CN1279204C - 汽车用高使用应力弹簧钢 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抗弹减性和疲劳性能良好的汽车用高使用应力弹簧钢。发明钢组成成分的重量百分比包括：0.30～0.50%C，0.80～2.0%Si，0.60～0.80%Mn，0.40～1.0%Cr，0.01%～0.5%W、0.08%～0.30%V以及0.005%～0.2%的稀土，其余为Fe和不可避免的杂质。必要时加入0.001～0.10%的B。本发明的关键在于通过加入微量的稀土、钨和硼后，碳相应降低，弹簧钢的韧性、抗弹减性、抗脱碳性、疲劳性能以及弹簧的设计应力大为提高。主要用于汽车用悬挂和气门弹簧。

Description

汽车用高使用应力弹簧钢

技术领域：本发明涉及一种弹簧钢，特别是汽车用悬挂和气门弹簧及类似产品用高使用应力弹簧钢。

背景技术：近来，随着汽车轻量化和高性能化的发展，对减轻弹簧重量的要求不断增加。为了满足这种要求，设计高应力弹簧并在高应力状态下使用可以说是减轻重量的一个有效途径。但是，如果将现有弹簧钢在高应力条件下使用，将会出现经一段时间使用后弹簧水平降低(称为弹减减退)和疲劳性能差等问题，相应的汽车的高度明显降低，结果保险杠的位置将下降，因而导致一系列安全问题，因此不可能提高现有弹簧的设计应力。

迄今为止，55SiCr和55SiCrV钢(相当于美国牌号SAE9254和SAE9254V)已经普遍使用于汽车弹簧上，这些弹簧的设计应力水平为980Mpa和1078Mpa(110kgf/mm²和100kgf/mm²)，但是近几年来高级轿车对1176Mpa(120kgf/mm²)以上的应力弹簧的使用需求正不断增加。现有弹簧钢在这种高应力下会出现疲劳寿命降低和弹减减退两个问题。此外，现有弹簧中高Si含量钢的表面质量不佳，增加了脱碳倾向，降低了弹簧的疲劳使用寿命。因此，开发抗弹减性和抗疲劳性优良的高应力弹簧钢成为当今钢种研究和开发的主题。

通过查新检索出有关弹簧钢钢种发明的专利近十五种，其中和本发明最近似的专利有U.S.Pat.No.5310521、JP580427、ZL 99127013.4。US5310521专利的化学成分为：0.50∽0.64％C，0.80∽1.35％Si，0.60∽0.90％Mn，0.05∽0.60％Cr，0.08∽0.13％V，0.012∽0.02％N，0.005∽0.02％Mo，0.001∽0.005％Nb，0.005∽0.05％Ni，其余为Fe和不可避免杂质组成。发明者主要通过加入适量的V、Nb、Ni和足够的N后，弹簧钢的抗弹减性和抗疲劳性能有所提高。但是该钢种的成分复杂、成本较高、淬透性不够，对于大型汽车或其它类似设备使用的粗螺旋弹簧在热处理时很难将芯部淬硬，芯部组织趋向于形成硬度低于马氏体的贝氏体或铁素体+珠光体，因而大大减弱了加入V、Ni或Mo改善抗弹减性的效果。JP580427专利的成分为：0.55∽0.70％C，0.6∽1.8％Si，0.10∽1.0％Mn，0.30∽0.9％Cr，0.03∽0.40％V以及0.015∽0.10％Al，0.02∽0.10％Zr，0.02∽0.10％Nb和0.02∽0.10％Ti中的一种或几种，其余为Fe和不可避免杂质组成。该专利钢的成分复杂，合金元素多。而ZL 99127013.4专利钢的成分为C：0.50∽0.70wt％；Si：0.80∽1.70wt％；Mn：0.50∽1.0wt％；Cr：0.50∽0.80wt％；W：0.01∽0.5wt％；稀土元素：0.005％∽0.25wt％。该专利中没有元素V和B，强度主要通过提高碳含量来保证。

发明内容：现有弹簧钢的设计应力不高，满足不了当今汽车节能和减轻重量的要求。另外，我国稀土和钨矿资源丰富，价格低廉，把中国特有的稀土和钨资源优势变为特有的技术优势具有举足轻重的战略意义。鉴于以上现状，本发明的主要目的在于提供一种淬透性优异、抗弹减性和疲劳寿命良好的低成本的高应力稀土弹簧钢。

本发明涉及一种低成本、抗弹减性和疲劳性能良好的高应力弹簧钢的化学成分，按重量百分比计，其组成的成分配比包括：

C：0.30∽0.50％

Si：0.80∽2.0％

Mn：0.50∽1.0％

Cr：0.40∽1.0％

W：0.01∽0.5％

V：0.08∽0.30％

稀土元素：0.005∽0.25％

其余为Fe和不可避免的杂质。

必要时加入0.001∽0.10％的B，稀土元素是稀土类元素中任一种元素或几种元素的混合，稀土元素的添加按常规进行，优选的稀土元素的含量为0.005∽0.1％。发明钢经过超纯净化冶炼、方坯表面无缺陷处理、线材控轧控冷以及钢丝的拉拔及合适的热处理后，钢丝的强度超过了2000Mpa，可以用来制作剪切使用应力大于1200Mpa的弹簧。

