新型高强度弹簧钢40Si2CrNi2MoV的研制

徐德祥  刘德富  赵振刚  谢奎龙  于瑞芝  王秀兰  徐咏梅

摘要：研制的高强韧性新型弹簧钢40Si2CrNi2MoV（40T）的σb≥1950MPa，σ0.02≥1750MPa，δ5≥9%，Ψ≥30%，A_k-30J。该钢的抗弹减性均优于弹簧钢60Si2CrVA。该钢适于制造高应力、大截面弹簧，用于制造铁路货车转向架弹簧时，设计应力1160MPa，在弹簧疲劳试验中，平均应力为647MPa，应力幅值为平均应力的0.4倍，最大应力906MPa，最小应力388MPa，循环周次达2*10⁶次未发生断裂。

关键词：高强度弹簧钢  抗弹减性  疲劳强度

现代工业技术的发展推动弹簧钢向高强度发展。近年来，国外已开发出一些高强度弹簧钢^[1-2]，但由于成本较高，难以推广应用。本文介绍新型高强度韧性弹簧钢40Si2CrNi2MoV（40T）的开发研究。

1、试验材料及方法

试验钢采用20kg感应炉炼钢、浇注20kg钢锭，用锻锤锻成截面为25mm*55mm的试料、进行机械性能试验，从而确定新钢种的化学成分。在试验中经多次炼钢、反复筛选，最后确定新钢种40Si2CrNi2MoV（40T）的化学成分，按所确定的化学成分用20t电弧炉炼钢，进行生产试制。钢的化学成分如表1。试制出φ26mm和φ18mm两种规格的冷拔材供制造提速货车转向架螺旋弹簧。

弹簧钢冷拔材的生产工艺如下：

电弧炉→钢锭热送→开坯→钢坯清理→加热轧制→钢材退火→冷拔→退火

表1  新型弹簧钢40Si2CrNi2MoV的化学成分%

2、试验结果及分析

2.1回火温度对钢的机构性能的影响

由退火状态的冷拔材切取试样，于不同温度加热40min后油冷，测硬度。800-930℃淬火硬度为HRC51-57，880℃淬火试样硬度达到峰值。试样硬度随淬火温度的变化比较平缓，860℃以上淬火，试样硬度变化不大。

根据淬火试验结果，取淬火温度880℃，拉伸、冲击试样于淬火温度保持40min，油冷，然后由不同温度回火2h，测试样的拉伸与冲击性能，得到试样机械性能与回火温度的关系如图1。试样淬火与回火组织如图2。试验结果表明，40Si2CrNi2MoV钢不但具有较高的强度，而且同时具有较好的韧、塑性。例如在380℃回火时，σb=1960MPa，σ0.2=1750MPa，Ψ=44%，δ5=10%，A_k=30J。这种钢的综合机械性能，尤其是断面收缩率和延伸率远远超过60Si2CrA钢。

40Si2CrNi2MoV钢的优良综合性能说明降碳、增硅可以同时提高弹簧钢的强度和韧、塑性。

2.2钢的淬透性

40Si2CrNi2MoV钢末端淬火试样于880℃加热，保持40min,末端淬火，测得淬透性曲线如图3。该钢的淬透性很好，在末端淬火试样的整个长度上硬度下降很少，作为弹簧钢，其淬透性有很大的富余。由机械性能和淬透性可见，40Si2CrNi2MoV钢适于制造高应力、大截面弹簧。

2.3晶粒粗化温度

在840-1020℃的温度范围内各个不同温度加热，保温1h，水冷，测奥氏体晶粒尺寸（图4）。由图4可见，40Si2CrNi2MoV钢在940℃下仍能保持较细的晶粒。

2.4抗脱碳性能

对40Si2CrNi2MoV钢和60Si2CrVA钢的脱碳敏感性进行了对比，脱碳试样分别于860℃、880℃、900℃、保温1h；950℃、1000℃保温20min后观察脱碳情况。40Si2CrNi2MoV钢于860℃、880℃保温1h根本看不到脱碳现象，而此时60Si2CrA钢已发生了较严重的脱碳。40Si2CrNi2MoV钢于900℃保温1h只有轻微脱碳。两种钢于860℃保温1h，950℃保温20min的脱碳试验表明，40Si2CrNi2MoV钢的抗脱能力明显优于60Si2CrVA钢。

2.5抗弹减性

采用蠕变试验对40Si2CrNi2MoV钢的抗弹减性与60Si2CrVA钢进行比较，试验温度分别为常温和100℃。蠕变试样工作部分直径为5mm，标距长度20mm。通过调整热处理工艺，使两种钢试样获得基本相同的强度，如表2。长度测量采用工具显微镜，最小刻度0.01mm，测量范围0-25mm。试验结果如表3。无论是在100℃下，还是室温下，40Si2CrNi2MoV钢的蠕变量都小于60Si2CrVA。

文献[3]报道用80℃下的蠕变试验考察钢的抗弹减性。但并没有解释其原理。本试验采用了这种方法，作了100℃下的蠕变试验，但同时也做了室温蠕变试验。这两种温度下的试验结果都说明新钢种的抗蠕变能力优于60Si2CrVA。

2.6疲劳性能

用40Si2CrNi2MoV钢冷拔材卷制铁路货车转向架弹簧，φ18mm的钢材卷制内簧，φ26mm的钢材卷制外簧，进行疲劳试验。内簧外径φ88mm，自由高度210mm，总圈数8.62，弹簧疲劳试验的平均载荷Pj=14921.6N，载荷振幅值为0.4Pj，由此求得最大应力 max=906MPa，最小应力 mix=388MPa。外簧外径φ148mm，自由高度232mm，总圈数5.97，疲劳试验的平均载荷Pj=27429.4N，载荷振幅值为0.4Pj，应力与内簧相同。试验采用100kN液压疲劳试验机，频率3Hz。试验中，内簧3根同时达到2*10⁶次未发生断裂为合格，外簧4根同时达到2*10⁶次未发生断裂为合格。经试验，内、外簧均顺利通过2*10⁶次未发生断裂，满足转向架弹簧的疲劳寿命要求。

3、结论

（1）所开发的新钢种40Si2CrNi2MoV强度和韧、塑性均高于60Si2CrVA，钢的淬透性好，抗脱碳能力、抗弹减性均优于60Si2CrVA。

（2）用40Si2CrNi2MoV钢冷拔材制造的铁路货车转向架弹簧，在最大应力906MPa和最小应力388MPa时，通过了2*10⁶周次的疲劳试验，未发生断裂，满足转向架弹簧的疲劳寿命要求。

参考文献：

1、阿久  津忠良，等. 高强度县架ぼね用钢の，1992，63（1）：70

2、Won Jong Nam,Hae Chang Choi.High Strength Steel Wire Rod for Suspension Coil Spring.Wire Journal Intermational,May 1996:94

3、Iikubo Tombito.EUR.Pat EP 0265273,1988