一種高碳冷軋汽車膜片彈簧鋼及其生產(chǎn)方法
【專利摘要】一種高碳冷軋汽車膜片彈簧鋼，其組分及wt%為：C：0.70~0.90%，Si：0.15~0.35%，Mn：0.50~1.00%，P≤0.008%，S≤0.002%，Alt：0.010~0.030%，V：0.10~0.30%，Cr：1.20~2.00%，Ni：1.20~2.00%，Ca：0.002~0.006%，N≤0.004%；生產(chǎn)步驟：鐵水脫硫；轉(zhuǎn)爐冶煉；LF爐精煉；RH真空爐處理；連鑄成坯；鑄坯經(jīng)切割后進(jìn)行坑式緩冷；鑄坯加熱；分段熱軋；卷取；緩冷；切割后退火；冷軋；淬火；回火；檢驗(yàn)并待用。本發(fā)明鋼通過軋制和熱處理后，具有高強(qiáng)度、高彈性、高屈服極限、高抗疲勞極限、低溫韌性和較長使用壽命，可用于制造各類車輛離合器總成，特別是適用于低溫環(huán)境下的大型工程機(jī)械車輛。
【專利說明】一種高碳冷軋汽車膜片彈簧鋼及其生產(chǎn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及彈簧用鋼，具體地用于汽車?yán)滠埬て瑥椈捎娩摷捌渖a(chǎn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在汽車離合器總成中，膜片彈簧對汽車離合器總成中的性能和使用壽命有很大影 響。目前，受冶金設(shè)備能力水平和后期加工水平所限，國內(nèi)汽車膜片彈簧鋼中的碳含量不 高，一般在〇. 65%以內(nèi)，并多采用"熱軋一退火一酸洗一加工一熱處理"的工藝路線。主要 由于其碳及鉻含量低，使產(chǎn)品的力學(xué)性能如強(qiáng)度及硬度較低，且低溫環(huán)境下易脆斷，不能滿 足在低溫環(huán)境使用的大型工程機(jī)械車輛對膜片彈簧的要求。
[0003] 在本發(fā)明提出之前，涉及高碳冷軋汽車鋼制造領(lǐng)域的同類技術(shù)產(chǎn)品不多，特別是 針對高碳冷軋汽車膜片彈簧鋼方面的更少。
[0004] 經(jīng)檢索：中國專利申請?zhí)枮?01210462512的專利文獻(xiàn)，其公開了"一種汽 車用冷軋膜片彈簧鋼及其生產(chǎn)方法"。其成分及質(zhì)量百分比含量為：C:0.4(T〇. 65%， Si:0. 10^0. 35%, Mn:0. 60^1. 00%, Cr ：0.80^1.20%, Ni ：0.20^0.50%, V ：0.27^0.55%, P < 0. 010%，S < 0. 007%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。該文獻(xiàn)在化學(xué)成分上添加了一定 量的Ni和Mn,但C含量和Cr含量偏低，雖然有比較好的冷軋加工性能，但強(qiáng)度、硬度、韌性 偏低，不能滿足在低溫環(huán)境使用的大型工程機(jī)械車輛對膜片彈簧的要求。
[0005] 中國專利申請?zhí)枮?4191328的文獻(xiàn)，其公開了"一種用于汽車懸架彈簧的低脫 碳、高韌性彈簧鋼"，所涉及鋼具有下列成分及質(zhì)量百分比：C:0. 5(Γ〇. 70%，Si: I. 0(Γ3. 5%， Mn :0. 30^1. 50%, Cr ：0. 30^1. 00%, Ni ：0. 50^5. 00%, V ：0. 05^0. 50%, P ^ 0. 020%, S < 0. 020%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。其化學(xué)成分中C、Cr偏低，其強(qiáng)度、硬度、疲勞性 能和彈性極限也偏低；且因?yàn)樵撲撝蠸i含量較高，還存在生產(chǎn)和后期冷熱加工斷裂風(fēng)險(xiǎn)增 大的不足。
