CN113930680B

CN113930680B - 一种耐低温高强度弹簧扁钢及其生产方法

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Publication number: CN113930680B
Application number: CN202111151331.1A
Authority: CN
Inventors: 丁礼权; 张贤忠; 夏艳花; 朱志鹏; 叶途明
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2021-09-29
Filing date: 2021-09-29
Publication date: 2023-03-17
Anticipated expiration: 2041-09-29
Also published as: CN113930680A

Abstract

本发明公开了一种耐低温高强度弹簧扁钢，其化学成分按重量百分比计为：C：0.48～0.60wt％、Si：0.40～0.90wt％、Mn：0.80～1.50wt％、1.5≤(Mn/C)≤2.8、P≤0.025wt％、S≤0.025wt％、Cr：0.40～1.00wt％、Ni：0.10～0.40wt％、Nb：0.01～0.05wt％、B：0.001～0.004wt％、Zr：0.002～0.009wt％、Ce：0.02～0.06wt％、N≤0.0045wt％、H≤0.00012wt％、O≤0.0011wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。本发明通过成分和工艺的创新，开发出性能满足：ReL≥1750MPa，Rm≥1950MPa，A≥10％，Z≥36％，‑60℃KV2≥35J，晶粒度不粗于8.5级的耐低温高强度弹簧扁钢。

Description

一种耐低温高强度弹簧扁钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及长材钢铁产品及其生产方法，属于钢铁冶金生产制造领域，特别涉及一种耐低温高强度弹簧扁钢及其生产方法。

背景技术

弹簧扁钢，是各种卡车、客车、以及工程机械车辆减震***中最重要的弹性元件，主要用于制作钢板弹簧，广泛应用于汽车、铁路、航空、国防等领域。

汽车轻量化技术是汽车节油的重要手段，研究表明：汽车质量每下降10％，油耗约下降3％～5％，重型汽车采用高强度弹簧扁钢可减少钢板弹簧总成自身质量的20％～45％。随着物流运输行业和资源开采工程发展需要，我国很多工程已经拓展到各种极寒领域。在我国的广阔北方地区，如东北和新疆等地，冬天温度可能达到-40℃以下，部分地区更是低于- 50℃。而在低温条件下，金属材料的性能将会发生较大的变化，在不同的环境温度下表现出来的力学性能，尤其是冲击韧性、断裂韧性变化较大。

一般而言，钢铁材料强度越高，韧性越低，低温环境下韧性指标更低。弹簧扁钢，作为上述车辆重要零部件的原材料，低温环境下强韧性的好坏将会影响到整个汽车的使用性能，甚至影响到安全性和可靠性。

现有技术中，涉及耐低温高强度汽车用钢制造领域的同类技术产品不多，特别是针对耐低温高强弹簧扁钢方面的更少。

经检索：CN 104213051A公开了一种抗低温耐磨损的弹簧体，包括以下化学元素按质量份数组成：铁300-600份、碳30-70份、铜10-30份、铝5-15份、硅2-8份、钌0.15- 0.25份、镍0.08-0.15份、硫0.25-0.45份、铬0.008-0.015份和硒0.044-0.068份，所述弹簧体表面喷有防冻防锈漆。该弹簧体力学性能、低温性能均未说明，仅从已有的成分上看，因S含量较高对低温冲击性能有较大不利影响。

CN 104630650A公开了一种耐低温高强度弹簧钢及其制备方法，所述弹簧钢含有(重量％)：其含有的化学成分及其重量百分比如下：C 0.45-0.55％、Si 1.0-1.3％、Mn1.2- 1.4％、Ni 3.5-5.5％、Cr 0.8-1.0％、Cu 0.3-0.5％、Ti 0.006-0.008％、Zn 0.03-0.06％、Sn 0.004-0.005％、P≤0.025％、S≤0.025％、余量为铁。制备方法是将各原料混合，加热至熔融状态，然后，浇注入纯净水中激冷，再粉碎成100-200目粉末；将所得粉末加入相当于粉末重量3-5％的硅烷偶联剂KH-550、2-4％的纳米碳粉，混合均匀后，在8-15Mpa下压制成坯，然后，在1000-1100℃下煅烧3-4小时，冷却后，再粉碎成150-250目粉末，即得。该弹簧钢采用粉末冶金法制备，效率较低，成本较高，难以规模化生产和推广。

