CN103484781A

CN103484781A - 一种高强高韧性弹簧钢及其制造方法

Info

Publication number: CN103484781A
Application number: CN201310442927.6A
Authority: CN
Inventors: 姚赞; 张忠铧
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-09-26
Also published as: CN103484781B

Abstract

本发明公开了一种高强高韧性弹簧钢，其化学元素质量百分配比为：C：0.34-0.49%；Si：1.00-2.80%；Mn：0.60-1.50%；，Cr：0.50-2.0%；Ni：0.1-0.5%；Mo：0.05-0.5%；V：0.05-0.20%；N：0.0035-0.0065%；Al：0.015-0.035%；RE：0.0005-0.01%；Ca：0.0005-0.005%；O：0.0005-0.0080%；且满足：Si+0.75(Mn+Cr)+0.6(Ni+Mo)≥3.0%；Al/O≥4.0；RE+0.75Ca≥0.002%；余量为Fe和其他不可避免的杂质。相应地，本发明还公开了该高强高韧性弹簧钢的制造方法。

Description

一种高强高韧性弹簧钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及钢种及其制造方法，尤其涉及一种弹簧钢及其制造方法。

背景技术

作为重要的减振和功能部件，弹簧被广泛地应用于社会生产和日常生活领域。随着科技的进步和制造水平的日益提高，各行各业对弹簧性能提出了更高的要求，从而推动弹簧钢材料向着更高的强度不断发展。

汽车制造业一直是弹簧钢用量最大的行业，例如，在日本，汽车、摩托车所用的弹簧钢占其国内弹簧钢生产总量的64.9%，每年需求量超过10万吨。悬架弹簧是汽车底盘减振系统中的重要功能性零部件，主要作用是吸收汽车运行中的振动以保证乘员的舒适性；同时，它还有维持轮胎与地面贴合、保证车辆操纵性的功能。目前，多数轿车的减振系统采用螺旋悬架弹簧与减振器相组合的形式。在汽车行驶过程中，螺旋悬架弹簧需要承受高频往复压缩运动，因此，其质量的好坏直接影响到车辆的平稳性和安全性。气门弹簧则应用于汽车发动机上的关键零部件，其作用是控制发动机的进气和排气，它的服役条件非常苛刻，其可靠性及使用寿命是影响汽车的安全性、发动机寿命和工作性能的重要因素。

自上世纪80年代以来，节能、环保和安全性已成为汽车设计的首要考虑的三大因素，受此影响，悬架弹簧和气门弹簧的发展趋势总体上朝着轻量化、高应力且高可靠度的方向发展。弹簧的设计应力提高20%，而其重量可减少约25%，从而降低车辆行驶所需的油耗，达到节能减排的目的，但是，弹簧仍需保持良好的塑韧性，较高的抗弹减性和较好的抗疲劳寿命。

现有用于车辆弹簧生产的Cr-V系，Cr-Mn系和Si-Mn系的钢材料无法满足高强度弹簧的生产需求，另外，强度更高、屈强比更好的Si-Cr系弹簧钢，例如55SiCr和55SiCrV钢材，所要求的强度也已达到其自身材料的极限，即使通过降低回火温度等手段来勉强提高钢材的强度，也会由于材料缺口敏感性过大而无法使用。

公开号为CN1974825A，公开日为2007年6月6日，名称为“具有优异卷绕性和耐氢脆性的高强度弹簧钢丝”的中国专利文献公开了一种用于制成弹簧钢丝的钢材料，其化学成分的质量百分含量为：0.4～0.6%C，1.7～2.5%Si，0.1～0.4Mn，0.5～2.0%Cr，0～0.006%N，0.021～0.07%Al，还包括0～1.0%的Ni，0～1.0%的Cu，0～0.1%的Ti，0～0.2%的V，0～0.1%的Nb，0～1.0%的Mo中的一种或多种。该技术方案采用高碳+高硅+低锰合金设计路线，主要通过控制残余奥氏体量和尺寸形状来增强钢材的耐氢脆性，其添加合金量大，生产成本高。

