CN113493882B - 一种具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢及其热处理方法和生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢及其热处理方法和生产方法，所述弹簧用钢包括以下重量百分比的化学成分：C 0.36％～0.46％、Si 2.00％～2.50％、Mn 0.35％～0.55％、Cr 1.10％～1.40％、Sb0.005％～0.015％、Sn 0.10％～0.20％、Cu 0.20％～0.50％、Ni 0.10％～0.40％、Re0.01％～0.05％、Mg 0.0015％～0.0035％、P痕量～0.015％、S痕量～0.010％、O≤0.0015％，其余为Fe和其它不可避免的杂质；所述弹簧用钢的抗点蚀系数A值≥10.0％，洁净度系数C值≥4.5％；本发明通过控制弹簧钢的化学元素的成分范围和配比得到高应力、高疲劳寿命、高弹减抗力、高冲击韧性、耐腐蚀的弹簧用钢，即使在腐蚀环境中也可抑制点蚀发生。

Description

一种具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢及其热处理 方法和生产方法

技术领域

本发明属于弹簧用钢技术领域，具体涉及一种具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢及其热处理方法和生产方法。

背景技术

轻量化技术是汽车未来的发展趋势，弹簧作为汽车的安全部件之一，为了减轻自身重量，不断要求提高弹簧的设计应力。未来弹簧向高应力、轻量化、长寿命方向发展势头不可逆转，但弹簧的高应力化会恶化钢在腐蚀环境下以点腐蚀作为裂纹起点的疲劳寿命，或增加钢的氢脆敏感性，同样降低弹簧疲劳寿命。

当前国内外使用的高强度弹簧钢种类较少。一些弹簧企业在追求提高弹簧设计应力的同时，由于提高钢的氢脆敏感性，同时忽略了钢的抗点蚀能力，导致恶化了钢的疲劳性能，迫切需要开发性新型弹簧用钢新材料，以提高弹簧的抗点蚀能力和疲劳寿命，满足弹簧行业发展需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢及其热处理方法和生产方法。通过控制弹簧钢的化学元素的成分范围和配比得到高应力、高疲劳寿命、高弹减抗力、高冲击韧性、耐腐蚀的弹簧用钢，即使在腐蚀环境中也可抑制点蚀发生。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢，所述弹簧用钢包括以下重量百分比的化学成分：C 0.36％～0.46％、Si 2.00％～2.50％、Mn 0.35％～0.55％、Cr 1.10％～1.40％、Sb 0.005％～0.015％、Sn 0.10％～0.20％、Cu 0.20％～0.50％、Ni0.10％～0.40％、Re 0.01％～0.05％、Mg 0.0015％～0.0035％、P痕量～0.015％、S痕量～0.010％、O≤0.0015％，其余为Fe和其它不可避免的杂质；

所述弹簧用钢的抗点蚀系数A值≥10.0％，洁净度系数C值≥4.5％；

其中，A＝1.6Si+1.8Cr+4.3Sb+3.7Sn+2.6Re+12.5Cu+3.4Ni-4.9Cu*Ni；C＝(Re+2.6Mg)/(O+S)。

所述弹簧用钢的抗点蚀系数A值≥10.25％。

所述弹簧用钢的洁净度系数C值≥7.5％

所述弹簧用钢的金相组织为珠光体+铁素体，奥氏体晶粒度尺寸在11μm之内。

所述弹簧用钢的抗拉强度≥2000MPa，伸长率≥16％，旋弯疲劳失效循环次数＞10000000次，点蚀电位≥-425mV。

本发明还提供了所述具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢的热处理方法，所述热处理方法包括以下步骤：在880～895℃保温后进行淬火，以60℃/s～70℃/s的速度油冷至常温；再在430～450℃保温100min进行回火，然后随空气自然冷却。

淬火时的保温时间为弹簧用钢直径的三倍，其中保温时间的单位为min，弹簧用钢直径的单位为mm。

所述热处理方法包括优选为以下步骤：在890℃保温后进行淬火，以60℃/s～70℃/s的速度油冷至常温；再在440℃保温100min进行回火，然后随空气自然冷却。

淬火介质温度为18-35℃。

本发明还提供了所述的具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢的生产方法，包括以下步骤：电炉冶炼--LF炉精炼--RH真空脱气--连铸--开坯--线材轧制--热处理；其中热处理为采用上述的热处理方法进行。

所述具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢的生产方法具体包括以下步骤：

1)电炉冶炼：控制终点C≤0.05％，P≤0.006％；挡渣出钢；

2)LF炉精炼：钢包全程底吹氩，氩气流量以钢水不喷溅出钢包为准；加入预熔型精炼渣、石灰造渣，白渣时间≥15分钟；

3)RH真空脱气：纯脱气时间≥15分钟，保证真空处理后钢中气体含量；在破空前8min加入RE、镁锭、锑块；

4)连铸：中包钢水目标温度控制在液相线温度以上10～40℃，全程采用保护浇铸，一次冷却水流量110～130m³/h，二次冷却比水量1.2～1.3L/kg，连铸成500mm×500mm大方坯；

