高耐久性的盘簧钢的制作方法

本发明涉及一种钢组合物和包含该钢组合物从而改善盘簧钢的耐腐蚀性并增强抗张强度的盘簧钢。该钢组合物可包含硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)和硫(S)。

背景技术：

近来汽车业已制造了具有约120K的高应力的车用盘簧。例如，具有约130K的高应力的盘簧也已经大量应用于汽车。此外，由于已经普遍应用具有110K～130K高强度的材料，钢丝厚度/线圈匝数可降低并由此可使车辆重量减轻。然而，在脱落/涂层剥落后，对腐蚀的敏感性可能增加。另外，可能因钢丝厚度降低而不能确保设计余量，由此在破损发展期间存在例如强度不足和达到完全破损之前的发展速度加快的风险。

在现有技术中，为降低这样的风险，仅对一些易被腐蚀的部件应用双涂层等。然而，过多的材料(涂料)成本可能增加并且不能提供根本性的解决方案。因此，通过增强这些材料的强度/耐腐蚀问题使耐久性提高是当前汽车业必须解决的一个问题。近来，由于汽车具有高性能、高输出和高效率，因而需要使部件高度强化并减轻部件重量。此外，由于用于悬架的钢材在常规车辆荷载/腐蚀条件下必须是轻质的，因此材料的刚度和耐久性必须得到保障。

提供以上公开的背景技术以帮助理解本发明，其不应被解读为本领域普通技术人已经知晓的常规技术。

技术实现要素：

在优选的方面，本发明提供一种钢组合物和包含该钢组合物的盘簧钢。利用可适当地包含硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)和硫(S)成分的钢组合物，盘簧可具有改善的耐腐蚀性和抗张强度。

在一方面，本发明提供一种钢组合物，其可包含：含量为约0.51wt％～0.57wt％的碳(C)、含量为约1.35wt％～1.45wt％的硅(Si)、含量为约0.95wt％～1.05wt％的锰(Mn)、含量为约0.60wt％～0.80wt％的铬(Cr)、含量为约0.25wt％～0.35wt％的铜(Cu)、含量为约0.05wt％～0.15wt％的钒(V)、含量为约0.25wt％～0.35wt％的镍(Ni)、含量为约0.003wt％～0.015wt％的磷(P)，含量为约0.003wt％～0.010wt％的硫(S)以及构成所述钢组合物的余量的铁(Fe)。除非另外指明，否则所有wt％是基于该钢组合物的总重而言。

本发明还提供如下的钢组合物，其可以基本上由本文所述的组分组成或者可以由本文所述的组分组成。例如，钢组合物可以基本上由下述组分组成或者可以由下述组分组成：含量为约0.51wt％～0.57wt％的碳(C)、含量为约1.35wt％～1.45wt％的硅(Si)、含量为约0.95wt％～1.05wt％的锰(Mn)、含量为约0.60wt％～0.80wt％的铬(Cr)、含量为约0.25wt％～0.35wt％的铜(Cu)、含量为约0.05wt％～0.15wt％的钒(V)、含量为约0.25wt％～0.35wt％的镍(Ni)、含量为约0.003wt％～0.015wt％的磷(P)、含量为约0.003wt％～0.010wt％的硫(S)以及构成所述钢组合物的余量的铁(Fe)，所有wt％是基于该钢组合物的总重而言。

