CN108265224A - 一种用于制造单片或少片变截面板簧的超高强度弹簧钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
用于制造单片或少片变截面板簧的超高强度弹簧钢及其制备方法涉及钢铁材料领域。主要为解决现有少片变截面板簧用高强度弹簧钢屈服强度和抗拉强度低等问题而发明的。其化学成分按重量百分比为C:0.48~0.54%；Si:0.8~1.2%；Mn:0.7~1.0%；Cr:0.8~1.1%；V:0.08~0.15%；Nb:0.02~0.05%；B:0.0010~0.0030%；Ni≤0.01%；S≤0.01%；P≤0.015%；N≤0.0050%；O≤0.0010%；H≤0.0001%；其余为Fe和杂质。制备方法：铁水预处理、转炉炼钢、精炼；连铸；热轧；淬火+中温回火。优点是屈服强度和抗拉强度高。
Description
技术领域：
本发明涉及钢铁材料领域，具体是涉及一种用于制造单片或少片变截面板簧的超高强度弹簧钢及其制备方法。
背景技术：
随着汽车工业的快速发展，在减少油耗、保护环境等背景下，汽车轻量化成为一种主流趋势。实现汽车轻量化除了优化汽车零部件的结构外，就是采用高强度钢进行汽车零部件的生产。钢板板簧是货车、卡车和客车悬架的重要组成部分，承受和传递车架与车桥之间力及力矩作用。作为关键的弹性元件，钢板板簧由于其结构简单、制造容易得到了广泛应用，是保障底盘良好性能不可或缺的零件。据统计，板簧占车身重量的5~7%，若能将汽车板簧进行结构优化或采用高强度弹簧钢生产板簧，则可大幅度降低汽车车身重量、达到良好的汽车减重效果。
关于汽车板簧的结构优化，最初的汽车钢板弹簧为多片等截面式弹簧，它由多片等宽、等截面、不等长的板簧片叠加在一起，其各片的厚度可相同，也可不同，视需要而定。多片等截面式钢板弹簧存在自重大、单位质量储能量小、材料利用率不高的缺点，因此人们又开发了少片变截面钢板弹簧。少片变截面弹簧各片有大致相同的工作长度，其厚度沿片长按一定规律变化，片簧中的应力趋于均匀分布，近似于等应力梁。与相同功能的多片簧相比，少片变截面钢板可节约钢材30~50%，还可进一步降低生产成本，节约油耗。按照板簧结构的发展规律，其最终形态应为单片变截面弹簧。
目前，国内外较为常见的少片变截面板簧用高强度弹簧钢有50CrMnVA钢、50CrVA钢、60Si2Mn钢、50CrV4钢、51CrMoV4钢等，它们虽广泛应用于变截面板簧的制造生产，但其屈服强度多在1500MPa以下，抗拉强度大多在1800MPa以下，只能应用于生产少片变截面板簧，不能够应用于生产单片变截面板簧。若应用单片变截面板簧生产悬架系统，则可大幅度地降低汽车车身的重量，既能减少汽车尾气的排放，又符合轻量化的发展趋势。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于制造单片或少片变截面板簧的超高强度弹簧钢及其制备方法，应用该方法生产的超高强度弹簧钢，其屈服强度≥1550MPa，抗拉强度≥1800MPa，断后延伸率≥8%，断面收缩率≥30%，台架疲劳寿命≥20万次，完全能够满足单片变截面簧的力学性能要求，还可以应用于生产少片变截面板簧。
本发明采用的技术方案如下：
用于制造单片或少片变截面板簧的超高强度弹簧钢的化学成分按重量百分比为C:0.48~0.54%；Si: 0.8~1.2%；Mn: 0.7~1.0%；Cr: 0.8~1.1%；V: 0.08~0.15%；Nb: 0.02~0.05%；B: 0.0010~0.0030%；Ni≤0.01%；S≤0.01%；P≤0.015%；N≤0.0050%；O≤0.0010%；H≤0.0001%；其余为Fe和不可避免的杂质。
用于制造单片或少片变截面板簧的超高强度弹簧钢的制备方法，包括如下步骤：
（1）进行铁水预处理、转炉炼钢、精炼；
（2）连铸；
（3）连铸坯加热；
（4）热轧；
（5）淬火+中温回火处理。
在上述步骤（1）中，铁水预处理，采用KR脱硫深脱硫技术，KR脱硫结束后，使铁水中的S≤0.01%，以保证最终得到的超高强度弹簧钢中的S≤0.01%。
在上述步骤（2）中，连铸过程中拉速为0.7~0.9m/min。
在上述步骤（3）中，连铸坯的加热温度控制在1000~1080℃。
在上述步骤（4）中，控制加热温度在1000~1080℃，开轧温度在900~950℃，终轧温度在830~880℃。
