一種耐腐蝕的彈簧懸架的製作方法

2023-04-24 06:29:06

本發明涉及一種耐腐蝕的彈簧懸架，屬於合金材料加工技術領域。

背景技術：

鋼鐵應用於工業生產和生活中的各個方面，在人類的生活和工作中有著十分重要的作用，是科技發展的基礎，但鋼鐵在大氣中易鏽蝕且鏽蝕過程相當複雜，對工業生產及人們的生活產生不同程度的不利影響，帶來不必要的經濟損失。在我國，據中國工業和自然環境腐蝕調查項目組2008年調查結果顯示，由腐蝕造成的直接經濟損失達2300億元，間接經濟損失為5000～6000億元，相當於當年我國國民生產總值的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於車輪上的垂直反力(支承力)、縱向反力(驅動力和制動力)和側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。現有技術中的彈簧懸架一般採用普通合金鋼通過普通的成型工藝製成，其性能較為一般，尤其是強度、耐磨性、耐腐蝕性都較低。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種同時具有較高耐腐蝕性和機械性能的彈簧懸架。

本發明的目的可通過下列技術方案來實現：一種耐腐蝕的彈簧懸架，所述的耐腐蝕的彈簧懸架由合金鋼製成，所述合金鋼的組成元素及其質量百分比為：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％，餘量為Fe及不可避免的雜質。

本發明耐磨彈簧懸架的合金鋼中降低了碳含量、鉻含量，並添加了稀土元素，通過各元素之間產生的協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，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與抗氧化能力。散熱性能、抗生長和抗氧化能力的提高又能進一步提高合金鋼的高溫性能，使其在高溫環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性。稀土的影響與合金元素進行配合，進一步提高彈簧懸架合金鋼的強韌性。在本發明彈簧懸架的合金鋼中若碳含量過低，在加工中的深冷處理會嚴重影響強度和硬度，若碳含量過高，塑性低，還會影響後續的成型及電鍍過程中的性能，造成開裂等問題。為了避免在滲層中發生內氧化形成「黑色網狀組織」缺陷，本發明彈簧懸架合金鋼中Si含量要求控制在0.20％以下。當加入0.14-0.20％Si可以提高彈簧懸架的強度，若Si含量低於0.14％，則會影響彈簧懸架的屈服強度。儘管Mn是固溶強化元素，但在本發明彈簧懸架合金鋼中，若錳含量大於1.15％，則會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，此外Cr、Si、Al都可生成緻密的氧化物，形成保護膜。鋁是最基本、最有效的細化晶粒元素，在鋼中主要以AlN形式存在。AlN主要分布於晶界，起到釘扎晶界阻止晶粒長大的作用。當合金鋼中鋁含量較高，但氮含量較低時，則不能形成足夠的AlN使其均勻的分布於奧氏體晶界。AlN數量較少必然導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大，這也是產生混晶，即晶粒局部異常長大的主要原因。經不斷試驗發現，在本發明彈簧懸架合金鋼中鋁含量為0.03-0.05％時，控制Al/N≥3能夠保證在在後續的熱處理時不發生混晶現象。本發明彈簧懸架合金鋼中加入0.08-0.15％V細化組織晶粒，提高強度和韌性。釩不僅是強化合物形成元素，還是鋼材優良的脫氧劑，能與碳的結合，形成高熔點、高硬度、高彌散度且穩定的VC碳化物，且0.08-0.15％V與0.8-1.15％Mn起協同作用，共同提高鋼的強度和硬度，其原因在於V與Mn配合使用不僅可以細化晶粒，還可以得到更高體積分數的彌散分布析出顆粒，同時起到細晶強化和彌散強化的作用，還可以提高彈簧懸架的強度、韌性以及抗腐蝕能力。且本發明彈簧懸架合金鋼中由於0.08-0.15％稀土的存在，與0.08-0.15％V一起增強了彈簧懸架合金鋼組織細化的程度，從而使其擴散係數降低，減輕其氧化程度。同時碳化物在回火的過程中析出速度和長大速度都較為緩慢，提高了鋼的強度和抗回火穩定性。

