CN1305020A - 高强度、高韧性弹簧钢 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强度、高韧性弹簧钢,特别适用于铁路货车转向架螺旋弹簧的制造。该弹簧钢含有(重量%):0.30～0.50%C、1.80～3.00%Si、0.40～0.80%Mn、0.90～1.60%Cr、0～2.10%Ni、0～0.40%Mo、0.08～0.40%V、≤0.25%Cu、≤0.020%P、≤0.020%S,其余是铁和其他不可避免的杂质。经热处理后其机械性能可达到σs≥1750Mpa,σb≥1950Mpa,δ≥9%,Φ≥30%。用该弹簧钢制成的铁路货车转向架螺旋弹簧,在1100Mpa的许用应力下疲劳寿命达200万次以上。
Description
本发明涉及一种高强度、高韧性弹簧钢，特别适用于铁路货车转向架螺旋弹簧的制造。
目前世界各国所采用的高强度弹簧钢中，包括美国的9260，日本的SUP7，中国的60Si2CrVA等，这几种钢强度水平基本相同。以60Si2CrVA为例，其化学成份组成为(重量％)：0.56～0.64％C、1.40～1.80％Si、0.40～0.70％Mn、0.90～1.20％Cr、0.10～0.20％V、≤0.35％Ni、≤0.25％Cu、≤0.030％P、≤0.030％S，余量为铁和其他杂质；经淬火(以油为淬火剂)、回火处理后的主要机械性能为：σs≥1670MPa、σb≥1870MPa、δ≥6％、φ≥20％；用其制造的铁路货车转向架螺旋弹簧，许用应力仅可达到930Mpa。随着火车提速及载重量的增加，转向架弹簧承受的载荷增加，使得弹簧钢的强度及塑性、韧性水平均不能满足铁路货车转向架螺旋弹簧的制造需要，影响了铁路货车转向架螺旋弹簧的使用寿命。
本发明的目的是提供一种强度高、韧性及塑性高、淬透性好的高强度、高韧性弹簧钢，从而使铁路货车转向架螺旋弹簧具有较高的疲劳寿命，以满足高速重载列车的使用要求。
本发明的目的是通过以下技术解决方案实现的。
一种高强度、高韧性弹簧钢，含有(重量％)：0.30～0.50％C、1.80～3.00％Si、0.40～0.80％Mn、0.90～1.60％Cr、0～2.10％Ni、0～0.40％Mo、0.08～0.40％V、≤0.25％Cu、≤0.020％P、≤0.020％S，其余是铁和其他不可避免的杂质。
所述弹簧钢含有(重量％)：0.35～0.45％C、2.00～2.50％Si、0.40～0.80％Mn、0.90～1.30％Cr、1.80～2.00％Ni、0.25～0.40％Mo、0.08～0.40％V、≤0.25％Cu、≤0.020％P、≤0.020％S，其余是铁和其他不可避免的杂质。
所述的弹簧钢含有(重量％)：0.40～0.48％C,2.00～2.50％Si,0.40～0.80％Mn,1.20～1.60％Cr,0.08～0.40％V、≤0.25％Cu、≤0.020％P、≤0.020％S，其余是铁和其他不可避免的杂质。
本发明一反现有技术以增加碳含量来提高钢强度的常规做法，采用低C高Si的解决方案，既避免了碳含量高对钢的韧、塑性产生不利影响，又使得该弹簧钢经适当的热处理后，在获得高强度的同时获得较高的韧性和塑性。将碳含量控制在较一般弹簧钢中含量低的0.30～0.50％范围内，提高弹簧钢的韧性，而提高强度的任务则依靠Si,V等其它元素来实现。
较高的Si含量能够提高钢的强度和抗弹减性，以弥补C含量低造成的对钢强度的不利影响。Si对弹簧钢抗弹减性的增强，其在钢中的含量为2.5％左右时达到最佳，因此将Si含量的选择范围确定为1.80～3.00％。
Mn含量为0.40～0.80％，Mn可显著提高钢的淬透性，但对韧性不利，不宜过高。
