CN109881101A - 一种抗拉强度≥2100MPa的耐蚀弹簧用钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于弹簧钢及本发明属于弹簧钢及其生产方法领域，尤其涉及一种抗拉强度≥2100MPa的耐蚀弹簧用钢及其生产方法，其化学成分及重量百分比为：C 0.57～0.63％、Si 1.50～2.00％、Mn 0.40～0.60％、Cr 0.80～1.00％、V 0.02～0.10％、Nb 0.015～0.04％、Ni 0.05～0.15％、Cu 0.05～0.15％、Re 0.01～0.03％、P痕量～0.015％、S痕量～0.015％、O≤0.0015％、N≤0.006％、[H]≤0.00015％，其余为Fe和其它不可避免的杂质，其生产方法包括：冶炼、精炼、真空脱气、连铸、线材轧制路线；热处理后，抗拉强度2100MPa～2200MPa，钢材的晶粒度≥10级，断后伸长率≥12％，断面收缩率≥42％，疲劳强度≥850MPa，且具有良好的耐蚀性能。

Description

一种抗拉强度≥2100MPa的耐蚀弹簧用钢及其生产方法

技术领域

本发明属于弹簧钢及其生产方法领域，尤其涉及一种抗拉强度≥2100MPa的耐蚀弹簧用钢及其生产方法。

背景技术

弹簧钢广泛应用于铁路、汽车、工程机械等机械制造中，伴随着对机动车辆的轻质化、高性能化要求越来越高，支撑车体的悬架用弹簧也被高强度化。再者，国内火车提速、货车向高速重载方向发展，也迫切需要强度高、重量轻、寿命长的转向架弹簧。另外，在一些氯离子浓度较高的潮湿环境，如沿海环境，还需要弹簧零部件具有良好的耐蚀性能。

但是在汽车悬架用螺旋弹簧已经实施高应力设计的同时，再进一步提高钢材的强度指标已受到很大限制。因为商用弹簧钢在抗拉强度超过1800MPa时，材料塑性指标，即拉伸试验的断面收缩率Z(％)和断后伸长率A(％)都有较大的下降(按现有标准油淬火回火弹簧钢丝Φ10.0mm以上的其断面收缩率只能达到30％，Φ14.0mm以上的则无规定)，如何进一步的提高弹簧钢的质量是人们不懈的追求。

随着研究的不断深入，现有技术也公开了不少高强弹簧钢及其生产方法，如中国专利CN103725984B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、Si 1.50～2.50、Mn 0.35～1.00、P≤0.025、S≤0.015、Cr0.50～1.20、Ni 0.15～0.50、Cu 0.10～0.30、V 0.04～0.10、Ti 0.03～0.10，其余为Fe和其它不可避免的杂质。该弹簧钢的晶粒度为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％。但该弹簧钢抗拉强度和国标55SiCrV等牌号的强度相比并未有显著提高，且不具有明显的耐蚀性。

本发明旨在针对上述技术问题，提供一种抗拉强度≥2100MPa的弹簧钢，热处理后，钢材的晶粒度高，塑性强、强度大，且具有良好的耐蚀性能。

发明内容

为达到上述目的，本发明提供了一种抗拉强度≥2100MPa的耐蚀弹簧用钢，其化学成分及重量百分比为：C 0.57％～0.63％、Si 1.50％～2.00％、Mn 0.40％～0.60％、Cr0.80％～1.00％、V 0.02％～0.10％、Nb 0.015％～0.04％、Ni 0.05％～0.15％、Cu0.05％～0.15％、Re 0.01％～0.03％、P痕量～0.015％、S痕量～0.015％、O≤0.0015％、N≤0.006％、[H]≤0.00015％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。

优选的，C重量百分比为0.60％～0.63％。

优选的，Cr重量百分比为0.90％～1.00％。

优选的，V重量百分比为0.05％～0.10％。

优选的，Nb重量百分比为0.025％～0.04％。

优选的，Ni重量百分比为0.10％～0.15％。

优选的，Cu重量百分比为0.10％～0.15％。

优选的，Re重量百分比为0.015％～0.030％。

作为优选手段，该材料热处理后，抗拉强度2100MPa～2200MPa，钢材的晶粒度≥10级，断后伸长率≥12％，断面收缩率≥42％，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，疲劳强度≥850MPa，且具有良好的耐蚀性能。

本发明还涉及所述的一种抗拉强度≥2100MPa的耐蚀弹簧用钢的方法，其步骤包括：

(1)常规电炉或转炉冶炼：出钢前定氧，严格控制出钢过程下渣；

(2)常规精炼炉精炼：C、Si、Cr、Mn、V、Nb、Ni、Cu、Re等元素调至目标值；

(3)真空脱气：纯脱气时间≥15分钟，保证真空处理后[H]含量≤1.5ppm(即≤0.00015％)；

(4)连铸：控制中包钢水目标温度在液相线温度以上10～40℃，连铸150mm×150mm～250mm×250mm方坯；

(5)线材轧制路线：150mm×150mm～250mm×250mm方坯→扒皮→加热温度为950～1030℃，优选980～1000℃，方坯在炉时间≤2h，优选80～110min→高速线材控制轧制→斯太尔摩冷却线控冷→Φ12～25mm，优选12～18mm线材盘条成品；其中线材轧制时，开轧温度为890～930℃，优选为900～920℃；终轧温度为780～820℃，优选为800～820℃；吐丝温度为810～830℃，优选为810～820℃。

