特殊钢研发系列报道
特殊钢作为先进装备制造业的核心原料，对高端制造业的进步至关重要。然而，特殊钢的需求数量有限，种类繁多，且生产技术要求极高，这些因素都对我国高端特殊钢产品的研发产生了影响。为了推动我国特殊钢产业向高质量迈进，世界金属导报特别策划了关于特殊钢研发进程的一系列专题报道，着重阐述特殊钢的发展动向和新型产品的研发情况，旨在为读者提供丰富信息。
从应对全球气候变暖的视角出发，汽车轻量化在减少二氧化碳排放和提高燃油效率方面扮演着关键角色，所以，对零部件和模块等实施了多样化的轻量化策略。汽车悬架弹簧也不例外，采取了轻量化措施，而研发高强度的弹簧钢便是其中的关键举措之一。然而，材料的强化程度提升，导致其耐环境性能（如耐腐蚀疲劳性能、耐延迟破坏性能）显著下降，而实现强度与耐环境性能的协调统一至关重要。本文详细阐述了汽车弹簧钢的轻量化策略，并探讨了由此产生的一系列问题及相应的解决方案，同时概述了汽车弹簧钢未来的发展趋势。
汽车用弹簧的使用方法
1.1 悬架线圈弹簧
汽车减震系统中，悬架弹簧扮演着关键角色，其功能在于减轻路面不平带来的震动，同时增强车辆的操控稳定性和乘坐的舒适性。图1展示了弹簧的安装位置及其功能。
1.2 稳定器
稳定器在左右悬挂点出现位置不一致时，能够通过制造扭转应力，利用其恢复力来有效防止车辆发生侧翻。图2中展示了稳定器的具体安装位置及其功能。
汽车用弹簧钢轻量化措施
2.1 日本汽车用弹簧的开发历史
表1展示了日本汽车弹簧在年代序列上的轻量化研发历程。自20世纪70年代末期至80年代，以应力设计级别为SUP7、SUP12的钢材为主导。进入90年代，高强度弹簧钢逐渐成为主流，具体包括某些级别和级别的产品。尤其是某个级别的弹簧，尽管一度因合金成本激增和全球采购动向而较少采用，但近几年来它又重新引起了广泛关注，并且对弹簧强度提出了更高的要求。经过计算分析，设计应力得到了显著提升，从而使得汽车弹簧的重量减轻了20%。这一成果不仅得益于化学成分的优化，还融合了喷丸处理、涂装技术等领域的进步。
2.2 汽车用弹簧钢高强度化存在的问题
为实现汽车弹簧钢的高强度目标，必须增强其硬度。然而，通常情况下，硬度提升的同时，其韧性和抗延迟破坏能力会相应减弱。当这些性能指标降低，尤其是在腐蚀性环境中，弹簧钢的敏感性会显著增加。因此，针对腐蚀环境中的影响因素，必须实施有效的应对措施。图3展示了日本汽车弹簧钢在实现高强度化过程中遇到的问题及相应的解决策略。
高强度弹簧钢的开发
3.1 成分设计
在开发高性能材料的过程中，人们通常注重提升材料的硬度。然而，若仅通过调节回火温度来增强硬度，很可能会降低其耐腐蚀疲劳性能和抗延迟破坏性能。为此，研究人员通过优化化学成分，成功研制出即便在高强度处理下，仍能保持卓越耐腐蚀疲劳性能和耐延迟破坏性能的新型高强度材料。
一般而言，各合金元素对钢以及弹簧性能的影响如下：
C：提高硬度，是确保弹簧钢稳定硬度的基本元素；
Si：提高耐永久应变性；
Mn：提高淬透性；
P：向晶界偏析、降低韧性；
S：提供切削性，但使韧性下降；
Cr：提高淬透性；
Mo：提高淬透性，有提高韧性的效果；
V：使晶粒细化；
B：微量添加即可大幅提高淬透性；
为了显著增强材料的抗腐蚀疲劳及抗延时破坏的能力，对镍、铜、钛、铌等元素的含量进行了增加或优化调整。
表2中列出了传统钢材与新型钢材的化学成分。为了达到更高的强度并提升硬度，我们采取了调整化学成分和降低回火温度的工艺手段。
