CN115386791B

CN115386791B - 一种微合金化高强度可焊接复合稳定杆扭簧用扁钢及其制造方法

Info

Publication number: CN115386791B
Application number: CN202210825452.8A
Authority: CN
Inventors: 谭亮; 白云; 吴小林; 葛龙桂; 李伟; 马晓东; 张磊; 陈情华; 李正中; 杨延辉; 张马云; 王沵
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2022-07-13
Filing date: 2022-07-13
Publication date: 2023-06-16
Anticipated expiration: 2042-07-13
Also published as: CN115386791A

Abstract

本发明涉及一种微合金化高强度可焊接复合稳定杆扭簧用扁钢，化学成分按质量百分比计为C：0.24～0.30％，Si：0.20～0.50％，Mn：0.70～1.00％，Cr：0.90～1.40％，P：≤0.025％，S：≤0.025％，Mo：0.15～0.35％，Ni：0.05～0.30％，Cu：0.05～0.30％，V：0.02～0.15，Al：≤0.045％，O：≤0.0015％，Ca：≤0.01％，且Ni/Cu趋近于1，余量为Fe及不可避免的杂质元素，在满足以上成分范围前提下，碳当量值应符合0.60～0.70％。扁钢厚度为15‑25mm，宽度为120‑160mm，最终金相组织为铁素体+珠光体，硬度≤240HBW，表面脱碳层≤0.20mm。本发明的扁钢具有优良的淬透性及焊接性，热处理后具有高强度、高韧性，相较于同类产品可提升强度50％以上。

Description

一种微合金化高强度可焊接复合稳定杆扭簧用扁钢及其制造方法

技术领域

本发明属于铁基合金技术领域，尤其涉及一种扁钢及其制造方法。

背景技术

复合稳定杆(也称复合防倾杆)是一种悬挂系统构件，它主要应用在客车和大型、重型的货车牵引车上，为转向过程主要受力部分，起稳定防倾斜作用。此产品适用于空气悬架底盘，整合了稳定杆和两根平行推力杆的功能。汽车前进或倒退时，两根扭(片)簧的作用就是推力杆，而整体侧倾时又能发挥横向稳定杆的作用。它可以降低底盘重量，提高整车操纵的稳定性和平顺性，使底盘空间布置更加宽裕，简化底盘装配工艺。

专利公开号CN104625625A与CN105751849A公开了一种复合型防倾杆，所述的防倾杆包括一根高强度中空扭杆、两片扭簧和两只钢套组成。两份专利文献中所介绍的复合稳定杆中扭簧部分采用的原料钢材牌号为德国标准的25CrMo4，但并未涉及扭(片)簧用扁钢的具体规格及制造方法。

复合稳定杆(也称复合防倾杆)中的扭簧部分，是主要的受力部分，受到三维方向、周期性疲劳应力的作用，对材料的纯净度、组织均匀性和表面质量有着严格的要求，此部件所用的扁钢原料的质量直接影响到产品的使用寿命。经调研，目前此部件需要的原料一般为宽度在120-150mm、厚度18-25mm的宽规格扁钢，采用德国牌号25CrMo4，其热处理后力学性能指标为：抗拉强度700-950MPa、屈服强度≥450MPa、延伸率≥14％、断面收缩率≥55％，其强度指标亟需提升以适应汽车轻量化设计的需要；且由于现行工艺生产的25CrMo4热轧扁钢产品脱碳层深度和表面缺陷深度难以满足此零部件的要求，零部件厂产品报废率高。

发明内容

本发明涉及一种新型复合稳定杆(也称复合防倾杆)中的扭(片)簧用钢及其制造方法。本发明所述的一种微合金化高强度复合稳定杆扭簧用扁钢，其较目前所用的德国牌号25CrMo4，在不明显降低韧性及焊接性的前提下，抗拉强度提升50％以上，屈服强度提升80％以上；并且详述了本产品的工业化制造方法，按照本发明内容生产的产品具有强度高、脱碳层浅、表面质量好的特点，有利于汽车零件的轻量化设计。

本申请的设计思路如下：

根据复合稳定杆的安装工位，片簧是在竖直状态下受力(宽度方向)，与现有的汽车板簧在厚度方向的受力状态明显不同，对扁钢侧边圆弧部分的质量要求更加苛刻。受应力作用的要求，作为原材料的弹簧扁钢必须符合以下要求：高的疲劳强度、弹性强度、屈服强度和韧性，良好的淬透性，表面无会在疲劳应力中扩展的明显缺陷。此外，此材料需要与制作扭杆部分的圆钢进行焊接，因此还需要具有良好的焊接性能。

