WO2020020066A1 - 一种疲劳寿命优良的弹簧钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种疲劳寿命优良的弹簧钢及其制造方法，其化学成分重量百分比为：C：0.52-0.62％；Si：1.20-1.45％；Mn：0.25-0.75％；Cr：0.30-0.80％；V：0.01-0.15％；Nb：0.001-0.05％；N：0.001-0.009％；O：0.0005-0.0040％；P：≤0.015％；S：≤0.015％；Al：≤0.0045％；其余为Fe和不可避免杂质，且，同时满足：0.02≤(2Nb+V)/(20N+C)≤0.40。本发明所述弹簧钢的显微组织为回火屈氏体+索氏体组织，原奥氏体晶粒尺寸小于80um，合金氮碳析出物尺寸为5-60nm，单颗粒夹杂物最大宽度小于30um。所述弹簧钢加工强度达到2020MPa以上，同时具有良好塑韧性(面缩率≥40％)、疲劳寿命≥80万次，可满足汽车、机械等行业高应力弹簧的应用需求。

Description

一种疲劳寿命优良的弹簧钢及其制造方法 技术领域
本发明涉及弹簧钢及其制造方法，特别涉及一种疲劳寿命优良的弹簧钢及其制造方法，可用于加工强度达到2020MPa以上，面缩率≥40％，组织细化，钢质纯净度高，同时低成本、疲劳寿命优异的汽车弹簧。
背景技术
弹簧作为重要的减震和功能部件在社会生产和人们生活的方方面面均有着广泛应用，广泛应用于交通运输、机械制造、汽车工业、军工以及日常生活中。弹簧在弹性范围内使用，卸载后应回复到原来位置，希望塑性变形越小越好，因此钢丝应具有高的弹性极限，屈服强度和抗拉强度。屈强比越高，弹性极限就越接近抗拉强度，因而越能提高强度利用率，制成的弹簧弹力越强。弹簧依靠弹性变形吸收冲击能量，所以弹簧钢丝不一定要有很高的塑性，但起码要有能承受弹簧成型的塑性，以及足够的能承受冲击能量的韧性。弹簧通常在交变应力作用下长期工作，因此要有很高的疲劳极限，以及良好的抗蠕变和抗松弛性能。
随着汽车及机械行业技术进步，对弹簧零件强度及疲劳寿命提出更高要求，开发高强度、良好塑性、抗疲劳可靠性高的弹簧制造用材料成为各国先进钢铁企业关注的重点。
目前常规的Cr-V系、Cr-Mn系、Si-Mn系弹簧钢材料无法满足高强度弹簧生产要求，而强度更高、屈强比更好的常用Si-Cr系弹簧钢也已达到强度和疲劳寿命的极限。
中国专利CN101787493B公开的高强度弹簧钢合金成分为：0.56％～0.64％C、0.80％～1.10％Si、0.80％～1.20％Mn、P≤0.035％、S≤0.03％、0.80％～1.20％Cr、0.60％～1.00％Mo、0.20％～0.30％V、0.05％～0.12％Nb，0.01％～ 0.060％N、O.02％～0.07％RE，余量为Fe。该设计材料Mn、Cr、Mo合金元素添加较多，其中Mo主要用于提高钢的回火稳定性、耐持久蠕变性、耐热性等。
中国专利CN100455691C公开的弹簧钢合金成分为：0.4-0.6％C，1.7-2.5％Si，0.1-0.4Mn，0.5-2.0％Cr，0-0.006％N，0.021-0.07％Al。采用的是高碳高硅低锰合金设计路线，主要考虑的是控制残余奥氏体量和尺寸形状来增强钢的耐氢脆性，对材料淬回火过程要求高，同时合金AL含量高增加冶炼过程中夹杂物控制难度，硬脆的氧化铝极易导致弹簧疲劳寿命降低。
中国专利CN1279204C公开的弹簧钢合金成分设计如下：0.30-0.50％C，0.80-2.0％Si，0.50-1.0％Mn，0.40-1.0％Cr，0.01-0.5％W，0.08-0.30％V，0.005-0.25％的稀土元素，还可以含有0.001-0.10％的B，该合金主要采用低碳设计，提高Si元素含量提升强度，同时采用W元素提高钢的淬透性，提高变形抗力和防止脱碳，但W及稀土元素冶炼、热处理控制难度较高。
中国专利CN1039725C公开了一种用于汽车悬架弹簧的低脱碳、高韧性弹簧钢。这种钢中，在没有减少C含量的情况下提高元素Si含量，0.5—0.7％C，1.0-3.5％Si，0.3-1.5％Mn，0.3-1.0％Cr，0.05-0.5％V和或Nb，少于0.02％的P，少于0.02％的S，0.5-5.O％Ni和其他不可避免的杂质，剩余为Fe。该材料为解决脱碳问题和改善韧性，添加较多Ni元素，合金成本高。