Cr可提高钢的淬透性，同时由于Cr是强碳化物形成元素，对于减轻脱碳倾向，防止石墨化有利。Cr含量为0.90～1.60％，使得弹簧钢的淬透层能够控制在合理的范围内。
Ni可提高钢的淬透性，尤其是在与Mo共存的情况下效果更明显。为使大截面弹簧钢在整个截面上得到均匀的组织和性能，淬透性是非常重要的。另外，试验表明Ni的加入使钢的抗脱C性大大改善。由于Ni资源比较匮乏，对于小截面弹簧钢可不添加，Ni含量控制在2.10％以下。
Mo可提高钢的淬透性，防止回火脆性，改善抗弹减性。一般与Ni共同使用，含量控制在0.40以下。
V含量为0.08～0.40％，V是强碳化物形成元素，当它们与碳结合生成细小弥散的碳化物时可阻碍晶粒长大，起到细化晶粒的作用。该元素还能起沉淀强化作用，提高钢的强度和抗弹减性。
本发明与现有技术相比所具有的优点在于：本发明弹簧钢在具有高强度的同时，具有较高的韧性与塑性，而且淬透性好，从而使采用本发明弹簧钢生产的铁路货车转向架螺旋弹簧具有较高的疲劳寿命，能够满足高速重载列车的使用要求，使车辆的运输安全得到了可靠的保证。
下面对本发明是实施例进行详细论述。
表1为本发明弹簧钢的10个具体实施例的化学成份，以及经淬火、回火处理后的机械性能，其中实施例1-5所示弹簧钢的淬火加热温度为880℃、油冷，回火温度为380℃；实施例6-10所示弹簧钢的淬火加热温度为900℃、油冷，回火温度为380℃。
表2为对实施例1-5中的弹簧钢的淬透性试验结果。将退火后的钢材加工成标准端淬试样，试验条件为：890℃，30分钟，端淬。表2中给出的数据是对每一实施例进行50次试验的平均值。该试验结果显示，在端淬试样的整个长度上硬度值下降很少，适于制造大截面弹簧。
表3为对实施例6-10中的弹簧钢进行淬透性试验的结果。将退火后的钢材加工成标准端淬试样，试验条件为：890℃,40分钟，端淬。表3中给出的数据是对每一实施例进行50次试验的平均值。该试验结果显示，在端淬试样的整个长度上25mm以内硬度值下降很少，超过25mm后硬度值下降较大，适于制造小截面弹簧。
用实施例6-10所述弹簧钢制成φ18mm的货车转向架螺旋弹簧，用实施例1-5所述弹簧钢制成φ26mm的货车转向架螺旋弹簧。对检验合格的两种规格货车转向架螺旋弹簧进行疲劳试验。在北方交通大学进行的疲劳寿命试验，依据TB/T2211-91《机车车辆圆柱螺旋弹簧疲劳实验标准》规定的要求，按许用应力1100Mpa给定试验载荷Pj，以0.4Pj的幅值在Pj上下波动，经200万次的应力循环，末发生断裂。而作为对照组，60Si2CrVA弹簧钢制成的φ16mm的货车转向架螺旋弹簧，在相同试验条件下，出现断裂前应力循环不超过100万次。
表1本发明弹簧钢的化学成份及机械性能
| 实施例 | 化学成分(重量％) | 机械性能 | ||||||||||
| C | Si | Mn | Cr | V | Ni | Mo | σsMPa | σbMPa | δ％ | φ％ | AkJ | |
| 1 | 0.41 | 2.54 | 0.57 | 1.03 | 0.28 | 1.94 | 0.34 | 1950 | 2090 | 11 | 33 | 43 |
| 2 | 0.37 | 2.10 | 0.56 | 1.35 | 0.25 | 1.94 | 0.33 | 1750 | 1950 | 11 | 32 | 40 |
| 3 | 0.45 | 2.38 | 0.54 | 1.50 | 0.27 | 2.04 | 0.39 | 1900 | 2170 | 10 | 36 | 39 |
| 4 | 0.42 | 2.10 | 0.62 | 1.19 | 0.27 | 2.00 | 0.39 | 1780 | 2030 | 9 | 40 | 42 |