[0006] 日本專利JP2507791A、JP3745193A和JPH06228734,均為用于離合器膜片的彈簧 鋼，其在化學(xué)成分上添加了一定量的Mo, C含量和Cr含量仍偏低。其存在疲勞性能和彈性 極限偏低，退火后的球化率也偏低。此外，因?yàn)殇撝蠸i含量較高，如生產(chǎn)寬帶鋼，在后期加 工剪切階段會(huì)使斷裂風(fēng)險(xiǎn)較大而無法使用。
[0007] 為了進(jìn)一步提高汽車膜片彈簧彈力、冷熱加工性能、使用壽命，減少鋼板性能波 動(dòng)，滿足低溫環(huán)境使用的大型工程機(jī)械車輛汽車膜片彈簧要求，本 申請人:研發(fā)本發(fā)明申請。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種經(jīng)淬火及回火后抗拉強(qiáng)度 在160(T2400MPa，HRC在47?59, -40°C KV2彡34J，彈性極限高的用于汽車?yán)滠埬て瑥椈捎?鋼及其生產(chǎn)方法。
[0009] 實(shí)現(xiàn)上述目的的措施： 一種高碳冷軋汽車膜片彈簧鋼，其組分及重量百分比含量為：C :0.7(Γ〇. 90%，Si : 0. 15^0. 35%, Mn ：0. 50^1. 00%, P ^ 0. 008%, S ^ 0. 002%, Alt ：0. 010^0. 030%, V ：0. 10^0. 30%, Cr :1. 20?2· 00%，Ni :1. 20?2· 00%，Ca :0· 002?0· 006%，N 彡 0· 004%，余量為 Fe 及不可避免的 夾雜；金相組織為回火馬氏體。
[0010] 生產(chǎn)一種高碳冷軋汽車膜片彈簧鋼的方法，其步驟： 1) 進(jìn)行鐵水脫硫； 2) 進(jìn)行轉(zhuǎn)爐冶煉； 3) 在LF爐中進(jìn)行精煉； 4) 在RH真空爐中進(jìn)行處理，控制真空處理時(shí)間不少于20分鐘； 5) 連鑄成坯：在連鑄過程中電磁攪拌始終；并對鑄坯進(jìn)行輕壓下，壓下率為29Γ8% ; 6) 鑄坯經(jīng)切割后進(jìn)行坑式緩冷并冷卻至室溫； 7) 對鑄坯加熱，加熱溫度控制為1200?1300°C，加熱速率控制為8?14分鐘/厘米； 8) 進(jìn)行分段熱軋：控制粗軋開軋溫度在1050?120(TC，控制精軋終軋溫度在800? 900 0C ； 9) 進(jìn)行卷取，控制卷取溫度在700?800°C ; 10) 進(jìn)行緩冷，冷卻速度控制在不超過15°C /小時(shí)下冷卻至不超過200°C ; 11) 經(jīng)切割后進(jìn)行退火，退火溫度為750?850°C，退火及保溫時(shí)間不低于1550min ; 12) 進(jìn)行冷軋，冷軋道次為1~3,總壓下率在15~30%; 13) 進(jìn)行淬火：控制淬火溫度在850?950°C，淬火保溫時(shí)間不低于30min ; 14) 進(jìn)行回火，控制回火溫度在600?700°C，回火保溫時(shí)間不低于50min ;經(jīng)回火后的 金相組織為回火馬氏體； 15) 檢驗(yàn)并待用。
[0011] 本發(fā)明中各元素及主要工藝參數(shù)的作用及機(jī)理： 考慮該鋼主要是要保證高強(qiáng)度、高彈性、高屈服極限、高抗疲勞極限和較長使用壽命， 同時(shí)還得具備良好的剪切和冷軋加工性能。因此，煉鋼時(shí)要嚴(yán)格控制鋼水的純凈度，防止P、 S含量對鋼脆性的影響。C、Si、Mn、Cr、Ni、V的設(shè)計(jì)成分保證了鋼的強(qiáng)度、彈性、疲勞極限等 范圍符合汽車膜片彈簧鋼的要求?？偟恼f來，采用Cr、Ni、V及其他元素的復(fù)合微合金化上， 要充分發(fā)揮各元素的特點(diǎn)。
