超高强韧弹簧钢及其研究现状和发展趋势

陈礼清， 王 帅， 赵 阳

（东北大学 1. 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室；

2. 材料科学与工程学院， 沈阳110819）

作为一种重要的结构材料，弹簧钢被广泛应用于汽车、铁路车辆、航空航天、机械和仪器仪表等行业零部件的制造.弹簧是在周期性的弯曲、扭转等交变载荷下工作，经受拉、压、扭、冲击、疲劳、腐蚀等多种作用，有时还要承受极高的短时突变载荷.由于弹簧钢服役环境恶劣，受力状况复杂，对其综合性能要求十分严格，不仅要求具有高的淬透性，保证整个弹簧截面获得均匀的微观组织和良好的力学性能，还要求具有低的脱碳倾向和均匀细密的微观组织等.弹簧钢不仅要具有高的强度和疲劳极限，而且要具有一定的冲击韧性［1］.

随着汽车和铁路运输业向高速、重载以及轻量化方向发展，同时考虑节能环保等，对高强度、高寿命、高品质弹簧钢的需求日益增加，对弹簧钢的抗疲劳和抗弹减性能也提出了更高的要求.计算结果表明，弹簧的质量与设计应力的平方成反比［2］，设计应力与强度成正比.汽车用弹簧钢约占汽车总质量的8%～10%［3］，研究开发超高强度弹簧钢是实现汽车轻量化的有效途径.材料的强度和塑韧性之间存在着倒置的关系，如何在获得超高强度的同时也能得到良好的韧性，是新型弹簧钢研发中的重要研究内容.此外，弹簧钢的疲劳失效起始于工作表面，因此，弹簧钢的表面质量和表面处理等均会严重影响其疲劳寿命.对于一定化学成分的弹簧钢，如何在加工过程中控制其表面脱碳的倾向性，提高其疲劳寿命，也是新型弹簧钢研发工作的重要内容.

弹簧钢的研究和应用历史较为久远，弹簧主要有悬架和气门两大类，悬架用的弹簧可以分为螺旋弹簧、钢板弹簧和扭杆弹簧.随着我国汽车工业的发展，弹簧钢的需求量不断增加，对其性能的要求也越来越高.如何提高汽车悬架弹簧的疲劳寿命和使用寿命，发挥金属材料的潜力，减少材料用量以减轻车身自重，实现节能减排，受到广泛的关注.本文中概述了弹簧钢的特征和合金元素及其作用机理，同时对国内外超高强度弹簧钢的研究现状进行了分析和总结，指出了在研发超高强度弹簧钢时存在的主要问题及发展趋势，并列举了两种超高强韧弹簧钢的研究开发实例，为超高强度弹簧钢的研发提供参考.

根据弹簧钢的化学成分（文中所述的化学成分均指质量分数），可以分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢.碳素弹簧钢中的碳含量一般在0.60%～0.90%，锰含量在0.50% ～1.20%，如65Mn，70Mn，80Mn 和85Mn 等.由于碳素弹簧钢具有强度和韧性低、淬透性差、易脱碳等缺点，一般用来制作一些要求较低、不太重要的机械缓冲部件.合金弹簧钢是在碳素弹簧钢的基础上，适当添加一种或者多种合金元素来提高其强韧性、淬透性和抗疲劳性能等，因此合金弹簧钢的性能更加优越，应用也更加广泛.根据合金弹簧钢中的主要合金元素类型，可以分为Si-Mn，Si-Cr，Cr-Mn，Si-Mn-Cr，Cr-V 以及W-Cr-V 系弹簧钢等.为了满足某些特殊性能的需要，还可以在合金弹簧钢的基础上添加Ni，Mo，V 和B 等元素.在最新版国家标准《弹簧钢》（GB／T 1222—2016）中，共纳入了6 种碳素弹簧钢和20 种合金弹簧钢；
其他国家相应的弹簧钢标准中也有不同数量的弹簧钢钢种.

