專利名稱：：大絲徑懸架螺旋彈簧材料及制備方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于熱壓力加工用途彈簧鋼，涉及一種熱加工用途大絲徑懸架螺旋彈簧材料及制備方法。
背景技術：
：中重型汽車大絲徑懸架螺旋彈簧需在高溫狀態(tài)下進行壓力加工(如制尖和巻繞)，之后進行淬火和回火熱處理，這種用于高溫壓力加工和之后進行淬火和回火的彈簧鋼稱為熱壓力加工用途彈簧鋼。眾所周知，高溫加熱和淬火加熱都可以引起脫碳，脫碳所產(chǎn)生的全脫碳層(鐵素體層)大幅降低彈簧的疲勞壽命。因此，熱壓加工用途彈簧鋼尤其是高強度彈簧鋼應具有低脫碳的工藝性能，也就是高溫加熱和淬火加熱后不允許有全脫碳層。所以，大絲徑懸架螺旋彈簧對彈簧材料的首要要求是低脫碳，不允許熱加工或淬火加熱后有全脫碳層。為了降低彈簧材料和能源的消耗以及彈簧輕量化的需要，要求彈簧材料具有高強度和高塑性的綜合機械性能，如果強度高而塑性低易產(chǎn)生脆性斷裂或低應力斷裂等諸多問題。所以，大絲徑懸架螺旋彈簧對彈簧材料的第二方面要求是高強度和高塑性的綜合機械性能。通過添加稀貴合金元素(如Ni)的方法解決彈簧材料的脫碳、強度和塑性問題，必然導致稀貴合金元素的大量消耗，不僅對保護與利用自然資源不利而且更不利于成本和應用。歐洲彈簧鋼技術標準EN10089:2002(E)(以下簡稱為3EN10089)是關于熱壓力加工用途彈簧鋼的技術標準，從EN10089可以看出，其彈簧材料的合金含量都比較低，嚴格地控制合金元素的種類與含量，是工業(yè)化和商業(yè)化要求的必然結果。顯而易見，大絲徑懸架螺旋彈簧對彈簧材料的第三方面要求是低合金和低成本。綜上所述，大絲徑懸架螺旋彈簧對其彈簧材料的要求是低脫碳、高強度、高塑性和低合金，必須同時滿足這四個方面的要求。現(xiàn)有的彈簧材料難以滿足大絲徑懸架螺旋彈簧材料的低脫碳、高強度、高塑性和低合金的要求，盡管在某一方面可以滿足。例如，EN10089鋼號51CrV4彈簧鋼可以滿足低脫碳的要求，但不滿足高強度和高塑性的要求。EN10089鋼號54SiCrV6彈簧鋼具有高強度和較高的塑性但不滿足低脫碳的要求。這類以Si為強化元素的高強度彈簧鋼的主要技術問題是全脫碳層問題，是眾所周知的事實。Si是提高彈簧材料強度的重要合金元素而且資源豐富成本低，但增加鋼的脫碳傾向性而導致全脫碳層的形成，這種提高強度的有益作用與形成全脫碳層的危害同時存在，使含Si高強度彈簧鋼的全脫碳層問題難以解決。韓國浦項彈簧鋼(中國專利94191328.7公開)通過加入Ni減小全脫碳層(鐵素體層)深度，"脫碳層深度的形成受到很大程度抑制"，但是這種添加稀貴合金元素解決全脫碳層問題必然導致材料的成本很高而難以接受。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種大絲徑懸架螺旋彈簧材料及制備方法，該大絲徑懸架螺旋彈簧材料是低脫碳、高強度、高塑性和低合金的熱壓力加工用途彈簧材料。通過大量添加合金元素降低材料的脫碳傾向性或"抑制"全脫碳層的形成，是目前解決熱壓力加工用途高強度彈簧鋼全脫碳層問題的主要方法和途徑，但這樣必然導致材料成本高或其它問題。如果通過巧妙的成分配比，使該材料脫碳所產(chǎn)生的全脫碳層在力卩熱過中自然去除，當然也可以獲得低脫碳的效果，從而解決大絲徑懸架螺旋彈簧材料脫碳所產(chǎn)生的全脫碳層問題。在如上的技術構思下，本發(fā)明提供大絲徑懸架螺旋彈簧材料，解決了熱壓力加工用途高強度彈簧材料全脫碳層的問題。該大絲徑懸架螺旋彈簧材料適于高溫自然氧化法去除全脫碳層。高溫自然氧化法通過材料的組分與配比選擇降低材料的抗氧化性，使材料在高溫狀態(tài)下易被氧化并形成氧化皮，從而使工藝過程中脫碳所產(chǎn)生的全脫碳層同時被氧化為氧化皮，由此自然地去除了脫碳所產(chǎn)生的全脫碳層，因此獲得無全脫碳層的低脫碳效果，解決了材料的高脫碳傾向所產(chǎn)生的全脫碳層問題。氧化皮是與材料附著力很低的易碎疏松物質(zhì)，有阻止進一步脫碳并起保護作用。本發(fā)明提供的大絲徑懸架螺旋彈簧材料，獲得無全脫碳層的顯著技術效果。