具有优异的线材轧制性能的高强度弹簧钢的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具有优异的线材乳制性能的高强度弹簧钢。
【背景技术】
[0002] 在为了满足对车辆（汽车）减重的需求而试图减轻悬簧的重量时，人们期望研制 出能够具有高设计应力的弹簧。为了提高弹簧的设计应力，需要在弹簧的各种特性方面进 行改进，更具体而言，必须添加合金元素。例如，在想要改进沉降性（settling property) 时，可以考虑添加 Si，而想要提高耐腐蚀性时，可以考虑添加诸如Cu、Ni或Cr之类的元素。
[0003] 顺便提及的是，为了提高弹簧特性而提高合金元素的添加量倾向于产生损害，例 如在线材乳制后的冷却过程中发生铁素体脱碳和贝氏体的形成。前者的损害对于将进行喷 丸加工的弹簧而言是致命的，而后者的损害在二次加工时可能成为有害的因素，因此避免 这两种损害是重要的。作为避免这两种损害的技术，已知的有（例如）在下面的专利文献 1和2中描述的技术。
[0004] 下面的专利文献1公开了这样一种技术，在热乳下于1，170°C以上的温度下加热 钢材至少2分钟，在乳制后于750°C至600°C的温度范围内以5°C /分至300°C /分的平均 冷却速率冷却该材料，并进一步采用除锈工艺。下面的专利文献2公开了在如下条件下进 行热乳的技术：在加热均热炉出钢（furnace extraction)之后，将精加工（finishing)之 前的温度设为小于1，〇〇〇°C，将终乳之后的钢材在1，000°C至1，150°C的温度范围内保持5 秒以内，随后将其卷绕，其后以2 °C /秒至8 °C /秒的冷却速率将卷绕后的钢材冷却至750 °C 以下，并在卷绕后花费150秒以上的时间进一步逐步冷却至600°C。
[0005] 专利文献1 :日本专利No. 4031267
[0006] 专利文献2 :日本专利No. 5330181
【发明内容】
[0007] 然而，专利文献1和2中公开的技术均要求执行各自特定的乳制工艺。由此，人们 希望通过调节钢材的化学组成而不是采用提供特定乳制工艺的技术来避免铁素体脱碳的 发生和贝氏体的形成，由此研制出了具有优异的线材乳制性能的高强度弹簧钢。
[0008] 在以上境况的背景下完成了本发明，并且本发明的目的是通过调节钢材的化学组 成来避免铁素体脱碳的发生和贝氏体的形成，从而提供一种具有优异的线材乳制性能的高 强度弹簧钢。
[0009] BP，本发明涉及以下项目1至4。
[0010] 1. -种具有优异的线材乳制性能的高强度弹簧钢，以质量％计，其主要包含：
[0011] C :0. 40%至 0. 65% ;
[0012] Si :1· 20%至 2. 80% ;
[0013] Μη :0· 30%至 1. 20% ;
[0014] P :0.020% 以下；
[0015] S :0.020 % 以下；
[0016] Cu :0.40% 以下；
[0017] Ni :0.80% 以下；
[0018] Cr :0.70% 以下；
[0019] Ti :0· 060%至 0· 140% ;
[0020] A1 :0.10% 以下；
[0021] N :0· 010% 以下；以及
[0022] 0:0.0015% 以下，
[0023] 并且可任选地包含：
[0024] 8:0.0005%至 0.0050%，
[0025] 余量为Fe和不可避免的杂质，
[0026] 其中，以质量％计，所指定的化学组分的含量满足下面表达式⑴至⑶：
[0027] XI = 0. 14X [Si] -0. 11 X [Μη] -〇. 05 X [Cu] -〇. 11 X [Ni] -〇. 03 X [Cr] +0. 02^0.2
[0028] …表达式⑴
[0029] X2 = ( α -500) / β 彡 3· 0...表达式（2)
[0030] α = 912-231Χ [C]+32X [Si]-20X [Μη]-40Χ [Cu]-18X [Ni]-15X [Cr]
[0031] β = 10' (0. 322-0. 538X [C]+0. 018X [Si]+1. 294X [Mn]+0. 693X [Cu]
[0032] +0· 609 X [Ni] +0· 847 X [Cr])
[0033] X3 = 31 X [C] +2. 3 X [Si] +2. 3 X [Mn] +1. 25 X [Cu] +2. 68 X [Ni] +3. 57 X [Cr]
[0034] -6X [Ti]彡 24. 0..·表达式（3)。
[0035] 2.根据条款1所述的具有优异的线材乳制性能的高强度弹簧钢，具有53. 0 HRC以 上的400 °C回火硬度。
[0036] 3.根据条款1或2所述的具有优异的线材乳制性能的高强度弹簧钢，具有9以上 的晶粒度。
[0037] 本发明的发明人发现，可以用公式（表达式（1))表示铁素体脱碳深度与参数（XI) 之间的关系，其中参数（XI)通过将钢材的各化学组分对深度的贡献度转化为数值来确定； 可以用公式（表达式（2))表示线材乳制后在普通冷却速率下冷却时贝氏体的形成与参数 (X2)之间的关系，其中参数（X2)通过将钢材的各化学组分对贝氏体形成的贡献度转化为 数值来确定；并且可以用公式（表达式（3))表示在400°C下进行回火处理时的硬度与参数 (X3)之间的关系，其中参数（X3)通过将钢材的各化学组分对硬度的贡献度转化为数值来 确定。即，通过调节钢材中的化学组分的含量使其满足上式（1)至（3)，可以获得具有优异 的线材乳制性能的高强度弹簧钢。
