汽车用低合金弹簧钢线材的质量分析

汽车用低合金弹簧钢线材的质量分析

低合金弹簧钢线主要用于生产汽车发动机的气弹簧、轴承悬挂弹簧、电机减速器弹簧、控制汽车驾驶弯曲的离心弹簧，减少对汽车叶片的倾斜，保持水平稳定的芯立杆，并控制对汽车后门的倾斜杆。近年来,我国汽车工业发展迅猛,产量从1999年的180多万辆增加到2009年1360万辆,已超过美国成为全球第一汽车生产大国,据中国汽车工业协会预计,2010年我国汽车产量将超过1700万辆。据中国汽车技术研究中心在中国汽车产业发展信息发布会上公布的官方数据:2010年上半年中国汽车累计产销量分别为847.22万辆和718.53万辆,同比分别增长44.37%和30.45%。汽车工业的强劲发展必然带动我国低合金弹簧钢线材产业的大力发展,但是由于历史和现实两方面的原因,我国钢厂生产的低合金弹簧钢线材无论是质量还是品种都远远不能满足汽车工业的需求。1si-cr-v系列依据在汽车上最终使用效果和产品性价比,低合金弹簧钢线材所涉及的钢种较多,主要有Cr-V系、Cr-Mn系、Si-Mn系、Si-Cr系、Si-Cr-V系以及在Si-Cr系基础上添加少量合金元素V,Ni,Co,Mo,W等形成的更复杂系列。Cr-V系代表钢种有50CrVA和67CrVA;Cr-Mn系代表钢种有55CrMnA;Si-Mn系代表钢种有60Si2MnA(相当于日本的SUP6)和SUP7(相当于美国的SAE9260);Si-Cr系代表钢种有55SiCrA(相当于日本的SUP12,美国的SAE9254),60Si2CrA,OTEVA70SC,SWOSC-V和SWOSC-VH;Si-Cr-V系代表钢种有55SiCrVA,60Si2CrVA,OTEVA75SC,SWOSC-VHV,SWOSC-VHS和SRS60,复杂系列代表钢种有OTEVA76SC,OTEVA90SC,SWOSC-VHR,UHS1900,UHS1900M和UHS2000等。各钢种具体成分见表1～表3。Cr-V系韧性较好,但因强度不高,无法满足弹簧轻量化和小型化的要求,现已基本不用。Cr-Mn系中的55CrMnA也仅用于制造汽车实心稳定杆。Si-Mn系中60Si2MnA除用于制造设计应力880MPa以下的低档乘用车螺旋悬架弹簧和质量要求相对不高的离合器弹簧和汽车实心稳定杆外,还广泛用于制造中档摩托车的减震簧和一般用途的机械簧;SUP7主要用于制造设计应力980MPa以下的中低档乘用车螺旋悬架弹簧,但由于其硅含量较高,表面脱碳倾向大,不易控制,现趋于淘汰。Si-Cr系中的55SiCrA,SAE9254除了用于制造设计应力980MPa以下的中档乘用车螺旋悬架弹簧和质量要求相对较高的离合器弹簧、刹车制动器弹簧、实心稳定杆和扭杆之外,还广泛用于制造中低档摩托车的气门簧、高档摩托车的减震簧和重要用途的机械簧;SAE9254V主要用于制造设计应力900MPa以下的气门弹簧以及质量很高的离合器弹簧和扭杆。Si-Cr-V系中的SRS60用于制造设计应力1110MPa的乘用车螺旋悬架弹簧。复杂系列中的UHS1900,UHS1900M用于制造设计应力1200MPa的乘用车螺旋悬架弹簧;UHS2000用于制造设计应力1300MPa的乘用车螺旋悬架弹簧;OTEVA76SC和OTEVA90SC制造的气门弹簧设计应力可达1000MPa,OTEVA90SC渗氮之后制造的气门弹簧设计应力大于1100MPa。2国产低合金弹簧钢线的现状2.1其他市售生产的规制已经工业化批量生产并用于汽车制造领域的国产低合金弹簧钢线材品种主要有60Si2MnA,55SiCrA,55CrMnA和50CrVA,此外,还有处于研发、试生产中的55SiCrVA,60Si2CrA,60Si2CrVA等。