CN105112774A - 高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢及其成形和热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢及其成形和热处理工艺，现有弹簧钢的成分致使生产成本高，本发明弹簧钢的化学成分以重量百分比计为：C：0.15%～0.50%，Si：0.30%～2.00%，Mn：0.60%～2.50%，S：≤0.020%，P：≤0.025%，B：0.0005%～0.0035%，余量为铁。本发明钢材在加热至900～1050℃保温后采用控制冷却可获得以贝氏体和马氏体为主、含有少量残余奥氏体、且不含其它非马氏体组织（游离铁素体、珠光体及上贝氏体）的金相组织。然后低温回火处理可以进一步改善性能，使材料力学性能达到Rm≥1350MPa，屈服强度Rp0.2≥1050MPa，断后伸长率A≥10%,断面收缩率Z≥35%。采用本发明钢可简化弹簧的制造工艺、节约能源、降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢及其成形和热处理工艺，用于制造材料直径Φ10mm～Φ60mm的螺旋弹簧、汽车稳定杆、扭力杆等弹性零件。
背景技术
通常用传统弹簧钢制造弹簧类产品的工艺过程主要分为两类:一类是采用硬态即经过热处理后达到高强度和高弹性极限的材料，通常在加工成形后只要进行低温去应力处理即可满足使用要求，目前多用于较小规格材料制造的弹簧，另一类是规格尺寸大的弹簧多采用未进行热处理强化的软态材料，通常有热成形和冷成形两种方式加工成弹簧，然后再进行弹簧的淬火与回火热处理，其中热成形的弹簧有的利用余热直接淬火再回火处理。
采用传统材料的弹簧的热处理存在以下问题：
大型螺旋弹簧、汽车横向稳定杆及扭杆弹簧的淬火多数采用液体介质作为冷却剂，一般需要配备有自动上下料的连续淬火冷却设备，其中包括淬火介质（通常用淬火油或水剂合成淬火剂）的成分及温度控制的装置，设备的投资及维护费用以及淬火剂的消耗等使弹簧淬火工序的成本很高。
弹簧在液体介质中的淬火是快速冷却，都会有淬火变形，而且有发生开裂的危险，这种变形与开裂的控制与事后进行校正或裂纹检测来补救都是比较困难的，也会增加成本。
弹簧的油中淬火有油烟产生，淬火后弹簧还需要清洗，而清洗不净残留在弹簧表面的油在弹簧进行回火时又会燃烧而产生油烟，这些都会污染工厂周围的大气而造成环境问题。
现用大部分合金弹簧钢含碳量在0.5%―0.65%的范围，淬火后的回火温度都要在400℃以上，热处理工序的能源消耗大。
近年来为了节约能源、简化工序，汽车及机械类性能要求较高的零部件相继开发出非调质钢、空冷贝氏体钢等新材料，但在弹簧类产品中的应用较少。如公开号为CN102899589A《一种高强度非调质贝氏体钢及制备方法》是在曲轴锻造后快速空冷获得部分贝氏体组织代替调质钢制曲轴的方法，虽然钢中加了Mo、V、Cr等多种贵重元素，但因最终得到的组织强韧性不足，其性能（抗拉强度Rm≥1085MPa、屈服强度RP0.2≥795MPa）只能满足轴类调质件而不能满足弹簧零件对性能的要求。而多数高强韧性的空冷贝氏体钢有的是力学性能还达不到弹簧产品的要求，有的则含有多种较高含量的贵重或稀有合金元素（如Mo、Ni、V，等），使材料成本很高而难以实际应用。如发明专利CN86103008是一种以Mn、B为主要元素的空冷贝氏体钢，认为可以代替60Si2MnA制造弹簧，其抗拉强度≥1300MPa；这样的强度性能尚不能完全满足现在的弹簧产品的要求。公开号为CN1078269A的专利《高强韧性高淬透性空冷贝氏体钢》，强调高淬透性，要求大尺寸的零件在空气中自然冷却,即在900℃—300℃之间的冷速≥1℃/min即可，但为了保淬透性而不得不加大Mn、Si等合金元素的量，还要加入Mo、V等贵重元素，材料成本较高。且因零件空冷所需的时间很长，对于要求短周期大批量生产的汽车用弹簧就无法得到实际应用。
发明内容
本发明的目的是针对以上背景技术介绍的技术问题，基于弹簧类产品零件截面不太大且均匀一致的特点，从要求获得贝氏体类组织看，有可能通过成分设计的优化在弹簧钢材成本增加不多的情况下，使弹簧在高温加热后直接用空气加速冷却（风冷或空冷），获得以贝氏体、马氏体为主的淬火组织再进行低温回火得到优异的力学性能，提供一种高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢及其成形和热处理工艺。
