CN106834908A

CN106834908A - 盘簧钢

Info

Publication number: CN106834908A
Application number: CN201610380409.XA
Authority: CN
Inventors: 车星澈; 朴钟辉; 洪承贤; 李圭浩
Original assignee: Hyundai Motor Co; Hyundai Steel Co
Current assignee: Hyundai Motor Co; Hyundai Steel Co
Priority date: 2015-12-04
Filing date: 2016-06-01
Publication date: 2017-06-13
Also published as: DE102016208664A1; KR101776462B1; KR20170067121A; US20170159159A1

Abstract

本发明涉及一种盘簧钢，其包括：0.4‑0.9wt％的碳(C)；1.3‑2.3wt％的硅(Si)；0.5‑1.2wt％的锰(Mn)；0.1‑0.5wt％的钼(Mo)；0.05‑0.80wt％的镍(Ni)；0.05‑0.50wt％的钒(V)；0.01‑0.50wt％的铌(Nb)；0.05‑0.30wt％的钛(Ti)；0.6‑1.2wt％的铬(Cr)；0.0001‑0.3wt％的铝(Al)；小于或等于0.3wt％而大于0％的铜(Cu)；小于或等于0.3wt％而大于0％的氮(N)；0.0001‑0.0030wt％的氧(O)；以及余量的铁(Fe)和不可避免的杂质。

Description

盘簧钢

技术领域

本公开涉及一种通过碳化物控制而具有改进的强度和疲劳寿命的盘簧钢(coilspring steel)。

背景技术

车辆通常采用具有120kg/s²的弹簧常数的高强度盘簧(coil spring)，且目前正在开发具有130kg/s²的弹簧常数的高强度盘簧。由于使用具有110kg/s²至130kg/s²之间的较高弹簧常数的盘簧，因此通过减小弹簧的直径和用于卷绕高强度簧圈的圈数，车辆的总重量可以得到降低，然而由于在切削和涂装分离工艺之后的腐蚀，高强度簧圈的敏感性增加。此外，由于车辆的设计余量因盘簧直径的减小而无法得到保证，因此盘簧的强度可能降低，损坏率可能增加。

为了降低这些风险，采用双重涂覆和涂装工艺以防止腐蚀。然而，这样的方法可能引起材料成本的过度增加。因此，在目前的汽车行业中，有必要通过改进与材料相关的强度和腐蚀问题而增加车辆的耐久性。由于近来的车辆具有高性能、高功率和高效率，有必要增加车辆部件的强度并减轻其重量。例如，当将刚材用于悬架时，在重负荷和腐蚀条件下悬架必须是轻质的，因此，必须保证材料的强度和耐久性。

前述仅旨在帮助理解本公开的背景，并不意在表明本公开落入本领域技术人员已知的现有技术的范围之内。

发明内容

考虑到现有技术中出现的上述问题，作出本公开，本公开旨在提出一种通过碳化物控制而具有改进的强度和疲劳寿命的盘簧钢。

根据本公开的一个实施方式，盘簧钢包括：0.4-0.9wt％的碳(C)；1.3-2.3wt％的硅(Si)；0.5-1.2wt％的锰(Mn)；0.1-0.5wt％的钼(Mo)；0.05-0.80wt％的镍(Ni)；0.05-0.50wt％的钒(V)；0.01-0.50wt％的铌(Nb)；0.05-0.30wt％的钛(Ti)；0.6-1.2wt％的铬(Cr)；0.0001-0.3wt％的铝(Al)；小于或等于0.3wt％而大于0％的铜(Cu)；小于或等于0.3wt％而大于0％的氮(N)；0.0001-0.0030wt％的氧(O)；以及余量的铁(Fe)和不可避免的杂质。

盘簧钢可以具有2150MPa或更高的拉伸强度和690HV或更高的硬度。

由盘簧钢制造的线材(wire rod)在20kgfm的弯矩和100kgf的负荷的条件下可以具有280,000个循环或更高的疲劳寿命。

由盘簧钢制造的盘簧单一部件在喷洒50±5(g/L)的盐并施加20kgfm的弯矩和100kgf的负荷的复合腐蚀环境下可以具有360,000个循环或更高的复合腐蚀疲劳寿命。

