WO2019080457A1 - 含氮微合金化弹簧钢及其制备方法 - Google Patents

含氮微合金化弹簧钢及其制备方法

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Abstract

一种含氮微合金化弹簧钢及其制备方法。化学成分为:C0.45-0.52%;Si0.15-0.35%;Mn0.90-1.10%;Cr0.90-1.15%;Mo0.10-0.25%;V0.10-0.20%;Nb0.025-0.04%;N0.007-0.012%;Pb、Sn、Zn、Sb和Bi≤0.03%;O2和H2≤25ppm;S和P≤0.02%;Cu≤0.2%;Ni≤0.35%;余量为Fe。弹簧钢机械强度高、延伸率大、断面收缩率高、抗疲劳性能好。

Description

含氮微合金化弹簧钢及其制备方法 技术领域
本发明涉及一种弹簧钢,具体涉及一种含氮微合金化弹簧钢及其制备方法。
背景技术
弹簧作为装备制造的基础件、零部件之一,其规模品种的扩大、质量水平的提高是保障机械装备主机性能提高的先决条件。但是,我国弹簧行业的产业结构长期以来形成了低档普通弹簧供过于求、高档产品(高强度、高应力、异性件、特种材料)供不应求的被动形势。弹簧产品已经不能完全满足高端装备制造业的发展需要,轿车用悬架簧、气门弹簧、离合器弹簧以及机车、机械、电力、军工等行业用高级弹簧仍需要进口。此外,目前我国弹簧产品的性能与国外同类产品也有一定差距,如弹簧的负荷精度、垂直度精度等方面都存在差距,集中反映在性能不稳定、有些重要质量指标离散性大、使用寿命不稳定,特别是当主机要求弹簧在高速、高应力工况下工作时,矛盾更为突出。
弹簧钢是指由于在淬火和回火状态下的弹性,而专门用于制造弹簧和弹性元件的钢。按化学成分,分为非合金弹簧钢(碳素弹簧钢)和合金弹簧钢。随着汽车轻量化,发展高强度、延伸率高、断面收缩率高和抗疲劳性能的弹簧钢,将是提高我国高端装备零部件自主配套能力、有效替代进口的必然趋势。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的是提供一种含氮微合金化弹簧钢,具有机械强度高、延伸率大、断面收缩率高、抗疲劳性能好的优点;本发明同时提供其制备方法,科学合理,简单易行。
本发明所述的含氮微合金化弹簧钢,包括如下质量比的化学成分:
C:0.45-0.52%;Si:0.15-0.35%;Mn:0.90-1.10%;Cr:0.90-1.15%;Mo:0.10-0.25%;V:0.10-0.20%;Nb:0.025-0.04%;N:0.007-0.012%;Pb、Sn、Zn、Sb和Bi≤0.03%;O 2和H 2≤25ppm;S和P≤0.02%;Cu≤0.2%;Ni≤0.35%;余量为Fe。
各化学成分的用量标准和作用如下:
C:0.45-0.52wt.%;
碳是通过固溶强化,提高弹簧钢的弹性强度、硬度和耐磨性,但降低弹簧钢的塑性、韧性和疲劳强度,将C控制在0.45-0.52wt.%之内,与其它合金元素同在时,可获得最佳强度,疲劳寿命与经济效益的组合。本发明采用的C含量远小于常规的弹簧钢,能够改变马氏体组织形态,提高弹簧钢的韧性。
Si:0.15-0.35wt.%;
硅通过固溶强化铁素体,提高钢的弹性,但弱化钢的塑性和韧性,并剧烈增加脱碳和石墨化的倾向,产生夹杂物,恶化弹簧的疲劳性能。故在本发明中,发现硅含量控制在0.15-0.35wt.%内时,对疲劳强度的影响最低。本发明采用的Si含量远小于常规的弹簧钢,能降低对碳的排斥性,减少脱碳。
Mn:0.90-1.10wt.%;
Mn可以通过固溶提高钢的强度,同时,提高钢的淬透性,但过量的Mn会促进回火脆性,因此,需要将Mn的含量控制在0.90-1.10wt.%。
Cr:0.90-1.15wt.%;
铬通过固溶提高钢的强度,还能提高钢的淬透性,提高回火稳定性,有利于提高弹簧钢的性能与弥散沉淀,但过量的铬易形成碳化铬,降低钢的塑性、韧性,故将Cr的含量控制在0.90-1.15wt.%。
Mo:0.10-0.25wt.%;
Mo通过固溶提高钢的强度,强烈提高钢的淬透性,稳定碳元素,有益于提高弹簧钢的强度,但过量的Mo会改变钢的淬火曲线,倾向于羽毛状贝氏体的形成,不利于弹簧钢的疲劳强度,所以需要控制Mo的含量为0.10-0.25wt.%。
V与Nb,V:0.10-0.20wt.%,Nb:0.025-0.04wt.%;