5)开坯：500mm×500mm大方坯加热→轧制为140mm×140mm方坯→堆冷，控制加热炉均热温度1200-1300℃，加热总时间≥240min；

6)线材轧制：150mm×150mm方坯扒皮→加热→高速线材控制轧制→斯太尔摩冷却线控冷→Φ6.5～18mm线材盘条成品。线材轧制时，控制加热温度1000～1050℃、开轧温度890～920℃、终轧温度790～830℃、吐丝温度790～830℃。

本发明提供的弹簧用钢的成分中，各元素作用及控制如下：

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，是获得高强度和高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。C含量控制在0.36％～0.46％。

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。硅主要富集于钢表面，还提高锈层的稳定性，提高钢的抗点蚀能力。但Si元素的提高会增加钢中碳的扩散，加剧钢材的脱碳。Si含量控制在2.00％～2.50％。

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含量控制在0.35％～0.55％。

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。Cr溶入铁素体中，产生固溶强化，能显著增加钢的淬透性和回火抗力。Cr能在钢表面形成致密的氧化膜，提高钢的钝化能力。但过量的Cr增加钢的回火脆性倾向。Cr含量控制在1.10％～1.40％。

Sb：Sb在钢的锈层中提高电位，可显著提高其耐点蚀能力，但加入量过多会损害钢的韧性。Sb含量控制在0.005％～0.015％。

Sn：Sn加入钢中能使锈层的腐蚀电位升高，自腐蚀电流密度降低，对耐蚀钢阳极溶解起抑制作用，同时使锈层电阻及与基体结合处的反应电阻升高，增强锈层对钢基体的保护。过量的Sn会在晶界偏聚，削弱晶界的结合力，使钢的回火脆性增加，Sn含量控制在0.10％～0.20％。

Cu：Cu在钢中的突出作用是提高钢的抗点蚀能力。钢与表面二次析出的Cu之间的阴极接触，能促使钢的阳极化，并形成保护性较好的锈层。铜元素也能改变锈层的吸湿性，从而提高了临界湿度。但Cu在钢中产生高裂纹敏感性。Cu含量控制在0.20％～0.50％。

Ni：Ni能与Fe生成无限互溶的固溶体，具有扩大相区的作用，不形成碳化物。镍能稳定奥氏体，增强钢的淬透性。Ni同时是降低韧脆转变温度的有效元素，显著提高低温韧性。Ni的耐蚀作用和Cr类似，同时添加Cu和Ni还能加速锈层的阴极还原，抑制阳极溶解。Ni元素是贵金属元素，过量加入导致成本过高。Ni含量控制在0.10％～0.40％。

Re：Re元素的氧化物和硫化物极易形成，钢中添加适量的稀土Re，可使MnS、A1₂O₃等夹杂变质为球形稀土复合氧硫化物，从而提高钢的力学性能和疲劳寿命。此外，Re通过净化钢液，变质夹杂，从而改善了点蚀和晶间腐蚀。Re含量控制在0.01％～0.05％。

Mg：Mg和Re形成复合变质剂，比单一的Re变质更有效。Mg不仅与氧和硫具有极好的亲和力，而且还具有极强的对夹杂物形态与尺寸的控制能力。Mg和对于Al脱氧钢，Mg处理在进一步降低钢中的溶解氧的同时，可将钢中的Al₂O₃夹杂变为高熔点的MgO·Al₂O₃，由于其在钢水中以固态存在，没有聚合长大的过程，因此，其氧化物夹杂的尺寸非常细小，弥散分布于钢中，对钢的力学性能基本没有负面影响。Mg含量控制在0.0015％～0.0035％。

S和P：硫容易在钢中与锰形成MnS夹杂，对钢的加工性能和疲劳性能有害；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≤0.015％。

O：O在钢中形成氧化物夹杂，损害钢的加工性能和疲劳性能，控制O≤0.0015％。

本发明中提供的具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢，通过控制钢中元素的组成和成分范围，利用各合金元素的复合作用，控制抗点蚀系数A值≥10.0％，A＝1.6Si+1.8Cr+4.3Sb+3.7Sn+2.6Re+12.5Cu+3.4Ni-4.9Cu*Ni，从而达到最优的耐点蚀性能，。