[0012] 合金元素對汽車膜片彈簧鋼性能的影響 C :其是提高強(qiáng)度最有效的元素，隨著C含量的增加，鋼中Fe3C增加，淬硬性也增加， 鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高。但是，隨著C含量增加，鋼材的延伸率、沖擊韌性和冷加 工性能下降。因此，為保證鋼板有高強(qiáng)度、高淬硬性、高耐磨性，本發(fā)明將C含量控制在 0. 709Γ0. 90%以內(nèi)。如果C含量過低，其強(qiáng)度、硬度和耐磨性將下降，達(dá)不到大型工程機(jī)械車 輛膜片彈簧設(shè)計(jì)要求。
[0013] Si :其與碳的親和力很弱，在鋼中不與碳化合，但能溶入鐵素體，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作 用，使得鐵素體的強(qiáng)度和硬度提高，但塑性和韌性卻有所下降?？梢?，Si對強(qiáng)度有一定幫助， 但含量不可過高，以免降低鋼的塑韌性?？紤]本發(fā)明鋼要進(jìn)行冷軋加工和強(qiáng)度貢獻(xiàn)，故Si 含量控制在0. 15、. 35%范圍內(nèi)。
[0014] Mn:其與碳的親和力較強(qiáng)，是擴(kuò)大奧氏體相區(qū)、細(xì)化晶粒、球化碳化物和保證綜合 性能以及提高淬透性的有效元素，且它并不惡化鋼的變形能力，1. 〇〇%的Mn約可抗拉強(qiáng)度 貢獻(xiàn)IOOMPa的強(qiáng)度。Mn含量偏高會(huì)在鋼中形成偏析帶，造成局部硬度強(qiáng)度偏高，不利于后 期冷軋加工。因此考慮到Mn對強(qiáng)度貢獻(xiàn)和對組織的弊端，將Mn控制在0. 509Γ1. 00%。
[0015] Al是鋼中的主要脫氧元素，在奧氏體中的最大溶解度大約0. 6%，它溶入奧氏體后 僅微弱地增大淬透性。但是當(dāng)Al含量偏高時(shí)，易導(dǎo)致鋼中夾雜增多，對鋼的韌性不利，同時(shí) 會(huì)降低鋼的淬硬性和韌性，減少彈簧鋼的使用壽命。因此將鋼中Alt含量控制在0. 030%以 內(nèi)。
[0016] Cr能提高鋼的淬透性，是有效提高鋼材強(qiáng)度特別是高溫強(qiáng)度的元素，還能提高鋼 中滲碳體穩(wěn)定性及硬度，對提高鋼的彈性、耐磨性和極限強(qiáng)度有重要作用。材抗氫脆能力， 提高鋼材回火穩(wěn)定性?？紤]到上述分析結(jié)果，將Cr含量控制在I. 209Γ2. 00%。
[0017] Ni不會(huì)形成碳化物，是擴(kuò)大Y相、細(xì)化晶粒、球化碳化物和保證綜合性能以及提 高淬透性的有效元素，提高退火后的珠光體球化比率，便于冷熱加工。同時(shí)，添加 Ni后可明 顯提高鋼卷的韌性。因此，將Ni含量控制在I. 209Γ2. 00%。
[0018] V是有效提高鋼板強(qiáng)度的碳化物形成元素之一，在鋼中的效果僅次于Nb、Ti。鋼中 加入V后將形成VC，提高了滲碳體的熔點(diǎn)、硬度和耐磨性。但V的含量不能過高，V在中溫 回火時(shí)發(fā)生彌散狀態(tài)分布，產(chǎn)生二次硬化，不利于鋼的加工檢驗(yàn)。因此，本發(fā)明設(shè)計(jì)V的含 量時(shí)將V控制在0. 109Γ0. 30%。
[0019] (2)雜質(zhì)元素和氣體對汽車膜片彈簧鋼性能的影響 冷軋汽車膜片彈簧鋼需確保鋼的冷軋加工性能，而鋼中的雜質(zhì)元素對鋼的冷加工性能 有很大影響。P、S盡管在鋼中含量甚少，但對冷加工性能影響較大，嚴(yán)格控制其含量能明顯 減少加工過程中的斷裂現(xiàn)象。在冷軋鋼卷發(fā)生的脆斷往往由裂紋源的擴(kuò)展造成的，裂紋源 則大多出現(xiàn)在P的偏析處，而含S的夾雜物的偏聚也易造成分層撕裂等。因此，對于該鋼應(yīng) 將P控制在0. 008%以內(nèi)，S控制在0. 002%以內(nèi)。
[0020] 另外，該鋼在連鑄和緩冷過程要求較高，應(yīng)盡量減少鋼中氣體含量，減小鋼的偏 析。同時(shí)，為了減少鋼的時(shí)效影響，將N的含量控制在0.004%以內(nèi)。
