CN106978571A - 一种微合金化的第三代汽车用弹簧扁钢及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种微合金化的第三代汽车用弹簧扁钢及制备方法，其组分按重量百分比含量为：C 0.48~0.60%，Si 0.4~0.8%，Mn 0.60~1.00%，Cr 0.80％～1.20％，Nb 0.01％～0.05％，B 0.0005％～0.003％，P≤0.025%，S≤0.025%，Cu≤0.25%，Ni≤0.35%，Ti≤0.02%，其余为Fe；高炉铁水→铁水脱硫→转炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→方坯保护浇注→方坯加热→轧制→冷床缓冷→定尺剪切；本发明采用铌、硼微合金化，及更适宜弹簧钢高弹性极低脱碳趋势的硅含量，结合适当的洁净钢冶炼工艺、轧制工艺及缓冷控制技术，开发出组织均匀、良好淬透性、匹配合理的综合机械性，良好淬透性的高端汽车弹簧扁钢。

Description

一种微合金化的第三代汽车用弹簧扁钢及制备方法

技术领域

本发明涉及钢板弹簧，具体是一种微合金化的第三代汽车用弹簧扁钢及制备方法。

背景技术

随着汽车轻量化发展需求推动汽车用弹簧扁钢强度不断提高，需要一种高强度弹簧扁钢取代1500MPa以下级别普通弹簧扁钢的发展趋势越来越明显。此外，弹簧扁钢材料强度提高后，其韧性恶化导致其易发生断裂，影响车辆安全。同时淬透性变差，不利于变截面厚规格钢板弹簧的生产制造，无法满足重型载重商用车的发展需要。

弹簧作为减震系统最重要的弹性元件，广泛应用于汽车、铁路、航空、航海、国防等领域。由于服役环境的特殊性，要求弹簧钢具有较高的强度、良好韧性和优异的淬透性以及优良弹性减退抗力。随着科技的进步和制造水平的提高，各行业对弹簧性能提出了更高的要求，推动弹簧钢材料向着更高的强度不断发展。汽车制造一直是弹簧钢用量最大的行业，例如在日本，汽车、摩托车所用弹簧占其国内弹簧钢生产总量的64 .9％，每年需求量超过10万吨。

悬架弹簧是汽车底盘减振系统中的重要功能性零件，主要作用是吸收振动保证乘员的舒适性。20世纪80年代以来，节能、环保、安全已成为汽车设计的首要考虑因素，推动了汽车制造技术的进步，受此影响，汽车悬架弹簧发展趋势总体上向轻量化、高应力、高可靠度方向发展。弹簧的设计应力提高20％，其重量可减少约25％，从而降低车辆行驶过程中的油耗，达到节能减排的目的，但同时必须保持高疲劳寿命。

经检索，在所查公开发表文献中，有关于高匹配、强韧性、高淬透性第三代汽车用弹簧扁钢的报道如下：

中国专利申请号CN201510096873.1公开了一种耐候弹簧扁钢，按重量百分比计，其成分为：Si 0.30 ～0.40%、Mn 0.85～0.95%、C 0.54～0.62%、Cr 0.85～ 0.95%、B 0.001～0.004%、P≤0.025%、S≤0.020%、Ni≤0.25%、Cu≤0.25%、钢材中N≤0.0070%，余量为Fe ；生产该钢种的热处理制度如下：淬火温度/℃ 830 ～ 860，淬火介质：油，回火温度/℃ 470～ 530。该钢抗回火弹性较差，主要是其含硅量较低；同时，其强度较低，屈服强度均值为1340MPa，抗拉强度均值为1400 MPa，不适宜用于中型、重型系列卡车，不适合汽车轻量化发展。

中国专利申请号CN 01104026.2公开了一种高强度、高韧性弹簧钢，所述弹簧钢含有（重量%）：C 0.30～0.50％，Si 1.80～3.00％，Mn 0.40～0.80％，Cr 0.90～1.60％ ，Ni0～2.10％ ，Mo 0～0.40％，V 0.08～0.40％，Cu ≤0.25%，P≤0.020%，S≤0.020%，其余是铁和其他不可避免的杂质。经热处理后其机械性能可达到屈服强度≥1750MPa，抗拉强度≥1950 MPa，A≥9%，Z≥30%。该发明钢含有较高的Si成分，虽能保证较强的抗弹减性，但氧化脱碳倾向非常大，且含有较多价格昂贵的V合金元素，成本较高。

