CN103725984B

CN103725984B - 高韧性高强度弹簧钢

Info

Publication number: CN103725984B
Application number: CN201310737127.7A
Authority: CN
Inventors: 屠世润
Original assignee: ZHE JIANG MEILI HIGH TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ZHE JIANG MEILI HIGH TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2033-12-26
Also published as: CN103725984A

Abstract

本发明为一种高韧性高强度弹簧钢，其特征在于材料的化学成分组成（重量百分比）为：C 0.35～0.50、Si 1.50～2.50、Mn 0.35～1.00、P≤0.025、S≤0.015、Cr 0.50～1.20、Ni 0.15～0.50、Cu 0.10～0.30、V 0.04～0.10、Ti 0.03～0.10，其余为Fe和其它不可避免的杂质。通过电炉或转炉冶炼并采用炉外精炼技术控制气体和杂质含量，钢中的气体O≤12ppm，H ≤1.5ppm，N≤60ppm，其非金属夹杂物级别A、B、C、D四类的细系均≤1.5级，粗系均≤1.0级。热处理后材料的晶粒度为8.0级或以上，抗拉强度在1920MPa以上时，断面收缩率Z≥40%，断后伸长率≥10%，制成的弹簧具有优异的耐腐蚀疲劳性能，可制成最大设计剪应力1180MPa的高疲劳强度弹簧。

Description

高韧性高强度弹簧钢

技术领域

本发明涉及一种耐腐蚀性能优异的高强度弹簧钢，特别涉及在抗拉强度达到1920MPa以上时材料的塑性和韧性尚能达到很高水平且具有较强抗氢脆特性而使弹簧的腐蚀疲劳寿命得以提高的适合于车辆用的高强度弹簧钢。

背景技术

弹簧钢广泛应用于铁路、汽车、工程机械等机械制造之中。而汽车制造和铁路车辆是弹簧钢材的最大用户。由于弹簧类零部件的工作条件十分恶劣，对弹簧钢的要求必然极为严格。

近年来，随着全球气候变暖等环境问题的突出，为限制能源消耗和减少二氧化碳的排放，汽车车体的轻量化已成为汽车业界的重要课题。作为实现车体轻量化的途径，必然会要求支撑车体的悬架用弹簧钢材的高强度化。

但是在汽车悬架用螺旋弹簧已经实施高应力设计的同时，再进一步提高钢材的强度指标已受到很大限制。因为现有商用弹簧钢在抗拉强度超过1800MPa时，材料塑性指标，即拉伸试验的断面收缩率Z（%）和断后伸长率A（%）都有较大的下降。（按现有标准油淬火回火弹簧钢丝Φ10.0mm以上的其断面收缩率只能达到30%，Φ14.0mm以上的则无规定）。所以当抗拉强度超过1800MPa时，往往因其延伸性能不足造成卷绕性能的降低，即经常发生卷制时的断裂。且在这种高强度状态由于对表面缺陷极度敏感，使材料疲劳强度不升反降。再有这种高强度钢容易在腐蚀性气体环境下出现氢脆而突然断裂。对于弹簧在腐蚀性气氛中工作的情况。（例如在道路上经常采用融雪剂的寒冷地区）由于材料的耐氢脆性能差，往往会因为腐蚀疲劳而导致弹簧的早期断裂失效。

针对以上情况，为了确保螺旋弹簧在腐蚀环境下的耐久性，提出了各种技术方案，作为提高材料耐腐蚀性及耐氢脆性的方法，添加Ni、Cr、Mo、V、Cu等昂贵的金属元素。其实降低钢中的碳含量是有利于钢的耐腐蚀性的因素。但是对于弹簧钢这样要求高强度的钢种。为了确保材料的抗松弛性能，碳元素的降低必有一定的限度。

发明内容

本发明针对上述技术问题，其目的是提供一种抗拉强度达到1920MPa以上但其塑性指标比目前商用钢高很多且有较高的低温冲击韧性的高韧性高强度弹簧钢。

为达到上述目的，本发明的高韧性高强度弹簧钢，其特征是：其化学成分重量百分比为：C0.35～0.50%、Si1.50～2.50%、Mn0.35～1.00%、P≤0.025%、S≤0.015%、Cr0.50～1.20%、Ni0.15～0.50%、Cu0.10～0.30%、V0.04～0.10%、Ti0.03～0.10%，其余为Fe和不可避免的杂质，各成分的百分比之和为100%。

