超高强度弹簧钢的制作方法

本发明涉及一种构成超高强度钢的钢组合物。用于超高强度钢的钢组合物具有改善的拉伸强度和疲劳强度，所述超高强度钢适合用作车辆的发动机气门弹簧。

背景技术：

随着化石燃料储量的下降以及油价的突然升高和变动，改进车辆燃料效率的研究正在进行。对于燃料效率改进，重要的是使车身重量减轻的设计以及通过减少系统连接处的摩擦使能量损失最小化。此外，通过改善发动机自身排气控制时的动力特性使得输出效率最大化有助于燃料效率。就改善燃料效率而言，已经进行了通过降低发动机缸盖的动力组件的重量以减少动荷载的研究。

在动力组件之中，由于车辆的发动机气门弹簧直接控制动荷载，发动机气门弹簧是当车辆重量降低时有助于燃料效率的部件。通常，气门弹簧主要由拉伸强度为1900MPa的硅化铬(CrSi)钢或者拉伸强度为2100MPa的硅化铬钒(CrSiV)钢制备。近来，已经尝试通过向CrSiV钢中加入合金元素，以使用于发动机气门弹簧的钢的拉伸强度增加至2550MPa的水平。

技术实现要素：

本发明提供了一种钢组合物，特别是一种用于超高强度弹簧钢的钢组合物。因此，通过优化钼(Mo)、镍(Ni)、钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)、钴(Co)、锆(Zr)和钇(Y)的含量，可以大大改进拉伸强度，且通过调节其中形成的夹杂物可以改进疲劳强度。

在一方面，本发明提供一种钢组合物。该钢组合物可以用在适用于车辆发动机中的气门弹簧钢的超高强度弹簧钢中。钢组合物可以包括：含量为大约0.5-0.7wt％的碳(C)；含量为大约1.3-2.3wt％的硅(Si)；含量为大约0.6-1.2wt％的锰(Mn)；含量为大约0.6-1.2wt％的铬(Cr)；含量为大约0.1-0.5wt％的钼(Mo)；含量为大约0.05-0.8wt％的镍(Ni)；含量为大约0.05-0.5wt％的钒(V)；含量为大约0.05-0.5wt％的铌(Nb)；含量为大约0.05-0.3wt％的钛(Ti)；含量为大约0.01-3wt％的钴(Co)；含量为大约0.001-0.2wt％的锆(Zr)；含量为大约0.01-1.5wt％的钇(Y)；含量为大约0.3wt％或更低但高于0wt％的铜(Cu)；含量为大约0.3wt％或更低但高于0wt％的铝(Al)；含量为大约0.03wt％或更低但高于0wt％的氮(N)；含量为大约0.003wt％或更低但高于0wt％的氧(O)；以及组成钢组合物的余量的铁(Fe)。本文呈现的所有wt％均基于钢组合物的总重而言。

优选地，弹簧钢可具有大约3000MPa或更高的拉伸强度。优选地，弹簧钢可具有大约1200MPa或更高的疲劳强度。优选地，弹簧钢可具有大约2500MPa或更高的屈服强度。优选地，弹簧钢可具有大约750HV或更高的硬度。优选地，弹簧钢可以包括尺寸为大约15μm或更低的夹杂物。

具体而言，大约10％或更少份数的夹杂物具有大约10-15μm的尺寸，大约90％或更高份数的夹杂物具有大约10μm的尺寸。

如本文所用的术语“夹杂物”是指以嵌入在其他物质(例如基体)形成的合金颗粒或者独特的合金物质。优选地，夹杂物可以形成为在夹杂物本体与基体之间具有独特的边界，从而对基体提供另外的性质。例如，如本文所述的钢组合物的组分可以形成夹杂物，例如包括过渡金属元素的碳化物以及包括过渡金属元素的氮化物，以使那些夹杂物可以形成为具有系列尺寸的独特颗粒。具体地，通过抑制软化、断裂韧性等，夹杂物可以提供合适的物理或化学性质，例如淬透性、强度。

