高韌性高強(qiáng)度彈簧鋼的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種高韌性高強(qiáng)度彈簧鋼，其特征在于材料的化學(xué)成分組成（重量百分比）為：C?0.35～0.50、Si?1.50～2.50、Mn?0.35～1.00、P≤0.025、S≤0.015、Cr?0.50～1.20、Ni?0.15～0.50、Cu?0.10～0.30、V0.04～0.10、Ti0.03～0.10，其余為Fe和其它不可避免的雜質(zhì)。通過電爐或轉(zhuǎn)爐冶煉并采用爐外精煉技術(shù)控制氣體和雜質(zhì)含量，鋼中的氣體O≤12ppm，H≤1.5ppm，N≤60ppm，其非金屬夾雜物級(jí)別A、B、C、D四類的細(xì)系均≤1.5級(jí)，粗系均≤1.0級(jí)。熱處理后材料的晶粒度為8.0級(jí)或以上，抗拉強(qiáng)度在1920MPa以上時(shí)，斷面收縮率Z≥40%，斷后伸長率≥10%，制成的彈簧具有優(yōu)異的耐腐蝕疲勞性能，可制成最大設(shè)計(jì)剪應(yīng)力1180MPa的高疲勞強(qiáng)度彈簧。
【專利說明】局韋刃性局強(qiáng)度彈黃鋼
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種耐腐蝕性能優(yōu)異的高強(qiáng)度彈簧鋼，特別涉及在抗拉強(qiáng)度達(dá)到1920MPa以上時(shí)材料的塑性和韌性尚能達(dá)到很高水平且具有較強(qiáng)抗氫脆特性而使彈簧的腐蝕疲勞壽命得以提高的適合于車輛用的高強(qiáng)度彈簧鋼。
【背景技術(shù)】
[0002]彈簧鋼廣泛應(yīng)用于鐵路、汽車、工程機(jī)械等機(jī)械制造之中。而汽車制造和鐵路車輛是彈簧鋼材的最大用戶。由于彈簧類零部件的工作條件十分惡劣，對(duì)彈簧鋼的要求必然極為嚴(yán)格。 [0003]近年來，隨著全球氣候變暖等環(huán)境問題的突出，為限制能源消耗和減少二氧化碳的排放，汽車車體的輕量化已成為汽車業(yè)界的重要課題。作為實(shí)現(xiàn)車體輕量化的途徑，必然會(huì)要求支撐車體的懸架用彈簧鋼材的高強(qiáng)度化。
[0004]但是在汽車懸架用螺旋彈簧已經(jīng)實(shí)施高應(yīng)力設(shè)計(jì)的同時(shí)，再進(jìn)一步提高鋼材的強(qiáng)度指標(biāo)已受到很大限制。因?yàn)楝F(xiàn)有商用彈簧鋼在抗拉強(qiáng)度超過ISOOMPa時(shí)，材料塑性指標(biāo)，即拉伸試驗(yàn)的斷面收縮率Z (%)和斷后伸長率A (%)都有較大的下降。(按現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)油淬火回火彈簧鋼絲Φ 10.0mm以上的其斷面收縮率只能達(dá)到30%，Φ 14.0mm以上的則無規(guī)定)。所以當(dāng)抗拉強(qiáng)度超過ISOOMPa時(shí)，往往因其延伸性能不足造成卷繞性能的降低，即經(jīng)常發(fā)生卷制時(shí)的斷裂。且在這種高強(qiáng)度狀態(tài)由于對(duì)表面缺陷極度敏感，使材料疲勞強(qiáng)度不升反降。再有這種高強(qiáng)度鋼容易在腐蝕性氣體環(huán)境下出現(xiàn)氫脆而突然斷裂。對(duì)于彈簧在腐蝕性氣氛中工作的情況。(例如在道路上經(jīng)常采用融雪劑的寒冷地區(qū))由于材料的耐氫脆性能差，往往會(huì)因?yàn)楦g疲勞而導(dǎo)致彈簧的早期斷裂失效。
