CN116888297A - 超高强度弹簧用线材、钢丝及其制造方法 - Google Patents

超高强度弹簧用线材、钢丝及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本说明书中公开了：可以应用于摩托车悬架弹簧的超高强度弹簧用线材、钢丝、及其制造方法。根据所公开的超高强度弹簧用线材的一个实施方案，所述线材按重量％计包含0.5％至0.7％的C、0.4％至0.9％的Si、0.3％至0.8％的Mn、0.2％至0.6％的Cr、0.015％或更少的P、0.010％或更少的S、0.01％或更少的Al、0.01％或更少的N、0.005％或更少的O、以及余量中的Fe和不可避免的杂质，其中在垂直于纵向方向的截面的中心的1mm2面积中，满足按重量％计C>0.8％、Si>0.9％、Cr>0.8％和Mn>0.8％中的至少一者的面积的比例可以为5％或更小。

Description

超高强度弹簧用线材、钢丝及其制造方法
技术领域
本公开内容涉及超高强度弹簧用线材和钢丝、及其制造方法。更特别地，本公开内容涉及可以应用于摩托车悬架弹簧的超高强度弹簧用线材和钢丝、及其制造方法。
背景技术
与汽车材料市场类似，摩托车市场也在不断进行减重或结构改造。如今，随着用于现有摩托车的双型悬架正在被单型悬架取代，对高强度弹簧钢的需求正在增长。
用于摩托车悬架的现有弹簧钢是缺乏足够的强度和抗疲劳抗性而无法用于单型悬架的硬钢丝。因此，已经考虑使用用于汽车的具有回火马氏体(tempered martensite，TM)组织的钢，但是其难以应用于摩托车悬架弹簧，因为汽车悬架弹簧具有严格的管理标准，给制造带来困难并且昂贵。
为了解决该问题，存在降低合金含量并且降低回火温度的方法。然而，在降低的合金含量和降低的回火温度的情况下，难以确保在高强度下的延性，从而导致可加工性不足的问题。为了解决该问题，需要偏析控制用于确保即使在低回火温度下延性也足够。
此外，随着感应热处理(IT热处理)技术的最新发展，即使在使用水冷却的情况下也可以确保足够的淬透性，并且降低钢中包含的合金元素的含量同时可以获得期望的强度。然而，通过IT热处理制造的弹簧钢根据偏析程度而具有非常严重的材料偏差。尤其是，钢的强度越高，由于偏析而引起的材料偏差往往越严重。因此，当应用IT热处理时，需要控制偏析以确保高强度并且需要稳定的断面收缩率(reduction ratio of cross-section)。
(专利文献1)韩国专利公开第1995-0018545号(于1995年7月22日公开)
发明内容
技术问题
为了解决上述问题，本公开内容提供了在感应热处理之后能够确保高强度以及由于材料偏差小而能够确保高断面收缩率的高品质超高强度弹簧用线材和钢丝、及其制造方法。
技术方案
根据本公开内容的一个实施方案，超高强度弹簧用线材以重量百分比(重量％)计包含0.5％至0.7％的C、0.4％至0.9％的Si、0.3％至0.8％的Mn、0.2％至0.6％的Cr、0.015％或更少的P、0.010％或更少的S、0.01％或更少的Al、0.01％或更少的N、0.005％或更少的O，以及剩余部分具有Fe和不可避免的杂质，其中在垂直于纵向方向的截面的中心的1mm2面积中，满足以重量％计C>0.8％、Si>0.9％、Cr>0.8％和Mn>0.8％中的一者或更多者的面积的比率为5％或更小。
超高强度弹簧用线材可以包括厚度为1μm或更小的表面铁素体脱碳层。
