CN102634735B - 一种汽车悬架用弹簧钢及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种汽车悬架用弹簧钢，其是由如下质量百分比的成分组成：C 0.46％～0.56％、Si 0.90％～1.20％、Mn 0.80％～1.20％、P≤0.020％、S≤0.020％、Cr 0.70％～1.00％、Ni 0.90％～1.50％、Mo0.60％～0.90％、Cu 0.50％～0.80％、RE 0.02％～0.07％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明还提供该弹簧钢的制备方法和用该弹簧钢制备弹簧钢丝的方法。本发明合理设计了弹簧钢的化学成分，改进了冶轧、钢丝制备方法、辅料的加入方法和配比，与现有55SiCr钢相比，本发明的弹簧钢的抗拉强度提高了400MPa，工作应力提高了200MPa、疲劳寿命提高了20万次。

Description

一种汽车悬架用弹簧钢及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种黑色合金材料，具体地说，是涉及一种汽车悬架用弹簧钢及其制备方法和应用。

背景技术

悬架弹簧在汽车行驶过程中，承受高频往复压缩运动，起着缓冲和减震作用，其质量好坏，对车辆平稳性、安全性起着至关重要的作用。轿车、乘用车对悬架弹簧性能要求较高，需要达到减小噪音、提高舒适度和平稳性等要求。悬架弹簧的技术发展趋势总体上向轻量化、高应力、高可靠度发展，悬架弹簧设计应力要求大于1000MPa，高的可达1200MPa.

汽车行业使用的悬架弹簧分为钢板弹簧和螺旋悬架弹簧两大类。轿车用螺旋悬架弹簧，钢丝直径9.0～16mm，常用4个悬架弹簧，每辆车平均需要弹簧钢钢丝10kg，国内外常用钢种为60Si2MnA，55SiCr(SUP12)，50CrVA等。一些微型汽车和面包车的悬架弹簧、摩托车减震弹簧等也使用螺旋悬架弹簧。悬架弹簧对弹簧钢丝的化学成分、夹杂物数量和形态分布、表面质量、脱碳层、显微组织及力学性能等要求很高。悬架弹簧要求表面脱碳层小于直径的0.5％、表面要磨光、尺寸公差要求较严格、应无缺陷交货。采用通常热加工方式难以达到用户要求，因此，轿车悬架用弹簧逐渐由热成型改为冷成型，经拉拔、热处理后制成卷簧。悬架弹簧钢丝发展方向是降低碳含量、减少脱碳，提高塑性成型性和抗弹性衰减等性能。

主机厂对弹簧的可靠性要求不断提高，悬架弹簧的疲劳寿命要求从20万次提高到最高100万次，并且针对高应力条件下容易产生腐蚀疲劳的倾向，提出了盐雾疲劳试验的要求，汽车所用的弹簧向轻量化、高可靠性发展。为了达到减重的目的，一是应用高强度韧性钢材，二是采用新型喷丸技术。

汽车工业的快速发展，对弹簧产品种类的开发和技术进步有明显的推动作用，预计到2012年，国内汽车工业对悬架弹簧的年需求量约为1600万件。汽车对弹簧钢线材原材料的年需量约为15万吨，但国产弹簧钢丝的质量、品种和规格都无法满足用户要求，特别是为轿车配套要求较高的悬架弹簧钢材需要从国外进口；主要进口国家为日本、韩国、瑞典、德国和英国等。伴随着国内轿车市场的稳定增长，预计2012年、2015后轿车悬架弹簧钢丝的市场需求量将分别达到16万吨和18万吨，2020年的需求量达到22万吨左右。

发明内容

针对现有的弹簧钢丝存在的不足之处，本发明的目的是提供一种汽车悬架用弹簧钢。

本发明的另一个目的是提供一种汽车弹簧钢的制备方法。

本发明的第三个目的是提供一种用弹簧钢制造弹簧钢丝的方法。

为实现上述目的的具体技术方案为：

一种汽车悬架用合金弹簧钢，是由如下质量百分比的化学成分组成：C 0.46％～0.56％、Si 0.90％～1.20％、Mn 0.80％～1.20％、P≤0.020％、S≤0.020％、Cr 0.70％～1.00％、Ni 0.90％～1.50％、Mo 0.60％～0.90％、Cu 0.50％～0.80％、RE 0.02％～0.07％；余量为Fe以及不可避免的杂质。

优选地，所述的汽车悬架用合金弹簧钢，由如下质量百分比的化学成分组成：C 0.48％～0.54％、Si 1.00％～1.20％、Mn 0.90％～1.20％、P≤0.020％、S≤0.010％、Cr 0.80％～1.00％、Ni 1.00％～1.50％、Mo0.70％～0.9％、Cu 0.60％～0.8％、RE 0.03％～0.06％；余量为Fe以及不可避免的杂质。

