CN115976402A - 一种乘用车空心螺旋弹簧用焊拔管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种乘用车用空心螺旋弹簧钢管及其制备方法，实现钢管具备高强塑性、优异的抗弹性减退能力、表面质量优异且无脱碳层的目的。按重量百分比计，乘用车空心螺旋弹簧用焊拔管采用钢的化学成分为：C：0.4～0.5％；Si≤0.5％；Mn:0.5～1.5％；S≤0.005％；P≤0.01％；B：0.0010～0.0035％；N≤0.002％；O≤0.002％；Nb：0.01～0.03％；Ti：0.01～0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明还提供了钢管的制备工艺，包括如下步骤：(1)采用无焊接金属填充的高频电阻焊方法对板材进行焊接，完成荒管焊接；(2)对焊接后的荒管进行焊后热处理；(3)对焊后热处理的荒管进行冷拔前预处理，包括焊缝处抛光、整管润滑；(4)对经过预处理后的焊接钢管进行冷拔；(5)对冷拔后的钢管进行退火处理；(6)对退火处理后的钢管进行矫直、抛光和探伤。利用本发明获得的钢管具有强度高、塑性好、抗弹性减退能力强、脱碳敏感性低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及汽车用钢管及其制备工艺，具体涉及一种中高端乘用车用空心螺旋弹簧钢管及其制备方法。
背景技术
节能环保是世界汽车行业发展的必然方向，而汽车的“轻量化”是实现节能环保的重要措施之一。悬架螺旋弹簧是汽车独立悬架的重要组成部分，是使车架与车桥弹性联系，并承受和传递垂直载荷，缓和及抑制车辆行驶冲击的重要部件，其对车辆的行驶安全性、平稳性、舒适性起着重要作用。目前，汽车悬架用螺旋弹簧均使用钢质棒材卷制的实心弹簧，但从螺旋弹簧的受力分析可知，弹簧截面的心部总是受到较小的应力，表面边缘所承受的应力较大，从心部至表面呈现应力逐渐变大的趋势，也就是说空心螺旋弹簧可以实现实心螺旋弹簧同样的承载能力。这一设计思路为汽车悬架用螺旋弹簧的“轻量化”提供了发展方向。
然而，空心悬架螺旋弹簧也对弹簧钢管提出了新的要求。悬架弹簧是在周期性的弯曲、扭转等交变应力下工作，需要经受拉、压、扭、冲击、疲劳等多种作用，有时还要承受极高的短时冲击载荷。在此服役条件下，螺旋弹簧需要具备：(1)良好的抗疲劳和弹性减退能力；(2)高的弹性极限和高的屈强比；(3)良好的塑性和韧性；(4)良好的表面质量。这就要求弹簧材料需要具备高强度、高塑性、优异的疲劳性能、抗弹性减退能力、而且弹簧的表面质量好、无脱碳。而对于空心螺旋弹簧来说，对上述的性能要求更加严格。目前，仅有日本报道了钢质车用悬架空心螺旋弹簧的相关产品，国内尚未有空心螺旋弹簧应用于乘用车悬架，对于所用于制造弹簧的钢管也未见报道。因此，亟需开发汽车悬架用空心螺旋弹簧钢管，填补国内空白。
发明内容
基于上述对空心螺旋弹簧钢管的需求，本发明的目的在于提供一种乘用车用空心螺旋弹簧钢管及其制备方法，实现钢管具备高强塑性、优异的抗弹性减退能力、表面质量优异且无脱碳层的目标。
本发明的技术方案是：
一种乘用车空心螺旋弹簧用焊拔管，按重量百分比，钢的化学成分为：
C：0.4～0.5％；Si≤0.5％；Mn:0.5～1.5％；S≤0.005％；P≤0.01％；B：0.0010～0.0035％；
N≤0.002％；O≤0.002％；Nb：0.01～0.03％；Ti：0.01～0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述的一种乘用车空心螺旋弹簧用焊拔管提供了其制备工艺，包括如下步骤：
(1)采用无焊接金属填充的高频电阻焊方法对板材进行焊接；
(2)采用步进式热处理炉进行焊后热处理，热处理在氮气保护气氛下完成，温度为900～950℃，保温时间为10～30分钟，结束后进行氮气冷却至室温后出炉。
(3)对焊后热处理的荒管进行冷拔前预处理，包括焊缝处抛光、整管润滑；
(4)对经过预处理后的焊接钢管进行多道次连续冷拔，每道次减径1～3mm；当连续冷拔大于3道次时，进行1次退火处理，退火温度为650～700℃，保温时间为10～20分钟。最后连续2道次间不进行退火处理。
