CN111593268B - 一种耐热高强度弹簧用钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐热高强度弹簧用钢及其生产方法，属于金属冶炼技术领域。本发明的一种耐热高强度弹簧用钢化学成份，按重量百分比为：C 0.55％～0.65％、Si 1.30％～2.00％、Mn 0.70％～0.90％、Cr 0.10％～0.30％、V 0.20％～0.40％、Mo 0.10％～0.30％、W 0.60％～1.20％、P痕量～0.015％、S痕量～0.010％、O≤0.0012％、N≤0.006％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。化学成分配比需保证满足关系式：(1)W/(Mo+Co)≥1.5；(2)0.9C≤0.35W+0.70Mo+0.20Cr+V≤1.5C。本发明还提供了该钢的生产方法及热处理工艺。热处理后常温力学性能：抗拉强度≥1850MPa，断后伸长率≥10％，断面收缩率≥40％，疲劳强度≥860MPa；高温力学性能400℃抗拉强度≥900MPa，高温下应力变化率＜35％，具有良好的高温性能及高温抗松弛性能，满足高温环境中弹簧使用的要求。

Description

一种耐热高强度弹簧用钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及金属冶炼技术领域，更具体地说，涉及一种耐热高强度弹簧用钢及其生产方法。

背景技术

弹簧是装备制造业的关键基础件，量大面广、品种繁杂，广泛应用于汽车、铁路、工程机械、电子电器等国民经济的各个领域。弹簧作为各行业广泛使用的器件，在汽车、飞机及机械的平稳性、安全性中起着至关重要的作用，因此对弹簧钢的性能要求极高。

随着汽车轻量化、重大技术装备大型化及参数极限化，对弹簧钢的品种和性能提出了越来越高的要求。根据不同环境的使用要求，提出许多特殊性能的弹簧钢产品，例如耐热弹簧钢，尤其是随着国内航空产业的快速发展，除需满足普通弹簧高强韧性的要求，在工作时还需承受较高的温度和一定的压力，要求弹簧材料具有良好的耐热性能。由于弹簧钢特殊的使用环境，其需要具有良好的抗形变能力。而现有的弹簧钢在高温下的抗形变能力较差，易发生变形，从而无法适应多种场合下的使用要求。

经检索，中国专利CN107177782，公布日为：2017年9月19日，公开了一种耐腐蚀弹簧钢及其制备方法，化学成分C 0.50％～0.64％、Si 1.5％～2.0％、Mn 0.70％～1.0％、P0.05～0.09％、S≤0.015％、Cr 0.75％～1.10％、Cu 0.12～0.50％、Nb 0.01～0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。通过添加少量P、Cr、Cu、Nb等弹簧钢的组分进行微合金化，并对生产工艺进行简单优化，所得弹簧钢具有优异的力学性能和耐蚀性能，且涉及的生产原料成本低，生产工艺简单，但抗拉强度仅为1700MPa，且不具有良好的耐热性能。

中国专利CN107747060A，公布日为：2018年3月2日，公开了一种高强度高疲劳寿命弹簧钢的生产方法，钢的化学组成重量百分比为碳＝0.51％～0.59％，硅＝1.40％～1.60％，锰＝0.50％～0.80％，磷≤0.012％，硫≤0.010％，铌≤0.02％，钛≤0.005％，铝≤0.005％，铬＝0.50％～0.80％，其余为Fe和不可避免的杂质。通过采用高合金化成分设计，LF+VD复合精炼，铸坯探伤及修磨，斯太尔摩控轧及冷却等一系列冶炼和轧制新技术，生产出以索氏体组织为基体的高强度、高疲劳寿命的线材弹簧钢，但弹簧钢强度偏低，仅为1000MPa，且不具有良好的耐热、耐冲击性能。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

