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從解決全球氣候變暖的角度來看，汽車的輕量化對于CO2減排及提高燃油效率都起到重要作用，因此，對于部件、模塊等采取了各種輕量化的措施。汽車懸架彈簧也同樣采取了輕量化措施，其中開發(fā)高強(qiáng)度彈簧鋼是其重要措施之一。然而，材料的高強(qiáng)度化，會造成耐環(huán)境性能（耐腐蝕疲勞性能、耐延遲破壞性能）的大幅變差，而強(qiáng)度與耐環(huán)境性能的統(tǒng)一非常重要。本文介紹了汽車彈簧鋼輕量化措施，以及隨之引發(fā)的各種問題和解決措施等方面的情況，概述了汽車彈簧鋼今后的發(fā)展方向。

汽車懸架彈簧是汽車減震系統(tǒng)的重要組成部分，起到緩和路面不平造成的沖擊、提高操控穩(wěn)定性和乘坐舒適性的作用。圖1為彈簧的安裝位置和作用。

穩(wěn)定器是當(dāng)左右的懸掛位置產(chǎn)生差異時(shí)，通過產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，用復(fù)原力抑制車輛側(cè)翻。圖2所示為穩(wěn)定器的安裝位置和作用。

表1所示為按照年代順序排列的日本汽車用彈簧輕量化開發(fā)的歷史。從20世紀(jì)70年代后期開始到80年代，以設(shè)計(jì)應(yīng)力1100MPa級的鋼種SUP7、SUP12為主流，90年代以后以1200MPa級、1300MPa級的高強(qiáng)度彈簧鋼為主流。特別是1300MPa級的彈簧，盡管由于合金價(jià)格飆升和全球采購趨勢的影響一度避免使用，但近年來再次受到矚目，并要求更高強(qiáng)度的彈簧。根據(jù)計(jì)算，設(shè)計(jì)應(yīng)力從1100MPa提高到1300MPa，可實(shí)現(xiàn)汽車彈簧輕量化20%。這些開發(fā)不僅是從化學(xué)成分方面進(jìn)行，還結(jié)合了噴丸、涂裝等相關(guān)技術(shù)方面的發(fā)展。

為了實(shí)現(xiàn)汽車用彈簧鋼的高強(qiáng)度化，就有必要提高其硬度。但一般情況下，伴隨著硬度的提高，韌性、耐延遲破壞性能都將下降。隨著這些性能的下降，特別是在腐蝕環(huán)境下，彈簧鋼更為敏感，因此對于腐蝕環(huán)境下發(fā)生的影響因素，必須采取相應(yīng)的對策。圖3為日本汽車彈簧鋼高強(qiáng)度化存在的問題及對策。

如上所述，在開發(fā)高強(qiáng)度材料的過程中，一般都考慮提高材料的硬度，但如果僅依靠調(diào)整回火溫度提高硬度，則導(dǎo)致耐腐蝕疲勞性能和延遲破壞性能的下降。為此，通過調(diào)整化學(xué)成分，開發(fā)出了即使采取高強(qiáng)度化措施，也能具有優(yōu)秀的耐腐蝕疲勞性能和耐延遲破壞性能的高強(qiáng)度材料。

一般而言，各合金元素對鋼以及彈簧性能的影響如下：

C：提高硬度，是確保彈簧鋼穩(wěn)定硬度的基本元素；

Si：提高耐永久應(yīng)變性；

Mn：提高淬透性；

P：向晶界偏析、降低韌性；

S：提供切削性，但使韌性下降；

Cr：提高淬透性；

Mo：提高淬透性，有提高韌性的效果；

V：使晶粒細(xì)化；

B：微量添加即可大幅提高淬透性；

為進(jìn)一步提高耐腐蝕疲勞和耐延遲破壞性能，添加或調(diào)整Ni、Cu、Ti、Nb等元素。

表2所示為傳統(tǒng)鋼和開發(fā)鋼的化學(xué)成分。為了實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度而提高硬度，采用了調(diào)整化學(xué)成分和降低回火溫度的方法。

在本開發(fā)中，通過抑制疲勞裂紋起點(diǎn)的腐蝕坑的生成來改善耐腐蝕疲勞性能。通過添加能生成致密的非晶質(zhì)銹層的Ni及Cu，來提高耐腐蝕疲勞性能。另外，減少S含量，以減少可降低耐腐蝕疲勞性能、

成為開裂起點(diǎn)的MnS的析出量。耐延遲破壞性能的提高通過增加V含量進(jìn)行了嘗試。V通過細(xì)微碳化物析出達(dá)到捕獲氫的效果，阻止氫向高應(yīng)力部位的集中，防止脆化。另外，通過減少C含量提高基體韌性，抑制氫脆。同時(shí)減少P含量，以減少可能成為裂紋傳播途徑的晶界脆化。

