CN111705261B

CN111705261B - 一种高应力弹簧钢及其制备工艺

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Publication number: CN111705261B
Application number: CN202010448939.XA
Authority: CN
Inventors: 伍水华; 吴进贤
Original assignee: HUBEI SHENFENG AUTOMOBILE SPRING CO Ltd
Current assignee: HUBEI SHENFENG AUTOMOBILE SPRING CO Ltd
Priority date: 2020-05-25
Filing date: 2020-05-25
Publication date: 2021-08-10
Anticipated expiration: 2040-05-25
Also published as: CN111705261A

Abstract

本发明公开一种高应力弹簧钢及其制备工艺，该高应力弹簧钢按照质量百分比计，包括如下组分：C 0.47％～0.52％、Si 0.15％～0.32％、Mn 1.2％～1.5％、Cr 0.9％～1.1％、Mo 0.15％～0.25％、V 0.03％～0.05％、Nb 0.02％～0.05％、Ni 0.25％～0.35％、Cu 0.15％～0.25％、P≤0.02％、S≤0.015％、其余为Fe和不可避免杂质。该制备方法，包括冶炼、精炼、真空脱气、连铸、粗轧、高速线材控制轧制、斯太尔摩控冷、盘条拉拔和调质处理。本发明通过合理设计弹簧钢的化学成分，显著提高了弹簧钢的力学性能和抗腐蚀性能；本发明通过在加载恒定应力的条件下回火，能在较低的回火温度下得到同时具有较高强度和塑性的弹簧钢，同时能节约能耗。

Description

一种高应力弹簧钢及其制备工艺

技术领域

本发明涉及弹簧钢技术领域，具体涉及一种高应力弹簧钢及其制备工艺。

背景技术

随着人们对环保意识的不断增强，对节能环保的需求逐渐渗透到各行各业，因此在汽车及工程机械制造过程中对材料轻量化也越来越重视。由于弹簧在汽车制造行业被广泛应用，为了满足汽车轻量化和高性能化的需求，对减轻弹簧重量的要求不断增加。其中，一个有效的途径为设计高强度、高应力、高疲劳寿命的弹簧材料来满足弹簧材料轻量化需求。目前关于这方面的研究仅着重于提高弹簧材料的强度，而忽视了塑性指标(断面收缩率、断后伸长率等)。因此，进一步提高弹簧钢的性能仍然具有极大的研究价值。

中国专利CN107190204A公开了一种新型高强度LPD52弹簧钢，按照质量百分比包括如下组分：C 0.49～0.53％、Si 0.26～0.35％、Mn 0.85～1.10％、Cr 0.99～1.20％、V0.06～0.10％、Nb 0.03～0.10％、Mo 0.20～0.25％、Cu≤0.12％、Ni≤0.05％、P≤0.012％、S≤0.003％，其余量为Fe及不可避免的杂质。该新型高强度LPD52弹簧钢具有低脱碳、高塑韧性、低合金和低成本的特点，能满足轻量化少片簧的高应力、高疲劳性能、高工艺性能和高可靠性要求。但是其抗拉强度较54SiCrV6并无显著提高，且不具有耐蚀性，仍然不能达到高性能的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种高应力弹簧钢及其制备工艺，解决现有技术中现有的弹簧钢无法同时满足高强度和高塑韧性要求的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明提供了一种高应力弹簧钢，按照质量百分比计，包括如下组分：

P≤0.02％；

S≤0.015％；

其余为Fe和不可避免杂质。

本发明第二方面提供了一种高应力弹簧钢的制备方法，包括冶炼、精炼、真空脱气、连铸、粗轧、高速线材控制轧制、斯太尔摩控冷、盘条拉拔和调质处理，调质处理为将拉拔钢丝加热至890℃～930℃并保温15min～20min，油冷，淬火介质温度18℃～35℃，随后在100MPa～300MPa的恒定加载应力下升温至330℃～350℃，保温保载30min～60min。

本发明高应力弹簧钢选择化学成分范围的原因如下：

C：碳是钢中最主要的强化元素，随着C含量的提高，弹簧钢的抗拉强度，屈服强度和硬度等均有明显提高，卷制成弹簧的抗弹减性也有所提高；但过高的C含量降低了钢的塑性、韧性和屈强比，脱碳敏感性增大，恶化钢的抗疲劳性能和加工性能。在本发明中，C含量控制在0.47％～0.52％。