现有合金技术方案中主要通过C、Si、Mn元素的调节来提高材料强度，过低的Si含量将导致材料弹性极限降低，抗弹减性变差，过高的Si含量将会导致材料塑性变差，同时增大脱碳控制难度，影响弹簧疲劳寿命。过高合金元素添加将导致材料成本升高，同时影响析出尺寸，导致材料疲劳性能降低。材料设计强度仍偏低，同时对于弹簧疲劳寿命考虑不多。
汽车轻量化发展及机械行业技术进步，推动弹簧材料强度不断提高，目前常用的Cr-V系、Cr-Mn系、Si-Mn系、Cr-Si系弹簧钢均已达到材料的极限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种疲劳寿命优良的弹簧钢及其制造方法，所述弹 簧钢加工强度≥2020MPa，同时具有良好塑韧性(面缩率≥40％)、疲劳寿命≥80万次，可满足汽车、机械等行业高应力弹簧的应用需求。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种疲劳寿命优良的弹簧钢，其化学成分重量百分比为：
C：0.52-0.62％；
Si：1.20-1.45％；
Mn：0.25-0.75％；
Cr：0.30-0.80％；
V：0.01-0.15％；
Nb：0.001-0.05％；
N：0.001-0.009％；
O：0.0005-0.0040％；
P：≤0.015％；
S：≤0.015％；
Al：≤0.0045％；
其余为Fe和不可避免杂质，且，同时满足：0.02≤(2Nb+V)/(20N+C)≤0.40。
本发明所述弹簧钢的显微组织为回火屈氏体+索氏体组织，原奥氏体晶粒尺寸≤80um，合金氮碳析出物尺寸为5-60nm，单颗粒夹杂物最大宽度≤30um。
在本发明所述弹簧钢成分设计中：
C是保证弹簧钢室温强度和淬透性所必需的成分，也是弹簧钢达到高的弹性极限、良好抗弹减性的元素，当C含量低于0.52％时该合金弹簧钢强度无法保证达到2020MPa以上，同时不利于微合金元素碳氮化物的析出，但过高的C含量将导致回火过程中碳化物尺寸过大，同时材料塑性恶化，不利于材料在高强度下保持良好的塑韧性，影响材料疲劳寿命，因此C元素含量需低于0.62％。
Si是一种非碳化物形成元素，主要固溶在铁素体相中起到强化的作用，提高合金硅含量有利于提高材料弹性极限及抗弹减性，优化弹簧性能，但过高的Si含量会导致材料塑性恶化，不利于弹簧成型，对成品弹簧寿命造成影响，同时Si含量高将导致材料生产及热处理过程中脱碳倾向增加，导致加工成本增 加，综合考虑本材料中Si含量控制范围为1.2-1.45％。
Mn是钢中常用添加元素，可有效提高淬透性和强度，并且对钢的塑性影响不大，为保证合金强度及淬透性Mn含量不能低于0.25％。当Mn含量添加过高将导致偏析严重，同时会造成晶粒长大，为此需对钢中Mn加以控制，允许范围为0.25-0.75％。
Cr具有提高弹簧钢淬透性，同时在回火过程中析出合金渗碳体，提高材料强度，Cr元素还有细化组织的作用，因此在本材料设计中为发挥Cr的固溶强化和析出强化作用，同时改善材料组织需控制其含量在0.30-0.80％。
V、Nb元素常用做微合金元素添加到钢中，该两类元素具有强的氮化物和碳化物形成倾向，提高回火过程碳氮化物析出形核率，细化组织。V、Nb的碳氮化物在盘条轧制过程中析出，将有利于降低材料奥氏体晶粒度，提升材料强度和塑性。纳米级的析出物对材料强度提升、塑性改善、疲劳寿命提升均有好处，当合金中V、Nb含量添加过多时将会导致析出物尺寸增加，同时考虑两种元素间的相互影响，经多轮次验证，控制V添加量为0.01-0.15％，Nb含量为0.001-0.05％，可达到较好的效果。N含量增加会造成材料脆性增强，同时考虑N对合金元素析出的作用，需控制钢中N：0.001-0.009％，同时为达到细化析出物的目的，钢中(2Nb+V)/(20N+C)控制范围为0.02-0.40，优选在0.045-0.37的范围内；在一些实施方案中，钢中(2Nb+V)/(20N+C)在0.15-0.37的范围内。为达到高强度、良好塑性及成品弹簧高的疲劳寿命，经调质处理后材料原奥氏体晶粒尺寸≤80um，钢中析出物尺寸控制范围为5-60nm。
