中国汽车弹簧制造现状与对弹簧钢材料的期望

中国弹簧专业协会  孙云秋

一、前言

弹簧是利用金属材料弹性变形特性制造的弹性零件，在股役过程中主要作用是减震、复位及传递力和力矩。由于弹簧用途广泛，它的踪迹遍及国民经济的各个领域，渗入到人们的日常生活。但在各使用领域中汽车业（包括发动机制造业与摩托车制造业）是弹簧最重要的顾客，目前国内弹簧制造企业销售收入40%以上来自汽车相关产业。并且由于汽车产品涉及到人身安全、环境保护和能源消耗，上世纪80年代以后各国政府纷纷通过立法的方式对汽车的安全、排放、节能指标提出种种要求，这些要求主机厂必然分解落实到各种配套产品。以悬架弹簧为例，80年代至今弹簧使用应力提高近20%，重量相应减少。气门弹簧普遍地从原来内外弹簧组成的双弹簧结构转变为单弹簧结构，材料节省30%以上。与此同时主机厂对弹簧的可靠度要求不断地提高，悬架弹簧的疲劳寿命要求从20万次，最高提到100万次，并且针对高应力条件下容易产生腐蚀疲劳的倾向，提出了盐雾疲劳试验的要求。由于弹簧自身的特点和加工方式决定了它对材料有非常高的要求与强烈的依赖性，材料表面微小的缺陷、冶金过程中产生的夹杂都会对弹簧造成致命的损害。另一方面为了节省空间或者出于舒适性考虑，弹原材料的形状也出现了种种变化，如卵形和椭圆形截面材料广泛地用于气门弹簧的制造。变截面材料（一端或两端）用于悬架弹簧生产等等。90年代以后为了适应弹簧高应力、轻量化带来的新问题，国外一些弹簧生产企业与材料生产企业联手开发了一批适用于高应力、耐腐蚀、超纯净的新材料。相比之下，在我国钢产量世界第一的地位很不匹配。本文从市场与弹簧生产、技术发展趋势两方面表达了中国弹簧制造业对弹簧钢材料生产的期望。

二、2004年中国汽车行业对配套需求量预测

根据最新统计数据，2004年上半年国内累计生产汽车261.71万辆，同比增长27.1%，累计销售汽车255.36万辆，同比增长24.15%。其中轿车生产量为122.87万辆，比去年同期增长32.6%，销售量112.4万辆，比去年同期增长28.3%。虽然从2004年5月份起汽车销量增幅趋缓，但绝对数比2003年仍有较大的增加。按照目前市场走势，2004年国内汽车总产量将接近500万辆，轿车产量在240万辆左右。摩托车销售由于受到种种限制与2003年相比不会有很大增量，仍将维持在1300万辆左右。其余用于装备工程机械和农用车的柴油机生产虽然受宏观调控的影响，但平均增长率仍可维持较高水平。按照市场预测，2004年用于汽车及相关行业配套弹簧总量在10万吨以上，主要产品与弹簧钢丝用量预测见表一。

表一：2004年汽车及相关产业弹簧需求量预测

三、汽车配套用弹簧钢丝供应情况

国内汽车配套弹簧生产所用钢丝来自国内和国外进口两方面。大致情况是国内钢丝主要用于制造不太重要或者技术能级比较低的产品，要求较高的产品以进口钢丝为主。高应力悬架弹簧和合资品牌的发动机气门弹簧几乎全部用进口钢丝生产，微型轿车悬架弹簧、面包车前悬架弹簧、一些柴油机气门弹簧出于成本考虑使用国产钢丝生产。虽然进口钢丝价格高于国产钢丝，但质量水平差距明显，并且合资品牌的汽车配套弹簧在图纸上往往已经规定好必须使用它们批准供应商的原材料，客观上也给它们进入中国市场创造了有利条件。

