CN1091165C - 悬挂弹簧钢 - Google Patents
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本发明是一种用于汽车悬挂螺旋弹簧及类似产品的悬挂弹簧钢。它是一种高碳合金弹簧钢，按重量百分比计，其成份配比为：C0.1～0.70%，Si0.80～1.70%，Mn0.50～1.0%，Cr0.50～0.80%，W0.01～0.5%，稀土元素0.005～0.25%。本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。
Description
本发明涉及一种用于汽车悬挂螺旋弹簧及类似产品的悬挂弹簧钢，特别是一种高碳合金弹簧钢。
随着汽车轻量化，对减轻悬挂弹簧重量的要求不断提高。为了满足这种要求，设计高应力弹簧并在高应力状态下使用可以说是减轻重量的一个有效途径。迄今为止，55SiCr钢(相当于美国的SAE9254、日本的SUP12钢)已经普遍使用于汽车悬挂弹簧上，这些弹簧的设计应力水平为980Mpa(100kgf/mm2)，但是最近几年发展目标要求117Mpa(120kgf/mm2)以上的应力。现有弹簧在这种高应力下会出现疲劳寿命降低和弹性减退两个问题。此外，现有弹簧中高Si含量钢的表面质量不佳，增加了脱碳倾向，降低了弹
在1992年11月24日申请的、专利号为US5310251、名称为“悬挂弹簧钢的组成”的美国专利中提供一种弹簧钢，其成份按重量百分比计为：C0.50～0.64％，Si0.80～1.35％，Mn0.60～0.90％，Cr0.05～0.60％，V0.08～0.13％，N0.012～0.02％，Mo0.005～0.02％，Nb0.001～0.005％，Ni0.005～0.05％，余量为Fe。该专利主要通过加入适量的V、Nb、Ni和足够的N，弹簧钢的抗弹减性和抗疲劳性能有所提高。但该钢的成份复杂、成本较高、淬透性不够，对于大型汽车或其它类似设备使用的粗螺旋弹簧，在热处理时很难将芯部淬硬，芯部组织趋向形成硬度低于马氏体的贝氏体或铁素体+珠光体，因而大大减弱了加入V、Ni或Mo改善抗弹减性的效果。
本发明的目的在于提供一种淬透性、抗弹减性和疲劳寿命良好的低成本的高应力悬挂弹簧钢。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：本发明是一种高碳合金弹簧钢，特点在于通过加入适量的W和稀土元素，来提高本弹簧钢的淬透性，抗弹减性和疲劳寿命。按重量百分比计，其成分配比如下：C0.50～0.7％，Si0.80～1.70％，Mn0.50～1.00％，Cr0.50～0.80％，W0.01～0.5％，稀土元素0.005～0.25％，余量为Fe。其中稀土元素可以是稀土类元素中的任一元素或任几种元素的混合。如稀土元素为La、Y和Ce中的任一种，或者任两种或三种的混合。上述的W，最佳含量应为0.01～0.20％，而稀土元素的最佳含量应为0.005～0.10％。
下面对本发明弹簧钢成分配比设计作详细的机理说明：
本发明弹簧钢加入稀土元素改善了钢材的抗弹减性、抗疲劳性和淬透性。由于稀土元素加入后细化了原始奥氏体的晶粒尺寸，提高了钢材的综合力学性能；它净化了基体，改善了夹杂物数量和尺寸，从而提高了抗疲劳性能；另外，稀土元素加入后改善了表面质量，抗脱碳性能提高。把稀土元素按重量计控制在0.25％以下的原因是由于超过这一数值后很可能产生晶粒粗化。
W是一种强烈的高淬透性和提高永久变形抗力的元素，而且还可以防止脱碳，从而改善钢材的淬透性、抗弹减性和抗疲劳性。将W含量按重量计控制在0.01～0.5％的原因是：如果含量低于0.01％，效果不明显；而当含量超过0.5％时，将会使钢的韧性变差并易产生粗大的碳化物，从而降低疲劳强度。
C是保证钢丝室温强度所必须的成份，但当减轻汽车重量要求高应力时，应限制碳含量。碳含量按重量计低于0.5％，钢丝强度不够；高于0.7％则韧性变坏。因此宜采用含量为0.5～0.7％。