公开号为CN1958828A，公开日为2007年5月9日，名称为“具有优异耐氢脆性的弹簧钢以及由该钢获得的钢丝和弹簧”的中国专利文献公开了一种弹簧钢，该钢材中的各化学元素的质量百分含量配比为：0.35～0.65%C，1.5～2.5%Si，0.05～1.0%Mn，0.05～1.9%Cr，0.025～0.1%Ti，0～0.05%Al，0～0.01%N，此外，还可以添加0～0.7wt.%的Cu，0～0.8wt.%的Ni。该弹簧钢中的钛、氮含量较高。

公开号为CN1590575A，公开日为2005年3月9日，名称为“汽车用高使用应力弹簧钢”的中国专利文献公开了一种弹簧钢，其各化学元素的质量百分含量为：0.30～0.50%C，0.80～2.0%Si，0.50～1.0%Mn，0.40～1.0%Cr，0.01～0.5%W，0.08～0.30%V，0.005～0.25%的稀土元素，还含有0.001～0.10%的B。该弹簧钢经淬火+回火调质处理后的钢材强度有所提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强高韧性弹簧钢，该弹簧钢具有2000Mpa以上的强度，同时还具有良好的塑韧性、抗弹减性及抗疲劳性能，此外该弹簧钢还具备一定的抗大气腐蚀能力，另外该弹簧钢的制造成本低廉。

为了实现上述目的，本发明提出了一种高强高韧性弹簧钢，其化学元素质量百分配比为：

C：0.34-0.49%，

Si：1.00-2.80%，

Mn：0.60-1.50%，

Cr：0.50-2.0%，

Ni：0.1-0.5%，

Mo：0.05-0.5%，

V：0.05-0.20%，

Al：0.015-0.035%，

N：0.0035-0.0065%，

RE：0.0005-0.01%，

Ca：0.0005-0.005%，

O：0.0005-0.0080%；

且满足：

Si+0.75(Mn+Cr)+0.6(Ni+Mo)≥3.0%；

Al/O≥4.0；

RE+0.75Ca≥0.002%；

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

本发明所述的高强高韧性弹簧钢中的各化学元素的设计原理为：

C：C是保证弹簧钢室温强度和淬透性的必需成分，但是对于高强度弹簧来说，过高的碳含量将导致其合金韧性下降，从而使得成品弹簧疲劳性能达不到要求。当碳含量低于0.34wt.%时，钢的强度无法保证，当碳含量高于0.49wt.%时，则会由于碳化物易于析出长大而使得钢材料韧性变坏，因此，在本发明中碳含量的添加范围为0.34～0.49wt.%。

Si：Si是一种非碳化物形成元素，其主要固溶在铁素体相中以起到强化作用，能够有助于提高弹簧钢的强度及抗弹减性，同时，在冶炼过程中Si还具有脱氧作用。当Si含量低于1.0wt.%时，强化效果并不明显，然而，当Si含量高于2.8wt.%时，钢材的加工性能和韧性将恶化。因此，在本发明中硅的质量百分配比为1.00～2.80%。

Mn：Mn在钢中可有效地提高淬透性和强度，并且对钢的塑性影响不大。为了保证材料的合金强度及淬透性，向钢中添加Mn的含量不能少于0.6wt.%，若Mn含量过多，则会在钢坯及盘条生产过程中易于形成过冷组织，而在轧制时引起钢材的开裂或断裂，进而影响弹簧钢产品的成材率，所以需要将本发明中的Mn的添加量控制为0.6～1.5wt.%。

Cr：Cr能够提高弹簧钢的淬透性，同时其在回火过程中能够析出合金渗碳体以提高钢材的强度，此外，添加Cr还有助于钢材在腐蚀环境中形成致密氧化膜保护层从而降低钢材料的腐蚀速率，为了更好地发挥Cr的有益作用，需要将其质量百分含量控制为0.5～2.0%。

