一种高强弹簧钢及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强弹簧钢及其制备方法，该高强弹簧钢化学成分按质量百分数计：C：0.50

【技术实现步骤摘要】
一种高强弹簧钢及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种高强弹簧钢及其制备方法，属于弹簧钢制造的


技术介绍

[0002]弹簧是重要的基础件，广泛应用于汽车、机械、铁路等领域。作为安全性承载部件，弹簧在服役过程中要承担高周交变载荷，其失效方式主要是疲劳断裂。大量研究表明，对于高强度、高周疲劳弹簧，杂质元素、大尺寸脆性夹杂物、偏析、表面质量等是引起疲劳失效的主要原因。
[0003]磷元素是导致弹簧钢性能降低的主要杂质元素之一，磷是弹簧钢中有害元素，增加钢的冷脆性，降低材料塑性，使其冷弯性能变差，在高载荷工作环境下易发生脆断。夹杂物与基体的结合力比较弱，尤其是氧化铝、镁铝尖晶石、氮化钛等脆性夹杂物以及尺寸硅酸盐夹杂，在服役条件下，夹杂物与基体界面会产生应力集中，当局部应力超过门槛值，就会形成裂纹源；随后在交变载荷作用下，裂纹逐渐扩展，并最终导致弹簧断裂。盘条成分、偏析或组织不均匀，会导致弹簧性能不稳定，在服役期容易发生疲劳断裂问题。若材料表面存在裂纹、凹坑、划伤等缺陷，在弹簧服役期均会直接导致断裂问题发生。
[0004]高强汽车悬架弹簧对杂质元素含量、夹杂物、偏析、组织、脱碳、表面质量等均有非常高的技术要求，直接影响到弹簧的疲劳寿命，进而影响汽车的整体寿命和使用安全性。为了得到高强度、高性能的弹簧钢，需要提高其生产过程中的杂质元素、夹杂物控制水平；解决连铸过程中铸坯成分不均匀及内部和表面质量问题；控制轧钢过程中脱碳、组织均匀性及表面质量等问题，综合提高高强汽车悬架弹簧质量及疲劳寿命。
[0005]专利2022109583109提供了一种弹簧钢线材及其生产方法，该工艺通过冶炼过程及部分辅料控制钢水中的P、S、Al、Ti等杂质元素及气体含量，通过连铸大压下控制铸坯偏析，结合加热度采用缩短保温时间、低温加热的方式以及控制炉内气氛、全修磨控制表层脱碳，实现弹簧钢整体质量的控制。该工艺虽然通过KR和转炉控制回硫，精炼和真空过程采用高碱度渣系脱硫，但是高碱度渣系会导致钢水中夹杂物Al2O3、CaO组分大幅增加，对夹杂物类型控制不利。此外，由于是硅锰脱氧钢，酸性夹杂物对耐材有一定的侵蚀作用，同时高碳钢在真空下C对耐材氧化物的还原侵蚀也较为严重，该专利提供的方法未对真空、连铸等耐材提供控制技术方法，不利于外来大尺寸夹杂物的控制；同时，连铸压下按照凝固中心简单分为三段来压，单段压下量过大，可能会导致铸坯内部裂纹等问题；而加热炉中采用低保温时间及低加热温度加热铸坯，不利于元素扩散和偏析的减弱消除；此外，采用线材作为打包带，易造成弹簧盘条表面勒痕和划伤。
[0006]专利2013106819801提供了一种用于控制夹杂物的弹簧钢线材生产工艺，包括如下步骤：1）按无铝脱氧工艺进行冶炼；2）转炉顶底复合吹炼；3）Ar站吹氩处理；4）LF钢包吹氩精炼，碱度控制目标0.7
‑
2.0；5）真空处理；6）浇注成方坯，经高线轧制工艺成线材。该工艺虽然通过无铝脱氧，但是采用低碱度的炉渣，不能很好地吸附Si/Mn脱氧产生的硅酸盐类夹杂；同时，低碱度渣系对耐材侵蚀加剧，会增加耐材带入的外来夹杂物数量，如氧化铝、镁
铝尖晶石等，该类夹杂物对疲劳寿命危害最大。
[0007]专利2012102042739提供了一种弹簧钢盘条及其夹杂物控制方法，其工艺路线为：1）转炉转炉高碳出钢；2）转炉炉后硅锰脱氧；3）LF精炼，终点钢中氧含量控制在20
‑
40ppm；4）连铸低过热度浇注；5）连轧和线材轧制。钢中夹杂物宽度尺寸不大于10um，夹杂物长宽比大于3。其缺点是钢中具有较高（20