一种汽车悬架用合金弹簧钢的制备方法，其是方法A或方法B，分别包括如下步骤：

方法A：

铁水预处理，原料包括铁水、废钢、金属Ni、Cu及Mo；转炉炼钢；LF+RH炉外精炼；当钢水温度达到1550～1590℃时，先用Mn-Si铁合金进行预脱氧，再用Si-Ca粉进行终脱氧，然后加入铬铁合金；成分达到要求比例时，向钢中加入RE；，连铸为300mm×400mm大方坯；火焰清理表面；初轧开坯为160mm×160mm；扒皮清理；探伤；加热；高速线材控制轧制为直径10～17mm的线材；收线；检查包装；入库；

方法B：

原料为废钢和金属Ni、Mo、Fe、Cu；EAF电炉；VOD精炼炉，当VOD精炼炉中钢水温度达到1590～1610℃时，先采用Si-Mn铁合金粉未预脱氧，然后用Si-Ca粉终脱氧，然后依次加入金属Cr、RE；连铸为160mm×160mm钢坯；钢坯加热；高速线材轧制为直径10～17mm的线材；探伤；检查；包装；入库。

其中，所述方法A或方法B中，经过LF+RH炉外精炼或VOD精炼炉冶炼均是在终脱氧后加入RE合金粉末，RE加入量视钢中[S]含量而定，控制[RE]/[S]加入质量之比为3～4。

其中，所述A工艺路线中，LF+RH炉外精炼时真空脱气工艺参数如下：真空度控制在65～110Pa，处理时间为20min，钢水纯循环时间为5～6min；从而达到质量含量[O]＜15×10^-6、[N]＜30×10^-6、[H]＜2.5×10^-6；D类硬质夹杂物小于15μm，碳偏析小于1.06。

其中，所述方法A或方法B在连铸步骤，均采用结晶器电磁搅拌和轻压下的方法，压下量控制在5～8mm。

其中，所述方法A中，高速线材控制轧制采用双相区控制轧制，开轧温度不大于1000℃，精轧入口温度不大于900℃，减定径入口温度为750～800℃，控制冷却速度为2～4℃/s，确保索氏体组织为90％以上。

其中，所述方法B中，VOD精炼炉系在真空下进行炉外精炼，是有搅拌的炉外精炼SS-VOD，当碳含量达到0.50％时，真空度达到30torr时，停止吹氧，脱碳时间为15-30min，当炉渣碱度大于2.5时，开始吹氩气进入还原期冶炼，当钢水温达到1590-1610℃时进行预脱氧、终脱氧；当钢水温度达到1610～1620℃时钢水出炉，钢水中硫、氧、氢的质量含量为：[S]＜10×10^-6、[O]＜2.5×10^-6、[H]＜2.5×10^-6。

用本发明所述汽车悬架用合金弹簧钢制备弹簧钢丝的方法，包括如下步骤：

直径10～17mm的线材放线，喷丸除锈，探伤，修磨，1200mm倒立式拉丝机拉拔，放线，中频+高频感应加热，水淬火，中频回火，探伤，涂油，检查，包装，入库。

其中，所述喷丸除锈是采用直进式喷丸机去除线材表面氧化铁皮，喷丸粒子从360°方向喷出，粒子采用高碳钢丝切削而成直径小于1mm，走线速度为40～50m/min。

其中，所述拉拔后钢丝的直径为9～16mm，然后钢丝通过中频+高频二段式加热炉加热至950～970℃，中频频率为10KHz，升温至750～760℃居里点，在炉中停留10.2～11.0s，升温度速度为76～80℃/s；走线速度为15～20m/min。

其中，所述中频加热后钢丝升温至750～760℃居里点后，进入高频加热炉，高频频率为50KHz，走线速度为15～20m/min时，停留时间为3.2～3.5s，升温至960℃左右，升温速度为63～65℃/s。

其中，所述水淬火后钢丝要进行中频炉回火处理，走线速度为15～20m/min时，在回火炉停留时间为7.6～8.0s，回火温度为510～530℃时，升温速度为68～70℃/s。

其中，所述中频回火的电流透入深度

其中δ为电流穿透层厚度m；ρ为钢丝电阻率Ω·m；μ为钢丝相对导磁率；f为电流频率Hz；且电流透入深度δ和钢丝的直径D的比例为6＞D/δ＞3。

用本发明所述的方法制备得到的弹簧钢丝。

具体地，生产弹簧钢的方法A和线材(盘条)的步骤为：

低端汽车弹簧钢的生产工艺流程中不包括探伤和扒皮的步骤。

高端汽车弹簧钢的生产工艺流程的具体步骤如下：(方法A)

(1)采用常规方法进行铁水预处理，以达到脱磷、脱硅、脱硫的目的，然后进入转炉炼钢；

(2)转炉炼钢采用铁水、废钢、金属Ni或者废Cu及Mo-Fe等配料及其它造渣剂，所述造渣剂优选氧化钙或萤石，转炉炼钢的作用主要是除碳及调整钢水温度，当钢水中碳的含量达到0.80％～1.00％、温度达到1550～1570℃时，转入精炼炉，以LF+RH炉进行精炼；