CN111118398A公开了一种高淬透性高强度低温韧性弹簧钢，其化学元素质量百分比为：C：0.54～0.64％，Si：1.40～2.00％，Mn：0.40～0.80％，Cr：1.00～1.50％，Ni： 0.10～0.40％，Mo：0.10～0.40％，Al：0.015～0.080％，P≤0.025％，S≤0.020％，Cu≤ 0.25％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；所述弹簧钢末端淬透性J1.5mm≥60HRC、J30mm ≥55HRC；在850℃±20℃油淬火、450℃±30℃回火后，抗拉强度≥1700MPa，屈服强度≥ 1500MPa，-40℃冲击功KU2≥16J。该弹簧钢具有较高的淬透性和强度，但低温冲击功偏低，无法同时保证较寒冷地区材料低温韧性。

发明内容

为了满足各种卡车、客车、以及工程机械车辆用弹簧扁钢适应恶劣环境尤其是寒冷环境下的使用，本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种变截面钢板弹簧用具有良好低温韧性并具有高强度、高韧性的弹簧扁钢。本发明通过成分和工艺的创新，开发出性能满足：ReL≥1750MPa，Rm≥1950MPa，A≥10％，Z≥36％，-60℃KV2≥35J，晶粒度不粗于8.5级的耐低温高强度弹簧扁钢。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种耐低温高强度弹簧扁钢，其化学成分按重量百分比计为：C：0.48～0.60wt％、Si： 0.40～0.90wt％、Mn：0.80～1.50wt％、1.5≤(Mn/C)≤2.8、P≤0.025wt％、S≤0.025wt％、Cr：0.40～1.00wt％、Ni：0.10～0.40wt％、Nb：0.01～0.05wt％、B：0.001～0.004wt％、Zr：0.002～0.009wt％、Ce：0.02～0.06wt％、N≤0.0045wt％、H≤0.00012wt％、 O≤0.0011wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。其生产工艺为：

(1)复合KR深脱硫：铁水预处理，以活性石灰为基础，脱硫剂采用KR搅拌的方式，在铁水包中搅拌铁水，形成漩涡，先后两次加入脱硫剂活性石灰、镁粉，降低铁水S含量，脱硫结束后进行深度扒渣，避免回硫，控制出站铁水硫含量[S]≤0.01％；其中，第一次添加5-10kg/t活性石灰、2-6kg/t镁粉，第二次添加3-6kg/t活性石灰、1-5kg/t镁粉，首次添加完后取样检测硫含量可进行第二次添加；

(2)铁水包加热：铁水包加盖并采用电磁感应加热，确保铁水从炼铁厂运送至炼钢厂过程中温度≥1490℃；

(3)转炉冶炼，终点C控制≥0.06～0.40％；出钢温度≥1630℃；

(4)LF炉精炼，在LF炉精炼过程，向渣面加入:2-5kg/t电石、特硅：1-4kg/t等脱氧材料，强化造白渣工艺，降低熔渣氧化性：FeO≤0.5％；

(5)RH真空处理，真空度≤100Pa，保持真空时间不低于20min，软吹氩气流量20～68NL/min，软吹时间12～28min；

(6)连铸坯断面尺寸为280mm×380mm，拉坯速度稳定控制在0.70m/min，控制坯断面尺寸的拉坯速度，拉速调整不超过2次/炉；采用凝固末端电搅工艺，搅拌电流350—450A，频率8Hz；并对铸坯进行轻压下，压下率为3％～10％；中包温度波动不超过15℃；

