CN100344785C - 大尺寸厚度变截面少片板簧材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大尺寸厚度变截面少片板簧材料，其成分(重量百分比)为：0.43≤C＜0.53%、Si0.17～0.37%、Mn0.80～1.20%、P≤0.020%、S≤0.015%、Cr0.90～1.20%、Mo0.15～0.25%、V0.04～0.14%、Nb0.02～0.08%、[O]≤15ppm，余为Fe和不可避免的杂质。本发明材料具有高淬透性、高强度、高塑性和低脱碳的技术性能，还具有优良的抗高温热加工性能，是制造大尺寸厚度变截面少片板簧的优良材料。
Description
技术领域
本发明属于低合金弹簧材料，涉及一种大尺寸厚度变截面少片板簧材料。
背景技术
大尺寸厚度变截面少片板簧材料是重型汽车大尺寸厚度变截面少片板簧的关键技术。大尺寸厚度变截面少片板簧具有降重和节省材料的突出优点，尤其是变截面少片板簧的载荷与材料厚度的平方成正比，在设计应力相同的条件下，材料的厚度尺寸越大所用的弹簧材料越少，轻量化效果越明显，使占重型汽车的自身重量约5～8％的板簧总成重量大幅度降低约20～40％，从而增加载重量，具有制造和使用重型汽车的双重的明显的经济效果。但是，板簧材料厚度越大尺寸效应越大，板簧材料技术与板簧制造工艺技术的难度也越大。所以，研制高性能大尺寸厚度变截面少片板簧材料是业界所追求的。
由于尺寸效应、使用条件、工艺方法、工艺条件以及我国现有变截面少片板簧技术装备水平等多方面的原因，现有螺旋弹簧材料和板簧材料的技术性能难以达到大尺寸厚度变截面少片板簧材料的技术性能要求。例如，大尺寸厚度变截面少片板簧材料必须具有高淬透性这一基本的技术性能；尤其是大尺寸厚度变截面少片板簧是在高温加热轧制(轧后空冷)和高温取形直接淬火，这种恶劣的工艺条件大幅度降低和损害材料的力学性能，由此要求板簧材料要有优良的抗高温热加工性能，也就是板簧材料经高温加热轧制和高温淬火后应具有高强度和高塑性。低的材料成本也是大尺寸厚度变截面少片板簧材料的基本要求，复杂的合金成份或含有较多的昂贵的合金元素(例如Ni)以及复杂的冶金工艺是不能接受的，也不利于保护自然资源。
目前国内外广泛采用的变截面少片板簧材料主要有德国的50CrV4和51CrMoV4、日本的SUP12、国产的60Si2MnA和50CrVA、韩国浦项综合制铁株式会社的弹簧钢(中国专利94191328.7公开)。这些材料虽然各有特点，但是板簧材料的厚度国产的只有30mm，国外德国产的板簧材料厚度也只有40mm；而且国内外的板簧材料均不同时具有高淬透性、高强度、高塑性、低脱碳及抗高温热加工的技术性能以及低的材料成本，不能满足制造大尺寸厚度变截面少片板簧对板簧材料的性能要求。
本发明的内容
本发明的目的是提供一种大尺寸厚度变截面少片板簧材料，该板簧材料同时具有高淬透性、高强度、高塑性、低脱碳和抗高温热加工性能，从而提供制造重型汽车大尺寸厚度变截面少片板簧所用的板簧材料。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：在材料的组分上采用多元少量的合金化方法，充分发挥各合金元素的复合作用与交互作用，用最少的量达到最大的技术效果。
C(碳)含量直接影响马氏体的组织形态，C含量高使马氏体组织形态由条状转变为针状或块状；条状马氏体具有高强度和较高的塑性，针状马氏体虽然有较高的硬度但脆性较大；C含量低，会降低回火温度，对去除淬火应力不利。本发明把C含量控制在条状马氏体组织为主的范围内，C含量不高于0.53％，为了有足够高的回火温度去除淬火应力，碳含量不小于0.43％，确定C含量为0.43～0.53％。
