CN114622126A - 超高强度钢丝用弹簧钢盘条及其制造方法 - Google Patents

超高强度钢丝用弹簧钢盘条及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超高强度钢丝用弹簧钢盘条，所述盘条的元素成分按重量百分含量包括C:0.35～0.80％，Si:1.00～3.00％，Mn:0.30～0.80％，P:≤0.008％，S:≤0.008％，Cr:0.20～0.80％，V:0.03～0.35％，H:≤0.0002％，N:≤0.006％，O:0.0007％～0.0020％；其余为Fe和不可避免的杂质。盘条的组织为铁素体和90％以上的细片状珠光体，即索氏体。盘条经拉拔和热处理获得的钢丝，强度达到2150～2300Mpa，断面收缩率≥40％，具有良好的冷弯簧性能。

Description

超高强度钢丝用弹簧钢盘条及其制造方法
技术领域
本发明属于热轧盘条技术领域，尤其涉及超高抗拉强度钢丝用弹簧钢盘条及其制造方法。
背景技术
作为重要的减振和抗松弛功能部件，弹簧被广泛地应用于社会生产和日常领域。随着科技的进步和制造水平的日益提高，各行各业对弹簧性能提出了更高的要求，从而推动弹簧钢材料向着更高的强度不断发展。
目前新能源汽车发展迅速，为了满足新能源汽车大载重、轻量化、智能化的设计需求，开发更超高强度、更高可靠性的汽车用弹簧钢势势在必行。目前广泛使用的Cr-V系列、Cr-Mn系列、Si-Mn系列和Si-Cr系列材料还不能满足汽车制造业对弹簧以及制造弹簧用盘条日益严格的使用要求，尤其是拉拔后的强度难以达到使用要求。
传统提高钢丝强度的手段之一是通过热处理如降低回火温度等，以期提高材料的强度，但该方式也会造成材料的塑性变差，导致热处理钢丝的缠绕、卷簧性能变差。
高硅含量的弹簧钢容易产生脱碳，这对弹簧的疲劳寿命不利。在盘条生产过程中通常采用坯料修磨和控制坯料加热时间、温度、气氛的方式减少表面脱碳。但在盘条冷却过程中，尤其是组织转变时不可避免也会产生脱碳，尤其是亚共析钢。
另外，传统的钢丝制造工艺采用燃气炉加热+铅浴热处理，这种方式生产效率低，且对环境有污染。近年来应用广泛的热处理方式是更加环保高效的快速感应加热，但采用这种工艺制造钢丝时，钢材的升温速度快，保温时间短即奥氏体化时间短，这样的加热方式也会影响盘条组织的均匀性。
发明内容
本发明的目的是提供一种超高强度钢丝用弹簧钢盘条及其制造方法，该弹簧钢盘条具有较浅的脱碳层和适用于大减面率拉拔及快速感应加热的索氏体组织。使用该弹簧钢盘条所加工成的淬回火钢丝最高抗拉强度能够达到2300MPa，同时能保持良好的塑性和优异的缠绕、卷绕性能(冷卷簧性能)。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种超高强度钢丝用弹簧钢盘条，元素成分按重量百分含量包括C:0.35～0.80％，Si:1.00～3.00％，Mn:0.30～0.80％，P:≤0.008％，S:≤0.008％，Cr:0.20～0.80％，V:0.03～0.35％，H:≤0.0002％，N:≤0.006％，O:0.0007％～0.0020％；其余为Fe和不可避免的杂质。
优选地，所述盘条的元素成分按重量百分含量包括C:0.55～0.67％，Si:1.30～2.00％，Mn:0.40～0.70％，P:≤0.008％，S:≤0.008％，Cr:0.45～0.75％，V:0.10～0.22％，H:≤0.0002％，N:≤0.0040％，O:0.0007％～0.0020％；其余为Fe和不可避免的杂质。