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40ppm）的氧含量，且钢液中酸溶铝含量在0.01%
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0.02%之间，易造成弹簧钢中非金属脆性夹杂物增多，对弹簧服役期内疲劳寿命影响非常大。
[0008]专利2016102603055虽然提供了一种用于弹簧钢夹杂物控制的冶炼工艺，包括1 ）电炉初炼；2）吹氩；3 ）LF炉精炼；4 ）VD炉精炼；5 ）连铸；电炉初炼出钢过程中采用Si/Mn无铝脱氧工艺进行预脱氧，并同时采用活性石灰、复合剂和精炼渣。能很好地控制钢中脆性夹杂物，但精炼后期的炉渣碱度控制在0.7
‑
1.4，酸性炉渣对钢包、连铸中间包耐材侵蚀严重，易造成外来夹杂物超标。
[0009]高级别、重要用途弹簧对夹杂物、成分及组织均匀性、表面质量等均具有严格的要求。因此，控制夹杂物、成分组织均匀性、表面质量等一直是弹簧钢研发领域的重点。分析表明，夹杂物需要从塑性化、小尺寸两方面进行控制，大型夹杂物主要分为内生夹杂和外来夹杂物，内生夹杂物主要为脱氧产物，外来夹杂物来源包括钢渣、耐材、保护渣等，相应的控制措施可归为减少外来夹杂物产生、消除大型夹杂物。成分及组织均匀性、表面质量主要通过连铸、轧制过程进行控制，连铸过程通过工艺参数的设置，获得高组分均匀性铸坯，开坯修磨过程对铸坯表面及皮下质量进行控制，再采用高温涂层结合加热炉高温加热和延长保温时间，一方面控制坯料表面脱碳，另一方面有利于元素扩散均匀，改善坯料偏析和网碳。

技术实现思路

[0010]为了解决上述存在的问题，本专利技术公开了一种高强弹簧钢及其制备方法，其具体技术方案如下：一种高强弹簧钢，所述高强弹簧钢化学成分按质量百分数计包括C：0.50
‑
0.65%、Si：1.35
‑
1.65%、Mn：0.60
‑
0.80%、Cr：0.55
‑
0.80%、V：0.10
‑
0.30%、Ni≤0.02%、Cu≤0.015%、Mo≤0.005%、P≤0.007%、S≤0.0025%、T.O≤0.0010%、N≤0.0025%、H≤0.0002%、Al≤0.0015%、Ti≤0.0008%。
[0011]进一步的，所述高强弹簧钢线材金相组织中，以体积百分比计，包括索氏体和珠光体，≥95%马氏体和铁素体含量总和≤5%，采用所述的高强弹簧钢线材制备的弹簧强度≥2000MPa，疲劳寿命≥100万次。
[0012]进一步的，所述高强弹簧钢线材横截面上偏析最严重区域与其他基体区域，以质量百分比计，碳含量比值≤1.05、Cr含量比值≤1.15、Mn含量比值≤1.15，且硬度差≤20HV。
[0013]进一步的，所述高强弹簧钢线材表面无折叠，表面最大深度≤25μm，定义所述高强弹簧钢线材直径为D mm，其表面脱碳层最大深度≤D*0.2%mm，且其表面无全脱碳层。
[0014]进一步的，所述高强弹簧钢中夹杂物包括SiO2‑
MnO
‑
(CaO
‑
Al2O3‑
MgO)类夹杂物，其中(CaO
‑
Al2O3‑
MgO)质量占比≤25%，5μm以上夹杂物数量密度≤0.15个/mm2，在GB/T10561标准下的A、B、C、D类夹杂物评级均≤1.0级，Ds类夹杂物评级≤0.5级。
[0015]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强弹簧钢，其特征在于，所述高强弹簧钢化学成分按质量百分数计包括：C：0.50
‑
0.65%、Si：1.35
‑
1.65%、Mn：0.60
‑
0.80%、Cr：0.55
‑
0.80%、V：0.10
‑