Si：硅是钢中重要的强化元素之一，其以固溶形式存在于钢中，能提高钢的强度、硬度、弹性极限及屈强比，也能提高钢的淬透性及抗回火软化能力；但过高含量的Si会增加钢的脱碳及石墨化倾向，降低钢的韧性及疲劳性能。在本发明中，Si含量控制在0.15％～0.32％。

Mn：锰可大幅度提高钢的淬透性、增加材料的硬度、强度和抗松弛性能，在坯料冶炼过程中作为重要的脱氧剂与脱硫剂；但过高的Mn含量，增加了热处理后的残余奥氏体含量，增加了回火脆性倾向。

Cr：铬与碳能形成稳定的化合物，阻止碳或杂质的偏聚，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，提高钢的疲劳强度，此外，Cr还有细化组织的作用，可以降低碳的活度，防止加热、轧制和热处理过程中的脱碳性能，提升质量可靠性，但过量的Cr增加钢的回火脆性倾向，对弹减性能和韧性不利。若加入量少，效果不明显，加入量过多，将导致韧性变差，且增加成本。

Mo：钼能提高钢材的抗氢蚀能力，抑制开裂。随着Mo元素含量的提高，延缓疲劳裂纹内部萌生时间的效果越明显，材料超高周疲劳性能也提高越多。但是Mo含量过多会增大晶间腐蚀倾向。在本发明中，Mo含量控制在0.15％～0.25％。

V：钒是钢的优良脱氧剂，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，可提高抗氢腐蚀能力。

Nb：铌是非常有效的细化晶粒的微合金化元素，Nb在钢中能提高奥氏体的再结晶温度，从而达到细化奥氏体晶粒的目的，提高钢的强韧性和疲劳强度。Nb元素的添加促进了稳定锈层的生成，明显降低了腐蚀速率。但过量的Nb的强化作用不再明显，且增加钢的裂纹敏感性。

Mn、Cr、V和Nb共同作用能明显提高钢的强度、淬透性，细化组织。结合钢材的性能和成本等，在本发明中，Mn含量控制在1.2％～1.5％，Cr含量控制在0.9％～1.1％、V含量控制在0.03％～0.05％，Nb含量控制在0.02％～0.05％。四者共同作用，能够在提高钢的强度、韧性的同时进一步降低V含量，有利于降低成本。

Ni：镍能与铁生成无限互溶的固溶体，具有扩大相区的作用，且不形成碳化物；同时，镍能稳定奥氏体，增强钢的淬透性，改善锈层结构，提高致密度和对钢表面的粘结性，提高钢的耐蚀性能。但钢中过量的镍加入，使钢在高温环境时的热脆性倾向增加，且增加成本。

Cu：铜在钢中的突出作用是提高钢的耐蚀性能，能够抑制产生的氢向钢的侵入从而提高钢在腐蚀环境下的耐氢脆化性能，特别是在Ni、Cu共存时其效果更好。但Cu在钢中产生高裂纹敏感性。

Cr、Ni、Cu共同作用能提高淬透性和耐蚀性能，在本发明中，Ni含量控制在0.25％～0.35％，Cu含量控制在0.15％～0.25％。

P为有害元素，严重降低钢的塑性与韧性，增加回火脆性，且偏析严重。本发明中，需控制P≤0.02％。

S为有害元素，降低钢的韧性，增加钢的热脆性，易偏析，减弱晶粒间的结合力，应严格控制其含量，Mn可以作为脱硫剂形成MnS，但过量的MnS降低材料的疲劳性能。本发明中，需控制S≤0.015％。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过合理设计弹簧钢的化学成分，显著提高了弹簧钢的力学性能和抗腐蚀性能；本发明通过在加载恒定应力的条件下回火，能在较低的回火温度下得到同时具有较高强度和塑性的弹簧钢，同时能节约能耗。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的第一方面提供了一种高应力弹簧钢，按照质量百分比计，包括如下组分：

P≤0.02％；

S≤0.015％；

其余为Fe和不可避免杂质。

该高应力弹簧钢的抗拉强度≥1985MPa，断面收缩率≥38％，断后伸长率≥8.9％，疲劳寿命≥95万次，相对腐蚀率≥35％。进一步地，抗拉强度≥2030MPa，断面收缩率≥42％，断后伸长率≥10.5％，疲劳寿命≥105万次，相对腐蚀率≥35％。

本发明第二方面提供了一种高应力弹簧钢的制备方法，包括冶炼、精炼、真空脱气、连铸、粗轧、高速线材控制轧制、斯太尔摩控冷、盘条拉拔和调质处理，具体如下：

冶炼采用常规电炉或转炉，冶炼后采用炉外精炼，精炼后进行真空脱气，脱气时间大于30min，控制H含量小于1.5ppm，随后采用连铸机浇注尺寸为300mm～500mm的圆坯或方坯。