本发明还提供了一种钢组合物，其可以由上述组分组成，或者基本上由上述组分组成。例如，钢组合物可以由以下组分组成，或者基本上由其组成：含量为大约0.5-0.7wt％的碳(C)；含量为大约1.3-2.3wt％的硅(Si)；含量为大约0.6-1.2wt％的锰(Mn)；含量为大约0.6-1.2wt％的铬(Cr)；含量为大约0.1-0.5wt％的钼(Mo)；含量为大约0.05-0.8wt％的镍(Ni)；含量为大约0.05-0.5wt％的钒(V)；含量为大约0.05-0.5wt％的铌(Nb)；含量为大约0.05-0.3wt％的钛(Ti)；含量为大约0.01-3wt％的钴(Co)；含量为大约0.001-0.2wt％的锆(Zr)；含量为大约0.01-1.5wt％的钇(Y)；含量为大约0.3wt％或更低但高于0wt％的铜(Cu)；含量为大约0.3wt％或更低但高于0wt％的铝(Al)；含量为大约0.03wt％或更低但高于0wt％的氮(N)；含量为大约0.003wt％或更低但高于0wt％的氧(O)；以及组成钢组合物的余量的铁(Fe)。本文呈现的所有wt％均基于钢组合物的总重而言。

进一步提供了一种弹簧钢，其可以包括如本文所述的钢组合物。

再进一步提供了一种车辆部件，其可以包括如本文所述的钢组合物。车辆部件可以是车辆发动机中由上述钢组合物或弹簧钢制成的气门弹簧。

本文公开了本发明的其他方面。

附图说明

通过以下详细描述结合附图，将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和优点，其中：

图1是显示实施例和比较例的钢组合物的组分的表；

图2是显示由图1中实施例和比较例的钢组合物制得的钢的物理性质和性能的表；

图3是显示根据本发明的一个示例性实施方式的钢在不同温度下的相转变的图；且

图4是显示根据本发明的一个示例性实施方式的示例性钢组合物在不同温度下相转变为渗碳体的图。

具体实施方式

本文使用的术语仅仅是为了说明具体实施方式，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显而易见，否则本文所用的术语“约”理解为在本领域的正常容许范围内，例如在均值的2个标准差范围内。“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，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、插入式混合电动车、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。

出于说明性的目的，通过参考多个示例性实施方式对本发明的主旨进行了描述。虽然本文对本发明的那些示例性实施方式进行了具体描述，但是本领域普通技术人员将容易地认识到，相同的主旨等同适用于，并且可以应用在其他系统和方法中。在详细解释本发明公开的实施方式之前，应当理解本公开在应用上不局限于所示的任何具体实施方式中的细节。另外，本文所用的术语是出于说明的而不是限制性的目的。此外，虽然某些方法是结合本文中以一定顺序呈现的步骤加以描述，但在许多情况下，这些步骤可以以本领域技术人员可以理解到的任何顺序实施；因此，所述的新方法不限于本文公开的具体步骤排列。

图3是显示根据本发明一个示例性实施方式的组成超高强度弹簧钢的示例性钢组合物在不同温度下的相转变的图，图4是显示根据本发明一个示例性实施方式的组成超高强度弹簧钢的示例性钢组合物在不同温度下相转变为渗碳体的图。

用于适合用作车辆发动机中气门弹簧钢的超高强度弹簧钢的钢组合物可以具有大大改进的性质例如拉伸强度和疲劳强度，因为其主要合金组分的含量得到优化。具体而言，根据本发明的示例性实施方式的钢组合物可以包括：含量为大约0.5-0.7wt％的碳(C)；含量为大约1.3-2.3wt％的硅(Si)；含量为大约0.6-1.2wt％的锰(Mn)；含量为大约0.6-1.2wt％的铬(Cr)；含量为大约0.1-0.5wt％的钼(Mo)；含量为大约0.05-0.8wt％的镍(Ni)；含量为大约0.05-0.5wt％的钒(V)；含量为大约0.05-0.5wt％的铌(Nb)；含量为大约0.05-0.3wt％的钛(Ti)；含量为大约0.01-3wt％的钴(Co)；含量为大约0.001-0.2wt％的锆(Zr)；含量为大约0.01-1.5wt％的钇(Y)；含量为大约0.3wt％或更低但高于0wt％的铜(Cu)；含量为大约0.3wt％或更低但高于0wt％的铝(Al)；含量为大约0.03wt％或更低但高于0wt％的氮(N)；含量为大约0.003wt％或更低但高于0wt％的氧(O)；以及组成钢组合物的余量的铁(Fe)。

以下，将描述在根据本发明的组合物中组分的数值限制的原因。除非另有说明，以下说明书中给出的单位wt％表示基于钢组合物的总重的重量％。

基于钢组合物的总重，可以以大约0.5-0.7wt％的含量包括如本文所用的碳(C)。钢的强度随着碳含量的增加而提高。当碳含量小于大约0.5wt％时，由于当热处理时淬火性质不足，钢的强度提高可能比较轻微。另一方面，当碳含量高于大约0.7wt％时，在淬火时可能引发马氏体相的形成，导致疲劳强度和韧性的降低。在上述范围内，可以提供具有高强度和延展性的钢。

