CN1692173A - 改善了淬透性和耐点蚀性的弹簧用钢 - Google Patents
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Abstract
本发明提供淬透性优良、在腐蚀环境下可以抑制点腐蚀发生、而且可以达到高应力、高韧性的弹簧用钢。具体地说，是一种改善了淬透性和耐点蚀性的高强度、高韧性弹簧用钢，其特征在于，以质量％计，含有C：0.40～0.70％、Si：0.05～0.50％、Mn：0.60～1.00％、Cr：1.00～2.00％、Nb：0.010～0.050％、Al：0.005～0.050％、N：0.0045～0.0100％、Ti：0.005～0.050％、B：0.0005～0.0060％，另外，P限制在小于等于0.015％、S限制在小于等于0.010％、其余由Fe和不可避免的杂质构成，具有淬火后400℃回火的抗拉强度大于等于1700MPa，JIS3号2mm的U型缺口夏式冲击值大于等于40J/cm2，系数Fce取为大于等于1.70。
Description
技术领域
本发明涉及对在悬挂用弹簧、板簧等汽车和各种工业机械等中使用的弹簧改善其淬透性和耐点蚀性，即使在腐蚀的环境下也可以同时具有抗拉强度大于等于1700MPa的高强度和冲击值大于等于40J/cm2的高韧性。
背景技术
以往，在悬挂用弹簧或板簧等汽车和各种工业机械等中使用的弹簧钢主要是JIS中的SUP11、SUP10、SUP9、SUP6以及与其相当的钢，但是，近年汽车的轻量化志向对作为悬挂装置的弹簧自体的轻量化的要求强烈。
期望能够开发为此而设计应力上升和与其相对应的高应力弹簧钢。其中，特别是在直径大于等于30mm的粗径的悬挂弹簧或板厚大于等于30mm的厚板弹簧中，必须进一步提高其硬度，由此会导致冲击值降低，可认为与弹簧的折损密切相关。另外，众所周知，弹簧的高应力化是使在腐蚀环境下的以点腐蚀作为起点的疲劳强度增加或使对于氢脆化裂纹的敏感性增加。
另外，从提高弹簧钢的疲劳寿命出发，虽然也存在可以防止氢脆性的各种钢(例如参照特开2001-234277号公报)，但是还没有开发出本发明这样的兼备高应力、高韧性的钢。
鉴于上述的现有技术，本发明是提供即使是直径大于等于30mm的粗径的悬挂弹簧或板厚大于等于30mm的厚板弹簧，其淬透性也优良、在腐蚀环境下可以抑制点腐蚀发生、而且能够达到高强度、高韧性的弹簧钢。
发明的公开
本发明由下述(1)～(3)构成。
(1)一种改善了淬透性和耐点蚀性的弹簧用钢，以质量％计，含有C：0.40～0.70％、Si：0.05～0.50％、Mn：0.60～1.00％、Cr：1.00～2.00％、Nb：0.010～0.050％、Al：0.005～0.050％、N：0.0045～0.0100％、Ti：0.005～0.050％、B：0.0005～0.0060％，另外P限制在小于等于0.015％、S限制在小于等于0.010％、其余由Fe和不可避免的杂质构成，具有淬火后400℃回火的抗拉强度大于等于1700MPa，JIS3号2mm的U型缺口夏式冲击值大于等于40J/cm2，系数Fce＝C％+0.15Mn％+0.41Ni％+0.83Cr％+0.22Mo％+0.63Cu％+0.40V％+1.36Sb％+121B％取为大于等于1.70。
(2)一种改善了淬透性和耐点蚀性的弹簧用钢，在上述(1)中，以质量％计，还添加Mo：0.05～0.60％、V：0.05～0.40％的1种或2种而形成。
(3)一种改善了淬透性和耐点蚀性的弹簧用钢，在上述(1)或(2)中，以质量％计，还添加Ni：0.05～0.30％、Cu：0.10～0.50％、Sb：0.005～0.05％的1种或2种或2种以上而形成。
本发明的成分的限定理由如下所述。％是质量％。
C：C是对提高钢的强度有效的元素，不足0.40％时，不能够得到作为弹簧钢的必要的强度，超过0.70％时，弹簧过度变脆，因而取为0.40～0.70％的范围。
Si：Si作为脱氧元素是重要的，为了得到充分的脱氧效果，至少必须是大于等于0.05％，但是超过0.50％时，韧性值显著降低，因而取为0.05～0.50％的范围。
Mn：Mn是对提高钢的淬透性有效的元素，从弹簧钢的强度和淬透性两方面出发，至少必须超过0.60％，但是如果超过1.00％则损害韧性，因而将其范围取为0.60～1.00％。
