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。
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。
试验表明采用新的昌隆水基淬火掖，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 | ||
| 0.61td> | 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。
| 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 | 昌隆淬火介质 | 444,444 | 444 | |||
| 技术要求 | 375-444 | |||||
| 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；昌隆水基介质淬火试验，组织为5级，合格，如图3所示。
3.2 水基淬火液的冷却曲线
为了掌握水基淬火液在温度一定条件下，浓度对冷却速度的影响，测定不同浓度的冷却曲线。
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，PAG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。
