CN114410896A - 超高强中碳弹簧钢和热处理工艺及高速列车转向架弹簧 - Google Patents

超高强中碳弹簧钢和热处理工艺及高速列车转向架弹簧 Download PDF

Info

Publication number
CN114410896A
CN114410896A CN202210103204.2A CN202210103204A CN114410896A CN 114410896 A CN114410896 A CN 114410896A CN 202210103204 A CN202210103204 A CN 202210103204A CN 114410896 A CN114410896 A CN 114410896A
Authority
CN
China
Prior art keywords
spring steel
carbon spring
medium carbon
ultrahigh
strength
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210103204.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114410896B (zh
Inventor
赵帆
谢建新
刘新华
张志豪
杨累
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Science and Technology Beijing USTB
Original Assignee
University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Science and Technology Beijing USTB filed Critical University of Science and Technology Beijing USTB
Priority to CN202210103204.2A priority Critical patent/CN114410896B/zh
Publication of CN114410896A publication Critical patent/CN114410896A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114410896B publication Critical patent/CN114410896B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/34Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with more than 1.5% by weight of silicon
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61RAILWAYS
    • B61FRAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F5/00Constructional details of bogies; Connections between bogies and vehicle underframes; Arrangements or devices for adjusting or allowing self-adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves
    • B61F5/02Arrangements permitting limited transverse relative movements between vehicle underframe or bolster and bogie; Connections between underframes and bogies
    • B61F5/04Bolster supports or mountings
    • B61F5/06Bolster supports or mountings incorporating metal springs
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/56General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering characterised by the quenching agents
    • C21D1/58Oils
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/02Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for springs
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/001Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing N
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/002Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing In, Mg, or other elements not provided for in one single group C22C38/001 - C22C38/60
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/02Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/44Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with molybdenum or tungsten
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/46Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with vanadium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/48Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with niobium or tantalum
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/001Austenite

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Heat Treatment Of Articles (AREA)

Abstract

本发明属于金属材料领域,涉及超高强中碳弹簧钢和热处理工艺及高速列车转向架弹簧,各个成分的质量百分数为:0.48%~0.56%C、1.40%~1.80%Si、0.50%~0.90%Mn、1.00%~1.40%Cr、0.10%~0.30%V、0.01%~0.03%Nb、0.10%~0.50%Ni、0.10%~0.50%Mo、P≤0.010%、S≤0.010%,其余部分为Fe和不可避免的杂质。本发明的有益效果:该中碳弹簧钢碳含量较低,有利于降低表面脱碳层厚度,提高材料的疲劳性能;合金元素镍含量较低,具有显著成本优势;合金元素铌含量较低,有利于材料的连铸;通过常规生产方法,配合淬火+回火热处理工艺,可获得超高抗拉强度、屈服强度和良好的塑韧性,满足下一代高速列车转向架用弹簧钢的性能需求。

