赵新春
中天钢铁集团有限公司 江苏常州 213000
【摘要】本文为探究车悬架系统用55SiCr弹簧钢丝的带状组织，分析了其力学性能及组织性能，找到形成元素偏析现象的原因，以期能够提升55SiCr弹
簧钢丝的生产质量，延长其使用寿命。
【关键词】车悬架系统；55SiCr弹簧钢丝；带状组织
悬架是连接车桥与车架的一种传力装置，是承载各种力的汽车组成构件，可有效减少汽车在行驶过程中的震动和冲击力，从而保证汽车在路面上稳定行驶。在对汽车进行检修的过程中，悬架的性能是否完整是检验的重要指标之一，因此必须对车悬架系统中的各构件进行细致检测[1]。作为车悬架系统的重要组成部分，弹簧的主要作用是帮助汽车在道路行驶过程中的震动作用力减轻，可在一定程度上提升汽车的安全性[2]。由于社会发展的需求不断提升，人们出行期间越来越依赖于汽车、公交车等交通工具，因此在冶金的过程中，对悬架簧的质量具有较高的要求，其也是推动弹簧产业长远发展的关键工艺。弹簧钢的中心偏析、中心疏松缩孔、夹杂物水平等都可对悬架簧性能产生不可预估的影响，目前国内外已经对弹簧钢的结构机制以及实质性作用进行了大量研究，很大程度上提升了其在实际环境中的应用效果[3]。但可以发现的是，弹簧钢性能与中心偏析之间的影响关系还没有得到较为系统的研究结果，因此本文通过对55SiCr弹簧钢丝的元素偏析行为以及带状组织进行研究来探究其对弹簧钢性能的影响。
1 材料选取及试验方法
1.1 材料选取
材料选取A钢厂生产的连铸热轧55SiCr弹簧钢丝，直径统一为16mm，其质量分数详见表1。
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1.2 试验方法
用酸性溶液清洗55SiCr弹簧钢丝，去除其表面灰尘、氧化层等，随后进行磷化处理，三道次冷拔，得到半成品钢丝，此时材料的直径为13.60mm。经过淬火和回火两道工序的处理，可获得钢丝成品（抗拉强度=1850MPa），适用于车悬架簧。成品钢丝卷经过热处理后，于一端取10个L=5d/d=5mm的钢丝制成标准试样，在温室中用WAW-600万能试验机（生产商：济南联工测试技术有限公司）测试其力学性能是否符合标准。
若试验钢丝的断面收缩率相对较低，应沿一个方向，用数码倒置金相显微镜（生产商：上海光密仪器有限公司；型号：6XCS）和扫描电子显微镜（生产商：深圳市善时仪器有限公司；型号：善时SS-150系列）观察试验钢丝径向和轴向微观组织呈现出来的模样，并采用研磨和抛光工序进行处理，用4%浓度的HNO3酒精液腐蚀其表面，再次对其微观组织形貌进行观察，用电子探针（生产商：欧波同材料分析研究中心；型号：JXA-8230）扫描元素成分及含量，分析其中的偏析行为。
2 试验结果分析
2.1 力学性能
10个55SiCr弹簧钢丝样品以12m/min的走线速度进行热处理，其力学性能检测结果为：抗拉强度1850~1860MPa；断面收缩率31%~42%。表明样品钢无较大差异的抗拉强度，但断面收缩率具有显著差异。因此用断面收缩率最小和最大的两个试验钢进行后续观测（设最小断面收缩率的样品为a，最大断面收缩率的样品为b）。
2.2 微观组织
使用仪器进行观察，发现样品表层组织带状偏析不明显，1/2半径处断续分布着较亮且轻的白色带状偏析，越到中心位置呈现状态越明显，其分布贯穿于整个样品，且具有较大的宽度。
用扫描镜观察试验钢纵截面心部组织，不同断面收缩率的钢丝会呈现差异显著的偏析带样式，但没有偏析带的区域则具有相同的微观组织。a和b的偏析带都十分明显，且a该伴有显著的微孔洞，说明a的元素偏析更为严重。在仪器观察下发现，未溶粒状碳化物和块状组织共同构成了偏析带微观组织，而没有偏析带的区域并没有发现显著的块状组织，经两种样品的比对，a中块状组织及未溶粒状碳化物的数量及尺寸比b更大。合金元素的含量高会提升偏析带的耐蚀性，块状特征更为显著，这也是热处理后偏析带与非偏析带呈现不同组织特征的根本原因。
