CN105483551A

CN105483551A - 具有优异的线材轧制性能的高强度弹簧钢

Info

Publication number: CN105483551A
Application number: CN201510645329.8A
Authority: CN
Inventors: 木村晃辅; 大桥亮介; 石仓亮平
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2016-04-13
Also published as: ES2565857B1; US20160097113A1; MX2015014114A; ES2565857A1; BR102015025517A2; JP6458927B2; JP2016074949A

Abstract

本发明涉及一种具有优异的线材轧制性能的高强度弹簧钢，以质量％计，其主要包含：C：0.40％至0.65％；Si：1.20％至2.80％；Mn：0.30％至1.20％；P：0.020％以下；S：0.020％以下；Cu：0.40％以下；Ni：0.80％以下；Cr：0.70％以下；Ti：0.060％至0.140％；Al：0.10％以下；N：0.010％以下；以及O：0.0015％以下，并且可任选地包含B：0.0005％至0.0050％，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，以质量％计，所指定的化学组分的含量满足下面表达式(1)至(3)：X1＝0.14×[Si]-0.11×[Mn]-0.05×[Cu]-0.11×[Ni]-0.03×[Cr]+0.02≤0.2…表达式(1)；X2＝(α-500)/β≥3.0…表达式(2)；α＝912-231×[C]+32×[Si]-20×[Mn]-40×[Cu]-18×[Ni]-15×[Cr]β＝10^(0.322-0.538×[C]+0.018×[Si]+1.294×[Mn]+0.693×[Cu]+0.609×[Ni]+0.847×[Cr])X3＝31×[C]+2.3×[Si]+2.3×[Mn]+1.25×[Cu]+2.68×[Ni]+3.57×[Cr]-6×[Ti]≥24.0…表达式(3)。

Description

具有优异的线材轧制性能的高强度弹簧钢

技术领域

本发明涉及一种具有优异的线材轧制性能的高强度弹簧钢。

背景技术

在为了满足对车辆(汽车)减重的需求而试图减轻悬簧的重量时，人们期望研制出能够具有高设计应力的弹簧。为了提高弹簧的设计应力，需要在弹簧的各种特性方面进行改进，更具体而言，必须添加合金元素。例如，在想要改进沉降性(settlingproperty)时，可以考虑添加Si，而想要提高耐腐蚀性时，可以考虑添加诸如Cu、Ni或Cr之类的元素。

顺便提及的是，为了提高弹簧特性而提高合金元素的添加量倾向于产生损害，例如在线材轧制后的冷却过程中发生铁素体脱碳和贝氏体的形成。前者的损害对于将进行喷丸加工的弹簧而言是致命的，而后者的损害在二次加工时可能成为有害的因素，因此避免这两种损害是重要的。作为避免这两种损害的技术，已知的有(例如)在下面的专利文献1和2中描述的技术。

下面的专利文献1公开了这样一种技术，在热轧下于1,170℃以上的温度下加热钢材至少2分钟，在轧制后于750℃至600℃的温度范围内以5℃/分至300℃/分的平均冷却速率冷却该材料，并进一步采用除锈工艺。下面的专利文献2公开了在如下条件下进行热轧的技术：在加热均热炉出钢(furnaceextraction)之后，将精加工(finishing)之前的温度设为小于1,000℃，将终轧之后的钢材在1,000℃至1,150℃的温度范围内保持5秒以内，随后将其卷绕，其后以2℃/秒至8℃/秒的冷却速率将卷绕后的钢材冷却至750℃以下，并在卷绕后花费150秒以上的时间进一步逐步冷却至600℃。

专利文献1：日本专利No.4031267

专利文献2：日本专利No.5330181

发明内容

然而，专利文献1和2中公开的技术均要求执行各自特定的轧制工艺。由此，人们希望通过调节钢材的化学组成而不是采用提供特定轧制工艺的技术来避免铁素体脱碳的发生和贝氏体的形成，由此研制出了具有优异的线材轧制性能的高强度弹簧钢。