基于钢组合物的总重，可以以大约1.3-2.3wt％的含量包括如本文所用的硅(Si)。当用在具有铁的铁氧体中形成固溶体时，硅可以使强度和抗回火软化性提高。当硅含量低于大约1.3wt％时，钢的抗回火软化性可能降低。另一方面，当硅含量高于大约2.3wt％时，在热处理时可能发生脱碳。

基于钢组合物的总重，可以以大约0.6-1.2wt％的含量包括如本文所用的锰(Mn)。当在基体中形成固溶体时，锰可起到改善弯曲疲劳强度和淬火性质的作用。当所包含的锰的含量小于大约0.6wt％时，锰可能无法保证淬火性质。当所包含的锰的含量高于大约1.2wt％时，韧性可能劣化。

基于钢组合物的总重，可以以大约0.6-1.2wt％的含量包括如本文所用的铬(Cr)。铬可以具有多种功能，例如，在回火时引发对韧性有用的碳化物沉积物的形成，改善淬透性，以及通过抑制软化使强度增加。此外，钢的韧性可以通过铬含量带来的微观结构细化而得到改善。当铬含量为大约0.6wt％或更高时，铬可以改善回火软化、脱碳、淬火和耐腐蚀性。当铬含量为大约1.2wt％时，可能过度地形成大量的晶界碳化物，从而使强度劣化、脆性增加。

基于钢组合物的总重，可以以大约0.1-0.5wt％的含量包括如本文所用的钼(Mo)。类似于铬，钼可以形成微观结构碳化物沉积，从而改善强度和断裂韧性。具体而言，均匀形成尺寸为大约1-5nm的TiMoC可以改善耐回火性并保证耐热性和高强度。当钼以小于大约0.1wt％的量使用时，钼可能无法形成碳化物，从而无法获得足够的强度。另一方面，当钼含量大于大约0.5wt％时，由于碳化物沉积和强度改善效应已经得到饱和，成本可能增加。

基于钢组合物的总重，可以以大约0.05-0.8wt％的含量包括如本文所用的镍(Ni)。镍可以提供钢的耐腐蚀性并改善耐热性、低温脆性(cold shortness)、淬透性、尺寸稳定性和可定型性(settability)。当镍含量小于大约0.05wt％时，钢可能具有劣化的耐腐蚀性和高温稳定性。另一方面，当镍含量大于大约0.8wt％时，钢可能遭受红热脆性(red shortness)。

基于钢组合物的总重，可以以大约0.05-0.5wt％的含量包括如本文所用的钒(V)。钒可以改善微观结构的细化、耐回火性、尺寸稳定性和可定型性，并改善耐热性和高强度。此外，钒可以形成微观结构沉积物碳化钒(VC)，以提高断裂韧性。具体而言，微观结构沉积物VC可以限制晶界的迁移。在奥氏体化时V可以溶解，形成固溶体，并且在回火时可以沉积，产生二次硬化。当钒含量小于大约0.05wt％时，可能无法防止断裂韧性的下降。当钒含量大于大约0.5wt％时，钢可能包含粗糙的沉积物，且淬火后的强度可能降低。

基于钢组合物的总重，可以以大约0.05-0.5wt％的含量包括如本文所用的铌(Nb)。铌可以引发微观结构细化，通过氮化作用使钢表面硬化，改善尺寸稳定性。碳化铌(NbC)的形成可以提高钢强度，控制其它碳化物(例如，CrC、VC、TiC、MoC)的形成速率。当铌含量小于大约0.05wt％时，钢的强度可能降低，可能具有不均匀的碳化物分布。当铌含量大于大约0.5wt％时，其他碳化物的形成可能受到限制。

基于钢组合物的总重，可以以大约0.05-0.3wt％的含量包括如本文所用的钛(Ti)。与Nb和Al类似，钛可以防止或限制晶粒的再结晶和生长。此外，钛可以形成纳米碳化物，例如TiC、TiMoC等，并与氮反应形成氮化钛(TiN)，其限制晶粒生长。此外，钛可以形成TiB₂，其干扰B和N之间的结合，从而使BN引发的淬火性质退化最小化。当钛含量小于大约0.05wt％时，可以形成其他夹杂物例如Al₂O₃，因此降低疲劳耐久性。当钛含量大于大约0.3wt％时，钛可能干扰其他合金元素的作用，因此成本可能增加。

