关键词:SUP１０弹簧钢板;台架疲倦试验;早期疲倦断裂;夹渣
中图分类号:TG１５７ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１２Ｇ０９２４Ｇ０４
SUP１０这天本现行国家标准JISG４８０１－２００５ «弹簧钢钢材»中的弹簧钢牌号之一,该钢因具有较 高的抗拉强度、弹性极限及疲倦强度,不仅在日本而 且在我国汽车钢板弹簧制造业中均得到了广泛应 用.疲倦断裂是弹簧钢的紧张失落效形式之一.弹簧 钢的疲倦性能紧张取决于钢材本身的强度和内部缺 陷,包括夹杂物、偏析、白点等,此外钢材表面质量也 是影响弹簧钢疲倦寿命的紧张成分之一[１].
海内某厂生产的 SUP１０钢板弹簧总成在台架 疲倦试验中,进行到５．２８万次时发生早期断裂失落 效.该 钢 板 弹 簧 的 加 工 制 造 流 程 为:下 料 → 矫 直→钻孔→卷耳→切边→包耳→淬火(成弧形)→ 回火→喷丸→ 装 配 → 预 压 缩 → 喷 漆 → 检 验 入 库. 钢板弹簧热 处 理 工 艺 为:天 然 气 加 热 炉 加 热 弹 簧 扁钢至８５０ ℃,保温３５~４５ min,油淬,淬火摇 摆 韶光为３０s;回火温度为４５０ ℃,回火韶光为８０~１００min,水冷.为了剖析其断裂缘故原由,并探求防止 断裂的预防 措 施,笔 者 对 断 裂 钢 板 弹 簧 取 样 进 行 了考验和剖析.
１ 理化考验
１．１ 宏不雅观剖析
钢板弹簧材料为 SUP１０钢,按 GB/T１９８４４－ ２００５«钢板弹簧»中附录 A 规定的汽车用钢板弹簧 台架试验方法装夹,如图１a)所示.按主机厂哀求: 在应力幅为６５０MPa、最大应力为１０５０MPa、频率 ３Hz的 条 件 下 进 行 垂 直 负 荷 下 的 台 架 试 验,经 历１２万次振动,钢板弹簧不断裂即为合格.某副钢 板弹簧在台架试验进行到５．２８万次涌现断裂,台架 试验被迫提前终止.
该 钢 板 弹 簧 总 成 为 ３ 片 簧,采 用 规 格 为 ２５mm×９０mm 的弹簧扁钢加工制造而成,断片片 序为第３片,断裂位置间隔中央孔１１０．６mm 处,如 图１a)所示.断裂起源于钢板表层,如图１b)所示.
１．２ 断口扫描电镜及能谱剖析
断口经酒精超声波洗濯后,利用 QUANTA４００ 扫描电镜(SEM)进行不雅观察与剖析.扫描电镜下断 口描述见图２,疲倦断口低倍描述见图２a),贝纹线 放大描述见 图 ２b).疲 劳 断 裂 源 位 于 试 样 表 层 附 近,可不雅观察到灰色块状物和裂纹,见图２c).对灰色 块状物进行能谱(SED)剖析,紧张含有氧、钙、铝、 硅、镁等元素,见图３.
１．３ 金相剖析
在断裂源 部 位 取 截 面 试 样,经 镶 嵌、打 磨、抛 光后采取 OLYMPUSPME３Ｇ３２３/μn光学显微镜进 行不雅观察.断 裂 起 源 部 位 的 表 层 可 不雅观 察 到 灰 色 物 质———夹渣,夹 渣 处 有 裂 纹 向 基 体 内 部 延 伸,见 图４.对灰色物质进行能谱剖析,含有氧、钙、铝、 硅、镁、铁等元素.
试样经３％(体积分数)硝酸酒精溶液浸蚀后再 在光学显微镜下不雅观察,基体显微组织为回火屈氏体, 见图５,为该钢板弹簧正常淬回火热处理组织.
１．４ 化学身分剖析
在断裂钢板弹簧上取样进行化学身分剖析,结 果见表 １.可 见 各 元 素 含 量 均 符 合 JIS G４８０１－ ２００５对 SUP１０弹簧钢身分的哀求,有害元素硫和 磷的含量较低.
１．５ 力学性能试验
将断裂试样剩余部分(阔别断口处)取样加工成 ϕ１０mm 标准圆形拉伸试样,在万能试验机上进行拉伸试验,结果见表２.可见各项拉伸性能指标均 符合JISG４８０１－２００５对SUP１０弹簧钢的哀求.