优选地，所述盘条的元素成分中还可以少量添加Ni、Mo、Nb中的一种或多种，以进一步优化产品性能。
本申请的盘条组织为铁素体和90％以上的细片状珠光体，即索氏体。细片状、均匀的索氏体组织尤其适用于大减面率的拉拔强化和快速感应加热奥氏体化，利于拉拔后钢丝强度提升。
进一步地，盘条经拉拔和热处理获得的钢丝，强度达到2150～2300MPa，断面收缩率≥40％，满足良好的冷卷簧性能。盘条到钢丝经过2-8道次的拉拔，盘条到钢丝减面率为21％～87％，钢丝经过淬火和回火的热处理，最终组织为回火屈氏体组织。
本申请弹簧钢中的各化学元素及其含量的设计原理：
C：C是钢中的主要强化元素，一方面溶解在钢中形成固溶体，起到间隙固溶强化作用；另一方面与碳化物形成元素结合形成碳化物析出时，起沉淀强化作用。C对弹簧钢的强度、硬度、塑性、韧性、脱碳倾向、显微组织等都有很大影响，其影响往往超过其他合金元素。碳是对钢的强度贡献最大的元素，也是抗弹减性强烈的元素，溶入基体中有固溶强化作用，可有效改善基体强度和抗弹减性。因此本发明规定其含量为0.35～0.80％(优选为0.55～0.67％)。
Si：Si元素作为炼钢过程中的还原剂和脱氧剂，具有强烈的固溶强化作用，提高钢的强度、硬度、弹性极限和屈强比。同时Si能够提高钢材的抗回火软化能力。另外，Si、Mn都具有提高淬透性、强化铁素体(固溶强化)、提高回火稳定性的作用，其中Si的固溶强化作用大于Mn，适当提升Si含量可弥补降低锰含量带来的强度和回火稳定性损失。但Si是非碳化物形成元素，能增加奥氏体中碳的活度，进而提高碳的扩散驱动力，使得Si含量越高的钢越容易脱碳。因此本发明规定其含量为1.00～3.00％(优选为1.30～2.00％)。
Mn：Mn是提高钢的淬透性最有效的合金元素，溶入基体中有固溶强化作用，可有效改善基体强度和抗弹减性。在弹簧钢炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。Mn元素还可以与S形成高熔点的MnS并呈粒状分布在晶粒内，它在高温下具有一定塑性，避免了钢的热脆，一定程度上减弱了硫的有害影响。但锰元素会降低弹簧钢的耐锈蚀性能和抗氢脆敏感性，并有促进晶粒长大的作用，这是由于含Mn的渗碳体的稳定性不强，在加热过程中很容易完全溶于奥氏体中。对于弹簧钢这类较高碳含量的品种来说，锰元素含量的提升还会使得塑性稍有降低。因此本发明规定其含量为0.30～0.80％(优选为0.40～0.70％)。
Cr：Cr也能显著提高钢的淬透性，与锰共同效果更好。铬可降低钢中碳的活度，又是碳化物形成元素，因而能提高钢中碳的扩散激活能，从而减轻钢的脱碳倾向。钢中加铬还能提高钢的抗拉强度、硬度、屈服点和抗弹减性，减小钢的点蚀倾向和缺陷敏感性。由于Cr碳化物是所有碳化物中最细小的一种，适当添加Cr可以使其碳化物均匀地分布在钢基体中，使得组织得以细化而又分布均匀，对弹簧钢塑性、韧性有益。因此本发明规定其含量为0.20～0.80％(优选为0.45～0.75％)。
V：V元素是强碳化物形成元素，其主要作用是析出强化，能显著提高钢的强度而又不降低塑性。当V在高温溶入奥氏体时，可增加钢的淬透性。高温未溶的钒碳化物能有效组织晶粒长大，起到细化晶粒、改善强韧性的作用。固态下钢中析出的细小弥散的MC型碳化物具有很强的沉淀强化效果和氢捕捉能力，除提高钢的强度、硬度外，还可提高钢的抗弹减性和抗氢脆敏感性。同时V在450℃以上回火时会产生2次析出硬化，提高抗回火软化能力，防止弹簧回火时或弹簧表面氮化处理时导致的硬度和强度下降。但是VC属于脆性相，其硬度为2094Hv，容易形成应力集中点，对韧性和疲劳性能非常不利，同时大颗粒的钒碳化物会降低钢的淬透性。所以，若V含量过高，反而导致弹簧钢稳定性降低。因此本发明规定其含量为0.05～0.35％(优选为0.10～0.22％)。
