CN106947920B

CN106947920B - 疲劳特性优异的弹簧用钢及其制造方法

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Publication number: CN106947920B
Application number: CN201610844384.4A
Authority: CN
Inventors: 金宽镐
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Holdings Inc
Priority date: 2015-09-22
Filing date: 2016-09-22
Publication date: 2018-07-27
Anticipated expiration: 2036-09-22
Also published as: KR101674829B1; CN106947920A

Abstract

本发明涉及一种弹簧用钢，更详细地，涉及一种疲劳特性优异的弹簧用钢及其制造方法。所述弹簧用钢，以重量％计，其包含：碳(C)：0.40～0.80％、硅(Si)：1.3～2.3％、锰(Mn)：0.10～1.00％、铬(Cr)：0.10～1.00％、余量的铁(Fe)以及其他不可避免的杂质，在当量直径超过10μm的氧化物系夹杂物中，Al₂O₃浓度为35重量％以上的夹杂物数量为10个/g以下，Al₂O₃浓度为50重量％以上的夹杂物数量为2个/g以下，氧化物系夹杂物的组成成分满足以下式1，式1CaO+SiO₂+MgO+ZrO₂≥95重量％。

Description

疲劳特性优异的弹簧用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种弹簧用钢，更详细地，涉及一种疲劳特性优异的弹簧用钢及其制造方法。

背景技术

最近，为了提高汽车的燃油效率的同时实现轻量化，汽车用钢材逐渐趋于高强度化，尤其，如弹簧用钢一样在极度疲劳的氛围下使用的钢材会随着高强度化的同时缺口(notch)敏感度也随之提高，因此还需要提高疲劳特性。

一般的弹簧用钢通过以下工序制造。

首先，在转炉或电炉中制钢后使用硅(Si)单独脱氧或进行基于铝(Al)和硅(Si)的复合脱氧，然后在钢包内维持强还原性氛围，同时进行精炼，以减少非金属夹杂物的量，并通过后续的连铸工艺铸造成方坯(Bloom)或钢坯(Billet)，然后进行热轧以制造成线材。

利用通过上述工序制造的线材制成弹簧的工艺有，对线材进行拉伸以使其具有所需的直径，然后通过感应加热热处理(Induction Heat Treatment)进行加热、快速冷却和回火以获得弹簧用钢钢丝后在冷区域进行成型的工艺。此外，还有对线材进行拉伸以制造成所需的直径，然后进行加热的同时成型为弹簧，然后实施快速冷却和回火的热成型工艺。

对通过上述工艺制造的弹簧用钢的疲劳寿命影响最大的冶金因素是非金属夹杂物(Non-Metallic Inclusion)。

非金属夹杂物大部分是通过脱氧工艺而存在于钢水中的氧化物系夹杂物，其可以是单独存在的Al₂O₃、SiO₂、CaO、MgO等，或者是两个以上的上述氧化物以复合形态存在，其中除了氧化物系夹杂物以外，还可以多少观察到MnS等硫化物系夹杂物或氮化物。

如上所述的非金属夹杂物根据其大小和数量对弹簧用钢的疲劳寿命产生致命影响，因此用于提高弹簧用钢的疲劳寿命的现有炼钢方法的目的在于减少非金属夹杂物。

例如，专利文献1中公开了以下内容，即，通过在弹簧用钢中添加锂(Li)来抑制CaO.Al₂O₃.2SiO₂系硬质氧化物系夹杂物的产生，从而能够提高疲劳特性，但是专利文献1并没有提及对夹杂物大小的限定，而且需要在现有弹簧用钢成分系中进一步添加锂(Li)，因此从费用方面来看是不经济的。

专利文献2中公开了以下内容，即，可通过使所有夹杂物中L(夹杂物长径)/D(夹杂物的短径)值为4以上且D为25μm以上或者L/D值小于4且L为25μm以上的氧化物系夹杂物合计为20个/500g以下的方式获得疲劳特性优异的高洁净度弹簧用钢，但仅对夹杂物的L和D中的一个进行了上述限制，因此难以看作对大小有具体限制。

