胥洲 李潤哲 張煒 李慶偉

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130000）

1 前言

作為汽車中的一個非常重要的懸架零件，汽車鋼板彈簧將車輪上的力和轉(zhuǎn)矩傳遞給車架，實現(xiàn)對車架的導(dǎo)向、緩沖、減振和支撐，是汽車上的一個重要承力件。近年來國內(nèi)外用戶對整車的性能要求越來越高，對鋼板彈簧的承載要求和疲勞壽命也提出了越來越高的要求，從原本要求的載重數(shù)噸，壽命數(shù)萬小時，到如今的載重幾十噸甚至上百噸，壽命數(shù)十萬小時，同時降低成本，需要減輕彈簧的自重，這一切都對鋼板彈簧的設(shè)計者和制造商提出了嚴(yán)格的要求。因此，為改善其疲勞品質(zhì)，除了改進設(shè)計和材料之外，提升汽車鋼板彈簧的疲勞壽命及疲勞強度的有效手段就是表面強化噴丸技術(shù)[1]。

噴丸強化是提高汽車鋼板彈簧疲勞壽命的有效方法，它是指以高速運動的彈丸向鋼板彈簧表面噴射，使鋼板彈簧表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力場，以提高鋼板彈簧疲勞壽命，改善鋼板彈簧松弛性能和耐應(yīng)力腐蝕性能的一種工藝手段。

為研究鋼板彈簧噴丸強化對性能及疲勞壽命的影響，在鋼板彈簧噴丸工藝及噴丸后鋼板彈簧的微觀組織和物理參數(shù)變化方面做了一些試驗分析，找出影響鋼板彈簧噴丸強化效果的相關(guān)因素，為制定正確的噴丸工藝上找到合理的依據(jù)，為提高產(chǎn)品的質(zhì)量及優(yōu)化設(shè)計方案提供技術(shù)保障[2]。

2 鋼板彈簧材料性能

2.1 化學(xué)成分

本試驗中的試樣分別選擇60Si2Mn、50CrVA和FAS35503 種材料進行研究分析，本文圖表中均用M、V、F 簡寫代替3 種材料全稱。樣品編號從1開始，表示為F1、V1、M1 等。材料的化學(xué)成分如表1 所示。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.2 鋼板彈簧試樣熱處理工藝

a.F 試樣（910 ℃、保溫60 min，油淬+410 ℃、保溫70 min）；

b.V 試樣（910 ℃、保溫30 min，油淬+410 ℃、保溫70 min）；

c.M 試樣（870 ℃、保溫30 min，油淬+480 ℃、保溫60 min）。

2.3 硬度、金相檢驗

檢驗依據(jù)：GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1 部分：試驗方法》，GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》。表2給出了部分樣品的表面硬度、組織及脫碳層深等相關(guān)數(shù)據(jù)；3 種材料試樣的顯微組織均為細(xì)致的回火屈氏體，部分材料會出現(xiàn)表面脫碳現(xiàn)象。圖1 為F1 的顯微組織照片，圖2 為V1 的表面脫碳層照片。

表2 調(diào)質(zhì)后部分試樣硬度、金相檢驗結(jié)果

圖1 心部顯微組織（×500）

圖2 表面脫碳層（×500）

3 噴丸試驗工藝

本次共選取30 件鋼板彈簧試樣研究噴丸試驗工藝，試驗樣品編號分別為F11～F20、V11～V20、M11～M20。具體噴丸工藝如表3 所示，詳細(xì)分析了不同材料在不同噴丸工藝下鋼板彈簧的不同噴丸效果。

表3 噴丸試驗工藝

4 噴丸強化處理

4.1 噴丸表面覆蓋率

利用低倍顯微鏡分析鋼板彈簧試樣F11 的噴丸表面覆蓋率，結(jié)果如圖3 所示，鋼板彈簧噴丸表面呈均勻分布的細(xì)小圓形彈坑，其噴丸覆蓋率超過100%，噴丸效果很好。