(7)缓冷72h后，对铸坯加热，均热温度1210～1250℃，在炉时间560～340min，开轧成断面为160×160mm的小方坯；

(8)局部修磨后，对小方坯进行加热，均热温度1110～1148℃，均热时间110～145min；

(9)粗轧，控制开轧温度：1050～1100℃；

(10)精轧，控制开轧温度980～1060℃，累计变形量在10～60％；

(11)轧制成厚度31—40mm、宽度90—110mm弹簧扁钢，待用；

(12)弹簧扁钢缓冷后采用一次亚温淬火温度为810±20℃，回火温度为420±20℃，二次亚温淬火温度为810±20℃，回火温度为400±20℃热处理，得到均匀稳定的回火屈氏体+残余奥氏体，即耐低温高强度弹簧扁钢。

以下对本发明钢中重要元素作用及其生产方法进行分析说明：

Mn/C：通过提高钢中的Mn/C比，可显著提高弹簧扁钢的低温韧性，另外，用适量的Mn代替部分Ni，还可降低成本，提高经济性。Mn/C过高增加钢材的过热敏感性，使弹簧扁钢淬火热处理时晶粒容易长大，降低韧性。本发明Mn/C为1.5～2.8。

Ni：Ni是低温用钢的主要合金元素，在提高强度的同时，可降低脆性转变温度，提高低温冲击韧性，但含量过高会降低材料的屈服强度，不利于弹簧扁钢在较高荷载下发生弹性变形，降低弹簧扁钢在汽车运行中的疲劳寿命。本发明Ni含量为0.10～0.40％。

B：B元素在小于0.005％的范围时，材料将获得十分优异的低温韧性；而当B含量高于此范围时，B便易与Fe形成FeB，而FeB的存在将会大大增加沿晶脆断倾向的可能性，从而损害材料的低温韧性，微量B有利于钢的屈服强度、抗拉强度、疲劳强度、抗氢致晶间断裂的能力等都有不同程度的改善或提高，本发明B含量为0.001～0.004％。

Zr：Zr能使钢获得十分优良的低温韧性，但其含量也需要进行严格控制。锆可起到脱气和细化晶粒的效果，该钢加入在-50℃的冲击功AKV保持在100～120J；然而其含量增加至0.06％时，引起局部偏析，恶化钢材性能，-50℃时的冲击功AKV又会下降明显，本发明Zr含量为0.002～0.009％。

Ce：Ce与微量O、N形成化合物陶瓷增强相能弥散地分布钢中，为合金的凝固提供形核质点，降低最小形核功，有利于弹簧扁钢晶粒细化，提高强韧性。

N：微合金化的重要组成元素，能使钢材强化，但显著降低钢材韧性，增加时效倾向和冷脆性，因此本发明N控制在0.0045％以下。

H：在钢中会产生“发纹”或形成应力区，在轧制或热处理时发纹扩展而形成裂纹，使钢的强度、韧性恶化，甚至断裂，还会引起点状偏析、氢脆，严重影响弹簧扁钢的疲劳寿命。本发明将H控制在0.00012％以下。

O：在较低温度时，弹簧扁钢的强度、韧性性均随O含量的增加而急剧降低，脆性转变温度大幅升高，不利低温冲击韧性，同时，随着O含量的增加，氧化夹杂物出现几率大大增加，降低弹簧扁钢的疲劳寿命。本发明将O含量控制在0.0011％以内。

铁水包感应加热：一般铁水从高炉输送到转炉有较大温度损失，本发明采用运输过程中感应加热及加盖保温，可降低耐材消耗提高包龄，提高铁水收得率，同时，铁水温度升高可少用或不用覆盖剂，洁净铁水，减少S、P等有害元素，并使转炉多加废钢少用铁水，有利钢厂节能减排。

复合KR深脱硫：硫化物夹杂对弹簧扁钢疲劳性能有显著不利影响，对此，创新了弹簧扁钢的深脱硫技术，采用全工序脱硫和控硫技术，包括铁水预处理深脱硫、转炉控制增硫、钢包炉二次深脱硫以及真空炉控制增硫的全过程控制技术。铁水预处理，以活性石灰为基础，脱硫剂采用KR搅拌的方式，对铁水进行深脱硫，脱硫结束后进行深度扒渣，避免回硫。转炉冶炼时严格采用低硫造渣料，并选用低硫废钢。LF炉精炼脱硫，首先要形成还原性环境对氧化性钢包渣进行还原，然后钢水和炉渣中的氧以FeO形式被渣子吸收，在白渣中还原，并达到平衡。