[0005]針對(duì)以上情況，為了確保螺旋彈簧在腐蝕環(huán)境下的耐久性，提出了各種技術(shù)方案，作為提高材料耐腐蝕性及耐氫脆性的方法，添加N1、Cr、Mo、V、Cu等昂貴的金屬元素。其實(shí)降低鋼中的碳含量是有利于鋼的耐腐蝕性的因素。但是對(duì)于彈簧鋼這樣要求高強(qiáng)度的鋼種。為了確保材料的抗松弛性能，碳元素的降低必有一定的限度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)上述技術(shù)問題，其目的是提供一種抗拉強(qiáng)度達(dá)到1920MPa以上但其塑性指標(biāo)比目前商用鋼高很多且有較高的低溫沖擊韌性的高韌性高強(qiáng)度彈簧鋼。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的高韌性高強(qiáng)度彈簧鋼，其特征是:其化學(xué)成分重量百分比為:C0.35 ~0.50%, Si 1.50 ~2.50%、Μη0.35 ~1.00%,P ( 0.025%, S ^ 0.015%, Cr0.50 ~1.20%、Ni0.15 ~0.50%、Cu0.10 ~0.30%、V0.04 ~0.10%、Ti0.03 ~0.10%，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)，各成分的百分比之和為100%。
[0008]作為優(yōu)選技術(shù)手段:所述不可避免的雜質(zhì)中包含以下含量的氣體:0 ( 12ppm，H^l.5ppm，N ^ 60ppm。
[0009]作為優(yōu)選技術(shù)手段:所述不可避免的雜質(zhì)中包含非金屬夾雜物硫化物、氧化鋁、硅酸鹽、球狀氧化物，它們的級(jí)別分別為硫化物粗系< 1.0級(jí)、硫化物細(xì)系< 1.5級(jí)、氧化鋁粗系< 1.0級(jí)、氧化鋁細(xì)系< 1.5級(jí)、硅酸鹽粗系< 0.5級(jí)、硅酸鹽細(xì)系< 0.5級(jí)、球狀氧化物粗系< 0.5級(jí)、球狀氧化物細(xì)系< 1.5級(jí)。
[0010]作為優(yōu)選技術(shù)手段:該材料熱處理后的晶粒度> 8.0級(jí)，抗拉強(qiáng)度1920MPa，斷面收縮率Z ^ 40%,斷后伸長率> 10%。
[0011]作為優(yōu)選技術(shù)手段:該材料用熱卷或冷卷制成螺旋壓縮彈簧經(jīng)淬火回火熱處理后通過噴丸強(qiáng)化和強(qiáng)壓處理，制造最大設(shè)計(jì)剪應(yīng)力> IlSOMPa的汽車懸架螺旋彈簧。
[0012]作為優(yōu)選技術(shù)手段:所述的化學(xué)成分V與Ti以碳化物或氮化物的形式存在。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:熱處理后材料的晶粒度為8.0級(jí)或以上，抗拉強(qiáng)度在1920MPa以上，斷面收縮率Z ^ 40%，斷后伸長率> 10%,比現(xiàn)有商用鋼制的彈簧有更高的疲勞壽命和耐腐蝕疲勞性能，可制成最大設(shè)計(jì)剪應(yīng)力1180MPa的高疲勞強(qiáng)度彈簧。
【具體實(shí)施方式】
[0014]本發(fā)明的高韌性高強(qiáng)度彈簧鋼，其化學(xué)成分重量百分比為:C0.35~0.50%、Sil.50 ~2.50%、Mn0.35 ~1.00%、P ≤ 0.025%、S ≤ 0.015%、Cr0.50 ~1.20%、Ni0.15 ~0.50%、Cu0.10 ~0.30%、V0.04 ~0.10%、Ti0.03 ~0.10%，其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)，各成分的百分比之和為100%。
