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隋福楼，于淑敏，赵 宇，尹 健
吉林工学院材料工程系，（长春130012）
摘要：研究了汽车钢板弹簧用60Si2Mn钢代替55SiMnVB钢及其热处理工艺。结果表明，60Si2Mn弹簧钢使用今禹淬火介质进行热处理之后，可明显提高淬透性，消除淬火软点，并使其硬度提高
2--4HRC。产品疲劳寿命>14万次，符合技术要求。道路试验表明采用60Si2Mn钢制造的板簧性能完全满足使用要求，且成本明显降低。
关键词：钢板弹簧；水基淬火液；60Si2Mn钢；55SiMnVB钢；疲劳寿命
中图分类号：TGl42．41
文献标识码：B 文章编号：0254-6051(2000)09-0038-03
1 引言
板簧是汽车悬架系统中的重要部件，工作条件恶劣，是汽车的易损件，因而对其力学性能有严格的要求。众所周知，零件力学性能在材料质量保证的前提下取决于热处理工艺，而热处理工艺也应根据所用材料来决定。
根据使用要求，做为板簧材料应是中高碳的合金钢。国外常用的钢号一般为含碳量在0.5％-0.65％左右的Si-Mn 系、Cr-Mn系、Cr-V系以及Cr-Mn-B系等。如美国的SAE926O、SAE5160、SAE51B60等。我国常用钢号为Si-Mn 系，如55SiMnVB、55Si2Mn、60Si2Mn以及近年发展起来的低碳弹簧钢，如28MnSiB、30MnSiB、35MnSiVB等。虽然在我国弹簧钢标准也有Cr-Mn系、Cr-V系，但由于我国资源情况，其价格较贵。
一汽新开发的9t柴油车板簧设计材料为55SiMnVB钢，但该材料短缺且其价格也较贵，不利于工业生产，决定拟用60Si2Mn代替55SiMnVB钢。
弹簧淬火目的是把奥氏体化的钢材，以合理的冷却方式冷却，形成马氏体，然后回火，达到希望的组织和性能。由各种弹簧钢的过冷奥氏体转变曲线和端淬曲线可知，弹簧钢的 马氏体形成温度在300℃左右。因此合适的冷却介质应在300℃以下有较慢冷却能力而在300C以上则冷速较快，以使过冷奥氏体不致形成珠光体类型或贝氏体类型的组织，即所谓“淬不透”。这样的介质，一方面保证了板簧在全部截面上淬透；另一方面也保证了热处理后的力学性能。
我国板簧热处理淬火介质一直沿用油，如N15及N32(10号及20号)机油或柴油，它能满足300℃以下的慢冷，但由于在300℃以上冷却速度较慢，故不宜用于大截面板簧。如55Si2Mn、60Si2Mn钢在上述油中淬火最大淬硬层只能达到12mm，淬透性较好的55SiMnVB钢也只能达到16mm左右。近年来随变截面板簧的发展，所用钢材厚度加厚。若超过l2mm就不能使用Si-Mn 系，超过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 淬火时严重污染环境，而且易发生火灾。
近年来我国发展的低碳弹簧钢系列，如28MnSiB、30SiMnB、35SiMnVB等钢号，其中也只有28MnSiB、30SiMnB 钢能水淬，因为当钢含碳量<0．2％，一般形成板条状马氏体，它具有良好的塑性和强度。当含碳量达0．6％时，形成针状 马氏体，硬而脆。含碳量在0.2％-0.6％之间，则形成两种马氏体的混合组织。随含碳量的增加，针状马氏体越来越多，板条状马氏体越来越少。显然当钢含碳量增加后，由于针状马氏体塑性差，在马氏体转变过程中，产生的组织应 力会导致淬火裂纹，因而在马氏体开始转变温度以下要求慢冷。28MnSiB、30SiMnB钢在正常的成分范围，可以水淬。 但是钢中的成分偏析现象还相当严重，所以28MnSiB、30SiMnB等低碳弹簧钢，由于碳偏析，就很难保证每块板簧 的含碳量均在其标准要求范围内，如超差就会影响到板簧的性能，甚至出现开裂。因此用含碳量较低的28MnSiB、 30SiMnB等低碳弹簧钢代替55SiMnVB钢是不行的。且力学性能也满足不了要求。因此，寻找55SiMnVB钢的代用 材料和一种没有污染、不着火、适于各种弹簧钢过冷奥氏体转变特性，同时又能增加弹簧的实际淬透的临界厚度的冷 却介质是当务之急。
试验表明采用新的今禹水基淬火掖，以60Si2Mn钢代替55SiMnVB钢是较理想的。
2 试验方法
2．1 试验材料
本试验的材料是新抚钢厂轧制的截面规格为14mmx100mm的60Si2Mn及55SiMnVB弹簧钢，材料的化学成分如表1所示。 表1 试验材料的化学成分（质量分数）w(%)
钢号