Description

超高强中碳弹簧钢和热处理工艺及高速列车转向架弹簧
技术领域
本发明属于金属材料领域,具体涉及一种超高强中碳弹簧钢和热处理工艺及高速列车转向架弹簧。
背景技术
弹簧与螺栓、齿轮构成机械三大基础零件,其在周期性的弯曲、扭转等交变载荷下工作,有时还要承受极高的短时突加载荷,需具备优良的综合性能。弹簧钢是用以制造各种弹簧或具有类似性能要求零件的钢种,弹簧钢的性能对弹簧制造业,乃至国民经济的发展有着重要影响。
自2003年中国开通首条高速铁路线路以来,经过六次铁路提速,高速铁路的营运速度已经达到了至少300 km/h。转向架是列车实现高速运行的关键部件之一,而弹簧连接车体和转向架,其直接影响车辆的安全性、舒适性。我国高速铁路的迅速发展对列车转向架专用弹簧钢的性能提出了更高要求。随材料强度的提高,一方面有利于提高列车的服役安全性和舒适性;另一方面有利于实现轻量化,减少线路损害、动力消耗、系统负荷、周边噪音。
目前,我国用于制造列车转向架弹簧的最高级别材料是60Si2CrVAT弹簧钢。根据铁道部发布的《铁路货车转向架圆柱螺旋弹簧技术条件》,货运列车转向架弹簧钢60Si2CrVAT的性能要求为:抗拉强度Rm≥1900 MPa、屈服强度Rp0.2≥1700 MPa、断后伸长率A≥9%、断面收缩率Z≥30%;根据中国铁路总公司下发的《铁路客车转向架用钢制螺旋弹簧暂行技术条件》,客运列车转向架弹簧钢60Si2CrVAT的性能要求为:抗拉强度Rm≥1860 MPa、屈服强度Rp0.2≥1665 MPa、断后伸长率A≥9%、断面收缩率Z≥30%。2019年我国发布的《交通强国建设纲要》将时速400 km/h以上的高铁和高速重载货运列车作为下一步研究开发重点任务,对弹簧钢性能提出了更高要求,迫切需要发明抗拉强度高于2000 MPa、屈服强度高于1800 MPa且塑韧性良好的超高强弹簧钢,为我国经济发展提供有力支撑。然而,近年来通过添加合金元素开发的抗拉强度在2000 MPa以上的弹簧钢存在诸多问题:(1)为了提高强度而采用了高碳含量(大于0.60wt%),这会降低材料的塑韧性并显著提高表面脱碳敏感性,从而降低弹簧钢的服役性能,如CN 107587068 A中0.63wt%~0.70wt%的碳含量、CN 111334708A中0.70wt%~0.80wt%的碳含量、CN 1118611 A中0.50wt%~0.70wt%的碳含量。(2)为了提高强度而采用了较高的硅含量(大于2.00wt%),这会显著提高表面脱碳敏感性,降低弹簧钢的疲劳性能,如CN 104114732 B中1.75wt%~2.40wt%的硅含量、CN 1118611 A中1.00wt%~3.50wt%的硅含量。(3)为了提高强度和塑性而采用了较高的铌含量(大于0.03wt%),这会显著提高钢铁材料连铸的难度,不利于应用实施,如CN 107587068 A中0.05wt%~0.08wt%的铌含量、CN 111334708 A中0.03wt%~0.05wt%的铌含量,CN 1118611 A中0.05wt%~0.5wt%的铌含量。(4)为了提高材料的塑韧性而采用了较高的镍含量(大于0.5wt%),这会显著提高材料的生产成本,不利于应用实施,如CN 1118611 A中0.50wt%~5.00wt%的镍含量。产生上述问题的根本原因是材料设计时仅能通过实验或经验考虑较为单一的设计目标,无法综合考虑较多方面的因素。随着钢铁材料性能要求、成本要求、工艺要求等多个方面要求的同时提高,通过传统的“试错”方法获得满足需求的合金成分的难度急剧增大。近年来,材料基因工程领域取得了诸多实质进展,机器学习为高效破解钢铁材料的复杂成分-性能关系提供了有力工具。
发明内容
本发明公开了一种超高强中碳弹簧钢和热处理工艺及高速列车转向架弹簧,以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。
为了解决上述技术问题,本发明提供的技术方案为:一种超高强中碳弹簧钢,具有如下化学成分(质量百分数):0.48%~0.56% C、1.40%~1.80% Si、0.50%~0.90% Mn、1.00%~1.40% Cr、0.10%~0.30% V、0.01%~0.03% Nb、0.10%~0.50% Ni、0.10%~0.50% Mo、P≤0.010%、S≤0.010%,O≤0.0010%,N≤0.0050%,其余部分为Fe和正常杂质。所述弹簧钢的碳含量在0.48wt%~0.56wt%,同时含有0.01wt%~0.03wt% Nb、0.10wt%~0.50wt% Ni和0.10wt%~0.50wt% Mo,且Mo含量与Ni含量的比值在0.5~2.0。其抗拉强度Rm为2100~2450 MPa,屈服强度Rp0.2为1850~2150 MPa,断后伸长率A为9%~12%,断面收缩率Z为30%~45%,室温冲击韧性为20~30 J/cm2
进一步,所述超高强中碳弹簧钢的Mo含量与Ni含量的比值在0.5~2.0,且所述超高强中碳弹簧钢中的具有逆变奥氏体相。
进一步,所述超高强中碳弹簧钢中逆变奥氏体占总体积分数为5%~15%。
进一步,所述超高强中碳弹簧钢的各个元素的质量百分数为:0.49% C、1.45% Si、0.60% Mn、1.06% Cr、0.10% V、0.01% Nb、0.12% Ni、0.16% Mo、0.009%P、0.008%S、0.0009%O、0.0040%N,其余为Fe和不可避免的杂质;
