PAG淬火液在汽車板簧材料與工藝試驗中的應用

2018-11-22 20:58:34      點擊:

摘要:研究了汽車鋼板彈簧用60Si2Mn鋼代替55SiMnVB鋼及其熱處理工藝。結果表明,60Si2Mn彈簧鋼使用昌隆淬火介質進行熱處理之后,可明顯提高淬透性,消除淬火軟點,并使其硬度提高2--4HRC。產品疲勞壽命>14萬次,符合技術要求。道路試驗表明采用60Si2Mn鋼制造的板簧性能完全滿足使用要求,且成本明顯降低。

關鍵詞:鋼板彈簧;水基淬火液;60Si2Mn鋼;55SiMnVB鋼;疲勞壽命

1 引言

板簧是汽車懸架系統中的重要部件,工作條件惡劣,是汽車的易損件,因而對其力學性能有嚴格的要求。眾所周知,零件力學性能在材料質量保證的前提下取決于熱處理工藝,而熱處理工藝也應根據所用材料來決定。

根據使用要求,做為板簧材料應是中高碳的合金鋼。國外常用的鋼號一般為含碳量在0.5-0.65%左右的Si-Mn系、Cr-Mn系、Cr-V系以及Cr-Mn-B系等。如美國的SAE926O、SAE5160、SAE51B60等。我國常用鋼號為Si-Mn系,如55SiMnVB、55Si2Mn、60Si2Mn以及近年發展起來的低碳彈簧鋼,如28MnSiB、30MnSiB、35MnSiVB等。雖然在我國彈簧鋼標準也有Cr-Mn系、Cr-V系,但由于我國資源情況,其價格較貴。

一汽新開發的9t柴油車板簧設計材料為55SiMnVB鋼,但該材料短缺且其價格也較貴,不利于工業生產,決定擬用60Si2Mn代替55SiMnVB鋼。

彈簧淬火目的是把奧氏體化的鋼材,以合理的冷卻方式冷卻,形成馬氏體,然后回火,達到希望的組織和性能。由各種彈簧鋼的過冷奧氏體轉變曲線和端淬曲線可知,彈簧鋼的馬氏體形成溫度在300℃左右。因此合適的冷卻介質應在300℃以下有較慢冷卻能力而在300C以上則冷速較快,以使 過冷奧氏體不致形成珠光體類型或貝氏體類型的組織,即所謂“淬不透”。這樣的介質,一方面保證了板簧在全部截面上淬透;另一方面也保證了熱處理后的力學性能。

我國板簧熱處理淬火介質一直沿用油,如N15N32(10號及20)機油或柴油,它能滿足300℃以下的慢冷,但由于在300℃以上冷卻速度較慢,故不宜用于大截面板簧。如55Si2Mn、60Si2Mn鋼在上述油中淬火最大淬硬層只能達到12mm,淬透性較好的55SiMnVB鋼也只能達到16mm左右。近年來隨變截面板簧的發展,所用鋼材厚度加厚。若超過l2mm就不能使用Si-Mn系,超過16mm不能使用Si-Mn-V-B系,而使用Cr-Mn系、Cr-V系又加大板簧成本.此外油淬火時嚴重污染環境,而且易發生火災。

近年來我國發展的低碳彈簧鋼系列,如28MnSiB、30SiMnB、35SiMnVB等鋼號,其中也只有28MnSiB、30SiMnB 鋼能水淬,因為當鋼含碳量<02%,一般形成板條狀馬氏體,它具有良好的塑性和強度。當含碳量達06%時,形成針狀馬氏體,硬而脆。含碳量在0.2-0.6%之間,則形成兩種馬氏體的混合組織。隨含碳量的增加,針狀馬氏體越來越多,板條狀馬氏體越來越少。顯然當鋼含碳量增加后,由于針狀馬氏體塑性差,在馬氏體轉變過程中,產生的組織應力會導致淬火裂紋,因而在馬氏體開始轉變溫度以下要求慢冷。28MnSiB、30SiMnB鋼在正常的成分范圍,可以水淬。 但是鋼中的成分偏析現象還相當嚴重,所以28MnSiB、30SiMnB等低碳彈簧鋼,由于碳偏析,就很難保證每塊板簧的含碳量均在其標準要求范圍內,如超差就會影響到板簧的性能,甚至出現開裂。因此用含碳量較低的28MnSiB、 30SiMnB等低碳彈簧鋼代替55SiMnVB鋼是不行的。且力學性能也滿足不了要求。因此,尋找55SiMnVB鋼的代用材料和一種沒有污染、不著火、適于各種彈簧鋼過冷奧氏體轉變特性,同時又能增加彈簧的實際淬透的臨界厚度的冷 卻介質是當務之急。

試驗表明采用新的昌隆水基淬火掖,以60Si2Mn鋼代替55SiMnVB鋼是較理想的。

2 試驗方法

21 試驗材料

本試驗的材料是新撫鋼廠軋制的截面規格為14mmx100mm60Si2Mn55SiMnVB彈簧鋼,材料的化學成分如表1所示。

1 試驗材料的化學成分(質量分數)     w(%)

鋼號

C

Si

Mn

S

P

Cr

V

B

55SiMnVB

GB1222

0.52-0.60

0.70-1.00

1.00-1.30

0.035

0.035

0.035

0.08-0.16

0.0005-0.035

檢驗

0.57

0.90

1.10

0.011

0.021

 

