CN115341076A - 一种弹簧钢及其球化退火方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属热处理技术领域，具体涉及一种弹簧钢及其球化退火方法，该弹簧钢球化退火方法，包括以下步骤：快速加热阶段：将热轧态弹簧钢装入热处理炉，并快速加热至两相区温度；两相区保温阶段：所述弹簧钢在所述两相区温度进行保温；第一冷却阶段：将所述弹簧钢快速降温至第一温度；等温球化：将所述弹簧钢在所述第一温度进行等温球化；第二冷却阶段：将所述等温球化处理后的弹簧钢随所述热处理炉缓冷至第二温度，然后出炉空冷。该弹簧钢球化退火方法具有加热速度快、球化时间短的特点，球化退火后弹簧钢的球化效果好，球化率高。

Description

一种弹簧钢及其球化退火方法
技术领域
本发明属于金属热处理技术领域，具体涉及一种弹簧钢及其球化退火方法。
背景技术
弹簧钢是制造各种螺旋弹簧、板簧、扭簧等零件的原料，它广泛应用于国防、工农业及日常生活中的汽车、仪表、航空、航天、电器等领域，各种机械都离不开弹簧钢的使用。
弹簧钢必须具有良好的性能和质量才能满足制造弹簧的需要，比如较高的弹性极限、抗拉强度、硬度、塑性，在交变载荷下工作时能具有较高的疲劳极限和抗弹性减退能力。
弹簧钢一般采取轧制生产，但轧制后的材料存在组织不均匀、残余应力大、硬度高、塑性差等问题，不利于后续的加工，比如冷成型。冷成型技术用于制作高弹性极限的弹簧，对弹簧钢原始组织、碳化物球化率及硬度要求严格。采取现有的普通的球化退火工艺，球化率较低，不能满足冷成型的要求。
发明内容
针对上述问题，本申请的目的在于提供一种弹簧钢及其球化退火方法。
本申请提供的弹簧钢球化退火方法，具有加热速度快、球化时间短的特点，球化退火后弹簧钢的球化效果好，球化率高。
为实现上述目的，本申请采用以下技术方案：
本申请第一方面提供一种弹簧钢球化退火方法，包括以下步骤：
快速加热阶段：将热轧态弹簧钢装入热处理炉，并快速加热至两相区温度；
两相区保温阶段：所述弹簧钢在所述两相区温度进行保温；
第一冷却阶段：将所述弹簧钢快速降温至第一温度；
等温球化：将所述弹簧钢在所述第一温度进行等温球化；
第二冷却阶段：将所述等温球化处理后的弹簧钢随所述热处理炉缓冷至第二温度，然后出炉空冷。
在升温阶段，采取快速加热的方法，将弹簧钢加热至两相区。当温度达到两相区(Ac1～Ac3温度之间)时，珠光体中的铁素体先奥氏体化，沟槽处的碳元素由于能量密度较高，更易溶解到奥氏体基体中，在两相区保温过程中，片状碳化物逐渐断裂、溶解，留下弥散分布的未溶解粒状碳化物。此时将材料快速冷却到Ar1温度以下，溶解的碳化物将以未溶解的粒状碳化物为核心进行非自发形核，形成球状碳化物组织。
在一些实施方案中，所述弹簧钢的成分以质量百分比计包括：C：0.56～0.64％，Si：0.17～0.37％，Mn：0.7～1.0％，P：≤0.025％，S：≤0.02％，Cr：0.7～1.0％，Ni：≤0.35％，Cu≤0.25％，其余为基体Fe和不可避免的杂质。
在一些实施方案中，所述快速加热的加热速度为120-160℃/h。采用快速加热，在提高加热效率的同时，减少表面烧损和脱碳层深度。
在一些实施方案中，所述两相区温度为740-760℃，所述两相区温度的保温时间为96min～160min。
弹簧钢接近共析钢，两相区较窄，将温度控制在740-760℃，保温时间控制在96-160min，后续可以获得良好的球化效果；低于该温度或者保温时间时，片状碳化物溶解量过少，部分碳化物仍以片状存在，降低球化率；高于此温度或者保温时间时，碳化物溶解量过大，形核质点减少、球化率降低。