其中50CrVA韧性虽然较好,但因强度不高,无法满足弹簧轻量化和小型化的要求,现已基本不生产;60Si2MnA和55SiCrA产量最大,年产量预计超过10万t,直径5.5～15mm。2.2icra部分热压国内能够部分或全部生产60Si2MnA,55SiCrA,55CrMnA和50CrVA热轧线材厂家主要有宝钢、沙钢、武钢、鞍钢、大钢、江苏兴澄特钢、南钢、杭钢、马钢、天钢、邢钢、湘钢和鄂钢等。2.3实物质量2.3.1产品缺陷,能量不稳定超纯净度低合金弹簧钢中夹杂物的大小、数量和分布等控制十分严格,必须呈细小、弥散状态分布。除了允许部分无害的小于5μm和少量5～15μm夹杂物存在外,不允许出现大于15μm的较大颗粒夹杂物。从炼钢装备水平来看,国内外钢厂基本相当,由于国内钢厂起步较晚,尚未完全掌握夹杂物变性生产工艺,其成品夹杂物控制水平不稳定。此外,特钢厂以废钢为原料,在生产合金弹簧钢时,其有害成分也不易控制。基于以上原因,国产低合金弹簧钢的纯净度控制水平参差不齐,大钢厂要好一些,但其稳定性和国外先进水平相比仍有差距。2.3.2表面全脱碳控制因加热炉的装备水平、研发能力及管理原因,国内钢厂生产的低合金弹簧钢线材表层全脱碳难以完全避免,有时还很严重,∅5.5mm55SiCrA线材表面全脱碳照片如图1所示,而国外A公司和B公司均能够将线材表面的全脱碳稳定地控制在零水平,部分脱碳层深度不到线材直径的1.0%(表4)。2.3.3低合金弹响钢皮的加工为了提高低合金弹簧钢线材的表面质量,国内钢厂一般对轧制线材前的坯料进行全扒皮,部分钢厂因采用短流程技术或无扒皮设备,生产低合金弹簧钢线材时表面质量无法得到有效保证。即使对线材轧制前的坯料进行全扒皮,其表面缺陷仍然较多(表5),有时甚至很严重。∅5.5mm55SiCrA线材表面缺陷照片如图2所示。2.3.4偏析问题的解决受装备水平所限,国内钢厂铸造时一般采用160mm方坯或150mm方坯连铸或模铸,而国外钢厂则采用300mm×400mm以上的大方坯连铸,并在拉坯过程中增加了热火焰清理工序,以减少连铸坯的表面缺陷。小方坯连铸生产工艺的优点是节能,如果采用短流程技术则更节能,但对表面质量要求很高的低合金弹簧钢线材来说并不合适,主要是成分偏析和组织偏析难以有效解决。模铸已是淘汰工艺,其头、尾部的偏析更严重。为了彻底解决偏析问题,宝钢已引进320mm×425mm大方坯连铸装备。尽管如此,其低合金弹簧钢线材偏析问题仍没有完全解决,实物质量中的偏析水平与日本神户制钢和新日铁相比仍有差距。总体而言,55SiCrA的偏析明显少于60Si2MnA。偏析的典型特征是钢丝拉拔断口、油淬火—回火钢丝卷簧断口和弹簧的疲劳断口为笔尖状,∅5.5mm55SiCrA线材拉拔笔尖状断口照片如图3所示。偏析严重时,钢丝无法正常拉拔。由于钢中成分和组织绝对均匀是不存在的,偏析的存在以不影响正常的拉拔和弹簧的疲劳寿命为宜。鉴别偏析最简单的方法是将沿线材轴心剖开形成的纵断面制成镜面,用体积分数2%的硝酸酒精腐蚀后观察,纵断面的颜色越一致说明偏析越轻,反之,偏析越严重,线材轴心或其附近会出现一条或多条黑带,∅12mm60Si2MnA线材轴心纵断面偏析照片如图4所示。3国产低合金弹响钢材料在中国的研发中的难点国际上生产超纯净气门弹簧钢线材质量优异的厂商主要有:神户制钢、新日铁,以及撒斯特、安塞乐米塔尔、浦项制铁,国产此种线材的质量还略有差距。日本神户制钢的超纯净气门弹簧钢线材产量较大,其份额约占全世界的50%。日本神户制钢和新日铁生产的超纯净优质气门弹簧钢热轧线材之所以质量较好、品种较全,主要原因:(1)起步早,20世纪80年代就已开始从事超纯净气门弹簧钢线材的研究与生产;(2)科学技术发达、冶金水平较高;(3)雄厚的经济基础确保有足够的研发经费;(4)具有良好的研发机制,一般来说,在新车型开发过程中,基于成果共享、风险共担的原则,产业链上的汽车制造厂、弹簧厂、钢丝厂和钢厂会积极主动团结起来组成一个完整的研究链,根据工作的需要,有时也会邀请相关大学的教授或科研院所的研究人员加入到这一研究链中,新钢种的开发效率和成功性无疑会大大提高。