CN104313472B - 一种高碳热轧汽车膜片弹簧钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种高碳热轧汽车膜片弹簧钢，其组分及wt%为：C：0.70~0.90%，Si≤0.10%，Mn：≤0.80%，P≤0.008%，S≤0.003%，Alt：0.010~0.030%，Cr：1.20~1.80%，V：0.10~0.30%，Ca：0.002~0.006%，N≤0.004%；生产步骤：铁水脱硫；转炉冶炼；LF炉精炼；RH真空炉处理；连铸成坯；铸坯经切割后坑式缓冷；铸坯加热；分段热轧；卷取；缓冷；退火；淬火；回火；检验并待用。本发明经淬火及回火后抗拉强度在1600~2200MPa，HRC在47~57，弹性极限高高屈服极限、高抗疲劳极限和较长使用寿命，可用于制造各类大型工程机械车辆离合器总成。

Description

一种高碳热轧汽车膜片弹簧钢及其生产方法

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，国内汽车膜片弹簧钢中的碳含量不高，一般在0.65%以内，并多采用“热轧→退火→酸洗→加工→热处理”的工艺路线。主要由于其碳及铬含量低，使产品的力学性能如强度及硬度不高，其不能满足大型工程机械车等车辆膜片弹簧今后发展使用要求。

在本发明提出之前，涉及高碳热轧汽车钢制造领域的同类技术产品不多，特别是针对高碳热轧汽车膜片弹簧钢方面的更少。

经检索：中国专利申请号为CN201210462046.6的专利文献，其公开了“一种汽车用热轧膜片弹簧钢及其生产方法”专利申请号CN201210462046.6，所涉及钢具有下列成分及质量百分比C：0.40%~0.60%，Si：0.15%~0.35%，Mn：0.70%~1.20%，Cr：0.70%~1.20%，V：0.10~0.50%，P≤0.015%，S≤0.008%，其余为Fe和不可避免的杂质。该热轧钢带与本发明相比，在化学成分上添加了一定量的Cr，但C含量偏低，虽然综合力学性能优秀，但热处理后硬度和韧性达不到设计要求。

有三项日本专利JP2507791A、JP3745193A和JPH06228734，均为离合器膜片弹簧钢，这些钢与发明钢相比，化学成分上添加了一定量的Mo，C含量偏低，Si、Mn含量上限偏高，同时添加一定量的V、Nb、Cr等合金。这种钢与发明钢相比，强度偏高，生产时轧制负荷较大，对生产设备要求较高。此外，因为钢中Si含量较高，如生产宽带钢，后期加工剪切断裂风险较大。

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，满足发展的大型工程机械车辆膜片弹簧要求，本申请人研发本发明申请。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种经淬火及回火后抗拉强度在1600~2200MPa，HRC在47~57，弹性极限高的用于汽车热轧膜片弹簧用钢及其生产方法。

实现上述目的的措施：

一种高碳热轧汽车膜片弹簧钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.70~0.90%，Si≤0.10%，Mn：≤0.80%，P≤0.008%，S≤0.003%，Alt：0.010~0.030%，Cr：1.20~1.80%，V：0.10~0.30%，Ca：0.002~0.006%，N≤0.004%，余量为Fe及不可避免的夹杂；金相组织为回火马氏体。