对于弹簧扁钢，可以利用控制轧制进行生产，使热塑性变形和固态相变相结合，充分发挥各种强韧化机制的强化作用，有效细化晶粒，使得弹簧钢具有超高的强度和良好的塑韧性.控制轧制主要是通过控制轧制温度、轧制道次以及变形程度，以此调控钢的轧后组织，进而获得需要的性能.冯光纯等［4］研究了控轧控冷工艺对60Si2Mn 弹簧钢组织性能的影响，采用奥氏体再结晶控制轧制并在轧后以6 ～10 ℃／s 的冷却速率控制冷却，可获得细小均匀的珠光体组织和少量铁素体组织，钢的强韧性明显提高，脱碳减少.崔娟等［5］研究了终轧温度对弹簧钢60Si2CrVAT 强韧性的影响，发现随着终轧温度的降低，热处理后钢的组织细小且均匀，索氏体含量增加，强度和塑性提高.

通过合适的淬火和回火工艺配合，可以有效提高弹簧钢的综合性能.一般选用冷却速率较低的矿物油作为弹簧钢的淬火介质，可以大大降低在淬火过程中弹簧钢中产生的内应力，防止淬火过程中的变形和开裂.大量的研究结果表明［6-7］：热处理工艺对弹簧钢的力学性能产生显著影响，不同种类的弹簧钢热处理工艺有所不同；
一旦弹簧钢的化学成分有小的改变，就应该重新进行试验，确定精确的热处理工艺参数，以获得最佳的微观组织状态和力学性能.对于何种类型的微观组织才能保证弹簧钢获得超高强韧性和超长的疲劳寿命，目前并没有确切的结论.最近有研究人员尝试将以等温淬火、淬火-配分等为代表的热处理工艺应用于制备高性能悬架弹簧钢，但是这些工艺制度对弹簧钢的疲劳性能指标有何影响则需进一步研究评估［8］.

早在2017 年，我国弹簧钢的产量就达到了300 万t，消费量超过320 万t，合金弹簧钢占据一半以上，其中汽车和铁路行业用量最大，超过80%［9］.进入21 世纪以来，汽车工业的快速发展引起轻量化、节能化、小型化、环保等问题备受关注，对于合金弹簧钢的需求进一步增加，尤其是对高性能合金弹簧钢的需求.因此，深入研究各种合金元素在弹簧钢中的作用，以及各种合金元素对弹簧钢组织和性能的协同影响，对于新型高强高韧弹簧钢的设计至关重要.

图1 给出了弹簧钢中主要合金元素碳、硅、锰和铬对强度的贡献量［10］.从图中可以看出，碳是提升弹簧钢强度最有效的元素.碳对强度的贡献量大约是硅的5 倍，铬的9 倍，锰的18 倍.为了确保弹簧钢有较高的强度和硬度，弹簧钢中的碳含量一般相对较高，为0.4%～0.6%.弹簧钢经高温保温后淬火至室温，碳基本完全固溶在马氏体基体中.在回火过程中，马氏体发生回复，固溶在基体中的碳与一些元素结合，以碳化物的形式析出［11-12］.此外，很早就有研究结果表明，适量提高碳含量对弹簧钢的抗弹减性也有一定的促进作用［13］.但是，提高碳含量会明显降低弹簧钢的塑性和韧性，也会增加脱碳敏感性，影响疲劳寿命.近年来，为了降低高碳对弹簧钢带来的不利影响，各国相继研发中低碳弹簧钢， 如日本的UHS1900，UHS2000， ND120S， ND250S， 德 国 的38Si7，法 国 的46S7， 以 及 我 国 的38SiMnVB，38Si2，40SiMnVB 等.经过淬火和低温回火后，这些中低碳弹簧钢可以获得板条马氏体组织，既保证高强度，又确保了一定的塑性.

