CN103998640A - 具有优异抗腐蚀性的弹簧用线材和钢丝，弹簧用钢丝，以及制造弹簧的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种具有优异抗腐蚀性的弹簧用线材和钢丝，该线材和钢丝包含，以重量％计，0.45％至0.6％的C，1.0％至3.0％的Si，17.0％至25.0％的Mn，余量为Fe和其它不可避免的杂质。还提供了一种通过拉拔线材制造具有优异抗腐蚀性的弹簧用钢丝的方法，该钢丝具有1800MPa到2100MPa拉伸强度和25％以上的断面收缩率。还提供了一种制造具有优异抗腐蚀性的弹簧的方法，包含以下步骤：拉拔线材以获得具有1800MPa到2100MPa拉伸强度和25％以上的断面收缩率的钢丝；以及使所述钢丝在室温下冷成型的步骤。根据本发明，不必要使用昂贵的合金元素，省略了QT热处理过程和表面铁素体脱碳处理以降低成本，并能获得弹簧用线材，弹簧用钢丝，以及具有优异抗腐蚀特性的弹簧。

Description

具有优异抗腐蚀性的弹簧用线材和钢丝,弹簧用钢丝,以及制造弹簧的方法
技术领域
本发明涉及一种具有高抗腐蚀性的弹簧用线材和钢丝，制造具有高抗腐蚀性的弹簧用钢丝的方法，以及制造具有高抗腐蚀性的弹簧的方法。
背景技术
在为了提高汽车燃油效率而减少汽车钢构件的重量的情况下，这种汽车的安全性可能得不到保障，因为能够通过汽车钢构件的单位重量支撑的负载是固定的。因此，在减少汽车组件重量之前，需要开发高强度材料。
然而，高强度组件由于晶界脆化，加工或使用早期的断裂，以及腐蚀疲劳引起的早期断裂可使得韧性降低。因此，用于汽车构件、弹簧以及汽车组件的高强度材料还需要具有高等级的韧性和抗腐蚀疲劳性。
例如，在日本专利申请特许公开号1998-110247中，硼被用作一种合金元素以提高疲劳特性和抗氢脆性。
在一些标准(如JIS G4801、ISO683-14、BS970part2、DIN17221、SAE J403以及SAE J404)中规定弹簧钢的化学组成。具有这种标准中规定的化学成分的热轧钢可进行剥皮或拉拔工序，一系列热成型、淬火和回火工序，或一系列拉拔工序以获得预期金属丝直径，以及油回火工序，和最后的弹簧成型工序(冷成型过程)，从而制造各种类型的弹簧。
根据相关领域技术，通过增加合金元素的数目和含量来提高弹簧的抗腐蚀疲劳性。通常，已知Cr为用于提高弹簧的抗腐蚀性的常用元素。然而，基于盐雾循环测试结果，已报道添加Cr降低了弹簧的抗腐蚀性。在处理这一问题的方法中，将Cr的含量限制在0.25％或更低，并且适当调节Cr与Cu+Ni的含量之比。在该方法中，由于环境腐蚀在弹簧表面形成富Cu和Ni层，因而提高了弹簧的抗腐蚀性。然而，将弹簧暴露于周围环境中一个预先设定的时期，并在环境中发生不可避免的一定量的腐蚀，在弹簧表面会形成腐蚀坑，并因此会劣化弹簧的抗疲劳特性。
同时，在相关领域，添加合金元素的方法和降低回火温度的方法是已知用来提高钢的强度的技术。例如，合金元素(例如C、Si、Mn和Cr)可添加到钢中以提高其强度，或可添加相对地昂贵的合金元素，如Mo、Ni、V、Ti和Nb，并且可进行淬火和回火(QT)处理来提高钢的强度。然而，这些方法增加了制造成本并且需要额外过程以去除脱碳铁素体层，因为QT处理后残留的铁素体会增加腐蚀坑的形成。另外，在弹簧上可形成双涂层或保护膜以将弹簧与周围环境隔离。然而，在长时期使用后，这种双涂层或保护膜都会失效，因而可发生腐蚀疲劳断裂。
另外，可通过调节钢的热处理条件，而不需改变钢中的合金元素含量，即可提高钢的强度。例如，如果在低温下对钢进行回火工序，可提高钢的强度。然而，在这种情况下，钢可具有低程度的断面收缩率和低程度的韧性。因此，钢在弹簧成型过程中可能会断裂，或由钢制成的弹簧在使用早期阶段可能出现断裂。
发明内容
技术问题
本发明的各方面可提供一种具有高抗腐蚀性的弹簧用线材和钢丝，且未使用相对昂贵的合金元素。