专利文献3中公开了以下内容，即，通过添加稀土类元素(Rare Earth Metal，REM)，以将氧化铝转换成REM-铝-O-S夹杂物，从而防止粗大化，并以REM-铝-O-S夹杂物的方式使S固定化，从而抑制生成粗大的MnS，而且将TiN复合在所述夹杂物中，以能够减小有害的TiN的数量密度，从而能够提高疲劳特性，但是，其仅局限于汽车悬浮用弹簧用钢，而且在制造弹簧用钢时需额外添加稀土类元素，并且没有对夹杂物的大小或数量进行了限制。

因此，需要制造具有现有的弹簧用钢成分系的同时，通过严格控制夹杂物的大小和数量，从而具有优异的疲劳特性的弹簧用钢。

(专利文献1)日本公开专利公报第2010-024539号

(专利文献2)韩国公开专利公报第2011-0008347号

(专利文献3)日本公开专利公报第2013-108171号

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的一个方面，其目的在于提供一种通过优化所形成的夹杂物的大小和数量，从而疲劳特性优异的弹簧用钢及其制造方法。

(二)技术方案

本发明的一个方面提供一种疲劳特性优异的弹簧用钢，以重量％计，其包含：碳(C)：0.40～0.80％、硅(Si)：1.3～2.3％、锰(Mn)：0.10～1.00％、铬(Cr)：0.10～1.00％、余量的铁(Fe)以及不可避免的杂质，

在当量直径超过10μm的氧化物系夹杂物中，Al₂O₃浓度为35重量％以上的夹杂物数量为10个/g以下，Al₂O₃浓度为50重量％以上的夹杂物数量为2个/g以下，氧化物系夹杂物的组成成分满足以下式1，

式1

CaO+SiO₂+MgO+ZrO₂≥95重量％。

本发明的另一个方面提供一种疲劳特性优异的弹簧用钢的制造方法，其包括以下步骤：对满足上述组成成分的钢水进行脱氧；使所述脱氧的水经过钢包精炼工艺(LF，LadelFurnance)和RH(Ruhrstahl-Heraeus)工艺的精炼步骤；经过所述精炼步骤后，通过连铸工艺制造铸造材料；以及对所述铸造材料进行再加热后进行热轧，以制造轧制材料，脱氧后的所述钢水的炉渣碱度(CaO/SiO₂)为4.5～7.5。

(三)有益效果

根据本发明，即使不添加高价元素，也能够提供疲劳特性优异的弹簧用钢。

并且，本发明的弹簧用钢可有效适用在极度疲劳的氛围中的应用。

附图说明

图1和图2分别表示利用扫描电子显微镜(SEM)观察通过电解提取分离法获得的发明材料6和比较材料10的夹杂物残渣的照片。

图3和图4分别表示在发明材料10和比较材料4中利用SEM观察到的最大尺寸的夹杂物。

最佳实施方式

弹簧用钢的最重要的特性即疲劳寿命受钢中的夹杂物或中心偏析等材料方面的因素和使用环境等材料以外的因素的影响较大。

其中，夹杂物被认为是对疲劳寿命产生最直接影响的因素，因此，为了提高弹簧用钢的疲劳寿命，现有的炼钢方法的主要目的在于减少夹杂物。但是，并没有提出关于将夹杂物的大小和数量需要控制在何种程度才能够显著提高弹簧用钢的疲劳寿命的具体的建议。

为此，本发明人对具有现有弹簧用钢成分系的弹簧用钢的疲劳特性与夹杂物的大小和数量之间的关系进行了深入的研究，结果确认到了当控制氧化物系夹杂物中的基于Al₂O₃浓度的夹杂物的数量，并控制使氧化物系夹杂物的组成中最低限度地包含硬质夹杂物时，能够获得疲劳特性优异的弹簧用钢，由此完成了本发明。

以下，对本发明进行详细的说明。

本发明的一个方面的疲劳特性优异的弹簧用钢的组成成分，以重量％计，优选包含：碳(C)：0.40～0.80％、硅(Si)：1.3～2.3％、锰(Mn)：0.10～1.00％、铬(Cr)：0.10～1.00％。

