CN111334708A

CN111334708A - 一种抗拉强度≥2250MPa且疲劳性能优异的高强度弹簧钢及其生产方法

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Publication number: CN111334708A
Application number: CN202010147753.0A
Authority: CN
Inventors: 姜婷; 汪开忠; 于同仁; 孙凯; 牟祖茂; 何峰; 郝震宇; 葛晴晴; 丁新军; 许文喜
Original assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2020-03-05
Publication date: 2020-06-26
Anticipated expiration: 2040-03-05
Also published as: CN111334708B

Abstract

本发明公开了一种抗拉强度≥2250MPa且疲劳性能优异的高强度弹簧钢，包括以下重量百分比的化学成分：C 0.70％～0.80％、Si 1.60％～2.00％、Mn 0.40％～0.60％、Cr 0.80％～1.00％、V 0.10％～0.20％、Nb 0.03％～0.05％、Mg 0.0015％～0.0035％、N 0.005％～0.008％、P≤0.015％、S≤0.015％、O≤0.0015％，其余为Fe和其它不可避免的杂质且30.5C+9.6Si+6.1Mn+11.5Cr+34.5V+19.8Nb+78.5≥135％；经电炉冶炼‑‑LF炉‑‑真空脱气‑‑连铸‑‑开坯‑‑线材轧制生产得到，本发明在C、Si、Mn、Cr、V、Nb、Mg、N的相互作用下，在特定的工艺下低成本地生产得到了抗拉强度≥2250MPa的高强度弹簧钢，其具有较好的强韧性、疲劳强度和优良的抗弹减性能。

Description

一种抗拉强度≥2250MPa且疲劳性能优异的高强度弹簧钢及其生产方法

技术领域

本发明属于弹簧钢技术领域，具体涉及一种抗拉强度≥2250MPa且疲劳性能优异的高强度弹簧钢及其生产方法。

背景技术

轻量化技术是汽车未来的发展趋势，弹簧作为汽车的安全部件之一，为了减轻自身重量，不断要求提高弹簧的设计应力。未来弹簧向高应力、轻量化、长寿命方向发展势头不可逆转，但目前用于制造高应力弹簧的材料性能已处于极限，进一步提高弹簧使用应力，研发高强韧性新材料是当务之急。

近年来，开发高强弹簧钢是热门课题。中国专利CN 103725984 A公开了一种高韧性高强度弹簧钢，其特征在于，材料的化学成分组成(重量百分比)为：C 0.35～0.50、Si1.50～2.50、Mn 0.35～1.00、P≤0.025、S≤0.015、Cr 0.50～1.20、Ni 0.15～0.50、Cu0.10～0.30、V 0.04～0.10、Ti 0.03～0.10，其余为Fe和其它不可避免的杂质。处理后材料的晶粒度为8.0级或以上，抗拉强度在1920MPa以上时，断面收缩率Z≥40％，断后伸长率≥10％。此方法不足之处时抗拉强度和国标55SiCrV等牌号的强度相比并未有显著提高。

中国专利CN 103667983A公开了一种高强度弹簧钢及其制备方法，其特征在于材料的化学成分组成(重量百分比)为：C1.0-1.3、Si0.6-0.9、Cu0.4-0.5、Ni14.0-14.5、Mn1.7-2.1、Ce0.03-0.05、Ti0.006-0.008、Zn0.02-0.05、Sn0.004-0.005、Cr1.0-1.3、P≤0.030、S≤0.030、余量为铁。形成的合金材料具有优异的综合力学性能，尤其具有超高的强度、硬度、韧性、可塑性和抗疲劳性，还具有耐腐蚀性。但此方法添加了大量的贵金属元素Ni，成本极高，不适合大批量生产及应用。