(3)炉外精炼氧化期目的是降C、调温，炉外精炼还原期，当钢水温度达到1550～1590℃时，先采用Mn-Si铁合金进行预脱氧，再用Si-Ca粉进行终脱氧，然后加入铬铁合金；达到所述合金弹簧钢的化学成分组成要求时，向钢中加入RE进行合金化，RE的加入量视钢中[S]含量而定，控制[RE]/[S]之比为3-4，使最终钢的[RE]含量达到0.02％～0.07％；当钢中各种化学成分达到规定值时，钢水温度1590～1600℃出钢入钢包；

(4)连铸，连铸为大方坯，例如300mm×400mm方坯，然后进行火焰清理表面；并进行探伤及扒皮，清除表面缺陷；

(5)初轧钢坯加热温度为1230～1270℃，连轧控冷温度为980～1020℃，终轧温度为940～960℃；

(6)盘条生产总延伸系数为10，道次为延伸系数为1.1～1.15，最后轧成φ10～17mm盘条。

具体地，所述高强度耐疲劳合金弹簧钢的钢丝的制备方法，以φ12mm盘条制备φ11mm钢丝为例，包括如下步骤：

Φ12mm盘条放线-喷丸-探伤-修磨-拉拔成φ11mm-收放线-中频+高频感应炉加热-淬火-回火-探伤-涂油-收线。

高端汽车悬架弹簧钢丝生产的具体步骤如下：

(1)φ12mm盘条放线后进入直进式线材喷丸机内喷丸，走线速度为40～50m/min，喷丸粒子采用高碳钢丝切削成小于1mm直径粒子。喷丸目的是去除线材表面氧化铁皮及其他缺陷。

(2)喷丸后线材在直径1200mm倒立式拉拔机拉拔到φ11.0mm钢丝，道次减面率为16％。

(3)φ11.0mm钢丝放线，通过中频+高频二段式感应炉加热钢丝温度至950～970℃，最佳频率为10～50KHz，走线速度为15～20m/min；然后钢丝进行喷水淬火，水温为20～70℃。

(4)采用中频感应炉10KHz加热钢丝至510～530℃进行回火热处理。

(5)对回火后钢丝进行涡流探伤，当钢丝表面有超过规定深度缺陷存在部位进行自动定位和喷涂色标，以便弹簧厂家卷簧后将有缺陷物品挑出。

(6)探伤后钢丝要进行涂油防锈、检测、包装、入库。

本发明高强度耐疲劳车用悬架合金弹簧钢丝主要技术指标如下：

钢丝直径d＝9.0～16mm，抗拉强度Rm≥2000MPa、工作应力≥1100MPa，断面收缩率≥45％、疲劳寿命大于40万次。

根据下列经验公式(适合中碳合金结构钢)作为理论依据，作为设计新钢种化学成分理论依据：

抗拉强度Rm＝44.9+2.63Hv+375c

Hv＝235(C+0.167Si+0.223Mn+0.068Ni+0.254Cr+1.8V+3.16N)-43logD-3.46GSN+99.4

式中：Rm-抗拉强度

Hv-维氏硬度

D-试样直径

GSN-奥氏体晶度

本发明高强度耐疲劳合金弹簧钢的化学成分设计理念如下：

1)C含量的规定从上述公式可见，随着钢中C含量的增加，钢丝抗拉强度和硬度大幅度提高，C是合金结构钢中提高抗拉强度最有效合金元素。但是，实践经验证明，钢丝强度在提高的同时，钢的塑性、韧性、耐腐蚀等性能会明显降低，而且钢的脱碳层将大大增加。因此与55SiCr相比，发明人将C的含量降低0.05％左右，用添加Mo、Ni、Cu等合金元素的方式来弥补由于C减少而引起的强度损失，同时大大提高钢的塑性，这是一种科学合理的选择，确定C含量为0.46％～0.56％。

2)Si的含量的规定

55SiCrA牌号中Si含量比较高，目的是提高钢丝的弹性和耐热性能，其对钢强度影响不大。但是，在Si含量较高时，尤其当Si含量≥1.20％时，会促使铁素体晶粒长大，容易造成脱碳。为了解决上述技术问题，本发明加入了Mo等合金元素，完全可以代替Si元素在钢中的有利作用，同时避免造成脱碳，因此将Si含量确定为0.90％～1.20％是合理的。

3)Mn含量的规定

Mn元素对钢的强度贡献虽然不大，但是增加Mn含量可以提高钢的冲击韧性和塑性，尤其是Mn对降低钢的脆性转变温度贡献最大。Mn合金是我国富有资源，价格也便宜。但是当Mn含量大于1.50％时，促使钢的晶粒长大，对钢性能不利，因此将Mn含量规定为0.80％～1.20％。

4)Cr含量的规定

Cr元素对钢的强度贡献不大，但是对于提高钢的耐腐蚀性、淬透性能，Cr元素是不可缺少的合元素。随着钢中Cr含量的增加，不仅耐酸性提高，而且对钢在氯化物溶液中，耐应力腐蚀，点蚀等腐蚀性能的提高却有重要影响。考虑到Cr合金价格较高，应该控制使用，将Cr含量规定为0.70％～1.00％是必要的。

