一种大规格、超细晶、高强韧性弹簧钢及其生产方法与流程

本发明属于一种弹簧钢冶金的技术领域，具体涉及一种大规格、超细晶、高强韧性弹簧钢及其生产方法。

背景技术：

弹簧在服役过程中主要承受周期性的弯曲、扭转、拉压、冲挤等多种应力作用，受力状况也非常复杂。此外，弹簧的工作环境比较恶劣，在露天、潮湿地区还要经受腐蚀。因此，弹簧钢的性能要求较多，不仅要求淬透性高、脱碳敏感性低，还要求优良的综合力学性能，包括较高的抗疲劳性能、抗弹性减退性能、耐延迟断裂性能等。

近年来，为了节约油耗、降低碳排放，汽车减量化技术发展迅速。为了保证汽车安全、舒适运行，设计者对弹簧材料提出了更高的性能要求。因此，高强度弹簧钢材料的研究越来越得到重视。当前高强度弹簧钢的发展趋势已比较清晰，主要有两个方面，一是在成分设计方面，添加nb、v等微合金化元素。二是在现有钢种成分基本不变的基础上，改进加工方法和热处理工艺。日本在这方面研究开展的较早，1983年，日本神户制钢研究了si、cr、mo、v对性能的影响，同时考虑淬透性、脱碳敏感性要求，在sup7基础上最终开发出srs60高强度弹簧钢，该钢种抗拉强度可达1960mpa，晶粒度为7.0级；二十世纪九十年代初，日本大同特殊钢公司在常用的4340型高强度钢基础上系统的研究了c、si、ni、mo、v等元素对弹簧钢基本性能的影响，开发出一种新型弹簧钢rk360。为了保证韧性，碳含量控制在0.4%左右并添加了ni和mo。此外，加v细化晶粒改善抗弹性减退。该钢种抗拉强度可达2000mpa。2002年，公开报道显示，日本工作者在nds250高强度弹簧钢基础上开发出nds120钢，该钢种添加了nb、b、ni元素，添加nb为了实现细晶强化，晶粒度达到8.0级；添加b为了改善晶界强度，提高延迟断裂强度；添加ni为了防止腐蚀，提高腐蚀疲劳强度。新开发的钢种淬火后在570℃左右回火时，硬度达到55hrc，抗拉强度为1950mpa，应用该钢种制造弹簧比传统的sup7钢减重20%。在中国，受高速铁路技术发展的驱动，在2004年先后开发了d701、tta、40t、44t等一系列高强度弹簧钢，这些弹簧钢的成分设计均采用了降c增v的合金化思路，其抗拉强度均可达到1950mpa，晶粒度为7.0级。然而，由于弹簧是连接列车车体和转向架的关键部件，直接影响车辆的运行安全和舒适性，因此，这些新钢种的开发均未得到推广应用。

上述研究证实，采用铌微合金化结合控制轧制技术可有效提高钢的强度及韧性，然而，研究结果均应用在小规格线材产品方面，对大规格弹簧钢研究的公开报道还很少，导致工业应用也比较缺乏。

技术实现要素：

本发明的目的在于：

本发明通过微合金化技术及控制轧制与控制冷却技术提出了一种大规格、超细晶、高强韧性弹簧钢及其生产方法，主要适用于直径不小于φ40mm圆棒及厚度不小于25mm扁钢等高强韧性弹簧钢产品的生产加工。通过对比，产品相关技术指标均达到国外先进水平。

以科学合理的化学成分设计为基础，结合控制轧制与控制冷却技术得到一种大规格、超细晶、高强韧性弹簧钢及其生产方法，主要适用于直径不小于φ80mm圆棒及厚度不小于25mm扁钢等高强韧性弹簧钢产品的生产加工。产品主要技术指标为：

1.奥氏体晶粒度不粗于8.0级；

2.冲击吸收能量ku2不小于20j；

3.抗拉强度不小于1800mpa。

本发明所采取的技术方案是：

化学成分设计方案

一种大规格、超细晶、高强韧性弹簧钢产品主要化学成分（按照重量百分比%）为：c：0.47-0.52、si：0.15-0.35、mn：0.95-1.15、p：≤0.020、s：≤0.020、cu：≤0.20、cr：0.90-1.10、mo：≤0.30、al：≤0.050、v：0.10-0.25、nb：≤0.040、ti：≤0.035、n：≤0.015，其余为fe。