根据本公开内容的一个实施方案，制造超高强度弹簧用线材的方法包括通过对钢水进行连铸来制备大方坯(bloom)，所述钢水以重量％计包含0.5％至0.7％的C、0.4％至0.9％的Si、0.3％至0.8％的Mn、0.2％至0.6％的Cr、0.015％或更少的P、0.010％或更少的S、0.01％或更少的Al、0.01％或更少的N、0.005％或更少的O，以及剩余部分具有Fe和不可避免的杂质；以及将大方坯轧制成小方坯(billet)，然后轧制成线材，其中在连铸期间，连铸以0.48m/分钟至0.54m/分钟的拉坯速度进行并且包括总压下量为15mm至35mm的轻压下。
可以进行轻压下，使得每个轧辊轧制4mm或更小以及当凝固分数为0.6或更大时累计压下率为60％或更大。
根据本公开内容的一个实施方案，超高强度弹簧用钢丝，所述钢丝以重量百分比(重量％)计包含：0.5％至0.7％的C、0.4％至0.9％的Si、0.3％至0.8％的Mn、0.2％至0.6％的Cr、0.015％或更少的P、0.010％或更少的S、0.01％或更少的Al、0.01％或更少的N、0.005％或更少的O，以及剩余部分具有Fe和不可避免的杂质，并且就面积分数而言，包含90％或更多的回火马氏体，其中在垂直于纵向方向的截面的中心的1mm2面积中，满足以重量％计C>0.8％、Si>0.9％、Cr>0.8％和Mn>0.8％中的一者或更多者的面积的比率为5％或更小。
除了距顶表面的深度为0.5mm或更小的区域之外，超高强度弹簧用钢丝在垂直于纵向方向的截面中的硬度变化可以为25Hv或更小。
超高强度弹簧用钢丝可以具有1750MPa至2200MPa的抗拉强度和40％或更大的断面收缩率。
根据本公开内容的一个实施方案，制造超高强度弹簧用钢丝的方法包括将线材拉拔成钢丝，所述线材以重量％计包含0.5％至0.7％的C、0.4％至0.9％的Si、0.3％至0.8％的Mn、0.2％至0.6％的Cr、0.015％或更少的P、0.010％或更少的S、0.01％或更少的Al、0.01％或更少的N、0.005％或更少的O，以及剩余部分为Fe和不可避免的杂质，并且在垂直于纵向方向的截面的中心的1mm2面积中，满足以重量％计C>0.8％、Si>0.9％、Cr>0.8％和Mn>0.8％中的一者或更多者的面积的比率为5％或更小；在10秒内将钢丝加热到900℃至1000℃；在高压下对钢丝进行水冷却；在10内将钢丝加热到400℃至500℃并进行回火；以及对钢丝进行水冷却。
有益效果
本公开内容可以提供超高强度弹簧用线材和钢丝、及其制造方法，其即使在比传统弹簧钢丝更低的合金含量的情况下也可以确保高强度，并且可以由于减少的中心偏析确保优异的断面收缩率，并因此也可以适用于需要低弹簧指数的产品。
本公开内容可以提供在感应(IT)热处理之后能够确保高强度以及由于材料偏差小而能够确保高断面收缩率的高品质超高强度弹簧用线材和钢丝、及其制造方法。
具体实施方式
根据本公开内容的一个实施方案，超高强度弹簧用线材以重量百分比(重量％)计包含0.5％至0.7％的C、0.4％至0.9％的Si、0.3％至0.8％的Mn、0.2％至0.6％的Cr、0.015％或更少的P、0.010％或更少的S、0.01％或更少的Al、0.01％或更少的N、0.005％或更少的O，以及剩余部分具有Fe和不可避免的杂质，其中在垂直于纵向方向的截面的中心的1mm2面积中，满足以重量％计C>0.8％、Si>0.9％、Cr>0.8％和Mn>0.8％中的一者或更多者的面积的比率为5％或更小。
发明实施方式
现在将描述本公开内容的实施方案。然而，本公开内容的实施方案可以被修改成许多不同的形式，并且不应被解释为限于本文所阐述的实施方案。提供本公开内容的实施方案是为了向本领域普通技术人员充分传达本公开内容中提供的的构思、本发明的范围。
如本文所使用的术语仅用于举例说明。例如，除非上下文另有明确规定，否则单数表述包括复数表述。还将理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、要素和/或组分，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、要素、组分、和/或其组。
