CN112941414A - 一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢，按照重量百分比计，所述不锈钢包括的各成分如下：C:0.01～0.05％；Cr:9.0～15％；Sc:0.1～0.5％；Zn:0.5～3％；Li:0.02～0.06％；B:0.001～0.006％；Ta:0.15～0.35％；Sr:0.02～0.07％；Si:0.2～0.5％；Ti:0.04～0.2％；Al:3.0～5.2％；余量为Fe。通过加入Sc元素提高不锈钢的高温强度、结构稳定性和抗腐蚀性能；加入Ta元素，以固溶强化和析出强化的形式，大幅度提升合金的强度，同时具有较好的韧性；采用锻造和冷轧工艺的结合，能够显著细化晶粒，并且通过固溶和时效处理消除加工硬化和残余应力，提升合金的塑性和韧性。本发明不锈钢的机械物理性能优良，具有高抗拉强度、高屈服强度和高冲击韧性；且耐酸盐腐蚀性能优异，使用寿命长，不易变形，可适用于发条卷簧行业。

Description

一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料领域，具体涉及一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢及其制备方法。
背景技术
发条卷簧又称作发条弹簧，是在机械行业和日常生活中比较常见的零件，弹簧在弹性范围内使用，卸载后回到原来位置，希望其塑性变形越小越好，因此发条应具有高的弹性极限，屈服强度和抗拉强度，弹性极限越接近抗拉强度，越能提高强度利用率，制成的卷簧弹力越强。卷簧依靠弹性变形吸收冲击能量，所以卷簧发条不一定要有很高的塑性，但要有足够的能承受冲击能量的韧性。卷簧通常在交变应力作用下长期工作，因此需要具备很高的疲劳极限，以及良好的抗蠕变性能。此外，某些发条卷簧的使用环境比较恶劣，比如在腐蚀介质中使用的卷簧需要具备良好的抗腐蚀性能等。
碳钢因其成本低、抗拉强度和疲劳寿命也能满足基本要求而成为发条卷簧的常用材料，然而碳钢自身容易生锈，特别是在高温度和高湿度的恶劣环境中使用就更容易生锈，一旦生锈会发生腐蚀，导致金属材料容易变形、断裂。碳钢材料的制备工艺通常是由低硬度的母材通过淬火再回火获取生产发条卷簧的高硬度，这种工艺会导致碳钢材料的韧性较差，使用寿命较低，在实际应用中会存在发条卷簧整体断裂的现象。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢及其制备方法，所述不锈钢的机械加工性能优异，具有高抗拉强度、高韧性；且耐酸盐腐蚀，使用寿命长，不易变形。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：
一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢，按照重量百分比计，所述不锈钢包括的各成分如下：
C:0.01～0.05％；Cr:9.0～15％；Sc:0.1～0.5％；Zn:0.5～3％；Li:0.02～0.06％；B:0.001～0.006％；Ta:0.15～0.35％；Sr:0.02～0.07％；Si:0.2～0.5％；Ti:0.04～0.2％；Al:3.0～5.2％；余量为Fe。
作为一种优选的方案，按照重量百分比计，所述不锈钢包括的各成分如下：C:0.02～0.03％；Cr:12～15％；Sc:0.2～0.4％；Zn:1.5～2％；Li:0.03～0.06％；B:0.002～0.006％；Ta:0.17～0.30％；Sr:0.03～0.07％；Si:0.2～0.35％；Ti:0.05～0.16％；Al:3.5～4.8％；余量为Fe。
一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)按上述配比准确称量各成分，将称取好的金属成分分别置于装有酒精的烧杯中进行超声清洗10min，采用吹风机冷风吹干；
(2)先将成分C、B、Cr、Ta通过真空熔炼炉进行熔炼，将其反复熔炼3-6次得到熔体Ⅰ；将成分Ti、Si、Fe、Sc进行熔炼3-6次，得到熔体Ⅱ；将成分Sr、Zn、Li、Al进行熔炼3-6次，得到熔体Ⅲ；最后将熔体Ⅰ、熔体Ⅱ、熔体Ⅲ合并进行熔炼，反复熔炼6-10次，得到铸锭工件；
(3)将熔炼得到的铸锭进行锻造；