主要设计思路如下：

碳是弹簧钢中的主要化学元素之一，对弹簧钢强度性能的贡献最大。碳元素在钢中主要发挥固溶强化、沉淀强化作用，当溶解于铁素体或奥氏体是发挥固溶强化作用；形成碳化物析出时发挥析出强化作用。碳元素不仅对弹簧钢的强度、塑性及硬度有显著影响，还对疲劳性能、脱碳敏感性等有重要影响。过高的碳含量会显著降低钢的韧性、增加脱碳敏感性，因此，碳含量设计为0.47-0.52%。

硅元素主要以原子形式溶解在钢中，起固溶强化作用，但硅元素会增加钢的脱碳倾向，因此，硅含量设计为0.15-0.35%。

锰是强烈提高弹簧钢淬透性元素，mn原子溶解在钢中发挥固溶强化作用。研究者分析认为，锰元素主要是通过强化基体方式改善了钢的抗弹性减退性能。然而，钢中的锰元素不能超过1.50%，否则会导致钢的韧性急剧下降。另外，锰元素与硫、氧元素的结合力较强，不仅可以脱氧，还可以形成mns化合物，降低s与fe结合形成fes的几率，从而减轻或消除s元素的热脆影响。因此，锰含量设计为0.95-1.15%。

铬元素对弹簧钢淬透性影响显著，且是碳化物形成元素，铬还可有效降低弹簧钢脱碳层深度，提高弹簧钢抗脱碳能力，因此，铬含量设计为0.90-1.10%。

钼可以提高钢的淬透性，防止回火脆性，改善弹簧钢的抗疲劳性能。研究表明，在一种弹簧钢（0.56~0.67%c-1.40%si-0.70%mn）中添加mo元素，可以显著增强钢的抗软化能力，因此，本发明添加微量钼元素。

钒、铌元素与碳、氮元素结合力较强，在凝固或热加工过程中形成的mc型碳化物、氮化物及碳氮化物，不仅可以阻止加热过程中奥氏体晶粒粗化，还可以析出强化方式提高钢的强度。研究表明，nb元素主要在奥氏体区域析出，从而对奥氏体再结晶有明显影响，析出强化作用较弱；而v元素主要在铁素体析出，主要起析出强化作用，细化晶粒作用较弱。同时，研究表明，nb-v复合添加效果要比单独添加的效果要好，可以同时发挥两者优点。文献报道，nb、v对提高弹簧钢抗弹性减退性能有利。钒元素可有效降低35simnb钢的脱碳敏感性，主要原因为v、c元素结合后，钢中固溶碳含量被降低，碳原子扩散被抑制。因此，钒含量设计为0.10-0.25%，并添加微量铌元素。

对于磷、硫等残余元素，本发明均进行了严格限制。

生产技术方案

生产一种大规格、超细晶、高强韧性弹簧钢的方法，包括以下步骤：转炉冶炼→钢包精炼→真空脱气处理→大截面圆坯连铸→可逆式轧制→全连续轧制→控制冷却。

上述工艺技术路线中的各工序关键控制点为：

本发明更进一步的技术方案是，转炉冶炼：转炉配料为铁水、优质废钢，其中铁水占比90%以上；转炉冶炼方式为顶底复合吹炼、恒压变枪、双渣操作，冶炼终点要求钢液温度不小于1650℃、钢液中碳含量不低于0.15%、磷含量不高于0.01%。出钢时加入适量渣料及合金。

本发明更进一步的技术方案是，钢包精炼：钢包精炼工序及时通电升温，全程低吹氩气，保证成分、温度均匀。采用铝粒、电石进行渣面脱氧，降低钢中氧含量，并加入石灰等及时调渣，保证精炼渣具有良好流动性及吸附非金属夹杂物能力。钢包精炼终点保证各化学成分符合设计范围，温度适中。

本发明更进一步的技术方案是，真空脱气处理：采用rh设备进行真空脱气处理，处理过程中确保最低真空度不大于67pa，保持时间不低于20分钟，以进一步降低钢中氧含量及保证钢中h含量不大于1.5ppm。处理结束后钢包底部通氩气进行镇静，并添加硅钙芯线进行夹杂物改质处理，镇静不低于20分钟，以进一步促进非金属夹杂物上浮，提高钢液纯净度。

本发明更进一步的技术方案是，大截面圆坯连铸：采用带有组合式电磁搅拌的连铸机生产φ500mm圆坯，弱冷慢拉，增加圆坯截面等轴晶率及内部质量。全程保护浇铸，避免产生二次氧化。红坯及时入保温坑进行缓慢冷却，在坑时间不少于48小时，消除冷却应力，保证圆坯质量。

