CN107587068A - 一种抗拉强度≥2100MPa的弹簧钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

一种抗拉强度≥2100MPa的弹簧钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.63～0.70％、Si：1.35～‑1.55％、Mn：0.65～0.85％、P：≤0.015％、S：≤0.010％、Cr：0.60～0.80％、V：0.10～0.20％、Nb：0.05～0.08%、Cu：0.10～0.20%、N：0.0060～0.0080%。生产方法：常规转炉或电炉冶炼，LF钢包炉精炼和RH真空处理；浇铸成坯；对连铸采用水+气雾进行冷却；对连铸大方坯进行加热，加热温度不低于1200℃，加热时间不小于300min；开成小方坯对小方坯加热；吐丝；自然冷却至室温。本发明Rm在2100~2300MPa，延伸率A在12~18%,断面收缩率Z在35~50%，抗疲劳性能和抗弹减性能优良，完全满足更高端用户之需要。

Description

一种抗拉强度≥2100MPa的弹簧钢及生产方法

技术领域

本发明涉及一种弹簧钢及其生产方法领域，特别适用于汽车用高强度级别弹簧钢及其生产方法。

背景技术

随着节能环保问题越来越受到公众的关注，轻量化设计也成为了未来汽车行业的发展方向，受到各大汽车企业的重点关注，并且对汽车用钢高强化提出了更高要求。汽车弹簧的未来也将朝着经济型、高性能方向不断发展。用于未来汽车的弹簧钢将要具有以下特征：

1）要超高强度，即抗拉强度>2000MPa；

2）要有更高的疲劳强度和耐腐蚀疲劳性能：

3）要有优良的抗弹减性能；

4）性价比要高，即还要经济，成本低。

由于弹簧的质量与其设计应力的平方成正比，减轻弹簧质量一个最有效的措施便是提高弹簧的强度和设计应力。因此，在弹簧性能不变的前提下，随着设计应力的提高，弹簧直径和有效卷数减少，弹簧可减重40～50％。目前国内弹簧钢线材生产商生产的汽车悬架弹簧用钢丝强度可达到2000MPa，用于高要求的弹簧生产。随汽车轻量化要求的推进，2000MPa 的强度已经越来越难满足汽车厂商的要求，需要有更高强度的材料。但随着弹簧强度的提高，其延迟断裂几率大幅增加，同时弹减性也增大，导致弹簧高度下降，进而降低汽车保险杠的高度，这样容易造成安全问题。另外，随着人类在恶劣环境下（如山地和腐蚀环境）对汽车使用率越来越高，而传统弹簧的防腐方法已不适应汽车的发展。

通常人们认为，弹簧钢中硅元素能有效提高弹簧的抗弹减性能，但是高硅含量其又会使钢的韧性恶化，影响疲劳性能；同时，弹簧钢中过高的硅含量还会在加热时产生脱碳敏感现象，致热处理后弹簧表面不能达到设计的强度。因此，具有高疲劳性能和抗弹减性能的弹簧钢的成分设计和工艺控制是困扰当前弹簧钢向高应力发展的主要阻力。如经检索的：

中国专利公开号为CN 1091165 的文献，其公开了一种用于汽车悬挂螺旋弹簧及类似产品的悬挂弹簧钢。其成分配比（重量百分比%）为：C0.10～0.70，Si0.80～1.70，Mn0.50～1.00，Cr 0.50～0.80，W0.01～0.50，稀土元素0.005～0.25。此发明的关键在于通过加入微量的稀土元素和W，该文献的抗弹减性、抗脱碳性、疲劳性能以及弹簧的设计应力大为提高，但由于其强度较低（小于1700MPa）而其应用受到限制。

中国专利公开号为CN 10167179的文献， 其公开了一种弹簧钢，其成分配比（重量百分比%）为：C0.56～0.64，Si1.60～2.00，Mn0.60～0.90，Ti 0.00～0.015，S0.0055～0.03，Als0.01～0.02，余量为Fe 及不可避免杂质。该发明还提供了上述弹簧钢的制备方法，该方法包括将弹簧钢原料依次经过初炼、精炼、冷却成型、轧制、淬火和回火。该文献的虽得到的弹簧钢抗疲劳性好，生产方法简单，降低了成本，但由于其钢中含有Ti和Al，产生的TiN和Al2O3类夹杂物对弹簧的疲劳性能产生极大负面影响，而使其不能应用于高端弹簧。

中国专利公开号为CN 106191648的文献，其公开了一种65Si2CrVA弹簧钢及其生产工艺，按重量百分比包括以下成份：C0.52～0.60，Si1.40～2.00，Mn0 .70～1 .00，P≤0.025，S≤0 .025，Cr0 .15～0 .35，Ni≤0 .10，Cu≤0 .25，余量是Fe和不可避免的杂质。生产工艺包括：电炉冶炼-LF精炼-真空脱气-连铸-缓冷-棒材轧制-热处理-精检-性能检测-包装入库。其生产的65Si2CrVA弹簧钢虽具有脱碳倾向小、回火稳定性良好、热加工性能好、热处理后性能优良等特点，弹簧钢圆钢轧后空冷条件下具有良好的冷加工性能，冷加工时具有良好的塑、韧性，减少热加工成本，但其设计强度较低（小于1700MPa）而不能适应高应力弹簧的需求。