本发明中各元素及主要工艺的作用及机理：

C：碳是钢中最基本有效的强化元素，在弹簧钢中火硬度、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，而且使屈强比降低，脱碳敏感性增大，恶化钢的抗疲劳性能和加工性能。在本发明中，C含量控制在0.57％～0.63％，优选0.60％～0.63％。

Si：硅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。硅可以提高锈层的稳定性，提高耐蚀性能。但Si元素的提高会增加钢中碳的扩散，加剧钢材的脱碳。在本发明中，Si含量控制在1.50％～2.00％。

Mn：锰和铁形成固溶体，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的添加同时有助于在钢材表面形成锈蚀层，提高钢的耐蚀性能，但过度的Mn会导致腐蚀产物颗粒的长大，提高腐蚀率。在本发明中，Mn含量控制在0.40％～0.60％。

Cr：铬与碳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，增加钢的抗腐蚀能力。铬能显著增加钢的淬透性，但过量的Cr增加钢的回火脆性倾向。在本发明中，Cr含量控制在0.80％～1.00％，优选0.90％～1.00％。

V：钒是钢的优良脱氧剂，钢中加钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。V与C形成碳化物，可提高抗氢腐蚀能力。在本发明中，V含量控制在0.02％～0.10％，优选0.05％～0.10％。

Nb：铌是非常有效的细化晶粒的微合金化元素，Nb在钢中的特点就是提高奥氏体的再结晶温度，从而达到细化奥氏体晶粒的目的。Nb元素的添加促进了稳定锈层的生成，明显降低了腐蚀速率。但过量的Nb的强化作用不再明显，且增加钢的裂纹敏感性。在本发明中，Nb含量控制在0.015％～0.04％，优选0.025％～0.04％。

Ni：镍能与铁生成无限互溶的固溶体，具有扩大相区的作用,不形成碳化物。镍能稳定奥氏体，增强钢的淬透性。Ni元素的加入同时能改善锈层结构，提高致密度和对钢表面的粘结性，提高了钢的耐蚀性能。但钢中过量的镍加入，钢在高温环境时的热脆性倾向增加。在本发明中，Ni含量控制在0.05％～0.15％，优选0.10％～0.15％。

Cu：铜在钢中的突出作用是提高钢的耐蚀性能。钢与表面二次析出的Cu之间的阴极接触，能促使钢的阳极化，并形成保护性较好的锈层。铜元素也能改变锈层的吸湿性，从而提高了临界湿度。但Cu在钢中产生高裂纹敏感性。在本发明中，Cu含量控制在0.05％～0.15％，优选0.10％～0.15％。

Re：钢中添加适量的稀土铼，可使MnS、A1₂O₃等夹杂变质为稀土夹杂，从而提高钢的力学性能。钢中加入Re，可形成致密连续、附着性好的稀土复合氧化物。合适的Re含量通过改善锈层的氧化物种类、形成过程，可显著提高钢的耐腐蚀性，并促进其它微合金元素在内锈层中的富集。此外，Re通过净化钢液，变质夹杂，从而改善了点蚀和晶间腐蚀。钢中固溶Re提高钢基体的耐蚀性，并促进稳定致密锈层的形成。在本发明中，Re含量控制在0.01％～0.03％，优选0.015％～0.030％。

S和P：硫容易在钢中与锰形成MnS夹杂，对卡环的扭转性能有害；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。在本发明中，控制P≤0.015％，S≤0.015％。

O和N：氧在钢中形成氧化物夹杂，在本发明中，控制T.O≤0.0015％；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，在本发明中，控制N≤0.006％。

H：氢是钢中最有害的元素，氢在固态钢中溶解度极小，在高温时溶入钢液，冷却时来不及逸出而积聚在组织中形成高压细微气孔，使弹簧钢的塑性、韧度和疲劳强度急剧降低，导致弹簧钢的氢脆，控制[H]≤0.00015％。

本发明与现有技术相比，其该材料热处理后，抗拉强度2100MPa～2200MPa，钢材的晶粒度≥10级，断后伸长率≥12％，断面收缩率≥42％，疲劳强度≥850MPa，且具有良好的耐蚀性能，满足潮湿环境中弹簧制造的需求。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1为实施例2的奥氏体晶粒度图，奥氏体晶粒度11级

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。所描述的实施例及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

