CN111321279A - 一种高强度耐腐蚀弹簧钢及其热处理工艺 - Google Patents

一种高强度耐腐蚀弹簧钢及其热处理工艺 Download PDF

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Abstract

一种高强度耐腐蚀弹簧钢及其热处理工艺，以质量百分比计，其化学成分为:C:0.35~0.45%，Si:1.8~2%，Mn:0.2~0.4%，S:≤0.01%，P:≤0.01%，Cr:0.9~1.1%，Ni:0.6~0.8%，Cu:0.2~0.4%，Nb:0.03~0.05%，Ti:0.01~0.03%，B:0.001~0.005%，RE:0.02~0.04%，N:≤0.005%，H:≤0.0001%，O:≤0.002%，其余为Fe及不可避免的杂质，通过正火回火进行热处理，较现有60Si2Mn弹簧钢具备更为优异的耐大气腐蚀性能、抑制腐蚀坑形成的能力和抗氢致延迟断裂能力，可在含氯离子的大气环境下替代现有60Si2Mn弹簧钢，提升装置运行的可靠性。

Description

一种高强度耐腐蚀弹簧钢及其热处理工艺
技术领域
本发明涉及合金钢领域，具体说的是一种高强度耐腐蚀弹簧钢及其热处理工艺。
背景技术
60Si2Mn是国内应用最为广泛的弹簧钢，如汽车、铁路车辆用板簧、螺旋弹簧，以及钢轨用扣件弹条等，其用量占弹簧钢总量的50％以上。但60Si2Mn弹簧钢耐大气腐蚀性能较差，在潮湿环境、北方冬季撒盐融雪等氯离子存在的条件下，易产生腐蚀坑，形成应力集中，降低疲劳强度；此外，腐蚀过程中氢的进入，会导致氢致延迟开裂，致使零部件在远小于许用周期或载荷的条件下发生突然断裂，给汽车、铁路的安全运行造成巨大隐患。
为解决该问题，国内已开发出多种耐腐蚀弹簧钢。专利一(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，合金成分为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:≤0.03％、S:≤0.015％、P:≤0.015％、O≤0.005％、N≤0.010％、其余为Fe。该专利通过降低C元素含量、添加Cu元素来提高弹簧钢的耐大气腐蚀能力，但该专利Si元素含量较低，其抗弹减性能较差。
专利二(200910263020.7)公开了一种40Si2MnCrNiMoVNbN弹簧钢及其生产工艺，合金成分为C:0.39～0.45％、Si:1.6～1.9％、Mn:0.6～0.8％、Cr:0.35～0.5％、Ni:0.4～0.6％、Mo:0.15～0.25％、V:0.06～0.12％、Nb:0.015～0.025％、N:0.008～0.015％、S:≤0.0035％、P:≤0.0035％、其余为Fe。该专利通过降低C元素含量、添加Ni元素来抑制腐蚀坑的形成，通过添加V、Nb元素来提升氢致抗延迟断裂能力。但因不含抗大气腐蚀元素(如Cu元素)，其耐大气腐蚀能力一般，且该合金的S、P元素含量要求很高，生产难度较大。
专利三(201210240788.4)公开了一种高速铁路扣件用弹条用钢及其冶炼生产方法，合金成分为C:0.4～0.52％、Si:1.8～2.1％、Mn:0.75～0.85％、Cr:0.6～0.8％、V:0.21～0.25％、Ti:0.02～0.05％、Cu:0.2～0.25％、RE:0.01～0.04％、Ca:0.0001～0.002％、Mg:0.00005～0.0015％、Al:0.002～0.03％、S:≤0.008％、P:≤0.015％、O:≤0.0012％、N:0.002～0.007％、其余为Fe。该专利通过降低C元素含量、添加Cu元素来提升弹簧钢的耐大气腐蚀能力，通过添加V、Ti、RE元素来提升氢致抗延迟断裂能力，但不含抑制腐蚀坑生成的元素(如Ni元素)，其耐腐蚀疲劳能力一般。
专利四(201610265672.4)公开了一种高强度耐蚀弹簧钢及其制造方法，合金成分为C:0.5～0.65％、Si:1.35～2.2％、Mn:0.55～1.55％、Cr:0.6～1.7％、Ni:0.2～1.2％、Cu:0.2～1.0％、V:0.05～0.2％、Nb:0.01～0.15％、Al:0.001～0.02％、N:0.002～0.008％、O:0.0007～0.006％、其余为Fe。该专利虽通过添加Ni元素来抑制腐蚀坑形成、Cu元素来提升耐大气腐蚀能力，V、Nb元素来提升抗氢致延迟断裂能力，但其C元素含量较高，会降低其耐大气腐蚀性能。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种高强度耐腐蚀弹簧钢及其热处理工艺，较现有60Si2Mn弹簧钢具备更为优异的耐大气腐蚀性能、抑制腐蚀坑形成的能力和抗氢致延迟断裂能力，可在含氯离子的大气环境下替代现有60Si2Mn弹簧钢，提升装置运行的可靠性。
为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种高强度耐腐蚀弹簧钢，以质量百分比计，其化学成分为:C:0.35～0.45％，Si:1.8～2％，Mn:0.2～0.4％，S:≤0.01％，P:≤0.01％，Cr:0.9～1.1％，Ni:0.6～0.8％，Cu:0.2～0.4％，Nb:0.03～0.05％，Ti:0.01～0.03％，B:0.001～0.005％，RE:0.02～0.04％，N:≤0.005％，H:≤0.0001％，O:≤0.002％，其余为Fe及不可避免的杂质。
进一步，所述C元素的优选含量为0.38～0.42％。
进一步，所述Mn元素的优选含量为0.3～0.4％。
进一步，所述Cu元素的优选含量为0.3～0.4％。
进一步，所述B元素的优选含量为0.001～0.003％。
一种高强度耐腐蚀弹簧钢的热处理工艺，对所述的弹簧钢进行热处理，其具体热处理工艺包括以下步骤：
步骤1、正火：将弹簧钢加热至890℃～910℃，热透后保温40～60min，出炉油冷；