本发明的各方面还可提供一种制造弹簧用钢丝的方法和一种制造弹簧的方法。在这些方法中，尽管未进行淬火和回火(QT)处理以及去除脱碳铁素体表层的工艺，仍能防止腐蚀坑的形成和生长，从而使得弹簧钢丝和弹簧具有高抗腐蚀性。
本发明的各方面并不限于此。其他方面将在说明书的以下部分进行阐述，并使其通过本说明书而对相关领域的普通技术人员是显而易见的。
技术方案
根据本发明的一个方面，具有高抗腐蚀性的弹簧用线材可包含，以重量％计，C：0.45％至0.6％，Si：1.0％至3.0％，Mn：17.0％至25.0％，以及余量的Fe和不可避免的杂质。
根据本发明的另一方面，具有高抗腐蚀性的弹簧用钢丝可包含，以重量％计，C：0.45％至0.6％，Si：1.0％至3.0％，Mn：17.0％至25.0％，以及余量的Fe和不可避免的杂质。
根据本发明的另一方面，制造具有高抗腐蚀性的弹簧用钢丝的方法可包括：拉拔线材以形成具有1800MPa至2100MPa拉伸强度和25％以上的断面收缩率的钢丝。
根据本发明的另一方面，制造具有高抗腐蚀性的弹簧的方法可包括：拉拔线材以形成具有1800MPa至2100MPa拉伸强度和25％以上的断面收缩率的钢丝；并于室温下冷加工该钢丝。
有益效果
根据本发明的各方面，可获得一种经济的且具有高抗腐蚀性的弹簧线材和弹簧钢丝，而不使用相对昂贵的合金元素。
根据本发明的其他方面，不进行淬火和回火(QT)处理，降低了生产成本，并且由于防止了脱碳铁素体表层的形成，可不进行去除该表层的工序。
附图说明
图1为示出本发明的实施例中的线材上形成的腐蚀坑的深度的图片。
图2为示出对比实施例中的线材上形成的腐蚀坑的深度的图片。
具体实施方式
在下文中，将根据本发明的实施方案详细阐述具有高抗腐蚀性的弹簧用线材和钢丝，以及制造具有高抗腐蚀性的弹簧钢丝和弹簧的方法，从而使相关领域的普通技术人员能够清晰的理解本发明的实施方案的范围和精神。
本发明的一个实施方案提供了一种具有高抗腐蚀性的弹簧用线材，所述线材包含，以重量％计，C：0.45％至0.6％，Si：1.0％至3.0％，Mn：17.0％至25.0％，以及余量的Fe和不可避免的杂质。
元素含量的数值范围基于下述原因设定。在下文的描述中，除另有指明，每种元素的含量以重量％给出。
C：0.45％至0.6％
碳能稳定奥氏体并促进奥氏体在室温下形成。具体地，在冷却过程或加工过程中，碳能降低奥氏体向马氏体的形变温度Ms和Md。详细地讲，Ms是马氏体转变开始温度，Md是形变诱发马氏体转变开始量。另外，弹簧中包括的碳能提高弹簧的强度。为了获得这些效果，优选碳的含量为0.45％或更高。然而，若碳含量高于0.6％，加工硬化会增加从而引发问题，例如开裂和断裂、显著缩短的疲劳寿命、缺陷敏感性的上升和腐蚀坑形成所导致疲劳寿命和断裂应力的陡然下降。
Si：1.0％至3.0％
溶解于线材微结构中的硅能够提高线材的强度并提高抗形变性能。然而，若硅的含量低于1.0％，不足以产生上述效果。因此，硅含量的下限设定为1.0％。另一方面，若硅的含量大于3.0％，提高抗形变性能的效果已饱和，并引起表面脱碳。因此，优选硅的含量在1.0％至3.0％范围之内。
Mn：17.0％至25.0％
在高锰钢如本发明的实施方案的线材中，锰是用于稳定奥氏体的主要元素。在本发明的实施方案中，优选地，当碳含量在上述范围内时，将锰的含量设定为17％或更高以稳定奥氏体。若锰含量低于17％，作为主要微结构的奥氏体在室温下变得不稳定，并因此无法获得预期的奥氏体量。另一方面，若锰含量大于25.0％，加工硬化会增加并引发问题，例如开裂和断裂、显著缩短的疲劳寿命、缺陷敏感性的上升和腐蚀坑形成所引起的疲劳寿命和断裂应力的陡然下降。因此，优选锰含量的上限设定为25.0％。
在本发明的实施方案中，线材的其他成分为铁(Fe)。另外，原材料中的或生产环境中的杂质会不可避免地包含于线材中，并且因此无法从线材中去除这些杂质。钢铁制造业的普通技术人员熟知这些杂质，因此本发明不再对上述杂质做阐述。
此外，线材可含有0.01重量％至1.0重量％的Cr。
Cr：0.01％至1.0％