图1 弹簧钢中主要元素的强化效果［10］Fig.1 Strengthening effects of carbon and alloying elements［10］

硅主要以原子形式固溶在钢基体中，提高弹簧钢的力学性能.同时，硅也能抑制回火时马氏体基体的回复，提高回火稳定性.Wittig 等［14］在Fe-Si合金中研究发现，由于Si-Si 之间的交互作用，增加了位错运动需要克服的额外阻力，并且随着硅含量的升高，体心立方金属中位错的交滑移减少，因此，硅将阻碍基体的回复.Kim 等［15］研究了回火温度（300 ～400 ℃）和时间（1 800 ～3 600 s）对低硅（1.4%）和高硅（2.7%）马氏体钢的影响，通过观察衍射峰（110）α和（211）α强度的变化（见图2），发现低硅钢在300 ℃回火3 600 s 后衍射强度与高硅钢在350 ℃回火1 800 s的衍射强度相似.因此，可以推断：硅影响了马氏体基体的回复.

图2 低硅钢、高硅钢（110）α 和（211）α 对应的X 射线衍射峰［15］Fig.2 X-ray diffraction spectra for the （110）α 和（211）α in low Si and high Si steels［15］

图3 为从文献［16］和［17］中提取数据重新绘制的回火温度对两种不同硅含量的超高强度弹簧钢抗拉强度的影响趋势图.从图中可以看出，在高硅钢中，回火温度在300 ～400 ℃时，随着回火温度升高，其抗拉强度略有降低，依旧保持较高的抗拉强度.但在低硅钢中，回火温度超过400 ℃，其抗拉强度大幅度降低.此结果再次验证了高硅弹簧钢通过抑制基体回复，使自身保持较高的抗拉强度.

图3 回火温度对不同含硅弹簧钢的抗拉强度的影响［16-17］Fig.3 Effect of tempering temperature on the tensile strength of different silicon containing spring steels［16-17］

硅还能影响渗碳体形核与长大.Kim 等［18］研究了硅对渗碳体析出行为的影响并详细分析了渗碳体形核与长大机制，如图4 所示.淬火是因为冷速快，硅均匀地分布在基体中，没有明显的偏聚.渗碳体（θ）可以在马氏体基体中的有利位置形核，或者由过渡型ε 碳化物转变，并且渗碳体的形核需要排出周围的硅.因此，在回火过程中碳和硅会分别发生扩散.碳向渗碳体中扩散，渗碳体形核处同时排出多余的硅.当硅在渗碳体和基体二者界面的浓度梯度达到一定值时，会显著降低碳和硅的扩散， 从而抑制了渗碳体的长大或者过渡型ε 碳化物向渗碳体转变.Tariq 等［19］在研究低合金钢0.3C-1.5Si-Mn-Cr-Mo 时发现，当回火温度为260 ℃时，ε 碳化物开始向渗碳体转变.在本文作者的研究中［16］，设计了一种中碳高硅弹簧钢（2.3%Si），发现当回火温度为400 ℃时，ε 碳化物开始向渗碳体转变.

图4 回火过程中渗碳体的长大机制和碳、硅的扩散行为［18］Fig.4 The growth mechanism of cementite and diffusion behavior of carbon and silicon during tempering［18］

此外，硅是对弹簧钢的抗弹性减退性能影响最大的元素.研究结果表明［20］，随着硅含量的增加，弹簧钢的抗弹性减退性能逐渐提升，当硅含量达到1.5%时， 弹簧钢的抗弹性减退性能提升最大.当硅含量进一步升高至2.0%时，弹簧钢的抗弹性减退性能提升很小.但是，硅含量过高会引起弹簧钢表面脱碳，增加脱碳层深度.这是因为硅增大了碳在钢中的扩散系数，增加了碳的活度，促进了脱碳层的产生.弹簧钢的表面脱碳会降低表面质量，进一步影响其疲劳寿命，所以要严格控制弹簧钢中的硅含量.

锰主要可以提升弹簧钢的淬透性.研究结果表明［21］：只有当锰含量高于0.5%时，油淬时弹簧钢心部才能完全转化为马氏体；
但当锰含量超过1.50%时，弹簧钢的韧性会明显下降.由于锰与硫的亲和力大于铁与硫的亲和力，因此，锰易与硫结合，从而降低硫引起的热脆问题.

