CN115094335B - 一种汽车尾门弹簧钢丝及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种汽车尾门弹簧钢丝及其制备方法。所述弹簧钢丝，按重量百分比计，组成如下：C 0.60％‑0.70％、Si 1.40％‑1.60％、Mn 0.40％‑0.70％、Cr 0.40％‑0.70％、V 0.10％‑0.20％，余量为Fe。所述制备方法为：配取各原料，熔炼，连铸将连铸坯预热轧制获得热轧盘条，将热轧盘条进行表面喷丸处理，自然时效，然后进行剥皮处理，将剥皮处理的盘条进行退火处理，然后退火处理后的盘条进行磷化处理，拉拔获得钢丝，将钢丝油淬火处理、回火处理，即得弹簧钢丝。本发明在成分与工艺的协同下提升了钢材的强度、疲劳极限及抗冲击载荷的能力，获得具有高强度高韧性高寿命且便于加工的尾门弹簧钢丝。

Description

一种汽车尾门弹簧钢丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及弹簧钢丝冶金加工技术领域。具体涉及一种汽车尾门弹簧钢丝及其制备方法。
背景技术
随着汽车工业的快速发展促进了高强度、高弹性的高档弹簧钢产品的需求不断增加，且其使用环境及工作环境也更加复杂。因此，高档弹簧钢产品的合金材料的成分及性能的优劣关系到使用环境的整体安全性、动力性及可靠性。基于减重，空间设计和成本等方面考虑，汽车电动尾门撑杆直径从最初的50mm减少到目前的32mm；这使得弹簧的直径和利用率也逐步提高，有限空间与弹簧利用率之间的矛盾，只能通过提高弹簧材料强度予以解决。但常规弹簧钢生产工艺，材料抗拉强度提高后，必然导致材料韧性下降，不利于弹簧加工和寿命管控。因此，根据DIN EN 10265标准，65SiCrV FD级别建议使用强度为1970-2050Mpa，无法达到电动尾门弹簧材料使用要求。
为了实现弹簧材料强度提高，但又不能降低材料韧性目的，需要从控制材料表面缺陷，材料微观组织结构和残余应力三个方面着手。一方面，通过控制盘条表面质量，通过剥皮工艺尽量减少来料组织缺陷影响，同时采用自然时效+高温退火，以及磷化工艺确保生产过程中不产生表面缺陷；另外一方面，采用双脱氧方式控制材料夹杂物组织形态，通过合理控制淬火加热时间与回火时间，让奥氏体原始晶粒细化的同时完成回火，从而获得较高韧性；另外，为确保零件在短时间完成回火，实现应力释放，选择合适的回火方式将非常关键。迄今为止，汽车电动尾门弹簧由于在保证可加工性和韧性的前提下，强度只能控制在2000Mpa以下。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高性能高质量的汽车尾门弹簧钢丝的制造方法，对于弹簧钢的冶炼、热加工、拉丝等的整个制造工艺、热处理及探伤工艺进行整合与优化，来达到提升钢材的强度、疲劳极限及抗冲击载荷的能力，同时改善产品表面质量和通条性能均匀性，在保证产品高强度和成分均匀性的同时，获得具有优异塑性和高表面质量的尾门弹簧钢丝。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明一种高性能高质量的汽车尾门弹簧钢丝，按重量百分比计，组成如下：C0.60％-0.70％、Si 1.40％-1.60％、Mn 0.40％-0.70％、Cr 0.40％-0.70％、V 0.10％-0.20％、P≤0.10％、S≤0.10％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
本发明的汽车尾门弹簧钢丝，加入较高含量的Si元素，一方面可以提升汽车尾门弹簧钢丝的强度外，另一方面有利于使剥皮工序中易于剥皮，另外通过加入适量的V元素细化晶粒，提高抗软化温度和性能，并加入适量的Cr元素，进一步细化晶粒，同时显著提高钢的淬透性，再与其它成份的协同下，使得弹簧钢丝不仅具备高强度性能，同时具有优异的塑性以承受冲击载荷，满足使用的稳定性与高疲劳寿命的要求。