所述中碳弹簧钢的力学性能抗拉强度为Rm为2382 MPa,屈服强度Rp0.2为2034 MPa,断后伸长率A为10.0%,断面收缩率Z为35.6%,室温冲击韧性为24 J/cm2
进一步,所述超高强中碳弹簧钢的各个元素的质量百分数为:0.48%C、1.40% Si、0.70% Mn、1.00% Cr、0.30% V、0.01% Nb、0.10% Ni、0.10% Mo、0.008%P、0.0085%S、0.00092%O、0.0045%N,其余为Fe和不可避免的杂质。
如上所述超高强中碳弹簧钢的淬火+回火热处理工艺,步骤1:将弹簧钢放入加热至900~950℃的热处理炉保温30~60 min后油淬;步骤2:将弹簧钢放入加热至200~400℃的热处理炉回火90~120 min后水冷。所述的回火温度显著低于常规高强弹簧钢的回火温度,且回火温度区间宽,可在较大的回火温度范围内获得超高强度并保持良好的塑性。
本发明的技术要点具体说明如下:
(1)该弹簧钢为中碳钢(碳含量0.48wt%~0.56wt%)且硅含量(1.40wt%~1.80wt%)较低,这有利于提高材料的塑性,并降低脱碳敏感性。
(2)该弹簧钢的镍含量(0.10wt%~0.50wt%)和铌含量(0.01wt%~0.05wt%)较低,可显著降低材料的生产成本并降低材料连铸的难度。实现上述效果的原因是弹簧钢中还加入了少量的钼元素(0.10wt%~0.50wt%),在镍、钼、铌三个元素的协同作用下获得超高强度和良好塑韧性。通过少量铌的添加,即可起到细化马氏体板条和抑制位错增殖的作用,提高材料的强度和塑韧性;通过少量镍和钼元素的复合添加(Mo含量与Ni含量的比值在0.5~2.0),可以在特定回火温度区间内形成细小弥散的体积分数为5%~15%的逆变奥氏体,这有利于在获得高强度的同时保持一定的塑韧性。逆变奥氏体常形成于马氏体时效钢的富镍区和中锰钢的富锰区,而在低合金钢中形成逆变奥氏体,尚未见任何报道。在本发明中,少量的钼元素可起到抑制M23C6型碳化物形成的作用,在材料中形成富碳区,并在镍元素的协同下起到促进逆变奥氏体形核的作用,如图2所示。
(3)实现上述效果需要Mo含量与Ni含量的比值在0.5~2.0,该比值若过低,不能充分发挥钼元素抑制碳化物形成的作用;该比值若过高,则逆变奥氏体不能充分形核。
(4)实现上述效果还需要特定的热处理工艺,即回火温度(200~400℃)显著低于常规高强弹簧钢。通过降低回火温度,可以减少马氏体回复,提高位错强化效果,但难以维持较好的塑韧性,因此常规高强弹簧钢的回火温度往往较高。但在本发明的成分体系下,可在较低温度回火时形成逆变奥氏体,因此可以在获得超高强度的同时维持较好的塑性和韧性,并且该回火温度区间较大,有利于工艺控制和性能调控。
本发明的有益效果:
(1)可获得超高强度和弹性极限、良好塑性和韧性,抗拉强度Rm为2100~2450 MPa,屈服强度Rp0.2为1850~2150 MPa,断后伸长率A为9%~12%,断面收缩率Z为30%~45%,室温冲击韧性为20~30 J/cm2,满足下一代高速列车转向架用弹簧钢或高级汽车减震系统悬架弹簧的性能需求;
(2)该超高强中碳弹簧钢可通过常规淬火+回火热处理工艺获得所需性能,无需复杂的热处理工艺;
(3)与高碳钢相比,该超高强中碳弹簧钢碳含量较低,表面脱碳敏感性低,有利于降低表面脱碳层厚度,提高材料的疲劳性能;
(4)该超高强弹簧钢仅添加了少量镍、钼和微量钒、铌等昂贵的元素,与其他2000MPa级超高强钢相比,具有显著的成本优势。
附图说明
图1为本发明一种超高强中碳弹簧钢制备方法中碳弹簧钢在不同温度回火后的拉伸过程应力-应变曲线示意图。
图2为超高强中碳弹簧钢的各类显微组织示意图,图2a为超细铁素体板条;图2b为逆变奥氏体;图2c纳米级孪晶和碳化物;图2d为纳米级析出相。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明一种超高强中碳弹簧钢,所述超高强中碳弹簧钢的各个的质量百分数为:0.48%~0.56% C、1.40%~1.80% Si、0.50%~0.90% Mn、1.00%~1.40% Cr、0.10%~0.30% V、0.01%~0.03% Nb、0.10%~0.50% Ni、0.10%~0.50% Mo、P≤0.010%、S≤0.010%,O≤0.0010%,N≤0.0050%,其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提供一种超高强中碳弹簧钢,所述超高强中碳弹簧钢的各个的质量百分数为:0.48%~0.50% C、1.40%~1.80% Si、0.50%~0.90% Mn、1.00%~1.40% Cr、0.10%~0.30%V、0.01%~0.03% Nb、0.15%~0.30% Ni、0.15%~0.30% Mo、P≤0.010%、S≤0.010%,O≤0.0010%,N≤0.0050%,其余为Fe和不可避免的杂质。
所述超高强中碳弹簧钢的Mo含量与Ni含量的比值在0.5~2.0,且所述超高强中碳弹簧钢中的具有逆变奥氏体相。
所述超高强中碳弹簧钢中逆变奥氏体占总体积分数为5%~15%。
所述超高强中碳弹簧钢的各个元素的质量百分数为:0.49% C、1.45% Si、0.60%Mn、1.06% Cr、0.10% V、0.01% Nb、0.12% Ni、0.16% Mo、0.009%P、0.008%S、0.0009%O、0.0040%N,其余为Fe和不可避免的杂质;
