50CrVA鋼的工藝優(yōu)化及其在鋼板彈簧產(chǎn)品中的應(yīng)用

張 煒 楊 冬 李潤(rùn)哲 高 偉

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心）

1 前言

50CrVA鋼是一種具有一定強(qiáng)度和良好塑韌性的中碳合金彈簧鋼，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)懸架鋼板彈簧的制造。目前我國(guó)重型車(chē)載質(zhì)量由過(guò)去的4 t發(fā)展到現(xiàn)在的40 t以上，用于其鋼板彈簧的50CrVA鋼截面厚度也由8 mm提高到24 mm。由20～24 mm厚大截面鋼板彈簧臺(tái)架試驗(yàn)可知，其疲勞壽命僅在3萬(wàn)～5萬(wàn)次內(nèi)，用戶(hù)也反饋此鋼板彈簧使用壽命低，使用過(guò)程中斷裂嚴(yán)重，造成市場(chǎng)索賠率較高等不良影響。

通過(guò)對(duì)斷裂鋼板彈簧的失效分析及對(duì)現(xiàn)生產(chǎn)工藝質(zhì)量的研究后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)50CrVA鋼截面厚度大于某一臨界值時(shí)將無(wú)法淬透，這就嚴(yán)重影響了材料的力學(xué)性能，降低了鋼板彈簧產(chǎn)品的疲勞壽命。為此，研究了淬透性、油淬火臨界淬透厚度、奧氏體晶粒臨界粗化溫度及淬火和回火溫度對(duì)50CrVA鋼組織及力學(xué)性能的影響，制定了50CrVA鋼的材料應(yīng)用規(guī)范和鋼板彈簧產(chǎn)品優(yōu)化工藝規(guī)范，并按規(guī)范試制了50CrVA鋼單片簧及鋼板彈簧總成，進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為50CrVA鋼，尺寸為16 mm×90 mm和18 mm×90 mm 2種彈簧扁鋼。表1為50CrVA鋼的化學(xué)成分。

表1 50CrVA鋼化學(xué)成分 %

2.2 試驗(yàn)方法

試樣經(jīng)不同加熱溫度淬火處理后，采用苦味酸飽和溶液+緩蝕劑腐蝕出奧氏體晶界，以測(cè)定材料在不同加熱溫度下的奧氏體晶粒大小；拉伸試樣和沖擊試樣經(jīng)熱處理+精磨加工后進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，以測(cè)定材料的力學(xué)性能；單片簧試樣經(jīng)熱處理和噴丸處理后進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

利用HR-150A洛氏硬度計(jì)檢測(cè)硬度，利用PMG-3金相顯微鏡觀察顯微組織，利用XL30W/TMP掃描電子顯微鏡掃描斷口形貌。

3 工藝優(yōu)化試驗(yàn)

3.1 淬透性

采用端淬法測(cè)定50CrVA鋼的淬透性，圖1為淬透性曲線(xiàn)，該材料的淬硬性測(cè)定結(jié)果為J50.5/15。

3.2 油淬火臨界淬透厚度

淬透性和臨界淬透厚度是材料的主要工藝技術(shù)指標(biāo)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)時(shí)，尤其是在產(chǎn)品截面尺寸大的情況下，必須考慮材料的淬透性和臨界淬透厚度是否滿(mǎn)足產(chǎn)品質(zhì)量技術(shù)要求。通過(guò)對(duì)不同厚度材料的直接油淬火試驗(yàn)，可以確定50CrVA鋼在油冷卻條件下的臨界淬透厚度，從而制定50CrVA鋼在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用規(guī)范。圖2為厚16 mm、18 mm的50CrVA鋼材料直接油淬火試驗(yàn)后心部組織，表2為直接油淬火試驗(yàn)結(jié)果，其中在扁鋼樣品橫截面上距表面1/4厚度處取3點(diǎn)測(cè)量淬火硬度。