在上述技术方案中，钢坯加热温度控制在1000~1080℃，既能保证钢坯的奥氏体化以及合金元素的均匀化，又能保证原始奥氏体晶粒不至于过分粗大。
本技术方案中热轧采用两阶段轧制，第一阶段在奥氏体再结晶区轧制，通过再结晶过程的反复进行，达到细化奥氏体晶粒的目的，粗轧出口温度应控制在850~900℃。第二阶段在两相区（奥氏体+铁素体）轧制，可进一步细化奥氏体晶粒尺寸，终轧温度控制在830~880℃。
本技术方案中淬火温度控制在900~940℃，目的是为了在实现奥氏体化的同时保证原始奥氏体晶粒度大于7级。
本技术方案中回火温度控制在400~450℃，重要是为了获得回火屈氏体组织并消除淬火后所产生的应力。回火后将板簧水冷至室温。
本发明的有益效果为：
所述的超高强度弹簧钢中各化学元素的设计原理为：
本发明使用的化学成分中的C：C是保证钢的强度的重要元素。当C含量小于0.48%时，难以保证规定的强度；当C含量大于0.54%时，又会降低钢的冲击韧性和疲劳性能，因此本发明中C含量应控制在0.48~0.54%。
本发明使用的化学成分中的Si：Si作为脱氧剂用于去除钢液中的氧。此外，Si具有强烈的固溶强化效果，可提高回火软化阻力从而提高弹簧钢的屈服强度和耐弹减性。本发明中添加Si含量在0.8%以上，但当Si含量达到1.2%以上时弹簧钢的脱碳现象明显，因此将Si含量定为0.8~1.2%。
本发明使用的化学成分中的Mn：Mn可显著提高钢的淬透性，对提高强度有益。此外，Mn还有利于消除S的有害作用，Mn含量应在0.7%以上，但当Mn含量超过1.0%时，钢的硬度增大且冲击韧性恶化，因此本发明中Mn含量应控制在0.7~1.0%。
本发明使用的化学成分中的Cr：Cr可提高钢的淬透性和强度，还可提高钢的回火抗力，但过高含量的Cr对韧性和耐弹减性不利，因此应将Cr含量控制在0.8~1.1%。
本发明使用的化学成分中的V：V是强碳氮化物形成元素，细小弥散的VC可明显提高钢的强度。此外，V还有助于提高钢的回火稳定性。本发明中V的含量控制在0.08~0.15%。
本发明使用的化学成分中的Nb：Nb也是强碳氮化物形成元素，Nb的碳氮化物可提高钢的强度，Nb的另一个重要作用是在轧制过程中细化钢的显微组织，其含量应大于0.02%，但当其含量大于0.05%时会出现大尺寸的Nb和V的碳氮化物，不利于强度的提高，因此本发明中Nb的含量控制在0.02~0.05%。
本发明使用的化学成分中的B控制在0.0010~0.0030%。微量的B可以显著提高钢的淬透性从而提高其强度，为了达到提高淬透性的效果，B含量应大于0.0010%，但当其含量大于0.0030%时，淬透性基本不再增加，因此将B含量控制在0.0010~0.0030%。
本发明使用的化学成分中的Ni控制在≤0.01%。Ni是钢中的贵金属元素，为了减少生产成本，本发明采用无Ni添加的成分设计思想，应将Ni含量控制在≤0.01%。
本发明使用的化学成分中的S控制在≤0.01%。S是钢中的有害元素，会造成钢的热脆，因此应将本发明中的S含量控制在≤0.01%。
本发明使用的化学成分中的P控制在≤0.015%。P是钢中的有害元素，会显著降低钢的低温韧性；此外，P还会增加钢的回火敏感性，本发明中P含量应控制在≤0.015%。
本发明使用的化学成分中的N控制在≤0.0050%。随着N含量的增加，钢的热延展性显著下降，导致在热轧时出现缺陷，因此本发明中N含量应控制在≤0.0050%。
本发明使用的化学成分中的O控制在≤0.0010%。 O与Ca、Al等形成非金属夹杂物，降低钢板弹簧的疲劳寿命，本发明中O含量控制在≤0.0010%。
本发明使用的化学成分中的H≤0.0001%。对于抗拉强度超过1000MPa的高强钢，氢脆或氢致延迟断裂是其失效的主要形式，本发明的超高强度弹簧钢抗拉强度已远超1000MPa，为了避免本发明钢的氢脆或氢致延迟断裂，应将H含量控制在小于0.0001%。
经所述制备方法得到的超高强度弹簧钢其屈服强度≥1550MPa，抗拉强度≥1800MPa，断后延伸率≥8%，断面收缩率≥30%。
进一步，本发明所得到的超高强度弹簧钢，用于制造单片变截面板簧，在最大应力1200MPa、最小应力400MPa条件下的台架试验疲劳寿命≥20万次，能够满足台架试验要求。说明本发明所得到的超高强度弹簧钢，可以用于生产单片变截面板簧悬架系统。
附图说明：