3.2.1 力學(xué)性質(zhì)

采用表2所示的傳統(tǒng)鋼和開發(fā)鋼作為試驗(yàn)材料，實(shí)施淬火、回火熱處理，進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)和夏比沖擊試驗(yàn)（試驗(yàn)溫度：室溫；-40℃）。試驗(yàn)中拉伸試驗(yàn)片使用JIS Z 2241 4號試驗(yàn)片，夏比沖擊試驗(yàn)片使用JIS Z 2242 U槽試驗(yàn)片。延伸率和深沖值與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系如圖4所示，夏比沖擊值與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系如圖5所示。

由圖4可知，相對于抗拉強(qiáng)度，傳統(tǒng)鋼與開發(fā)鋼的延伸率基本一致，開發(fā)鋼深沖值略有提高。這是因?yàn)榕c傳統(tǒng)鋼相比，開發(fā)鋼中減少了C含量，在抗拉強(qiáng)度相同的情況下，加工性得到了提高。

由圖5可知，相同水平的抗拉強(qiáng)度下，開發(fā)鋼的沖擊性能比傳統(tǒng)鋼提高了20%以上，可以確認(rèn)，通過調(diào)整成分實(shí)現(xiàn)了韌性的提高。

3.2.2  疲勞性能

疲勞性能通過在大氣環(huán)境下進(jìn)行小野式旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)進(jìn)行評價(jià)。試驗(yàn)片形狀如圖6所示。傳統(tǒng)鋼采用抗拉強(qiáng)度1900MPa的試驗(yàn)片，開發(fā)鋼采用抗拉強(qiáng)度2000MPa的試驗(yàn)片，將107次未折斷時(shí)的負(fù)載應(yīng)力作為疲勞極限。

圖7所示為開發(fā)鋼相對于傳統(tǒng)鋼的疲勞極限提高率。可以看出，開發(fā)鋼的疲勞極限比傳統(tǒng)鋼提高了14%，可以確認(rèn)，通過提高抗拉強(qiáng)度可提高疲勞性能。

3.2.3  耐腐蝕性

試驗(yàn)片使用Φ12mm×80mm的圓棒，將試驗(yàn)片置于如圖8所示的循環(huán)腐蝕環(huán)境中，計(jì)算經(jīng)過10個(gè)周期后的腐蝕減量及腐蝕坑形狀深度和寬度的縱橫比，評價(jià)耐腐蝕性。腐蝕減量的值用腐蝕前后的質(zhì)量差除以試驗(yàn)片腐蝕前表面積計(jì)算；計(jì)算腐蝕坑的縱橫比時(shí)，先測量各試驗(yàn)片30個(gè)點(diǎn)的腐蝕坑的深度和寬度，用深度除以寬度求出。

圖9所示為腐蝕減量結(jié)果，圖10所示為腐蝕坑縱橫比的正規(guī)分布曲線。相對于傳統(tǒng)鋼，開發(fā)鋼的腐蝕減量及腐蝕坑縱橫比均發(fā)生了減少。這是由于Ni和Cu的添加、減少S含量，從而改善了耐腐蝕性的緣故。

3.2.4  耐延遲破壞性

在試驗(yàn)片內(nèi)部包藏氫的狀態(tài)下加載負(fù)荷，使之發(fā)生延遲破壞，用發(fā)生破壞前的極限應(yīng)力（未破斷應(yīng)力）評價(jià)延遲破壞性。試驗(yàn)片形狀如圖11所示。傳統(tǒng)鋼采用抗拉強(qiáng)度1900MPa的試驗(yàn)片，開發(fā)鋼采用抗拉強(qiáng)度2000MPa的試驗(yàn)片，試驗(yàn)開始前，以無負(fù)荷狀態(tài)將試驗(yàn)片浸入5%硫氰酸氨水溶液48h，預(yù)先使試驗(yàn)片中氫濃度達(dá)到極限。然后，保持試驗(yàn)片浸漬在溶液中的狀態(tài)加載負(fù)荷，測定在拉伸應(yīng)力作用下達(dá)到斷裂所用的時(shí)間。將試驗(yàn)中最大達(dá)96h、試驗(yàn)片未斷裂的拉伸應(yīng)力作為未破斷應(yīng)力。另外，還用未斷裂的試驗(yàn)片測定了試驗(yàn)片中擴(kuò)散性氫含量。

圖12、圖13所示為未斷裂應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果和擴(kuò)散性氫含量測定結(jié)果。可以看出，盡管開發(fā)鋼的強(qiáng)度高于傳統(tǒng)鋼，但其未破斷應(yīng)力約比傳統(tǒng)鋼提高了35%，擴(kuò)散性氫含量也減少了80%，因此耐延遲破壞性能得到了提高。這是由于V含量增加，達(dá)到了捕獲氫的效果，同時(shí)因P含量的減少，氫集中而抑制了易于發(fā)生斷裂的晶界脆化的作用。

