CN1851025A - 一种具有优异抗疲劳性能的高强度弹簧钢 - Google Patents
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Abstract
本发明属于合金钢领域，主要适用于抗拉强度1800MPa以上，具有优异的抗疲劳破坏性能的高强度弹簧钢。该钢的具体化学成分(重量％)为：C0.35～0.55％，Si 1.70～2.50％，Mn 0.40～0.70％，Cr 0.70～1.10％，V 0.05～0.20％，RE 0.005～0.10％，Ca 0.0005～0.020％，P≤0.020％，S≤0.015％，O≤0.0015％，余为Fe和其它不可避免的杂质。另外，该钢中还含有B 0.0005～0.0030％，Ti 0.01～0.10％或还含有Ni 0.01～1.50％。本发明与现有技术相比具有抗拉强度高、抗疲劳性能优良、成本低的优点。
Description
技术领域
本发明属于合金钢领域，主要适用于抗拉强度1800MPa以上，同时要求具有优异的抗疲劳性能的高强度弹簧钢。
背景技术
在现有技术中，弹簧钢材的最大用户是铁路和汽车制造业。由于弹簧部件的工作条件十分恶劣，对弹簧钢的要求十分严格。随着铁路不断提速、载重量的增加以及汽车的轻量化和高性能化，对提高弹簧的承载应力水平提出了新的要求。然而，随着弹簧部件使用应力水平的提高，采用现有弹簧钢制造的弹簧的抗疲劳性能会明显降低，无法满足要求。这就要求在提高弹簧钢强度水平的同时提高其抗疲劳性能。
近年来，国内外开展了抗疲劳破坏高强度弹簧钢的研究开发。如日本专利JP2-107746中的抗疲劳破坏弹簧钢，仍然采用传统弹簧钢的高C含量思路，C含量(0.55-0.70％)较高，这使得钢的韧性较差，抗疲劳性能改善的幅度有限，且含贵重的合金元素Mo，使得钢的成本较高。中国专利ZL99127013.4中的用于生产汽车悬挂弹簧的弹簧钢，其C含量(0.50-0.70％)同样较高，且含有贵重的合金元素W。中国专利ZL 01104026.2中虽然采用了降低弹簧钢中C含量(0.30-0.50％)的思路，但含有较多的贵重元素Ni、Mo。中国专利ZL98113532.3中同样采用了降低弹簧钢中C含量(0.34-0.43％)的思路，但同时钢中的Si含量(0.80-1.40％)偏低，降低弹簧钢除抗疲劳性能外的另一个重要性能-弹性减退抗力。这些均在实际应用中受到了限制，更为关键的是弹簧钢抗疲劳性能改善的幅度均有限，影响其推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗拉强度1800MPa以上、且具有优异的抗疲劳性能，成本低的高强度弹簧钢。
根据上述目的，本发明所采用的技术方案是：(1)适当降低传统弹簧钢中的C元素含量，改善钢的韧性和塑性；(2)加入适量的微量元素V、Ti等，细化钢的晶粒，改善钢的强度和韧性配合，提高钢的抗疲劳性能；(3)加入适量的Ca和稀土元素，对钢中的夹杂物进行变性处理，同时严格控制钢中杂质元素O、P、S等的含量，以进一步提高钢的抗疲劳性能。本发明的关键之处在于将成分优化调整与冶金质量控制有机地结合起来，在获得高强度的同时，获得优异的抗疲劳破坏性能和低的成本。
本发明钢的具体化学成分(重量％)如下：C 0.35～0.55％，Si 1.70～2.50％，Mn 0.40～0.70％，Cr 0.70～1.10％，V 0.05～0.20％，RE 0.005～0.10％，Ca0.0005～0.020％，P≤0.020％，S≤0.015％，O≤0.0015％，余为Fe和其它不可避免的杂质。另外，该钢还含有B 0.0005～0.0030％，Ti 0.01～0.10％或0.01～1.50％的Ni。