在另一方面，本发明提供一种盘簧钢，其可包括本文所述的钢组合物。

当在弹簧成型之后进行一般疲劳寿命试验时，盘簧钢在最高约120kgf/mm²的反复应力条件下可具有约750,000或更高的一般疲劳寿命。

当在弹簧成型之后进行腐蚀疲劳寿命试验时，盘簧钢在盐水喷洒和最高约60kgf/mm²的反复应力条件下可具有约500,000次或更高的腐蚀疲劳寿命。

盘簧钢可具有约1μm或更低的最外表面铁素体脱碳深度。

另外提供的是一种车辆部件，其可包括本文所述的钢组合物。还提供一种车辆，其可包括上述的包含本文所述的钢组合物的车辆部件。

本发明的其他方面在下文中公开。

附图说明

根据以下详细描述结合附图，本发明的上述和其他目的、特征和其他优点会变得更加容易理解，其中：

图1是显示根据本发明示例性实施方式的实施例以及比较例的抗张强度随硅(Si)含量变化的图；

图2是显示根据本发明示例性实施方式的实施例以及比较例的冲击韧性随硅(Si)含量变化的图；

图3是显示根据本发明示例性实施方式的实施例以及比较例的盘簧的一般疲劳寿命随硅(Si)含量变化的图；

图4是显示根据本发明示例性实施方式的实施例以及比较例的盘簧的腐蚀疲劳寿命随硅(Si)含量变化的图；

图5是显示根据本发明示例性实施方式的实施例以及比较例的预脱碳深度随硅(Si)含量变化的图；

图6是显示根据本发明示例性实施方式的实施例以及比较例的铁素体脱碳深度随硅(Si)含量变化的图；

图7是显示根据本发明示例性实施方式的实施例以及比较例的抗张强度随锰(Mn)含量变化的图；

图8是显示根据本发明示例性实施方式的实施例以及比较例的冲击韧性随本公开中锰(Mn)含量变化的图；

图9是显示根据本发明示例性实施方式的实施例以及比较例的盘簧的一般疲劳寿命随锰(Mn)含量变化的图；

图10是显示根据本发明示例性实施方式的实施例以及比较例的盘簧的腐蚀疲劳寿命随锰(Mn)含量变化的图；

图11是显示根据本发明示例性实施方式的实施例以及比较例的盘簧的一般疲劳寿命随磷(P)含量变化的图；

图12是显示根据本发明示例性实施方式的实施例以及比较例的腐蚀槽深度随磷(P)含量变化的图；

图13是显示根据本发明示例性实施方式的实施例以及比较例的盘簧的腐蚀疲劳寿命随磷(P)含量变化的图；

图14是显示根据本发明示例性实施方式的实施例以及比较例的盘簧的一般疲劳寿命随硫(S)含量变化的图；

图15是显示根据本发明示例性实施方式的实施例以及比较例的腐蚀槽深度随硫(S)含量变化的图；

图16是显示根据本发明示例性实施方式的实施例以及比较例的盘簧的腐蚀疲劳寿命随硫(S)含量变化的图；

图17是显示根据本发明示例性实施方式的实施例、比较例和常规(现有)材料的抗张强度的图；

图18是显示得自根据本发明示例性实施方式的实施例、比较例和常规(现有)材料的盘簧的一般疲劳寿命的图；

图19是显示根据本发明示例性实施方式的实施例、比较例和常规(现有)材料的腐蚀槽深度的图；

图20是显示根据本发明示例性实施方式的实施例、比较例和常规(现有)材料的盘簧的腐蚀疲劳寿命的图；且

图21是显示根据本发明的示例性实施方式的示例性钢组合物的示例性铁素体组织的图。

具体实施方式

本文使用的术语仅仅是出于说明特定的示例性实施方式的目的，而不是意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个、一种、该(a、an、the)”也意在包括复数形式，除非上下文中另外清楚指明。还应当理解的是，在说明书中使用的术语“包括(comprises和/或comprising)”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项的任何和所有组合。

除非具体说明或从上下文明显得到，否则本文所用的术语“约”理解为在本领域的正常公差范围内，例如在均值的标准差范围内。“约”可以理解为在所述数值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非另外从上下文清楚得到，否则本文提供的所有数值都由术语“约”修饰。

应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插电式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。

现在将详细地参照本发明的多个示例性实施方式，其实施例在附图中进行图示。在可能的情况下，在附图通篇将使用相同的附图标记指代相同或相似的部件。

根据本发明的钢提供高耐久性的盘簧。钢组合物可包括：含量为约0.51wt％～0.57wt％的碳(C)、含量为约1.35wt％～1.45wt％的硅(Si)、含量为约0.95wt％～1.05wt％的锰(Mn)、含量为约0.60wt％～0.80wt％的铬(Cr)、含量为约0.25wt％～0.35wt％的铜(Cu)、含量为约0.05wt％～0.15wt％的钒(V)、含量为约0.25wt％～0.35wt％的镍(Ni)、含量为约0.003wt％～0.015wt％的磷(P)、含量为约0.003wt％～0.010wt％的硫(S)以及构成所述钢组合物的余量的铁(Fe)，所有wt％是基于该钢组合物的总重而言。