Cr：Cr是对提高耐点蚀性的同时提高钢的强度有效的元素，但是在不足1.00％时，不能得到必要的强度，超过2.00％时，韧性劣化，因而将其范围取为1.00～2.00％。
Nb：Nb是通过晶粒微细化及微细碳化物的析出而提高钢的强度和韧性的元素，但是不足0.010％时，不能充分期待其效果，另外超过0.050％时，不溶解于奥氏体中的碳化物增加，使弹簧特性劣化，因而将其范围取为0.010～0.050％。
Al：Al是用于脱氧剂及谋求奥氏体晶粒度的调整的必要元素，在低于0.005％的场合，不能谋求晶粒的微细化，另一方面，超过0.050％的场合，铸造性容易降低，因而将其范围取为0.005～0.050％。
N：N与Al和Nb结合形成AlN、NbN，是对奥氏体晶粒度的微细化有效果的元素，通过其微细化，有助于韧性的提高。为了发挥其效果，至少必须是大于等于0.0045％。但是，在添加B为了谋求淬透性的提高时，尽可能少的添加N为好，而且，其过剩添加，会导致凝固时在钢锭表面上产生气泡或钢材的铸造性劣化。为了避免这些，必须将其上限规定为0.0100％，因而将其范围取为0.0045～0.0100％。
Ti：是用于防止钢中的N与后述的B结合形成BN、提高B的耐点蚀性、强化晶界、而使淬透性提高效果劣化的添加元素。不足0.005％时，不能充分期待其效果。另外多量添加时，有生成大型的TiN、成为疲劳破坏的起点的可能性，因而将上限取为0.050％，将其范围取为0.005～0.050％。
B：B可以提高耐点蚀性，同时在晶界附近析出固溶、强化晶界。不足0.0005％时，不能充分期待其效果。另外，即使超过0.0060％而添加，其效果也饱和，同时造成脆化，因而将其范围取为0.0005％～0.0060％。
P：因在奥氏体晶界析出，使晶界脆化，是降低冲击值的元素，超过0.015％含有时，这样的弊害显著，因而将其范围取为小于等于0.015％。
S：S在钢中形成MnS的夹杂物而存在，是降低疲劳寿命的主要原因。因此为了减少夹杂物，必须将其上限限定在0.010％，因而将其范围取为小于等于0.010％。
(2)是在悬挂用弹簧粗或板弹簧的板厚厚、进一步要求淬透性的情况下，Mo、V的组成的限定理由如下所述。
Mo：Mo是确保淬透性、提高钢的强度和韧性的元素，不足0.05％时，不能充分期待其效果，超过0.60％时，效果饱和，因而将其范围取为0.05～0.60％。
V：V是提高钢的强度或淬透性的元素，不足0.05％时，不能充分期待其效果，另外超过0.40％时，不溶解于奥氏体中的碳化物增加，使弹簧的特性劣化，因而将其范围取为0.05～0.40％。
(3)是在进一步要求抗蚀性提高的情况下，Ni、Cu、Sb的组成的限定理由如下所述。
Ni：Ni是增加钢的抗蚀性的必要元素，不足0.05％时，不能充分期待其效果，但因高价，所以将其上限取为0.30％，将其范围取为0.05～0.30％。
Cu：Cu是增加抗蚀性的成分，其效果在不足0.10％时，不显现效果，超过0.50％时，热轧时发生裂纹等问题，因而将其范围取为0.10～0.50％。
Sb：Sb是增加抗蚀性的成分，其效果在不足0.005％时，不显现效果，超过0.05％时，韧性降低，因而将其范围取为0.005～0.050％。
在本发明中，作为增加淬透性和抗蚀性的成分采用C、Mn、Ni、Cr、Mo、B、Cu、V、Sb，并导入了有效地增加淬透性和抗蚀性的参数Fce＝C％+0.150Mn％+0.41Ni％+0.83Cr％+0.22Mo％+0.63Cu％+0.40V％+1.36Sb％+121B％。因此，通过使用本发明的点腐蚀防止系数，可容易地进行成分设计。
通过取上述各元素的成分范围，本发明可以提供淬透性优良、即使在腐蚀的环境下也可以抑制点腐蚀的发生、而且以轻量能够达到高应力、高韧性的弹簧钢。
附图的简单说明
图1是表示本发明钢和比较钢的(a)抗拉强度和(b)冲击值的试验结果的曲线图。
图2是极化曲线的点腐蚀电位测定装置的说明图。
图3是点腐蚀电位测定装置的测定例的模式图。
实施发明的最佳方式
以下举出具体的实施例进一步详细地说明本发明。表1显示了由本发明的开发钢和用于与其对比的比较钢的以实炉熔炼的化学成分。将这些实炉钢(电炉)轧制成直径20mm的圆棒，与以往钢进行比较。
表1 (质量％)
