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商用車(chē)懸架系統(tǒng)的輕量化，必然要求設(shè)計(jì)應(yīng)力提高，這對(duì)懸架系統(tǒng)使用的原材料——彈簧鋼性能提出了更高的要求。結(jié)合國(guó)內(nèi)彈簧鋼冶煉及工業(yè)化水平，采用鈮元素微合金化技術(shù)，通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化等途徑，開(kāi)發(fā)抗拉強(qiáng)度大于1500MPa新型含Nb高強(qiáng)彈簧鋼原材料LPD65，并對(duì)新型含Nb高強(qiáng)彈簧鋼原材料LPD65的熱處理性能、力學(xué)性能、疲勞性能進(jìn)行研究。研究顯示，新型含Nb高強(qiáng)彈簧鋼原材料LPD65滿(mǎn)足商用車(chē)懸架系統(tǒng)輕量化板簧設(shè)計(jì)需求，同時(shí)滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)主機(jī)廠(chǎng)對(duì)輕量化懸架板簧疲勞壽命要求。

 

2019年以來(lái)，商用車(chē)輕量化需求持續(xù)延續(xù)，其中懸架系統(tǒng)輕量化成為必然趨勢(shì)。以商用車(chē)中牽引車(chē)為例，普通牽引車(chē)前懸架3片拋物線(xiàn)板簧，后懸架5片拋物線(xiàn)板簧；輕量化高端牽引車(chē)前懸架2片拋物線(xiàn)板簧，后懸架3片拋物線(xiàn)板簧，未來(lái)進(jìn)一步輕量化方案為前懸架單片簧，后懸架輕量化3片簧。然而對(duì)于商用車(chē)中自卸車(chē)來(lái)說(shuō)，同樣存在輕量化需求，特別是自卸車(chē)后懸架系統(tǒng)輕量化（拋物線(xiàn)少片簧替代普通多片簧）需求也越來(lái)越強(qiáng)烈，同時(shí)自卸車(chē)對(duì)于其懸架系統(tǒng)的高疲勞性能要求也越來(lái)越高。懸架系統(tǒng)輕量化和高疲勞性能要求提高，必然要求其設(shè)計(jì)應(yīng)力提高，這對(duì)商用車(chē)懸架系統(tǒng)使用的原材料彈簧鋼的性能提出了更高要求。

 

結(jié)合國(guó)內(nèi)彈簧鋼冶煉及工業(yè)化水平，采用鈮微合金化技術(shù)，通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化等途徑，開(kāi)發(fā)抗拉強(qiáng)度大于1500MPa新型含Nb高強(qiáng)彈簧鋼原材料LPD65，并對(duì)新型含Nb高強(qiáng)彈簧鋼原材料LPD65的熱處理性能、力學(xué)性能、疲勞性能進(jìn)行研究，驗(yàn)證其是否滿(mǎn)足商用車(chē)懸架系統(tǒng)輕量化板簧設(shè)計(jì)需求，以及國(guó)內(nèi)主機(jī)廠(chǎng)對(duì)輕量化懸架板簧疲勞壽命的要求。

 

材料制備及試驗(yàn)方法

 

1 高強(qiáng)彈簧鋼LPD65制備

 

高強(qiáng)彈簧鋼LPD65主要化學(xué)成分設(shè)計(jì)見(jiàn)表1，依據(jù)相應(yīng)板簧設(shè)計(jì)需求，冶煉28mm×90mm規(guī)格的彈簧鋼原材料，用于材料化學(xué)成分、熱處理性能和疲勞性能的研究。

 

 

2 試驗(yàn)方法

 

LPD65冶煉完成后，使用Q4直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)；用WDW-G型電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試新材料試樣熱處理后的力學(xué)性能；使用HR-15A型號(hào)洛氏硬度計(jì)，檢測(cè)新材料試樣熱處理后的淬火硬度及回火硬度；用Nikon MA100型金相顯微鏡及JEOLJEM-1400型透射電鏡，對(duì)新材料熱處理試樣進(jìn)行組織觀察；產(chǎn)品試制完成后，使用PSJ200型機(jī)械疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架疲勞試驗(yàn)及道路試驗(yàn)。

 

結(jié)果與討論

 

1 化學(xué)成分分析

 

高強(qiáng)彈簧鋼LPD65的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，不同爐號(hào)冶煉的高強(qiáng)彈簧鋼LPD65，其化學(xué)成分均符合設(shè)計(jì)要求，且各種化學(xué)元素成分相對(duì)均勻，這表明化學(xué)成分設(shè)計(jì)滿(mǎn)足冶煉要求，可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。

 

 

2 力學(xué)性能分析

 

高強(qiáng)彈簧鋼LPD65熱處理后的力學(xué)性能要求如表3所示。在450±20℃的回火范圍內(nèi)，彈簧鋼的強(qiáng)度大于1450MPa，斷面收縮率≥30%，斷后伸長(zhǎng)率≥9%。

 

 

3 組織結(jié)構(gòu)與強(qiáng)韌化機(jī)理分析

 

圖1為高強(qiáng)彈簧鋼LPD65熱處理后的金相組織，為細(xì)致的回火屈氏體。

 

圖2為高強(qiáng)彈簧鋼LPD65熱處理后的晶粒度照片，依據(jù)GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》，評(píng)定晶粒度為10級(jí)。