在以上境况的背景下完成了本发明，并且本发明的目的是通过调节钢材的化学组成来避免铁素体脱碳的发生和贝氏体的形成，从而提供一种具有优异的线材轧制性能的高强度弹簧钢。

即，本发明涉及以下项目1至4。

1.一种具有优异的线材轧制性能的高强度弹簧钢，以质量％计，其主要包含：

C：0.40％至0.65％；

Si：1.20％至2.80％；

Mn：0.30％至1.20％；

P：0.020％以下；

S：0.020％以下；

Cu：0.40％以下；

Ni：0.80％以下；

Cr：0.70％以下；

Ti：0.060％至0.140％；

Al：0.10％以下；

N：0.010％以下；以及

O：0.0015％以下，

并且可任选地包含：

B：0.0005％至0.0050％，

余量为Fe和不可避免的杂质，

其中，以质量％计，所指定的化学组分的含量满足下面表达式(1)至(3)：

X1＝0.14×[Si]-0.11×[Mn]-0.05×[Cu]-0.11×[Ni]-0.03×[Cr]+0.02≤0.2

…表达式(1)

X2＝(α-500)/β≥3.0…表达式(2)

α＝912-231×[C]+32×[Si]-20×[Mn]-40×[Cu]-18×[Ni]-15×[Cr]

β＝10^(0.322-0.538×[C]+0.018×[Si]+1.294×[Mn]+0.693×[Cu]

+0.609×[Ni]+0.847×[Cr])

X3＝31×[C]+2.3×[Si]+2.3×[Mn]+1.25×[Cu]+2.68×[Ni]+3.57×[Cr]

-6×[Ti]≥24.0…表达式(3)。

2.根据条款1所述的具有优异的线材轧制性能的高强度弹簧钢，具有53.0HRC以上的400℃回火硬度。

3.根据条款1或2所述的具有优异的线材轧制性能的高强度弹簧钢，具有9以上的晶粒度。

本发明的发明人发现，可以用公式(表达式(1))表示铁素体脱碳深度与参数(X1)之间的关系，其中参数(X1)通过将钢材的各化学组分对深度的贡献度转化为数值来确定；可以用公式(表达式(2))表示线材轧制后在普通冷却速率下冷却时贝氏体的形成与参数(X2)之间的关系，其中参数(X2)通过将钢材的各化学组分对贝氏体形成的贡献度转化为数值来确定；并且可以用公式(表达式(3))表示在400℃下进行回火处理时的硬度与参数(X3)之间的关系，其中参数(X3)通过将钢材的各化学组分对硬度的贡献度转化为数值来确定。即，通过调节钢材中的化学组分的含量使其满足上式(1)至(3)，可以获得具有优异的线材轧制性能的高强度弹簧钢。

附图简要说明

图1是用于说明表达式(1)的情况的图。

图2是用于说明表达式(2)的情况的图。

图3是用于说明表达式(3)的情况的图。

图4是示出将Ti含量的下限设为0.060质量％的原因的图。

具体实施方式

下面是对本发明的高强度弹簧钢的组合物中各化学组分(元素)进行限定的原因和条件的描述。顺便提及，各组分的含量以质量％示出，并且“质量％”等同于“重量％”。

(1)C：0.40％至0.65％

C是确保弹簧钢的强度所必要的元素。当C含量低于0.40％时，不可能达到预定的弹簧强度。另一方面，当C的添加量超过0.65％时，会导致韧性和疲劳特性的劣化，因此将C含量的上限设为0.65％。C含量优选为0.45％至0.60％。

(2)Si：1.20％至2.80％

Si元素可有效增强弹簧钢的耐沉降性(settlingresistance)。因此Si的添加量为1.20％以上。然而，添加超过2.80％的Si往往不仅导致沉降性的劣化，还会导致铁素体脱碳的发生，因此Si含量的上限设为2.80％。Si含量优选为大于1.50％且小于等于2.50％，更优选为大于2.00％且小于等于2.50％。

(3)Mn：0.30％至1.20％

Mn以MnS的形式起到了固定S(其为降低韧性的元素)的作用。Mn还充当淬火性能改良剂。为了充分发挥这些功能，Mn的添加量为0.30％以上。然而，Mn的添加量超过1.20％会导致韧性的劣化，因而将Mn含量的上限设为1.20％。Mn含量优选大于0.50％且小于等于1.10％，更优选小于1.00％。