5)Mo含量的规定

Mo合金元素在钢中的作用不是以提高钢的强度为主要目的，而是为了提高钢的回火稳定性、耐持久蠕变性、耐热性及耐腐蚀等性能，但是Mo合金元素价格比较贵，应合理使用，将Mo含量规定在0.60％～0.90％是比较合适的。

6)Ni含量的规定

随着钢中Ni含量的增加，能显著改善钢丝塑韧性及降低钢丝脆性转变温度，促使钢丝低温冲击韧性提高，Ni能降低钢丝冷加工硬化趋势，改善弹簧钢冷加工性能；但是Ni是贵重金属，价格昂贵，应节约使用，确定Ni含量为0.90％～1.50％是比较合适的。

7)Cu含量的确定

Cu可提高钢的耐蚀性，改善钢的塑性，特别对钢的冷成型及冷加工能力提高很大；当Cu与Mo同时加入钢中，对钢丝耐蚀性提高效果更加明显；所以Cu含量确定为0.50％～0.80％是合理的。

8)稀土金属RE含量的确定

研究和实践证明，稀土金属RE在钢中作用有以下几个功能：

①在钢中加入RE可使钢的锈层致密，而且与基体的结合力变强，从而提高钢的耐大气腐蚀能力；

②稀土金属具有很强的脱氧、脱硫、吸氢的能力，减少了钢中的有害杂质；

③稀土金属具有使夹杂物球变化性的作用，但是只有钢中RE含量大于0.02％时作用显著，主要形成RE₂O₂S化合物；

④RE原子半径小，具有固溶强化和细化晶粒作用等。

将RE的含量确定为0.02％～0.07％，原因是RE含量小于0.02％时在钢中的作用不明显，当RE含量大于0.07％时，会使钢中稀土夹杂物大大增多，恶化钢的纯净度。

本发明主要创新点除了上述科学合理设计钢的化学成分外，在冶轧工艺、钢丝制备方法等方面采取一系列效果显著的技术措施与步骤，包括各种铁合金的加入方法、先后次序、与[S]之间的配比，与目前弹簧钢牌号55SiCr比，本发明的合金弹簧钢的抗拉强度提高了400MPa，工作应力提高了200MPa、疲劳寿命提高了20万次，更主要的中钢丝表面减少脱碳，裂纹等缺陷，特别是显著提高了钢的应力腐蚀能力，改善了冷加工成型性能等。

为提高悬架簧的耐腐蚀疲劳性能，要先了解一下悬架簧腐蚀疲劳的机理：首先在汽车行驶过程中，悬架簧表面的涂装层被飞石破坏后，悬架簧的金属表面就会露出，由于受到融雪剂中CaCl₂的影响，在此处就会产生腐蚀微坑。当微坑扩展到一定程度时，就会在坑底产生应力集中，应力集中将会引发微裂纹的产生。随后疲劳裂纹慢慢扩展，这时腐蚀过程中产生的氢气会使悬架簧的耐氢脆性能降低。

腐蚀坑的形状以坑的深度/坑口半径(b/a)表示。为了解决上述问题，相对常用55SiCr对比钢号而言，就是降C、提Cr、添加Ni、Mo、Cu、RE等合金元素，从而使腐蚀坑面积变小，提高了钢的抗腐蚀能力；实验也证明了Mo、Cu、Ni、RE等合金元素能使锈蚀物中非晶体合金的含量增加，b/a之比率减小的效果，进而降低坑底的应力集中程度，从而抑制氢脆敏感性，大大提高了汽车悬架弹簧耐腐蚀疲劳寿命，这是本发明50SiCrNiMoCuRE新型弹簧钢号的核心创新点之一。

本发明的有益效果：

本发明合理设计了弹簧钢的化学成分，改进了冶轧工艺、钢丝制备方法、铁合金的加入方法、先后次序、与[S]之间的配比，与目前弹簧钢牌号55SiCr比，本发明的弹簧钢的抗拉强度提高了400MPa，工作应力提高了200MPa、疲劳寿命提高了20万次，更主要的是钢丝表面减少脱碳，裂纹等缺陷，特别是显著提高了钢的应力腐蚀能力，改善了冷加工成型性能等。

本发明相对常用55SiCr钢，降C、提Cr、添加Ni、Mo、Cu、RE等合金元素，从而使腐蚀坑面积变小，提高了钢的抗腐蚀能力；实验也证明了Mo、Cu、Ni、RE等合金元素能使锈蚀物中非晶体合金的含量增加，b/a(腐蚀坑深度/坑口半径)比率减小，进而降低坑底的应力集中程度，从而抑制氢脆敏感性，大大提高了汽车悬架弹簧耐腐蚀疲劳寿命。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例中，各性能测试方法为：GB/T228拉力试验，GB/T223化验分析；GB/T224脱碳层测定法；GB/T10561钢中非金属夹杂物评定。

实施例1：弹簧钢的制备(方法A)