下面，对本发明中将弹簧用钢的组成成分限制在上述的范围的理由进行详细的说明。此时，除非另有说明，则各成分含量均表示重量％。

C：0.40～0.80％

碳(C)是为了确保弹簧强度而添加的必需元素，为了有效发挥其效果，优选包含0.40％以上。但是，当其含量超过0.80％时，淬火-回火热处理时形成孪晶(twin)型马氏体组织，导致材料出现龟裂，因此不仅显著降低疲劳寿命，而且在缺陷灵敏度提高且发生腐蚀坑时显著降低疲劳寿命或破坏应力。

因此，本发明中将C含量优选控制在0.40～0.80％。

Si：1.3～2.3％

硅(Si)是固溶于铁素体内以强化基材强度，并且有利于改善抗变形性的元素。当Si含量小于1.3％时，无法充分确保上述效果，另一方面，当Si含量超过2.3％时，抗变形性的改善效果饱和，并且在热处理时助长表面脱碳，因此不优选。

因此，本发明中将Si含量优选限制在1.3～2.3％，更优选限制在1.4～2.3％。

Mn：0.10～1.00％

锰(Mn)是存在于钢材中时提高钢材的淬透性以确保强度方面有效的元素。当Mn含量小于0.10％时，难以确保作为高强度弹簧用材料所要求的足够的强度和淬透性，另一方面，当Mn含量超过1.00％时，韧性降低，缺陷灵敏度变高，并且当发生腐蚀坑时会成为寿命减少的原因，因此不优选。

因此，本发明中将Mn含量优选限制在0.10～1.00％。

Cr：0.10～1.00％

铬(Cr)是确保抗氧化性、回火软化性、防止表面脱碳以及淬透性方面有效的元素。当Cr含量小于0.10％时，难以充分确保上述效果，另一方面，当Cr含量超过1.00％时，导致抗变形性降低，反而导致强度降低，而且还降低腐蚀峰值基的pH，从而成为助长腐蚀的问题。

因此，本发明中将Cr含量优选限制在0.10～1.00％。

本发明的弹簧用钢除了包含上述成分以外，弹簧用钢根据需要还可包括选自铜(Cu)、镍(Ni)、钼(Mo)、铌(Nb)、钛(Ti)、钒(V)和硼(B)中的一种以上。

当包含上述元素时，以重量％计，其含量优选为Cu：0.5％以下、Ni：1.0％以下、Mo：1.0％以下、Nb：0.1％以下、Ti：0.1％以下、V：0.5％以下、B：0.005％以下。

并且，本发明的余量成分是铁(Fe)。但是，在通常的弹簧用钢的制造过程中，不可避免地混入来自原料或周围环境的杂质，因此不能排除这些杂质。制造弹簧用钢过程中的普通技术人员都会知道这些杂质，因此在本说明书中没有特别提及这方面的所有内容。

具有上述组成成分的本发明的弹簧用钢包含非金属夹杂物，此时，优选地，在当量直径超过10μm的氧化物系夹杂物中，Al₂O₃浓度为35重量％以上的夹杂物数量为10个/g以下，Al₂O₃浓度为50重量％以上的夹杂物数量为2个/g以下，同时氧化物系夹杂物的组成成分满足以下式1。

式1

CaO+SiO₂+MgO+ZrO₂≥95重量％

如果当量直径超过10μm的氧化物系夹杂物中，Al₂O₃浓度为35重量％以上的夹杂物数量超过10个/g或者Al₂O₃浓度为50重量％以上的夹杂物数量超过2个/g时，不能沿轧制方向拉伸的硬质夹杂物数量过多，导致降低疲劳特性。

所述Al₂O₃浓度为35重量％以上的夹杂物数量中可重复地包含Al₂O₃浓度为50重量％以上的夹杂物。

并且，在作为硬质夹杂物的Al₂O₃含量超过5％而不满足上述式1的情况下，不能沿轧制方向拉伸的硬质夹杂物数量也会过多，从而具有疲劳特性降低的问题。

此外，所述氧化物系夹杂物中的成分优选控制为如下所述，即，CaO为10～50重量％、SiO₂为20～80重量％、MgO为10重量％以下(包含0％)、ZrO₂为10重量％以下(包括0％)。

