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    日本彈簧鋼和軸承鋼研發動態
    發布時間:2015-10-28 17:37:40                  點擊次數:2395

    1 彈簧鋼

    1.1 彈簧鋼的類別、特性和用途
    彈簧鋼可分為3大類別:汽車懸簧用鋼、小型部件的鋼絲彈簧鋼和板狀彈簧鋼。
    SUP7是用于汽車螺旋彈簧的普通鋼號,由于添加了2%的Si,與SUP6相比彈性極限和抗彈性衰減性都有所提高。
    SUP9是用于汽車板簧、彈扭桿、穩定器的鋼號,由于添加了提高淬透性元素Mn和Cr,可以熱成型大尺寸的板簧和螺旋彈簧。
    SUP10是用于汽車疊板簧的鋼號,由于添加V并降低C含量,使鋼在高強度化的同時還具有較好的韌性。
    SUP12是用于汽車螺旋彈簧的、可進行冷、熱成型的鋼號,由于Mn和Si的添加保證了鋼的淬透性和抗彈性衰減性,由于還添加了Cr等元素,鋼具有良好的耐蝕性。
    SUP13是用于汽車大型疊板簧和工程機械大規格螺旋彈簧的鋼號,這種鋼Φ100大規格線材都可以進行淬火處理。隨著時代的進步逐漸開發出上述的、滿足下列(1)~(4)項特性要求的彈簧鋼鋼種。

    (1)荷重特性
    為使配置彈簧的車輛和機械發揮出應有的功能,首先就要求彈簧具有符合規定的荷重特性。其次要求在限定的空間內安裝符合規定荷重要求的彈簧。

    (2)耐久性
    耐久性指的是施加反復載荷直到疲勞斷裂的載荷次數,次數越多,耐久性越好。耐久性不好的彈簧會發生早期斷裂。

    (3)抗彈性衰減性
    即使僅施加遠小于使彈性材料發生變形的負荷,經過長時間的負荷作用,彈性材料也會發生變形,這種現象叫做彈性衰減。彈簧抗彈性衰減性不良,會導致車身高度下降,行駛性和乘坐舒適性下降。

    (4)耐蝕性
    彈簧如果在荷重狀態下發生腐蝕,就會在彈簧表面上出現小的腐蝕孔。這種腐蝕孔會發生應力集中,導致腐蝕斷裂。此外,由于銹蝕,氫會侵入彈簧導致延遲斷裂,使彈簧出現早期失效。
    20世紀80年代的SUP7、SUP12的最大設計應力是1000MPa,后來由于高溫硬化和高溫噴砂技術的采用,最大設計應力提高到1100MPa。在日本經濟高速增長的2000年前后,開始了彈簧鋼新材料的開發,通過添加昂貴的合金元素,開發出1200MPa級和1300MPa級彈簧鋼獨特新產品。

    1.2 提高彈簧鋼性能的措施
    彈簧客戶對上述4項特性的要求逐年提高。在使用設計應力為1100MPa級彈簧時,由于彈簧制品硬度是HRC50左右,彈簧的裂紋敏感性不太大,所以在耐久性、抗彈性衰減性和耐蝕性方面不存在與市場需求不相適應的情況。但是,當將最大設計應力目標確定為1200MPa級以上時,彈簧鋼的使用遇到了很大的壁壘。這就是,為滿足與設計應力相匹配的耐久性和抗彈性衰減性必須提高鋼的硬度,但耐蝕性是與硬度成反比的,隨著硬度的升高,點腐蝕導致應力集中引發的早期斷裂的危險性會相應增加,在當時的彈簧標準鋼號的成分和生產工藝條件下,不能滿足對耐蝕性的要求。在這種情況下,采取的解決辦法是添加下列元素。
    提高韌性:添加Si,提高鋼的抗裂紋擴展性,即使出現微裂紋,也能延遲裂紋的擴展;添加Mo、V、Nb、Ti等元素細化晶粒;添加B強化晶界。
    提高耐點腐蝕性:添加Ni、Cu、Cr提高耐蝕性,抑制點腐蝕的發生。
    提高抗延遲斷裂性:添加Ti、Nb、V、Mo形成微細碳氮化物彌散析出,形成氫陷阱。

