CN105088081B - 稳定杆的制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稳定杆的制造工艺，现有弹簧钢的成分致使生产成本高，本发明弹簧钢包含以下重量百分比的化学成分：C：0.15%～0.35%，Si：0.50%～1.40%，Mn：0.80%～1.80%，Cr：0.10%～0.80%，S：≤0.020%，P：≤0.025%，B：0.0005%～0.0020%，余量为铁；用本发明弹簧钢制成的稳定杆的金相组织为经过回火的贝氏体和马氏体及体积百分比不超过5%的残余奥氏体。钢材在稳定杆制造过程中加热至900～1050℃后采用控制冷却获得以低碳贝氏体和部分低碳马氏体及少量残余奥氏体，然后低温回火使材料力学性能达到R_m≥1350MPa，屈服强度R_p0.2≥1050MPa，断后伸长率A≥10%,断面收缩率Z≥35%。本发明可简化稳定杆的制造工艺、节约能源、降低生产成本。

Description

稳定杆的制造工艺

技术领域

本发明涉及一种稳定杆用贝氏体和马氏体弹簧钢及稳定杆的制造工艺。

背景技术

汽车底盘上的横向稳定杆是为防止汽车转弯时侧向倾覆的扭力杆，通常固定在汽车底盘左右悬架的下臂，当汽车转弯时由于离心力作用而造成的汽车侧倾使横向稳定杆的杆身扭转，横向稳定杆就是利用杆身被扭转而产生的反弹力矩来防止汽车的侧向倾倒的。因此它对汽车的运行稳定性与操控性有不小影响。

横向稳定杆其实就是一根弹性扭杆，通常采用弹簧钢制造，其制造工艺过程通常分为冷成形和热成形两种：

热成形工艺：下料→端头加工→高温（感应）加热→热成形直接淬火（油冷）→回火处理→变形检查与校正→喷丸处理→压装挡圈→探伤→涂装→成品检验与包装。

冷成形工艺：下料→端头加工→冷成形→通电加热至高温后淬火（油冷）→回火处理→变形检查与校正→喷丸处理→压装挡圈→探伤→涂装→成品检验与包装。

这种传统的材料与加工工艺存在以下问题：

（1）常用弹簧钢制的稳定杆的淬火多数采用液体介质作为冷却剂，一般需要配备有自动上下料的连续淬火冷却设备，其中包括淬火介质（通常用淬火油或水剂合成淬火剂）的成分及温度控制的装置，设备的投资及维护费用以及淬火油的消耗等使弹簧淬火工序的成本很高。

（2）弹簧在液体介质中快速冷却，都会产生淬火变形，而且有发生开裂的危险，这种变形与开裂的控制与事后进行校正或裂纹检测（探伤）来补救都是比较困难的，也会增加成本。

（3）弹簧的油淬有油烟产生，淬火后弹簧还需要清洗，而清洗不净残留在弹簧表面的油在弹簧进行回火时又会产生油烟，这些都污染周围的大气而造成环境问题。

（4）现用大部分合金弹簧钢含碳量在0.5%―0.65%的范围，淬火后的回火温度都在400℃以上，热处理工序的能源消耗很大。

近年来为了节约能源、简化工序，汽车及机械类性能要求较高的零部件相继开发出非调质钢、空冷贝氏体钢等新材料，但在弹簧类产品中的应用较少。如公开号为CN102899589A《一种高强度非调质贝氏体钢及制备方法》是在曲轴锻造后快速空冷获得部分贝氏体组织代替调质钢制曲轴的方法，虽然钢中加了Mo、V、Cr等多种贵重元素，但因最终得到的组织强韧性不足，其性能（抗拉强度R_m≥1085MPa、屈服强度R_P0.2≥795MPa）不能满足稳定杆类弹性件的力学性能要求。而多数高强韧性的空冷贝氏体钢有的也是力学性能还达不到弹簧产品的要求，有的则含有多种较高含量的贵重或稀有合金元素（如Mo、Ni、V，等），使材料成本很高而难以实际应用。公开号为CN 1078269A的专利 《高强韧性高淬透性空冷贝氏体钢》，强调高淬透性，要求大尺寸的零件在空气中自然冷却,即在900℃—300℃之间的冷速≥1℃/min即可，但为了保淬透性而不得不加大Mn、Si等合金元素的含量，还要加入Mo、V等贵重元素，材料成本高。且因零件空冷所需的时间很长，对于要求短周期大批量生产的汽车横向稳定杆也难以得到实际应用。

发明内容

本发明的目的是针对上述背景技术所述的技术问题，基于基于稳定杆产品的截面不大且均匀一致的特点，从提高钢的淬透性来获得贝氏体组织看，有可能通过成分设计的最优化降低材料的成本，使其在保持与常用的弹簧钢的成本大体相同的情况下，在热成形后用强制空气循环的快速冷却获得低碳贝氏体/马氏体复合组织的优异性能，提供一种稳定杆的制造工艺。

