本发明属于热压力加工用途弹簧钢，具体涉及一种高性能的弹簧材料及制备方法。
背景技术：
中重型汽车轻量化是汽车发展的重要趋势，在轻量化设计中必将大量采用轻量化的少片弹簧。因此，对弹簧材料提出了高强度、高塑性、低脱碳和低成本的要求，以满足轻量化少片簧的高性能和高可行性需求。
现有的弹簧材料难以满足低脱碳、高强度、高塑性、低合金和低成本的综合要求，只能尽量在某一方面可以满足。例如，51CrV4弹簧钢可以满足低脱碳的要求，但不满足高强度和高塑性的要求。54SiCr6具有高强度和高塑性品质，但脱碳严重。
Si是提高弹簧材料强度的重要合金元素，且资源丰富、使用成本低，但会增加钢的脱碳倾向性而导致全脱碳层的形成，这种提高强度的有益作用与形成全脱碳层的危害同时存在。至今，含Si高强度弹簧钢的全脱碳层问题难以妥善解决。韩国浦项弹簧钢（中国专利94191328.7公开)通过加入Ni减小全脱碳层（铁素体层）的深度，“脱碳层深度的形成受到很大程度抑制”，但是通过这种加入稀贵合金元素的方法来解决全脱碳层问题，必然导致材料的成本大幅度提升，因此难以接受。
申请人通过多年实验研究和分析，通过调整成分配比，能够使弹簧材料脱碳所产生的全脱碳层在加热过中自然去除，以此获得低脱碳的效果，进而解决弹簧材料脱碳所产生的全脱碳层问题。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种具备低脱碳、高强度和高塑性性能的弹簧钢，通过科学合理的成分配比，使弹簧材料脱碳所产生的全脱碳层在加热过中自然去除，以获得低脱碳的效果，从而解决弹簧材料脱碳所产生的全脱碳层问题；本发明解决的第二个技术问题是通过采用中碳配方，合理利用复合合金化和稀贵合金元素微合金化作用，同时提高材料的强度和塑性，有效降低生产成本，保护稀缺资源。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种具备低脱碳、高强度和高塑性性能的弹簧钢，其特征在于按照质量百分百比包括如下组分：
C 0.42-0.52%；
Si 0.7-1.1%；
Mn 0.5-1.10%；
Cr 0.5-1.10%；
V 0.01-0.05%；
Nb 0.005-0.009%；
其中P≤0.025%，S≤0.025%，［O］5-25ppm；
其余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明所述的弹簧钢，其特征在于热处理工序包括如下工艺步骤：淬火加热温度900±10℃；回火温度390±10℃。
本发明通过调整成分配比，使弹簧材料脱碳所产生的全脱碳层在加热过中自然去除，以获得低脱碳的效果，从而解决弹簧材料脱碳所产生的全脱碳层问题。在如上的技术构思下，本发明提供的弹簧材料，解决了热压力加工用途高强度弹簧材料全脱碳层的问题。
该弹簧材料适于高温自然氧化法去除全脱碳层。高温自然氧化法通过材料的组分与配比选择降低材料的抗氧化性，使材料在高温状态下易被氧化并形成氧化皮，从而使工艺过程中脱碳所产生的全脱碳层同时被氧化为氧化皮，由此自然地去除了脱碳所产生的全脱碳层，因此获得无全脱碳层的低脱碳效果，解决了材料的高脱碳倾向所产生的全脱碳层问题。氧化皮是与材料附着力很低的易碎疏松物质，能够阻止进一步脱碳并起保护作用。本发明提供的弹簧材料，具有无全脱碳层的显著技术优势。
本发明所述的弹簧材料，具备高强度、高塑性和低合金性能，同时又解决全脱碳层问题。本发明的核心技术思路是通过中碳配比、复合合金化和稀贵合金元素微合金化，充分发挥和加强了合金元素的有益效果，减小合金元素所产生的危害，在获得明显技术效果的前提下降低合金元素含量，不仅降低材料成本而且有利于保护资源。复合合金化(包括复合微合金化)是本发明的关键技术特点，合金元素所具有的性能和行为是各组元(包括微量元素)协同作用的结果，而不是某一合金元素简单的、定性的作用或影响，尤其是在材料的强度不断提高但要求高塑性的情况下。例如，在含磷高强度钢板中，仅加入微量的磷就可以显著提高钢板强度。由此可见，微量元素的作用是不可忽略的。