本发明一种高性能高质量的汽车尾门弹簧钢丝的制备方法，按设计比例配取各原料，熔炼，连铸获得连铸坯，将连铸坯预热后经过孔型轧制获得热轧盘条，将热轧盘条进行表面喷丸处理，自然时效，然后进行剥皮处理，将剥皮处理的盘条进行退火处理，然后退火处理后的盘条通过磷化槽，进行磷化处理，再进行连续减径拉拔获得钢丝，将钢丝加热后进行油淬火处理、再进行回火处理，即得弹簧钢丝。
本发明的制备方法，通过先将热轧盘条进行喷丸处理，除减轻表面缺陷并抵消部分应力，发明人发现，通过预先将热轧盘条进行喷丸处理，可以使的表面晶粒再次进行强化，有利于在进行自然时效过程中充分析出第二相调控微观结构，这样可大幅提升弹簧的疲劳强度，然后进行对自然时效后的盘条进行剥皮处理，进一步的减少表面缺陷，然后退火处理控制组织晶粒，再进行磷化处理，更进一步的减少表面缺陷，然后减径拉拔获得钢丝，将钢丝加热后进行油淬火处理、再进行回火处理释放应力，即得弹簧钢丝，本发明协同调控晶粒尺寸、消除表面划伤与缺陷、降低脱碳层厚度以提高弹簧钢的脱碳性能、抗回火稳定性及高应力环境下的使用寿命，从而获得成本低、综合性能优异的高质量弹簧钢丝。
优选的方案，所述熔炼的过程为，控制熔炼的温度在1500-1580℃，熔炼过程中对熔炼所得钢液进行预脱氧和终脱氧；其中，所述预脱氧是在钢液熔清后，扒除炉渣大于90％，而二次造渣后，喂Al线和Ca线进行终脱氧。
优选的方案，连铸坯的形状为方型。
优选的方案，将连铸坯于1150-1200℃进行加热1-3h，然后于950℃-1200℃进行孔型轧制获得直径为3-8mm的热轧盘条。
在本发明中，需要控制热轧温度在上述范围内，从而获得晶粒细小的奥氏体单向组织，而若热轧温度过高会造成奥氏体晶粒粗大，动态再结晶后晶粒也较大；如果热轧温度过低有可能并不是奥氏体单向组织，影响后续轧制过程及性能。
优选的方案，所述热轧盘条的抗拉强度为950-1200MPa，金相组织为S+片状P+小块状F，索氏体＞85％。
在实际的工艺中，允许轻微定型偏析，表面缺陷(结疤，折叠，热擦伤等)深度＜50μm，夹杂物要求级别要求A,B,C,D＜0.5，总的小于1.0。
优选的方案，所述喷丸处理的表面覆盖率为100％，表面丸坑尺寸＜0.25mm。喷丸处理后的盘条表面无任何划伤、凹坑、挂铅，锈蚀等。
优选的方案，所述自然时效的时间≧6个月，优选为6-7个月。
发明人意外的发现，将经过喷丸处理的热轧盘条，自然处理6个月以上，再进行后续处理，最终所得弹簧钢丝的性能大幅提升。这是由于通过自然时效，可以使第二相充分的析出，起到强化的效果，同时发明人发现，进行充分时效后的所得弹簧钢丝组织非常均匀，而如果时效时间过短，第二相析出不充分达不到析出强化的效果，而控制在6-7个月之内完成自然时效，最终弹簧钢丝的性能最优，若时效过长，也会造成第二相有可能处于过时效状态，第二相粒子尺寸过大，造成析出强化效果不好，造成强度、疲劳强度、韧性等指标下降。
优选的方案，采用粉末冶金制钨钢单向圆形剥皮模进行剥皮处理，所述剥皮处理的尺寸公差±0.1mm，椭圆度＜0.1mm，双边剥去量0.2-0.3mm，表面无＞0.1mm连续划伤及凹坑。
优选的方案，所述退火处理的温度为850-900℃，退火处理的时间1-1.5h。通过在上述温度退火后，组织晶粒度＞8级。
优选的方案，磷化处理后磷化的厚度为3-9g/mm2。发明人发现，将退火后的盘条通过磷化槽，进行磷化处理，更有利于控制拉拔工艺过程中很少产生表面缺陷。而将磷化厚度控制在上述范围内，最终性能最优，而如果磷化处理的厚度过厚造成后续拉拔过程中磷化层断裂起不到润滑的作用；如果磷化处理的厚度太薄造成后续拉拔过程中起不到润滑的作用，造成钢丝表面出现很多微裂纹产生了废品。