(4)P：0.020％以下

由于P使晶体晶界脆化，因此须要将其含量最小化。只要P的含量为0.02％以下，则对晶界强度降低的影响是轻微的，同时从工业的观点来看，极度降低P含量是不利的，这是因为会导致熔炼工序的延长，从而造成成本提高。

(5)S：0.020％以下

S不可避免地存在于钢之中，并且如上所述会与Mn结合形成MnS夹杂物，这成为应力集中的起点。过高的S含量不仅提高了MnS夹杂物的量，还会导致疲劳强度的减小。然而，只要S含量为0.020％以下，则疲劳强度的减小就是极为微小的。

(6)Cu：0.40％以下

Cu元素可有效提高耐腐蚀性。另外，其还能够有效防止铁素体脱碳。Cu含量优选为0.20％至0.37％。

(7)Ni：0.80％以下

Ni元素可有效提高耐腐蚀性。另外，其还能够有效防止铁素体脱碳。然而，Ni的加入会导致成本提高，因而将Ni含量的上限设为0.80％。Ni含量优选为0.50％至0.75％。

(8)Cr：0.70％以下

Cr元素可有效提高耐腐蚀性。另外，其还能够有效调节淬火性能。Cr的过量添加会导致明显的腐蚀坑的形成，因而将Cr含量的上限设为0.70％。Cr含量优选为0.20％至0.50％。

(9)Ti：0.060％至0.140％

Ti是易于形成碳化物的元素。Ti类碳化物会促进晶粒的精细化并增强疲劳特性、延迟断裂特性和耐沉降性。因此，Ti的添加量为0.060％以上。然而，当Ti含量超过0.140％时，Ti的添加效果饱和；相反，会导致轧制性能劣化。因此将Ti含量的上限设为0.140％。Ti含量优选为0.080％至0.120％。将Ti含量的下限设为0.060％的原因将在后面说明。

(10)Al：0.10％以下

Al元素在液态钢处理过程中充当脱氧剂。然而，当Al的添加量超过0.10％时，夹杂物增加，由此会导致疲劳强度的降低。因此将Al含量的上限设为0.10％。

(11)N：0.010％以下

N与Ti结合从而形成氮化物，导致疲劳强度的降低。因此将N含量的上限设为0.010％。

(12)O：0.0015％以下

由于O会形成氧化物类夹杂物，因此将其含量设为0.0015％以下。

(13)余量：Fe和不可避免的杂质

顺便提及，在表1中省略了关于Fe和不可避免的杂质的描述。

(14)满足下面表达式(1)

X1＝0.14×[Si]-0.11×[Mn]-0.05×[Cu]-0.11×[Ni]-0.03×[Cr]+0.02≤0.2

…表达式(1)

为了检验表达式(1)的充分性，进行了铁素体脱碳的模拟。在模拟中，分别将具有如表1所示化学组成的钢样品各自独立地进行熔融成形、并热轧成22mmφ的棒。其后，将这些样品加工成14mmφ×20mm规格的棒，将其在900℃下保持100分钟，然后进行油冷却，从而对其进行热处理。其后，对热处理后的样品进行铁素体脱碳深度的测量。所得测量结果在表1和图1中示出。

图1是通过以铁素体脱碳深度为纵轴、以表达式(1)中X1为横轴绘制来自每种钢的坐标数据从而制得的图。X1包括通过对组分项进行加法或减法所形成的多项式，其中各组分项是通过将特定化学组分(Si、Mn、Cu、Ni和Cr)的含量分别与各自特定的系数相乘而得到的，从图1可以清楚地看出，X1与铁素体脱碳深度具有几乎为线性的对应关系。

