CN107299294B - 具有优异的耐腐蚀性的高强度弹簧钢 - Google Patents

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Abstract

本文公开了在拉伸强度和疲劳寿命方面改善的钢组合物，其能够用于车辆部件例如车辆悬挂系统。

Description

具有优异的耐腐蚀性的高强度弹簧钢
技术领域
本发明涉及一种具有大幅改善的强度和耐磨性的钢组合物。此外，该钢组合物可适于用在车辆悬挂系统中，在拉伸强度和疲劳寿命方面具有大幅的改善。
背景技术
弹簧钢已被广泛用于弹簧制造，主要是在车辆和工业悬挂应用中。对于在汽车悬挂系统中的应用，需要弹簧钢表现出高的疲劳强度。
近来，对于以减少废气排放并改善燃料效率为目的的车辆而言，已经需要重量减轻和大功率。因此，可用于发动机或汽车悬挂系统的盘簧的设计已被投入到改善应力抗性(stress resistance)中。
具体而言，用于车辆悬挂系统中的盘簧需要具有优异的强度，因为这些部件持续地承受负荷。进一步地，应当充分地考虑耐腐蚀性，因为它们暴露于外部环境。
这种用于汽车悬挂系统的盘簧通常由弹簧钢制造，所述弹簧钢主要包括碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)和铬(Cr)并具有大约1900Mpa的拉伸强度。而且，对夹杂物控制技术已经进行了研究，其中对合金元素的种类和含量进行了控制以改善疲劳寿命。
前述内容仅旨在帮助理解本发明的背景，不意味着本发明落入本领域技术人员已知的现有技术的范围内。
具体实施方式
在优选的方面，本发明提供了一种高强度弹簧，其特征在于通过优化钼(Mo)、镍(Ni)、钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)、钴(Co)、锆(Zr)和钇(Y)的含量而具有改善的拉伸强度，并通过控制在其中形成的夹杂物而具有在腐蚀环境下改善的疲劳强度。
在本发明的一个方面，提供了一种弹簧钢或其钢组合物，其可以适用于车辆部件中，例如车辆悬挂系统中的盘簧钢。除非下文另外指明，该钢或钢组合物可以被用作能用于车辆的具有大幅改善的强度的弹簧钢。
钢组合物可以包括：含量为大约0.4-0.9wt％的碳(C)；含量为大约1.3-2.3wt％的硅(Si)；含量为大约0.5-1.2wt％的锰(Mn)；含量为大约0.6-1.2wt％的铬(Cr)；含量为大约0.1-0.5wt％的钼(Mo)；含量为大约0.05-0.8wt％的镍(Ni)；含量为大约0.05-0.5wt％的钒(V)；含量为大约0.05-0.5wt％的铌(Nb)；含量为大约0.05-0.3wt％的钛(Ti)；含量为大约0.01-3wt％的钴(Co)；含量为大约0.001-0.2wt％的锆(Zr)；含量为大约0.01-1.5wt％的钇(Y)；含量为大约0.3wt％或更少但大于0wt％的铜(Cu)；含量为大约0.3wt％或更少但大于0wt％的铝(Al)；含量为大约0.03wt％或更少但大于0wt％的氮(N)；含量为大约0.003wt％或更少但大于0wt％的氧(O)；构成所述钢组合物的余量的铁(Fe)。除非本文另有指示，所有wt％均基于钢组合物的总重量。