本发明提供的弹簧材料，在以Si为强化元素的情况下，通过V与Nb的微合金复合合金化降低材料的抗氧化性，并利用工艺过程中的高温氧化作用获得无全脱碳层的低脱碳效果，而且，同时具有提高材料强度和细化晶粒等重要作用。本发明提供的弹簧材料，在高温自然氧化中所消耗的表面材料很少，不影响弹簧的尺寸精度要求。氧化皮的附着力很低，淬火后自然脱落。
对本发明技术方案的进一步说明如下：
降低碳的含量对提高强度不利,提高碳的含量对提高塑性不利,并易引起淬火开裂。本发明技术方案的C含量为0.42-0.52%。淬火组织为中碳马氏体组织，中温回火后为高强度和高塑性的回火屈氏体组织，也是为了提高淬火加热温度，以利于弹簧的压力加工和解决全脱碳层问题。
Si是提高强度的合金元素，但增加脱碳倾向性，并具有提高抗氧化性的作用。为了提高强度和降低抗氧化性及脱碳倾向性，Si含量为0.70-1.1%。
Cr、Mn的作用和相互间复合作用是提高强度和淬透性。Cr、Mn的含量低达不到技术效果；高含量会降低合金元素有益效果的效率不利于材料成本，并产生有害作用，如塑性下降、降低淬火加热温度和淬火开裂等。因此，Cr含量为0.50-1.10%、Mn含量为0.50-1.10%。
在本发明中，V和Nb必须同时加入，这种复合合金化所产生的效果是单一元素难以达到的。一般认为，V和Nb是强碳化物元素，选择V和Nb一种或两种，具有提高强度、提高抗弹性衰减及细化晶粒的作用。在本发明中，V与Nb不可互相代替，采用微合金的量同时加入，发明了复合微合金弹簧材料，其作用和意义是：1）降低抗氧化性、提高淬火加热温度；2）Ni与V碳化物细小弥散均匀分布，具有明显的晶粒细化效果，提高晶粒粗化温度；3）提高强度和塑韧性；4)54SiCrV6弹簧钢仅含有V一种强碳化物元素，V含量至少在0.10%以上,而本发明由于V与Nb的同时加入使V含量可少到0.05%水平，仅为51CrV4或54SiCrV6钢的二十分之一，这是V与Nb复合微合金化的显著技术效果。本发明采用的V与Nb的复合合金化取得了大幅降低稀贵合金元素含量的微合金化效果。值得注意的是，在考虑合金元素配比时，不仅考虑有益的效果更要考虑危害作用。结合实验数据综合考虑，本发明的V含量为0.01-0.03%，Nb含量为0.005-0.009%最为适宜。
[O]（即氧元素）是有害元素，降低［O]含量可使氧化物类型的非金属夹杂细小、弥散和数量减少对提高材料的塑韧性有利。发明人进一步研究发现降低[O]有防止沿晶断裂的重要作用，对解决全脱碳层问题有利。显然，[O]是本发明技术方案中的重要因素或技术特征，具有与其它合金元素同等甚至更重要的技术地位与作用；但是，过低[O]含量对冶金方法和成本不利。综合考虑，本发明的［O］含量为5-25ppm。
S、P都是有害元素，降低材料的塑韧性。因此，S含量≤0.025%，P含量≤0.025%。
本发明采用的是现有的弹簧材料冶金生产工艺，只是涉及高温热处理步骤和条件是与本发明的弹簧材料的配方及获得的目标物的性能相匹配的。
本发明材料的制备方法步骤和条件如下：配料、电炉冶炼、炉外钢包精炼与除气处理、铸锭或连铸、开坯、酸洗、修磨、探伤、轧制；其特征在于,热处理工艺为：淬火加热温度900±10℃，油淬火；回火温度390±10℃。
当然，也可以选用其它冶金工艺，如电渣重熔。
本发明的有益效果是：
1.本发明所述的弹簧材料，具有低脱碳、高强度、高塑性、低合金的特点，能够满足轻量化少片弹簧材料对低成本、高性能和高可靠性的要求。
2.本发明材料的技术性能为：全脱碳层深度=0mm，抗拉强度1750-1900MPa，断面收缩率40-44%，合金含量低于51CrV4或54SiCrV6弹簧钢。特别是稀贵合金元素，晶粒细化效果明显，晶粒度级别高于普通弹簧钢，如51CrV4和54SiCrV6的5-6级晶粒度。创造了超低微合金成份设计方法，具有突出的技术特点和显著的技术进步。
3.51CrV4和54SiCrV6是国际上技术先进的热压力加工用途弹簧材料。表1是本发明提供的弹簧材料与51CrV4和54SiCrV6弹簧钢的技术性能对比，可看出本发明所取得的实质性显著技术效果和先进的技术水平。
表1 本发明材料与现有弹簧材料强度、塑性与脱碳对比