除非另有定义，否则本文中使用的所有术语具有与本公开内容所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。此外，除非另有明确定义，否则特定术语不应被解释为具有过于理想或形式化的含义。应理解，除非上下文另有明确规定，否则单数表述包括复数表述。
在整个说明书中，词语“约”、“基本上”等用于表示与该词语一起使用的数值属于该数值附近的范围，以防止不道德的侵权者不适当地利用其中提及绝对数值的描述。
本公开内容提供了超高强度弹簧用线材和钢丝、及其制造方法，其可以通过优化促进偏析的元素的含量和连铸期间的高的压下量以在感应(IT)热处理之后确保高强度以及由于材料偏差小而确保优异断面收缩率。
在本公开内容的一个实例中，超高强度弹簧用线材以重量百分比(重量％)计包含0.5％至0.7％的C、0.4％至0.9％的Si、0.3％至0.8％的Mn、0.2％至0.6％的Cr、0.015％或更少的P、0.010％或更少的S、0.01％或更少的Al、0.01％或更少的N、0.005％或更少的O，以及剩余部分具有Fe和不可避免的杂质。
现在将详细描述限制超高强度弹簧用线材的合金组成的原因。限制超高强度弹簧用钢丝的合金组成的原因与限制线材的合金组成的原因相同，因此为了方便起见将省略其描述。
C的含量为0.5重量％至0.7重量％。
C是为了确保产品的强度而添加的元素。当C的含量小于0.5重量％时，可能无法确保期望的强度和Ceq。在这种情况下，因为当钢被冷却时马氏体组织没有完全形成，可能难以确保强度，并且即使在形成完整的马氏体组织时，也可能难以确保期望的强度。当C的含量超过0.7重量％时，冲击特性可能降低，并且可能在水冷却期间出现淬火裂纹。
Si的含量为0.4重量％至0.9重量％。
Si是用于使钢脱氧的元素，并且是通过固溶强化对确保强度有利的元素。在本公开内容中，硅可以以0.4重量％或更大的量添加以确保强度。然而，当过度地添加Si时，其可能在中心偏析，从而导致中心与表面之间的硬度差异、表面脱碳以及加工材料困难。考虑到这一点，在本公开内容中，可以将Si含量的上限限制为0.9重量％。
Mn的含量为0.3重量％至0.8重量％。
Mn是淬透性增强元素，并且是用于形成高强度回火马氏体组织钢的必要元素之一。在本公开内容中，锰可以以0.3重量％或更大的量添加以确保强度。然而，当过度地添加Mn时，其可能在中心偏析，从而导致中心与表面之间的硬度差异，并且可能降低回火马氏体钢的韧性。考虑到这一点，在本公开内容中，可以将Mn含量的上限限制为0.8重量％。
Cr的含量为0.2重量％至0.6重量％。
Cr与Mn一起在增强淬透性方面有效，并且增强回火马氏体钢的强度。为此，在本公开内容中，Cr可以以0.2重量％或更大的量添加。然而，与Si和Mn类似，Cr是偏析促进元素，当过度地添加时，其可能带来由于中心偏析而导致硬度偏差的风险。考虑到这一点，在本公开内容中，可以将Cr含量的上限限制为0.6重量％。
P的含量为0.015重量％或更少。
由于P是在晶界处偏析而降低韧性和抗氢致延迟开裂性的元素，因此期望尽可能将其从钢中排除。在本公开内容中，可以将该上限限制为0.015重量％。
S的含量为0.010重量％或更少。
与P类似，S在晶界处偏析而降低韧性，形成MnS而降低抗氢致延迟开裂性，因此期望尽可能将其从钢中排除。在本公开内容中，可以将该上限限制为0.010重量％。
Al的含量为0.01重量％或更少。
Al是强脱氧元素，其可以通过从钢中去除氧来提高洁净度。另一方面，当添加Al时，其形成Al2O3夹杂物并且降低抗疲劳性。因此，在本公开内容中，可以将该上限限制为0.01重量％。
N的含量为0.01重量％或更少。
