本公開涉及一種通過碳化物控制而具有改進的強度和疲勞壽命的盤簧鋼(coil spring steel)。

背景技術(shù)：

車輛通常采用具有120kg/s²的彈簧常數(shù)的高強度盤簧(coil spring)，且目前正在開發(fā)具有130kg/s²的彈簧常數(shù)的高強度盤簧。由于使用具有110kg/s²至130kg/s²之間的較高彈簧常數(shù)的盤簧，因此通過減小彈簧的直徑和用于卷繞高強度簧圈的圈數(shù)，車輛的總重量可以得到降低，然而由于在切削和涂裝分離工藝之后的腐蝕，高強度簧圈的敏感性增加。此外，由于車輛的設(shè)計余量因盤簧直徑的減小而無法得到保證，因此盤簧的強度可能降低，損壞率可能增加。

為了降低這些風險，采用雙重涂覆和涂裝工藝以防止腐蝕。然而，這樣的方法可能引起材料成本的過度增加。因此，在目前的汽車行業(yè)中，有必要通過改進與材料相關(guān)的強度和腐蝕問題而增加車輛的耐久性。由于近來的車輛具有高性能、高功率和高效率，有必要增加車輛部件的強度并減輕其重量。例如，當將剛材用于懸架時，在重負荷和腐蝕條件下懸架必須是輕質(zhì)的，因此，必須保證材料的強度和耐久性。

前述僅旨在幫助理解本公開的背景，并不意在表明本公開落入本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的范圍之內(nèi)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

考慮到現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的上述問題，作出本公開，本公開旨在提出一種通過碳化物控制而具有改進的強度和疲勞壽命的盤簧鋼。

根據(jù)本公開的一個實施方式，盤簧鋼包括：0.4-0.9wt％的碳(C)；1.3-2.3wt％的硅(Si)；0.5-1.2wt％的錳(Mn)；0.1-0.5wt％的鉬(Mo)；0.05-0.80wt％的鎳(Ni)；0.05-0.50wt％的釩(V)；0.01-0.50wt％的鈮(Nb)；0.05-0.30wt％的鈦(Ti)；0.6-1.2wt％的鉻(Cr)；0.0001-0.3wt％的鋁(Al)；小于或等于0.3wt％而大于0％的銅(Cu)；小于或等于0.3wt％而大于0％的氮(N)；0.0001-0.0030wt％的氧(O)；以及余量的鐵(Fe)和不可避免的雜質(zhì)。

盤簧鋼可以具有2150MPa或更高的拉伸強度和690HV或更高的硬度。

由盤簧鋼制造的線材(wire rod)在20kgfm的彎矩和100kgf的負荷的條件下可以具有280,000個循環(huán)或更高的疲勞壽命。

由盤簧鋼制造的盤簧單一部件在噴灑50±5(g/L)的鹽并施加20kgfm的彎矩和100kgf的負荷的復(fù)合腐蝕環(huán)境下可以具有360,000個循環(huán)或更高的復(fù)合腐蝕疲勞壽命。

從上述描述中明顯的是，本公開的盤簧鋼可以通過控制鉬(Mo)、釩(V)、鈮(Nb)、鈦(Ti)和鉻(Cr)的含量生成碳化物而具有改進的強度和疲勞壽命。

更具體而言，與現(xiàn)有的包括Fe-1.45Si-0.68Mn-0.71Cr-0.23Ni-0.08V-0.03Ti-0.23Cu-0.035Al-0.55C的鋼相比，本公開的盤簧鋼的拉伸強度能夠增加10％且硬度能夠增加17％。