(4)将锻造后的工件进行退火处理；
(5)将退火后的工件进行冷轧，得到轧制工件；
(6)将轧制工件进行固溶处理和时效处理；
(7)将时效处理后的工件进行淬火处理。
作为一种优选的方案，在锻造之前，需要将所述铸锭先加热到1150-1180℃，保温1h-2h。
作为一种优选的方案，所述锻造的终锻温度不低于900℃。
作为一种优选的方案，所述退火处理的温度为810-850℃，退火时间为3-4h。
作为一种优选的方案，所述冷轧的条件为室温25-30℃，所述冷轧的轧制比≥3，每次轧制的厚度变形量为10％。
作为一种优选的方案，所述固溶处理的温度范围为1000-1050℃，所述固溶处理的时间为2-3h。
作为一种优选的方案，所述时效处理的温度范围是450℃，所述时效处理的时间为3-5h。
作为一种优选的方案，所述淬火处理的介质为水或油。
有益效果：
(1)本发明加入Sc元素和Al元素，可以形成Al3Sc新相，使合金的结构和性能发生变化，能够提高合金的再结晶温度，提高高温强度、结构稳定性和抗腐蚀性能。
(2)加入Ta元素，通过固溶强化和析出强化的形式，能够大幅度提升不锈钢的强度，同时具有较好的韧性。
(3)加入Li元素和Sr元素，在合金熔炼过程中充当脱氧、脱硫、脱磷剂，能有效去除有害杂质和气体。
(4)采用锻造工艺和冷轧工艺的结合使用，能够显著细化晶粒，并且通过固溶处理和时效处理消除由于冷热加工产生的加工硬化，提升合金的塑性和韧性。
具体实施方式
结合以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可进一步地理解本发明的内容。除非另有说明，本文中使用的所有技术及科学术语均具有与本发明所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。如果现有技术中披露的具体术语的定义与本发明中提供的任何定义不一致，则以本发明中提供的术语定义为准。
在本文中使用的，除非上下文中明确地另有指示，否则没有限定单复数形式的特征也意在包括复数形式的特征。还应理解的是，如本文所用术语“由…制备”与“包含”同义，“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示所陈述的组合物、步骤、方法、制品或装置，但不排除存在或添加一个或多个其它组合物、步骤、方法、制品或装置。此外，当描述本发明的实施方式时，使用“优选的”、“优选地”、“更优选的”等是指，在某些情况下可提供某些有益效果的本发明实施方案。然而，在相同的情况下或其他情况下，其他实施方案也可能是优选的。除此之外，对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示其他实施方案不可用，也并非旨在将其他实施方案排除在本发明的范围之外。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢，按照重量百分比计，所述不锈钢包括的各成分如下：
C:0.01～0.05％；Cr:9.0～15％；Sc:0.1～0.5％；Zn:0.5～3％；Li:0.02～0.06％；B:0.001～0.006％；Ta:0.15～0.35％；Sr:0.02～0.07％；Si:0.2～0.5％；Ti:0.04～0.2％；Al:3.0～5.2％；余量为Fe和微量的P、S杂质元素。
在一些优选的实施方式中，按照重量百分比计，所述不锈钢包括的各成分如下：C:0.02～0.03％；Cr:12～15.0％；Sc:0.2～0.4％；Zn:1.5～2％；Li:0.03～0.06％；B:0.002～0.006％；Ta:0.17～0.30％；Sr:0.03～0.07％；Si:0.2～0.35％；Ti:0.05～0.16％；Al:3.5～4.8％；余量为Fe。
采用上述各成分的理由如下：
碳C：碳可以通过固溶强化与不锈钢中的其它元素Cr、Ti、Ta形成化合物，是强奥氏体形成元素，能够显著提高钢的强度，但碳对合金的耐腐蚀性能会产生不利影响，因此需要控制碳含量在0.03％以下。
铬Cr：是不锈钢的基本成分，增加Cr含量，可以有效提高不锈钢的强度和对氧化性酸的耐腐蚀性，同时会降低其塑性和韧性，它也是形成铁素体的主要元素，含量过高会使奥氏体中的铁素体含量增加，因此控制Cr含量范围在12～15％。