(5)对冷拔后的钢管采用步进式热处理炉进行退火，退火热处理在氮气保护气氛下完成；退火温度为400～450℃，退火时间为30～60分钟；退火后随炉冷却到100～120℃，随后出炉空冷。
(6)对退火处理后的钢管进行矫直、抛光和探伤。
选用上述钢管成分及制备工艺，钢管的微观组织为回火马氏体。
选用上述钢管成分及制备工艺，钢管的屈服强度＞900MPa，抗拉强度＞980MPa，屈强比≥0.92，延伸率＞15％。
选用上述钢管成分及制备工艺，钢管表面无脱碳层。
本发明的设计思想是：
现有汽车悬架弹簧用钢主要采用碳素弹簧钢和少量合金弹簧钢，这些材料中，要么含有Si元素，要么含有较高的合金元素。Si在弹簧钢中虽然能够提高弹性极限，但其促进石墨化，易产生脱碳。对于空心弹簧用钢管来说，低的脱碳敏感性是必要的，脱碳层的产生对疲劳及强度均会产生影响。
基于此，本发明采用不含Si的MnB系弹簧钢。MnB钢具有一系列优点，只要极少量的B就能显著提高淬透性，可以节约大量贵重合金元素，而且可以获得优良的力学性能和冷变形性能。重要的是，B也能提高钢的抗弹减性，因为B以间隙原子形式溶入奥氏体、铁素体时特别容易聚集在位错线附近，阻碍位错运动，抑制变形过程。
此外，本发明采用焊接钢管作为荒管进行冷拔，具有成品管材表面质量好的优点。弹簧钢除了具备较高的强度外，另一重要性能是疲劳性能。而影响疲劳性能的因素，除了弹簧钢冶金质量如夹杂物外，弹簧的表面状态对疲劳性能至关重要。虽然无缝钢管生产效率高，但其整管表面质量控制不佳，在冷拉拔后缺陷进一步增加，会降低疲劳性能，本发明采用焊管作为冷拔的原始管，以提高钢管表面质量。
本发明钢管所用材料中成分设计的关键元素及含量说明如下：
C：碳(C)是决定淬火钢硬度的主要元素，对弹簧钢性能的影响往往超过其它合金元素。为了保证淬火、回火后具有较高的强度和疲劳极限，弹簧钢必须保证一定的含碳量。当前世界各国普遍采用的弹簧钢，含碳量绝大部分在0.45％-0.65％之间。当弹簧钢的碳含量较高时，虽然对强度、硬度、弹性、疲劳性能等有利，但对塑性和韧性不利，综合力学性能不够理想。但对于碳素弹簧钢而言，C含量在0.35％时才能达到满意的硬度，考虑到回火时的硬度降低，因此本发明钢管中C含量控制在0.4～0.5％范围。
B：硼(B)不仅是强烈提高钢淬透性的元素，B还能提高钢的抗弹减性，因为B以间隙原子形式溶入奥氏体、铁素体时特别容易聚集在位错线附近，阻碍位错运动，抑制变形过程。但是，当杂质元素O、N等控制含量较高时，会影响B的收得率，形成硼化物。因此，本发明控制钢中O、N至极低水平是冶炼含B钢的关键。本发明中B的含量控制在0.0010～0.0035％范围内性能最佳。
Mn：锰(Mn)是提高弹簧钢淬透性的另一有效的合金元素，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。锰是一种有利于消除硫的有害作用，又有利于脱氧的元素，但发现当含量小于0.1％时作用很小。为了提高抗弹减性，锰含量必须大于0.5％，以使淬火时弹簧钢能够完全转变为马氏体，但当锰含量超过1.5％时，韧性明显下降。因此本发明钢管中Mn含量控制在0.5～1.5％范围。
本发明的优点及有益效果是：
(1)本发明汽车悬架用弹簧钢管采用MnB钢材质，具有强度高、塑性好、抗弹性减退能力强、脱碳敏感性低、冷加工性能好以及成本低的优点；
(2)本发明解决了国内乘用车悬架空心螺旋弹簧“无管可用”的技术难题，填补国内空白。
附图说明
图1为实施例钢管的组织形貌
图2为实施例钢管的脱碳组织形貌
具体实施方式
为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合实施例，对本发明提出的一种乘用车空心螺旋弹簧用焊拔管及其制备方法给予详细说明。
乘用车空心螺旋弹簧用焊拔管采用的MnB钢化学成分如下：
C：0.44％；Si：0.22％；Mn:1.26％；S：0.004％；P：0.009％；B：0.0022％；N：0.00:16％；O：0.0011％；Nb：0.021％；Ti：0.013％，余量为Fe和不可避免的杂质。