步骤2、回火：将步骤1得到的弹簧钢加热至400℃～430℃，热透后保温60～90min，出炉水冷，得到抗拉强度≥1600MPa、屈服强度≥1400MPa、断面收缩率≥40％、延伸率≥5％、常温U口冲击功≥20J的弹簧钢。
进一步，所述的弹簧钢腐蚀点位≥-0.7V，中性盐雾腐蚀试验腐蚀速率≤1.2g/m2·h。
本发明有益效果是：本发明设计的一种高强度耐腐蚀弹簧钢及其热处理工艺，通过降低C元素含量，添加提高耐大气腐蚀性能的Cu元素、抑制腐蚀坑生成的Ni元素、通过晶粒细化提升抗氢致延迟断裂能力的Nb元素和Ti元素、通过净化晶界提升抗氢致延迟断裂能力的B元素、通过夹杂物变性提升抗氢致延迟断裂能力的RE元素，并通过淬火和中温回火，在保持高强度、高塑韧性的同时，大幅提升弹簧钢的耐大气腐蚀性能和抗氢致延迟断裂能力、抑制腐蚀坑的生成，适用于潮湿、含腐蚀性氯离子等环境工况。
附图说明
图1为实施例1的720h腐蚀试验后宏观形貌图；
图2为实施例2的720h腐蚀试验后宏观形貌图；
图3为实施例3的720h腐蚀试验后宏观形貌图；
图4为对比材料60Si2Mn的720h腐蚀试验后宏观形貌.
具体实施方式
一种高强度耐腐蚀弹簧钢，以质量百分比计，其化学成分为:C:0.35～0.45％，Si:1.8～2％，Mn:0.2～0.4％，S:≤0.01％，P:≤0.01％，Cr:0.9～1.1％，Ni:0.6～0.8％，Cu:0.2～0.4％，Nb:0.03～0.05％，Ti:0.01～0.03％，B:0.001～0.005％，RE:0.02～0.04％，N:≤0.005％，H:≤0.0001％，O:≤0.002％，其余为Fe及不可避免的杂质。
C元素的优选含量为0.38～0.42％。
Mn元素的优选含量为0.3～0.4％。
Cu元素的优选含量为0.3～0.4％。
B元素的优选含量为0.001～0.003％。
一种高强度耐腐蚀弹簧钢的热处理工艺，对所述的弹簧钢进行热处理，其具体热处理工艺包括以下步骤：
步骤1、正火：将弹簧钢加热至890℃～910℃，热透后保温40～60min，出炉油冷；
步骤2、回火：将步骤1得到的弹簧钢加热至400℃～430℃，热透后保温60～90min，出炉水冷，得到抗拉强度≥1600MPa、屈服强度≥1400MPa、断面收缩率≥40％、延伸率≥5％、常温U口冲击功≥20J的弹簧钢。
进一步，所述的弹簧钢腐蚀点位≥-0.7V，中性盐雾腐蚀试验腐蚀速率≤1.2g/m2·h。
实施例1
步骤一，采用真空感应熔炼→锻造方坯→轧制成圆棒料→矫直→磨光制造直径20mm的设计弹簧钢棒材，化学成分如表1所示；
步骤二，将设计弹簧钢棒材进行890度油淬+400度回火；
步骤三，将经过热处理的设计弹簧钢进行力学性能检测，检测结果如表2所示；
步骤四，将经过热处理的设计弹簧钢加工成20mm*12mm*5mm试样，按照GB/T 10125-2012《人造气氛腐蚀试验》进行720h中性盐雾腐蚀试验，腐蚀速率如表3所示，经绣层清洗后的设计弹簧钢表面腐蚀坑形态如图1所示；
步骤五，将经过热处理的设计弹簧钢加工成10mm*10mm*10mm试样，按照Q/725-1270-2010《金属材料自然腐蚀电位测试方法》进行腐蚀电位测量，检测结果如表4所示。
实施例2
步骤一，采用真空感应熔炼→锻造方坯→轧制成圆棒料→矫直→磨光制造直径20mm的设计弹簧钢棒材，化学成分如表1所示；
步骤二，将设计弹簧钢棒材进行910度油淬+400度回火，对比材料；
步骤三，将经过热处理的设计弹簧钢进行力学性能检测，检测结果如表2所示；
步骤四，将经过热处理的设计弹簧钢加工成20mm*12mm*5mm试样，按照GB/T 10125-2012《人造气氛腐蚀试验》进行720h中性盐雾腐蚀试验，腐蚀速率如表3所示，经绣层清洗后的试样表面腐蚀坑形态如图2所示；
步骤五，将经过热处理的设计弹簧钢加工成10mm*10mm*10mm试样，按照Q/725-1270-2010《金属材料自然腐蚀电位测试方法》进行腐蚀电位测量，检测结果如表4所示。
实施例3
步骤一，采用真空感应熔炼→锻造方坯→轧制成圆棒料→矫直→磨光制造直径20mm的设计弹簧钢棒材，化学成分如表1所示；
步骤二，将设计弹簧钢棒材进行910度油淬+430度回火；
步骤三，将直径20mm的对比材料60Si2Mn棒材按国标进行热处理；
步骤三，将经过热处理的设计弹簧钢和对比材料60Si2Mn进行力学性能检测，检测结果如表2所示；
步骤四，将经过热处理的设计弹簧钢和对比材料60Si2Mn加工成20mm*12mm*5mm试样，按照GB/T 10125-2012《人造气氛腐蚀试验》进行720h中性盐雾腐蚀试验，腐蚀速率如表3所示，经绣层清洗后的设计弹簧钢表面腐蚀坑形态如图3所示，对比材料60Si2Mn表面腐蚀坑形态如图4所示；
步骤五，将经过热处理的设计弹簧钢和对比材料60Si2Mn加工成10mm*10mm*10mm试样，按照Q/725-1270-2010《金属材料自然腐蚀电位测试方法》进行腐蚀电位测量，检测结果如表4所示。
表2为不同实施例和对比材料60Si2Mn的力学性能检测结果，在强度相当的条件下，本发明设计的弹簧钢的塑韧性要优于对比材料60Si2Mn。表3为不同实施例和对比材料60Si2Mn的720h腐蚀速率和腐蚀电位，本发明设计的弹簧钢的腐蚀速率较对比材料60Si2Mn降低15％以上，腐蚀电位较对比材料60Si2Mn更高，说明本发明设计的弹簧钢较对比材料60Si2Mn有更为优异的耐大气腐蚀性能。表4为不同实施例和对比材料60Si2Mn的腐蚀坑深度，本发明设计的弹簧钢的腐蚀坑深度较对比材料60Si2Mn降低44％以上，说明本发明设计的弹簧钢有更为优异的抑制腐蚀坑形成的能力。
表1实施例和对比材料60Si2Mn的化学成分
Figure BDA0002391043010000051
表2实施例和对比材料60Si2Mn的力学性能
Figure BDA0002391043010000052
表3实施例和对比材料60Si2Mn的720h腐蚀速率和腐蚀电位
Figure BDA0002391043010000061
表4实施例和对比材料60Si2Mn的腐蚀坑深度
Figure BDA0002391043010000062