中国专利CN 105648332A公开了一种高性能弹簧钢，其特征在于材料的化学成分组成(重量百分比)为：C：1.9-2.2份，Cu：5-6份，Si：1-1.2份，Cr：0.8-1.2份，Nb：0.2-0.5份，V：0.2-0.3份，Al：0.5-0.8份，其余为Fe以及不可除去的杂质。所述高性能弹簧钢板材料经加热、成型、余热淬火、中温回火、最后进行产品最终形状的成型。本发明的有益效果是：弹性好，适合在载荷环境下正常的工作，对制造弹簧材质具有较高的屈服强度，并且具有较长的寿命。但该方法添加了5％及以上的铜元素，极易引起钢的铜脆开裂。

当前国内外使用的高强度弹簧钢的抗拉强度基本处于1800-2000MPa之间，2000-2100级别的钢种已开始研制并在高级轿车上试用，但更高级别的超高强韧性钢种尚未开始研制。而一些弹簧企业通过降低回火温度的方法提高现有钢种的强度，会导致塑韧性变差，疲劳寿命也有所降低。迫切需要开发更高强韧性弹簧用钢新材料，以提高弹簧应力和疲劳强度，满足汽车行业发展需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗拉强度≥2250MPa且疲劳性能优异的高强度弹簧钢及其生产方法。通过合理控制弹簧钢中各成分的含量范围结合合适的生产工艺生产得到高强度和高疲劳性能的弹簧钢。

本发明采取的技术方案为：

一种抗拉强度≥2250MPa且疲劳性能优异的高强度弹簧钢，包括以下重量百分比的化学成分：C 0.70％～0.80％、Si 1.60％～2.00％、Mn 0.40％～0.60％、Cr 0.80％～1.00％、V 0.10％～0.20％、Nb 0.03％～0.05％、Mg 0.0015％～0.0035％、N 0.005％～0.008％、P≤0.015％、S≤0.015％、O≤0.0015％，其余为Fe和其它不可避免的杂质；为了最大限度地利用合金元素的抗回火软化效果，需保证A值≥135％：A＝30.5C+9.6Si+6.1Mn+11.5Cr+34.5V+19.8Nb+78.5。

本发明还提供了所述的抗拉强度≥2250MPa且疲劳性能优异的高强度弹簧钢的生产方法，所述生产方法包括以下步骤：电炉冶炼--LF炉--真空脱气--连铸--开坯--线材轧制--热处理。

进一步地，所述连铸步骤中，连铸成250mm×250mm大方坯。

所述开坯步骤中，250mm×250mm大方坯加热，轧制为150mm×150mm方坯，然后堆冷，通过大方坯轧制小方坯，提高钢的压缩比，从而提高成品线材的内部品质，同时采用大方坯轧制，可避免圆坯的中心偏析。

所述加热温度为1200-1250℃，高于1250℃在加热炉内会产生表面脱碳，低于1200℃则导致出炉温度不足，引起轧制困难。此外，加热总时间≥230min，优选为235～262min。

所述线材轧制的工艺为：150mm×150mm方坯扒皮→加热→高速线材控制轧制→斯太尔摩冷却线控冷→Φ6.5～16mm线材盘条成品。

控制方坯扒皮深度1.2mm以上，充分去除小方坯表面缺陷，提高线材成品表面质量；

控制加热温度1020～1060℃，高于此温度范围会加重坯料表面脱碳，低于此温度范围不能充分奥氏体化和温度均匀化，优选为1032～1060℃；

终轧温度790～830℃，吐丝温度790～830℃,优选为799～815℃，高于此温度范围会造成后续冷却过程组织出现网状碳化物，低于此温度范围会造成后续冷却过程相变温度过低，出现贝氏体异常组织，优选为793～815℃；

采用上述方法生产的线材盘条组织为珠光体+少量铁素体，奥氏体晶粒度≥10级。

本发明还提供了所述的抗拉强度≥2250MPa且疲劳性能优异的高强度弹簧钢的热处理方法，将采用本发明成分和生产方法得到的弹簧钢经870～920℃淬火，油冷，420～450℃回火，空冷。热处理后抗拉强度≥2250MPa，断后伸长率≥10％，断面收缩率≥40％，疲劳强度≥880MPa，包辛格扭转试验逆回曲线面积≥300mm²。