在一些实施方案中，所述热处理炉为连续式退火炉，所述连续式退火炉由加热区、保温区、快冷区、等温区、缓冷区五部分组成，所述加热区、所述保温区、所述快冷区、所述等温区、所述缓冷区对所述弹簧钢依次进行所述快速加热阶段、所述两相区保温阶段、所述第一冷却阶段、所述等温球化阶段、所述第二冷却阶段的处理。
在一些实施方案中，所述第一冷却阶段的冷却速度为20-30℃/h；
第一冷却阶段按此冷速冷却，可保留好未溶解的粒状碳化物，促进球化；冷速过快会增大过冷度，不利于球化；冷速过慢，则未溶解的粒状碳化物会进一步溶解，不利于球化。
所述第一冷却阶段在所述连续式退火炉的所述快冷区进行，冷却方式为开启风机冷却。
在一些实施方案中，所述第一温度为700-720℃，所述等温球化的等温时间为216min～360min。
等温球化的第一温度控制在此范围，球化效果最好，温度过高或者过低均会降低弹簧钢的球化率。同时需合理控制等温球化的等温时间，以免球化时间太短球化效果差，球化时间过长，造成碳化物聚集长大。
在一些实施方案中，所述第二温度为525-595℃。
第二温度过高，出炉空冷时，弹簧钢内外温差大，应力较大，易造成变形开裂，第二温度过低时，生产效果过低，影响辊速，导致连续化生产出现问题。
在一些实施方案中，所述缓冷为在所述缓冷区随炉冷却。
在一些实施方案中，所述热处理炉内采取氮气气氛保护，进炉布料高度120mm～180mm，辊道速度1.5～2.5m/h。
与氢气气氛相比，本申请采取氮气气氛保护，提高了生产的安全性。
本申请采取连续退火炉快速加热、等温球化退火，总加热时间约15h，并为连续式生产，大大缩短了退火时间，提高了退火效率；通入氮气保护后表面无明显烧损、材料无全脱碳层、总脱碳层深度可控制在0.3mm以内，减少了需要打磨的脱碳层深度。同时，本申请对等温球化后的冷却过程进行控制，避免产生较大的冷却应力，以提高冷加工性能。
本申请第二方面提供一种由上述弹簧钢球化退火方法制备的弹簧钢。
在一些实施方案中，由上述弹簧钢球化退火方法制备的弹簧钢球化率≥80％，硬度≤190HBW，晶粒度≥6级，表面无明显烧损、材料无全脱碳层、总脱碳层深度可控制在0.3mm以内。
与现有技术相比，本申请的有益效果是：
1)本申请采用连续式退火炉进行弹簧钢球化退火，通过将弹簧钢快速加热到Ac1～Ac3温度，得到不均匀奥氏体及大量未溶解的粒状碳化物，然后快速冷却到Ar1温度以下，碳化物以未溶解质点非自发形核，离异共析形成球化碳化物，该技术具有加热速度快、球化时间短的特点。
2)本申请通过控制两相区的保温温度、保温时间，以及球化退火的等温温度及等温时间，所得弹簧钢球化率≥80％，硬度≤190HBW，晶粒度≥6级，表面无明显烧损、材料无全脱碳层、总脱碳层深度可控制在0.3mm以内，减少了需要打磨的脱碳层深度；本申请制备的弹簧钢满足冷成型用高弹性极限弹簧钢原料要求。
附图说明
图1为本申请一实施例制备的弹簧钢的球化显微组织图；
图2为本申请对比例1制备的弹簧钢的球化显微组织图。
具体实施方式
以下实施例对本申请的内容做进一步的详细说明，本申请的保护范围包含但不限于下述各实施例。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用药品或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
本申请实施例的弹簧钢在球化退火前的状态为热轧棒材，直径范围Φ20-Φ80mm。热轧态的弹簧钢组织主要由片状珠光体和铁素体组成。
以下通过具体实施例对本发明进行详细说明，实施例中所用热轧后的弹簧钢棒材牌号为60CrMn，执行标准GB/T1222-2016，各元素质量百分比如表1所示。
实施例1
该实施例中60CrMn钢棒材的成分如表1所示。
表160CrMn中各元素的质量百分比％(余量为Fe和不可避免的杂质)
Figure BDA0003748825020000041