本發(fā)明解決大絲徑懸架螺旋彈簧材料的高強度、高塑性和低合金同時又解決全脫碳層問題的又一個技術思路是中碳、復合合金化和稀貴合金微合金化。這樣充分發(fā)揮和加強了合金元素的有益效果，減小合金元素所產(chǎn)生的危害，在獲得明顯技術效果的前提下降低合金元素含量，不僅降低材料成本而且有利于保護資源。復合合金化(包括復合微合金化)是本發(fā)明的關鍵和技術特點，合金材料所具有的性能和行為是各組元(包括微量元素)協(xié)同作用的結果，而不是某一合金元素簡單的、定'ti的作用或影響，尤其是在材料的強度不斷提高但要求高塑性的情況下。例如，超高強度馬氏體時效鋼對碳的要求是極其嚴格的，即使是微量碳的增加都將破壞鋼的性能，使馬氏體時效鋼失去技術意義和技術目的；在含磷高強度鋼板中，僅加入微量的磷就可以顯著提高鋼板強度。由此可見，微量元素的作用是不可忽略的。本發(fā)明提供的大絲徑懸架螺旋彈簧材料，在以Si為強化元素的情況下，通過V與Nb的微合金復合合金化降低材料的抗氧化性，并利用工藝過程中的高溫氧化作用獲得無全脫碳層的低脫碳效果，而且，同時具有提高材料強度和細化晶粒等重要作用。本發(fā)明提供的大絲徑懸架螺旋彈簧材料，在高溫自然氧化中所消耗的表面材料很少，不影響彈簧的尺寸精度要求。氧化皮的附著力很低，淬火后脫自然脫落。本發(fā)明提供的大絲徑懸架螺旋彈簧材料的化學成份及重量百分配比為C0.429~0.529%、Si0,70~1.19%、Mn0.50~1.20%、Cr0.501.20%、V0.01~0.07%、Nb0.010.07%、P《0.025%、S《0.025%、[O]525ppm，其余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。對本發(fā)明技術方案的進一步說明如下降低碳的含量對提高強度不利；提高碳的含量對提高塑性和加熱溫度不利，并易引起淬火開裂。本發(fā)明技術方案的C含量為0.429~0.529%。淬火組織為中碳馬氏體組織，中溫回火后為強度較高和高塑性的回火屈氏體組織，也是為了提高淬火加熱溫度，以利于大絲徑螺旋彈簧的壓力加工和解決全脫碳層問題。Si是提高強度的合金元素，但增加脫碳傾向性，并具有提高抗氧化性的作用。為了.提高強度和降低抗氧化性及脫碳傾向性，&含量為0.70~1.19%。Cr、Mn的作用和相互間復合作用是提高強度和淬透性。Cr、Mn的含量低達不到技術效果；其高的含量會降低合金元素有益效果的效率，不利于材料成本，并產(chǎn)生有害作用，如塑性下降、降低淬火加熱溫度等。因此，Cr含量為0.50~1.20%、Mn含量為0.501.20%。V和Nb必須同時加入，這種復合合金化所產(chǎn)生的效果是單一元素難以達到的。一般認為，V和Nb是強碳化物元素，選擇V和Nb—種或兩種，具有提高強度、提高抗彈性衰減及細化晶粒的作用。在本發(fā)明中，V與Nb不可互相代替，而且是采用微合金的量同時加入V和Nb，其所產(chǎn)生的作用是微合金化、降低抗氧化性、提高淬火加熱溫度、晶粒細化、提高晶粒粗化溫度、提高強度和淬透性等。例如，EN10089鋼號54SiCrV6彈簧鋼僅含有V—種強碳化物元素，V含量至少在0.10。/。以上，而本發(fā)明由于V與Nb的同時加入使V含量可少到0.01%水平，僅為51CrV4或54SiCrV6鋼的十分之一。本發(fā)明采用的V與Nb的復合合金化取得了大幅降低稀貴合金元素含量的微合金化效果。值得注意的是，在考慮合金元素配比時，不僅考慮有益的效果更要考慮危害作用。綜合考慮，本發(fā)明的V含量為0.01~0.07%，Nb含量為0.010.07%。本發(fā)明提供的大絲徑懸架螺旋彈簧材料，[O]是有害元素，降低[O]含量可使氧化物類型的非金屬夾雜細小、彌散和數(shù)量減少，對提高材料的塑韌性有利。發(fā)明人進一步研究發(fā)現(xiàn)，'降低[O]有防止沿晶斷裂的重大作用，對解決全脫碳層問題有利。顯然，[o]是本發(fā)明技術方案中的重要因素或技術特征，具有與其它合金元素同等甚至更重要的技術地位與作用；但是，過低[O]含量對冶金方法和成本不利。