鉴于现有的许多工作场合对弹簧钢的性能要求越来越高，而现有的弹簧钢不能满足这些场合下的使用的问题，本发明提供了一种耐热高强度弹簧用钢及其生产方法，添加多种元素，改变钢的性能，使其满足高性能要求的使用。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种耐热高强度弹簧用钢，该弹簧钢的化学成分重量百分比为，C0.55％～0.65％、Si 1.30％～2.00％、Mn 0.70％～0.90％、Cr 0.10％～0.30％、V 0.20％～0.40％、Mo 0.10％～0.30％、W 0.60％～1.20％、P痕量～0.015％、S痕量～0.010％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。

更进一步地，所述的弹簧钢中还包含元素Co。

更进一步地，所述的元素Co含量控制为占重量百分比0.020％～0.040％。

更进一步地，所述的弹簧钢化学成分配比满足公式0.9C≤0.35W+0.70Mo+0.20Cr+V≤1.5C。

更进一步地，所述的弹簧钢化学成分配比还满足公式W/(Mo+Co)≥1.5。

更进一步地，弹簧钢中杂质O含量控制为O≤0.0012％，杂质N含量控制为N≤0.006％。

本发明的一种耐热高强度弹簧用钢的生产方法，其步骤为：

步骤一、电弧炉冶炼；

步骤二、LF炉精炼；

步骤三、RH或VD真空脱气；

步骤四、圆坯连铸；

步骤五、方坯轧制；

步骤六、探伤、修磨；

步骤七、优棒加热炉加热；

步骤八、控轧控冷；

步骤九、圆钢成品；

步骤十、圆钢调质处理。

更进一步地，所述的步骤七中，优棒加热炉加热的加热温度为980～1070℃，方坯在炉时间≤170min。

更进一步地，所述的步骤八中，控轧控冷采用KOCKS控轧控冷轧制，开轧温度880～945℃，终轧温度780～840℃。

更进一步地，所述的步骤十中，调质处理过程为，先淬火，870℃加热并油冷，淬火介质温度15～35℃；然后回火，加热400℃并空冷至室温。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种耐热高强度弹簧用钢，向钢中添加W、Mo、Cr、V等元素，通过对钢中各组分含量的调整，使各个组分互相配合，提高弹簧钢的高温性能，保证其常温的力学性能，同时使其在高温下的疲劳强度和抗应力松弛性能得到提高，以满足各个行业的使用要求。

(2)本发明的一种耐热高强度弹簧用钢，通过V元素的添加，细化弹簧钢的晶粒度，在保证强度提高的同时，其塑韧性不会降低，同时V与C形成碳化物，可提高弹簧钢的耐磨性和耐冲击性能。通过W、Mo、Cr、V等多种元素添加，使元素配比满足关系式0.9C≤0.35W+0.70Mo+0.20Cr+V≤1.5C，多种元素形成足够的细小弥散且稳定的碳化物，保证弹簧钢常温性能较好的同时，提高其在高温下的疲劳强度，同时使所得弹簧钢具有一定的抗应力松弛性能，使其满足各种情况下的使用要求。

(3)本发明的一种耐热高强度弹簧用钢，还在钢中添加Co元素，可有效促进合金碳化物的析出，增加其弥散度，提高二次硬化效果，提高耐热性和热稳定性，且一定量的Co还可以增加耐蚀性。Co元素与W、M相配合，三者满足关系式：W/(Mo+Co)≥1.5，在提高弹簧钢“红硬性”的同时，保证弹簧钢的淬透性、耐热性和高温回火抗力，进一步提高弹簧钢在高温下的抗应力松弛性能，并进一步的提高了弹簧钢的高温疲劳强度。

(4)本发明的一种耐热高强度弹簧用钢的生产方法，在对钢进行热处理时，为防止在淬火时温度过高容易使奥氏体晶粒过分长大，容易产生脱碳，影响弹簧钢疲劳寿命，控制淬火加热温度为850～950℃。同时为防止回火温度过低碳析出量不够，或温度过高碳化物过分长大，控制回火温度为370～470℃。

