本發(fā)明涉及一種耐磨彈簧懸架，屬于合金材料加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鋼鐵應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和生活中的各個(gè)方面，在人類的生活和工作中有著十分重要的作用，是科技發(fā)展的基礎(chǔ)，但鋼鐵在大氣中易銹蝕且銹蝕過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)及人們的生活產(chǎn)生不同程度的不利影響，帶來(lái)不必要的經(jīng)濟(jì)損失。在我國(guó)，據(jù)中國(guó)工業(yè)和自然環(huán)境腐蝕調(diào)查項(xiàng)目組2008年調(diào)查結(jié)果顯示，由腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2300億元，間接經(jīng)濟(jì)損失為5000～6000億元，相當(dāng)于當(dāng)年我國(guó)國(guó)民生產(chǎn)總值的5％。因此，研究防止鋼鐵腐蝕的方法就變得很重要。
汽車彈簧懸架是車架(或承載式車身)與車橋(或車輪)之間的一切傳力連接裝置的總稱。懸架的主要作用是把路面作用于車輪上的垂直反力(支承力)、縱向反力(驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力)和側(cè)向反力以及這些反力所形成的力矩傳遞到車架(或承載式車身)上，以保證汽車的正常行駛?，F(xiàn)有技術(shù)中的彈簧懸架一般采用普通合金鋼通過(guò)普通的成型工藝制成，其性能較為一般，尤其是強(qiáng)度、耐磨性、耐腐蝕性都較低。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種機(jī)械性能高，尤其是具有較高耐磨性的彈簧懸架。
本發(fā)明的目的可通過(guò)下列技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種耐磨彈簧懸架，所述的耐磨彈簧懸架由合金鋼制成，所述合金鋼的組成元素及其質(zhì)量百分比為：C：0.10-0.15％、Cr：0.4-0.6％、Si：0.14-0.20％、Mn：0.8-1.15％、Al：0.03-0.05％、N：0.008-0.015％、Mo：0.25-0.35％、Cu：0.025-0.04％、S：0.005-0.022％、V：0.08-0.15％、RE：0.08-0.15％、P≤0.015％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
本發(fā)明耐磨彈簧懸架的合金鋼中降低了碳含量、鉻含量，并添加了稀土元素，通過(guò)各元素之間產(chǎn)生的協(xié)同作用提高彈簧懸架的綜合性能。在合金鋼中加入低含量鉻的同時(shí)，加入Cu、Mn、Mo、Al、Si、V等合金元素，放棄加入鎳、鎢等貴重金屬元素，能夠強(qiáng)化基體，獲得MoC、VC等特殊碳化物和合金碳化物，從而提高彈簧懸架合金鋼的組織穩(wěn)定性。Cu、Al的加入可以提高彈簧懸架合金鋼的散熱性能。Cr、Si、Al能夠提高合金鋼的抗生長(zhǎng)與抗氧化能力。散熱性能、抗生長(zhǎng)和抗氧化能力的提高又能進(jìn)一步提高合金鋼的高溫性能，使其在高溫環(huán)境下使用的壽命有所提高。Mn、Si等元素的加入能夠提高鋼液的流動(dòng)性。稀土的影響與合金元素進(jìn)行配合，進(jìn)一步提高彈簧懸架合金鋼的強(qiáng)韌性。在本發(fā)明彈簧懸架的合金鋼中若碳含量過(guò)低，在加工中的深冷處理會(huì)嚴(yán)重影響強(qiáng)度和硬度，若碳含量過(guò)高，塑性低，還會(huì)影響后續(xù)的成型及電鍍過(guò)程中的性能，造成開裂等問(wèn)題。為了避免在滲層中發(fā)生內(nèi)氧化形成“黑色網(wǎng)狀組織”缺陷，本發(fā)明彈簧懸架合金鋼中Si含量要求控制在0.20％以下。當(dāng)加入0.14-0.20％Si可以提高彈簧懸架的強(qiáng)度，若Si含量低于0.14％，則會(huì)影響彈簧懸架的屈服強(qiáng)度。盡管Mn是固溶強(qiáng)化元素，但在本發(fā)明彈簧懸架合金鋼中，若錳含量大于1.15％，則會(huì)大幅度降低彈簧懸架的塑性和韌性。