| C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Mo | Cu | Sb | Al | V | Nb | Ti | B | N | ||
| 本发明钢1 | 1 | 0.53 | 0.19 | 0.78 | 0.007 | 0.003 | - | 1.19 | - | - | - | 0.027 | - | 0.019 | 0.026 | 0.0018 | 0.0086 |
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| 8 | 0.51 | 0.50 | 0.82 | 0.007 | 0.005 | - | 1.25 | - | - | - | 0.016 | - | 0.018 | 0.045 | 0.0020 | 0.0062 | |
| 9 | 0.60 | 0.05 | 0.90 | 0.004 | 0.004 | - | 1.23 | - | - | - | 0.014 | - | 0.050 | 0.005 | 0.0060 | 0.0060 | |
| 10 | 0.70 | 0.45 | 0.60 | 0.009 | 0.003 | - | 1.01 | - | - | - | 0.018 | - | 0.010 | 0.028 | 0.0030 | 0.0050 | |
| 本发明钢2 | 11 | 0.43 | 0.25 | 0.76 | 0.008 | 0.008 | - | 1.21 | 0.60 | - | - | 0.016 | - | 0.020 | 0.020 | 0.0019 | 0.0087 |
| 12 | 0.56 | 0.30 | 0.75 | 0.007 | 0.005 | - | 1.10 | - | - | - | 0.020 | 0.40 | 0.023 | 0.030 | 0.0020 | 0.0090 | |
| 13 | 0.54 | 0.20 | 0.80 | 0.005 | 0.006 | - | 1.18 | 0.32 | - | - | 0.025 | 0.05 | 0.018 | 0.034 | 0.0026 | 0.0075 | |
| 本发明钢3 | 14 | 0.53 | 0.28 | 0.76 | 0.009 | 0.007 | 0.30 | 1.22 | - | - | - | 0.026 | - | 0.016 | 0.036 | 0.0015 | 0.0065 |
| 15 | 0.51 | 0.27 | 0.75 | 0.010 | 0.006 | - | 1.26 | - | 0.50 | - | 0.025 | - | 0.020 | 0.025 | 0.0018 | 0.0085 | |
| 16 | 0.65 | 0.26 | 0.61 | 0.008 | 0.000 | - | 1.21 | - | - | 0.050 | 0.018 | - | 0.015 | 0.027 | 0.0019 | 0.0074 | |
| 17 | 0.53 | 0.24 | 0.76 | 0.007 | 0.004 | 0.22 | 1.20 | - | 0.32 | - | 0.023 | - | 0.024 | 0.028 | 0.0024 | 0.0065 | |
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| 19 | 0.52 | 0.27 | 0.74 | 0.006 | 0.008 | 0.18 | 1.18 | - | - | 0.025 | 0.021 | - | 0.020 | 0.031 | 0.0018 | 0.0084 | |
| 20 | 0.55 | 0.24 | 0.76 | 0.005 | 0.003 | 0.14 | 1.17 | - | 0.32 | 0.020 | 0.028 | - | 0.021 | 0.027 | 0.0019 | 0.0082 | |
| 21 | 0.52 | 0.23 | 0.73 | 0.006 | 0.006 | 0.25 | 1.16 | 0.21 | 0.25 | - | 0.026 | - | 0.018 | 0.028 | 0.0020 | 0.0090 | |
