CN109161803B - 一种1550MPa级弹簧扁钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种1550MPa级弹簧钢，各组分及其所占质量百分比包括:C 0.48～0.61％，Si 0.4～0.9％，Mn 0.60～1.20％，P≤0.025％，S≤0.025％，Cr 0.75～1.25％，Nb 0.01～0.05％，B 0.001～0.004％，Al 0.010～0.025％，N 0.005～0.009％，其余为Fe及不可避免的杂质。本发明结合成分涉及和工艺创新，开发出具有优异使用性能和优化组织结构的较高洁净度弹簧用钢；且涉及的制备方法简单、成本低，具有重要的推广应用价值。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶金生产制造领域，涉及线棒材钢铁产品及其生产方法，具体涉及一种1550MPa级弹簧扁钢及其生产方法。
背景技术
汽车用弹簧扁钢，是各种商用车、客车及特种汽车减震系统中最重要的弹性元件，广泛应用于汽车、铁路、航空、国防等领域。由于服役环境的特殊性，要求弹簧扁钢具有较高的强度、良好韧性和优异的淬透性以及优良弹性减退抗力。
能源短缺问题已成为制约我国汽车产业可持续发展的突出问题，无论是从社会效益还是经济效益来考虑，低油耗、低排放的汽车是节约型社会发展的最终需要。汽车轻量化技术是汽车节油的重要手段，试验表明：汽车质量每下降10％，油耗约下降3～5％。重型汽车采用高强度高韧性钢板弹簧用钢可减少弹簧总成自身质量的30～50％。受此影响，汽车钢板弹簧用钢发展趋势总体上向轻量化、高应力、高可靠度方向发展。弹簧扁钢主要牌号为65Mn、60Si2Mn、SUP9、50CrVA、60CrMnMo、51CrV4等，最高抗拉强度级别1450Mpa，虽然工程应用的弹簧扁钢最高级别为60Si2CrV，其强度达到1860Mpa，但一般仅用于高速铁路专用弹簧且成本较高。
目前，关于1500MPa级弹簧扁钢及其生产方法有一定的报道：中国专利申请号CN201510096873.1公开了一种耐候弹簧扁钢，按重量百分比计，其成分为：Si 0.30～0.40％、Mn 0.85～0.95％、C 0.54～0.62％、Cr 0.85～0.95％、B 0.001～0.004％、P≤0.025％、S≤0.020％、Ni≤0.25％、Cu≤0.25％、钢材中N≤0.0070％，余量为Fe；生产该钢种的热处理制度如下：淬火温度830～860℃，淬火介质：油，回火温度470～530℃。该钢抗回火弹性较差，主要是其含硅量较低；同时，其强度较低，屈服强度均值为1340MPa，抗拉强度均值为1400MPa，不适宜用于中型、重型系列卡车，不适合汽车轻量化发展。
中国专利CN01104026.2公开了一种高强度、高韧性弹簧钢，所述弹簧钢含有(重量％)：C 0.30～0.50％，Si 1.80～3.00％，Mn 0.40～0.80％，Cr 0.90～1.60％，Ni 0～2.10％，Mo 0～0.40％，V 0.08～0.40％，Cu≤0.25％，P≤0.020％，S≤0.020％，其余是铁和其他不可避免的杂质。经热处理后其机械性能可达到屈服强度≥1750MPa，抗拉强度≥1950MPa，A≥9％，Z≥30％。该发明钢含有较高的Si成分，虽能保证较强的抗弹减性，但氧化脱碳倾向非常大，且含有较多价格昂贵的V合金元素，成本较高。