制备工艺如下：
(1)选用壁厚4.5mm的板材进行高频电阻焊接，完成荒管制备；荒管的尺寸为直径32mm，长度6m；
(2)采用步进式热处理炉对整批荒管进行加热保温，热处理在氮气保护气氛下进行，炉内温度设定为920℃，保温时间为15分钟，结束后进行吹氮气冷却，温度将至室温后出炉；
(3)利用抛光机对热处理后的整批荒管焊缝处抛光，随后采用润滑油对钢管内外表面进行润滑；
(4)对钢管进行多道次连续冷拔，第一道次减径3.0mm，第二道次减径2.5mm，第三道次减径1.5mm；随后对钢管进行退火处理，采用步进式热处理炉在氮气气氛下退火，退火温度为665℃，保温时间12分钟，冷却至室温后再进行钢管的连续冷拔。第四道次减径2.6mm，第五道次减径2.2mm，第六道次减径1.6mm，最终形成壁厚3.9mm，外径18.6mm钢管；
(5)采用步进式热处理炉对冷拔后的钢管进行退火处理，退火热处理在氮气保护气氛下进行；退火温度为440℃，退火时间为45分钟；退火后随炉冷却到105℃，随后出炉空冷。
(6)对退火处理后的钢管进行矫直、抛光和探伤。
切取本发明制备的钢管组织试样，研磨抛光腐蚀后观察组织形貌。
切取本发明制备的钢管管样进行力学性能试验。
图1为本发明制备工艺获得的钢管组织为回火马氏体，见附图1。
图2为本发明制备工艺获得的钢管脱碳层组织形貌，可见，无脱碳层出现，见附图2。
表1为本发明制备工艺获得的钢管的力学性能数值，可见，钢管的屈服强度＞900MPa，抗拉强度＞980MPa，屈强比≥0.92，延伸率＞15％。
表1实施例的力学性能及屈强比
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种乘用车空心螺旋弹簧用焊拔管，其特征在于，按重量百分比，材料的化学成分为：
C：0.4～0.5％；Si≤0.5％；Mn:0.5～1.5％；S≤0.005％；P≤0.01％；B：0.0010～0.0035％；
N≤0.002％；O≤0.002％；Nb：0.01～0.03％；Ti：0.01～0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.按照权利要求1所述的一种乘用车空心螺旋弹簧用焊拔管，提供了其制备工艺，特征在于，包括如下步骤：
(1)采用无焊接金属填充的高频电阻焊方法对板材进行焊接，完成荒管焊接；
(2)对焊接后的荒管进行焊后热处理；
(3)对焊后热处理的荒管进行冷拔前预处理，包括焊缝处抛光、整管润滑；
(4)对经过预处理后的焊接钢管进行冷拔；
(5)对冷拔后的钢管进行退火处理；
(6)对退火处理后的钢管进行矫直、抛光和探伤。
3.按照权利要求2所述的一种乘用车空心螺旋弹簧用焊拔管的制备工艺，其特征在于，步骤(2)的焊后热处理工艺为：
采用步进式热处理炉进行加热保温，热处理在氮气保护气氛下完成，温度为900～950℃，保温时间为10～30分钟，结束后进行氮气冷却至室温后出炉。
4.按照权利要求2所述的一种乘用车空心螺旋弹簧用焊拔管的制备工艺，其特征在于，步骤(4)的冷拔工艺为：
多道次连续冷拔，每道次减径1～3mm；当连续冷拔大于3道次时，进行1次退火处理，退火温度为650～700℃，保温时间为10～20分钟。最后连续2道次间不进行退火处理。
5.按照权利要求2所述的一种乘用车空心螺旋弹簧用焊拔管的制备工艺，其特征在于，步骤(5)的退火工艺为：
采用步进式热处理炉进行退火，退火热处理在氮气保护气氛下完成；退火温度为400～450℃，退火时间为30～60分钟；退火后随炉冷却到100～120℃，随后出炉空冷。
6.按照权利要求1-5任一所述乘用车空心螺旋弹簧用焊拔管及其制备工艺，其特征在于，钢管的微观组织为：回火马氏体。
7.按照权利要求1-5任一所述乘用车空心螺旋弹簧用焊拔管及其制备工艺，其特征在于，钢管的屈服强度＞900MPa，抗拉强度＞980MPa，屈强比≥0.92，延伸率＞15％。
8.按照权利要求1-5任一所述乘用车空心螺旋弹簧用焊拔管及其制备工艺，其特征在于，钢管表面无脱碳层。
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