中国专利申请号CN 201610265672 .4公开了一种高强度耐蚀弹簧钢及其制造方法，其化学元素质量百分比为：C：0 .50-0 .65％；Si：1 .35-2 .20％；Mn：0 .55-1 .55％；Cr：0 .60-1 .70％；Ni：0 .20-1 .2％；Cu：0 .20-1 .0％；V：0 .05-0 .20％；Nb：0 .01-0.15％；Al：0 .001-0 .020％；N：0 .002-0 .008％；O：0 .0007-0 .006％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。相应地，本发明还提供了该高强度耐蚀弹簧钢的制造方法。本发明所述的高强度耐蚀弹簧钢的抗拉强度可以达到2000MPa以上，由于该钢含有的化学成分复杂多样，增加了冶炼过程中成分命中率和夹杂物控制难度，合格率较低导致成本较高，市场接受度极低。

中国专利申请号CN 200510018800.7公开了高强韧性高淬透性弹簧扁钢，其特征在于：其化学成分为（重量百分比）：C 0.48 ～ 0.55%、Si 0.17 ～0.37%、Mn 0.70 ～1.00%、Cr 0.80 ～ 1.10%、B 0.001 ～ 0.004%、Ni ≤ 0.35%、Cu ≤ 0.25%、P ≤ 0.03%、S≤ 0.03%，其余为Fe。本发明的目的旨在提出一种强韧性与50CrVA相当，淬透性与60CrMnBA相当，且价格经济的高强韧性高淬透性弹簧钢材料。该钢因其含Si量较低抗回火弹性较差，同时，该钢强度级别及淬透性方面均无法满足高端用户要求。

发明内容

本发明提供一种微合金化的第三代汽车用弹簧扁钢汽车用弹簧扁钢及其制备方法，旨在得到低成本、微合金化、综合机械性能匹配合理的高淬透性的弹簧扁钢材料，可满足汽车行业发展要求。

为此本发明的技术方案为，一种微合金化的第三代汽车用弹簧扁钢，其组分按重量百分比含量为：C 0.48~0.60%，Si 0.4~0.8%，Mn 0.60~1.00%，Cr 0.80％～1.20％，Nb0.01％～0.05％，B 0.0005％～0.003％，P≤0.025%，S≤0.025%，Cu≤0.25%，Ni≤0.35%，Ti≤0.02%，其余为Fe。

一种微合金化的第三代汽车用弹簧扁钢的制备方法，工艺流程包括高炉铁水，其特征在于：高炉铁水→铁水脱硫→转炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→方坯保护浇注→方坯加热→轧制→冷床缓冷→定尺剪切；

其详细步骤为：

首先采用喷镁粉脱硫工艺，因为会造成回S的状况，所以控制出站铁水硫含量S≤0.005%；

其次为：转炉采用顶-底复合吹炼，终点采用高拉补吹工艺，补吹次数≤2次，终渣碱度≥2.5，转炉终点C控制目标≥0.06～0.35%；转炉初炼时钢水温度1620～1690℃，初炼时间20～60℃；

第三：LF精炼，精炼温度1520～1600℃，精炼时间≥25min，精炼过程全程吹氩；

第四：RH真空处理，真空度≤100Pa，处理时间不低于15min；

第五：方坯保护浇注，保护连铸，采用结晶器浸入式水口保护浇注，中包保护渣采用碱性保护渣；铸坯拉速应与钢水温度匹配，拉速控制不小于1.0m/min；

最后：连铸钢坯采用常规热连轧或半连轧生产线轧制成弹簧扁钢，弹簧扁钢材料经800～910℃油液淬火，保温25～60分钟，然后400～450℃回火，保温25～50分钟。

有益效果：

本发明采用铌、硼微合金化，及更适宜弹簧钢高弹性极低脱碳趋势的硅含量，结合适当的洁净钢冶炼工艺、轧制工艺及缓冷控制技术，开发出组织均匀、良好淬透性、匹配合理的综合机械性，良好淬透性的高端汽车弹簧扁钢。

本发明得到的弹簧钢扁钢强度指标屈服强度Rel≥1350Mpa，抗拉强度Rm≥1550Mpa,而韧性指标又达到断后伸长率A≥7%，断面收缩率Z≥30％的综合机械性能较高；同时该材料还具备良好的淬透性及淬硬性，其端淬指标达。

该生产工艺较为简单，在现有的生产条件下，不必对生产设备和工艺流程进行较大改动即可进行工艺生产。相比现有高强高韧性弹簧扁钢，只是添加了少量的Nb、B（总含量＜0.05%）微合金元素及适当的Si含量来提高强韧性和淬透性，实现相对低成本、微合金化、综合机械性能匹配合理的第三代弹簧扁钢。