P：P元素在弹簧钢中属于有害元素，显著降低高强钢的塑性和韧性，使冷弯性能变坏。同时磷在结晶过程中容易产生晶内偏析，使局部区域含磷量偏高，导致冷脆转变温度升高，从而发生冷脆。因此本发明规定其上限为0.008％。
S：S元素在弹簧钢中同样属于有害元素，降低钢的延展性和韧性。在固态下，硫在铁中的溶解度极小，而是以FeS的形态存在于钢中。由于FeS的塑性差，使含硫较多的钢脆性较大。更严重的是，FeS与Fe可形成低熔点(985℃)的共晶体，分布在奥氏体的晶界上。当钢加热到约1200℃进行热压力加工时，晶界上的共晶体已溶化，晶粒间结合被破坏，使钢材在加工过程中沿晶界开裂，即热脆。另外，硫元素偏聚形成的硫化物类非金属夹杂物会在轧制时形成纤维状组织，降低高强钢产品的机械性能。因此本发明规定其上限为0.008％。
N：N在固溶状态下在盘条拉拔过程中会引起脆化，使得拉拔性能劣化，因此需要利用Ti、Al等以氮化物等形式析出，使得固溶N含量在0.0010％以下。若N含量过剩，则需增加Ti、Al、B等进行固化，形成氮化物脆性夹杂物，对拉拔加工性不利，容易因脆性夹杂物导致拉拔断裂；因此使其上限为0.0060％(优选为0.0040％以下)。
O：弹簧钢中氧含量影响夹杂物的组成，以Si-Al-Ca的氧化物为主的夹杂物具有良好的塑性变形能力和较低的软化温度，有利于在后续热轧过程中夹杂物变细长。钢中氧含量过低不利于Si-Al-Ca系氧化物类夹杂物的形成，即不利于夹杂物的塑性化。而氧含量的过高则会导致粗大夹杂物形成，成为疲劳破坏的起点，同时会降低钢材的延性、冲击韧性，提高钢材的韧-脆转换温度，降低钢材的耐腐蚀性能等。本发明所述钢种需控制氧含量在0.0007％～0.0020％，保证夹杂物良好可塑性的同时减少粗大夹杂物的生成。
本发明的另一目的是要提供一种上述弹簧钢盘条的制造方法，该方法主要包括如下步骤：
步骤一、钢水冶炼：按照元素成分设计冶炼钢水；
步骤二、钢水浇铸：将钢水浇铸成铸坯；
步骤三、初轧：将铸坯重新加热使组织完全奥氏体化，在奥氏体区间将铸坯开坯成断面更小的初轧坯；
步骤四、初轧坯表面处理：去除表面脱碳层和表面缺陷；
步骤五、线材控制轧制：将初轧坯轧制成盘条，采用连续轧制方式，在α+γ两相区轧制，并在α+γ两相区吐丝；
步骤六、控冷：吐丝后盘条进行精确冷却，让组织转变为片状珠光体，尤其是少量铁素体和90％以上的细片状珠光体。
优选地，钢水冶炼包括转炉炼钢、精炼、真空脱气，转炉的出钢温度控制在1610～1660℃，转炉炼钢终点C控制在0.05％～0.09％，O含量在0.0007％～0.0020％。
优选地，步骤二中，采用连铸工艺进行浇铸，连铸全流程保护浇铸，保护钢水不发生二次氧化，铸坯为300mm2以上的方坯，步骤三中，铸坯加热温度为1150～1300℃，初轧坯为150mm2～200mm2的方坯；步骤五中，初轧坯轧制成盘条的直径为Φ5.5～Φ18mm。
优选地，步骤五中，轧制速度为50～110m/s，轧制温度为950～1100℃，初轧坯经粗轧、中轧、精轧成盘条，吐丝温度为700～800℃。
优选地，步骤六是通过斯太尔摩冷却线的辊道输送速度和风机风量的控制实现控制冷却的，初始辊道速度为0.30～0.52m/s，后续辊道逐次递增0.01～0.02m/s，通过辊道速度差改变吐丝后盘条的堆叠密度，保证冷却效果。