铬是强碳化物形成元素，易和碳结合形成碳化物，从而降低碳的活度.并且，铬与氧结合形成Cr2O3，可以阻止钢表面进一步被氧化，减缓钢表面的脱碳倾向性［22］.在回火过程中，Si-Cr 系弹簧钢中的铬容易偏聚在渗碳体周围，导致回火组织不均匀，使弹簧钢的抗弹性减退能力降低.当铬含量小于0.7%时，对应力松弛值影响较小；
但是当铬含量超过1.5%时，回火组织严重不均匀，显著降低弹簧钢的抗弹性减退性能.

镍能扩大奥氏体相区，改善淬火组织，提高钢的韧性.目前大部分弹簧钢中不含镍.日本的研究人员在高强度弹簧钢中加入一定的镍，使其韧性得到明显提升， 如UHS2000，ND250S 和ND120S等. 图5 为几种不同镍含量弹簧钢的冲击功随回火温度的变化情况.从图中可以看出，添加一定量的镍能显著提高弹簧钢的冲击功，提高冲击韧性.但是，实际生产中添加过多的镍会带来原材料成本的增加，因此，弹簧钢中添加镍需要慎重.

图5 不同镍含量弹簧钢的冲击功随回火温度的变化Fig.5 Variation of impact energy with tempering temperature in spring steels with different nickel contents

钼可以提升钢的淬透性，防止回火脆性，提高钢的抗回火软化能力，改善疲劳性能.另外，钼可以和碳结合形成细小弥散的碳化物，阻碍位错运动.钼含量超过0.5%时，作用基本达到饱和.目前含钼的弹簧钢相对较少，钼的添加量一般在0.4%以下.

铌和钒都是强碳化物形成元素，与碳结合形成MC 型碳化物，能够抑制奥氏体晶粒长大，还能起到析出强化作用.图6 为两种不同含钒弹簧钢经过不同奥氏体化后的奥氏体晶粒尺寸变化情况.从图中可以看出，经过相同的保温处理后，0.15%V 弹簧钢奥氏体晶粒尺寸明显小于0.03%V弹簧钢奥氏体晶粒尺寸. 此外，当钒固溶在奥氏体中时，能够增加奥氏体的稳定性和碳的扩散阻力，降低钢的脱碳敏感性［22］.固溶在奥氏体中的铌原子对溶质原子有拖曳作用，并且能阻止晶界迁移.控制轧制和热处理工艺可以调控铌钒微合金元素的析出行为，从而充分发挥微合金元素的作用.此外，铌和钒复合添加的效果比单独添加的效果更加显著，能最大限度发挥两者的优势.

图6 奥氏体化温度对不同含钒弹簧钢奥氏体晶粒尺寸的影响Fig.6 Effect of austenitization temperature on austenite grain size in two V-containing spring steels

弹簧钢中有时也添加微量的硼，能极大地提升钢的淬透性.在淬火过程中，硼原子偏聚在奥氏体晶界，减少原子在晶界的扩散并降低界面能，从而提升了钢的淬透性能［23］.

高强度是当前弹簧钢生产和应用中的突出需求和发展趋势.从节能和经济性出发，要求减轻弹簧质量是交通运输车辆轻量化的一个重要方面，由此提出了开发新型高强度弹簧钢的要求.围绕弹簧钢的强度水平和使用寿命，国内外开展了大量的研究工作.

高强度弹簧钢在国外的研究起步较早，牌号比较齐全，力学性能、淬透性和抗疲劳性能等基本上可以满足目前的生产和使用要求.早在20 世纪80 年代，日本爱知制钢即已研制出SUP7 弹簧钢，神户制钢在SUP7 的基础上研发了SRS60 高强度弹簧钢，设计应力为1 100 MPa，抗拉强度可达1 960 MPa.1991 年，神户制钢再次研发出中低碳高硅超高强度弹簧钢UHS1900 和UHS2000，设计应力分别为1 200和1 300 MPa.日本大同特殊钢也成功研制了设计应力为1 300 MPa的ND250S 弹簧钢，随后又成功研制了ND120S，相比于SUP7，质量减少20%.