钪Sc：加入0.2～0.4％的Sc，可使合金的再结晶温度显著提高，且高温强度、结构稳定性、焊接性能和抗腐蚀性能均明显提高，并可避免高温下长期工作时易产生的脆化现象。
锌Zn：Zn具有较好的机械性能，能够使合金的切削加工性能良好。
锂Li：在合金冶炼过程中，加入锂能强烈地和氧、氮、氯、硫等物质反应的性质，充当脱氧剂和脱硫剂，能除去有害的杂质和气体。在现代需要的优质特殊合金钢材中，锂是清除杂质最理想的材料。
钽Ta：Ta与钢中的间隙原子C、N等具有极高的亲和力，而且和他们形成的化合物在高温下也非常稳定。有研究表明Fe-C-Ta合金的强化机制，分析认为钽在铁基合金中的强化作用表现为固溶强化和析出强化，能够大幅度提升合金的强度，同时具有较好的韧性。
锶Sr：Sr在钢铁冶炼中作为脱氧、脱硫、脱磷剂，本发明中可以与Li元素产生协同作用。
硅Si：可以有效提高铁的钝化能力，在钢的表面形成一层致密的氧化膜，从而提高钢的耐蚀性；并且能够降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。
钛Ti:可以防止晶间腐蚀，提高不锈钢的高温强度。在热处理的升温过程中，Ti容易与C、N等元素结合形成弥散的小颗粒，对奥氏体晶界起固定作用，阻碍奥氏体晶界的迁移，有效阻止奥氏体晶粒粗化；在降温过程中TiC、TiN化合物会在奥氏体向铁素体转变之前析出，成为铁素体的形核质点，有效细化铁素体的晶粒，使不锈钢的强度显著提高。
铝Al：可以细化不锈钢的晶粒，提高钢的强度、抗氧化性能和对强氧化性酸类的耐腐蚀性能，并且在炼钢中能够起到良好的脱氧作用。
一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配比准确称量各成分，将称取好的金属成分分别置于装有酒精的烧杯中进行超声清洗10min，采用吹风机冷风吹干；
(2)先将成分C、B、Cr、Ta通过真空熔炼炉进行熔炼，将其反复熔炼3-6次得到熔体Ⅰ；将成分Ti、Si、Fe、Sc进行熔炼3-6次，得到熔体Ⅱ；将成分Sr、Zn、Li、Al进行熔炼3-6次，得到熔体Ⅲ；最后将熔体Ⅰ、熔体Ⅱ、熔体Ⅲ合并进行熔炼，反复熔炼6-10次，得到铸锭工件；
(3)将熔炼得到的铸锭进行锻造；
(4)将锻造后的工件进行退火处理；
(5)将退火后的工件进行冷轧，得到轧制工件；
(6)将轧制工件进行固溶处理和时效处理；
(7)将时效处理后的工件进行淬火处理。
在一些优选的实施方式中，在锻造之前，为了使铸锭的组织更加均匀，需要将所述铸锭先加热到1150-1180℃，保温1h-2h。
通过锻造能使铸造组织中的疏松、气孔压实，把粗大的铸造组织(树枝状晶粒)击碎成细小的晶粒,并形成纤维组织。当纤维组织沿着零件轮廓合理地分布时，能提高零件的机械性能。
在一些优选的实施方式中，所述锻造的终锻温度不低于900℃。
在一些优选的实施方式中，所述退火处理的温度为810-850℃，退火时间为3-4h。
对锻造后的工件进行退火处理是为了消除锻造过程中产生的加工硬化，去除热应力，避免在后续的处理过程中发生开裂的倾向。
在一些优选的实施方式中，所述冷轧的条件为室温25-30℃，所述冷轧的轧制比≥3，每次轧制的厚度变形量为10％。
将工件进行冷轧处理可以有效细化晶粒，从而提升不锈钢的韧性，但冷轧处理后会产生加工硬化，为了消除残余应力、改善组织缺陷以及使组织更加均匀化，将工件进行固溶处理和时效处理。
在一些优选的实施方式中，所述固溶处理的温度范围为1000-1050℃，所述固溶处理的时间为2-3h。
在一些优选的实施方式中，所述时效处理的温度范围是450℃，所述时效处理的时间为3-5h。
为避免热处理过程中工件氧化，所述退火处理、固溶处理和时效处理采用真空或保护气体的环境，所述保护气体为氩气、氮气或氦气。
在一些优选的实施方式中，所述淬火处理的介质为水或油，淬火会提高不锈钢的硬度和强度。
实施例
表1是各实施例中不锈钢各成分的重量占比(％)：
表1
Figure BDA0002926959560000051
Figure BDA0002926959560000061
实施例1
本实施例涉及一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)按表1中实施例1对应的配比准确称量各成分，将称取好的金属成分Cr、Ta、Ti、Fe、Sc、Sr、Zn、Al分别置于装有酒精的烧杯中进行超声清洗10min，采用吹风机冷风吹干；