以下，将详细地说明用于根据本公开的高耐久性盘簧钢的钢组分及其含量。

含量为约0.51wt％至0.57wt％的碳(C)

本文使用的碳(C)可最有效地提高钢的强度。碳(C)可形成奥氏体例如马氏体组织。随着碳含量增加，韧性可降低且硬度可增大。碳(C)可结合金属元素例如铁(Fe)、铬(Cr)或钒(V)或者与之形成合金从而形成碳化物，由此提高强度和硬度。

当碳(C)以小于约0.51wt％的量添加时，抗张强度和疲劳强度可降低。另一方面，当碳(C)以高于约0.57wt％的量添加时，韧性可降低，因此，例如在淬火之前硬度可增大并且机械加工性可降低。因此，碳(C)含量基于钢组合物的总重可以在约0.51wt％至约0.57wt％的范围内。

含量为约1.35wt％至1.45wt％的硅(Si)

本文使用的硅(Si)可以提高钢的硬度和强度并且可强化珠光体相，但可能使延伸率和冲击值降低。硅(Si)可以与氧反应。

当硅(Si)以小于约1.35wt％的量添加时，抗张强度和疲劳强度可降低。另一方面，当硅(Si)以高于约1.45wt％的量添加时，疲劳强度可能因脱碳而降低，并且在淬火之前机械加工性可能因硬度增大而降低。因此，硅(Si)含量基于钢组合物的总重可以在约1.35wt％至约1.45wt％的范围内。

含量为约0.95wt％至1.05wt％的锰(Mn)

本文使用的锰(Mn)可使钢在淬火过程中的可硬化性和强度增大。然而，当包含高于预定量的量的锰(Mn)时，可能导致淬火裂纹、热应变和韧性降低。当锰(Mn)与硫(S)反应时，可形成夹杂物例如MnS。

当锰(Mn)以小于约0.95wt％的量添加时，钢的可硬化性可能得不到充分改善。另一方面，当锰(Mn)以高于约1.05wt％的量添加时，机械加工性和韧性可能降低，且疲劳寿命可能因过量产生MnS引起的沉积而降低。因此，锰(Mn)的含量基于钢组合物的总重可以在约0.95wt％至约1.05wt％的范围内。

含量为约0.60wt％至0.80wt％的铬(Cr)

本文使用的铬(Cr)可改善溶于奥氏体时的可硬化性，并且可抑制回火过程中的抗软化性。可以添加铬(Cr)以补充机械特性例如可硬化性和强度。此外，铬(Cr)可以防止高硅(Si)钢的脱碳。

当铬(Cr)以小于约0.60wt％的量添加时，钢的强度可能降低，因此钢可能永久变形。另一方面，当铬(Cr)以高于约0.80wt％的量添加时，钢的硬度可能增大，但钢的韧性可能降低，从而在钢上产生裂纹并使制造成本增加。因此，铬(Cr)的含量基于钢组合物的总重可以在约0.60wt％至约0.80wt％的范围内。

含量为约0.25wt％至0.35wt％的铜(Cu)

本文使用的铜(Cu)可通过提高钢表面上腐蚀氧化物的致密化程度(densification)而防止发展中的内部钢的腐蚀。然而，当包含高于预定量的量的铜(Cu)时，在高温下可能因脆性(热脆性)而在钢上产生细小裂纹。

当铜(Cu)以小于约0.25wt％的量添加时，耐腐蚀性可能降低，因此钢的腐蚀寿命和疲劳寿命可能降低。另一方面，当铜(Cu)以高于约0.35％的量添加时，可能因在高温下的脆性(热脆性)而产生裂纹并且制造成本可能增加。因此，铜(Cu)的含量基于钢组合物的总重可以在约0.25wt％至约0.35wt％的范围内。

含量为约0.05wt％至0.15wt％的钒(V)