4.2 噴丸表面粗糙度

通過表面輪廓形貌分析儀對不同丸粒噴丸鋼板彈簧試樣表面粗糙度進行檢測，檢測曲線見圖4和圖5，圖4 是樣件F19 采用SP(5)噴丸工藝噴丸后表面粗糙度曲線，其粗糙度Ra=10 μm，圖5 是樣件F11 采用SP(1)噴丸工藝噴丸后表面粗糙度曲線，其粗糙度Ra=15 μm，由此可以看出采用1.0 mm 丸粒比1.2 mm 丸粒噴丸后粗糙度低很多，表面粗糙度越低，其疲勞試驗時表面萌生微裂紋的概率越低，故疲勞壽命也就越長。

圖4 采用1.0 mm丸粒噴丸表面粗糙度曲線

圖5 采用1.2 mm丸粒噴丸表面粗糙度曲線

4.3 鋼板彈簧試樣殘余應(yīng)力

利用X 射線應(yīng)力儀對鋼板彈簧試樣進行殘余應(yīng)力測量分析，將其統(tǒng)計成圖表格式，部分典型鋼板彈簧試樣殘余應(yīng)力沿深度方向變化如圖6所示。

圖6 部分試樣殘余應(yīng)力沿鋼板彈簧深度分布曲線

4.4 鋼板彈簧試樣半高寬測量結(jié)果

利用X 射線應(yīng)力儀對鋼板彈簧試樣進行半高寬測量分析，將其統(tǒng)計成圖表格式，部分典型鋼板彈簧試樣半高寬沿深度方向的變化如圖7 所示。

圖7 部分簧片試樣噴丸半高寬沿簧片深度分布曲線

5 鋼板彈簧疲勞壽命試驗

本次鋼板彈簧的壽命臺架試驗使用的是高頻疲勞試驗機，測量的F 系列鋼板彈簧試樣疲勞壽命匯總?cè)绫? 所示。

表4 F系列鋼板彈簧試樣疲勞壽命匯總表

其鋼板彈簧試樣F16 疲勞試驗斷口較典型，其低倍照片及對應(yīng)的電鏡照片如圖8 和圖9 所示，可以看出其表面已萌生出細(xì)小的微裂紋，其斷口即為表面的微裂紋擴展所導(dǎo)致的。

圖8 F16斷口照片

圖9 F16裂紋源處電鏡照片

由表4 可以得出當(dāng)噴丸丸粒大小一致時，鋼板彈簧試樣疲勞壽命隨著噴丸強度的增大而增大；當(dāng)噴丸強度一致時，鋼板彈簧試樣疲勞壽命隨著噴丸丸粒的增大而增大；當(dāng)噴丸丸粒和噴丸強度都保持不變時，鋼板彈簧試樣采用二次噴丸工藝比一次噴丸工藝疲勞壽命大。

6 分析與討論

6.1 化學(xué)成分和熱處理對鋼板彈簧材料性能的影響

原材料的化學(xué)成分中基本化學(xué)元素含量（如C、P、S、Mn 等）及微量元素（如Cr、Mo、V、Nb 等）超標(biāo)或不足時，都會對后期鋼板彈簧的材料及力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響。同時熱處理工藝選擇不當(dāng)也會使材料出現(xiàn)晶粒組織粗大、過燒、脫碳層過大缺陷，導(dǎo)致材料不合格，不能繼續(xù)使用。

檢驗結(jié)果表明，60Si2Mn、50CrVA、FAS35503種材料的理化檢驗結(jié)果均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，鋼板彈簧試樣經(jīng)合理的熱處理工藝后，回火組織為均勻細(xì)致的回火屈氏體，由此保證了鋼板彈簧試樣具有高的彈性極限、抗拉強度及良好的韌性，合格的材料及合理的熱處理工藝為后面的噴丸強化及后期疲勞壽命提供了良好的基礎(chǔ)。

6.2 脫碳對鋼板彈簧材料性能的影響

鋼板彈簧經(jīng)過熱處理后，因不同材料的脫碳敏感性不同，有些材料會發(fā)生半脫碳甚至全脫碳現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼板彈簧力學(xué)性能降低，必將大大影響鋼板彈簧后期的噴丸強化效果。故在制定熱處理工藝時要嚴(yán)格控制脫碳現(xiàn)象發(fā)生。