超低氧控制技术：控制中包温度波动，减少连铸拉速调整的次数，保持结晶器钢水液面的平稳性，提高熔渣碱度。在LF炉精炼过程，向渣面加入电石和特硅等脱氧材料，强化造白渣工艺，降低熔渣氧化性，从而降低钢中熔解氧和提高熔渣吸附夹杂能力，有效降低弹簧扁钢中的[O]含量。

二次亚温淬火+回火：二次淬火可细化奥氏体晶粒大小，并缩短淬火后获得的板条马氏体的长度，回火能使钢得到较好的强度和伸长率。淬火温度过高会引起奥氏体晶粒的长大，淬火后得到粗晶粒马氏体组织，会使韧性变差，淬火温度过低容易使奥氏体中存在未溶的铁素体，铁素体为软相组织，降低钢的强度。对本发明亚共析钢采用Ac1～Ac3温度之间，比通常低40℃的亚温进行淬火，有利于本发明的低温强韧性和疲劳寿命。

二火成材工艺：本发明采用二火成材工艺，大方坯浇注过程钢液中间包停留时间长，有利于夹杂物去除，同时，通过开坯能增加铸坯压缩率，提高组织均匀性和细化晶粒，有利于提高弹簧扁钢致密性和韧性，是确保高强度弹簧扁钢低温性能的重要手段。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

首先，本发明在碳、锰系低合金钢的基础上添加微量合金元素Nb、Ni、B、Ce等，并创新耦合采用铁水包感应加热、复合KR深脱硫、超低氧控制技术、二次亚温淬火+回火、二火成材工艺形成较细晶粒度的珠光体组织，获得-60℃时及以上温度低温性能良好的弹簧扁钢，能实现如下性能：ReL≥1750MPa，Rm≥1950MPa，A≥10％，Z≥36％，-60℃KV2≥ 35J，晶粒度不粗于8.5级。

其次，本发明所述生产方法较为简单，生产成本低廉，在现有的生产条件下，不必对生产设备和工艺流程进行较大改动即可进行工艺生产。。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1～10

实施例1～10所述耐低温高强度弹簧扁钢的生产工艺，按照以下步骤进行：

(3)转炉冶炼，终点C控制≥0.06～0.40％；出钢温度≥1630℃；

(4)LF炉精炼，在LF炉精炼过程，向渣面加入电石：2-5kg/t、特硅：1-4kg/t等脱氧材料，强化造白渣工艺，降低熔渣氧化性：FeO≤0.5％；

(6)连铸坯断面尺寸为280mm×380mm，拉坯速度稳定控制在0.70m/min，控制坯断面尺寸的拉坯速度，拉速调整不超过2次/炉；采用凝固末端电搅工艺，搅拌电流350—450A，频率8Hz；并对铸坯进行轻压下，压下率为3％～10％；中包温度波动不超过15℃。

(9)粗轧，控制开轧温度：1050～1100℃；

(10)精轧，控制开轧温度980～1060℃，累计变形量在10～60％；

(11)轧制成厚度31—40mm、宽度90—110mm弹簧扁钢，待用；

对比例1～3

对比例1～3所述弹簧扁钢的生产工艺与本发明实施例大致相同。

实施例1～10和对比例1～3所得弹簧扁钢的化学成分见表1，冶炼工艺参数见表2，轧制及热处理工艺见表3；主要性能检测结果见表4。

表1 实施例化学成分wt％

表1 实施例化学成分wt％(续)