1、生产流程：

铁水预处理-转炉-炉外精炼-连铸为300mm×400mm的大方坯-火焰清理大方坯表面-初轧开坯为160mm×160mm的方坯-探伤-扒皮-加热-连轧控冷12mm盘条-收线-检查-包装。

2、制备步骤

(1)采用常规方法进行铁水预处理，脱去部分P、S、Si铁水后倒入转炉炼钢；

(2)铁水占90％，洁净废钢占10％，同时加入金属Ni和Cu及Mo-Fe合金、石灰(CaO)及萤石，当钢水中C含量达到0.80％左右，碱度为2.0以上，[P]≤0.010％、[S]≤0.010％，钢水温度为1550～1570℃时，钢水倒入钢包。进入LF精炼炉精炼。

(3)在LF精炼炉氧化期主要任务是降C，调整钢水温度；还原期主要任务是脱氧和合金化，当钢中[C]、[Ni]、[Cu]、[Mo]、[P]、[S]等成分达到规定范围内，温度达到1570～1580℃时，先采用Mn-Si铁合金预脱氧，再用Si-Ca粉终脱氧，然后再喷铬铁合金粉末合金化；最后加入RE合金进行合金化，RE加入量视钢中[S]含量而定，控制[RE]/[S]之比为3.5，当钢中[RE]含量达到0.035％，其他化学成分达到规定值时，钢水温度达到1590～1600℃时，转入RH真空处理炉脱气及去夹杂。

(4)RH真空脱气处理，RH真空度在65～110Pa时，处理时间为20min，钢水纯循环时间5min，钢水中气体和非金属杂物经过RH真空脱气后钢中氧的质量含量小于15×10^-6，氮的质量含量小于30×1^0-6，氢的质量含量小于2.5×10^-6；线材未发现粗系夹杂物，D类硬质夹杂物小于15μm，对钢坯检查碳偏析小于1.06水平。

(5)连铸工序，采用全保护浇铸，采用结晶器电磁搅拌和轻压下技术，压下量为5mm，严格控制C、S元素偏析；连铸成300mm×400mm方坯，然后进行火焰清理表面缺陷，并进行磨修和探伤。

(6)初轧开坯加热温度为1230～1250℃，把300mm×400mm钢坯轧成160mm×160mm方坯，对钢坯进行扒皮清理表面缺陷。

(7)线材控轧控冷工艺，160mm×160mm钢坯进入步进式加热炉，为了减少脱碳，采用快速加热，缩短钢坯在炉内高温区停留时间，保证炉内弱氧化性气氛；控制开轧温度不大于1050℃，适当加大粗中轧的道次压下量，道次延伸系数为1.1，总延伸系数为10；控制精轧入口温度为750～800℃，实现双相区轧制。同时调节各段冷却水箱冷却能力，加大除鳞高压水压力，控制冷却温度为2～4℃/s，保证不出现马氏体组织，生产线材为Φ12mm，尽量获得所需的索化体组织，减少铁素体析出量。轧制后收线，经过检查和包装，入库。制备成直径11mm的钢丝，测其力学性能，结果见表2。

常用弹簧钢号为55SiCr钢与实施例1得到的50SiCrNiMoCuRE钢各化学成分质量百分比见表1。

表1 化学成分质量百分比

力学性能对比见表2。

表2力学性能对比(直径11mm)

实施例2：弹簧钢的制备(方法A)

生产流程同实施例1。

制备步骤：

(1)采用常规方法进行铁水预处理，脱去部分P、S、Si铁水后倒入转炉炼钢；

(2)铁水占90％，洁净废钢占10％，同时加入金属Ni和Cu及Mo-Fe合金、石灰(CaO)及萤石，当钢水中C含量达到0.80％左右，碱度为2.0以上，[P]≤0.010％、[S]≤0.010％，钢水温度为1570～1590℃时，钢水倒入钢包。进入LF精炼炉精炼。

(3)在LF精炼炉氧化期主要任务是降C，调整钢水温度；还原期主要任务是脱氧和合金化，当钢中[C]、[Ni]、[Cu]、[Mo]、[P]、[S]等成分达到规定值后，温度达到1570～1580℃时，先采用Mn-Si铁合金预脱氧，再用Si-Ca粉终脱氧，然后再喷铬铁合金粉末合金化；最后加入RE合金进行合金化，RE加入量视钢中[S]含量而定，控制[RE]/[S]之比为3.5，当钢中[RE]含量达到0.04％，其他化学成分达到规定值时，钢水温度达到1590～1600℃，钢水包再转入RH真空处理炉脱气及去夹杂。

(4)RH真空脱气处理，RH真空度在65～110Pa时，处理时间为18min，钢水纯循环时间5min，钢水中气体和非金属杂物经过RH真空脱气后钢中氧的质量含量小于15×10^-6，氮的质量含量小于30×10^-6，氢的质量含量小于2.5×10^-6；线材未发现粗系夹杂物，D类硬质夹杂物小于15μm，对钢坯检查碳偏析小于1.06。

