弹簧钢材料

从弹簧制造企业的角度来看弹簧钢材料的现状与需求一、概述1、弹簧特性及其弹簧钢材料的重要性弹簧产品是靠利用材料的物理特性，通过一定的转换方式来实现其储存能量和释放能量的使用功能的。材料特性在很大程度上决定了弹簧的力学特性，影响着弹簧的设计开发和技术性能要求的提升。现代弹簧材料品种的发展，特别是新型的高强度金属合金的不断出现和物理特性的提高，使弹簧产品有了更高更广的效能；同时弹簧产品制造加工工艺的不断更新和优化，如结构成形、热处理和表面涂装等，使弹簧的应用和发展更能满足其功能要求，进一步提升了弹簧产品使用的安全性、经济性和环保特性。常用的弹簧材料有金属材料和非金属材料两大类。常用的金属材料有：弹簧钢（包括最近发展起来的超纯净弹簧钢）、弹簧用不锈钢、弹簧用铜合金及镍合金、弹簧用其他特殊合金等。可以说：弹簧材料尤其是金属材料中的弹簧钢对弹簧的技术性能及其质量特性至关重要。弹簧行业有句俗语：“七分材料，三分工艺”就是这个意思。2、常用弹簧金属材料的技术标准3、弹簧钢材料应具有的性能1)高的强度：为提高弹簧抗疲劳破坏和抗松弛的能力，弹簧材料应具有一定的屈服强度σs与弹性极限σe，尤其要有高的屈强比（σS/σb）。在通常情况下，材料的弹性极限与屈服强度成正比，因此弹簧设计和制造者总是希望材料具有高的屈服强度，而弹簧材料的抗拉强度σb和屈服强度σS较接近，如冷拔碳素钢丝的σS约为σb的90%左右。由于抗拉强度比屈服强度容易测得，在材料交货中提供的都是抗拉强度，故在设计制造时一般都用抗拉强度作为依据。但材料的抗拉强度并不是越高越好，强度过高会降低材料的塑性和韧性，增加脆性倾向。材料抗拉强度的高低与其化学成分、金相组织、热处理状况、冷加工（拉拔或轧制）程度及其他强化工艺等因素有关。抗拉强度与疲劳强度也有一定的关系，当材料的σb在1600Mpa以下时，其疲劳强度随抗拉强度的增高而增高。大致上材料的疲劳强度与抗拉强度遵循的关系是：σ-1≈（0.35～0.55）σb（其中σ-1为材料在对称循环下（如交变载荷）的疲劳强度）。2）良好的塑性和韧性：在弹簧制造过程中材料需经受不同程度的加工变形，因此要求材料具有一定的塑性。例如形状复杂的拉伸和扭转弹簧的钩环及扭臂，当曲率半径很小时，在加工卷绕或冲压弯曲成形时，弹簧材料均不得出现裂纹、折损等缺陷。同时弹簧在承受冲击载荷或变载荷时，材料应具有良好的韧性，这样能明显提高弹簧的使用寿命。3）优良的表面状态和疲劳性能：弹簧工作时表面承受的应力最大，而疲劳破坏往往是从钢丝表面开始的，对于用在重要场合的弹簧，如轿车发动机气门弹簧一般要求疲劳寿命2.3×107次～3.0×107次，中高档轿车悬架弹簧一般要求2.0×106次～5.0×106次甚至更长的疲劳寿命，这就对材料的疲劳性能提出了很高的要求。影响材料疲劳性能的因素很多，如材料的化学成分、硬度、钢材的纯净程度、表面质量和金相组织等，尤为重要的是材料的表面质量。材料的表面缺陷，如裂纹、折叠、鳞皮、锈蚀、凹坑、划痕和压痕等，都易使弹簧在工作过程中造成应力集中。其应力集中的部位常常是造成疲劳破坏的疲劳源。疲劳源还易在表面脱碳的部位首先发生，因此严格控制脱碳层深度也是一个很重要的质量指标。为提高弹簧材料的表面质量，可以对材料表面进行磨光或抛光，在钢丝拉拔前采用剥皮工艺剥除一层材料表皮，这样可以将大部分表面缺陷去掉。弹簧热处理时可采用控制气氛或真空热处理，防止表面脱碳和氧化。4）严格的尺寸精度：许多弹簧对负荷精度有较高的要求，如气门弹簧的负荷偏差不得大于规定负荷的5%～6%，以采用圆钢丝的拉、压弹簧为例，如果钢丝直径偏差为1%，负荷就会产生4%左右的偏差。由此可见，严格的尺寸精度对保证弹簧的质量也是十分重要的。5）好的均匀性：对材料的均匀性要求是指对材料的化学成分、力学性能、尺寸偏差等各项指标要求均匀和稳定一致。如果材料各方面性能不一致，会给弹簧生产带来很大的困难，造成产品几何尺寸、硬度、负荷等参数的离散性，严重的不均匀性甚至会造成废品。