２ 综合剖析
该钢板弹簧的断裂办法属于疲倦断裂,因此试 样断口上有明显的贝纹线特色.由贝纹线的放射轨 迹线和弓出方向,可确定疲倦裂纹源位于图１b)中 箭头所指的钢板弹簧表层[２Ｇ３],产生于疲倦源处的细 小裂纹不断向周围扩展,在后期扩展较快,断口上因 此涌现了裂纹迅速扩展的放射状轨迹线.
由断口及金相剖析结果均可知,钢板弹簧断裂源 处存在块状灰色物质,即夹渣.该夹渣的存在使得扁 钢变脆,在台架疲倦试验过程中,该处由于应力集中 首先产生微裂纹[４].钢板弹簧在事情状态下承受冲 击、振动或交变应力等繁芜工况,在钢基体与夹杂物 打仗点处易形成微裂纹,周期应力浸染下微裂纹不断 扩展,终极导致钢板弹簧疲倦断裂.MURAKAMI等 得出钢的疲倦强度与夹杂物尺寸的履历关系如下:夹 杂物尺寸越大,疲倦强度则越低;夹杂物越靠近材料 表面,对疲倦强度的影响也越大[５Ｇ６].
由能谱剖析结果可知,该夹渣紧张为铝酸钙夹 杂、硅酸盐类夹杂、镁铝尖晶石的脱氧产物(MgO CaOAl２O３SiO２),根据该夹渣的身分特点及繁芜 组成,可判断此类夹杂物紧张为外来夹杂物,大多来 自钢液与大包、中包、水口等打仗产生的二次氧化 物,也包括脱氧产物上浮不充分.此类夹杂物特点 有:组成繁芜,一样平常为复合夹杂物;尺寸较大,一样平常超 过４０μm;来源广泛,且多呈现有时性分布,形状规 律也不明显[７Ｇ８].
研究结果表明:终点碳氧积为０．００２７,因此转 炉出钢碳含量越低,则初始氧含量越高,为担保钢材 冶金质量,则冶炼过程脱氧剂花费量就越大,则相应 天生的夹杂物就更多,增加了夹杂物去除的难度. 因此,为了担保较低的氧含量和较少的非金属夹杂 物,硅含量较高的弹簧钢冶炼时适宜选择高拉碳出 钢工艺[９Ｇ１０].
在温度达１５００ ℃以上时,精髓精辟过程存在以下 平衡反应
因此利用碳含量较高的脱氧剂,如石灰,有利于 降落精 炼 渣 中 SiO２ 化 合 物 的 含 量.而 在 Al２O３Ｇ SiO２ＧCaO 精髓精辟渣系中,减少 SiO２ 含量有利于减少 钢液二次氧化,由于在该三元渣系中SiO２ 是最为活 泼的化合物,同时随着渣中 SiO２ 含量的降落,可使 得精髓精辟渣流动性提高,便于夹杂物充分上浮并去除.
转炉钢渣中存在以下平衡反应
式中:Y 为铝、硅等脱氧元素.
研究结果表明,在钢液温度、压力一定的条件 下,其平衡常数为
式中:a[O]和aFeO分别为 O 和 FeO 的活度.
因此,降落渣中 FeO 含量有利于降落钢中的氧 活度,从而减少钢液的二次氧化.
３ 改进方法与效果
针对以上剖析,该钢厂进行了在转炉冶炼时由 低拉碳出钢转变为高拉碳出钢,精髓精辟过程中采取石 灰等碳含量较高的脱氧剂,转炉内采取铝、硅等强脱 氧剂等工艺改进.履行改进的冶炼工艺后,未再发 生由于弹簧扁钢夹渣毛病导致钢板弹簧台架疲倦试 验早期断裂失落效的情形.
４ 结论
(１)SUP１０钢板弹簧在台架试验过程中发生 早期疲倦断裂紧张是由于钢材中存在夹渣毛病.
(２)夹渣紧张为外来夹杂物,大多来自钢液与 大包、中包、水口等打仗产生的二次氧化物,也包括 脱氧产物上浮不充分.
(３)转炉出钢碳含量越低,初始氧含量会越高, 高拉碳出钢可降落钢中的氧含量和非金属夹杂物 含量.
(４)降落炉渣中的SiO２ 含量,可使得精髓精辟渣流动性提高,便于夹杂物充分上浮并去除.
(５)降落炉渣中 FeO 含量有利于降落钢中的 氧活度,从而减少钢液的二次氧化.
(６)通过在转炉冶炼时由低拉碳出钢转变为高 拉碳出钢,精髓精辟过程中采取石灰等碳含量较高的脱 氧剂,转炉内采取铝、硅等强脱氧剂等工艺的履行, 可避免由于弹簧扁钢夹渣毛病导致钢板弹簧早期断 裂失落效的发生.
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文章来源——材料与测试网