1.国内弹簧钢丝主要供应商：

国内从事弹簧钢盘条生产最著名的当数宝钢集团，宝钢本部和五钢公司都能从事弹簧钢盘条的生产，牌号碳素钢丝主要有SWRH72A、72B、82A、82B等，合金弹簧钢丝主要有60Si₂MnA、55CrSi等牌号。从事弹簧钢棒料生产企业众多，如宝钢集团五钢公司、无锡钢厂、兴澄钢厂、大连钢厂、长城钢厂等等，牌号以60Si₂MnA和60Si₂CrA为主。能够生产弹簧钢丝制品的企业遍布各地，多数是小型拉丝厂，除生产弹簧钢丝外也生产其它牌号钢丝，质量水平参差不齐，产品原料主要来自宝钢，部分从国外进口，盘条供应商有日本住友金属、神户制钢和韩国浦项钢铁。表二是国内为汽车弹簧提供钢丝制品的主要供应商。

表二：国内汽车弹簧用钢丝主要供应商

2.进口弹簧钢丝供应商：进口弹簧钢丝主要用于高要求悬架弹簧、气门弹簧和离合器弹簧生产。供应商来自瑞典、日本、德国、韩国、法国、澳大利亚等国，见表三。

表三：进口汽车弹簧钢丝供应商

四、国内汽车及相关产品弹簧制造商

国内从事汽车及相关产品弹簧制造商为数众多，相当一部分生产规模小，技术能级低，生产效率不高，但也有一部分企业技术能级和装备水平较高，在市场上有相当竞争力，表四是弹簧行业中生产上具有特色，产品有一定竞争力的企业。

五、汽车弹簧代表性产品技术发展趋势和原材料之间关系

在所有汽车弹簧中悬架弹簧和气门弹簧是最具有代表性的产品，前者作为轿车减震系统的重要零件在轿车行驶过程中随着路况变化一直处于动载荷状态，悬架弹簧不仅涉及到乘员的舒适性还涉及到车辆的操控性与安全性，它的性能是疲劳寿命特别受到主机厂的关注。气门弹簧长时期在恶劣的工况下工作，需要在高温、高频率下长时期服役不失效，气门弹簧失效不仅表现为发动机驱动力下降，并且可能损坏发动机，因此历来被认为是发动机的心脏零件。这两种弹簧的技术发展趋势，在汽车弹簧中十分具有代表性。

1.悬架弹簧的技术发展趋势

1.1原材料：从70年代末到目前25年间，悬架弹簧原材料主流钢种经历了Cr-V、Si-Mn、Cr-Mn钢（代表钢SUP10、SUP7、SUP6）到Si-Cr钢（代表钢种SUP12、SRS60）再到新一代材料（代表钢种UHS1900、UHS2000）的发展历程。日本热炼公司在80年代发明了感应加热方法生产悬架弹簧钢丝，使Si-Cr钢在抗拉强度达到2000MPa的条件下仍具有良好的塑性。90年代以后悬架弹簧普遍是高应力、轻量化设计，扭转应力达到1100MPa以上甚至达到1200MPa。SUP12（SAE9254）虽然仍得到普遍使用，但已超过极限，必须借助弹簧制造过程中的应力强化手段——喷丸，方始勉强使用，它的改进型SAE9254+V（SUP12+V）和SRS60（神户制钢牌号）性能虽比SAE9254有所提高，但一当悬架弹簧扭转应力接近或超过1200MPa时，其缺口敏感性和耐文化馆疲劳性能也显得难以满足。面对日益升高的设计应力，日本开展了新钢种研发，三菱制钢推出了HDS12和HDS13，日本NHK、大同制钢、神户制钢联手开发了UHS1900和UHS2000新钢种，分别适用于制造扭转应力达到1200MPa和1300MPa悬架弹簧。和以往钢种不同的是UHS1900和UHS2000突破了以往的理念，将含碳量降到0.4%左右，并且加入Ni、Mo、Nb、V等元素，对材料综合强化，使材料在高强度（硬度）下仍然保持高的K_1c值，特别是加入Ni的结果使材料的耐文化馆疲劳能力大为提高。

1.2为了使汽车特别是小型车有更大的乘坐空间，要求弹簧所占空间减小，有些车型（如赛欧、帕萨特）将悬架弹簧设计成弹簧变外径，材料变截面，目前这类材料必须从国外进口，国内不能生产。