[0021] 生產(chǎn)工藝設(shè)定的理由 (1)煉鋼工藝 該鋼冶煉時(shí)真空處理時(shí)間不低于20min，可較好的降低鋼中雜質(zhì)、氣體含量。鋼含碳量、 合金元素含量較高，連鑄前必須進(jìn)行電磁攪拌和動(dòng)態(tài)輕壓下處理，降低元素偏析。
[0022] (2)軋鋼工藝 由于該鋼強(qiáng)度高，要按高強(qiáng)鋼工藝進(jìn)行軋制和卷取。軋制前鑄坯加熱溫度為 120(Tl300°C，確保鑄坯溫度均勻。粗軋和精軋時(shí)，設(shè)定溫度要比常規(guī)低合金鋼高，減小軋機(jī) 設(shè)備負(fù)荷。同時(shí)，要考慮鋼的臨界點(diǎn)溫度，避免出現(xiàn)混晶現(xiàn)象。因此，鋼的粗軋開軋溫度為 105(Tl200°C，精軋終軋溫度為90(T950°C，卷取溫度為70(T800°C。卷取后對鋼卷進(jìn)行緩冷 工藝，是為了降低卷取內(nèi)應(yīng)力并使得鋼卷不同部位力學(xué)性能均勻。
[0023] (3)熱處理工藝 由于產(chǎn)品最終需要加工成汽車離合器圓片，且對產(chǎn)品質(zhì)量要求較高，所以針對該鋼的 特點(diǎn)設(shè)計(jì)加工工藝路線：切割一退火一酸洗一冷軋一淬火一回火一檢驗(yàn)發(fā)貨。退火溫度設(shè) 計(jì)為75(T850°C是為了大幅下降鋼卷強(qiáng)度，并使得鋼的珠光體組織球化且均勻，易于剪切加 工。淬火溫度設(shè)計(jì)為85(T950°C，回火溫度設(shè)計(jì)為60(T70(TC，是為了讓鋼完全奧氏體化，淬 火+回火后得到均勻穩(wěn)定的回火馬氏體，獲得高強(qiáng)度、高彈性、高屈服極限、高抗疲勞極限 和較長使用壽命。
[0024] 本發(fā)明鋼具有如下優(yōu)點(diǎn)： 在成分設(shè)計(jì)上采用高碳，并添加一定量的Mn、Cr、V，同時(shí)嚴(yán)格控制P、S含量，使得該鋼 具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。利用合理的軋制和卷取制度，在軋機(jī)軋制能力范圍內(nèi)提高鋼卷 性能。后期加工中設(shè)計(jì)了熱軋卷一退火一酸洗一切割一加工一淬火一回火的工藝路線，利 用退火工藝降低了剪切難度，并通過淬火+回火熱處理得到回馬氏體組織，利用鋼中Μη、 Ni、V等微合金的復(fù)合強(qiáng)化作用保證了鋼材獲得足夠的強(qiáng)度和耐磨性。
[0025] 本發(fā)明鋼通過軋制和熱處理后，抗拉強(qiáng)度在160(T2400MPa，HRC在 47飛9, -40°C KV2 > 34J，即具有高強(qiáng)度、高彈性、高屈服極限、高抗疲勞極限、低溫韌性和較 長使用壽命，可用于制造各類車輛離合器總成，特別是適用于低溫環(huán)境下的大型工程機(jī)械 車輛。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明的熱軋態(tài)金相組織圖； 圖2為本發(fā)明的退火態(tài)組織金相組織圖； 圖3為本發(fā)明的淬火+回火態(tài)金相組織圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面對本發(fā)明予以詳細(xì)描述： 表1為本發(fā)明各實(shí)施例及對比例的取值列表； 表2為本發(fā)明各實(shí)施例及對比例的主要工藝參數(shù)列表； 表3為本發(fā)明各實(shí)施例及對比例力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果列表。