Si是一种廉价元素，可改善淬火及回火处理螺旋弹簧的永久变形抗力。按重量计低于1％含量使其效果下降；当含量超过1.6％，淬火及回火钢材的韧性下降，热轧钢材也同样如此。Si提高了碳的活度，促进钢材加热、轧制及热处理过程的脱碳。另外，Si在炼钢过程中易形成非金属夹杂物，降低悬挂弹簧钢性能的可靠性。因此，宜采用Si含量为1.0～1.6％。
当钢中加入Cr后，降低钢材的抗弹减性。但是，Cr含量按重量计小于0.8％时，对弹减性能无影响。另外，Cr明显降低淬火及回火钢材的韧性，但含量低于0.8％时无太大影响；另一方面，Cr有利于热轧钢的冲击韧性，保证了拉丝工艺的稳定可靠性。但Cr含量小于0.5％，这方面的作用就不明显；与此同时，Cr降低了碳的活度，可以防止加热、轧制和热处理过程中的脱碳行为，因此增加了质量可靠性。当Cr含量小于0.5％时，这种效应就不明显。因此宜采用Cr含量为0.5～0.8％。
Mn是有利于消除S的有害作用，又有利于脱氧。但发现当Mn含量按重量计小于0.5％时作用较小。当Mn含量超过1％时，淬透性提高很大，在热轧时韧性变坏，以致影响钢丝的生产。因此宜采用Mn含量为0.5～1.0％。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出特点和显著优点：本发明弹簧钢中，由于加入了稀土元素和钨，细化了原始奥氏体的晶粒尺寸，增加了钢的淬透性，提高了钢材的综合力学性能。此外，稀土元素加入后改善了表面质量，抗脱碳性能提高。由于稀土元素的净化作用以及晶粒细化作用，有害的Al2O3夹杂物的数量和尺寸有所减少，总的夹杂物也由于O、N、Al、S等有害元素的含量下降而降低，保证了弹簧钢的抗疲劳性能。所有这些效果，使钢材的抗弹减性、抗疲劳性能以及设计应力的提高幅度达20％以上。本发明加入微量的稀土元素和钨后，可以极大地提高淬透性，取代大量的合金元素，不但降低钢材成本，而且可用于制造大型弹簧。
附图的图面说明如下：
图1是本发明四个实施例A1、A3、A5、A6与两个对照钢B1、B2的钢
材淬透性曲线图。
图2是本发明两个实施例A1、A6与两个对照钢B1、B2的钢材850～1100℃奥氏体化温度加热后的奥氏体晶粒度变化曲线图。
现以表列出本发明的六个实施例A1、A1、A3、A4、A5、A6和两个对照钢B1、B2的化学成份、力学性能、抗弹减性、夏比冲击试验结果和疲劳性能。对照钢B1是美国钢号SAE9254相当于中国牌号55SiCr钢、B2是美国钢号为SAE9259+V钢。
表1本发明钢、常规钢和比较钢的化学成分，％(按重量计)
| C | Si | Mn | Cr | W | 稀土 | V | Mo | Ni | N | 备注 | |
| A1 | 0.50 | 1.88 | 0.70 | 0.65 | 0.07 | 0.005 | 本发明钢 | ||||
| A2 | 0.52 | 1.45 | 0.64 | 0.64 | 0.10 | 0.025 | |||||
| A3 | 0.56 | 1.02 | 0.65 | 0.68 | 0.15 | 0.087 | |||||
| A4 | 0.58 | 1.40 | 0.58 | 0.63 | 0.18 | 0.054 | |||||
| A5 | 0.55 | 1.37 | 0.88 | 0.67 | 0.19 | 0.082 | |||||
| A6 | 0.52 | 1.35 | 0.62 | 0.67 | 0.20 | 0.052 | |||||
| B1 | 0.56 | 1.89 | 0.64 | 0.71 | 对照钢 | ||||||
| B2 | 0.58 | 0.81 | 0.87 | 0.49 | 0.11 | 0.006 | 0.011 | 0.0189 |
表1表示试验钢的化学成分，其中A1～A6为本发明钢，B1、B2为对照钢。从表可以看出，对照钢中没有稀土元素和钨。
表2试验钢的力学性能
| 钢号 | 抗拉强度，Mpa | 0.2％屈服强度，Mpa | 延伸率，％ | 面缩率，％ |
| A1 | 1610 | 1420 | 12 | 38 |
| A2 | 1635 | 1420 | 13 | 39 |
