1、研究的背景與問(wèn)題
在新能源汽車生產(chǎn)中，動(dòng)力電池、電機(jī)及其控制器以及電池安全防護(hù)裝置等均為特有的新技術(shù)新結(jié)構(gòu)，車身結(jié)構(gòu)中的下托盤等沖壓件，車內(nèi)的高壓連接器等注塑件對(duì)高質(zhì)量的異型彈簧鋼絲需求量大，而我國(guó)高質(zhì)量的異型彈簧鋼絲仍然需要進(jìn)口，大而不強(qiáng)成為我國(guó)異型彈簧鋼絲行業(yè)發(fā)展的明顯特征。同時(shí)，在基礎(chǔ)材料領(lǐng)域如果長(zhǎng)期依賴國(guó)外進(jìn)口，對(duì)國(guó)內(nèi)制造業(yè)的穩(wěn)定性非常不利，比亞迪等新能源汽車制造廠商面臨受制于國(guó)外產(chǎn)業(yè)鏈的窘境，危及整個(gè)新能源汽車行業(yè)穩(wěn)定發(fā)展。異型彈簧鋼絲的整體開(kāi)發(fā)和提升，從原材料制造水平的提高到中間熱處理技術(shù)等方面的改進(jìn)與突破，對(duì)提高成品彈簧的耐疲勞性能、抗彈減等性能至關(guān)重要。
本項(xiàng)目新能源汽車用彈簧鋼絲與普通鋼絲主要參數(shù)對(duì)比
2、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案
1、總體思路：
目前，新能源汽車用異型彈簧鋼絲規(guī)格種類接近400余種，每種尺寸都有特定的角度和尺寸，形狀不一，批次起訂量小尺寸不固定是該類產(chǎn)品一大特點(diǎn)，尤其是定型試驗(yàn)時(shí)訂單量只有幾十公斤，在軋制技術(shù)方面，直接軋制成型工藝是目前國(guó)際上通用的成型方式，該類軋制工藝在孔型設(shè)計(jì)時(shí)，同種規(guī)格需要4套以上的型輥，且不同規(guī)格的軋輥互不通用，各類規(guī)格難以通過(guò)一種孔型解決，企業(yè)生產(chǎn)成本過(guò)高，這也是目前軋制成型技術(shù)的國(guó)際技術(shù)難點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組通過(guò)孔型設(shè)計(jì)的調(diào)整，將過(guò)程孔型設(shè)計(jì)分類統(tǒng)一，成品由固定模具保證尺寸精度，在高精密異型鋼絲生產(chǎn)技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)了集成創(chuàng)新，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，同時(shí)將生產(chǎn)成本降低10%左右，與國(guó)際技術(shù)相比，成本優(yōu)勢(shì)明顯，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。
本項(xiàng)目涉及的鋼絲拉拔分為圓絲拉拔和異型絲拉拔，國(guó)內(nèi)外如英國(guó)德國(guó)等現(xiàn)行通用工藝為酸洗磷皂化后進(jìn)行拉拔，潤(rùn)滑介質(zhì)為鈣基或鈉基拉絲粉，缺點(diǎn)在于酸洗磷化污染嚴(yán)重，不能完全滿足環(huán)保要求，鋼絲存在局部“夾黃”進(jìn)而引起后續(xù)繞制過(guò)程中斷裂，同時(shí)，異型鋼絲由于變形的不均勻性，表面極易劃傷，成型后直線度差，在油淬火工序依然難以調(diào)整至合格，針對(duì)上述行業(yè)難題，本項(xiàng)目避免了酸洗磷化，徹底解決了環(huán)保問(wèn)題，通過(guò)拉拔結(jié)合的方式，均勻分配每道次變形量，保證了直線度。
2、技術(shù)方案：
階段1：對(duì)過(guò)程熱處理工藝及裝備進(jìn)行優(yōu)化，完成了鋼絲感應(yīng)加熱水浴淬火熱處理及鋼絲清潔生產(chǎn)拉拔用涂層及其制備工藝的研發(fā)。
階段2：對(duì)鋼絲成型及熱處理整體工藝進(jìn)行研發(fā)，對(duì)關(guān)鍵裝備進(jìn)行升級(jí)，完成了用于卷制輕載荷模具彈簧的異型鋼絲的制備工藝開(kāi)發(fā)和適用于工字輪平穩(wěn)收放線的傳動(dòng)裝置開(kāi)發(fā)。