因此，可以使盤簧鋼的重量減少約15％，并使燃料效率提高約0.04％。此外，可以使鋼的疲勞壽命改進27％，并使其耐腐蝕性和復(fù)合腐蝕疲勞壽命改進33％。

附圖說明

根據(jù)以下具體實施方式且結(jié)合附圖，將更加清楚地理解本公開的以上和其他目的、特征和優(yōu)點，其中：

圖1是示例說明根據(jù)本公開的實施方式在300℃-1600℃的溫度范圍內(nèi)滲碳體中組分的質(zhì)量分數(shù)的熱力計算結(jié)果的圖。

圖2是示例說明根據(jù)本公開的實施方式在300℃-1600℃的溫度范圍內(nèi)所有相的量的熱力計算結(jié)果的圖。

具體實施方式

下面將參考附圖描述本公開中的示例性實施方式。

根據(jù)本公開的實施方式的盤簧鋼包括0.4-0.9wt％的碳(C)、1.3-2.3wt％的硅(Si)、0.5-1.2wt％的錳(Mn)、0.1-0.5wt％的鉬(Mo)、0.05-0.80wt％的鎳(Ni)、0.05-0.50wt％的釩(V)、0.01-0.50wt％的鈮(Nb)、0.05-0.30wt％的鈦(Ti)、0.6-1.2wt％的鉻(Cr)、0.0001-0.3wt％的鋁(Al)、小于或等于0.3wt％(不包括0％)的銅(Cu)、小于或等于0.3wt％(不包括0％)的氮(N)、0.0001-0.0030wt％的氧(O)、以及余量的鐵(Fe)和不可避免的雜質(zhì)。

在下文中，將具體描述根據(jù)本公開的實施方式的盤簧鋼的限定組分。

[碳(C)：0.4-0.9wt％]

在使鋼淬火后碳增加了鋼的強度。在鋼的回火期間形成碳化物，例如CrC、VC或MoC。因此，鋼具有改進的耐回火特性和軟化特性，但是具有較低韌性。為了使碳有助于增加鋼的耐回火性并改進鋼的尺寸不變性和設(shè)定屬性(形狀保持性)，使碳形成TiMoC納米-碳化物并被加熱至約300℃的溫度。

當碳的含量小于0.4wt％時，鋼的強度增加不明顯，且其疲勞強度降低。另一方面，當碳的含量超過0.9wt％時，存在大量不熔性的碳，且鋼的疲勞特性和耐久壽命劣化。此外，鋼在淬火前具有較差的可加工性。因此，碳的含量限制在0.4-0.9wt％的范圍內(nèi)。

[硅(Si)：1.3-2.3wt％]

硅改進鋼的伸長百分比。此外，硅抑制鋼的形狀變化以改進其設(shè)定屬性，并使鋼的鐵氧體和馬氏體結(jié)構(gòu)硬化以提高其耐熱性和淬透性(hardenability)。

當硅的含量低于1.3wt％時，鋼的伸長百分比和設(shè)定屬性改進不明顯。另一方面，當硅的含量超過2.3wt％時，由于碳與結(jié)構(gòu)之間的氧的滲透而引起脫碳。此外，鋼由于在被淬火之前硬度增加而具有較差的可加工性。因此，硅的含量限制在1.3-2.3wt％的范圍內(nèi)。

[錳(Mn)：0.5-1.2wt％]

錳改進鋼的淬透性和強度。錳在鋼的基底中被固化，以增加其彎曲疲勞強度和淬火特性。錳起到氧化物生成的脫氧劑的作用且抑制夾雜物例如氧化鋁(Al₂O₃)的形成。另一方面，當鋼中包括過量的錳時，其形成MnS夾雜物并引起高溫脆性。

當錳的含量低于0.5wt％時，鋼的淬火特性改進不明顯。另一方面，當錳的含量超過1.2wt％時，鋼在被淬火之前具有較差的可加工性，并且因MnS夾雜物的中心線偏析和沉淀而具有降低的疲勞壽命。因此，錳的含量限制在0.5-1.2wt％的范圍內(nèi)。

[鉬(Mo)：0.1-0.5wt％]

鉬形成細小沉淀物例如作為納米-碳化物的TiMoC，并改進了鋼的強度和斷裂韌性。

當鉬的含量低于0.1wt％時，鋼的斷裂韌性改進不明顯。另一方面，當鉬的含量超過0.5wt％時，鋼具有較差的可加工性，因此具有較低的生產(chǎn)率。因此，鉬的含量限制在0.1-0.5wt％的范圍內(nèi)。