所述中碳弹簧钢的力学性能抗拉强度为Rm为2382 MPa,屈服强度Rp0.2为2034 MPa,断后伸长率A为10.0%,断面收缩率Z为35.6%,室温冲击韧性为24 J/cm2
所述超高强中碳弹簧钢的各个元素的质量百分数为:0.48%C、1.40% Si、0.70%Mn、1.00% Cr、0.30% V、0.01% Nb、0.10% Ni、0.10% Mo、0.008%P、0.0085%S、0.00092%O、0.0045%N,其余为Fe和不可避免的杂质。
所述超高强中碳弹簧钢的各个的质量百分数为:0.53% C、1.80% Si、0.90% Mn、1.40% Cr、0.30% V、0.03% Nb、0.50% Ni、0.25% Mo、0.009%P、0.008%S,0.0009%O,0.0050%N,其余为Fe和不可避免的杂质。
所述超高强中碳弹簧钢的各个的质量百分数为:0.56% C、1.70% Si、0.70% Mn、1.35% Cr、0.20% V、0.03%Nb、0.15% Ni、0.30% Mo、0.009%P、0.008%S,0.0009%O,0.0040%N,其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提供一种制备如上述的高强中碳弹簧钢的方法,所述方法具体包括以下步骤:
S1)按照设计成分配比,分别称取各个原料;
S2)将S1)混合后的原料依次置于冶炼设备中进行冶炼,轧制成形,得到中碳弹簧钢圆棒材;
S3)将S2)得到中碳弹簧钢圆棒材通过淬火+回火热处理后,即得到超高强中碳弹簧钢。
所述S3)中的淬火+回火热处理工艺为:
S3.1)将中碳弹簧钢圆棒材放入热处理炉中,加热至900~950 ℃,保温30~60 min后油淬;
S3.2)将经S3.1)处理后的弹簧钢放入加热至200~400 ℃的热处理炉回火90~120min后水冷。
所述高强中碳弹簧钢抗拉强度Rm为2100~2450 MPa,屈服强度Rp0.2为1850~2150MPa,断后伸长率A为9%~12%,断面收缩率Z为30%~45%,室温冲击韧性为20~30 J/cm2
一种高速列车转向架弹簧,所述高速列车转向架弹簧采用上述的高强中碳弹簧钢制成。
实施例1:
一种超高强中碳弹簧钢,具有如下化学成分(质量百分数):0.49% C、1.45% Si、0.60% Mn、1.06% Cr、0.10% V、0.01 Nb、0.12% Ni、0.16% Mo、0.009% P、0.008% S,0.0009%O,0.0040% N,其余部分为Fe和正常杂质。
采用钢铁企业棒材常规生产工艺制备直径为20 mm的圆棒材。
将上述超高强中碳弹簧钢进行淬火+回火热处理,工艺如下:
(1)加热至900℃保温30 min后油淬;
(2)加热至200℃回火90 min后水冷。
所获得超高强中碳弹簧钢的力学性能:抗拉强度为Rm为2382 MPa,屈服强度Rp0.2为2034 MPa,断后伸长率A为10.0%,断面收缩率Z为35.6%,室温冲击韧性为24 J/cm2
实施例2:
一种超高强中碳弹簧钢,具有如下化学成分(质量百分数):0.48%C、1.40% Si、0.70% Mn、1.00%Cr、0.30% V、0.01% Nb、0.10% Ni、0.10% Mo、0.008% P、0.0085% S,0.00092% O,0.0045% N,其余部分为Fe和正常杂质。
采用钢铁企业棒材常规生产工艺制备直径为20 mm的圆棒材。
将上述超高强中碳弹簧钢进行淬火+回火热处理,工艺如下:
(1)加热至930℃保温60 min后油淬;
(2)加热至300℃回火120 min后水冷。
所获得超高强中碳弹簧钢的力学性能:抗拉强度为Rm为2229 MPa,屈服强度Rp0.2为1931 MPa,断后伸长率A为10.6%,断面收缩率Z为38.1%,室温冲击韧性为27 J/cm2
实施例3:
一种超高强中碳弹簧钢,具有如下化学成分(质量百分数):0.53% C、1.80% Si、0.90% Mn、1.40% Cr、0.30% V、0.03% Nb、0.50% Ni、0.25% Mo、0.009% P、0.008% S,0.0009% O,0.0050% N,其余部分为Fe和正常杂质。
采用钢铁企业棒材常规生产工艺制备直径为20 mm的圆棒材。
将上述超高强中碳弹簧钢进行淬火+回火热处理,工艺如下:
(1)加热至950℃保温40 min后油淬;
(2)加热至400℃回火100 min后水冷。
所获得超高强中碳弹簧钢的力学性能:抗拉强度为Rm为2196 MPa,屈服强度Rp0.2为1942 MPa,断后伸长率A为11.5%,断面收缩率Z为41.6%,室温冲击韧性为28 J/cm2
实施例4:
一种超高强中碳弹簧钢,具有如下化学成分(质量百分数):0.56% C、1.70% Si、0.70% Mn、1.35% Cr、0.20% V、0.03%Nb、0.15% Ni、0.30% Mo、0.009% P、0.008% S,0.0009%O,0.0040% N,其余部分为Fe和正常杂质。
采用钢铁企业棒材常规生产工艺制备直径为20 mm的圆棒材。
将上述超高强中碳弹簧钢进行淬火+回火热处理,工艺如下:
(1)加热至950℃保温30 min后油淬;
(2)加热至200℃回火90 min后水冷。