钒(V)可以通过细化组织而防止因在高温下形成微小沉淀物引起的粒度变粗。通过这样的组织细化，可提高强度并且可保证韧性。然而，当包含高于预定量的量的钒(V)时，沉淀物变粗，因此韧性和疲劳寿命可能降低。

当以小于约0.05wt％的量包含钒(V)时，强度可能降低并且粒度可能变粗。另一方面，当以高于约0.15wt％的量包含钒(V)时，韧性和疲劳寿命可能降低并且制造成本可能增加。因此，钒(V)的含量基于钢组合物的总重可以在约0.05wt％至约0.15wt％的范围内。

含量为约0.25wt％至0.35wt％的镍(Ni)

由于本文使用的镍(Ni)可使钢组织细化并且易于用在奥氏体中，因此镍可以用于基体强化。镍(Ni)可具有优异的可硬化性并且尤其是提供了耐腐蚀性增强效果。

当以小于约0.25wt％的量包含镍(Ni)时，耐腐蚀性可能降低，由此钢的腐蚀寿命和疲劳寿命可能降低。另一方面，当以高于约0.35wt％的量包含镍(Ni)时，制造成本可能增加。因此，镍(Ni)的含量基于钢组合物的总重可以在约0.25wt％至约0.35wt％的范围内。

含量为约0.003wt％至0.015wt％的磷(P)

当磷(P)均匀地分布在钢中时，机械加工性可增强而没有特殊问题。

当以小于约0.003wt％的量包含磷(P)时，机械加工性可能降低。另一方面，当以高于约0.015wt％的量包含磷(P)时，抗冲击性可能降低且可能易于产生回火脆性。因此，磷(P)的含量基于钢组合物的总重可以在约0.003wt％至约0.015wt％的范围内。

含量为约0.003wt％至0.010wt％的硫(S)

本文使用的硫(S)可通过与锰(Mn)反应形成夹杂物例如MnS而使钢的机械加工性增加。

当以小于0.0036wt％的量包含硫(S)时，机械加工性可能降低。另一方面，当以高于约0.010wt％的量包含硫(S)时，以MnS为裂纹的基点可能使疲劳寿命降低。因此，硫(S)的含量基于钢组合物的总重可以在约0.003wt％至约0.010wt％的范围内。

实施例

下面将参照附图来说明本发明的示例性实施方式(材料/组成)。

(实施例和比较例)

在下表1和所附附图1-6中具体说明随着硅(Si)含量控制的效果。

[表1]

如表1中所概括的，在比较例和实施例中，对根据本发明的高耐久性弹簧钢的成分，在预定范围内仅将硅(Si)作为控制变量且其他元素被控制为等同程度。

由于硅(Si)的含量为1.35wt％至1.45wt％，故在比较例1和2中使硅(Si)的含量小于1.35wt％。在比较例3中使硅(Si)的含量高于1.45wt％。

如图1和图3所示，弹簧的抗张强度和一般疲劳寿命随着硅(Si)含量的增加而增加。然而，如图2所示，冲击韧性随着硅(Si)含量的增加而下降，在1.45wt％～1.53wt％之间下降尤其快速。

使用标准抗张试样来测量抗张强度。使用标准冲击试样来测量冲击韧性。

此外，通过仅用于弹簧的疲劳测试装置对盘簧钢的一般疲劳寿命进行测试，以评估在20～120kgf/mm³的反复应力下的寿命。

如图4所示，可以确定，在基于钢组合物总重硅(Si)含量在1.35wt％至1.45wt％范围内时适当地得到弹簧的腐蚀疲劳寿命。因此，在冲击韧性因腐蚀槽的缺口效应而快速下降的范围，即在1.45wt％和1.53wt％之间的范围内，弹簧的腐蚀疲劳寿命也下降。

如图5所示，当基于钢组合物总重硅(Si)含量为1.35wt％至1.45wt％时，预脱碳深度维持在40μm～50μm，但在1.45wt％和1.53wt％之间快速增大。预脱碳深度意指由于热处理导致硬度降低同时盘簧钢的碳损失的深度。这意味着随着预脱碳深度的增大，盘簧的疲劳寿命和腐蚀疲劳寿命可能进一步下降。

