CN108425075A

CN108425075A - 一种汽车悬架系统用弹簧钢及其制造方法

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Publication number: CN108425075A
Application number: CN201810316596.4A
Authority: CN
Inventors: 王棣; 张健; 朱林林; 王涛; 张灵通; 张刚; 信霖; 李文双; 刘金池; 郭金龙; 刘菲; 成建庆; 杨玉国; 高延国; 张良; 付鹏冲
Original assignee: Xi Wang Metal Technology Co Ltd
Current assignee: Zhongke Xiwang Special Steel Co ltd
Priority date: 2018-04-10
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2018-08-21
Anticipated expiration: 2038-04-10
Also published as: CN108425075B

Abstract

本发明涉及钢铁技术领域，尤其涉及一种汽车悬架系统用弹簧钢及其制造方法，所述的弹簧钢包括以下组分：碳0.57～0.62％，硅1.55～1.65％，锰0.80～0.95％，铜≤0.15％，铝0.007～0.025％，磷≤0.015％，硫≤0.006％。本发明所述的汽车悬架系统用弹簧钢，用作钢板弹簧，是车辆悬架系统的重要组成部件，直接影响车辆的乘坐舒适性，行驶稳定性和安全可靠性。通过制造过程中的各项控制措施，使得制造出的弹簧钢具有良好的力学性能、疲劳性能、抗弹性性能以及物理化学性能，保证了整个弹簧截面获得均匀的组织等。

Description

一种汽车悬架系统用弹簧钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及钢铁技术领域，尤其涉及一种汽车悬架系统用弹簧钢的制造方法。

背景技术

随着近年来汽车的轻量化和高性能的要求，迫切需要提高弹簧钢的强度，提高弹簧的设计应力。汽车悬架系统弹簧用钢分为热轧弹簧扁钢和圆钢与盘条两个部分，前者适用于汽车悬架系统中钢板弹簧用热轧扁钢的生产，后者适用于汽车悬架系统中螺旋弹簧，稳定杆和扭杆用弹簧圆钢和盘条的生产。

钢板弹簧是车辆悬架系统的重要组成部件，直接影响车辆的乘坐舒适性，行驶稳定性和安全可靠性。随着我国汽车工业的飞速发展，汽车保有量的大量增加，钢板弹簧的使用量相当可观。

钢板弹簧主要使用热轧弹簧钢60Si2Mn作为原材料，因此如何设计一种具有良好的力学性能、疲劳性能、抗弹减性能以及物理化学性能，而且要有高的淬透性，保证整个弹簧截面获得均匀的组织的弹簧钢成为研究的重点。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种汽车悬架用弹簧钢，具体技术方案如下：

一种汽车悬架系统用弹簧钢，其特征在于，包括以下组分：碳0.57～0.62％，硅1.55～1.65％，锰0.80～0.95％，铬0.15～0.25％，铜≤0.15％，铝0.007～0.025％，磷≤0.015％，硫≤0.006％，其余为Fe以及不可除去的杂质。

作为优选，所述汽车悬架系统用弹簧钢的力学性能为：Rm≥1300MPa，Rp_0.2≥1200MPa，A_11.3≥15％，Z≥25％。

作为优选，所述汽车悬架系统用弹簧钢连铸坯(160mm*160mm)的碳波动值控制在≤0.06％，偏析指数控制在0.97-1.00。

作为优选，所述汽车悬架系统用弹簧钢氧含量控制在≤10ppm,硫含量控制在≤0.002％；钢中的B类、C类、D类夹杂物控制在≤1.0级。

作为优选，所述汽车悬架系统用弹簧钢连铸坯(160mm*160mm)不存在表面裂纹；低倍质量，中心疏松≤0.5级。

本发明还公开了上述任一所述的汽车悬架系统用弹簧钢的制造方法，具体方案如下：

一种汽车悬架系统用弹簧钢的制造方法，包括以下步骤：

步骤一、纯净度的控制：采用电炉炉后铝深脱氧的方式，去除钢水中的氧含量与硫含量，电炉炉后加入铝锭，通过沉淀脱氧，有效的使强脱氧剂Al与钢中的溶解氧反应，形成簇状Al₂O₃，上浮到渣中，与渣中CaO形成低熔点12CaO·7Al₂O₃渣系；利用LF全程钢包底吹氩，使LF整个精炼过程都为铝类夹杂物的上浮创造条件，便于夹杂物的吸附；LF精炼全程杜绝用铝，消除了小尺寸氧化物的产生，避免了因AlN沿奥氏体晶界析出而导致的表面裂纹；LF后期加入硅铁进行成份调整，避免了C类夹杂物的产生，从而达到了钢水的纯净度控制。