钢中的非金属夹杂物破坏了金属的连续性和均匀性。根据复合稳定杆的使用条件，在交变应力的作用下，夹杂物(尤其是近表面的夹杂物)易于引起应力集中，成为疲劳裂纹源，降低稳定杆的疲劳寿命。特别是对于硬脆性夹杂物，如不易变形的点状或球状夹杂(D类)以及大颗粒点状或球状夹杂(Ds类)，由于其不具有塑性，在加工和使用过程中难以变形，构成应力集中，使疲劳裂纹萌生期缩短，影响了产品的疲劳性能。为提高最终产品复合稳定杆的使用寿命，钢材的纯净度非常重要，必须尽可能降低钢中非金属夹杂物，特别是不易变形的硬脆性夹杂物的尺寸和数量。

由于片簧产品的表面在使用过程受到的应力最大，如果表面脱碳层过深，会造成抛丸处理后表面压应力不足，在使用过程中容易形成表面微裂纹，导致产品达不到使用寿命要求；如果扁钢表面本身就存在折叠、划伤、压入的氧化铁皮等缺陷，将会直接导致产品的早期断裂。因此需要保证扁钢产品有较低的脱碳和良好的表面质量。

基于复合稳定杆扭簧用钢材的强度、韧性、淬透性和疲劳寿命的要求，以及汽车轻量化设计的考虑，本发明通过对钢材化学成分进行合理设计和生产过程的特殊管理，开发一种新型微合金化复合稳定杆用扁钢，目的是提供一种规格厚度15-25mm、宽度120-160mm的高强度、高韧性、低脱碳、可焊接的扭簧用弹簧扁钢，且满足连铸连轧的低成本制造方式。该产品在德国牌号25CrMo4的基础上进行强度提升，为下一步汽车零部件轻量化设计做储备。

本发明所采用的技术方案为：一种微合金化高强度可焊接复合稳定杆扭簧用扁钢，通过成分控制来达到目标要求的力学性能。化学成分按质量百分比计为C：0.24～0.30％，Si：0.20～0.50％，Mn：0.70～1.00％，Cr：0.90～1.40％，P：≤0.025％，S：≤0.025％，Mo：0.15～0.35％，Ni：0.05～0.30％，Cu：0.05～0.30％，V：0.02～0.15，Al：≤0.045％，O：≤0.0015％，Ca：≤0.01％，且Ni/Cu≈1，余量为Fe及不可避免的杂质元素。在满足以上成分范围前提下，为使材料达到设计的力学性能及满足焊接性能要求，本发明控制碳当量值应符合0.60～0.70％，碳当量计算式为CEV(＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15)。

本发明的微合金化高强度可焊接复合稳定杆扭簧用扁钢的所含组分的作用及用量选择依据如下：

碳：C是钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化可明显提高钢的强度，但C过高会对钢的韧性及延性能带来不利影响。本发明C含量的范围确定为0.24～0.30％，本发明涉及钢材属于低碳钢范畴。

硅：钢中加入Si，可以强化铁素体，提高强度、弹性极限和淬透性，但是Si使钢中的过热敏感性、裂纹和脱碳倾向增大。本发明Si含量的范围确定为0.20-0.50％。

锰：Mn作为炼钢过程的脱氧元素，能提高钢的淬透性，Mn还能固定钢中的硫的形态并形成对钢的性能危害较小的MnS和(Fe，Mn)S，减少或抑制FeS的生产，因此钢中含有少量锰，能提高钢的纯净度和性能。本发明Mn含量的范围确定为0.70-1.00％。

铬：Cr是碳化物形成元素，能够提高钢的淬透性。钢中的Cr一部分置换铁形成合金渗碳体，提高钢材的回火稳定性；一部分溶入铁素体中，产生固溶强化，提高铁素体的强度和硬度。此外，Cr还能减小钢的过热倾向和表面脱碳速度。钢中加铬还能提高钢的抗弹减性和强度，减少钢的点蚀倾向和缺陷敏感性。本发明Cr含量的范围确定为0.90-1.40％。

铜：Cu可提高钢材的淬透性和耐大气腐蚀性能，降低钢的氢致裂纹敏感性。但过高的Cu含量不利于钢板的焊接性能，而且也易产生铜脆现象，恶化钢材的表面性能。本发明控制Cu含量为0.05～0.30％。

