专利名称：弹簧钢及其制造方法
技术领域：
本发明涉及例如成为汽车用的悬架弹簧、扭杆以及稳定杆等的素材的高强度弹簧钢，尤其涉及高强度且耐点蚀性和腐蚀疲劳特性优异的，适合作为汽车用的悬架部件的高强度弹簧钢及其制造方法。
背景技术：
近年，从地球环境问题的观点出发，迫切期望提高汽车的燃油效率和减少二氧化碳排放量，汽车轻量化的期望越发强烈。特别是对作为汽车悬架部件之一的悬架弹簧的轻量化的期望强烈，在应用使用淬火一回火后的强度成为2000MPa以上的高强度化的素材的高应力设计。通用弹簧用钢是JIS G4801等所规定的进行淬火一回火后的强度为1600
1800MPa左右的弹簧用钢，利用热轧制成规定的线材后，制造热成型弹簧时加热成型成弹簧状之后进行淬火一回火处理，制造冷成型弹簧时，拉拔加工后，进行淬火一回火处理，成型成弹簧状。例如，悬架弹簧中，作为目前通常使用的素材，有JIS G4801中记载的SUP7。SUP7在高强度化后大气中的疲劳特性提高，但腐蚀后的疲劳特性下降，因此存在因高强度化引起的腐蚀疲劳特性下降的问题。因此，可使用的硬度的上限为HRC51等级，作为设计应力上限为llOOMPa，高强度化的实现有极限。高强度化为淬火一回火处理后的强度1900MPa以上的材料中，裂纹敏感性将增大，因此在耐点蚀性变差的情况下，对于汽车用悬架部件的悬架弹簧等的露出到外部的部件而言，其因小碎石等而涂装发生剥离的位置上将形成腐蚀坑，有可能以该腐蚀坑为起点传播疲劳裂纹，部件发生破损。因此，为了克服上述问题，已提出了几种方案。专利文献I中记载了通过将成分组成和FP值(下述Ia式)控制在2. 5 4. 5之间，从而能够在轧制后的组织中不出现过冷组织的情况下，将轧制后的强度抑制在可容易进行冷加工的1350MPa左右以下，通过其后的淬火回火，均匀且充分的淬硬，实现淬火回火后的强度为1900MPa等级以上。然而，即使添加提高耐腐蚀性的合金元素为基础，并将FP值控制在2. 5 4. 5的范围，也未必能够得到耐点蚀性和腐蚀疲劳特性良好的高强度弹簧钢。FP = (O. 23[C] + O. 1)X (O. 7[Si] + 1)X (3. 5[Mn] + 1)X (2. 2[Cr] + 1)X(0. 4[Ni] + I) X (3[Mo] + I)…(la)其中，[]表示各元素的含量(质量％)。专利文献2中公开了一种弹簧钢，是弹簧钢母材的表面的至少一部分被作为牺牲阳极发挥功能的抗蚀膜所覆盖的弹簧钢，在上述弹簧钢母材中添加有碳氮化合物形成元素，使碳氮化合物微分散在上述弹簧钢母材中。本专利文献中，作为抗蚀膜，可使用由电化学上比弹簧钢母材低位的金属或合金构成的金属膜和将在电化学上比弹簧钢母材低位的金属或其合金大量分散在非金属膜中而成的复合膜。然而，由于需要在弹簧钢上形成抗蚀膜的工序，因此导致制造成本的增加。另外，因小碎石等而抗蚀膜发生剥落的情况下，将会形成腐蚀坑，会导致腐蚀疲劳特性的下降。专利文献3中公开了如下内容C是腐蚀疲劳强度下降的原因，因此降低C，而且通过添加Si防止因C的降低而可能引起的耐弹减性的降低，其中，Si/C的比率尤为重要。然而，对抑制腐蚀疲劳强度的下降有效的C量的降低，有限制，因此如果仅通过调整Si/C的比率，未必能得到耐点蚀性和腐蚀疲劳特性良好的高强度弹簧钢。专利文献4中公开了通过降低Cr含量而能够抑制在腐蚀坑前端产生的氢量，能够抑制氢侵入到钢中，抑制氢脆性，另外，氢侵入到钢材中时，通过利用Ti、V进行氢的捕获，从而能够抑制氢脆性，因此如果使Cr、Ti、V的量适当平衡，则能够改善耐腐蚀疲劳性。