图1为本发明的实施例1制备的单片或少片变截面板簧用超高强度弹簧钢的金相组织图。
图2为本发明的实施例2制备的单片或少片变截面板簧用超高强度弹簧钢的金相组织图。
图3为本发明的实施例3制备的单片或少片变截面板簧用超高强度弹簧钢的金相组织图。
图4为本发明的实施例4制备的单片或少片变截面板簧用超高强度弹簧钢的金相组织图。
具体实施方式：
用于制造单片或少片变截面板簧的超高强度弹簧钢的化学成分按重量百分比为：
C: 0.48%或0.49%或0.5%0或0.51%或0.52%或0.53%或0.54%；
Si: 0.8%或0.9%或1.0%或1.06%或1.1%或1.2%；
Mn: 0.7%或0.75%或0.78%或0.82%或0.83%或0.88%或0.92%或0.97%或1.0%；
Cr: 0.8%或0.82%或0.86%或0.91%或0.96%或1.1%；
V: 0.08%或0.09%或0.11%或0.13%或0.15%；
Nb: 0.02%或0.023%或0.025%或0.029%或0.035%或0.042%或0.047%或0.05%；
B: 0.0010%或0.0015%或0.0020%或0.0025%或0.0030%；
Ni≤0.01%；S≤0.01%；P≤0.015%；N≤0.0050%；O≤0.0010%；H≤0.0001%；其余为Fe和不可避免的杂质。
用于制造单片或少片变截面板簧的超高强度弹簧钢的制备方法，包括如下步骤：
（1）进行铁水预处理、转炉炼钢、精炼；
（2）连铸；
（3）连铸坯加热；
（4）热轧；
（5）淬火+中温回火处理。
在上述步骤（1）中，铁水预处理，采用KR脱硫深脱硫技术，KR脱硫结束后，使铁水中的S≤0.01%，以保证最终得到的超高强度弹簧钢中的S≤0.01%。
在上述步骤（2）中，连铸过程中拉速为0.7~0.9m/min。
在上述步骤（3）中，连铸坯的加热温度控制在1000~1080℃。
在上述步骤（4）中，控制加热温度在1000~1080℃，开轧温度在900~950℃，终轧温度在830~880℃。
在上述技术方案中，钢坯加热温度控制在1000~1080℃，既能保证钢坯的奥氏体化以及合金元素的均匀化，又能保证原始奥氏体晶粒不至于过分粗大。
本技术方案中热轧采用两阶段轧制，第一阶段在奥氏体再结晶区轧制，通过再结晶过程的反复进行，达到细化奥氏体晶粒的目的，粗轧出口温度应控制在850~900℃。第二阶段在两相区（奥氏体+铁素体）轧制，可进一步细化奥氏体晶粒尺寸，终轧温度控制在830~880℃。
本技术方案中淬火温度控制在900~940℃，目的是为了在实现奥氏体化的同时保证原始奥氏体晶粒度大于7级。淬火保温时间60min。
本技术方案中回火温度控制在400~450℃，重要是为了获得回火屈氏体组织并消除淬火后所产生的应力。回火保温时间120min，回火后将板簧水冷至室温。
以下结合具体实施例对本发明的一种用于制造单片或少片变截面板簧的超高强度弹簧钢及其制备方法作进一步的详细描述：
表1列出了本发明的一种用于制造单片或少片变截面板簧的超高强度弹簧钢及其制备方法的几种具体实施例的化学成分。其中，实施例1、2和3的化学成分及用量一致，为表1中的1#钢；实施例4的化学成分如表1中的2#钢所示。
实施例1~4的制造方法包括如下步骤：进行铁水预处理、转炉炼钢、精炼；连铸；热轧；淬火+中温回火。采用KR脱硫深脱硫技术，KR脱硫结束后，使铁水中的S≤0.01%，以保证最终得到的高强度弹簧钢中的S≤0.01%。连铸过程中，拉速为0.7~0.9m/min。对铸坯加热，控制铸坯加热温度在1000~1080℃。热轧时，控制粗轧出口温度在850~900℃，控制终轧温度在830~880℃。
实施例1~4的淬火温度及保温时间、回火温度及保温时间见表2。实施例1~4的力学性能如表3所示，可见本发明实施例的力学性能均能满足：屈服强度≥1550MPa，抗拉强度≥1800MPa，断后延伸率≥8%，断面收缩率≥30%。此外，还对实施例4进行了3次台架试验，试验时的最大压应力为1200MPa，最小压应力为400MPa，循环应力振幅为常振幅正弦。3次台架试验寿命均高于20万次，能够满足单片变截面板簧对疲劳性能的要求。
由图1～4知，本发明获得的用于制造单片或少片变截面板簧用超高强度弹簧钢的显微组织为回火屈氏体。
表1 实施例1～4中超高强度弹簧钢的化学成分，wt.%