4.本发明提供的弹簧材料，是一种热压力加工用途的高强度与高塑性弹簧材料。在成分及配比上有独特技术特征，详见表2。
表2 化学成份对比 (Wt%)
在普通合金元素上，本发明与51CrV4或54SiCrV6钢相当，但稀贵合金元素明显低于51CrV4或54SiCrV6钢。按价格类比计算，本发明材料的V与Nb含量显著低于51CrV4或54SiCrV6钢含V量的，取得了微合金的显著的技术效果。稀贵合金复合与微合金化是本发明的显著特点,对于现有弹簧材料技术来说是显著的技术进步。
5.为了保证弹簧的高强度和高塑性，要求弹簧材料具有一定的淬透性。表3是本发明提供的弹簧材料与EN10089钢号54SiCrV6、51CrV4和52CrMoV4弹簧钢的淬透性技术数据对比，由表可见本发明材料具有较的高淬透性，油淬火直径可达50mm。
表3
6.本发明提供的弹簧材料，解决了热压力加工用途高强度弹簧钢全脱碳层问题。该弹簧材料适于高温自然氧化法，解决了高脱碳倾向弹簧材料的全脱碳层问题，获得了无全脱碳层的显著低脱碳技术效果。通常认为高温氧化是有害的，但本发明提供的弹簧材料，正是利用工艺过程中的这种氧化作用解决了业界长期以来难以解决的全脱碳层问题，本技术克服了原有技术偏见并取得显著的技术效果。与添加Ni抑制全脱碳层的方法相比，本发明提供的弹簧材料合金含量很低尤其是不含稀贵合金Ni，材料成本或经济优势显著。表2和表4是本发明提供的弹簧材料与添加Ni的技术方案解决全脱碳层问题的技术效果对比，可以看出本发明所取得的实质性与显著技术效果。
表4 脱碳对比
7. 本发明提供的弹簧材料，用于制造中重型汽车的悬架弹簧，还可用于轿车悬架螺旋弹簧、汽车扭杆弹簧、稳定杆、中厚度的少片板簧等，并且本发明提供的大丝径悬架螺旋弹簧材料，是高强度弹簧钢丝和油淬火回火弹簧钢丝的优良材料，具有广泛的用途。本发明经过小试，中试、批量试制和生产，取得商业化成功，实施投产成本低，实用性能良好，适宜在业界推广应用。
具体实施方式
本发明所述一种具备低脱碳、高强度和高塑性性能的弹簧钢，按照质量百分百比包括如下组分：
C 0.42-0.52%；
Si 0.7-1.1%；
Mn 0.5-1.10%；
Cr 0.5-1.10%；
V 0.01-0.05%；
Nb 0.005-0.009%；
其中P≤0.025%，S≤0.025%，［O］5-25ppm；
其余量为Fe及不可避免的杂质。
具体实施例见表5。
表5
其余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明所述弹簧钢材料的冶金生产工艺是：按如上1）的材料成份(Wt%)配料，工业生产电炉冶炼、炉外钢包精炼和除气处理、模铸、开坯、酸洗、修磨、轧制。热轧材：28x90mm扁钢。
实施例中制得材料的各项性能指标检测结果如下：
1.经检测，实施例中材料的全脱碳层深度、晶粒度和非金属夹杂（金相法检验）：
全脱碳层深度=0mm，晶粒度8级。900℃保温(空气状态下)，全脱碳层深度=0mm，晶粒度8级。
非金属夹杂如下表6。
表6
2.淬透性
末端淬透性试验(奥氏体化温度900℃)，试验数据如下表7：
表7
28mm厚度试样，900℃油淬火，次表面硬度58HRC，1/2R处硬度HRC56.5，心部硬度HRC56。
3.机械性能。
直径10mm，5倍比例标准试样，按国家标准试验。热处理工艺和机械性能如下(见表8)：
表8机械性能
通过上述实验数据证明，本发明所述的弹簧材料，具有低脱碳、高强度、高塑性、低合金的特点，能够满足轻量化少片弹簧材料对低成本、高性能和高可靠性的要求。通过科学合理的成分配比，使弹簧材料脱碳所产生的全脱碳层在加热过中自然去除，以获得低脱碳的效果，从而解决弹簧材料脱碳所产生的全脱碳层问题。不但能够用于制造中重型汽车的悬架弹簧，还可用于轿车悬架螺旋弹簧、汽车扭杆弹簧、稳定杆、中厚度的少片板簧等，并且本发明提供的大丝径悬架螺旋弹簧材料，是高强度弹簧钢丝和油淬火回火弹簧钢丝的优良材料，具有广泛的用途，适宜在业界推广应用。
需要指出的是，上述实施方式仅是本发明优选的实施例，对于本技术领域的普通技术人员来说，在符合本发明工作原理的前提下，任何等同或相似的替换均落入本发明的保护范围内。