CN102925812A - 一种汽车用热轧膜片弹簧钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种汽车用热轧膜片弹簧钢及其生产方法，其组分及重量百分比含量为：C：0.40~0.60%，Si：0.15~0.35%，Mn：0.70~1.20%，P≤0.015%，S≤0.008%，Alt≤0.050%，Mo：0.10~0.30%，Cr：0.70~1.20%，V：0.10~0.50%，N≤0.005%；工艺步骤：脱硫、冶炼、精炼、真空处理、连铸成坯并按温度分段保温、铸坯加热、轧制、卷取、缓冷、剪切钢带、退火、成型、淬火、回火、待用。本发明具有生产低，能降低轧机负荷，综合力学性能优良，退火时钢卷受热均匀性好，确保了金相组织均匀性，并通过淬火+回火热处理得到回火索氏体组织，利用钢中Cr、Mo、V等微合金的复合沉淀析出保证了钢材获得足够的强度和耐磨性。
Description
技术领域
本发明涉及弹簧用钢，具体地用于汽车热轧膜片弹簧用钢及其生产方法。
背景技术
在本发明提出之前，涉及合金结构钢制造领域的同类技术产品较多，但针对汽车膜片弹簧钢方面的较少。经检索，中国专利名称为“高强韧高淬透性弹簧管材料”，专利申请号为CN200510018800.7的文献，其成分及质量百分比C：0.48~0.55%，Si：0.17~0.37%，Mn：0.70~1.00%，Cr：0.8~1.1%，B：0.001~0.004%，Ni≤0.35%，Cu≤0.25%，P≤0.03%，S≤0.03%，其余为Fe。其由于添加了B，且P、S含量控制水平不高，虽具有一定的经济性，但后期加工性能较差，不能满足汽车膜片弹簧用钢的要求。而且，该钢在进行淬火时，强度会得到较大提高，裂纹敏感性也较高，容易在后续处理中断裂，增加了热处理的难度。
日本专利文献JP19930037451“一种离合器膜片钢”和JP19890059067“一种汽车离合器膜片弹簧钢”，该两种钢在化学成分上由于均添加了较多的C、Si、Mn和一定量的Mo，导致不仅生产成本高，且对生产设备要求较高，后期加工难度也较大。
在汽车离合器总成中，膜片弹簧对汽车离合器总成中的性能和使用寿命有很大影响。目前，受冶金设备能力水平和后期加工水平所限，国内大型载重汽车和高档轿车膜片弹簧大部分还采用进口材料。国内汽车膜片弹簧钢多采用“热轧→退火→剪切加工→热处理”的工艺路线，通过退火处理降低钢的强度后再进行加工和热处理，但产品性能均匀性不好，但其产品综合力学性能和使用寿命达不到高档汽车离合器用钢的要求。为了进一步提高汽车膜片弹簧弹力、冷热加工性能、使用寿命，减少钢板性能波动，实现该钢种的国产化，结束大型载重汽车膜片弹簧依赖进口的历史，立项研发汽车膜片弹簧用钢。为了进一步提高汽车膜片弹簧弹力、冷热加工性能、使用寿命，并减少钢板性能波动，为此提出本发明。
发明内容
本发明的目的是提供一种汽车热轧膜片弹簧钢及其制造方法，能克服退火后钢卷组织和力学性能均匀性差，表面质量不好和冷加工性能不足，获得高强度、高弹性极限、高屈服极限和高抗疲劳极限性能的汽车用热轧膜片弹簧钢及其生产方法。
实现上述目的的措施：
一种汽车用热轧膜片弹簧钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.40~0.60%，Si：0.15~0.35%，Mn：0.70~1.20%，P≤0.015%，S≤0.008%，Alt≤0.050%，Mo：0.10~0.30%，Cr：0.70~1.20%，V：0.10~0.50%，N≤0.005%，余量为Fe及不可避免的夹杂。
生产一种汽车用热轧膜片弹簧钢的方法，其步骤：
1）进行铁水脱硫；
2）进行转炉冶炼；
3）在LF炉中进行精炼；
4）在RH真空炉中进行处理，控制真空处理时间不少于18分钟；