V与Nb在钢中形成弥散细小的VC、NbC、VN或NbN,对基体剧烈强化,同时,细化晶界,阻止晶粒的长大,所以,可以得到细密高强度的组织,极大提高弹簧钢的强度与疲劳性能,但单一元素过量时,粒子易粗化,失去优异作用,故本发明采用两种元素的综合功能,经优化后,其最佳含量为V:0.10-0.20wt.%;Nb:0.025-0.04wt.%。
N:0.007-0.012wt.%;
N在钢中类似于碳的作用,通过更强的固溶强化,提高钢的弹性,强度和硬度,但对弹簧钢的塑性,韧性和疲劳强度的弱化比碳小,尤其是形成的马氏体为Fe-C-N结构,具有更高的疲劳强度,加氮的微合金化弹簧钢可具有更高的强度,韧性和疲劳寿命,70-120ppm的N含量是本发明确定的最佳含N量。
S和P≤0.02%;
钢中不可避免存在S、P等夹杂物,S、P与合金元素形成夹杂物,如MnS等,不仅抵消与合金元素的有益作用,而且S、P会产生偏聚,弱化钢的韧性,并成为疲劳裂纹源,严重降低了弹簧的疲劳强度,所以在该钢料中应严格控制S、P含量在0.02wt.%以内。
Cu≤0.2wt.%
由于弹簧要经历后续热加工,Cu会严重降低材料的热塑性,在锻造中易产生微裂纹,严重影响弹簧的强度,所以应严格控制,由于废料中含有铜线,故该钢料中应严格控制废料的Cu使用量≤0.2wt.%。
Ni≤0.35%;
镍可提高钢的强度与韧性,降低脆性转变温度,尤其是提高淬透性,但镍的价格极贵,所以尽量采用其他合金来满足性能要求。
本发明所述的弹簧钢的厚度为25-38mm。
通过金相检测发现,所述的弹簧钢的微观组织为铁素体和珠光体组织,并且只有铁素体和珠光体组织,不含其他组织。
所述的含氮微合金化弹簧钢的制备方法,将弹簧钢原料依次进行熔炼、精炼、真空脱气、连续浇注冷却成钢锭、钢锭剥皮,再加热连续轧制、控制冷却、淬火和回火,得所述的弹簧钢产品。
其中,所述的弹簧钢原料能够采用部分废钢,但是废钢中含有铜线等,因此,废钢的用量需要控制在弹簧钢原料总质量的20%以内。
所述的熔炼温度为1630-1700℃,时间为25-60分钟;所述的精炼温度为1500-1550℃,时间为20-60分钟,精炼过程采用电磁搅拌。采用电磁搅拌能够均匀显微组织结构。
所述的真空脱气,真空度≤130Pa。
所述的连续浇注冷却成钢锭,先以25-35℃/min降温至1150℃以下,然后自然冷却至室温。从而使夹杂物尽量限制在钢锭的中心线上,轧钢成材后,对产品的性能的危害降至最低。
所述的钢锭剥皮的深度为至少3.0mm。
所述的再加热连续轧制开轧温度为900-1100℃,终轧温度为850-900℃。以在奥氏体区进行轧制,发挥材料的最佳形变性能,并为后续的冷却提供有利条件。
所述的控制冷却具体为:首先快冷到600℃,然后保温慢冷至室温;快冷速度≥30℃/min,保温慢冷速度≤10℃/min。这样可以防止表面脱碳,并维持较低硬度,以利于后续的剪切加工。
所述的淬火方式为油淬,淬火温度为850-900℃,保温时间为1.0-1.5分钟/mm,回火温度为400-500℃。
本发明所述的微合金化弹簧钢的制备工艺,更进一步的,在转炉中投放原料,原料中废钢质量含量控制在20%以内,为了控制杂质含量,采用电磁搅拌和真空脱气,能使纤维组织结构均匀,且少气泡,少气孔,组织致密,真空脱气结束后,进行连铸,能够形成稳定的宏观组织,加热连续轧制,能保证均匀的尺寸组织;控制冷却温度,能减少脱碳层,保证剪切硬度,冷却至室温后,进行淬火,回火,得到成品。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明制备的含氮微合金化弹簧钢的性能如下:
原材料的硬度≤HB330,经热处理后抗拉强度能够达到1800MPa左右,屈服强度能够达到1650MPa左右,延伸率≥7%,断面收缩率≥25%,疲劳周次大于340,000周次。
(2)弹簧钢的半脱碳层小于等于0.20mm,无全脱碳层。
(3)经热处理后,晶粒度大于ASTM 8.5级。
(4)本发明所述的制备方法,科学合理,简单易行,采用电磁搅拌和真空脱气能够减少气泡、气孔,使得显微组织结构更加均匀致密。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例中用到的所有原料除特殊说明外,均为市购。
实施例1
所述的含氮微合金化弹簧钢,制备方法如下:
