加热工艺对少片簧疲劳强度的影响及改进措施

方亮 汪志贤

摘 要：针对轻量化后的少片簧在可靠性试验过程中存在早期疲劳断裂的现象，通过分析轻量化少片簧故障件，确认弹簧断裂的主要原因是少片簧相比多片簧工艺上增加了中频感应加热和轧制工艺。加热温度、保温时间不受控制，弹簧钢表面存在全脱碳层，导致弹簧断裂。热处理试验结果显示，使用50CrVA，可确保保温时间控制在9min以内，弹簧钢具有良好的脱碳层深度，且脱碳层深度随着轧制中频感应加热温度升高、保温时间延长而加深。根据以上结论，将弹簧材料由60Si2Mn调整为50CrVA，增加中频感应加热温控装置，提高工艺命中率。通过对改进前后的材料进行对比试验，结果表明，改进后台架和路试疲勞寿命都有显著提升。

关键词：少片簧 脱碳层 疲劳强度 弹簧钢

1 前言

随着节能环保要求越来越高，汽车轻量化趋势越来越明显，轻型载货汽车钢板弹簧的质量相对整车占比大，是整车轻量化的主要部件。轻量化后的少片簧在可靠性试验过程巾存在早期疲劳断裂的现象，下面通过FTA及缺陷分析，查找板簧提前失效的原因，并研究不同加热工艺对弹簧材料脱碳层的影响，从而提出解决措施。

2 断裂原因分析

2.1板簧断裂故障描述

某轻型载货汽车前钢板弹簧用轻量化少片簧，选用60Si2Mn弹簧钢，采用抛物线、梯形双轮廓线组合轧制工艺，提高材料利用率，实现轻量化，如图1所示。该少片簧匹配车型GVW为4 845 kg，可靠性试验最早出现断裂的里程在强化路2 280 km处，如表1所示。

2.2断裂原因分析

通过FTA分析，分别对设计、材料、工艺、使用情况4方面的末端因子进行确认。设计方面通过校核，板簧的刚度、强度均满足使用要求，与轻量化前多片簧状态相当，符合设计要求;材质分析成分结果为60Si₂Mn，如表2所示;金相检查结果金相等级在标准范围内，设计符合规范要求;在同等载荷情况，同等试验道路上进行强化试验，发现使用情况非主要原因。而少片簧相比多片簧工艺上增加了中频感应加热和轧制工艺，进一步通过断口脱碳层分析，发现断口有明显疲劳源，属于疲劳断口，如图2所示，脱碳层符合标准，但存在全脱碳层，全脱碳层达不到所要求的硬度及力学强度，如表3所示，在交变应力作用下产生裂纹，这些可见或不可见裂纹成为应力集中区，并作为裂纹起源点[1]，将全脱碳和未脱碳的两种板簧进行台架对比试验，试验条件一致。试验结果显示，未脱碳的弹簧寿命显著高于全脱碳，可见全脱碳层是弹簧钢断裂的主要原因。从生产现场情况来看，操作人员凭经验进行生产，加热温度、保温时间不受控制，导致弹簧钢板过烧。故障件表面金相放大如图3所示。

3 脱碳深度影响因素及试验

3.1 脱碳深度影响因素

脱碳是指弹簧钢在热加工或热处理时，钢材表面在炉内气氛作用下失去全部或部分碳，造成钢材表面碳含量比内部减少的现象。钢板表面脱碳是由于钢板表面与炉气间存在着化学位梯度，奥氏体中的碳扩散控制着脱碳行为。

60Si₂Mn弹簧钢含碳量为0.59%，在本试验条件下，假定碳的扩散系数不随浓度变化，脱碳深度随加热温度和加热时间的变化可以根据Fick第二定律进行计算。对于扩散物质的浓度随时间变化的非稳态扩散，浓度C与距离x、温度T和时间t的关系可表示为：式中，D为扩散系数;D₀为扩散常数，D₀=2.0×10^-5m²/s[2];C₀为初始浓度;erf为误差函数;Q为扩散激活能，Q=140×10¹⁰J/mol[2];R为气体常数，R=8.314 J/（mol·K）[2];T绝对温度。