未加入稀土時，合金鋼組織非常不均勻，相對碳化合物尺寸較大，網狀二次碳化合物較為明顯。加入少量的稀土時，合金鋼二次碳化合物斷網明顯。一定範圍內稀土含量越高，組織越來越均勻，越來越細。稀土含量的增加使得碳化合物支晶和萊氏體網格越來越細，進而提高合金鋼的衝擊韌性。含稀土越多，碳化物尺寸越小，這種特徵在提高放大倍數後非常明顯。此外稀土元素還可融入碳化合物中，或者與氧、磷、硫、矽、鋁發生反應生成氧化物等，降低有害雜質對脆性的影響。經不斷試驗發現，在本發明彈簧懸架合金鋼中添加0.08-0.15％稀土對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的影響等綜合效果較為明顯。

一般的合金鋼中，硫、磷等雜質元素的非金屬夾雜會破壞鋼的基體連續性，在靜載荷和動載荷的作用下，往往成為裂紋的起點，影響合金鋼的性能，但是本發明為了提高彈簧懸架切削性，需要添加一定的硫含量。

本發明還提供一種耐腐蝕的彈簧懸架的加工工藝，所述的加工工藝包括如下步驟：

按耐腐蝕的彈簧懸架所用合金鋼的組成元素及質量百分比配料，將原料熔煉成鋼水，鋼水經真空冶煉、澆注、軋製成鋼板，並將鋼板加工成型，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，然後在230-250℃下低溫回火處理120-145min，得彈簧懸架半成品；

將彈簧懸架半成品在20-30℃的電鍍液中處理50-120min，經鈍化處理、封閉處理得耐腐蝕的彈簧懸架成品。

本發明先採用深冷處理，使殘餘奧氏體向馬氏體轉變，促使馬氏體孿晶細化並析出超微細碳化物，提高材料硬度與耐磨性。未經深冷處理後的合金鋼在其表面的硬度較低，容易出現低頭現象，而經過深冷處理後的合金鋼，表層中原先較多的殘餘奧氏體在深冷處理中繼續向馬氏體轉變，增加有效硬化層深度，提高了表面硬度，產品表層的硬度可提高25-40％左右，因此消除了低頭現場。馬氏體和殘餘奧氏體是不穩定的相，有自發地向鐵素體+滲碳體組織轉變的趨勢。本發明在深冷處理後再經低溫回火，碳原子偏聚形成富碳原子團，馬氏體開始分解，馬氏體中溶解的過飽和碳濃度下降，正方度減少，並有碳化物析出形成回火馬氏體。在230-250℃回火時，殘餘奧氏體也發生轉變生成回火馬氏體，進一步提高彈簧懸架的表面硬度與耐磨性。

另外，本發明原料煉鋼中採用真空冶煉。合金鋼中的氧含量和非金屬夾雜物，尤其是氧化物，對彈簧懸架合金鋼的疲勞壽命有著相當大的影響，因此，本發明採用真空冶煉，提高合金鋼的純淨度，進而提高彈簧懸架的接觸疲勞性能，提高其使用壽命。通過真空冶煉氧含量從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％時的接觸疲勞壽命提高了29％，存活率為95％時接觸疲勞壽命提高了20％。

在上述彈簧懸架的加工工藝中，深冷處理後的升溫速率為3-5℃/min。即深冷處理後，以3-5℃/min的速率升溫至230-250℃進行回火處理。

在上述彈簧懸架的加工工藝中，電鍍液的成分為：鋅離子15-25g/L，鎳離子1.8-2.8g/L，氫氧化鈉150-200g/L，四乙烯五胺10-15g/L，乙烯亞胺8-15ml/L，檸檬酸5-6g/L，酒石酸鉀鈉15-20g/L。

鋅-鎳合金鍍層之所以有優良的耐蝕性是因為合金鍍層的穩定電位介於鋅和基體(鋼鐵)之間，較小的電位差導致鍍層腐蝕較慢。鋅-鎳合金的腐蝕產物主要是ZnCl2·4Zn(oH)2。該腐蝕產物均勻、緻密地覆蓋在鍍層表面，不易導電，有很好的保護作用；而鋅鍍層的腐蝕產物主要是ZnO，結構疏鬆，起不到保護作用。此外，本發明電鍍鋅-鎳合金層中，鋅-鎳合金屬於y相(金屬間化合物)，具有最高的熱力學穩定性，因而耐蝕性較好；而鋅鍍層是叩相結構(緊密六方晶系)，熱力學穩定性較差。本發明在彈簧懸架坯件表面通過上述的電鍍工藝電鍍鋅-鎳合金層具有如下幾個優點：1、鍍層沉積速率快；2、鍍液的均鍍能力高；3、電流效率高；4、鍍液電流密度範圍寬，鎳共析率穩定，分散能力及深鍍能力優異，對設備腐蝕性小；5、鋅-鎳合金鍍層中的鋅、鎳含量直接影響壓彈簧懸架的耐腐蝕性能(劣化率)，而鍍層中鋅、鎳的含量受鍍液成分的影響，本發明鍍層中鎳的質量分數可嚴格控制，溶液中的成分便於穩定控制，鈍化膜不易變色，且廢水處理簡單；6、本發明電鍍液穩定，可保持長期使用，大大提高了電鍍原材料的利用率。