[0028] 本發(fā)明各實(shí)施例按照以下步驟生產(chǎn)： 1) 進(jìn)行鐵水脫硫； 2) 進(jìn)行轉(zhuǎn)爐冶煉； 3) 在LF爐中進(jìn)行精煉； 4) 在RH真空爐中進(jìn)行處理，控制真空處理時(shí)間不少于20分鐘； 5) 連鑄成坯：在連鑄過程中電磁攪拌始終；并對鑄坯進(jìn)行輕壓下，壓下率為29Γ8% ; 6) 鑄坯經(jīng)切割后進(jìn)行坑式緩冷并冷卻至室溫； 7) 對鑄坯加熱，加熱溫度控制為1200?1300°C，加熱速率控制為8?14分鐘/厘米； 8) 進(jìn)行分段熱軋：控制粗軋開軋溫度在1050?120(TC，控制精軋終軋溫度在800? 900 0C ； 9) 進(jìn)行卷取，控制卷取溫度在700?800°C ; 10) 進(jìn)行緩冷，冷卻速度控制在不超過15°C /小時(shí)下冷卻至不超過200°C ; 11) 經(jīng)切割后進(jìn)行退火，退火溫度為750?850°C，退火及保溫時(shí)間不低于1550min ; 12) 進(jìn)行冷軋，冷軋道次為1~3,總壓下率在15~30%; 13) 進(jìn)行淬火：控制淬火溫度在850?950°C，淬火保溫時(shí)間不低于30min ; 14) 進(jìn)行回火，控制回火溫度在600?700°C，回火保溫時(shí)間不低于50min ;經(jīng)回火后的 金相組織為回火馬氏體； 15)檢驗(yàn)并待用。
[0029] 表1本發(fā)明各實(shí)施例與對比鋼化學(xué)成分（wt%)

【權(quán)利要求】
1. 一種高碳冷軋汽車膜片彈簧鋼，其組分及重量百分比含量為：C :0.7(T〇. 90%，Si : 0. 15^0. 35%, Mn ：0. 50^1. 00%, P ^ 0. 008%, S ^ 0. 002%, Alt ：0. 010^0. 030%, V ：0. 10^0. 30%, Cr :1. 20?2. 00%，Ni :1. 20?2. 00%，Ca :0? 002?0? 006%，N 彡 0? 004%，余量為 Fe 及不可避免的 夾雜；金相組織為回火馬氏體。
2. 生產(chǎn)一種高碳冷軋汽車膜片彈簧鋼的方法，其步驟： 1) 進(jìn)行鐵水脫硫； 2) 進(jìn)行轉(zhuǎn)爐冶煉； 3) 在LF爐中進(jìn)行精煉； 4) 在RH真空爐中進(jìn)行處理，控制真空處理時(shí)間不少于20分鐘； 5) 連鑄成坯：在連鑄過程中電磁攪拌始終；并對鑄坯進(jìn)行輕壓下，壓下率為2%~8% ; 6) 鑄坯經(jīng)切割后進(jìn)行坑式緩冷并冷卻至室溫； 7) 對鑄坯加熱，加熱溫度控制為1200?1300°C，加熱速率控制為8?14分鐘/厘米； 8) 進(jìn)行分段熱軋：控制粗軋開軋溫度在1050?120(TC，控制精軋終軋溫度在800? 900 0C ； 9) 進(jìn)行卷取，控制卷取溫度在700?800°C ; 10) 進(jìn)行緩冷，冷卻速度控制在不超過15°C /小時(shí)下冷卻至不超過200°C ; 11) 經(jīng)切割后進(jìn)行退火，退火溫度為750?850°C，退火及保溫時(shí)間不低于1550min ; 12) 進(jìn)行冷軋，冷軋道次為1~3,總壓下率在15~30%; 13) 進(jìn)行淬火：控制淬火溫度在850?950°C，淬火保溫時(shí)間不低于30min ; 14) 進(jìn)行回火，控制回火溫度在600?700°C，回火保溫時(shí)間不低于50min ;經(jīng)回火后的 金相組織為回火馬氏體； 15) 檢驗(yàn)并待用。
【文檔編號】C22C33/04GK104313483SQ201410600599
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月31日
【發(fā)明者】劉文斌, 李書瑞, 程吉浩, 董中波, 王憲軍, 戰(zhàn)國峰, 陳顏堂, 鄒德輝, 郭斌 申請人:武漢鋼鐵(集團(tuán))公司