[0015]具體的:不可避免的雜質(zhì)中包含以下含量的氣體:0≤12ppm, H^l.5ppm,N ( 60ppm ;還包含非金屬夾雜物硫化物、氧化鋁、硅酸鹽、球狀氧化物，它們的級(jí)別分別為硫化物粗系< 1.0級(jí)、硫化物細(xì)系< 1.5級(jí)、氧化鋁粗系< 1.0級(jí)、氧化鋁細(xì)系< 1.5級(jí)、硅酸鹽粗系< 0.5級(jí)、硅酸鹽細(xì)系< 0.5級(jí)、球狀氧化物粗系< 0.5級(jí)、球狀氧化物細(xì)系< 1.5級(jí)。該材料熱處理后的晶粒度> 8.0級(jí)，抗拉強(qiáng)度1920MPa，斷面收縮率Z ^ 40%,斷后伸長率> 10%。該材料用熱卷或冷卷制成螺旋壓縮彈簧經(jīng)淬火回火熱處理后通過噴丸強(qiáng)化和強(qiáng)壓處理，制造最大設(shè)計(jì)剪應(yīng)力≥IlSOMPa的汽車懸架螺旋彈簧。所述的化學(xué)成分V與Ti以碳化物或氮化物的形式存在。
[0016]本發(fā)明鋼含有多種合金元素，其中V與Ti的存在一般以碳化物或氮化物的形式存在，在鋼進(jìn)行淬火加熱時(shí)可以抑制奧氏體晶粒的長大，起到細(xì)化晶粒的作用，使得本發(fā)明鋼可以在更廣的范圍選擇淬火溫度，進(jìn)行熱處理工藝參數(shù)的最優(yōu)化，從而獲得最好的強(qiáng)度和韌性的配合。
[0017]本發(fā)明鋼由于奧氏體晶粒不易長大，可以采用較高的淬火溫度，提高了鋼的淬透性，這有利于大截面材料的淬火強(qiáng)化效果，而且高溫淬火所獲得的馬氏體組織中板條狀馬氏體(即位錯(cuò)馬氏體)所占的比例會(huì)提高，針狀馬氏體(即孿晶馬氏體)會(huì)減少。由于板條狀馬氏體本身的脆性較小，不像針狀馬氏體那樣，硬度高但脆性很大，所以采用高溫淬火對(duì)于提聞彈黃鋼熱處理后的朝性有利。
[0018]作為應(yīng)用于汽車和鐵路車輛的螺旋彈簧的高強(qiáng)度彈簧鋼，除了考慮車輛輕量化的需要在保持足夠的韌性的情況下盡量提高其強(qiáng)度性能外，也必須對(duì)彈簧的使用環(huán)境有充分考慮，也就是要改善鋼的耐腐蝕性來提高其抗氫脆性能從而使本發(fā)明鋼具有比現(xiàn)有高強(qiáng)度彈簧鋼明顯優(yōu)異的耐腐蝕疲勞的特性。
[0019]基于以上考慮，
【發(fā)明者】們對(duì)鋼的化學(xué)成分的規(guī)定及其理由敘述如下:[0020]C (0.35 ~0.50)%
[0021]碳是鋼中最主要的基本元素，為了確保鋼的高強(qiáng)度，含碳量不能太低。如前所述，現(xiàn)有商用彈簧鋼的碳多在0.60%左右，最低也有0.50%。由于含碳量高，材料的塑韌性差，且碳含量高鋼的耐腐蝕性能就差，這都會(huì)影響鋼的耐氫脆性能。適當(dāng)降低含碳量(本發(fā)明鋼為0.35%或更高)使彈簧的淬火組織中含有更多的板條狀馬氏體可以改善鋼在高強(qiáng)度狀態(tài)下的塑性性能而提高韌性，也對(duì)抑制氫脆的發(fā)生改善鋼的耐腐蝕疲勞性能有利。
[0022]Si (1.50 ~2.50)%
[0023]Si在鋼中有很強(qiáng)的固溶(置換型固溶體)強(qiáng)化作用，是對(duì)彈簧的抗彈性減退性能影響最大的合金元素，所以彈簧鋼多半含有較多的Si，因而將其含量規(guī)定在1.50%以上，但Si過高會(huì)降低鋼的塑性和韌性，且Si使碳的活性增加而促進(jìn)鋼的脫碳和石墨化而影響鋼的抗疲勞性能，因此控制其含量為1.50~2.50%。
[0024]Mn (0.35 ~1.00)%
[0025]Mn可以提高鋼的淬透性，也能起到固溶強(qiáng)化作用，Mn在鋼的冶煉過程中是脫氧和除硫的有效元素，Mn的含量太低則難以起到上述作用，規(guī)定其最少為0.35%。但Mn和P(磷)有強(qiáng)烈的晶界共偏聚傾向，促進(jìn)回火脆性而降低鋼的韌性，因此控制在1.0%以下。
