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抗拉強度＞1450MPa！100萬次無限壽命！新型含Nb彈簧鋼

2022-05-07 13:52:49 作者：材料基來源：材料基分享至：

商用車懸架系統的輕量化，必然要求設計應力提高，這對懸架系統使用的原材料——彈簧鋼性能提出了更高的要求。結合國內彈簧鋼冶煉及工業化水平，采用鈮元素微合金化技術，通過細晶強化和析出強化等途徑，開發抗拉強度大于1500MPa新型含Nb高強彈簧鋼原材料LPD65，并對新型含Nb高強彈簧鋼原材料LPD65的熱處理性能、力學性能、疲勞性能進行研究。研究顯示，新型含Nb高強彈簧鋼原材料LPD65滿足商用車懸架系統輕量化板簧設計需求，同時滿足國內主機廠對輕量化懸架板簧疲勞壽命要求。

2019年以來，商用車輕量化需求持續延續，其中懸架系統輕量化成為必然趨勢。以商用車中牽引車為例，普通牽引車前懸架3片拋物線板簧，后懸架5片拋物線板簧；輕量化高端牽引車前懸架2片拋物線板簧，后懸架3片拋物線板簧，未來進一步輕量化方案為前懸架單片簧，后懸架輕量化3片簧。然而對于商用車中自卸車來說，同樣存在輕量化需求，特別是自卸車后懸架系統輕量化（拋物線少片簧替代普通多片簧）需求也越來越強烈，同時自卸車對于其懸架系統的高疲勞性能要求也越來越高。懸架系統輕量化和高疲勞性能要求提高，必然要求其設計應力提高，這對商用車懸架系統使用的原材料彈簧鋼的性能提出了更高要求。

結合國內彈簧鋼冶煉及工業化水平，采用鈮微合金化技術，通過細晶強化和析出強化等途徑，開發抗拉強度大于1500MPa新型含Nb高強彈簧鋼原材料LPD65，并對新型含Nb高強彈簧鋼原材料LPD65的熱處理性能、力學性能、疲勞性能進行研究，驗證其是否滿足商用車懸架系統輕量化板簧設計需求，以及國內主機廠對輕量化懸架板簧疲勞壽命的要求。

材料制備及試驗方法

1 高強彈簧鋼LPD65制備

高強彈簧鋼LPD65主要化學成分設計見表1，依據相應板簧設計需求，冶煉28mm×90mm規格的彈簧鋼原材料，用于材料化學成分、熱處理性能和疲勞性能的研究。

2 試驗方法

LPD65冶煉完成后，使用Q4直讀光譜儀進行化學成分檢測；用WDW-G型電子萬能拉伸試驗機，測試新材料試樣熱處理后的力學性能；使用HR-15A型號洛氏硬度計，檢測新材料試樣熱處理后的淬火硬度及回火硬度；用Nikon MA100型金相顯微鏡及JEOLJEM-1400型透射電鏡，對新材料熱處理試樣進行組織觀察；產品試制完成后，使用PSJ200型機械疲勞試驗機進行臺架疲勞試驗及道路試驗。

結果與討論

1 化學成分分析

高強彈簧鋼LPD65的化學成分檢測結果見表2。由表2可知，不同爐號冶煉的高強彈簧鋼LPD65，其化學成分均符合設計要求，且各種化學元素成分相對均勻，這表明化學成分設計滿足冶煉要求，可以實現規模生產。

2 力學性能分析

高強彈簧鋼LPD65熱處理后的力學性能要求如表3所示。在450±20℃的回火范圍內，彈簧鋼的強度大于1450MPa，斷面收縮率≥30%，斷后伸長率≥9%。

3 組織結構與強韌化機理分析

圖1為高強彈簧鋼LPD65熱處理后的金相組織，為細致的回火屈氏體。

圖2為高強彈簧鋼LPD65熱處理后的晶粒度照片，依據GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》，評定晶粒度為10級。

圖3為高強彈簧鋼LPD65熱處理后掃描電鏡（1000倍）形貌，分析可知為典型回火屈氏體形貌，且組織分布均勻。

圖4為高強彈簧鋼LPD65熱處理后掃描電鏡（5000倍）形貌，在均勻清晰的回火屈氏體形貌之中，均勻彌散分布碳化物顆粒。

綜上可知，高強彈簧鋼LPD65經過熱處理后，可獲得較細的回火屈氏體組織，另外，合金元素特別是Nb元素的加入，形成了碳化物，此種碳化物易偏聚在晶界處，阻礙晶粒長大。同時，在位錯進行滑移時，鈮的碳化物對位錯滑移產生釘扎作用，這也是高強彈簧鋼LPD65具有較高強度和優良塑韌性的根本原因。

4 工藝性能分析

表4是高強彈簧鋼LPD65末端淬透性試驗數據，圖5是其末端淬透性試驗曲線。新型高強彈簧鋼LPD65具有較好的淬透性，完全能滿足高應力少片板簧不同厚度原材料淬透性工藝需求。

5 臺架疲勞試驗

圖6是使用高強彈簧鋼LPD65試制板簧進行臺架試驗的結果。由圖6可知：

1）高強彈簧鋼LPD65試制板簧在國標臺架試驗條件下，最大試驗應力為833MPa，臺架試驗疲勞壽命為80萬次，且未出現斷裂，遠遠大于國標要求的10萬次疲勞壽命，接近板簧設計無限壽命100萬次。

2）高強彈簧鋼LPD65試制板簧在主機廠臺架試驗條件下，最大試驗應力為900MPa，臺架試驗疲勞壽命為50萬次，且未出現斷裂，遠遠大于主機廠要求的16萬次疲勞壽命；最大試驗應力為1000MPa時，臺架試驗疲勞壽命為30萬次，且未出現斷裂，遠遠大于主機廠要求的12萬次疲勞壽命；最大試驗應力為1050MPa時，臺架試驗疲勞壽命為20萬次，且未出現斷裂，遠遠大于主機廠要求的12萬次疲勞壽命；最大試驗應力為1100MPa時，臺架試驗疲勞壽命為15萬次，且未出現斷裂，遠遠大于主機廠要求的12萬次疲勞壽命，具有優異的疲勞特性；在最大試驗應力為1150MPa時，臺架試驗疲勞壽命為12萬次，且未出現斷裂，也可以滿足主機廠12萬次疲勞壽命的要求，達到行業內絕對領先水平。

結論

1）新型含Nb高強彈簧鋼LPD65適用于商用車高應力、輕量化板簧產品。

2）新型含Nb高強彈簧鋼LPD65具有良好的熱處理性能和淬透性，熱處理后抗拉強度大于1450MPa，略低于材料預想抗拉強度目標，后續需進一步進行熱處理工藝研究，實現抗拉強度大于1500MPa的設計目標。LPD65中Nb元素的加入，形成了高性能碳化物，其對位錯滑移產生釘扎作用，使得高強彈簧鋼具有高強度和優良的塑韌性。

3）新型含Nb高強彈簧鋼LPD65試制板簧的臺架疲勞壽命優異，在國標的試驗應力條件下，疲勞壽命接近100萬次無限壽命；在高應力為1150MPa的試驗應力條件下，臺架疲勞壽命可達到12萬次，且出現斷裂，處于行業內絕對領先水平。（秦立富王治寶王德虎王科劉惺超王文軍）

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