具体实施方式

本发明一种微合金化的第三代汽车用弹簧扁钢，其组分按重量百分比含量为：C0.48~0.60%，Si 0.4~0.8%，Mn 0.60~1.00%，Cr 0.80％～1.20％，Nb 0.01％～0.05％，B0.0005％～0.003％，P≤0.025%，S≤0.025%，Cu≤0.25%，Ni≤0.35%，Ti≤0.02%，其余为Fe。

按照以下步骤生产：高炉铁水→铁水脱硫→转炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→方坯保护浇注→方坯加热→轧制→冷床缓冷→定尺剪切。

（1）、铁水脱硫；

（2）、转炉冶炼；

（3）、LF精炼；

（4）、RH真空处理；

（5）、方坯保护浇注；

（6）、方坯加热；

（7）、轧制；

（8）、冷床缓冷；

（9）、定尺剪切；

（10）、热处理：800～910℃油液淬火，保温25～60分钟，然后400～450℃回火，保温25～50分钟。

经上述生产过程处理后，该材料的性能指标为：屈服强度Rel≥1350Mpa，抗拉强度Rm≥1550 Mpa,而韧性指标又达到断后伸长率A≥7%，断面收缩率Z≥30％，材料的端淬指标过。

以下对本发明钢中各元素作用及其生产方法进行分析说明：

C：C是决定钢强度的主要元素，随着C含量的增加钢的强度、硬度增加而塑性和韧性下降，C 含量若低于0.50%，则很难保证弹簧钢的强度，另一方面C 含量若高于0.64%，铸坯加热过程中脱碳严重，还会恶化钢的焊接性能和韧性。因此，将C含量控制在0.48~0.60%。所述C含量优选为0.50~0.55%。

Si：Si是保证弹簧钢弹性的最主要贡献元素，具有明显的固溶强化作用，它不形成碳化物，基本上以固溶状态存在于钢中，在常用合金元素中硅的固溶强化作用最强。能提高钢的强度，也是炼钢的脱氧元素，但含量不宜过高，以免降低钢的韧性和塑性，并导致碳的活性增加，从而增加钢的脱碳和石墨化倾向，并易形成C类硅酸盐夹杂物而恶化钢的疲劳性能。故控制在0.4~0.8%。所述Si含量优选为0.5~0.7%。

Mn：Mn是平衡状态图中奥氏体区扩大的元素，能有效抑制铁素体脱碳。也是良好的脱氧剂和脱硫剂，主要溶于铁素体中提高钢的强度，可改善钢的加工性能和提高弹簧钢的淬透性。但含量不宜过高，以免使得钢的晶粒粗大，导致韧性明显下降。故控制在0.6~1.0%。所述Mn含量优选为0.8~1.0%。

S：S是钢中有害元素，是强烈的裂纹敏感性元素，对焊接性能和耐腐蚀性能均有不利影响，一般是其含量越低越好，考虑到炼钢实际控制情况，会造成回S的状况，故S控制在≤0.015%。

Cr：Cr 能显著提高钢的淬透性和回火阻抗性, 可以细化珠光体片间距，从而细化组织，提高强度。Cr还可以提高碳扩散的激活能即降低碳的活度，减轻钢的脱碳和石墨化倾向，提高韧性和耐磨性，但含量过高时，易形成大量铬的碳化物，恶化钢的抗弹减性和韧性，同时会降低腐蚀坑底部的PH值使得腐蚀坑的深宽比增加（坑形状变锐利）而导致腐蚀耐久性降低。故控制在0.8~1.20%。所述Cr含量优选为0.90~1.1%。

Nb：Nb是强碳化物形成元素，与C元素有很强的亲和力，当它们生成细小弥散的NbC时可产生强烈的沉淀强化效果，并能细化晶粒，提高钢的硬度、强度，改善韧性及回火稳定性，产生二次硬化效应。并且Nb元素可以抑制弹簧钢氧化脱碳，改善其脱碳敏感性。但当Nb含量过多时，析出的第二相粒子明显变粗，上述作用反而会减弱，故含量控制在0.01~0.05%。所述Nb含量优选为0.012~0.025%。

B：B作为表面活性元素，吸附在奥氏体晶界上，延缓γ→α转变的作用，从而提升钢材的淬透性，当B含量低于0.0005%时提升钢材淬透性的作用甚小，高于0.003则会使钢中产生的硼相（Fe₃（CB）、Fe₃（CB）₆、Fe2B）沿奥氏体晶界析出，产生热脆现象，故控制在0.0005％～0.003％，所述B含量优选为0.001~0.003%。