将铁水加入到120吨转炉中,1680℃下进行熔炼,45分钟后出钢,加入18%废钢进行调温至1650℃,转入精炼炉,在电磁搅拌下,加入硅铁、锰铁、铬钼铁、钒铁、铌铁和氮化锰,在1535±15℃下,对化学成分进行调整40分钟后,进行真空脱气(真空度≤130Pa条件下)然后连铸成180×180铸坯,以28℃/min的速度冷至1150℃后,空冷至室温,进行铸坯剥皮,剥去3.2mm深度后,再加热到1200℃,然后连轧成30*89mm弹簧带钢,开轧温度1050℃,终轧温度890℃,轧后以37℃/min的速度快冷至600℃,然后温度以8℃/min的速度慢冷到室温。
按上述方法制得30*89mm带钢,经检验其化学成分如表1所示,进一步加工成二片板簧,经880℃淬火及460℃回火后,按照GB/T228-2002进行拉伸试样加工与拉伸试验,并对屈服强度、延伸率和断面收缩率进行测试,组装成的板簧按照GB/T228-2002进行疲劳试验,其结果如表2所示。
实施例2
所述的含氮微合金化弹簧钢,制备方法如下:
将铁水加入到120吨转炉中,1630℃下进行熔炼,60分钟后出钢,加入18%废钢进行调温至1650℃,转入精炼炉,在电磁搅拌下,加入硅铁、锰铁、铬钼铁、钒铁、铌铁和氮化锰,在1515±15℃下,对化学成分进行调整60分钟后,进行真空脱气(真空度≤130Pa条件下)然后连铸成180×180铸坯,以30℃/min的速度冷至1150℃后,空冷至室温,进行铸坯剥皮,剥去3.5mm深度后,再加热到1200℃,然后连轧成30*89mm弹簧带钢,开轧温度950℃, 终轧温度850℃,轧后以35℃/min的速度快冷至600℃,然后温度以10℃/min的速度慢冷到室温。
按上述方法制得30*89mm带钢,经检验其化学成分如表1所示,进一步加工成二片板簧,经850℃淬火及480℃回火后,按照GB/T228-2002进行拉伸试样加工与拉伸试验,并对屈服强度、延伸率和断面收缩率进行测试,组装成的板簧按照GB/T228-2002进行疲劳试验,其结果如表2所示。
实施例3
所述的含氮微合金化弹簧钢,制备方法如下:
将铁水加入到120吨转炉中,1700℃下进行熔炼,25分钟后出钢,加入18%废钢进行调温至1650℃,转入精炼炉,在电磁搅拌下,加入硅铁、锰铁、铬钼铁、钒铁、铌铁和氮化锰,在1535±15℃下,对化学成分进行调整20分钟后,进行真空脱气(真空度≤130Pa条件下)然后连铸成180×180铸坯,以35℃/min的速度冷至1150℃后,空冷至室温,进行铸坯剥皮,剥去3.0mm深度后,再加热到1200℃,然后连轧成30*89mm弹簧带钢,开轧温度900℃,终轧温度900℃,轧后以40℃/min的速度快冷至600℃,然后温度以9℃/min的速度慢冷到室温。
按上述方法制得30*89mm带钢,经检验其化学成分如表1所示,进一步加工成二片板簧,经900℃淬火及500℃回火后,按照GB/T228-2002进行拉伸试样加工与拉伸试验,并对屈服强度、延伸率和断面收缩率进行测试,组装成的板簧按照GB/T228-2002进行疲劳试验,其结果如表2所示。
对比例1
标准钢9260,经检验其化学成分如表1所示。进一步加工成二片板簧,经900℃淬火及500℃回火后,按照GB/T228-2002进行拉伸试样加工与拉伸试验,组装成的板簧按照GB/T228-2002进行疲劳试验,另外,检测其屈服强度、延伸率和断面收缩率,其结果如表2所示。
对比例2
标准钢5160,经检验其化学成分如表1所示。进一步加工成二片板簧,经900℃淬火及500℃回火后,按照GB/T228-2002进行拉伸试样加工与拉伸试验,组装成的板簧按照GB/T228-2002进行疲劳试验,另外,检测其屈服强度、延伸率和断面收缩率,其结果如表2所示。
对比例3
标准钢6150,经检验其化学成分如表1所示。进一步加工成二片板簧,经900℃淬火及 500℃回火后,按照GB/T228-2002进行拉伸试样加工与拉伸试验,组装成的板簧按照GB/T228-2002进行疲劳试验,另外,检测其屈服强度、延伸率和断面收缩率,其结果如表2所示。
表1实施例1-3和对比例1-3的化学成分比较
Figure PCTCN2018082189-appb-000001
表2检测结果
Figure PCTCN2018082189-appb-000002
从结果来看,在塑性、韧性、断面收缩率Z、延伸率A类似的条件下,本发明的弹簧钢的强度,包括屈服强度(Rp 0.2)与拉伸强度(Rm)均有显著提高,尤其是疲劳强度提高400%以上,特别适用于减重少片簧的制造上。