为达到上述目的，本发明的高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢，其特征是该弹簧钢包含以下重量百分比的化学成分：
C：0.15%～0.50%，
Si：0.30%～2.00%，
Mn：0.60%～2.50%，
S：≤0.020%，
P：≤0.025%，
B：0.0005%～0.0035%，
余量为铁。
作为本发明高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢的优选技术手段，该弹簧钢还包含以下重量百分比的化学成分中的至少一种：
Mo：0.10%～0.50%，
Cr：0.20%～1.00%；或/和
包含以下重量百分比的化学成分中的至少一种：
V：0.03%～0.12%，
Nb：0.02%～0.1%,
Ti：0.005%～0.5%。
作为本发明高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢的优选技术手段，该弹簧钢轧制成的钢材中H含量为≤0.8ppm，O含量为≤15ppm，N含量为50ppm～130ppm。
作为本发明高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢的优选技术手段，所述钢材为Φ10mm～Φ60mm的圆钢或盘条钢。
作为本发明高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢的优选技术手段，该弹簧钢经过溶炼和炉外精炼后浇注成钢锭或连铸成钢坯，再轧制成钢材。
作为本发明高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢的优选技术手段，所述的钢材为热处理硬化态或软态。
作为本发明高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢的优选技术手段，该弹簧钢达到的最低力学性能为:抗拉强度Rm≥1350MPa，屈服强度Rp0.2≥1050MPa，断后伸长率A≥10%,断面收缩率Z≥35%。
为达到上述目的，本发明的高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢的成形和热处理工艺，其特征是对本发明的弹簧钢采用以下任一形式的成形和热处理工艺获得最终的金相组织，该最终的金相组织为以经过回火的贝氏体和马氏体为主、含有体积百分比不超过5%的残余奥氏体、且不含其它非马氏体组织的金相组织：
(1)热处理的硬态材料采用冷加工成形后进行250℃～500℃的低温回火处理；
(2)软态材料加热至900℃～1050℃后热成形，然后直接冷却硬化，再进行250℃～500℃的低温回火处理；
(3)软态材料冷成形的弹簧加热至900℃～1050℃直接冷却硬化，再进行250℃～500℃的低温回火处理。
作为本发明高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢的成形和热处理工艺的优选技术手段，所述最终的金相组织含有微合金元素V、Nb、Ti中至少一种的碳氮化物。
本发明的有益效果是：由于不需要采用液体淬火介质就避免了前文所述常规弹簧钢在油中淬火的多种弊病，从而在节约能源、简化工序上可大幅度降低制造成本获得经济效益，并且也能因改善环境满足社会对环保越来越高的要求得到相应的社会效益。
具体实施方式
以下对本发明做进一步说明。
本发明的高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢，其根本构思是：该弹簧钢包含以下重量百分比的化学成分：
C：0.15%～0.50%，
Si：0.30%～2.00%，
Mn：0.60%～2.50%，
S：≤0.020%，
P：≤0.025%，
B：0.0005%～0.0035%，
余量为铁。
进一步的，该弹簧钢还包含以下重量百分比的化学成分中的至少一种：
Mo：0.10%～0.50%，
Cr：0.20%～1.00%；或/和
包含以下重量百分比的化学成分（微合金化元素）中的至少一种：
V：0.03%～0.12%，
Nb：0.02%～0.1%,
Ti：0.005%～0.5%。