(5)本发明的一种耐热高强度弹簧用钢的生产方法，所得弹簧钢在热处理后，常温力学性能优于一般弹簧用钢；同时其高温力学性能和抗高温应力松驰得到提高，具有良好的高温性能及高温抗松弛性能，能够满足多种条件下的使用。

附图说明

图1为本发明的实施例与对比例所用化学成分表；

图2为本发明的实施例与对比例所得钢热处理后常温力学性能表；

图3为本发明的实施例与对比例所得钢热处理后高温力学性能表；

图4为本发明的实施例与对比例所得钢高温应力松弛性能表。

具体实施方式

本发明一种耐热高强度弹簧用钢，向钢中添加W、Mo、Cr、V等元素，通过对钢中各组分含量的调整，使各个组分互相配合，提高弹簧钢的高温性能，保证其常温的力学性能，同时使其在高温下的疲劳强度和抗应力松弛性能得到提高，以满足各个行业的使用要求。通过V元素的添加，细化弹簧钢的晶粒度，在保证强度提高的同时，其塑韧性不会降低，同时V与C形成碳化物，可提高弹簧钢的耐磨性和耐冲击性能。通过W、Mo、Cr、V等多种元素添加，使元素配比满足关系式0.9C≤0.35W+0.70Mo+0.20Cr+V≤1.5C，多种元素形成足够的细小弥散且稳定的碳化物，保证弹簧钢常温性能较好的同时，提高其在高温下的疲劳强度，同时使所得弹簧钢具有一定的抗应力松弛性能，使其满足各种情况下的使用要求。

本发明的一种耐热高强度弹簧用钢，还在钢中添加Co元素，可有效促进合金碳化物的析出，增加其弥散度，提高二次硬化效果，提高耐热性和热稳定性，且一定量的Co还可以增加耐蚀性。Co元素与W、M相配合，三者满足关系式：W/(Mo+Co)≥1.5，在提高弹簧钢“红硬性”的同时，保证弹簧钢的淬透性、耐热性和高温回火抗力，进一步提高弹簧钢在高温下的抗应力松弛性能，并进一步的提高了弹簧钢的高温疲劳强度。

本发明的一种耐热高强度弹簧用钢的生产方法，在对钢进行热处理时，为防止在淬火时温度过高容易使奥氏体晶粒过分长大，容易产生脱碳，影响弹簧钢疲劳寿命，控制淬火加热温度为850～950℃。同时为防止回火温度过低碳析出量不够，或温度过高碳化物过分长大，控制回火温度为370～470℃。所得弹簧钢在热处理后，常温力学性能：抗拉强度≥1850MPa，断后伸长率≥10％，断面收缩率≥40％，疲劳强度≥860MPa；高温力学性能400℃抗拉强度≥900MPa，高温应力松驰试验应力变化率＜35％，具有良好的高温性能及高温抗松弛性能，能够满足多种条件下的使用。

本发明弹簧钢化学成分配比(按重量百分比)为：C 0.55％～0.65％、Si 1.30％～2.00％、Mn 0.70％～0.90％、Cr 0.10％～0.30％、V 0.20％～0.40％、Mo 0.10％～0.30％、W 0.60％～1.20％、Co 0.20％～0.40％、P痕量～0.015％、S痕量～0.010％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。并控制O≤0.0012％，N≤0.006％。

其中，各元素作用如下：

C：C是钢中最基本有效的强化元素，在弹簧钢中火硬度、确保耐磨损性的重要元素，是获得高强度和硬度的弹簧钢所必须的。高的碳含量虽然对钢的强度、硬度、弹性和弹减性能等有利，但不利于钢的塑性和韧性，而且使屈强比降低，脱碳敏感性增大，恶化钢的抗疲劳性能和加工性能。