Cu：Cu在电化学上离子化倾向高于铁的金属元素，具有提高钢的耐腐蚀性的作用。而且Cu会使在腐蚀中产生的锈的无定形组成增大，具有抑制作为腐蚀原因之一的CI在腐蚀坑底部凝缩的作用。但是，Cu过量则会提高热轧开裂的几率，故含量控制在0.12~0.05%。所述Cu含量优选为0.15~0.04%。

P：P一般认为是有害元素，主要是因其在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使得钢的韧性降低而脆性增加，热处理时增加回火脆性，致使钢在冷加工时容易脆裂也即所谓“冷脆”现象。但是，作为微量合金元素加入低合金钢中，能提高强度和耐腐蚀性能，所以控制P含量控制在0.005~0.009%。所述P含量优选为0.006~0.008%。

S：钢中不可避免的存在Ｓ，Ｓ与Mn形成MnS夹杂并且在晶界存在一定的偏聚，这样会恶化钢的韧性和抗疲劳性，因此一般认为S是有害元素，应当尽量降低钢中的S含量。另外一方面，钢液在凝固过程中析出的二次氧化物大多为低熔点的相CaO-Al2O3-SiO2，而钢液中始终存在有纯态的Al2O3杂质，这种纯态的Al2O3杂质也影响弹簧钢的疲劳性能。但是由于MnS为塑性夹杂，对这种纯态的Al2O3有一定的包裹作用，从而减少脆性夹杂对弹簧钢体的破坏，所以可以通过适当地提高钢中的S含量从而较好地提高弹簧钢的抗疲劳性能。因此，对S的控制是本发明的关键因素之一。

Ni：Ni是提高冲击韧性的非常重要的元素，能提高硬化能，使大型材料的热处理变得更容易，防止低温脆性，改善耐腐蚀性。添加少量时，能大幅度提高钢的韧性，但大量添加时不但成本过高，而且容易形成残余奥氏体，引起脆化。

Claims (10)

1.一种微合金化的第三代汽车用弹簧扁钢，其组分按重量百分比含量为：C 0.48~0.60%，Si 0.4~0.8%，Mn 0.60~1.00%，Cr 0.80％～1.20％，Nb 0.01％～0.05％，B0.0005％～0.003％，P≤0.025%，S≤0.025%，Cu≤0.25%，Ni≤0.35%，Ti≤0.02%，其余为Fe。

2.根据权利要求1所述的一种微合金化的第三代汽车用弹簧扁钢，其特征在于：C含量为0.50~0.55%。

3.根据权利要求1所述的一种微合金化的第三代汽车用弹簧扁钢，其特征在于：所述Si含量为0.5~0.7%。

4.根据权利要求1所述的一种微合金化的第三代汽车用弹簧扁钢，其特征在于：所述Mn含量为0.8~1.0%。

5.根据权利要求1所述的一种微合金化的第三代汽车用弹簧扁钢，其特征在于：所述Cr含量为0.90~1.1%。

6.根据权利要求1所述的一种微合金化的第三代汽车用弹簧扁钢，其特征在于：所述Nb含量为0.012~0.025%。

7.根据权利要求1所述的一种微合金化的第三代汽车用弹簧扁钢，其特征在于：所述B含量为0.001~0.003%。

8.根据权利要求1所述的一种微合金化的第三代汽车用弹簧扁钢，其特征在于：所述Cu含量为0.15~0.04%。

9.根据权利要求1所述的一种微合金化的第三代汽车用弹簧扁钢，其特征在于：所述P含量为0.006~0.008%。

10.一种微合金化的第三代汽车用弹簧扁钢的制备方法，工艺流程包括高炉铁水，其特征在于：高炉铁水→铁水脱硫→转炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→方坯保护浇注→方坯加热→轧制→冷床缓冷→定尺剪切；

其详细步骤为：

首先采用喷镁粉脱硫工艺，控制出站铁水硫含量S≤0.005%；

其次为：转炉采用顶-底复合吹炼，终点采用高拉补吹工艺，补吹次数≤2次，终渣碱度≥2.5，转炉终点C控制目标≥0.06～0.35%；转炉初炼时钢水温度1620～1690℃，初炼时间20～60℃；

第三：LF精炼，精炼温度1520～1600℃，精炼时间≥25min，精炼过程全程吹氩；

第四：RH真空处理，真空度≤100Pa，处理时间不低于15min；

第五：方坯保护浇注，保护连铸，采用结晶器浸入式水口保护浇注，中包保护渣采用碱性保护渣；铸坯拉速应与钢水温度匹配，拉速控制不小于1.0m/min；

最后：连铸钢坯采用常规热连轧或半连轧生产线轧制成弹簧扁钢，弹簧扁钢材料经800～910℃油液淬火，保温25～60分钟，然后400～450℃回火，保温25～50分钟。