鋅離子源為能在該電解液的鹼性介質中溶解的鋅化合物，如氧化鋅、硫酸鋅、碳酸鋅、氨基磺酸鋅、醋酸鋅中的一種或多種，在鍍液中鋅是以鋅酸根離子的形式存在。鎳離子源為能在該鹼性電解液中溶解的鎳化合物，如硫酸鎳、碳酸鎳、醋酸鎳、氨基磺酸鎳、甲酸鎳中的一種或多種。

本發明電鍍液中的乙烯亞胺與四乙烯五胺一起作添加劑，起著與鎳離子絡合的作用。所述的電鍍液中還可以添加光亮劑。

作為優選，電鍍時依次分三階段進行電鍍，第一階段的電流密度為2.0-2.5A/dm2，電鍍時間為5-8min，第二階段的電流密度為2.5-3.5A/dm2，電鍍時間為15-30min，第二階段的電流密度為3.6-3.8A/dm2，電鍍時間為10-12min。

在不同的階段採用不同的電流密度，隨時間逐漸加大電流密度，有利於膜的均勻沉積，防止沉積不均勻導致的脫落現象。

在上述彈簧懸架的加工工藝中，封閉處理為將彈簧懸架半成品先浸入矽烷試劑中進行矽烷化處理，取出乾燥後再在封閉液中處理50-150s，其中封閉液的成分為7-11g/L的Na2MoO4.H2O，10-15g/L磷酸鹽，10-30g/L磷酸，pH為4.2-4.6，封閉處理的溫度為55-62℃。

本發明彈簧懸架加工中在鉬酸鹽溶液封閉處理前先進行矽烷化處理，進一步改善其耐腐蝕性能。經鉬酸鹽溶液封閉處理後，彈簧懸架表面膜層較為連續完整緻密。鉬酸鹽較好地填充了矽烷膜的針孔和微裂紋，對基體起到了很好的物理屏障作用，降低了基體被腐蝕的可能性。隨著鉬酸鹽封閉時間的延長，腐蝕面積先減小，耐蝕性提高。但是當封閉時間超過120s後，腐蝕面積增大，耐蝕性逐漸下降。其原因在於矽烷化的鍍鋅-鎳彈簧懸架浸入到鉬酸鹽溶液中後首先填充了矽烷膜的孔隙，耐蝕能力提高；隨著封閉處理時間的增加，鉬酸鹽轉化膜的厚度不斷增加，耐蝕能力繼續增加，到封閉處理100s時達到最佳狀態；其後隨著封閉處理時間的繼續增加超過150s，轉化膜會發生開裂現象，且逐漸成為耐蝕性的主控因素，導致彈簧懸架表面膜層抗蝕性能整體性呈現下降趨勢。

作為優選，矽烷化處理時的溫度為32-38℃，pH為3.5-4.5，時間為80-100s。

進一步優選，所述的矽烷試劑通過7％乙烯基三甲氧基矽烷的甲醇溶液與去離子水按體積比為(4-8):(92-96)混合攪拌水解1-2h製得。

本發明中使用的矽烷試劑合成簡單，該無汙染，矽烷化處理過程簡單，該矽烷試劑的分子含有X3Si(CH2)nY結構(其中，X代表可水解基團，Y代表有機官能團)。有機官能團矽烷可水解為矽醇Si-OH，矽醇羥基在金屬基體表面形成氫鍵，進一步脫水形成Si-O-M(M為金屬基體)，以共價鍵結合，同時矽醇分子間相互縮合成Si-O-Si鏈，最終聚合形成較厚的三維網絡結構膜層，覆蓋在金屬基體表面，從而大幅度提高彈簧懸架基體的耐蝕性。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1、本發明彈簧懸架的成分配伍合理，通過其組成元素及其元素之間產生的協同作用，提高彈簧懸架的硬度、強度、耐腐蝕性等性能。