上述各元素的作用及配比依据如下：
C：C元素是弹簧钢获得高的强度、硬度所必需的。传统弹簧钢中的C含量较高，如目前应用量最大的60Si2Mn和60Si2CrV弹簧钢的碳含量均在0.55％以上。高的C含量虽然对钢的强度、硬度、弹性和弹减性能等有利，但对钢的塑性和韧性不利，且使屈强比降低、脱碳敏感性增大，恶化钢的抗抗疲劳性能和加工性能。因此适当降低钢中的C含量，将其控制在0.55％以下。然而，淬火和中温回火后为了获得所需的高强度和保证获得弹簧钢所必须的弹减性能，C含量须在0.35％以上，因而C含量宜控制为0.35～0.55％。C含量降低所造成的强度损失可通过Si、V等元素的固溶强化、细晶强化和适当降低回火温度来弥补。
Si：Si是传统弹簧钢中的主要合金元素，具有很强的固溶强化作用，而且还是对弹减性能影响最大的合金元素，因而将其含量适当提高，控制在1.70％以上。然而，Si含量过高将使钢的塑性和韧性下降，C的活性增加，促进钢在轧制和热处理过程中的脱碳和石墨化倾向，并且使冶炼困难和易形成夹杂物，恶化钢的抗疲劳性能。考虑到强碳化物形成元素V可减轻Si的上述不利影响，因此控制Si含量为1.70～2.50％。
Mn：Mn是脱氧和脱硫的有效元素，还可以提高钢的淬透性和强度，含量小于0.40％时，难以起到上述作用。但淬火钢回火时，Mn和P有强烈的晶界共偏聚倾向，促进回火脆性，恶化钢的韧性，因而控制Mn含量在0.70％以下。
Cr：Cr能够有效地提高钢的淬透性和回火抗力，以获得所需的高强度；同时Cr还可降低C的活度，可降低加热、轧制和热处理过程中的钢材表面脱碳和抑制高Si钢的石墨化倾向，有利用获得高的抗疲劳性能。但含量过高会恶化钢的弹减性能和韧性，因而控制Cr含量为0.70～1.10％。
V：V是强碳化物形成元素，与C结合所形成的细小弥散碳化物可阻止加热时晶粒长大，起细晶强化和沉淀强化的作用，从而可同时提高钢的强度、韧性和抗疲劳性能。此外，V的细小弥散碳化物可抑制位错的运动，还可改善钢的弹减性能。V含量低于0.05％，上述作用不明显；V含量高于0.20％，上述作用饱和，且提高钢的成本。因而控制V含量为0.05～0.20％。
RE：RE具有脱氧脱硫和对非金属夹杂物变性处理的作用，从而改善钢的韧性和抗疲劳性能。RE含量小于0.005％起不到上述作用，但含量超过0.10％，则由于夹杂物量增多，反而恶化钢的韧性和抗疲劳性能。控制其含量为0.005～0.10％。
Ca：Ca具有脱氧脱硫和对非金属夹杂物变性处理的作用，从而改善钢的韧性和抗疲劳性能。Ca含量小于0.0005％起不到上述作用，但含量超过0.020％，则加入相当困难，且夹杂物量增多。因而控制Ca含量为0.005～0.020％。
P：P能在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大，所以控制P的含量在0.020％以下。
S：钢中不可避免的不纯物，形成MnS夹杂和在晶界偏聚会恶化钢的韧性和抗疲劳性能，因而控制其含量在0.015％以下。
O：O在钢中形成各种氧化物夹杂。在应力的作用下，在这些氧化物夹杂处容易产生应力集中，导致微裂纹的萌生，从而恶化钢的力学性能特别是韧性和抗疲劳性能。因此，在冶金生产中须采取措施尽可能降低其含量。考虑到经济性，控制其含量在0.0015％以下。
Ni：Ni可提高钢的淬透性、改善钢的弹减性能和保证钢在超高强度下的韧性。此外，Ni还能够提高抑制腐蚀坑的生成和其深度而改善高强度钢的腐蚀抗疲劳性能。考虑到经济性，控制Ni含量为0.01～1.50％。
B：B除显著提高钢的淬透性外，还能够抑制杂质元素P的晶界偏聚，起净化晶界的作用，改善钢的韧性，同时B还能够抑制钢在热处理时的氧化脱碳，因而有利于改善钢的抗疲劳性能。为了上述作用，B含量需在0.0005％以上，但B含量超过0.003％时，过剩的B会形成粗大的BN，反而恶化钢的韧性和抗疲劳性能。