进一步提供了一种钢或其组合物，其可以由本文所述的组分组成或者基本上由本文所述的组分组成。例如，该钢组合物可以由以下组分组成或者基本上由以下组分组成：含量为大约0.4-0.9wt％的碳(C)；含量为大约1.3-2.3wt％的硅(Si)；含量为大约0.5-1.2wt％的锰(Mn)；含量为大约0.6-1.2wt％的铬(Cr)；含量为大约0.1-0.5wt％的钼(Mo)；含量为大约0.05-0.8wt％的镍(Ni)；含量为大约0.05-0.5wt％的钒(V)；含量为大约0.05-0.5wt％的铌(Nb)；含量为大约0.05-0.3wt％的钛(Ti)；含量为大约0.01-3wt％的钴(Co)；含量为大约0.001-0.2wt％的锆(Zr)；含量为大约0.01-1.5wt％的钇(Y)；含量为大约0.3wt％或更少但大于0wt％的铜(Cu)；含量为大约0.3wt％或更少但大于0wt％的铝(Al)；含量为大约0.03wt％或更少但大于0wt％的氮(N)；含量为大约0.003wt％或更少但大于0wt％的氧(O)；构成钢组合物余量的铁(Fe)。
在一些实施方式中，钢适当地可具有大约2100Mpa或更高的拉伸强度。
在一些实施方式中，钢适当地可具有大约700HV的硬度。
在一些实施方式中，钢适当地可具有大约15μm或更小的蚀坑深度。
在一些实施方式中，钢适当地可具有通过弯曲疲劳试验测量为大约280,000个循环或更长的疲劳寿命。
在一些实施方式中，钢适当地可具有通过单一腐蚀疲劳寿命试验测量为大约28,000个循环或更长的疲劳寿命。
在一些实施方式中，钢适当地可具有通过复合腐蚀疲劳试验测量为大约400,000个循环或更长的疲劳寿命。
在另一方面，本发明可以提供一种车辆部件。示例性的车辆部件可以包括用在车辆中的悬挂系统中的弹簧钢。
发明的其他方面在下文公开。
附图说明
本发明的以上和其他目的、特征和优点将从以下与附图相结合的详细说明中被更清楚地理解，其中：
图1是示出根据本发明的示例性实施方式的示例性钢基于温度变化的相变图；和
图2是示出对于根据本发明的示例性实施方式的示例性钢而言基于温度变化变为渗碳体的相变图。
具体实施方式
本文使用的术语仅仅是为了说明具体实施方式，而不是意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个、一种、该(a、an、the)”也意在包括复数形式，除非上下文中另外清楚指明。还应当理解的是，在说明书中使用的术语“包括(comprises和/或comprising)”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项的任何和所有组合。
除非具体说明或从上下文明显得到，否则本文所用的术语“约”理解为在本领域的正常容许范围内，例如在均值的2个标准差范围内。“约”可以理解为在所述数值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非另外从上下文清楚得到，本文提供的所有数值都由术语“约”修饰。
应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。
出于说明性的目的，参考不同的示例性实施方式对本发明的原理进行了描述。尽管本文具体描述了发明的某些实施方式，但是本领域技术人员将易于认识到，相同的原理同样适用于、且能够被用于其他系统和方法中。在详细阐释本发明公开的实施方式之前，应当理解，发明不受所示的任何具体实施方式的细节的应用所限制。
在一个示例性实施方式中，提供了一种钢或者一种钢组合物，其可适于用作车辆发动机中的盘簧钢。具体而言，由于其组分和含量可以得到优化，钢组合物可以具有改进的性质，例如拉伸强度和疲劳强度。
