CN107177782B - 一种耐腐蚀弹簧钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种耐腐蚀弹簧钢，其组分及重量百分比含量为：C 0.50～0.64％，Si1.5～2.0％，Mn 0.70～1.00％，P 0.05～0.09％，S≤0.015％，Cr 0.75～1.10％，Cu 0.12～0.50％，Nb 0.01～0.05％，其余为Fe和杂质元素。本发明通过添加少量P、Cr、Cu、Nb等元素对弹簧钢的组成进行微合金化，并对生产工艺进行简单优化，所得弹簧钢具有优异的力学性能和耐蚀性能，可有效避免弹簧钢涂层容易脱落，造成腐蚀速率加速的缺点；且涉及的原料成本低，生产工艺简单，无需对生产设备和工艺流程较大改动，适合推广应用。

Description

一种耐腐蚀弹簧钢及其制备方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金生产领域，具体涉及一种耐腐蚀弹簧钢及其制备方法。

背景技术

汽车用钢板弹簧(板簧)的制作材料为弹簧扁钢。随着我国重型汽车工业的发展，对汽车用板簧的需求有了更高的要求。目前汽车用板簧及弹扁的主要牌号为60Si2Mn、50CrVA、50CrV4、SUP9等，不具有耐候性能。为了防止大气的锈蚀，用这些牌号的弹扁制作的板簧或板簧总成必须要刷漆或镀镍等表面处理，以防止生锈。

随着汽车轻量化发展需求推动汽车用弹簧材料强度不断提高，高强度弹簧钢取代低强度级别弹簧钢的发展是必然趋势。此外，弹簧材料强度提高后，其在潮湿环境中(含Cl-离子)其极易发生腐蚀断裂，影响车辆安全。因此，本发明旨在提供一种抗拉强度达到1500MPa以上，同时具有良好抗腐蚀断裂性能的汽车弹簧用材料及其制备方法，可满足汽车行业发展要求。

经检索，在所查公开发表文献中，有关于耐腐蚀弹簧钢及其生产或制造方法的报道中：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％、Cr0.85～0.95％、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1400MPa，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 201511033571.6公开了一种耐腐蚀弹簧钢及热处理工艺，该弹簧钢由以下成分及重量百分比组成：C 0.400～0.600％、Si 1.650～2.400％、Mn 0.210～0.750％、Cu 0.050～0.100％、Cr 0.750～3.700％、B 0.008～0.010％、Mo 0.002～0.500％、Nb 0.005～0.200％、Ta0.005～0.2000％、Re 0.050～1.00％，余量为Fe及不可避免的杂质。此弹簧钢制成的弹簧寿命可延长20-30％。本发明热处理工艺采取双介质淬火避免了单纯在水中淬火工件易变形开裂、单纯在油中淬火工件不易淬透的两大缺点，保证工件具有较好的机械性能。该钢所含有的RE具有脱氧脱硫和对非金属夹杂物变形处理的作用，小于0.005％起不到上述作用，但含量超过0.10％，则由于夹杂物量增加，反而恶化钢的韧性和抗疲劳性能。

中国专利申请号CN 201610683063.0公开了一种高强度耐腐蚀弹簧钢及其加工工艺，涉及弹簧钢及其表面处理技术领域，所述高强度耐腐蚀弹簧钢由以下重量份的物质组成：碳0.2～0.7％，锰0.8～1.6％，硅0.45～1.3％，锆4.28～4.98％，钼0.31～0.45％，硼0.0031～0.0049％，钨0.05～0.2％，铌0.005～0.008％，钛0～0.018％，稀土金属0.05～0.18％，氮0.002～0.005％，硫<0.002％，磷<0.002％，其余为铁，本发明通过合理调节各元素的比例，改善了弹簧的加工性能，使弹簧的强度提高了10-12％、寿命提高了12倍。该发明钢成分复杂多样，生产控制难度大，且含有较多贵重的合金元素，成本不会低。

中国专利申请号CN201410800850.X公开了一种耐腐蚀的不锈钢弹簧钢，所述的耐腐蚀的不锈钢弹簧钢包括最上层的高速钢层、中间层的增稠剂和最下层的低合金高强度弹簧钢层组合而成，所述高速钢层为钒高速钢，所述低合金高强度弹簧钢层为镀镍弹簧钢，所述的高速钢层占耐腐蚀的不锈钢弹簧钢总体分量的57％-62％。由于该钢含有较多较贵重的V、Ni合金元素，生产成本极其高昂，市场接受度极低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种耐腐蚀弹簧钢，它具有优异的力学性能能和耐蚀性能，且涉及的制备方法简单、成本低，适合推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种耐腐蚀弹簧钢，各组分及其所占质量百分比含量为：C 0.50～0.64％，Si 1.5～2.0％，Mn 0.70～1.00％，P 0.05～0.09％，S≤0.015％，Cr 0.75～1.10％，Cu 0.12～0.50％，Nb 0.01～0.05％，其余为Fe和杂质元素。