本发明公开的抗拉强度≥2250MPa且疲劳性能优异的高强度弹簧钢的成分中各元素作用如下：

C：C是钢中最基本有效的强化元素，在弹簧钢回火硬度、确保耐磨损性的重要元素，是获得高强度和硬度的弹簧钢所必须的。高的碳含量虽然对钢的强度、硬度、弹性和弹减性能等有利，但不利于钢的塑性和韧性。C含量控制在0.70％～0.80％。

Si：Si是钢中强化的重要元素，通过固溶作用提高钢的强硬度，同时提高弹簧钢的减退抗力。但Si元素的提高会增加钢中碳的扩散，加剧钢材的脱碳。Si含量控制在1.60％～2.00％。

Mn：Mn和Fe形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，同时Mn是提高奥氏体组织的稳定性，显著提高钢的淬透性。但过量的Mn会降低钢的塑性。Mn含量控制在0.40％～0.60％。

Cr：Cr与C能形成稳定的化合物，阻止C或杂质的偏聚，提高基体的稳定性能，显著改善钢的抗氧化作用。Cr溶入铁素体中，产生固溶强化，能显著增加钢的淬透性和回火抗力，但过量的Cr增加钢的回火脆性倾向。Cr含量控制在0.80％～1.00％。

V：V是钢的优良脱氧剂，钢中加钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。V形成细小的碳氮化物,可提高耐氢致延迟断裂能力和疲劳性能。但过多的VC在晶内的弥散析出将导致钢韧性的降低。V含量控制在0.10％～0.20％。

Nb：Nb是非常有效的细化晶粒的微合金化元素，通过Nb和V的复合作用，与N形成氮化物，尤其可以通过增加形变带增加形核点，在相变过程中可以产生更加细小的铁素体，提高钢的强度和疲劳强度。但过量的Nb的强化作用不再明显，且增加钢的裂纹敏感性。Nb含量控制在0.03％～0.05％。

N：N主要是与钢中的钒和铌形成沉淀析出相，提高钢的强度和韧性。但过度的N在钢中析出Fe₄N，扩散速度慢，导致钢产生时效性，同时N还会降低钢的冷加工性能，控制N含量在0.005％～0.008％。

Mg：Mg不仅与氧和硫具有极好的亲和力，而且还具有极强的对夹杂物形态与尺寸的控制能力。对于Al脱氧钢，Mg处理在进一步降低钢中的溶解氧的同时，可将钢中的Al₂O₃夹杂变为高熔点的MgO·Al₂O₃，由于其在钢水中以固态存在，没有聚合长大的过程，因此，其氧化物夹杂的尺寸非常细小，弥散分布于钢中，不但对钢的强韧性没有负面影响，还可以提高弹簧钢的塑性和疲劳强度，但过量的Mg会导致夹杂尺寸粗大。Mg含量控制在0.0015％～0.0035％。

S和P：硫容易在钢中与锰形成MnS夹杂，恶化钢的疲劳性能；P是具有强烈偏析倾向的元素，通常还引起硫和锰的共同偏聚，对产品组织和性能的均匀性有害。控制P≤0.015％，S≤0.015％。

O：O在钢中形成氧化物夹杂，损害钢的加工性能和疲劳性能，控制O≤0.0015％。

本发明钢为了最大限度地利用合金元素的抗回火软化效果，需保证A值≥135％：A值是将C、Si、Mn、Cr、V、Nb对钢的芯部的回火硬度产生影响的程度以及对于各元素的影响度进行加权并相加的方式进行评价的指标。C、Si、Mn、Cr、V、Nb是本发明钢种主要的提高抗回火软化的元素。