优选的方案，所述拉拔次数为6-8道次，拉拔后所得钢丝的直径为3-6mm。
优选的方案，将钢丝加热至930-950℃，保温20-30min，然后进行油淬火冷却至80℃以下，再将钢丝置于铅槽内，于450-500℃铅熔体回火1-1.5h。
优选的方案，将所得钢丝进行常温冲击，冲击摆锤采用100J，冲击功保持在45-54J，冲击后样品无断裂；利用拉力试验机对300mm样品进行试验，屈服强度根据不同线径可达2200-2340MPa，屈强比≥0.9，断面收缩率＞45％，奥氏体原始晶粒度＞10.5级。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
弹簧件在苛刻的工作环境中起到缓冲、支撑、传力、减振等作用，要求其能承受各种形势的应变、应力和使用的安全性、可靠性。
对于弹簧钢的质量要求，要保证合理的化学成分和各种夹杂物含量及尺寸、分布等，以保证成批弹簧质量稳定、工作安全性高；弹簧钢的表面质量高于轴承钢、结构钢。弹簧表面的缺陷会导致其过早破断，因此对于弹簧钢盘条应将头尾缺陷切除干净，表面不得有裂纹、折叠、结疤、耳子、分层等肉眼可见的缺陷，允许有局部的压痕、凸块、凹坑、划伤、麻面，但其深度或高度不得大于0.07mm，金相组织应为珠光体+铁素体，不得有马氏体、贝氏体等有害组织。
对于弹簧钢的性能要求，首先保证其具有良好的抗拉强度、屈强比等力学性能，本发明通过控制成分含量和制备工艺条件，使得本发明的成品的抗拉强度、疲劳极限、冲击功等保持在较高水平以使其在长期工作中具有良好形状和尺寸稳定性；关于成份方面，本发明的汽车尾门弹簧钢丝，加入较高含量的Si元素一方面提升汽车尾门弹簧钢丝的强度，同时有利于在剥皮工序中易于剥皮，并且通过加入适量的V元素细化晶粒，提高抗软化温度和性能，并加入适量的Cr元素，进一步细化晶粒，同时显著提高钢的淬透性，再与其它成份的协同下，使提弹簧钢丝不仅具备高强度性能，同时具有优异的塑性以承受冲击载荷，满足使用的稳定性与高疲劳寿命的要求。而在制备上，本发明通过先将热轧盘条进行喷丸处理，减轻表面缺陷并抵消部分应力外可以使的表面晶粒再次进行强化，有利于在进行自然时效过程中充分析出第二相调控微观结构。发明人发现，通过预先将热轧盘条进行喷丸处理，可以大幅提升弹簧的疲劳强度，表面喷丸处理后，进行自然时效，使得第二相充分析出，调控微观结构，然后进行对自然时效后的盘条进行剥皮处理外，可以使的表面晶粒再次进行强化，进一步的减少表面缺陷，然后退火处理调控制组织晶粒，再进行磷化处理，更进一步的减少表面缺陷(裂纹)，然后减径拉拔获得钢丝，将钢丝加热后进行油淬火处理、再进行回火处理，对于热处理时的回火稳定性、加热时的脱碳敏感性等进行严格控制，调整脱碳层的深度和尺寸公差，总之本发明通过上述工艺的协同，调控晶粒尺寸、消除表面划伤与缺陷、降低脱碳层厚度以提高弹簧钢的脱碳性能、抗回火稳定性及高应力环境下的使用寿命，从而获得成本低、综合性能优异的高质量弹簧钢丝。
本发明可生产获得高质量、多规格、高精度的尾门弹簧钢制品，打破高端弹簧钢丝技术与市场的窘迫环境。
附图说明
图1对比例1中所得弹簧钢丝的微观形貌SEM图。
图2对比例1中所得弹簧钢丝的金相结构图。
具体实施方式
下面通过实施例具体地对本发明做进一步描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