中国专利CN201610265672.4公开了一种高强度耐蚀弹簧钢及其制造方法，其化学元素质量百分比为：C 0.50-0.65％，Si 1.35-2.20％，Mn 0.55-1.55％，Cr 0.60-1.70％，Ni 0.20-1.2％，Cu 0.20-1.0％，V 0.05-0.20％，Nb 0.01-0.15％，Al 0.001-0.020％，N0.002-0.008％，O 0.0007-0.006％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。该发明所得高强度耐蚀弹簧钢的抗拉强度可以达到2000MPa以上，但该钢含有的化学成分复杂多样，增加了冶炼过程中成分命中率和夹杂物控制难度，合格率较低导致成本较高，市场接受度极低。
中国专利申请号CN 200510018800.7公开了高强韧性高淬透性弹簧扁钢，其化学成分为(重量百分比)：C 0.48～0.55％，Si 0.17～0.37％，Mn 0.70～1.00％，Cr 0.80～1.10％，B 0.001～0.004％，Ni≤0.35％、Cu≤0.25％、P≤0.03％、S≤0.03％，其余为Fe。该发明旨在提出一种强韧性与50CrVA相当，淬透性与60CrMnBA相当，且价格经济的高强韧性高淬透性弹簧钢材料。但该钢因其含Si量较低抗回火弹性较差，同时，该钢强度级别及淬透性方面均无法满足高端用户要求。
中国专利CN 200910011156.9公开了一种耐大气腐蚀的高速列车用弹簧钢及热处理工艺，所述钢的化学成分为：C 0.47～0.55％，Si≤0.40％，Mn 0.70～1.10％，Cr 0.90～1.20％，V 0.10～0.25％，Cu 0.15～0.25％，Al≤0.030％，P≤0.015％，S≤0.015％，O≤0.005％，N≤0.010％，余量是Fe和不可避免的杂质。其热处理工艺为：850-900℃/油淬+460-480℃/保温30-60分钟/回火。该发明钢性能达到屈服强度≥1400MPa、抗拉强度≥1500MPa、延伸率≥9.5％、室温冲击功≥20J，具有良好的疲劳性能和耐大气腐蚀性能；但该钢含Si量较低抗回火弹性较差，无法满足高端用户要求。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种1550MPa级弹簧扁钢，结合成分涉及和工艺创新，开发出具有优异使用性能和优化组织结构的较高洁净度弹簧用钢；且涉及的制备方法简单、成本低，适合推广应用。
为实现上述方案，本发明采用的技术方案为：
一种1550MPa级弹簧扁钢，各组分及其所占质量百分比包括:C 0.48～0.61％，Si0.4～0.9％，Mn 0.60～1.20％，P≤0.025％，S≤0.025％，Cr 0.75～1.25％，Nb 0.01～0.05％，B 0.001～0.004％，Al 0.010～0.025％，N 0.005～0.009％，其余为Fe及不可避免的杂质。
上述一种1550MPa级弹簧扁钢的制备方法，包括洁净钢冶炼、轧制、控制冷却工艺。
上述方案中，所述洁净钢冶炼包括铁水脱硫、转炉冶炼、LF精炼、真空处理、保护连铸步骤；具体步骤和工艺参数包括：
1)铁水脱硫，采用喷镁粉脱硫工艺，控制出站铁水硫含量[S]≤0.01％，罐内脱硫渣要扒干净；
2)转炉废钢装入量占总装入量的10～15％；转炉采用顶-底复合吹炼，终点采用高拉补吹工艺；终渣碱度≥2.1；转炉终点C控制目标≥0.06～0.40％；出钢温度≥1630℃；滑板挡渣出钢，钢包渣层厚度≤100mm；脱氧及合金化：出钢1/3左右时，随钢流加入合金材料和增碳剂；钢水出至2/3时合金、增碳剂必须全部加入；
3)LF精炼，根据渣况适当加入活性石灰、萤石，调整炉渣的成分，碱度≤3.5；
4)RH真空处理，真空度≤100Pa，处理时间不低于25min；
5)保护连铸，采用大罐长水口和结晶器浸入式水口保护浇注，中包保护渣采用碱性保护渣；中包钢水过热度目标：20～30℃；连铸坯断面尺寸为160mm×160mm。