基于钢组合物的总重，可以以大约0.001-0.2wt％的含量包括如本文所用的锆(Zr)。加入锆可以形成沉积物，除去N、O和S，延长钢的寿命，降低非金属夹杂物的尺寸。当Zr含量小于大约0.001wt％时，非金属夹杂物的尺寸可能增加而不形成碳化物。当Zr含量大于大约0.2wt％时，ZrO₂可能过量形成，由于强度改善效应已经得到饱和，成本可能增加。

基于钢组合物的总重，可以以大约0.01-1.5wt％的含量包括如本文所用的钇(Y)。钇可以提高高温稳定性，改善耐热性和韧性。当合金暴露于高温下时，钇可以形成氧化物，可预防合金表面上的氧化和腐蚀，以改善耐燃性和耐化学性。当钇含量小于大约0.001wt％时，高温稳定性可能会劣化。另一方面，当钇含量大于大约1.5wt％时，生产成本可能大大增加，可焊性可能降低，在钢的制造期间可能出现不均匀性。

基于钢组合物的总重量，可以以大约0.3wt％或更低但高于0wt％的含量包括如本文所用的铜(Cu)。铜可以提高淬火性质和回火后的强度，改善钢的耐腐蚀性。由于过量的铜可能使生产成本增加，可以将铜含量有利地限制在0.3％或更低。

基于钢组合物的总重量，可以以大约0.3wt％或更低但高于0wt％的含量包括如本文所用的铝(Al)。铝可以与氮形成氮化铝(AlN)，以引发奥氏体的细化并改善强度和冲击韧性。具体而言，铝连同Nb、Ti和Mo一起加入可以减少昂贵的元素的量，例如，用于微观结构细化的钒和用于改善韧性的镍。然而，由于过量的铝使钢变软，可以将铝的含量限制在大约0.3wt％或更低。

基于钢组合物的总重量，可以以大约0.03wt％或更低但高于0wt％的含量包括如本文所用的氮(N)。氮可以与Al和Ti形成AlN和TiN，从而提供微观结构的细化。具体而言，TiN可以改善硼的淬火性能。然而，由于过量的氮可与硼反应从而降低淬火性能，可以将氮的含量有利地限制在0.03wt％或更低。

基于钢组合物的总重量，可以以大约0.003wt％或更低但高于0wt％的含量包括如本文所用的氧(O)。氧可以与Si或Al结合以形成非金属的氧化物类夹杂物，从而引发疲劳寿命性质的降低。因此，钢组合物中需要最小量的氧。优选地，氧的含量可以至多为0.003wt％。

除了前述组分，超高强度弹簧钢可以包括组成钢组合物的余量的铁(Fe)以及不可避免的杂质，以形成100％。

实施例

以下，将参考实施例和比较例提供详细说明。

制备

在用于商业可得的弹簧钢的条件下制备实施例和比较例的弹簧钢。将来自熔融钢的盘条通过等温处理、拔丝、淬火-回火和焊接淬火的连续过程制备成钢丝，其中盘条中使用如图1所示的不同含量的组分。简言之，将盘条在940-960℃的温度下保持3-5分钟，冷却至640-660℃的温度并在该温度下保持2-4分钟，接着冷却至18-22℃的温度0.5-1.5分钟。采用这样的等温处理以促进随后的拔丝过程。通过热处理，在盘条中形成珠光体。

在等温处理之后，使盘条经过多步拔丝以具有目标丝直径。例如，将盘条拉伸为具有3.3mm的直径。

将拉伸的盘条加热至940-960℃的温度并保持3-5分钟，淬火至45-55℃的温度，接着回火0.5-1.5分钟。此后，将盘条再次加热至440-460℃的温度并保持2-4分钟，然后进行焊接淬火。通过淬火和回火形成马氏体为盘条提供了强度，同时通过焊接淬火形成回火马氏体提供了强度和韧性。

测试例

在测试例中，考察了实施例和比较例的弹簧钢的物理性质。

对实施例和比较例的弹簧钢测试了屈服强度、硬度、疲劳强度、模压性能、疲劳寿命、夹杂物控制以及碳分数和碳活性的改善，结果示于图2中。

就此而言，根据KS B 0802(韩国工业标准)用20-吨测试仪对直径3.3mm的样品测量屈服强度和拉伸强度，根据KS B 0811(韩国工业标准)在300gf下用micro Vickers硬度试验机测量硬度。根据KS B ISO 1143(韩国工业标准)通过旋转弯曲疲劳试验对样品测量疲劳强度和疲劳寿命。当制造并模制出直径/钢丝直径为6.5且匝数为8的10,000个气门弹簧且没有断裂发生时，模压性能被认为是正常的。