所获得超高强中碳弹簧钢的力学性能:抗拉强度为Rm为2442 MPa,屈服强度Rp0.2为2136 MPa,断后伸长率A为9.5%,断面收缩率Z为31.6%,室温冲击韧性为22 J/cm2
实施例5:
一种超高强中碳弹簧钢,具有如下化学成分(质量百分数):0.55% C、1.60% Si、0.65% Mn、1.15% Cr、0.20% V、0.02%Nb、0.50% Ni、0.50% Mo、0.0085% P、0.009% S,0.0008% O,0.0045% N,其余部分为Fe和正常杂质。
采用钢铁企业棒材常规生产工艺制备直径为20 mm的圆棒材。
将上述超高强中碳弹簧钢进行淬火+回火热处理,工艺如下:
(1)加热至950℃保温60 min后油淬;
(2)加热至200℃回火120 min后水冷。
所获得超高强中碳弹簧钢的力学性能:抗拉强度为Rm为2438 MPa,屈服强度Rp0.2为2125 MPa,断后伸长率A为11.6%,断面收缩率Z为43.6%,室温冲击韧性为29 J/cm2
实施例6:
一种超高强中碳弹簧钢,具有如下化学成分(质量百分数):0.52% C、1.80% Si、0.75% Mn、1.18% Cr、0.10% V、0.01%Nb、0.30% Ni、0.30% Mo、0.0085% P、0.0085% S,0.0008% O,0.0045% N,其余部分为Fe和正常杂质。
采用钢铁企业棒材常规生产工艺制备直径为20 mm的圆棒材。
将上述超高强中碳弹簧钢进行淬火+回火热处理,工艺如下:
(1)加热至950℃保温45 min后油淬;
(2)加热至300℃回火90 min后水冷。
所获得超高强中碳弹簧钢的力学性能:抗拉强度为Rm为2338 MPa,屈服强度Rp0.2为2025 MPa,断后伸长率A为10.6%,断面收缩率Z为38.6%,室温冲击韧性为25 J/cm2
实施例7:
一种超高强中碳弹簧钢,具有如下化学成分(质量百分数):0.50% C、1.70% Si、0.85% Mn、1.25% Cr、0.10% V、0.01%Nb、0.25% Ni、0.28% Mo、0.0086% P、0.0075% S,0.0008% O,0.0042% N,其余部分为Fe和正常杂质。
采用钢铁企业棒材常规生产工艺制备直径为20 mm的圆棒材。
将上述超高强中碳弹簧钢进行淬火+回火热处理,工艺如下:
(1)加热至900℃保温30 min后油淬;
(2)加热至300℃回火90 min后水冷。
所获得超高强中碳弹簧钢的力学性能:抗拉强度为Rm为2369 MPa,屈服强度Rp0.2为1996 MPa,断后伸长率A为11.2%,断面收缩率Z为40.6%,室温冲击韧性为27 J/cm2
实施例8:
一种超高强中碳弹簧钢,具有如下化学成分(质量百分数):0.54% C、1.50% Si、0.90% Mn、1.40% Cr、0.15% V、0.01%Nb、0.40% Ni、0.40% Mo、0.0080%P、0.0095%S,0.0007%O,0.0046%N,其余部分为Fe和正常杂质。
采用钢铁企业棒材常规生产工艺制备直径为20 mm的圆棒材。
将上述超高强中碳弹簧钢进行淬火+回火热处理,工艺如下:
(1)加热至930℃保温45 min后油淬;
(2)加热至400℃回火100 min后水冷。
所获得超高强中碳弹簧钢的力学性能:抗拉强度为Rm为2185 MPa,屈服强度Rp0.2为1988 MPa,断后伸长率A为11.8%,断面收缩率Z为44.5%,室温冲击韧性为30 J/cm2
本发明一种具有超高抗拉强度、超高屈服强度和良好塑韧性的中碳弹簧钢。该弹簧钢为中碳钢(碳含量0.48wt%~0.56wt%)且硅含量(1.40wt%~1.80wt%)较低,这有利于提高材料的塑性,并降低脱碳敏感性;该弹簧钢的镍含量(0.10wt%~0.50wt%)和铌含量(0.01wt%~0.05wt%)较低,可显著降低材料的生产成本和连铸难度;材料还中加入了少量的钼元素(0.10wt%~0.50wt%),通过镍、钼、铌三个元素的协同作用,并匹配专用热处理工艺,获得了超高强度和良好塑韧性。所发明的弹簧钢抗拉强度Rm为2100~2450 MPa,屈服强度Rp0.2为1850~2150 MPa,断后伸长率A为9%~12%,断面收缩率Z为30%~45%,室温冲击韧性为20~30 J/cm2
以上对本申请实施例所提供的一种超高强中碳弹簧钢和热处理工艺及高速列车转向架弹簧,进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本申请的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解,硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式,而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语,故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内,本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题,基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式,然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的,并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解,本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系,例如,A和/或B,可以表示:单独存在A,同时存在A和B,单独存在B这三种情况。