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
检验
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
检验
0.61
1.60
0.80
0.018
0.017
0.02
2.2 试验内容
将55SiMnVB与60Si2Mn钢分别在N32机油及今禹水基淬火液中淬火，测定其硬度、金相组织及力学性能，比较两者的淬透性。通过钢板弹簧总成的疲劳性能试验、装车道路试验考查钢板弹簧总成的疲劳强度。
2.3 试样的热处理工艺
淬火温度860-890℃，回火温度480-500℃，淬火油温度20-60℃；水基淬火介质温度25-35℃，浓度13％。热处理后钢板弹簧硬度如表2所示。表3为55SiMnVB与60Si2Mn弹簧钢热处理后的力学性能测试结果。
表2 热处理后钢板碳簧的表面硬度
钢号
淬火介质
回火硬度HBS
平均硬度HBS
55SiMnVB
油
413,413,
407,401
408.5
60Si2Mn
油
363,415
389
60Si2Mn
今禹淬火介质
444,444
444
技术要求
375-444
表3 钢板弹簧的力学性能
钢号
样品
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
试验结果及讨论
3.1 材料的金相组织
板簧热处理后首先进行表面质量检查、金相组织观察及力学性能测试，对55SiMnVB与60Si2Mn钢进行了金相检验结果如图1-3所示。观察金相照片，脱碳层满足GB1222-84标准要求[2]；油淬试样，按JB3782-84标准检验，组织为 6级，不合格，如图2所示；今禹水基介质淬火试验，组织为5级，合格，如图3所示。
3.2 水基淬火液的冷却曲线
为了掌握今禹水基淬火液在温度一定条件下，浓度对冷却速度的影响，我们委托了北京华立精细化工公司，测定不同浓度的冷却曲线，如图4。
3.3 生产工艺
根据淬火介质浓度对冷却速度的影响制定如下生产工艺：
前簧：加热温度1050℃，加热时间26min，淬火介质温度30±10℃，淬火液浓度13％。
副簧：加热温度1050℃，加热时间24mln，淬火介质温度30±10℃，淬火液浓度13％。
后簧：加热温度1050℃，加热时间28min，淬火介质温度30±10，淬火液浓度12％。
以上3种零件的回火工艺相同，回火温度500±5℃，回火时间50min。
3.4 弹簧总成台架疲劳试验
试样的工艺参数确定后，初步确定了CAll60KIPL2型，9t平头车钢板弹簧小批量生产计划。生产前、副、后钢板弹簧总成共35架。弹簧在热处理后表面质量检查、硬度抽查满足工艺要求。其中抽出后钢板弹簧总成5架，做疲劳台架试验。
试验采用JB3383-83汽车钢板弹簧试验方法及按QQCN29035-91汽车钢板弹簧技术条件要求。试验设备为重型钢板弹簧疲劳试验机。试验的装夹形式与钢板弹簧总成实际装车状态一样。试验负荷为Fa=±62.5mm，Fm=98.5mm。 式中Fa为试验振幅，Fm为预加变形。试验结果如表4所示。
表4 弹簧总成台架疲劳试验结果
编号
疲劳寿命（万次）
平均疲劳寿命（万次）
试验标准（万次）
断片序号及断裂位置
1
≮14.0
13.9
≮8.0
通过
2
≮14.0
通过
3
13.9
第7片板簧断，距中心67mm，断口为疲劳断裂
4
≮14.0
通过
5
≮14.0
通过
从上述试验情况可看出，使用今禹水基淬火液由于在金属表面上形成一层膜，通过调整浓度、温度和搅拌程度可以得到各种冷却速度，达到最佳淬火效果。经过该淬火介质处理的试样其拉伸试验各种指标优于油淬，其中塑性指标更为突出，金相组织级别也优于油淬火介质的。弹簧总成的疲劳台架试验，前簧、后簧、副簧疲劳寿命均达到优等品水平(>14 万次)。因此，今禹水基淬火剂可以在大截面钢板弹簧热处理中使用。14mmxl00mm大截面弹簧可以使用60Si2Mn钢制造，满足产品的技术要求。
使用今禹水基淬火剂生产的弹簧样品已经安装在9t车上运行，并取得明显的经济效益。
4 结论
(1)用60Si2Mn钢代替55SiMnVB钢制造汽车钢板弹簧，采用今禹水基淬火介质进行淬火可使板簧疲劳寿命>14万次，硬度提高2-4HRC，淬硬层深度明显提高，消除了淬火软点。
(2)用今禹水基淬火介质完全可代替不易控制、安全性差的油淬火介质。
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