步骤二、表面质量的控制：连铸采用结晶器弱冷，冷却水量控制在110-120m³/h，二冷采用三段冷却方式，比水量控制在0.20-0.25L/Kg,保证铸坯表面入拉矫温度＞910℃，使钢坯在奥氏体区完成矫直，避免了拉矫裂纹的产生，获得了良好表面质量的连铸坯；

步骤三、低倍质量的控制：严格控制低熔点硫化物及硅酸盐夹杂物的产生，消除偏角部内裂纹的产生；采用前期铝脱氧，高碱度脱硫的工艺，确保钢中S≤0.006％，避免了高熔点CaS的生成,从而消除了连铸的水口堵塞，实现了连浇的顺畅，为低过热度、恒拉速浇铸创造了条件，获得致密性良好的铸坯，钢水过热度控制在20-25℃的范围，避免了大缩孔的产生，获得致密性良好的铸坯；当钢中含铝≤0.010％的钢液，S≤0.006％时，集中加入硅铁进行硅含量的调整，此时钢水中的氧含量及硫含量超低，从而硅铁只起到合金化的作用，不会形成低熔点的硫化物及硅酸盐夹杂物，因而铸坯冷却初期，不存在低熔点的物质，因而冷却过程角部产生的内应力达不到钢材薄弱区的强度，不会导致角部裂纹的产生。

步骤四、碳偏析的控制：添加强碳化物形成元素Cr：0.15％-0.25％，与钢中的碳形成铬的合金渗碳体(Fe、Cr)₃C，固定钢中碳，凝固过程中有效的降低了碳偏析指数，低过热度、恒拉速浇铸，降低碳偏析指数；调整末端电磁搅拌(F-EMS)为交替搅拌模式，配合适当的电流与频率(320A，8HZ)，交替搅拌模式可以有效防止细等轴晶的聚集，并使细晶能致密地填充到凝固末期，定期交替搅拌改变枝晶间钢水的流动方向，抑制偏析通道形成从而减轻白亮带的影响。

作为优选，所述步骤一、步骤三中，硅铁的加入时机：在LF精炼过程当钢水中Al≤0.010％，S≤0.003％，方可加入硅铁进行成分硅的调整。

作为优选，所述步骤三中在LF精炼过程精炼渣系采用高碱度精炼渣系，渣料碱度R≥5,电炉出钢加入占钢水总量0.9％的石灰，占钢水总量0.3％的高碱度精炼渣，LF精炼初期加入占钢水总量0.2％的石灰、占钢水总量0.2％的低碱度精炼渣调渣。

作为优选，所述高碱度精炼渣的成分为：SiO₂：10.78％，CaO:63.92％，MgO：9.63％，Al₂O₃：14.49％，TFe：0.39％，MnO：0.17％，R:5.93。

本发明的有益效果

本发明所述的汽车悬架系统用弹簧钢，用作钢板弹簧，是车辆悬架系统的重要组成部件，直接影响车辆的乘坐舒适性，行驶稳定性和安全可靠性。通过对成分进行合金强化，以及制造过程中的各项控制措施，使得制造出的弹簧钢具有良好的力学性能、疲劳性能、抗弹减性能以及物理化学性能，保证了整个弹簧截面获得均匀的组织等。

附图说明

图1为弹簧钢中夹杂物的实测金相图；

图2为表面质量良好的铸坯表面图；

图3为弹簧钢铸坯偏角部裂纹图；

图4为过热度与等轴晶的关系及缩孔的形成机理图；

图5为弹簧钢160mm*160mm方坯低倍图片(中心疏松0.5级)；

图6为弹簧钢碳含量和偏析指数测试位置图。

具体实施方式：

为了更好地理解本发明，下面用具体实例来详细说明本发明的技术方案，但是本发明并不局限于此。

实施例1

一种汽车悬架用弹簧钢，包括以下组分：碳0.57～0.62％，硅1.55～1.65％，锰0.80～0.95％，铬0.15～0.25％，铜≤0.15％，铝0.007～0.025％，磷≤0.015％，硫≤0.006％。