进行以下实验：采用C 0.70％～0.80％、Si 1.60％～2.00％、Mn 0.40％～0.60％、Cr 0.80％～1.00％、V 0.10％～0.20％、Nb 0.03％～0.05％、Mg 0.0015％～0.0035％、N 0.005％～0.008％、P≤0.015％、S≤0.015％、O≤0.0015％，其余为Fe和其它不可避免的杂质，且满足A值≥135％的各种钢材，按本发明工艺方法生产后进行880℃淬火(油冷)+430℃(回火)的热处理，然后再测试其横截面上的维氏硬度(HV)，结果见图1。

对回火硬度和疲劳强度的关系进行了评价。疲劳试验为中村式旋转弯曲疲劳试验，在热处理后，将表层氧化铁皮去除制作试样，再进行疲劳弯曲试验。将10根试样以60％以上的概率出现10⁷次以上寿命的最大负载应力作为疲劳强度，结果见图2。

从图2可知：为了确保880MPa以上的疲劳强度，需要确保HV645以上的回火硬度。而从图1可知，为了确保HV645以上的回火硬度，需要A值维持在135以上。

本发明提供的抗拉强度≥2250MPa且疲劳性能优异的高强度弹簧钢的生产方法中，在C、Si、Mn、Cr、V、Nb、Mg、N的相互作用下，在特定的工艺下低成本地生产得到了抗拉强度≥2250MPa的高强度弹簧钢，其具有较好的强韧性、优异的疲劳强度和优良的抗弹减性能。

附图说明

图1为满足A值≥135％的钢材经热处理后的维氏硬度与A值之间的关系图；

图2为满足A值≥135％的钢材经热处理后的维氏硬度和疲劳强度之间的关系图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

本发明采用特定成分的线材盘条，实施例和对比例成分见表1，生产工艺如下：

电炉冶炼：出钢前定氧，出钢过程采用留钢操作，避免下渣；

LF炉：C、Si、Cr、Mn、V、Nb、Mg等元素调至目标值；

真空脱气：纯脱气时间≥15分钟，保证真空处理后[H]含量；

连铸：中包钢水目标温度控制在液相线温度以上10～40℃，连铸250mm×250mm大方坯；

开坯：250mm×250mm大方坯加热→轧制为150mm×150mm方坯→堆冷，控制加热炉均热温度1200-1250℃，加热总时间≥230min；

线材轧制路线：150mm×150mm方坯扒皮→加热→高速线材控制轧制→斯太尔摩冷却线控冷→Φ6.5～16mm线材盘条成品。其中控制扒皮深度1.2mm以上，保证扒皮后脱碳层为零；线材轧制时，控制加热温度1020～1060℃、终轧温度790～830℃、吐丝温度790～830℃。

热轧态性能检测方法如下：

热轧态组织：在热轧盘条上取横截面样，高度约10mm，经抛光后使用4％硝酸酒精进行腐蚀，腐蚀后在金相显微镜下观察组织；

奥氏体晶粒度评级：奥氏体化热处理工艺为：880℃淬火，油冷，淬火介质温度18-35℃，冷却后进行金相制样和奥氏体晶粒度评级；

表1各实施例和对比例化学成分(wt％)

表2各实施例和对比例生产参数控制、得到的线材组织及晶粒度

淬回火热处理后性能检测方法如下：

淬回火热处理拉伸性能：将盘条加工为标准拉力试样毛坯样(小规格则在中间坯上取样)，采用以下淬回火热处理工艺：880℃淬火，油冷，淬火介质温度18-35℃，430℃回火，随空气自然冷却，再进行标准拉力试样精加工，进行拉伸试验；

疲劳试验：对材料进行淬回火处理(880℃淬火，油冷，淬火介质温度18-35℃，430℃回火，随空气自然冷却)，将表层氧化铁皮去除制作试样，再进行疲劳弯曲试验。将10根试样以60％以上的概率出现10⁷次以上寿命的最大负载应力作为疲劳强度；