上述方案中，所述轧制工艺包括铸坯加热、粗轧和精轧步骤；具体参数包括：
铸坯加热；热均热段温度：1100～1230℃，加热时间≥100min，不得过热、过烧。
粗轧；控制其开轧温度：1050～1100℃。
精轧；控制其开轧温度980～1060℃，累计变形量在10～60％。
上述方案中，所述控制冷却工艺包括冷床控冷和入坑缓冷步骤。
上述方案中，所述冷床控冷步骤中，冷却速度5～25℃/秒冷却至440～700℃，并在此温度下保温30～60分钟。
上述方案中，所述入坑缓冷步骤中，将轧材剪切成6米定尺并收集打捆，入缓冷坑72小时以上方可出坑。
本发明的原理为：
一、成分设计，各组分作用机理如下：
C：C是决定钢强度的主要元素，随着C含量的增加钢的强度、硬度增加而塑性和韧性下降，C含量若低于0.48％，则很难保证弹簧钢的强度，另一方面C含量若高于0.61％，铸坯加热过程中脱碳严重，还会恶化钢的焊接性能和韧性。因此，将C含量控制在0.48～0.61％；优选为0.50～0.58％。
Si：Si是保证弹簧钢弹性的最主要贡献元素，具有明显的固溶强化作用，它不形成碳化物，基本上以固溶状态存在于钢中，在常用合金元素中硅的固溶强化作用最强；能提高钢的强度，也是炼钢的脱氧元素，但含量不宜过高，以免降低钢的韧性和塑性，并导致碳的活性增加，从而增加钢的脱碳和石墨化倾向，并易形成C类硅酸盐夹杂物而恶化钢的疲劳性能；故含量控制在0.4～0.9％；优选为0.5～0.7％。
Mn：Mn是平衡状态图中奥氏体区扩大的元素，能有效抑制铁素体脱碳；也是良好的脱氧剂和脱硫剂，主要溶于铁素体中提高钢的强度，可改善钢的加工性能和提高弹簧钢的淬透性；但含量不宜过高，以免使得钢的晶粒粗大，导致韧性明显下降；故含量控制在0.60～1.20％；优选为0.75～0.90％。
P、S：P、S在本钢中属于有害元素，P在钢液凝固时形成微观偏析，增加钢的回火脆性，在冷加工时容易脆裂也即所谓产生“冷脆”现象；S是强烈的裂纹敏感性元素，在钢坯加热或钢材热加工时容易产生裂纹即所谓“热脆”现象，P、S一般是其含量越低越好，考虑到炼钢实际控制情况，故控制P≤0.025％、S≤0.025％。
Cr：Cr能显著提高钢的淬透性和回火阻抗性,可以细化珠光体片间距，从而细化组织，提高强度；Cr还可以提高碳扩散的激活能即降低碳的活度，减轻钢的脱碳和石墨化倾向，提高韧性和耐磨性，但含量过高时，会降低钢的韧性和加工使用性能；故含量控制在0.75～1.25％；优选为0.80～1.00％。
Nb：Nb是强碳化物形成元素，与C元素有很强的亲和力，当它们生成细小弥散的NbC时可产生强烈的沉淀强化效果，并能细化晶粒，提高钢的硬度、强度，改善韧性及回火稳定性，产生二次硬化效应；并且Nb元素可以抑制弹簧钢氧化脱碳，改善其脱碳敏感性；但当Nb含量过多时，析出的第二相粒子明显变粗，上述作用反而会减弱，故含量控制在0.01～0.05％；优选为0.02～0.04％。
B：B是提高材料淬透性的元素，研究表明，高碳钢中微量的B能有效减低P、S在晶界的偏析，并改善氧化夹杂形态，钢中加入B有利于将钢的高强度同良好可焊性和抗冷脆能力相结合，对材料的屈服强度、抗拉强度、疲劳强度、耐磨性和抗氢致晶间断裂的能力等都有不同程度的改善或提高，但含量过高，上述作用减弱甚至恶化；故含量控制在0.001～0.004％；优选为0.0015～0.0030％。
Al：铝是最高效的脱氧剂，能有效提高钢水纯净度；同时，AlN颗粒能起到细化晶粒和沉淀强化作用，但过高的Al会恶化钢材力学性能，同时增加Al2O3、AlN等非金属夹杂物，容易导致B类、D类夹杂物超标；故含量控制在0.010～0.025％；所述Al含量优选为0.015～0.020％。