Si(硅)含量高于0.37％，对材料的脱碳控制和晶粒细化不利，低于0.17％对控制[O]含量不利。为了获得材料的低脱碳和易于控制[O]含量，Si含量确定为0.17～0.37％。
Cr(铬)、Mn(锰)、Mo(钼)的合理含量及它们之间强复合作用是提高弹簧材料的强度和淬透性。Cr含量低于0.90％时，达不到效果，Cr含量高于1.20％，不利于抗弹性衰减性；Mn含量低于0.80％，达不到效果，高于1.20％时，对晶粒细化和塑韧性不利；Mo含量低于0.15％，达不到效果，高于0.25％虽然对材料的性能有利但对材料的成本不利。因此，在满足材料性能要求的情况下综合考虑Cr、Mn、Mo含量分别确定为：0.90～1.20％、0.80～1.20％、0.15～0.25％。
V(钒)在一定的热加工温度和淬火温度范围内以碳化物的形式存在，是细化晶粒的元素，但在较高的热加工温度和淬火温度下V碳化物溶解，虽然可提高材料的淬透性、抗弹性衰减性和强度，但有弱化晶界和晶粒粗化的倾向，易引起沿晶断裂或低应力断裂。这是以V作为细化晶粒合金元素的弹簧材料对热加工温度严格限制在920℃以下的原因，如50CrV4和51CrMoV4钢，也是其它本质细晶粒弹簧材料对热加工温度严格限制的原因。
Nb(铌)是本发明材料细化晶粒的合金元素。Nb能提高再结晶温度、净化晶界、提高晶界强度和细化晶粒等技术效果，是先进的微合金化技术。本发明中Nb的存在，能推高晶粒粗化和晶界弱化温度，这种特性大幅度提高本发明板簧材料的热加工温度和淬火温度，极大地满足大尺寸厚度变截面少片板簧的高温轧制(轧后空冷)和高温取形直接淬火的工艺需要。
本发明材料采用Nb、V的复合添加，这是本发明的进一步构思。这并非是二者的简单叠加，而是二者有益的复合和交互作用，扩大了Nb和V的有益效果，消除V的不利作用。主要表现在Nb和V的复合添加使Nb和V各自具有的细化晶粒、提高淬透性、强度、塑性和降低脱碳的技术效果更为明显，尤其是大幅度提高板簧材料的淬火温度和热加工温度。Nb含量低于0.02％时，达不到效果，高于0.08％对材料的性能有利但增加材料成本。同样，V含量低于0.04％，达不到效果，高于0.14％对材料的性能有利但增加材料的成本。在满足材料性能和低成本的前提下，综合考虑Nb的含量定为0.02～0.08％，V的含量定为0.04～0.14％。
[O](氧)是有害元素，降低[O]含量可以提高弹簧材料的塑韧性，但过低[O]含量的控制会增加冶金工艺难度和成本。本发明[O]含量控制在15ppm以下。
S(硫)、P(磷)也都是有害元素，会降低弹簧材料的塑韧性，但过低含量控制提高了冶金工艺难度对材料成本不利，所以S含量控制在≤0.015％，P含量控制在≤0.020％。
非金属夹杂是板簧材料的有害缺陷，损害材料的塑韧性。本发明将这些缺陷都控制在合理范围内，以保证材料的塑韧性同时有利材料成本。
综上所述，实现本发明材料的成分和重量百分比为：0.43≤C＜0.53％、Si0.17～0.37％、Mn0.80～1.20％、P≤0.020％、S≤0.015％、Cr0.90～1.20％、Mo0.15～0.25％、V0.04～0.14％、Nb0.02～0.08％、[O]≤15ppm，其余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明材料的非金属夹杂(JK评级)为：A≤1.5、B≤1.5、C≤1、D≤1。
实现本发明板簧材料的冶金生产工艺如下：
配料、电炉冶炼、炉外钢包真空精炼与除气处理、铸模或连铸、开坯、酸洗、修磨、探伤、轧制。采用炉外钢包真空精炼与除气主要是能把[O]含量控制在15ppm以下。
本发明材料热加工温度(板簧轧制温度)为950±15℃；淬火温度为900±10℃，油淬火；回火温度为340～430℃。
本发明材料所具有的显著技术和经济效果如下：