从上述描述中明显的是，本公开的盘簧钢可以通过控制钼(Mo)、钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)和铬(Cr)的含量生成碳化物而具有改进的强度和疲劳寿命。

更具体而言，与现有的包括Fe-1.45Si-0.68Mn-0.71Cr-0.23Ni-0.08V-0.03Ti-0.23Cu-0.035Al-0.55C的钢相比，本公开的盘簧钢的拉伸强度能够增加10％且硬度能够增加17％。

因此，可以使盘簧钢的重量减少约15％，并使燃料效率提高约0.04％。此外，可以使钢的疲劳寿命改进27％，并使其耐腐蚀性和复合腐蚀疲劳寿命改进33％。

附图说明

根据以下具体实施方式且结合附图，将更加清楚地理解本公开的以上和其他目的、特征和优点，其中：

图1是示例说明根据本公开的实施方式在300℃-1600℃的温度范围内渗碳体中组分的质量分数的热力计算结果的图。

图2是示例说明根据本公开的实施方式在300℃-1600℃的温度范围内所有相的量的热力计算结果的图。

具体实施方式

下面将参考附图描述本公开中的示例性实施方式。

根据本公开的实施方式的盘簧钢包括0.4-0.9wt％的碳(C)、1.3-2.3wt％的硅(Si)、0.5-1.2wt％的锰(Mn)、0.1-0.5wt％的钼(Mo)、0.05-0.80wt％的镍(Ni)、0.05-0.50wt％的钒(V)、0.01-0.50wt％的铌(Nb)、0.05-0.30wt％的钛(Ti)、0.6-1.2wt％的铬(Cr)、0.0001-0.3wt％的铝(Al)、小于或等于0.3wt％(不包括0％)的铜(Cu)、小于或等于0.3wt％(不包括0％)的氮(N)、0.0001-0.0030wt％的氧(O)、以及余量的铁(Fe)和不可避免的杂质。

在下文中，将具体描述根据本公开的实施方式的盘簧钢的限定组分。

[碳(C)：0.4-0.9wt％]

在使钢淬火后碳增加了钢的强度。在钢的回火期间形成碳化物，例如CrC、VC或MoC。因此，钢具有改进的耐回火特性和软化特性，但是具有较低韧性。为了使碳有助于增加钢的耐回火性并改进钢的尺寸不变性和设定属性(形状保持性)，使碳形成TiMoC纳米-碳化物并被加热至约300℃的温度。

当碳的含量小于0.4wt％时，钢的强度增加不明显，且其疲劳强度降低。另一方面，当碳的含量超过0.9wt％时，存在大量不熔性的碳，且钢的疲劳特性和耐久寿命劣化。此外，钢在淬火前具有较差的可加工性。因此，碳的含量限制在0.4-0.9wt％的范围内。

[硅(Si)：1.3-2.3wt％]

硅改进钢的伸长百分比。此外，硅抑制钢的形状变化以改进其设定属性，并使钢的铁氧体和马氏体结构硬化以提高其耐热性和淬透性(hardenability)。

当硅的含量低于1.3wt％时，钢的伸长百分比和设定属性改进不明显。另一方面，当硅的含量超过2.3wt％时，由于碳与结构之间的氧的渗透而引起脱碳。此外，钢由于在被淬火之前硬度增加而具有较差的可加工性。因此，硅的含量限制在1.3-2.3wt％的范围内。

[锰(Mn)：0.5-1.2wt％]

锰改进钢的淬透性和强度。锰在钢的基底中被固化，以增加其弯曲疲劳强度和淬火特性。锰起到氧化物生成的脱氧剂的作用且抑制夹杂物例如氧化铝(Al₂O₃)的形成。另一方面，当钢中包括过量的锰时，其形成MnS夹杂物并引起高温脆性。

当锰的含量低于0.5wt％时，钢的淬火特性改进不明显。另一方面，当锰的含量超过1.2wt％时，钢在被淬火之前具有较差的可加工性，并且因MnS夹杂物的中心线偏析和沉淀而具有降低的疲劳寿命。因此，锰的含量限制在0.5-1.2wt％的范围内。