本发明中CaO是为了夹杂物的低熔点化而必需的夹杂物，为此，优选包含10重量％以上的CaO，但是，当其含量超过50％时，导致夹杂物熔点升高或产生CaO结晶，从而在热轧时有阻碍延伸分裂的问题。

并且，SiO₂为形成软质夹杂物的必不可少的夹杂物，为此，优选包含20重量％以上的SiO₂，但是，当其含量超过80重量％时，形成硬质相的SiO₂，阻碍疲劳特性，因此不优选。

MgO和ZrO₂形成复合成分的夹杂物，从而具有帮助夹杂物的低熔点化的效果，但是，当其含量分别超过10重量％时，夹杂物的熔点会升高或形成结晶，从而阻碍疲劳特性，因此不优选。

以下，对本发明的疲劳特性优异的弹簧用钢的制造方法进行详细的说明。

简要而言，就本发明的弹簧用钢来说，可以通过以下方法来制造，即，使在转炉中吹炼后获得的钢水经过脱氧-精炼-连铸-轧制工艺，下面对各步骤的条件进行具体说明。

首先，可对满足上述组成成分钢水进行脱氧步骤。

一般而言，在对钢水进行脱氧的的过程中，会产生大量的夹杂物，此时，需要将炉渣成分控制在适当的水平，以所生成的的夹杂物不会留在钢水内，而是被捕集并溶解在炉渣(slag)中而被去除。

本发明中为了尽可能抑制对疲劳寿命产生不利影响的氧化铝(alumina)系夹杂物，优选地，进行硅(Si)的单独脱氧，并将炉渣中的Al₂O₃含量控制在低水平，同时将炉渣的碱度(CaO/SiO₂)控制在高水平。

更加优选地，将钢水中的Al₂O₃含量控制在5重量％以下，将炉渣的碱度(CaO/SiO₂)控制在4.5～7.5。

当所述钢水中的Al₂O₃含量超过5重量％或炉渣的碱度(CaO/SiO₂)小于4.5时，最终制造出的弹簧用钢中的硬质夹杂物即Al₂O₃系夹杂物含量过多，因此具有降低疲劳特性的问题。

另一方面，当炉渣的碱度超过7.5时，炉渣会变硬，导致流动性降低，由此夹杂物的吸收能力随之降低，因此具有钢水中含有大量夹杂物的问题。

如上所述，完成脱氧以使钢水中的Al₂O₃含量和炉渣碱度满足预期范围，然后优选将钢水出钢并对其实施经过钢包精炼(Ladle Furnance，LF)工艺和RH(Ruhrstahl-Heraeus)工艺的精炼步骤。

所述LF工艺是利用电弧热对钢包进行升温，并调整钢水中的成分组成的工艺，在进行上述LF工艺时，当升温时间变长时，会导致钢包耐火物质的损伤，这时会在使溶解氧和夹杂物质量变差，因此，优选地，优化LF工艺中的升温时间，在本发明中，优选将所述LF工艺中的升温时间控制在25分钟以下。

并且，所述RH工艺是利用真空去除钢水中的气体(氧气、氢气等)并调节成分的工艺，这种RH工艺是制钢工艺中的最后一道工艺，是决定用于后续连铸工艺的钢水温度的重要工艺，因此，优选地，优化RH工艺中的处理时间。在本发明中，所述RH工艺过程中的处理时间优选控制在25分钟以上。

在所述精炼步骤之后通过连铸工艺制造铸造材料，然后对上述铸造材料进行再加热，并通过轧制工艺能够制造成轧制材料。

此时，所述再加热可在1000～1250℃下实施，所述轧制工艺为热轧，可在750～1100℃下实施。

就通过上述一系列的工艺来制造本发明的弹簧用钢而言，其中，在精炼步骤之后到进行连铸工艺，优选使用Ar气体进行密封(sealing)处理。

所述Ar气体的密封处理具有在精炼后至连铸防止熔汤与氧气反应以被再次氧化的效果，因此，该密封处理具有显著的减少夹杂物的效果。根据是否进行上述气体密封处理，能够控制夹杂物的大小和数量。

