技术领域
[0001] 本
发明属于
冶金技术领域,尤其涉及一种高强度
弹簧钢及其制备方法。
背景技术
[0002]
汽车悬架弹簧作为汽车悬架中的弹性元件,主要作用是在车桥和车架或
车身之间用作弹性联系,承受和传递垂直
载荷,缓和及抑制不平路面所引起的冲击,其
质量好坏,对车辆平稳性、安全性起着至关重要的作用。其中,轿车、乘用车对悬架弹簧性能要求较高,需要达到减小噪音、提高舒适度和平稳性等要求。
[0003] 高强弹簧钢的淬火
温度一般在850℃~900℃之间,中温回火在350℃~500℃之间,回火组织为回火托氏体,中温回火后,
工件的淬火应
力基本消失,因此钢具有高的弹性极限,较高的强度和硬度,良好的塑性和韧性。目前国内可以批量生产的高强度弹簧钢的
抗拉强度基本在1700MPa~1900MPa之间,
基础钢种都是55SiCr。按照《
热处理规范手册》,[0004] 55SiCrA淬火加热温度为860℃±20℃,冷却方式为油冷;回火温度为450℃±50℃(特殊需要时,±30℃)。
[0005] 目前悬架弹簧发展趋势正逐步向轻量化、高
应力、高可靠度方向发展。将
螺旋弹簧制造成具有较低厚度或较少
匝数以响应轻型车辆的要求,然而这种螺旋弹簧在切削后会导致强度不足,并且具有小厚度的螺旋弹簧在经历部分断裂之后有快速进入完全断裂的
风险。为了避免这个问题,通过改进强度来增加材料的耐久性是目前汽车工业要解决的重要问题。
[0006] 因此,亟需一种高强度弹簧钢及其生产方法。
发明内容
[0007] (一)要解决的技术问题
[0008] 为了解决
现有技术的上述问题,本发明提供了一种高强度弹簧钢及其生产方法。使弹簧钢的强度和韧性得到了极大的改善,在达到高强度弹簧钢强度和硬度要求的同时兼顾其韧性。
[0009] (二)技术方案
[0010] 为了达到上述目的,本发明采用的主要技术方案包括:
[0011] 一种高强度弹簧钢的生产方法,包括以下步骤:
[0012] S1、配料:按照设计钢种的各化学成分重量百分比,准备
冶炼所需的原料,设计钢种的各化学成分重量百分比为:C:0.51~0.65%、Si:1.20~1.60%、Mn:0.50~0.80%、P:0~0.012%、S:0~0.010%、Cr:0.50~0.80%、Cu:0~0.25%、V:0.15%~0.25%,其余为
铁和不可避免的杂质;所述原料包括纯铁、金属铬、
钒铁、锰、工业
硅和
石墨。
[0013] S2、熔炼:将纯铁和石墨总质量70%~90%的石墨置于炉内,对炉内进行第一次
真空度调节后升温冶炼,待纯铁和石墨完全
熔化后,加入工业硅和金属铬,待工业硅和金属铬完全熔化后,调节熔炼温度,然后加入剩余的石墨进行精炼,并同时对炉内进行第二次真空度调节,精炼后加入钒铁和锰,待钒铁和锰完全熔化后、搅拌均匀得到钢液。
[0014] S3、浇注:调节钢液温度后出钢,将钢液浇注成
铸锭。
[0015] S4、热处理:对浇注的铸锭进行淬火处理,经油冷至室温,再对淬火后的铸锭进行回火处理,经空冷至室温,得到高强度弹簧钢。
[0016] 作为本发明高强度弹簧钢的生产方法的一种改进,设计钢种的各化学成分重量百分比为:C:0.51~0.65%、Si:1.20~1.60%、Mn:0.50~0.80%、P:0~0.012%、S:0~0.010%、Cr:0.50~0.80%、Cu:0~0.25%、V:0.16%~0.21%,其余为铁和不可避免的杂质。
[0017] 作为本发明高强度弹簧钢的生产方法的一种改进,设计钢种的各化学成分重量百分比为:C:0.54%、Si:1.40%、Mn:0.68%、P:0.0057%、S:0.0026%、Cr:0.66%、V:0.21%,其余为铁和不可避免的杂质。