[钼(Mo)：0.1-0.5wt％]

钼形成细小沉淀物例如作为纳米-碳化物的TiMoC，并改进了钢的强度和断裂韧性。

当钼的含量低于0.1wt％时，钢的断裂韧性改进不明显。另一方面，当钼的含量超过0.5wt％时，钢具有较差的可加工性，因此具有较低的生产率。因此，钼的含量限制在0.1-0.5wt％的范围内。

[镍(Ni)：0.05-0.80wt％]

镍改进钢的耐腐蚀性和耐热性，且防止其低温脆性。

当镍的含量低于0.05wt％时，钢的耐腐蚀性和耐热性改进不明显。另一方面，当镍的含量超过0.80wt％时，钢具有高温脆性。因此，镍的含量限制在0.05-0.80wt％的范围内。

[钒(V)：0.05-0.50wt％]

钒形成作为细小沉淀物的VC，且用于改进钢的断裂韧性。作为细小沉淀物的VC抑制晶界的移动。钒在使钢奥氏体化时溶解并固化，并在使钢回火时沉淀，从而引起二次硬化。

当钒的含量低于0.05wt％时，钢的强度和断裂韧性改进不明显。另一方面，当钒的含量超过0.50wt％时，钢具有较差的可加工性，因此，具有较低的生产率，与钼类似。因此，钒的含量限制在0.05-0.50wt％的范围内。

[铌(Nb)：0.01-0.50wt％]

铌形成细小的沉淀物，并改进钢的强度和断裂韧性。此外，铌使钢结构得到精制并通过硝化作用使其表面硬化。

当铌的含量低于0.01wt％时，钢的强度和断裂韧性改进不明显。另一方面，当铌的含量超过0.50wt％时，钢具有高温脆性。因此，铌的含量限制在0.01-0.50wt％的范围内。

[钛(Ti)：0.05-0.30wt％]

钛形成细小沉淀物例如作为纳米-碳化物的TiMoC，并且改进钢的强度和断裂韧性。钛起到脱氧剂的作用，并形成Ti₂O₃以替代Al₂O₃的形成。

当钛的含量低于0.05wt％时，钢变得粗糙，且替代Al₂O₃的形成的作用较小，其中Al₂O₃是疲劳劣化的主要原因。另一方面，当钛的含量超过0.30wt％时，仅上述作用得到改进，从而引起成本增加。因此，钛的含量限制在0.05-0.30wt％的范围内。

[铬(Cr)：0.6-1.2wt％]

铬溶解在钢的奥氏体结构中并在使钢回火时形成CrC碳化物。因此，铬改进了钢的淬透性，通过抑制钢的软化而实现了强度和晶粒细化的改进，并改进了钢的韧性。

当铬的含量低于0.6wt％时，钢的强度和淬透性改进不明显。另一方面，当铬的含量超过1.2wt％时，仅钛中记载的作用得到增加，从而引起成本增加。因此，铬的含量限制在0.6-1.2wt％的范围内。

[铝(Al)：0.0001-0.3wt％]

铝改进了钢的强度和冲击韧性。由于铝与Nb、Ti和Mo一起加入到钢中，可以减少作为昂贵组分的用于晶粒细化的钒和用于保证韧性的镍的加入量。

当铝的含量低于0.0001wt％时，钢的强度和冲击韧性改进不明显。另一方面，当铝的含量超过0.3wt％时，形成作为较大方形夹杂物的Al₂O₃，这作为疲劳的起源起作用，从而使钢的耐久性劣化。因此，铝的含量限制在0.0001-0.3wt％的范围内。

[铜(Cu)：小于或等于0.3wt％(不包括0％)]

与镍类似，在将钢回火后，铜提高钢的强度并改进其耐腐蚀性。然而，当铜的含量超过0.3wt％时，合金成本增加。因此，铜的含量限制为小于或等于0.3wt％。

[氮(N)：小于或等于0.3wt％(不包括0％)]

氮通过与铝和钛反应形成AlN和TiN而使晶粒细化。然而，当氮的含量超过0.3wt％时，钢的淬火特性可能劣化。因此，氮的含量限制为小于或等于0.3wt％。

[氧(O)：0.0001-0.0030wt％]