3.3.1 評價(jià)對象彈簧

圖14所示為熱成型線圈彈簧的生產(chǎn)過程。表3示出作為評價(jià)對象的彈簧的各項(xiàng)指標(biāo)。評價(jià)項(xiàng)目包括實(shí)物彈簧的大氣疲勞性能、耐腐蝕疲勞性能和耐延遲破壞性能。

3.3.2  臺式耐久性試驗(yàn)

彈簧臺式耐久性試驗(yàn)中，使用了抗拉強(qiáng)度1900MPa的傳統(tǒng)鋼和抗拉強(qiáng)度2000MPa的開發(fā)鋼。

大氣疲勞試驗(yàn)結(jié)果顯示，彈簧形狀的疲勞特性隨著抗拉強(qiáng)度的提高，開發(fā)鋼比傳統(tǒng)鋼的大氣疲勞性能得到了提高。

3.3.3  耐腐蝕疲勞性能

腐蝕疲勞試驗(yàn)以鹽水噴霧（5%NaCl）→干燥→濕潤為一個(gè)周期（8h），在干燥時(shí)每3個(gè)周期振動5000次。試驗(yàn)用的彈簧使用與大氣疲勞試驗(yàn)相同的彈簧，振動引起的平均應(yīng)力相同，但將開發(fā)鋼的振動應(yīng)力比傳統(tǒng)鋼提高100MPa實(shí)施了耐久性試驗(yàn)。腐蝕耐久試驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。

由圖15可見，盡管開發(fā)鋼振動應(yīng)力高于傳統(tǒng)鋼，但其耐久次數(shù)卻比傳統(tǒng)鋼提高了50%。從材料評價(jià)中可知，開發(fā)鋼的耐腐蝕疲勞性能提高的主要原因是由于腐蝕減量和腐蝕坑縱橫比的減小，從而緩和了應(yīng)力集中，抑制了疲勞裂紋的發(fā)生。

3.3.4  耐延遲破壞性

延遲破壞試驗(yàn)，向傳統(tǒng)鋼（1300MPa）、開發(fā)鋼（1400MPa）加載負(fù)荷應(yīng)力，將其浸漬在1%硫氰酸氨水溶液中，用直至彈簧斷裂的總浸漬時(shí)間評價(jià)耐延遲破壞性。試驗(yàn)用彈簧采用與大氣疲勞試驗(yàn)相同的彈簧。

圖16所示為延遲破壞試驗(yàn)結(jié)果。開發(fā)鋼彈簧的強(qiáng)度高于傳統(tǒng)鋼彈簧，盡管試驗(yàn)中的負(fù)荷應(yīng)力很高，但斷裂時(shí)間卻長于傳統(tǒng)鋼。開發(fā)鋼顯示出良好的耐延遲破壞性的主要原因是由于V含量的增加，起到了捕獲氫的效果，同時(shí)，由于韌性提高還降低了缺口敏感性且氫脆性得到了抑制的緣故。另外，由于P含量的減少，抑制了晶界脆化，也起到了提高耐延遲破壞性的作用。

高強(qiáng)彈簧鋼開發(fā)中得到如下結(jié)果。

1）由于添加Ni和Cu并降低S含量，提高了耐腐蝕性，腐蝕減量和腐蝕坑深度的降低，抑制了因應(yīng)力集中導(dǎo)致的疲勞裂紋的發(fā)生；

2）增加V含量，起到了捕獲氫的作用；減少C含量提高了韌性；降低P含量抑制了晶界脆化，改善了耐延遲破壞性；

3）在對彈簧的評價(jià)中，開發(fā)鋼盡管具有高強(qiáng)度，并受到高應(yīng)力，仍顯示出了良好的耐腐蝕疲勞性能和耐延遲破壞性能。

本文介紹了抗拉強(qiáng)度2000MPa級汽車用高強(qiáng)彈簧鋼的開發(fā)，而抗拉強(qiáng)度2100MPa以上的材料也已經(jīng)開發(fā)出來。汽車用彈簧所需的耐腐蝕性的提高，不僅需要成分設(shè)計(jì)，還需要結(jié)合顯微組織形成等多種方法來實(shí)現(xiàn)。

今后，汽車用高強(qiáng)度彈簧鋼的開發(fā)有必要結(jié)合顯微組織形成方法以及表層硬度分布的控制、賦予殘留應(yīng)力等表面改質(zhì)加工等。因此，在今后進(jìn)行成分設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要考慮提高耐腐蝕性和韌性，還需要考慮這些加工因素。