項(xiàng)目起始階段，國(guó)內(nèi)金屬制品廠家所生產(chǎn)的輕載荷模具彈簧用異型鋼絲的截面主要為梯形。梯形鋼絲的截面設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于：既要考慮梯形鋼絲在卷制過(guò)程中的受力均衡和變形預(yù)留量，還要保證卷制成彈簧后彈簧鋼絲的截面盡可能接近矩形，這樣才能保證彈簧具有最大的變形能。如果梯形鋼絲以軟態(tài)（退火態(tài)）交貨、卷制彈簧后再進(jìn)行熱處理，則彈簧容易變形而產(chǎn)生廢品；如果梯形鋼絲經(jīng)熱處理后以油淬火-回火態(tài)交貨，卷制彈簧時(shí)非常容易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致卷簧失敗甚至損壞卷簧設(shè)備。針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不足之處，開(kāi)發(fā)了一種用于卷制輕載荷模具彈簧的異型鋼絲的制備工藝。本工藝通過(guò)對(duì)異型鋼絲的截面優(yōu)化和對(duì)制備工藝的改進(jìn)，大大提高了異型鋼絲的綜合力學(xué)性能，避免鋼絲表面劃傷、提高了鋼絲的表面質(zhì)量，而且成本低、通用性強(qiáng)，為后續(xù)使用異型鋼絲來(lái)卷制輕載荷模具彈簧的彈簧制造企業(yè)提供了一種易卷制、品質(zhì)高、廢品少的彈簧鋼絲材料。
3、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、構(gòu)建了鋼絲生產(chǎn)模塊化組合技術(shù)，研發(fā)了通用性強(qiáng)的異型彈簧鋼絲的制備技術(shù)，解決了傳統(tǒng)彈簧鋼絲力學(xué)性能差、組織不穩(wěn)定、疲勞壽命短等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了彈簧鋼絲尺寸精準(zhǔn)控制和100萬(wàn)次以上疲勞壽命的目標(biāo)，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。
圖1 鋼絲生產(chǎn)模塊化組合技術(shù)
在鋼絲研發(fā)及中試、量產(chǎn)階段，鋼絲的成本及質(zhì)量控制往往處于不穩(wěn)定狀態(tài)，研發(fā)了鋼絲生產(chǎn)模塊化組合技術(shù)，如圖1所示。模塊化組合技術(shù)的應(yīng)用，可以使鋼絲研發(fā)周期由1年以上降為2個(gè)月以內(nèi)，產(chǎn)品合格率大幅提升至98%以上。相關(guān)發(fā)明專利1項(xiàng)：一種用于卷制輕載荷模具彈簧的異型鋼絲的制備工藝（專利號(hào)：ZL2019 1 0385346.0），一種適用于砂帶機(jī)的自動(dòng)調(diào)偏裝置（專利號(hào)：ZL2017 1 0084094.9）；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)：彈簧墊圈用梯形鋼絲 YB/T5319-2010;相關(guān)實(shí)用新型專利4項(xiàng)：一種梯形鋼絲進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的夾持裝置（專利號(hào)：ZL2020 2 0156180.3），一種適用于梯形鋼絲拉伸試樣的手動(dòng)刻畫標(biāo)距裝置（專利號(hào)：ZL2020 2 0329925.1），一種適用于不同厚度扁鋼絲的彎曲試驗(yàn)裝置（專利號(hào)：ZL2020 2 1455632.4）。
圖2 不同異型彈簧鋼絲實(shí)物圖
研發(fā)了用于卷制輕載荷模具彈簧的異型鋼絲的制備工藝，分析最大變形量與截面形狀的關(guān)系，最終確定鋼絲的截面形狀采用仿梯形（圖2）。同時(shí)改進(jìn)鋼絲的生產(chǎn)工藝，對(duì)模具制作、選料、過(guò)程軋制、成品軋制、熱處理、拉伸試驗(yàn)等過(guò)程精準(zhǔn)控制，選用優(yōu)質(zhì)鋼材，經(jīng)過(guò)冷加工和熱處理后，將鋼絲硬度控制在HRC45-49，馬氏體級(jí)別小于等于2級(jí)，晶粒度大于等于10級(jí)。有效控制變形預(yù)留量、保證卷制成彈簧后鋼絲的截面比較接近矩形，使彈簧具有較大的變形能力。