N与钢中的Al或V结合，导致形成在热处理期间不溶解的粗AlN或VN析出物的问题。因此，在本公开内容中，可以将该上限限制为0.01重量％。
O的含量为0.005重量％或更少。
O可以与Al结合而形成粗夹杂物。因此，在本公开内容中，可以将该上限限制为0.005重量％。
在本公开内容中，剩余组分为铁(Fe)。因为在正常制造过程中，可能不可避免地从原材料或周围环境中混入非预期的杂质，因此可能无法排除这种情况。这些杂质可以对于普通制造过程中的任何技术人员而言是已知的，因此在本说明书中没有具体提及所有这些杂质。
在本公开内容中，控制线材的中心偏析以在IT热处理之后在高强度下确保优异的断面收缩率。例如，超高强度弹簧用线材在垂直于纵向方向的截面的中心的1mm2面积中，满足以重量％计C>0.8％、Si>0.9％、Cr>0.8％和Mn>0.8％中的一者或更多者的面积的比率可以为5％或更小。
当该面积比率超过5％时，可能在IT热处理之后在垂直于纵向方向的截面中出现硬度偏差，这可能导致材料偏差，从而无法在目标强度下确保足够的断面收缩率。
此外，根据本公开内容，可以通过低Si合金组成抑制表面脱碳。例如，线材的表面铁素体脱碳层的厚度可以为1μm或更小。当表面铁素体脱碳层的厚度超过1μm时，可能需要进行诸如渗碳处理的另外的过程以确保高强度。
现在将详细描述根据本公开内容的制造超高强度弹簧用线材的方法。在本公开内容的一个实例中，超高强度弹簧用线材通过以下来制造：对具有上述合金组成的钢水进行连铸来制备大方坯，并将大方坯轧制成小方坯，然后轧制成线材。现在将描述各个制造步骤。
在本公开内容中，控制上述合金组成以及连铸步骤以使线材的中心偏析最小化。根据一个实例，在连铸期间，连铸可以以0.48m/分钟至0.54m/分钟的拉坯速度进行，并且可以经历总压下量为15mm至35mm的轻压下。适当地调节冷却水的量，使得凝固可以完成到轻压下完成的程度。
当拉坯速度太慢时，凝固在轻压下之前完成，并且液相与固相的比率太低，因此难以确保通过轻压下消除偏析的效果。另一方面，当拉坯速度太快时，液相与固相的比率太高，从而导致由于凝固收缩而引起的不期望的偏析形成。考虑到这一点，在本公开内容的一个实例中，将拉坯速度控制为0.48m/分钟至0.54m/分钟。
当在轻压下期间总压下量太小时，难以通过轻压下确保偏析消除效果。另一方面，当其太大时，效果饱和，并且对铸造设备造成负担。考虑到这一点，在本公开内容的一个实例中，将轻压下的总压下量控制为15mm至35mm。
在本公开内容的一个实施例中，可以进行轻压下，使得每个轧辊可以轧制4mm或更小以及当凝固分数为0.6或更大时累计压下量为60％或更大。凝固分数是指已经变成固相的钢水的重量与全部钢水的重量的比率。
可以将上述工序中制备的大方坯轧制成小方坯，然后轧制成线材。
现在将详细描述根据本公开内容的制造超高强度弹簧用钢丝的方法。根据本公开内容，超高强度弹簧用钢丝通过对满足上述合金组成的线材进行线材拉拔、加热、在高压下水冷却、回火和水冷却来制造，所述线材在垂直于纵向方向的截面中心的1mm2面积中，满足以重量％计C>0.8％、Si>0.9％、Cr>0.8％和Mn>0.8％中的一者或更多者的面积的比率为5％或更小。现在将描述各个制造步骤。
在本公开内容的线材拉拔步骤中，可以将线材拉拔成直径为16mm或更小的线材，并制造成钢丝以应用于摩托车悬架弹簧。
随后，在本公开内容的用于经拉拔的钢丝的QT热处理的加热步骤中，可以在10秒内将经拉拔的钢丝加热到900℃至1000℃的淬火温度，然后保持5秒至60秒以将钢丝的组织热处理成奥氏体。当加热到900℃至1000℃的目标温度的时间超过10秒时，晶粒生长，并且使得难以确保期望的物理特性。当保持时间小于5秒时，珠光体组织可能无法转变成奥氏体，而当保持时间超过60秒时，晶粒可能粗化。