美国Rockwell 和Inland 公司利用Nb-V 微合金化，改进了SAE9254 和SAE9259 弹簧钢，该钢种的抗拉强度可达1 960 MPa.韩国浦项钢铁公司在SAE9254 的基础上，通过调节硅含量至2.5%，并加入了0.2%V 和2.0%Ni，成功研制出一种抗弹性减退及抗疲劳性能良好的高强度弹簧钢，该钢种设计应力也可达1 300 MPa.表1 中列出了国外研制的几种高强度弹簧钢的化学成分及设计应力［2］.从表中可以看出，几乎所有的超高强度弹簧钢都采用了微合金化技术，但是，日本所研发的几类高强度弹簧钢大多采用低碳的设计思路，并且还添加了一定量的镍，弹簧钢的韧性得到了大幅度提升.

表1 几种国外研制的高强度弹簧钢成分及设计应力［2］Table 1 Chemical compositions and designed stress in some high strength spring steels developed in foreign countries［2］

我国弹簧钢发展起步晚，在发展初期主要吸取国外的先进技术，生产较多的Si-Mn 系弹簧钢.20 世纪80 年代以后，在改进设备的基础上，又引进了一些国际通用弹簧钢牌号，才使我国弹簧钢研发和生产水平有了大幅度提高.近年来，我国科研人员在高强度弹簧钢成分设计、冶炼技术、热加工及热处理工艺等方面开展了深入研究，并且取得了很好的进展.

通过添加微合金元素铌和钒，采用常规的淬火+回火工艺，Chen 等［24］实现了55SiCr 悬架弹簧钢的超高强韧化，其抗拉强度为2 021 MPa，屈服强度为1 826 MPa，伸长率为10.3%，断面收缩率为42.7%.采用低碳高硅的成分设计思路，添加一定量的镍，Wang 等［16］也实现了弹簧钢的超高强韧化，该钢室温组织为回火马氏体、残余奥氏体和大量的纳米级碳化物，抗拉强度为2 002 MPa，屈服强度为1 780 MPa，伸长率为11.1%，冲击功为38 J.Zhang 等［25］通过调控热轧态60Si2MnA 片层珠光体的间距发现：当片层间距较大时，淬火后奥氏体晶粒较大，回火后钢的力学性能较低；
珠光体片层间距在140 ～280 nm 时，经过相同的热处理工艺，钢的抗拉强度超过2 000 MPa.采用温变形工艺，Wang 等［26］将65Mn 的奥氏体晶粒细化至5.6 μm，获得高达2 220 MPa 的抗拉强度. Luo等［27］采用循环淬火工艺，不仅细化了奥氏体晶粒，还引入了大量的纳米级孪晶，大幅度提高了51CrV4 弹簧钢的力学性能，将其抗拉强度提高至2 036.2 MPa，屈服强度为1 792.3 MPa.Chen 等［28］对比了淬火+回火、等温淬火和等温淬火+回火三种热处理工艺，发现采用等温淬火工艺在中碳富硅微合金钢中引入一定量的残余奥氏体后，在拉伸变形过程中发生了TRIP 效应，钢的断后伸长率升高至15%，同时抗拉强度达2 205 MPa，但是屈服强度仅为1 624 MPa.通过总结以上文献可知，细化晶粒是实现弹簧钢超高强度的有效手段之一；
在组织中引入一定量的残余奥氏体，可以同时实现弹簧钢的高强韧性配合.