作为优选，汽车悬架系统用弹簧钢的力学性能为：Rm≥1300MPa，Rp0.2≥1200MPa，A_11.3≥15％，Z≥25％。

作为优选，，汽车悬架系统用弹簧钢连铸坯(160mm*160mm)的碳波动值控制在≤0.06％，偏析指数控制在0.97-1.00。

作为优选，汽车悬架系统用弹簧钢氧含量控制在≤10ppm,硫含量控制在≤0.002％；钢中的B类、C类、D类夹杂物控制在≤1.0级。

作为优选，汽车悬架系统用弹簧钢连铸坯(160mm*160mm)不允许存在表面裂纹；低倍质量，中心疏松≤0.5级。

根据以上的成份设计，实施过程中的成分控制实测值见表1：

表1化学成分内控控制范围

在制造弹簧钢的过程中，实际控制成分的过程能力控制指数Cpk≥1.8，达到A+级水平，达到了设计要求，具体试验炉号成分见表2。

表2实测化学成分控制值

实施例2

一种汽车悬架系统用弹簧钢的制造方法，包括以下步骤：

步骤一：纯净度的控制：采用电炉炉后铝深脱氧的的方式，去除钢水中的氧含量与硫含量，利用LF全程底吹氩，制造低熔点的12CaO·7Al₂O₃精炼渣上浮到渣中，便于夹杂物的吸附；LF精炼全程杜绝用铝，消除了小尺寸氧化物的产生，避免了因AlN沿奥氏体晶界析出而导致的表面裂纹；LF后期加入硅铁进行成份调整，避免了C类夹杂物的产生，从而达到了钢水的纯净度控制。

钢水的全氧含量主要由两部分组成：一部分是未来得及上浮的前期脱氧产物，卷入钢水的渣、耐火材料等；另一部分是溶解氧。有效的控制钢中的全氧含量可以改善钢水的纯净度。

本发明通过电炉炉后的加入铝锭50公斤-75公斤，通过沉淀脱氧，有效的使强脱氧剂Al与钢中的溶解氧反应，形成簇状Al₂O₃，上浮到渣中，与渣中CaO形成低熔点12CaO·7Al₂O₃渣系，通过钢包底吹氩，使LF整个精炼过程都为铝类夹杂物的上浮创造条件，并配合大渣量制造高碱度渣(渣量：1吨-1.2吨/炉)，实现LF的快速脱氧、脱硫效果；整个LF精炼过程杜绝用铝，消除了小尺寸氧化铝类夹杂物的产生；通过该系列的举措，钢中的全氧含量控制在5-10ppm,S含量控制在≤0.001％，各类夹杂物均达到设计要求。高碱度精炼渣成分：SiO₂：10.78％，CaO:63.92％，MgO：9.63％，Al₂O₃：14.49％，TFe：0.39％，MnO：0.17％，R:5.93。具体夹杂物形貌见图1。

步骤二：表面质量的控制：连铸采用结晶器弱冷，冷却水量控制在110-120m³/h，二冷采用三段冷却方式，比水量控制在0.20-0.25L/Kg,从而保证了铸坯表面入拉矫温度＞910℃，使钢坯在奥氏体区完成矫直，避免了拉矫裂纹的产生，获得了良好表面质量的连铸坯。

弹簧钢硅含量较高，对于高硅钢，LF的整个精炼过程禁止用铝脱氧，因为高硅钢向钢水中加入硅铁后用铝脱氧，会生成很多的难熔的脱氧产物(莫来石三氧化二铝、硅酸铝)，它们能增加钢液的粘度，在浇铸时易在连铸坯表面上生成结膜表裂，在连铸坯中心带发生内裂，分层和空洞。但硅铁合金中含有一定的铝含量，所以将钢中铝规定为0.007％-0.025％。

[AlN]往往在600-900℃沿晶界以细碎的分子状态析出，降低钢的塑性，此时对铸坯施加拉矫压应力时，容易导致铸坯开裂，将矫直温度规定为≥910℃。

弹簧钢的连铸工艺采用弱冷，对于160mm*160mm断面，控制结晶器水量110-120m³/h，二冷采用三段冷却，比水量控制在0.20-0.25L/Kg,保证了铸坯表面入拉矫温度＞910℃，避免了拉矫裂纹的产生，从而获得良好表面质量的铸坯，见图2。