本发明钢选择化学成分范围的原因如下：本发明钢加入稀土元素改善了钢材的抗弹减性、抗疲劳性能和淬透性，其原因是由于稀土加入后细化了原始奥氏体的晶粒尺寸，提高了钢材的综合力学性能；它净化了基体，改善了夹杂物数量和尺寸，从而提高了抗疲劳性能；另外，稀土元素加入后改善了表面质量，抗脱碳性能提高。把稀土元素控制在0.25％以下的原因是由于超过这一数值后很可能产生晶粒粗化。

钨是一种强烈的高淬透性和提高永久变形抗力的元素，而且还可以防止脱碳，从而改善钢材的淬透性、抗弹减性和抗疲劳性能。将W含量控制在0.01∽0.5wt％的原因是，如果含量低于0.01％，效果不明显。而当含量超过0.5％时，将会使钢的韧性变差并易产生粗大的碳化物，从而降低疲劳强度。

碳是保证钢材室温强度所必需的成分，但当减轻汽车重量要求高应力时，应限制碳含量。碳含量低于0.3％时钢丝强度不够，高于0.50％后韧性变坏。因此，确定碳含量为0.3∽0.5％。

Si是一种廉价元素，可改善淬火及回火处理螺旋弹簧的永久变形抗力。低于0.8％含量使其效果下降。当含量超过2.0％后，淬火及回火钢材的韧性下降，热轧材也同样如此。Si提高了碳的活度，促进钢材加热、轧制及热处理过程的脱碳。另外，Si在炼钢过程中易形成非金属夹杂物，降低悬挂弹簧性能的可靠性。因此将硅含量确定在0.8∽2.0％。

Cr是一种强化元素，可以提高钢的回火稳定性和弹簧钢丝的强度。此外可以降低碳的活度，防止加热、轧制和热处理过程中的脱碳行为，因此增加了质量可靠性。当Cr量小于0.4％时，效果不明显，高于1.0％时韧性变差，成本增加。所以Cr含量一般控制在0.4∽1.0％。

Mn有利于消除S的有害作用，又有利于脱氧。但发现当Mn量小于0.5％时作用较小。当Mn含量超过1％后，淬透性提高很大，在热轧时韧性变坏，以致影响钢丝的生产。因此Mn含量控制在0.5∽1.0％之间。

V有利于细化奥氏体晶粒并起到弥散析出强化、改善韧性和提高弹减性的作用。当含量超过0.30％后析出物容易聚集并影响韧性，低于0.08％效果不理想。

B明显提高钢的淬透性，并且能够避免磷在晶界的偏析，从而有效提高弹簧的综合性能。当含量低于0.001％时效果不明显，超过0.10％后钢流动性增大，给连铸带来困难。

本发明还提供了一系列弹簧钢的化学成分。通常说来，弹簧钢的抗弹减性能是通过加入大量的Si实现的(Si的含量最高达2.5wt％)，但是高Si钢(如日本的SUP7和SUP12、美国的SAE9254和SAE9260等)的表面质量较差，这严重影响了疲劳性能。本发明中通过加入适量的稀土元素后，Si含量可以降低到比较低的水平(低于1.2wt％)，而抗弹减性能并没有下降。其原因是由于稀土元素加入后不仅改善了材料的表面质量、钢的脱碳倾向减小，而且还细化了初始奥氏体的晶粒尺寸并在基体中形成了阻碍位错滑移的细小析出相。

本发明的有益效果是：本发明钢中由于加入了稀土元素、钨和硼后，细化了原始奥氏体的晶粒尺寸、增加了钢的淬透性、提高了钢材的综合力学性能；此外，稀土元素加入后改善了表面质量，抗脱碳性能提高。所有这些效果使钢材的抗弹减性、抗疲劳性能以及设计应力的提高幅度达20％以上(具体数据见图例和实施例)。因此可以用来制造应力水平高于1100Mpa的高级弹簧。

弹簧钢的疲劳性能还可以通过提高钢的纯净度来实现。本发明钢中加入适量的稀土元素后，由于稀土的净化作用以及晶粒细化作用，有害的Al₂O₃夹杂物的数量和尺寸有所减少，总的夹杂物也由于O、N、Al、S等有害元素的含量下降而降低。所有这些成分上的变化保证了弹簧的抗疲劳性能，特别是在高应力状态下。

和ZL 99127013.4专利钢相比，本发明专利由于其成分中碳含量降低，韧性更好。而加入的V、B等元素不仅没有因为碳含量的降低使其强度降低，反而由于析出强化和增加淬透性导致的组织优化进一步提高了钢的强度和塑性，最终导致钢在后续的处理过程中加工性能更为优异、钢丝的强度也进一步得到提高，从而提高了弹簧的设计应力，减轻了弹簧的重量。此外，本发明中综合加入的稀土元素、V、W和B后进一步提高了钢的淬透性，因此可以制造超大型规格弹簧。