Al在钢中主要起到脱氧作用，但Al脱氧形成的氧化铝为硬脆性相，对弹簧疲劳寿命影响较大，大颗粒脆性夹杂物是导致弹簧异常断裂的主要因素之一。为对钢中氧化铝夹杂物有效控制，钢中Al≤0.0045％，氧含量控制范围为0.0005-0.0040％；为了提升弹簧高强度下的疲劳寿命，钢中单颗粒夹杂物宽度需控制≤30um。
为保证材料的韧性，防止生产过程中发生热脆及冷脆等缺陷，将钢中有害的P、S元素含量分别控制在0.015％和0.015％以下，提高钢质纯净度。
本发明所述的疲劳寿命优良的弹簧钢的制造方法，包括：冶炼、连铸、粗 轧、高速线材轧制、斯太尔摩控冷、盘条拉拔、调质处理；其中，
所述冶炼采用电炉或转炉，冶炼后进行炉外精炼，炉外精炼采用LF炉加VD或RH脱气处理，LF精炼过程中调整合成渣组成和碱度，控制钢中P、S元素含量低于0.015％和0.015％，进行氩气搅拌，使精炼渣与钢液中夹杂物充分反应，实现夹杂物变性及去除，VD或RH真空脱气时间需大于30分钟，保证充分去除气体，控制终点O含量0.0005-0.0040％，N含量0.0010-0.0090％，H含量低于2ppm；精炼结束钢包镇静时间大于15min，以利于大颗粒夹杂物上浮，从而可将钢液中夹杂物尺寸控制为≤30um。
所述高速线材轧制中，加热炉加热控制在920-1150℃，保温时间为1.0-3.0h；盘条高速线材轧制过程中控制轧制速度为15-115m/s；在线温度控制优选方案为：精轧机组进口温度为880-1050℃，减定径机组进口温度为840-970℃，吐丝温度为800-950℃。
优选的，采用连铸机浇注圆坯或方坯，圆、方坯尺寸为320-500mm，通过调整连铸过程中拉速范围0.5-0.8m/min及末端轻压量大于10mm，达到控制坯料心部碳偏析低于1.08的目标；防止钢液浇铸过程中的二次氧化，同时有利于大于30um夹杂物的上浮去除。
优选的，所述粗轧采用二火成材工艺，将铸坯于1050-1270℃温度下初轧开坯为115-170mm方、圆坯料，轧制总压下量高于40％。
优选的，所述盘条拉拔时，拉拔速度不高于3.5m/min。
优选的，所述调质处理中，拉拔钢丝调质处理前加热温度控制在850-1100℃范围内，淬火介质采用油或水，淬火介质的温度控制在15-40℃，回火温度控制在370-550℃，从而将成品钢丝中氮碳析出物的尺寸控制在5-60nm的范围内。
优选的，所述斯太尔摩控冷中，斯太尔摩线14台风机风量调整范围为：F1-F7风机风量为10-100％，F8-F12风机风量为0-50％，F13-F14风机风量为0-50％。
在本发明所述弹簧钢制造方法中：
所述冶炼采用电炉或转炉，冶炼后进行炉外精炼，炉外精炼采用LF炉加 VD或RH脱气处理工艺，电炉或转炉出钢时防止炉渣进入钢包中，LF精炼过程中调整合成渣组成和碱度，控制钢中P、S元素含量低于0.015％和0.015％，进行氩气搅拌，使精炼渣与钢液中夹杂物充分反应，实现夹杂物变性及去除，VD或RH真空脱气时间需大于30分钟，保证充分去除气体，控制终点O含量0.0005-0.0040％，N含量0.0010-0.0090％，H含量低于2ppm。精炼结束钢包镇静时间大于15min，利于大颗粒夹杂物上浮，控制钢液中夹杂物≤30um。
采用连铸机对冶炼合金进行浇注，可浇注圆坯或方坯，圆、方坯尺寸为320-500mm，通过调整连铸过程中拉速及末端轻压下参数达到控制坯料心部碳偏析低于1.08的目标。防止钢液浇铸过程中的二次氧化，同时有利于大于30um夹杂物的上浮去除。采用二火成材工艺，将连铸坯于1050-1270℃温度下初轧开坯为115-170mm方、圆坯料，轧制总压下量需高于40％，细化组织。
加热炉加热，加热控制在920-1150℃，保温时间为1.0-3.0h。盘条高速线材轧制过程中控制轧制速度为15-115m/s。在线温度控制优选方案为：精轧机组进口温度为880-1050℃，减定径机组进口温度为840-970℃，吐丝温度为800-950℃。通过调整轧制过程温度及吐丝温度，使材料原奥氏体晶粒细化≤80um，同时控制析出物尺寸范围为5-60nm。
