CN111705273A - 一种高强弹簧箔带材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高强弹簧箔带材及其制备方法，属于高强冷加工成型技术领域。带材的成分及质量百分比为：C：≤0.05％，Cr：12.0％～17.0％，Ni：5.0％～8.0％，Co：3.0％～6.0％，Mo：2.0％～3.0％，W：1.5％～3.5％，Nb：1.0％～2.0％，Al：0.3％～0.5％，Ti：0.3％～0.5％，Si：≤0.3％，Mn：≤0.3％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，B≤0.005％，Ce≤0.05％，Zr≤0.01％，余量为Fe和不可避免杂质元素等。制备步骤为配料后进行真空冶炼；锻造至6.0mm厚板坯；再经热处理，水冷后进行冷轧；冷轧前进行中间连续退火温度在1200℃；出炉后冷轧成品0.03mm。优点在于，制备成本低廉、操作简单、节能环保、综合性能优异、应用广泛，适合工业化大规模生产，更适用于极端环境下服役的环境变化大、高载荷的弹簧件。

Description

一种高强弹簧箔带材及其制备方法
技术领域
本发明属于高强冷加工成型技术领域，特别涉及一种高强弹簧箔带材及其制备方法。尤其涉及一种高弹性模量低弹性后效高强弹簧箔带材及其制备方法。
背景技术
不锈弹簧具有耐腐蚀、抗氧化性等优点。广泛地应用于电子电器、食品工业、化学工业、纺织机械、汽车制造和航空等性能要求严格的行业中。制成的弹簧除具有不锈和耐蚀性外，还有许多其他优点，如抗松弛、弹性减退和抗弹性后效能力比用弹簧钢和合金钢制造的弹簧好很多，甚至可以高几倍。由于不锈弹簧钢具有一般碳素弹簧钢和合金弹簧钢所不能达到的优越性能，以及对弹簧不锈、耐蚀等性能的要求越来越迫切与严格，特别是航空某领域对厚度＜0.1mm的箔带细小弹簧研究的发展，都使得不锈弹簧钢的应用范围不断扩大，用量不断增加。但是对于箔带材的研发国内外仍然缺乏深入的认识，国内批量生产的箔带材合金非常少，因此本专利原创的开发了一种高弹性模量低弹性后效高强弹簧箔带材，打破了国外技术的封锁，为极薄带弹簧提供了新的发展空间。
国内外广泛使用的不锈弹簧带大致分为三类：相变马氏体钢带、形变强化奥氏体钢带和沉淀硬化半奥氏体钢带。对于弹性模量较高的半奥氏体沉淀硬化不锈钢。其兼有奥氏体钢耐蚀性强，冷加工性能良好和马氏体钢可通过热处理强化的优点，也存在着组织敏感性强、性能波动大、应力裂纹扩展快，加工工艺不正确易产生脆性断裂等缺点。因此此类半奥氏体沉淀硬化不锈钢无论在热加工或冷拉时都有很大的困难，这种困难主要表现在生产工艺不正确时严重降低材料的塑性，钢带和弹簧易产生纵长裂纹，弹簧钢带应力裂纹倾向大。目前国内用的较多的材料为0Cr17Ni7Al和0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不锈钢带。根据对市场进行跟踪调研发现，0Cr17Ni7Al不锈钢带长期保存时性能起伏较大。在保存1年后，部分丝材会发生断裂、变脆、无法制成弹簧现象，工艺性极差、组织不稳定；0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不锈钢带在新入厂时弹簧配对合格率在90％左右，1年后合格率降到70％甚至50％。同时这两种合金带的强度难以满足更加苛刻的要求，弹簧弹力散差大。室温下不能长期存放，易于发生应力释放开裂。同时，当厚度降低到0.1mm以下时，带材加工性差，很难加工成弹簧片。因此，急需一种高弹性模量长期稳定性好的高强弹簧极薄带，为电子电器、食品工业、化学工业、纺织机械、汽车制造和航空等做出贡献。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强弹簧箔带材及其制备方法，解决了现有技术中弹簧箔带组织敏感性强、性能波动大、弹性模量低、应力裂纹扩展快，加工工艺不正确易产生脆性断裂和极端环境下材料性能的下降和长期服役稳定性的问题。特别适用于极端环境下服役的高载荷、环境变化大的弹簧件，以及其他应用中对环境要求严格的弹簧件。
一种高强弹簧箔带材，其中化学成份质量百分比为：C：≤0.05％，Cr：12.0％～17.0％，Ni：5.0％～8.0％，Co：3.0％～6.0％，Mo：2.0％～3.0％，W：1.5％～3.5％，Nb：1.0％～2.0％，Al：0.3％～0.5％，Ti：0.3％～0.5％，Si：≤0.3％，Mn：≤0.3％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，B≤0.005％，Ce≤0.05％，Zr≤0.01％，余量为Fe和不可避免杂质元素。