包辛格扭转试验逆回曲线测定：材料进行粗加工，再淬回火处理后精磨至包辛格扭转试验用标准样，在标准扭转机上进行试验。用15°/min的扭转速度将试样扭转至90°卸载，在重新加载使试样仍按原方向扭转至90℃再卸载。在扭矩-扭角曲线图上得到一个封闭的扭转迟滞回线，并计算其面积。其面积越大，弹减抗力越大。

表3各实施例和对比例淬回火热处理后拉伸性能、疲劳强度及抗弹减性

实施例1～5是化学成分和生产工艺均得到合理控制的例子，其热处理后强度均达到2250MPa以上，伸长率均达到12％以上，面缩率均达到42％以上，说明实施例具有较好的强塑性，同时疲劳强度优异、抗弹减性能良好，可用于制作2250MPa级高应力弹簧，应用于汽车、仪表仪器等高端制造业。

对比例1由于未添加Mg元素进行夹杂物改性，且氧含量控制水平较低，导致钢种夹杂物较多，此外由于采用的是380圆坯，中心成分偏析较严重，最终导致钢的塑性差，且严重恶化疲劳性能。

对比例2是成分均在控制范围，但A值偏低的例子，由于A值＜135，导致芯部回火硬度偏低，最终导致疲劳强度较低。

对比例3、4均为市场上常用的弹簧钢品种，虽经本发明的生产工艺控制得到，但化学成分不在本发明范围内，其抗拉强度在2000MPa以下，且和实施例相比，疲劳性能及抗弹减性能较差。

上述参照实施例对一种抗拉强度≥2250MPa的高强度弹簧钢及其生产方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种抗拉强度≥2250MPa且疲劳性能优异的高强度弹簧钢，其特征在于，包括以下重量百分比的化学成分：C 0.70％～0.80％、Si 1.60％～2.00％、Mn0.40％～0.60％、Cr0.80％～1.00％、V 0.10％～0.20％、Nb 0.03％～0.05％、Mg0.0015％～0.0035％、N0.005％～0.008％、P≤0.015％、S≤0.015％、O≤0.0015％，其余为Fe和其它不可避免的杂质；且30.5C+9.6Si+6.1Mn+11.5Cr+34.5V+19.8Nb+78.5≥135％。

2.一种如权利要求1所述的抗拉强度≥2250MPa且疲劳性能优异的高强度弹簧钢的热处理方法，其特征在于，将轧制得到的弹簧经870～920℃淬火，油冷，420～460℃回火，空冷。

3.一种如权利要求1所述的抗拉强度≥2250MPa且疲劳性能优异的高强度弹簧钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下步骤：电炉冶炼--LF炉--真空脱气--连铸--开坯--线材轧制--热处理。

4.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述连铸步骤中，连铸成250mm×250mm大方坯。

5.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述开坯步骤中，250mm×250mm大方坯加热，轧制为150mm×150mm方坯，然后堆冷。

6.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于，所述加热温度为1200-1250℃，加热总时间≥230min。

7.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述线材轧制的工艺为：150mm×150mm方坯扒皮→加热→高速线材控制轧制→斯太尔摩冷却线控冷→Φ6.5～16mm线材盘条成品。

8.根据权利要求7所述的生产方法，其特征在于，控制方坯扒皮深度1.2mm以上，控制加热温度1020～1060℃、终轧温度790～830℃、吐丝温度790～830℃。

9.根据权利要求7或8所述的生产方法，其特征在于，控制扒皮深度1.2mm以上，控制加热温度1032～1060℃、终轧温度793～815℃、吐丝温度799～815℃。

10.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述热处理步骤采用权利要求2所述的热处理方法进行，热处理后的弹簧钢抗拉强度≥2250MPa，断后伸长率≥10％，断面收缩率≥40％，疲劳强度≥880MPa，包辛格扭转试验逆回曲线面积≥300mm²。