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1、汽车内燃机用氮化气阀弹簧的最新进展Recent Progress With Nitrided Valve Spings for Automobile Internal Combustion Engines【摘要】研究了三种不同等级油回火钢丝制造的气阀弹簧的气体氮化特性。并进一步研究了具有最高热稳定性的油回火钢丝（SOTHS）制造的弹簧。研究结果表明，经气体氮化及复合喷丸（最后一次喷丸采用平均尺寸小于50um的极细钢球，称为SS处理）处理的弹簧，在循环基数为5107的条件下的疲劳极限高达736Mpa（平均应力）+/-665Mpa（应力幅），同时还探讨了弹簧获得高疲劳强度的机理。1 前言 作者以前
2、的文章曾报道，对正常喷丸（用0.6mm直径切割钢丝丸）无氮化处理的高强度SOTHN气阀弹簧1、正常喷丸气体氮化的高强度SOTHN气阀弹簧或正常喷丸气体氮化的高强度SOTHS气阀弹簧2，用平均直径小于50m的细钢丸进行喷丸处理（本文简称为SS处理），其疲劳强度和表面残余压应力都可以得到显著提高。准确地说，在SS处理中，二次喷丸所用细钢丸的平均直径为43m、平均硬度为HV850左右。在本文的第一部分，由不同等级气阀弹簧钢丝即普通的JIS SWOSC-V钢丝（气阀弹簧优质CrSi钢油回火钢丝，相当于SAE9254）和两种高强度气阀弹簧优质钢丝即SOTHN钢丝1，2和最近开发的SOTHS钢丝2，3制造
3、的螺旋弹簧，在相同条件下进行气体氮化，同时对这三种不同钢丝等级对综合氮化特性的影响进行了研究。研究发现，在这三种等级的钢丝中，最新开发的高强度等级的SOTHS氮化气阀弹簧的表面和心部硬度最高，从而对氮化弹簧的应力松弛抗力最好。因此，在下面的试验中，只对高强度SOTHS气阀弹簧进行疲劳研究。作者以前的文章报道，经气体氮化和两次喷丸处理（即常规的喷丸加SS处理）的高强度SOTHS气阀弹簧，即使在平均剪切应力m686MPa（：）+/-a667Mpa的高应力范围作用下也无疲劳裂纹产生，因而没有得到所谓的S-N曲线和疲劳极限应力。本文也报道了以往文章中没有涉及的经气体氮化和两次喷丸处理的高强度SOTHS
4、弹簧的硬度和残余应力分布。这样，在本次疲劳研究中，和以往文章中报道的3.2mmSOTHS氮化弹簧相比，为了在更高的应力水平下进行疲劳试验，对钢丝的直径和用以疲劳测试的SOTHS弹簧的尺寸进行了精选。同时，为了成功地获得S-N曲线，和以往文章中报道的弹簧相比，氮化工艺也在一定程度上作了改变，以获得更高的心部硬度。具体地说，本次研究中氮化温度降到703K,时间减到3hrs，相对而言，以往研究中氮化温度为723K，时间为7hrs2。在作者以往的文章中，气体氮化后第一次喷丸用0.6mm直径的线制钢丸，在本次研究中，为了在弹簧表层得到更深的残余压应力，喷丸工艺也做了改变，采用最近文章中的喷丸工艺。最后应
5、用SS处理。研究结果，在5107 应力循环周期条件下，从S-N曲线或按统计方式得到的疲劳极限应力分别为736MPa+/-687MPa或736MPa+/-665MPa。残余应力和硬度分布以及表面粗糙度也作了测量。在这些研究的基础上，本文的后一部分探讨了获得高疲劳强度的原因。2 试验材料及实验方法2.1试验材料 本次研究第一部分所用的钢丝是常规等级钢丝JIS SWOSC-V，两种高强度等级的SOTHN和SOTHS钢丝。和气阀弹簧优质钢丝一样，所有的这些钢丝在Suncall公司Kyoto工厂的常规气阀弹簧钢丝生产线上制造，即热卷丝棒（原材料）经剥皮、热处理、酸洗、拔丝到最终直径和油回火。钢丝的化学成