本发明各实施例均按以下工艺生产：

(1)常规电炉或转炉冶炼：出钢前定氧，严格控制出钢过程下渣；

(2)常规精炼炉精炼：C、Si、Cr、Mn、V、Nb、Ni、Cu、Re等元素调至目标值；

(3)真空脱气：纯脱气时间≥15分钟，保证真空处理后[H]含量≤1.5ppm；

(4)连铸：控制中包钢水目标温度在液相线温度以上10～40℃，连铸150mm×150mm～250mm×250mm方坯；

(5)线材轧制路线：150mm×150mm～250mm×250mm方坯→扒皮→加热温度为950～1030℃，优选980～1000℃，方坯在炉时间≤2h，优选80～110min→高速线材控制轧制→斯太尔摩冷却线控冷→Φ12～25mm，优选12～18mm线材盘条成品，盘条热轧态组织见表1；其中线材轧制时，开轧温度为890～930℃，优选为900～920℃；终轧温度为780～820℃，优选为800～820℃；吐丝温度为810～830℃，优选为810～820℃。

性能检测试验：

奥氏体晶粒度检测：890℃±30℃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。奥氏体晶粒度见表1。

强韧性检测：将盘条加工为Φ10mm的标准拉力试样，采用以下淬回火热处理工艺：890℃淬火，油冷，淬火介质温度18-35℃，450℃回火，随空气自然冷却，热处理后力学性能见表3。实施例的强度均达到2100MPa～2200MPa，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韧性。

疲劳强度检测：对热轧盘条进行淬回火处理，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。实施例均具有疲劳强度850MPa以上的优良的疲劳特性，而对比例的疲劳强度仅为763MPa。

腐蚀试验：为了验证钢的耐蚀性能，分别在实施例和对比例的方坯上取样，经过890℃+450℃淬回火热处理后，分别按照GB/T 19746-2018《金属和合金的腐蚀盐溶液周浸试验》和GB/T 10125-2012《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》的方法，进行288h周浸腐蚀试验和72h盐雾腐蚀试验，进行288h周浸腐蚀试验和72h盐雾腐蚀试验，对比例为现在市场上常用的高强度弹簧钢，实施例与其相比，周浸试验的相对腐蚀率在52％左右，盐雾试验的相对腐蚀率低于45％。

表1本发明实施例及对比例的化学成分及组织列表(wt％)

表2本发明实施例及对比例的具体工艺参数情况列表

表3本发明实施例及对比例的性能检测情况列表

Claims (10)

1.一种抗拉强度≥2100MPa的耐蚀弹簧用钢，其化学成分及重量百分比为：C 0.57％～0.63％、Si 1.50％～2.00％、Mn 0.40％～0.60％、Cr 0.80％～1.00％、V 0.02％～0.10％、Nb 0.015％～0.04％、Ni 0.05％～0.15％、Cu 0.05％～0.15％、Re 0.01％～0.03％、P痕量～0.015％、S痕量～0.015％、O≤0.0015％、N≤0.006％、[H]≤0.00015％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的一种抗拉强度≥2100MPa的耐蚀弹簧用钢，其特征在于：C重量百分比为0.60％～0.63％。

3.如权利要求1所述的一种抗拉强度≥2100MPa的耐蚀弹簧用钢，其特征在于：Cr重量百分比为0.90％～1.00％。

4.如权利要求1所述的一种抗拉强度≥2100MPa的耐蚀弹簧用钢，其特征在于：V重量百分比为0.05％～0.10％。

5.如权利要求1所述的一种抗拉强度≥2100MPa的耐蚀弹簧用钢，其特征在于：Nb重量百分比为0.025％～0.04％。

6.如权利要求1所述的一种抗拉强度≥2100MPa的耐蚀弹簧用钢，其特征在于：Ni重量百分比为0.10％～0.15％。

7.如权利要求1所述的一种抗拉强度≥2100MPa的耐蚀弹簧用钢，其特征在于：Cu重量百分比为0.10％～0.15％。

8.如权利要求1所述的一种抗拉强度≥2100MPa的耐蚀弹簧用钢，其特征在于：Re重量百分比为0.015％～0.030％。

9.如权利要求1所述的一种抗拉强度≥2100MPa的耐蚀弹簧用钢，其特征在于：该材料热处理后，抗拉强度2100MPa～2200MPa，钢材的晶粒度≥10级，断后伸长率≥12％，断面收缩率≥42％，疲劳强度≥850MPa，且具有良好的耐蚀性能。

10.生产如权利要求1所述的一种抗拉强度≥2100MPa的耐蚀弹簧用钢的方法，其步骤包括：

(1)常规电炉或转炉冶炼：出钢前定氧，严格控制出钢过程下渣；

(2)常规精炼炉精炼：C、Si、Cr、Mn、V、Nb、Ni、Cu、Re等元素调至目标值；

(3)真空脱气：纯脱气时间≥15分钟，保证真空处理后[H]含量≤1.5ppm；

(4)连铸：控制中包钢水目标温度在液相线温度以上10～40℃，连铸150mm×150mm～250mm×250mm方坯；

(5)线材轧制路线：150mm×150mm～250mm×250mm方坯→扒皮→加热温度为950～1030℃，优选980～1000℃，方坯在炉时间≤2h，优选80～110min→高速线材控制轧制→斯太尔摩冷却线控冷→Φ12～25mm，优选12～18mm线材盘条成品；其中线材轧制时，开轧温度为890～930℃，优选为900～920℃；终轧温度为780～820℃，优选为800～820℃；吐丝温度为810～830℃，优选为810～820℃。