方亮 汪志賢

摘 要：針對輕量化后的少片簧在可靠性試驗過程中存在早期疲勞斷裂的現(xiàn)象，通過分析輕量化少片簧故障件，確認彈簧斷裂的主要原因是少片簧相比多片簧工藝上增加了中頻感應(yīng)加熱和軋制工藝。加熱溫度、保溫時間不受控制，彈簧鋼表面存在全脫碳層，導(dǎo)致彈簧斷裂。熱處理試驗結(jié)果顯示，使用50CrVA，可確保保溫時間控制在9min以內(nèi)，彈簧鋼具有良好的脫碳層深度，且脫碳層深度隨著軋制中頻感應(yīng)加熱溫度升高、保溫時間延長而加深。根據(jù)以上結(jié)論，將彈簧材料由60Si2Mn調(diào)整為50CrVA，增加中頻感應(yīng)加熱溫控裝置，提高工藝命中率。通過對改進前后的材料進行對比試驗，結(jié)果表明，改進后臺架和路試疲勞壽命都有顯著提升。

關(guān)鍵詞：少片簧 脫碳層 疲勞強度 彈簧鋼

1 前言

隨著節(jié)能環(huán)保要求越來越高，汽車輕量化趨勢越來越明顯，輕型載貨汽車鋼板彈簧的質(zhì)量相對整車占比大，是整車輕量化的主要部件。輕量化后的少片簧在可靠性試驗過程巾存在早期疲勞斷裂的現(xiàn)象，下面通過FTA及缺陷分析，查找板簧提前失效的原因，并研究不同加熱工藝對彈簧材料脫碳層的影響，從而提出解決措施。

2 斷裂原因分析

2.1板簧斷裂故障描述

某輕型載貨汽車前鋼板彈簧用輕量化少片簧，選用60Si2Mn彈簧鋼，采用拋物線、梯形雙輪廓線組合軋制工藝，提高材料利用率，實現(xiàn)輕量化，如圖1所示。該少片簧匹配車型GVW為4 845 kg，可靠性試驗最早出現(xiàn)斷裂的里程在強化路2 280 km處，如表1所示。

2.2斷裂原因分析

通過FTA分析，分別對設(shè)計、材料、工藝、使用情況4方面的末端因子進行確認。設(shè)計方面通過校核，板簧的剛度、強度均滿足使用要求，與輕量化前多片簧狀態(tài)相當，符合設(shè)計要求;材質(zhì)分析成分結(jié)果為60Si₂Mn，如表2所示;金相檢查結(jié)果金相等級在標準范圍內(nèi)，設(shè)計符合規(guī)范要求;在同等載荷情況，同等試驗道路上進行強化試驗，發(fā)現(xiàn)使用情況非主要原因。而少片簧相比多片簧工藝上增加了中頻感應(yīng)加熱和軋制工藝，進一步通過斷口脫碳層分析，發(fā)現(xiàn)斷口有明顯疲勞源，屬于疲勞斷口，如圖2所示，脫碳層符合標準，但存在全脫碳層，全脫碳層達不到所要求的硬度及力學(xué)強度，如表3所示，在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋，這些可見或不可見裂紋成為應(yīng)力集中區(qū)，并作為裂紋起源點[1]，將全脫碳和未脫碳的兩種板簧進行臺架對比試驗，試驗條件一致。試驗結(jié)果顯示，未脫碳的彈簧壽命顯著高于全脫碳，可見全脫碳層是彈簧鋼斷裂的主要原因。從生產(chǎn)現(xiàn)場情況來看，操作人員憑經(jīng)驗進行生產(chǎn)，加熱溫度、保溫時間不受控制，導(dǎo)致彈簧鋼板過燒。故障件表面金相放大如圖3所示。

3 脫碳深度影響因素及試驗

3.1 脫碳深度影響因素

脫碳是指彈簧鋼在熱加工或熱處理時，鋼材表面在爐內(nèi)氣氛作用下失去全部或部分碳，造成鋼材表面碳含量比內(nèi)部減少的現(xiàn)象。鋼板表面脫碳是由于鋼板表面與爐氣間存在著化學(xué)位梯度，奧氏體中的碳擴散控制著脫碳行為。