对于夹杂物控制，将各样品平行卷绕，沿着中线切割。用Max.t-法测量在60mm²切割表面的区域中存在的B-型和C-型夹杂物的最大尺寸。测量在显微镜下以400-500倍的放大率进行。当钢具有10％或更低份数的尺寸为10-15μm的夹杂物以及90％或更高份数的尺寸为10μm或更小的夹杂物、且不具有大于15μm的尺寸的夹杂物时，确定为正常状态。B-型夹杂物是在加工方向上不连续地排成一组的多个颗粒状夹杂物，其可以为例如氧化铝(Al₂O₃)夹杂物。C-型夹杂物是通过不规则分散形成而没有粘滞变形的夹杂物，其可以为例如二氧化硅(SiO₂)夹杂物。

使用基于热力学DB的ThermoCalc软件计算碳分数和碳活性的改善。具体而言，使用SEM-EDX通过对元素分布作图来测量碳分数。

结果

如从图2的数据中所了解的，缺少Mo、Ni、V、Nb、Ti、Co、Zr和Y的常规钢虽然在夹杂物控制方面得以通过，但不满足本公开对于屈服强度、拉伸强度、硬度、疲劳强度、模压性能和疲劳寿命的任何要求。

比较例1-16的钢与根据本发明示例性实施方式的实施例的组分含量不同，无法满足本发明的任何要求，虽然它们与常规钢相比在屈服强度、拉伸强度、硬度、疲劳强度、模压性能和疲劳寿命中得到了部分的改善。

特别地，与常规钢相比，包含较少量Mo的比较例1的钢未能获得足够的屈服强度，没有得到硬度的改善，而且在疲劳强度和疲劳寿命方面有降低。

比较例6包含比本发明的示例性实施方式更多量的钒，比较例11包含比本发明的示例性实施方式更少量的硼，比较例16包含比本发明的示例性实施方式更多量的钇。这些钢在夹杂物控制中是失败的，因为它们的夹杂物粗糙或者受到钢制造过程中不均匀熔融钢的不利影响。

在比较例9中，Ti含量比本发明的示例性实施方式少。由于促进了其他夹杂物例如Al₂O₃的形成，钢具有劣化的疲劳耐久性，因此与常规钢相比，疲劳强度和疲劳寿命降低。

比较例11包含与本发明的示例性实施方式相比更少量的钴，比较例16包含与本发明的示例性实施方式相比更高量的钇。这些钢之在模压性能和夹杂物控制中均是失败的，因为它们具有劣化的可加工性和高温稳定性，或者它们的夹杂物受到钢制造过程中的不均匀熔融钢的不利影响。

相反地，实施例1-3的钢包含根据本发明示例性实施方式的含量的组分，并且它们均显示出2500MPa或更高的屈服强度、3000MPa或更高的拉伸强度以及750HV或更高的硬度。此外，它们均测定有1200MPa或更高的疲劳强度，通过了模压性能和夹杂物控制的测试。在根据本公开的钢中测得超过500,000个循环的疲劳寿命，与常规钢相比，它们在碳分数中得到7％或更高的改善，碳活性改善3％。

图3是显示根据本发明一个示例性实施方式的用于超高强度弹簧钢的示例性钢组合物在不同温度下的相转变的图，图4是显示根据本发明一个示例性实施方式的用于超高强度弹簧钢的示例性钢组合物在不同温度下相转变为渗碳体的图。

在图3中，显示了具有Fe-2.2Si-0.7Mn-0.9Cr-0.66C-0.3Ni-0.3Mo-0.3V-0.15Ti-0.1Co-0.1Zr-0.1Y的合金组成的示例性钢在温度范围下的相转变。如图3所示，钢具有多种微夹杂物例如CrC和VC，以及在固化期间形成的富Ti或富Zr的碳化物，因此期待其在强度和疲劳寿命中有改善。

在图4中，显示了具有Fe-2.2Si-0.7Mn-0.9Cr-0.66C-0.3Ni-0.3Mo-0.3V-0.15Ti-0.1Co-0.1Zr-0.1Y的合金组成的示例性钢在温度范围下相转变为渗碳体。从图4的数据可以理解，渗碳体中的八个元素发生了复杂的行为，因此预期到了微碳化物的不均匀分布。

如本文所述，可以提供可由根据本发明的钢组合物获得的超高强度弹簧钢，其通过使主要合金组分的含量优化而具有3000MPa的拉伸强度，通过夹杂物细化而具有1200MPa的疲劳强度。虽然出于说明性的目的已经公开了本发明的多个示例性实施方式，本领域技术人员将会理解，在不偏离如所附权利要求公开的发明的范围和精神之下，多种变形、添加和替代是可能的。