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CN107354388B - 一种高强高韧贝氏体弹簧钢及其制造方法 - Google Patents

一种高强高韧贝氏体弹簧钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高强高韧贝氏体弹簧钢及其制造方法，该弹簧钢的化学成分，以质量百分比计如下：C：0.25‑0.4％，Si：1.5‑2.5％，Mn：1.0‑2.0％，Cr：1.0‑2.0％，Mo：0.2‑0.5％，V：0‑0.15％，Ti：0‑0.10％，P≤0.03％，S≤0.01％，其余为Fe及不可避免的杂质，其金相组织显示以贝氏体或贝氏体/马氏体复相组织为主。其制备方法是将调整后的钢水在冶炼中控制残留有害元素[O]≤15ppm、[H]≤1.5ppm、[N]≤60ppm，然后浇成钢锭，经热轧成型或锻造成型后，再依次进行正火和在200‑400℃回火热处理或直接在200‑400℃回火热处理，即制成车辆、工程机械用弹簧。本发明弹簧钢配套对应的低污染、环保制造工艺满足高性能需求，特别适用于重载汽车或工程机械中。

Description

一种高强高韧贝氏体弹簧钢及其制造方法
技术领域
本发明属于弹簧钢及其制备技术领域，具体涉及一种高强度高韧性具有抗优异疲劳性能的贝氏体弹簧钢及其制造方法。
背景技术
近年来，随着我国国民经济发展的需要，在工程机械中、汽车、铁路运营中，都力图增加工程车、汽车、货运火车载重负荷和提高运行速度，以便增大运输能力，提高运输效率，降低运输成本。弹簧作为汽车零部件和铁路车辆常用消耗品，用量也很大。而随着车辆负载及运输提速等需求，对于车辆中的弹簧性能要求也在进一步提升，因此对弹簧钢的综合性能要求也随之提高。
同时，随着全球气候变暖、环境污染问题越来越严重，而传统的高性能弹簧钢如：60Si2MnA、60Si2CrA、50CrVA、30W2Cr2VA，在制造过程中，都需要进行油淬火+高温回火，这不仅能耗大，且油淬火还对环境有一定污染，因而降低能耗、减少二氧化碳排放、包括汽车轻量化，都需要发展生产工艺简单、节能、不需油淬火，对环境友好的新型高性能的弹簧钢材料。
而在近几年披露的研发的新型弹簧钢中，如国内武汉钢铁集团申请的发明专利CN104313483B—一种髙碳冷轧汽车膜片弹簧钢及其生产方法、浙江美力科技股份有限公司申请的发明专利CN103725984B—高韧性高强度弹簧钢、慈溪智江机械科技有限公司申请的发明专利CN104120362B—一种强韧性弹簧钢及其制备方法和新日铁住金株式会社申请的发明专利CN105121680B—耐疲劳特性优异的弹簧钢及其制造方法。在这些专利申请中，对弹簧钢所采用的最终热处理工艺都是油淬火+中、高温回火，得到组织主要是回火屈氏体，虽然在强度、韧性、抗疲劳性能方面各自都有不同侧重性的提高，但不足之处是，由于其都仍然采用的是传统热处理工艺，不仅工艺复杂，而且也达不到节能和对环境友好的要求。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术中弹簧钢在制备工艺上达不到节能和环保要求，且工艺比较复杂的现状，提供一种用于生产制造车辆或工程机械的高强高韧弹簧钢及其制造方法。所述弹簧钢是以Si-Mn-Cr-Mo合金元素配合，辅以V、Ti变质处理方案，并配套对应的低污染、环保制造工艺来满足高性能需求，特别适用于重载汽车、轨道车辆或工程机械中。
本发明提供的高强高韧贝氏体弹簧钢，该弹簧钢的化学成分，以质量百分比计如下：
C：0.25-0.4％，Si：1.5-2.5％，Mn：1.0-2.0％，Cr：1.0-2.0％，Mo：0.2-0.5％，V：0-0.15％，Ti：0-0.10％，P≤0.03％，S≤0.01％，其余为Fe及不可避免的杂质，其金相组织显示以贝氏体或贝氏体/马氏体复相组织为主。
优选地，该弹簧钢的化学成分按质量百分比计为：
C：0.25-0.34％，Si：1.5-2.5％，Mn：1.5-2.0％，Cr：1.5-2.0％，Mo：0.2-0.5％，V：0.01-0.15％，P≤0.03％，S≤0.01％，其余为Fe及不可避免的杂质，
或为：