根据本发明的一个示例性实施方式的弹簧钢可以包括：含量为大约0.4-0.9wt％的碳(C)；含量为大约1.3-2.3wt％的硅(Si)；含量为大约0.5-1.2wt％的锰(Mn)；含量为大约0.6-1.2wt％的铬(Cr)；含量为大约0.1-0.5wt％的钼(Mo)；含量为大约0.05-0.8wt％的镍(Ni)；含量为大约0.05-0.5wt％的钒(V)；含量为大约0.05-0.5wt％的铌(Nb)；含量为大约0.05-0.3wt％的钛(Ti)；含量为大约0.01-3wt％的钴(Co)；含量为大约0.001-0.2wt％的锆(Zr)；含量为大约0.01-1.5wt％的钇(Y)；含量为大约0.3wt％或更少但大于0wt％的铜(Cu)；含量为大约0.3wt％或更少但大于0wt％的铝(Al)；含量为大约0.03wt％或更少但大于0wt％的氮(N)；含量为大约0.003wt％或更少但大于0wt％的氧(O)；构成钢组合物余量的铁(Fe)，所有wt％均基于钢组合物的总重量而言。
以下，将描述根据本发明的组合物中组分的数值限制的原因。除非另有描述，以下说明书中给出的单位wt％是基于钢或钢组合物的总重量。
可以以大约0.4-0.9wt％的量包括如本文使用的碳(C)。钢的强度可以随着碳含量的增加而增加。当碳含量小于大约0.4wt％时，钢组合物在强度上可仅有微小的增加，因为在热处理时淬火性能不足。另一方面，当碳含量高于大约0.9wt％时，当淬火时可引发马氏体相的形成，从而导致疲劳强度和韧性的降低。优选地，在以上范围内，钢组合物可以被赋予大幅改善的强度和延展性。
可以以大约1.3-2.3wt％的量包括如本文使用的硅(Si)。当在铁素体中与铁形成固溶体时，硅可以增加强度和抗回火软化性。当硅含量小于大约1.3wt％时，钢组合物可具有降低的抗回火软化性。另一方面，当硅含量大于大约2.3wt％时，在热处理时可发生脱碳现象。
可以以大约0.5-1.2wt％的量包括如本文使用的锰(Mn)。当在基体中形成固溶体时，锰可以改进弯曲疲劳强度和淬火性能。当锰含量小于大约0.5wt％时，锰可能无法具有足够的淬火性能。当锰含量大于大约1.2wt％时，韧性可能劣化。
可以以大约0.6-1.2wt％的量包括如本文使用的铬(Cr)。铬可以在回火时引发碳化物沉淀的形成，改善韧性，改善淬透性，并通过抑制软化来改善强度。此外，铬可以通过微观结构的细化来改善钢组合物的韧性。当铬含量为大约0.6wt％或更多时，铬可以改善回火软化性、脱碳现象、淬火和耐腐蚀性。当铬的含量大于大约1.2wt％时，可形成过大的晶界碳化物，从而使强度劣化且脆性增加。
可以以大约0.1-0.5wt％的量包括如本文使用的钼(Mo)。与Cr类似，钼可以形成微观结构的碳化物沉淀以改善强度和断裂韧性。具体而言，大约1-5nm的钛钼碳化物(TiMoC)的均匀形成可以改善耐回火性并保证耐热性和高强度。当其含量小于大约0.1wt％时，钼可能不形成碳化物，从而无法获得足够的强度。另一方面，当钼含量大于大约0.5wt％时，由于碳化物沉淀和强度改善效应已经饱和，制造成本可能不太有效。
可以以大约0.05-0.8wt％的量包括如本文使用的镍(Ni)。镍可以改善钢的耐腐蚀性，并进一步改善耐热性、低温脆性、淬透性、尺寸稳定性和可定型性。当镍含量小于大约0.05wt％时，钢组合物在耐腐蚀性和高温稳定性上可劣化。另一方面，当镍含量大于大约0.8wt％时，钢组合物可能遭受热脆性。
可以以大约0.05-0.5wt％的量包括如本文使用的钒(V)。钒可以改善微观结构的细化、耐回火性、尺寸稳定性和可定型性，并实现耐热性和高强度。此外，其可以形成微观结构的沉淀VC以增加断裂韧性。具体而言，该微观结构的沉淀物碳化钒(VC)可以限制晶界的迁移。当奥氏体化以形成固溶体时钒(V)可以溶解，并在回火时沉淀，从而引起二次硬化。当钒含量小于大约0.05wt％时，可能无法阻止断裂韧性的降低。当钒以大于大约0.5wt％的量被使用时，钢组合物可包含粗沉淀物并且淬火后的强度降低。
