CN101717894A - 一种40Si2MnCrNiMoVNbN弹簧钢及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金领域，是一种40Si2MnCrNiMoVNbN弹簧钢及其生产工艺，按重量百分比包括以下成份：C：0.39～0.45％，Si：1.60～1.90％，Mn：0.60～0.80％，Cr：0.35～0.50％，Ni：0.40～0.60％，Mo：0.15～0.25％，V：0.06～0.12％，Nb：0.015～0.025％，N：0.0080～0.0150％，P≤0.0035％，S≤0.0035％，余量是Fe和不可避免的杂质。工艺包括电炉冶炼、LF精炼、VD炉真空脱气、连铸和轧制。本发明的弹簧钢可适应弹簧的各种苛刻工作环境、高强度、高寿命、耐腐蚀、耐氢致裂纹的要求，除高的抗拉强度外，还具有优良的抗延迟断裂、耐腐蚀性能、疲劳性能和抗弹减性能。

Description

一种40Si2MnCrNiMoVNbN弹簧钢及其生产工艺

技术领域

本发明属于冶金领域，涉及一种弹簧钢及其生产工艺，具体的说是一种40Si2MnCrNiMoVNbN弹簧钢及其生产工艺。

背景技术

60Si2MnA是国内使用最广泛的弹簧钢品种之一，其用量占弹簧钢总量的70％左右，主要用于汽车、拖拉机、铁路车辆上的板簧，螺旋弹簧。伴随着汽车轻量化、节能和铁路不断提速的进程，要求不断开发出高强度、节能型、抗腐蚀、耐氢至裂纹的优质高强度弹簧钢品种。60Si2MnA钢强度高、抗弹减性好、价格相对便宜。60Si2MnA由于有较高的碳含量、硅含量、锰含量，所以有较好的抗弹减性，但是易脱碳、碳偏析、过热敏感性大、晶粒易粗大，淬透性相对较差。

弹簧工业近来面临的一个迫切问题是减轻弹簧重量，为此必须提高弹簧钢的设计应力和各项综合能力。而提高设计应力首要解决的问题之一是如何提高弹簧钢的弹性减退抗力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对以上现有60Si2MnA弹簧钢存在的缺点，提出一种40Si2MnCrNiMoVNbN弹簧钢及其生产工艺，具有高弹减抗力、高疲劳破坏抗力、高淬透性、并有一定抗回火能力和抗点蚀能力。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：

一种40Si2MnCrNiMoVNbN弹簧钢，按重量百分比包括以下成份：C：0.39～0.45％，Si：1.60～1.90％，Mn：0.60～0.80％，Cr：0.35～0.50％，Ni：0.40～0.60％，Mo：0.15～0.25％，V：0.06～0.12％，Nb：0.015～0.025％，N：0.0080～0.0150％，P≤0.0035％，S≤0.0035％，余量是Fe和不可避免的杂质。

本发明的40Si2MnCrNiMoVNbN弹簧钢，优选成份为：C：0.40～0.44％，Si：1.70～1.90％，Mn：0.65～0.75％，Cr：0.35～0.45％，Ni：0.45～0.55％，Mo：0.15～0.25％，V：0.07～0.11％，Nb：0.015～0.025％，N：0.0080～0.0140％，P≤0.0015％，S≤0.0015％，余量是Fe和不可避免的杂质。

生产40Si2MnCrNiMoVNbN弹簧钢的工艺，包括电炉冶炼、LF精炼、VD炉真空脱气、连铸和轧制；

电炉冶炼工序中：红包无渣出钢，铁水加生铁量≥总配料量的30％，配碳量≥总配料量的1.5％，点控制目标C≥0.15，P≤0.008％，T≥1630℃，定氧：[O]≤700PPm；

LF精炼工序中：精炼过程中不采用铝脱氧，使用SiC、电石总量0.3～0.5Kg/t，钢水分3～5批次扩散脱氧，确保白渣时间≥20分钟；吹Ar压力为0.25～0.50MPa，流量为60～120L/Min，时间：≥40Min；

VD炉真空脱气工序中：真空度＜1.0毫巴下保持，保持时间10～15min，破真空即保持静搅状态；静搅过程中根据温降加入保温剂：0.8～1.2Kg/吨钢水；真空终点出站温度连铸第一炉：1525～1535℃，连浇炉：1515～1525℃；

连铸工序中：液相线温度：1484℃，过热度：20～30℃，负滑脱率：35％；

轧制工序中：予热段≤850℃，加热段1120～1150℃，均热段1100～1140℃，总加热时间2.5～3.0小时；水除鳞压力≥20MPa；开轧温度≥1050℃，终轧温度≥950℃；轧后轧材入坑缓冷，缓冷坑必须干燥，入坑温度≥600℃，保温时间≥24小时，出坑温度≤200℃。