另外,本文中字符“/”,一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例,但如前所述,应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式,不应看作是对其他实施例的排除,而可用于各种其他组合、修改和环境,并能够在本文所述申请构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围,则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超高强中碳弹簧钢,其特征在于,所述超高强中碳弹簧钢的各个元素的质量百分数为:0.48%~0.56% C、1.40%~1.80% Si、0.50%~0.90% Mn、1.00%~1.40% Cr、0.10%~0.30%V、0.01%~0.03% Nb、0.10%~0.50% Ni、0.10%~0.50% Mo、P≤0.010%、S≤0.010%、O≤0.0010%、N≤0.0050%、其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的超高强中碳弹簧钢,其特征在于,所述超高强中碳弹簧钢的各个元素的质量百分数为:0..48%~0.50% C、1.40%~1.80% Si、0.50%~0.90% Mn、1.00%~1.40%Cr、0.10%~0.30% V、0.01%~0.03% Nb、0.15%~0.30% Ni、0.15%~0.30% Mo、P≤0.010%、S≤0.010%,O≤0.0010%,N≤0.0050%,其余为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的超高强中碳弹簧钢,其特征在于,所述超高强中碳弹簧钢的各个元素的质量百分数为:0.49% C、1.45% Si、0.60% Mn、1.06% Cr、0.10% V、0.01% Nb、0.12% Ni、0.16% Mo、0.009%P、0.008%S、0.0009%O、0.0040%N,其余为Fe和不可避免的杂质;
所述中碳弹簧钢的力学性能抗拉强度为Rm为2382 MPa,屈服强度Rp0.2为2034 MPa,断后伸长率A为10.0%,断面收缩率Z为35.6%,室温冲击韧性为24 J/cm2
4.根据权利要求1所述的超高强中碳弹簧钢,其特征在于,所述超高强中碳弹簧钢的各个元素的质量百分数为:0.48%C、1.40% Si、0.70% Mn、1.00% Cr、0.30% V、0.01% Nb、0.10%Ni、0.10% Mo、0.008%P、0.0085%S、0.00092%O、0.0045%N,其余为Fe和不可避免的杂质;
所述超高强中碳弹簧钢的力学性能:抗拉强度为Rm为2229 MPa,屈服强度Rp0.2为1931MPa,断后伸长率A为10.6%,断面收缩率Z为38.1%,室温冲击韧性为27 J/cm2
5.根据权利要求1-4任意一项所述的超高强中碳弹簧钢,其特征在于,所述超高强中碳弹簧钢的Mo含量与Ni含量的比值在0.5~2.0,且所述超高强中碳弹簧钢中的具有逆变奥氏体相。
6.根据权利要求5所述的超高强中碳弹簧钢,其特征在于,所述超高强中碳弹簧钢中逆变奥氏体相占总体积分数为5%~15%。
7.一种制备如权利要求1-6任意一项所述的高强中碳弹簧钢的方法,所述方法具体包括以下步骤:
S1)按照设计成分配比,分别称取各个原料;
S2)将S1)原料依次放入冶炼设备中进行冶炼,轧制成形,得到中碳弹簧钢圆棒材;其特征在于,
S3)将S2)得到中碳弹簧钢圆棒材通过淬火+回火热处理后,即得到超高强中碳弹簧钢。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述S3)中的淬火+回火热处理工艺为:
S3.1)将中碳弹簧钢圆棒材放入热处理炉中,加热至900~950 ℃,保温30~60 min后油淬;
S3.2)将经S3.1)处理后的弹簧钢放入加热至200~400 ℃的热处理炉回火90~120 min后水冷。
9.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述高强中碳弹簧钢抗拉强度Rm为2100~2450 MPa,屈服强度Rp0.2为1850~2150 MPa,断后伸长率A为9%~12%,断面收缩率Z为30%~45%,室温冲击韧性为20~30 J/cm2
10.一种高速列车转向架弹簧,其特征在于,所述高速列车转向架弹簧采用权利要求1-6任意一项所述的高强中碳弹簧钢制成。
CN202210103204.2A 2022-01-27 2022-01-27 超高强中碳弹簧钢和热处理工艺及高速列车转向架弹簧 Active CN114410896B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210103204.2A CN114410896B (zh) 2022-01-27 2022-01-27 超高强中碳弹簧钢和热处理工艺及高速列车转向架弹簧