作为优选技术手段：所述不可避免的杂质中包含以下含量的气体：O≤12ppm，H≤1.5ppm，N≤60ppm。

作为优选技术手段：所述不可避免的杂质中包含非金属夹杂物硫化物、氧化铝、硅酸盐、球状氧化物，它们的级别分别为硫化物粗系≤1.0级、硫化物细系≤1.5级、氧化铝粗系≤1.0级、氧化铝细系≤1.5级、硅酸盐粗系≤0.5级、硅酸盐细系≤0.5级、球状氧化物粗系≤0.5级、球状氧化物细系≤1.5级。

作为优选技术手段：该材料热处理后的晶粒度≥8.0级，抗拉强度1920MPa，断面收缩率Z≥40%，断后伸长率≥10%。

作为优选技术手段：该材料用热卷或冷卷制成螺旋压缩弹簧经淬火回火热处理后通过喷丸强化和强压处理，制造最大设计剪应力≥1180MPa的汽车悬架螺旋弹簧。

作为优选技术手段：所述的化学成分V与Ti以碳化物或氮化物的形式存在。

本发明的有益效果是：热处理后材料的晶粒度为8.0级或以上，抗拉强度在1920MPa以上，断面收缩率Z≥40%，断后伸长率≥10%，比现有商用钢制的弹簧有更高的疲劳寿命和耐腐蚀疲劳性能，可制成最大设计剪应力1180MPa的高疲劳强度弹簧。

具体实施方式

本发明的高韧性高强度弹簧钢，其化学成分重量百分比为：C0.35～0.50%、Si1.50～2.50%、Mn0.35～1.00%、P≤0.025%、S≤0.015%、Cr0.50～1.20%、Ni0.15～0.50%、Cu0.10～0.30%、V0.04～0.10%、Ti0.03～0.10%，其余为Fe和不可避免的杂质，各成分的百分比之和为100%。

具体的：不可避免的杂质中包含以下含量的气体：O≤12ppm，H≤1.5ppm，N≤60ppm；还包含非金属夹杂物硫化物、氧化铝、硅酸盐、球状氧化物，它们的级别分别为硫化物粗系≤1.0级、硫化物细系≤1.5级、氧化铝粗系≤1.0级、氧化铝细系≤1.5级、硅酸盐粗系≤0.5级、硅酸盐细系≤0.5级、球状氧化物粗系≤0.5级、球状氧化物细系≤1.5级。该材料热处理后的晶粒度≥8.0级，抗拉强度1920MPa，断面收缩率Z≥40%，断后伸长率≥10%。该材料用热卷或冷卷制成螺旋压缩弹簧经淬火回火热处理后通过喷丸强化和强压处理，制造最大设计剪应力≥1180MPa的汽车悬架螺旋弹簧。所述的化学成分V与Ti以碳化物或氮化物的形式存在。

本发明钢含有多种合金元素，其中V与Ti的存在一般以碳化物或氮化物的形式存在，在钢进行淬火加热时可以抑制奥氏体晶粒的长大，起到细化晶粒的作用，使得本发明钢可以在更广的范围选择淬火温度，进行热处理工艺参数的最优化，从而获得最好的强度和韧性的配合。

本发明钢由于奥氏体晶粒不易长大，可以采用较高的淬火温度，提高了钢的淬透性，这有利于大截面材料的淬火强化效果，而且高温淬火所获得的马氏体组织中板条状马氏体（即位错马氏体）所占的比例会提高，针状马氏体（即孪晶马氏体）会减少。由于板条状马氏体本身的脆性较小，不像针状马氏体那样，硬度高但脆性很大，所以采用高温淬火对于提高弹簧钢热处理后的韧性有利。

作为应用于汽车和铁路车辆的螺旋弹簧的高强度弹簧钢，除了考虑车辆轻量化的需要在保持足够的韧性的情况下尽量提高其强度性能外，也必须对弹簧的使用环境有充分考虑，也就是要改善钢的耐腐蚀性来提高其抗氢脆性能从而使本发明钢具有比现有高强度弹簧钢明显优异的耐腐蚀疲劳的特性。

基于以上考虑，发明者们对钢的化学成分的规定及其理由叙述如下：

C（0.35～0.50）%

碳是钢中最主要的基本元素，为了确保钢的高强度，含碳量不能太低。如前所述，现有商用弹簧钢的碳多在0.60%左右，最低也有0.50%。由于含碳量高，材料的塑韧性差，且碳含量高钢的耐腐蚀性能就差，这都会影响钢的耐氢脆性能。适当降低含碳量（本发明钢为0.35%或更高）使弹簧的淬火组织中含有更多的板条状马氏体可以改善钢在高强度状态下的塑性性能而提高韧性，也对抑制氢脆的发生改善钢的耐腐蚀疲劳性能有利。

