CN107723596A - 一种抗疲劳性能和抗弹减性能优良的弹簧钢及生产方法 - Google Patents

一种抗疲劳性能和抗弹减性能优良的弹簧钢及生产方法 Download PDF

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Abstract

一种抗疲劳性能和抗弹减性能优良的弹簧钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.45～0.55％、Si：1.40～1.60％、Mn：1.05～1.30％、P：≤0.015％、S：≤0.008％、Cr：0.60～0.80％、V：0.15～0.25％、Nb：0.10～0.20%、Mo：0.10～0.30%；其延伸率A≥12%，断面收缩率Z≥40%。生产方法：常规转炉冶；LF炉中精炼；RH真空处理；浇注成坯；开坯和修磨；轧制；吐丝；淬火+回火热处理；空冷至室温。本发明通过V和Nb的复合添加，有利于其在更低的温度下溶于奥氏体，在回火处理时，产生二次沉淀硬化效果，使弹簧钢的强韧性提高；且析出的细小碳化物阻碍了钢中的位错迁移，使抗弹减性能提高；本发明强度在1700~2000MPa，A≥12%，Z≥40%。

Description

一种抗疲劳性能和抗弹减性能优良的弹簧钢及生产方法
技术领域
本发明涉及一种弹簧钢及其生产方法领域，特别适用于汽车用弹簧钢及其生产方法，更确切地为汽车用悬架弹簧钢及其生产方法。
背景技术
随着能源的紧张和碳排放要求越来越严格的发展形势，对汽车轻量化提出了更高的需求，汽车悬架弹簧重量的减重也是其措施之一。然而，对于汽车悬架弹簧重量减轻的最有效方法，则是提高弹簧的设计应力。众所周知，弹簧的重量与设计应力的平方成反比。因此，为了适应汽车轻量化的需求，则必须从提高悬架弹簧的设计应力出发，而影响提高弹簧设计应力的主要因素是弹簧的抗疲劳性能和抗弹减性能。
目前，在本技术领域人们为解决此问题，已经将其设计应力提高到了1100～1300MPa，并已逐步得到应用。
在提高弹簧钢的设计应力的同时，会存在例如，随着应力的提高，其延迟断裂几率大幅增加，同时弹减性也增大，导致弹簧高度下降，进而降低汽车保险杠的高度，这样容易造成安全问题。
通常人们认为，弹簧钢中硅元素能有效提高弹簧的抗弹减性能，但是硅含量超过2.0%后，其又会使钢的韧性恶化，影响疲劳性能；同时，弹簧钢中过高的硅含量还会在加热时产生脱碳敏感现象，致热处理后弹簧表面不能达到设计的强度。因此，具有高疲劳性能和抗弹减性能的弹簧钢的成分设计和工艺控制是困扰当前弹簧钢向高应力发展的主要阻力。如经检索的：
日本神户制钢所公开了一种由0.5～0.7%C，1.0～1.8%Si，0.1～1.0%Mn，＜0.7%Cr，0.03～0.5%V，以及每种含量0.02～0.1%Al、Zr、Nb及Ti中至少一种组成的弹簧钢丝，用来制造汽车悬架弹簧。该文献的钢虽抗弹减性能优良，但其淬透性较低，且含有Al或Ti，易在钢中形成影响疲劳性能的夹杂物，因此，抗疲劳性能较差。
中国专利公开号为CN 1091165的文献，其公开了一种用于汽车悬挂螺旋弹簧及类似产品的悬挂弹簧钢。其成分配比（重量百分比%）为：C0.10～0.70，Si0.80～1.70，Mn0.50～1.00，Cr 0.50～0.80，W0.01～0.50，稀土元素0.005～0.25。该发明的关键在于通过加入微量的稀土元素和W，使弹簧钢的抗弹减性、抗脱碳性、疲劳性能以及弹簧的设计应力大为提高，但其仅适用应力小于1100MPa的悬架弹簧。应力级别较低。