彈簧懸架合金鋼的耐熱性隨著Mo含量的增加而增強(qiáng)，此外Cr、Si、Al都可生成致密的氧化物，形成保護(hù)膜。鋁是最基本、最有效的細(xì)化晶粒元素，在鋼中主要以AlN形式存在。AlN主要分布于晶界，起到釘扎晶界阻止晶粒長(zhǎng)大的作用。當(dāng)合金鋼中鋁含量較高，但氮含量較低時(shí)，則不能形成足夠的AlN使其均勻的分布于奧氏體晶界。AlN數(shù)量較少必然導(dǎo)致其分布較多的位置釘扎晶界作用明顯，較少的位置則不能釘扎晶界阻止奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，這也是產(chǎn)生混晶，即晶粒局部異常長(zhǎng)大的主要原因。經(jīng)不斷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在本發(fā)明彈簧懸架合金鋼中鋁含量為0.03-0.05％時(shí)，控制Al/N≥3能夠保證在在后續(xù)的熱處理時(shí)不發(fā)生混晶現(xiàn)象。本發(fā)明彈簧懸架合金鋼中加入0.08-0.15％V細(xì)化組織晶粒，提高強(qiáng)度和韌性。釩不僅是強(qiáng)化合物形成元素，還是鋼材優(yōu)良的脫氧劑，能與碳的結(jié)合，形成高熔點(diǎn)、高硬度、高彌散度且穩(wěn)定的VC碳化物，且0.08-0.15％V與0.8-1.15％Mn起協(xié)同作用，共同提高鋼的強(qiáng)度和硬度，其原因在于V與Mn配合使用不僅可以細(xì)化晶粒，還可以得到更高體積分?jǐn)?shù)的彌散分布析出顆粒，同時(shí)起到細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的作用，還可以提高彈簧懸架的強(qiáng)度、韌性以及抗腐蝕能力。且本發(fā)明彈簧懸架合金鋼中由于0.08-0.15％稀土的存在，與0.08-0.15％V一起增強(qiáng)了彈簧懸架合金鋼組織細(xì)化的程度，從而使其擴(kuò)散系數(shù)降低，減輕其氧化程度。同時(shí)碳化物在回火的過(guò)程中析出速度和長(zhǎng)大速度都較為緩慢，提高了鋼的強(qiáng)度和抗回火穩(wěn)定性。
未加入稀土?xí)r，合金鋼組織非常不均勻，相對(duì)碳化合物尺寸較大，網(wǎng)狀二次碳化合物較為明顯。加入少量的稀土?xí)r，合金鋼二次碳化合物斷網(wǎng)明顯。稀土含量越高，組織越來(lái)越均勻，越來(lái)越細(xì)。稀土含量的增加使得碳化合物支晶和萊氏體網(wǎng)格越來(lái)越細(xì)，進(jìn)而提高合金鋼的沖擊韌性。熱處理后，未加稀土與加入稀土的合金鋼組織都包括回火馬氏體、少量回火托氏體、含鉻和錳等的合金碳化物與分布均勻的VC、MoC特殊碳化物。然而一定范圍內(nèi)含稀土越多，碳化物尺寸越小，這種特征在提高放大倍數(shù)后非常明顯。此外稀土元素還可融入碳化合物中，或者與氧、磷、硫、硅、鋁發(fā)生反應(yīng)生成氧化物等，降低有害雜質(zhì)對(duì)脆性的影響。經(jīng)不斷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在本發(fā)明彈簧懸架合金鋼中添加0.08-0.15％稀土對(duì)碳化合物尺寸的減小，與合金元素的配合，在晶界處的分布以及減小有害物質(zhì)的影響等綜合效果較為明顯。
一般的合金鋼中，硫、磷等雜質(zhì)元素的非金屬夾雜會(huì)破壞鋼的基體連續(xù)性，在靜載荷和動(dòng)載荷的作用下，往往成為裂紋的起點(diǎn)，影響合金鋼的性能，但是本發(fā)明為了提高彈簧懸架切削性，需要添加一定的硫含量。
作為優(yōu)選，所述合金鋼的組成元素及其質(zhì)量百分比為：C：0.12-0.15％、Cr：0.45-0.55％、Si：0.15-0.18％、Mn：0.95-1.05％、Al：0.03-0.04％、N：0.01-0.013％、Mo：0.28-0.32％、Cu：0.028-0.035％、S：0.01-0.02％、V：0.1-0.12％、RE：0.1-0.12％、P≤0.015％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
本發(fā)明還提供一種耐磨彈簧懸架的加工工藝，所述的加工工藝包括如下步驟：
按耐磨彈簧懸架所用合金鋼的組成元素及質(zhì)量百分比配料，將原料熔煉成鋼水，鋼水經(jīng)真空冶煉、澆注、軋制成鋼板，并將鋼板加工成型，得彈簧懸架坯件；
