CN103981469A - 一种高强度弹簧钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度弹簧钢及其制备方法。该材料由包含以下重量份的组分制成：铁粉90-91.5份、聚丙烯腈基碳纤维2-3份、碳黑1.8-2.0份、Mn1.1-1.2份、MnO21.4-1.8份、Cr2.1-2.3份、SeO31.2-1.4份。本发明的制得的弹簧钢材料具有较高的力学强度，延长了弹簧的使用寿命，并且整个制备过程工艺简单，可实现工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于功能材料领域，特别涉及一种高强度弹簧钢及其制备方法。
背景技术
弹簧钢是一种有着良好的弹性，能在动载荷环境条件下反复作用工作的特殊钢材，有着足够的韧性、力学强度和塑性，可以进行重复性伸缩，并在一定的冲击力作用下不会突然脆断，因此多用于制造弹簧和弹性元件的钢。弹簧钢的弹性取决于其弹性变形的能力，即在规定的范围之内，弹性变形的能力使其承受一定的载荷，在载荷去除之后不出现永久变形。同时，弹簧钢也需要一定的力学强度，从而能在承受重载荷时不引起塑性变形，有较高的疲劳强度，在载荷下具有长的使用寿命。
现有的弹簧钢的强度水平难以满足现代工业的要求，弹簧钢力学性能主要取决于热处理工艺，而热处理工艺也主要根据所用材料来决定，弹簧钢高强度的一个因素是充分发挥合金元素的作用，从而达到较好的效果，现有的热处理工艺由于在高温下的时间过长，会造成有效成分的流失，以使获得的弹簧钢的各方面性能下降。
发明内容
针对上述的需求，本发明的目的是提供了一种高强度弹簧钢及其制备方法，制得的弹簧钢材料具有较高的力学强度，延长了弹簧的使用寿命，并且整个制备过程工艺简单，可实现工业化生产。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种高强度弹簧钢，由包含以下重量份的组分制成：
所述聚丙烯腈基碳纤维的直径为20-30纳米。
所述MnO2为无定形粉末。
一种高强度弹簧钢的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将铁粉90-91.5份、Mn1.1-1.2份、MnO21.4-1.8份、Cr2.1-2.3份和SeO31.2-1.4份混合，加入适量水中，送入球磨机中球磨，得到200-230目粉末，然后烘干，在10-12Mpa压力下压制成块状，然后在氮气保护气氛下800-1000℃进行烧结5-6小时，将烧结后的物料粉碎后过250-300目筛；
(2)将聚丙烯腈基碳纤维2-3份、碳黑1.8-2.0份加入步骤(1)的组分中，加热，混合均匀；
(3)将步骤(2)中的混合物装入模具，压制成坯，将压坯放在烧结炉中，以20℃/分钟速率升温至400℃条件下烧结1-2小时；
(4)将步骤(3)中的产物以10℃/分钟速率升温至1075-1160℃条件下烧结1-1.5小时，最后置于空气中冷却至室温，得到高强度弹簧钢。
所述步骤(2)中的加热温度为55-65℃。
所述步骤(2)中的混合速率为500-600转/分钟。
有益效果：
(1)本发明通过控制各组分之间的相对范围，在弹簧钢的组分中加入了Mn和MnO2，同时将碳黑和Cr的加入量分别调高至1.8-2.0份和2.1-2.3份，改善材料的韧性和弹性的同时，很大程度提高了该弹簧钢的力学强度，减少了淬火开裂的现象，得到优良的热处理性能，降低钢的过热敏感性和脱碳倾向，大幅减少钢材在热处理过程中的石墨化现象。
(2)本发明在整个制备过程中未加入矾这种价格较高的金属，从而降低了成本。
(3)本发明利用球磨技术，在保证材料力学性能的同时使得材料的耐磨性大大提高。
(4)本发明在球磨工艺之后加入聚丙烯腈基碳纤维和碳黑，从而不破坏两者本身的结构和性能，从而使制得的弹簧钢材料保有了聚丙烯腈基碳纤维和碳黑的优良性能。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
(1)将铁粉90kg、Mn1.1kg、MnO2无定形粉末1.4kg、Cr2.1kg和SeO31.4kg混合，加入适量水中，送入球磨机中球磨，得到200目粉末，然后烘干，在10Mpa压力下压制成块状，然后在氮气保护气氛下1000℃进行烧结6小时，将烧结后的物料粉碎后过250目筛；
(2)将直径为20纳米聚丙烯腈基碳纤维3kg、碳黑1.8kg加入步骤(1)的组分中，在55℃下，以500转/分的混合速率混合均匀；
(3)将步骤(2)中的混合物装入模具，压制成坯，将压坯放在烧结炉中，以20℃/分钟速率升温至400℃条件下烧结1小时；
(4)将步骤(3)中的产物以10℃/分钟速率升温至1100℃条件下烧结1小时，最后置于空气中冷却至室温，得到高强度弹簧钢。