6、分列于表1。JIS SWOSC-V钢丝和SOTHN钢丝的直径为3.2mm，SOTHS钢丝直径为4.0mm。此外，以往报道中研究的3.2mm直径的SOTHS钢丝的化学成分也列于表1。除了3.2mm直径的SOTHS钢丝，其他钢丝供货状态下的抗拉强度列于表2。表1 钢丝的化学成分 质量百分数钢丝等级CSiMnNiCrVSWOSC-V(9254)0.551.400.700.030.65-SOTHN0.581.490.700.290.840.07SWTHS(4.0mm)0.601.980.870.260.980.09SWTHS(3.2mm)0.562.060.910.290.970.11表2 不同等级钢
7、丝的抗拉强度钢丝等级钢丝直径mm抗拉强度MPa断面收缩率SWOSC-V3.2194356.5SOTHN3.2209151.5SOTHS4.0216438.62.2实验方法2.2.1三种等级钢丝制造的弹簧的气体氮化特性为了研究钢丝等级对气体氮化特性的影响，表2中所列的三种钢丝冷绕成螺旋弹簧，在708K去应力回火20分钟、表面处理、在703K气体氮化180分钟、喷丸、在493K应变时效回火20分钟。所制造弹簧的尺寸列于表3。表3 试验用弹簧的尺寸钢丝等级SWOSC-V SOTHNSOTHS钢丝直径（mm）3.24.0平均卷绕直径（mm）21.222.0总卷绕数（圈）6.56.5有效圈数（圈）4.5
8、4.5自由高度（mm）5353SWOSC-V和SOTHN弹簧的喷丸工艺如下：0.6mm直径HV550硬度的线制钢丸以72m/sec的速度冲击弹簧表面40分钟。对4.0mm的SOTHS弹簧，用直径约0.8mm的高硬度线制钢丸进行更大强度的喷丸后，SS处理20分钟。喷丸后，所有的弹簧在493K应变时效回火20分钟，然后在1294Mpa应力下进行冷预压。处理完后的弹簧，分析其表层的硬度和氮分布，同时用弹簧压紧测试仪测试其应力松弛情况。在测量硬度分布时，应用基准线法2用微观维氏硬度计测量硬度。硬度测量时所用负荷为2.94N（300grf），在最表层所用负荷为0.98N（100grf）。表层氮的分布用J
9、EOL公司JXA-8800RL型X射线微分析系统分析。弹簧表层氮含量的测量在每根弹簧的抛光横截面上进行，用线分析模式从弹簧表面开始一直测量到离表面约0.14mm的深度，测试条件为电子束加速电压1.5kV，电流0.3uA。弹簧压紧试验如下：试验弹簧用钢螺帽和螺栓压缩到预定的高度，然后放在393K的炉子里保持48小时后冷却到室温。测量试验弹簧在393K加热48小时所引起的载荷损失P，（在日本，称为残余剪切应变即由于弹性变形导致载荷损失P而引起的平均弹性剪切应变，正比于载荷损失P，或者等于剪切应力松弛除以剪切模量）由下式计算：8DP/(d3G)100（%）式中D: 弹簧平均直径P:载荷损失d:钢丝直
10、径G:剪切模量2.2.2弹簧疲劳试验 根据上述氮化弹簧性能的对比性试验研究，用热稳定型最优、性能最好的4.0mm的SOTHS氮化弹簧进行疲劳试验，弹簧的制造过程和前文介绍的制造过程一致。弹簧疲劳试验在液压伺服脉冲型疲劳机上进行。应力循环速度为1200rpm。如果试验过程中没有裂纹产生，每次疲劳试验进行到5107周期。2.2.3 纳米压头硬度测量 用MTS系统公司的纳米压头XP沿绝热剪切带测量硬度分布。测量时用金刚石三角锥型压头（Berkovich压头），压痕深度为300nm4。2.2.4残余应力分布 用Rigaku公司的PSPC微区X射线残余应力分析仪测量残余应力。测量采用CrK线和Fe（21