另一方面，与前面不同的是，将各种钢熔融成形，进行平面铣(slabbing)并在900℃的轧制温度下使用实际机器进一步进行线材轧制(13.5mmφ)制在这种情况下将冷却速率设为0.5℃/秒。进行各线材轧制材料中铁素体脱碳的实际结果的评定，即，确定铁素体脱碳发生(存在铁素体脱碳)或未发生(不存在铁素体脱碳)。每种钢的评定结果在图1中以坐标数据的形式示出，将不存在铁素体脱碳的各种钢表示为白圈、并将存在铁素体脱碳的各种钢表示为黑圈。另外，在表1中，将不存在铁素体脱碳的情况描述为“不存在”，而将存在铁素体脱碳的情况描述为“存在”。

如图1可见，将铁素体脱碳深度与式(1)中的X1关联起来是合适的。并且通过考虑实践中的线材轧制下铁素体脱碳的实际结果，从而确认用来确定铁素体脱碳发生与否的X1的阈值为0.2。换句话说，通过将X1调节至0.2以下，可以得到无铁素体脱碳的结构。

(15)满足下面表达式(2)

X2＝(α-500)/β≥3.0…表达式(2)

α＝912-231×[C]+32×[Si]-20×[Mn]-40×[Cu]-18×[Ni]-15×[Cr]

β＝10^(0.322-0.538×[C]+0.018×[Si]+1.294×[Mn]+0.693×[Cu]

+0.609×[Ni]+0.847×[Cr])

为了检验式(2)的充分性，与上面类似，对每种钢进行平面铣并在900℃的轧制温度下使用实际机器进一步进行线材轧制(13.5mmφ)。在这种情况中，在1.5℃/秒和0.5℃/秒这两种不同的冷却速率下进行冷却。并且进行各线材轧制材料中贝氏体形成的实际结果的评定，即，确定贝氏体形成(存在贝氏体形成)或未形成(不存在贝氏体形成)。另外，在表1和图2中，冷却速率的单位用℃/秒表示。

所得结果在表1和图2中示出。图2是通过以冷却速率为纵轴、以表达式(2)中X2为横轴绘制来自各种钢的坐标数据从而制得的图。虽然X2包括α和β作为变量，但其本身的等式(equality)概念是已知的(例如，参见Materia,36卷,No.6,1997,603-608页)。α包括对组分项进行加法或减法形成的多项式，其中各组分项是通过将特定化学组分(C、Si、Mn、Cu、Ni和Cr)的各含量分别与各自特定的系数相乘而得到的，并且β是以这样的多项式为指数、10为底数的幂。如图2所示，通过考虑实际线材轧制下贝氏体形成的实际结果，经确认用来确定贝氏体形成发生与否的X2的阈值为3.0。换句话说，通过将X2调节至3.0以上，则只要以通常的执行速率进行冷却就可以得到无贝氏体形成的结构。

(16)满足下面表达式(3)

X3＝31×[C]+2.3×[Si]+2.3×[Mn]+1.25×[Cu]+2.68×[Ni]+3.57×[Cr]

-6×[Ti]≥24.0…表达式(3)

为了检验表达式(3)的充分性，通过将各种钢分别进行熔融成形、将其分别热锻成22mmφ的棒，然后将其分别加工成20mmφ×10mm规格的棒从而制备钢样品，将该钢样品在950℃下保持60分钟，进行油淬火，然后在400℃下保持30分钟，并在空气冷却下进一步回火。对经过如此处理的钢样品进行硬度(HRC)测量。

所得测量结果在表1和图3中示出。图3是通过以硬度为纵轴、以表达式(3)中X3为横轴绘制来自各种钢的坐标数据从而制得的图。X3包括通过对组分项进行加法或减法而形成的多项式，其中各组分项是通过将特定化学组分(C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr和Ti)的各含量分别与各自特定的系数相乘而得到的。

如图3所示，将硬度与式(3)中的X3关联起来是合适的。并且在将回火温度设在400℃的情况下，为了使根据本发明的高强度弹簧钢确保具有至少53.0的硬度(HRC)，据确认X3的阈值为24.0。换句话说，通过将X3调节至24.0以上，则在将回火温度设在400℃的情况下可以得到硬度(HRC)为53.0以上的高强度结构。