(2)先将成分C、B、Cr、Ta通过真空熔炼炉进行熔炼，将其反复熔炼6次得到熔体Ⅰ；将成分Ti、Si、Fe、Sc进行熔炼6次，得到熔体Ⅱ；将成分Sr、Zn、Li、Al进行熔炼6次，得到熔体Ⅲ；最后将熔体Ⅰ、熔体Ⅱ、熔体Ⅲ合并进行熔炼，反复熔炼8次，得到铸锭工件；
(3)首先将熔炼得到的铸锭先加热到1160℃左右，保温2h即开始锻造，重复锻造2次，终锻温度不低于900℃；
(4)将锻造后的工件进行条件为820℃，3h的退火处理；
(5)将退火后的工件在室温下进行冷轧，每次轧制的厚度变形量为10％，控制轧制比为3，得到轧制工件；
(6)将轧制工件进行条件为1050℃和2h的固溶处理，然后进行450℃，保温4h的时效处理；
(7)将时效处理后的工件进行水冷淬火处理。
实施例2
本实施例涉及一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)按表1中实施例2对应的配比准确称量各成分，将称取好的金属成分Cr、Ta、Ti、Fe、Sc、Sr、Zn、Al分别置于装有酒精的烧杯中进行超声清洗10min，采用吹风机冷风吹干；
(2)先将成分C、B、Cr、Ta通过真空熔炼炉进行熔炼，将其反复熔炼5次得到熔体Ⅰ；将成分Ti、Si、Fe、Sc进行熔炼5次，得到熔体Ⅱ；将成分Sr、Zn、Li、Al进行熔炼5次，得到熔体Ⅲ；最后将熔体Ⅰ、熔体Ⅱ、熔体Ⅲ合并进行熔炼，反复熔炼10次，得到铸锭工件；
(3)首先将熔炼得到的铸锭先加热到1180℃左右，保温2h即开始锻造，重复锻造3次，终锻温度不低于900℃；
(4)将锻造后的工件进行条件为850℃，4h的退火处理；
(5)将退火后的工件在室温下进行冷轧，每次轧制的厚度变形量为10％，控制轧制比为4，得到轧制工件；
(6)将轧制工件进行条件为1030℃和3h的固溶处理，然后进行450℃，保温4h的时效处理；
(7)将时效处理后的工件进行水冷淬火处理。
实施例3
本实施例涉及一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)按表1中实施例1对应的配比准确称量各成分，将称取好的金属成分Cr、Ta、Ti、Fe、Sc、Sr、Zn、Al分别置于装有酒精的烧杯中进行超声清洗10min，采用吹风机冷风吹干；
(2)先将成分C、B、Cr、Ta通过真空熔炼炉进行熔炼，将其反复熔炼4次得到熔体Ⅰ；将成分Ti、Si、Fe、Sc进行熔炼4次，得到熔体Ⅱ；将成分Sr、Zn、Li、Al进行熔炼4次，得到熔体Ⅲ；最后将熔体Ⅰ、熔体Ⅱ、熔体Ⅲ合并进行熔炼，反复熔炼6次，得到铸锭工件；
(3)首先将熔炼得到的铸锭先加热到1150℃左右，保温1.5h即开始锻造，重复锻造2次，终锻温度不低于900℃；
(4)将锻造后的工件进行条件为840℃，4h的退火处理；
(5)将退火后的工件在室温下进行冷轧，每次的轧制厚度变形量为10％，控制轧制比为4，得到轧制工件；
(6)将轧制工件进行条件为1020℃和2h的固溶处理，然后进行450℃，保温4h的时效处理；
(7)将时效处理后的工件进行水冷淬火处理。
对比例1
所述对比例1涉及一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢及其制备方法，与实施例1的区别在于不含Sc元素。
对比例2
所述对比例2涉及一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢及其制备方法，与实施例1的区别在于不含Ta元素。
对比例3
所述对比例3涉及一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢及其制备方法，与实施例1的区别在于不含Ti元素。
对比例4
所述对比例4涉及一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢及其制备方法，与实施例1的区别在于制备方法中冷轧工艺的轧制比为2。
对比例5
所述对比例5为发条卷簧常用的碳钢65Mn。
性能测试
机械物理性能检测结果见表2。
表中的盐蚀速率的测试条件为：将样品置于4.5wt％NaCl溶液环境下；
酸蚀速率的测试条件为：将样品置于5％盐酸溶液环境下：
腐蚀速率的单位为：mm/y。
表2性能测试结果
Figure BDA0002926959560000081