以上文献得到的弹簧钢热处理后性能：抗拉强度在1400～1700MPa，延伸率A≥12%，断面收缩率Z≥35%与更高端汽车对弹簧的要求还有差距，不能满足。

发明内容

本发明在于克服现有悬挂弹簧存在的高疲劳性能和抗弹减性能的不足，提供一种抗拉强度在2100~2300MPa，延伸率A≥12%，断面收缩率Z≥35%的抗疲劳性能和抗弹减性能优良的高强度弹簧钢及生产方法。

实现上述目的的措施：

一种抗拉强度≥2100MPa的弹簧钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.63～0.70％、Si：1.35～-1.55％、Mn：0.65～0.85％、P：≤0.015％、S：≤0.010％、Cr：0.60～0.80％、V：0.10～0.20％、Nb：0.05～0.08%、Cu：0.10～0.20%、N：0.0060～0.0080%，其余为铁和不可避免的夹杂；其力学性能：抗拉强度2100~2300MPa，延伸率A在12~18%,断面收缩率Z在35~50%。

优选地：V的重量百分比含量为0.14～0.18％。

优选地：Nb的重量百分比含量为0.062～0.078％。

优选地：N的重量百分比含量为0.006～0.0076%。

优选地：Cu的重量百分比含量为0.12～0.16%。

生产一种抗拉强度≥2100MPa的弹簧钢的方法，其步骤：

1）常规转炉或电炉冶炼，LF钢包炉精炼和RH真空处理，真空破空前2min向炉内按照2.0～-2.5kg/t钢添加钒氮合金，真空处理后的钢水再软吹8-15min；

2）浇铸成坯，并控制液面波动不大于1.5%；

3）对连铸采用水冷+气雾进行冷却，冷却强度：比水量不超过0.35L/kg钢；对连铸坯采用多级轻压下，总压下量不小于2%；

4）对连铸大方坯进行加热，加热温度不低于1200℃，加热时间不小于300min；

5）进行开坯，开成断面不大于160mm²小方坯，后对小方坯表面进行深度不低于1.0mm的表面修磨；

6）对小方坯进行加热，在加热速度为20～30℃/min下加到900～1000℃；

7）进行吐丝，采用斯太尔摩进行吐丝，吐丝温度在830～870℃，并控制辊道速度在24～50m/min；

8）自然冷却至室温。

本发明中各元素的作用及机理：

C：碳是钢中最主要的基本元素，是提高弹簧钢强度最有效、最经济的元素。通过提高弹簧钢中碳含量，能有效提高其强度，减轻弹簧重量，满足汽车弹簧高强度和轻量化的需求；但过高的碳会导致弹簧钢的韧性差，特别是热处理后易造成弹簧钢丝脆性过大，不易制簧或疲劳脆断，因此，碳控制在0.63-0.70%。。

Si：向弹簧钢中添加硅，一是提高强度，二是提高弹减抗力；Si在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。Si提高钢中固溶体强度的作用极强，当硅含量继续增加时，钢的强度指标，特别是屈服点有明显提高；同时，Si在钢中有很强的固溶强化作用，是对弹簧的抗弹性减退性能影响最大的合金元素，所以弹簧钢多半含有较多的Si，但Si过高会降低钢的塑性和韧性，且Si使碳的活性增加而促进钢的脱碳和石墨化而影响钢的抗疲劳性能，因此控制其含量为1.35-1.55%。

Mn：锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，能消除或减弱因S 所引起的热脆性，从而改善钢的热加工性能。Mn在提高弹簧钢强度的同时，对其延展性却几乎没有任何影响，Mn也强烈增加钢的淬透性，因此，锰控制为0.65-0.85%。

Cr：钢中的Cr，一部分置换铁形成合金渗碳体，提高其稳定性；一部分溶入铁素体中，产生固溶强化，是提高钢的淬透性和回火抗力的主要元素之一，Cr还可降低碳的活度，抑制钢在高温加热时的脱碳和石墨化倾向，对抗疲劳性能有利。同时Cr也有耐腐蚀性。但含量过高对弹减性能和韧性不利。因而控制Cr的含量为0.60-0.80%。

V：钒除提高钢的强度外，还改善钢的塑性和韧性。在弹簧钢中加入钒，与铬或锰配合使用，增加钢的弹性极限，并改善冶金质量。钢中的钒使钢晶粒细化，韧性增加。但钒含量不宜过高，因为过多的VC在晶内的弥散析出将导致钢韧性的降低。另外，钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。因此，V控制在0.10-0.20%，优选地V为0.14～0.18％。