然而，仅通过优化Cr、Ti、V量，即使能够抑制弹簧钢的氢脆性，也未必能够得到耐点蚀性和腐蚀疲劳特性良好的高强度弹簧钢。专利文献5中公开了实施热处理以使HRC成为50. 5 55. O后，通过实施温喷丸以使得在表面下O. 2mm位置产生600MPa以上的残余应力，从而能够提高耐腐蚀疲劳特性。·然而，由于需要对弹簧钢实施喷丸的工序，因此导致制造成本的增加。另外，虽然利用喷丸赋予的残余应力有抑制表面裂纹产生的效果，但是未必能够得到耐点蚀性和腐蚀疲劳特性良好的高强度弹簧钢。专利文献6中公开了一种弹簧钢，将C、Si、Mn、Cr、Ni、Cu的量，从弹簧钢的硬度的观点出发进行适当的平衡，将C、Cr、Ni、Cu的量，从坑形状的观点出发进行适当的平衡，将C、Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Ti、Nb的量，从耐氢脆性的观点出发进行适当的平衡，由此使腐蚀疲劳特性变优异。然而，仅通过C、Cr、Ni、Cu量来进行坑形状的最优化，有限制。专利文献I:日本特许第2932943号公报专利文献2:日本特开平10 - 196697号公报专利文献3:日本特许第3896902号公报专利文献4:日本特许第4280123号公报专利文献5:日本特开2008 - 106365号公报专利文献6:日本特开2009 - 46764号公报
发明内容
如上所述，从提高汽车的燃油效率和减少二氧化碳排放量的观点出发，作为汽车的悬架部件之一的悬架弹簧的更高强度化成为课题。然而，伴随高强度化，素材的裂纹敏感性将增加，因此素材的耐点蚀性变差的情况下,腐蚀疲劳损伤性的下降将成问题。本发明是为了解决这样的课题而完成的，其目的在于提供一种高强度且耐点蚀性和腐蚀疲劳特性优异的高强度的弹簧钢及其优选的制造方法，是对于现有的高强度弹簧钢，通过进行C、Si、Mn、Cr以及Mo的添加量的优化，从而抑制腐蚀时产生的点蚀的深度。发明人等为了解决上述课题，制备了改变C、Si、Mn、Cr及Mo的添加量且改变由下述式(I)表示的PC值的高强度弹簧钢，对耐点蚀性和耐腐蚀疲劳特性进行了深入调查。PC = 4. 2X ([C] + [Mn] )+ O. IX (I/[Si] + I/[Mo] )+ 20. 3X [Cr] + O. OOlX(I/[N])…(I)其中，[]为该括弧内成分的含量(质量％)
其结果发现，通过将C、Si、Mn、Cr及Mo的添加量最优化，并将PC值控制在适宜范围，能够提高材料的耐点蚀性和耐腐蚀疲劳特性，以至完成本发明。S卩，本发明的主要构成如下。I. 一种弹簧钢，具有以下成分组成，即，在由下述式(I)算出的PC值大于3. 3且小于等于8. O的条件下含有C :大于O. 35质量％且小于O. 50质量％、Si :大于I. 75质量％且小于等于3. 00质量％、Mn 0. 2 质量 ％ I. O 质量 ％、 Cr 0. 01 质量 ％ O. 04 质量 ％、P 0. 025 质量 ％ 以下、S :0· 025 质量 ％ 以下、Mo 0. I 质量 ％ I. O 质量 ％、O 0. 0015 质量 ％ 以下，剩余部分为不可避免的杂质和Fe，还具有马氏体分率为90%以上的组织，并且拉伸强度为1900MPa以上；PC = 4. 2X ([C] + [Mn] )+ O. IX (I/[Si] + I/[Mo] )+ 20. 3X [Cr] + O. OOlX(I/[N])…(I)其中，[]为该括弧内成分的含量(质量％)。应予说明，即使不主动添加N，其也作为不可避免的杂质以N量小于O. 005质量％的范围被含有。因此，对于上述式(I)中的N含量[N]，是使用作为不可避免的杂质而含有的N的含量(质量％)的值，或在后述的主动添加时，使用该含量(质量％)的值。