Ni：Ni具有提高钢材合金强度及改善其韧性的作用，另外，Ni的添加还可以使得合金钢的脆性转变温度降低，且有助于提高合金钢在腐蚀环境中的抗腐蚀性能，添加过多的Ni将导致钢材料成本的增加，故需要将Ni的含量控制范围为0.1～0.5wt.%。

Mo：Mo的添加将有利于降低弹簧钢发生低温回火脆性的风险，同时，Mo的添加还可以细化回火碳化物尺寸，改善高强弹簧钢的塑韧性，此外，Mo的添加还有益于提高弹簧钢的抗点蚀能力。为了发挥Mo的有益效果，其添加量需要高于0.05wt.%，然而从成本控制且适度提高合金淬透性方面来考虑，Mo的添加量需要低于0.5wt.%。因此，在本发明的技术方案中的Mo的添加量为0.05～0.5wt.%。

另外，为了综合发挥各合金元素的添加有益效果以使得钢材料的强度达到≥2000MPa，上述合金元素的添加量还需满足：Si+0.75(Mn+Cr)+0.6(Ni+Mo)≥3.0wt.%。

V和N：V具有较强的氮化物和碳化物的形成倾向，其能够提高回火过程中碳氮化物的析出形核率，用以细化组织。在回火过程中，V元素的氮化物和碳化物的析出将增加钢材的硬度和强度，从而使得钢材发生二次硬化。若在钢中的V添加量过高，将会使得钢中的碳化物和氮化物过早析出，并且碳化物和氮化物形成的尺寸粗大，故需要将其含量控制在0.05～0.20wt.%。由于该钢的碳含量较低，为了能够充分发挥V的添加有益效果，需要控制钢中N含量高于0.0035wt.%，同时，又由于N添加量过高时会导致冶炼时钢中易于析出较大颗粒的氮化物夹杂，还需控制钢中N含量低于0.0065wt.%。因此，在本发明的技术方案中控制N的质量百分含量为0.0035～0.0065%。

Al：Al在钢中主要起到了脱氧和细化晶粒的作用。当其加入量少于0.015wt.%时，其能够起到的效果并不明显，不过，其加入量过多时，又容易在钢中形成脆性的氧化铝夹杂物从而不利于钢材的韧性，故而，在本技术方案中控制Al含量为0.015～0.035wt.%。

与此同时，为了充分去除氧元素对于弹簧钢的疲劳性能的影响，在合金钢中Al/O的比值需要满足：Al/O≥4.0。

RE和Ca：稀土元素的加入有利于改善弹簧钢的抗弹减性和疲劳寿命。稀土元素可以细化材料调质处理前原奥氏体晶粒尺寸，同时达到净化基体并改善钢中夹杂物组成及分布的作用，还能提高加工过程中钢材的抗脱碳能力，因此，本发明中稀土元素RE的添加量为0.0005～0.01wt.%。在出钢前添加钙元素，有利于对钢中脆性夹杂物进行变性处理，起到细化夹杂物尺寸的作用，但是，Ca添加量过高时，则会产生大量钙的硫化物、氧化物等有害夹杂物，因而，钙的添加量限定为0.0005～0.005wt.%。

此外，为了能够发挥RE元素和Ca元素在净化钢材质及夹杂物控制的综合效果，两者的添加量还需满足关系式：RE+0.75Ca≥0.002wt.%。

在本发明所述的高强高韧性弹簧钢中，不可避免的杂质元素主要为P和S元素。

进一步地，本发明所述的高强高韧性弹簧钢中还包括0.01～0.20wt.%的Nb元素。Nb元素也具有较强的氮化物和碳化物的形成倾向，其能够提高回火过程中碳氮化物的析出形核率，起到细化组织的作用，但为了避免钢中的碳化物和氮化物的过早析出，且形成颗粒尺寸粗大，需要将其质量百分含量控制在0.01～0.20%的范围之内。

进一步地，本发明所述的高强高韧性弹簧钢中还包括0.02～0.10wt.%的Zr元素和0.01～0.06wt.%的Ta元素的至少其中之一。至少添加Zr元素和Ta元素中任意一种能够有利于进一步提高弹簧钢的钢质纯净度及低温韧性，降低钢材的缺口敏感性，同时，还可以通过元素的固溶强化来提高钢材料的强度。

