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日本高强钢丝开发最新进展探析(之二)

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日本高强钢丝开发最新进展探析(之二)

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  • 发布时间:2020-07-31 11:47

日本高强钢丝开发最新进展探析(之二)

  线材采用铅浴淬火处理、拔丝加工获得高强度钢丝。作为实用钢,这种高强度钢丝具有很高的强度,钢丝直径从细径钢帘线到粗径桥梁用钢丝,被广泛应用。钢帘线作为给予轮胎刚性的骨架材使用,桥梁用钢丝作为承载全桥重量的主钢缆使用,所以,钢帘线和桥梁用钢丝都要求高强度和疲劳特性。而且,高强度钢丝在制造工序或使用中承受扭曲变形,如果扭曲变形时发生纵向裂纹,抗载荷和疲劳特性均降低,因此,要求钢丝具有抗纵裂性。现将日本高强钢丝开发最新进展描述如下:

  2 阀簧钢丝

  阀簧是用于汽车引擎的气门阀系部件,虽然只是一个重量30-50g的小部件,但要承载1分钟数干次的反复荷载,在这种苛刻的条件下长期工作,要求可靠性高。

  到目前为止,因为引擎的高速旋转、低燃料消耗,阀簧趋向于小型、高应力设计。为了应对这一要求,开发了具有高疲劳强度和高耐永久残余应变性的阀簧用钢。下面主要介绍阀簧用材料的变化和高强度化的例子。

  2.1 阀簧材料的变化

  阀簧使用的线材有拔丝加工高碳琴钢丝用线材和将拔丝后的钢丝进行淬火+回火处理的油回火钢丝。

  第二次世界大战以前,日本使用瑞典进口的琴钢丝用线材。20世纪40年代以后,为了实现琴钢丝用线材的国产化,国产琴钢丝用线材作为飞机阀簧用钢丝实现了实用化,随之作为汽车用阀簧材料使用。战后,美国的油回火钢丝传入日本,神户制钢公司生产的碳素钢和Cr-V油回火钢丝逐渐用于汽车引擎。由琴钢丝用线材变为油回火钢丝的原因是:油回火钢丝同琴钢丝用线材相比,可以获得高疲劳强度和良好的耐永久残余应变性。

  从20世纪60年代中期开始,为了提高疲劳强度和耐永久残余应变性,开始使用耐热性优良的Si-Cr油回火钢丝(SAE9254、JISSWOSC-V)。现在这些钢种只作为一般用途使用。

  神户制钢从20世纪80年代中期以后,开始研发适用高强度,化的化学成分,相对于SAE9254,增加提高抗拉强度的C含量,添加提高回火稳定性和微细化奥氏体晶粒的V,开发了Si-Cr-V钢(KHV7),并达到实用化。由于应用该钢种,疲劳强度达到SAE9254的1.1倍。再采用氮化处理,疲劳强度达到SAE9254的约1.3倍。

  20世纪90年代上半期,为提高回火稳定性,开发了添加2.O%Si的KHV10N。由于该钢种氮化处理的应用以及喷丸硬化处理技术的改善,其疲劳强度达到SAE9254的1.4倍左右。为了进一步提高疲劳强度和耐永久残余应变性,又开发了增量添加Cr、V,达到晶粒超微细化的KHV12N,2006年实际应用。

  2.2 高强度化的方法

  作为提高阀簧疲劳强度的方法采用了:阀簧钢丝的高强度化;降低非金属夹杂物和表面缺陷等;应用表面改质技术。

  1)阀簧钢丝的高强度化

  一般在疲劳强度和抗拉强度之间存在比例关系,作为提高疲劳强度的方法,提高阀簧钢丝的抗拉强度是有效的方法。

  SAE9254的抗拉强度约1900MPa,而KHV7油回火钢丝的抗拉强度是2050MPa,KHV10N和KHV12N油回火钢丝的抗拉强度是2150MPa。我们知道,钢丝的抗拉强度在1800MPa以上发生以非金属夹杂物为起点的折损,疲劳强度出现波动。因此,为了提高与抗拉强度成比例的疲劳强度,应该减少非金属夹杂物。

  2)降低非金属夹杂物

  汽车引擎的阀簧在高温和高应力的苛刻条件下长期使用,常以钢中约≥10μm的夹杂物为起点产生疲劳断裂。折损起点的夹杂物有Al2O3、MgO、SiO2等。为了降低这些非金属夹杂物,将夹杂物组成控制为{氐熔点非金属夹杂物,在热轧或拔丝加工时,采取延伸或细破碎,将其无害化。

  3)去除表面缺陷

  阀簧的表面缺陷及脱碳使阀簧的疲劳特性降低。为了去除这些缺陷,适用线材全长范围内去除的方法。

  4)表面改质技术的应用

  阀簧这种要求高疲劳强度的弹簧,通过增加钢丝强度来提高疲劳强度是有极限的。因此,采取氮化处理提高表面硬度和喷丸硬化处理产生压缩残余应力的方法,有效地提高疲劳强度。氮化处理一般用400-600℃进行处理,在增加弹簧表层硬度的同时,提高压缩残余应力,从而可提高疲劳强度。但存在内部硬度降低和不能确保耐永久残余应变的问题。为了解决这个问题,提高油回火钢丝的回火稳定性是有效的方法,通过增加Si、Cr含量,添加V,开发了提高回火稳定性的钢。

  近年来,由于环境保护意识不断提高,开发了燃料利用率高的汽车引擎。阀簧的高强度化对改善燃料利用率带来的C02排放量降低和引擎的小型化都很有效,今后对可靠性的要求将更高。预计混合动力引擎将增加,高强度阀簧用钢对混合动力引擎的小型化、燃料利用率的改善是有效的。

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