为达到本发明的目的，本发明的稳定杆用贝氏体和马氏体弹簧钢包含以下重量百分比的化学成分：

C：0.15%～0.35%，

Si：0.50%～1.40%，

Mn：0.80%～1.80%，

Cr：0.10%～0.80%，

S：≤0.020%，

P：≤0.025%，

B：0.0005%～0.0020%，

余量为铁；

该弹簧钢的金相组织为贝氏体和马氏体及体积百分比不超过5%的残余奥氏体。

作为本发明稳定杆用贝氏体和马氏体弹簧钢的优选技手段：该弹簧钢还包含以下重量百分比的化学成分中的至少一种：

V：0.05%～0.15%，

Nb：0.01%～0.1%,

Ti：0.005%～0.08%。

作为本发明稳定杆用贝氏体和马氏体弹簧钢的优选技手段：该弹簧钢熔炼制成的钢水经过炉外精炼后钢中气体含量要求为H≤1.0ppm、O≤12ppm、N为40ppm～130ppm。

为达到本发明的目的，本发明的稳定杆的制造工艺，其特征是：将本发明的弹簧钢制成Φ16mm～Φ30mm的钢材，将钢材加热至900～1050℃高温后采用空气加速冷却获得以无碳化物贝氏体和板条马氏体及体积百分比不超过5%的残余奥氏体组成的强韧性组织。

作为本发明稳定杆的制造工艺的优选技术手段，所述空气加速冷却的冷却冷速为≥50℃/min。钢材经过采用空气加速冷却后在250℃～400℃回火45min～90min，使材料力学性能达到 R_m≥1350MPa，屈服强度R_p0.2≥1050MPa，断后伸长率A≥10%,断面收缩率Z≥35%。

本发明根据汽车横向稳定杆的形状、尺寸及使用条件与性能要求的特点，通过革新材料与工艺技术达到既简化工艺又满足节能环保的要求，采用一种低碳空冷硬化的贝氏体/马氏体钢使其在稳定杆热成形后直接用空气加速冷却（风冷）后获得具有高强度与硬度的低碳贝氏体/马氏体及少量残余奥氏体的组织再进行低温回火稳定组织并改善其塑性与韧性使稳定杆成品具有优异的使用性能与可靠性。从而在节约能源、简化工序上可大幅度降低制造成本获得经济效益，并且也能因改善环境满足社会对环保越来越高的要求得到相应的社会效益。

具体实施方式

以下对本发明做进一步说明。

本发明的稳定杆用贝氏体和马氏体弹簧钢包含以下重量百分比的化学成分：

C：0.15%～0.35%，

Si：0.50%～1.40%，

Mn：0.80%～1.80%，

Cr：0.10%～0.80%，

S：≤0.020%，

P：≤0.025%，

B：0.0005%～0.0020%，

余量为铁；

该弹簧钢的金相组织为贝氏体和马氏体及体积百分比不超过5%的残余奥氏体。

因钢的含碳量在0.35%以下，所以所形成的贝氏体与马氏体都是低碳的，因贝氏体韧性较好而低碳马氏体基本上是位错马氏体，其脆性较小，也对钢的韧性有利。

进一步的，该弹簧钢还包含以下重量百分比的化学成分中的至少一种：

V：0.05%～0.15%，

Nb：0.01%～0.1%,

Ti：0.005%～0.08%。

该弹簧钢熔炼制成的钢水经过炉外精炼后钢中气体含量要求为H≤1.0ppm、O≤12ppm、N为40ppm～130ppm。

本发明的稳定杆的制造工艺，是将本发明的弹簧钢制成Φ16mm～Φ30mm的钢材，将钢材加热至900～1050℃高温后采用空气加速冷却获得以无碳化物贝氏体和板条马氏体及体积百分比不超过5%的残余奥氏体组成的强韧性组织。

进一步的，空气加速冷却的冷却冷速为≥50℃/min。钢材经过采用空气加速冷却后在250℃～400℃回火45min～90min，使材料力学性能达到 R_m≥1350MPa，屈服强度R_p0.2≥1050MPa，断后伸长率A≥10%,断面收缩率Z≥35%。

本发明的以上方案，具有以下实质性特点和显著的进步：

⑴本发明用钢的成分设计的特点：本发明钢的基本成分以重量百分比计为：C：0.15%～0.35%，Si：0.50%～1.40%，Mn：0.80%～1.80%，Cr：0.10%～0.80%，S：≤0.020%，P：≤0.025%，B：0.0005%～0.0020%，其中Mn、Si、Cr、B等元素均可提高钢的淬透性，B是使钢的CCT曲线的铁素体-珠光体转变线右移的主要元素，可以抑制铁素体在过冷奥氏体晶界析出，而Mn是Mn-B系空冷贝氏体钢的主要元素，再加上Cr、Si等合金元素， 从而达到钢在高温奥氏体化后在空冷或风冷条件下即可获得低碳贝氏体与部分低碳马氏体及少量残余奥氏体的高强度高韧性组织。

钢中碳是最重要的元素，本发明采用低碳方案而摒弃通常弹簧钢的碳含量为中碳或偏高碳的，因为降低碳含量能得到塑韧性更好的淬火组织且不需要在400℃以上的中温回火而避免第一类回火脆性，既能保证优异的性能又节约了能源的消耗。