在本项目开发过程中，我们采取了抑制腐蚀坑的形成，这些腐蚀坑是疲劳裂纹的起始点，以此方法来提升材料的耐腐蚀疲劳性能。为此，我们引入了能够形成致密非晶质锈层的镍（Ni）和铜（Cu）元素，以增强其耐腐蚀疲劳性能。此外，我们还降低了硫（S）的含量，目的是减少那些可能削弱耐腐蚀疲劳性能的因素。
MnS作为裂纹萌生源的析出量得以控制。提升材料的耐迟延破坏性能，我们尝试通过增加V元素的含量来实现。V元素通过形成细微的碳化物析出，实现了对氢的捕获，有效阻止了氢向高应力区域的聚集，从而避免了材料的脆化。此外，降低C元素的含量有助于增强基体的韧性，并抑制氢脆现象的发生。同时，降低P元素的含量，以减少晶界脆化汽车用高强度钢材，避免其成为裂纹扩展的路径。
3.2 材料性能
3.2.1 力学性质
以表2中的传统钢材与新型开发钢材为实验样本，对其进行了淬火与回火处理，并执行了拉伸实验及夏比冲击实验（实验温度设定为室温及-40℃）。实验过程中，拉伸实验所用试样为JIS Z 2241标准的4号试验片，而夏比冲击实验则采用了JIS Z 2242规定的U型槽试验片。图4展示了延伸率与深冲值同抗拉强度之间的关联，而图5则呈现了夏比冲击值与抗拉强度之间的相互关系。
从图4中可以看出，与传统钢材相比，新型钢材在抗拉性能方面两者延伸率大致相同，而新型钢材的深冲性能则有所增强。这主要得益于新型钢材中碳含量的降低，在保持相同抗拉强度的条件下，其加工性能得到了显著提升。
图5显示，在保持相同抗拉强度的条件下，新型钢种的冲击韧性相较于传统钢种提升了超过20%，这充分证明了通过成分的优化，成功实现了材料韧性的增强。
3.2.2 疲劳性能
评价疲劳性能需在大气环境中实施小野式旋转弯曲试验。试验用的片材形态详见图6。在传统钢中，使用的是以抗拉强度为指标的试验片；而在开发钢中，同样使用的是以抗拉强度为指标的试验片。我们以107次未发生断裂时的荷载应力值作为疲劳极限的衡量标准。
图7展示了开发钢与普通钢在疲劳极限上的提升比例。观察发现，开发钢的疲劳极限较普通钢提升了14个百分点。由此可以得出结论，增强材料的抗拉强度有助于提升其疲劳性能。
3.2.3 耐腐蚀性
在实验中，我们采用了直径为12毫米、长度为80毫米的圆形棒材作为试验片，并将其放置于图8所展示的循环腐蚀环境中进行测试。经过10个周期的腐蚀处理后，我们测量了腐蚀减量、腐蚀坑的形状深度以及其宽度的纵横比，以此来评估其耐腐蚀性能。腐蚀减量的数值是通过试验片腐蚀前后的质量差除以腐蚀前的表面积来计算得出的；而在计算腐蚀坑的纵横比时，我们首先测量了每个试验片上30个点的腐蚀坑深度和宽度，然后通过深度与宽度的比值来得出。
图9展示了腐蚀减量的数据，图10则描绘了腐蚀坑纵横比的正常分布曲线。与传统钢材相比，新型开发钢材在腐蚀减量和腐蚀坑纵横比方面均有所降低。这一变化主要归因于添加了镍和铜元素，同时降低了硫的含量，这些措施共同提升了其耐腐蚀性能。
3.2.4 耐延迟破坏性
在试验片内部含有氢气的情况下施加负荷，导致其出现延迟性破坏，通过破坏发生前的最大应力（即未断裂时的应力）来评估其延迟破坏性能。试验片的形状可参照图11。对于传统钢材，使用的是基于抗拉强度的试验片；而对于开发中的钢材，同样采用基于抗拉强度的试验片。在试验开始之前，将试验片置于无负荷的状态下，浸泡于5%的硫氰酸氨水溶液中，持续48小时，以此预先将试验片中的氢浓度提升至极限水平。随后，在溶液中继续浸泡试验片，对其施加负荷，记录在拉伸应力作用下直至断裂所需的时间。在此过程中，当试验片在96小时后仍未断裂，所承受的最大拉伸应力被视为未破断应力。此外，还利用未断裂的试验片，测量了试验片中的氢扩散含量。