[鎳(Ni)：0.05-0.80wt％]

鎳改進鋼的耐腐蝕性和耐熱性，且防止其低溫脆性。

當鎳的含量低于0.05wt％時，鋼的耐腐蝕性和耐熱性改進不明顯。另一方面，當鎳的含量超過0.80wt％時，鋼具有高溫脆性。因此，鎳的含量限制在0.05-0.80wt％的范圍內(nèi)。

[釩(V)：0.05-0.50wt％]

釩形成作為細小沉淀物的VC，且用于改進鋼的斷裂韌性。作為細小沉淀物的VC抑制晶界的移動。釩在使鋼奧氏體化時溶解并固化，并在使鋼回火時沉淀，從而引起二次硬化。

當釩的含量低于0.05wt％時，鋼的強度和斷裂韌性改進不明顯。另一方面，當釩的含量超過0.50wt％時，鋼具有較差的可加工性，因此，具有較低的生產(chǎn)率，與鉬類似。因此，釩的含量限制在0.05-0.50wt％的范圍內(nèi)。

[鈮(Nb)：0.01-0.50wt％]

鈮形成細小的沉淀物，并改進鋼的強度和斷裂韌性。此外，鈮使鋼結(jié)構(gòu)得到精制并通過硝化作用使其表面硬化。

當鈮的含量低于0.01wt％時，鋼的強度和斷裂韌性改進不明顯。另一方面，當鈮的含量超過0.50wt％時，鋼具有高溫脆性。因此，鈮的含量限制在0.01-0.50wt％的范圍內(nèi)。

[鈦(Ti)：0.05-0.30wt％]

鈦形成細小沉淀物例如作為納米-碳化物的TiMoC，并且改進鋼的強度和斷裂韌性。鈦起到脫氧劑的作用，并形成Ti₂O₃以替代Al₂O₃的形成。

當鈦的含量低于0.05wt％時，鋼變得粗糙，且替代Al₂O₃的形成的作用較小，其中Al₂O₃是疲勞劣化的主要原因。另一方面，當鈦的含量超過0.30wt％時，僅上述作用得到改進，從而引起成本增加。因此，鈦的含量限制在0.05-0.30wt％的范圍內(nèi)。

[鉻(Cr)：0.6-1.2wt％]

鉻溶解在鋼的奧氏體結(jié)構(gòu)中并在使鋼回火時形成CrC碳化物。因此，鉻改進了鋼的淬透性，通過抑制鋼的軟化而實現(xiàn)了強度和晶粒細化的改進，并改進了鋼的韌性。

當鉻的含量低于0.6wt％時，鋼的強度和淬透性改進不明顯。另一方面，當鉻的含量超過1.2wt％時，僅鈦中記載的作用得到增加，從而引起成本增加。因此，鉻的含量限制在0.6-1.2wt％的范圍內(nèi)。

[鋁(Al)：0.0001-0.3wt％]

鋁改進了鋼的強度和沖擊韌性。由于鋁與Nb、Ti和Mo一起加入到鋼中，可以減少作為昂貴組分的用于晶粒細化的釩和用于保證韌性的鎳的加入量。

當鋁的含量低于0.0001wt％時，鋼的強度和沖擊韌性改進不明顯。另一方面，當鋁的含量超過0.3wt％時，形成作為較大方形夾雜物的Al₂O₃，這作為疲勞的起源起作用，從而使鋼的耐久性劣化。因此，鋁的含量限制在0.0001-0.3wt％的范圍內(nèi)。

[銅(Cu)：小于或等于0.3wt％(不包括0％)]

與鎳類似，在將鋼回火后，銅提高鋼的強度并改進其耐腐蝕性。然而，當銅的含量超過0.3wt％時，合金成本增加。因此，銅的含量限制為小于或等于0.3wt％。

[氮(N)：小于或等于0.3wt％(不包括0％)]

氮通過與鋁和鈦反應(yīng)形成AlN和TiN而使晶粒細化。然而，當?shù)暮砍^0.3wt％時，鋼的淬火特性可能劣化。因此，氮的含量限制為小于或等于0.3wt％。