[0026]Cr (0.50 ~1.20)%
[0027]Cr可有效地提高鋼的淬透性和回火抗力，也是固溶強(qiáng)化的元素，Cr還可降低碳的活度，抑制鋼在高溫加熱時(shí)的脫碳和石墨化傾向，對(duì)抗疲勞性能有利。同時(shí)Cr也有耐腐蝕性。但含量過高對(duì)彈減性能和韌性不利。因而控制Cr的含量為(0.50~1.20) %。
[0028]Ni (0.15 ~0.50)%
[0029]Ni可提高鋼的淬透性，改善鋼的抗彈減性能和保證在超高強(qiáng)度下的韌性。而且Ni還是一個(gè)提高鋼的耐腐蝕性能的很好元素，能夠抑制腐蝕坑的生成和其深度的擴(kuò)展從而改善高強(qiáng)度鋼的耐腐蝕疲勞性能。所以Ni的加入是利多弊少，但Ni的價(jià)格昂貴，考慮到經(jīng)濟(jì)性，Ni的含量為(0.15~0.50) %。
[0030]Cu (0.10 ~0.30)%
[0031]Cu也是一個(gè)具有改善鋼材自身耐腐蝕性能的元素，它和Ni —樣能促進(jìn)鋼在大氣中生成的銹具有保護(hù)性，能夠抑制產(chǎn)生的氫向鋼的侵入從而提高鋼在腐蝕環(huán)境下的耐氫脆化性能，特別是在N1、Cu共存時(shí)其效果更好。Cu優(yōu)選為0.10%以上，而含量過多會(huì)降低加工性能，故定上限為0.30%。
[0032]V (0.04 ~0.10)%
[0033]V是鋼中最常用的微合金化元素，V是強(qiáng)碳化物形成元素，鋼中細(xì)小彌散的碳化釩可阻止高溫加熱時(shí)奧氏體晶粒的長大，起到細(xì)化晶粒的作用，而在約900°C以上高溫下的加熱部分碳化釩會(huì)溶解，在一定條件下碳化釩的析出會(huì)起到沉淀硬化的作用而提高鋼的強(qiáng)度。晶粒細(xì)化和沉淀硬化可同時(shí)提高鋼的強(qiáng)度、韌性和疲勞性能，所以有不少彈簧鋼都含有釩。但是釩的資源稀少因而價(jià)格昂貴，因此，本發(fā)明鋼采用V、Ti同時(shí)加入的設(shè)計(jì)適當(dāng)減少V的含量，將其定位于(0.04~0.10)%。
[0034]Ti (0.03 ~0.10)%
[0035]Ti也是強(qiáng)碳化物形成元素，同時(shí)有固定鋼中N的作用。由于TiC和TiN的存在同樣會(huì)阻止奧氏體晶粒的長大起到細(xì)化晶粒的作用。而且彌散析出的TiC和TiN是鋼中陷阱能最高的氫陷阱，能抑制氫的擴(kuò)散，從而改善鋼的耐延遲斷裂性能。Ti含量不足0.02%起不到上述作用，但多了易形成粗大的TiN而惡化鋼的韌性，所以定為(0.03~0.10) %。
[0036]本發(fā)明鋼采用電爐或轉(zhuǎn)爐冶煉和相應(yīng)的爐外精煉技術(shù)鑄成鋼錠或連鑄成大方坯再熱軋加工成盤條或銀亮鋼。彈簧制造可以用冷卷成形或熱卷成形兩種方式，比較適合于彈簧成形后再進(jìn)行淬火回火熱處理，然后經(jīng)噴丸強(qiáng)化處理與立定處理再進(jìn)行表面涂裝成為彈黃成品。
[0037]彈簧的使用性能與耐久性首先取決于彈簧鋼的成分設(shè)計(jì)，但因?yàn)楸景l(fā)明鋼含有多種合金元素，在彈簧制造中的淬火回火熱處理是決定彈簧的性能的關(guān)鍵，首先需要進(jìn)行不同熱處理工藝處理的材料的拉伸試驗(yàn)來確定熱處理工藝參數(shù)與材料力學(xué)性能之間的關(guān)系。彈簧的熱處理工藝則需要根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果及彈簧的實(shí)際工作負(fù)荷及環(huán)境等條件來確定。