Ti：Ti固定钢中的N，抑制粗大BN的生成，确保B的上述良好作用。此外，Ti含能够细化晶粒，弥散析出的TiC和TiN是钢中陷阱能最高的氢陷阱，能够捕集氢使其均匀地分散在晶内，抑制氢的扩散，从而改善钢的耐延迟断裂性能。Ti含量小于0.01％起不到上述作用，但含量超过0.1％则作用饱和，且易形成粗大的TiN反而恶化钢的韧性和抗疲劳性能。
本发明钢可采用电弧炉或转炉+炉外精炼冶炼，浇铸成钢锭或连铸成坯，然后轧制成棒线材等产品。本发明钢的热处理制度与现有技术相似，本发明钢经900℃，30分钟的正火处理，加工成半成品，然后经850℃～950℃淬火和中温回火。
本发明与现有技术相比具有抗拉强度高、抗疲劳性能优良、成本低的优点。可获得1800MPa以上的超高强度，其塑性和韧性明显优于对比钢的实验钢，其疲劳极限要显著高于对比钢和商业钢，呈现出良好的强度韧性配合及优异的抗疲劳性能。其中：抗拉强度Rm≥1800MPa，疲劳极限σ-1≥860MPa。
具体实施方式
根据上述所设计的化学成分范围，在50kg真空感应炉上冶炼了5炉本发明钢和3炉对比钢，此外还有2炉取自工业生产的商业弹簧钢作为对比钢，其具体化学成分如表1所示。其中炉号1～5#为本发明钢，炉号6～8#为对比钢，炉号9#为目前常用的商业钢60Si2CrV，炉号10#为目前应用量最大的商业钢60Si2Mn。钢水浇铸成锭，并经锻造制成棒材。试样加工前经900℃、30分钟正火处理，随后试样由热轧棒材加工成标准室温拉伸试样(L0＝5d0，d0＝5mm)、冲击试样(10mm×10mm×55mm)、疲劳试样(见图1)的毛坯。上述试样经850℃～950℃淬火和回火后加工至最终尺寸。
试样在室温下进行拉伸、冲击和旋转弯曲疲劳试验。按照GB4337-84进行旋转弯曲疲劳实验。实验速度为5000rpm/min，实验循环特征为R＝-1，实验一直进行到试样失效或达到107次时为止。实验采用升降法测定材料的疲劳极限，有效的试样数量13根以上。根据实验钢的升降图，计算出实验钢的疲劳极限，以此来衡量实验钢的抗疲劳性能，疲劳极限越高，实验钢的抗抗疲劳性能越好。所得结果列入了表2。
从表2可以看出，本发明钢经淬火和回火处理后，可获得1800MPa以上的超高强度，其塑性和韧性明显优于对比钢的实验钢，其疲劳极限要显著高于对比钢和商业钢，呈现出良好的强度韧性配合及优异的抗疲劳性能。
表1本发明实施例和对比钢的化学成分比较(重量％)
| 炉号 | 钢种 | C | Si | Mn | Cr | V | P | S | RE | Ca | O | B | Ti | Ni | Fe |
| 1 | 发明钢 | 0.38 | 2.32 | 0.50 | 1.05 | 0.17 | 0.011 | 0.002 | 0.015 | 0.001 | 0.0013 | - | - | - | 余 |
| 2 | 0.45 | 1.90 | 0.45 | 0.83 | 0.12 | 0.009 | 0.008 | 0.028 | 0.007 | 0.0012 | - | - | - | 余 | |
| 3 | 0.44 | 2.11 | 0.54 | 0.97 | 0.13 | 0.008 | 0.005 | 0.033 | 0.003 | 0.0009 | 0.0021 | 0.037 | - | 余 | |
| 4 | 0.43 | 1.95 | 0.51 | 0.93 | 0.11 | 0.015 | 0.008 | 0.025 | 0.004 | 0.0010 | - | - | 0.71 | 余 | |