    1.3 彈簧鋼的發展方向
    2005年1300MPa級彈簧鋼已經實用化。這種高強度彈簧鋼中的Ni、V、Mo添加量比傳統彈簧鋼多,導致在輕量化降低成本和鋼材費用增加兩者之間出現不平衡,因此這種鋼并未得到廣泛使用。近年來,日本國內汽車制造廠家為應對國外汽車制造廠家的競爭,大力推進在日本境外建廠,因此要求汽車部件能夠實現全球性調配供應。對于在日本境外采用日本高質量彈簧鋼生產技術不能有太多的期望,在日本境外生產高強度彈簧鋼還要克服許多困難。在保持日本彈簧鋼優勢地位的同時,必須開發出更具成本競爭力的高強度彈簧鋼。

    2 軸承鋼
    滾動軸承鋼在汽車和各種產業機械中的作用是使旋轉運動順暢化,減少動力損失。由于軸承經常在惡劣的環境下工作所以軸承的原材料軸承鋼是特殊鋼中質量要求最嚴格的鋼類之一。對軸承鋼的要求有高硬度、保證高的靜態、動態強度和具備高韌性的微觀組織、減少作為滾動疲勞源的內部缺陷等。此外,在軸承長期使用中,在各種應力作用下不發生組織變化和尺寸變化也很重要。
    軸承鋼中使用最多的是JIS SUJ2為代表的高碳鉻軸承鋼,有一些類型的軸承也使用滲碳鋼和高頻淬火的中碳鋼,但在市場上說到軸承鋼一般就是指高碳鉻軸承鋼。

    2.1 高碳鉻軸承鋼的發展變化
    高碳鉻軸承鋼作為特殊鋼在JIS G4805(2008)中有4個鋼號:SUJ2~SUJ5。由于各個鋼號的淬透性不同,分別用于不同規格的軸承,其中占產量90%以上的是SUJ2,雖然其成分系列比較簡單為1%C-1.5%Cr,但可以滿足軸承的各種特性要求,而且還具有使生產穩定高效的優點。所以,1%C-1.5%Cr軸承鋼在歐洲開發后在長達一個世紀的時間內基本成分沒有變化,一直延用至今。
    當然,在這期間軸承鋼的質量有了很大進步。在20世紀50年代末,人們知道了軸承的使用壽命受鋼中氧化物等非金屬夾雜物的影響很大。于是將鋼中的含氧量作為軸承鋼的質量指標,努力提高鋼的潔凈度。從有關數據可知,由于真空脫氣等精煉設備的使用和操作條件的改善,使軸承鋼的滾動疲勞壽命大大提高,滾動疲勞壽命可達非脫氣鋼的幾十倍。
    近年來,隨著對環境問題的日益關注,提高汽車燃料效率成為比過去任何時候都重要的問題。機械設備整體的小型輕量化對提高燃料效率有很大作用,因此軸承部件的小型輕量化就是必然的趨勢。為此,對更高潔凈度的軸承鋼進行了開發,在低含氧量的基礎上,對非金屬夾雜物的組成、形態和分布進行了控制。
    在高潔凈度軸承鋼開發的同時,鋼的潔凈度評價方法也有所發展。采用傳統的JIS評價方法(JIS G0555-2003)和ASTM評價方法(ASTM E45-05)已經不能對當今的軸承鋼進行優劣評價。利用光學顯微鏡觀測和極值統計相結合的方法得出的規定面積內最大非金屬夾雜物尺寸預測值不僅可以作為潔凈度的指標,還可以作為判斷疲勞壽命的一個指標。2008年在ASTM標準中也規定了用極值統計法預測非金屬夾雜物最大尺寸的方法(ASTM E2283-08)。由于導致突發性短壽命事故的大型非金屬夾雜物在鋼中存在的數量極少,所以用光學顯微鏡很難發現。在這種情況下,采用可進行大體積檢測的超聲波探傷法是有效的。此外,適用于要求更高可靠性軸承的檢測方法正在研發中。

    2.2 高碳鉻軸承鋼的發展方向
    今后軸承鋼的使用環境會有很大變化,對軸承鋼的要求會出現兩極分化的現象,即需求高可靠性的軸承鋼和需求價格低廉的軸承鋼。在高可靠性軸承鋼方面,要進一步采取措施提高以非金屬夾雜物為指標的疲勞壽命,為此,目前利用最新的觀察分析設備和最新的實驗方法又重新進行滾動疲勞機理的基礎性研究,通過與軸承用戶的共同研究,在新理念的基礎上,將會開發出環保型、具有國際競爭力的新型軸承鋼。 

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