本发明更进一步的技术方案是，可逆式轧制：采用可逆式轧机进行一次热加工，通过加工得到合适外形的中间坯料，以便进行二次加工。加工前的圆坯温度控制1250-1280℃，并不低于7小时，以保证钢中的碳氮化物得到充分溶解。热加工时控制较慢的应变速率，即降低可逆式轧机的轧制速率，使得轧机对坯料作用的时间延长、轧机对皮料的长时间持续作用，提高了碳氮化物纳米级粒子析出几率，充分发挥其抑制再结晶奥氏体晶粒粗化作用，从而保证得到细化晶粒组织。另外，通过高温加热还可进一步促进合金元素扩散，保证较高的成分均匀性。

本发明更进一步的技术方案是，全连续轧制：采用可逆式轧制得到的坯料进行二次加工，目的为得到合适尺寸的圆钢或扁钢产品。加工前的中间坯料的温度控制1000-1050℃，避免产生奥氏体晶粒粗化长大。

本发明更进一步的技术方案是，控制冷却：全连续轧制终点，采用水冷对终轧温度进行控制，保证终轧温度850-900℃，以抑制再结晶奥氏体晶粒粗化，最终得到细晶组织。

本发明的有益效果如下：

第一、通过合理成分设计及结合控制轧制与控制冷却技术，得到一种大规格、超细晶、高强韧性弹簧钢及其生产方法，主要适用于直径不小于φ80mm圆棒及厚度不小于25mm扁钢等高强韧性弹簧钢产品的生产加工。

第二、采用本发明生产的弹簧钢产品奥氏体晶粒度达到8.0级，冲击吸收能量ku2不小于20j，抗拉强度不小于1800mpa，达到国外先进水平。该产品可以用于制造高设计应力、高疲劳寿命的弹簧零件。

第三、本发明成分设计合理，加工方法简单，可以直接用于工业化生产。

附图说明

图1为本发明产品的金相组织（室温下为贝氏体+铁素体）。

图2为本发明产品的奥氏体晶粒（860℃保温1小时）。

图3为本发明产品淬火+回火后的金相组织（870℃油淬+430℃回火显微组织为回火屈氏体）。

图4为本发明产品扁钢所测得的力学性能图。

图5为本发明产品所得圆钢的金相图。

图6为本发明产品所得圆钢在加工过程中处于奥氏体状态时的金相图。

图7为本发明产品所得圆钢经过热处理后的金相图。

图8为本发明产品所得圆钢所测得的力学性能图。

具体实施方式

实施例1

一种大规格、超细晶、高强韧性弹簧钢产品实物情况如下：

品名：弹簧扁钢；

规格：89mm（宽度）*30mm（厚度）；

主要化学成分（按照重量百分比%）为：c：0.52、si：0.21、mn：1.02、p：0.009、s：0.006、cu：0.07、cr：0.92、mo：0.198、al：0.010、v：0.20、nb：0.039、ti：0.005、n：0.0036，其余为fe。

生产一种大规格、超细晶、高强韧性弹簧钢产品的方法，包括以下步骤：铁水脱硫→转炉冶炼→钢包精炼→真空脱气处理→连铸→一次轧制→二次轧制→冷却→检验→判定→包装→称重→入库。

所得扁钢的金相图如图1所示，扁钢在加工过程中处于奥氏体状态时的金相图如图2所示，其中奥氏体的晶粒度为8.5级，超过了细晶粒度的级别；扁钢经过热处理后的金相图如图3所示。扁钢所测得的力学性能如图4所示，抗拉强度远高于1800mpa，抗冲击吸收功ku2j/20℃大于20j。

实施例2

一种大规格、超细晶、高强韧性弹簧钢产品实物情况如下：

品名：弹簧圆钢；

规格：φ90mm；

主要化学成分（按照重量百分比%）为：c：0.51、si：0.26、mn：1.01、p：0.011、s：0.004、cu：0.07、cr：0.95、mo：0.185、al：0.011、v：0.22、nb：0.037、ti：0.0051、n：0.0045，其余为fe。

生产一种大规格、超细晶、高强韧性弹簧钢产品的方法，包括以下步骤：铁水脱硫→转炉冶炼→钢包精炼→真空脱气处理→连铸→一次轧制→二次轧制→冷却→检验→判定→包装→称重→入库。

所得圆钢的金相图如图5所示，圆钢在加工过程中处于奥氏体状态时的金相图如图6所示，其中奥氏体的晶粒度为8.5级，超过了细晶粒度的级别；圆钢经过热处理后的金相图如图7所示。圆钢所测得的力学性能如图8所示，抗拉强度远高于1800mpa，抗冲击吸收功ku2j/20℃大于20j。