CN103614634B

CN103614634B - 合金弹簧丝及其制备方法

Info

Publication number: CN103614634B
Application number: CN201310624128.0A
Authority: CN
Inventors: 张瑞杰
Original assignee: Liucheng County Ding Ming Metal Products Co Ltd
Current assignee: Liucheng County Ding Ming Metal Products Co Ltd
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2033-11-28
Also published as: CN103614634A

Abstract

本发明公开了一种合金弹簧丝及其制备方法，其中：以该合金弹簧丝的质量为基准，所述的合金弹簧丝含有0.45～0.55%的C、0.80～1.10%的Cr、0.5～0.9%的Mo、0.61～0.89%的Mn、0.15～0.30%的Si、0～0.03%的P、0～0.025%的S和0.015～5%的V，余量为Fe。本发明的合金弹簧丝不易出现塑性变形、不易折断、耐腐蚀的，是制作汽车发动机专用的气门弹簧丝的优选原料。

Description

合金弹簧丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种弹簧钢丝，具体涉及了一种不易出现塑性变形、不易折断、耐腐蚀的汽车发动机气门专用的合金弹簧丝。

背景技术

目前普遍使用的不锈钢弹簧钢丝分为以下三类：1.相变强化马氏不锈钢弹簧钢丝；2.形变强化奥氏体-马氏体不锈钢弹簧钢丝；3.沉淀硬化奥氏体-马氏体不锈钢弹簧钢丝。相变强化马氏不锈钢弹簧钢丝的缺点是：1.采用强化马氏体不锈钢为原料制成，制成弹簧后需要再次热处理，以提高其弹性；然后进行酸洗，使其表面光滑，甚至需要镀铬、镍等，制造工序复杂，成品率低，成本高；2.韧性差，脆性敏感。形变强化奥氏体不锈钢弹簧钢丝的缺点是：1.强度和弱性低，抗松弛和蠕变性较差；2.弹性模量的温度系数较大；3.其中镍含量为8%-10%，而镍是一种价格较高的紧缺资源，又不能满足节能环保的要求。为了解决上述问题，技术人员开发了多种性能改良、加强的弹簧钢丝。

合金弹簧中的气门弹簧是发动机配气系统中的重要零件,主要起维持配气系统构件中正常接触和促进气阀密封的作用。然而经过发明人调查了解，发现目前合金弹簧在实际应用中，经常出现易发生塑性变形、易折断、易锈蚀等现象，从而导致发动机气门密封失效，严重影响发动机的正常运转；而且市面上也没有更好材质的弹簧丝用于替换。因此，市场上急需一种不易出现塑性变形、不易折断、耐腐蚀的汽车发动机专用的气门弹簧丝。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种不易出现塑性变形、不易折断、耐腐蚀的，用于汽车发动机专用的气门弹簧丝制作原料的合金弹簧丝。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种合金弹簧丝，其中，以该合金弹簧丝的质量为基准，所述的合金弹簧丝含有0.45～0.55%的C、0.80～1.10%的Cr、0.5～0.9%的Mo、0.61～0.89%的Mn、0.15～0.30%的Si、0～0.03%的P、0～0.025%的S和0.015～5%的V，余量为Fe。

所述的合金弹簧丝含有0.45～0.55%的C、0.80～1.10%的Cr、0.65～0.85%的Mo、0.65～0.85%的Mn、0.15～0.30%的Si、0～0.03%的P、0～0.025%的S和0.015～3%的V，余量为Fe。

所述的合金弹簧丝含有0.45～0.55%的C、0.80～1%的Cr、0.75%的Mo、0.7～0.8%的Mn、0.15～0.30%的Si、0～0.015%的P、0～0.015%的S和0.015～0.1%的V，余量为Fe。

一种制备如上所述的合金弹簧丝的方法，该方法依次包括以下步骤：（1）将弹簧丝的原料进行初炼；（2）精炼；（3）冷却成型；（4）轧制；（5）淬火；（6）回火；（7）涂层并烘干；（8）拉制成弹簧丝。