(17)B：0.0005％至0.0050％

B元素能够通过防止P和S偏析于晶粒界面处从而改善弹簧钢的韧性。因此，B的含量优选为0.0005％以上。另一方面，B的过量添加会造成形成B的氮化物，从而导致韧性降低。因此，B的含量优选为0.0050％以下。

(其他)将Ti含量的下限设为0.060％的原因

对样品进行热锻、随后在950℃下淬火、并进一步在400℃下回火，然后依照奥氏体晶粒度测试方法(JISG0551:2005)对样品进行晶粒尺寸(奥氏体晶粒尺寸)的测量。所得测量结果(晶粒度(crystalgrainsizenumber))在表1和图4中示出。图4是通过以晶粒度为纵轴、以Ti含量为横轴绘制来自各种钢的坐标数据从而制得的图。

奥氏体晶粒尺寸影响各种特性(疲劳特性、延迟断裂特性、沉降性能)，通常可通过晶粒的精细化而改善这些特性。在本发明的高强度钢中，基于图4将Ti含量的下限设为0.060％从而使得淬火并回火后的晶粒度达到9级以上。换句话说，通过将Ti含量调节为0.060％以上，可以得到晶粒度为9级以上的精细结构。

对应于各种钢(实施例1至12和比较例1至17中的各种钢)的表达式(1)至(3)的计算结果、测量结果和评定结果在表1中示出。如实施例1至12所示，通过调节各化学组分使其各自落入规定范围内并满足表达式(1)至(3)，可以获得具有优异的线材轧制性能的高强度弹簧钢，更具体而言，可以获得在线材轧制过程中既不会导致铁素体脱碳也没有贝氏体形成、并且具有53.0HRC以上的400℃回火硬度和9以上的晶粒度的钢。

另一方面，在各比较例1、6、10、11、14、15和17中，均未满足表达式(3)；结果，400℃回火硬度低于53.0HRC。另外，在各比较例4至11中，均未满足表达式(1)；结果，在线材轧制过程中发生了铁素体脱碳。

此外，在各比较例2、3和15至17中，Ti含量均低于0.060质量％；结果，其晶粒度低于9级。此外，在各比较例10和12至14中，均未满足表达式(2)；结果，在线材轧制过程中发生了贝氏体形成。

由上面描述可以清晰地看到，根据本发明，可以获得具有优异的线材轧制性能的高强度弹簧钢。顺便提及，本发明不应被解释成局限于上述实施例，而是以能够进行各种变形和修改的方式实施，只要其不脱离本发明的主旨即可。

本发明基于2014年10月7日提交的日本专利申请No.2014-206311，其内容以引用的方式并入本文。

Claims

C：0.40％至0.65％；

Si：1.20％至2.80％；

Mn：0.30％至1.20％；

P：0.020％以下；

S：0.020％以下；

Cu：0.40％以下；

Ni：0.80％以下；

Cr：0.70％以下；

Ti：0.060％至0.140％；

Al：0.10％以下；

N：0.010％以下；以及

O：0.0015％以下，

并且可任选地包含：

B：0.0005％至0.0050％，

余量为Fe和不可避免的杂质，

X1＝0.14×[Si]-0.11×[Mn]-0.05×[Cu]-0.11×[Ni]-0.03×[Cr]+0.02≤0.2

…表达式(1)

X2＝(α-500)/β≥3.0…表达式(2)

α＝912-231×[C]+32×[Si]-20×[Mn]-40×[Cu]-18×[Ni]-15×[Cr]

β＝10^(0.322-0.538×[C]+0.018×[Si]+1.294×[Mn]+0.693×[Cu]

+0.609×[Ni]+0.847×[Cr])

X3＝31×[C]+2.3×[Si]+2.3×[Mn]+1.25×[Cu]+2.68×[Ni]+3.57×[Cr]

-6×[Ti]≥24.0…表达式(3)。

2.根据权利要求1所述的具有优异的线材轧制性能的高强度弹簧钢，具有53.0HRC以上的400℃回火硬度。

3.根据权利要求1或2所述的具有优异的线材轧制性能的高强度弹簧钢，具有9以上的晶粒度。