(5)连铸工序，采用全保护浇铸，采用结晶器电磁搅拌和轻压下技术，压下量为5mm，严格控制C、S元素偏析；连铸成300mm×400mm方坯，然后进行火焰清理表面缺陷，并进行磨修和探伤。

(6)初轧开坯加热温度为1230～1250℃，把300mm×400mm钢坯轧成160mm×160mm方坯，对钢坯进行扒皮清理表面缺陷；

(7)线材控轧控冷工艺，160mm×160mm钢坯采用步进式加热炉，为了减少脱碳，采用快速加热，缩短钢坯在炉内高温区停留时间，保证炉内弱氧化性气氛；控制开轧温度不大于1050℃，适当加大粗中轧的道次压下量，道次延伸系数为1.1，总延伸系数为10；控制精轧入口温度为750～800℃，实现双相区轧制。同时调节各段冷却水箱冷却能力，加大除鳞高压水压力，控制冷却温度为2～4℃/s，保证不出现马氏体组织，生产线材为Φ12mm，尽量获得所需的索化体组织，减少铁素体析出量。制备成直径11mm的钢丝，测其力学性能，结果见表4。

常用弹簧钢号为55SiCr钢与实施例2得到的50SiCrNiMoCuRE钢各化学成分质量百分比见表3。

表3 化学成分质量百分比

表4力学性能对比(直径11mm)

实施例3：弹簧钢丝的制备

生产流程：Φ12mm盘条放线-喷丸-探伤-修磨-拉拔成Φ11mm-放线-中频+高频感应加热-水淬火-中频感应回火-探伤-收线-检查-包装-入库。

具体制备步骤如下：

(1)Φ12mm盘条放线后进入直进式线材喷丸机内喷丸，走线速度为40～50m/min，喷丸粒子采用高碳钢丝切削成小于1mm直径粒子；喷丸目的是去除线材表面氧化铁皮。

(2)喷丸后线材在直径1200mm倒立式拉拔机拉拔成Φ11mm钢丝，道次减面率为16％。

(3)11.0mm钢丝放线，通过中频+高频二段式感应加热沪加热钢丝温度达到950～970℃，中频最佳频率为10KHz，高频最佳频率为50KHz，走线速度为15～20n/min，然后钢丝进行喷水淬火，水温为20～70℃。

(4)采用中频感应沪(10KHz)加热钢丝温度至510～530℃后进行回火热处理。

(5)回火后钢丝进行涡流探伤，当钢丝表面有超过规定深度缺陷存在部位进行自动定位和喷涂色标，以便弹簧厂家卷簧后将有缺陷产品挑出。

(6)探伤后钢丝要进行涂油防锈，然后检测包装及入库。

钢号55SiCr的钢丝与实施例2：50SiCrNiMoCuRE的弹簧钢丝中各化学成份质量百分数对比见表5。

表5化学成分质量百分比％

钢丝的力学性能对比见表6。

表6：力学性能对比(钢丝直径为11.0mm)

实施例4：高强度抗疲劳50SiCrNiMoCuRE弹簧钢制备方法(方法B)

按照与实施例1不相同的冶炼方法制备50SiCrNiMoCuRE弹簧钢，其不同之处在于用100吨电炉冶炼，采用100％清洁废钢，炉外精炼采用VOD真空精炼炉，控制[RE]/[S]之比为3.5，使最终钢的[RE]含量达到0.06％；

其工艺流程如下：

配料-EAF电炉/100t-精炼炉(VOD)-连铸为160mm×160mm大方坯-钢坯加热-高速线材轧机-成品检查-包装入库。

具体生产步骤：

(1)配料

清洁废钢(100％)+金属Ni+Mo-Fe+废Cu等炉料；造渣剂选用石灰(CaO)+萤石等造渣材料等，(也可用高碳Ni铁)；

(2)电炉(EAF)炼钢。

将配料依次加入电炉后，通电加热熔化，化验C、Si、Mn、P、S、Ni、Cu、Mo等化学成分质量百分数，依据化验结果再调整各种化学成分组成，当炉渣碱度达到2.5以上，钢水温度达到1610℃后，扒渣，出钢入包。

(3)SS-VOD炉外精炼

炉外精炉SS-VOD，采用2个以上透气砖或用3～6个Φ2～4mm不锈耐热钢管吹氩气，起到了强烈搅拌钢水作用；

SS-VOD炉由真空罐(包括真空排气系统)、钢包，吹氧系统及合金粉末添加设备组成。当碳含量达到0.50％时，真空度要求达到30torr时，停止吹氧，脱碳时间一般为15～30min，当C、Mn、Si、Ni、Mo、Cu等成分达到规定值后，加入造渣剂石灰及萤石，当碱度达到2.5以上时，开始喷吹氩气进入还期冶炼，当钢水温度达到1590～1610℃时，先采用Si-Mn铁合金粉未预脱氧，然后用Si-Ca粉终脱氧，然后依次加入金属Cr、RE合金粉未合金化，RE加入量视钢中[S]含量而定，[RE]/[S]之比要求达到3～4为宜，最终钢中RE含量控制在0.06％水平。当各种化学成分达到目标值后，钢水温度达到1610～1620℃时，扒渣出钢，钢包钢水转入中间包进行连铸工艺操作。