Si（1.50～2.50）%

Si在钢中有很强的固溶（置换型固溶体）强化作用，是对弹簧的抗弹性减退性能影响最大的合金元素，所以弹簧钢多半含有较多的Si，因而将其含量规定在1.50%以上，但Si过高会降低钢的塑性和韧性，且Si使碳的活性增加而促进钢的脱碳和石墨化而影响钢的抗疲劳性能，因此控制其含量为1.50～2.50%。

Mn（0.35～1.00）%

Mn可以提高钢的淬透性，也能起到固溶强化作用，Mn在钢的冶炼过程中是脱氧和除硫的有效元素，Mn的含量太低则难以起到上述作用，规定其最少为0.35%。但Mn和P（磷）有强烈的晶界共偏聚倾向，促进回火脆性而降低钢的韧性，因此控制在1.0%以下。

Cr（0.50～1.20）%

Cr可有效地提高钢的淬透性和回火抗力，也是固溶强化的元素，Cr还可降低碳的活度，抑制钢在高温加热时的脱碳和石墨化倾向，对抗疲劳性能有利。同时Cr也有耐腐蚀性。但含量过高对弹减性能和韧性不利。因而控制Cr的含量为（0.50～1.20）%。

Ni（0.15～0.50）%

Ni可提高钢的淬透性，改善钢的抗弹减性能和保证在超高强度下的韧性。而且Ni还是一个提高钢的耐腐蚀性能的很好元素，能够抑制腐蚀坑的生成和其深度的扩展从而改善高强度钢的耐腐蚀疲劳性能。所以Ni的加入是利多弊少，但Ni的价格昂贵，考虑到经济性，Ni的含量为（0.15～0.50）%。

Cu（0.10～0.30）%

Cu也是一个具有改善钢材自身耐腐蚀性能的元素，它和Ni一样能促进钢在大气中生成的锈具有保护性，能够抑制产生的氢向钢的侵入从而提高钢在腐蚀环境下的耐氢脆化性能，特别是在Ni、Cu共存时其效果更好。Cu优选为0.10%以上，而含量过多会降低加工性能，故定上限为0.30%。

V（0.04～0.10）%

V是钢中最常用的微合金化元素，V是强碳化物形成元素，钢中细小弥散的碳化钒可阻止高温加热时奥氏体晶粒的长大，起到细化晶粒的作用，而在约900℃以上高温下的加热部分碳化钒会溶解，在一定条件下碳化钒的析出会起到沉淀硬化的作用而提高钢的强度。晶粒细化和沉淀硬化可同时提高钢的强度、韧性和疲劳性能，所以有不少弹簧钢都含有钒。但是钒的资源稀少因而价格昂贵，因此，本发明钢采用V、Ti同时加入的设计适当减少V的含量，将其定位于（0.04～0.10）%。

Ti（0.03～0.10）%

Ti也是强碳化物形成元素，同时有固定钢中N的作用。由于TiC和TiN的存在同样会阻止奥氏体晶粒的长大起到细化晶粒的作用。而且弥散析出的TiC和TiN是钢中陷阱能最高的氢陷阱，能抑制氢的扩散，从而改善钢的耐延迟断裂性能。Ti含量不足0.02%起不到上述作用，但多了易形成粗大的TiN而恶化钢的韧性，所以定为（0.03～0.10）%。

本发明钢采用电炉或转炉冶炼和相应的炉外精炼技术铸成钢锭或连铸成大方坯再热轧加工成盘条或银亮钢。弹簧制造可以用冷卷成形或热卷成形两种方式，比较适合于弹簧成形后再进行淬火回火热处理，然后经喷丸强化处理与立定处理再进行表面涂装成为弹簧成品。

弹簧的使用性能与耐久性首先取决于弹簧钢的成分设计，但因为本发明钢含有多种合金元素，在弹簧制造中的淬火回火热处理是决定弹簧的性能的关键，首先需要进行不同热处理工艺处理的材料的拉伸试验来确定热处理工艺参数与材料力学性能之间的关系。弹簧的热处理工艺则需要根据上述试验结果及弹簧的实际工作负荷及环境等条件来确定。

本发明没有规定的热处理条件，但是为了能够同时获得高韧性高强度性能以及满足提高钢的耐氢脆与耐腐蚀疲劳性能的要求，推荐最重要的热处理工艺参数为：淬火加热温度（奥氏体化温度）：880～910℃，加热后采取可以淬透的足够的冷速冷却（通常为油冷）；在300～340℃的范围选取合适的回火温度进行回火，回火后快冷至室温以避免回火脆性。

实施例1

熔炼下列成分的ML1900牌号的本发明钢经热轧后退火处理并磨光成Φ15.8mm的银亮钢。

C0.39、Si1.75、Mn0.64、P≤0.006、S≤0.003、Cr0.73、Ni0.22、Cu0.23、V0.06、Ti0.049，其余为Fe及杂质元素。