Claims (10)

  1. 一种含氮微合金化弹簧钢,其特征在于:包括如下质量比的化学成分:
    C:0.45-0.52%;Si:0.15-0.35%;Mn:0.90-1.10%;Cr:0.90-1.15%;Mo:0.10-0.25%;V:0.10-0.20%;Nb:0.025-0.04%;N:0.007-0.012%;Pb、Sn、Zn、Sb和Bi≤0.03%;O 2和H 2≤25ppm;S和P≤0.02%;Cu≤0.2%;Ni≤0.35%;余量为Fe。
  2. 根据权利要求1所述的含氮微合金化弹簧钢,其特征在于:所述的弹簧钢的微观组织为铁素体和珠光体组织。
  3. 一种权利要求1或2所述的含氮微合金化弹簧钢的制备方法,其特征在于:将弹簧钢原料依次进行熔炼、精炼、真空脱气、连续浇注冷却成钢锭、钢锭剥皮,再加热连续轧制、控制冷却、淬火和回火,得所述的弹簧钢产品。
  4. 根据权利要求3所述的含氮微合金化弹簧钢的制备方法,其特征在于:所述的熔炼温度为1630-1700℃,时间为25-60分钟;所述的精炼温度为1500-1550℃,时间为20-60分钟,精炼过程采用电磁搅拌。
  5. 根据权利要求3所述的含氮微合金化弹簧钢的制备方法,其特征在于:所述的真空脱气,真空度≤130Pa。
  6. 根据权利要求3所述的含氮微合金化弹簧钢的制备方法,其特征在于:所述的连续浇注冷却成钢锭,先以25-35℃/min降温至1150℃以下,然后自然冷却至室温。
  7. 根据权利要求3所述的含氮微合金化弹簧钢的制备方法,其特征在于:所述的钢锭剥皮的深度为至少3.0mm。
  8. 根据权利要求3所述的含氮微合金化弹簧钢的制备方法,其特征在于:所述的再加热连续轧制开轧温度为900-1100℃,终轧温度为850-900℃。
  9. 根据权利要求3所述的含氮微合金化弹簧钢的制备方法,其特征在于:所述的控制冷却具体为:首先快冷到600℃,然后保温慢冷至室温;快冷速度≥30℃/min,保温慢冷速度≤10℃/min。
  10. 根据权利要求3所述的含氮微合金化弹簧钢的制备方法,其特征在于:所述的淬火方式为油淬,淬火温度为850-900℃,保温时间为1.0-1.5分钟/mm,回火温度为400-500℃。
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