中国专利公开号为CN 101671792的文献，公开了一种弹簧钢，其成分配比（重量百分比%）为：C0.56～0.64，Si1.60～2.00，Mn0.60～0.90，Ti0.00～0.015，S0.0055～0.03，Als0.01～0.02，余量为Fe 及不可避免杂质。该发明还提供了上述弹簧钢的制备方法，该方法包括将弹簧钢原料依次经过初炼、精炼、冷却成型、轧制、淬火和回火。其虽得到的弹簧钢抗疲劳性好，生产方法简单，降低了成本，但其采用Al脱氧，不利于夹杂物改性。
发明内容
本发明在于克服现有悬挂弹簧存在的高疲劳性能和抗弹减性能的不足，提供一种能在保证弹簧强度在1700~2000MPa的前提下，还能使延伸率A≥12%，断面收缩率Z≥40%的抗疲劳性能和抗弹减性能优良的弹簧钢及生产方法。
实现上述目的的措施：
一种抗疲劳性能和抗弹减性能优良的弹簧钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.45～0.55％、Si：1.40～1.60％、Mn：1.05～1.30％、P：≤0.015％、S：≤0.008％、Cr：0.60～0.80％、V：0.15～0.25％、Nb：0.10～0.20%、Mo：0.10～0.30%，其余为铁和不可避免的夹杂；其延伸率A≥12%，断面收缩率Z≥40%。
优选地：C的重量百分比含量为0.45～0.52％。
优选地：Mn的重量百分比含量为1.10～1.27％。
优选地：Nb的重量百分比含量为0.15～0.20%。
优选地：Mo的重量百分比含量为0.15～0.26%。
生产一种抗疲劳性能和抗弹减性能优良的弹簧钢的方法，其步骤：
1）常规转炉冶炼，并控制出钢温度在1640-1680℃，终点钢水中：C≥0.08%，P≤0.010%；2）出钢并进行脱氧及合金化：在出钢到三分之一时一次性依次加入高纯硅铁、金属锰及低碳铬铁；高纯硅铁按照21~28Kg/吨钢加入，金属锰按照16~25Kg/吨钢加入，低碳铬铁按照8~16 Kg/吨钢加入；
3）在LF炉中进行精炼，并采用电石进行脱氧，精炼渣系采用CaO-SiO2-Al2O3渣系，渣系碱度控制在1.0～1.2，精炼渣分三批加完，第一次加入为加入总重量百分比的60%，第二次加入为加入总重量百分比的30%，第三次加入为加入总重量百分比的10%，控制渣量不超过钢水总重量的5%即可；
4）进行RH真空处理，真空处理结束时，并使钢水中的氧含量≤0.0008%，氢含量≤0.0001%；
5）浇注成坯，浇铸过热度控制在不超过20℃，拉坯速度控制在0.5～0.8m/min，其间采用液面自动控制和电磁搅拌；并控制铸坯进拉矫机温度在850～950℃；
6）对连铸坯进行开坯和修磨，开坯端面尺寸在140×140mm～180×180mm，修磨深度不超过2.0mm；
7）进行轧制，开轧温度控制在850～1000℃，轧制成Φ8～Φ17mm的盘条；
8）吐丝，吐丝后在冷却速度为15～25℃/s下冷却至600℃；后缓冷至室温；
9）进行淬火+回火热处理，其中：淬火采用油淬火，其温度控制在870～920℃；回火温度控制在450～650℃；
10）空冷至室温。
优选地：所述开轧温度控制在860～950℃。
优选地：吐丝后的冷却速度在18～23℃/s。
本发明中各元素级主要工序的作用及机理：
C（0.45～0.55%）：降低弹簧钢中碳含量的原因主要在于，高含量碳虽然能有效提高其强度，但其致命的缺陷是易在钢中形成偏析，大幅降低弹簧钢的韧性，降低疲劳性能。
Mn：高锰含量（1.10～1.30%）一方面能消除或减弱因S 所引起的热脆性，从而改善钢的热加工性能，另一方面是扩大奥氏体区域，在淬火时保留适量的残余奥氏体，提高弹簧钢的韧性。