我国汽车工业起步较晚,虽然目前是汽车生产大国,但离强国还有很长的路要走,现有的汽车厂主要是日资、法资、德资、美资和韩资在中国的合资或独资企业,如广州丰田、广州本田、东风日产、东风标致、一汽大众、上海大众、上海通用、长安福特和北京现代等,自主研发能力较差,以引进国外成熟的车型为主,所用弹簧钢材料往往由外资方直接指定进口厂商。自主品牌比亚迪、奇瑞和吉利最近几年的产量虽然增长很快,但主要是低档轿车,所用弹簧钢材料由于受价格所限,除了气门弹簧钢采用进口材料外,其他基本都是国产60Si2MnA,55SiCrA和55CrMnA,难以承受价格昂贵的进口优质弹簧钢线材。此外,我国经济处于高速发展阶段,对钢材的需求量很大,如2009年我国粗钢产量为5.68亿t,占全世界钢产量的47.37%,各钢厂原有的产品经济效益较好,对技术难度大的新钢种研发积极性不高,国产55SiCrA气门弹簧钢仍处于仿制阶段,尚无法用于制造汽车发动机的气门弹簧。其他设计应力更高的气门弹簧钢品种OTEVA75SC,OTEVA76SC,OTEVA90SC,SWOSC-VH,SWOSC-VHV,SWOSC-VHS和SWOSC-VHR国产化进入商用更是无从谈起。国产低合金弹簧钢线材无论是实物质量,还是品种要赶上发达国家的先进水平还有很长的路要走,但并非高不可攀。钢厂可从55SiCrA超纯净线材的研发和生产开始。这样做的目的有两点:一是55SiCrA线材的研发和生产已经积累了一定的实际生产经验,即使工业化生产的55SiCrA线材达不到超纯净水平,也可以降级使用,不致造成浪费;二是从日本的研究经验来看,设计应力更高的新型弹簧钢基本都是在Cr-Si弹簧钢(55SiCrA)化学成分的基础上改变C,Si,Mn和Cr的含量,添加少量V,Ni,Mo,Co和W等元素进行成分优化而研发成功的。研发机制上应学习日本的先进经验,联合产业链上的钢丝厂、弹簧厂和汽车制造厂组成一个完整的研究链,必要时也可请相关大学的教授或科研院所的研究人员加盟这一研究链,这样55SiCrA超纯净优质气门弹簧钢热轧线材的开发效率和成功性必然会大大提高。研究机制成败的关键是利益共享、风险共担。研发过程中,产业链上的钢厂、钢丝厂、弹簧厂和汽车制造厂应精诚合作,从点滴做起,不断积累经验,千万不要相互掣肘。用国产低合金弹簧钢替代进口同类材料在汽车上试用时,汽车制造厂风险最大,原因是汽车行业实行召回制度。一旦因弹簧钢质量问题实行批量召回,经济损失将是惊人的。如2010年7月5日,丰田公司向日本国土交通省提交报告计划在全球范围内召回27万辆轿车,包括雷克萨斯、皇冠等豪华车型。原因是丰田共接到没有引发过事故的220起问题报告,问题为汽车的发动机气缸气门的弹簧材料中混进了杂物,导致弹簧强度降低,致使发动机在空转和低速行驶时转速不稳,可能会导致汽车在行驶过程中突然熄火,致使引擎存在安全隐患。本次召回预计费用总共将达200亿日元(约合人民币15.4亿元)。国产高端低合金弹簧钢线材的产业化切不可急功近利,而必须采取持之以恒的自主创新,在掌握核心技术后遵循循序渐进的科学方法,才有可能成功。4汽车用弹响应物(1)国产汽车用低合金弹簧钢线材的现有品种为60Si2MnA,55SiCrA,55CrMnA和50CrVA。60Si2MnA除了用于制造设计应力880MPa以下的低档乘用车螺旋悬架弹簧和质量相对要求不高的离合器弹簧和汽车实心稳定杆外,还广泛用于制造中档摩托车的减震簧和一般用途的机械簧;55SiCrA,SAE9254除了用于制造设计应力980M