使用硬度法来测量预脱碳深度。从表面至硬度快速增大的点之间的深度为预脱碳深度。

同时，如图6所示，在基于钢组合物总重的硅(Si)含量为1.35wt％至1.45wt％之前，铁素体脱碳深度维持在1μm或更低，但在1.45wt％和1.53wt％之间快速增大。铁素体脱碳深度意指当盘簧钢表面上的碳有很大损失时所呈现出的白色铁素体组织的深度。一般疲劳寿命和腐蚀疲劳寿命在铁素体脱碳深度为1μm或更低之前受到很大影响，但当铁素体脱碳深度大于1μm时，同预脱碳深度一样，盘簧的一般疲劳寿命和腐蚀疲劳寿命可能降低。

使用显微术来测量铁素体脱碳深度。通过显微镜拍摄盘簧钢的横断面来测量白色铁素体组织的深度。如图21所示，可以确定白色铁素体脱碳深度在1μm或更低的深度形成，因此未清楚观察到白色铁素体组织。

为此，硅(Si)的含量基于钢组合物的总重可以为约1.35wt％至1.45wt％。

在35℃的温度下，在20kgf/mm³至60kgf/mm³的反复应力下同时喷洒浓度为5±0.5％的NaCl水溶液，通过仅用于弹簧的用于测量寿命的疲劳测试设备来测量盘簧钢的腐蚀疲劳寿命。

对根据锰(Mn)含量控制的效果进行详细讨论并总结于下表2和所附附图7-10中。

[表2]

如表2中所概括的，在比较例和实施例中，对根据本发明的高耐久性弹簧钢的成分，在预定范围内仅将锰(Mn)作为控制变量且其他元素被控制为等同程度。

由于锰(Mn)的含量被限定为0.95wt％至1.05wt％，故在比较例4和5中使锰(Mn)的含量小于0.95wt％。在比较例6中使锰(Mn)的含量大于1.05wt％。

如图7和图9所示，盘簧的抗张强度和一般疲劳寿命随着锰(Mn)含量的增大而增大。然而，如图8所示，冲击韧性随着锰(Mn)含量的增加而下降，在1.05wt％和1.17wt％之间下降尤其快速。

如图10所示，可以确定在基于钢组合物锰(Mn)含量范围为0.95wt％至1.05wt％时，弹簧的腐蚀疲劳寿命是合适的。相应地，在冲击韧性因腐蚀槽的缺口效应而快速下降的范围，即0.95wt％至1.05wt％的范围内，弹簧的腐蚀疲劳寿命也下降。

同时，预脱碳和铁素体脱碳深度几乎不受锰(Mn)的影响。

对根据磷(P)含量控制的效果进行详细讨论并总结于下表3和所附附图11-13中。

[表3]

如表3中所概括的，在比较例和实施例中，对根据本发明的高耐久性弹簧钢的成分，在预定范围内仅将磷(P)作为控制变量且其他元素被控制为等同程度。

由于磷(P)的含量被限定为0.003wt％至0.015wt％，故在比较例7和8中使磷(P)的含量大于0.015wt％。

如图11中所示，尽管磷(P)的含量增加，但盘簧的一般疲劳寿命维持在约700,000次或更高。这意味着磷(P)含量的控制并不对盘簧的一般疲劳寿命有很大影响。

另一方面，如图12和图13所示，可以确定随着磷(P)含量的增加，腐蚀槽的深度变深且盘簧的腐蚀疲劳寿命下降。而且，在从0.015wt％至0.021wt％的磷(P)含量范围内，腐蚀槽的深度快速变深且盘簧的腐蚀疲劳寿命快速下降。出现这种情况是因为当磷(P)含量高于预定范围时，抗冲击性降低且易于产生回火脆性。

通过在35℃的温度下喷洒浓度为5％±0.5％的NaCl水溶液360小时来评估随腐蚀槽深度(μm)而变化的耐腐蚀性。随着腐蚀槽深度降低，腐蚀特性更佳。

为此，基于钢组合物的总重，磷(P)含量可以在约0.003wt％～0.015wt％的范围内。

对根据着硫(S)含量控制的效果进行详细讨论并总结于下表4和所附附图11至13中。

[表4]