[0018] 作为本发明高强度弹簧钢的生产方法的一种改进,在步骤S2中,炉内第一次真空度调节,是将炉内真空度调节至0~0.1Pa后升温冶炼。
[0019] 作为本发明高强度弹簧钢的生产方法的一种改进,在步骤S2中,待纯铁和石墨完全熔化后,先加入工业硅,待其完全熔化后5min后,再加入金属铬。
[0020] 作为本发明高强度弹簧钢的生产方法的一种改进,在步骤S2中,待工业硅和金属铬完全熔化后,调节熔炼温度为1560~1580℃,然后加入剩余的石墨进行精炼,并对炉内真空度进行第二次调节,调节真空度至0~1Pa;所述精炼时间为10~20min。
[0021] 作为本发明高强度弹簧钢的生产方法的一种改进,在步骤S2中,若在精炼期间喷溅严重,向炉内充入保护气体,直至炉内压力提高至10MPa,保持至精炼结束。
[0022] 作为本发明高强度弹簧钢的生产方法的一种改进,在步骤S2中,精炼后3min后加入钒铁,待其完全熔化后,再加入锰。
[0023] 作为本发明高强度弹簧钢的生产方法的一种改进,在步骤S3中,调节钢液温度为1550~1580℃后出钢。
[0024] 作为本发明高强度弹簧钢的生产方法的一种改进,在步骤S4中,淬火温度为860~880℃,淬火时间为20~40min,回火温度为340~360℃,回火时间为100~140min。
[0025] 一种高强度弹簧钢,采用上述高强度弹簧钢的生产方法制备而成。
[0026] 作为本发明高强度弹簧钢的一种改进,在弹簧钢的
晶界处存在
纳米级的VC(
碳化钒)颗粒。
[0027] (三)有益效果
[0028] 本发明的有益效果是:
[0029] (1)通过在55SiCr弹簧钢的基础上添加微量的钒,V元素与C、N元素结合力较强,在
凝固或热加工过程中形成MC型碳化物、氮化物及碳氮化物,它们不仅可以阻止加热过程中钢中奥氏体晶粒的长大和粗化,还能以“析出强化”的方式提高钢的强度。
[0030] (2)在热处理过程中,通过对浇注的铸锭进行淬火处理,淬火温度为880℃,淬火时间为30min,经油冷至室温,再对淬火后的铸锭进行回火处理,回火温度为350℃,回火时间为2h,经空冷至室温,得到55SiCrV弹簧钢,实现其
屈服强度达到2100MPa以上,同时断面收缩率达到38%以上,断后伸长率达10%以上,在达到高强度弹簧钢强度和硬度要求的同时兼顾其韧性。
附图说明
[0031] 本发明借助于以下附图进行描述:
[0032] 图1为本发明
实施例中的热处理工艺曲线图;
[0033] 图2为本发明对比例中的传统热处理工艺曲线图;
[0034] 图3为本发明对比例1中弹簧钢55SiCr拉伸试验后的微观断口形貌图;
[0035] 图4为本发明实施例1中弹簧钢55SiCrV拉伸试验后的微观断口形貌图;
[0036] 图5为本发明实施例2中弹簧钢55SiCrV拉伸试验后的微观断口形貌图;
[0037] 图6为本发明实施例2中弹簧钢55SiCrV析出的碳化物的透射
电子显微镜照片(TEM)。
具体实施方式
[0038] 为了更好的解释本发明,以便于理解,通过具体实施方式,对本发明作详细描述。
[0039] 在本发明的各实施例中,各化学组成的百分数含量,除特别说明之外,均为重量百分数含量。
[0040] 本发明中的高强度弹簧钢,是在55SiCr弹簧钢的基础上,添加微量的钒,使抗拉强度达到预期要求。该弹簧钢包括以下重量百分比的化学成分:C:0.51~0.65%、Si:1.20~1.60%、Mn:0.50~0.80%、P:0~0.012%、S:0~0.010%、Cr:0.50~0.80%、Cu:0~
0.25%、V:0.15%~0.25%,其余为铁和不可避免的杂质。其中V元素与C、N元素结合力较强,在凝固或热加工过程中形成MC型碳化物、氮化物及碳氮化物,它们不仅可以阻止加热过程中钢中奥氏体晶粒的长大和粗化,还能以析出强化的方式提高钢的强度。