5）连铸成坯：在连铸过程中电磁搅拌始终；
6）在保温罩内对铸坯进行温度分段保温：当保温温度大于600℃时，冷却速度不高于50℃/小时；当保温温度在200～600℃范围内，冷却速度范围在150~250℃/小时；当保温温度低于200℃时，打开保温罩进行空冷；
7）对铸坯加热，加热温度控制为1200～1300℃，加热速率控制为8～14分钟/厘米；
8）进行分段轧制：控制粗轧开轧温度在1050～1150℃，控制精轧终轧温度在850～920℃；
9）进行卷取，控制卷取温度在680～780℃；
10）进行缓冷，冷却速度控制在不超过40℃/小时下冷却至不超过200℃；
11)剪切钢带；
12）进行退火，退火温度为700～780℃，退火时间：（6+0.5Q）×60分钟/吨钢,
式中，Q表示装入的钢板总重量，单位为吨；
13）加工成型；
14）按照成型件不同部位进行淬火：控制淬火温度在820～880℃，成型件内圈采用油或淬火剂进行，冷却速度控制在为120～150℃/秒；成型件外圈采用水进行，冷却速度控制在200～300℃/秒；
15）进行两阶段回火：第一阶段，回火温度在450～600℃时，回火时间为以毫米为单位的板厚外加30分钟；第二阶段，回火温度在250～400℃时，回火时间为以毫米为单位的板厚外加50分钟；
16）检验并待用。
本发明中各元素及主要工艺参数的作用及机理：
元素方面：
C：其是提高钢材强度最有效的元素，随着C含量的增加，钢中Fe3C增加，淬硬性也增加，钢的抗拉强度和屈服强度提高。但是，随着C含量增加，钢材的延伸率、冲击韧性和冷加工性能下降。因此，结合现有的同类型钢种，本发明钢的C含量应控制在0.45%~0.60%以内，保证钢板有高强度、高淬硬性、高耐磨性等。
Si：其与碳的亲和力很弱，在钢中不与碳化合，但能溶入铁素体，产生固溶强化作用，使得铁素体的强度和硬度提高，但塑性和韧性却有所下降。可见，Si对强度有一定帮助，但含量不可过高，以免降低钢的塑韧性。本发明钢的Si含量控制在0.15%~0.35%范围内可满足要求。
Mn：其与碳的亲和力较强，是扩大奥氏体相区、细化晶粒、球化碳化物和保证综合性能以及提高淬透性的有效元素，且它并不恶化钢的变形能力，1.00%的Mn约可为抗拉强度贡献100MPa。考虑到本发明钢的强度范围，因此将Mn控制在0.70%~1.20%。
Al：其是钢中的主要脱氧元素，在奥氏体中的最大溶解度大约0.6%，它溶入奥氏体后仅微弱地增大淬透性。但是当Al含量过高时，易导致钢中夹杂增多，对钢的韧性不利，因此将钢中Alt含量控制在0.050%以内。
Mo：在含碳量较高的钢中，Mo主要是为了提高钢的淬透性，提高钢的二次硬化能力，并能提高钢的强韧性，抑制回火脆性。同时，还能提高钢中渗碳体稳定性及硬度，对提高钢的弹性、耐磨性和极限强度有重要作用，但含量较多时会增加脱碳倾向性。因此，将Mo含量控制在0.10%~0.30%。
Cr：其能提高钢的淬透性并有二次硬化的作用，是有效提高钢材强度特别是高温强度的元素，还能提高钢中渗碳体稳定性及硬度，对提高钢的弹性、耐磨性和极限强度有重要作用。能够提高钢材抗氢脆能力和回火稳定性。同时，Cr还能提高钢卷表面质量，便于后期冷轧加工。考虑到上述分析结果，以及钢中Mo的含量水平，将Cr含量控制在0.70%~1.20%。
V：其是有效提高钢板强度的碳化物形成元素之一，在钢中的效果仅次于Nb、Ti。钢中加入V后将形成VC，提高了渗碳体的熔点、硬度和耐磨性。但V的含量不能过高，V在中温回火时发生弥散状态分布，产生二次硬化，不利于钢的加工检验。因此，设计V的含量时将V控制在0.10%~0.50%。
钢中的杂质元素P、S尽管在钢中含量甚少，但对冷热加工性能影响较大，严格控制其含量能明显减少加工过程中的断裂现象。在热轧钢卷发生的脆断部位往往是P的偏析出，而含S的夹杂物的偏聚也易造成分层撕裂等，对钢的加工性能有较大影响。因此，对于该钢应将P控制在0.015%以内，S控制在0.008%以内。