本发明的弹簧钢与60Si2MnA相比有较低碳含量、硅含量、锰含量，加入Cr、Ni、Mo、V、Nb、N元素，充分运用多元合金化作用。

C：在所有元素中，碳提高强度的能力最大，碳对淬火回火钢的强化效果大约为硅的5倍，铬的9倍和锰的18倍，所以为保证弹簧钢具有足够的强度、硬度，弹性和抗疲劳等性能，钢中必须含有相当高的碳含量。

Si：固溶强化，沉淀强化和细晶强化都能使位错移动困难，因而可有效提高钢的弹减抗力。研究表明，在所有合金元素中硅提高弹减抗力的能力最强，所以弹减抗力优良的弹簧钢都含有较多的硅。硅所以能有效提高弹减抗力，据研究是因为它具有强烈的固溶强化能力，而且能抑制渗碳体在回火过程中的晶核形成和长大，改变渗碳体的形状和间距。钢中加入Si可提高钢回火稳定性，但脱碳敏感性较大，热处理时易出现石墨化。硅也易降低钢的塑性和韧性。

Mn和Cr：对钢起强化作用，提高钢的淬透性能。

Ni：对钢起抗点蚀作用(点蚀易引起裂纹敏感)。

V和Nb：均是强碳化物形成元素，在钢中有沉淀强化和细晶强化的作用，提高钢的强度和韧性及回火稳定性，产生二次硬化效应。

N：与V、Nb复合，起细晶强化作用。

Mo：提高淬透性、热强性和防回火脆性。

防止延迟断裂的措施有：晶粒细化、晶界强化、增加氢捕集点；添加Nb、N可以得到足够的延迟断裂强度；Nb、N可改善晶界强度，改善延迟断裂强度；真空脱气处理主要是减少钢液中的氧、氢等气体成分的处理，以减少大型的非金属夹杂物，减少非金属夹杂物的数量能改善疲劳特性。钙处理和镁处理能有效控制硬质的非金属夹杂物，使之成为软性的夹杂物，软性夹杂物对疲劳极限的影响小于硬性夹杂物的影响。

本发明的优点：本发明的弹簧钢可适应弹簧的各种苛刻工作环境、高强度、高寿命、耐腐蚀、耐氢致裂纹的要求，除高的抗拉强度外，还具有优良的抗延迟断裂、耐腐蚀性能、疲劳性能和抗弹减性能。

具体实施方式

实施例一

本实施例为40Si2MnCrNiMoVNbN弹簧钢，对比例为60Si2MnA弹簧钢，成份如下表所示：

表1

项目	C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Mo	Nb	Cu	V	N	Fe
														实施例	0.41	0.70	1.80	0.015	0.006	0.40	0.50	0.16	0.020	0.07	0.10	0.012	余量
对比例	0.60	0.85	1.80	0.020	0.008	0.003	0.01	0.005		0.07		0.005	余量

具体工艺如下：

电炉冶炼：

要求红包无渣出钢。电炉新砌炉壳前三炉不得用于生产本方案中弹簧钢，尽量避免使用新钢包，在不得已使用新钢包时须适当延长LF精炼及VD真空处理时间。100吨电炉冶炼，因需要走真空，钢包要留有自由空间，出钢量目标为88吨，配料选用优质废钢、铁水、生铁。铁水加生铁量≥总配料量的30％。配碳量≥1.5％，要求电炉冶炼配碳量≥1.5％、脱碳量≥1.0。电炉终点控制目标C≥0.15，P≤0.008％，T≥1630℃，定氧：[O]≤700PPm，电炉出钢过程中钢包内每吨钢水渣料及合金加入量：Mn-Fe 8Kg，石灰8Kg，萤石2Kg，LAl-LTi-FeSi 23Kg，LTi-HC-CrFe 7Kg等。

LF精炼炉：

精炼过程中不采用铝脱氧。严禁使用铝材料及铝钒土。依据渣况使用SiC、电石总量0.4～0.8Kg/t，钢水分3～5批次扩散脱氧，确保白渣时间≥20分钟以上。

吹Ar：压力为0.25～0.50MPa，流量为60～120L/Min，时间≥40Min。

VD炉真空：

真空度＜1.0毫巴下保持，保持时间10～15min，破真空即保持静搅状态。

破真空取棒棒糖样分析全成分。

根据样结果按优化目标值进行微调，然后喂入MnN线(根据N含量，100m＝26ppmN，100m＝0.037％Mn)，微调N至0.0010～0.0012％，也微调其它成份至优化值。搅拌2min完毕后，保持静搅3min以上喂入Ca-Si线(喂入量：1.5m/t钢水，静搅3min以上取样分析，并继续保持静搅，根据等样结果继续微调成份至优化值，微调合格后，取成品样后吊包上连铸。