1.3弹簧使用应力不断提升的同时对弹簧可靠要求同步提升，疲劳寿命的要求最高为100万次，有些还需通过50万次盐雾疲劳，高应力、高疲劳要求的结果必然对弹簧原材料提出更严的要求，高应力弹簧原材料表面脱碳和缺陷受到严格限止，夹杂物和有害元素含量必须达到控制范围。

1.4感应加热材料在高硬度（HRC54-55）仍保持良好的塑性（Ψ＞35%）弹簧冷卷成形后只需要消除应力即可，使弹簧加工工艺简化，热处理风险减小，因此用冷卷方式生产悬架弹簧越来越受到生产者的欢迎，特别在90年代后期出现合力偏心的S型悬架弹簧只能使用冷卷成形。

1.5面对高应力的挑战，新的强化工艺如多次喷丸、热喷丸、应力喷丸已付之实践。

1.6腐蚀疲劳成为高应力弹簧需要重点关注的问题，目前解决方案从两方面着手，一是研制耐腐蚀疲劳的新材料，如前面提到的UHS1900和UHS2000。二是研发具有更好的耐腐蚀和耐冲击的涂层材料和相应的涂装工艺。

2.气门弹簧的技术发展趋势

2.1气门弹簧结构从传统的内外弹簧双弹簧结构改变成单弹簧结构。

2.2气门弹簧材料从传统的圆形发展为卵形及椭圆形，相比之下后两种形状材料比圆形材料应力分布更合理并且有利于减小发动机高度。

2.3与悬架弹簧相类似，气门弹簧材料的主流钢种从50CrVA发展到55CrSi（相近进口牌号SW0SC-V、OTEVA70），气门弹簧所用材料抗拉强度σb已经达到2000MPa，最近Garphyttan公司推出强度更高的OTEVA90，σb达到2100MPa。该材料在Si-Cr钢的基础上添加Ni元素，使材料强韧性明显提高。

2.4气门弹簧材料钢纯度向超纯净钢的发展，表面缺陷、夹杂物严格限制。材料表面经过剥皮和两次涡流探伤，不能有全脱碳。有害元素S、P需要控制之外，O、N、H、Al、Cu元素含量也属于控制之列，如大众公司规定气门弹簧材料的O含量不能超过30ppm。四种类型的氧化物、硫化物夹杂必须达到零级。

2.5为了获得更高的压应力Garphyttan公司推荐对OTEVA90材料卷成弹簧之后进行氮化处理和超高硬度（HV825-850）丸粒喷丸。

六、国内外弹簧钢丝差距

从弹簧钢丝使用者的角度出发，国内弹簧钢丝与国外同类产品相比还有较大的差距。

1.钢丝原材料质量宝钢是国内的领先企业，但和著名的神户制钢相比，在大方坯技术、夹杂物无害化处理、通盘材料的均匀性等方面尚有差距。

2.钢丝制品国外企业已经使用的剥皮和涡流探伤技术，国内大部分钢丝生产企业没有相应的装备，或者检测技术不过关。

3.在机械性能方面，国产钢丝同批材料，甚至同一盘材料强度范围波动很大，造成弹簧生产时外径、自由长度和收缩量难以控制。进口钢丝机械性能的稳定性明显优于国产钢丝。如Garphttan公司生产的阀门钢丝材料强度波动能够控制在100MPa以内，国内企业似乎无一家能做到。

4.对弹簧疲劳寿命影响最大的表面缺陷、脱碳两项指标难以达到国外同类产品水平。

5.生产悬架弹簧的变截面材料，生产气门弹簧的卵形截面材料国内企业没有能力生产，只能把市场拱手让出。

6.新钢种开发是国内企业最薄弱的环节，迄今对于新悬架弹簧材料和超纯净气门弹簧材料开发尚处于空白，并且近期也没有开发设想。

七、结束语

弹簧钢丝是弹簧的主要原料，其质量好坏主要程度上决定了最终产品的质量。中国汽车工业超常规发展不仅给弹簧制造业提供难得的发展机遇，也对弹簧原材料生产了市场拉动力。弹簧技术发展必然会对它们原材料提高越来越高的要求，弹簧行业企盼国内金属制品业与时俱进，为弹簧生产提出更多的质优价廉材料。