相应地，本发明还提供了一种高强高韧性弹簧钢的制造方法，该制造方法通过优化的工艺控制可以生产出强度大、塑韧性高、抗疲劳性能佳且抗弹减性好的弹簧钢，能够满足汽车领域中对于弹簧钢的可靠性、安全性及抗大气腐蚀能力的需求。

为了实现上述目的，本发明还相应地提供了一种高强高韧性弹簧钢的制造方法，其包括步骤：

（1）冶炼；

（2）铸造；

（3）粗轧；

（4）粗轧后加热；

（5）高速线材轧制；

（6）斯太尔摩控冷；

（7）拉拔；

（8）加热；

（9）调质处理：淬火+回火。

进一步地，在上述步骤（1）中，真空脱气时间大于20min。

进一步地，在上述步骤（2）中，控制铸坯心部碳偏析＜1.06。

进一步地，在上述步骤（4）中，加热温度为900～1250℃，保温时间为1～4h。

进一步地，在上述步骤（5）中，控制轧制速度为90～120m/s。

进一步地，在上述步骤（5）中，轧制温度为920～990℃，减定径温度为890～970℃，吐丝温度为820～950℃。

进一步地，在上述步骤（6）中，采用14台斯太尔摩线风机进行控冷，其中，第1斯太尔摩线风机至第7斯太尔摩线风机的风量控制为10～100%，第8斯太尔摩线风机至第12斯太尔摩线风机的风量控制为0～50%，第13斯太尔摩线风机至第14斯太尔摩线风机的风量控制为0～45%，经斯太尔摩冷却后的盘条组织为索氏体+极少量铁素体。

更进一步地，所述铁素体的体积含量低于4%。

进一步地，在上述步骤（7）中，控制盘条拉拔的减面率＞15%。

在本发明所述的高强高韧性弹簧钢的制造方法的步骤（7）中，可以采用单道次拉拔，也可以采用两道次拉拔，当采用单道次拉拔时，拉拔速度≤2m/min。

进一步地，在本发明所述的高强高韧性弹簧钢的制造方法的步骤（9）中，采用油淬或水淬，淬火温度为910～1010℃。

进一步地，在本发明所述的高强高韧性弹簧钢的制造方法的步骤（9）中，回火温度为430～500℃。

本发明所述的高强高韧性弹簧钢由于采用了上述技术方案，使得其强度可达2000MPa及以上，同时兼具有足够的塑韧性和高抗弹减性，以及疲劳寿命。此外，本发明所述的高强高韧性弹簧钢通过控制合金成分，使得其制造成本低廉。

具体实施方式

下面将根据具体实施例对本发明所述的高强高韧性弹簧钢及其制造方法做进一步说明，但是具体实施例和相关说明并不构成对于本发明的技术方案的不当限定。

实施例A1-A10

按照下列步骤制造高强高韧性弹簧钢，控制其化学元素质量百分配比如表1所示：

1)冶炼：实施例A1-A5采用电炉冶炼，实施例A6-A10采用转炉冶炼，其后进行炉外精炼，其中实施例A1-A6采用LF炉加VD精炼，而实施例A7-A10采用LF加RH处理，冶炼过程中调整合成渣成分和加入量,控制钢中P、S元素含量低于0.010%，进行氩气搅拌，真空脱气时间控制为25-40分钟，控制终点O含量低于80ppm，N含量低于65ppm，H含量低于2ppm，进行充分脱氧后添加合金元素，出钢前添加RE和Ca元素镇静，以进一步提高钢的纯净度以及进行夹杂物变性处理；

2)铸造：采用大方坯连铸机浇注方坯，浇铸过程中采用氩气保护，实施例A1-A2浇铸大方坯尺寸为300mm，实施例A3-A5大方坯尺寸为350mm，A6-A7大方坯尺寸400mm，A8-A10大方坯尺寸为450mm，调整连铸过程中拉速范围为0.5-2m/min，同时调整冷却及末端轻压下参数以控制坯料心部碳偏析＜1.06；