可对所述经过轧制的材料进一步进行加热、快速冷却以及回火工艺，此时，加热是在900～1050℃下实施，快速冷却是将其冷却至20～80℃，回火是在300～500℃下实施。

此外，一般来说，利用光学显微镜(Optical Microscope)或扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope)来对夹杂物的大小或数量进行二维分析，因此，不能认为根据上述方法测定的夹杂物的大小或数量能够准确反映三维实际值。

对此，本发明中为了准确测定实际夹杂物的大小或数量，使用了电解提取分离法。所述电解提取分离法是具有如下特征的方法，即，使用电解液溶解材料后，通过过滤器分离提取物，分离去除所获得的提取物中的剩余Fe和碳，从而仅回收非金属夹杂物，然后利用SEM分析大小和成分。

具体实施方式

以下，通过实施例更加具体地说明本发明。但是，需要注意的是下述的实施例只是为了更加详细地说明本发明而例示的，并非是为了限定本发明的权利范围而提出的。这是因为本发明的权利范围是由权利要求书中记载的内容和从所述内容合理地推导的内容所决定。

(实施例)

对于制造满足如下表1的组成成分的各种弹簧用钢，表2中表示了脱氧方法、炉渣碱度、LF升温时间、RH处理时间以及是否使用Ar气体密封。

按照各条件进行精炼后，在1050℃下对铸造的弹簧用钢进行90分钟的加热，然后在750～1050℃下进行热轧，由此制造了直径为的线材。在所述制造出的线材的纵截面上采集30个30×15mm²的试片，然后利用电解提取分离法测定夹杂物的数量、大小和组成，并将其结果表示在了下述表3中。

在所述电解提取分离法中使用的电解液是由89％的甲醇(methyl alcohol)+10％的乙酰丙酮(acetylacetone)+1％的四甲基氯化铵(tetramethylammonium chloride)组成的溶液，进行电解时施加的电流为0.3A。使用上述电解液溶解试片后，为了分离提取物而通过过滤器，此时使用的过滤器的直径为40mm，过滤孔的大小为1μm。利用磁铁去除提取物中的余量Fe和残渣，然后将过滤器直接浸渍在乙醇中，然后进行超声波处理，并通过浮上分离来去除碳。

接着，进行拉伸工序，拉伸至直径为为止，然后加热至980℃，并快速冷却至60℃，然后在400℃下进行回火，由此获得材料，并利用由此获得的材料进行旋转弯曲疲劳试验(Rotary bending fatigue test)。此时，就旋转弯曲疲劳试验而言，对上述材料施加拉伸强度(TS)的40％的荷重，并对各试片进行10次上述操作，然后导出平均值，并将其结果表示在下述表3中。

表1

表2

表3

如上述表1至表3所示，就满足本发明的发明材料1至12而言，均为在当量直径超过10μm的氧化物系夹杂物中Al₂O₃浓度为35％以上的夹杂物数量为10个/g以下，Al₂O₃浓度为50％以上的夹杂物数量为2个/g以下，并且氧化物系夹杂物的组成成分也满足本发明中提出的范围，因此相对疲劳寿命均为2.0以上，疲劳寿命优异。

另一方面，比较材料1至12的相对疲劳寿命均小于2.0。

其中，就比较材料1、4及10而言，氧化物系夹杂物的组成或当量直径超过10μm的氧化物系夹杂物中的Al₂O₃浓度为35％以上或者50％以上的夹杂物数量不满足本发明提出的范围。

就比较材料2而言，当量直径超过10μm的氧化物系夹杂物中的Al₂O₃浓度为50％以上的夹杂物数量不满足本发明提出的范围，并且本发明提出的氧化物系夹杂物的组成也不满足式1。