生产一种高碳热轧汽车膜片弹簧钢的方法，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20分钟；

5）连铸成坯：在连铸过程中电磁搅拌始终；并对铸坯在压下率为2%~8%进行压下；

6）铸坯经切割后进行坑式缓冷，并冷却至室温；

7）对切割后的铸坯加热，加热温度控制为1200～1300℃，加热速率控制为8～14分钟/厘米；

8）进行分段热轧：控制粗轧开轧温度在1050～1200℃，控制精轧终轧温度在900～950℃；

9）进行卷取，控制卷取温度在700～800℃；

10）进行缓冷，在冷却速度不超过20℃/小时下冷却至不超过200℃；

11）进行退火，退火温度为750～850℃，退火及保温时间不低于1550min；

12)进行淬火：控制淬火温度在850～950℃，淬火保温时间不低于30min；

13）进行回火，控制回火温度在600～700℃，回火保温时间不低于50min；经回火后的金相组织为回火马氏体；

14）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：

考虑该钢主要是要保证高强度、高弹性、高屈服极限、高抗疲劳极限和较长使用寿命，同时还得具备良好的剪切和冷轧加工性能。因此，炼钢时要严格控制钢水的纯净度，防止P、S含量对钢脆性的影响。C、Si、Mn、Cr、V的设计成分保证了钢的强度、弹性、疲劳极限等范围符合汽车膜片弹簧钢的要求。总的说来，采用Cr、V及其他元素的复合微合金化上，要充分发挥各元素的特点。

合金元素对汽车膜片弹簧钢性能的影响

C：其是提高强度最有效的元素，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，为保证钢板有高强度、高淬硬性、高耐磨性，本发明将C含量控制在0.70%~0.90%以内。如果C含量过低，其强度、硬度和耐磨性将下降，达不到大型工程机械车辆膜片弹簧设计要求。

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。考虑本发明钢要进行冷轧加工，故Si含量控制在≤0.10%范围内。

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约可抗拉强度贡献100MPa的强度。Mn含量偏高会在钢中形成偏析带，造成局部硬度强度偏高，不利于后期冷轧加工。因此将Mn控制在≤0.80%。

Al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含量偏高时，易导致钢中夹杂增多，对钢的韧性不利，同时会降低钢的淬硬性和韧性，减少弹簧钢的使用寿命。因此将钢中Alt含量控制在0.030%以内。

Cr能提高钢的淬透性，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。材抗氢脆能力，提高钢材回火稳定性。考虑到上述分析结果，将Cr含量控制在1.20%~1.80%。为何要提高铬的含量？能解决现有技术存在的什么问题？

V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，本发明设计V的含量时将V控制在0.10%~0.30%。

（2）杂质元素和气体对汽车膜片弹簧钢性能的影响

冷轧汽车膜片弹簧钢需确保钢的冷轧加工性能，而钢中的杂质元素对钢的冷加工性能有很大影响。P、S尽管在钢中含量甚少，但对冷加工性能影响较大，严格控制其含量能明显减少加工过程中的断裂现象。在冷轧钢卷发生的脆断往往由裂纹源的扩展造成的，裂纹源则大多出现在P的偏析处，而含S的夹杂物的偏聚也易造成分层撕裂等。因此，对于该钢应将P控制在0.008%以内，S控制在0.003%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0.004%以内。

生产工艺设定的理由

（1）炼钢工艺

该钢冶炼时真空处理时间不低于20min，可较好的降低钢中杂质、气体含量。钢含碳量、合金元素含量较高，连铸前必须进行电磁搅拌和动态轻压下处理，降低元素偏析。铸坯切割后必须缓冷，避开高温脆化区域，防止断坯。

（2）轧钢工艺

由于该钢强度高，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℃，确保铸坯温度均匀。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1050~1200℃，精轧终轧温度为900~950℃，卷取温度为700~800℃。卷取后对钢卷进行缓冷工艺，是为了降低卷取内应力并使得钢卷不同部位力学性能均匀。

（3）热处理工艺

由于产品最终需要加工成汽车离合器圆片，且对产品质量要求较高，所以针对该钢的特点设计加工工艺路线：切割→退火→酸洗→冷轧→淬火→回火→检验发货。退火温度设计为750~850℃是为了大幅下降钢卷强度，并使得钢的珠光体组织球化且均匀，易于剪切加工。淬火温度设计为850~950℃，回火温度设计为600~700℃，是为了让钢完全奥氏体化，淬火+回火后得到均匀稳定的回火马氏体，获得高强度、高弹性、高屈服极限、高抗疲劳极限和较长使用寿命。