| 5 | 0.53 | 1.75 | 0.62 | 0.92 | 0.09 | 0.014 | 0.004 | 0.041 | 0.013 | 0.0011 | - | - | - | 余 | |
| 6 | 对比钢 | 0.46 | 1.88 | 0.49 | 0.90 | 0.08 | 0.017 | 0.003 | - | - | 0.0011 | - | - | - | 余 |
| 7 | 0.44 | 1.93 | 0.55 | 0.95 | 0.11 | 0.009 | 0.006 | 0.024 | 0.006 | 0.0025 | - | - | - | 余 | |
| 8 | 0.61 | 1.92 | 0.52 | 0.93 | 0.14 | 0.008 | 0.006 | 0.017 | 0.005 | 0.0010 | - | - | - | 余 | |
| 9 | 商业钢 | 0.58 | 1.58 | 0.51 | 1.02 | 0.15 | 0.010 | 0.009 | - | - | 0.0011 | - | - | - | 余 |
| 10 | 0.60 | 1.72 | 0.70 | - | - | 0.025 | 0.015 | - | - | 0.0023 | - | - | - | 余 |
表2本发明实施例和对比钢的强度、耐延迟断裂性能及冷加工性能的比较
| 钢种 | 炉号 | 回火温度℃ | 抗拉强度RmMPa | 屈服强度Rp0.2MPa | 延伸率A％ | 断面收缩率Z％ | 冲击功AKVJ | 疲劳极限σ-1MPa |
| 本发明钢 | 1 | 340 | 2000 | 1720 | 12.5 | 46.5 | 23.5 | 910 |
| 2 | 350 | 2030 | 1755 | 10.5 | 44.5 | 15.0 | 890 | |
| 3 | 350 | 2040 | 1760 | 10.5 | 47.0 | 20.0 | 945 | |
| 4 | 350 | 2010 | 1740 | 11.5 | 46.0 | 19.0 | 930 | |
| 5 | 400 | 2010 | 1735 | 9.5 | 43.0 | 13.5 | 865 | |
| 对比钢 | 6 | 350 | 2015 | 1770 | 9.0 | 41.5 | 11.0 | 830 |
| 7 | 350 | 2020 | 1760 | 8.5 | 40.0 | 10.5 | 810 | |
| 8 | 420 | 2000 | 1740 | 8.0 | 39.5 | 8.5 | 770 | |
| 商业钢 | 9 | 410 | 1930 | 1720 | 9.0 | 40.5 | 9.0 | 735 |
| 10 | 480 | 1420 | 1275 | 12.0 | 43.0 | 20 | 700 |
Claims (3)
1、一种具有优异抗疲劳性能的高强度弹簧钢，其特征在于该钢的具体化学成分(重量％)为：C 0.35～0.55％，Si 1.70～2.50％，Mn 0.40～0.70％，Cr0.70～1.10％，V 0.05～0.20％，RE 0.005～0.10％，Ca 0.0005～0.020％，P≤0.020％，S≤0.015％，O≤0.0015％，余为Fe和其它不可避免的杂质。
2、根据权利要求1所述的具有优异抗疲劳性能的高强度弹簧钢，其特征在于该钢还含有B 0.0005～0.0030％，Ti 0.01～0.10％。
3、根据权利要求1所述的具有优异抗疲劳性能的高强度弹簧钢，其特征在于该钢还含有Ni 0.01～1.50％。
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