具体地，根据盘条规格选择保温罩开启数量、风机开启数量和风量：Φ5.5～6.5mm盘条(冷速相对较快)：开启1～2个保温罩，风机开启1～2个，风量10％，冷速5～20℃/s，入保温罩之后自然缓冷；Φ7～14mm盘条：开启4个保温罩，风机开启4个，其中1#、2#风机风量10％～30％，冷速5～20℃/s，使盘条组织快速度过α+γ两相区，达到珠光体转变温度650～670℃；3#、4#风机风量10％～15％，抑制相变潜热释放导致的温度回升，冷速8～15℃/s，入保温罩之后自然缓冷；Φ15～18mm盘条开启6～7个保温罩，风机开启6～7个，1#～4#风机风量35％～45％，冷速5～20℃/s，使盘条组织快速度过α+γ两相区，达到珠光体转变温度650～670℃，5#～7#风机风量10％～20％或关闭，抑制相变潜热释放导致的温度回升，冷速8～15℃/s，入保温罩之后自然缓冷。
步骤六中，通过对盘条吐丝后的快速冷却，可有效减少先共析铁素体的析出，减少盘条脱碳。
与现有技术相比，本发明的优点在于：提出了减少盘条脱碳的新思路：通过盘条吐丝后的快冷有效减少先共析铁素体的析出。通过盘条精确控冷，可将盘条组织控制为少量铁素体和90％以上的细片状珠光体，即索氏体。细片状、均匀的索氏体组织尤其适用于大减面率的拉拔强化和快速感应加热奥氏体化，利于钢丝强度提升。
本申请的盘条经过拉拔和淬回火可以获得强度达到2150～2300Mpa的超高强度弹簧钢丝，并保证了弹簧钢丝基本的塑性指标，满足冷弯簧性能。
附图说明
图1为A组实施例Φ6.5mm盘条的索氏体组织；
图2为A组实施例Φ9mm盘条索氏体组织；
图3为A组实施例Φ12mm盘条索氏体组织；
图4为A组实施例Φ16mm盘条索氏体组织。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
以下列举多组实施例
按照下列步骤制造高强高韧性弹簧钢：
1)冶炼：采用转炉冶炼，然后经过LF加RH精炼，冶炼过程中加入高性能精炼合成渣，保证夹杂物具有良好的可变形性。采用氩气搅拌，RH真空脱气，环流时间≥20min。其后软吹氩处理，时间≥15min。保持超长时间的夹杂物去除过程，使非金属夹杂物充分上浮。采用精炼渣和中间包保护渣吸附夹杂物。控制夹杂物熔点低、可塑性好。
2)铸造：采用大方坯连铸，采用末端轻压下工艺，并控制拉坯速度、冷却水流量，大方坯尺寸为390×510mm2。
3)铸坯加热和初轧：连铸坯料加热温度1150～1300℃，总加热时间5～6h，初轧坯截面尺寸为150×150mm2。
4)坯料处理：对初轧坯进行表面处理，保证坯料表面无脱碳、无缺陷、无毛刺，角部圆滑过渡。
5)控制轧制速度为50～110m/s，轧制温度为950～1100℃，经粗轧、中轧、精轧成盘条成品，实现α+γ两相区轧制，成品规格Φ5.5～Φ18mm。α+γ两相区吐丝，吐丝温度为700～800℃。
6)采用斯太尔摩冷却线进行控制冷却，初始辊道速度为0.30～0.52m/s，后续辊道逐次递增0.01～0.02m/s，通过辊道速度差改善吐丝后盘条堆叠密度，保证冷却效果。根据盘条规格选择保温罩开启数量、风机开启数量和风量：Φ5.5～6.5mm盘条冷速相对较快，开启1～2个保温罩，风机开启1～2个，风量10％，冷速约5～20℃/s，入保温罩之后自然缓冷。Φ7～14mm盘条开启4个保温罩，风机开启4个，其中1#、2#风机风量10％～30％，冷速约5～20℃/s，使盘条组织快速度过α+γ两相区，达到珠光体转变温度650～670℃。3#、4#风机风量10％～15％，抑制相变潜热释放导致的温度回升，冷速约8～15℃/s，入保温罩之后自然缓冷。Φ15～18mm盘条开启6～7个保温罩，风机开启6～7个，1#～4#风机风量35％～45％，冷速约5～20℃/s，使盘条组织快速度过α+γ两相区，达到珠光体转变温度650～670℃。5#～7#风机风量10％～20％或关闭，抑制相变潜热释放导致的温度回升，冷速约8～15℃/s，入保温罩之后自然缓冷。
