CN114107841B - 一种高强度耐腐蚀弹簧钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高强度耐腐蚀弹簧钢及其制造方法。从弹簧钢满足汽车工业发展需求方向出发，对现有弹簧钢组分进行调整，通过适当降低C含量，增加Si含量，并加入微量元素Nb、Ni和RE，同时，全流程不采用铝质脱氧剂、采用硅铁合金和部分稀土合金以及铬铁合金在转炉出钢过程脱氧合金化，并在LF精炼工艺加入镍铁、铌铁合金进行合金化，RH精炼破空后加入其余稀土合金，热处理工艺采用调整后的淬火+回火工艺，制备得到的高强度耐腐蚀弹簧钢具有良好抗耐腐蚀性能和突出的力学性能，其抗拉强度≥2100MPa，面缩率≥45％，周浸率≤20%，可以满足汽车行业发展需求。

Description

一种高强度耐腐蚀弹簧钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及弹簧钢制造技术领域，尤其涉及一种高强度耐腐蚀弹簧钢及其制造方法。

背景技术

弹簧钢是指专门用于制造弹簧和弹性元件的钢，弹簧是利用弹性变形吸收能量以缓和振动和冲击，或依靠弹性储能来起驱动作用，弹簧在冲击、振动或长期交变应力下使用，所以要求弹簧钢有高的弹性极限、高的屈服强度、高的疲劳强度及足够的塑性和韧度，以免受冲击时脆断。另外，在工艺上弹簧还应有一定的淬透性、不易脱碳、表面质缺好等。

汽车轻量化是汽车工业的发展趋势，汽车制造一直是弹簧钢用量最大的行业，汽车轻量化发展要求汽车用弹簧材料的强度不断提高，而悬架弹簧是汽车底盘减振系统中的重要功能性零件，主要作用是吸收振动保证乘员的舒适性。Si-Cr系弹簧钢如55SiCr和55SiCrV虽然可用于加工高强度汽车悬架弹簧，但由于它们暴露于外部环境，特别是在潮湿具有一定腐蚀性介质(含Cl离子)条件下其极易发生腐蚀断裂，影响车辆安全。

现有技术中公开了一种耐候弹簧扁钢，按重量百分比计，其成分为：C 0.54～0.62％、Si 0.30～0.40％、Mn 0.85～0.95％、P≤0.025％、S≤0.020％、Cr 0.85～0.95％、B 0.001～0.004％、Ni≤0.25％、Cu≤0.25％、N≤0.0070％，余量为Fe；生产该钢种的热处理制度如下：淬火温度830～860℃，淬火介质：油，回火温度470～530℃。虽然其考虑了弹簧钢的耐候性，但该钢抗回火弹性较差，主要是其含硅量较低；同时，其强度较低，屈服强度均值为1340MPa，抗拉强度均值为1400MPa，不适宜用于汽车用高强度弹簧钢的生产。

现有技术中还有一种弹簧钢的成分设计如下：0 .30-0 .50％C，0 .80-2 .0％Si，0.50-1.0％Mn，0.40-1.0％Cr，0.01-0.5％W，0.08-0.30％V，0.005-0.25％的稀土元素，还可以含有0.001-0.10％的B，该合金经淬回火调质处理后强度最高可达1995MPa。但是这种弹簧钢未考虑腐蚀对材料疲劳寿命的影响。

随着汽车轻量化发展需求推动汽车用弹簧材料强度不断提高，高强度弹簧钢取代低强度级别弹簧钢的发展是必然趋势。在弹簧材料强度提高的同时，其耐腐蚀性能也应得到应有的关注。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种强度高同时具有良好抗耐腐蚀性能的高强度耐腐蚀弹簧钢，以适应汽车行业发展趋势。

为实现上述目的，本发明提供一种高强度耐腐蚀弹簧钢，按重量百分比计，其组成为，C 0.35-0.50, Si 2.10-2.30, Mn 0.60-0.80, P≤0.010, S≤0.0030, Cr 0.70-0.80, Ni 0.30-0.45, Nb 0.05-0.08, RE 0.020-0.030, 余量为Fe和不可避免的杂质。

上述方案中，所述弹簧钢的抗拉强度≥2100MPa，面缩率≥45％，周浸率≤20%。

上述方案中，RE为La和Ce中的一种或两种。

上述方案中，按重量百分比计，其组成为，C 0.38-0.48, Si 2.20-2.30, Mn0.63-0.75, P≤0.010, S≤0.0030, Cr 0.72-0.79, Ni 0.35-0.40, Nb 0.05-0.07, RE0.022-0.028, 余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明化学成分设计思路如下：

C含量控制在0.35-0.50%。虽然钢的强度随碳含量的增加而增加，但是，当C含量高于0.50%时，会导致疲劳强度和韧性下降，C含量低于0.35％，则很难保证弹簧钢的强度，本发明控制的C含量在满足弹簧钢强度的同时兼顾其疲劳强度和韧性。

Si含量控制在2.10-2.30%。Si是影响弹簧钢弹性性能的元素，也是可以起到脱氧作用的元素，具有良好的固溶强化作用，提高Si含量能提高钢的强度，在高温下加热时，可在钢表面形成一层二氧化硅薄膜，阻止钢的氧化，改善耐腐蚀性能；但Si含量高于2.30%时会降低钢的韧性和塑性，Si含量低于2.10%时，固溶强化效果和耐腐蚀性能明显下降。

Mn含量控制在0.60-0.80%。Mn主要溶于铁素体中提高钢的强度，可改善钢的加工性能和提高弹簧钢的淬透性和强度，并且对弹簧钢的塑性影响不大，且有利于弹簧钢在弱腐蚀环境中形成稳定的腐蚀层，降低腐蚀速率。但Mn含量高于0.80%，将使得弹簧钢的晶粒粗大，导致韧性明显下降，Mn含量低于0.60%时，不具有足够的淬火性能。

Cr含量控制在0.70-0.80%。Cr的加入可以提高弹簧钢的耐腐蚀性和抗氧化性，且能显著提高钢的淬透性和回火阻抗性具有提高弹簧钢淬透性，但Cr含量高于0.80%时，会恶化弹簧钢的耐腐蚀性和韧性，Cr含量低于0.70%时，会影响钢的淬透性。

Ni含量控制在0.30-0.45%。Ni可以改善钢的耐腐蚀性，并改善耐热性、冷脆性、可淬性，在腐蚀环境中还有助于提高合金抗腐蚀性能，但过高的Ni将导致制造弹簧钢的成本增加，因此，综合考虑Ni元素的作用以及制造成本将Ni含量控制在0.30-0.45%。

Nb含量控制在0.05-0.08%。Nb是强碳化物形成元素，可以细化晶粒，提高钢的硬度、强度，还能提高钢的高温强度、冲击性能，并提高晶界的抗腐蚀能力。当Nb含量高于0.08%时，会恶化抗腐蚀性能，当Nb含量低于0.05%时，细化晶粒的效果减弱明显。

RE含量控制在0.020-0.030%。RE可以细化弹簧钢的晶粒尺寸，同时达到净化基体组织改善夹杂物组成及分布的作用，可进一步提高弹簧钢的抗拉强度和抗腐蚀疲劳寿命。RE为La和Ce中的一种或两种，当RE含量高于0.030%时，对晶粒尺寸以及夹杂物的分布的影响不明显，当RE含量低于0.020%时，会导致疲劳强度和韧性下降。

本发明的另一目的在于提供一种上述高强度耐腐蚀弹簧钢的制造方法，以生产强度和腐蚀性能的双保障的高强度耐腐蚀弹簧钢。

为实现上述目的，本发明提供了一种高强度耐腐蚀弹簧钢的制备方法，包括以下步骤：高炉炼铁，铁水预处理脱硫，转炉炼钢，LF精炼，RH精炼，方坯保护连铸，轧制，热处理。

上述方案中，所述高炉炼铁工艺、方坯保护连铸、轧制工艺采用常规的操作。

所述铁水预处理脱硫工艺采用喷吹镁粉+生石灰的脱硫工艺，并扒掉≥90%的脱硫渣。

所述转炉炼钢工艺出钢时不采用铝质脱氧剂，在出钢至1/2-3/4时，加入硅铁合金和占稀土合金总量的1/2-2/3的稀土合金以及铬铁合金进行脱氧合金化。

所述LF精炼工艺进行升温、造白渣，加入镍铁、铌铁合金进行合金化处理，Ni、Nb含量按照弹簧钢组成上限控制，满足要求后结束LF精炼工艺。

所述RH精炼工艺控制真空度≤50Pa，处理时间不低于20min，破空后加入稀土合金总量的1/3-1/2的稀土合金。

所述热处理工艺采用淬火+回火工艺，淬火温度为850-900℃，淬火介质为油，回火温度为460-530℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明从弹簧钢满足汽车工业发展需求方向出发，对现有弹簧钢组分进行调整，通过适当降低C含量，增加Si含量，并加入微量元素Nb、Ni和RE，同时，全流程不采用铝质脱氧剂、采用硅铁合金和部分稀土合金以及铬铁合金在转炉出钢过程脱氧合金化，并在LF精炼工艺加入镍铁、铌铁合金进行合金化，RH精炼破空后加入其余稀土合金，热处理工艺采用调整后的淬火+回火工艺，制备得到的高强度耐腐蚀弹簧钢具有良好抗耐腐蚀性能和突出的力学性能，其抗拉强度≥2100MPa，面缩率≥45％，周浸率≤20%，可以满足汽车行业发展需求。