[0038] 附图简要说明
[0039] 图1是用于说明表达式（1)的情况的图。
[0040] 图2是用于说明表达式（2)的情况的图。
[0041] 图3是用于说明表达式（3)的情况的图。
[0042] 图4是示出将Ti含量的下限设为0. 060质量％的原因的图。
【具体实施方式】
[0043] 下面是对本发明的高强度弹簧钢的组合物中各化学组分（元素）进行限定的原因 和条件的描述。顺便提及，各组分的含量以质量％示出，并且"质量％ "等同于"重量％ "。
[0044] (1)C :0· 40%至 0· 65%
[0045] C是确保弹簧钢的强度所必要的元素。当C含量低于0. 40%时，不可能达到预定 的弹簧强度。另一方面，当C的添加量超过0. 65%时，会导致韧性和疲劳特性的劣化，因此 将C含量的上限设为0. 65%。C含量优选为0. 45%至0. 60%。
[0046] (2) Si :1· 20 % 至 2. 80%
[0047] Si元素可有效增强弹簧钢的耐沉降性（settling resistance)。因此Si的添加 量为1. 20%以上。然而，添加超过2. 80%的Si往往不仅导致沉降性的劣化，还会导致铁 素体脱碳的发生，因此Si含量的上限设为2. 80%。Si含量优选为大于1. 50%且小于等于 2. 50 %，更优选为大于2. 00 %且小于等于2. 50 %。
[0048] (3)Μη :0· 30%至 1. 20%
[0049] Μη以MnS的形式起到了固定S (其为降低韧性的元素）的作用。Μη还充当淬火性 能改良剂。为了充分发挥这些功能，Μη的添加量为0. 30%以上。然而，Μη的添加量超过 1. 20 %会导致韧性的劣化，因而将Μη含量的上限设为1. 20%。Μη含量优选大于0. 50 %且 小于等于1. 10%，更优选小于1. 00%。
[0050] (4)Ρ :0· 020% 以下
[0051] 由于Ρ使晶体晶界脆化，因此须要将其含量最小化。只要Ρ的含量为0. 02%以下， 则对晶界强度降低的影响是轻微的，同时从工业的观点来看，极度降低Ρ含量是不利的，这 是因为会导致熔炼工序的延长，从而造成成本提高。
[0052] (5)S :0· 020% 以下
[0053] S不可避免地存在于钢之中，并且如上所述会与Μη结合形成MnS夹杂物，这成为应 力集中的起点。过高的S含量不仅提高了 MnS夹杂物的量，还会导致疲劳强度的减小。然 而，只要S含量为0. 020%以下，则疲劳强度的减小就是极为微小的。
[0054] (6)(：11:0.40%以下
[0055] Cu元素可有效提高耐腐蚀性。另外，其还能够有效防止铁素体脱碳。Cu含量优选 为 0· 20%至 0· 37%。
[0056] (7)Ni :0· 80% 以下
[0057] Ni元素可有效提高耐腐蚀性。另外，其还能够有效防止铁素体脱碳。然而，Ni的 加入会导致成本提高，因而将Ni含量的上限设为0. 80 %。Ni含量优选为0. 50 %至0. 75 %。
[0058] (8)0:0.70%以下
[0059] Cr元素可有效提高耐腐蚀性。另外，其还能够有效调节淬火性能。Cr的过量添加 会导致明显的腐蚀坑的形成，因而将Cr含量的上限设为0. 70%。Cr含量优选为0. 20%至 0· 50%〇
[0060] (9)11:0.060%至0.140%
[0061] Ti是易于形成碳化物的元素。Ti类碳化物会促进晶粒的精细化并增强疲劳特性、 延迟断裂特性和耐沉降性。因此，Ti的添加量为0. 060 %以上。然而，当Ti含量超过0. 140 % 时，Ti的添加效果饱和；相反，会导致乳制性能劣化。因此将Ti含量的上限设为0. 140%。 Ti含量优选为0. 080%至0. 120%。将Ti含量的下限设为0. 060%的原因将在后面说明。
[0062] (10)A1 :0· 10% 以下
[0063] A1元素在液态钢处理过程中充当脱氧剂。然而，当A1的添加量超过0. 10%时，夹 杂物增加，由此会导致疲劳强度的降低。因此将A1含量的上限设为0. 10%。
[0064] (11)N :0· 010% 以下
[0065] N与Ti结合从而形成氮化物，导致疲劳强度的降低。因此将N含量的上限设为 0· 010%〇
[0066] (12)0 :0· 0015% 以下
[0067] 由于0会形成氧化物类夹杂物，因此将其含量设为0. 0015%以下。
[0068] (13)余量：Fe和不可避免的杂质
[0069] 顺便提及，在表1中省略了关于Fe和不可避免的杂质的描述。
[0070] (14)满足下面表达式（1)
[0071] XI = 0. 14X [Si] -0. 11 X [Μη] -〇. 05 X [Cu] -〇. 11 X [Ni] -〇. 03 X [Cr] +0. 02^0.2
[0072] …表达式⑴
[0073] 为了检验表达式（1)的充分性，进行了铁素体脱碳的模拟。在模拟中，分别将具有 如表1所示化学组成的钢样品各自独立地进行熔融成形、并热乳成22_Φ的棒。其后，将 这些样品加工成14mm Φ X 20mm规格的棒，将其在900°C下保持100分钟，然后进行油冷却， 从而对其进行热处理。其后，对热处理后的样品进行铁素体脱碳深度的测量