[氧(O)：0.0001-0.0030wt％]

氧與硅和鋁結(jié)合形成硬質(zhì)非金屬氧化物夾雜物，并引起鋼的疲勞壽命的劣化。因此，氧的含量可以盡可能低。

目前，無法將氧的含量限制在低于0.0001wt％。然而，當氧的含量超過0.003wt％時，氧與鋁反應(yīng)形成Al₂O₃，其作為疲勞的起源起作用，從而使鋼的耐久性劣化。因此，氧的含量限制在0.0001-0.0030wt％的范圍內(nèi)。

[制造方法]

用于制造盤簧的方法包括加工并填充線材形式的鋼材料，所述鋼材料包括0.4-0.9wt％的碳(C)、1.3-2.3wt％的硅(Si)、0.5-1.2wt％的錳(Mn)、0.1-0.5wt％的鉬(Mo)、0.05-0.80wt％的鎳(Ni)、0.05-0.50wt％的釩(V)、0.01-0.50wt％的鈮(Nb)、0.05-0.30wt％的鈦(Ti)、0.6-1.2wt％的鉻(Cr)、0.0001-0.3wt％的鋁(Al)、小于或等于0.3wt％(不包括0％)的銅(Cu)、小于或等于0.3wt％(不包括0％)的氮(N)、0.0001-0.0030wt％的氧(O)、以及余量的鐵(Fe)和不可避免的雜質(zhì)。

盤簧以如下方式制造，即，進行將線材在一定高溫下保持一定時間然后將其空氣冷卻以使晶粒細化并使其結(jié)構(gòu)勻化的控制熱處理工藝，并進行向勻化的線材提供強度和韌性的淬火和回火工藝。

[測試方法]

根據(jù)韓國工業(yè)標準KS B 0801使用標準直徑為4mm的標準拉伸測試樣品測定拉伸強度。此外，根據(jù)KS B 0802通過200噸測試儀測定標準拉伸測試樣品。

根據(jù)KS B 0811使用Micro-Vickers硬度測試儀在300gf下測定硬度。

根據(jù)KS B ISO 1143，使用標準直徑為4mm的標準拉伸測試樣品、使用最大彎矩為20kgfm和最大負荷為100kgf的彎曲疲勞測試儀測定線材的疲勞壽命。

根據(jù)KS D 9502使用復(fù)合環(huán)境腐蝕測試儀測定腐蝕深度。

在鹽噴灑環(huán)境下測定單一部件的腐蝕疲勞壽命。

根據(jù)KS D 9502，在噴灑50±5(g/L)的鹽的復(fù)合腐蝕環(huán)境下使用腐蝕彈簧測試儀(CSTM)在20kgfm的最大彎矩和100kgf的最大負荷下測定復(fù)合腐蝕疲勞壽命。

[實施例和比較例]

表1

表2

表1顯示出根據(jù)實施例和比較例的組分及其含量。表2顯示出根據(jù)實施例和比較例的拉伸強度、硬度、線材疲勞壽命、腐蝕深度、單一部件腐蝕疲勞壽命和復(fù)合腐蝕疲勞壽命。

在比較例1和2中，其他組分的含量被控制在與根據(jù)實施例的盤簧鋼相同的范圍內(nèi)，僅將鉬(Mo)的含量控制為小于或超過根據(jù)實施例的盤簧鋼的鉬(Mo)的含量。

在比較例3和4中，其他組分的含量被控制在與根據(jù)實施例的盤簧鋼相同的范圍內(nèi)，僅將鎳(Ni)的含量控制為小于或超過根據(jù)實施例的盤簧鋼的鎳(Ni)的含量。

在比較例5和6中，其他組分的含量被控制在與根據(jù)實施例的盤簧鋼相同的范圍內(nèi)，僅將釩(V)的含量控制為小于或超過根據(jù)實施例的盤簧鋼的釩(V)的含量。