2.根据上述I所述的弹簧钢，上述成分组成还满足下述式(2)；[Cr] / [Mo]彡 O. 35…(2)其中，[]为该括弧内成分的含量(质量％)。3.根据上述I或2所述的弹簧钢，上述成分组成还含有选自Al :0. 01质量％ O. 50质量％、Cu :0. 005质量％ I. O质量％以及Ni :0. 005质量％ 2. O质量％中的I种或者2种以上。4.根据上述I 3中任一项所述的弹簧钢，上述成分组成还含有选自W :0. 001质量％ 2. O质量％、Nb :0. 001质量％ O. I质量％、Ti :0. 001质量％ O. 2质量％以及V O. 002质量％ O. 5质量％中的I种或者2种以上。5.根据上述I 4中任一项所述的弹簧钢，上述成分组成还含有B :0. 0002质
量% O. 005质量％。6.根据上述I 5中任一项所述的弹簧钢，上述成分组成还含有N :0. 005质
量% O. 020质量％。7. 一种弹簧钢的制造方法，将钢素材加热到Ac3点 (Ac3点+ 200°C)的温度区域，以10°C / S以上的冷却速度冷却至200°C以下，其后，加热至150°C 500°C的温度区域，冷却；所述钢素材具有以下组成，即，以由下述式(I)算出的PC值大于3. 3且小于等于8. O的条件含有
C :大于(λ 35质量％且小于O. 50质量％、Si :大于I. 75质量％且小于等于3. 00质量％、Mn 0. 2 质量 ％ I. O 质量 ％、Cr :O. 01 质量 ％ O. 04 质量 ％、P 0. 025 质量 ％ 以下、S :0· 025 质量 ％ 以下、Mo 0. I质量％ I. O质量％以及O 0. 0015 质量 % 以下；
PC = 4. 2Χ ([C] + [Mn] )+ O. IX (I/[Si] + I/[Mo] )+ 20. 3X [Cr] + O. OOlX(I/[N])…(I)其中，[]为该括弧内成分的含量(质量％)。8.根据上述7所述的弹簧钢的制造方法，上述成分组成还满足下述式(2)；[Cr] / [Mo] ( O. 35…(2)其中，[]为该括弧内成分的含量(质量％)。9.根据上述7或8所述的弹簧钢的制造方法，上述成分组成还含有选自Al :0. 01质量％ O. 50质量％、Cu :0. 005质量％ I. O质量％以及Ni :0. 005质量％ 2. O质量％中的I种或2种以上。10.根据上述7 9中任一项所述的弹簧钢的制造方法，上述成分组成还含有选自W 0. 001质量％ 2. O质量％、Nb 0. 001质量％ O. I质量％、Ti 0. 001质量％ O. 2质量％以及V :0. 002质量％ O. 5质量％中的I种或2种以上。11.根据上述7 10中任一项所述的弹簧钢的制造方法，上述成分组成还含有B :O. 0002质量% O. 005质量％。12.根据上述7 11的中任一项所述的弹簧钢的制造方法，上述成分组成还含有N :0. 005质量％ O. 020质量％。即，本发明的弹簧钢具有以下成分组成，即，以由上述式(I)算出的PC值大于3. 3且小于等于8. O的条件含有C :大于O. 35质量％且小于O. 50质量％、Si :大于I. 75质量％且小于等于3. 00质量％、Mn 0. 2 质量 ％ I. O 质量 ％、Cr 0. 01 质量 ％ O. 04 质量 ％、P :0· 025 质量 ％ 以下、S :0· 025 质量 ％ 以下、Mo 0. I质量％ I. O质量％以及O 0. 0015 质量 % 以下，或者，还含有选自Al :O. 01质量％ O. 50质量％、Cu 0. 005质量％ L O质量％以及Ni :0. 005质量％ 2. O质量％中的I种或2种以上，或者，还含有选自W :0. 001质量％ 2. O质量％、Nb 0. 001质量％ O. I质量％、Ti :0. 001质量％ O. 2质量％以及V :0. 002质量％ O. 5质量％中的I种或2种以上，或者，还含有B 0. 0002质量％ O. 005质量％，
