山特维克新牌号弹簧钢丝树立抗疲劳强度新标准

供稿|Linus Hasselrot， Jonas Eriksson， Phil Etheridge

应用

弹簧钢丝的疲劳性能主要取决于加载周期和应力类型。在目前所有应用中，对不锈钢弹簧疲劳性能要求最高的可能当属共轨式燃油喷射系统的柱塞弹簧。

共轨式燃油喷射系统是一项最近10年才发展起来的新兴技术，它通过一个共用的燃油管道(共轨)向发动机的喷油器注入燃油——设计用于将燃油在高压喷射的状态下注入发动机燃烧室内，以满足节能减排的需求。喷射压力越高，燃油雾化效果越好，这可使燃油得到最大程度的燃烧，获得极高的能量转换率，并降低废气排放量。电子控制装置能够精确控制喷油量和喷油时间，不受发动机速度的影响，并确保燃油在高压下传输，减少燃油消耗量。

柱塞弹簧必须具有极高的强度以承受高的重复载荷和维持发动机的使用寿命，避免失效危险。这决定了柱塞弹簧必须具有极高的抗疲劳强度。此外，由于应用空间有限，弹簧还必须具备体积小、质量轻(约40 g)的特征。重达1000 g的大弹簧可以轻松满足强度和抗疲劳性能的要求，但明显与实际需求不符。

压缩弹簧测试表明，Sandvik Springflex SF弹簧钢丝能够承受3亿次以上的高应力疲劳载荷，这大大超出了主要共轨式燃油喷射系统生产商的预期，树立了新的行业标准。

测试钢丝直径为3.6 mm，经预加应力、回火和喷丸处理。平均校准应力τmk约为570 MPa，最大校准应力如图1所示。所有弹簧钢丝的试验循环周期均超过3亿次。

弹簧钢丝制造

Sandvik Springflex SF是现有Sandvik Springflex双相不锈钢弹簧钢丝的改进型产品，集高的抗拉强度和抗松弛性能、优异的抗疲劳性能和耐腐蚀性能等多种优势于一身。与17-7PH和ASTM 300系列不锈钢弹簧钢丝一样，Sandvik Springflex SF也符合欧洲弹簧钢丝标准EN-10270-3。此外，应用证明该产品符合ASTM A313标准。

图1 Sandvik Spring flex SF 弹簧钢丝疲劳测试结果

Sandvik Springflex SF也是一种双相钢，其组织为铁素体-奥氏体两相混合(其优点将在后文加以讨论)。但是，该产品的创新之处在于应用了一种新生产工艺，可以最大限度提高抗疲劳性能。该工艺包括已获专利的热轧线材去皮工艺，其效果优于冷拔。它能够显著减少表面缺陷，从而提高抗疲劳性能。另外，为全程确保产品的完整性和可靠性，山特维克制订了严格的质量保证计划。

机械性能

弹簧钢丝生产后的回火过程会使抗拉强度增加将近200～400 MPa，最终获得中等抗拉强度。

表1 成品的抗拉强度Rm和屈服强度Rp 0.21) MPa

冶金

疲劳强度被定义为弹簧钢丝承受动态载荷时抵抗裂纹的能力，决定了产生裂纹的概率。为了最大程度地提高疲劳强度，必须在生产过程中对弹簧钢丝的以下性能加以优化：

抗拉强度

表面缺陷及夹杂物

微观组织

延展性

弹簧设计人员有时会应终端用户的要求开发一种弹簧设计方案，确保弹簧在指定位置运行时应力水平最低。该方案可通过平衡弹簧圈数、改变钢丝直径和弹簧直径来实现。弹簧制造商侧重于弹簧线圈、预压应力、热处理方式及喷丸处理的优化，但是归根结底，弹簧设计人员和制造商都不得不借助弹簧钢丝的性能来优化弹簧的性能。

双相组织具备奥氏体和铁素体这两种结构的优点，在拔丝、卷绕和热处理过程中能够被充分利用且始终保持稳定。其特殊的化学成分和生产工艺确保产品在整个制造过程中不会出现马氏体转变，且保持良好的延展性。

马氏体硬度高于奥氏体，合理的马氏体量对抗拉强度有重要的贡献。但马氏体是一种脆性相，容易使钢件产生裂纹，尤其是纵向裂纹。马氏体的密度低于奥氏体，意味着在冷加工过程中其膨胀会增加周围奥氏体的应力水平，这同样会增加开裂的危险。尽管如此，马氏体相依然为ASTM 302 和17-7PH等钢材采用。

在双相材料中，奥氏体和铁素体之间的晶界疲劳裂纹扩展起阻碍作用。因此，双相材料拥有另一个优点，就是裂纹传播敏感性低于奥氏体钢。

腐蚀

双相钢不仅强度高，抗疲劳性能优异，而且耐腐蚀性能好，适用于柱塞弹簧应用。有证据表明，掺有大量水分的劣质柴油会导致共轨式柱塞弹簧产生应力腐蚀开裂。

Sandvik Springflex SF具有高耐腐蚀性能，不仅耐氯化物和硫化氢应力腐蚀性能良好，而且耐普通腐蚀、点蚀、间隙腐蚀、侵蚀腐蚀和腐蚀疲劳的性能也非常优异。

在一般的弹簧应用中，氯化物是最常见的腐蚀源，它对奥氏体钢的腐蚀尤其迅速。

图2 设计抗拉强度范围对比

图3 不同氯化钠浓度下的临界点蚀温度(稳定测量电压：300 mV SCE)，PH值约为6.0。

结论

山特维克认为Sandvik Springflex SF不仅可以解决柱塞弹簧所面临的抗疲劳强度挑战，而且可以广泛应用于其他需要提高材料性能的潜在终端用户和市场。典型的应用包括：

使用传统不锈钢，但对抗疲劳性能有更高要求的应用；

使用碳钢、Cr-Si或Cr-Si-V等合金钢材，对疲劳性能要求高，但对耐腐蚀性提出更高要求的应用；

替代由碳钢、Cr-Si 或 Cr-Si-V等合金钢材制造的具有涂层表面的弹簧。

图4 选择采用山特维克弹簧钢丝制作的弹簧