在本公开内容中，在高压下水冷却的步骤是将钢丝的主要组织从奥氏体转变成马氏体的步骤，并且水冷却在高至去除前一步骤中奥氏体化钢丝的沸腾膜的压力下进行。在这种情况下，当以油冷却而不是水冷却的方式进行冷却时，由于低Ceq而可能无法确保期望的强度。此外，当在水冷却中压力没有高至足以去除沸腾膜时，在淬火期间淬火开裂的可能性增加，因此水冷却优选以在尽可能高的压力下通过从所有方向喷洒水的高压水冷却的方式进行。
在本公开内容中，回火步骤是将马氏体(其为经水冷却的钢丝的主要组织)加热并回火成回火马氏体的步骤。回火步骤可以在10秒内加热到400℃至500℃，然后在30秒内保持。当回火温度低于400℃时，不能确保韧性，从而导致加工困难并且增加产品断裂的风险，而当该温度超过500℃时，强度降低，因此将回火温度限制为以上温度范围。此外，当不将其在10秒内加热到以上温度范围进行回火时，形成粗碳化物，并且韧性可能劣化，因此期望在10秒内快速加热。
在本公开内容中，就加热而言，用于加热到淬火温度的手段和用于回火的手段使用IT热处理以通过快速加热在随后的水冷却期间使表面充分硬化。
此后，将经回火的钢丝水冷却至室温以制造超高强度弹簧用钢丝。
在本公开内容的一个实例中，超高强度弹簧用钢丝以重量％计包含0.5％至0.7％的C、0.4％至0.9％的Si、0.3％至0.8％的Mn、0.2％至0.6％的Cr、0.015％或更少的P、0.010％或更少的S、0.01％或更少的Al、0.01％或更少的N、0.005％或更少的O，以及剩余部分包含Fe和不可避免的杂质，并且就面积分数而言，包含90％或更多的回火马氏体，其中在垂直于纵向方向的截面的中心的1mm2面积中，满足以重量％计C>0.8％、Si>0.9％、Cr>0.8％和Mn>0.8％中的一者或更多者的面积的比率可以为5％或更小。
此外，在本公开内容的一个实例中，超高强度弹簧用钢丝在垂直于纵向方向的截面中在除了距最外表面的深度为0.5mm或更小的区域之外的区域中的硬度偏差可以为25Hv或更小。当硬度偏差超过25Hv时，可能无法确保足够的断面收缩率。
此外，在本公开内容的一个实例中，超高强度弹簧用钢丝可以具有1750MPa至2200MPa的抗拉强度和40％或更大的断面收缩率。
现在将在本公开内容的以下实施方案中更详细地描述本公开内容。然而，以下实施方案是更详细地描述本公开内容的说明性实例，并且不应被解释为限制本公开内容的范围。本公开内容的范围由权利要求书及其等同方案限定。
{实施例}
以表2的拉坯速度和总轻压下量将具有下表1的合金组成的钢水铸造成大方坯，然后通过小方坯轧制和线材轧制制造成直径为9mm的线材。
表2中的偏析面积通过使用电子探针显微分析仪(electron probe microanalyzer，EPMA)在垂直于所制造的线材的纵向方向的截面的1mm2中心面积中进行分析而得到。表2中的'C偏析面积'是指在垂直于纵向方向的截面的1mm2中心面积中满足C>0.8重量％的面积的比率。'Si偏析面积'是指在垂直于纵向方向的截面的1mm2中心面积中满足Si>0.9重量％的面积的比率。'Cr偏析面积'是指在垂直于纵向方向的截面的1mm2中心面积中满足Cr>0.8重量％的面积的比率。'Mn偏析面积'是指在垂直于纵向方向的截面的1mm2中心面积中满足Mn>0.8重量％的面积的比率。
[表1]
[表2]
此后，将表1中的线材制造成直径为8mm的钢丝，并在下表3中所示的条件下进行热处理。依次进行奥氏体化热处理-高压水冷却-回火-水冷却。硬度偏差是指在垂直于纵向方向的截面中在除了距最外表面的深度为0.5mm或更小的区域之外的区域中在10个或更多个点处测量硬度时的偏差。
[表3]