11、1）X射线衍射峰。3试验结果3.1钢丝等级和氮化特性 每一根气体氮化弹簧表层的氮含量如图1。弹簧表面氮扩散的深度或氮化层的深度约80um，和试验的钢丝等级无关。具体来讲，SWOSC-V、SOTHN、SOTHS弹簧最表层的氮含量分别为1.9，3.0，6.9（质量百分数）。图1表明所有氮化弹簧的最表层，都存在铁氮化合物颗粒（可能是铁氮化合物Fe23N）或薄膜（根据从Fe2N到Fe3N的化学成分变化，纯铁氮化合物含有约7.7到11.1（质量百分数）的氮）。因为铁中固溶的氮含量远小于1.9（质量百分数）。 图1 用X射线微分析系统的线分析模式分析的表层氮含量图2显示不同钢丝等级弹簧经703K下氮化3h
12、r，喷丸，应变时效退火，预压）处理后所测量的硬度分布。SOTHS、 SOTHN、SWOSC-V（CrSi钢）弹簧的心部硬度分别约HV550、HV530、HV490。比较这三种弹簧的表面硬度，SOTHS弹簧硬度最高，SWOSC-V弹簧硬度最低。应该注意到，不但氮含量对弹簧表面附近的硬度有影响，而且喷丸工艺对其也有影响。按照Y.Oki等人的研究5，经过加热、油淬和一定条件下回火处理，抗拉强度最高的钢丝是SOTHS，然后是高碳SAE9254（本次研究中没进行测试）。SWOSC-V等同于SAE9254钢丝，在本试验的三种钢丝中，SWOSC-V钢丝的抗拉强度最低。根据报道5，和其他钢丝相比，SOTHS钢
13、丝中C、Cr、V、Si含量的提高有助于提高硬度。图2 气体氮化弹簧的显微维氏硬度分布（氮化工艺：703K、3hrs；负荷：最表层0.98N，其他部位2.94N）本次研究中用三种钢丝等级制造的一些氮化弹簧在393K进行48小时的弹簧压紧试验，并测试了应力松弛性能。图3是获得的试验结果。图中的曲线数据很明显地显示，氮化SOTHS钢丝比其他等级的钢丝弹簧有优越性。氮化弹簧在气体氮化过程中心部保持高硬度是获得优良抗应力松弛性能的重要因素。图3 三种不同等级钢丝气体氮化弹簧的压紧试验结果（393K,48hrs）3.2喷丸中微裂纹的预防专长于弹簧技术的工程师知道，和正常条件下喷丸的弹簧相比，用过大动能的粒
14、子喷丸的弹簧通常有更低的疲劳强度和更粗糙的弹簧表面。这种过于强烈的喷丸有时称为过喷丸。图4显示了过喷丸SOTHS弹簧横截面的一个例子。图中清楚地显示，在没氮化的弹簧表层，在腐蚀成白色的绝热剪切带产生的微裂纹。这种绝热剪切带是金属和合金中局部剪切变形的痕迹，是高应变速率冷变形到大塑性应变的结果。沿过喷丸SOTHS弹簧中的绝热剪切带，用Nano压头测量的硬度截面及其SEM图象如图5。SEM图象中的数字表示硬度分布曲线中测量点数相对应的压痕。发现测量点6上的剪切带有非常高的硬度即10.37Gpa（相当于HV964）。根据更高放大倍数的SEM观察（如图6），这是局部狭窄的异常剪切带应变硬化的结果，而不
15、是马氏体转变的硬化结果。图4 SOTHS弹簧因过喷丸而产生的微裂纹（钢丝横截面经硝酸酒精腐蚀后的光学显微镜照片）图5沿剪切带用Nano压头测量的硬度分布（上图）及硬度测量压痕的SEM图象（下图）。沿测量点6的黑色垂直线为剪切带。SEM图象的右侧为表面。图6 剪切带及带上压痕的SEM图象（对应图5中的测量点6）因为剪切带受到过量的塑性变形导致脆性，所以在这样硬度较高的剪切带上容易开裂似乎是合理的。实际上，根据旋转束型钢丝疲劳试验，和最适当强度喷丸的无氮化SOTHN钢丝相比，按图4和图5中的喷丸工艺喷丸的无氮化SOTHN钢丝其疲劳强度更低。对于在相当低的工作应力循环作用下的无氮化气阀弹簧，表层微裂纹对其疲劳性能无决定性影响。但如果氮化气阀弹簧中存在这种表层微裂纹，则在比残余压应力更高的工作循环应力作用下，这种表层微裂纹有可能扩展并导致疲劳开裂。因为随着弹簧表层硬度的提高，微裂纹更容易扩展。而氮化气阀弹簧的表层硬度比无氮化气阀弹簧高的多。虽然氮化弹簧表层更高的残余压应力可以减低微裂纹附近的实际拉应力从而减缓和阻止裂