弹簧钢合金成分按照重量百分比计：C 0.70％、Si 1.40％、Mn 0.60％、Cr0.70％、V 0.10％、P≤0.10％、S≤0.10％及不可避免的杂质元素。电炉冶炼温度在1580℃，对钢液进行脱氧和扒渣后连铸成方坯。对连铸坯进行加热及孔型轧制，加热温度为和轧制温度分别控制在1180℃和1200℃，终轧温度控制在980℃，热轧线材的直径为6毫米，然后将预热后的热轧盘条进行喷丸处理，喷丸处理使其表面覆盖率达到100％，喷丸处理后的盘条表面无任何划伤、凹坑、挂铅，锈蚀等，然后将喷丸处理后的盘条进行自然时效6.5个月，然后采用粉末冶金制钨钢单向圆形剥皮模进行剥皮处理，所述剥皮处理的尺寸公差±0.1mm，椭圆度＜0.1mm，双边剥去量0.25mm，表面无＞0.1mm连续划伤及凹坑。再将经过剥皮处理的盘条置于850℃高温进行退火处理，退火处理的时间1h，退火后盘条通过磷化槽，进行磷化处理，控制磷化处理后磷化的厚度为5-8/mm2，再经连续拉拔使钢丝直径为3.6mm和3.8mm，最后通过管式加热炉加热至930℃，保温30分钟，通过淬火油进行冷却至80℃后放入特殊装置铅槽内450℃回火1小时，释放应力，最后进行取钢丝头尾300mm样品，利用拉力试验机进行试验，检测钢丝强度为2300MPa，屈服强度为2120MPa，丝材断后丝径为2.26，屈强比为0.922，面收缩率达到55.56％，表现出较好的综合性能。
通过特殊的工装，钢丝在机床上的超长有芯卷制，并经过热压去应力回火后测定钢丝的长度衰减。其中，去应力采用350℃保温30min，设定预压量2cm，出炉空冷后弹簧经90℃保温96小时，测量其自由长度。实施例1的热衰减性能指标检测见表1。
弹簧去应力后长度衰减为2.11％-2.36％，经模拟工况热衰减为3.96％-4.6％，其总的衰减量为6.0％-6.8％，满足要求。
表1弹簧钢热衰减性能指标
Figure BDA0003758827080000061
实施例2
弹簧钢合金成分按照重量百分比计：C 0.60％、Si 1.50％、Mn 0.70％、Cr0.60％、V 0.10及不可避免的杂质元素。电炉冶炼温度在1550℃，对钢液进行脱氧和扒渣后连铸成方坯。对连铸坯进行加热及孔型轧制，加热温度为和轧制温度分别控制在1160℃和980℃，热轧线材的直径为8毫米，然后将预热后的热轧盘条进行喷丸处理，喷丸处理使其表面覆盖率达到100％，喷丸处理后的盘条表面无任何划伤、凹坑、挂铅，锈蚀等，然后将喷丸处理后的盘条进行自然时效6个月，然后采用粉末冶金制钨钢单向圆形剥皮模进行剥皮处理，所述剥皮处理的尺寸公差±0.1mm，椭圆度＜0.1mm，双边剥去量0.25mm，表面无＞0.1mm连续划伤及凹坑。再将经过剥皮处理的盘条置于850℃高温进行退火处理，退火处理的时间1h，退火后盘条通过磷化槽，进行磷化处理，控制磷化处理后磷化的厚度为3-9g/mm2，再经连续拉拔使钢丝直径为6mm，最后通过管式加热炉加热至930℃，保温30分钟，通过淬火油进行冷却至80℃后放入特殊装置铅槽内450℃回火1小时，释放应力，最后进行取钢丝头尾300mm样品，利用拉力试验机进行试验，检测钢丝强度为2270MPa，屈服强度为2060MPa，丝材断后丝径为2.25，屈强比为0.907，面收缩率达到55.95％，表现出较好的综合性能。
实施例3
弹簧钢合金成分按照重量百分比计：C 0.65％、Si 1.48％、Mn 0.45％、Cr0.555％、V 0.105％及不可避免的杂质元素。电炉冶炼温度在1560℃，对钢液连铸后制备的方坯进行加热及孔型轧制，温度分别控制在1180℃和1000℃，热轧线材的直径为3.4毫米，将自然时效时长7个月且经过剥皮处理的盘条置于850℃高温进行退火处理，退火处理的时间1h，后续工艺流程与实施例2相同，对制备的钢丝进行多位置取样分析得到钢丝线径为3.196，外观无明显划伤，夹杂物级别为A＝0,B＝0,C＝0.5,D＝0，脱碳层深度为0.01/0.005半，抗拉强度达到2314MPa，断面收缩率为52.18％，具有良好的晶界纯净度和合适的晶粒大小。进行冲击试验得到的冲击功约48J，冲击试样无断裂。