6）为了满足上述性能要求，弹簧钢必须具有优良的冶金质量，包括严格控制的化学成分、高的纯净度、低的杂质含量、低的非金属夹杂物含量，并控制其形态、粒度和分布。此外还要求钢质的均匀性和稳定性。弹簧钢还应具有良好的表面质量（包括表面脱碳）和高精度的外形和尺寸。4、超纯净弹簧钢的概念超纯净弹簧钢是近年来欧洲新提出来的弹簧钢概念，它不能算是一种新材料，只是对某些高强度弹簧钢的改进。基本的思路是尽量消除高强度弹簧钢中高熔点、高硬度或脆性夹杂物，在降低杂质元素、提高钢的纯净度的基础上，通过工艺调整和添加剂显著降低高硬度或脆性夹杂物百分比含量，从而提高弹簧的综合力学性能，提高弹簧的使用工作应力、寿命和可靠度。目前这类材料主要有瑞典Garphyttan公司的OTEVA70SC、OTEVA75SC、OTEVA90SC，法国Trefileurope公司的TH-381E、TH-381HRE。亚洲日本、中国、韩国等一流的钢铁公司如日本神户、新日铁、韩国浦项、中国宝钢等通过特殊精炼也具有类似的材料和性能，如日本新开发的UHS系列，其最高使用工作应力可达到1300Mpa。目前国内进口的常用材料型号为日本JIS标准的SWOSC-V或美国SAE标准的9254-V等（其实质是中国标准GB/T18983的VDCrSi材料）。二、国内弹簧钢材料的现状1、品种众多，低中端过剩，高端品种以及特殊品种难以提供。2、一般的力学特性能达到，但工艺水平及质量控制不稳定。3、弹簧产品规格繁多，批量有大有小，弹簧钢材料供应脱挡脱节。4、超纯净材料难以生产，表面质量也难以持久稳定。5、现场质量管理以及物流过程质量管理均薄弱，炉批号标识跟不上。6、在线检测水平低，无法实现六西格玛（零缺陷）。三、弹簧制造企业的需求及期盼根据2009年底出版的《中国机械通用零部件工业年鉴》透露的信息，2008年全国（大陆地区，不含港澳台）约有弹簧制造企业10000家以上，其中规模以上企业（年产值500万元以上）的约3000余家，总产销值205亿，其中出口1.5亿美元（进口4.2亿美元）。以汽车行业为例，2008年，国内汽车悬架弹簧需求已达到2500万件，气门弹簧需求达到2亿件；稳定杆达到900万根，一辆乘用车中配套弹簧重量占车辆本身的1%左右，上述3种弹簧钢材需求量在10万吨以上。那么08年国内汽车总产量约为1200万辆，2010年已达到1800万辆，上述3种弹簧钢材需求量已达到15万吨以上。若按全国弹簧年产值200亿元算，目前，弹簧产品产值已接近“半工半料”，也就是说200亿中有100亿是材料价值。近年来随着国际金融危机的发生，世界经济的峰谷起伏，各工业发达国家已把中国当成最大的市场和最佳的装备制造业基地，很多著名的国际弹簧业巨头均已在中国办厂，如德国的蒂森·克虏伯、法国的欧雷法、日本的中央发条、NHK（日本发条）、韩国的大元等公司。不仅办弹簧厂，更多的是原材料厂家在中国设办事处，直销弹簧钢原材料或直接办厂，生产弹簧钢原材料，如苏州铃木加普腾公司、江阴的法尔胜公司等。应该说中国大陆已成为世界性的弹簧制造基地，年产销值有望迅速达到300亿元以上，出口额也有望达到5亿美元以上。在2009年的《中国机械通用零部件工业年鉴》中，中国弹簧专业协会会长邹定伟先生说：“国产弹簧原材料质量不高和新钢种研发滞后，问题由来已久，是弹簧行业最关心的问题之一。客观原因是弹簧材料质量要求十分高，而用量相对较少，因而对弹簧新材料研发和对现有材料品质提升积极性不高。正因为如此，一些高要求产品，如制造高应力气门弹簧的钢丝基本上都是进口钢丝的天下，致使成本居高不下，产品缺少竞争力。其他高要求弹簧的情况大同小异，国产弹簧原材料质量和品种成为牵制弹簧产品水平和市场竞争力的重要因素。弹簧业界需要国家将提升弹簧钢丝品质和研发新钢种列入国家发展战略，在政策和资金上加大支持力度，调动冶金业对开发精品钢种的积极性”。