具体实施方式：本发明的6个实施例以及2个对照钢的化学成分见表1

             表1本发明钢、常规钢和比较钢的化学成分，wt％

	C	Si	Mn	Cr	W	稀土	V	Mo	Ni	N	B
												A1	0.38	1.35	0.68	0.65	0.07	0.005	0.15
A2	0.45	1.65	0.65	0.89	0.32	0.025	0.08
												A3	0.37	1.4	0.6	0.68	0.15	0.037	0.25
A4	0.49	1.53	0.7	0.5	0.18	0.054	0.09
												A5	0.42	1.5	0.76	0.67	0.49	0.025	0.2				0.0015
A6	0.32	1.8	0.75	0.45	0.21	0.02	0.25				0.018
												B1(1)	0.56	1.39	0.64	0.71			0.15
B2(2)	0.59	0.81	0.87	0.49			0.11	0.01	0.011	0.0139

注：(1)、(2)为对比钢

表1表示试验钢的化学成分，其中A1到A6为本发明钢，B1、B2为对照钢。从表可以看出，对照钢中碳含量较高，而且没有稀土、钨和硼等元素。

本发明的冶炼浇铸按常规技术进行，表1中的试验钢浇铸后以至少50％的压下量进行热轧，随后在可得到1862Mpa(190kgf/mm²)抗拉强度的温度进行淬火和回火处理。按常规试验规程测试，得到的抗拉强度、0.2％屈服强度、延伸率、面缩率见表2所示。可以看出，在钢中加入稀土和钨后，本发明钢的力学性能整体优于对照钢B1和B2，并且本发明钢之间无明显差别。

                     表2试验钢的力学性能

钢号	抗拉强度，Mpa	0.2％屈服强度，Mpa	延伸率，％	面缩率，％
					A1	1920	1750	10	40
A2	1910	1745	12	45
					A3	1890	1708	13	42
A5	1995	1760	15	50
					A6	1930	1765	14	48
B1	1900	1605	12	30
					B2	1908	1630	13	36

表3给出了用于评价试样钢的扭转蠕变试验结果。用下述方法进行扭转蠕变试验。将每种试验钢加工成直径为20mm的园棒，然后制备成平行部分直径为8.5mm的试样。将上述制备的试样进行淬火回火处理，最终硬度为HRC55。鉴于使用时螺旋弹簧受到扭矩的作用，并且认为弹减是一种蠕变，所以根据这些试验结果可评价螺旋弹簧的抗弹减性。立定后，向其施加一个扭矩，使平行部分的表面剪切应力为1176Mpa(120kgf/mm²)，24小时后，测试试样的蠕变应变。结果表明，本发明钢的抗弹减性优于对照钢。表3试样钢的抗弹减性

钢号	24小时后扭转蠕变应变(×10-6)
		A1	1458
A2	1465
		A3	1390
A5	1395
		A6	1326
B1	2060
		B2	1605

表4给出表1中各试验钢的夏比冲击试验结果。按下述方法进行试验。上述各种试验钢加工成55×27.5mm的板状试样，制成夏比冲击试验用GB2106-80V型缺口试样。然后淬火回火处理，试样最终硬度为55HRC。试验在室温进行。从表4可以看出，本发明钢A1∽A6在HRC55硬度时的冲击值高于对照钢(B1，B2)。

              表4试验钢的夏比冲击试验结果

钢号	冲击值，J/cm2
		A1	56.4
A2	57.5
		A3	56
A5	57.5
		A6	55.8
B1	35.4
		B2	50.3

对试验钢制成的弹簧(淬火回火后硬度为55HRC)反复施加载荷使平均应力和应力载荷分别为为833Mpa和441Mpa进行疲劳试验。试验结果见表5所示。从表可知，本发明钢即使在HRC55硬度下，耐久性仍明显优于对照钢。反复加载20万次，任何一支弹簧均未出现断裂。

表5本发明钢和对照钢的疲劳性能

试验号	循环次数
		A1	2×10-5未断
A2	2×10-5未断
		A3	2×10-5未断
A5	2×10-5未断
		A6	2×10-5未断
B1	4×10-4
		B2	1×10-5

Claims (4)

1、一种汽车用高使用应力弹簧钢，按重量百分比计，其组成成分的配比包括：

C：0.30∽0.50％

Si：0.80∽2.0％

Mn：0.50∽1.0％

Cr：0.40∽1.0％

W：0.01∽0.5％

V：0.08∽0.30％

稀土元素：0.005∽0.25％

其余为Fe和不可避免的杂质。

2、根据权利要求1所述的汽车用高使用应力弹簧钢，其特征是，其组成成分还包括重量百分比为0.001∽0.10％的B。

3、根据权利要求1或2所述的汽车用高使用应力弹簧钢，其特征是，稀土元素是稀土类元素中任一种元素或几种元素的混合。

4、根据权利要求1或2所述的汽车用高使用应力弹簧钢，其特征是，稀土元素的含量为0.005∽0.1％。