挥出应有的功能,首先就要求弹簧具有符合规定的荷重特性。其次要求在限定的空间内安装符合规定荷重要求的弹簧。

(2)耐久性

耐久性指的是施加反复载荷直到疲劳断裂的载荷次数,次数越多,耐久性越好。耐久性不好的弹簧会发生早期断裂。

(3)抗弹性衰减性

即使仅施加远小于使弹性材料发生变形的负荷,经过长时间的负荷作用,弹性材料也会发生变形,这种现象叫做弹性衰减。弹簧抗弹性衰减性不良,会导致车身高度下降,行驶性和乘坐舒适性下降。

(4)耐蚀性

弹簧如果在荷重状态下发生腐蚀,就会在弹簧表面上出现小的腐蚀孔。这种腐蚀孔会发生应力集中,导致腐蚀断裂。此外,由于锈蚀,氢会侵入弹簧导致延迟断裂,使弹簧出现早期失效。

20世纪80年代的SUP7、SUP12的最大设计应力是1000MPa,后来由于高温硬化和高温喷砂技术的采用,最大设计应力提高到1100MPa。在日本经济高速增长的2000年前后,开始了弹簧钢新材料的开发,通过添加昂贵的合金元素,开发出1200MPa级和1300MPa级弹簧钢独特新产品。

1.2 提高弹簧钢性能的措施

弹簧客户对上述4项特性的要求逐年提高。在使用设计应力为1100MPa级弹簧时,由于弹簧制品硬度是HRC50左右,弹簧的裂纹敏感性不太大,所以在耐久性、抗弹性衰减性和耐蚀性方面不存在与市场需求不相适应的情况。但是,当将最大设计应力目标确定为1200MPa级以上时,弹簧钢的使用遇到了很大的壁垒。这就是,为满足与设计应力相匹配的耐久性和抗弹性衰减性必须提高钢的硬度,但耐蚀性是与硬度成反比的,随着硬度的升高,点腐蚀导致应力集中引发的早期断裂的危险性会相应增加,在当时的弹簧标准钢号的成分和生产工艺条件下,不能满足对耐蚀性的要求。在这种情况下,采取的解决办法是添加下列元素。

提高韧性:添加Si,提高钢的抗裂纹扩展性,即使出现微裂纹,也能延迟裂纹的扩展;添加Mo、V、Nb、Ti等元素细化晶粒;添加B强化晶界。

提高耐点腐蚀性:添加Ni、Cu、Cr提高耐蚀性,抑制点腐蚀的发生。

提高抗延迟断裂性:添加Ti、Nb、V、Mo形成微细碳氮化物弥散析出,形成氢陷阱。

1.3 弹簧钢的发展方向

2005年1300MPa级弹簧钢已经实用化。这种高强度弹簧钢中的Ni、V、Mo添加量比传统弹簧钢多,导致在轻量化降低成本和钢材费用增加两者之间出现不平衡,因此这种钢并未得到广泛使用。近年来,日本国内汽车制造厂家为应对国外汽车制造厂家的竞争,大力推进在日本境外建厂,因此要求汽车部件能够实现全球性调配供应。对于在日本境外采用日本高质量弹簧钢生产技术不能有太多的期望,在日本境外生产高强度弹簧钢还要克服许多困难。在保持日本弹簧钢优势地位的同时,必须开发出更具成本竞争力的高强度弹簧钢。

2 轴承钢

滚动轴承钢在汽车和各种产业机械中的作用是使旋转运动顺畅化,减少动力损失。由于轴承经常在恶劣的环境下工作所以轴承的原材料轴承钢是特殊钢中质量要求最严格的钢类之一。对轴承钢的要求有高硬度、保证高的静态、动态强度和具备高韧性的微观组织、减少作为滚动疲劳源的内部缺陷等。此外,在轴承长期使用中,在各种应力作用下不发生组织变化和尺寸变化也很重要。

轴承钢中使用最多的是JIS SUJ2为代表的高碳铬轴承钢,有一些类型的轴承也使用渗碳钢和高频淬火的中碳钢,但在市场上说到轴承钢一般就是指高碳铬轴承钢。

2.1 高碳铬轴承钢的发展变化

高碳铬轴承钢作为特殊钢在JIS G4805(2008)中有4个钢号:SUJ2~SUJ5。由于各个钢号的淬透性不同,分别用于不同规格的轴承,其中占产量90%以上的是SUJ2,虽然其成分系列比较简单为1%C-1.5%Cr,但可以满足轴承的各种特性要求,而且还具有使生产稳定高效的优点。所以,1%C-1.5%Cr轴承钢在欧洲开发后在长达一个世纪的时间内基本成分没有变化,一直延用至今。

当然,在这期间轴承钢的质量有了很大进步。在20世纪50年代末,人们知道了轴承的使用寿命受钢中氧化物等非金属夹杂物的影响很大。于是将钢中的含氧量作为轴承钢的质量指标,努力提高钢的洁净度。从有关数据可知,由于真空脱气等精炼设备的使用和操作条件的改善,使轴承钢的滚动疲劳寿命大大提高,滚动疲劳寿命可达非脱气钢的几十倍。

近年来,随着对环境问题的日益关注,提高汽车燃料效率成为比过去任何时候都重要的问题。机械设备整体的小型轻量化对提高燃料效率有很大作用,因此轴承部件的小型轻量化就是必然的趋势。为此,对更高洁净度的轴承钢进行了开发,在低含氧量的基础上,对非金属夹杂物的组成、形态和分布进行了控制。

在高洁净度轴承钢开发的同时,钢的洁净度评价方法也有所发展。采用传统的JIS评价方法(JIS G0555-2003)和ASTM评价方法(ASTM E45-05)已经不能对当今的轴承钢进行优劣评价。利用光学显微镜观测和极值统计相结合的方法得出的规定面积内最大非金属夹杂物尺寸预测值不仅可以作为洁净度的指标,还可以作为判断疲劳寿命的一个指标。2008年在ASTM标准中也规定了用极值统计法预测非金属夹杂物最大尺寸的方法(ASTM E2283-08)。由于导致突发性短寿命事故的大型非金属夹杂物在钢中存在的数量极少,所以用光学显微镜很难发现。在这种情况下,采用可进行大体积检测的超声波探伤法是有效的。此外,适用于要求更高可靠性轴承的检测方法正在研发中。

2.2 高碳铬轴承钢的发展方向

今后轴承钢的使用环境会有很大变化,对轴承钢的要求会出现两极分化的现象,即需求高可靠性的轴承钢和需求价格低廉的轴承钢。在高可靠性轴承钢方面,要进一步采取措施提高以非金属夹杂物为指标的疲劳寿命,为此,目前利用最新的观察分析设备和最新的实验方法又重新进行滚动疲劳机理的基础性研究,通过与轴承用户的共同研究,在新理念的基础上,将会开发出环保型、具有国际竞争力的新型轴承钢。  


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