在比較例7和8中，其他組分的含量被控制在與根據(jù)實施例的盤簧鋼相同的范圍內(nèi)，僅將鈮(Nb)的含量控制為小于或超過根據(jù)實施例的盤簧鋼的鈮(Nb)的含量。

在比較例9和10中，其他組分的含量被控制在與根據(jù)實施例的盤簧鋼相同的范圍內(nèi)，僅將鈦(Ti)的含量控制為小于或超過根據(jù)實施例的盤簧鋼的鈦(Ti)的含量。

在比較例11和12中，其他組分的含量被控制在與根據(jù)實施例的盤簧鋼相同的范圍內(nèi)，僅將鉻(Cr)的含量控制為小于或超過根據(jù)實施例的盤簧鋼的鉻(Cr)的含量。

如表2所示，比較例1-12中的鉬(Mo)、鎳(Ni)、釩(V)、鈮(Nb)、鈦(Ti)和鉻(Cr)的含量不滿足根據(jù)實施例的盤簧鋼組分的限定含量范圍。因此，可以看出，與實施例1-3相比，比較例1-12中的拉伸強度和硬度較低。

此外，可以看出，與實施例1-3相比，比較例1-12中的線材疲勞壽命、單一部件腐蝕疲勞壽命和復(fù)合腐蝕疲勞壽命較差?？梢钥闯?，由于與實施例1-3相比腐蝕深度更深，因此腐蝕性能降低。

鉬、釩、鈮、鈦和鉻是分別與碳反應(yīng)形成碳化物并生成MoC、VC、NbC、TiC和CrC的組分。通過這樣的碳化物的均勻分布，鋼的拉伸強度和硬度得以提高，并且與耐久性和耐腐蝕性相關(guān)的線材疲勞壽命、單一部件腐蝕疲勞壽命和復(fù)合腐蝕疲勞壽命得以提高。

這些結(jié)果可以通過圖1所示的圖得到確認。圖1是示例說明根據(jù)本公開的包括Fe-1.6Si-0.7Mn-0.8Cr-0.3Ni-0.3Mo-0.3V-0.1Nb-0.09Ti-0.55C(包括少量其它的Al、Cu、N和O)的盤簧鋼中在300℃-1600℃的溫度范圍內(nèi)滲碳體中組分的質(zhì)量分數(shù)的熱力計算結(jié)果的圖?？梢钥闯觯跐B碳體中對各個溫度而言，發(fā)生了八種組分的復(fù)合行為，并且細小的碳化物例如MoC、VC、NbC、TiC和CrC得到均勻分布。

圖2是示例說明根據(jù)本公開的包括Fe-1.6Si-0.7Mn-0.8Cr-0.3Ni-0.3Mo-0.3V-0.1Nb-0.09Ti-0.55C(包括少量其它的Al、Cu、N和O)的盤簧鋼中在300℃-1600℃的溫度范圍內(nèi)所有相的量的熱力計算結(jié)果的圖?？梢钥闯?，除了FCC-Al(奧氏體)、BCC-A2(鐵氧體)和滲碳體之外，還形成了多種碳化物例如MS-ETA和M7C3，并且鋼的強度和疲勞壽命得到改進。

如上所述，通過控制鉬(Mo)、釩(V)、鈮(Nb)、鈦(Ti)和鉻(Cr)的含量生成碳化物，本公開的盤簧鋼能夠具有改進的強度和疲勞壽命。

更具體而言，與現(xiàn)有的包括Fe-1.45Si-0.68Mn-0.71Cr-0.23Ni-0.08V-0.03Ti-0.23Cu-0.035Al-0.55C的鋼相比，本公開的盤簧鋼能夠具有增加10％的拉伸強度和增加17％的硬度。因此，可以使盤簧鋼的重量降低約15％，且使燃料效率提高約0.04％。此外，可以使鋼的疲勞壽命改進27％，且使其耐腐蝕性和復(fù)合腐蝕疲勞壽命改進33％。

雖然已經(jīng)出于說明性的目的公開了實例性實施方式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認識到，在不偏離所附權(quán)利要求公開的本發(fā)明的范圍和精神的情況下，可以進行多種修改、添加和替代。