因为SS-VOD炉是在真空下进行冶炼，所以钢中有害气体与夹杂物都比较低，一般[S]小于10P×10^-6、[O]、[H]小于2.5×10^-6。

(4)连铸

采用全保护连铸措施，钢水通过中间包进入结晶器，拉坯速度为3～4m/min，连铸坯尺寸160mm×160mm方坯。

(5)连轧

对方坯缺陷火焰清理后，扒皮探伤，送入步进式加热炉加热，当钢坯温度达到1000～1050℃左右出炉轧制，一般由24架轧机组成由粗轧机-中轧-精轧机，轧速为80～100m/min，终轧温度控制在980℃左右，收线、打捆、称重、检查、包装、入库；线材直径为9～17mm。

钢号55SiCr弹簧钢丝与实施例4的50SiCrNiMoCuRE弹簧钢丝化学成分含量对比及力学性能对比见表7、表8。

表7：化学成分(质量百分数)对比

表8：力学性能对比(钢丝直径11.0mm)

实施例5：弹簧钢丝的制备

按照与实施例1相同的方法制备弹簧钢50SiCrNiMoCuRE；高速线材轧制后线材直径为16mm，拉拔后钢丝直径为15mm，其钢丝制备方法按照以下步骤：

1、工艺流程

Φ16mm盘条放线-喷丸除锈-探伤-修磨-倒立式拉拔机拉拔成Φ15mm-收放线-中频+高频感应加热-水淬火-中频感应回火-探伤-收线-检查-包装-入库。

2、制备步骤

钢丝制备步骤为(1)喷丸(2)拉拔(3)加热淬火(4)回火(5)探伤(6)涂油、检查、包装，与实施例2相同，所不同之处在于合理选择中频、高频感应加热的频率及透入电流深度。因为钢丝的热处理要求其横截面温度基本均匀一致，但在感应加热过程中，交变磁场在导体内部引起的涡流在导体横截面上的分布是不均匀的，电流主要集中在导体表面，称之为集肤效应。电流的频率愈高，集肤效应越明显，在穿透层δ深度内产生的能量为进入金属表面能量的86.4％。

电流透入深度计算公式为：

电流透入深度 $\mathrm{\δ}=503\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\μf}}}$

式中：δ为电流穿透层厚度，m；ρ为钢丝电阻率，Ω·m；μ为钢丝相对导磁率；f为电流频率Hz。

由于集肤效应电流密度从钢丝表面到中心部逐渐减小，钢丝中心部加热相对不足，其温度总是比表面上升得慢，钢丝心部加热主要依靠热传导作用，因此，在感应加热中必须充分考虑频率、加热时间、合理的均温措施和均温时间，以达到心部和表面温度相一致的目的。

钢丝感应加热属于穿透加热，频率的选择主要考虑2个主要因素，感应加热炉的加热效率和钢丝横截面的温度均匀性。这2个因素主要反映在透入电流深度δ和钢丝直径D的关系上：当D＞6δ时，感应加热器的效率不会增加更多，反而会因为传输损耗的加大、加热时间延长、热损耗加大等引起整个加热系统效率的降低；当D＜3δ时，虽然能够减小钢丝心部和表面温度差，但感应器的效率急剧降低，所以对于钢丝感应加热，透入电流深度δ和钢丝直径D最佳的比例为6＞D/δ＞3。

当加热温度接近居里点时(大约760℃)，钢丝变为非磁性材料，相对导磁率突然下降，接近于1，电流透入深度将剧烈增大(15倍以上)，涡流强度急剧下降，感应器和工件的耦合变差，即感应器向工件传递能量的能力下降，从而导致感应器的加热效率降低非常多，此时，应提高加热频率以提高加热效率。

由以上分析，对于磁性材料加热应选用二段加热的方式，即在加热初始阶段，钢丝仍保持磁性材料特性时，采用低频加热。在居里点以上的阶段，钢丝已经变为非磁性材料，使用高频加热更为有效。

中频炉长2.55m，高频炉长0.8m，走线速度为15m/min。中频频率为10KHz，升温速度为76℃/s；(钢丝温度为760℃)。高频频率为50KHz，升温速度为63℃/s；(钢丝温度为960℃)。透入电流深度δ和钢丝直径D最佳比例为6＞D/δ＞3。

钢号为55SiCr弹簧钢丝与实施例450SiCrNiMoCuRE弹簧钢丝化学成分对比和力学性能对比，分别列入表9和表10。

表9：化学成分质量百分比％

表10：力学性能(钢丝直径15mm)

Claims (9)

1.一种汽车悬架用合金弹簧钢的制备方法，其特征在于，所述汽车悬架用合金弹簧钢由如下质量百分比的化学成分组成：C0.46%～0.56%、Si0.90%～1.20%、Mn0.80%～1.20%、P≤0.020%、S≤0.020%、Cr0.70%～1.00%、Ni0.90%～1.50%、Mo0.60%～0.90%、Cu0.50%～0.80%、RE0.02%～0.07%；余量为Fe以及不可避免的杂质； 