或者，还含有N 0. 005质量％ O. 020质量％，剩余部分为不可避免的杂质和Fe。另外，本发明的弹簧钢的制造方法是对上述组成的钢材料实施上述7记载的热处理的制造方法。根据本发明，能够稳定地制造与现有的高强度弹簧钢相比具有更加优异的耐点蚀性和腐蚀疲劳特性的高强度弹簧钢。而且有助于汽车的轻量化，因此在产业上带来有益效果O
图I是整理表示点蚀深度的评价结果与PC值的关系的图。图2是整理表示耐腐蚀疲劳特性的评价结果与PC值的关系的图。 图3是表示提供于腐蚀试验的试验片的形状的图。图4是表示提供于耐弹减性评价试验的试验片的形状的图。图5是耐弹减试验的试验机的示意图。图6是表示点蚀深度测定用试样的形状的图。
具体实施例方式接下来，对本发明的弹簧钢的成分组成及其制造条件进行说明。C :大于O. 35质量％且小于O. 50质量％C是为了确保所需强度而必须添加的元素，如果为O. 35质量％以下，则难以确保规定的强度，并且为了确保规定强度而需要大量添加合金元素，导致合金成本的上升，因此设为大于O. 35质量％。另一方面，添加O. 50质量％以上则钢中大量生成碳化物，因碳化物一母相界面的优先腐蚀而使耐点蚀性下降，导致腐蚀疲劳特性的下降和韧性的下降。因此，将C量设为大于O. 35质量％且小于O. 50质量％。Si :大于I. 75质量％且小于等于3. 00质量％Si作为脱氧剂，并且通过提高固溶强化、抗回火软化，从而提高钢的强度，提高钢的耐弹减性。并且也是为了提高耐点蚀性而添加的元素，本发明中，添加大于I. 75质量％。但是，大于3. 00质量％的添加，使延展性下降，铸造时素材上将产生裂纹，因此素材需要修复，导致制造成本的增加。另外，因钢高强度化，韧性以及卷绕性显著下降。因此，将Si的上限设为3. 00质量％。由此，将Si量设为大于I. 75质量％且小于等于3. 00质量％。Mn 0. 2 质量 ％ I. O 质量 ％Mn提高钢的淬火性有益于增加强度，因此添加O. 2质量％以上。但是大于I. O质量％的添加，会使钢高强度化，因此导致母材韧性的下降。另外，增加钢的腐蚀速度，点蚀深度也变深，导致腐蚀疲劳特性的下降。因此，将Mn的上限设为I. O质量％。由此，将Mn量设为O. 2质量％ I. O质量％。P、S :0. 025 质量 ％ 以下P和S在晶界偏析而导致钢的母材韧性下降。另外，增加腐蚀速度，与此相伴点蚀深度也变深。尤其S将作为MnS存在于钢中，所以因MnS的溶解，点蚀深度变深。因此，优选这些元素尽可能少。由此，将P和S均设为O. 025质量％以下。
Cr 0. 01 质量 ％ O. 04 质量 ％Cr是提高钢的淬火性而使强度增加的元素。因此，添加O. 01质量％以上。另外，是使在表层部生成的锈致密化来抑制腐蚀的元素。另一方面，其降低点蚀部的PH值而增大点蚀深度，所以是降低耐腐蚀疲劳特性的元素，因此，本发明中，为了提高耐点蚀性而将Cr量控制在O. 04质量％以下。由此，将Cr量设为O. 01质量％ O. 04质量％。Mo :0· I 质量 ％ I. O 质量 ％Mo是本发明中特别重要的元素。