步骤三：严格控制低熔点硫化物及硅酸盐夹杂物的产生低倍质量的控制：严格控制低熔点硫化物及硅酸盐夹杂物的产生，消除了偏角部裂纹的产生；采用前期铝脱氧，高碱度脱硫的工艺，确保钢中S≤0.006％，避免了高熔点CaS的生成,从而消除了连铸的水口堵塞，实现了连浇的顺畅，为低过热度、恒拉速浇铸创造了条件，获得致密性良好的铸坯。

对于弹簧钢，当钢中Si含量≥1.60时，钢水将不利于深脱氧及脱硫的进行，并且对于该类高硅钢极容易生成硅酸盐类夹杂物。钢中低熔点的硫化物及硅酸盐夹杂物容易在铸坯偏角部偏聚，加之方坯偏角部冷却过程会产生内应力，两者的叠加会导致角部裂纹的产生，见图3。

为避免上述低熔点物质的出现，在工艺设计过程，电炉炉后及精炼初期采用铝及高碱度渣进行钢水的集中脱氧及脱硫；当钢中含铝≤0.010％的钢液，S≤0.006％时，集中加入硅铁进行硅含量的调整，此时钢水中的氧含量及硫含量超低，从而硅铁只起到合金化的作用，不会形成低熔点的硫化物及硅酸盐夹杂物，因而铸坯冷却初期，不存在低熔点的物质，因而冷却过程角部产生的内应力达不到钢材薄弱区的强度，不会导致角部裂纹的产生。

高的钢水过热度将使铸坯的柱状晶更为粗大，加剧晶间裂纹的产生的同时也使钢液在最终凝固阶段产生“搭桥”(见图4)的几率进一步增加，从而产生缩孔。本发明通过精炼过程控制硫化物的形成，得到低熔点铝酸钙而不形成高熔点CaS,从而消除了连铸的水口堵塞，实现了连浇的顺畅，为低过热度、恒拉速浇铸创造了条件，实际控制过程钢水过热度控制在20-25℃的范围，避免了大缩孔的产生，获得致密性良好的铸坯，见图5。

步骤四：碳偏析的控制：添加强碳化物形成元素Cr，降低碳偏析指数；调整末端电磁搅拌(F-EMS)为交替搅拌模式，配合适当的电流与频率，抑制碳偏析通道形成并且避免了白亮带的产生。

弹簧钢作为高碳钢，由于碳含量较高造成导热性差、凝固区间大，铸坯本身容易产生碳偏析。高的碳偏析的存在将恶化弹簧扁钢的质量。碳偏析对机械性能有影响，可使强度增高，塑、韧性降低，在中高碳钢中表现得更为敏感。特别严重的碳偏析断面收缩率和强度指标都将强烈降低，甚致造成脆断。

添加Cr元素降低碳偏析指数

铬是钢中的强碳化物形成元素，钢中的铬一部分置换铁形成合金渗碳体，提高其稳定性；一部分溶入铁素体中，产生固溶强化，提高铁素体的强度和硬度。添加0.15％-0.25％的铬，与钢中的碳形成铬的合金渗碳体(Fe、Cr)₃C，固定钢中碳，凝固过程中有效的降低了碳偏析指数。

低过热度、恒拉速浇铸降低铸坯碳偏析指数。

连铸中间包浇注钢液温度和拉坯速度对钢结晶过程的碳偏析有很大影响。钢液浇铸过热度提高,铸坯凝固散热量增大且坯壳厚度减薄,铸坯断面温度梯度大,易偏析元素如碳有条件按照选分结晶的方式扩散凝固,从而形成明显的偏析缺陷；在相同的浇铸过热度下,拉速提高也会使凝固散热量增大、坯壳减薄,效果等同于过热度提高,导致偏析程度加大。

末端电磁搅拌交替搅拌降低铸坯碳偏析指数

末端电磁搅拌(F-EMS)使铸坯内部产生电磁力，在电磁力的作用下，铸坯内部钢液开始旋转。中心高温的钢液绕树枝状晶旋转，使树枝状晶根部融化脱落，成为凝固的核心，组织更加致密。另外，机械力的作用也可折断在长大的树枝晶，增加等轴晶率，晶核通过搅拌促进高浓度钢液的对流，消除晶间的搭桥，消除因选分结晶造成的钢液各成分浓度不均匀现象，从而有效的降低碳偏析指数。

