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弹簧材料的发展

发布时间:2011-8-29 浏览次数:2102

 弹簧应用技术的发展,对材料提出了更高的要求。主要是在高应力下的提高疲劳寿命和抗松弛性能;其次是根据不同的用途,要求具有耐蚀性、非磁性、导电性、耐磨性、耐热性等。为此,弹簧材料除开发了新品种外,另外严格控制化学成分,降低非金属夹杂,提高表面质量和尺寸精度等方面也取得了有益的成效。

1.合金钢的发展 气门弹簧和悬架弹簧已广泛应用Si-Cr钢。为了提高疲劳寿命和抗松弛性能,在Si-Cr钢中添加V、Mo。同时开发了Si-Cr拉拔钢丝,其在高温下工作时的抗松弛性能,比琴钢丝好。随着发动机高速小型化,抗颤振性能好、质量轻、弹性模量小的Ti合金得到了较为广泛的应用,其强度可达2000Mpa。

2.不锈钢丝的发展

   1  )奥氏体组织不锈钢丝强度比铁素体组织的好,其耐蚀性也优于马氏体组织,因面应用范围不断扩大。

   2)低温拔丝或低温氮化拔丝可提高钢丝强度。马氏体受热时组织不稳定,而在低温液体氮中拔丝能形成隐针状马氏体,可获得热态高强度。此种钢丝在美国和日本已有不少应用,但目前只能处理1mm以下的钢丝。

   3)电子设备中的精密弹簧要求非磁性,此种钢丝在拉拔加工时,不能生成隐针状马氏体。为此要添加N、Mn、Ni等元素。为了满足这方面的需求,美国开发了AUS205(0.15C-17Cr-1Ni-15Mn-0.3N)和YUS(0.17C-21Cr-5Ni-10Mn-0.3N)。由于Mn的含量增加,加工中不会生成隐针状马氏体。经固溶处理,强度可达2000Mpa,疲劳性能高,优于SUS304。

3.提高材料纯度 对高强度材料,严格控制夹杂,提高纯度以保证其性能。如气门弹簧材料的含氧量,目前已达20×10ˉ6发展。

4.改善表面质量 材料表面质量对疲劳性能影响很大。为了保证表面质量,对有特殊要求的材料采用剥皮工艺将表层0.1mm。对0.5mm深度的缺陷采用涡流探伤。对拔丝过程表面产生的凹凸不平,可用电解研磨,使表面粗糙降到Ra=6.5~3.4μm。

5.电镀钢丝的发展 在特殊情况下,除要求弹簧特性外,还要求耐蚀、导电等附加性能,大多均采用电镀工艺解决。 部分不锈钢丝和琴钢丝的耐蚀性能相当于镀锌的耐蚀性能,若再镀一层ZnAl(5%)的合金,则耐蚀性可提高约3倍。 对电阻性能有要求的不锈钢丝或琴钢丝,钢丝直径小于0.4mm的可镀铜,大于0.4mm的可采用内部是铜,外部是不锈钢材料。一般琴钢丝镀5μm厚的Ni,可提高其导电性。

一般来说,能使材料表面硬化形成剩余应力的工艺(如喷丸强化和表面氮化等)均可提高疲劳强度。目前正在研究非电解镀Ni,通过加热(300~500℃)可将7%的P以PNi析出,可提高维氏硬度达HV500。喷丸后,若在300℃以下加热镀Ni,亦可提高硬度10%。

6.形状记忆合金的开发 目前在弹簧方面有应用前途的单向形状记忆合金,以50Ti-50Ni性能最好。形状记忆合金制成的弹簧,受温度的作用可伸缩。主要用于恒温、恒载荷、恒变形量的控制系统中。由于是靠弹簧伸缩推动执行机构,所以弹簧的工作应力变化较大。

7.陶瓷的应用 陶瓷的弹性模量高,断裂强度低,适用于变化不大的地方。目前正在开发的有耐热、耐磨、绝缘性好的陶瓷;应用的有超塑性锌合金(SPZ),在常温下具有高的强度。另外,还有高强度的氮化硅,能耐高温,可达1000℃。但陶瓷弹簧不适用于在冲击载荷下工作。

8.纤维增强塑料在弹簧中的应用 玻璃纤维增强塑料(GFRP)板弹簧在英、美和日本等国已广泛应用,除用于横置悬架外,还可用于特殊轻型车辆,如赛车的纵置悬架。目前又研制成功了碳素纤维增强塑料(CFRP)悬架弹簧,比金属板簧要轻20%。

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