由式（2）计算可得，950℃和1050℃碳的扩散系数分别为D₁₂₂₃=2.1×10^-11m²/S和D₁₃₂₃=5.93×l0^-11m²/s，温度越高扩散系数越大。由图4可以看出，与950℃相比.1050℃加热时脱碳严重。由图5可见，保温时间越长，脱碳层越深。

3.2 不同材料脱碳试验

根据以上结论，选择轧制可行最低温度9500C对常规推荐使用的60Si₂Mn、50CrVA两种弹簧钢材料进行脱碳工艺验证，两种试样升温至950℃后，保温15 min，再进行淬火处理，对其脱碳层进行检测，并对其作图，结果如图6所示。

由图6可知，60Si₂Mn半脱碳层深度加深速度小于50CrVA，而半脱碳转全脱碳速度大于50CrVAo考虑到生产工艺，使用50CrVA，可确保保温时间控制在9 min以内，板簧钢具有良好的脱碳层深度。

4 改善措施

根据上述结果，制定措施如下： a.材料由60Si₂Mn调整为50CrVA，减少全脱碳出现的可能性;

b.增加中频感应加热温控装置，提高工艺命中率，防止钢板过烧;

c.增加批次首末样件的金相检测，如存在问题增加喷丸时间消除全脱碳层。

根据改进后设备制作样件，样件检测结果具体见表4。

5改进验证

对改进前后的材料进行台架试验，同等载荷条件，频率2.0 Hz，振幅63 mm，预加中位83 mm，各试验5件，试验结果显示整改后弹簧钢寿命显著提升，平均寿命为4.24万次，最早断裂3.19万次，满足标准疲劳寿命≥3万次的要求，高于整改前弹簧钢平均寿命3.16万次，以及最早断裂2.64万次，台架试验结果如表5所示。路试结果显示弹簧钢最早断裂里程为3 424km，效果提升显著，满足标准要求，路试结果见表6。

6 结语

经过对故障件的分析，弹簧钢断裂主要原因是少片簧相比多片簧工艺上增加了中频感应加热和轧制工艺，加热温度、保温时间不受控，弹簧钢表面存在全脱碳层，其硬度与力学性能差，在交变应力作用下产生裂纹，这些可见或不可见裂纹成为应力集中区，并作为裂纹起源点，导致弹簧断裂。

热处理试验结果显示，60Si₂Mn半脱碳层深度加深速度小于50CrVA，而半脱碳转全脱碳速度大于50CrVA。考虑到生产工艺，使用50CrVA，可确保保温时间控制在9 min以内，弹簧钢具有良好的脱碳层深度。

根据以上结论，对板簧进行如下改进，材料由60Si₂Mn调整为50CrVA，减少全脱碳出现的可能性。增加中频感应加热温控装置，提高工艺命中率，防止钢板过烧。增加批次首末样件的金相检测，如存在问题增加喷丸时间消除全脱碳层。保证脱碳层控制在0.8%，不出现全脱碳。

对改进前后的材料进行对比试验，台架和路试疲劳寿命显著提升，能够满足标准要求。

参考文献

[1]权淑丽，郭昭桥，郑开宇等.脱碳层深度对弹簧钢55CrSiA疲劳性能的影响[J].浙江冶金.2015（4）：26-28.

[2]郑宏伟，王灿祥.弹簧钢55SiC rA-M表面脱碳研究[J].南钢科技与管理，2015（4）：19-22.

[3]余国松，毛文俊，李秦欢等.60Si2CrVA弹簧钢轧制过程脱碳的研究[J].浙江冶金.2013.5（2）： 33-34.

[4] 付成辉，脱碳深度对60Si2CrVAT弹簧钢疲劳性能的影响[J].重庆科技学院学报（自然科学版），2011.13（6）：124-126.

[5]崔忠圻，金属学与热处理[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1989.

[6]周盛波，非金属夹杂物、脱碳对弹簧疲劳失效的影响[J].一重技术，2003（3）：37-38.