將彈簧懸架坯件在-138～-170℃下深冷處理1-1.5h，然后在230-250℃下低溫回火處理120-145min，得彈簧懸架半成品；
將彈簧懸架半成品進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理得彈簧懸架成品。
本發(fā)明先采用深冷處理，使殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，促使馬氏體孿晶細(xì)化并析出超微細(xì)碳化物，提高材料硬度與耐磨性。未經(jīng)深冷處理后的合金鋼在其表面的硬度較低，容易出現(xiàn)低頭現(xiàn)象，而經(jīng)過(guò)深冷處理后的合金鋼，表層中原先較多的殘余奧氏體在深冷處理中繼續(xù)向馬氏體轉(zhuǎn)變，增加有效硬化層深度，提高了表面硬度，產(chǎn)品表層的硬度可提高25-40％左右，因此消除了低頭現(xiàn)場(chǎng)。馬氏體和殘余奧氏體是不穩(wěn)定的相，有自發(fā)地向鐵素體+滲碳體組織轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。本發(fā)明在深冷處理后再經(jīng)低溫回火，碳原子偏聚形成富碳原子團(tuán)，馬氏體開始分解，馬氏體中溶解的過(guò)飽和碳濃度下降，正方度減少，并有碳化物析出形成回火馬氏體。在230-250℃回火時(shí)，殘余奧氏體也發(fā)生轉(zhuǎn)變生成回火馬氏體，進(jìn)一步提高彈簧懸架的表面硬度與耐磨性。
接著對(duì)彈簧懸架半成品進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，降低彈簧懸架表面粗糙度，改善殘余應(yīng)力，降低彈簧懸架表面的摩擦系數(shù)，提高彈簧懸架的耐磨性。與未沖擊區(qū)域的殘余應(yīng)力相比，激光沖擊強(qiáng)化區(qū)域區(qū)的殘余壓應(yīng)力明顯提高，其原因在于激光與材料相互作用時(shí)，沖擊波在沖擊區(qū)產(chǎn)生平行于材料表面的拉應(yīng)力，并使材料發(fā)生塑性變形。激光沖擊作用之后，由于沖擊區(qū)周圍材料的反作用，將在沖擊區(qū)中產(chǎn)生壓應(yīng)力。彈簧懸架表面殘余應(yīng)力是與激光沖擊強(qiáng)化的塑性影響層深度成正比，塑性影響層越大，彈簧懸架表面殘余應(yīng)力就越大，塑性影響層的深度又與沖擊波的能量有關(guān)，在沖擊區(qū)域內(nèi)，沿表面方向，距離沖擊中心越遠(yuǎn)，沖擊波的能量會(huì)越大，所以就會(huì)產(chǎn)生在沖擊周圍的殘余壓應(yīng)力略大于沖擊中心殘余壓應(yīng)力的結(jié)果，進(jìn)而改善合金鋼沖擊區(qū)域的表面殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是提高彈簧懸架耐磨性的原因之一，其原因在于殘余壓應(yīng)力的作用，材料表面可以抵抗彎曲和斷裂。根據(jù)磨損的剝層理論，殘余壓應(yīng)力可以提高材料的抗疲勞磨損和抗磨粒磨損。產(chǎn)品在位錯(cuò)堆積的應(yīng)力影響下，裂紋或空穴在變形層中形成，在金屬產(chǎn)生塑性剪切變形時(shí)，就相互結(jié)合在一起，裂紋在沿表面平行地?cái)U(kuò)散，這樣擴(kuò)展的結(jié)果就是在表層形成薄片，最后剝落。磨損期間所產(chǎn)生的循環(huán)載荷有助于裂紋的擴(kuò)展，而殘余壓應(yīng)力卻有利于裂紋的封閉。因此，一定的殘余壓應(yīng)力的存在，有利于提高在滑動(dòng)磨損時(shí)彈簧懸架的耐磨性。由于在激光與材料相互作用時(shí)，沖擊波在沖擊區(qū)產(chǎn)生平行于材料表面的拉應(yīng)力，并使材料發(fā)生塑性變形。激光沖擊作用之后，由于沖擊區(qū)周圍材料的反作用，將在沖擊區(qū)中產(chǎn)生壓應(yīng)力，由于反作用力的存在，材料再受到摩擦的同時(shí)，反作用力會(huì)與部分的摩擦力相抵消。從而使材料表面的摩擦力大大減小，摩擦力減小，就會(huì)延緩材料的磨損。另外，一般說(shuō)來(lái)，表面越粗糙，摩擦系數(shù)越大，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，磨損越快，容易產(chǎn)生疲勞破壞。其原因在于，相互運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)零件表面越粗糙，則磨損就越快。