表1 不同系列規(guī)格力學(xué)性能
表1為本項(xiàng)目SAE 9254V材質(zhì)的部分不同系列規(guī)格試驗(yàn)數(shù)據(jù)，抗拉強(qiáng)度取樣為每隔1米取樣30厘米長(zhǎng)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，洛氏硬度為試樣端部磨平后，每隔4mm取點(diǎn)測(cè)量。
圖3為對(duì)應(yīng)表1中樣品的H30規(guī)格bcc EBSD成像圖和晶粒尺寸，通過(guò)bcc EBSD數(shù)據(jù)和表1中包含規(guī)格的實(shí)際使用結(jié)果，得出結(jié)論：馬氏體的形狀，分布及大小，對(duì)彈簧鋼絲的性能影響至關(guān)重要，馬氏體晶粒尺寸差別越小，分布越均勻，最后綜合性能越好。
圖3 bcc EBSD成像圖和晶粒尺寸
圖 4 砂帶機(jī)及自動(dòng)調(diào)偏裝置
發(fā)明了適用于砂帶機(jī)的自動(dòng)調(diào)偏裝置（圖4），通過(guò)加裝傳感器在砂帶機(jī)的工作過(guò)程中來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)形砂帶圈運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)整調(diào)偏輥的上下擺動(dòng)方向，解決了環(huán)形砂帶圈跑偏造成環(huán)形砂帶圈與機(jī)械零件的損壞，影響鋼絲表面質(zhì)量的問(wèn)題。
2、基于獲得鋼絲索氏體組織的熱處理技術(shù)，研發(fā)了一種鋼絲感應(yīng)加熱水浴淬火熱處理工藝，解決了索氏體化時(shí)熱處理效率低、依賴于傳統(tǒng)介質(zhì)重金屬鉛的行業(yè)難題，實(shí)現(xiàn)了鋼絲中間工序熱處理高效率、無(wú)污染的目標(biāo)。
圖5為傳統(tǒng)工藝流程，圖6位本項(xiàng)目工藝流程，經(jīng)過(guò)3年多的工藝試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐，已形成成熟的熱處理工藝參數(shù)，保證鋼絲產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，生產(chǎn)效率提升30%，生產(chǎn)成本降低10%。
圖5 傳統(tǒng)工藝流程
圖6 本項(xiàng)目工藝流程
獲相關(guān)發(fā)明專利2項(xiàng)：一種鋼絲感應(yīng)加熱水浴淬火熱處理工藝（專利號(hào)：ZL 2016 1 1096116.5）；一種適用于工字輪平穩(wěn)收放線的傳動(dòng)裝置（專利號(hào)：ZL2020 1 0542683.9）；國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)：淬火-回火彈簧鋼絲 GB/T 18983-2017；論文：新型環(huán)保鋼絲熱處理生產(chǎn)線設(shè)計(jì)/冷卻速度對(duì)SAE 9254V 彈簧鋼相變規(guī)律的影響。
圖7 冷卻過(guò)程相變點(diǎn)測(cè)定工藝(圖中1至8冷速分別為0.05℃/S、1℃/S、2℃/S、3℃/S、4℃/S、5℃/S、10℃/S、30℃/S)
圖8 SAE 9254V材質(zhì)的靜態(tài)CCT曲線（a：0.05℃/S；b：1℃/S；c：2℃/S；d：3℃/S；e：4℃/S；f：5℃/S；g：10℃/S；h：30℃/S ）
圖7為本項(xiàng)目所使用原材料中的SAE 9254V材質(zhì)的冷卻過(guò)程相變點(diǎn)測(cè)定工藝，圖8為對(duì)應(yīng)的靜態(tài)CCT曲線，為了獲得更為貼近實(shí)際生產(chǎn)需要的SAE 9254V相變點(diǎn)溫度，在韓國(guó)浦項(xiàng)線材（φ9.0mm）上，截取φ4mm×10mm圓柱棒狀樣，利用DIL 805A型熱膨脹儀進(jìn)行Ac1、Ac3、Ms、Mf 等相變點(diǎn)的測(cè)量，使用顯微硬度計(jì)對(duì)不同冷速下試樣的顯微硬度做統(tǒng)計(jì)，結(jié)合金相顯微組織照片，依據(jù)不同冷速下的溫度-膨脹量曲線，作出靜態(tài)CCT曲線。