| 5 | 0.41 | 2.12 | 0.57 | 1.03 | 0.25 | 1.98 | 0.31 | 1790 | 1990 | 9.5 | 44 | 37 |
| 6 | 0.47 | 2.54 | 0.55 | 1.25 | 0.28 | 1900 | 2200 | 9 | 31 | 28 | ||
| 7 | 0.42 | 2.19 | 0.57 | 1.35 | 0.19 | 1760 | 2240 | 11 | 36 | 32 | ||
| 8 | 0.50 | 2.43 | 0.57 | 1.46 | 0.27 | 2030 | 2240 | 11 | 31 | 30 | ||
| 9 | 0.45 | 2.20 | 0.57 | 1.48 | 0.26 | 1870 | 2060 | 9 | 36 | 35 | ||
| 10 | 0.44 | 2.28 | 0.58 | 1.42 | 0.25 | 1840 | 2030 | 10 | 40 | 30 | ||
注：表1中所列实施例1-10的化学成份，均可达到Cu≤0.25％、P≤0.020％、S≤0.020％的技术指标。其余是铁和其他不可避免的杂质。
表2实施例1-5中的弹簧钢的淬透性试验结果
| 至水冷端距离(mm) | 5 | 10 | 13 | 15 | 20 | 25 | 30 | |
| 硬度(HRC) | 正面 | 56.5 | 56.5 | 56.0 | 56.0 | 56.0 | 55.5 | 55.5 |
| 反面 | 56.0 | 56.0 | 56.0 | 55.5 | 55.5 | 55.0 | 55.0 | |
| 至水冷端距离(mm) | 35 | 40 | 45 | 50 | 70 | 100 | ||
| 硬度(HRC) | 正面 | 55.0 | 54.5 | 54.0 | 54.0 | 53.0 | 53.0 | |
| 反面 | 55.0 | 55.0 | 54.0 | 54.0 | 53.0 | 53.0 | ||
表3实施例6-10中的弹簧钢的淬透性试验结果
| 至水冷端距离(mm) | 5 | 10 | 13 | 15 | 20 | 25 | 35 | 45 | 100 | |
| 硬度(HRC) | 正面 | 59.0 | 59.0 | 59.0 | 59.0 | 57.5 | 54.0 | 36.0 | 32.0 | 32.0 |
| 反面 | 58.0 | 58.0 | 57.5 | 57.5 | 56.5 | 55.5 | 35.0 | 32.0 | 31.0 | |
Claims (3)
1．一种高强度、高韧性弹簧钢，其特征在于它含有(重量％)：0.30～0.50％C、1.80～3.00％Si、0.40～0.80％Mn、0.90～1.60％Cr、0～2.10％Ni、0～0.40％Mo、0.08～0.40％V、≤0.25％Cu、≤0.020％P、≤0.020％S，其余是铁和其他不可避免的杂质。
2．根据权利要求1所述的弹簧钢，其特征在于它含有(重量％)：0.35～0.45％C、2.00～2.50％Si、0.40～0.80％Mn、0.90～1.30％Cr、1.80～2.00％Ni、0.25～0.40％Mo、0.08～0.40％V、≤0.25％Cu、≤0.020％P、≤0.020％S，其余是铁和其他不可避免的杂质。
3．根据权利要求1所述的弹簧钢，其特征在于它含有(重量％)：0.40～0.48％C,2.00～2.50％Si,0.40～0.80％Mn,1.20～1.60％Cr,0.08～0.40％V、≤0.25％Cu、≤0.020％P、≤0.020％S，其余是铁和其他不可避免的杂质。
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