| 22 | 0.51 | 0.26 | 0.76 | 0.008 | 0.009 | 0.25 | 1.20 | - | 0.26 | - | 0.024 | 0.35 | 0.019 | 0.029 | 0.0024 | 0.0087 | |
| 23 | 0.54 | 0.27 | 0.76 | 0.007 | 0.006 | - | 1.26 | 0.12 | - | 0.030 | 0.023 | 0.13 | 0.017 | 0.030 | 0.0028 | 0.0073 | |
| 比较钢 | SUP9 | 0.56 | 0.26 | 0.87 | 0.025 | 0.015 | 0.02 | 0.87 | 0.04 | 0.07 | - | 0.025 | - | - | - | - | 0.0108 |
| SUP10 | 0.53 | 0.32 | 0.83 | 0.028 | 0.028 | 0.01 | 0.97 | 0.02 | 0.06 | - | 0.026 | 0.16 | - | - | - | 0.0235 | |
| SUP11 | 0.57 | 0.26 | 0.88 | 0.022 | 0.020 | 0.01 | 0.83 | 0.02 | 0.02 | - | 0.024 | - | - | 0.025 | 0.0015 | 0.0072 | |
| SUP7 | 0.59 | 2.07 | 0.83 | 0.030 | 0.020 | 0.01 | 0.15 | 0.01 | 0.03 | - | 0.027 | - | - | - | - | 0.0187 | |
对这些圆棒进行下述热处理后，制成拉伸和冲击试样。
[试样的形状大小]
拉伸：JIS3号(d＝5mmφ)
冲击：JIS4号
[热处理条件]
淬火：950℃×20分钟→油冷
回火：400℃×60分钟→空冷
表2显示了其试验结果。表中的奥氏体晶粒度是A.G.S号码。
表2
| 抗拉强度MPa | 冲击值J/cm2 | 奥氏体粒度No. | 淬透性J30HRC | 点腐蚀电位E(V) | 系数Fce | ||
| 本发明钢1 | 1 | 1711 | 43 | 8.0 | 57 | -0.66232 | 1.85 |
| 2 | 1752 | 42 | 8.0 | 59 | -0.66417 | 1.88 | |
| 3 | 1808 | 42 | 8.5 | 59 | -0.66323 | 1.98 | |
| 4 | 1764 | 42 | 8.5 | 58 | -0.66223 | 1.82 | |
| 5 | 1731 | 43 | 8.0 | 58 | -0.66432 | 1.81 | |
| 6 | 1719 | 47 | 8.0 | 56 | -0.65231 | 2.24 | |
| 7 | 1715 | 43 | 8.0 | 59 | -0.66323 | 1.76 | |
| 8 | 1772 | 46 | 8.0 | 58 | -0.65023 | 1.91 | |
| 9 | 1788 | 40 | 8.5 | 59 | -0.66102 | 2.48 | |
| 10 | 1904 | 40 | 8.0 | 58 | -0.65713 | 1.99 | |
| 本发明钢2 | 11 | 1888 | 47 | 8.0 | 62 | -0.66432 | 1.91 |
| 12 | 1864 | 40 | 8.0 | 60 | -0.65321 | 1.99 | |
| 13 | 1896 | 43 | 8.0 | 62 | -0.65321 | 2.04 | |
| 本发明钢3 | 14 | 1772 | 44 | 8.0 | 58 | -0.63732 | 1.88 |
| 15 | 1756 | 43 | 8.5 | 57 | -0.63431 | 2.20 | |
| 16 | 1828 | 40 | 8.0 | 59 | -0.63118 | 2.04 | |
| 17 | 1752 | 43 | 8.0 | 57 | -0.63422 | 2.16 | |
| 18 | 1748 | 43 | 8.0 | 57 | -0.62187 | 2.14 | |