本发明钢具有如下优点：

在成分设计上采用高碳，并添加一定量的Mn、Cr、V，同时严格控制P、S含量，使得该钢具有优良的综合力学性能。利用合理的轧制和卷取制度，在轧机轧制能力范围内提高钢卷性能。后期加工中设计了热轧卷→退火→酸洗→切割→加工→淬火→回火的工艺路线，利用退火工艺降低了剪切难度，并通过淬火+回火热处理得到回马氏体组织，利用钢中Mn、Ni、V等微合金的复合强化作用保证了钢材获得足够的强度和耐磨性。

本发明钢经淬火及回火后抗拉强度在1600~2200MPa，HRC在47~57，弹性极限高高屈服极限、高抗疲劳极限和较长使用寿命，可用于制造各类大型工程机械车辆离合器总成。

附图说明

图1为本发明的热轧态金相组织图；

图2为本发明的退火态组织金相组织图；

图3为本发明的淬火+回火态金相组织图。

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：

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20分钟；

5）连铸成坯：在连铸过程中电磁搅拌始终；并对铸坯在压下率为2%~8%进行压下；

6）铸坯经切割后进行坑式缓冷，并冷却至室温；

7）对切割后的铸坯加热，加热温度控制为1200～1300℃，加热速率控制为8～14分钟/厘米；

8）进行分段热轧：控制粗轧开轧温度在1050～1200℃，控制精轧终轧温度在900～950℃；

9）进行卷取，控制卷取温度在700～800℃；

10）进行缓冷，在冷却速度不超过20℃/小时下冷却至不超过200℃；

11）进行退火，退火温度为750～850℃，退火及保温时间不低于1550min；

12)进行淬火：控制淬火温度在850～950℃，淬火保温时间不低于30min；

13）进行回火，控制回火温度在600～700℃，回火保温时间不低于50min；经回火后的金相组织为回火马氏体；

14）检验并待用。

表1本发明各实施例与对比钢化学成分（wt％）

表2本发明实施例与对比例的主要工艺过程

表3本发明实施例与对比钢种的热处理工艺过程

注：表1至表3的各实施例取值并非一一对应关系。

表4本发明实施例与对比例的力学检验结果

从表4可以看出，本发明钢种具有高强度（R_m：1600~2200MPa）、高弹性、高屈服极限和高抗疲劳极限，有良好的冷轧加工性能，可用于制造各类车辆离合器总成，特别是重型载重汽车。

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)

1.一种高碳热轧汽车膜片弹簧钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.81~0.90%，Si≤0.09%，Mn：≤0.46%，P≤0.008%，S≤0.003%，Alt：0.010~0.030%，Cr：1.27~1.80%，V：0.10~0.30%，Ca：0.002~0.006%，N≤0.004%，余量为Fe及不可避免的夹杂；金相组织为回火马氏体。

2.生产一种高碳热轧汽车膜片弹簧钢的方法，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20分钟；

5）连铸成坯：在连铸过程中始终进行电磁搅拌；并对铸坯在压下率为2%~8%进行压下；铸坯组分及重量百分比含量为：C：0.81~0.90%，Si≤0.09%，Mn：≤0.46%，P≤0.008%，S≤0.003%，Alt：0.010~0.030%，Cr：1.27~1.80%，V：0.10~0.30%，Ca：0.002~0.006%，N≤0.004%，余量为Fe及不可避免的夹杂；

6）铸坯经切割后进行坑式缓冷，并冷却至室温；

7）对切割后的铸坯加热，加热温度控制为1200～1300℃，加热速率控制为8～14分钟/厘米；

8）进行分段热轧：控制粗轧开轧温度在1160～1200℃，控制精轧终轧温度在900～950℃；

9）进行卷取，控制卷取温度在700～800℃；

10）进行缓冷，在冷却速度不超过20℃/小时下冷却至不超过200℃；

11）进行退火，退火温度为790～850℃，退火保温时间不低于1550min；

12)进行淬火：控制淬火温度在850～950℃，淬火保温时间不低于30min；

13）进行回火，控制回火温度在610～700℃，回火保温时间不低于50min；经回火后的金相组织为回火马氏体；

14）检验并待用。