C：0.35-0.4％，Si：1.5-2.5％，Mn：1.0-1.5％，Cr：1.0-1.5％，Mo：0.2-0.5％，Ti：0.01-0.10％，P≤0.03％，S≤0.01％，其余为Fe及不可避免的杂质。
以上优选方案中，前一种方案所限定的化学成分更适合于制备成型性和抗弯曲要求更高的螺旋弹簧，后一种方案所限定的化学成分更适合于制备对强度要求更高，承载能力更大的板式弹簧。
本发明提供的上述弹簧钢的制造方法，该方法是将原料放入电弧炉、中频或工频电炉中进行冶炼，并按以下该弹簧钢最终化学成分的质量百分比含量调整钢水：
C：0.25-0.4％，Si：1.5-2.5％，Mn：1.0-2.0％，Cr：1.0-2.0％，Mo：0.2-0.5％，V：0-0.15％，Ti：0-0.10％，P≤0.03％，S≤0.01％，其余为Fe及不可避免的杂质，
冶炼中控制残留有害元素[O]≤15ppm、[H]≤1.5ppm、[N]≤60ppm，然后浇成钢锭，经热轧成型或锻造成型后，再依次进行正火和在200-400℃回火热处理或直接在200-400℃回火热处理，即制成车辆、工程机械用弹簧。
所制得的弹簧钢除其化学成分能达到上述要求和形成的最终组织为贝氏体或贝氏体/马氏体复相组织，其抗拉强度(Rm)可达到1550-1700MPa，上屈服强度(ReH)可达到1300-1450MPa，断面收缩率大于40％，断后伸长率大于7％，常温深度2mmU型缺口试样的冲击吸收功(AKu2)可达到70-110J，-40℃可达到40-60J。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、由于由本发明提供的方法所制得的弹簧钢在其化学成分能达到相应的要求下，还能使最终的金相组织以贝氏体或贝氏体/马氏体复相组织为主，因而可使其具备良好的综合性能，即在满足高强度性能条件下，显示其韧性也很良好：-40℃以上无明显冷脆现象，-40℃时深度2mmU型缺口试样的冲击吸收功可达30-60J/cm2。
2、由于本发明提供的方法采用的是一次性热处理，即经热轧成型或锻造成型后既可以直接采用低温回火处理，又可以依次进行正火+低温回火处理，因而不仅生产工艺简单，还避免了传统弹簧钢热处理工艺需油淬火+中、高温回火，包括有的弹簧钢产品还需再高温加热(奥氏体化)的热处理方式所带来的弊病，大幅节省了购置高温设备及能源消耗的费用，降低了生产成本，且也不会对环境造成污染，更符合国家的环保政策。
3、由于本发明提供的方法采用的热处理回火是低温回火，因而不会在回火过程中改变弹簧钢先期形成的金相组织，保证了弹簧钢的优异性能。
4、由于本发明提供的弹簧钢产品中还含有较高的硅、铬合金元素，因而还可提高弹簧钢的抗蚀性，使之使用过程中性能更稳定。
5、由于本发明提供的弹簧钢产品可用于轧制或锻造成车辆、工程机械用各种弹簧产品，因而具有应用领域广泛、经济效益显著的特点。
附图说明
图1为本发明方法直接轧制成型后，直接低温回火后所得弹簧钢的金相组织照片；
图2为本发明方法直接轧制后依次经正火和低温回火热处理弹簧钢的金相组织照片。
从两张照片可见，该弹簧钢的金相组织是以贝氏体组织为主，含有少量马氏体组织。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
值得说明的是，以下实施例所得弹簧钢的抗拉强度、上屈服强度、断面收缩率和断后伸长率是参照GB/T 6344-2008标准测试的；冲击吸收功是参照GB/T 1843-2008标准测试的。
实施例1-6
将原料放入电弧炉、中频或工频电炉中进行冶炼，并按下面表1中各个实施例要制备的弹簧钢的化学成分质量百分比调整钢水，冶炼中控制残留有害元素[O]≤15ppm、[H]≤1.5ppm、[N]≤60ppm，然后浇成钢锭，经热轧成型或锻造成型后，再依次进行正火和在200-400℃回火热处理或直接在200-400℃回火热处理，最后按照常规方法制成车辆、工程机械用的各类弹簧。所得弹簧钢最终的金相组织为贝氏体或贝氏体/马氏体复相组织为主。表2为经轧制后正火+低温回火处理后弹簧钢的机械性能测试结果。
表1为各实施例所制得弹簧钢的化学成分质量百分比表，其余为Fe及不可避免的杂质
表2为各实施例经轧制后正火+低温回火所制得的弹簧钢的机械性能测试结果