根据我国弹簧钢标准GB／T 1222—2016 中记录，抗拉强度超过1 800 MPa的仅有2 个牌号，分别为60Si2CrV 和40SiMnVBE，远远不能满足汽车行业对高性能弹簧钢的需求，因而，有必要研发超高强度、超长寿命的汽车板簧钢.针对汽车悬架系统板簧钢强度和疲劳寿命偏低，不能满足高工作应力、少片簧的设计和使用要求的问题，作者联合国内某板簧制造企业和钢铁生产厂家，采用产学研相结合、全链条创新的模式，经过实验室研究和多轮工业试验，成功研发出超高强度、超长寿命汽车板簧钢（抗拉强度超过1 800 MPa，台架试验疲劳寿命高达100 万次，设计应力为1 200 MPa），企标代号为LQD1800.该板簧钢的创新之处在于：①采用低碳、多元合金化的成分设计方法，保证板簧钢强度和韧性同步提高，实现超长寿命的预期目标；
②基于新设计的板簧钢的成分特点，制定了独特的轧制和热处理以及后续表面处理工艺，为该板簧钢获得优良的力学和抗疲劳性能奠定了技术基础.该板簧钢目前已在某品牌8 m 纯电动公交车以及某车型重卡前簧中获得应用，并在某汽车公司用于单片簧的制造.LQD1800 超高强度弹簧钢经热处理后的微观组织为回火屈氏体（见图7），表2 中列出其典型的力学性能指标.

图7 新型LQD1800 板簧钢典型金相组织照片Fig.7 The optical microstructure of newly developed LQD1800 leaf spring steel

表2 新型LQD1800 板簧钢典型的力学性能指标Table 2 Typical mechanical properties of newly developed LQD1800 leaf spring steel

在此基础上，本课题组近年来通过调整化学成分、轧制及热处理工艺，在超高强韧弹簧钢研发方面再次取得良好进展：抗拉强度超过2 000 MPa，屈服强度超过1 750 MPa，伸长率超过11%，冲击功超过30 J.本文第5 节将对此进行介绍.

通过以上分析可以看出，超高强度弹簧钢的研发在成分设计、冶金质量、热加工及热处理工艺等方面都极为关键.研发时应特别注意如何在超高强度下保持弹簧钢良好的韧性，因为只有强度和韧性兼顾的超纯净弹簧钢才能获得超长的疲劳寿命.采用合金及微合金化技术设计超高强度弹簧钢时，还要考虑添加合金元素带来的成本问题.

4.1 弹簧钢设计和生产中的主要问题

弹簧钢长期处于周期性交变载荷中，受力状态复杂，服役时不允许产生塑性变形，因此需要较高的弹性极限和疲劳极限.为了保证弹簧钢服役时安全、稳定、可靠，在设计和研发超高强度弹簧钢的同时，钢的组织状态是需要考虑的首要因素，主要包括晶粒度、回火组织稳定性、淬透性、脱碳倾向性以及氮、氢、氧含量等.这里主要总结与冶炼和加工过程有关的冶金质量和脱碳倾向性问题.

4.1.1 冶金质量

冶金质量主要指弹簧钢的化学成分和纯净度的控制，其中夹杂物的控制是关键.弹簧钢的失效方式有很多，如疲劳、腐蚀、弹性减退等，其中最主要的是疲劳失效，而钢中非金属夹杂物是引起疲劳失效的主要原因.在承受交变载荷时，弹簧钢中非金属夹杂物周围容易产生应力集中，加速弹簧钢疲劳失效［29］.非金属夹杂物的种类、尺寸、数量对弹簧钢的疲劳性能有不同影响，其中不规则和多棱角夹杂物对疲劳性能影响最大.要保证弹簧钢良好的综合性能，关键是要保证其具有高纯净度、成分均匀，且非金属夹杂物控制效果理想.

夹杂物的控制包括两个方面：一是降低夹杂物含量，改变其尺寸，控制其分布；
二是控制夹杂物的化学组成和形态.在冶炼过程中采用气体搅拌的方式，设法向钢液中吹入数量更多、尺寸更小的气泡，能有效减少夹杂物的数量，减小夹杂物的尺寸；
加强钢渣界面的搅动，促进夹杂物分离，有利于提高电磁净化和渣洗去除夹杂物的效率；
采用变性处理，在钢水中加入稀土或钙，不仅能脱硫，而且能使形成的硫化物夹杂的形貌变为球状或纺锤体，从而减小硫化物夹杂对弹簧钢横向性能的影响.