0.30%、Ni≤0.02%、Cu≤0.015%、Mo≤0.005%、P≤0.007%、S≤0.0025%、T.O≤0.0010%、N≤0.0025%、H≤0.0002%、Al≤0.0015%和Ti≤0.0008%。2.根据权利要求1所述的高强弹簧钢，其特征在于，所述高强弹簧钢线材金相组织中，以体积百分比计，索氏体和珠光体≥95%，马氏体和铁素体含量总和≤5%，采用所述的高强弹簧钢线材制备的弹簧强度≥2000MPa，疲劳寿命≥100万次。3.根据权利要求1所述的高强弹簧钢，其特征在于，所述高强弹簧钢线材横截面上偏析最严重区域与其他基体区域，以质量百分比计，碳含量比值≤1.05、Cr含量比值≤1.15、Mn含量比值≤1.15，且硬度差≤20HV。4.据权利要求1所述的高强弹簧钢，其特征在于，所述高强弹簧钢线材表面无折叠，表面最大深度≤25μm，定义所述高强弹簧钢线材直径为D mm，则其表面脱碳层最大深度≤D*0.2%mm，且其表面无全脱碳层。5.根据权利要求1所述的高强弹簧钢，其特征在于，所述高强弹簧钢线材中夹杂物包括SiO2‑
MnO
‑
(CaO
‑
Al2O3‑
MgO)类夹杂物，其中(CaO
‑
Al2O3‑
MgO)质量占比≤25%，5μm以上夹杂物数量密度≤0.15个/mm2，在GB/T10561标准下的A、B、C、D类夹杂物评级均≤1.0级，Ds类夹杂物评级≤0.5级。6.制备如权利要求1
‑
5任一所述高强弹簧钢的方法，其特征在于，按KR铁水预处理—转炉冶炼—LF精炼—RH真空—大方坯连铸—热装热送—开坯及修磨—高线轧制—斯太尔摩风冷—成品盘条—淬火—回火工艺流程进行生产；具体包括以下步骤：步骤1：KR铁水预处理：铁水进行三次扒渣，两次加脱硫剂深脱硫，最后一次扒渣开铁包底吹赶渣，将铁水渣扒除干净，获得S含量≤0.001%，浮渣块占整个铁水面的面积比≤5%的铁水；步骤2：转炉冶炼：转炉装入量为140
‑
150t，铁水比80
‑
90%，选用清洁废钢冶炼，转炉采用三次造渣，两次倒渣工艺，最后一次造渣冶炼后不倒渣，留渣冶炼，获得P含量≤0.006%以下的钢水；步骤3：出钢开始时，先向钢包中加10
‑
20%的低氮增碳剂、金属锰进行脱氧合金化，出钢85%时加入碳化硅、低钛低铝硅铁、铬铁、钒铁及余下低氮增碳剂、金属锰，碳化硅、低钛低铝硅铁、金属锰、铬铁、钒铁及低氮增碳剂，全部熔于钢水后，加入合成渣进行造渣，搅拌3
‑
5min后运至LF炉进行处理；步骤4：LF炉精炼：全程开启底吹氩气，双透气砖流量控制比例为1:3
‑
1:2，精炼过程炉渣碱度控制在0.5
‑
0.8，将钢水成分、温度全部调节达标后，加入高碱度合成渣，将炉渣碱度调整为1.5
‑
2.0，搅拌3
‑
5min后出钢；步骤5：RH炉精炼：RH炉进站快速抽真空处理，真空室工作压力≤1mbar，提升气体流量为150
‑
200Nm3/h，处理时间≥15min，然后钢包下降10
‑
30cm，关闭E4、E5两级真空泵，升高真空室压力至10mbar以上，提升气体流量降低为100
‑
150N m3/min，循环≥5min后，破空；步骤6：大方坯连铸；步骤7：开坯修磨，高温加热，改善坯料偏析及表面质量；步骤8：轧制及风冷，控制冷却强度，改进盘条组织及性能；
步骤9：淬火；步骤10：回火。7.根据权利要求6所述的制备高强弹簧钢的方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程为：铁水运到KR处理工位，第一次扒渣，扒除高炉出铁带来的铁水渣，扒除表层炉渣；第二次扒渣为：第一次扒渣结束后向铁水中加脱硫剂脱硫，S脱到0.005%以下后，再扒除脱硫渣，浮渣块占整个铁水面的面积比≤10%；第三次扒渣为：在第二次扒渣后继续加脱硫剂进一步深脱硫至0.0010%以下，然后再扒渣；第三次扒渣时，开通铁包底吹赶渣，底吹氩气流量200
‑
300NL/min。8.根据权利要求6所述的制备高强弹簧钢的方法，其特征在于，所述步骤2具体为：转炉采用三渣留渣法冶炼，转炉吹炼前期采用开大底吹搅拌，大底吹的流量为5
‑
10Nm3/min，顶枪吹氧流量为24000