制得高强度弹簧钢的性能测试结果如表1所示。
实施例2
(1)将铁粉91.5kg、Mn1.2kg、MnO2无定形粉末1.8kg、Cr2.3kg和SeO31.3kg混合，加入适量水中，送入球磨机中球磨，得到230目粉末，然后烘干，在12Mpa压力下压制成块状，然后在氮气保护气氛下800℃进行烧结5小时，将烧结后的物料粉碎后过300目筛；
(2)将直径为30纳米聚丙烯腈基碳纤维2kg、碳黑2.0kg加入步骤(1)的组分中，在65℃下，以600转/分的混合速率混合均匀；
(3)将步骤(2)中的混合物装入模具，压制成坯，将压坯放在烧结炉中，以20℃/分钟速率升温至400℃条件下烧结2小时；
(4)将步骤(3)中的产物以10℃/分钟速率升温至1160℃条件下烧结1.5小时，最后置于空气中冷却至室温，得到高强度弹簧钢。
制得高强度弹簧钢的性能测试结果如表1所示。
实施例3
(1)将铁粉91kg、Mn1.0kg、MnO2无定形粉末1.6kg、Cr2.2kg和SeO31.2kg混合，加入适量水中，送入球磨机中球磨，得到230目粉末，然后烘干，在10Mpa压力下压制成块状，然后在氮气保护气氛下900℃进行烧结5小时，将烧结后的物料粉碎后过250目筛；
(2)将直径为25纳米聚丙烯腈基碳纤维2kg、碳黑1.8kg加入步骤(1)的组分中，在50℃下，以550转/分的混合速率混合均匀；
(3)将步骤(2)中的混合物装入模具，压制成坯，将压坯放在烧结炉中，以20℃/分钟速率升温至400℃条件下烧结1小时；
(4)将步骤(3)中的产物以10℃/分钟速率升温至1075℃条件下烧结1小时，最后置于空气中冷却至室温，得到高强度弹簧钢。
制得高强度弹簧钢的性能测试结果如表1所示。
对比例
(1)将90kg的铁粉、碳黑1份和Mn3.5kg加入适量水中，送入球磨机中球磨，得到200目粉末，然后烘干，在10Mpa压力下压制成块状，然后在氮气保护气氛下1000℃进行烧结6小时，将烧结后的物料粉碎后过250目筛；
(2)将步骤(1)中的混合物装入模具，压制成坯，将压坯放在烧结炉中，以20℃/分钟速率升温至400℃条件下烧结1小时；
(3)将步骤(2)中的产物以10℃/分钟速率升温至1100℃条件下烧结1小时，最后置于空气中冷却至室温，得到弹簧钢。
表1
| 测试项目 | 对比例 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 |
| 拉伸强度(MPa) | 1045 | 1846 | 1838 | 1831 |
| 硬度 | HRC35 | HRC49 | HRC52 | HRC50 |
本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高强度弹簧钢，其特征在于，由包含以下重量份的组分制成：
铁粉：90-91.5份，聚丙烯腈基碳纤维：2-3份，
碳黑：1.8-2.0份，Mn：1.1-1.2份，
MnO2：1.4-1.8份，Cr：2.1-2.3份，SeO3：1.2-1.4份。
2.根据权利要求1所述的高强度弹簧钢，其特征在于，所述聚丙烯腈基碳纤维的直径为20-30纳米。
3.根据权利要求1所述的高强度弹簧钢，其特征在于，所述MnO2为无定形粉末。
4.一种高强度弹簧钢的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将铁粉90-91.5份、Mn1.1-1.2份、MnO21.4-1.8份、Cr2.1-2.3份和SeO31.2-1.4份混合，加入适量水中，送入球磨机中球磨，得到200-230目粉末，然后烘干，在10-12Mpa压力下压制成块状，然后在氮气保护气氛下800-1000℃进行烧结5-6小时，将烧结后的物料粉碎后过250-300目筛；
(2)将聚丙烯腈基碳纤维2-3份、碳黑1.8-2.0份加入步骤(1)的组分中，加热，混合均匀；
(3)将步骤(2)中的混合物装入模具，压制成坯，将压坯放在烧结炉中，以20℃/分钟速率升温至400℃条件下烧结1-2小时；
(4)将步骤(3)中的产物以10℃/分钟速率升温至1075-1160℃条件下烧结1-1.5小时，最后置于空气中冷却至室温，得到高强度弹簧钢。
5.根据权利要求4所述的高强度弹簧钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的加热温度为55-65℃。
6.根据权利要求4所述的高强度弹簧钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的混合速率为500-600转/分钟。
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