应用F-EMS连续搅拌模式后，发现采用单向连续搅拌碳波动±0.08％，偏析指数0.92-1.05；为了进一步优化碳偏析指数，将末端电磁搅拌的搅拌方式调整为交替搅拌模式，交替搅拌模式可以有效防止细等轴晶的聚集，并使细晶能致密地填充到凝固末期，定期交替搅拌改变枝晶间钢水的流动方向，抑制偏析通道形成从而减轻白亮带的影响。实测碳波动±0.03％，偏析指数0.97-1.00，具体见图6，表3。

表3.碳含量和偏析指数测试结果

Claims

1.一种汽车悬架系统用弹簧钢，其特征在于，包括以下组分：碳0.57～0.62％，硅1.55～1.65％，锰0.80～0.95％，铬0.15～0.25％，铜≤0.15％，铝0.007～0.025％，磷≤0.015％，硫≤0.006％。

2.根据权利要求1所述的汽车悬架系统用弹簧钢，其特征在于，所述弹簧钢的力学性能为：Rm≥1300MPa，Rp_0.2≥1200MPa，A_11.3≥15％，Z≥25％。

3.根据权利要求1所述的汽车悬架系统用弹簧钢，其特征在于，所述弹簧钢连铸坯的碳波动值控制在≤0.06％，偏析指数控制在0.97-1.00。

4.根据权利要求1所述的汽车悬架系统用弹簧钢，其特征在于，所述弹簧钢氧含量控制在≤10ppm,硫含量控制在≤0.002％；钢中的B类、C类、D类夹杂物控制在≤1.0级。

5.根据权利要求1所述的汽车悬架系统用弹簧钢，其特征在于，所述弹簧钢连铸坯不存在表面裂纹；低倍质量，中心疏松≤0.5级。

6.如权利要求1-5任一所述的汽车悬架系统用弹簧钢的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、纯净度的控制：采用电炉炉后铝深脱氧的方式，去除钢水中的氧含量与硫含量，利用LF全程底吹氩，制造低熔点的12CaO·7Al₂O₃精炼渣上浮到渣中，便于夹杂物的吸附；LF精炼全程杜绝用铝；LF后期加入硅铁进行成份调整；

步骤二、表面质量的控制：连铸采用结晶器弱冷，冷却水量控制在110-120m³/h，二冷采用三段冷却方式，比水量控制在0.20-0.25L/Kg,保证铸坯表面入拉矫温度＞910℃，使钢坯在奥氏体区完成矫直；

步骤三、低倍质量的控制：严格控制低熔点硫化物及硅酸盐夹杂物的产生，消除偏角部内裂纹的产生；采用前期铝脱氧，高碱度脱硫的工艺，确保钢中S≤0.006％，避免高熔点CaS的生成，钢水过热度控制在20-25℃的范围；当钢中含铝≤0.010％的钢液，S≤0.006％时，集中加入硅铁进行硅含量的调整；

步骤四、碳偏析的控制：添加强碳化物形成元素Cr：0.15％-0.25％，低过热度、恒拉速浇铸，降低碳偏析指数；调整末端电磁搅拌为交替搅拌模式，抑制碳偏析通道形成并且避免白亮带的产生。

7.根据权利要求6所述的汽车悬架系统用弹簧钢的制造方法，其特征在于，所述步骤一、步骤三中，硅铁的加入时机：在LF精炼过程当钢水中Al≤0.010％，S≤0.003％，方可加入硅铁进行成分硅的调整。

8.根据权利要求7所述的高寿命轴承钢的制造方法，其特征在于，所述步骤三中在LF精炼过程精炼渣系采用高碱度精炼渣系，渣料碱度R≥5,电炉出钢加入占钢水总量0.9％的石灰，占钢水总量0.3％的高碱度精炼渣，LF精炼初期加入占钢水总量0.2％的石灰、占钢水总量0.2％的低碱度精炼渣调渣。

9.根据权利要求8所述的高寿命轴承钢的制造方法，其特征在于，所述高碱度精炼渣的成分为：SiO₂：10.78％，CaO:63.92％，MgO：9.63％，Al₂O₃：14.49％，TFe：0.39％，MnO：0.17％，R:5.93。