| 19 | 1735 | 44 | 8.0 | 57 | -0.63871 | 1.89 | |
| 20 | 1764 | 42 | 8.0 | 58 | -0.63471 | 2.11 | |
| 21 | 1864 | 45 | 8.0 | 60 | -0.63126 | 2.07 | |
| 22 | 1824 | 41 | 8.0 | 60 | -0.62731 | 2.25 | |
| 23 | 1844 | 42 | 8.0 | 62 | -0.62187 | 2.16 | |
| 比较钢 | SUP9 | 1731 | 19 | 8.0 | 37 | -0.67321 | 1.47 |
| SUP10 | 1752 | 21 | 7.0 | 43 | -0.66983 | 1.57 | |
| SUP11 | 1765 | 22 | 6.0 | 51 | -0.66826 | 1.59 | |
| SUP7 | 1735 | 25 | 6.0 | 32 | -0.68211 | 0.86 | |
如表2表明的那样，本发明钢即使抗拉强度在大于等于1700MPa，其冲击值也显示为大于等于40J/cm2的高值。这是由于晶粒度微细化和晶界强化的结果。从确认同样效果的目的出发，以SUP10作为比较钢，与本发明钢1的No.5同时比较回火性能曲线的结果是，图1(a)(抗拉强度)和(b)(冲击值)。由其也可以判定，本发明钢比比较钢的韧性值高。
为了确认本发明的抗蚀性，使用饱和甘汞电极，以测定极化特性的点腐蚀电位来进行电流密度50μA/cm2下的抗蚀性评价。结果示于表2。图2表示了供参考的极化曲线的点腐蚀电位测定装置。图中1是试样，2是白金电极，3是饱和甘汞电极。4是5％的NaCl水溶液，管5与氮气瓶连接，脱气30分钟，放置40分钟，除去溶液中的[O]。6装入饱和KCl。7、8、9是连向自动极化测定装置的布线。图3表示测定例的模式图。在图3中B钢比A钢显示的电位高，表示B钢的抗蚀性优良。
比较表2的点腐蚀电位时，本发明钢比比较钢显示正的方向、即高。也就是说，本发明钢显示抗蚀性比比较钢优良。
关于本发明钢的淬透性，将根据JISG0561乔式顶端淬透性法使本发明钢进行淬透性试验的结果示于表2。可以观察到，在淬火距离J30mm的比较中，显示比比较钢高的值，特别是添加Mo、V的本发明钢2显示出HRC60～62和非常高的淬透性。
在本发明钢3的进一步抗蚀性的确认中，比较表2的点腐蚀电位时，添加Ni、Cu、Sb的本发明钢3比本发明钢1、2显示正的方向、即高。也就是说，添加Ni、Cu、Sb的本发明钢显示抗蚀性比本发明钢1、2更优良。
产业上的可利用性
如上所述，由本发明构成的弹簧用钢淬透性优良，在腐蚀环境下可以抑制点腐蚀发生，具有高的抗拉强度和韧性，可有助于弹簧的轻量化。
Claims (3)
1.一种改善了淬透性和耐点蚀性的弹簧用钢，以质量％计，含有C：0.40～0.70％、Si：0.05～0.50％、Mn：0.60～1.00％、Cr：1.00～2.00％、Nb：0.010～0.050％、Al：0.005～0.050％、N：0.0045～0.0100％、Ti：0.005～0.050％、B：0.0005～0.0060％，另外，P限制在小于等于0.015％、S限制在小于等于0.010％、其余由Fe和不可避免的杂质构成，具有淬火后400℃回火的抗拉强度大于等于1700MPa(大于等于49HRC)，JIS3号2mm的U型缺口夏式冲击值大于等于40J/cm2，系数Fce＝C％+0.15Mn％+0.41Ni％+0.83Cr％+0.22Mo％+0.63Cu％+0.40V％+1.36Sb％+121B％取为大于等于1.70。
2.如权利要求1所述的改善了淬透性和耐点蚀性的弹簧用钢，以质量％计，还添加Mo：0.05～0.60％、V：0.05～0.40％的1种或2种而形成。
3.如权利要求1或2所述的改善了淬透性和耐点蚀性的弹簧用钢，在上述权利要求1或权利要求2中，以质量％计，还添加Ni：0.05～0.30％、Cu：0.10～0.50％、Sb：0.005～0.05％的1种或2种或2种以上而形成。
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