表1中列举了3组实施例的化学成分，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
表2中列举了3组实施例生产的盘条经拉拔获得的钢丝的力学性能。
表3中列举了A组实施例针对不同规格盘条生产时所采用的控冷工艺以及最终盘条的索氏体含量和脱碳层深度数据。
表1
Figure BDA0003542977950000071
表2
钢种 钢丝直径/mm 抗拉强度/MPa 断面收缩率％
A-1 3.4 2270 49
A-2 3.4 2263 44
A-3 3.4 2288 46
A-4 3.4 2264 51
A-5 3.4 2302 47
B-1 3.4 2230 45
B-2 3.4 2241 41
B-3 3.4 2264 40
B-4 3.4 2180 53
B-5 3.4 2192 55
C-1 3.4 2256 45
C-2 3.4 2291 40
C-3 3.4 2263 42
C-4 3.4 2310 41
C-5 3.4 2277 47
表3
Figure BDA0003542977950000081
基于上述控冷工艺生产的盘条的索氏体组织形貌参见图1-4。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种超高强度钢丝用弹簧钢盘条，其特征在于：所述盘条的元素成分按重量百分含量包括C:0.35～0.80％，Si:1.00～3.00％，Mn:0.30～0.80％，P:≤0.008％，S:≤0.008％，Cr:0.20～0.80％，V:0.03～0.35％，H:≤0.0002％，N:≤0.006％，O:0.0007％～0.0020％；其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的超高强度钢丝用弹簧钢盘条，其特征在于：所述盘条的元素成分按重量百分含量包括C:0.55～0.67％，Si:1.30～2.00％，Mn:0.40～0.70％，P:≤0.008％，S:≤0.008％，Cr:0.45～0.75％，V:0.10～0.22％，H:≤0.0002％，N:≤0.0040％，O:0.0007％～0.0020％；其余为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的超高强度钢丝用弹簧钢盘条，其特征在于：所述盘条的元素成分还包括Ni、Mo、Nb中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的超高强度钢丝用弹簧钢盘条，其特征在于：所述盘条的组织为铁素体和90％以上的细片状珠光体，即索氏体。
5.根据权利要求1所述的超高强度钢丝用弹簧钢盘条，其特征在于：盘条经拉拔和热处理获得的钢丝，强度达到2150～2300Mpa，断面收缩率≥40％。
6.根据权利要求4所述的超高强度钢丝用弹簧钢盘条，其特征在于：盘条到钢丝经过2-8道次的拉拔，盘条到钢丝减面率为21％～87％，所述热处理为淬火和回火，钢丝的最终组织为回火屈氏体组织。