Cr是对提高抗氧化性和淬火特性有用的元素。然而，若Cr的含量低于0.01％，抗氧化性和淬火特性可能无法得到充分提高。另一方面，若Cr的含量高于1.0％，抗形变性能会劣化，因此线材的强度会下降。因此，优选Cr的含量在0.01％至1.0％范围之内。
含有上述成分的线材由于Mn含量高，可就奥氏体在室温下的稳定性方面得到改善，并因此在其微结构中含有预期的奥氏体量。另外，由于奥氏体的高延伸率，线材的拉丝性能可得到提高，并且在线材经过仅一次拉丝工序后，线材的强度可得到充分提高。因此，可不对线材进行额外的淬火和回火(QT)处理来提高线材的强度。表述“奥氏体被稳定化”意指奥氏体存在于室温下。
在本发明的实施方案中，线材以奥氏体为主要微结构。优选线材含有99体积％或更多的奥氏体。在这种情况下，线材可具有高程度的可加工性。线材可含有1体积％或更低的其他微结构，如铁素体、珠光体、马氏体、贝氏体、各种沉淀物以及夹杂物。在本发明的实施方案中，奥氏体倾向于作为线材的主要微结构形成，优选线材含有100体积％的奥氏体。因此，未设定线材中的奥氏体体积含量的上限。
另外，可防止由QT处理引起的在线材表层中铁素体的形成，因此，不需要额外的过程(剥皮过程)来去除脱碳铁素体表层。
另外，加入线材中的Mn和Cr能提高线材表面的pH值，因此能够抑制腐蚀坑的形成和生长，从而提高线材的抗腐蚀性。在相关领域，加入元素如Nb、V、Ti、B、Ni、Cu和Mo以提高钢的腐蚀疲劳性能。然而，根据本发明的实施方案，尽管未使用这些相对昂贵的元素，线材仍可具有足够的抗腐蚀和抗疲劳性能。另外，根据本发明的实施方案，不需要额外的表面处理过程。
根据线材的一般生产方法，通过对具有上述成分的钢坯进行再加热、热轧和冷却过程而制造线材。
本发明的另一个实施方案提供了一种具有与上述线材相同成分的弹簧用钢丝。
钢丝的元素含量的数值范围是基于与以上实施方案中描述的相同的原因而设定的。
在本发明的某些实施方案中，钢丝可具有变性奥氏体与马氏体的复合微结构。然而，本发明的实施方案并不限于此。
表述“变性奥氏体”是指通过拉丝工艺变性的奥氏体。该变性的奥氏体与马氏体的复合微结构可随着在拉拔过程(形变或应力诱导转变)中由一些奥氏体转变为马氏体而形成。由于奥氏体在室温下不稳定，加入Mn元素以稳定室温下的奥氏体，并抑制制造工艺后的线材或弹簧中腐蚀坑的生长。随着拉拔过程中形变程度的增加，一些奥氏体由于应力诱导转变作用而转化为马氏体。
本发明的另一个实施方案提供了一种制造具有高抗腐蚀性的弹簧用钢丝的方法，该方法包括：拉拔上述线材以形成具有1800MPa至2100MPa拉伸强度和25％以上的断面收缩率的钢丝。
对线材进行拉拔工序来制造弹簧。可适当控制拉拔工序中的拉拔量以使钢丝具有1800MPa至2100MPa拉伸强度和25％以上的断面收缩率。
1800MPa至2100MPa拉伸强度和25％以上的断面收缩率是对一般弹簧用钢丝所要求的机械性能。由于指定钢丝断面收缩率的上限用处较小，未设定钢丝的该上限。
不进行QT处理。这有别于相关的技术。尽管不进行QT处理，仍可获得足够的强度、延展性和抗腐蚀性。
本发明的另一个实施方案提供了一种制造具有高抗腐蚀性的弹簧的方法，该方法包括：拉拔上述线材以形成具有1800MPa至2100MPa拉伸强度和25％以上的断面收缩率的钢丝；并于室温下冷加工该钢丝。
该线材在冷加工状态下被拉拔，并随后在冷加工条件下变形为线圈或弹簧形状以形成弹簧。随后，在150℃或更高温度下对弹簧进行应力松弛加热处理。
在下文中，将通过实施例对本发明的实施方案进行更具体的阐述。然而，实施例仅用于清晰解释本发明的实施方案，并不意欲限定本发明的精神和范围。
实施例
具有下表1中所示组成的板坯通过一系列热轧和冷却工序制得。表1中，每种元素的含量以重量％给出。
[表1]
编号 C Si Mn Cr
对比钢1 0.39 0.3 15.0 -
对比钢2 0.9 0.7 16.0 -
对比钢3 0.2 3.5 27.0 1.2
对比钢4 0.8 3.7 28.5 1.5
对比钢5 0.25 0.8 14 1.7