总之，在弹簧钢的冶炼生产过程中，采用合适的冶炼工艺、脱氧方式，均可以减少钢中夹杂物的种类、数量和尺寸，提高弹簧钢的纯净度［30］.国外采用超低氧、超纯净的生产工艺生产弹簧钢，生产技术中广泛采用RH，LF-RH，ASEA-SKF，VAD 等精炼手段，可将钢中的氧含量降到较低水平.实践证明，当氧含量低于1.5×10-5时，可保证弹簧钢2 000 MPa的高强度.通常采用二火成材、钢坯修磨等措施降低钢材中心偏析，提高其表面质量.

4.1.2 脱碳倾向性

弹簧钢在轧制和热处理时，表面会产生脱碳和氧化，显著降低其表面质量.弹簧钢疲劳失效起始于工作表面，因此，弹簧钢表面的脱碳与氧化还会影响其疲劳强度和疲劳寿命.针对不同成分和用途的弹簧钢，每个国家和企业都制定了相应的弹簧钢总脱碳层深度的标准.影响弹簧钢脱碳倾向性的主要因素为化学成分（主要是碳和硅）；
此外，加热温度、保温时间以及加热炉内的气氛也是影响弹簧钢脱碳层深度的重要因素.较高碳和硅含量的弹簧钢极易产生脱碳，而铬和锰能够抑制弹簧钢中的脱碳倾向［31］.因此，在高品质弹簧钢化学成分设计及加工和热处理工艺制定时，需要首先考虑和控制脱碳的问题.

文献［32］中对50CrMnV 弹簧钢的氧化和脱碳行为进行了研究.结果表明：在两相区770 ℃附近加热，试样表面产生明显全脱碳层，当温度达到870 ℃时，全脱碳层消失；
随着保温温度的升高和加热时间的延长，总脱碳层深度逐渐增加，当温度达到1 120 ℃时，出现全脱碳层，达到1 170 ℃以后，脱碳层深度不再明显增加；
大生产采用快速加热工艺，加热炉均温区采用1 020 ℃以下的温度加热，可满足无全脱碳层、总脱碳层深度不大于0.2 mm 的要求［32］.

4.2 弹簧钢的发展趋势

4.2.1 向高强度方向发展

提高设计应力、减轻质量是弹簧钢的发展方向［33］.影响弹簧钢设计应力的两个主要因素是抗疲劳性能和抗弹减性能.新一代弹簧钢不仅应具有超高强度，还应有超高疲劳强度和耐腐蚀疲劳性能，优良的抗弹减性能以及良好的经济性.为实现此目标，主要采取的途径有以下两种.一是新型钢种的研制开发.一方面，优化现有弹簧钢的合金元素含量并添加微合金化元素；
另一方面，借鉴超高强度钢的研发经验，降低弹簧钢的含碳量并添加铌和钒等.二是新型热加工和热处理工艺的研究开发.在现有钢种基本不变的情况下，通过形变热处理、感应热处理及在线热处理等工艺的研究开发，实现弹簧钢的超高强度化.在汽车轻量化技术和节能减排的背景下，商用汽车板簧正向变截面、高应力及复合材料等方向快速发展.

4.2.2 向高弹减抗力方向发展

决定弹簧许用应力的主要因素是弹减抗力，因此提高弹减抗力一直是高强度弹簧钢研究开发的重点.弹簧材料的弹减抗力是材料抵抗塑性变形或承载能力下降的能力.如果仅从材料本身来看，为了提高弹减抗力，应从选择合适的化学成分入手，再配合恰当的热加工和热处理工艺，以获得理想的微观组织、晶粒度、第二相质点和硬度等.

硅是合金元素中能够提高弹簧钢弹减抗力的有效元素之一，作用仅次于碳.这是由于硅的固溶强化效应显著，且能改变回火时析出碳化物的数量、尺寸和形态等，提高钢的回火稳定性.因此，早期弹减抗力优良的弹簧钢（设计应力1 000 ～1 100 MPa）中硅含量均较高，如SUP7 和SUP12.但是，SUP7，SAE9260 这类钢的含硅量已达最高值，再靠提高硅含量来提高弹减抗力很困难.要想开发弹减抗力更好，且综合性能优良的新材料，必须寻找新的途径.其中一个重要途径便是利用析出强化和晶粒细化强化技术，如添加微合金元素铌和钒.