Mo是通过形成钝化膜而提高腐蚀抑制功能和耐点蚀性的元素,需要添加O. I质量％以上。但是，如果添加大于I. O质量％，则由于高强度化导致韧性的下降，并且还导致合金成本的上升。因此，将Mo量设为O. I I. O质量％。O :0· 0015 质量 ％ 以下O与Si、Al结合，形成硬质氧化物系非金属夹杂物，从而降低疲劳寿命特性，因此 优选尽可能低，本发明中，可允许为O. 0015质量％以下。PC值(上述式(I)):大于3. 3且小于等于8. O进而，发明人等改变成分组成和PC值制备弹簧钢，调查了其点蚀深度和耐腐蚀疲劳特性。应予说明，点蚀深度和腐蚀疲劳特性利用后述的试验方法实施。在表I中显示成分组成，在表2中显示点蚀深度和耐腐蚀疲劳特性的评价结果。另外，图I和图2中整理显示了点蚀深度和耐腐蚀疲劳特性的评价结果(纵轴)与PC值(横轴)的关系。这里，对于弹簧钢的制造条件，除作为基准的钢以外，其他的钢相同。即，制造条件如下。首先，将通过真空熔炼而熔炼的钢坯加热至1100°C后，进行热轧，得到直径25mm的圆棒。其后，在950°C进行I小时的正火处理后，进行拉丝加工直至直径为15mm。对得到的线材进行利用高频加热的淬火一回火处理。该热处理条件为以100°C /秒的加热速度进行加热至1000°C，保持5秒后，以50°C /秒冷却至50°C。回火条件为以50°C /秒的加热速度进行加热至30(TC，保持20秒后，进行空冷。但是，对于作为基准的钢(A - I :基于SUP7)，进行直径15mm的拉丝加工后，实施淬火一回火处理。淬火条件为在840°C进行电炉加热(以下，称为炉加热)，保持O. 5小时后，用60°C的油进行淬火。回火条件为将淬火后的钢加热于510°C,保持I小时后,放冷。如表2、图I及图2所示，如果PC值大于8. 0，则点蚀深度变深，耐腐蚀疲劳特性下降。另一方面，即使将PC值设为3. 3以下，也能确认到点蚀深度的减少和耐腐蚀疲劳特性的显著提高。并且，PC值为3. 3以下的情况下，由于添加的合金元素增加，因此合金成本增力口。由此，判明通过将PC值调整为大于3. 3且小于等于8. O的范围，能提高耐点蚀性和耐腐蚀疲劳特性。。
权利要求
1.一种弹簧钢，其特征在于，具有以下成分组成，即，在由下述式(I)算出的PC值大于3. 3且小于等于8. O的条件下含有 C :大于O. 35质量％且小于O. 50质量％、 Si :大于I. 75质量％且小于等于3. 00质量％、 Mn 0. 2质量％ I. O质量％、 Cr :0. 01质量％ O. 04质量％、 P :0. 025质量％以下、 S :0. 025质量％以下、 Mo 0. I质量％ I. O质量％、 0:0. 0015质量％以下， 剩余部分为不可避免的杂质和Fe， 还具有马氏体分率为90%以上的组织，并且拉伸强度为1900MPa以上；PC = 4. 2 X ([C] + [Mn] ) + O. I X (I/[Si] + I/[Mo] ) + 20. 3 X [Cr] + O. OOlX(I/[N])…(I) 其中，[]为该括弧内成分的含量，单位为质量％。
2.根据权利要求I所述的弹簧钢，其中，所述成分组成还满足下述式(2)， [Cr] / [Mo] ( O.35…(2) 其中，[]为该括弧内成分的含量，单位为质量％。
3.根据权利要求I或2所述的弹簧钢，其中，所述成分组成还含有选自Al:0. 01质量％ O. 50质量％、Cu 0. 005质量％ I. O质量％以及Ni 0. 005质量％ 2. O质量％中的I种或者2种以上。