1)本发明提供一种大尺寸变截面少片板簧材料，解决了重型汽车大尺寸厚度变截面少片板簧用材料的问题，对推动我国重型汽车大尺寸厚度变截面少片板簧技术的发展和应用、提升我国重型汽车的技术水平和竞争能力有重要意义。
2)本发明是一种大尺寸厚度变截面少片板簧材料，在成分及配比上有独特技术特征，详见如下对比表1：
表1 (Wt％)
| 钢号 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | V | Nb | [O] | 标准与说明 |
| 50CrV451CrMoV4SUP1260Si2MnA50CrVA本发明 | 0.47～0.550.48～0.560.51～0.590.56～0.640.46～0.540.43～0.53 | 0.15～0.400.15～0.401.20～1.601.60～2.000.17～0.370.17～0.37 | 0.70～1.100.70～1.100.60～0.900.60～0.900.50～0.800.80～1.20 | ≤0.035≤0.035≤0.030≤0.030≤0.030≤0.020 | ≤0.035≤0.035≤0.030≤0.030≤0.030≤0.015 | 0.90～1.200.90～1.200.60～0.90-0.80～1.100.90～1.20 | -0.15～0.25---0.15～0.25 | 0.10～0.200.07～0.12--0.10～0.200.04～0.14 | -----0.02～0.08 | -----≤15ppm | 德国DIN17221德国DIN17221日本JIS中国GB1222中国GB1222 |
3)本发明材料具有优良抗高温热加工性能，突破了国内外变截面少片板簧材料最高热加工温度920℃和最高淬火温度880℃的工艺规范限制(详见对比表2)，一方面全面提升板簧材料的技术性能，另一方面又解决了我国现有弹簧制造技术装备下大尺寸厚度变截面少片板簧材料的高温轧制(轧后空冷)和高温取形直接淬火的技术难题，还极大提高弹簧制造企业的生产效率。
表2
| 钢号 | 热加工温度(℃) | 淬火温度(℃) | 标准与说明 |
| 韩国浦项弹簧钢51CrMoV450CrV450CrVA本发明材料 | ————830～920830～920————935～965 | 830～870830～860830～860830～870890～910 | 中国专利94191328.7德国DIN17221德国DIN17221中国GB1222 |
4)本发明材料具有高淬透性、高强度、高塑性、低脱碳和细晶粒等优良的技术性能，综合技术性能明显优于国内外现有的变截面少片板簧材料，详见对比表3。
表3
| 钢号 | 抗拉强度(MPa) | 断面收缩率(％) | 最大淬透厚度(mm) | 脱碳层深(mm) | 晶粒度 | 标准与说明 |
| 50CrV451CrMoV451CrMoV460Si2MnA50CrVA本发明 | 1370～16701370～16701610≥1568≥12741600～1840 | --38≥20≥4041～48 | 25401220≥50 | ≤0.65≤0.65≤0.9≤0.9≤0.30 | 细于5级细于5级细于5级细于5级细于8级 | 德国DIN17221德国DIN17221实测中国GB1222中国GB1222 |
由表3可以看出：①本发明材料的最大淬透厚度为≥50mm，比最好的德国51CrMoV4高25％，使其成为性能优良的大尺寸厚度变截面少片板簧材料。②本发明材料的抗拉强度达1600～1840MPa，比最好的德国51CrMoV4高10.2～16.8％；③本发明材料的断面收缩率达41～48％，比最好的50CrVA高2.5～20％；④脱碳层对弹簧材料的疲劳寿命有重要影响，人们总是希望脱碳层越小越好。本发明材料的脱碳层深度不大于0.30mm，脱碳层深只是德国51CrMoV4的46.2％，仅为我国板簧材料的1/3，表现出优异的低脱碳性能；⑤本发明材料的晶粒度细于8级，优于其它材料的细于5级。