上述弹簧箔带材的制备方法，具体步骤及参数如下：
1、配料：按上述一种高强弹簧箔带材的化学成份质量百分比配料，其中，Fe为纯铁、低硫铁、铬铁、高碳铬铁、钼铁、硅铁、锰铁的一种或几种；Cr为铬铁、金属铬、锦铁铬、低氮锦铁铬、高纯低氧铬的一种或几种；Mo为金属钼、钼铁、钼铬棒的一种或几种；Ni为电解镍、金属镍、金川镍、高纯镍的一种或几种；Si为高碳硅、高碳硅铁、高纯多晶硅、金属硅颗粒的一种或几种；Mn为锰铁、金属锰、电解锰片的一种或几种；Nb为铌铁、熔炼铌、高纯磨光铌棒的一种或几种；W为钨铁、钨棒、高纯钨块的一种或几种；Al为电解铝、铝棒、纯铝条的一种或几种；Ti为纯钛棒、金属钛、海绵钛的一种或几种；Co为电解钴、金属钴、金川钴板的一种或几种；Ce为金属铈、高纯铈的一种或几种；
2、冶炼锻造和冷轧：将混合后原料进行真空感应和真空自耗冶炼，冶炼后进行锻造和热轧至3.0mm～6.0mm的厚板坯；厚板坯经过1120～1180℃热处理后，水冷、盐水冷或冰水冷后进行冷轧，在开坯阶段带材变形量40％～70％，中间坯阶段带材变形量30～50％，成品变形量20％～50％，带材在开坯和中间坯冷轧前进行中间连续退火，连续退火温度1000℃～1200℃，走带速度1～10min/m，氢气或氩气保护，快速冷却；在成品冷轧前配合成品变形量进行弥散相均匀分布热处理，带材进行连续光亮退火处理，热处理温度在1150℃～1250℃，走带速度1～10min/m，氢气或氩气保护，出炉前向炉内通入高压氢气或氩气进行气氛冷却，出炉后冷轧成品为0.01～0.05mm。
本发明的优点在于，本方法制备的弹簧箔带，制备成本低廉、操作简单、节能环保、综合性能优异、应用广泛，适合工业化大规模生产。其不仅适用于对环境要求严格的弹簧件，更适用于极端环境下服役的环境变化大、高载荷的弹簧件。
具体实施方式
实施例1
1、配料：原料化学成份质量百分比为：C：0.05％，Cr：12.0％，Ni：5.0％，Co：3.0％，Mo：2.0％，W：1.5％，Nb：1.0％，Al：0.3％，Ti：0.3％，Si：0.3％，Mn：0.3％，P：0.01％，S：0.01％，B：0.005％，Ce：0.05％，Zr：0.01％，余量为Fe和不可避免杂质元素。其中Fe为将纯铁、Cr为铬铁；Mo为金属钼、Ni为电解镍、Si为高碳硅、Mn为锰铁、Nb为铌铁、W为钨铁、Al为电解铝、Ti为纯钛棒、Co为电解钴、Ce为金属铈；
2、冶炼锻造和冷轧：按照比例混合进行真空感应和真空自耗冶炼后进行锻造，至3.0mm厚板坯。经过1120℃热处理，水冷后进行冷轧加工。在开坯阶段带材材变形量在40％，中间坯阶段在30％，成品变形量在50％。带材在开坯和中间坯冷轧前进行中间连续退火，连续退火温度在1000℃，走带速度1min/m，氢气保护，快速冷却；在成品冷轧前需配合成品变形量进行弥散相均匀分布热处理，带材进行连续光亮退火处理，热处理温度在1150℃，走带速度1min/m，氩气保护，出炉前向炉内通入高压氩气进行气氛冷却。出炉后冷轧成品0.01mm。
实施例2
1、配料：原料化学成份质量百分比为：C：0.03％，Cr：17.0％，Ni：8.0％，Co：6.0％，Mo：3.0％，W：3.5％，Nb：2.0％，Al：0.5％，Ti：0.5％，Si：0.1％，Mn：0.1％，P：0.005％，S：0.005％，B：0.002％，Ce：0.02％，Zr：0.005％，余量为Fe和不可避免杂质元素。其中Fe为将低硫铁、铬铁；Mo为金属钼、Ni为电解镍、Si为高碳硅、Mn为锰铁、Nb为熔炼铌、W为钨棒、Al为铝棒、Ti为海绵钛、Co为金属钴、Ce为金属铈；
2、冶炼锻造和冷轧：按照比例混合进行真空感应和真空自耗冶炼后进行锻造，至6.0mm厚板坯。经过1180℃热处理，水冷后进行冷轧加工。在开坯阶段带材材变形量在70％，中间坯阶段在50％，成品变形量在20％。带材在开坯和中间坯冷轧前进行中间连续退火，连续退火温度在1200℃，走带速度10min/m，氩气保护，快速冷却；在成品冷轧前需配合成品变形量进行弥散相均匀分布热处理，带材进行连续光亮退火处理，热处理温度在1250℃，走带速度10min/m，氩气保护，出炉前向炉内通入高压氢气进行气氛冷却。出炉后冷轧成品0.05mm。
实施例3