2、本發明彈簧懸架通過先深冷處理+低溫回火，再在其表面電鍍鋅-鎳合金層，經鈍化後進行矽烷化處理的封閉處理，進一步提高彈簧懸架的耐腐蝕性及機械性能。

具體實施方式

以下是本發明的具體實施例，對本發明的技術方案作進一步的描述，但本發明並不限於這些實施例。

實施例1

原料煉鋼：按彈簧懸架所用合金鋼的組成元素及質量百分比配料：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％，餘量為Fe及不可避免的雜質；將原料熔煉成鋼水，鋼水經真空冶煉、澆注、軋製成鋼板，並將鋼板加工成型，得彈簧懸架坯件。

將彈簧懸架坯件在-150℃下深冷處理1.2h，然後以4℃/min的速率升溫至240℃進行低溫回火處理135min，得彈簧懸架半成品。

將彈簧懸架半成品在42℃的電鍍液中處理40min，電鍍液的成分為：鋅離子20g/L，鎳離子2.4g/L，氫氧化鈉180g/L，四乙烯五胺12g/L，乙烯亞胺10ml/L，檸檬酸5.5g/L，酒石酸鉀鈉18g/L；電鍍時依次分三階段進行電鍍，第一階段的電流密度為2.2A/dm2，電鍍時間為6min，第二階段的電流密度為2.8A/dm2，電鍍時間為22min，第二階段的電流密度為3.7A/dm2，電鍍時間為11min；然後將電鍍後的半成品先鈍化處理，再浸入矽烷試劑(矽烷試劑通過7％乙烯基三甲氧基矽烷的甲醇溶液與去離子水按體積比為6:94混合攪拌水解1.5h製得)中在36℃，pH為4.0的條件下進行矽烷化處理90s，取出乾燥後再在封閉液中處理100s即可得本發明耐腐蝕的彈簧懸架成品，其中封閉液的成分為8g/L的Na2MoO4.H2O，12g/L磷酸鹽，20g/L磷酸，pH為4.4，封閉處理的溫度為58℃。

實施例2

原料煉鋼：按彈簧懸架所用合金鋼的組成元素及質量百分比配料：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％，餘量為Fe及不可避免的雜質；將原料熔煉成鋼水，鋼水經真空冶煉、澆注、軋製成鋼板，並將鋼板加工成型，得彈簧懸架坯件。

將彈簧懸架坯件在-160℃下深冷處理1.4h，然後以3.8℃/min的速率升溫至238℃進行低溫回火處理140min，得彈簧懸架半成品。

將彈簧懸架半成品在40℃的電鍍液中處理45min，電鍍液的成分為：鋅離子22g/L，鎳離子2.0g/L，氫氧化鈉160g/L，四乙烯五胺14g/L，乙烯亞胺10ml/L，檸檬酸5.2g/L，酒石酸鉀鈉16g/L；電鍍時依次分三階段進行電鍍，第一階段的電流密度為2.4A/dm2，電鍍時間為7min，第二階段的電流密度為3.2A/dm2，電鍍時間為18min，第二階段的電流密度為3.6A/dm2，電鍍時間為11min；然後將電鍍後的半成品先鈍化處理，再浸入矽烷試劑(矽烷試劑通過7％乙烯基三甲氧基矽烷的甲醇溶液與去離子水按體積比為5:95混合攪拌水解1.2h製得)中在34℃，pH為4.2的條件下進行矽烷化處理85s，取出乾燥後再在封閉液中處理120s即可得本發明耐腐蝕的彈簧懸架成品，其中封閉液的成分為10g/L的Na2MoO4.H2O，14g/L磷酸鹽，16g/L磷酸，pH為4.5，封閉處理的溫度為60℃。

實施例3

原料煉鋼：按彈簧懸架所用合金鋼的組成元素及質量百分比配料：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％，餘量為Fe及不可避免的雜質；將原料熔煉成鋼水，鋼水經真空冶煉、澆注、軋製成鋼板，並將鋼板加工成型，得彈簧懸架坯件。