可以以大约0.05-0.5wt％的量包括如本文使用的铌(Nb)。铌可以引发微观结构的细化，通过氮化反应使钢表面硬化，并且改善尺寸稳定性和可成型性。碳化铌(NbC)的形成可以增加钢的强度并控制其他碳化物(例如CrC、VC、TiC、MoC)的形成速度。当铌含量小于大约0.05wt％时，钢组合物的强度可降低且碳化物的分布可不均匀。当铌含量大于大约0.5wt％时，其他碳化物的形成可受到限制。
可以以大约0.05-0.3wt％的量包括如本文使用的钛(Ti)。与Nb和Al类似，钛可以防止或限制晶粒的再结晶和生长。此外，钛可形成纳米碳化物例如碳化钛(TiC)、钛钼碳化物(TiMoC)等，并与氮反应以形成可限制晶粒生长的氮化钛(TiN)。进而，其可以形成硼化钛(TiB2)，其可干预B与N之间的结合，结果使BN-引发的淬火性能的降低最小化。当钛含量小于大约0.05wt％时，可以形成其他夹杂物例如Al2O3，因此降低疲劳耐久性。当钛含量大于大约0.3wt％时，其他合金元素可受到干扰并且成本可增加。
可以以大约0.01-3wt％的量包括如本文使用的钴(Co)。钴可以改善加工性能并限制钢中碳化物的形成。另外，钴还抑制了在高温下晶粒的生长，并且提高淬火性能、高温强度和热稳定性。当钴含量小于大约0.01wt％时，钢组合物可具有降低的加工性能和热稳定性。当钴含量大于大约3wt％时，其他合金元素可受到干扰并且成本可增加。
可以以大约0.001-0.2wt％的量包括如本文使用的锆(Zr)。锆可以形成沉淀物并除去N、O和S。此外，Zr可以延长钢组合物的寿命，并且可以降低非金属夹杂物的尺寸。当Zr含量小于大约0.001wt％时，非金属夹杂物的尺寸可增加而不形成碳化物。当Zr含量大于大约0.2wt％时，可过量地形成ZrO2，这种情况中由于强度改善效应已经最大程度地得到实现，成本效率可降低。
可以以大约0.01-1.5wt％的量包括如本文使用的钇(Y)。钇可以提高高温稳定性并改善耐热性和韧性。当合金暴露于高温时，钇可以在合金表面上形成氧化物防止氧化和腐蚀，从而改善耐燃性和耐化学品性。当钇含量小于大约0.01wt％时，高温稳定性可劣化。另一方面，当钇含量大于大约1.5wt％时，生产成本可能增加，可焊性可降低，并且在炼钢期间可发生不均匀性。
可以以大约0.3wt％或更少但大于0wt％的量包括如本文使用的铜(Cu)。铜可提高回火之后的淬火性能和强度，并且，与Ni类似，改善钢组合物的耐腐蚀性。铜含量有利地可被限制在0.3wt％或更小，因为过量的铜增加了生产成本。
可以以大约0.3wt％或更少但大于0wt％的量包括如本文使用的铝(Al)。铝可与氮形成氮化铝(AlN)以引发奥氏体的细化并改善强度和冲击韧性。具体而言，铝和Nb、Ti、Mo的共同加入可降低昂贵金属包括用于微观结构细化的钒和用于改善韧性的镍的量。然而，铝含量可被限制在大约0.3wt％或更少但大于0wt％，因为过量的铝使钢组合物变软。
可以以大约0.03wt％或更少但大于0wt％的量包括如本文使用的氮(N)。氮可与Al和Ti分别形成氮化铝(AlN)和氮化钛(TiN)，从而提供微观结构的细化。具体而言，TiN可以改善硼的淬火性能。然而，氮的含量有利地可被限制在大约0.03wt％或更少但大于0wt％，因为过量的氮与硼反应，结果降低了淬火性能。
可以以大约0.003wt％或更少但大于0wt％的量包括如本文使用的氧(O)。氧可与Si或Al结合以形成非金属的、基于氧化物的夹杂物，从而引发疲劳寿命性质的降低。因此，少量的氧可提供更好的效果。在本发明中，氧含量可被限制在0.003wt％。