1、配料：原料化学成份质量百分比为：C：0.01％，Cr：15.0％，Ni：6.0％，Co：4.5％，Mo：2.3％，W：2.15％，Nb：1.48％，Al：0.48％，Ti：0.4％，Si：0.05％，Mn：0.05％，P：0.001％，S：0.001％，B：0.002％，Ce：0.01％，Zr：0.005％，余量为Fe和不可避免杂质元素。其中Fe为将钼铁、Cr为高纯低氧铬、Ni为高纯镍、Si为金属硅颗粒、Mn为电解锰片、Nb为高纯磨光铌棒、W为高纯钨块、Al为纯铝条、Ti为金属钛、Co为电解钴、Ce为高纯铈；
2、冶炼锻造和冷轧：按照比例混合进行真空感应和真空自耗冶炼后进行锻造，至6.0mm厚板坯。经过1180℃热处理，水冷后进行冷轧加工。在开坯阶段带材材变形量在70％，中间坯阶段在50％，成品变形量在20％。带材在开坯和中间坯冷轧前进行中间连续退火，连续退火温度在1200℃，走带速度10min/m，氩气保护，快速冷却；在成品冷轧前需配合成品变形量进行弥散相均匀分布热处理，带材进行连续光亮退火处理，热处理温度在1250℃，走带速度10min/m，氩气保护，出炉前向炉内通入高压氢气进行气氛冷却。出炉后冷轧成品0.03mm。
根据实测数据本发明所涉及的弹簧箔带具有优良的弹性模量和较低的线膨胀系数，如表1所示。在300℃不同时间时效后进行极限强度Rm和维氏硬度Hv测试结果如表2所示，说明该箔带材具有良好的稳定性。
表1合金不同温度下弹性模量和线膨胀系数统计
Figure BDA0002611113650000041
Figure BDA0002611113650000051
表2 300℃下钢带不同时效时间强度和硬度变化统计
Figure BDA0002611113650000052
综上所述，通过适当增加Co、Ni、Mo等合金化元素，解决了现有技术中弹簧箔带材组织敏感性强、性能波动大、弹性模量低、应力裂纹扩展快，加工工艺不正确易产生脆性断裂等问题，特别是解决了长期使用材料性能的下降和组织稳定性问题。从而提供了一种操作简单、成本低廉、综合性能优异的用于环境苛刻的弹簧箔带。其应用较为广泛，不仅可以应用于极端环境下服役的环境变化大、高载荷的弹簧件，还可以用于其他对环境要求高以及强韧性匹配严格的坦克、装甲车、大型运输车、飞机伞仓门等需要用到弹簧箔带件的部件。

Claims (2)

1.一种高强弹簧箔带材，其特征在于，带材成分及质量百分比为：C：≤0.05％，Cr：12.0％～17.0％，Ni：5.0％～8.0％，Co：3.0％～6.0％，Mo：2.0％～3.0％，W：1.5％～3.5％，Nb：1.0％～2.0％，Al：0.3％～0.5％，Ti：0.3％～0.5％，Si：≤0.3％，Mn：≤0.3％，P：≤0.01％，S：≤0.01％，B≤0.005％，Ce≤0.05％，Zr≤0.01％，余量为Fe和不可避免杂质元素。
2.一种权利要求1所述高强弹簧箔带材的制备方法，其特征在于，具体步骤及控制的技术参数如下：
1)配料：按上述一种高强弹簧箔带材的化学成份质量百分比配料，其中，Fe为纯铁、低硫铁、铬铁、高碳铬铁、钼铁、硅铁、锰铁的一种或几种；Cr为铬铁、金属铬、锦铁铬、低氮锦铁铬、高纯低氧铬的一种或几种；Mo为金属钼、钼铁、钼铬棒的一种或几种；Ni为电解镍、金属镍、金川镍、高纯镍的一种或几种；Si为高碳硅、高碳硅铁、高纯多晶硅、金属硅颗粒的一种或几种；Mn为锰铁、金属锰、电解锰片的一种或几种；Nb为铌铁、熔炼铌、高纯磨光铌棒的一种或几种；W为钨铁、钨棒、高纯钨块的一种或几种；Al为电解铝、铝棒、纯铝条的一种或几种；Ti为纯钛棒、金属钛、海绵钛的一种或几种；Co为电解钴、金属钴、金川钴板的一种或几种；Ce为金属铈、高纯铈的一种或几种；
2)冶炼锻造和冷轧：将混合后原料进行真空感应和真空自耗冶炼，冶炼后进行锻造和热轧至3.0mm～6.0mm的厚板坯；厚板坯经过1120～1180℃热处理后，水冷、盐水冷或冰水冷后进行冷轧，在开坯阶段带材变形量40％～70％，中间坯阶段带材变形量30～50％，成品变形量20％～50％，带材在开坯和中间坯冷轧前进行中间连续退火，连续退火温度1000℃～1200℃，走带速度1～10min/m，氢气或氩气保护，快速冷却；在成品冷轧前配合成品变形量进行弥散相均匀分布热处理，带材进行连续光亮退火处理，热处理温度在1150℃～1250℃，走带速度1～10min/m，氢气或氩气保护，出炉前向炉内通入高压氢气或氩气进行气氛冷却，出炉后冷轧成品为0.01～0.05mm。
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