具体的说：1、悬架弹簧Si-Cr系列钢种，55SiCr(SAE9254.SUP12)以及同一大类的材料55SiCrV(SAE9254V、54SiCrV6)、SRS60、60Si2CrA是目前制造悬架弹簧的主流钢种。Cr-V型钢种，50CrV(50CrV4、SUP10)基本退出。Si-Mn系列材料60Si2MnA(SUP6、SUP7)、55CrMn(55Cr3)价格低于Si-Cr系列钢种，主要用于制造较低应力的悬架弹簧和维修配件。悬架弹簧的成本构成中，原材料占到50%以上，按照悬架弹簧生产工艺的不同，可分为棒材和盘圆材料两类，前者用于热卷生产方式，后者由金属制品厂加工成油淬火回火（简称OTW）或高周波热处理冷卷成形用高强度弹簧钢线材（简称ITW状态材料）供应给悬架弹簧制造商。热轧棒料还不能直接制造悬架弹簧，需要再进行拉拔、磨光或剥皮加工。2005年以来，一直依赖进口的剥皮、变截面材料已经开始国产化。国产材料的品质目前还有些欠缺，主要表现在表面缺陷和成分偏析。制造高应力悬架弹簧的材料有一部分还需要进口，供应商有日本热炼公司、杉田公司和韩国三和钢棒。悬架弹簧大量使用的55SiCr(SAE9254)、55SiCr+V(SAE9254+V)不能胜任应力1200MPa以上的超高应力弹簧，后继的替代钢种的研发与试验势在必行。目前，德国M&B公司已为上海大众设计出应力高达1380MPa的悬架弹簧。悬架弹簧新材料研发日本处于领先地位，20世纪90年代已经研究出用于应力达到1200MPa、1300MPa的新材料。目前已经投入市场的有UHS1900及UHS2000两个牌号。新材料与传统材料相比，重点提高了材料的腐蚀疲劳性能和改善了强化方式，对材料的化学成分做出了很大调整，C下降到0.4%，添加了Mo、V、Nb、B、Ni等元素，其中Ni有助于提高材料的抗腐蚀性能。针对高应力悬架弹簧腐蚀疲劳失效的矛盾已经研发出新型的保护涂层，新型涂层可以有效地保护弹簧表面，从而阻断产生腐蚀疲劳的源头。2、气门弹簧在所有弹簧产品中没有比气门弹簧对材料要求更为严格了，特别是高应力及异型截面气门弹簧对材料要求近似苛刻：高强度：抗拉强度2000MPa。优异的表面质量：表面不允许全脱碳，半脱碳深度最大不能超过钢丝直径的0.5%，表面缺陷深度最大不超过40μm，为达到这种要求钢丝在加工过程中，表面要剥皮并经过两种方式（贯通式和旋转式）的涡流探伤，缺陷部位自动喷上标识。超纯净：对氧化物、硫化物的夹杂物等级均达到0级，材料中的氧含量、氮含量以及铜、铝、钛的含量均有控制要求，因此生产气门弹簧钢需要从源头冶炼就进行控制。良好的抗松弛性能：要求气门弹簧长期在120～150℃的服役条件下，负荷衰减低于5%。强度的均匀性：同一盘材料强度差最大不超过140MPa，异型截面材料如卵形截面对不同圆的曲率相切点，椭圆截面对长短轴都有特殊的要求。国外气门弹簧专用钢丝生产主要集中在日、韩、瑞典，厂商有日本铃木、三兴、住友、神钢钢线、韩国KiSWire、瑞典Garphyttan，他们几乎垄断了中国全部异型截面和高应力气门弹簧钢丝市场，每年进口量已达到6500t以上。3、稳定杆稳定杆按照制造的材料不同分为实心杆和空心杆两大类，前者用实心的弹簧钢制造，后者用无缝钢管制造，相比之下空心杆的重量比实心杆轻，有利于减轻轿车的重量，所以有些车辆如别克、帕萨特等采用空心杆设计。稳定杆的原材料一般为热轧退火态，可以有定尺和非定尺，如使用定尺材料，则可省去落料工序，在产品成形后进行热处理，材料的表面状态视用户要求而定，通常有热轧、剥皮、冷拔等。制造空心稳定杆的材料为无缝钢管，厚度通常为2.5mm。国内稳定杆行业刚刚起步的时候，实心稳定杆的材料往往是进口的，但随着行业的发展，国内钢铁企业也开始逐步生产稳定杆原材料，如国产55Cr3等。国产材料在表面质量、尺寸公差等方面还与国外有较大差距，尽管如此，国产稳定杆材料仍然能满足绝大部分产品的技术要求。各国生产稳定杆使用的原材料对比见下表。由于受国内工艺水平的限制，空心稳定杆的材料目前还是以进口为主，主