供稿|Linus Hasselrot， Jonas Eriksson， Phil Etheridge

應用

彈簧鋼絲的疲勞性能主要取決于加載周期和應力類型。在目前所有應用中，對不銹鋼彈簧疲勞性能要求最高的可能當屬共軌式燃油噴射系統(tǒng)的柱塞彈簧。

共軌式燃油噴射系統(tǒng)是一項最近10年才發(fā)展起來的新興技術，它通過一個共用的燃油管道(共軌)向發(fā)動機的噴油器注入燃油——設計用于將燃油在高壓噴射的狀態(tài)下注入發(fā)動機燃燒室內，以滿足節(jié)能減排的需求。噴射壓力越高，燃油霧化效果越好，這可使燃油得到最大程度的燃燒，獲得極高的能量轉換率，并降低廢氣排放量。電子控制裝置能夠精確控制噴油量和噴油時間，不受發(fā)動機速度的影響，并確保燃油在高壓下傳輸，減少燃油消耗量。

柱塞彈簧必須具有極高的強度以承受高的重復載荷和維持發(fā)動機的使用壽命，避免失效危險。這決定了柱塞彈簧必須具有極高的抗疲勞強度。此外，由于應用空間有限，彈簧還必須具備體積小、質量輕(約40 g)的特征。重達1000 g的大彈簧可以輕松滿足強度和抗疲勞性能的要求，但明顯與實際需求不符。

壓縮彈簧測試表明，Sandvik Springflex SF彈簧鋼絲能夠承受3億次以上的高應力疲勞載荷，這大大超出了主要共軌式燃油噴射系統(tǒng)生產(chǎn)商的預期，樹立了新的行業(yè)標準。

測試鋼絲直徑為3.6 mm，經(jīng)預加應力、回火和噴丸處理。平均校準應力τmk約為570 MPa，最大校準應力如圖1所示。所有彈簧鋼絲的試驗循環(huán)周期均超過3億次。

彈簧鋼絲制造

Sandvik Springflex SF是現(xiàn)有Sandvik Springflex雙相不銹鋼彈簧鋼絲的改進型產(chǎn)品，集高的抗拉強度和抗松弛性能、優(yōu)異的抗疲勞性能和耐腐蝕性能等多種優(yōu)勢于一身。與17-7PH和ASTM 300系列不銹鋼彈簧鋼絲一樣，Sandvik Springflex SF也符合歐洲彈簧鋼絲標準EN-10270-3。此外，應用證明該產(chǎn)品符合ASTM A313標準。

圖1 Sandvik Spring flex SF 彈簧鋼絲疲勞測試結果

Sandvik Springflex SF也是一種雙相鋼，其組織為鐵素體-奧氏體兩相混合(其優(yōu)點將在后文加以討論)。但是，該產(chǎn)品的創(chuàng)新之處在于應用了一種新生產(chǎn)工藝，可以最大限度提高抗疲勞性能。該工藝包括已獲專利的熱軋線材去皮工藝，其效果優(yōu)于冷拔。它能夠顯著減少表面缺陷，從而提高抗疲勞性能。另外，為全程確保產(chǎn)品的完整性和可靠性，山特維克制訂了嚴格的質量保證計劃。

機械性能

彈簧鋼絲生產(chǎn)后的回火過程會使抗拉強度增加將近200～400 MPa，最終獲得中等抗拉強度。

表1 成品的抗拉強度Rm和屈服強度Rp 0.21) MPa

冶金

疲勞強度被定義為彈簧鋼絲承受動態(tài)載荷時抵抗裂紋的能力，決定了產(chǎn)生裂紋的概率。為了最大程度地提高疲勞強度，必須在生產(chǎn)過程中對彈簧鋼絲的以下性能加以優(yōu)化：

抗拉強度

表面缺陷及夾雜物

微觀組織

延展性

彈簧設計人員有時會應終端用戶的要求開發(fā)一種彈簧設計方案，確保彈簧在指定位置運行時應力水平最低。該方案可通過平衡彈簧圈數(shù)、改變鋼絲直徑和彈簧直徑來實現(xiàn)。彈簧制造商側重于彈簧線圈、預壓應力、熱處理方式及噴丸處理的優(yōu)化，但是歸根結底，彈簧設計人員和制造商都不得不借助彈簧鋼絲的性能來優(yōu)化彈簧的性能。

雙相組織具備奧氏體和鐵素體這兩種結構的優(yōu)點，在拔絲、卷繞和熱處理過程中能夠被充分利用且始終保持穩(wěn)定。其特殊的化學成分和生產(chǎn)工藝確保產(chǎn)品在整個制造過程中不會出現(xiàn)馬氏體轉變，且保持良好的延展性。

馬氏體硬度高于奧氏體，合理的馬氏體量對抗拉強度有重要的貢獻。但馬氏體是一種脆性相，容易使鋼件產(chǎn)生裂紋，尤其是縱向裂紋。馬氏體的密度低于奧氏體，意味著在冷加工過程中其膨脹會增加周圍奧氏體的應力水平，這同樣會增加開裂的危險。盡管如此，馬氏體相依然為ASTM 302 和17-7PH等鋼材采用。

在雙相材料中，奧氏體和鐵素體之間的晶界疲勞裂紋擴展起阻礙作用。因此，雙相材料擁有另一個優(yōu)點，就是裂紋傳播敏感性低于奧氏體鋼。

腐蝕

雙相鋼不僅強度高，抗疲勞性能優(yōu)異，而且耐腐蝕性能好，適用于柱塞彈簧應用。有證據(jù)表明，摻有大量水分的劣質柴油會導致共軌式柱塞彈簧產(chǎn)生應力腐蝕開裂。

Sandvik Springflex SF具有高耐腐蝕性能，不僅耐氯化物和硫化氫應力腐蝕性能良好，而且耐普通腐蝕、點蝕、間隙腐蝕、侵蝕腐蝕和腐蝕疲勞的性能也非常優(yōu)異。

在一般的彈簧應用中，氯化物是最常見的腐蝕源，它對奧氏體鋼的腐蝕尤其迅速。

圖2 設計抗拉強度范圍對比

圖3 不同氯化鈉濃度下的臨界點蝕溫度(穩(wěn)定測量電壓：300 mV SCE)，PH值約為6.0。

結論

山特維克認為Sandvik Springflex SF不僅可以解決柱塞彈簧所面臨的抗疲勞強度挑戰(zhàn)，而且可以廣泛應用于其他需要提高材料性能的潛在終端用戶和市場。典型的應用包括：

使用傳統(tǒng)不銹鋼，但對抗疲勞性能有更高要求的應用；

使用碳鋼、Cr-Si或Cr-Si-V等合金鋼材，對疲勞性能要求高，但對耐腐蝕性提出更高要求的應用；

替代由碳鋼、Cr-Si 或 Cr-Si-V等合金鋼材制造的具有涂層表面的彈簧。

圖4 選擇采用山特維克彈簧鋼絲制作的彈簧