[0041] 本发明还提供了上述高强度弹簧钢的生产方法,其包括以下步骤:
[0042] S1、配料:按照上述弹簧钢的化学成分重量百分比,准备冶炼所需的原料,包括纯铁、金属铬、钒铁、
电解锰、工业硅、石墨
块。
[0043] S2、熔炼:将纯铁和70%~90%的石墨块置于炉内,调节炉内真空度后升温冶炼,待纯铁和石墨块完全熔化后,加入工业硅和金属铬,待完全熔化后,调节熔炼温度,然后加入剩余的石墨块进行精炼,并调节炉内真空度,精炼后依次加入钒铁和电解锰,待完全熔化、搅拌均匀后得到钢液。
[0044] 具体地,将盛有纯铁和70%~90%的石墨块的镁
铝尖晶石质预制
坩埚置于普通真空
感应炉或电炉内,外部料仓装料顺序依次为:工业硅、金属铬、石墨块、钒铁和电解锰,启动真空
泵,调节炉内的真空度为0~0.1Pa后,通电加热直至
生铁完全熔化,在此真空度下熔炼,可以防止
合金元素烧损;之后加入工业硅,待工业硅完全熔化后5min后,再加入金属铬。
[0045] 待上述原料完全熔化后,降下测温枪,测得金属液的温度在1560~1580℃时,加入石墨块进行精炼,并再次启动
真空泵,调节炉内的真空度为0~1Pa,精炼持续10~20min直至炉内液面反应趋于平稳,通过碳
氧反应进行脱氧,通过调节炉内真空度进行脱气促进碳氧反应进行,降低了钢中非金属夹杂物,有利于化学成分均匀化;精炼后3min后加入钒铁,待钒铁完全熔化后,再加入电解锰,可以减少锰的真空挥发损失,待完全熔化后,转动坩埚,搅拌均匀后得到钢液。
[0046] 如果精炼期间喷溅严重,则向炉内充入保护气体,直至炉内压力提高至10MPa,并保持至精炼结束。
[0047] S3、浇注:调节钢液温度后进行出钢,将钢液浇注成铸锭。
[0048] 具体地,对钢液进行终点测温,调节温度为1550~1580℃后,开始进行浇注,浇注结束后,在惰性气体氛围中保持30min~50min,待铸锭完全冷却后,打开
炉盖,取出铸锭。
[0049] S4、热处理:对浇注的铸锭进行淬火处理,经油冷至室温,再对淬火后的铸锭进行回火处理,经空冷至室温,得到高强度弹簧钢55SiCrV。
[0050] 具体地,热处理工艺如图1所示,淬火温度为860~880℃,淬火时间为20~40min,回火温度为340~360℃,回火时间为100~140min。在此热处理方法下得到的弹簧钢实现其屈服强度达到2100MPa以上,同时断面收缩率达到38%以上,断后伸长率达10%以上,在达到高强度弹簧钢强度和硬度要求的同时兼顾其韧性。
[0051] 以下结合具体实施例,说明本发明中高强度弹簧钢及其生产方法的特点和技术效果。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用原料或装置未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0052] 实施例1
[0053] 本实施例提供一种高强度弹簧钢,该高强度弹簧钢的各化学成分的重量百分比见表1,其中V的重量百分比控制为0.16%。
[0054] 此外,本实施例还提供了上述高强度弹簧钢的生产方法,在25kg真空感应炉上进行了高强度弹簧钢的冶炼,具体步骤依次如下:
[0055] S1、配料:按照表1中实施例1弹簧钢的各化学成分的重量百分比,准备冶炼所需的原料,包括纯铁、金属铬、钒铁、电解锰、工业硅、石墨块。
[0056] S2、熔炼:将盛有纯铁和80%的石墨块的坩埚置于25kg真空感应炉内,外部料仓装料顺序依次为:工业硅、金属铬、石墨块、钒铁和电解锰,启动真空泵,调节炉内的真空度为0.1Pa后,通电加热直至生铁和石墨块完全熔化,之后加入工业硅,待工业硅完全熔化后