7.根据权利要求5所述的超高强度钢丝用弹簧钢盘条，其特征在于：对钢丝淬火和回火分别采用感应加热，淬火加热温度870～940℃，水淬，回火加热温度410～450℃。
8.一种超高强度钢丝用弹簧钢盘条的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、钢水冶炼：按照元素成分设计冶炼钢水；
步骤二、钢水浇铸：将钢水浇铸成铸坯；
步骤三、初轧：将铸坯重新加热使组织完全奥氏体化，在奥氏体区间将铸坯开坯成断面更小的初轧坯；
步骤四、初轧坯表面处理：去除表面脱碳层；
步骤五、线材控制轧制：将初轧坯轧制成盘条，采用连续轧制方式，在α+γ两相区轧制，并在α+γ两相区吐丝；
步骤六、控冷：吐丝后盘条进行冷却，让组织转变为片状珠光体，尤其是少量铁素体和90％以上的细片状珠光体。
9.根据权利要求8所述的超高强度钢丝用弹簧钢盘条的制造方法，其特征在于：步骤一中，钢水的元素成分按重量百分含量包括C:0.35～0.80％，Si:1.00～3.00％，Mn:0.30～0.80％，P:≤0.008％，S:≤0.008％，Cr:0.20～0.80％，V:0.03～0.35％，H:≤0.0002％，N:≤0.006％，O:0.0007％～0.0020％；其余为Fe和不可避免的杂质；钢水冶炼包括转炉炼钢、精炼、真空脱气，转炉的出钢温度控制在1610～1660℃，转炉炼钢终点C控制在0.05％～0.09％，O含量在0.0007％～0.0020％。
10.根据权利要求1所述的超高强度钢丝用弹簧钢盘条的制造方法，其特征在于：步骤二中，铸坯为300mm2以上的方坯，步骤三中，铸坯加热温度为1150～1300℃，初轧坯为150mm2～200mm2的方坯；步骤五中，初轧坯轧制成盘条的直径为Φ5.5～Φ18mm。
11.根据权利要求1所述的超高强度钢丝用弹簧钢盘条的制造方法，其特征在于：步骤五中，轧制速度为50～110m/s，轧制温度为950～1100℃，初轧坯经粗轧、中轧、精轧成盘条，吐丝温度为700～800℃。
12.根据权利要求1所述的超高强度钢丝用弹簧钢盘条的制造方法，其特征在于：步骤六是通过斯太尔摩冷却线的辊道输送速度和风机风量的控制实现控制冷却的，初始辊道速度为0.30～0.52m/s，后续辊道逐次递增0.01～0.02m/s，通过辊道速度差改变吐丝后盘条的堆叠密度。
13.根据权利要求1所述的超高强度钢丝用弹簧钢盘条的制造方法，其特征在于：根据盘条规格选择保温罩开启数量、风机开启数量和风量：Φ5.5～6.5mm盘条：开启1～2个保温罩，风机开启1～2个，风量10％，冷速5～20℃/s，入保温罩之后自然缓冷；Φ7～14mm盘条：开启4个保温罩，风机开启4个，其中1#、2#风机风量10％～30％，冷速5～20℃/s，使盘条组织快速度过α+γ两相区，达到珠光体转变温度650～670℃；3#、4#风机风量10％～15％，抑制相变潜热释放导致的温度回升，冷速8～15℃/s，入保温罩之后自然缓冷；Φ15～18mm盘条开启6～7个保温罩，风机开启6～7个，1#～4#风机风量35％～45％，冷速5～20℃/s，使盘条组织快速度过α+γ两相区，达到珠光体转变温度650～670℃，5#～7#风机风量10％～20％或关闭，抑制相变潜热释放导致的温度回升，冷速8～15℃/s，入保温罩之后自然缓冷。
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