將彈簧懸架坯件在-138℃下深冷處理1.5h，然後以3℃/min的速率升溫至250℃進行低溫回火處理120min，得彈簧懸架半成品。

將彈簧懸架半成品在45℃的電鍍液中處理30min，電鍍液的成分為：鋅離子15g/L，鎳離子2.8g/L，氫氧化鈉150g/L，四乙烯五胺15g/L，乙烯亞胺8ml/L，檸檬酸6g/L，酒石酸鉀鈉15g/L；電鍍時依次分三階段進行電鍍，第一階段的電流密度為2.5A/dm2，電鍍時間為5min，第二階段的電流密度為3.5A/dm2，電鍍時間為15min，第二階段的電流密度為3.8A/dm2，電鍍時間為10min；然後將電鍍後的半成品先鈍化處理，再浸入矽烷試劑(矽烷試劑通過7％乙烯基三甲氧基矽烷的甲醇溶液與去離子水按體積比為4:96混合攪拌水解2h製得)中在32℃，pH為3.5的條件下進行矽烷化處理100s，取出乾燥後再在封閉液中處理150s即可得本發明耐腐蝕的彈簧懸架成品，其中封閉液的成分為11g/L的Na2MoO4.H2O，10g/L磷酸鹽，30g/L磷酸，pH為4.2，封閉處理的溫度為55℃。

實施例4

原料煉鋼：按彈簧懸架所用合金鋼的組成元素及質量百分比配料：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％，餘量為Fe及不可避免的雜質；將原料熔煉成鋼水，鋼水經真空冶煉、澆注、軋製成鋼板，並將鋼板加工成型，得彈簧懸架坯件。

將彈簧懸架坯件在-170℃下深冷處理1h，然後以5℃/min的速率升溫至230℃進行低溫回火處理145min，得彈簧懸架半成品。

將彈簧懸架半成品在38℃的電鍍液中處理50min，電鍍液的成分為：鋅離子25g/L，鎳離子1.8g/L，氫氧化鈉200g/L，四乙烯五胺10g/L，乙烯亞胺15ml/L，檸檬酸5g/L，酒石酸鉀鈉20g/L；電鍍時依次分三階段進行電鍍，第一階段的電流密度為2.0A/dm2，電鍍時間為8min，第二階段的電流密度為2.5A/dm2，電鍍時間為30min，第二階段的電流密度為3.6A/dm2，電鍍時間為12min；然後將電鍍後的半成品先鈍化處理，再浸入矽烷試劑(矽烷試劑通過7％乙烯基三甲氧基矽烷的甲醇溶液與去離子水按體積比為8:92混合攪拌水解1h製得)中在38℃，pH為4.5的條件下進行矽烷化處理80s，取出乾燥後再在封閉液中處理50s即可得本發明耐腐蝕的彈簧懸架成品，其中封閉液的成分為7g/L的Na2MoO4.H2O，15g/L磷酸鹽，10g/L磷酸，pH為4.6，封閉處理的溫度為62℃。

對比例1

與實施例1的區別僅在於，採用普通合金鋼加工彈簧懸架。

對比例2

與實施例1的區別僅在於，採用普通電鍍工藝(如電鍍鋅或電鍍鉻)加工彈簧懸架。

對比例3

與實施例1的區別僅在於，採用普通的封閉劑進行處理，即未經過矽烷化處理。

在上述實施例中未明確說明的工藝均為現有技術中普通常規的工藝，如熔煉、澆注、軋制、鈍化處理等。上述實施例中所述的鋅離子源為氧化鋅、硫酸鋅、碳酸鋅、氨基磺酸鋅、醋酸鋅中的一種或多種；硫酸鎳、碳酸鎳、醋酸鎳、氨基磺酸鎳、甲酸鎳中的一種或多種。

將實施例1-4及對比例1-3中加工得到的彈簧懸架進行性能測試，測試結果如表1所示。

表1：實施例1-4及對比例1-3中加工得到的彈簧懸架的性能測試

從表1可知，本發明彈簧懸架採用配伍合理的合金鋼加工成，先深冷處理+低溫回火，再在其表面電鍍鋅-鎳合金層，經鈍化後進行矽烷化處理的封閉處理，進一步提高彈簧懸架的耐腐蝕性及機械性能。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。