将热轧后的60CrMn钢棒材装入连续退火炉，依次进行加热、保温、快冷、等温、缓冷、出炉，得到球化退火后的棒材，具体包括以下步骤：
(1)布料：将热轧后的弹簧钢棒材放置在连续退火炉的传动辊道上，高度按照150mm进行布料，布料完成后按照设定好的辊速2m/h传动进入连续式退火炉中进行球化退火。
(2)快速加热：以150℃/h的加热速度快速加热棒材至两相区温度750℃，并将弹簧钢在此温度保温120min；
(3)快速冷却：将在两相区保温结束的弹簧钢送入连续退火炉的快速冷却区，开启风机将棒材由750℃以25℃/h的冷却速度快速冷却至710℃；
(4)等温球化：将弹簧钢在710℃进行等温球化退火，等温时间300min；
(5)炉内缓冷：将等温球化结束的弹簧钢在炉内缓冷至560℃。
(6)出炉：将缓冷结束的弹簧钢棒材出炉。
按设计的连续炉球化退火工艺生产9批60CrMn，规格Φ20～Φ80mm，长度4-7m，球化率检测按SEP-1520 1998-09执行，硬度检测按GBT231.1-2018执行，晶粒度检测按ISO643执行。
表2为按照该实施例设计的连续炉球化退火工艺生产的60CrMn的性能，由表2可知，60CrMn弹簧钢碳化物球化率为85％～92％，硬度值为172HBW～181HBW，晶粒度7-8级，表面无明显烧损、材料无全脱碳层、总脱碳层深度可控制在0.3mm以内，满足要求。
表2按照实施例1设计的连续炉球化退火工艺生产的60CrMn的性能
Figure BDA0003748825020000051
Figure BDA0003748825020000061
图1为采用本申请的球化退火工艺制备的60CrMn弹簧钢的球化组织图，球化效果良好。
实施例2
本实施例中60CrMn钢棒材的成分与实施例1中60CrMn钢棒材的成分相同。
本实施例提供的弹簧钢球化退火方法与实施例1中弹簧钢球化退火方法基本相同，不同之处在于，步骤(2)中快速加热的加热速度为120℃/h，具体包括以下步骤：
(1)布料：将热轧后的弹簧钢棒材放置在连续退火炉的传动辊道上，高度按照150mm进行布料，布料完成后按照设定好的辊速2m/h传动进入连续式退火炉中进行球化退火。
(2)快速加热：以120℃/h的加热速度快速加热棒材至两相区温度750℃，并将弹簧钢在此温度保温120min；
(3)快速冷却：将在两相区保温结束的弹簧钢送入连续退火炉的快速冷却区，开启风机将棒材由750℃以25℃/h的冷却速度快速冷却至710℃；
(4)等温球化：将弹簧钢在710℃进行等温球化退火，等温时间300min；
(5)炉内缓冷：将等温球化结束的弹簧钢在炉内缓冷至560℃。
(6)出炉：将缓冷结束的弹簧钢棒材出炉。
按照本实施例设计的连续炉球化退火工艺生产60CrMn，规格为Φ20mm，对本实施例生产的60CrMn的性能进行检测，结果如表3所示。
实施例3
本实施例中60CrMn钢棒材的成分与实施例1中60CrMn钢棒材的成分相同。
本实施例提供的弹簧钢球化退火方法与实施例1中弹簧钢球化退火方法基本相同，不同之处在于，步骤(4)中等温时间为216min，具体包括以下步骤：
(1)布料：将热轧后的弹簧钢棒材放置在连续退火炉的传动辊道上，高度按照150mm进行布料，布料完成后按照设定好的辊速2m/h传动进入连续式退火炉中进行球化退火。
(2)快速加热：以150℃/h的加热速度快速加热棒材至两相区温度750℃，并将弹簧钢在此温度保温120min；
(3)快速冷却：将在两相区保温结束的弹簧钢送入连续退火炉的快速冷却区，开启风机将棒材由750℃以25℃/h的冷却速度快速冷却至710℃；
(4)等温球化：将弹簧钢在710℃进行等温球化退火，等温时间216min；
(5)炉内缓冷：将等温球化结束的弹簧钢在炉内缓冷至560℃。