5min后,再加入金属铬;待上述原料完全熔化后,降下测温枪,测得金属液的温度达到1560℃后加入剩余的石墨块进行精炼,并再次启动真空泵,调节炉内的真空度为1Pa,精炼持续
15min,精炼后3min后加入钒铁,待其完全熔化后,再加入电解锰,待完全熔化后,转动坩埚,搅拌均匀后得到钢液。
[0057] S3、浇注:对钢液进行终点测温,调节温度为1550℃后,开始进行浇注,浇注结束后,在惰性气体氛围中保持40min,待铸锭完全冷却后,破真空,打开炉盖,取出铸锭。
[0058] S4、热处理:对浇注的铸锭进行淬火处理,淬火温度为880℃,淬火时间为30min,经油冷至室温,再对淬火后的铸锭进行回火处理,回火温度为350℃,回火时间为120min,经空冷至室温,得到高强度弹簧钢55SiCrV。
[0059] 本实施例获得的高强度弹簧钢55SiCrV的力学性能测试结果见表2。获取该弹簧钢拉伸试验后的微观断口形貌如图4所示。
[0060] 实施例2
[0061] 本实施例提供一种高强度弹簧钢,该高强度弹簧钢的各化学成分的重量百分比见表1,其中V的重量百分比控制为0.21%。
[0062] 此外,本实施例还提供了上述高强度弹簧钢的生产方法,在25kg真空感应炉上进行了高强度弹簧钢的冶炼,具体步骤依次如下:
[0063] S1、配料:按照表1中实施例2弹簧钢的各化学成分的重量百分比,准备冶炼所需的原料,包括纯铁、金属铬、钒铁、电解锰、工业硅、石墨块。
[0064] S2、熔炼:将盛有纯铁和80%的石墨块的坩埚置于25kg真空感应炉内,外部料仓装料顺序依次为:工业硅、金属铬、石墨块、钒铁和电解锰,启动真空泵,调节炉内的真空度为0.1Pa后,通电加热直至生铁和石墨块完全熔化,之后加入工业硅,待工业硅完全熔化后
5min后,再加入金属铬;待上述原料完全熔化后,降下测温枪,测得金属液的温度达到1570℃后加入剩余的石墨块进行精炼,并再次启动真空泵,调节炉内的真空度为1Pa,精炼持续
15min,精炼后3min后加入钒铁,待其完全熔化后,再加入电解锰,待完全熔化后,转动坩埚,搅拌均匀后得到钢液。
[0065] S3、浇注:对钢液进行终点测温,调节温度为1550℃后,开始进行浇注,浇注结束后,在惰性气体氛围中保持40min,待铸锭完全冷却后,破真空,打开炉盖,取出铸锭。
[0066] S4、热处理:对浇注的铸锭进行淬火处理,淬火温度为880℃,淬火时间为30min,经油冷至室温,再对淬火后的铸锭进行回火处理,回火温度为350℃,回火时间为120min,经空冷至室温,得到高强度弹簧钢55SiCrV。
[0067] 本实施例获得的高强度弹簧钢55SiCrV的力学性能测试结果见表2。获取该弹簧钢拉伸试验后的微观断口形貌如图5所示。
[0068] 对比例1
[0069] 本对比例与实施例1、2的不同之处在于,本对比例中获得的弹簧钢为55SiCr,其各化学成分的重量百分比见表1,V含量仅为0.0023wt%。本对比例获得的弹簧钢55SiCr的力学性能测试结果见表2。获取该弹簧钢拉伸试验后的微观断口形貌如图3所示。
[0070] 对比例2
[0071] 本对比例与实施例1的不同之处在于,本对比例采用传统的热处理工艺生产实施例1中的弹簧钢55SiCrV,传统的热处理工艺如图2所示,具体为:对浇注的铸锭进行淬火处理,淬火温度为880℃,淬火时间为30min,经油冷至室温,再对淬火后的铸锭进行回火处理,回火温度为450℃,回火时间为2h,经空冷至室温,得到弹簧钢55SiCrV。本对比例获得的弹簧钢55SiCrV的力学性能测试结果见表2。
[0072] 对比例3