对比例1
弹簧钢合金成分按照重量百分比计：弹簧钢丝的材料成分按照重量百分比计：C0.6％、Si 1.5％、Mn 0.4％、Cr 0.5％、V 0.1％、P≤0.1％、S≤0.1％及不可避免的杂质元素。制备过程中其他条件与实施例2相同，只明并采用低温开轧温度，全程保持恒温，加热段温度：1100℃，加热时间2.5h，开轧温度：1020℃。
弹簧钢丝用钢的金相组织是由索氏体+珠光体+铁素体组成，索氏体率为1.5级，对合金进行性能检测：抗拉强度为945MPa，非金属夹杂物等级:A；0.5B:0.5C:0.5D:0。材料的伸长率和断面收缩率分别为16.5％和44.7％。强度要求实施例所制备的弹簧钢性能具有很大的差距，在不同的的加工条件下综合考虑强度、组织控制及夹杂物控制水平等各种因素。
对比例2
其他条件与实施例2相同，只是自然时效的时间为2个月，所得钢丝利用拉力试验机进行试验，检测钢丝强度为2005MPa，屈服强度为1805MPa，丝材断后丝径为，屈强比为0.9002，面收缩率达到50.55％，综合性能较差，可看出组织不均，面收缩率小。

Claims (8)

1.一种汽车尾门弹簧钢丝的制备方法，其特征在于：按设计比例配取各原料，熔炼，连铸获得连铸坯，将连铸坯预热后经过孔型轧制获得热轧盘条，将热轧盘条进行表面喷丸处理，自然时效，然后进行剥皮处理，将剥皮处理的盘条进行退火处理，然后退火处理后的盘条通过磷化槽，进行磷化处理，再进行连续减径拉拔获得钢丝，将钢丝加热后进行油淬火处理、再进行回火处理，即得弹簧钢丝；
将连铸坯于1150-1200℃进行加热1-3h，然后于950℃-1200℃进行孔型轧制获得直径为3-8mm的热轧盘条；
所述自然时效的时间≧6个月；
所述弹簧钢丝，按重量百分比计，组成如下：C 0.60％-0.70％、Si 1.40％-1.60％、Mn0.40％-0.70％、Cr 0.40％-0.70％、V 0.10％-0.20％、P≤0.10％、S≤0.10％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种汽车尾门弹簧钢丝的制备方法，其特征在于：所述熔炼的过程为，控制熔炼的温度在1500-1580℃，熔炼过程中对熔炼所得钢液进行预脱氧和终脱氧；其中，所述预脱氧是在钢液熔清后，扒除炉渣大于90％，而二次造渣后，喂Al线和Ca线进行终脱氧。
3.根据权利要求1所述的一种汽车尾门弹簧钢丝的制备方法，其特征在于：
所述热轧盘条的抗拉强度为950-1200MPa，金相组织为S+片状P+小块状F，索氏体＞85％。
4.根据权利要求1所述的一种汽车尾门弹簧钢丝的制备方法，其特征在于：所述喷丸处理的表面覆盖率为100％，表面丸坑尺寸＜0.25mm。
5.根据权利要求1所述的一种汽车尾门弹簧钢丝的制备方法，其特征在于：采用粉末冶金制钨钢单向圆形剥皮模进行剥皮处理，所述剥皮处理的尺寸公差±0.1mm，椭圆度＜0.1mm，双边剥去量0.2-0.3mm，表面无＞0.1mm连续划伤及凹坑。
6.根据权利要求1所述的一种汽车尾门弹簧钢丝的制备方法，其特征在于：所述退火处理的温度为850-900℃，退火处理的时间1-1.5h。
7.根据权利要求1所述的一种汽车尾门弹簧钢丝的制备方法，其特征在于：所述拉拔次数为6-8道次，拉拔后所得钢丝的直径为3-6mm。
8.根据权利要求1所述的一种汽车尾门弹簧钢丝的制备方法，其特征在于：将钢丝加热至930-950℃，保温20-30min，然后进行油淬火冷却至80℃以下，再将钢丝置于铅槽内，于450-500℃铅熔体回火1-1.5h。
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