3)粗轧：实施例A1-A5连铸坯粗轧温度为1150℃，轧制坯料尺寸为135mm，A6-A8连铸坯粗轧温度为1200℃，轧制坯料尺寸为200mm，A9和A10连铸坯粗轧温度为1250℃，轧制坯料尺寸为250mm；

4)粗轧后加热：将轧制后的坯料经涡流探伤、磁粉探伤、砂轮修模、补充磁粉探伤及修模后，入加热炉加热，加热温度控制在900-1250℃，保温时间为1-4h；

5)高速线材轧制：控制轧制速度为90-120m/s；在线温度控制方案为：其中实施例A1-A5，控制轧制温度为920-950℃，减定径机组进口温度为890-940℃，吐丝温度为820-900℃；实施例A6-A10，控制精轧温度为950-990℃，减定径机组进口温度为940-970℃，吐丝温度为890-950℃；经过轧制后，实施例A1-A5的轧制盘条尺寸规格分别为Ф5、Ф5.5、Ф6.5、Ф7、Ф8mm，实施例A6-A10的轧制盘条尺寸规格为Ф9-17mm；

6)斯太尔摩控冷：实施例A1-A5的斯太尔摩冷却工艺为：F1-F4风机风量为45%，F5-F7风机风量为20%，F8-F12风机风量为0%，F13-F14风机风量为30%；实施例A6-A10的斯太尔摩冷却工艺为：F1-F4风机风量为50%，F5-F7风机风量为25%，F8-F12风机风量为5%，F13-F14风机风量为35%；最终经斯太尔摩冷却后盘条组织为索氏体加极少量铁素体（体积分数低于4%），而没有马氏体、贝氏体等异常组织存在；

7)拉拔：实施例A1-A5中合金盘条的拉拔减面率为17%，实施例A6-A10中合金盘条的拉拔减面率为23%，拉拔速度均为1.5m/min；

8)加热：实施例A1-A3中加热温度为950℃，实施例A4-A6中加热温度为970℃，实施例A7-A10中加热温度为1000℃；

9)调质处理：实施例A1-A3中，淬火温度910℃，回火温度500℃；实施例A4-A6中，淬火温度940℃，回火温度480℃；实施例A7-A10中，淬火温度1000℃，回火温度430℃。

表1.实施例A1-A10和比较例B1-B3的化学元素的质量百分配比

（wt%，余量为Fe和其他不可避免的杂质）

（注：对比例B3中，还具有0.3wt%的钨元素）

表2列出了本案实施例A1-A10和对比例B1-B3的性能参数。

表2.

	抗拉强度/MPa	面缩率/%	弹簧应力/MPa	疲劳寿命/次	24小时后扭转蠕变应变
						A1	2020	55	1200	60×10⁴	1300×10^-6
A2	2040	52	1150	65×10⁴	1314×10^-6
						A3	2085	46	1200	55×10⁴	1250×10^-6
A4	2150	48	1100	75×10⁴	1337×10^-6
						A5	2050	53	1150	60×10⁴	1230×10^-6
A6	2130	46	1200	55×10⁴	1346×10^-6
						A7	2100	55	1100	70×10⁴	1289×10^-6
A8	2180	57	1200	65×10⁴	1150×10^-6
						A9	2200	51	1250	60×10⁴	1174×10^-6
A10	2160	53	1200	70×10⁴	1211×10^-6
						B1	1900	52	1100	35×10⁴	2018×10^-6
B2	1950	50	1100	40×10⁴	1610×10^-6
						B3	1990	47	1200	50×10⁴	1390×10^-6

从表2中可以看出，上述各实施例的强度均在2000MPa以上，高于对比例B1-B3。而且在这样高的强度下，可以看到本案各实施例的材料面缩率仍可达到46%以上，具有良好的塑韧性配合。从表2中还可以看出，在相同弹簧使用应力下，本案实施例的材料疲劳寿命高于对比例。