该弹簧钢轧制成的钢材中H含量为≤0.8ppm，O含量为≤15ppm，N含量为50ppm～130ppm。钢材为Φ10mm～Φ60mm的圆钢或盘条钢。该弹簧钢经过溶炼和炉外精炼后浇注成钢锭或连铸成钢坯，再轧制成钢材。钢材为热处理硬化态或软态。
该弹簧钢达到的最低力学性能为:抗拉强度Rm≥1350MPa，屈服强度Rp0.2≥1050MPa，断后伸长率A≥10%,断面收缩率Z≥35%。
本发明高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢的成形和热处理工艺是对本发明的弹簧钢采用以下任一形式的成形和热处理工艺获得最终的金相组织，该最终的金相组织为以经过回火的贝氏体和马氏体为主、含有体积百分比不超过5%的残余奥氏体、且不含非马氏体的金相组织（非马氏体的金相组织包括过冷奥氏体转变时产生的游离铁素体、珠光体与上贝氏体）：
(1)热处理的硬态材料采用冷加工成形后进行250℃～500℃的低温回火处理；
(2)软态材料加热至900℃～1050℃后热成形，然后直接冷却硬化，再进行250℃～500℃的低温回火处理；
(3)软态材料冷成形的弹簧加热至900℃～1050℃直接冷却硬化，再进行250℃～500℃的低温回火处理。
最终的金相组织含有微合金元素V、Nb、Ti中至少一种的碳氮化物。
本发明的以上方案，具有以下实质性特点和显著的进步：
（1）本发明弹簧钢的成分设计：本发明弹簧钢以C-Mn-Si-B为基本成分，其中Mn与B是提高钢的淬透性使钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线）的铁素体-珠光体转变线右移的主要元素，而加入Cr和Mo的复合合金化可以进一步提高淬透性，即在高温加热后在空冷或风冷条件下即可获得贝氏体与部分马氏体及少量残余奥氏体的高强度高韧性组织。
（2）为了充分发挥合金元素的作用节约宝贵的合金资源，本发明钢针对弹簧零件材料不同的规格范围确定所要求的钢的理想临界淬透直径最低值进行合金成分的最优化设计。对于材料直径为Φ30mm以下的汽车横向稳定杆，则按计算法评估钢的理想临界淬透直径应为130―160mm；对于材料直径为30―60mm的热卷螺旋弹簧，则按计算法评估钢的理想临界淬透直径应为≥200mm；对于材料直径为Φ20mm以下的汽车悬架螺旋弹簧，则按计算法评估钢的理想临界淬透直径为100―130mm。
（3）本发明钢含有微合金元素V、Nb、Ti中的一种或几种是因这些元素的碳氮化物与碳化物会阻碍热加工时奥氏体晶粒的长大而细化晶粒，同时还通过弥散硬化作用而进一步提高强度和韧性。
（4）本发明钢中氮元素N是作为微合金化钢中的有用元素，因而需要控制其含量。N对微合金元素的碳氮化物与碳化物的析出过程有影响，而这些弥散相的数量、颗粒大小与分布状态也是钢的强韧化的重要因素。
（5）本发明钢针对弹簧类零件材料截面一致且较均匀的特点，可采用空气加速冷却装置以相对较快的冷却速度（45℃/min～155℃/min）冷却以避免组织中产生非马氏体组织，而不需要过多的合金元素来增加其淬透性。
所用的空气加速冷却装置为自动控制的风冷装置，通过零件温度的实时测量控制风量及风速实现零件按要求的冷却速度快速冷却至指定温度。其优点是不用淬火油或其他冷却液体，不产生油烟的污染且不需要通常的油冷却及油温控制装置，不但运行成本低且改善了车间的环境。
（6）本发明钢高温加热（成形）并空冷硬化后的回火处理在较低的温度（250℃～500℃）下进行，此时材料的微观组织将发生各种变化。由于本发明钢的多种元素合金化的特点使钢在回火处理时显微组织会发生复杂的变化，其中包括残余奥氏体的转变与稳定化、合金碳氮化物的沉淀析出、马氏体（位错马氏体为主）组织的回火韧化等，本发明利用回火处理工艺的最佳化使钢的强韧性不仅不会降低且反而有所提高。
本发明的具体应用如下：
（1）按本发明钢的用途不同的成分设计采用转炉或电炉熔炼后进行炉外精炼去除杂质并加入微量元素，实施铸锭或连铸成钢坯后按材料供货要求进行连续控制轧制。对钢材的非金属夹杂物含量（级别）的要求为：
材料的供应状态分以下几类：
①非热处理软态材料，材料在弹簧制造厂热成形并进行热处理；
②热处理状态材料，在材料热轧后控制冷却达到低碳贝氏体、马氏体的组织，材料可以进行回火处理，也可以在弹簧制造厂冷成形后进行回火处理。
③对表面与尺寸精度要求较高的材料（如汽车悬架弹簧用热处理钢材）,可轧制成盘条后再进行冷拉并热处理(进行贝氏体、马氏体淬火)制成硬态弹簧钢丝。
（2）弹簧的热成形与直接淬火