[0038]本發(fā)明沒有規(guī)定的熱處理?xiàng)l件，但是為了能夠同時(shí)獲得高韌性高強(qiáng)度性能以及滿足提高鋼的耐氫脆與耐腐蝕疲勞性能的要求，推薦最重要的熱處理工藝參數(shù)為:淬火加熱溫度(奧氏體化溫度):880~910°C，加熱后采取可以淬透的足夠的冷速冷卻(通常為油冷)；在300~340°C的范圍選取合適的回火溫度進(jìn)行回火，回火后快冷至室溫以避免回火脆性。
[0039]實(shí)施例1
[0040]熔煉下列成分的ML1900牌號(hào)的本發(fā)明鋼經(jīng)熱軋后退火處理并磨光成Φ 15.8mm的
銀売鋼。
[0041]C0.39、Sil.75、Mn0.64、P ≤ 0.006、S≤ 0.003、Cr0.73、Ni0.22、Cu0.23、V0.06、Ti0.049，其余為Fe及雜質(zhì)元素。
[0042]鋼中非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果如下表:
【權(quán)利要求】
1.高韌性高強(qiáng)度彈簧鋼，其特征是:其化學(xué)成分重量百分比為:c0.35~0.50%、Si 1.50 ~2.50%、Mn 0.35 ~1.00%、P ≤ 0.025%、S ≤ 0.015%、Cr 0.50 ~1.20%、Ni0.15 ~0.50%、Cu 0.10 ~0.30%、V 0.04 ~0.10%、Ti 0.03 ~0.10%,其余為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)，各成分的百分比之和為100%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高韌性高強(qiáng)度彈簧鋼，其特征是:所述不可避免的雜質(zhì)中包含以下含量的氣體:0≤ 12ppm, H ≤ 1.5ppm, N≤ 60ppm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高韌性高強(qiáng)度彈簧鋼，其特征是:所述不可避免的雜質(zhì)中包含非金屬夾雜物硫化物、氧化鋁、硅酸鹽、球狀氧化物，它們的級(jí)別分別為硫化物粗系≤1.0級(jí)、硫化物細(xì)系≤1.5級(jí)、氧化鋁粗系≤1.0級(jí)、氧化鋁細(xì)系≤ 1.5級(jí)、硅酸鹽粗系≤ 0.5級(jí)、硅酸鹽細(xì)系≤0.5級(jí)、球狀氧化物粗系≤0.5級(jí)、球狀氧化物細(xì)系≤1.5級(jí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高韌性高強(qiáng)度彈簧鋼，其特征是:該材料熱處理后的晶粒度≥8.0級(jí)，抗拉強(qiáng)度≥1920MPa,斷面收縮率Z≥40%,斷后伸長率≥10%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高韌性高強(qiáng)度彈簧鋼，其特征是:該材料用熱卷或冷卷制成螺旋壓縮彈簧經(jīng)淬火回火熱處理后通過噴丸強(qiáng)化和強(qiáng)壓處理，制造最大設(shè)計(jì)剪應(yīng)力≥1180MPa的汽車懸架螺旋彈簧。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高韌性高強(qiáng)度彈簧鋼，其特征是:所述的化學(xué)成分V與Ti以碳化物或氮化物的形式存在。
【文檔編號(hào)】C22C38/50GK103725984SQ201310737127
【公開日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】屠世潤 申請(qǐng)人:浙江美力科技股份有限公司