噴丸處理不但可以在鋼板彈簧的表層產(chǎn)生一層強化效果，還可以把鋼板彈簧表層由前期處理留下的細(xì)小缺陷及脫碳層去除掉，同時不會造成應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。

由于50CrVA 和60Si2Mn 材料的鋼板彈簧易發(fā)生脫碳現(xiàn)象，尤其是60Si2Mn 表面易脫碳，如果脫碳不是很嚴(yán)重，脫碳層深不是很深的話，噴丸能夠補償脫碳層的有害作用。研究表明，具有脫碳層（脫碳層深接近10μm，可觀察到過量的鐵素體和氧化物沿晶界分布）的鋼板彈簧在噴丸后疲勞強度與同種無脫碳層的鋼板彈簧噴丸后的疲勞強度相同。如果脫碳現(xiàn)象很嚴(yán)重，脫碳層很深，則噴丸不能完全恢復(fù)到在無脫碳下鋼板彈簧經(jīng)過噴丸后的疲勞強度，但是也能大幅增加其疲勞壽命。

6.3 噴丸強化處理對鋼板彈簧理化參數(shù)及性能指標(biāo)的影響

鋼板彈簧的噴丸強化效果可以從噴丸參數(shù)、噴丸覆蓋率、表面粗糙度及殘余應(yīng)力參數(shù)來反映[3]。

6.3.1 不同噴丸參數(shù)對表面硬度和內(nèi)部硬度的影響

圖10 所示為50CrVA 材料鋼板彈簧噴丸前后硬度值沿簧片深度方向的分布情況。

圖10 50CrVA板簧試樣噴丸前后硬度值沿深度方向測量結(jié)果

通過3 種板簧試樣在不同噴丸條件下硬度值沿深度分布結(jié)果可以看出，未噴丸試樣顯微硬度沿層深分布無規(guī)律，波動較大，而對于噴丸后試樣，樣品表面顯微硬度大大提高，基體部分基本不會受到影響，表面顯微硬度相對于基體而言高出很多，隨著深度的增加，顯微硬度不斷下降。

6.3.2 不同噴丸參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響

通過3 種板簧試樣不同噴丸條件下殘余應(yīng)力測量結(jié)果可以看出，未經(jīng)過噴丸的樣品表面呈較低的壓應(yīng)力或拉應(yīng)力狀態(tài)，基體內(nèi)部殘余應(yīng)力接近于零，最大殘余壓應(yīng)力在次表面100 μm 以內(nèi)；噴丸后樣品表面呈現(xiàn)很大的壓應(yīng)力狀態(tài)，殘余應(yīng)力沿層深分布變化趨勢是在次表面200～300 μm之間出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力極大值，最后在表面下600～700 μm 時板簧試樣的殘余應(yīng)力值趨于零。

通過試驗得出不同的噴丸參數(shù)對鋼板彈簧的殘余應(yīng)力有一定影響，主要影響因素有表面殘余應(yīng)力σrs、內(nèi)部最大殘余壓應(yīng)力σr,max、內(nèi)部最大壓應(yīng)力深度Zc 和殘余壓應(yīng)力場深度（內(nèi)部殘余應(yīng)力為0 時深度）Zo，不同噴丸參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響如表5 所示。

表5 不同噴丸參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響

6.3.3 噴丸覆蓋率及表面粗糙度

噴丸覆蓋率是噴丸表面彈丸打擊痕跡與噴丸面積之間的比值，一般鋼板彈簧的噴丸覆蓋率要求達(dá)到100%以上。噴丸丸粒越大，表面粗糙度值越大，相反噴丸丸粒減小，表面粗糙度值降低。表面粗糙度的增加，會損害疲勞強度，降低了總疲勞強度提高的效果。