因?yàn)檫@兩個(gè)表面只能在輪廓的峰頂接觸，當(dāng)表面間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，峰頂?shù)慕佑|將對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦阻力。表面越粗糙，實(shí)際接觸面積就越小，單位面積上的壓力就越大。當(dāng)兩個(gè)材料發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在接觸的峰頂間產(chǎn)生了彈塑性變形以及剪切力等，造成了材料表面的磨損。本發(fā)明通過(guò)激光沖擊的作用，細(xì)化彈簧懸架表面的晶粒，降低峰頂?shù)母叨?，?dāng)兩個(gè)材料發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接觸面積相對(duì)增大，接觸時(shí)產(chǎn)生的彈塑性變形、剪切力、單位面積上的壓力相對(duì)減小，從而減緩了材料表面的磨損。激光沖擊強(qiáng)化降低彈簧懸架表面的粗糙度，直接改善彈簧懸架的磨損性能。
另外，本發(fā)明原料煉鋼中采用真空冶煉。合金鋼中的氧含量和非金屬夾雜物，尤其是氧化物，對(duì)彈簧懸架合金鋼的疲勞壽命有著相當(dāng)大的影響，因此，本發(fā)明采用真空冶煉，提高合金鋼的純凈度，進(jìn)而提高彈簧懸架的接觸疲勞性能，提高其使用壽命。通過(guò)真空冶煉氧含量從28mg/kg降低到16mg/kg，氧化物總量從64.9mg/kg降低到44.8mg/kg，存活率為50％時(shí)的接觸疲勞壽命提高了29％，存活率為95％時(shí)接觸疲勞壽命提高了20％。
在上述彈簧懸架的加工工藝中，深冷處理后的升溫速率為3-5℃/min。即深冷處理后，以3-5℃/min的速率升溫至230-250℃進(jìn)行回火處理。
在上述彈簧懸架的加工工藝中，激光沖擊強(qiáng)化處理中脈沖能量為10-15J，激光波長(zhǎng)為950-1100nm，脈沖寬度為15-25ns，功率密度為5-10GW/cm2。
在上述彈簧懸架的加工工藝中，激光沖擊強(qiáng)化處理中鋁箔作激光能量吸收層，便于涂敷和清洗，用水作激光沖擊時(shí)約束層，流水厚度約為1-2mm。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
1、本發(fā)明彈簧懸架的成分配伍合理，通過(guò)其組成元素及其元素之間產(chǎn)生的協(xié)同作用，提高彈簧懸架的強(qiáng)度、耐磨、抗腐蝕性等性能。
2、本發(fā)明彈簧懸架通過(guò)先深冷處理+低溫回火，然后在其表面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，提高彈簧懸架強(qiáng)度35％以上，大幅度降低其表面的粗糙度，使彈簧懸架的表面粗糙度為0.12-0.13μm，顯著改善彈簧懸架的磨損性能。
具體實(shí)施方式
以下是本發(fā)明的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。
實(shí)施例1
原料煉鋼：按彈簧懸架所用合金鋼的組成元素及質(zhì)量百分比配料：C：0.12％、Cr：0.5％、Si：0.16％、Mn：0.98％、Al：0.042％、N：0.012％、Mo：0.28％、Cu：0.035％、S：0.015％、V：0.12％、RE：0.12％、P≤0.015％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)；將原料熔煉成鋼水，鋼水經(jīng)真空冶煉、澆注、軋制成鋼板，并將鋼板加工成型，得彈簧懸架坯件。
將彈簧懸架坯件在-150℃下深冷處理1.2h，然后以4℃/min的速率升溫至240℃進(jìn)行低溫回火處理135min，得彈簧懸架半成品。
將彈簧懸架半成品進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理得彈簧懸架成品。激光沖擊強(qiáng)化處理中用鋁箔作激光能量吸收層，水作激光沖擊時(shí)約束層，流水厚度約為1-2mm；脈沖能量為12J，激光波長(zhǎng)為1020nm，脈沖寬度為20ns，功率密度為8GW/cm2。
實(shí)施例2