鉴于螺旋弹簧使用时主要受到扭矩的作用，并且认为弹减是一种蠕变，所以根据扭转蠕变应变可以评价材料的抗弹减性能。对实施例和对比例试样施加一个扭矩使其表面剪切应力达到1150MPa，24小时后测量其蠕变应变，结果如表2所示，从表2可以看出本发明钢的抗弹减性能优于对比例。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高强高韧性弹簧钢，其特征在于，其化学元素质量百分配比为：

C：0.34-0.49%；

Si：1.00-2.80%；

Mn：0.60-1.50%；，

Cr：0.50-2.0%；

Ni：0.1-0.5%；

Mo：0.05-0.5%；

V：0.05-0.20%；

N：0.0035-0.0065%；

Al：0.015-0.035%；

RE：0.0005-0.01%；

Ca：0.0005-0.005%；

O：0.0005-0.0080%；

且满足：

Si+0.75(Mn+Cr)+0.6(Ni+Mo)≥3.0%；

Al/O≥4.0；

RE+0.75Ca≥0.002%；

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的高强高韧性弹簧钢，其特征在于，其还包括0.01-0.20wt.%的Nb元素。

3.如权利要求1所述的高强高韧性弹簧钢，其特征在于，其还包括0.02-0.10wt.%的Zr元素和/或0.01-0.06wt.%的Ta元素。

4.如权利要求1至3任一项所述的高强高韧性弹簧钢的制造方法，其包括步骤：

（1）冶炼；

（2）铸造；

（3）粗轧；

（4）粗轧后加热；

（5）高速线材轧制；

（6）斯太尔摩控冷；

（7）盘条拉拔；

（8）加热；

（9）调质处理：淬火+回火。

5.如权利要求4所述的高强高韧性弹簧钢的制造方法，其特征在于，在步骤（1）中，真空脱气时间大于20min。

6.如权利要求4所述的高强高韧性弹簧钢的制造方法，其特征在于，在步骤（2）中，控制铸坯心部碳偏析＜1.06。

7.如权利要求4所述的高强高韧性弹簧钢的制造方法，其特征在于，在步骤（5）中，控制轧制速度为90～120m/s。

8.如权利要求4所述的高强高韧性弹簧钢的制造方法，其特征在于，在步骤（5）中，轧制温度为920～990℃，减定径温度为890～970℃，吐丝温度为820～950℃。

9.如权利要求4所述的高强高韧性弹簧钢的制造方法，其特征在于，在步骤（6）中，采用14台斯太尔摩线风机进行控冷，其中，第1斯太尔摩线风机至第7斯太尔摩线风机的风量控制为10～100%，第8斯太尔摩线风机至第12斯太尔摩线风机的风量控制为0～50%，第13斯太尔摩线风机至第14斯太尔摩线风机的风量控制为0～45%，经斯太尔摩冷却后的盘条组织为索氏体+极少量铁素体。

10.如权利要求9所述的高强高韧性弹簧钢的制造方法，其特征在于，所述铁素体的体积含量低于4%。

11.如权利要求4所述的高强高韧性弹簧钢的制造方法，其特征在于，在步骤（7）中，控制盘条拉拔的减面率＞15%。

12.如权利要求4所述的高强高韧性弹簧钢的制造方法，其特征在于，在步骤（7）中，采用单道次拉拔，拉拔速度≤2m/min。

13.如权利要求4所述的高强高韧性弹簧钢的制造方法，其特征在于，在步骤（7）中，采用两道次拉拔。

14.如权利要求4所述的高强高韧性弹簧钢的制造方法，其特征在于，在步骤（9）中，采用油淬或水淬，淬火温度为910～1010℃。

15.如权利要求4所述的高强高韧性弹簧钢的制造方法，其特征在于，在步骤（9）中，回火温度为430～500℃。

16.如权利要求4所述的高强高韧性弹簧钢的制造方法，其特征在于，在步骤（4）中，加热温度为900～1250℃，保温时间为1～4h。