【技术】合金弹簧钢丝的发展及其在军工领域的应用

发表于 讨论求助 2021-11-19 16:32:18

航空科技的发展证明飞机及航空发动机性能的改进大部分要依靠材料性能的提高来实现。尽管在飞机制造中钢的比例不断下降,但由于钢的高强度、高韧性、高耐应力腐蚀开裂以及良好的抗冲击性能,一些关键零件仍然需要高强度的弹簧钢。

飞机向高寿命、高可靠性方向的发展,对弹簧材料的要求也越来越高。弹簧钢应具有优良的综合性能,希望有更高的力学性能,特别是弹性极限、强度极限、屈强比、抗弹减性能即抗松弛性能、疲劳性能、淬透性。同时从节能和经济性出发,要求减轻弹簧重量,以减轻整体部件的重量,由此提出了高强度弹簧钢开发的要求。

国内外近年来开展了大量的研究工作,以期进一步提高弹簧钢的强度和使用寿命,已经取得很好的成果,并在汽车等民用领域成功应用。但在军工领域,由于行业的特殊性,,所以在弹性新材料在军工领域的应用亟待推进。

1 合金弹簧钢丝的发展

1.1 SiCr系取代CrV系的发展趋势

合金弹簧钢所涉及的钢种较多,主要有CrVCrMnSiMnSiCrSiCrV系,以及在SiCr系基础上添加少量合金元素VNiCoMoW等形成的更复杂系列。CrV系代表钢种有50CrVA67CrVACrMn系代表钢种有55CrMnASiMn系代表钢种有60Si2MnASiCr系代表钢种有55SiCrA60Si2CrASiCrV系代表钢种有55SiCrVA60Si2CrVA等。

55SiCrA为代表的SiCr系弹簧钢丝相对于以50CrVA为代表的CrV系弹簧钢丝,由于碳含量更高,因此具有更高的弹性极限强度及屈强比,同时由于加入了一定量的Si元素,使钢的抗回火稳定性及抗弹减性有了较大的提高,且由于含一定量的Cr又不会像60Si2MnA具有较高的脱碳敏感性。弹簧高应力化使传统的CrVCrMnSiMn系材料趋于淘汰,被强度、屈强比更高的SiCr系钢所替代。

近年来又通过往SiCr钢中添加VNb等微合金化元素,得到SiCr钢的改型——SiCrV系钢,使钢的性能得以进一步提高,是今后弹簧材料发展的一个重要方向。在用的主流钢种55SiCrA55SiCrA+V,强度已达2000 MPa级,广泛用于制造应力τ10001 200 MPa的弹簧。用SiCr系弹簧钢丝代替传统的CrV系弹簧钢丝具有明显的性能优势,是弹簧技术发展的趋势。

欧美日等发达国家已经停止使用CrV系弹簧钢丝作为生产弹簧的原料,国内虽然50CrVA仍在继续使用,但由于对弹簧高应力和轻量化的要求越来越高,用量已趋于减少。中钢集团郑州金属制品研究院有限公司与钢铁研究总院、长春汽车材料研究所等单位联合承担的国家863新材料领域轿车高应力气门弹簧用弹簧钢丝开发项目,对55SiCr低合金弹簧钢的冶炼和热轧、弹簧钢丝的油淬火回火工艺进行了数年研究,取得了丰富的研究成果。并在此基础上起草了油淬火回火钢丝国家标准,实现了批量供货,推进了轿车发动机高应力气门弹簧材料的国产化进程。在该成果的推动下,以55SiCrA为代表的CrSi系弹簧钢作为高强度弹簧钢丝发展的热门材料,引领着最新弹簧技术的发展方向,其强度更高,同时具有优异的抗弹减性和耐疲劳性能,特别适合于一些高强度高耐疲劳弹簧的要求。在汽车等民用行业已经普遍采用55SiCrA钢,已经逐渐取代50CrVA的使用。

1.2 油淬火回火弹簧钢丝生产工艺技术的进步

1.2.1炼钢及轧制技术

随着国内冶炼轧制水平的不断提高,超纯净冶炼技术、夹杂物变性技术、大方坯热轧控冷技术等一系列新技术的发展,使钢在夹杂物含量、表面缺陷控制、成分偏析、异常组织、脱碳控制等方面有了很大的进步。