指上述第①种非热处理软态材料，用感应加热或电炉、燃料炉加热至900℃―1050℃后热成形并直接进入空气加速冷却装置以（45℃/min～155℃/min）的冷却速度快速冷却获得贝氏体、马氏体等淬火组织。淬火后的弹簧进行回火（如后面的叙述）。
（3）弹簧的冷成形
指上面所述第②种与第③种热处理的硬态材料，弹簧在冷态成形，成形后的弹簧需立即进行低温回火处理。
（4）回火处理
本发明钢是多元微合金化的中低碳贝氏体、马氏体钢，回火处理基本是低温回火，通常在250℃―500℃范围内，时间60min―150min，由于合金的多元素的特点，回火时钢的微观组织会发生很复杂的变化，要使回火过程有利于钢的强韧化需通过系统的工艺试验确定工艺参数即回火温度与加热保温时间的控制范围，可采用正确的试验设计减少工作量。
Claims (10)
1.高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢，其特征是该弹簧钢包含以下重量百分比的化学成分：
C：0.15%～0.50%，
Si：0.30%～2.00%，
Mn：0.60%～2.50%，
S：≤0.020%，
P：≤0.025%，
B：0.0005%～0.0035%，
余量为铁。
2.根据权利要求1所述的高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢，其特征是：该弹簧钢还包含以下重量百分比的化学成分中的至少一种：
Mo：0.10%～0.50%，
Cr：0.20%～1.00%。
3.根据权利要求1或2所述的高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢，其特征是：该弹簧钢还包含以下重量百分比的化学成分中的至少一种：
V：0.03%～0.12%，
Nb：0.02%～0.1%,
Ti：0.005%～0.5%。
4.根据权利要求1所述的高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢，其特征是：该弹簧钢轧制成的钢材中H含量为≤0.8ppm，O含量为≤15ppm，N含量为50ppm～130ppm。
5.根据权利要求4所述的高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢，其特征是：所述钢材为Φ10mm～Φ60mm的圆钢或盘条钢。
6.根据权利要求4所述的高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢，其特征是：该弹簧钢经过溶炼和炉外精炼后浇注成钢锭或连铸成钢坯，再轧制成钢材。
7.根据权利要求4所述的高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢，其特征是：所述的钢材为热处理硬化态或软态。
8.根据权利要求1所述的高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢，其特征是：该弹簧钢达到的最低力学性能为:抗拉强度Rm≥1350MPa，屈服强度Rp0.2≥1050MPa，断后伸长率A≥10%,断面收缩率Z≥35%。
9.高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢的成形和热处理工艺，其特征是对权利要求1-2、4-8中任一项所述的弹簧钢采用以下任一形式的成形和热处理工艺获得最终的金相组织，该最终的金相组织为以经过回火的贝氏体和马氏体为主、含有体积百分比不超过5%的残余奥氏体、且不含其它非马氏体组织的金相组织：
(1)热处理的硬态材料采用冷加工成形后进行250℃～500℃的低温回火处理；
(2)软态材料加热至900℃～1050℃后热成形，然后直接冷却硬化，再进行250℃～500℃的低温回火处理；
(3)软态材料冷成形的弹簧加热至900℃～1050℃直接冷却硬化，再进行250℃～500℃的低温回火处理。
10.根据权利要求9所述的高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢的成形和热处理工艺，其特征是：所述最终的金相组织含有微合金元素V、Nb、Ti中至少一种的碳氮化物。
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