抗拉强度＞1450MPa！100万次无限寿命！新型含Nb弹簧钢

2022-05-07 13:52:49 作者：材料基来源：材料基分享至：

商用车悬架系统的轻量化，必然要求设计应力提高，这对悬架系统使用的原材料——弹簧钢性能提出了更高的要求。结合国内弹簧钢冶炼及工业化水平，采用铌元素微合金化技术，通过细晶强化和析出强化等途径，开发抗拉强度大于1500MPa新型含Nb高强弹簧钢原材料LPD65，并对新型含Nb高强弹簧钢原材料LPD65的热处理性能、力学性能、疲劳性能进行研究。研究显示，新型含Nb高强弹簧钢原材料LPD65满足商用车悬架系统轻量化板簧设计需求，同时满足国内主机厂对轻量化悬架板簧疲劳寿命要求。

2019年以来，商用车轻量化需求持续延续，其中悬架系统轻量化成为必然趋势。以商用车中牵引车为例，普通牵引车前悬架3片抛物线板簧，后悬架5片抛物线板簧；轻量化高端牵引车前悬架2片抛物线板簧，后悬架3片抛物线板簧，未来进一步轻量化方案为前悬架单片簧，后悬架轻量化3片簧。然而对于商用车中自卸车来说，同样存在轻量化需求，特别是自卸车后悬架系统轻量化（抛物线少片簧替代普通多片簧）需求也越来越强烈，同时自卸车对于其悬架系统的高疲劳性能要求也越来越高。悬架系统轻量化和高疲劳性能要求提高，必然要求其设计应力提高，这对商用车悬架系统使用的原材料弹簧钢的性能提出了更高要求。

结合国内弹簧钢冶炼及工业化水平，采用铌微合金化技术，通过细晶强化和析出强化等途径，开发抗拉强度大于1500MPa新型含Nb高强弹簧钢原材料LPD65，并对新型含Nb高强弹簧钢原材料LPD65的热处理性能、力学性能、疲劳性能进行研究，验证其是否满足商用车悬架系统轻量化板簧设计需求，以及国内主机厂对轻量化悬架板簧疲劳寿命的要求。

材料制备及试验方法

1 高强弹簧钢LPD65制备

高强弹簧钢LPD65主要化学成分设计见表1，依据相应板簧设计需求，冶炼28mm×90mm规格的弹簧钢原材料，用于材料化学成分、热处理性能和疲劳性能的研究。

2 试验方法

LPD65冶炼完成后，使用Q4直读光谱仪进行化学成分检测；用WDW-G型电子万能拉伸试验机，测试新材料试样热处理后的力学性能；使用HR-15A型号洛氏硬度计，检测新材料试样热处理后的淬火硬度及回火硬度；用Nikon MA100型金相显微镜及JEOLJEM-1400型透射电镜，对新材料热处理试样进行组织观察；产品试制完成后，使用PSJ200型机械疲劳试验机进行台架疲劳试验及道路试验。

结果与讨论

1 化学成分分析

高强弹簧钢LPD65的化学成分检测结果见表2。由表2可知，不同炉号冶炼的高强弹簧钢LPD65，其化学成分均符合设计要求，且各种化学元素成分相对均匀，这表明化学成分设计满足冶炼要求，可以实现规模生产。

2 力学性能分析

高强弹簧钢LPD65热处理后的力学性能要求如表3所示。在450±20℃的回火范围内，弹簧钢的强度大于1450MPa，断面收缩率≥30%，断后伸长率≥9%。

3 组织结构与强韧化机理分析

图1为高强弹簧钢LPD65热处理后的金相组织，为细致的回火屈氏体。

图2为高强弹簧钢LPD65热处理后的晶粒度照片，依据GB/T 6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》，评定晶粒度为10级。

图3为高强弹簧钢LPD65热处理后扫描电镜（1000倍）形貌，分析可知为典型回火屈氏体形貌，且组织分布均匀。

图4为高强弹簧钢LPD65热处理后扫描电镜（5000倍）形貌，在均匀清晰的回火屈氏体形貌之中，均匀弥散分布碳化物颗粒。

综上可知，高强弹簧钢LPD65经过热处理后，可获得较细的回火屈氏体组织，另外，合金元素特别是Nb元素的加入，形成了碳化物，此种碳化物易偏聚在晶界处，阻碍晶粒长大。同时，在位错进行滑移时，铌的碳化物对位错滑移产生钉扎作用，这也是高强弹簧钢LPD65具有较高强度和优良塑韧性的根本原因。

4 工艺性能分析

表4是高强弹簧钢LPD65末端淬透性试验数据，图5是其末端淬透性试验曲线。新型高强弹簧钢LPD65具有较好的淬透性，完全能满足高应力少片板簧不同厚度原材料淬透性工艺需求。

5 台架疲劳试验

图6是使用高强弹簧钢LPD65试制板簧进行台架试验的结果。由图6可知：

1）高强弹簧钢LPD65试制板簧在国标台架试验条件下，最大试验应力为833MPa，台架试验疲劳寿命为80万次，且未出现断裂，远远大于国标要求的10万次疲劳寿命，接近板簧设计无限寿命100万次。

2）高强弹簧钢LPD65试制板簧在主机厂台架试验条件下，最大试验应力为900MPa，台架试验疲劳寿命为50万次，且未出现断裂，远远大于主机厂要求的16万次疲劳寿命；最大试验应力为1000MPa时，台架试验疲劳寿命为30万次，且未出现断裂，远远大于主机厂要求的12万次疲劳寿命；最大试验应力为1050MPa时，台架试验疲劳寿命为20万次，且未出现断裂，远远大于主机厂要求的12万次疲劳寿命；最大试验应力为1100MPa时，台架试验疲劳寿命为15万次，且未出现断裂，远远大于主机厂要求的12万次疲劳寿命，具有优异的疲劳特性；在最大试验应力为1150MPa时，台架试验疲劳寿命为12万次，且未出现断裂，也可以满足主机厂12万次疲劳寿命的要求，达到行业内绝对领先水平。

结论

1）新型含Nb高强弹簧钢LPD65适用于商用车高应力、轻量化板簧产品。

2）新型含Nb高强弹簧钢LPD65具有良好的热处理性能和淬透性，热处理后抗拉强度大于1450MPa，略低于材料预想抗拉强度目标，后续需进一步进行热处理工艺研究，实现抗拉强度大于1500MPa的设计目标。LPD65中Nb元素的加入，形成了高性能碳化物，其对位错滑移产生钉扎作用，使得高强弹簧钢具有高强度和优良的塑韧性。

3）新型含Nb高强弹簧钢LPD65试制板簧的台架疲劳寿命优异，在国标的试验应力条件下，疲劳寿命接近100万次无限寿命；在高应力为1150MPa的试验应力条件下，台架疲劳寿命可达到12万次，且出现断裂，处于行业内绝对领先水平。（秦立富王治宝王德虎王科刘惺超王文军）

免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。