镍：Ni能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性，含Ni钢一般不易过热，所以它可阻止高温时晶粒的增长，仍可保持细晶粒组织。同时Cr、Ni配合添加的钢其焊接性能和低温性能也不错；且按照1:1比例添加Ni，可使晶间产生CuNi化合物，熔点较高，防止铜脆裂纹现象产生。但由于Ni是较稀缺的资源，故本项目钢种将Ni含量的范围确定为0.05～0.30％。

钒：是细化晶粒的元素，也是使V(C，N)弥散析出而显著提高钢的硬度和强度的元素。但若添加量过高，则将降低材料的韧性和焊接性能，本发明控制其含量在0.03～0.06％。

铝：Al作为钢中脱氧元素加入，除为了降低钢水中的溶解氧之外，Al与N形成弥散细小的氮化铝夹杂可以细化晶粒，但Al含量大，钢水熔炼过程中易形成Al₂O₃等脆性夹杂，降低钢水纯净度。本发明Al含量的范围确定为≤0.045％。

钙：Ca含量会增加钢中大尺寸点状氧化物的数量和尺寸，同时由于点状氧化物硬度高，塑性差，在钢变形时其不变形，容易在交界面处形成空隙，使钢的性能变差。本发明Ca含量的范围确定为≤0.01％。

氧：大量试验表明，氧含量的降低对提高弹性元件的疲劳寿命显著有利。本发明O含量的范围确定为≤0.0015％。

磷、硫：P在钢中严重引起凝固时的偏析，P溶于铁素体使晶粒扭曲、粗大，且增加冷脆性。本发明P含量的范围确定为≤0.025％。S使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，同时为了控制钢中硫化物夹杂的产生，本发明S含量的范围确定为≤0.025％。

碳当量CEV(＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15)：碳当量是评价钢材淬透性能的一个重要指标，碳当量降低，加之微合金元素的细晶作用，可以有效减少焊接造成的晶粒粗大，大大有利于焊接性能。CEV低有利于钢材的焊接性能但不利于在淬火时形成高强度的马氏体组织，CEV高有利于马氏体组织的形成，提升钢棒的淬透性。为使本发明钢材在中低碳设计前提下，保证钢材优越的淬透性，同时协调各合金元素的加入量，本发明控制CEV为0.60～0.75％。

如上所述的微合金化高强度可焊接复合稳定杆扭簧用扁钢通过连铸连轧来制造是这样实现的：

按所述钢材的化学组成配制冶炼原料，依次经KR铁水预处理、转炉或电炉冶炼、LF精炼、RH或VD真空脱气和连铸，生产出高纯净度钢水和断面面积≥5.6×10⁴mm²的具有低中心偏析和疏松、无裂纹且纯净度高的连铸坯(中心偏析：等于或优于1.0级，中心疏松：等于或优于1.0级，无中心裂纹、角裂纹和三角区裂纹；夹杂物：A、B、D类粗、细系≤1.5，C类粗、细系≤0.5)。经RH或VD真空处理之后钢水中的H含量≤0.0001％。

连铸完成后对连铸坯进行剥皮+抛丸处理，剥皮深度须≥2mm，以去除连铸坯表面的氧化层，同时通过抛丸去除剥皮后铸坯四周特别是角部的残留飞边。

将经过上述处理的连铸坯加热至1180～1250℃，保温≥3小时，同时最长高温段保温时间应≤1.3min*坯料规格最小边长(或直径)，以使钢中的合金元素充分固溶，发挥其强韧化作用，保证最终产品的成分及性能，同时防止轧材表面脱碳严重。保温完成后，进行高压水除鳞处理，然后进行轧制，开轧温度1050-1150℃，终轧温度920±30℃，轧至目标尺寸。轧制过程中粗轧应采用大压下量，使变形渗透到轧件心部，前两道粗轧道次的压下量应≥50％，次两道道次的压下量应≥30％。轧制坯到材总压缩比应≥16，以保证轧材的致密度与综合力学性能。