Si（1.40～1.60%）：Si在钢中有很强的固溶强化作用，是对弹簧的抗弹性减退性能影响最大的合金元素，所以弹簧钢多半含有较多的Si，但Si过高会降低钢的塑性和韧性，且Si使碳的活性增加而促进钢的脱碳和石墨化而影响钢的抗疲劳性能。
Cr：其为强碳化物形成元素，降低钢中碳的活度，有利于减少加热时弹簧钢的脱碳趋势。
V和Nb：在本发明中V和Nb的复合添加，有利于其在更低的温度下溶于奥氏体，当弹簧钢淬火加热时，其完全固溶于奥氏体中（单独添加钒或铌，在淬火加热温度下不能完全固溶），油淬火时这些碳化物固溶在马氏体相中，回火处理时，其以细小碳化物的形式复合析出，产生二次沉淀硬化效果，提高弹簧钢的强韧性，同时析出的细小碳化物阻碍了弹簧变形时钢中的位错迁移，提高抗弹减性能。当钒和铌加入量过低时﹙＜0.15% V，＜0.10% Nb﹚，其有效沉淀相减少，不能起到提高强韧性和抗弹减性能的效果；过高时﹙＞0.25% V，＞0.20%Nb﹚，会导致大量不能溶于奥氏体的碳化物聚集，恶化疲劳性能。
Mo：在本发明中添加适量的Mo，在提高弹簧钢淬透性的同时，以利于提高回火稳定性，但钼易在连铸过程中在晶界析出，增大了连铸坯的裂纹敏感性，因此，其添加量为0.010～0.030%。优选地Mo的重量百分比含量为0.15～0.26%。
由于铝易在钢中形成Al2O3脆性夹杂物，而钛易与氮形成菱形氮化钛夹杂物，对弹簧的疲劳性能不利，因此，弹簧钢中禁止添加铝或钛进行脱氧或合金化。
本发明与现有技术相比，本发明通过V和Nb的复合添加，有利于其在更低的温度下溶于奥氏体，当弹簧钢淬火加热时，其完全固溶于奥氏体中，油淬火时这些碳化物固溶在马氏体相中，回火处理时，其以细小碳化物的形式复合析出，产生二次沉淀硬化效果，使弹簧钢的强韧性提高，同时析出的细小碳化物阻碍了弹簧变形时钢中的位错迁移，使抗弹减性能提高；本发明在保证弹簧强度在1700~2000MPa的前提下，还能使延伸率A≥12%，断面收缩率Z≥40%。其具有优良的抗疲劳性能和抗弹减性能。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述：
表1为本发明各实施例及对比例的化学成分列表；
表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；
表3为本发明各实施例及对比例的性能检测结果列表。
本发明各实施案例均按照以下步骤进行生产：
1）常规转炉冶炼，并控制出钢温度在1640-1680℃，终点钢水中：C≥0.08%，P≤0.010%；2）出钢并进行脱氧及合金化：在出钢到三分之一时一次性依次加入高纯硅铁、金属锰及低碳铬铁；高纯硅铁按照21~28Kg/吨钢加入，金属锰按照16~25Kg/吨钢加入，低碳铬铁按照8~16Kg/吨钢加入；
3）在LF炉中进行精炼，并采用电石进行脱氧，精炼渣系采用CaO-SiO2-Al2O3渣系，渣系碱度控制在1.0～1.2，精炼渣分三批加完，第一次加入为加入总重量百分比的60%，第二次加入为加入总重量百分比的30%，第三次加入为加入总重量百分比的10%，控制渣量不超过钢水总重量的5%即可；
4）进行RH真空处理，真空处理结束时，并使钢水中的氧含量≤0.0008%，氢含量≤0.0001%；
5）浇注成坯，浇铸过热度控制在不超过20℃，拉坯速度控制在0.5～0.8m/min，其间采用液面自动控制和电磁搅拌；并控制铸坯进拉矫机温度在850～950℃；
6）对连铸坯进行开坯和修磨，开坯端面尺寸在140×140mm～180×180mm，修磨深度不超过2.0mm；
7）进行轧制，开轧温度控制在850～1000℃，轧制成Φ8～Φ17mm的盘条；
8）常规吐丝，吐丝后在冷却速度为15～25℃/s下冷却至600℃；后缓冷至室温；