粗轧为将圆坯或方坯在1000℃～1200℃下开坯为150mm～250mm圆坯或方坯料。

高速线材控制轧制采用加热炉加热，温度控制为1000℃～1050℃，保温1h～2h，轧制速度为50m/s～80m/s；具体地，机组进口温度为930℃～950℃，减定径机组进口温度为880℃～930℃，吐丝温度为850℃～910℃。

高速线材控制轧制结束后进行斯太尔摩控冷控制组织转变和盘条拉拔，得到拉拔钢丝，拉拔速度为2m/min～3m/min。

调质处理为将拉拔钢丝加热至890℃～930℃并保温15min～20min，油冷，淬火介质温度18℃～35℃，随后在100MPa～300MPa的恒定加载应力下升温至330℃～350℃，保温保载30min～60min。

本发明中，通过在施加恒定加载应力的条件下进行回火处理，便于利用加载应力与淬火内应力发生耦合，促进内应力快速释放，使回火过程能在较低的温度下进行，避免因回火温度较高而导致的钢强度下降的现象，有助于得到兼具强度和高韧性的弹簧钢。加载应力应控制在一定的范围内，若加载应力较低，则效果不明显，若加载应力较高，则导致弹簧钢结构受到破坏，影响力学性能。

为避免赘述本发明实施例和对比例的化学成份配比(wt％)见表1，其余量为Fe及不可避免的杂质；调质过程的工艺参数见表2。

表1

表2

根据上述表1和表2中的成分和工艺参数得到实施例1～7与对比例1～3，所得弹簧钢的加工工艺、力学性能和耐腐蚀性能对比见表3。

相对腐蚀率按照GB/T 10125-2012《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》的方法测试得到。

表3

由表3可以看出，本发明实施例1～7所得弹簧钢均具有较高的力学性能(抗拉强度≥1985MPa，断面收缩率≥38％，断后伸长率≥8.9％，疲劳寿命≥95万次)和耐腐蚀(相对腐蚀率≥35％)性能。实施例7在较高的回火温度下进行，与实施例1～6相比，其具有较低的断面收缩率和断裂伸长率。对比例1中加入较少的锰，从而导致所得样品具有较低的强度；对比例2中加入较少的铬，从而导致所得样品具有较低的疲劳寿命和较差的耐腐蚀性能；对比例3中加入较多的V，尽管也能达到较佳的力学性能，但是其成本较高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高应力弹簧钢的制备工艺，其特征在于，其步骤包括冶炼、精炼、真空脱气、连铸、粗轧、高速线材控制轧制、斯太尔摩控冷、盘条拉拔和调质处理；

所述调质处理为将拉拔钢丝加热至890℃～930℃并保温15min～20min，油冷，淬火介质温度18℃～35℃，随后在100MPa～300MPa的恒定加载应力下升温至330℃～350℃，保温保载30min～60min；

所述高应力弹簧钢，其特征在于，按照质量百分比计，包括如下组分：

P≤0.02％；

S≤0.015％；

其余为Fe和不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述高应力弹簧钢的制备工艺，其特征在于，所述精炼后进行真空脱气，脱气时间大于30min，控制H含量小于1.5ppm。

3.根据权利要求1所述高应力弹簧钢的制备工艺，其特征在于，所述粗轧为将圆坯或方坯在1000℃～1200℃下开坯为150mm～250mm圆坯或方坯料。

4.根据权利要求1所述高应力弹簧钢的制备工艺，其特征在于，所述高速线材控制轧制步骤采用加热炉加热，温度控制为1000℃～1050℃，保温1h～2h，轧制速度为50m/s～80m/s。

5.根据权利要求4所述高应力弹簧钢的制备工艺，其特征在于，所述高速线材控制轧制步骤中，机组进口温度为930℃～950℃，减定径机组进口温度为880℃～930℃，吐丝温度为850℃～910℃。

6.一种高应力弹簧钢，其特征在于，所述高应力弹簧钢通过权利要求1～5中任一项所述高应力弹簧钢的制备工艺得到。

7.根据权利要求6所述高应力弹簧钢，其特征在于，所述高应力弹簧钢的抗拉强度≥1985MPa，断面收缩率≥38％，断后伸长率≥8.9％，疲劳寿命≥95万次，相对腐蚀率≥35％。