方亮 汪志賢

摘 要：針對(duì)輕量化后的少片簧在可靠性試驗(yàn)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(rèn)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(shí)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(yàn)結(jié)果顯示，使用50CrVA，可確保保溫時(shí)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(shí)間延長(zhǎng)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(duì)改進(jìn)前后的材料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，改進(jìn)后臺(tái)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(qiáng)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(shì)越來越明顯，輕型載貨汽車鋼板彈簧的質(zhì)量相對(duì)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(yàn)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(duì)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(shí)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(yàn)最早出現(xiàn)斷裂的里程在強(qiáng)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(duì)設(shè)計(jì)、材料、工藝、使用情況4方面的末端因子進(jìn)行確認(rèn)。設(shè)計(jì)方面通過校核，板簧的剛度、強(qiáng)度均滿足使用要求，與輕量化前多片簧狀態(tài)相當(dāng)，符合設(shè)計(jì)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(jí)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)符合規(guī)范要求;在同等載荷情況，同等試驗(yàn)道路上進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)，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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，但存在全脫碳層，全脫碳層達(dá)不到所要求的硬度及力學(xué)強(qiáng)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(diǎn)[1]，將全脫碳和未脫碳的兩種板簧進(jìn)行臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)條件一致。試驗(yàn)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(chǎng)情況來看，操作人員憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行生產(chǎn)，加熱溫度、保溫時(shí)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(yàn)

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(shí)，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(kuò)散控制著脫碳行為。

60Si₂Mn彈簧鋼含碳量為0.59%，在本試驗(yàn)條件下，假定碳的擴(kuò)散系數(shù)不隨濃度變化，脫碳深度隨加熱溫度和加熱時(shí)間的變化可以根據(jù)Fick第二定律進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于擴(kuò)散物質(zhì)的濃度隨時(shí)間變化的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，濃度C與距離x、溫度T和時(shí)間t的關(guān)系可表示為：式中，D為擴(kuò)散系數(shù);D₀為擴(kuò)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(kuò)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(duì)溫度。

由式（2）計(jì)算可得，950℃和1050℃碳的擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)越大。由圖4可以看出，與950℃相比.1050℃加熱時(shí)脫碳嚴(yán)重。由圖5可見，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，脫碳層越深。

3.2 不同材料脫碳試驗(yàn)

根據(jù)以上結(jié)論，選擇軋制可行最低溫度9500C對(duì)常規(guī)推薦使用的60Si₂Mn、50CrVA兩種彈簧鋼材料進(jìn)行脫碳工藝驗(yàn)證，兩種試樣升溫至950℃后，保溫15 min，再進(jìn)行淬火處理，對(duì)其脫碳層進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)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(shí)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(cè)，如存在問題增加噴丸時(shí)間消除全脫碳層。

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

5改進(jìn)驗(yàn)證

對(duì)改進(jìn)前后的材料進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，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(yàn)5件，試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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(tái)架試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)要求，路試結(jié)果見表6。

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過對(duì)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(shí)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(diǎn)，導(dǎo)致彈簧斷裂。

熱處理試驗(yàn)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?？紤]到生產(chǎn)工藝，使用50CrVA，可確保保溫時(shí)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(duì)板簧進(jìn)行如下改進(jìn)，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(cè)，如存在問題增加噴丸時(shí)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(duì)改進(jìn)前后的材料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，臺(tái)架和路試疲勞壽命顯著提升，能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

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