表2 50CrVA鋼直接油淬火試驗(yàn)結(jié)果

由圖2和表2可知，厚16 mm的50CrVA鋼淬火后心部得到90%以上的馬氏體組織，淬火硬度≥57 HRC；而厚18 mm的50CrVA鋼淬火后心部?jī)H得到60%的馬氏體組織，淬火硬度為49～53 HRC。

50CrVA鋼相當(dāng)于歐洲EN標(biāo)準(zhǔn)中的51CrV4鋼，而51CrV4鋼經(jīng)油淬火后要求心部得到90%以上的馬氏體組織，淬火硬度≥54 HRC。因此，在油冷卻條件下50CrVA鋼的臨界淬透厚度確定為16 mm，即在鋼板彈簧新產(chǎn)品設(shè)計(jì)和應(yīng)用中50CrVA鋼的使用規(guī)范厚度應(yīng)不大于16 mm。

3.3 奧氏體晶粒臨界粗化溫度

金屬材料在加熱奧氏體化過(guò)程中，隨著加熱溫度的升高或保溫時(shí)間的延長(zhǎng)奧氏體晶粒會(huì)粗化，其中加熱溫度的影響最為顯著。當(dāng)晶粒粗化到一定程度時(shí)，材料的強(qiáng)度、塑性和韌性會(huì)大幅降低，最終表現(xiàn)為由于材料出現(xiàn)過(guò)熱缺陷而導(dǎo)致產(chǎn)品壽命的降低。通過(guò)測(cè)定不同淬火加熱溫度下50CrVA鋼的奧氏體晶粒大小，研究其奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向，即過(guò)熱敏感性，可確定50CrVA鋼的奧氏體晶粒臨界粗化溫度，最終為其熱加工提供最佳工藝溫度。

圖3為50CrVA鋼在不同淬火加熱溫度下的奧氏體晶粒大小。由圖3可看出，當(dāng)加熱溫度超過(guò)940℃時(shí)奧氏體晶粒會(huì)明顯粗化，晶粒度級(jí)別為6級(jí)，即50CrVA鋼奧氏體晶粒臨界粗化溫度為940℃。因此，在鋼板彈簧生產(chǎn)中，50CrVA鋼熱加工的工藝溫度應(yīng)不高于940℃。

3.4 淬火加熱溫度

淬火加熱溫度主要影響材料的強(qiáng)度、塑性和韌性。一方面，材料在加熱奧氏體化過(guò)程中，提高淬火加熱溫度能使碳及合金元素充分溶入奧氏體中，使奧氏體成分更加均勻，提高材料的淬透性；另一方面，如果淬火加熱溫度過(guò)高則易引起材料過(guò)熱，從而降低材料的強(qiáng)度、塑性和韌性。國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1222—2007中規(guī)定50CrVA鋼的淬火加熱溫度為850℃。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料截面厚度增加到一定程度時(shí)，50CrVA鋼在850℃下已無(wú)法滿(mǎn)足正常淬火的要求。通過(guò)研究不同淬火加熱溫度下50CrVA鋼的力學(xué)性能，可確定50CrVA鋼的最佳淬火加熱溫度，其中拉伸試樣和沖擊試樣的回火溫度均為430℃，保溫70 min后水冷。

圖4和圖5為不同淬火加熱溫度對(duì)50CrVA鋼力學(xué)性能的影響曲線(xiàn)。

由圖4和圖5可見(jiàn)，隨著淬火加熱溫度的升高，材料的強(qiáng)度、塑性和韌性均呈下降趨勢(shì)。尤其是當(dāng)淬火加熱溫度達(dá)到920℃時(shí)，材料的塑、韌性開(kāi)始明顯下降。因此，920℃是材料加熱溫度關(guān)鍵點(diǎn)，是選擇淬火加熱溫度的重要依據(jù)。由圖4可見(jiàn)，900℃淬火加熱溫度下50CrVA鋼奧氏體晶粒級(jí)別為8級(jí)，晶粒明顯細(xì)化。金屬材料強(qiáng)韌化理論認(rèn)為，晶粒細(xì)化可以提高材料強(qiáng)度、塑性和韌性，因此初步確定900℃為50CrVA鋼的淬火加熱溫度。