表2 冶炼工艺参数

表3 轧制及热处理工艺参数

表4 本发明各实施例及对比例主要性能检测结果

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种耐低温高强度弹簧扁钢，其特征在于化学成分按重量百分比计为：C：0.56～0.60wt％、Si：0.40～0.90wt％、Mn：1.02～1.50wt％、1.89≤(Mn/C)≤2.8、P≤0.025wt％、S≤0.025wt％、Cr：0.6～0.75wt％、Ni：0.18～0.40wt％、Nb：0.01～0.05wt％、B：0.001～0.004wt％、Zr：0.002～0.009wt％、Ce：0.02～0.06wt％、N≤0.0045wt％、H≤0.00012wt％、O≤0.0011wt％，其余为Fe及不可避免的杂质；

所述弹簧扁钢具有如下性能：ReL≥1750MPa，Rm≥1950MPa，A≥10％，Z≥36％，-60℃KV2≥35J，晶粒度不粗于8.5级。

2.权利要求1所述的一种耐低温高强度弹簧扁钢的生产工艺，其特征在于包括如下步骤：

(1)复合KR深脱硫：铁水预处理，以活性石灰为基础，脱硫剂采用KR搅拌的方式，在铁水包中搅拌铁水，形成漩涡，先后两次加入脱硫剂活性石灰、镁粉，降低铁水S含量，脱硫结束后进行深度扒渣，避免回硫，控制出站铁水硫含量[S]≤0.01％；其中，第一次添加5～10kg/t活性石灰、2～6kg/t镁粉，第二次添加3～6kg/t活性石灰、1～5kg/t镁粉，首次添加完后取样检测硫含量进行第二次添加；

(3)转炉冶炼；

(4)LF炉精炼，在LF炉精炼过程，向渣面加入2～5kg/t电石、1～4kg/t特硅强化造白渣工艺，降低熔渣氧化性FeO≤0.5％；

(5)RH真空处理；

(6)连铸，控制坯断面尺寸的拉坯速度，拉速调整不超过2次/炉；采用凝固末端电搅工艺并对铸坯进行轻压下；中包温度波动不超过15℃；

(7)缓冷后对铸坯加热，开轧成小方坯；

(8)局部修磨后，对小方坯进行加热；

(9)粗轧；其中，控制开轧温度：1050～1100℃；

(10)精轧；其中，控制开轧温度980～1060℃，累计变形量在10～60％；

(11)轧制成弹簧扁钢；

(12)弹簧扁钢缓冷后采用一次亚温淬火温度为810±20℃，回火温度为420±20℃，二次亚温淬火温度为810±20℃，回火温度为400±20℃热处理，得到耐低温高强度弹簧扁钢。

3.根据权利要求2所述的一种耐低温高强度弹簧扁钢的生产工艺，其特征在于步骤(3)中转炉冶炼，终点C控制≥0.06～0.40％；出钢温度≥1630℃。

4.根据权利要求2所述的一种耐低温高强度弹簧扁钢的生产工艺，其特征在于步骤(4)中RH真空处理，真空度≤100Pa，保持真空时间不低于20min，软吹氩气流量20～68NL/min，软吹时间12～28min。

5.根据权利要求2所述的一种耐低温高强度弹簧扁钢的生产工艺，其特征在于步骤(5)中连铸坯断面尺寸为280mm×380mm，拉坯速度稳定控制在0.70m/min，采用凝固末端电搅工艺，搅拌电流350～450A，频率8Hz；并对铸坯进行轻压下，压下率为3％～10％。

6.根据权利要求2所述的一种耐低温高强度弹簧扁钢的生产工艺，其特征在于步骤(6)中缓冷72h后，对铸坯加热，均热温度1210～1250℃，在炉时间560～340min，开轧成断面为160×160mm的小方坯。

7.根据权利要求2所述的一种耐低温高强度弹簧扁钢的生产工艺，其特征在于步骤(7)中对小方坯进行加热，均热温度1110～1148℃，均热时间110～145min。

8.根据权利要求2所述的一种耐低温高强度弹簧扁钢的生产工艺，其特征在于步骤(10)中轧制成厚度31～40mm、宽度90～110mm弹簧扁钢。