N：氮是微合金化的重要组成元素，N与Nb、Al等元素有很强的亲和力，生成细小弥散的NbN、AlN时可产生强烈的沉淀强化效果，并能细化晶粒，提高钢的硬度、强度，改善韧性，产生二次硬化效应。另外，N与本发明钢中B结合形成NB粒子，可提高钢材后工序的使用性能，尤其能较好提升本发明钢的切削性能解决高强弹簧扁钢的加工难题。但过高的氮含量会使钢材韧性显著降低，且导致过多过大的夹杂物从而影响板簧的疲劳性能，因此本发明N含量为0.005～0.009wt％。
本发明通过Nb-B、Nb-N、Al-N、B-N复合微合金化手段，可提高本发明钢的强度，韧性及回火稳定性，可以抑制弹簧钢氧化脱碳，改善其脱碳敏感性，高效控制钢中氧含量有效减少非金属夹杂物数量，同时，大幅提升了本发明钢的切削性能，较好地解决了高强度热轧钢弹簧扁钢的下料、钻孔等机加工难题。
二、工艺改进
通过较窄过热度控制提供高质量的连铸坯原料、滑板挡渣及渣层厚度控制工艺减少非金属夹杂物、精确红坯变形量确保组织均匀性、温度控制轧制及缓慢冷却控制工艺确保钢材强韧性及晶粒度级别，并确保钢材适宜的表面硬度改善加工性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)通过成分微合金化、洁净钢冶炼技术、高效轧制和控制冷却等技术，有效提高了钢材强度和韧性，保证钢材性能满足如下条件：ReL≥1350MPa，Rm≥1550MPa，A≥10％，Z≥35％；A、B、C、D四类夹杂物均不大于1.5级；奥氏体晶粒度不粗于7.0级；淬透性能J25≥53HRC，可显著改善现有高性能弹簧钢的不足。
2)本发明所述1550MPa级钢板弹簧用钢的生产工艺简单，生产成本低廉，在现有的生产条件下，不必对生产设备和工艺流程进行较大改动即可进行工艺生产，适合推广应用。
附图说明
图1为本发明所述1550MPa级弹簧钢的生产流程示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1～10
实施例1～10所述1550MPa级弹簧扁钢的生产流程示意图见图1，包括如下步骤：铁水脱硫、转炉冶炼、LF精炼、真空处理、保护连铸、铸坯加热、轧制、冷床控冷、入坑缓冷，具体步骤和工艺参数为：
1)铁水脱硫，采用喷镁粉脱硫工艺，控制出站铁水S含量[S]≤0.01％，罐内脱硫渣要扒干净；
2)转炉废钢装入量占总装入量的10～15％；转炉采用顶-底复合吹炼，终点采用高拉补吹工艺；终渣碱度≥2.1；转炉终点C控制目标≥0.06～0.40％；出钢温度≥1630℃；滑板挡渣出钢，钢包渣层厚度≤100mm；脱氧及合金化：出钢1/3时，随钢流加入合金材料和增碳剂；出至2/3时合金、增碳剂必须全部加入；
3)LF精炼，根据渣况适当加入活性石灰、萤石，调整炉渣的成分，碱度≤3.5；
4)RH真空处理，真空度≤100Pa，处理时间不低于25min；
5)保护连铸，采用大罐长水口和结晶器浸入式水口保护浇注，中包保护渣采用碱性保护渣；中包钢水过热度目标：20～30℃；连铸坯断面尺寸为160mm×160mm；
6)铸坯加热，热均热段温度：1100～1230℃，加热时间≥100min，不得过热、过烧；
7)粗轧，控制其开轧温度：1050～1100℃；
8)精轧，控制其开轧温度980～1060℃，累计变形量在10～60％；
9)冷床控冷，冷却速度5～25℃/秒冷却至440～700℃，并在此温度下保温30～60分钟；
10)入坑缓冷，将轧材剪切成6米定尺并收集打捆，入缓冷坑72小时以上方可出坑。
实施例1～10所得钢材产品的化学成分见表1，冶炼工艺参数见表2，轧制工艺参数见表3；性能测试结果见表4。
对比例1～3
对比例1～3所述钢材的制备工艺与本发明实施例大致相同，具体成分和工艺参数区别分别见表1、表2和表3。