此外，为了保证钢中非金属夹杂充分变质实现塑性化，有效提高钢的疲劳寿命，还需保证钢洁净度系数C值≥4.5，C＝(Re+2.6Mg)/(O+S)，以使夹杂均实现变质塑性化，并控制90％以上的夹杂尺寸在10μm以下，使最终加工的弹簧得到高的疲劳寿命。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明提供的弹簧钢的成分中添加了Cr、Sb、Sn、Re、Cu、Ni合金成分，并通过控制Si、Cr、Sb、Sn、Re、Cu、Ni之间的关系满足1.6Si+1.8Cr+4.3Sb+3.7Sn+2.6Re+12.5Cu+3.4Ni-4.9Cu*Ni≥10.0％、控制Re、Mg、O、S之间的关系满足(Re+2.6Mg)/(O+S)≥4.5％，得到具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢；

(2)通过本发明的抗点蚀系数公式和钢洁净度系数公式，可以很方便地进行具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢的成分设计；

(3)本发明钢的抗点蚀能力远优于市场通用同强度级别弹簧用钢，钢中均为塑性化夹杂，在10μm以下的夹杂比例在90％以上，奥氏体晶粒尺寸≤11μm，具有高的疲劳寿命。

(4)本发明提供的弹簧钢经热处理之后，钢的抗拉强度可达到2050MPa以上，可用于生产抗点蚀的2000MPa级及以上高疲劳寿命弹簧。

(5)本发明提供的弹簧钢即使在腐蚀环境中也可抑制点蚀发生，并且同时具备高应力、高疲劳寿命、高弹减抗力、高冲击韧性。

(6)本发明中各合金元素的用量均控制在较低的水平，生产成本交底，适合大批量生产及应用。

附图说明

图1为实施例1中的弹簧钢的夹杂物尺寸分布图；

图2为实施例1中的弹簧钢经96h盐溶液环境耐Cl^-离子腐蚀周浸试验后的腐蚀层截面图；

图3为对比例3中的弹簧钢经96h盐溶液环境耐Cl^-离子腐蚀周浸试验后的腐蚀层截面图；

图4为实施例1中的弹簧钢的奥氏体晶粒度图；

图5为对比例3中的弹簧钢的奥氏体晶粒度图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明金相详细说明。

本发明采用特定成分的弹簧用钢，各实施例和对比例中的弹簧钢的化学成分及重量百分比见表1，余量为Fe和其它不可避免的杂质。

采用下述生产工艺生产出各实施例和对比例中的6.5-18mm的线材：电炉冶炼--LF炉精炼--RH真空脱气--连铸--开坯--线材轧制，具体生产工艺参数如表2所示。

表1实施例和对比例中弹簧钢的化学成分(wt％)

表2本发明实施例及对比例的具体工艺参数

对上述各实施例和对比例中的弹簧钢按照下述方法进行性能检测，各检测结果如表3所示。

奥氏体晶粒尺寸：对上述各实施例和对比例中的弹簧钢线材进行奥氏体化热处理，所述奥氏体化热处理工艺为：890℃淬火，油冷，淬火介质温度18-35℃，冷却后进行金相制样和奥氏体平均晶粒尺寸测量。

夹杂物尺寸测量：通过ASPEX扫描电镜对钢纵向面夹杂物尺寸进行测量并统计计算。

热处理后拉伸力学性能：将各实施例和对比例中的弹簧钢线材进行整体热处理，采用以下淬回火热处理工艺：在890℃保温后进行淬火，保温时间为弹簧用钢直径的三倍，其中保温时间的单位为min，弹簧用钢直径的单位为mm，以65℃/s的速度油冷至常温；再在440℃保温100min进行回火，然后随空气自然冷却，再进行标准拉力试样精加工，进行拉伸试验；

旋弯疲劳试验：对各实施例和对比例中的弹簧钢线材按照上述淬回火处理工艺进行淬回火处理，将表层氧化铁皮去除制作试样，按照GB/T 4337进行旋转弯曲疲劳实验，旋转弯曲疲劳试验。应力幅控制为880MPa，超过10⁷周次(一千万周次)未发生断裂的试样为通过；

包辛格扭转试验逆回曲线测定：材料进行粗加工，进行淬回火处理后，加工包辛格扭转试验用标准样，在标准扭转机上进行试验。用15°/min的扭转速度将试样扭转至90°卸载，在重新加载使试样仍按原方向扭转至90℃再卸载。在扭矩-扭角曲线图上得到一个封闭的扭转迟滞回线，并计算其面积。其面积越大，弹减抗力越大。

-20℃KV2冲击试验：取样并进行淬回火热处理(热处理工艺同上)，热处理后将试样加工为10mm×10mm×55mm的V型冲击试样，采用GB/T229《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行-20℃冲击试验并得到冲击韧性值。

点蚀电位测量：采用上述工艺热处理后的试样，进行动电位扫描极化实验来测定钢的点蚀电位，评价其点蚀诱发敏感性。电解池为普通三电极体系，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极。实验溶液为3％的NaCl溶液，电位从-1000mV由负向正以lmV·s^-1的速率进行扫描，取极化电流密度为100μA·cm^-2对应的极化电位值为点蚀电位。点蚀电位越高，说明抗点蚀能力越强。