1.2.2盘条剥皮技术的应用

弹簧钢丝实际使用寿命除与钢的纯净度有很大关系外,还与盘条的表面质量有较大关系,若盘条表面存在的各种有害缺陷比较严重,在后续加工过程中不能彻底清除而带入成品钢丝,必将成为弹簧服役时的疲劳裂纹源,降低其疲劳寿命。根据以往经验,盘条表层会出现不同程度的表面脱碳及折叠、耳子、麻坑等表面微小缺陷,特别是对于航空用高性能弹簧钢丝,为了尽可能减小其对钢丝性能的影响,特别适合用表面剥皮等方式,去除热轧盘条表面不同程度的微小缺陷层,提高成品钢丝的表面光洁度。

为了解决盘条在剥皮过程中局部表层可能产生的淬火马氏体以及表面太光滑无法形成效果良好的润滑涂层等难题,盘条经剥皮后应进行中间热处理,通过中间热处理使钢丝获得细小均匀的索氏体组织。细小均匀的片层状索氏体组织不仅能够确保钢丝冷拨性能优良,而且这种原始组织经大压缩率冷拔后易于在较低的温度和较短的时间内实现奥氏体均匀化,这对获得晶粒细小、力学性能均匀的成品钢丝是非常重要的。

1.2.3油淬火回火生产工艺控制技术

近年来油淬火—回火生产线的技术水平不断进步,生产效率不断提高,中等规格钢丝的Dv值高达30 mm·m/min,大规格采用感应加热方式钢丝的Dv值也达到200 mm·m/min。先进生产线多采用明火燃气加热炉、电加热马弗炉以及感应加热方式实现钢丝奥氏体化。明火加热炉及电加热马弗炉加热方式,设备投入少,多头作业工作效率高,性能均匀性也较好,但钢丝氧化、脱碳无法避免,成品质量受影响。感应加热速度快,尽管同时处理头数仅有1根,但运行速度极快,生产效率高,操作环境好,特别适用于大规格钢丝生产,但设备制造成本高。淬火采用溢流小油槽与大油槽配合的方式实现油温自动控制,可将油温控制在(60±2内。感应加热生产线采用自来水作为淬火介质,回火通常用铅浴槽、感应加热等方式。为提高钢丝抗弹减性能,在回火装置前后还配备张紧轮,使钢丝在一定张力状况下通过回火装置。回火后的钢丝经水冷、涂防锈油后收线成卷。油淬火—回火钢丝的单卷质量一般在1 t左右,大规格直径钢丝盘卷直径为1 6001 800 mm,中等规格钢丝盘卷直径也有1 000 mm

1.2.4成品探伤技术应用

为了提高钢丝使用的可靠性,把未知失效风险降到最低,在成品钢丝后加涡流探伤工序。由于油淬火—回火弹簧钢丝对试样表面要求高,缺陷的深度控制严格,因此采用旋转式和穿过式组合探伤设备进行在线探伤。整套设备包括:在检测线圈前后两端的2套消磁装置,钢丝矫直定位器,带有油气润滑装置的旋转探头、穿过式探头,2套着色标记装置,以及I/O电气设备柜和带操作软件的电脑控制柜。通过探伤对钢丝表面缺陷进行着色标记,在绕簧时避开缺陷部位,特别适合于军工高性能高可靠性要求的钢丝生产。

2 合金弹簧钢丝在军工领域的应用

2.1 军工行业弹簧材料的应用现状及存在的问题

我国在役战机所用碳素弹簧钢牌号多为70钢,主要用于一些对弹簧性能要求不高的弹性部件,合金钢多以50CrVA为代表的CrV系弹簧钢和65Si2MnWA为代表的SiMn系弹簧钢等,随着飞机的设计定型已有几十年的历史,现在仍作为在役飞机弹性部件的主流而广泛应用。但随着现代飞机对部件的要求越来越高,特别是一些高强、高可靠性、轻量化的要求,其应用局限性越来越明显。CrV系韧性较好,但因强度不高,不能满足弹簧轻量化和小型化的要求;SiMn系中65Si2MnWA由于其硅含量较高,表面脱碳倾向大,石墨化不易控制,仅用于制造设计应力较低的螺旋弹簧。某航空材料设计专家在选用材料过程中,确实对目前的弹簧钢现状不甚满意,主要表现在强度低,不能满足高强化发展方向;另外对弹簧的抗松弛性能不满意,主要表现就是随着弹簧使用时间的增长,弹簧的抗应力能力减弱。但要想更换材料有很复杂的手续,需要经过很多人员同意,主要是责任承担问题。由此导致军工行业的材料更新换代比较缓慢,阻碍了军工航空材料的发展,这可能跟军工行业特有的体制有关系。