表2 不同冷速下顯微硬度和金相
綜合不同冷卻速度下的顯微硬度、溫度-膨脹量曲線以及金相顯微組織照片，可得出表2。
圖9 水淬火槽體結(jié)構(gòu)圖 圖10 水淬火槽安裝現(xiàn)場(chǎng)圖
建立了鋼絲熱處理生產(chǎn)線（圖9、圖10），采用工字輪式放線系統(tǒng)和水淬火系統(tǒng)，配套張力控制裝置。根據(jù)槽體液位控制的具體情況，采用簡(jiǎn)單可靠的浮球閥自動(dòng)控制純水添加，自動(dòng)補(bǔ)償槽液的揮發(fā)損失，保證工作過(guò)程中槽體液面穩(wěn)定。槽液溫度采用比例調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)加熱和冷卻系統(tǒng)，溫度變化小，實(shí)現(xiàn)了鋼絲在線熱處理溫度的精確控制。
3、研發(fā)了新型拉拔用涂層和水基型切削液等綠色清潔技術(shù)，分別采用合成酯、非離子表面活性劑和水等環(huán)保材質(zhì)，柔性配比，解決了鋼絲生產(chǎn)硼化、磷化等環(huán)境污染問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了彈簧鋼絲清潔生產(chǎn)的目標(biāo)。
鋼絲生產(chǎn)過(guò)程中需要進(jìn)行拉拔、輥拉或軋制，拉拔前需要對(duì)鋼絲表面進(jìn)行處理，在拉拔過(guò)程中，由于變形做功和摩擦做功產(chǎn)生的熱使鋼絲溫度升高，若潤(rùn)滑及冷卻條件差，會(huì)造成鋼絲表面質(zhì)量迅速下降，產(chǎn)品合格率將降低。獲相關(guān)發(fā)明專利2項(xiàng)：一種鋼絲清潔生產(chǎn)拉拔用涂層及其制備工藝（專利號(hào)：ZL 2017 1 0090270.X）；一種金屬加工用水基型切削液及其配制方法（專利號(hào)：ZL 2014 1 0439789.0）。
4、應(yīng)用情況與效果
項(xiàng)目完成了新能源汽車用異形彈簧鋼絲的研發(fā)及推廣活動(dòng)，成為國(guó)內(nèi)唯一一家具有新能源汽車用高端異型彈簧鋼絲生產(chǎn)能力的供應(yīng)商，具備年產(chǎn)6500噸的產(chǎn)能，各種彈簧鋼絲產(chǎn)品銷往大連、東莞、慈溪、蘇州、寧波等多個(gè)省、市、自治區(qū)，在應(yīng)用單位加工彈簧進(jìn)行再銷售，近三年實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值5.21億元，利潤(rùn)5840萬(wàn)元，其他應(yīng)用單位利用本技術(shù)生產(chǎn)的異型彈簧鋼絲，用于制造新能源汽車用彈簧并進(jìn)行銷售，預(yù)估累計(jì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益23億元，為企業(yè)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。主要應(yīng)用情況如下：
主要應(yīng)用單位情況表
目前我國(guó)新能源汽車用異型彈簧鋼絲絕大部分依賴進(jìn)口，且進(jìn)口渠道不暢，無(wú)論是價(jià)格還是交貨期上都受到國(guó)外廠商的制約。應(yīng)用單位迫切需要有國(guó)內(nèi)金屬制品生產(chǎn)廠家能夠投入物力和人力研制出我們自己的優(yōu)質(zhì)異型彈簧鋼絲，替代進(jìn)口，所以研制國(guó)產(chǎn)高質(zhì)量異型彈簧鋼絲，滿足我國(guó)模具、新能源汽車等相關(guān)行業(yè)日益增長(zhǎng)的需要，保持我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速、持續(xù)和穩(wěn)定發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用，實(shí)現(xiàn)“節(jié)能、減排、降耗”，符合國(guó)家提出的可持續(xù)發(fā)展的理念和“雙碳”戰(zhàn)略。
來(lái)源：中鋼集團(tuán)鄭州金屬制品研究院股份有限公司
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