綜合考慮，本發(fā)明的含量為525ppm。S、P都是有害元素，降低材料的塑韌性。按通常量控制，S含量《0.025y。，P含量《0.0250/0。本發(fā)明采用的是現(xiàn)有的螺旋彈簧材料冶金生產(chǎn)工藝，只是涉及高溫熱處理步驟和條件是與本發(fā)明的大絲徑懸架螺旋彈簧材料的配方及獲得的目標物的性能相匹配的。本發(fā)明的大絲徑懸架螺旋彈簧材料的制備方法步驟和條件如下配料、電爐冶煉、爐外鋼包精煉與除氣處理、鑄錠或連鑄、開坯、酸洗、修磨、探傷、軋制；其特征在于，還包括的熱處理工藝為淬火加熱溫度900士10。C，油淬火；回火溫度390土10。C。當然，也可以選用其它冶金工藝，如電渣重熔。本發(fā)明材料的非金屬夾雜(JK評級)為A《1.5、B《1.5、C《l、D《1。本發(fā)明的有益效果和技術進步如下1)本發(fā)明提供的大絲徑懸架螺旋彈簧材料，是一種熱壓力加工用途大絲徑螺旋彈簧材料，具有低脫碳、高強度、高塑性和低合金的特點，解決了大絲徑螺旋彈簧所要求的低脫碳、高強度、高塑性和低合金的彈簧材料問題。本發(fā)明材料的技術性能為全脫碳層深度^mm，抗拉強度17501900MPa，斷面收縮率4044。/。，同比合金含量低于EN10089鋼號51CrV4或54SiCrV6彈簧鋼。2)EN10089鋼號51CrV4和54SiCrV6，是國際上技術先進的熱壓力加工用途彈簧材料。表1是本發(fā)明提供的大絲徑懸架螺旋彈簧材料與EN10089鋼號51CrV4和54SiCrV6彈簧鋼的技術性能對比，可看出本發(fā)明所取得的實質(zhì)性顯著技術效果和先進的技術水平(l)本發(fā)明提供的大絲徑懸架螺旋彈簧材料無全脫碳層，與EN10089鋼號51CrV4彈簧鋼相當，但本發(fā)明提供的大絲徑懸架螺旋彈簧材料的強度比51CrV4提高30%、塑性提高33%;(2)本發(fā)明提供的大絲徑懸架螺旋彈簧材料的強度比EN10089鋼號54SiCrV6彈簧鋼提高6%，塑性提高14%,更重要的是54SiCrV6鋼存在全脫層問題，本發(fā)明提供的大絲徑懸架螺旋彈簧材料無全脫碳層。表i<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>3)本發(fā)明提供的大絲徑懸架螺旋彈簧材料，是一種熱壓力加工用途的高強度與高塑性大絲徑螺旋彈簧材料。在成分及配比上有獨特技術特征，詳見如下對比表2。在普通合金元素上'，本發(fā)明與51CrV4或54SiCrV6鋼相當，但稀貴合金元素明顯低丁51CrV4或54SiCrV6鋼。按價格類比計算，本發(fā)明材料的V與Nb含量相當于51CrV4或54SiCrV6鋼含V量的50%，取得了低合金的顯著技術效果。稀貴合金復合與微合金化是本發(fā)明的顯著特點,對于現(xiàn)有彈簧材料技術來說是實質(zhì)性的重大技術突破和顯著的技術進步。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>4)大絲徑螺旋彈簧的簧絲直徑通常在25mm以上，為了保證彈簧的高強度和高塑性，要求彈簧材料具有一定的淬透性。表3是本發(fā)明提供的大絲徑懸架螺旋彈簧材料與EN10089鋼號54SiCrV6、51CrV4和52CrMoV4彈簧鋼的淬透性技術數(shù)據(jù)對比，由表可見本發(fā)明材料具有較的高淬透性，油淬火直徑可達50mm。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>5)本發(fā)明提供的大絲徑懸架螺旋彈簧材料，解決了熱壓力加工用途高強度彈簧鋼全脫碳層問題。該大絲徑懸架螺旋彈簧材料適于高溫自然氧化法，解決了高脫碳傾向彈簧材料的全脫碳層問題，獲得了無全脫碳層的顯著低脫碳技術效果。通常認為高溫氧化是有害的，但本發(fā)明提供的大絲徑懸架螺旋彈簧材料，正是利用制備工藝過程中的這種氧化作用解決了業(yè)界長期以來難以解決的全脫碳層問題。與添加M抑制全脫碳層的方法相比，本發(fā)明提供的大絲徑懸架螺旋彈簧材料合金含量很低尤其是不含稀貴合金Ni，材料成本或經(jīng)濟優(yōu)勢顯著。