上述一种耐腐蚀弹簧钢的制备方法，依次包括高炉铁水、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、冷床缓冷步骤，具体步骤如下：

1)高炉铁水：炼钢炉中装料，进行熔炼得高炉铁水；

2)铁水脱硫：采用喷镁粉脱硫工艺，控制出站铁水硫含量[S]≤0.005％，罐内脱硫渣要扒干净；

3)转炉顶底吹炼：废钢装入量占总装入量的10～15％；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控制目标为0.06～0.35％；出钢温度≥1650℃；出钢时间3～9min，挡渣出钢，钢包渣层厚度≤100mm(目标)；脱氧(脱氧剂采用硅铁)及合金化：出钢1/4～5/12时，随钢流加入合金材料和增碳剂；钢水出至2/3～4/5时合金、增碳剂必须全部加入，C、Si、Mn、P、Cr、Cu、Nb成分按内控范围的中限控制；

4)LF精炼：根据渣况适当加入活性石灰、萤石，调整炉渣的成分，碱度≤3.0；采用硅合金材料脱氧；精炼时间≥25min，精炼过程全程吹氩；调好成分后，严禁大氩量搅拌使钢水裸露；

5)RH真空处理：真空度≤100Pa，处理时间不低于15min，确保钢中气体含量较低；

6)连铸：采用大罐长水口和结晶器浸入式水口保护浇注，浸入深度100～200mm；中包保护渣采用碱性保护渣；中包钢水过热度20～30℃；二冷水采用soft2#水表配水弱冷；铸坯拉速应与钢水温度匹配，拉速控制目标为1.0～2.5m/min；

7)钢坯加热、轧制、冷床缓冷：钢坯加热均热段温度：1100～1200℃，加热时间≥100min，不得过热、过烧；开轧温度：1050～1100℃，终轧温度≤1050℃；经平立交替的短应力高刚度轧机多道次轧制后，一般轧制道次不少于12道，将缓冷盖板放下呈一定倾斜角，倾斜角范围5～90°，钢材在步进齿条式冷床上缓慢冷却，严禁对终轧后的弹簧钢淋水；采用控温轧制和冷床盖板缓冷角度的精确实施，可大幅减低含铜钢裂纹几率。

上述方案中，步骤3)中所述合金材料为硅铁、硅锰、高碳铬铁、铜板和铌铁；增碳剂为碳粉。

上述方案中，步骤1)中炼钢炉装料时加入脱磷剂，可增加熔池处于低温区时渣中(CaO)和(FeO)的含量，促使炼钢炉在碳激烈氧化之前的低温阶段完成脱磷任务，确保后期实现高碳低氧出钢。

上述方案中，所述脱磷剂可选用石灰等；其添加量为2.1～5.6kg/t_钢。

上述方案中，所述连铸步骤中，采用中间包感应加热和电弧加热技术，可实现低过热度连铸过程，保证铸坯偏析较小，有利于钢材成分和组织的均匀性，减少组织内应力提升钢材耐腐蚀性能。

以下对本发明钢中各元素作用及其控制条件进行分析说明：

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0.50～0.64wt％，优选为0.52～0.62wt％。

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Si含量控制在1.5～2.0wt％，优选为1.6～1.8wt％。

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Mn含量控制在0.7～1.0wt％，优选为0.75～0.95wt％。

S：S是钢中有害元素，是强烈的裂纹敏感性元素，对弹簧钢耐腐蚀性能有不利影响，一般是其含量越低越好，考虑到炼钢实际控制情况，故S控制在≤0.015wt％。

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Cr含量控制在0.75～1.10wt％，优选为0.80～1.00wt％。

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Nb含量控制在0.01～0.05wt％，优选为0.02～0.04wt％。

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Cl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Cu含量控制在0.12～0.05wt％。

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；本申请将P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P含量控制在0.05～0.09wt％，优选为0.06～0.08wt％。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明通过添加少量的P、Cr、Cu、Nb对弹簧钢组成进行微合金化，所得弹簧钢具有优异的力学性能和耐蚀性能，可有效避免弹簧钢涂层容易脱落，造成腐蚀速率加速的缺点，且涉及的原料成本低，适合推广应用。

2)本申请采用高碳出钢、延长真空处理、控制低过热度和精确缓冷等工艺对弹簧钢制备工艺进行改进与调整，有利于提升所得弹簧钢的力学性能和耐蚀性能，且涉及的生产工艺简单，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。