在鋼板彈簧生產(chǎn)中，簧片彎曲成型和淬火為同一加熱工藝過(guò)程。為驗(yàn)證900℃加熱溫度是否同時(shí)滿(mǎn)足簧片彎曲成型和淬火的技術(shù)要求，進(jìn)行了現(xiàn)生產(chǎn)的淬火工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 淬火工藝試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，50CrVA鋼在規(guī)范的材料厚度下，900℃的淬火加熱溫度可同時(shí)滿(mǎn)足簧片彎曲成型和淬火工藝要求。因此，確定900℃為50CrVA鋼的淬火加熱溫度。

3.5 回火加熱溫度

材料淬火后得到馬氏體組織，馬氏體硬而脆，組織不穩(wěn)定，淬火后必須經(jīng)回火處理才能得到優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

圖6和圖7為不同回火加熱溫度下50CrVA鋼的力學(xué)性能，淬火溫度為900℃。由圖可看出，隨著回火加熱溫度的升高，材料的強(qiáng)度和硬度下降，而塑性和韌性升高。當(dāng)回火溫度為410℃時(shí)有塑性突變，這種突變可能與第一類(lèi)回火脆性有關(guān)。當(dāng)回火溫度為430～450℃時(shí)，材料得到最優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。因此，確定430～450℃為50CrVA鋼的回火加熱溫度。

3.6 沖擊試樣斷口分析

圖8為不同淬火加熱溫度下沖擊試樣斷口的掃描電子照片。

由圖8可看出，淬火加熱溫度為860℃時(shí)斷口形貌基本為韌窩形，材料韌性高；900℃時(shí)斷口為準(zhǔn)解理和韌窩的混合形態(tài)；920℃和940℃時(shí)斷口基本為解理形貌；970℃時(shí)斷口出現(xiàn)少量沿晶，到1000℃時(shí)斷口形貌基本為沿晶，且材料晶粒嚴(yán)重粗化，材料的韌性低，表現(xiàn)出晶粒粗化對(duì)材料塑性和韌性的重大影響。

3.7 單片簧疲勞S-N曲線(xiàn)

目前鋼板彈簧疲勞試驗(yàn)一般為彈簧總成的疲勞試驗(yàn)，當(dāng)總成中任何一片彈簧斷裂時(shí)即中止試驗(yàn)。但這種試驗(yàn)方法成本高，而試驗(yàn)影響壽命的因素眾多，無(wú)法表征材料的疲勞強(qiáng)度。通過(guò)50CrVA鋼單片簧的疲勞試驗(yàn)可使整個(gè)試驗(yàn)得到簡(jiǎn)化，進(jìn)而可研究不同工藝條件下材料的疲勞S-N曲線(xiàn)。

圖9為疲勞試驗(yàn)用單片簧，其經(jīng)900℃淬火+450℃回火，回火硬度為45～48 HRC，后期強(qiáng)化工藝包括無(wú)噴丸、自由噴丸和預(yù)應(yīng)力噴丸等3種。

采用機(jī)械式疲勞試驗(yàn)機(jī)（圖10）進(jìn)行單片簧疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)頻率為3 Hz。單片簧試樣截面規(guī)格為16 mm×90 mm，伸直長(zhǎng)度為1550 mm，兩端卷耳。試驗(yàn)時(shí)單片簧被2個(gè)U形螺栓夾緊，以控制簧片垂直方向的變形量，U形螺栓夾緊距離為190 mm，測(cè)定單片簧在夾緊狀態(tài)下的剛度。圖11為單片簧夾緊狀態(tài)的特性曲線(xiàn)，實(shí)測(cè)夾緊剛度為100.67 N/mm。

假設(shè)單片簧被2個(gè)U形螺栓完全夾緊，則在載荷作用下U形螺栓夾緊處應(yīng)力最大，即為危險(xiǎn)截面。在已知危險(xiǎn)截面最大應(yīng)力的條件下，應(yīng)用集中載荷法，通過(guò)下式可反推計(jì)算出簧片的最大變形量f，以f作為試驗(yàn)控制條件。