96h盐溶液环境耐Cl^-离子腐蚀周浸试验：在140mm×140mm方坯上取样并进行淬回火热处理(热处理工艺同上)，采用NaCl溶液，按GB/T 19746《金属和合金的腐蚀盐溶液周浸试验》方法进行试验，完成96h周浸试验，并计算腐蚀失重率，每个编号10组，计算平均值。其中腐蚀失重率(W)按下式进行计算：

式中：W——失重率，g/(m²·h)；G₀——试样原始重量，g；G₁——试样试后重量，g；a——试样长度，mm；b——试样宽度，mm；c——试样厚度，mm；t——试验时间，h。

表3各实施例和对比例中的弹簧钢的晶粒尺寸、夹杂比例、淬回火热处理后拉伸性能、疲劳寿命及耐点蚀性能

实施例1～5中的化学成分范围及配比均得到了适当控制，钢的强度级别均在2000MPa以上，且具有优异的耐点蚀和耐腐蚀能力，加之奥氏体晶粒度尺寸均在11μm内，10μm以下的塑性夹杂比例在90％以上，可见钢中夹杂控制水平高，洁净度好，使得钢具有高的疲劳寿命，可用于制作腐蚀环境的轻量高寿命弹簧。

对比例1由于抗点蚀系数A值未达到本发明要求，其抗点蚀能力显著低于对比钢，不适合长期用于腐蚀环境；对比例2是钢洁净度系数C值未达到本发明要求，导致大型夹杂比例较高，恶化了钢的疲劳寿命和弹减抗力，此外轧制过程中温度控制不当，导致热轧盘条出现部分脆断，且晶粒偏粗大；对比例3是目前市场上常用弹簧钢，成分体系和本发明钢不同，强度仅为1900MPa级，且没有特别对抗点蚀系数和钢的洁净度系数进行控制，从点蚀电位和盐溶液周浸试验可以看出，其不具有优秀的抗点蚀能力，且疲劳性能、弹减抗力和低温冲击韧性远低于本发明钢。

上述参照实施例对一种具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢及其热处理方法和生产方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢，其特征在于，所述弹簧用钢包括以下重量百分比的化学成分：C 0.36%～0.46%、Si 2.00%～2.50%、Mn 0.35%～0.55%、Cr1.10%～1.40%、Sb 0.005%~0.015%、Sn 0.10%~0.20%、Cu 0.20%~0.50%、Ni 0.10%~0.40%、RE0.01%～0.05%、Mg 0.0015%～0.0035%、P 痕量～0.015%、S 痕量～0.010%、O≤0.0015%，其余为Fe和其它不可避免的杂质；

所述弹簧用钢的抗点蚀系数A值≥10.0%，洁净度系数C值≥4.5%；

其中，A=1.6Si+1.8Cr+4.3Sb+3.7Sn+2.6RE+12.5Cu+3.4Ni-4.9Cu*Ni；C=（RE+2.6Mg）/(O+S)；

所述弹簧用钢中10μm以下的夹杂比例在90%以上，奥氏体晶粒尺寸≤11μm。

2.如权利要求1所述的具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢，其特征在于，所述弹簧用钢的抗点蚀系数A值≥10.25%。

3.如权利要求1所述的具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢，其特征在于，所述弹簧用钢的洁净度系数C值≥7.5%。

4.如权利要求1所述的具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢，其特征在于，所述弹簧用钢的金相组织为珠光体+铁素体，奥氏体晶粒度尺寸在11μm之内。

5.如权利要求1-4任意一项所述的具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢，其特征在于，所述弹簧用钢的抗拉强度≥2000MPa，伸长率≥16%，旋弯疲劳失效循环次数＞10000000次，点蚀电位≥-425 mV。

6.如权利要求1-5任意一项所述的具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括以下步骤：在880~895℃保温后进行淬火，以60℃/s~70℃/s的速度油冷至常温；再在430~450℃保温100min进行回火，然后随空气自然冷却。

7.如权利要求6所述的具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢的热处理方法，其特征在于，淬火时的保温时间为弹簧用钢直径的三倍，其中保温时间的单位为min，弹簧用钢直径的单位为mm。

8.如权利要求6所述的具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括以下步骤：890℃淬火，油冷，440℃回火，随空气自然冷却。

9.如权利要求6所述的具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢的热处理方法，其特征在于，淬火介质温度为18-35℃。

10.如权利要求1-5任意一项所述的具有优异抗点蚀能力的高疲劳寿命弹簧用钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下步骤：电炉冶炼--LF炉精炼--RH真空脱气--连铸--开坯--线材轧制--热处理；所述热处理为采用权利要求6-9任意一项所述的热处理方法进行。

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