Nb：铌和碳、氮、氧都有极强的结合力，并与之形成相应的极为稳定的化合物，因而能细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。同时，在弹簧钢中添加Nb，可提高弹簧抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。因此，控制Nb含量为0.05-0.08%。优选地：Nb的重量百分比含量为0.062～0.078％。

Cu：在弹簧钢中添加铜能改善弹簧的耐蚀能力；另外，铜可以增加钢的强度，但延展性会有所降低，铜的典型缺点是在热加工时容易产生热脆，因此，控制Cu含量为0.10-0.20%。

N：弹簧钢中添加氮主要是与钢中的钒和铌形成沉淀析出相，提高弹簧钢的强度和韧性，但氮易引起弹簧钢的淬火时效和形变时效，从而大幅降低塑性和韧性，因此，控制N含量为0.0060-0.0080%。优选地：N的重量百分比含量为0.006～0.0076%。

P：磷能强化铁素体相，提高钢的强度，但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，从而增加钢的缺口敏感性，因此，控制P含量为≤0.015％。

S：硫在钢中形成MnS和FeS夹杂和在晶界偏聚会恶化钢的冷加工性能，因而一般钢中尽量降低硫含量，因此，控制S含量为≤0.010％。

本发明与现有技术相比，本发明的性能为：抗拉强度在2100~2300MPa，延伸率A在12~18%,断面收缩率Z在35~50%，抗疲劳性能和抗弹减性能优良，完全满足更高端用户之需要。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的化学成分列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例及对比例经拉拔、淬火-回火制成弹簧钢丝后的性能检测结果列表。

本发明各实施案例均按照以下步骤进行生产：

1）常规转炉或电炉冶炼，LF钢包炉精炼和RH真空处理，真空破空前2min向炉内按照2.0～-2.5kg/t钢添加钒氮合金，真空处理后的钢水再软吹8-15min；

2）浇铸成坯，并控制液面波动不大于1.5%；

3）对连铸采用水冷+气雾进行冷却，冷却强度：比水量不超过0.35L/kg钢；对连铸坯采用多级轻压下，总压下量不小于2%；

4）对连铸大方坯进行加热，加热温度不低于1200℃，加热时间不小于300min；

5）进行开坯，开成断面不大于160mm²小方坯，后对小方坯表面进行深度不低于1.0mm的表面修磨；

6）对小方坯进行加热，在加热速度为20～30℃/min下加到900～1000℃；

7）进行吐丝，采用斯太尔摩进行吐丝，吐丝温度在830～870℃，并控制辊道速度在24～50m/min；

8）自然冷却至室温。

表1 本发明各实施例及对比例的化学成分（wt.%）

表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数取值列表

表3 本发明各实施案例的拉伸性能和镀层质量

从表3可以看出，本发明的高强度弹簧钢与常规弹簧钢相比，具有更高的强度和良好的韧性。

本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims (6)

1.一种抗拉强度≥2100MPa的弹簧钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.63～0.70％、Si：1.35～-1.55％、Mn：0.65～0.85％、P：≤0.015％、S：≤0.010％、Cr：0.60～0.80％、V：0.10～0.20％、Nb：0.05～0.08%、Cu：0.10～0.20%、N：0.0060～0.0080%，其余为铁和不可避免的夹杂；其力学性能：抗拉强度2100~2300MPa，延伸率A在12~18%,断面收缩率Z在35~50%。

2.如权利要求1所述的一种抗拉强度≥2100MPa的弹簧钢钢，其特征在于：V的重量百分比含量为0.14～0.18％。

3.如权利要求1所述的一种抗拉强度≥2100MPa的弹簧钢，其特征在于：Nb的重量百分比含量为0.062～0.078％。

4.如权利要求1所述的一种抗拉强度≥2100MPa的弹簧钢，其特征在于：N的重量百分比含量为0.006～0.0076%。

5.如权利要求1所述的一种抗拉强度≥2100MPa的弹簧钢，其特征在于： Cu的重量百分比含量为0.12～0.16%。

6.生产如权利要求1所述的一种抗拉强度≥2100MPa的弹簧钢的方法，其步骤：

1）常规转炉或电炉冶炼，LF钢包炉精炼和RH真空处理，真空破空前2min向炉内按照2.0～-2.5kg/t钢添加钒氮合金，真空处理后的钢水再软吹8-15min；

2）浇铸成坯，并控制液面波动不大于1.5%；

3）对连铸采用水冷+气雾进行冷却，冷却强度：比水量不超过0.35L/kg钢；对连铸坯采用多级轻压下，总压下量不小于2%；

4）对连铸大方坯进行加热，加热温度不低于1200℃，加热时间不小于300min；

5）进行开坯，开成断面不大于160mm²小方坯，后对小方坯表面进行深度不低于1.0mm的表面修磨；

6）对小方坯进行加热，在加热速度为20～30℃/min下加到900～1000℃；

7）进行吐丝，采用斯太尔摩进行吐丝，吐丝温度在830～870℃，并控制辊道速度在24～50m/min；

8）自然冷却至室温。