氧与硅和铝结合形成硬质非金属氧化物夹杂物，并引起钢的疲劳寿命的劣化。因此，氧的含量可以尽可能低。

目前，无法将氧的含量限制在低于0.0001wt％。然而，当氧的含量超过0.003wt％时，氧与铝反应形成Al₂O₃，其作为疲劳的起源起作用，从而使钢的耐久性劣化。因此，氧的含量限制在0.0001-0.0030wt％的范围内。

[制造方法]

用于制造盘簧的方法包括加工并填充线材形式的钢材料，所述钢材料包括0.4-0.9wt％的碳(C)、1.3-2.3wt％的硅(Si)、0.5-1.2wt％的锰(Mn)、0.1-0.5wt％的钼(Mo)、0.05-0.80wt％的镍(Ni)、0.05-0.50wt％的钒(V)、0.01-0.50wt％的铌(Nb)、0.05-0.30wt％的钛(Ti)、0.6-1.2wt％的铬(Cr)、0.0001-0.3wt％的铝(Al)、小于或等于0.3wt％(不包括0％)的铜(Cu)、小于或等于0.3wt％(不包括0％)的氮(N)、0.0001-0.0030wt％的氧(O)、以及余量的铁(Fe)和不可避免的杂质。

盘簧以如下方式制造，即，进行将线材在一定高温下保持一定时间然后将其空气冷却以使晶粒细化并使其结构匀化的控制热处理工艺，并进行向匀化的线材提供强度和韧性的淬火和回火工艺。

[测试方法]

根据韩国工业标准KS B 0801使用标准直径为4mm的标准拉伸测试样品测定拉伸强度。此外，根据KS B 0802通过200吨测试仪测定标准拉伸测试样品。

根据KS B 0811使用Micro-Vickers硬度测试仪在300gf下测定硬度。

根据KS B ISO 1143，使用标准直径为4mm的标准拉伸测试样品、使用最大弯矩为20kgfm和最大负荷为100kgf的弯曲疲劳测试仪测定线材的疲劳寿命。

根据KS D 9502使用复合环境腐蚀测试仪测定腐蚀深度。

在盐喷洒环境下测定单一部件的腐蚀疲劳寿命。

根据KS D 9502，在喷洒50±5(g/L)的盐的复合腐蚀环境下使用腐蚀弹簧测试仪(CSTM)在20kgfm的最大弯矩和100kgf的最大负荷下测定复合腐蚀疲劳寿命。

[实施例和比较例]

表1

表2

表1显示出根据实施例和比较例的组分及其含量。表2显示出根据实施例和比较例的拉伸强度、硬度、线材疲劳寿命、腐蚀深度、单一部件腐蚀疲劳寿命和复合腐蚀疲劳寿命。

在比较例1和2中，其他组分的含量被控制在与根据实施例的盘簧钢相同的范围内，仅将钼(Mo)的含量控制为小于或超过根据实施例的盘簧钢的钼(Mo)的含量。

在比较例3和4中，其他组分的含量被控制在与根据实施例的盘簧钢相同的范围内，仅将镍(Ni)的含量控制为小于或超过根据实施例的盘簧钢的镍(Ni)的含量。

在比较例5和6中，其他组分的含量被控制在与根据实施例的盘簧钢相同的范围内，仅将钒(V)的含量控制为小于或超过根据实施例的盘簧钢的钒(V)的含量。

在比较例7和8中，其他组分的含量被控制在与根据实施例的盘簧钢相同的范围内，仅将铌(Nb)的含量控制为小于或超过根据实施例的盘簧钢的铌(Nb)的含量。

在比较例9和10中，其他组分的含量被控制在与根据实施例的盘簧钢相同的范围内，仅将钛(Ti)的含量控制为小于或超过根据实施例的盘簧钢的钛(Ti)的含量。

在比较例11和12中，其他组分的含量被控制在与根据实施例的盘簧钢相同的范围内，仅将铬(Cr)的含量控制为小于或超过根据实施例的盘簧钢的铬(Cr)的含量。

如表2所示，比较例1-12中的钼(Mo)、镍(Ni)、钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)和铬(Cr)的含量不满足根据实施例的盘簧钢组分的限定含量范围。因此，可以看出，与实施例1-3相比，比较例1-12中的拉伸强度和硬度较低。