[0073] 本对比例与实施例1、2的不同之处在于,本对比例采用传统的热处理工艺生产弹簧钢55SiCr,其各化学成分的重量百分比见表1(V含量仅为0.0023wt%),具体为:对浇注的铸锭进行淬火处理,淬火温度为880℃,淬火时间为30min,经油冷至室温,再对淬火后的铸锭进行回火处理,回火温度为450℃,回火时间为2h,经空冷至室温,得到弹簧钢55SiCr。本对比例获得的弹簧钢55SiCr的力学性能测试结果见表2。
[0074] 对比例4
[0075] 本对比例与实施例2的不同之处在于,本对比例采用传统的热处理工艺生产实施例2中的弹簧钢55SiCrV,具体为:对浇注的铸锭进行淬火处理,淬火温度为880℃,淬火时间为30min,经油冷至室温,再对淬火后的铸锭进行回火处理,回火温度为450℃,回火时间为2h,经空冷至室温,得到弹簧钢55SiCrV。本对比例获得的弹簧钢55SiCrV的力学性能测试结果见表2。
[0076] 从实施例1、实施例2和对比例1中各弹簧钢的化学成分可以看出,弹簧钢55SiCrV与传统的弹簧钢55SiCr相比其他主要化学成分没有变化,只是弹簧钢中的钒含量分别达到了0.15%和0.21%。从对比例2、3、4可以看出,按照传统的热处理工艺,弹簧钢55SiCrV与传统的弹簧钢55SiCr相比,前者在强度和塑性都获得了一定程度的提高,但是提高的幅度有限。从实施例1、实施例2和对比例1可以看出,按照本发明提出的热处理工艺,弹簧钢55SiCrV与弹簧钢55SiCr的抗拉强度都达到了2100MPa以上,但是弹簧钢55SiCr的塑性相较于传统热处理工艺下的弹簧钢55SiCr急剧下降,而弹簧钢55SiCrV的塑性相较于传统热处理工艺下的弹簧钢55SiCrV只是略有降低,断面收缩率仍达到了38%以上,断后伸长率达
10%以上,完全能够满足力学性能要求。
[0077] 进一步地,从图3可以看出在本发明提出的热处理工艺下得到的弹簧钢55SiCr的断裂方式基本为沿晶脆性断裂,而从图4、5中在本发明提出的热处理工艺下得到的弹簧钢55SiCrV的断口几乎观察不到任何的沿晶断裂形貌,基本表现为韧性断裂。
[0078] 表1实施例和对比例中弹簧钢的化学成分(wt%)
[0079]
[0080] 表2实施例和对比例中弹簧钢力学性能的测试结果
[0081]
[0082] VC碳化物的观测
[0083] 在实施例2中得到高强度弹簧钢55SiCrV上切取厚度为0.3mm左右的薄片,接着用平整的橡皮压住薄片缓慢且用力均匀的在
水砂纸上将其打磨到0.04mm左右,然后在冲片器上将打磨好的薄片冲成直径为3mm的小圆片,接着在双喷减薄仪上将小圆片减薄至100nm左右。其中,电解
抛光液由10%的高氯酸和90%的
硝酸配制而成,电解
电压为5~110V,
电流为0~150mA。用
镊子夹住减薄后的小圆片放到清洁的无水酒精中进行清洗,最后用
滤纸吸干,在透射电镜下进行观察。图6为本试样观察到的碳化物TEM形貌。
[0084] 在透射电镜下,明显地观察到了VC碳化物的析出,例如图中1、3和4号析出物的析出
位置在晶内。分析能谱图,均为VC,其中1号直径为12.96nm,3号和4号析出物VC的直径分别为18.24nm和17.33nm。这些纳米级VC颗粒的析出强化了钢的性能。
[0085] 需要理解的是,以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点,其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施,但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明
权利要求的范围内做出的各种变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。