Si是固溶强化元素对提高弹性极限有利，Si能阻碍碳化物的析出增加钢中的残余奥氏体量，又因其提高钢的回火稳定性的作用可在较高温度回火，这些都对提高钢的韧性极为有利。

本发明所用钢含有微合金元素V、Nb 、Ti中的一种或几种，是充分利用微合金元素的作用，因这些元素的碳氮化物与碳化物会阻碍热加工时奥氏体晶粒的长大而细化晶粒，而晶粒的细化是既提高强度又能增加塑韧性的因素，同时微合金元素碳（氮）化物的弥散析出将进一步提高强度和韧性。

本发明所用钢中氮元素N是作为微合金化钢中的有用元素，因而需要控制其含量。N对微合金元素的碳氮化物与碳化物的析出过程有影响，而这些弥散相的数量、颗粒大小与分布状态也是钢的强韧化的重要因素。

⑵用本发明钢的稳定杆高温加热成形并空冷硬化后的回火处理在较低的温度（200℃～450℃）下进行，但因高温冷却后的组织不稳定性，此时材料的微观组织将发生各种变化，本发明采用回火处理的最优化使钢的强韧性不仅不会降低且反而有所提高。

⑶对于稳定杆这样的直径不大（一般不超过30mm）的杆形零件，高温加热后采用风冷其材料心部的冷却速度可以达到45℃/min以上，按照钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线）的原理当按照钢的化学成分计算评估钢的理想临界淬透直径达到130～160mm时就可以避免产生铁素体/珠光体类的非马氏体/贝氏体组织，即风冷即可获得低碳贝氏体/马氏体为主的组织而具有很高的强韧性。因此在钢的成分设计时可以通过计算法获得最经济的合金配比设计。

本发明的具体应用如下：

⑴ 按本发明钢的用途不同的成分设计采用转炉或电炉熔炼后进行炉外精炼去除杂质并加入微量元素，实施铸锭或连铸成钢坯后按材料供货要求进行连续控制轧制。对钢材的非金属夹杂物含量（级别）的要求为：

材料的供应状态分以下几类：

①非热处理软态材料，稳定杆在弹簧制造厂热成形并进行热处理；

②热处理状态材料，在材料热轧后控制冷却达到低碳贝氏体/马氏体的组织，材料可以不进行回火处理，稳定杆在弹簧制造厂冷成形后进行回火处理。

⑵ 弹簧的热成形与直接淬火

指上述第①种非热处理软态材料，用感应加热或电炉、燃料炉加热至900℃―1050℃后热成形并直接进入空气加速冷却装置以（100℃/min～155℃/min）的冷却速度快速冷却获得低碳贝氏体/马氏体等淬火组织。淬火后的弹簧进行回火（如后面的叙述）。

⑶ 弹簧的冷成形

指上面所述第②种热处理的硬态材料，弹簧在冷态成形，成形后的弹簧需立即进行低温回火处理。

⑷ 回火处理

本发明钢是多元微合金化的低碳贝氏体/马氏体钢，回火处理基本是低温回火，通常在250℃―400℃范围内，时间60min―150min，由于合金的多元素的特点，回火时钢的微观组织会发生很复杂的变化，要使回火过程有利于钢的强韧化需通过系统的工艺试验确定工艺参数即回火温度与加热保温时间的控制范围，可采用正确的试验设计减少工作量。

Claims (3)

1.稳定杆的制造工艺，其特征是：将弹簧钢制成Φ16mm～Φ30mm的钢材，将钢材加热至900～1050℃高温后采用空气加速冷却获得以无碳化物贝氏体和板条马氏体及体积百分比不超过5%的残余奥氏体组成的强韧性组织；

所述空气加速冷却的冷却冷速为≥50℃/min；

钢材经过采用空气加速冷却后在250℃～400℃回火45min～90min，使材料力学性能达到 R_m≥1350MPa，屈服强度R_p0.2≥1050MPa，断后伸长率A≥10%,断面收缩率Z≥35%；

所述的弹簧钢包含以下重量百分比的化学成分：

C：0.15%～0.35%，

Si：0.50%～1.40%，

Mn：0.80%～1.80%，

Cr：0.10%～0.80%，

S：≤0.020%，

P：≤0.025%，

B：0.0005%～0.0020%，

余量为铁；

该弹簧钢的金相组织为经过回火的贝氏体和马氏体及体积百分比不超过5%的残余奥氏体。

2.根据权利要求1所述的稳定杆的制造工艺，其特征是：所述的弹簧钢还包含以下重量百分比的化学成分中的至少一种：

V：0.05%～0.15%，

Nb：0.01%～0.1%,

Ti：0.005%～0.08%。

3.根据权利要求1所述的稳定杆的制造工艺，其特征是：所述的弹簧钢熔炼制成的钢水经过炉外精炼后钢中气体含量要求为H≤1.0ppm、O≤12ppm、N为40ppm～130ppm。