通过上述的制备方法制造得的弹簧丝以其质量为基准，含有0.45～0.55%的C、0.80～1.10%的Cr、0.5～0.9%的Mo、0.61～0.89%的Mn、0.15～0.30%的Si、0～0.03%的P、0～0.025%的S和0.015～5%的V，余量为Fe。

在上述制备方法中，所述初炼的温度为1700～1850℃，初炼的时间为30～50分钟；所述精炼的温度为1600～1650℃，精炼的时间为30～55分钟。

在上述制备方法中，所述冷却成型包括先以冷却速度为15～25℃/分钟冷却至1100℃以下，然后自然冷却至室温。

在上述制备方法中，所述轧制包括连轧或半连轧。

在上述制备方法中，所述淬火的温度为950～1200℃，淬火的保温时间为30～60分钟；所述回火的温度为400～450℃；回火保温的时间为60～120分钟；所述烘干的温度为200～250℃。

钼（Mo），钼是不锈钢丝不生锈、耐腐蚀的关键元素；钼添加剂对钢的性能有着很大的影响，把少量钼加到钢之中，可使钢丝具有非常优异的性能，可以大大增加弹簧钢丝的耐磨性能，延长使用寿命。高强度合金钢含钼可以提高钢材硬度、强度和韧性，并具良好的可焊性和抗腐蚀性能。当铸铁添加0.3%～1.0%的钼后，将会大大提高抗拉、抗弯和抗疲劳强度，还会提高铸件结构的均匀性，这对大型铸件尤其显得重要，这些铸件广泛应用于汽车制造、压力管道和铸模等，加工工业里钼用得更广泛。高下使用的模具受热、机械交变应力作用导致材料疲劳出现裂纹。而利用热膨胀系数小，导热强、高强度好的钼或钼基合金，模具寿命大幅度延长；向铁、钢及其它金属中加入合金元素便可改善它们的性能，如淬火性、下的强度、耐腐蚀性与耐研磨性。但是钼的含量过高时，则恶化钢的塑性、韧性和加工性能。因此，在本发明中，发明人控制了合金弹簧钢丝中钼的含量为0.5～0.9%（重量百分比），进一步优选为0.65～0.85%，最优可选0.75%。

碳（C），碳是稳定奥氏体的代表元素，是在弹簧钢丝中所含的用于提高强度和淬火硬度、确保耐磨损性的重要元素，是获得高强度和硬度的弹簧钢丝所必须的。高的碳含量虽然对钢丝的强度、硬度、弹性和弹减性能等有利，但不利于钢丝的塑性和韧性，而且使屈强比降低，脱碳敏感性增大，恶化钢的抗疲劳性能和加工性能。因此，本发明需要控制碳的含量，使合金弹簧丝中碳的含量为0.45～0.55%（重量百分比）。

硅（Si），硅元素是弹簧钢丝弹性的最主要贡献元素，是强化铁素体组织的元素，同时还能控制结晶粒生长，提高耐酸性，在铸造铸件时增强熔钢的流动性，减少表面缺陷。然而，硅含量过高时会导致降低钢的塑性和韧性，并导致碳的活性增加，从而在钢丝的轧制和加热过程中发生脱碳和石墨化的倾向，并使冶炼困难、易形成夹杂物因而恶化钢丝的抗疲劳性能。因此，控制弹簧钢丝中硅的含量在0.15～0.30%（重要百分比），保证弹簧钢丝在具有足够的弹性的同时尽量降低其对钢丝的塑性和韧性的不利影响。

锰（Mn），在回火时，锰与磷有强烈的晶界共偏聚倾向，促进回火脆性，恶化钢丝的韧性。但是另一方面，锰是脱氧和脱硫的有效元素，作为脱氧剂使用，在热处理时还可以提高弹簧钢丝的淬透性和强度，添加量小于0.6%时会降低N的固溶性而难以起到上述作用。因此，本发明需要控制在弹簧钢丝中锰的含量为0.61～0.89%（重量百分比），进一步优选可为0.7～0.8%。

磷（P），磷能在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大，所以应该尽量低地控制弹簧钢丝中磷的含量，一般将在弹簧钢丝中磷的含量为0.03%（重量百分比）以下，最好是在0.015%以下。