除了前述组分，弹簧钢可以包括构成该钢组合物余量的铁(Fe)。
实施例
以下，将参考实施例和比较例给出详细描述。
在适于生产可市售的弹簧钢的条件下制造实施例和比较例的弹簧钢。将来自熔化的钢的线材通过等温处理、拉丝、淬火-回火和焊接淬火的连续过程制备成钢丝，其中以下表1所示的各种含量使用所述钢的组分。简而言之，将线材在940-960℃的温度下保持3-5分钟，冷却至640-660℃的温度并在该温度下保持2-4分钟，接着冷却至18-22℃的温度持续0.5-1.5分钟。采用该等温处理以促进随后的拉丝工艺。通过该等温处理，在线材中形成珠光体。
Figure BDA0001158695960000091
等温处理之后，对线材施以各个拉丝步骤以达到目标丝直径。在本发明中，拉伸出直径为4mm的线材。
将拉伸的线材加热至940-960℃的温度并保持3-5分钟，淬火至45-55℃的温度，接着回火0.5-1.5分钟。之后，将线材再次加热到440-460℃的温度并保持2-4分钟，然后施以焊接淬火。通过淬火和回火形成的马氏体赋予了线材强度，同时通过焊接淬火形成的回火马氏体赋予了强度和韧性。
在测试例中，对实施例和比较例的弹簧钢的物理性质进行了检验。
对实施例和比较例的弹簧钢的拉伸强度、硬度、线材的疲劳寿命、蚀坑深度、单一腐蚀疲劳寿命、复合腐蚀疲劳寿命和碳含量以及碳活性的改善进行了测试，结果在下表2中给出。
Figure BDA0001158695960000111
就此而言，根据KS B 0802用20-吨试验机在直径为4mm的试样上测量拉伸强度，根据KS B 0811用维氏显微硬度计在300gf下测量硬度。
根据KS B ISO 1143通过在直径为4mm的试样上进行旋转弯曲疲劳试验来测量疲劳寿命。L10寿命，指的是“基本额定寿命”，被定义为当在常规条件下进行操作时伴有90％可靠性的寿命，并且通过数百万中的旋转数表示。L10寿命大概为L50平均寿命或者两次失败之间的平均时间的七分之一。使用盐水喷雾试验(KS D 9502，ISO 3768/7263)测量腐蚀疲劳寿命。
用ThermoCalc参考热力学数据库来计算碳含量和碳活性的改善。具体而言通过在SEM-EDX元素分布图上计数来测量碳含量。
如从表2的数据所理解的，缺乏Mo、Ni、V、Nb、Ti、Co、Zr和Y的常规钢无法满足本发明对于拉伸强度、硬度、线材疲劳寿命、蚀坑深度、单一腐蚀疲劳寿命、复合腐蚀疲劳寿命以及碳含量及碳活性的改善中的任一要求。
比较例1-16的钢与根据本发明的那些在组分含量上不同，虽然在拉伸强度、硬度、线材疲劳寿命、蚀坑深度、单单一腐蚀疲劳寿命、复合腐蚀疲劳寿命以及碳含量及碳活性的改善上有一定程度的改善，但是无法满足本发明的要求。
尤其是，比较例1的钢与常规钢相比包括较少量的Mo，其不能保证足够的拉伸强度，在线材疲劳寿命和复合腐蚀疲劳寿命方面劣化，并且在蚀坑深度方面恶化。
在比较例3和11中，Ni和Co各自的含量小于本发明的预定量。与常规钢相比，这些钢在单一腐蚀疲劳寿命方面有相当程度的降低。进一步地，在比较例3和11的钢中发现了更深的蚀坑。
各个比较例13-16不满足对于Zr和Y含量的要求。与常规钢相比，观察到这些钢在线材疲劳寿命方面降低。当Zr含量高于要求时比如比较例14，或者当Y含量低于要求时比如实施例15，检测到更深的蚀坑同时复合腐蚀疲劳寿命降低。
