[发明专利]高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢及其成形和热处理工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢及其成形和热处理工艺，用于制造材料直径Φ10mm～Φ60mm的螺旋弹簧、汽车稳定杆、扭力杆等弹性零件。

背景技术

通常用传统弹簧钢制造弹簧类产品的工艺过程主要分为两类:一类是采用硬态即经过热处理后达到高强度和高弹性极限的材料，通常在加工成形后只要进行低温去应力处理即可满足使用要求，目前多用于较小规格材料制造的弹簧，另一类是规格尺寸大的弹簧多采用未进行热处理强化的软态材料，通常有热成形和冷成形两种方式加工成弹簧，然后再进行弹簧的淬火与回火热处理，其中热成形的弹簧有的利用余热直接淬火再回火处理。

采用传统材料的弹簧的热处理存在以下问题：

大型螺旋弹簧、汽车横向稳定杆及扭杆弹簧的淬火多数采用液体介质作为冷却剂，一般需要配备有自动上下料的连续淬火冷却设备，其中包括淬火介质（通常用淬火油或水剂合成淬火剂）的成分及温度控制的装置，设备的投资及维护费用以及淬火剂的消耗等使弹簧淬火工序的成本很高。

弹簧在液体介质中的淬火是快速冷却，都会有淬火变形，而且有发生开裂的危险，这种变形与开裂的控制与事后进行校正或裂纹检测来补救都是比较困难的，也会增加成本。

弹簧的油中淬火有油烟产生，淬火后弹簧还需要清洗，而清洗不净残留在弹簧表面的油在弹簧进行回火时又会燃烧而产生油烟，这些都会污染工厂周围的大气而造成环境问题。

现用大部分合金弹簧钢含碳量在0.5%―0.65%的范围，淬火后的回火温度都要在400℃以上，热处理工序的能源消耗大。

近年来为了节约能源、简化工序，汽车及机械类性能要求较高的零部件相继开发出非调质钢、空冷贝氏体钢等新材料，但在弹簧类产品中的应用较少。如公开号为CN 102899589A《一种高强度非调质贝氏体钢及制备方法》是在曲轴锻造后快速空冷获得部分贝氏体组织代替调质钢制曲轴的方法，虽然钢中加了Mo、V、Cr等多种贵重元素，但因最终得到的组织强韧性不足，其性能（抗拉强度Rm≥1085MPa、屈服强度RP0.2≥795MPa）只能满足轴类调质件而不能满足弹簧零件对性能的要求。而多数高强韧性的空冷贝氏体钢有的是力学性能还达不到弹簧产品的要求，有的则含有多种较高含量的贵重或稀有合金元素（如Mo、Ni、V，等），使材料成本很高而难以实际应用。如发明专利CN 86 103008是一种以Mn、B为主要元素的空冷贝氏体钢，认为可以代替60Si2MnA制造弹簧，其抗拉强度≥1300MPa；这样的强度性能尚不能完全满足现在的弹簧产品的要求。公开号为CN 1078269A的专利《高强韧性高淬透性空冷贝氏体钢》，强调高淬透性，要求大尺寸的零件在空气中自然冷却,即在900℃—300℃之间的冷速≥1℃/min即可，但为了保淬透性而不得不加大Mn、Si等合金元素的量，还要加入Mo、V等贵重元素，材料成本较高。且因零件空冷所需的时间很长，对于要求短周期大批量生产的汽车用弹簧就无法得到实际应用。

发明内容

本发明的目的是针对以上背景技术介绍的技术问题，基于弹簧类产品零件截面不太大且均匀一致的特点，从要求获得贝氏体类组织看，有可能通过成分设计的优化在弹簧钢材成本增加不多的情况下，使弹簧在高温加热后直接用空气加速冷却（风冷或空冷），获得以贝氏体、马氏体为主的淬火组织再进行低温回火得到优异的力学性能，提供一种高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢及其成形和热处理工艺。

为达到上述目的，本发明的高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢，其特征是该弹簧钢包含以下重量百分比的化学成分：

C：0.15%～0.50%，

Si：0.30%～2.00%，

Mn：0.60%～2.50%，

S：≤0.020%，

P：≤0.025%，

B：0.0005%～0.0035%，

余量为铁。

作为本发明高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢的优选技术手段，该弹簧钢还包含以下重量百分比的化学成分中的至少一种：

Mo：0.10%～0.50%，

Cr：0.20%～1.00%；或/和

包含以下重量百分比的化学成分中的至少一种：

V：0.03%～0.12%，

Nb：0.02%～0.1%,

Ti：0.005%～0.5%。

作为本发明高强韧性低中碳微合金风冷硬化弹簧钢的优选技术手段，该弹簧钢轧制成的钢材中H含量为≤0.8ppm，O含量为≤15ppm，N含量为50ppm～130ppm。