图12和图13展示了未断裂应力试验的成果以及扩散性氢含量的测量结果。观察发现，新型开发的钢材强度确实超过了传统钢材，其未断裂应力值大约提升了35%，而扩散性氢含量则降低了80%。因此，这种钢材的耐延迟破坏性能得到了显著增强。这一改进主要归功于V含量的增加，它有效地捕捉了氢原子；同时，P含量的减少使得氢原子得以分散，从而抑制了容易导致断裂的晶界脆化现象。
3.3 弹簧制品评价
3.3.1 评价对象弹簧
图14展示了热成型线圈弹簧的生产流程。表3列举了作为评估对象的弹簧的各项性能指标。这些指标涵盖了实物弹簧的大气疲劳承受能力、抗腐蚀疲劳性能以及抗延迟破坏性能。
3.3.2 台式耐久性试验
在弹簧台式耐久性试验过程中，采用了具有传统抗拉强度的钢材以及新型抗拉强度钢材进行测试。
大气疲劳试验的数据表明，弹簧型式的材料在承受拉伸力时的疲劳性能有所增强，尤其是在抗拉强度提升的情况下，新型开发钢的耐大气疲劳性能相较于传统钢材有了显著提升。
3.3.3 耐腐蚀疲劳性能
腐蚀疲劳测试采用盐水喷雾（含5%NaCl）→干燥→湿润的循环模式，每个循环周期为8小时，在干燥阶段，每完成3个循环周期后，弹簧需振动5000次。所使用的弹簧与大气疲劳测试中使用的弹簧相同，振动产生的平均应力亦保持一致。然而，针对新型开发钢，其振动应力较传统钢材有所提升汽车用高强度钢材，以此进行了耐久性测试。腐蚀耐久性测试的结果如图15所示。
图15显示，尽管新型钢的振动应力值较传统钢更高，然而其耐久性却提升了50%。根据材料评估结果，新型钢耐腐蚀疲劳性能增强的关键在于腐蚀量的减少以及腐蚀坑长宽比的小幅降低，这有助于缓解应力集中，有效遏制疲劳裂纹的产生。
3.3.4 耐延迟破坏性
进行延迟破坏性测试，对常规钢材和新型钢材施加负荷应力，随后将它们浸泡于1%的硫氰酸铵溶液中，通过弹簧断裂所需的总浸泡时长来评估其耐延迟破坏性能。所使用的弹簧与大气疲劳试验中使用的弹簧规格一致。
图16展示了延迟破坏试验的成果。在此次试验中，新型钢弹簧的强度明显超过了传统钢弹簧。尽管试验过程中承受的负荷应力相当大，但新型钢弹簧的断裂时间却比传统钢弹簧更长。新型钢弹簧表现出优异的耐延迟破坏性能，这主要得益于其V含量的提升，它能够有效捕捉氢原子。此外，由于韧性的增强，新型钢弹簧的缺口敏感性降低，同时氢脆现象也得到了有效控制。此外，P含量的降低抑制了晶界的脆弱化趋势，同时亦增强了材料抵抗延迟破坏的能力。
3.4 评价结果
高强弹簧钢开发中得到如下结果。
通过添加镍和铜元素并减少硫的含量，显著增强了材料的耐腐蚀性能，从而减少了腐蚀量以及腐蚀坑的深度，有效遏制了因应力集中而产生的疲劳裂纹的形成。
提升V元素比例有助于捕捉氢原子；降低C元素比例则增强了材料的韧性；减少P元素含量能有效抑制晶界脆性，并提升了材料对抗延迟破坏的能力。
在对弹簧的性能评估过程中，尽管开发钢承受了高强度的应力作用，它依然表现出了出色的耐腐蚀疲劳特性以及优异的耐延迟破坏能力。
今后的发展
本文阐述了高强弹簧钢在汽车领域的应用，特别是抗拉强度级别更高的材料的研究进展。为了提升汽车弹簧的耐腐蚀性能，不仅需优化成分设计，还需综合运用多种技术手段，如显微组织形成等。
未来，研发高强度弹簧钢的汽车部件时，必须综合考虑微观结构形成技术、表面硬度分布的调控以及施加残余应力的表面改性工艺。鉴于此，成分设计阶段，我们不仅要增强材料的耐腐蚀性和延展性，还必须充分考虑上述加工相关因素。