Claims (6)

1.一种高强度耐腐蚀弹簧钢，其特征在于：以质量百分比计，其化学成分为:C:0.35~0.45%，Si:1.8~2%，Mn:0.2~0.4%，S:≤0.01%，P:≤0.01%，Cr:0.9~1.1%，Ni:0.6~0.8%，Cu:0.2~0.4%，Nb:0.03~0.05%，Ti:0.01~0.03%，B:0.001~0.005%，RE:0.02~0.04%，N: ≤0.005%，H: ≤0.0001%，O: ≤0.002%，其余为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀弹簧钢，其特征在于，所述C元素的优选含量为0.38~0.42%。
3.根据权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀弹簧钢，其特征在于，所述Mn元素的优选含量为0.3~0.4%。
4.根据权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀弹簧钢，其特征在于，所述Cu元素的优选含量为0.3~0.4%。
5.根据权利要求1所述的一种高强度耐腐蚀弹簧钢，其特征在于，所述B元素的优选含量为0.001~0.003%。
6.一种高强度耐腐蚀弹簧钢的热处理工艺，其特征在于：对权利1-5中任意一项所述的弹簧钢进行热处理，其具体热处理工艺包括以下步骤：
步骤1、正火：将弹簧钢加热至890℃~910℃，热透后保温40~60min，出炉油冷；
步骤2、回火：将步骤1得到的弹簧钢加热至400℃~430℃，热透后保温60~90min，出炉水冷，得到抗拉强度≥1600MPa、屈服强度≥1400 MPa、断面收缩率≥40%、延伸率≥5%、常温U口冲击功≥20J的弹簧钢。
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