附图说明

图1为本发明实施例1所述耐腐蚀弹簧钢的生产工艺流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1～10

实施例1～10中所述耐腐蚀弹簧钢的制备方法包括依次包括高炉铁水、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、冷床缓冷步骤，各实施例中的组成特征及采用的工艺参数分别见表1和表2，具体控制条件如下：

1)高炉铁水：炼钢炉中装料，进行熔炼得高炉铁水；

2)铁水脱硫：采用喷镁粉脱硫工艺，控制出站铁水硫含量[S]≤0.005％，罐内脱硫渣要扒干净；

3)转炉顶底吹炼：废钢装入量占总装入量的10～15％；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％；出钢温度≥1650℃；出钢时间3～9min，挡渣出钢，钢包渣层厚度≤100mm(目标)；脱氧及合金化：出钢1/3左右时，随钢流加入合金材料(硅铁、硅锰、高碳铬铁、铜板和铌铁)和增碳剂；钢水出至2/3时合金、增碳剂必须全部加入，C、Si、Mn、P、Cr、Cu、Nb按成分范围的中限控制；

4)LF精炼：根据渣况适当加入活性石灰、萤石，调整炉渣的成分，碱度≤3.0；采用硅合金材料脱氧；精炼时间≥25min，精炼过程全程吹氩；调好成分后，严禁大氩量搅拌使钢水裸露；

5)RH真空处理：真空度≤100Pa，处理时间不低于15min；

6)保护连铸：采用大罐长水口和结晶器浸入式水口保护浇注，浸入深度100～200mm；中包保护渣采用碱性保护渣；中包钢水过热度目标：20～30℃；二冷水采用soft2#水表配水弱冷；铸坯拉速应与钢水温度匹配，拉速控制目标为1.0～2.5m/min；

7)钢坯加热、轧制、冷床缓冷：钢坯加热均热段温度：1100～1200℃，加热时间≥100min，不得过热、过烧；开轧温度：1050～1100℃，终轧温度≤1050℃；经平立交替的短应力高刚度轧机多道次轧制后，一般轧制道次不少于12道，将缓冷盖板放下呈一定倾斜角，倾斜角范围5～90°，钢材在步进齿条式冷床上缓慢冷却，严禁对终轧后的弹簧钢淋水，即得所述耐腐蚀弹簧钢，在进行定尺剪切、打捆收集即得耐腐蚀弹簧钢产品。

本发明实施例1～10所述耐腐蚀弹簧钢与对比例1～3所述弹簧钢的组分特征见表1，采用的主要工艺参数见表2，其中实施例10所述制备工艺步骤1)中，在120t炼钢炉装料时加入480Kg的脱磷剂石灰。

表1本发明实施例1～10和对比例1～3所述弹簧钢的组分取值列表(wt％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Cr	Cu	Nb
									1	0.50	1.50	0.70	0.050	0.005	0.75	0.12	0.010
2	0.52	1.55	0.73	0.055	0.006	0.77	0.15	0.013
									3	0.54	1.60	0.75	0.060	0.008	0.80	0.20	0.015
4	0.55	1.65	0.80	0.065	0.010	0.85	0.25	0.020
									5	0.57	1.70	0.82	0.070	0.011	0.90	0.30	0.025
6	0.58	1.75	0.85	0.075	0.010	0.95	0.35	0.030
									7	0.60	1.80	0.90	0.080	0.012	1.00	0.40	0.035
8	0.62	1.85	0.92	0.085	0.013	1.02	0.45	0.040
									9	0.63	1.90	0.95	0.090	0.014	1.05	0.48	0.045
10	0.64	2.00	1.00	0.090	0.015	1.10	0.50	0.050
									对比例1	0.50	1.50	0.70	0.012	0.005	0.10	0.02	/
对比例2	0.58	1.75	0.85	0.040	0.010	0.50	0.10	0.009
									对比例3	0.64	2.00	1.00	0.060	0.015	0.80	0.20	0.025

表2本发明实施例1～10和对比例1～3所述弹簧钢采用的主要工艺参数列表

对上述实施例1～10和对比例1～3所得成分钢分别进行拉伸试验及周浸试验，其中拉伸试验按照GB/T 228.1进行；周浸实验中，实验溶液为3wt％的NaCl水溶液，实验温度45±2℃，相对湿度70±5％，周浸轮转速1圈/60分钟，腐蚀时间分别为200小时(腐蚀率1)和400小时(腐蚀率2)。各实施例所得产物的力学性能和腐蚀实验结果见表3。