静搅过程中根据温降加入保温剂：0.8～1.2Kg/吨钢水。

真空终点出站温度连铸第一炉：1525～1535℃，连浇炉：1515～1525℃。

连铸：

液相线温度：1484℃。

最佳过热度：20～30℃。

结晶器保护渣：ST-SP/H24-2。

覆盖剂：双层，保护套管：Al-C。

拉速：150mm×150mm：ΔT＞35℃最大拉速2.1m/min  ΔT＝20～35℃，最大拉速2.2m/min，ΔT＜20℃，最大拉速2.3m/min。

电磁搅拌(电流*频率)MEMS：350A*3.5Hz，FEMS：400A*13Hz。

负滑脱率：35％。

连铸坯下连铸线后保持良好的避风堆冷。

无结晶器电磁搅拌或末端电磁搅拌流拉速相应降低150*150∶-0.2m/min。

水冷工艺按弱冷工艺执行，如下表所示：

表2

配水制度根据具体情况适当调整，保证铸坯不能产生脱方、缩孔和鼓肚。

严禁水口插入深度＜50mm，中包挡墙孔露出及挡墙倒必须换组。

轧钢：

予热段≤850℃，加热段1120～1150℃，均热段1100～1140℃，总加热时间2.5～3.0小时。

水除鳞压力≥20MPa。

开轧温度≥1050℃，终轧温度≥950℃。

轧后轧材入坑缓冷，缓冷坑必须干燥，入坑温度≥600℃，保温时间≥24小时，出坑温度≤200℃。

力学性能如下表所示：

表3

	Rp0.2(MPa)	Rm(MPa)	A(％)	Z(％)	屈强比	Ak/J	疲劳极限σ(-1/MPa)	热处理
									实施例	1610	1750	12	50	0.92	22	800	淬火：910℃油冷；回火：450℃
对比例	1410	1610	6	38	0.88	13	750	淬火：870℃油冷；回火：440℃

总脱C层：40Si2MnCrNiMoVNbN仅0.08mm，而60Si2MnA却为0.40mm。

晶拉度：40Si2MnCrNiMoVNbN为8级，60Si2MnA为7级。

组织：均为F+P组织。

低倍如下表所示：

表4

	锭型偏析	中心疏松	一般疏松	一般点状偏析	边缘点状偏析
						实施例	0.5	0.5	0.5	0	0
对比例	1.0	1.0	1.0	0	0

夹杂物如下表所示：

表5

	A粗	A细	B粗	B细	C粗	C细	D粗	D细
									实施例	0	0.5	0.5	0	0	0	0	0
对比例	0	0.5	0.5	0.5	0	0	0	0

末端淬透性比较如下表所示：

表6

牌号	J1.5	J9	J15	J25
					实施例	57	57	55	50
对比例	65	47	39	31

耐腐蚀比较如下表所示：

表7

本发明还可以有其它实施方式，凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求保护的范围之内。

Claims (3)

1.一种40Si2MnCrNiMoVNbN弹簧钢，其特征在于：按重量百分比包括以下成份：C：0.39～0.45％，Si：1.60～1.90％，Mn：0.60～0.80％，Cr：0.35～0.50％，Ni：0.40～0.60％，Mo：0.15～0.25％，V：0.06～0.12％，Nb：0.015～0.025％，N：0.0080～0.0150％，P≤0.0035％，S≤0.0035％，余量是Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的40Si2MnCrNiMoVNbN弹簧钢，其特征在于：按重量百分比包括以下成份：C：0.40～0.44％，Si：1.70～1.90％，Mn：0.65～0.75％，Cr：0.35～0.45％，Ni：0.45～0.55％，Mo：0.15～0.25％，V：0.07～0.11％，Nb：0.015～0.025％，N：0.0080～0.0140％，P≤0.0015％，S≤0.0015％，余量是Fe和不可避免的杂质。

3.一种生产权利要求1所述的40Si2MnCrNiMoVNbN弹簧钢的工艺，包括电炉冶炼、LF精炼、VD炉真空脱气、连铸和轧制，其特征在于：

所述电炉冶炼工序中：红包无渣出钢，铁水加生铁量≥总配料量的30％，配碳量≥总配料量的1.5％，点控制目标C≥0.15，P≤0.008％，T≥1630℃，定氧：[O]≤700PPm；

所述LF精炼工序中：精炼过程中不采用铝脱氧，使用SiC、电石总量0.3～0.5Kg/t，钢水分3～5批次扩散脱氧，确保白渣时间≥20分钟；吹Ar压力为0.25～0.50MPa，流量为60～120L/Min，时间：≥40Min：

所述VD炉真空脱气工序中：真空度＜1.0毫巴下保持，保持时间10～15min，破真空即保持静搅状态；静搅过程中根据温降加入保温剂：0.8～1.2Kg/吨钢水；真空终点出站温度连铸第一炉：1525～1535℃，连浇炉：1515～1525℃；

所述连铸工序中：液相线温度：1484℃，过热度：20～30℃，负滑脱率：35％；

所述轧制工序中：予热段≤850℃，加热段1120～1150℃，均热段1100～1140℃，总加热时间2.5～3.0小时；水除鳞压力≥20MPa；开轧温度≥1050℃，终轧温度≥950℃；轧后轧材入坑缓冷，缓冷坑必须干燥，入坑温度≥600℃，保温时间≥24小时，出坑温度≤200℃。