硫（S），在钢铁中总是会存在或多或少的硫，硫与锰形成硫化锰夹杂并且在晶界也有一定的偏聚，这样会恶化钢丝的韧性和抗疲劳性，因此一般认为硫是有害元素，应当尽量降低钢中硫大含量。但是，钢液在凝固过程中分析出的二次氧化物大多为低熔点相的CaO-Al₂O₃-SiO₂，而钢液中始终还存在有纯态的Al₂O₃杂质，这种纯态的Al₂O₃杂质也影响弹簧钢丝的塑性和韧性。但是由于MnS为塑性夹杂，对这种纯态的Al₂O₃有一定的包裹作用，从而减少脆性夹杂对弹簧钢丝的破坏，所以可以通过适当地提高钢中硫的含量从而较好地提高弹簧钢丝的塑性和韧性。但是考虑到MnS毕竟是夹杂物，过多的MnS会影响到钢基体的连续性。因此，对硫的含量控制同样是本发明的关建，在本发明中，控制弹簧钢丝中硫的含量为小于或等于0.025%（重量百分比）。

铬（Cr），铬能够有效地提高弹簧钢丝的淬火性和回火阻抗性，提高钢丝的强度，并且铬还可以降低碳的活度，提高钢丝的浸碳性，并形成微细碳化物，可降低加热、轧制和热处理过程中的钢材表面脱碳和石墨化倾向，提高韧性和耐磨损性；但是，铬含量过高时，反而大量形成铬的碳化物，恶化钢丝的弹减性能和韧性。因此，在本发明中，控制合金弹簧丝中铬的含量为0.80～1.10%（重量百分比），进一步优选为0.9～1%。

钒（V），钒加入钢中形成VC、VN和/或VCN，在弹簧钢丝中以VC为主，细小弥散的VC粒子通过其对原始奥氏体晶界的钉扎作用，阻止奥氏体晶粒的长大，可以细化奥氏体晶粒。含钒钢有明显的第二相粒子析出，起到沉淀强化的作用，利于提高弹簧钢丝的强度、韧性和抗疲劳性能，但当含钒钢的钒含量过多时，析出粒子明显变粗，失去了上述作用，另外，考虑到所制成的弹簧钢丝的类型而对钢丝中钒的含量进行控制，本发明的弹簧钢丝中钒的含量为0.015～5%（重要百分比），进一步优选为0.015～0.1%。

本发明所述的弹簧钢丝可以是硅锰系、硅铬系、硅铬钒系、硅铬钼系或铬锰钒系弹簧钢丝，特别优选为铬锰钒系中的50CrMoV₄弹簧丝。

本发明的优点：

在本发明的合金弹簧钢丝通过合理地中加入钼、钒等元素，不仅提高了合金弹簧钢丝的强度，同时提高了其韧性、耐腐蚀性能。为生产汽车发动机专用的气门弹簧提供了优良的原料来源，彻底解决了目前汽车发动机专用合金弹簧丝经常出现易发生塑性变形、易折断、易锈蚀等问题。

具体实施方式

下面以常用的50CrMoV₄弹簧丝为例，结合实施例对本发明进一步说明。

实施例：

将铁水（其中各微量成分的含量：4.3%的C、0.02%的Si、0.15%的Mn、0.075%的P、0.020%的S）加入120吨转炉进行初炼，初炼50分钟后出钢，出钢温度为1750℃，出钢后通过添加沥青焦、硅铁、锰铁、铬铁、钒铁调整钢水的组成至表1所示的组成，然后在LF炉内加入840㎏的含CaO为45%、CaF₂为10%的精炼渣，在1600～1650℃温度条件下精炼45分钟，精炼后的钢水在RH真空装置抽真空10分钟（真空度小于300Pa的条件下），最后在6机6流连铸机上浇铸成280*325mm铸坯，主机强制冷却段冷却速度为20℃/分钟，冷却到1100℃后，采用自然空冷方式冷却到室温，制得如表1所示的组成的铸坯（各化学组分的含量均在连铸机的中间包内取样分析后获得，单位：%（重量百分比））。