4.2.3 向高纯净度方向发展

追求高纯净度是所有高品质钢的一般要求，尤其是对疲劳性能要求较高的钢种，对其中的杂质元素含量均有严格的限制.国内外钢厂和汽车厂对弹簧钢中的氧含量和氮含量提出了严格的要求，如瑞典SKF 标准要求弹簧钢中氧含量低于1.5×10-5，夹杂物最大尺寸小于15 μm.为避免出现块状化合物，Ti／N 的值不低于10.弹簧钢生产企业应从冶炼工艺及连铸工艺两方面入手，采取加强原料管理、合理配料、精料入炉，强化冶炼操作、优化冶炼工艺，改进脱氧和造渣制度、强化炉解精炼等措施，生产高纯净度弹簧钢.

4.2.4 向高韧性和高耐蚀性方向发展

随着温度的降低，金属材料的韧性会下降.在冬季低温条件下运行的车辆，其悬架系统可能发生脆断，因此具有高的低温冲击韧性也是弹簧钢发展的必然趋势.作为一种重要的机械零部件结构材料，往往在化学成分设计时就要考虑其抗蚀性.长期在恶劣环境下工作的汽车悬架系统等，对耐蚀性有较高的要求.因此，向高韧性和高耐蚀性方向发展是新一代超高强弹簧钢的新特征.

近年来，本文作者在总结和分析国内外超高强度弹簧钢设计理念以及所面临的问题的基础上，采用中低碳的成分设计思路，开展了超高强韧汽车板簧钢的研发［16-17］.表3 中列出了两种不同碳和硅含量试验钢的化学成分.

表3 试验钢的化学成分（质量分数）Table 3 Chemical compositions of the experimental steel （mass fraction） %

经过实验室真空感应炉冶炼、锻造和二阶段轧制后，分别研究了这两种成分的试验钢的最佳热处理工艺.图8 为这两种试验钢在最佳热处理工艺条件下的拉伸应力-应变曲线，表4 中列出了这两种试验钢的具体力学性能.

图8 1＃和2＃试验钢的拉伸应力-应变曲线Fig.8 The engineering stress-strain curves of the experimental steels 1＃ and 2＃

从表4 中可以看出，按这两种成分体系设计的试验钢同时实现了超高强度和良好的韧性，其抗拉强度超过了1 950 MPa，屈服强度超过1 750 MPa，伸长率和断面收缩率也分别超过了11%和45%.此外，这两种试验钢的冲击功分别高达38.5 和30.8 J，远高于目前超高强度弹簧钢的冲击功.

表4 1＃和2＃试验钢的力学性能Table 4 Mechanical properties of the experimental steels 1＃ and 2＃

图9 为1＃和2＃试验钢的扫描电镜显微组织照片.从图中可以看出，这两种成分的试验钢分别经过淬火+回火处理后，微观组织均为回火马氏体，均具有较高的抗拉强度和屈服强度.对于一般的中高碳弹簧钢，为了获得良好的综合性能，通常采用中高温回火，其室温组织为回火屈氏体，因此力学性能偏低.

图9 试验钢微观组织扫描电镜照片Fig.9 SEM micrographs showing the microstructures of the experimental steels

图10 为1＃和2＃试验钢的透射电镜显微组织照片.从图中可以看出，在试验钢的马氏体基体上存在着高密度位错和大量不同种类的纳米级析出物，主要强化贡献来源于位错强化和析出强化.

图10 试验钢显微组织的透射电镜照片Fig.10 TEM micrographs showing the fine microstructures of the experimental steels

向经济性和高性能化方向发展，是当今弹簧钢总的发展趋势.未来的工作方向，一方面是在对弹簧钢强韧性和抗疲劳性能继续深入认识的基础上，采用新的工艺技术，充分发挥现有弹簧钢的性能潜力；
另一方面是围绕轻量化进行高设计应力新钢种的研究开发，提高其抗疲劳和抗弹性减退能力，这也是当今弹簧钢研究开发的主题.