原料煉鋼：按彈簧懸架所用合金鋼的組成元素及質(zhì)量百分比配料：C：0.14％、Cr：0.45％、Si：0.18％、Mn：1.05％、Al：0.038％、N：0.010％、Mo：0.28％、Cu：0.038％、S：0.018％、V：0.1％、RE：0.14％、P≤0.015％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)；將原料熔煉成鋼水，鋼水經(jīng)真空冶煉、澆注、軋制成鋼板，并將鋼板加工成型，得彈簧懸架坯件。
將彈簧懸架坯件在-160℃下深冷處理1.4h，然后以3.8℃/min的速率升溫至238℃進(jìn)行低溫回火處理140min，得彈簧懸架半成品。
將彈簧懸架半成品進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理得彈簧懸架成品。激光沖擊強(qiáng)化處理中用鋁箔作激光能量吸收層，水作激光沖擊時(shí)約束層，流水厚度約為1-2mm；脈沖能量為14J，激光波長(zhǎng)為980nm，脈沖寬度為22ns，功率密度為6GW/cm2。
實(shí)施例3
原料煉鋼：按彈簧懸架所用合金鋼的組成元素及質(zhì)量百分比配料：C：0.15％、Cr：0.4％、Si：0.20％、Mn：0.8％、Al：0.05％、N：0.015％、Mo：0.25％、Cu：0.04％、S：0.005％、V：0.15％、RE：0.08％、P≤0.015％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)；將原料熔煉成鋼水，鋼水經(jīng)真空冶煉、澆注、軋制成鋼板，并將鋼板加工成型，得彈簧懸架坯件。
將彈簧懸架坯件在-138℃下深冷處理1.5h，然后以3℃/min的速率升溫至250℃進(jìn)行低溫回火處理120min，得彈簧懸架半成品。
將彈簧懸架半成品進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理得彈簧懸架成品。激光沖擊強(qiáng)化處理中用鋁箔作激光能量吸收層，水作激光沖擊時(shí)約束層，流水厚度約為1-2mm；脈沖能量為10J，激光波長(zhǎng)為1100nm，脈沖寬度為15ns，功率密度為10GW/cm2。
實(shí)施例4
原料煉鋼：按彈簧懸架所用合金鋼的組成元素及質(zhì)量百分比配料：C：0.10％、Cr：0.6％、Si：0.14％、Mn：1.15％、Al：0.03％、N：0.008％、Mo：0.35％、Cu：0.025％、S：0.022％、V：0.08％、RE：0.15％、P≤0.015％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)；將原料熔煉成鋼水，鋼水經(jīng)真空冶煉、澆注、軋制成鋼板，并將鋼板加工成型，得彈簧懸架坯件。
將彈簧懸架坯件在-170℃下深冷處理1h，然后以5℃/min的速率升溫至230℃進(jìn)行低溫回火處理145min，得彈簧懸架半成品。
將彈簧懸架半成品進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理得彈簧懸架成品。激光沖擊強(qiáng)化處理中用鋁箔作激光能量吸收層，水作激光沖擊時(shí)約束層，流水厚度約為1-2mm；脈沖能量為15J，激光波長(zhǎng)為950nm，脈沖寬度為25ns，功率密度為5GW/cm2。
對(duì)比例1
與實(shí)施例1的區(qū)別僅在于，采用普通合金鋼加工彈簧懸架。
對(duì)比例2
采用如實(shí)施例1所述合金鋼通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)中普通的加工方法制得的彈簧懸架。
在上述實(shí)施例中未明確說(shuō)明的工藝均為現(xiàn)有技術(shù)中普通常規(guī)的工藝，如熔煉、澆注、軋制、鈍化處理等。
將實(shí)施例1-4及對(duì)比例1-2中加工得到的彈簧懸架進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。
表1：實(shí)施例1-4及對(duì)比例1-3中加工得到的彈簧懸架的性能測(cè)試
從表1可知，本發(fā)明彈簧懸架采用配伍合理的合金鋼加工而成，先深冷處理+低溫回火，再在其表面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，大幅度提高彈簧懸架強(qiáng)度，降低其表面的粗糙度，顯著改善彈簧懸架的磨損性能。
本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。