参照表1、2和3，满足本公开内容的合金组成和制造条件的发明例1和2在热处理之后在垂直于纵向方向的截面中在除了距最外表面的深度为0.5mm或更小的区域之外的区域中满足25Hv或更小的硬度偏差、1750MPa至2200MPa的抗拉强度、以及40％或更大的断面收缩率。另一方面，在比较例1中，Si和Mn含量高，由于Si和Mn在中心偏析而导致硬度偏差，因此断面收缩率为40％或更小。
比较例2由于低Si含量而不能确保目标抗拉强度。
在比较例3中，由于拉坯速度太快和轻压下量不足而出现中心偏析，并因此，硬度偏差增大以及断面收缩率为40％或更小。
已经由此描述了本公开内容的实施方案，但本公开内容不限于此，并且对于本领域普通技术人员而言将明显的是，可以在不偏离所附权利要求书的范围的情况下进行各种修改和改变。
【工业适用性】
根据本公开内容的一个实例，可以提供在感应热处理之后能够确保高强度以及由于材料偏差小而能够确保高断面收缩率的高品质超高强度弹簧用线材和钢丝、及其制造方法。

Claims (8)

1.一种超高强度弹簧用线材，所述线材以重量百分比(重量％)计包含：
0.5％至0.7％的C、0.4％至0.9％的Si、0.3％至0.8％的Mn、0.2％至0.6％的Cr、0.015％或更少的P、0.010％或更少的S、0.01％或更少的Al、0.01％或更少的N、0.005％或更少的O，以及剩余部分具有Fe和不可避免的杂质，
其中在垂直于纵向方向的截面的中心的1mm2面积中，满足以重量％计C>0.8％、Si>0.9％、Cr>0.8％和Mn>0.8％中的一者或更多者的面积的比率为5％或更小。
2.根据权利要求1所述的超高强度弹簧用线材，还包括：厚度为1μm或更小的表面铁素体脱碳层。
3.一种制造超高强度弹簧用线材的方法，所述方法包括：
通过对钢水进行连铸来制备大方坯，所述钢水以重量％计包含0.5％至0.7％的C、0.4％至0.9％的Si、0.3％至0.8％的Mn、0.2％至0.6％的Cr、0.015％或更少的P、0.010％或更少的S、0.01％或更少的Al、0.01％或更少的N、0.005％或更少的O，以及剩余部分具有Fe和不可避免的杂质；以及
将所述大方坯轧制成小方坯，然后轧制成线材，
其中在所述连铸期间，所述连铸以0.48m/分钟至0.54m/分钟的拉坯速度进行并且包括总压下量为15mm至35mm的轻压下。
4.根据权利要求3所述的方法，其中进行所述轻压下，使得每个轧辊轧制4mm或更小以及当凝固分数为0.6或更大时累计压下量为60％或更大。
5.一种超高强度弹簧用钢丝，所述钢丝以重量百分比(重量％)计包含：
0.5％至0.7％的C、0.4％至0.9％的Si、0.3％至0.8％的Mn、0.2％至0.6％的Cr、0.015％或更少的P、0.010％或更少的S、0.01％或更少的Al、0.01％或更少的N、0.005％或更少的O，以及剩余部分具有Fe和不可避免的杂质，并且
就面积分数而言，包含90％或更多的回火马氏体，
其中在垂直于纵向方向的截面的中心的1mm2面积中，满足以重量％计C>0.8％、Si>0.9％、Cr>0.8％和Mn>0.8％中的一者或更多者的面积的比率为5％或更小。
6.根据权利要求5所述的超高强度弹簧用钢丝，其中除了距最外表面的深度为0.5mm或更小的区域之外，所述钢丝在垂直于纵向方向的截面中的硬度偏差为25Hv或更小。
7.根据权利要求5所述的用于超高强度弹簧的钢丝，其中所述钢丝具有1750MPa至2200MPa的抗拉强度和40％或更大的断面收缩率。
8.一种制造超高强度弹簧用钢丝的方法，所述方法包括：
对根据权利要求1所述的线材进行拉拔；
在10秒内加热到900℃至1000℃；
在高压下水冷却；
在10秒内加热到400℃至500℃并进行回火；以及
水冷却。
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