表1本发明各实施例及对比例所述钢材的化学组分及含量信息(wt％)
| 实施例 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Nb | B | Al | N |
| 1 | 0.48 | 0.40 | 0.60 | 0.006 | 0.008 | 0.75 | 0.010 | 0.001 | 0.010 | 0.005 |
| 2 | 0.49 | 0.45 | 0.68 | 0.008 | 0.009 | 0.78 | 0.016 | 0.003 | 0.012 | 0.006 |
| 3 | 0.50 | 0.60 | 0.70 | 0.007 | 0.015 | 0.81 | 0.020 | 0.002 | 0.015 | 0.007 |
| 4 | 0.52 | 0.62 | 0.75 | 0.009 | 0.006 | 0.87 | 0.021 | 0.004 | 0.015 | 0.008 |
| 5 | 0.54 | 0.70 | 0.80 | 0.012 | 0.006 | 0.90 | 0.025 | 0.004 | 0.016 | 0.009 |
| 6 | 0.56 | 0.76 | 0.86 | 0.020 | 0.008 | 1.01 | 0.029 | 0.002 | 0.018 | 0.008 |
| 7 | 0.58 | 0.80 | 0.93 | 0.008 | 0.007 | 1.12 | 0.035 | 0.001 | 0.020 | 0.006 |
| 8 | 0.59 | 0.82 | 1..10 | 0.009 | 0.009 | 1.15 | 0.039 | 0.002 | 0.020 | 0.005 |
| 9 | 0.60 | 0.88 | 1.16 | 0.015 | 0.012 | 1.21 | 0.048 | 0.003 | 0.023 | 0.007 |
| 10 | 0.61 | 0.90 | 1.20 | 0.006 | 0.020 | 1.25 | 0.050 | 0.004 | 0.025 | 0.009 |
| 对比例1 | 0.47 | 0.39 | 0.59 | 0.007 | 0.007 | 0.75 | 0.010 | 0.001 | 0.010 | 0.005 |
| 对比例2 | 0.55 | 0.75 | 0.79 | 0.009 | 0.010 | 0.95 | 0.009 | 0.003 | 0.009 | 0.005 |
| 对比例3 | 0.62 | 0.90 | 1.20 | 0.006 | 0.020 | 1.25 | 0.050 | 0.004 | 0.025 | 0.009 |
表2本发明各实施例及对比例所述钢材的冶炼工艺参数
表3本发明各实施例及对比例所述钢材的轧制工艺参数
表4本发明各实施例及对比例所得钢材的性能测试结果
表5本发明各实施例及对比例所得钢材的淬透性能结果(HRC)
上述结果表明，本发明所得弹簧钢具有高强、高韧、高淬透性能、夹杂物级别低、晶粒度细小等优点，优良的加工使用性能和良好的综合经济性，受到下游用户及其主机厂的高度认可。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种1550MPa级弹簧扁钢，各组分及其所占质量百分比包括:C 0.48～0.61 %，Si0.4～0.9%，Mn 0.60～1.20%，P≤0.025%，S≤0.025%，Cr 0.75～1.25%，Nb 0.01～0.05%，B0.001～0.004%，Al 0.010～0.025%，N 0.005～0.009%，其余为Fe及不可避免的杂质；