轧制后在冷床保温罩下待温缓冷，轧材温度≤400℃出罩切断。

优选地，钢水冶炼、浇铸工艺为：首先经转炉冶炼，然后LF精炼，LF精炼过程中要加强脱氧，保持脱氧良好的炉渣时间大于15分钟且有好的流动性；精炼结束后钢包转入RH炉进行高真空脱气处理，在1.33mbar以下的高真空状态下保持15分钟以上；RH炉破空后调整合金含量，先喂铝线，全部合金加完后再进行钢包软吹氩10分钟以上以保证脱气效果及夹杂物能充分上浮；采用连铸工艺浇铸钢坯，连铸时钢水的目标过热度控制在20～35℃，连铸全程对钢水防氧化保护，连铸采用M-EMS和F-EMS搅拌措施。

本发明针对商用车复合稳定杆扭簧对高强度高韧性易焊接宽扁钢的需求，使用微合金化设计的化学成分、高的钢水纯净度、优化的连铸工艺生产的高质量(低的中心偏析和疏松、无裂纹)、高纯净度的连铸方坯直接作为坯料，采取控制轧制+控制冷却的方法制造出满足这一要求的扁钢。扁钢厚度为15-25mm，宽度为120-160mm最终金相组织为铁素体+珠光体，硬度≤240HBW，表面脱碳层≤0.20mm。

与现有技术相比，本发明的主要优点在于：

本发明制造的扁钢具有优良的淬透性及焊接性，热处理后高强度、高韧性的特点。按照本发明所述方法制造的扁钢，相较于同类产品，可提升强度50％以上，从而可提升复合稳定杆扭簧的设计应力，有利于零件的轻量化设计，具有很好的应用前景。

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。

本发明各实施例中复合稳定杆扭簧用扁钢和(作为对比的)目前市场上所用的国内25CrMo4及国外的25CrMo4材料的化学成分(wt％)见表1、表2。

表1

表2

	实施例	Al	V	Ni	Cu	Ca	O
								本发明	1	0.027	0.04	0.06	0.06	0.0019	0.0011
本发明	2	0.032	0.05	0.10	0.09	0.0018	0.0010
								本发明	3	0.031	0.07	0.10	0.12	0.0015	0.0011
国内25CrMo4	4	0.030	0.005	0.02	0.02	0.0028	0.0015
								国外25CrMo4	5	0.024	0.004	0.04	0.04	0.0039	0.0017

本发明各实施例的复合稳定用扁钢的制造流程与生产工艺如下：铁水+废钢→BOF炉初炼→LF炉精炼→RH炉真空脱气→CCM方坯连铸→缓冷→连铸坯剥皮→连铸坯抛丸清理→加热轧制→控制冷却→剪切/锯切→打包堆冷→成品检验→包装。

进一步讲，上述炼钢、连铸流程工艺为：首先经转炉冶炼，然后LF精炼，LF精炼过程中要加强脱氧，保持脱氧良好的炉渣时间大于15分钟且有好的流动性。精炼结束后钢包转入RH炉进行高真空脱气处理，在高真空压力下(1.33mbar)保持时间15分钟以上。RH破空后必须先喂铝线等进行调整。全部合金加完后再进行钢包软吹氩10分钟以上以保证脱气效果及夹杂物能充分上浮。连铸时钢水的目标过热度控制在20～35℃，且尽可能缩短铸坯在高温区的停留时间。连铸全程防氧化保护，来减少钢中的夹杂物数量，配备合适的拉速及二冷段冷却强度，同时连铸采用M-EMS和F-EMS双联措施，有效地改善和降低连铸坯的成分偏析。制得的尺寸为240mm×240mm的矩形连铸坯。连铸坯(中心偏析、锭型偏析：0.5级，中心疏松：0.5级，无中心裂纹、角裂纹和三角区裂纹，夹杂物：A、B类粗系≤1.0，C类、D类粗系≤0.5级；A、B类细系≤1.5级，C、D类细系、Ds类≤1.0)进行剥皮+抛丸处理，表面剥皮清理深度≥2mm/边，抛丸以去除剥皮残留边角毛刺为重点要素。

铸坯加热、轧制阶段的具体工艺为：将连铸坯在中性气氛的加热炉内加热至1200℃-1250℃保温3小时，总在炉时间4-4.5小时，出炉后经高压水除鳞处理后直接进入18架连轧机组进行轧制，开轧温度1080℃-1110℃，终轧温度920℃-940℃。轧至扁钢规格22*150mm，轧钢通过合理设计轧制变形工艺，粗轧采用菱方孔型系列，中精轧平立轧机交替布置，轧制过程中粗轧采用大压下量，前两道粗轧压下量应50-60％，次两道的压下量30-40％，轧制坯到材总压缩比17.5。轧制后在冷床保温罩下待温缓冷，轧材温度≤400℃出罩切断，打包收集。