‑
26000Nm3/h，加入球团、石灰造渣，炉渣碱度1.8
‑
2.2，渣中T.Fe含量20
‑
30%，第一阶段结束钢水温度1400
‑
1450℃，然后倒渣，倒出炉渣≥70%；第二阶段吹炼，底吹流量为3
‑
6Nm3/min，顶枪吹氧流量为32000
‑
36000Nm3/h，加石灰、轻烧、球团造渣，炉渣碱度3.0
‑
4.0，渣中T.Fe含量15
‑
25%，吹炼至C含量≤0.5%时，开始倒渣，倒出炉渣≥60%；然后进行第三次造渣吹炼，底吹流量为5
‑
10Nm3/min，顶枪吹氧流量为30000
‑
34000Nm3/h，炉渣碱度≥5.0，渣中T.Fe含量15
‑
25%，吹炼结束采用滑板挡渣，出钢留渣，进行下一炉冶炼。9.根据权利要求6所述的制备高强弹簧钢的方法，其特征在于，所述步骤3中：低氮增碳剂、金属锰分两次加入，第一次为出钢开始时，先向钢包中加10
‑
20%的低氮增碳剂、金属锰，第二次为出钢85%时，加入余下的低氮增碳剂、金属锰；碳化硅、低钛低铝硅铁、金属锰、铬铁、钒铁、低氮增碳剂的加入顺序为：先加碳化硅，再加低钛低铝硅铁、金属锰、铬铁、钒铁，最后加碳粉，均是按顺序连续加入；出钢开始时，底吹流量为800
‑
1200NL/min，出钢85%时，底吹流量为400
‑
800NL/min，合金及碳粉全部熔于钢水后，加入合成渣进行造渣，钢包底吹流量降至150
‑
250NL/min。10.根据权利要求6所述的制备高强弹簧钢的方法，其特征在于，所述步骤4中：LF炉精炼，加料与合金化时最大透气砖氩气流量400
‑
500NL/min，升温期间最大透气砖氩气流量为300
‑
400NL/min，其余时间最大透气砖氩气流量为100~150NL/min；将钢水成分、温度全部调节达标后，双底吹透气砖流量均控制50
‑
80NL/min；LF出钢温度1560
‑
1580℃。11.根据权利要求6所述的制备高强弹簧钢的方法，其特征在于，所述步骤5中：RH破空后进行软搅拌和镇静处理，软搅拌时间10
‑
15min，软搅拌时双透气砖流量控制比例为1:3
‑
1:2，最大透气砖底吹氩气流量为60
‑
90NL/min，软搅拌结束钢水静置≥10min，运至连铸浇注。12.根据权利要求6所述的制备高强弹簧钢的方法，其特征在于，所述步骤6：大方坯连铸，断面300mm
×
390mm，连铸全程保护浇注，采用低碱度低氧化铝中间包覆盖剂，利用中包电磁感应加热设备将中间包钢水过热度控制波动≤5℃，结晶器液位波动≤2mm，结晶器电磁搅拌电流450
‑
650A，频率6
‑
8Hz，连铸拉速控制在0.5
‑
0.7m/min，压下量控制分布，4段：3.5
‑
4.5mm、5段：3~4mm、6段：2.5
‑
3.5mm、7段：2
‑
3、8段：1.5
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2.5mm、9段：1
‑
2mm、10段以后
0.5
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1mm，得到铸坯C偏析指数0.95
‑
1.05。13.根据权利要求6所述的制备高强弹簧钢的方法，其特征在于，所述步骤7具体为：开坯修磨，在控制炉内气氛情况下，将所述连铸坯在开坯加热炉中加热及均热保温，在均热段时间控制在250~350分钟，并控制所述开坯加热炉内所述连铸坯的温度1150
‑
1200℃，开轧温度1120
‑
1150℃，其中，在所述炉内气氛成分中，以体积百分比计，H2O和O2含量总和≤1.2%；...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵家七，蔡小锋，马建超，李解，
申请(专利权)人：江苏省沙钢钢铁研究院有限公司江苏沙钢集团有限公司，
类型：发明
国别省市：