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日本高強鋼絲開發最新進展探析(之二)

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日本高強鋼絲開發最新進展探析(之二)

  • 分類:常見問題
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  • 發布時間:2020-07-31 11:47

日本高強鋼絲開發最新進展探析(之二)

  線材采用鉛浴淬火處理、拔絲加工獲得高強度鋼絲。作為實用鋼,這種高強度鋼絲具有很高的強度,鋼絲直徑從細徑鋼簾線到粗徑橋梁用鋼絲,被廣泛應用。鋼簾線作為給予輪胎剛性的骨架材使用,橋梁用鋼絲作為承載全橋重量的主鋼纜使用,所以,鋼簾線和橋梁用鋼絲都要求高強度和疲勞特性。而且,高強度鋼絲在制造工序或使用中承受扭曲變形,如果扭曲變形時發生縱向裂紋,抗載荷和疲勞特性均降低,因此,要求鋼絲具有抗縱裂性?,F將日本高強鋼絲開發最新進展描述如下:

  2 閥簧鋼絲

  閥簧是用于汽車引擎的氣門閥系部件,雖然只是一個重量30-50g的小部件,但要承載1分鐘數干次的反復荷載,在這種苛刻的條件下長期工作,要求可靠性高。

  到目前為止,因為引擎的高速旋轉、低燃料消耗,閥簧趨向于小型、高應力設計。為了應對這一要求,開發了具有高疲勞強度和高耐永久殘余應變性的閥簧用鋼。下面主要介紹閥簧用材料的變化和高強度化的例子。

  2.1 閥簧材料的變化

  閥簧使用的線材有拔絲加工高碳琴鋼絲用線材和將拔絲后的鋼絲進行淬火+回火處理的油回火鋼絲。

  第二次世界大戰以前,日本使用瑞典進口的琴鋼絲用線材。20世紀40年代以后,為了實現琴鋼絲用線材的國產化,國產琴鋼絲用線材作為飛機閥簧用鋼絲實現了實用化,隨之作為汽車用閥簧材料使用。戰后,美國的油回火鋼絲傳入日本,神戶制鋼公司生產的碳素鋼和Cr-V油回火鋼絲逐漸用于汽車引擎。由琴鋼絲用線材變為油回火鋼絲的原因是:油回火鋼絲同琴鋼絲用線材相比,可以獲得高疲勞強度和良好的耐永久殘余應變性。

  從20世紀60年代中期開始,為了提高疲勞強度和耐永久殘余應變性,開始使用耐熱性優良的Si-Cr油回火鋼絲(SAE9254、JISSWOSC-V)?,F在這些鋼種只作為一般用途使用。

  神戶制鋼從20世紀80年代中期以后,開始研發適用高強度,化的化學成分,相對于SAE9254,增加提高抗拉強度的C含量,添加提高回火穩定性和微細化奧氏體晶粒的V,開發了Si-Cr-V鋼(KHV7),并達到實用化。由于應用該鋼種,疲勞強度達到SAE9254的1.1倍。再采用氮化處理,疲勞強度達到SAE9254的約1.3倍。

  20世紀90年代上半期,為提高回火穩定性,開發了添加2.O%Si的KHV10N。由于該鋼種氮化處理的應用以及噴丸硬化處理技術的改善,其疲勞強度達到SAE9254的1.4倍左右。為了進一步提高疲勞強度和耐永久殘余應變性,又開發了增量添加Cr、V,達到晶粒超微細化的KHV12N,2006年實際應用。

  2.2 高強度化的方法

  作為提高閥簧疲勞強度的方法采用了:閥簧鋼絲的高強度化;降低非金屬夾雜物和表面缺陷等;應用表面改質技術。

  1)閥簧鋼絲的高強度化

  一般在疲勞強度和抗拉強度之間存在比例關系,作為提高疲勞強度的方法,提高閥簧鋼絲的抗拉強度是有效的方法。

  SAE9254的抗拉強度約1900MPa,而KHV7油回火鋼絲的抗拉強度是2050MPa,KHV10N和KHV12N油回火鋼絲的抗拉強度是2150MPa。我們知道,鋼絲的抗拉強度在1800MPa以上發生以非金屬夾雜物為起點的折損,疲勞強度出現波動。因此,為了提高與抗拉強度成比例的疲勞強度,應該減少非金屬夾雜物。

  2)降低非金屬夾雜物

  汽車引擎的閥簧在高溫和高應力的苛刻條件下長期使用,常以鋼中約≥10μm的夾雜物為起點產生疲勞斷裂。折損起點的夾雜物有Al2O3、MgO、SiO2等。為了降低這些非金屬夾雜物,將夾雜物組成控制為{氐熔點非金屬夾雜物,在熱軋或拔絲加工時,采取延伸或細破碎,將其無害化。

  3)去除表面缺陷

  閥簧的表面缺陷及脫碳使閥簧的疲勞特性降低。為了去除這些缺陷,適用線材全長范圍內去除的方法。

  4)表面改質技術的應用

  閥簧這種要求高疲勞強度的彈簧,通過增加鋼絲強度來提高疲勞強度是有極限的。因此,采取氮化處理提高表面硬度和噴丸硬化處理產生壓縮殘余應力的方法,有效地提高疲勞強度。氮化處理一般用400-600℃進行處理,在增加彈簧表層硬度的同時,提高壓縮殘余應力,從而可提高疲勞強度。但存在內部硬度降低和不能確保耐永久殘余應變的問題。為了解決這個問題,提高油回火鋼絲的回火穩定性是有效的方法,通過增加Si、Cr含量,添加V,開發了提高回火穩定性的鋼。

  近年來,由于環境保護意識不斷提高,開發了燃料利用率高的汽車引擎。閥簧的高強度化對改善燃料利用率帶來的C02排放量降低和引擎的小型化都很有效,今后對可靠性的要求將更高。預計混合動力引擎將增加,高強度閥簧用鋼對混合動力引擎的小型化、燃料利用率的改善是有效的。

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