Claims (4)

1.一种高强高韧贝氏体弹簧钢，其特征在于该弹簧钢的化学成分，以质量百分比计如下：
C：0.25-0.4％，Si：1.5-2.5％，Mn：1.0-2.0％，Cr：1.0-2.0％，Mo：0.2-0.5％，V：0-0.15％，Ti：0-0.10％，P≤0.03％，S≤0.01％，其余为Fe及不可避免的杂质，其金相组织显示以贝氏体或贝氏体/马氏体复相组织为主；
所述高强高韧贝氏体弹簧钢的制备方法为：将原料放入电弧炉、中频或工频电炉中进行冶炼，并按上述弹簧钢的化学成分的质量百分比含量调整钢水，冶炼中控制残留有害元素[O]≤15ppm、[H]≤1.5ppm、[N]≤60ppm，然后浇成钢锭，经热轧成型或锻造成型后，再依次进行正火和在200-400℃回火热处理或直接在200-400℃回火热处理，得到高强高韧贝氏体弹簧钢。
2.根据权利要求1所述高强高韧贝氏体弹簧钢，其特征在于该弹簧钢的化学成分按质量百分比计为：
C：0.25-0.34％，Si：1.5-2.5％，Mn：1.5-2.0％，Cr：1.5-2.0％，Mo：0.2-0.5％，V：0.01-0.15％，P≤0.03％，S≤0.01％，其余为Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述高强高韧贝氏体弹簧钢，其特征在于该弹簧钢的化学成分按质量百分比计为：
C：0.35-0.4％，Si：1.5-2.5％，Mn：1.0-1.5％，Cr：1.0-1.5％，Mo：0.2-0.5％，Ti：0.01-0.10％，P≤0.03％，S≤0.01％，其余为Fe及不可避免的杂质。
4.一种权利要求1-3任一项所述弹簧钢的制造方法，其特征在于该方法是将原料放入电弧炉、中频或工频电炉中进行冶炼，并按以下该弹簧钢最终化学成分的质量百分比含量调整钢水：
C：0.25-0.4％，Si：1.5-2.5％，Mn：1.0-2.0％，Cr：1.0-2.0％，Mo：0.2-0.5％，V：0-0.15％，Ti：0-0.10％，P≤0.03％，S≤0.01％，其余为Fe及不可避免的杂质，
冶炼中控制残留有害元素[O]≤15ppm、[H]≤1.5ppm、[N]≤60ppm，然后浇成钢锭，经热轧成型或锻造成型后，再依次进行正火和在200-400℃回火热处理或直接在200-400℃回火热处理，即制成车辆、工程机械用弹簧。
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