表2是本發(fā)明提供的大絲徑懸架螺旋彈簧材料與添加Ni的技術方案解決仝脫碳層問題的技術效果對比，可以看出木發(fā)明所取得的實質(zhì)性10與顯著技術效果。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>6)本發(fā)明提供的大絲徑懸架螺旋彈簧材料，用于制造中重型汽車的大絲徑懸架螺旋彈簧，還可用于轎，懸架螺旋彈簧、汽車扭桿彈簧、穩(wěn)定桿、中厚度的少片板簧等，并且本發(fā)明提供的大絲徑懸架螺旋彈簧材料，是高強度彈簧鋼絲和油淬火回火彈簧鋼絲的優(yōu)良材料，具有廣泛的用途。具體實施方式實施例1l)實施例l材料的化學成份配比(Wty。)見表5，其余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。表5<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>2)實施例1材料的冶金生產(chǎn)工藝是:按如上1)的材料成份(Wty。)配料，工業(yè)生產(chǎn)電爐冶煉、爐夕卜鋼包精煉和除氣處理、模鑄、開坯、酸洗、修磨、軋制。3)實施例l材料的熱軋材016~035。4)實施例1材料的全脫碳層深度、晶粒度和非金屬夾雜的金相法檢驗0>16熱軋材，全脫碳層深度二Omm，晶粒度8級。0>34試樣，90(TC保溫(空氣狀態(tài)下)120min，全脫碳層深度^Omm，晶粒度8級。非金屬夾雜如下表6。表6<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>5)實施例1材料的淬透性末端淬透性試驗(奧氏體化溫度900°C)，試驗數(shù)據(jù)如下表7:表7<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>①34試樣，900'C油淬火，次表面硬度58HRC，1/2R處硬度HRC56.5,心部硬度HRC56。6)實施例l材料的機械性能。直徑10mm，5倍比例標準試樣，按國家標準試驗。熱處理工藝和機械性能如下表8:表8<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>權利要求1.大絲徑懸架螺旋彈簧材料，其特征在于其化學成份及重量百分配比為C0.429～0.529％、Si0.70～1.19％、Mn0.50～1.20％、Cr0.50～1.20％、V0.01～0.07％、Nb0.01～0.07％、P≤0.025％、S≤0.025％、[O]5～25ppm，其余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。2、如權利要求l所述的大絲徑懸架螺旋彈簧材料的制備方法，步驟和條件如下配料、電爐冶煉、爐外鋼包精煉與除氣處理、鑄錠或連鑄、開坯、酸洗、修磨、探傷、軋制；其特征在于，還包括的熱處理工藝為淬火加熱溫度900土10。C，油淬火；回火溫度390土10。C。全文摘要本發(fā)明涉及一種大絲徑懸架螺旋彈簧材料，其化學成份及重量百分配比為C0.429～0.529％、Si0.70～1.19％、Mn0.50～1.20％、Cr0.50～1.20％、V0.01～0.07％、Nb0.01～0.07％、P≤0.025％、S≤0.025％、[O]5～25ppm，其余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。所述的大絲徑懸架螺旋彈簧材料具有低脫碳、高強度和高塑性的技術性能，而且合金含量低，是制造中重型汽車大絲徑懸架螺旋彈簧的優(yōu)良材料，也可用于轎車懸架螺旋彈簧、汽車扭桿彈簧和穩(wěn)定桿，也是高強度彈簧鋼絲和油回火彈簧鋼絲的優(yōu)良原材料。文檔編號C22C38/26GK101619418SQ20081005091公開日2010年1月6日申請日期2008年7月3日優(yōu)先權日2008年7月3日發(fā)明者孫心紅申請人:孫心紅