| A3 | 1642 | 1430 | 14 | 36 |
| A5 | 1657 | 1425 | 13 | 37 |
| A6 | 1688 | 1430 | 15 | 40 |
| B1 | 1423 | 1220 | 12 | 32 |
| B2 | 1588 | 1358 | 13 | 36 |
表1中的试验钢浇铸后以至少50％的压下量进行热轧，随后在可得到1568Mpa(160kgf/mm2)抗拉强度的温度进行淬火和回火处理。得到的0.2％屈服强度、延伸率、面缩率见表2所示。可以看出，在钢中加入稀土元素和钨后，本发明钢的力学性能整体优于对照钢B1和B2，并且本发明钢之间无明显差别。
表3试样钢的抗弹减性
| 钢号 | 24小时后扭转蠕变应变(×10-6) |
| A1 | 1548 |
| A2 | 1510 |
| A3 | 1428 |
| A5 | 1409 |
| A6 | 1315 |
| B1 | 2060 |
| B2 | 1605 |
表3给出了用于评价试样钢的扭转蠕变试验结果。用下述方法进行扭转蠕变试验。将每种试验钢加工成直径为20mm的圆棒，然后制备成平行部分直径为8.5mm的试样。将上述制备的试样进行淬火回火处理，最终硬度为HRC55。鉴于使用时螺旋弹簧受到扭矩的作用，并且认为弹减性是一种蠕变，所以根据这些试验结果可评价螺旋弹簧的抗弹减性。立定后，向其施加一个扭矩，使平行部分的表面剪切应力为1176Mpa(120kgf/mm)，24小时后，测试试样的蠕变应变。结果表明，本发明钢的抗弹减性优于对照钢。
表4试验钢的夏比冲击试验结果
| 钢号 | 冲击值，J/cm2 |
| A1 | 60.4 |
| A2 | 58.2 |
| A3 | 56.5 |
| A5 | 59.8 |
| A6 | 57.9 |
| B1 | 35.4 |
| B2 | 50.3 |
表4给出表1中各试验钢的夏比冲击试验结果。按下述方法进行试验。上述各种试验钢加工成55×27.5mm的板状试样，制成夏比冲击试验用GB2106-80V型缺口试样。然后淬火回火处理，试样最终硬度为55HRC。表4可以看出，本发明钢A1～A6在HRC55硬度时的冲击值高于对照钢(B1，B2)。
表5本发明钢和对照钢的疲劳性能
| 钢号 | 循环次数 |
| A1 | 2×105未断 |
| A2 | 2×105未断 |
| A3 | 2×105未断 |
| A5 | 2×105未断 |
| A6 | 2×105未断 |
| B1 | 4×104 |
| B2 | 1×105 |
对试验钢制成的弹簧(淬火及回火硬度为55HRC)反复施加载荷使平均应力和应力载荷分别为833Mpa和441Mpa进行疲劳试验。试验结果见表5所示。从表可知，本发明钢即使在HRC55硬度下，耐久性仍明显优于对照钢。反复加载200000次，任何一支弹簧均未出现断裂。
上列的实施例A1、A3、A5、A6、和对照钢B1、B2的淬透性曲线见图1，可看见本发明弹簧钢的淬透性明显优于对照钢的淬透性。上列实施例A1、A6和对照钢B1、B2奥氏体晶粒度变化曲线见图2。
Claims (4)
1.一种悬挂弹簧钢，它是一种高碳合金弹簧钢，其特征在于按重量百分比计，其成分配比为：
C：0.50～0.70％，
Si：0.80～1.70％，
Mn：0.50～1.00％，
Cr：0.50～0.80％，
W：0.01～0.50％，
稀土元素：0.005～0.25％。
余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的悬挂弹簧钢，其特征在于稀土元素是稀土类元素中的任一元素或任几种元素的混合。
3.根据权利要求2所述的悬挂弹簧钢，其特征在于稀土元素为La、Y和Ce中的任一种、或者任两种或三种的混合。
4.根据权利要求1、或2、或3所述的悬挂弹簧钢，其特征在于W的含量为0.01～0.20％，稀土元素的含量为0.005～0.10％。
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