 

圖3為高強(qiáng)彈簧鋼LPD65熱處理后掃描電鏡（1000倍）形貌，分析可知為典型回火屈氏體形貌，且組織分布均勻。

 

圖4為高強(qiáng)彈簧鋼LPD65熱處理后掃描電鏡（5000倍）形貌，在均勻清晰的回火屈氏體形貌之中，均勻彌散分布碳化物顆粒。

 

 

綜上可知，高強(qiáng)彈簧鋼LPD65經(jīng)過(guò)熱處理后，可獲得較細(xì)的回火屈氏體組織，另外，合金元素特別是Nb元素的加入，形成了碳化物，此種碳化物易偏聚在晶界處，阻礙晶粒長(zhǎng)大。同時(shí)，在位錯(cuò)進(jìn)行滑移時(shí)，鈮的碳化物對(duì)位錯(cuò)滑移產(chǎn)生釘扎作用，這也是高強(qiáng)彈簧鋼LPD65具有較高強(qiáng)度和優(yōu)良塑韌性的根本原因。

 

4 工藝性能分析

 

 

表4是高強(qiáng)彈簧鋼LPD65末端淬透性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖5是其末端淬透性試驗(yàn)曲線(xiàn)。新型高強(qiáng)彈簧鋼LPD65具有較好的淬透性，完全能滿(mǎn)足高應(yīng)力少片板簧不同厚度原材料淬透性工藝需求。

 

 

5 臺(tái)架疲勞試驗(yàn)

 

 

圖6是使用高強(qiáng)彈簧鋼LPD65試制板簧進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果。由圖6可知：

 

1）高強(qiáng)彈簧鋼LPD65試制板簧在國(guó)標(biāo)臺(tái)架試驗(yàn)條件下，最大試驗(yàn)應(yīng)力為833MPa，臺(tái)架試驗(yàn)疲勞壽命為80萬(wàn)次，且未出現(xiàn)斷裂，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國(guó)標(biāo)要求的10萬(wàn)次疲勞壽命，接近板簧設(shè)計(jì)無(wú)限壽命100萬(wàn)次。

 

2）高強(qiáng)彈簧鋼LPD65試制板簧在主機(jī)廠(chǎng)臺(tái)架試驗(yàn)條件下，最大試驗(yàn)應(yīng)力為900MPa，臺(tái)架試驗(yàn)疲勞壽命為50萬(wàn)次，且未出現(xiàn)斷裂，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主機(jī)廠(chǎng)要求的16萬(wàn)次疲勞壽命；最大試驗(yàn)應(yīng)力為1000MPa時(shí)，臺(tái)架試驗(yàn)疲勞壽命為30萬(wàn)次，且未出現(xiàn)斷裂，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主機(jī)廠(chǎng)要求的12萬(wàn)次疲勞壽命；最大試驗(yàn)應(yīng)力為1050MPa時(shí)，臺(tái)架試驗(yàn)疲勞壽命為20萬(wàn)次，且未出現(xiàn)斷裂，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主機(jī)廠(chǎng)要求的12萬(wàn)次疲勞壽命；最大試驗(yàn)應(yīng)力為1100MPa時(shí)，臺(tái)架試驗(yàn)疲勞壽命為15萬(wàn)次，且未出現(xiàn)斷裂，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主機(jī)廠(chǎng)要求的12萬(wàn)次疲勞壽命，具有優(yōu)異的疲勞特性；在最大試驗(yàn)應(yīng)力為1150MPa時(shí)，臺(tái)架試驗(yàn)疲勞壽命為12萬(wàn)次，且未出現(xiàn)斷裂，也可以滿(mǎn)足主機(jī)廠(chǎng)12萬(wàn)次疲勞壽命的要求，達(dá)到行業(yè)內(nèi)絕對(duì)領(lǐng)先水平。

 

結(jié)論

 

1）新型含Nb高強(qiáng)彈簧鋼LPD65適用于商用車(chē)高應(yīng)力、輕量化板簧產(chǎn)品。

 

2）新型含Nb高強(qiáng)彈簧鋼LPD65具有良好的熱處理性能和淬透性，熱處理后抗拉強(qiáng)度大于1450MPa，略低于材料預(yù)想抗拉強(qiáng)度目標(biāo)，后續(xù)需進(jìn)一步進(jìn)行熱處理工藝研究，實(shí)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度大于1500MPa的設(shè)計(jì)目標(biāo)。LPD65中Nb元素的加入，形成了高性能碳化物，其對(duì)位錯(cuò)滑移產(chǎn)生釘扎作用，使得高強(qiáng)彈簧鋼具有高強(qiáng)度和優(yōu)良的塑韌性。

 

3）新型含Nb高強(qiáng)彈簧鋼LPD65試制板簧的臺(tái)架疲勞壽命優(yōu)異，在國(guó)標(biāo)的試驗(yàn)應(yīng)力條件下，疲勞壽命接近100萬(wàn)次無(wú)限壽命；在高應(yīng)力為1150MPa的試驗(yàn)應(yīng)力條件下，臺(tái)架疲勞壽命可達(dá)到12萬(wàn)次，且出現(xiàn)斷裂，處于行業(yè)內(nèi)絕對(duì)領(lǐng)先水平。