從某種角度來看，表面的粗糙度過大，可以將其看成一個個表面缺陷，對鋼板彈簧的疲勞壽命影響很大，因此要控制表面的粗糙度值。但是噴丸丸粒也不能過小，噴丸丸粒太小則噴丸過程中對鋼板彈簧的打擊強度不夠，鋼板彈簧的壓應(yīng)力層深度不夠，也會影響其疲勞壽命。因此選取大小適中的丸粒進行噴丸處理，既能保持表面粗糙度值不會過大，又能保證打擊強度，從而達(dá)到提高疲勞壽命的目的。

同時還對鋼板彈簧開展了二次噴丸工藝試驗，先用大丸粒進行一次噴丸，然后再用小丸粒進行二次噴丸，這樣在保證了打擊強度的情況下進一步降低了表面粗糙度值，效果非常明顯。

6.3.4 殘余應(yīng)力對疲勞壽命的影響

通過對鋼板彈簧殘余應(yīng)力的分析，可以看出噴丸后鋼板彈簧表面的殘余壓應(yīng)力值遠(yuǎn)大于未噴丸鋼板彈簧樣品，并且殘余壓應(yīng)力值得最大值和在次表層出現(xiàn)的深度都遠(yuǎn)大于未噴丸鋼板彈簧樣品。二次噴丸處理后，表面殘余應(yīng)力有所提高，但最大殘余壓應(yīng)力及殘余壓應(yīng)力場的深度未發(fā)生明顯改變。

鋼板彈簧在噴丸強化過程中，其表面會出現(xiàn)循環(huán)性的塑性形變，并在此過程中引入殘余壓應(yīng)力場。噴丸處理后的鋼板彈簧表面具有殘余應(yīng)壓應(yīng)力，而殘余應(yīng)壓力會阻礙表面疲勞裂紋的發(fā)展，但是對裂紋的產(chǎn)生卻只有很小的阻礙效果[4]。疲勞裂紋擴散與殘余應(yīng)壓力的分布有較大影響，也就是殘余應(yīng)壓力場強度，隨著4 個特征參數(shù)的增加，殘余壓應(yīng)力場強度會不斷增大。在鋼板彈簧的次表層位置出現(xiàn)了殘余壓應(yīng)力的最大值，這表明載荷會隨著距離表層的深度的增加而降低。當(dāng)該區(qū)域變成裂紋擴展區(qū)時，因為鋼板彈簧實際受力與原有的殘余壓應(yīng)力會產(chǎn)生一個合力，該力所產(chǎn)生的裂紋尖端的應(yīng)力強度因子低于裂紋穩(wěn)態(tài)擴展的閾值，從而阻礙裂紋的進一步發(fā)展速度。

6.3.5 其它因素對噴丸后鋼板彈簧壽命影響

在任何情況下，必須避免由彈丸破碎而產(chǎn)生的材料表面尖銳刻痕，尤其對于缺口敏感的材料。對于相對比較硬的鋼板彈簧材料，裂紋起源在表面層以下，那么由噴丸而引起的表面粗糙將不會對疲勞強度產(chǎn)生影響或影響很小。

目前有些鋼板彈簧生產(chǎn)廠商為了降低噴丸后鋼板彈簧表面的粗糙度，會對鋼板彈簧進行一些機加處理，在此應(yīng)特別注意，機加處理可能會導(dǎo)致鋼板彈簧表面或次表面殘余壓應(yīng)力降低或轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。因而在噴丸后不應(yīng)再進行機加和校直處理，以免破壞噴丸形成的殘余應(yīng)力場，降低鋼板彈簧疲勞壽命。

7 結(jié)束語

以FAS3550、50CrVA、60Si2Mn 3 種鋼板彈簧試樣作為研究對象，采用不同噴丸工藝進行了試驗，檢測并分析了鋼板彈簧強化噴丸前后一系列的性能指標(biāo)，噴丸強化處理后的鋼板彈簧表面會產(chǎn)生較高的殘余壓應(yīng)力，增加疲勞裂紋的萌生循環(huán)周次，殘余壓應(yīng)力能夠較好的阻止裂紋的進一步擴展，大大提升了鋼板彈簧的抗疲勞能力。