Si：Si是钢中强化的重要元素，通过固溶作用提高钢的强硬度，同时提高弹簧钢的减退抗力。硅可以提高锈层的稳定性，提高耐蚀性能。但Si元素的提高会增加钢中碳的扩散，加剧钢材的脱碳。

Mn：Mn和Fe形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，同时Mn是提高奥氏体组织的稳定性，显著提高钢的淬透性。但过量的Mn会降低钢的塑性。Mn的添加同时有助于在钢材表面形成锈蚀层，提高钢的耐蚀性能，但过度的Mn会导致腐蚀产物颗粒的长大，提高腐蚀率。

Cr：Cr与C能形成稳定的化合物，阻止C或杂质的偏聚，提高基体的稳定性能，显著改善钢的抗氧化作用，增加钢的抗腐蚀能力。铬能显著增加钢的淬透性，但过量的Cr增加钢的回火脆性倾向。

V：V是钢的优良脱氧剂，钢中加钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。V与C形成碳化物，可提高耐磨性和耐冲击性能。

Mo：Mo是较强的碳化物形成元素，可提高钢的强度和硬度，还可以显著提高高温强度，是提高钢的热强性的最有效的合金元素。另外Mo元素可提高钢的淬透性和，回火稳定性，有效地消除或降低其中的残余应力，提高其塑性。弹簧钢中加入Mo能改善抗弹减性，因为钼可以生成细小弥散的碳化物阻止位错运动。Mo的加入还可以降低点蚀的发生几率，但是Mo含量过多会增大变形抗力及晶间腐蚀倾向。

W：耐高温，在钢中除形成碳化物外，部分地溶入铁中形成固溶体，能提高钢的常温强度和高温强度，增加回火稳定性、红硬性、热强性以及耐磨性，但过量的W会降低钢的韧性和高温抗氧化性。

Co：值得说明的是，适当的Co可有效促进合金碳化物的析出，增加其弥散度，提高二次硬化效果，提高耐热性和热稳定性，另外一定量的Co还可以增加耐蚀性。

S和P：硫容易在钢中与锰形成MnS夹杂，对弹簧的疲劳性能不利；P是具有强烈偏析倾向的元素，通常还引起硫和锰的共同偏聚，对产品组织和性能的均匀性有害。控制P≤0.015％，S≤0.010％。

弹簧钢在冶炼时，O和N是其中的杂质，需控制其含量：O在钢中形成氧化物夹杂，控制O≤0.0012％；N在钢中析出Fe4N，扩散速度慢，导致钢产生时效性，同时N还会降低钢的冷加工性能，控制N≤0.006％。

为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例的耐热高强弹簧钢的生产工艺流程为：电弧炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→圆坯连铸→方坯轧制→探伤、修磨→优棒加热炉加热→控轧控冷→圆钢成品→圆钢调质处理。

其中，优棒加热炉加热的加热温度为980～1070℃，优选1020～1050℃，方坯在炉时间≤170min，优选140～160min。控轧控冷采用KOCKS控轧控冷轧制。在轧制圆钢时，开轧温度880～945℃，优选900～920℃；终轧温度780～840℃，优选800～820℃。将热轧圆钢采用以下淬回火热处理工艺：870℃淬火，油冷，淬火介质温度15～35℃，400℃回火，随空气自然冷却。热处理后组织为回火屈氏体。

热处理过程中，为使V、W、Mo等合金元素充分溶解到奥氏体中，淬火加热温度不能过低；同时，温度过高容易使奥氏体晶粒过分长大，且容易产生脱碳，影响弹簧钢疲劳寿命。因此，本实施例的淬火加热温度设定为850～950℃。回火温度过低碳析出量不够，但温度过高，则碳化物会过分长大，为使原奥氏体晶粒内的碳化物细微分散，提高弹簧钢耐热性能，回火温度为370～470℃。