对比钢6 0.95 0.3 13.5 1.6
本发明钢1 0.5 1.5 18 0.2
本发明钢2 0.55 1.8 19 0.3
本发明钢3 0.48 2.2 21 0.5
本发明钢4 0.52 2.5 23 0.6
本发明钢5 0.57 1.4 18.5 0.8
本发明钢6 0.46 2.7 24 0.9
测量了由表1中的对比钢和本发明钢制成的线材中奥氏体的含量。随后，以相同的量(50％)拉拔线材以形成钢丝，并测量每一根钢丝的强度、断面收缩率和变性奥氏体量。另外，在盐水腐蚀测试后，测量钢丝上形成的腐蚀坑的深度。测量结果示于表2。
[表2]
*CS1：对比钢，**IS1：本发明钢
参照表1和表2，对比钢1具有的组成不同于本发明的实施方案中提出的组成。即，对比钢1中的碳含量和稳定奥氏体的锰含量不足。因此，当使用对比钢1时，无法得到预期的奥氏体含量和机械性能。
对比钢2具有的组成不同于本发明的实施方案中提出的组成。即，对比钢2中稳定奥氏体的锰含量不足，且对比钢2中碳含量过高。因而，形成了96体积％或更少的奥氏体，因此，无法获得预期的微结构和强度。
对比钢3具有的组成不同于本发明的实施方案中提出的组成。即，碳含量和稳定奥氏体的锰含量在本发明的实施方案中提出的范围之外。因而，形成了不稳定的奥氏体，且由于过高的锰含量，由对比钢3制成的钢丝(弹簧)的断面收缩率小于25％。另外，在拉丝过程中出现金属丝断裂。
对比钢4具有过高的碳含量和过高的锰含量。因此，在拉丝工序后，由对比钢4制成的钢丝(弹簧)经历过度的加工硬化，因此其断面收缩率小于25％。在拉丝过程中也出现了金属丝断裂。即，无法获得预期的微结构和强度。
对比钢5的碳含量和锰含量在本发明的实施方案中提出的范围之外。因而，对比钢5制成的线材的奥氏体含量小于99％。即，无法获得预期的微结构。另外，其机械性能也在预期范围之外。
对比钢6具有不足的锰含量和过高的碳含量。因而，在拉丝工序后，拉伸强度的程度低于预期范围，并且由于较高的加工硬化，在拉丝过程中出现金属丝断裂。
然而，当使用具有本发明的实施方案中的组成的本发明钢1至6时，获得了99体积％或更多的奥氏体，并且获得了高拉伸强度和断面收缩率。另外，由本发明钢制成的钢丝上的腐蚀坑深度小于由对比钢制成的钢丝上的腐蚀坑深度。
图1和2为示出盐水腐蚀测试后在本发明钢2和对比钢2上形成的腐蚀坑深度的图片。如图1所示，本发明钢中的腐蚀坑深度相对较浅。

Claims (8)

1.一种具有高抗腐蚀性的弹簧用线材，该线材包含，以重量％计，C：0.45％至0.6％，Si：1.0％至3.0％，Mn：17.0％至25.0％，以及余量的Fe和不可避免的杂质。
2.权利要求1的线材，还包含，以重量％计，Cr：0.01％至1.0％。
3.权利要求1的线材，其中线材具有的微结构中包含99体积％或更多的奥氏体。
4.一种具有高抗腐蚀性的弹簧用钢丝，该钢丝包含，以重量％计，C：0.45％至0.6％，Si：1.0％至3.0％，Mn：17.0％至25.0％，以及余量的Fe和不可避免的杂质。
5.权利要求4的钢丝，还包含，以重量％计，Cr：0.01％至1.0％。
6.权利要求4的钢丝，其中钢丝具有变性奥氏体与马氏体的复合微结构。
7.一种制造具有高抗腐蚀性的弹簧用钢丝的方法，该方法包括，拉拔权利要求1至3中任一项的线材以形成具有1800MPa至2100MPa拉伸强度和25％以上的断面收缩率的钢丝。
8.一种制造具有高抗腐蚀性的弹簧的方法，该方法包括：拉拔权利要求1至3中任一项的线材以形成具有1800MPa至2100MPa拉伸强度和25％以上的断面收缩率的钢丝；以及使所述钢丝在室温下冷成型。
CN201280063002.4A 2011-12-23 2012-12-20 具有优异抗腐蚀性的弹簧用线材和钢丝，弹簧用钢丝，以及制造弹簧的方法 Expired - Fee Related CN103998640B (zh)

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