另外，该钢在连铸和缓冷过程要求较高，应尽量减少钢中气体含量，减小钢的偏析。同时，为了减少钢的时效影响，将N的含量控制在0.005%以内。
工艺方面：
炼钢工艺
本发明将炼钢工艺中的真空处理时间限定不少于18min，其目的是通过增加真空处理时间可较好的降低钢中杂质、气体含量。
本发明之所以要将真空处理时间控制为不小于18min，可较好的降低钢中杂质、气体含量。
还有规定在连铸时必须进行电磁搅拌，是因为钢含碳量、合金元素含量较高，以降低元素偏析。
还要求对铸坯按照温度段不同采取不同的缓冷速度，目的就是避开高温脆化区域，防止断坯，减少铸坯裂纹，提高铸坯质量。
轧钢工艺
由于本发明钢强度高，要按高强钢工艺进行轧制和卷取。轧制前铸坯加热温度为1200~1300℃，加热速率为8~14min/cm，确保铸坯温度均匀钢。粗轧和精轧时，设定温度要比常规低合金钢高，减小轧机设备负荷。同时，要考虑钢的临界点温度，避免出现混晶现象。因此，钢的粗轧开轧温度为1050~1150℃，精轧终轧温度为850~920℃，卷取温度为680~780℃。
加工、热处理工艺
本发明加工工艺路线：剪切→退火（碳氛围）→加工→淬火→回火→检验发货。之所以在退火前进行剪切，是为了较小退火钢卷的单重，使得热处理受热均匀，避免钢卷表层和心部受热和冷却速度不均匀而造成退火组织的不均匀，影响后面的加工和热处理后的性能。在退火时，退火炉中加入碳粉，可以有效避免钢卷表层脱碳现象，将脱碳层下降到20μm以内，减小脱碳部位钢卷性能不均匀性。将退火温度控制在700~780℃，是为了大幅降低钢卷强度，并使得钢的组织球化，以易于剪切加工。
将淬火温度控制在820~880℃，并按照不同部位采用不同的冷却制度，目的就是为了根据部件不同部位使用性能要求，精确控制不同部位的组织和力学性能，使得部件完全满足使用要求。
采用两阶段回火，第一阶段回火温度控制在450~600，并采用温度分段且温度段不同回火时间不同的方式，是为了让钢完全奥氏体化，淬火+回火后得到稳定的回火马氏体，获得高强度、高弹性、高屈服极限和高抗疲劳极限。第二阶段，回火温度控制在250～400℃，是为了降低部件的内应力，防止在使用过程中发生变形和断裂，确保使用安全。
本发明与现有技术相比，不仅具有高强度、高弹性、高屈服极限和高抗疲劳极限，可用于制造各类车辆离合器总成，特别是大型载重汽车和高档轿车。且在成分设计上采用中碳，并添加一定量的Mn、Cr、Mo、V，同时严格控制P、S含量，使得生产成本降低，利用合理的轧制和卷取制度，降低了轧机负荷和损害；后期加工中设计了热轧卷→切割→退火→加工→淬火→回火的工艺路线，通过减小退火钢卷单重，提高了退火时钢卷受热均匀性，确保了组织均匀性，并通过淬火+回火热处理得到回火索氏体组织，利用钢中Cr、Mo、V等微合金的复合沉淀析出保证了钢材获得足够的强度和耐磨性。
附图说明
图1为本发明的热轧态金相组织图
图2为本发明的热轧态横截面金相组织图。
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取值列表；
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力学性能检验结果列表。
本发明各实施例按照以下步骤生产：
其步骤：
1）进行铁水脱硫；
2）进行转炉冶炼；
3）在LF炉中进行精炼；
4）在RH真空炉中进行处理，控制真空处理时间不少于18分钟；
5）连铸成坯：在连铸过程中电磁搅拌始终；
6）在保温罩内对铸坯进行温度分段保温：当保温温度大于600℃时，冷却速度不高于50℃/小时；当保温温度在200～600℃范围内，冷却速度范围在150~250℃/小时；当保温温度低于200℃时，打开保温罩进行空冷；