0.126

<0.0010

60Si2Mn

GB1222

0.56-0.64

1.60-2.00

0.60-0.90

0.035

0.035

0.035

 

 

 

0.61td>

1.60

0.80

0.018

0.017

0.02

 

 

2.2 試驗內容

55SiMnVB60Si2Mn鋼分別在N32機油及昌隆水基淬火液中淬火,測定其硬度、金相組織及力學性能,比較兩者的淬透性。通過鋼板彈簧總成的疲勞性能試驗、裝車道路試驗考查鋼板彈簧總成的疲勞強度。

2.3 試樣的熱處理工藝

淬火溫度860-890℃,回火溫度480-500℃,淬火油溫度20-60℃;水基淬火介質溫度25-35℃,濃度13%。熱處理后鋼板彈簧硬度如表2所示。表355SiMnVB60Si2Mn彈簧鋼熱處理后的力學性能測試結果。

鋼號

淬火介質

回火硬度HBS

平均硬度HBS

55SiMnVB

413,413,
407,401

408.5

60Si2Mn

363,415

389

60Si2Mn

昌隆淬火介質

444,444

444

技術要求

 

 

375-444

鋼號

樣品

σb/MPa

σs/MPa

δ(%)

Ψ(%)

σk/J.cm-2

55SiMnVB

1

1369

1339

7.5

26

34

2

1375

1358

8.0

21

44

3

1349

1315

8.2

31

36

4

1384

1339

9.0

33

38

平均

1369

1338

8.2

28

38

60Si2Mn

水基淬火液

1

1314

1274

4.5

18

43

2

1411

1354

4.5

16

46

3

1354

1299

4.4

16

38

平均

1340

1306

4.5

16.7

42

3 試驗結果及討論

3.1 材料的金相組織

板簧熱處理后首先進行表面質量檢查、金相組織觀察及力學性能測試,對55SiMnVB60Si2Mn鋼進行了金相檢驗結果如圖1-3所示。觀察金相照片,脫碳層滿足GB1222-84標準要求[2];油淬試樣,按JB3782-84標準檢驗,組織為6級,不合格,如圖2所示;昌隆水基介質淬火試驗,組織為5級,合格,如圖3所示。


3.2 水基淬火液的冷卻曲線

為了掌握昌隆水基淬火液在溫度一定條件下,濃度對冷卻速度的影響,測定不同濃度的冷卻曲線。

3.3 生產工藝

根據淬火介質濃度對冷卻速度的影響制定如下生產工藝:

前簧:加熱溫度1050℃,加熱時間26min,淬火介質溫度30±10℃,淬火液濃度13%。

副簧:加熱溫度1050℃,加熱時間24mln,淬火介質溫度30±10℃,淬火液濃度13%。

后簧:加熱溫度1050℃,加熱時間28min,淬火介質溫度30±10,淬火液濃度12%。

以上3種零件的回火工藝相同,回火溫度500±5℃,回火時間50min。

3.4 彈簧總成臺架疲勞試驗

試樣的工藝參數確定后,初步確定了CAll60KIPL2型,9t平頭車鋼板彈簧小批量生產計劃。生產前、副、后鋼板彈簧總成共35架。彈簧在熱處理后表面質量檢查、硬度抽查滿足工藝要求。其中抽出后鋼板彈簧總成5架,做疲勞臺架試驗。

試驗采用JB3383-83汽車鋼板彈簧試驗方法及按QQCN29035-91汽車鋼板彈簧技術條件要求。試驗設備為重型鋼板彈簧疲勞試驗機。試驗的裝夾形式與鋼板彈簧總成實際裝車狀態一樣。試驗負荷為Fa=±62.5mm,Fm=98.5mm。式中Fa為試驗振幅,Fm為預加變形。試驗結果如表4所示。

4 彈簧總成臺架疲勞試驗結果

編號

疲勞壽命(萬次)

平均疲勞壽命(萬次)

試驗標準(萬次)

斷片序號及斷裂位置

1

14.0

13.9

8.0

通過

2

14.0

通過

3

13.9

7片板簧斷,距中心67mm,斷口為疲勞斷裂

4

14.0

通過

5

14.0

通過

從上述試驗情況可看出,使用昌隆水基淬火液由于在金屬表面上形成一層膜,通過調整濃度、溫度和攪拌程度可以得到各種冷卻速度,達到最佳淬火效果。經過該淬火介質處理的試樣其拉伸試驗各種指標優于油淬,其中塑性指標更為突出,金相組織級別也優于油淬火介質的。彈簧總成的疲勞臺架試驗,前簧、后簧、副簧疲勞壽命均達到優等品水平(>14萬次)。因此,PAG水基淬火劑可以在大截面鋼板彈簧熱處理中使用。14mmxl00mm大截面彈簧可以使用60Si2Mn鋼制造,滿足產品的技術要求。

使用昌隆水基淬火劑生產的彈簧樣品已經安裝在9t車上運行,并取得明顯的經濟效益。

4 結論

(1)用60Si2Mn鋼代替55SiMnVB鋼制造汽車鋼板彈簧,采用昌隆水基淬火介質進行淬火可使板簧疲勞壽命>14萬次,硬度提高2-4HRC,淬硬層深度明顯提高,消除了淬火軟點。

(2)用昌隆水基淬火介質完全可代替不易控制、安全性差的油淬火介質。

 

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