4.根据权利要求I 3中任一项所述的弹簧钢，其中，所述成分组成还含有选自W:O.001质量％ 2. O质量％、Nb 0. 001质量％ O. I质量％、Ti 0. 001质量％ O. 2质量％以及V :0. 002质量％ O. 5质量％中的I种或者2种以上。
5.根据权利要求I 4中任一项所述的弹簧钢，其中，所述成分组成还含有B:0. 0002质量％ O. 005质量％。
6.根据权利要求I 5中任一项所述的弹簧钢，其中，所述成分组成还含有N:0. 005质量% O. 020质量％。
7.一种弹簧钢的制造方法，其特征在于，将具有以下成分组成的钢素材加热到Ac3点 (Ac3点+ 200°C)的温度区域，以10°C / s以上的冷却速度冷却至200°C以下，其后，加热至150°C 500°C的温度区域，冷却； 所述钢素材具有以下成分组成，即，以由下述式(I)算出的PC值为大于3. 3且小于等于8. O的条件含有 C :大于O. 35质量％且小于O. 50质量％、 Si :大于I. 75质量％且小于等于3. 00质量％、 Mn 0. 2质量％ I. O质量％、 Cr :0. 01质量％ O. 04质量％、 P :0. 025质量％以下、 S :0. 025质量％以下、Mo 0. I质量％ I. O质量％以及 O:0. 0015质量％以下；PC = 4. 2 X ([C] + [Mn] ) + O. I X (I/[Si] + I/[Mo] ) + 20. 3 X [Cr] + O. OOlX(I/[N])…(I) 其中，[]为该括弧内成分的含量，单位为质量％。
8.根据权利要求7所述的弹簧钢的制造方法，其中，所述成分组成还满足下述式(2)，[Cr] / [Mo] ( O. 35... (2) 其中，[]为该括弧内成分的含量，单位为质量％。
9.根据权利要求7或8所述的弹簧钢的制造方法，其中，所述成分组成还含有选自AlO.01质量％ O. 50质量％、Cu 0. 005质量％ I. O质量％以及Ni 0. 005质量％ 2. O质量％中的I种或2种以上。
10.根据权利要求7 9中任一项所述的弹簧钢的制造方法，其中，所述成分组成还含有选自W :0. 001质量％ 2. O质量％、Nb :0. 001质量％ O. I质量％、Ti :0. 001质量％ O.2质量％以及V :0. 002质量％ O. 5质量％中的I种或2种以上。
11.根据权利要求7 10中任一项所述的弹簧钢的制造方法，其中，所述成分组成还含有B :0. 0002质量％ O. 005质量％。
12.根据权利要求7 11中任一项所述的弹簧钢的制造方法，其中，所述成分组成还含有N :0. 005质量％ O. 020质量％。
全文摘要
本发明提供一种高强度的弹簧钢及其优选的制造方法，该弹簧钢通过具有以下组成而抑制腐蚀时产生的点蚀的深度，高强度且耐点蚀性和腐蚀疲劳特性优异，其组成为以PC＝4.2×([C]＋[Mn])＋0.1×(1/[Si]＋1/[Mo])＋20.3×[Cr]＋0.001×(1/[N])算出的PC值大于3.3且小于等于8.0的条件含有C大于0.35质量%且小于0.50质量%、Si大于1.75质量%且小于等于3.00质量%、Mn0.2质量%～1.0质量%、Cr0.01质量%～0.04质量%、P0.025质量%以下、S0.025质量%以下、Mo0.1质量%～1.0质量%以及O0.0015质量%以下。
文档编号C21D8/06GK102884216SQ201180022549
公开日2013年1月16日 申请日期2011年2月28日 优先权日2010年3月29日
发明者本庄稔, 长谷和邦, 木村秀途 申请人:杰富意钢铁株式会社