钢中非金属夹杂物检验结果如下表：

钢材热处理后的力学性能如下表：

注：试样的热处理工艺：淬火温度890℃保温30min油淬，300℃回火150min水冷。

钢材热轧后退火状态的晶粒度为8.0－7.0。热处理后的晶粒度≥8.0。

实施例2

熔炼下列成分的ML1900牌号的本发明钢经热轧后退火处理并磨光成Φ14.0mm的银亮钢。

C0.35、Si2.05、Mn0.95、P≤0.020、S≤0.014、Cr0.56、Ni0.18、Cu0.10、V0.090、Ti0.035，其余为Fe及杂质元素。

钢中非金属夹杂物检验结果如下表：

钢材热处理后的力学性能如下表：

注：试样的热处理工艺：淬火温度900℃保温30min油淬，320℃回火150min水冷。

实施例3

熔炼下列成分的ML1900牌号的本发明钢经热轧后退火处理并磨光成Φ16.8mm的银亮钢。

C0.48、Si1.89、Mn0.95、P≤0.010、S≤0.005、Cr0.80、Ni0.45、Cu0.28、V0.045、Ti0.089，其余为Fe及杂质元素。

钢中非金属夹杂物检验结果如下表：

钢材热处理后的力学性能如下表：

注：试样的热处理工艺：淬火温度890℃保温30min油淬，330℃回火150min水冷。

Claims

1.高韧性高强度弹簧钢，其特征是：其化学成分重量百分比为：C0.39%、Si1.75%、Mn0.64%、P≤0.006%、S≤0.003%、Cr0.73%、Ni0.22%、Cu0.23%、V0.06%、Ti0.049%，其余为Fe和不可避免的杂质，各成分的百分比之和为100%。

2.根据权利要求1所述的高韧性高强度弹簧钢，其特征是：所述不可避免的杂质中包含非金属夹杂物：硫化物、氧化铝、硅酸盐、球状氧化物，它们的级别分别为硫化物粗系0级、硫化物细系1级、氧化铝粗系0级、氧化铝细系1级、硅酸盐粗系0级、硅酸盐细系0级、球状氧化物粗系0.5级、球状氧化物细系0.5级。

3.根据权利要求1所述的高韧性高强度弹簧钢，其特征是：该弹簧钢热处理后的晶粒度≥8.0级，抗拉强度为1950MPa，断面收缩率Z为46%，断后伸长率为12.5%。

4.高韧性高强度弹簧钢，其特征是：其化学成分重量百分比为：C0.35%、Si2.05%、Mn0.95%、P≤0.020%、S≤0.014%、Cr0.56%、Ni0.18%、Cu0.10%、V0.090%、Ti0.035%，其余为Fe和不可避免的杂质，各成分的百分比之和为100%。

5.根据权利要求4所述的高韧性高强度弹簧钢，其特征是：所述不可避免的杂质中包含非金属夹杂物：硫化物、氧化铝、硅酸盐、球状氧化物，它们的级别分别为硫化物粗系0.5级、硫化物细系1级、氧化铝粗系0级、氧化铝细系1级、硅酸盐粗系0级、硅酸盐细系0.5级、球状氧化物粗系0.5级、球状氧化物细系0.5级。

6.根据权利要求4所述的高韧性高强度弹簧钢，其特征是：该弹簧钢热处理后的晶粒度≥8.0级，抗拉强度1928MPa，断面收缩率Z52%，断后伸长率12.5%。

7.高韧性高强度弹簧钢，其特征是：其化学成分重量百分比为：C0.48%、Si1.89%、Mn0.95%、P≤0.010%、S≤0.005%、Cr0.80%、Ni0.45%、Cu0.28%、V0.045%、Ti0.089%，其余为Fe和不可避免的杂质，各成分的百分比之和为100%。

8.根据权利要求7所述的高韧性高强度弹簧钢，其特征是：所述不可避免的杂质中包含非金属夹杂物：硫化物、氧化铝、硅酸盐、球状氧化物，它们的级别分别为硫化物粗系0.5级、硫化物细系1级、氧化铝粗系0级、氧化铝细系1级、硅酸盐粗系0级、硅酸盐细系0级、球状氧化物粗系0.5级、球状氧化物细系0.5级。

9.根据权利要求7所述的高韧性高强度弹簧钢，其特征是：该弹簧钢热处理后的晶粒度≥8.0级，抗拉强度1990MPa，断面收缩率Z47%，断后伸长率11.5%。

10.根据权利要求1或4或7所述的高韧性高强度弹簧钢，其特征是：所述的化学成分中V与Ti以碳化物或氮化物的形式存在。