比较材料3仅有氧化物系夹杂物的组成满足本发明提出的范围，而基于Al₂O₃浓度的夹杂物的数量不满足本发明提出的范围。

就比较材料5和9而言，不仅氧化物系夹杂物的组成不满足本发明提出的范围，而且当量直径超过10μm的氧化物系夹杂物中的Al₂O₃浓度为35％以上的夹杂物数量也不满足本发明提出的范围。

就比较材料6和12而言，当量直径超过10μm的氧化物系夹杂物中的Al₂O₃浓度为50％以上的夹杂物数量也不满足本发明提出的范围。

就比较材料7和11而言，当量直径超过10μm的氧化物系夹杂物中的Al₂O₃浓度为35％以上的夹杂物数量超过了10。

并且，比较材料8不满足夹杂物的组成关系(式1)，因此表现出相对疲劳寿命较低。

图1和图2分别表示在发明材料6和比较材料10中观察通过电解提取分离法获得的夹杂物残渣的照片，图3和图4分别表示在发明材料10和比较材料4中观察到的最大尺寸的夹杂物。

Claims

1.一种疲劳特性优异的弹簧用钢，以重量％计，其由碳(C)：0.40～0.80％、硅(Si)：1.3～2.3％、锰(Mn)：0.10～1.00％、铬(Cr)：0.10～1.00％、余量的铁(Fe)以及其他不可避免的杂质组成，

在当量直径超过10μm的氧化物系夹杂物中，Al₂O₃浓度为35重量％以上的夹杂物数量为10个/g以下，Al₂O₃浓度为50重量％以上的夹杂物数量为2个/g以下，

氧化物系夹杂物的组成成分满足以下式1，

式1

CaO+SiO₂+MgO+ZrO₂≥95重量％。

2.根据权利要求1所述的疲劳特性优异的弹簧用钢，其中，以重量％计，所述氧化物系夹杂物包含：CaO：10～50％、SiO₂：20～80％、MgO：10％以下且包括0％、ZrO₂：10％以下且包括0％。

3.根据权利要求1所述的疲劳特性优异的弹簧用钢，其中，所述弹簧用钢还包括选自铜(Cu)：0.5％以下、镍(Ni)：1.0％以下、钼(Mo)：1.0％以下、铌(Nb)：0.1％以下、钛(Ti)：0.1％以下、钒(V)：0.5％以下以及硼(B)：0.005％以下中的一种以上。

4.一种疲劳特性优异的弹簧用钢的制造方法，其包括以下步骤：

对钢水进行脱氧，所述钢水以重量％计，由碳(C)：0.40～0.80％、硅(Si)：1.3～2.3％、锰(Mn)：0.10～1.00％、铬(Cr)：0.10～1.00％、余量的铁(Fe)以及其他不可避免的杂质组成；

使所述脱氧的钢水经过钢包精炼工艺和RH工艺的精炼步骤；

经过所述精炼步骤后，通过连铸工艺制造铸造材料；以及

对所述铸造材料进行再加热后进行热轧，以制造轧制材料，

脱氧后的所述钢水的CaO/SiO₂值为4.5～7.5。

5.根据权利要求4所述的疲劳特性优异的弹簧用钢的制造方法，其中，所述脱氧步骤是进行硅(Si)的单独脱氧。

6.根据权利要求4所述的疲劳特性优异的弹簧用钢的制造方法，其中，所述LF工艺过程中升温时间为25分钟以下，RH工艺过程中处理时间为25分钟以上。

7.根据权利要求4所述的疲劳特性优异的弹簧用钢的制造方法，其中，在所述精炼步骤后至连铸工艺之前，使用Ar气体进行密封处理。

8.根据权利要求4所述的疲劳特性优异的弹簧用钢的制造方法，其中，所述钢水还包括选自铜(Cu)：0.5％以下、镍(Ni)：1.0％以下、钼(Mo)：1.0％以下、铌(Nb)：0.1％以下、钛(Ti)：0.1％以下、钒(V)：0.5％以下以及硼(B)：0.005％以下中的一种以上。

9.根据权利要求4所述的疲劳特性优异的弹簧用钢的制造方法，其中，所述再加热在1000～1250℃的温度下进行，所述热轧在750～1100℃的温度下进行。