此外，可以看出，与实施例1-3相比，比较例1-12中的线材疲劳寿命、单一部件腐蚀疲劳寿命和复合腐蚀疲劳寿命较差。可以看出，由于与实施例1-3相比腐蚀深度更深，因此腐蚀性能降低。

钼、钒、铌、钛和铬是分别与碳反应形成碳化物并生成MoC、VC、NbC、TiC和CrC的组分。通过这样的碳化物的均匀分布，钢的拉伸强度和硬度得以提高，并且与耐久性和耐腐蚀性相关的线材疲劳寿命、单一部件腐蚀疲劳寿命和复合腐蚀疲劳寿命得以提高。

这些结果可以通过图1所示的图得到确认。图1是示例说明根据本公开的包括Fe-1.6Si-0.7Mn-0.8Cr-0.3Ni-0.3Mo-0.3V-0.1Nb-0.09Ti-0.55C(包括少量其它的Al、Cu、N和O)的盘簧钢中在300℃-1600℃的温度范围内渗碳体中组分的质量分数的热力计算结果的图。可以看出，在渗碳体中对各个温度而言，发生了八种组分的复合行为，并且细小的碳化物例如MoC、VC、NbC、TiC和CrC得到均匀分布。

图2是示例说明根据本公开的包括Fe-1.6Si-0.7Mn-0.8Cr-0.3Ni-0.3Mo-0.3V-0.1Nb-0.09Ti-0.55C(包括少量其它的Al、Cu、N和O)的盘簧钢中在300℃-1600℃的温度范围内所有相的量的热力计算结果的图。可以看出，除了FCC-Al(奥氏体)、BCC-A2(铁氧体)和渗碳体之外，还形成了多种碳化物例如MS-ETA和M7C3，并且钢的强度和疲劳寿命得到改进。

如上所述，通过控制钼(Mo)、钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)和铬(Cr)的含量生成碳化物，本公开的盘簧钢能够具有改进的强度和疲劳寿命。

更具体而言，与现有的包括Fe-1.45Si-0.68Mn-0.71Cr-0.23Ni-0.08V-0.03Ti-0.23Cu-0.035Al-0.55C的钢相比，本公开的盘簧钢能够具有增加10％的拉伸强度和增加17％的硬度。因此，可以使盘簧钢的重量降低约15％，且使燃料效率提高约0.04％。此外，可以使钢的疲劳寿命改进27％，且使其耐腐蚀性和复合腐蚀疲劳寿命改进33％。

虽然已经出于说明性的目的公开了实例性实施方式，但是本领域技术人员将会认识到，在不偏离所附权利要求公开的本发明的范围和精神的情况下，可以进行多种修改、添加和替代。

Claims

1.一种盘簧钢，其包括：

0.4-0.9wt％的碳C；

1.3-2.3wt％的硅Si；

0.5-1.2wt％的锰Mn；

0.1-0.5wt％的钼Mo；

0.05-0.80wt％的镍Ni；

0.05-0.50wt％的钒V；

0.01-0.50wt％的铌Nb；

0.05-0.30wt％的钛Ti；

0.6-1.2wt％的铬Cr；

0.0001-0.3wt％的铝Al；

小于或等于0.3wt％而大于0％的铜Cu；

小于或等于0.3wt％而大于0％的氮N；

0.0001-0.0030wt％的氧O；以及

余量的铁Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的盘簧钢，其中所述盘簧钢具有2150MPa或更高的拉伸强度和690HV或更高的硬度。

3.根据权利要求1所述的盘簧钢，其中由所述盘簧钢制成的线材在20kgfm的弯矩和100kgf的负荷下具有280,000个循环或更高的疲劳寿命。

4.根据权利要求1所述的盘簧钢，其中由所述盘簧钢制成的盘簧单一部件在喷洒50±5g/L的盐且施加20kgfm的弯矩和100kgf的负荷的复合腐蚀环境下具有360,000个循环或更高的复合腐蚀疲劳寿命。