表3本发明各实施例所得弹簧钢的力学性能和耐腐蚀实验结果情况列表

上述结果表明，本发明通过添加少量的P、Cr、Cu、Nb元素，对弹簧钢组成进行微合金化，并对制备工艺进行简单优化，所得弹簧钢具有优异的力学性能和耐蚀性能，涉及的原料和制备成本低，具有重要的工业推广价值。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。以上实施例仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原料前提下，所作出的若干改进，也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种耐腐蚀弹簧钢，各组分及其所占质量百分比含量为：C 0.50~0.64%，Si 1.5~2.0%，Mn 0.70~1.00%，P 0.05～0.09％，S≤0.015%，Cr 0.75~1.10%，Cu 0.12～0.50％，Nb0.01~0.05%，其余为Fe和杂质元素；其制备方法依次包括高炉铁水、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、冷床缓冷步骤，具体步骤如下：

1）高炉铁水：炼钢炉中装料，进行熔炼得高炉铁水；

2）铁水脱硫：采用喷镁粉脱硫工艺，控制出站铁水硫含量[S]≤0.005wt%；

3）转炉顶底吹炼：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控制目标为0.06～0.35wt%；出钢温度≥1650℃；出钢时间3～9min，挡渣出钢，钢包渣层厚度≤100mm；脱氧及合金化：出钢1/4~5/12时，随钢流加入合金材料和增碳剂；钢水出至2/3~4/5时合金、增碳剂必须全部加入，C、Si、Mn、P、Cr、Cu、Nb按成分范围的中限控制；

4）LF精炼：调整炉渣碱度≤3.0；采用硅合金材料进行脱氧；精炼时间≥25min，精炼过程全程吹氩；

5）RH真空处理：真空度≤100Pa，处理时间不低于15min；

6）连铸：采用大罐长水口和结晶器浸入式水口保护浇注，浸入深度100～200mm；中包保护渣采用碱性保护渣；中包钢水过热度目标20～30℃，过热度内控值小于25℃；弱冷；拉速控制目标为1.0～2.5m/min；

7）钢坯加热、轧制、冷床缓冷：钢坯加热均热段温度：1100～1200℃，加热时间≥100min；开轧温度：1050～1100℃，终轧温度≤1050℃；轧制道次不少于12道；将缓冷盖板放下呈一定倾斜角，倾斜角范围5～90°。

2.根据权利要求1所述的耐腐蚀弹簧钢，其特征在于，所述Cr的重量百分比含量为0.80~1.00%。

3.根据权利要求1所述的耐腐蚀弹簧钢，其特征在于，所述Nb的重量百分比含量为0.02~0.04%。

4.根据权利要求1所述的耐腐蚀弹簧钢，其特征在于，所述P的重量百分比含量为0.06~0.08%。

5.权利要求1~4任一项所述耐腐蚀弹簧钢的制备方法，其特征在于，依次包括高炉铁水、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、冷床缓冷步骤，具体步骤如下：

1）高炉铁水：炼钢炉中装料，进行熔炼得高炉铁水；

2）铁水脱硫：采用喷镁粉脱硫工艺，控制出站铁水硫含量[S]≤0.005wt%；

3）转炉顶底吹炼：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控制目标为0.06～0.35wt%；出钢温度≥1650℃；出钢时间3～9min，挡渣出钢，钢包渣层厚度≤100mm；脱氧及合金化：出钢1/4~5/12时，随钢流加入合金材料和增碳剂；钢水出至2/3~4/5时合金、增碳剂必须全部加入，C、Si、Mn、P、Cr、Cu、Nb按成分范围的中限控制；

4）LF精炼：调整炉渣碱度≤3.0；采用硅合金材料进行脱氧；精炼时间≥25min，精炼过程全程吹氩；

5）RH真空处理：真空度≤100Pa，处理时间不低于15min；

6）连铸：采用大罐长水口和结晶器浸入式水口保护浇注，浸入深度100～200mm；中包保护渣采用碱性保护渣；中包钢水过热度目标20～30℃，过热度内控值小于25℃；弱冷；拉速控制目标为1.0～2.5m/min；

7）钢坯加热、轧制、冷床缓冷：钢坯加热均热段温度：1100～1200℃，加热时间≥100min；开轧温度：1050～1100℃，终轧温度≤1050℃；轧制道次不少于12道；将缓冷盖板放下呈一定倾斜角，倾斜角范围5～90°。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中所述合金材料为硅铁、硅锰、高碳铬铁、铜板和铌铁；增碳剂为碳粉。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中炼钢炉装料时加入脱磷剂。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述连铸步骤中，采用中间包感应加热或电弧加热技术。