2.2 油淬火回火弹簧钢丝取代冷拉合金弹簧钢丝的必要性

近年来兴起的油淬火回火弹簧钢丝生产技术相对于传统的弹簧钢丝生产工艺,通条性能稳定,弹直性好,弹簧加工工艺简单高效,已广泛取代原有的冷拉钢丝先绕簧后热处理的生产工艺。SiCr系弹簧钢丝油淬火强度高,抗弹减性好,不容易产生脱碳,弹簧具有较高的抗疲劳性能,既可以加工截面较粗的弹簧,也可以用来生产性能、精度要求较高的细截面弹簧,在各类弹簧构件的生产中有着广阔的应用前景。随着近年来国内冶金技术的进步,SiCr钢丝生产技术越来越成熟,产品质量水平将会越来越高。

目前汽车等民用的弹簧钢丝大多采用油淬火回火弹簧钢丝,已经取代了传统的冷拉合金弹簧钢丝,但这一新技术在很多军工单位还没有被接受,还是采用冷拉钢丝。

据了解,国内军工企业还是采用传统的弹簧绕制工艺,既费力又费时,况且采用人工绕制,螺距的调整重复性低,弹簧的一致性难以得到保证。民品汽车用弹簧的绕制都是专业的弹簧生产厂家,采用专业的绕簧机,参数设置好后,自动绕制,既快又好,效率非常高,关键是弹簧的质量可以得到保证,再加上采用油淬火弹簧钢丝,弹直性好,绕制非常方便。而传统的冷加工钢丝呈盘卷状,在车床上用人工绕制,不易操作,弹簧的通条性能得不到保证。

采用油淬火钢丝绕制的弹簧后处理比较简单,只需要进行弹簧去应力处理即可,而传统的冷拉钢丝绕簧后,还要进行调质处理,工序复杂,且采用箱式炉加热,炉温和冷却均没有在线展开式加热和冷却温度控制的均匀,在线展开油淬火处理后钢丝通条性能更加均匀一致。

为了满足航空材料对弹簧钢丝高强度、高抗弹减性能的要求,有必要根据航空用弹簧钢的实际使用要求,一方面对55SiCr钢和CrV钢、SiMn钢的材料性能进行对比研究,另一方面对油淬火回火弹簧钢丝生产技术和传统的冷拉弹簧钢丝生产工艺进行对比研究,为其在航空领域的工程应用提供切实可行的技术支持,为未来飞机用高强度弹簧钢丝的更新换代奠定基础,带动国内航空用高强度弹簧钢丝的发展。

2.3 对军工用材料研发的建议

军工行业有许多专门研发的新材料,但笔者认为,军工行业还是要和民用行业相结合,。这样作有2大优点:一是省去了军工行业花费大量经费去研制新型的材料,二是为以后的正常供货提供方便。军工行业虽然研制了新材料,但用量少,品种多,有科研经费支持时,研究出的新材料能够满足军工的要求,但后期供货由于没有经费支持,就会存在小批量炼钢成本高、供货难的问题,好多材料由于找不到合适的生产厂家供货,又走回到国外进口或用其他材料替代的境地。有些材料即使有厂家愿意供货,但由于没有市场竞争而漫天要价,质量得不到提高,存在产品升级慢,材料水平停滞不前的困境。一旦该厂家出现问题,就面临材料断供的危险。非常典型的例子就是我国1969年研制的一个项目,当时由上海钢研所承接,研制后前期供货稳定,但随着企业改制、整合,原来的人员逐渐退休,再加上用量小,企业的积极性也不高,导致供货出现了很大的障碍,几家用这种材料的企业都存在一个采购难的问题。

如果将民用先进材料应用于军工行业,就可以避免这些风险,只要民用产品有市场,就会有需求,从炼钢到深加工,整个产业链是联通的,供货的及时性有保证,价格也便宜,况且产品质量会逐步提升,材料更新换代也快。军工行业也应该引用竞争机制,以激励军工材料的快速发展。

3 结语

由于合金弹簧材料的发展,再加上弹簧生产技术的进步,诸如油淬火技术、剥皮、探伤、喷丸等工艺的发展,使得弹簧在能承受较高弹性应力的情况下仍具有较高的耐腐蚀及抗疲劳性能。在承受相同弹性应力的情况下,使用SiCr系弹簧钢丝在弹簧直径更细的情况下仍能保证弹簧的安全性及可靠性,有利于弹簧的轻量化设计,所以更适合于在航空和航天等对轻量化有要求的领域使用。

SiCr系弹簧钢丝在军工领域的推广应用势在必行,但由于军工体系相对封闭,其应用需要比较长的验证过程,所以该材料的在军工领域的批量应用还需要一个过程。可喜的是,航空主体设计所的材料部门已经认识到该材料的重要性,开始在某重点型号上尝试采用。相信通过努力,并在相关军工单位的配合下,该材料的替代工作将会加快进程。


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