其制备方法包括洁净钢冶炼、轧制、控制冷却工艺；
所述洁净钢冶炼包括铁水脱硫、转炉冶炼、LF精炼、真空处理、保护连铸步骤；具体步骤和工艺参数包括：
1）铁水脱硫，采用喷镁粉脱硫工艺，控制出站铁水硫含量[S]≤0.01%；
2）转炉废钢装入量占总装入量的10～15%；转炉采用顶-底复合吹炼，终点采用高拉补吹工艺；终渣碱度≥2.1；转炉终点C控制目标≥0.06～0.40%；出钢温度≥1630℃；滑板挡渣出钢，钢包渣层厚度≤100mm；脱氧及合金化：钢水出钢1/3重量时，随钢流加入合金材料和增碳剂；钢水出至2/3时，合金、增碳剂全部加入；
3）LF精炼，根据渣况加入活性石灰、萤石，调整炉渣的成分，碱度≤3.5；
4）RH真空处理，真空度≤100Pa，处理时间不低于25min；
5）保护连铸，采用大罐长水口和结晶器浸入式水口保护浇注，中包保护渣采用碱性保护渣；中包钢水过热度目标为20～30℃；
所述轧制工艺包括铸坯加热、粗轧和精轧步骤；其中铸坯加热中热均热段温度为1100～1230℃，加热时间≥100min；粗轧开轧温度为1050～1100℃；精轧开轧温度为980~1060℃，累计变形量在10~60%；
所述控制冷却工艺包括冷床控冷和入坑缓冷步骤；冷床控冷步骤中，以5~25℃/s的冷却速度冷却至440~700℃，保温30~60分钟；入坑缓冷时间为72小时以上。
2.根据权利要求1所述的1550MPa级弹簧扁钢，其特征在于，所述Si含量为0.5~0.7%。
3.根据权利要求1所述的1550MPa级弹簧扁钢，其特征在于，所述Cr含量为0.80~1.00%。
4.根据权利要求1所述的1550MPa级弹簧扁钢，其特征在于，所述Nb含量为0.02~0.04%。
5.权利要求1~4任一项所述1550MPa级弹簧扁钢的制备方法，其特征在于，包括洁净钢冶炼、轧制、控制冷却工艺。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述洁净钢冶炼包括铁水脱硫、转炉冶炼、LF精炼、真空处理、保护连铸步骤；具体步骤和工艺参数包括：
1）铁水脱硫，采用喷镁粉脱硫工艺，控制出站铁水硫含量[S]≤0.01%；
2）转炉废钢装入量占总装入量的10～15%；转炉采用顶-底复合吹炼，终点采用高拉补吹工艺；终渣碱度≥2.1；转炉终点C控制目标≥0.06～0.40%；出钢温度≥1630℃；滑板挡渣出钢，钢包渣层厚度≤100mm；脱氧及合金化：钢水出钢1/3重量时，随钢流加入合金材料和增碳剂；钢水出至2/3时，合金、增碳剂全部加入；
3）LF精炼，根据渣况加入活性石灰、萤石，调整炉渣的成分，碱度≤3.5；
4）RH真空处理，真空度≤100Pa，处理时间不低于25min；
5）保护连铸，采用大罐长水口和结晶器浸入式水口保护浇注，中包保护渣采用碱性保护渣；中包钢水过热度目标为20～30℃。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述轧制工艺包括铸坯加热、粗轧和精轧步骤；其中铸坯加热中热均热段温度为1100～1230℃，加热时间≥100min；粗轧开轧温度为1050～1100℃；精轧开轧温度为980~1060℃，累计变形量在10~60%。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述控制冷却工艺包括冷床控冷和入坑缓冷步骤；冷床控冷步骤中，以5~25℃/s的冷却速度冷却至440~700℃，保温30~60分钟；入坑缓冷时间为72小时以上。
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