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210103204.2A CN114410896B (zh) 2022-01-27 2022-01-27 超高强中碳弹簧钢和热处理工艺及高速列车转向架弹簧

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114410896A true CN114410896A (zh) 2022-04-29
CN114410896B CN114410896B (zh) 2022-10-21

Family

ID=81279144

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210103204.2A Active CN114410896B (zh) 2022-01-27 2022-01-27 超高强中碳弹簧钢和热处理工艺及高速列车转向架弹簧

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114410896B (zh)

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000026938A (ja) * 1998-07-13 2000-01-25 Aichi Steel Works Ltd 耐食性および耐腐食疲労性に優れたばね用鋼
JP2002212665A (ja) * 2001-01-11 2002-07-31 Kobe Steel Ltd 高強度高靭性鋼
JP2003105485A (ja) * 2001-09-26 2003-04-09 Nippon Steel Corp 耐水素疲労破壊特性に優れた高強度ばね用鋼およびその製造方法
KR20090071163A (ko) * 2007-12-27 2009-07-01 주식회사 포스코 내식성이 우수한 고강도 스프링강 선재 및 그 제조 방법
CN102925809A (zh) * 2012-11-29 2013-02-13 北京科技大学 同时获得逆转奥氏体和纳米析出的低合金钢的制备方法
CN103484781A (zh) * 2013-09-26 2014-01-01 宝山钢铁股份有限公司 一种高强高韧性弹簧钢及其制造方法
CN105603328A (zh) * 2014-11-19 2016-05-25 重庆江东摩托车配件有限公司 一种扭力轴用钢
CN106834907A (zh) * 2015-12-07 2017-06-13 现代自动车株式会社 用于阀弹簧的超高强度弹簧钢
CN107267864A (zh) * 2017-06-16 2017-10-20 山东雷帕得汽车技术股份有限公司 一种新型高强度lpd50弹簧钢
CN108048757A (zh) * 2017-12-29 2018-05-18 中国铁道科学研究院金属及化学研究所 一种用于高寒地区高速动车组的车轴钢及其制备方法
CN108193144A (zh) * 2017-12-28 2018-06-22 北京北冶功能材料有限公司 一种高弹性模量的高强弹簧丝及其制备方法
CN111748739A (zh) * 2020-06-29 2020-10-09 马鞍山钢铁股份有限公司 一种抗拉强度>2100MPa耐热弹簧钢及其生产方法
CN112853220A (zh) * 2021-01-08 2021-05-28 江苏省沙钢钢铁研究院有限公司 2000MPa级弹簧用盘条及其生产方法
CN113249645A (zh) * 2021-04-13 2021-08-13 北京科技大学 一种高延性超高强韧钢及其制备方法