轧制盘条尺寸规格为Ф5-28mm，盘条轧制后通过调整斯太尔摩线风机分量控制盘条组织转变。斯太尔摩线14台风机风量调整范围为：F1-F7风机风量为10-100％，F8-F12风机风量为0-50％，F13-F14风机风量为0-50％。
热处理前盘条需进行拉拔处理，拉拔时控制拉拔速度不高于3.5m/min。拉拔钢丝调质处理前加热温度控制在850-1100℃范围内；淬火介质可采用油或水，其温度控制在15-40℃；回火温度控制在370-550℃，从而控制成品钢丝中析出物尺寸范围为5-60nm。
本发明的有益效果：
采用本发明钢成分和制造方法生产的弹簧钢强度可达2020MPa以上，该合金成本较低，通过纳米级析出物强化材料同时具有良好的塑韧性，具有好的弹簧成型性能，防止加工裂纹产生，同过组织细化及夹杂物组成及尺寸控制使成品弹簧具有高的疲劳寿命，可满足汽车轻量化和机械行业高强度长寿命使用 要求，有利于行业技术水平的提升，具有良好的经济效益。
具体实施方式
本发明的实施例A1-10#和三个对比钢种B1-3#的化学成分如下表1中所示，具体制造方法如下：
本发明实施例A1-5#、对比钢种B1、B2合金采用电炉冶炼，实施例A6-10#、对比钢种B3合金采用转炉冶炼，其后进行炉外精炼，其中实施例A1-3#、A6-8#、B1合金采用LF炉加VD精炼，而实施例A4-5#、A9-10#、B2、B3合金采用LF加RH处理，优化合成渣组织和碱度，A1-6#、B1真空脱气时间30分钟，A7-10#、B2、B3真空脱气时间35分钟，控制终点O含量0.0005-0.0040％，N含量N：0.001-0.009％，H含量低于2ppm。
冶炼结束后，A1-4#、B1采用圆坯浇铸为300mm圆坯，A5-6#浇铸为450mm圆坯，A7-9#、B2浇铸为320*420mm方坯，A10#、B3浇铸为500方坯，浇铸过程中采用密封性良好的中间包覆盖剂和结晶器保护渣。A1-5#、B1连铸坯初轧开坯温度为1050℃，轧制小方坯端面尺寸为115mm。A6-7#、B2方坯加热温度为1270℃，轧制坯料尺寸125mm。A8-10#、B3方坯加热温度为1100℃，轧制坯料尺寸170mm。
A1-4#、B1加热炉炉温控制在920℃，保温时间为1.0h，A5-10#、B2、B3加热炉炉温控制在1150℃，保温时间为3.0h。盘条高速线材轧制过程中控制轧制速度为15-115m/s。在线温度控制方案为：其中A1-6#、B1合金精轧机组进口温度为880-950℃，减定径机组进口温度为840-950℃，吐丝温度为800-890℃。A7-10#、B2、B3合金精轧机组进口温度为950-1050℃，减定径机组进口温度为940-970℃，吐丝温度为870-950℃。
其中，A1-5#、B1、B2合金轧制盘条尺寸规格分别为Ф5-15mm，A6-10#、B3合金盘条轧制规格为Ф16-28mm。A1-5#、B1合金盘条轧制后斯太尔摩冷却工艺为：F1-F4风机风量为40％，F5-F7风机风量为10％，F8-F12风机风量为5％，F13-F14风机风量为40％。A6-10#、B2、B3合金盘条轧制后斯太尔摩冷却工艺为：F1-F4风机风量为50％，F5-F7风机风量为20％，F8-F12风机风 量为15％，F13-F14风机风量为35％。经斯太尔摩冷却后盘条组织为索氏体加极少量铁素体。
热处理前对盘条进行拉拔处理，拉拔钢丝调质处理温度分三组，其中A1-2#、B1加热温度为850℃、回火温度550℃，A3-7#、B2加热温度为980℃、回火温度470℃，A8-10#、B3加热温度为1100℃、回火温度370℃。
实施例A1-A10的高强度弹簧及对比钢种B1-B3的力学性能如下表2中所示。由表中可以看到合金强度均达到2020MPa以上，高于对比例B1-B3试样，同时材料面缩率仍可达到40％以上，具有良好的塑韧性配合。将本发明高强度弹簧与对比合金制成相同型号螺旋弹簧，采用弹簧疲劳试验机，依照GBT16947-2009螺旋弹簧疲劳试验规范对螺旋弹簧进行疲劳寿命检测。结果如表3所示，在相同条件下，本发明高强度弹簧钢的疲劳寿命优于对比钢种。