9）进行淬火+回火热处理，其中：淬火采用油淬火，其温度控制在870～920℃；回火温度控制在450～650℃；
10）空冷至室温。
表1 本发明各实施例及对比例的化学成分（wt.%）
表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数取值列表
表3 本发明各实施案例的拉伸性能
从表3可以看出，本发明化学成分中通过降低碳含量，提高锰含量，复合添加钒和铌，通过冶炼、轧制和热处理工艺，其性能均优于常规方法生产的弹簧钢。
本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims (8)

1.一种抗疲劳性能和抗弹减性能优良的弹簧钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.45～0.55％、Si：1.40～1.60％、Mn：1.05～1.30％、P：≤0.015％、S：≤0.008％、Cr：0.60～0.80％、V：0.15～0.25％、Nb：0.10～0.20%、Mo：0.10～0.30%，其余为铁和不可避免的夹杂；其延伸率A≥12%，断面收缩率Z≥40%。
2.如权利要求1所述的一种抗疲劳性能和抗弹减性能优良的弹簧钢，其特征在于：C的重量百分比含量为0.45～0.52％。
3.如权利要求1所述的一种抗疲劳性能和抗弹减性能优良的弹簧钢，其特征在于：Mn的重量百分比含量为1.10～1.27％。
4.如权利要求1所述的一种抗疲劳性能和抗弹减性能优良的弹簧钢，其特征在于：Nb的重量百分比含量为0.15～0.20%。
5.如权利要求1所述的一种抗疲劳性能和抗弹减性能优良的弹簧钢，其特征在于：Mo的重量百分比含量为0.15～0.26%。
6.生产如权利要求1所述的一种抗疲劳性能和抗弹减性能优良的弹簧钢的方法，其步骤：
1）常规转炉冶炼，并控制出钢温度在1640-1680℃，终点钢水中：C≥0.08%，P≤0.010%；2）出钢并进行脱氧及合金化：在出钢到三分之一时一次性依次加入高纯硅铁、金属锰及
低碳铬铁；高纯硅铁按照21~28Kg/吨钢加入，金属锰按照16~25Kg/吨钢加入，低碳铬铁按照8~16Kg/吨钢加入；
3）在LF炉中进行精炼，并采用电石进行脱氧，精炼渣系采用CaO-SiO2-Al2O3渣系，渣系碱度控制在1.0～1.2，精炼渣分三批加完，第一次加入为加入总重量百分比的60%，第二次加入为加入总重量百分比的30%，第三次加入为加入总重量百分比的10%，控制渣量不超过钢水总重量的5%即可；
4）进行RH真空处理，真空处理结束时，并使钢水中的氧含量≤0.0008%，氢含量≤0.0001%；
5）浇注成坯，浇铸过热度控制在不超过20℃，拉坯速度控制在0.5～0.8m/min，其间采用液面自动控制和电磁搅拌；并控制铸坯进拉矫机温度在850～950℃；
6）对连铸坯进行开坯和修磨，开坯端面尺寸在140×140mm～180×180mm，修磨深度不超过2.0mm；
7）进行轧制，开轧温度控制在850～1000℃，轧制成Φ8～Φ17mm的盘条；
8）常规吐丝，吐丝后在冷却速度为15～25℃/s下冷却至600℃；后缓冷至室温；
9）进行淬火+回火热处理，其中：淬火采用油淬火，其温度控制在870～920℃；回火温度控制在450～650℃；
10）空冷至室温。
7.如权利要求6所述的生产一种抗疲劳性能和抗弹减性能优良的弹簧钢的方法，其特征在于：所述开轧温度控制在860～950℃。
8.如权利要求6所述的生产一种抗疲劳性能和抗弹减性能优良的弹簧钢的方法，其特征在于：吐丝后在冷却速度在18～23℃/s。
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