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000026938A (ja) * 1998-07-13 2000-01-25 Aichi Steel Works Ltd 耐食性および耐腐食疲労性に優れたばね用鋼
JP2002212665A (ja) * 2001-01-11 2002-07-31 Kobe Steel Ltd 高強度高靭性鋼
JP2003105485A (ja) * 2001-09-26 2003-04-09 Nippon Steel Corp 耐水素疲労破壊特性に優れた高強度ばね用鋼およびその製造方法
KR20090071163A (ko) * 2007-12-27 2009-07-01 주식회사 포스코 내식성이 우수한 고강도 스프링강 선재 및 그 제조 방법
CN102925809A (zh) * 2012-11-29 2013-02-13 北京科技大学 同时获得逆转奥氏体和纳米析出的低合金钢的制备方法
CN103484781A (zh) * 2013-09-26 2014-01-01 宝山钢铁股份有限公司 一种高强高韧性弹簧钢及其制造方法
CN105603328A (zh) * 2014-11-19 2016-05-25 重庆江东摩托车配件有限公司 一种扭力轴用钢
CN106834907A (zh) * 2015-12-07 2017-06-13 现代自动车株式会社 用于阀弹簧的超高强度弹簧钢
CN107267864A (zh) * 2017-06-16 2017-10-20 山东雷帕得汽车技术股份有限公司 一种新型高强度lpd50弹簧钢
CN108193144A (zh) * 2017-12-28 2018-06-22 北京北冶功能材料有限公司 一种高弹性模量的高强弹簧丝及其制备方法
CN108048757A (zh) * 2017-12-29 2018-05-18 中国铁道科学研究院金属及化学研究所 一种用于高寒地区高速动车组的车轴钢及其制备方法
CN111748739A (zh) * 2020-06-29 2020-10-09 马鞍山钢铁股份有限公司 一种抗拉强度>2100MPa耐热弹簧钢及其生产方法
CN112853220A (zh) * 2021-01-08 2021-05-28 江苏省沙钢钢铁研究院有限公司 2000MPa级弹簧用盘条及其生产方法
CN113249645A (zh) * 2021-04-13 2021-08-13 北京科技大学 一种高延性超高强韧钢及其制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
RICHARDNKHOMA 等: "Effect of adding Cr, Ni and Mo on quench and temper microstructure and mechanical properties of a Si-Mn spring steel,RichardNkhoma 等,《materialtoday:RROCEEDINGS》,Volume 56, Part 4,", 《MATERIALTODAY:RROCEEDINGS》 *
吴华林等: "提速列车用弹簧钢60Si2CrVAT的热处理工艺优化", 《材料热处理学报》 *
徐德祥等: "弹簧钢高强度化及合金元素的作用", 《金属热处理》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114410896B (zh) 2022-10-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113322409B (zh) 一种高强韧矿用链条钢及其制造方法
AU2010246552B2 (en) High carbon content and high strength heat-treated steel rail and method for producing the same
CN100519812C (zh) 珠光体类高强度低合金钢轨钢的生产方法
CN101624683B (zh) 一种超高强度贝氏体钢轨用钢及其制造方法
JP5088631B2 (ja) 疲労特性と曲げ成形性に優れた機械構造鋼管とその製造方法
KR20220128660A (ko) 항복비가 조절된 스틸 및 그 제조방법
CN106191678B (zh) 用中薄板坯直接轧制的抗拉强度≥1700MPa热成形钢及生产方法
CN111527227B (zh) 抗氢致开裂性优异的钢材及其制造方法
JPH03188217A (ja) 高炭素薄鋼板の製造方法
CN106086683B (zh) 用薄板坯直接轧制的抗拉强度≥1700MPa薄热成形钢及生产方法
CN109735765B (zh) 一种大规格、超细晶、高强韧性弹簧钢及其生产方法
WO2020038244A1 (zh) 一种80mm厚低成本FH420海工钢板及其制造方法
CN110468347A (zh) 一种高强韧性贝氏体钢轨及其制造方法
CN104451436A (zh) 贝氏体-马氏体-奥氏体复相耐磨钢板及制造方法
CN107779778A (zh) 一种铁路钢轨扣件用不锈钢弹条材料
CN110172636A (zh) 一种低碳热成形钢及其制备方法
CN114410896B (zh) 超高强中碳弹簧钢和热处理工艺及高速列车转向架弹簧
CN114134387B (zh) 一种抗拉强度1300MPa级厚规格超高强钢板及其制造方法
CN113462985B (zh) 免退火折弯性能优异的低成本高表面硬度工具钢
CN111471938B (zh) 无碳化物贝氏体的电动汽车齿轮用钢及其生产方法
CN112522612B (zh) 一种耐寒大轴重货运列车用车轴及其热处理工艺和生产工艺
CN101624684B (zh) 一种渗碳贝氏体钢及其制造方法
JP2505235B2 (ja) 高強度ばね鋼
CN113462986A (zh) 2000MPa环保耐热农机用钢及其制造方法
JP2013072105A (ja) 靭性、耐磨耗性に優れる鋼の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant