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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5×107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 作者以前的文章曾报道，对正常喷丸（用φ0.6mm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φ50μm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φ43μm、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τm686MPa（：）+/-τa667Mpa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φ3.2mmSOTHS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7hrs[2]。在作者以往的文章中，气体氮化后第一次喷丸用Φ0.6mm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。最后应用SS处理。 研究结果，在5×107 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。钢丝的化学成分列于表1。JIS SWOSC-V钢丝和SOTHN钢丝的直径为Φ3.2mm，SOTHS钢丝直径为Φ4.0mm。此外，以往报道中研究的Φ3.2mm直径的SOTHS钢丝的化学成分也列于表1。除了Φ3.2mm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 C Si Mn Ni Cr V SWOSC-V(9254) 0.55 1.40 0.70 0.03 0.65 - SOTHN 0.58 1.49 0.70 0.29 0.84 0.07 SWTHS(Φ4.0mm) 0.60 1.98 0.87 0.26 0.98 0.09 SWTHS(Φ3.2mm) 0.56 2.06 0.91 0.29 0.97 0.11 表2 不同等级钢丝的抗拉强度 钢丝等级 钢丝直径mm 抗拉强度MPa 断面收缩率％ SWOSC-V 3.2 1943 56.5 SOTHN 3.2 2091 51.5 SOTHS 4.0 2164 38.6 2.2实验方法 2.2.