具体实施方式

为了更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。

实施例1-3和对比例1-7

上述实施例和对比例中的高强度耐腐蚀弹簧钢的制备方法包括高炉炼铁，铁水预处理脱硫，转炉炼钢，LF精炼，RH精炼，方坯保护连铸，轧制，热处理。各实施例弹簧钢组成和具体制备工艺参数分别见表1和表2，对各实施例和对比例制备的弹簧钢进行抗拉强度测试、面缩率测试、周浸腐蚀率测试（由于这些性能测试均是本领域技术人员按照领域常用测试标准进行测试的，因此本文不再对这些测试方法进行详细介绍），得到的性能测试结果见表3。

表1 本发明实施例和对比例弹簧钢组成（wt%）

表2本发明实施例和对比例弹簧钢具体制备工艺参数

表3 本发明实施例和对比例弹簧钢性能测试结果

上述结果表明，本发明通过适当降低C含量，增加Si含量，并加入微量元素Nb、Ni和RE，对弹簧钢组成进行微合金化，同时，全流程不采用铝质脱氧剂、采用硅铁合金和部分稀土合金以及铬铁合金在转炉出钢过程脱氧合金化，并在LF精炼工艺加入镍铁、铌铁合金进行合金化，RH精炼破空后加入其余稀土合金，热处理工艺采用调整后的淬火+回火工艺，制备得到的实施例1-3弹簧钢的抗拉强度均达到2200MPa以上，高于对比例1-7弹簧钢的抗拉强度，同时实施例1-3弹簧钢的面缩率均达到46％以上，此外，在相同腐蚀条件下，实施例1-3弹簧钢周浸腐蚀率均低于0.18％，相比于对比例1-7弹簧钢的周浸率0.36％-0.58％有明显降低。本发明制备得到的高强度耐腐蚀弹簧钢具有良好抗耐腐蚀性能和突出的力学性能，可以满足汽车行业发展需求。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种高强度耐腐蚀弹簧钢，其特征在于，按重量百分比计，其组成为，C 0.38-0.48,Si 2.20-2.30, Mn 0.63-0.75, P≤0.010, S≤0.0030, Cr 0.72-0.79, Ni 0.35-0.40,Nb 0.05-0.07, RE 0.022-0.028, 余量为Fe和不可避免的杂质，所述弹簧钢的抗拉强度≥2100MPa，面缩率≥45％，周浸率≤20%；

所述的高强度耐腐蚀弹簧钢的制备方法，包括以下步骤：高炉炼铁，铁水预处理脱硫，转炉炼钢，LF精炼，RH精炼，方坯保护连铸，轧制，热处理；

所述铁水预处理脱硫工艺采用喷吹镁粉+生石灰的脱硫工艺，并扒掉≥90%的脱硫渣；

所述转炉炼钢工艺出钢时不采用铝质脱氧剂，在出钢至1/2-3/4时，加入硅铁合金和占稀土合金总量的1/2-2/3的稀土合金以及铬铁合金进行脱氧合金化；

所述LF精炼工艺进行升温、造白渣，加入镍铁、铌铁合金进行合金化处理，Ni、Nb含量按照弹簧钢组成上限控制，满足要求后结束LF精炼工艺；

所述RH精炼工艺控制真空度≤50Pa，处理时间不低于20min，破空后加入稀土合金总量的1/3-1/2的稀土合金；

所述热处理工艺采用淬火+回火工艺，淬火温度为850-900℃，淬火介质为油，回火温度为460-530℃。

2.一种权利要求1所述的高强度耐腐蚀弹簧钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：高炉炼铁，铁水预处理脱硫，转炉炼钢，LF精炼，RH精炼，方坯保护连铸，轧制，热处理；

所述铁水预处理脱硫工艺采用喷吹镁粉+生石灰的脱硫工艺，并扒掉≥90%的脱硫渣；

所述转炉炼钢工艺出钢时不采用铝质脱氧剂，在出钢至1/2-3/4时，加入硅铁合金和占稀土合金总量的1/2-2/3的稀土合金以及铬铁合金进行脱氧合金化；

所述LF精炼工艺进行升温、造白渣，加入镍铁、铌铁合金进行合金化处理，Ni、Nb含量按照弹簧钢组成上限控制，满足要求后结束LF精炼工艺；

所述RH精炼工艺控制真空度≤50Pa，处理时间不低于20min，破空后加入稀土合金总量的1/3-1/2的稀土合金；

所述热处理工艺采用淬火+回火工艺，淬火温度为850-900℃，淬火介质为油，回火温度为460-530℃。