7）对铸坯加热，加热温度控制为1200～1300℃，加热速率控制为8～14分钟/厘米；
8）进行分段轧制：控制粗轧开轧温度在1050～1150℃，控制精轧终轧温度在850～920℃；
9）进行卷取，控制卷取温度在680～780℃；
10）进行缓冷，冷却速度控制在不超过40℃/小时下冷却至不超过200℃；
11) 剪切钢带；
12）进行退火，退火温度为700～780℃，退火时间：（6+0.5Q）×60分钟/吨钢,
式中，Q表示装入的钢板总重量，单位为吨；
13）加工成型；
14）按照成型件不同部位进行淬火：控制淬火温度在820～880℃，成型件内圈采用油或淬火剂进行，冷却速度控制在为120～150℃/秒；成型件外圈采用水进行，冷却速度控制在200～300℃/秒；
15）进行两阶段回火：第一阶段，回火温度在450～600℃时，回火时间为以毫米为单位的板厚外加30分钟；第二阶段，回火温度在250～400℃时，回火时间为以毫米为单位的板厚外加50分钟；
16）检验并待用。
表1 本发明各实施例与对比钢种化学成分（wt％）
表2 本发明各实施例与对比钢种的主要工艺过程（一）
表2 本发明各实施例与对比钢种的热处理工艺过程（二）
表3 本发明各实施例与对比钢种的力学性能检验结果列表
从表3可以看出，本发明钢种有良好的冷热加工性能，并具有高强度（Rm：1500~2000MPa）、高弹性、高屈服极限和高抗疲劳极限，可用于制造各类车辆离合器总成，特别是大型载重汽车和高档轿车。
上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。
Claims (2)
1.一种汽车用热轧膜片弹簧钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.40~0.60%，Si：0.15~0.35%，Mn：0.70~1.20%，P≤0.015%，S≤0.008%，Alt≤0.050%，Mo：0.10~0.30%，Cr：0.70~1.20%，V：0.10~0.50%，N≤0.005%，余量为Fe及不可避免的夹杂。
2.生产如权利要求1所述的一种汽车用热轧膜片弹簧钢的方法，其步骤：
1）进行铁水脱硫；
2）进行转炉冶炼；
3）在LF炉中进行精炼；
4）在RH真空炉中进行处理，控制真空处理时间不少于18分钟；
5）连铸成坯：在连铸过程中电磁搅拌始终；
6）在保温罩内对铸坯进行温度分段保温：当保温温度大于600℃时，冷却速度不高于50℃/小时；当保温温度在200～600℃范围内，冷却速度范围在150~250℃/小时；当保温温度低于200℃时，打开保温罩进行空冷；
7）对铸坯加热，加热温度控制为1200～1300℃，加热速率控制为8～14分钟/厘米；
8）进行分段轧制：控制粗轧开轧温度在1050～1150℃，控制精轧终轧温度在850～920℃；
9）进行卷取，控制卷取温度在680～780℃；
10）进行缓冷，冷却速度控制在不超过40℃/小时下冷却至不超过200℃；
11) 剪切钢带；
12）进行退火，退火温度为700～780℃，退火时间：（6+0.5Q）×60分钟/吨钢,
式中，Q表示装入的钢板总重量，单位为吨；
13）加工成型；
14）按照成型件不同部位进行淬火：控制淬火温度在820～880℃，成型件内圈采用油或淬火剂进行，冷却速度控制在为120～150℃/秒；成型件外圈采用水进行，冷却速度控制在200～300℃/秒；
15）进行两阶段回火：第一阶段，回火温度在450～600℃时，回火时间为以毫米为单位的板厚外加30分钟；第二阶段，回火温度在250～400℃时，回火时间为以毫米为单位的板厚外加50分钟；
16）检验并待用。
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