所述制备方法是方法A或方法B，分别包括如下步骤： 

方法A： 

铁水预处理，原料包括铁水、废钢、金属Ni、Cu及Mo； 

转炉炼钢；LF+RH炉外精炼；当钢水温度达到1550～1590℃时，先用Mn-Si铁合金进行预脱氧，再用Si-Ca粉进行终脱氧，然后加入铬铁合金；成分达到要求比例时，向钢中加入RE，连铸为300mm×400mm大方坯；火焰清理表面；初轧开坯为160mm×160mm；扒皮清理；探伤；加热；高速线材控制轧制为直径10～17mm的线材；收线；检查包装；入库； 

所述LF+RH炉外精炼时真空脱气工艺参数如下：真空度控制在65～110Pa，处理时间为20min，钢水纯循环时间为5～6min；从而达到质量含量[O]<15×10^-6、[N]<30×10^-6、[H]<2.5×10^-6；D类硬质夹杂物小于15μm，碳偏析小于1.06； 

所述高速线材控制轧制采用双相区控制轧制，开轧温度不大于1000℃，精轧入口温度不大于900℃，减定径入口温度为750～800℃，控制冷却速度为2～4℃/s，确保索氏体组织为90%以上； 

方法B： 

原料为废钢和金属Ni、Mo、Fe、Cu；EAF电炉；VOD精炼炉，当VOD精炼炉中钢水温度达到1590～1610℃时，先采用Si—Mn铁合金粉末预脱氧，然后用Si-Ca粉终脱氧，然后依次加入金属Cr、RE；连铸为160mm×160mm钢坯；钢坯加热；高速线材轧制为直径10～ 17mm的线材；探伤；检查；包装；入库； 

所述VOD精炼炉系在真空下进行炉外精炼，是有搅拌的炉外精炼SS—VOD，当碳含量达到0.50%时，真空度达到30torr时，停止吹氧，脱碳时间为15～30min，当炉渣碱度大于2.5时，开始吹氩气进入还原期冶炼，当钢水温达到1590-1610℃时进行预脱氧、终脱氧；当钢水温度达到1610～1620℃时钢水出炉，钢水中硫、氧、氢的质量含量为：[S]<10×10^-6、[O]<2.5×10^-6、[H]<2.5×10^-6。 

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述汽车悬架用合金弹簧钢由如下质量百分比的化学成分组成：C0.48%～0.54%、Si1.00%～1.20%、Mn0.90%～1.20%、P≤0.020%、S≤0.010%、Cr0.80%～1.00%、Ni1.00%～1.50%、Mo0.70%～0.9%、Cu0.60%～0.8%、RE0.03%～0.06%；余量为Fe以及不可避免的杂质。 

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述方法A或方法B中，经过LF+RH炉外精炼或VOD精炼炉冶炼均是在终脱氧后加入RE合金粉末，RE加入量视钢中[S]含量而定，控制[RE]/[S]加入质量之比为3～4。 

4.根据权利要求1～3任一所述的制备方法，其特征在于，所述方法A或方法B在连铸步骤，均采用结晶器电磁搅拌和轻压下的方法，压下量控制在5～8mm。 

5.一种用权利要求1-4任一所述制备方法得到的合金弹簧钢制备弹簧钢丝的方法，其特征在于，包括如下步骤： 

直径10～17mm的线材放线，喷丸除锈，探伤，修磨，1200mm倒立式拉丝机拉拔，放线，中频+高频感应加热，水淬火，中频回火，探伤，涂油，检查，包装，入库； 

其中，所述拉拔后钢丝的直径为9～16mm，然后钢丝通过中频+高频二段式加热炉加热至950℃～970℃，中频频率为10KHz，升温至750～760℃居里点，在炉中停留10.2～11.0s，升温度速度为76～80℃/s； 走线速度为15～20m/min； 

其中，所述水淬火后钢丝要进行中频炉回火处理，走线速度为15～20m/min时，在回火炉停留时间为7.6～8.0s，回火温度为510～530℃时，升温速度为68～70℃/s。 

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述喷丸除锈是采用直进式喷丸机去除线材表面氧化铁皮，喷丸粒子从360°方向喷出，粒子采用高碳钢丝切削而成直径小于1mm，走线速度为40～50m/min。 

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述中频加热后钢丝升温至750～760℃居里点后，进入高频加热炉，高频频率为50KHz，走线速度为15～20m/min时，停留时间为3.2～3.5s，升温至960℃，升温速度为63～65℃/s。 

8.根据权利要求5～7任一所述的方法，其特征在于，所述中频回火的电流透入深度

其中δ为电流穿透层厚度m；ρ为钢丝电阻率Ω·m;μ为钢丝相对导磁率；f为电流频率Hz；且电流透入深度δ和钢丝的直径D的比例为6>D/δ>3。 

9.用权利要求5～8任一所述的方法制备得到的弹簧钢丝。