表1：本发明实施例A1-10#和对比钢种B1-3#的化学成分(wt％)
Figure PCTCN2019096726-appb-000001
Figure PCTCN2019096726-appb-000002
表2：本发明的合金钢组织
Figure PCTCN2019096726-appb-000003
表3：本发明的合金钢实施例及对比钢种性能
Figure PCTCN2019096726-appb-000004
Figure PCTCN2019096726-appb-000005

Claims (9)

  1. 一种疲劳寿命优良的弹簧钢，其化学成分重量百分比为：
    C：0.52-0.62％；
    Si：1.20-1.45％；
    Mn：0.25-0.75％；
    Cr：0.30-0.80％；
    V：0.01-0.15％；
    Nb：0.001-0.05％；
    N：0.001-0.009％；
    O：0.0005-0.0040％；
    P：≤0.015％；
    S：≤0.015％；
    Al：≤0.0045％；
    其余为Fe和不可避免杂质，且，同时满足：0.02≤(2Nb+V)/(20N+C)≤0.40。
  2. 如权利要求1所述的疲劳寿命优良的弹簧钢，其特征在于，所述弹簧钢的显微组织为回火屈氏体+索氏体组织，原奥氏体晶粒尺寸≤80um，合金氮碳析出物尺寸为5-60nm，单颗粒夹杂物最大宽度≤30um。
  3. 如权利要求1或2所述的疲劳寿命优良的弹簧钢，其特征在于，所述弹簧钢的加工强度≥2020MPa，面缩率≥40％，疲劳寿命≥80万次。
  4. 如权利要求1或2或3所述的疲劳寿命优良的弹簧钢的制造方法，包括：冶炼、连铸、粗轧、高速线材轧制、斯太尔摩控冷、盘条拉拔、调质处理；其特征是，
    所述冶炼采用电炉或转炉，冶炼后进行炉外精炼，炉外精炼采用LF炉加VD或RH脱气处理；LF精炼过程中调整合成渣组成和碱度，控制钢中P、S元素含量低于0.015％和0.015％，进行氩气搅拌，使精炼渣与钢液中夹杂物充分反应，实现夹杂物变性及去除；VD或RH真空脱气时间大于 30分钟，控制终点O含量0.0005-0.0040％，N含量0.0010-0.0090％，H含量低于2ppm；精炼结束钢包镇静时间大于15min，以利于大颗粒夹杂物上浮，从而控制钢液中夹杂物小于30um；
    所述高速线材轧制中，加热炉加热控制在920-1150℃，保温时间为1.0-3.0h；盘条高速线材轧制过程中控制轧制速度为15-115m/s；在线温度控制方案为：精轧机组进口温度为880-1050℃，减定径机组进口温度为840-970℃，吐丝温度为800-950℃。
  5. 如权利要求4所述的疲劳寿命优良的弹簧钢的制造方法，其特征是，采用连铸机浇注圆坯或方坯，圆、方坯尺寸为320-500mm，通过调整连铸过程中拉速范围0.5-0.8m/min及末端轻压量大于10mm，达到控制坯料心部碳偏析低于1.08的目标。
  6. 如权利要求4所述的疲劳寿命优良的弹簧钢的制造方法，其特征是，所述粗轧采用二火成材工艺，将铸坯于1050-1270℃温度下初轧开坯为115-170mm的方坯料或圆坯料，轧制总压下量高于40％。
  7. 如权利要求4所述的疲劳寿命优良的弹簧钢的制造方法，其特征是，所述盘条拉拔时，拉拔速度不高于3.5m/min。
  8. 如权利要求4所述的疲劳寿命优良的弹簧钢的制造方法，其特征是，所述调质处理中，拉拔钢丝调质处理前加热温度控制在850-1100℃范围内，淬火介质采用油或水，淬火介质的温度控制在15-40℃，回火温度控制在370-550℃，从而控制成品钢丝中氮碳析出物尺寸范围为5-60nm。
  9. 如权利要求4所述的疲劳寿命优良的弹簧钢的制造方法，其特征是，所述斯太尔摩控冷中，斯太尔摩线14台风机风量调整范围为：F1-F7风机风量为10-100％，F8-F12风机风量为0-50％，F13-F14风机风量为0-50％。
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