5)本发明板簧材料的厚度尺寸高达50mm，因此用以制作的大尺寸厚度变截面少片板簧重量会有很大幅度的降低，大约可以降低板簧总成重量的20～40％，而板簧总成约占汽车自重的5～8％。这样一方面会使重型汽车降重节材，有利于实现汽车自重轻量化，节约成本；另一面又会增加运载量，提高运输效率，结果产生巨大经济效益。
6)由于本发明材料的低脱碳性能，提高了板簧的强化喷丸工艺效果，提高了板簧质量。
7)本发明材料的合金复合少量化与微合金化，最大效率发挥合金元素的潜能，Mn、Cr、Mo、V、Nb合金元素的上限含量仅为2.87％，Mo、V、Nb贵金属元素的上限含量仅为0.47％并且不含Ni，节约了贵重金属，有效保护自然资源。
8)本发明材料的冶金工艺技术要求与我国现有冶金技术水平一致，有利于大批量生产和产业化。
本发明材料用于制造汽车尤其是重型汽车的大尺寸厚度变截面少片板簧，还可用于大厚度机械零件，如机动车的大直径稳定杆、大厚度导向零件等，具有广阔市场空间。
本发明的实施例
1)实施例材料的化学成份(Wt％)：
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | V | Nb | [O] |
| 0.479 | 0.25 | 0.92 | 0.016 | 0.005 | 1.06 | 0.21 | 0.11 | 0.035 | 12ppm |
2)实施例材料的冶金生产工艺是：按如上1)的材料成份(Wt％)配料，电炉冶炼、炉外钢包真空精炼和除气处理、模铸、开坯、酸洗、修磨、探伤、轧制。
3)实施例材料规格：37×100mm、50×100mm热轧扁钢。
4)实施例材料的机械性能。直径10mm，5倍比例标准短试样，按国家标准试验。试样的处理工艺为：950℃保温15min，空冷至室温；900℃保温15min，油淬火；中温回火。机械性能如下：
| 回火温度(℃) | 抗拉强度(MPa) | 断面收缩率(ψ)(％) | 延伸率(δ5)(％) |
| 340380410430 | 1840176016601610 | 45424648 | 9591010.5 |
5)实施例材料的非金属夹杂如下(JK评级)：
| A类 | B类 | C类 | D类 | ||||
| 细系 | 粗系 | 细系 | 粗系 | 细系 | 粗系 | 细系 | 粗系 |
| 1.0 | 0 | 1.0 | 0 | 0 | 0 | 1.0 | 0.5 |
6)实施例材料的晶粒度为8级。按国家标准金相法评定。
7)在热轧材料上取样，按国家标准金相法评定脱碳层深。50×100热轧扁钢的脱碳层深为0.28mm。
8)直接淬火法测定材料的淬透性。试样长度为厚度的2倍以上，淬火后检验心部的硬度。按德国DIN17221规定的心部硬度54HRC评定。将本材料加热至950℃保温15min，空冷，900℃保温15min后油淬火，检验心部硬度。37×100mm扁钢的心部硬度为56.5HRC，50×100mm的心部硬度为54.5HRC，该结果高于评定标准。
Claims (1)
1.一种大尺寸厚度变截面少片板簧材料，其特征在于该材料的成份为(重量％)：
0.43≤C＜0.53％、Si0.17～0.37％、Mn0.80～1.20％、P≤0.020％、S≤0.015％、Cr0.90～1.20％、Mo0.15～0.25％、V0.04～0.14％、Nb0.02～0.08％、[O]≤15ppm，其余量为Fe及不可避免的杂质。
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