将表1的铸坯加热到1300℃后，全部连轧制成φ20，然后空冷到室温。

按照上述方法制得的φ20圆棒经1100℃保温40分钟正火处理后，再按表2的淬火和回火温度进行油淬和回火热处理，热处理后的毛坯样按GB/T228-2002(金属材料室温拉伸试验方法)的要求加工成拉伸试样2个，按GB4337-84(金属旋转弯曲疲劳试验方法)的要求加工成旋转弯曲疲劳试样15个，测定试样的规定非比例延伸强度(R_p0.2)和抗拉强度(Rm)、断后伸长率(A)、断面收缩率(Z)和疲劳极限。其中规定非比例延伸强度(R_p0.2)和抗拉强度(Rm)、断后伸长率(A)、断面收缩率(Z)采用GB/T228-2002规定的方法，在WEW600KN微机液压万能试验机上测试。疲劳极限采用GB4337-84规定的方法，在QP-6型试验机上进行测定，其中，试验机频率3000转/分钟，载货比R＝-1，指定107周次为疲劳极限寿命，用升降法测得疲劳极限(σ_-1)。规定非比例延伸强度(R_p0.2)和抗拉强度(Rm)、断后伸长率(A)、断面收缩率(Z)和疲劳极限(σ_-1)的测定结果见表2。

表1：合金弹簧丝的各微量组分的含量，单位：%（重量百分比）

	C	Cr	Mo	Mn	Si	P	S	V	型号
										实施例1	0.45	0.80	0.50	0.61	0.15	0	0	0.015	50CrMoV4
实施例2	0.55	1.10	0.90	0.89	0.30	0.03	0.025	5	50CrMoV4
										实施例3	0.50	1.00	0.75	0.70	0.20	0.025	0.020	0.03	50CrMoV4
实施例4	0.46	1.05	0.65	0.65	0.25	0.015	0.010	0.05	50CrMoV4
										实施例5	0.48	0.85	0.85	0.85	0.27	0.01	0	1.50	50CrMoV4
实施例6	0.51	0.90	0.60	0.75	0.29	0	0.015	2.5	50CrMoV4
										实施例7	0.53	0.80	0.80	0.70	0.18	0.005	0.005	3	50CrMoV4
实施例8	0.45	1.10	0.70	0.85	0.19	0.020	0	0.5	50CrMoV4
										实施例9	0.55	1.00	0.75	0.65	0.20	0.016	0.025	4	50CrMoV4

表2：对实施例中合金弹簧丝各性能的检测

从表2中可以看出，本发明提供的弹簧钢丝的规定非比例延伸强度(Rp0.2)和抗拉强度(Rm)、断后伸长率(A)、断面收缩率(Z)均较好，能够用于制备弹簧连接件。

Claims

1.一种合金弹簧丝，其特征在于：以该合金弹簧丝的质量为基准，所述的合金弹簧丝含有0.45～0.55%的C、0.80～1%的Cr、0.75%的Mo、0.7～0.8%的Mn、0.15～0.30%的Si、0～0.015%的P、0～0.015%的S和0.015～0.1%的V，余量为Fe。

2.一种制备如权利要求1所述的合金弹簧丝的方法，其特征在于：该方法依次包括以下步骤：（1）将弹簧丝的原料进行初炼；（2）精炼；（3）冷却成型；（4）轧制；（5）淬火；（6）回火；（7）涂层并烘干；（8）拉制成弹簧丝；

所述制备方法制造得的弹簧丝以其质量为基准，含有0.45～0.55%的C、0.80～1%的Cr、0.75%的Mo、0.7～0.8%的Mn、0.15～0.30%的Si、0～0.015%的P、0～0.015%的S和0.015～0.1%的V，余量为Fe；

所述初炼的温度为1700～1850℃，初炼的时间为30～50分钟；所述精炼的温度为1600～1650℃，精炼的时间为30～55分钟；

所述冷却成型包括先以冷却速度为15～25℃/分钟冷却至1100℃以下，然后自然冷却至室温；

所述轧制包括连轧或半连轧；

所述淬火的温度为950～1200℃，淬火的保温时间为30～60分钟；所述回火的温度为400～450℃；回火保温的时间为60～120分钟；所述烘干的温度为200～250℃。