各实施例钢材的相关检验项目对比见表3

表3

表4

实施例1-3及对比例1-2中的力学性能取样均按照ISO 377标准的要求在轧制成品圆钢上取力学性能试样，按照ISO 6892标准的要求使用

热处理毛坯制成的试样，测定钢材的纵向力学性能。其中实施例1-3的热处理制度为：淬火温度910±10℃油冷，回火430±30℃水冷；对比例1-2的热处理制度为：淬火温度860±10℃油冷，回火600±30℃水冷，此为对比例钢牌号基于EN 10083-3标准指导下的一般用户实际生产所采用的热处理工艺。

由表3和表4可知，本发明以上各实施例中的复合稳定杆用扁钢与现有同类材料相比，在通过特殊微合金化设计与采用专用热处理工艺后，强度得到明显提高，塑性和韧性相当；最终扁钢表面脱碳层的深度也明显低于现有25CrMo4同类产品，对零件疲劳寿命有利。

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

1.一种微合金化高强度可焊接复合稳定杆扭簧用扁钢，其特征在于：化学成分按质量百分比计为C：0.24～0.30%，Si：0.20～0.50%，Mn：0.70～1.00%， Cr：0.90～1.40%，P：≤0.025%，S：≤0.025%，Mo：0.15～0.35%，Ni：0.05～0.30%，Cu：0.05～0.30%，V：0.02～0.15，Al：≤0.045%，O：≤0.0015%，Ca：≤0.01%，且Ni/Cu趋近于1，余量为Fe及不可避免的杂质元素，在满足以上成分范围前提下，碳当量值应符合0.60～0.70% ，碳当量CEV的计算式为 C+ Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Cu + Ni)/15；

按钢材的化学元素成分配制冶炼原料，并冶炼成钢水，浇铸前钢水中的H≤0.0001%，钢水浇铸成断面面积≥5.6×10⁴mm²的铸坯，铸坯满足中心偏析：等于或优于1.0级，中心疏松：等于或优于1.0级，无中心裂纹、角裂纹和三角区裂纹；夹杂物：A、B、D类粗、细系 ≤ 1.5， C类粗、细系 ≤0.5；

连铸完成后对连铸坯进行剥皮+抛丸处理，剥皮深度≥2mm以去除铸坯表面的氧化层，通过抛丸去除剥皮后铸坯四周特别是角部的残留飞边；

将经过上述处理的铸坯加热至1180～1250℃进行保温，保温时间≥3小时，并且控制最长高温段保温时间应≤1.3min*坯料规格最小边长或直径；保温完成后进行除鳞处理，然后轧制，设置开轧温度1050-1150℃，终轧温度920±30℃，轧至目标尺寸，轧制过程中粗轧应采用大压下量，使变形渗透到轧件心部，前两道次粗轧道次的压下量应≥50%，次两道道次的压下量应≥30%，制坯到材总压缩比≥16；轧制后在冷床保温罩下待温缓冷，轧材温度≤400℃出罩切断。

2.根据权利要求1所述的微合金化高强度可焊接复合稳定杆扭簧用扁钢，其特征在于：扁钢厚度为15-25mm，宽度为120-160mm，最终金相组织为铁素体+珠光体，硬度≤240HBW，表面脱碳层≤0.20mm。

3.一种制造权利要求1所述微合金化高强度可焊接复合稳定杆扭簧用扁钢的方法，其特征在于：

4. 根据权利要求3所述的微合金化高强度可焊接复合稳定杆扭簧用扁钢的方法，其特征在于：钢水冶炼、浇铸工艺为：首先经转炉冶炼，然后LF 精炼，LF精炼过程中要加强脱氧，保持脱氧良好的炉渣时间大于15分钟且有好的流动性；精炼结束后钢包转入RH炉进行高真空脱气处理，在1.33mbar以下的高真空状态下保持15分钟以上；RH炉破空后调整合金含量，先喂铝线，全部合金加完后再进行钢包软吹氩10分钟以上以保证脱气效果及夹杂物能充分上浮；

采用连铸工艺浇铸钢坯，连铸时钢水的目标过热度控制在20～35℃，连铸全程对钢水防氧化保护，连铸采用M-EMS和F-EMS搅拌措施。