| 编号 | C | Si | Mn | Cr | V | Nb | B |
| 1# | 0.54 | 1.06 | 0.82 | 0.86 | 0.09 | 0.025 | 0.0020 |
| 2# | 0.53 | 1.1 | 0.83 | 0.82 | 0.09 | 0.023 | 0.0015 |
| 编号 | Ni | S | P | N | O | H | |
| 1# | 0.009 | 0.003 | 0.008 | 0.0045 | 0.0007 | 0.00008 | |
| 2# | 0.006 | 0.002 | 0.008 | 0.0041 | 0.0008 | 0.00005 |
表2 实施例1~4中超高强度弹簧钢的热处理条件
| 实施例 | 淬火温度/℃ | 淬火保温时间/min | 回火温度/℃ | 回火保温时间/min |
| 实施例1 | 900 | 60 | 430 | 120 |
| 实施例2 | 910 | 60 | 450 | 120 |
| 实施例3 | 940 | 60 | 450 | 120 |
| 实施例4 | 910 | 60 | 440 | 120 |
表3 实施例1～4的力学性能
| 实施例 | 屈服强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 延伸率/% | 断面收缩率/% |
| 实施例1 | 1750 | 2010 | 8.1 | 31.4 |
| 实施例2 | 1640 | 1920 | 8.6 | 34.2 |
| 实施例3 | 1560 | 1830 | 9.3 | 35.7 |
| 实施例4 | 1680 | 1934 | 8.2 | 33.6 |
虽然以上通过具体实施例对本发明进行了说明，但不仅仅限于这些实施例，在不脱离本发明构思的前提下，还可以有更多变化或改进的其他实施例，而这些变化和改进都应属于本申请的权利要求要求保护的范围。
Claims (9)
1.一种用于制造单片或少片变截面板簧的超高强度弹簧钢，其特征是：化学成分按重量百分比为C: 0.48~0.54%；Si: 0.8~1.2%；Mn: 0.7~1.0%；Cr: 0.8~1.1%；V: 0.08~0.15%；Nb: 0.02~0.05%；B: 0.0010~0.0030%；Ni≤0.01%；S≤0.01%；P≤0.015%；N≤0.0050%；O≤0.0010%；H≤0.0001%；其余为Fe和不可避免的杂质。
2.按照权利要求1所述的用于制造单片或少片变截面板簧的超高强度弹簧钢，其特征是：所述的C为0.54%；Si为1.06%；Mn为 0.82%；Cr为0.86%；V为0.09%；Nb为 0.025%；B为0.0020%。
3.按照权利要求1所述的用于制造单片或少片变截面板簧的超高强度弹簧钢，其特征是：所述的C为0.53%；Si为1.1%；Mn为 0.83%；Cr为0.82%；V为0.09%；Nb为 0.023%；B为0.0015%。
4.一种用于制造单片或少片变截面板簧的超高强度弹簧钢的制备方法，其特征是：包括如下步骤：
（1）进行铁水预处理、转炉炼钢、精炼；
（2）连铸；
（3）连铸坯加热；
（4）热轧；
（5）淬火+中温回火处理。
5.按照权利要求4所述的用于制造单片或少片变截面板簧的超高强度弹簧钢的制备方法，其特征是：所述的铁水预处理采用KR脱硫深脱硫技术，KR脱硫结束后，使铁水中的S≤0.01%，以保证最终得到的超高强度弹簧钢中的S≤0.01%。
6.按照权利要求4所述的用于制造单片或少片变截面板簧的超高强度弹簧钢的制备方法，其特征是：所述连铸坯加热过程中拉速为0.7~0.9m/min。
7.按照权利要求4所述的用于制造单片或少片变截面板簧的超高强度弹簧钢的制备方法，其特征是：所述步骤连铸坯的加热温度为1000~1080℃。
8.按照权利要求4所述的用于制造单片或少片变截面板簧的超高强度弹簧钢的制备方法，其特征是：所述的步骤（4）热轧中，控制加热温度在1000~1080℃，开轧温度为900~950℃，终轧温度为830~880℃。
9.按照权利要求4所述的用于制造单片或少片变截面板簧的超高强度弹簧钢的制备方法，其特征是：淬火温度为900~940℃，回火温度为400~450℃。
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