PAG淬火液在汽车板簧材料与工艺试验中的应用

简要描述: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。
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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。

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。

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 413,413,
407,401
408.5
60Si2Mn 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

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。

 

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