60Si₂Mn彈簧鋼含碳量為0.59%，在本試驗條件下，假定碳的擴散系數(shù)不隨濃度變化，脫碳深度隨加熱溫度和加熱時間的變化可以根據(jù)Fick第二定律進行計算。對于擴散物質(zhì)的濃度隨時間變化的非穩(wěn)態(tài)擴散，濃度C與距離x、溫度T和時間t的關(guān)系可表示為：式中，D為擴散系數(shù);D₀為擴散常數(shù)，D₀=2.0×10^-5m²/s[2];C₀為初始濃度;erf為誤差函數(shù);Q為擴散激活能，Q=140×10¹⁰J/mol[2];R為氣體常數(shù)，R=8.314 J/（mol·K）[2];T絕對溫度。

由式（2）計算可得，950℃和1050℃碳的擴散系數(shù)分別為D₁₂₂₃=2.1×10^-11m²/S和D₁₃₂₃=5.93×l0^-11m²/s，溫度越高擴散系數(shù)越大。由圖4可以看出，與950℃相比.1050℃加熱時脫碳嚴重。由圖5可見，保溫時間越長，脫碳層越深。

3.2 不同材料脫碳試驗

根據(jù)以上結(jié)論，選擇軋制可行最低溫度9500C對常規(guī)推薦使用的60Si₂Mn、50CrVA兩種彈簧鋼材料進行脫碳工藝驗證，兩種試樣升溫至950℃后，保溫15 min，再進行淬火處理，對其脫碳層進行檢測，并對其作圖，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，60Si₂Mn半脫碳層深度加深速度小于50CrVA，而半脫碳轉(zhuǎn)全脫碳速度大于50CrVAo考慮到生產(chǎn)工藝，使用50CrVA，可確保保溫時間控制在9 min以內(nèi)，板簧鋼具有良好的脫碳層深度。

4 改善措施

根據(jù)上述結(jié)果，制定措施如下： a.材料由60Si₂Mn調(diào)整為50CrVA，減少全脫碳出現(xiàn)的可能性;

b.增加中頻感應(yīng)加熱溫控裝置，提高工藝命中率，防止鋼板過燒;

c.增加批次首末樣件的金相檢測，如存在問題增加噴丸時間消除全脫碳層。

根據(jù)改進后設(shè)備制作樣件，樣件檢測結(jié)果具體見表4。

5改進驗證

對改進前后的材料進行臺架試驗，同等載荷條件，頻率2.0 Hz，振幅63 mm，預(yù)加中位83 mm，各試驗5件，試驗結(jié)果顯示整改后彈簧鋼壽命顯著提升，平均壽命為4.24萬次，最早斷裂3.19萬次，滿足標準疲勞壽命≥3萬次的要求，高于整改前彈簧鋼平均壽命3.16萬次，以及最早斷裂2.64萬次，臺架試驗結(jié)果如表5所示。路試結(jié)果顯示彈簧鋼最早斷裂里程為3 424km，效果提升顯著，滿足標準要求，路試結(jié)果見表6。

6 結(jié)語

經(jīng)過對故障件的分析，彈簧鋼斷裂主要原因是少片簧相比多片簧工藝上增加了中頻感應(yīng)加熱和軋制工藝，加熱溫度、保溫時間不受控，彈簧鋼表面存在全脫碳層，其硬度與力學(xué)性能差，在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋，這些可見或不可見裂紋成為應(yīng)力集中區(qū)，并作為裂紋起源點，導(dǎo)致彈簧斷裂。

熱處理試驗結(jié)果顯示，60Si₂Mn半脫碳層深度加深速度小于50CrVA，而半脫碳轉(zhuǎn)全脫碳速度大于50CrVA。考慮到生產(chǎn)工藝，使用50CrVA，可確保保溫時間控制在9 min以內(nèi)，彈簧鋼具有良好的脫碳層深度。

根據(jù)以上結(jié)論，對板簧進行如下改進，材料由60Si₂Mn調(diào)整為50CrVA，減少全脫碳出現(xiàn)的可能性。增加中頻感應(yīng)加熱溫控裝置，提高工藝命中率，防止鋼板過燒。增加批次首末樣件的金相檢測，如存在問題增加噴丸時間消除全脫碳層。保證脫碳層控制在0.8%，不出現(xiàn)全脫碳。

對改進前后的材料進行對比試驗，臺架和路試疲勞壽命顯著提升，能夠滿足標準要求。

參考文獻

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