用电子探针对a和b的元素分布进行分析，分析位置如图1所示，分析结果详见表2。
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与非偏析带区域相比，偏析带上的C质量分数较低，而Mn、Cr、Si质量分数偏高。经电子探针对的分析结果显示（图2所示），偏析带上Mn、Cr、Si有偏聚现象，Mn、Si的质量分数有较大的波动，使C分布受到影响，且Mn、Cr、Si质量分数从偏析带区域到非偏析带区域不断降低，分析结果与扫描能谱相同。试验钢两个区域C质量分数均比其化学成分高将近0.60%，这是由于电子探针对C元素的定量分析并没有过高的激发强度，但具有较长的谱线波长，导致窗口吸收严重而减弱了信号强度，再加上校正计算的结果与预期值存在较大误差，因此有很大的测量误差波动。同时，由于之后使用HNO3酒精液腐蚀了测量样品，对C元素的测量造成了一定影响，因此难以保证实际测量出C质量分数。然而C的负偏析现象可在同等条件下反映出来。
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3 讨论
通过上述分析可见，与非偏析区域相比，偏析区域Mn、Cr、Si的含量更高，但C则呈现出负偏析，偏析区域带状组织亮白特征显著，且更耐腐蚀。在试验钢的拉伸过程中，偏析带上低断面收缩率的样品呈现轻微的裂纹。
元素偏析行为是钢丝偏析的影响因素之一，在选分结晶的作用下，柱状晶逐渐增长产生了偏析层，富集溶质元素导致凝固前就形成了成分过冷区，结晶在逐渐凝固期间穿过偏析层到达钢水中，钢水温度虽高但过冷度较大，因此会出现合金元素偏析的现象[4]。这种现象在热处理后也是无法有效消除的，会在各项工艺的开展中逐渐形成带状组织，并在Cr元素的影响下呈现白亮的色泽。样品在热处理期间，偏析带状组织会吸附周围的C原子，但在Si元素的加持下，温度得到一定控制，无法将Fe元素全部溶解。而Mn、Cr、Si的存在也会使C扩散受到阻碍，导致C碳质量分数低于非偏析带区域。将高温环境保持一段时间，可减缓55SiCr弹簧钢丝带状组织中Mn、Cr、Si的偏析现象。
基于试验钢偏析的带状组织方向性明显，且C、Mn、Cr含量较高，有更强的硬度，因此试验钢变形期间，偏析带的协调性较差，导致应力出现集中现象，增加了带状偏析的严重程度，使微裂纹的可能性无限增大，若不及时加以干预必然会导致钢丝断裂，这就是断面收缩率低会加剧偏析程度的原因[5]。也就是说，55SiCr弹簧钢丝连铸期间形成的偏析现象无法在热处理期间消除，即使当前的技术逐渐先进与高端，但这种问题仍无法有效解决，但可以通过一定手段的实施减缓这种现象的严重程度，从而延长弹簧钢丝的使用寿命。
4 结束语
综上所述，55SiCr弹簧钢丝的带状组织是在凝固期间形成的，与Mn、Cr、Si元素有关，热处理并不能使各元素分布均匀化，这种偏析现象会使局部耐蚀性有所提升，呈现偏析带块状结构。同时在应力集中的作用下，偏析带出现微裂纹并向垂直方向扩展，使元素偏析程度加剧，并大幅降低了断面收缩率。通过连铸和轧制工艺可使这种偏析行为得到改善，但如何将这种问题有效解决仍需作出进一步研究。
参考文献
[1] 张权企, 董娟. 乘用车悬架弹簧55SiCr卷簧断裂分析[J]. 现代冶金, 2019(6):11-14.
[2] 王红, 邱官升. 汽车电控悬架系统检修关键技术研究[J]. 微型电脑应用, 2019, 035(006):153-155.
[3] 邢献强, 曹文全, 王存宇. 汽车悬架系统用55SiCr弹簧钢丝带状组织[J]. 钢铁, 2020, v.55(03):73-78.
[4] 郭春杰、钟海兵、尹庆、路英竹. 汽车悬架系统电控减振技术应用探析[J]. 时代汽车, 2020, No.340(16):157-158+165.
[5] 薛喜才, 邵白明. 汽车悬架弹簧断裂原因分析[J]. 理化检验(物理分册), 2020, v.56(01):70-73.