具体地，本实施例的弹簧钢化学成分组成为：C 0.61％、Si 1.52％、Mn 0.85％、Cr0.23％、V 0.20％、Mo 0.21％、W 0.90％、P 0.007％、S 0.002％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。本实施例在使用优棒加热炉加热时，加热温度控制为1020℃，方坯在炉时间140min。在轧制圆钢时，开轧温度900℃；终轧温度800℃。热处理工艺为：870℃淬火(油冷)，淬火介质温度15℃，400℃回火(空冷)。热处理后组织为回火屈氏体。

实施例2

本实施例的弹簧钢及生产方法基本同实施例1，不同之处在于，本实施例的弹簧钢化学成分组成为：C 0.63％、Si 1.55％、Mn 0.83％、Cr 0.24％、V 0.27％、Mo 0.23％、W0.89％、Co 0.50％、P 0.008％、S 0.001％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。本实施例在使用优棒加热炉加热时，加热温度控制为1030℃，方坯在炉时间145min。在轧制圆钢时，开轧温度910℃；终轧温度810℃。热处理工艺为：870℃淬火(油冷)，淬火介质温度20℃，400℃回火(空冷)。热处理后组织为回火屈氏体。

实施例3

本实施例的弹簧钢及生产方法基本同实施例1，不同之处在于，本实施例的弹簧钢化学成分组成为：C 0.65％、Si 1.54％、Mn 0.80％、Cr 0.21％、V 0.33％、Mo 0.25％、W1.10％、Co 0.35％、P 0.007％、S 0.002％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。本实施例在使用优棒加热炉加热时，加热温度控制为1040℃，方坯在炉时间150min。在轧制圆钢时，开轧温度915℃；终轧温度815℃。热处理工艺为：870℃淬火(油冷)，淬火介质温度30℃，400℃回火(空冷)。热处理后组织为回火屈氏体。

实施例4

本实施例的弹簧钢及生产方法基本同实施例1，不同之处在于，本实施例的弹簧钢化学成分组成为：C 0.65％、Si 1.55％、Mn 0.82％、Cr 0.10％、V 0.40％、Mo 0.23％、W1.00％、Co 0.40％、P 0.006％、S 0.003％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。本实施例在使用优棒加热炉加热时，加热温度控制为1050℃，方坯在炉时间160min。在轧制圆钢时，开轧温度920℃；终轧温度820℃。热处理工艺为：870℃淬火(油冷)，淬火介质温度35℃，400℃回火(空冷)。热处理后组织为回火屈氏体。

对比例1

本对比例的弹簧钢，其化学成分为：C 0.58％、Si 1.90％、Mn 0.83％、Cr 0.25％、P 0.006％、S 0.003％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。其热处理工艺与实施例1相同。

对比例2

本对比例的弹簧钢，其化学成分为：C 0.61％、Si 1.53％、Mn 0.83％、Cr 0.31％、V 0.50％、Mo 0.28％、W 1.00％、P 0.001％、S 0.001％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。其热处理工艺与实施例1相同。

图1为各实施例和对比例的热轧圆钢化学成分表。

热处理后毛坯精加工成标准拉力试样后，对其进行常温力学性能分析，结果见图2。将经过粗加工和热处理的弹簧钢加工成旋转弯曲疲劳试样进行旋转弯曲疲劳试验。按照GB/T4337-2015《金属材料疲劳试验旋转弯曲方法》标准进行弹簧钢的旋转弯曲疲劳试验。试验在实验室PQ1-6疲劳试验机上进行，采用轴向应变控制，应变循环比R为-1，频率83Hz，室温20℃，疲劳试验加载波形为正弦波，试验结束判据为10⁷次或试样失效；其结果见图3。热处理后毛坯精加工成标准拉力试样后，对其进行高温应力松驰试验，加热升温速度为35～40℃/min，到规定温度后保温5分钟，使试件的温度分布均匀后再平稳加载。选取0.5_σ0.2为初始应力，分别选取100℃、200℃、300℃、400℃四个不同温度进行试验。采用应力变化率(剩余应力与初始载荷的比值)来表征应力松弛性能，其值越大，松弛性越强，材料抗松弛性能越差；具体结果见图4。