式中，σ為危險(xiǎn)截面最大應(yīng)力；F為單片簧中心受力值；b為單片簧寬度；h為單片簧厚度；P為單片簧夾緊狀態(tài)下實(shí)測(cè)剛度；f為單片簧最大變形量；L有為單片簧有效長(zhǎng)度；L伸為單片簧伸直長(zhǎng)度；S為U形螺栓夾緊距離。

表4為50CrVA鋼單片簧的疲勞試驗(yàn)方案，應(yīng)力幅采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中鋼板彈簧臺(tái)架試驗(yàn)要求的324 MPa。

表4 單片簧疲勞試驗(yàn)方案

按表4試驗(yàn)方案進(jìn)行單片簧的疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)中預(yù)應(yīng)力為750 MPa，疲勞壽命達(dá)40萬(wàn)次未斷即中止試驗(yàn)，最終得到不同噴丸工藝條件下50CrVA鋼的單片簧疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 單片簧疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表5中的疲勞壽命數(shù)據(jù)繪制50CrVA鋼疲勞S—N曲線(xiàn)，結(jié)果見(jiàn)圖12。

根據(jù)50CrVA鋼熱處理優(yōu)化試驗(yàn)和單片簧疲勞試驗(yàn)結(jié)果可知：

a.50CrVA鋼采用自由噴丸和預(yù)應(yīng)力噴丸后，疲勞S-N曲線(xiàn)向右上方移動(dòng)，表明優(yōu)化噴丸工藝取得明顯技術(shù)效果。

b.應(yīng)力水平達(dá)到1150 MPa時(shí)，疲勞壽命突然降低并且離散，表明彈簧的斷裂機(jī)理發(fā)生根本性改變，因此必須控制彈簧的最大使用應(yīng)力。

c.在10萬(wàn)次有限疲勞壽命條件下，50CrVA鋼在優(yōu)化工藝狀態(tài)下的許用應(yīng)力為1050 MPa。

3.8 應(yīng)用試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，試制的50CrVA鋼板彈簧總成疲勞壽命≥10萬(wàn)次，達(dá)到多片簧疲勞壽命技術(shù)要求，疲勞壽命比工藝優(yōu)化前提高3倍。

道路試驗(yàn)結(jié)果表明，在礦山地區(qū)的極度惡劣工況條件下，試制的50CrVA鋼板彈簧總成使用壽命超過(guò)6個(gè)月，且未發(fā)生斷裂，使用里程超過(guò)3萬(wàn)km。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)50CrVA鋼的淬透性、油淬火臨界淬透厚度、奧氏體晶粒臨界粗化溫度及淬火和回火溫度對(duì)材料組織及力學(xué)性能的影響研究，制定了材料應(yīng)用規(guī)范和鋼板彈簧產(chǎn)品優(yōu)化工藝規(guī)范，并進(jìn)行了鋼板彈簧總成的臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，50CrVA鋼工藝優(yōu)化后鋼板彈簧總成臺(tái)架疲勞壽命≥10萬(wàn)次，在礦山地區(qū)工況極度惡劣條件下道路試驗(yàn)使用里程超過(guò)3萬(wàn)km，大幅提高了鋼板彈簧的疲勞壽命和可靠性。

1 薄鑫濤，郭海祥，袁風(fēng)松.實(shí)用熱處理手冊(cè)（第1版）.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

2 張英會(huì)，劉輝航，王德成.彈簧手冊(cè)（第2版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

3 B.C.科瓦連科.金相顯示劑手冊(cè)（第1版）.李云盛，鄭運(yùn)榮譯.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1983.45～47.

4 蘇德達(dá).常用彈簧鋼奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向的比較.金屬制品，2003，29（6）：35～37.

5 徐德祥 尹鐘大.熱處理工藝對(duì)彈簧鋼組織和性能的影響.特殊鋼， 2003， 24（6）：1～4.

6 張志建，姚枚，李金魁，等.噴丸強(qiáng)化件表象疲勞極限優(yōu)化研究.機(jī)械工程材料，2003，27（10）：7～10.