(6)出炉：将缓冷结束的弹簧钢棒材出炉。
按照本实施例设计的连续炉球化退火工艺生产60CrMn，规格为Φ60mm，对本实施例生产的60CrMn的性能进行检测，结果如表3所示。
表3按照实施例2～3设计的连续炉球化退火工艺生产的60CrMn的性能
Figure BDA0003748825020000071
对比例1
60CrMn钢棒材的成分、退火前的状态、尺寸规格同实施例1，采用普通退火工艺。
普通退火工艺具体步骤及工艺参数如下：
(1)布料：将热轧后的弹簧钢棒材放置在连续退火炉的传动辊道上，高度按照150mm进行布料，布料完成后按照设定好的辊速2m/h传动进入连续式退火炉中进行球化退火。
(2)快速加热：以150℃/h的加热速度快速加热棒材至两相区温度760℃。
(3)保温：达到温度后，将弹簧钢在此温度保温650min。
(4)炉内缓冷：将等温球化结束的弹簧钢在炉内缓冷至560℃。
(5)出炉：将缓冷结束的弹簧钢棒材出炉。
采用普通退火工艺，球化率仅50％左右，如图2所示，部分碳化物呈层片状或短棒状分布，硬度在210～230HBW，不能满足使用要求。
对比例2
该对比例中60CrMn钢棒材的成分如表1所示，弹簧钢球化退火方法与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(2)中快速加热速度为60℃/h，具体包括以下步骤：
(1)布料：将热轧后的弹簧钢棒材放置在连续退火炉的传动辊道上，高度按照150mm进行布料，布料完成后按照设定好的辊速2m/h传动进入连续式退火炉中进行球化退火。
(2)快速加热：以60℃/h的加热速度快速加热棒材至两相区温度750℃，并将弹簧钢在此温度保温120min。
(3)快速冷却：将在两相区保温结束的弹簧钢送入连续退火炉的快速冷却区，开启风机将棒材由750℃以25℃/h的冷却速度快速冷却至710℃。
(4)等温球化：将弹簧钢在710℃进行等温球化退火，等温时间300min。
(5)炉内缓冷：将等温球化结束的弹簧钢在炉内缓冷至560℃。
(6)出炉：将缓冷结束的弹簧钢棒材出炉。
按照该对比例设计的连续炉球化退火工艺生产60CrMn，规格为Φ30mm，对该对比例生产的60CrMn的性能进行检测，结果如表4所示。由表4可知，脱碳层深度为0.38mm，显著地大于实施例1中规格为Φ30mm的60CrMn，不能满足使用要求。
对比例3
该对比例中60CrMn钢棒材的成分如表1所示，弹簧钢球化退火方法与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(3)中快速冷却至680℃，具体包括以下步骤：
(1)布料：将热轧后的弹簧钢棒材放置在连续退火炉的传动辊道上，高度按照150mm进行布料，布料完成后按照设定好的辊速2m/h传动进入连续式退火炉中进行球化退火。
(2)快速加热：以150℃/h的加热速度快速加热棒材至两相区温度750℃，并将弹簧钢在此温度保温120min；
(3)快速冷却：将在两相区保温结束的弹簧钢送入连续退火炉的快速冷却区，开启风机将棒材由750℃以25℃/h的冷却速度快速冷却至680℃；
(4)等温球化：将弹簧钢在710℃进行等温球化退火，等温时间300min；
(5)炉内缓冷：将等温球化结束的弹簧钢在炉内缓冷至560℃。
(6)出炉：将缓冷结束的弹簧钢棒材出炉。
按照该对比例设计的连续炉球化退火工艺生产60CrMn，规格为Φ30mm，对该对比例生产的60CrMn的性能进行检测，结果如表4所示。由表4可知，球化率为68％和62％，显著地低于实施例1中规格为Φ30mm的60CrMn，硬度为195和197HBW，显著地高于实施例1中规格为Φ30mm的60CrMn，不能满足使用要求。
对比例4