结合图1-图3，实施例的抗拉强度均达到1800MPa以上，伸长率均达到10％以上，面缩率均达到40％以上，说明实施例具有较好的强韧性。实施例的弹簧钢在400℃下抗拉强度≥900MPa，具有良好的高温抗拉性能，满足高温环境中弹簧使用的要求。同时四个实施例均具有疲劳强度860MPa以上的优良的疲劳特性。而对比例弹簧钢成分不满足公式(1)，低于公式下限或高于公式上限，所得弹簧钢的性能明显弱于实施例所得弹簧钢。

结合图4，实施例1中未加入Co元素，其应力变化率高于实施例2、3、4，但低于同样未加入Co元素的对比例。实施例2、3、4中均添加有Co元素，其高温应力松驰试验应力变化率相较于实施例1和对比例较小。但实施例2中Co元素与W、Mo元素配比不满足公式W/(Mo+Co)≥1.5，其应力变化率大于实施例3和实施例4。而满足公式的实施例3和实施例4，其高温应力松驰试验应力变化率均(＝剩余应力/初始载荷)小于35％，其中最大的应力变化率在400℃时仍在31％左右，而对比例达到60％以上，实施例1达到50％以上，实施例2达到45％以上。此结果说明，本发明的弹簧钢能够具有较好的高温抗松弛性能，当钢中添加Co元素，并通过控制其含量和其他元素的配合，能够达到很好的高温抗松弛性能，满足高温环境中弹簧使用的要求。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种耐热高强度弹簧用钢，其特征在于：该弹簧钢的化学成分重量百分比为，C0.55%～0.65%、Si 1.30%～2.00%、Mn 0.70%～0.90%、Cr 0.10%～0.30%、V 0.20%～0.40%、Mo 0.10%～0.30%、W 0.60%～1.20%、P 痕量～0.015%、S 痕量～0.010%，其余为Fe和其它不可避免的杂质；所述的弹簧钢中还包含元素Co；所述的元素Co含量控制为占重量百分比0.20%～0.40%；所述的弹簧钢化学成分配比满足公式0.9C≤0.35W+0.70Mo+0.20Cr+V≤1.5C；所述的弹簧钢化学成分配比还满足公式W/（Mo+Co）≥1.5。

2.根据权利要求1所述的一种耐热高强度弹簧用钢，其特征在于：弹簧钢中杂质O含量控制为O≤0.0012%，杂质N含量控制为N≤0.006%。

3.如权利要求1或2所述的一种耐热高强度弹簧用钢的生产方法，其特征在于，其步骤为：

步骤一、电弧炉冶炼；

步骤二、LF炉精炼；

步骤三、RH或VD真空脱气；

步骤四、圆坯连铸；

步骤五、方坯轧制；

步骤六、探伤、修磨；

步骤七、优棒加热炉加热；

步骤八、控轧控冷；

步骤九、圆钢成品；

步骤十、圆钢调质处理。

4.根据权利要求3所述的一种耐热高强度弹簧用钢的生产方法，其特征在于：所述的步骤七中，优棒加热炉加热的加热温度为980～1070℃，方坯在炉时间≤170min。

5.根据权利要求4所述的一种耐热高强度弹簧用钢的生产方法，其特征在于：所述的步骤八中，控轧控冷采用KOCKS控轧控冷轧制，开轧温度880～945℃，终轧温度780～840℃。

6.根据权利要求5所述的一种耐热高强度弹簧用钢的生产方法，其特征在于：所述的步骤十中，调质处理过程为，先淬火，870℃加热并油冷，淬火介质温度15~35℃；然后回火，加热400℃并空冷至室温。

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