另一方面，满足本发明中的预定范围的实施例1-3的所有钢显示出2100MPa或更高的拉伸强度和700HV或更高的硬度。此外，在钢中测量到深度为15μm或更小的蚀坑。发现其通过弯曲疲劳试验测量的疲劳寿命超过280,000个循环，通过单一腐蚀疲劳试验测量的疲劳寿命超过28,000个循环，以及通过复合腐蚀疲劳试验测量的疲劳寿命超过400,000个循环。另外，其将碳含量改善了7％或更多，将碳活性改善了3％或更多，与常规钢相比。
图1是示出根据本发明的一个示例性实施方式的示例性高强度弹簧钢随着温度的相变图，图2是示出根据本发明的一个示例性实施方式的示例性高强度弹簧钢随着温度变为渗碳体的相变图。
在图1中示出了合金组成为Fe-1.5Si-0.7Mn-0.8Cr-0.3Ni-0.3Mo-0.3V-0.1Nb-0.15Ti-0.1Co-0.1Zr-0.1Y-0.55C的钢组合物随着温度的相变。给定本发明的合金组合物，如图1所示，钢可具有各种微夹杂物例如CrC和VC，以及在凝固期间形成的富Ti或富Zr的碳化物，因此期望在强度和疲劳寿命方面有改善。
在图2中示出在渗碳体中具有Fe-1.5Si-0.7Mn-0.8Cr-0.3Ni-0.3Mo-0.3V-0.1Nb-0.15Ti-0.1Co-0.1Zr-0.1Y-0.55C的合金组成的示例性钢随着温度的相变。如图2所示，可理解渗碳体中发生的八种元素的复杂行为，因此预测了微碳化物的均匀分布。
如到此为止所述的，通过优化主要合金组分的含量，本发明的钢具有大约21,000MPa或更高的拉伸强度、并通过夹杂物细化在耐腐蚀性和复合腐蚀疲劳寿命方面有大约50％或更高的改善。
虽然出于说明性的目的已经公开了本发明的多个具体实施方式，本领域技术人员将会认识到在不偏离所附权利要求中公开的发明的范围和精神的情况下，多种修改、添加和替换都是可能的。

Claims (7)

1.一种钢组合物，其包括：
含量为0.4-0.9 wt%的碳（C）；
含量为1.3-2.3 wt%的硅（Si）；
含量为0.5-1.2 wt%的锰（Mn）；
含量为0.6-1.2 wt%的铬（Cr）；
含量为0.1-0.5 wt%的钼（Mo）；
含量为0.05-0.8 wt%的镍（Ni）；
含量为0.05-0.5 wt%的钒（V）；
含量为0.05-0.5 wt%的铌（Nb）；
含量为0.05-0.3 wt%的钛（Ti）；
含量为0.01-3 wt%的钴（Co）；
含量为0.001-0.2 wt%的锆（Zr）；
含量为0.89-1.47 wt%的钇（Y）；
含量为0.3 wt%或更少但大于0 wt%的铜（Cu）；
含量为0.3 wt%或更少但大于0 wt%的铝（Al）；
含量为0.03 wt%或更少但大于0 wt%的氮（N）；
含量为0.003 wt%或更少但大于0 wt%的氧（O）；
铁（Fe），所有wt%均基于所述钢组合物的总重量而言，
其中钢的拉伸强度为2100 MPa或更大，
其中钢的硬度为700 HV或更大。
2.根据权利要求1所述的钢组合物，其中钢的蚀坑深度为15 μm或更小。
3.根据权利要求1所述的钢组合物，其中通过弯曲疲劳试验测量的钢的疲劳寿命为280,000个循环或更高。
4.根据权利要求1所述的钢组合物，其中通过单一腐蚀疲劳寿命试验测量的钢的疲劳寿命为28,000个循环或更高。
5.根据权利要求1所述的钢组合物，其中通过复合腐蚀疲劳寿命试验测量的钢的疲劳寿命为400,000个循环或更高。
6.一种车辆部件，其包括权利要求1所述的钢组合物。
7.根据权利要求6所述的车辆部件，其是用于车辆的悬挂系统中的弹簧钢。
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