Figure BDA0002926959560000091
通过表2的测试结果可知，本发明所制备的不锈钢的机械加工性能优异，具有高抗拉强度、高屈服强度、优异的抗冲击韧性，且耐酸盐腐蚀性能好，而关键就在于各组分的选定、配比及特殊的制备工艺。与发条卷簧用的常用材料碳钢65Mn相比，其具有更加优异的综合性能，因此非常适用于发条卷簧行业的应用。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对本领域的技术人员来说，可根据上述说明加以改进和变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢，其特征在于，按照重量百分比计，所述不锈钢包括的各成分如下：C:0.01～0.05％；Cr:9.0～15％；Sc:0.1～0.5％；Zn:0.5～3％；Li:0.02～0.06％；B:0.001～0.006％；Ta:0.15～0.35％；Sr:0.02～0.07％；Si:0.2～0.5％；Ti:0.04～0.2％；Al:3.0～5.2％；余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢，其特征在于，按照重量百分比计，所述不锈钢包括的各成分如下：C:0.02～0.03％；Cr:12～15％；Sc:0.2～0.4％；Zn:1.5～2％；Li:0.03～0.06％；B:0.002～0.006％；Ta:0.17～0.30％；Sr:0.03～0.07％；Si:0.2～0.35％；Ti:0.05～0.16％；Al:3.5～4.8％；余量为Fe。
3.根据权利要求1-2任一所述的一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按配比准确称量各成分，将称取好的金属成分分别置于装有酒精的烧杯中进行超声清洗10min，采用吹风机冷风吹干；
(2)先将成分C、B、Cr、Ta通过真空熔炼炉进行熔炼，将其反复熔炼3-6次得到熔体Ⅰ；将成分Ti、Si、Fe、Sc进行熔炼3-6次，得到熔体Ⅱ；将成分Sr、Zn、Li、Al进行熔炼3-6次，得到熔体Ⅲ；最后将熔体Ⅰ、熔体Ⅱ、熔体Ⅲ合并进行熔炼，反复熔炼6-10次，得到铸锭工件；
(3)将熔炼得到的铸锭进行锻造；
(4)将锻造后的工件进行退火处理；
(5)将退火后的工件进行冷轧，得到轧制工件；
(6)将轧制工件进行固溶处理和时效处理；
(7)将时效处理后的工件进行淬火处理。
4.根据权利要求3所述的一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢的制备方法，其特征在于，在锻造之前，需要将所述铸锭先加热到1150-1180℃，保温1h-2h。
5.根据权利要求3所述的一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢的制备方法，其特征在于，所述锻造的终锻温度不低于900℃。
6.根据权利要求3所述的一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢的制备方法，其特征在于，所述退火处理的温度为810-850℃，退火时间为3-4h。
7.根据权利要求3所述的一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢的制备方法，其特征在于，所述冷轧的条件为室温25-30℃，所述冷轧的轧制比≥3，每次轧制的厚度变形量为10％。
8.根据权利要求3所述的一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢的制备方法，其特征在于，所述固溶处理的温度范围为1000-1050℃，所述固溶处理的时间为2-3h。
9.根据权利要求3所述的一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢的制备方法，其特征在于，所述时效处理的温度范围是450℃，所述时效处理的时间为3-5h。
10.根据权利要求3所述的一种发条卷簧用高强度高韧性不锈钢的制备方法，其特征在于，所述淬火处理的介质为水或油。
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