如图4中所概括的，在比较例和实施例中，对根据本发明的高耐久性弹簧钢的成分，在预定范围内仅将硫(S)作为控制变量且其他元素被控制为等同程度。

由于硫(S)的含量被限定为0.003wt％至0.010wt％，故在比较例9和10中使硫(S)含量高于0.010wt％。

如图14所示，尽管硫(S)含量增加，盘簧的一般疲劳寿命同等地维持在约750,000次，但在0.010wt％至0.021wt％的硫(S)含量范围内快速下降。出现这种情况是因为当硫(S)含量高于预定范围时，MnS夹杂物的影响增加。

此外，如图15和图16所示，可以确定随着硫(S)含量增加，腐蚀槽的深度加深且盘簧的腐蚀疲劳寿命下降。而且，从0.010wt％至0.021wt％的含量范围，腐蚀槽的深度快速加深且盘簧的腐蚀疲劳寿命快速下降。出现这种情况是因为当硫(S)含量高于预定范围时，抗冲击性下降且易于产生回火脆性。

为此，基于钢组合物的总重，硫(S)含量可以在约0.003wt％至0.010wt％的范围内。

通过以下表5和图17-18可以确定，相较于现有材料和其中硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)、硫(S)等等的含量低于或高于本发明的那些含量的情形，具有根据本发明的组合物的高耐久性盘簧钢具有优异的性质。

[表5]

如图17-18所示，抗张强度为2100MPa至2200MPa，这比现有材料的2050MPa高约5％。

因抗张强度增加，每个现有盘簧的重量可以下降至3kg～3.24kg，因此可实现约15％的重量减轻。

盘簧钢的一般疲劳寿命高达760,000次，这比现有材料的630,000次高约20％。此外，腐蚀槽的最小深度为7μm，这比现有材料的24μm低约70％。另外，可以确定盘簧钢的腐蚀疲劳寿命高达508,000次，这比现有材料的348,000次高约45％。

因此，现有材料需要聚氨酯管等等作为用于补充耐腐蚀性的途径，而根据本发明的高耐久性盘簧钢因增强的耐腐蚀性可以不需要额外的聚氨酯管等，使得制造成本降低。

如上所述，根据本发明多个示例性实施方式的高耐久性盘簧钢可以展现出增强的抗张强度和耐腐蚀性，由此可以预期耐久性增加。

(制造方法)

对包含0.51wt％至0.57wt％的碳(C)、1.35wt％至1.45wt％的硅(Si)、0.95wt％至1.05wt％的锰(Mn)、0.60wt％至0.80wt％的铬(Cr)、0.25wt％至0.35wt％的铜(Cu)、0.05wt％至0.15wt％的钒(V)、0.25wt％至0.35wt％的镍(Ni)、0.003wt％至0.015wt％的磷(P)、0.003wt％至0.010wt％的硫(S)以及余量铁(Fe)和其它不可避免的杂质的钢材料进行钢丝加工和填充工艺。

随后，对得到的钢丝进行受控热处理工艺，在该工艺中将钢丝维持在恒定的高温下持续恒定时间，然后经空气冷却以使钢丝的晶粒细化并使组织均一化。该受控热处理工艺在约950℃～1000℃的温度下维持四至六分钟，以使最外表面的硬度降低最小化。接着，进行淬火和回火从而为所得的均一化钢丝提供强度和韧性。结果，制得高耐久性盘簧。

如以上结果所证实的，由于包含适量的硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)和硫(S)，本发明的高耐久性盘簧钢可具有提高的耐腐蚀性，并由此可具有提高的耐久性。此外，由于高耐久性盘簧钢具有提高的抗张强度，可以减轻盘簧的重量，由此可以提高车辆的燃油效率。

尽管已经出于示例性的目的公开了本发明的示例性实施方式，但本领域技术人员将会理解，在不偏离所附权利要求所公开的本发明范围和主旨的情况下，各种改动、增加和替换是可行的。