该对比例中60CrMn钢棒材的成分如表1所示，弹簧钢球化退火方法与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(3)中冷却速度为110℃/h，具体包括以下步骤：
(1)布料：将热轧后的弹簧钢棒材放置在连续退火炉的传动辊道上，高度按照150mm进行布料，布料完成后按照设定好的辊速2m/h传动进入连续式退火炉中进行球化退火。
(2)快速加热：以150℃/h的加热速度快速加热棒材至两相区温度750℃，并将弹簧钢在此温度保温120min。
(3)快速冷却：将在两相区保温结束的弹簧钢送入连续退火炉的快速冷却区，开启风机将棒材由750℃以110℃/h的冷却速度快速冷却至710℃。
(4)等温球化：将弹簧钢在710℃进行等温球化退火，等温时间300min。
(5)炉内缓冷：将等温球化结束的弹簧钢在炉内缓冷至560℃。
(6)出炉：将缓冷结束的弹簧钢棒材出炉。
按照该对比例设计的连续炉球化退火工艺生产60CrMn，规格为Φ30mm，对该对比例生产的60CrMn的性能进行检测，结果如表4所示。由表4可知，球化率为74％和72％，显著地低于实施例1中规格为Φ30mm的60CrMn，硬度为192和194HBW，显著地高于实施例1中规格为Φ30mm的60CrMn，不能满足使用要求。
表4按照对比例2～4设计的连续炉球化退火工艺生产的60CrMn的性能
Figure BDA0003748825020000101
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种弹簧钢球化退火方法，其特征在于，包括以下步骤：
快速加热阶段：将热轧态弹簧钢装入热处理炉，并快速加热至两相区温度；
两相区保温阶段：所述弹簧钢在所述两相区温度进行保温；
第一冷却阶段：将所述弹簧钢快速降温至第一温度；
等温球化：将所述弹簧钢在所述第一温度进行等温球化；
第二冷却阶段：将所述等温球化处理后的弹簧钢随所述热处理炉缓冷至第二温度，然后出炉空冷。
2.如权利要求1所述的弹簧钢球化退火方法，其特征在于，所述弹簧钢的成分以质量百分比计包括：C：0.56～0.64％，Si：0.17～0.37％，Mn：0.7～1.0％，P：≤0.025％，S：≤0.02％，Cr：0.7～1.0％，Ni：≤0.35％，Cu≤0.25％，其余为基体Fe和不可避免的杂质。
3.如权利要求2所述的弹簧钢球化退火方法，其特征在于，
所述快速加热的加热速度为120-160℃/h；
所述两相区温度为740-760℃，所述两相区温度的保温时间为96min～160min。
4.如权利要求2或3所述的弹簧钢球化退火方法，其特征在于，所述热处理炉为连续式退火炉，所述连续式退火炉由加热区、保温区、快冷区、等温区、缓冷区五部分组成；所述第一冷却阶段的冷却速度为20-30℃/h；
所述第一冷却阶段在所述连续式退火炉的快冷区进行，冷却方式为开启风机冷却。
5.如权利要求2或3所述的弹簧钢球化退火方法，其特征在于，所述第一温度为700-720℃，所述等温球化的等温时间为216min～360min。
6.如权利要求2或3所述的弹簧钢球化退火方法，其特征在于，所述第二温度为525-595℃。
7.如权利要求4所述的弹簧钢球化退火方法，其特征在于，所述缓冷为在所述缓冷区随炉冷却。
8.如权利要求6所述的弹簧钢球化退火方法，其特征在于，所述热处理炉内采取氮气气氛保护，进炉布料高度为120mm～180mm，辊道速度为1.5～2.5m/h。
9.一种由权利要求1-8任一项所述的弹簧钢球化退火方法制备的弹簧钢。
10.如权利要求9所述的弹簧钢，其特征在于，所述弹簧钢球化率≥80％，硬度≤190HBW，晶粒度≥6级。
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