[发明专利]悬挂弹簧钢

说明书

本发明涉及一种用于汽车悬挂螺旋弹簧及类似产品的悬挂弹簧钢，特别是一种高碳合金弹簧钢。

随着汽车轻量化，对减轻悬挂弹簧重量的要求不断提高。为了满足这种要求，设计高应力弹簧并在高应力状态下使用可以说是减轻重量的一个有效途径。迄今为止，55SiCr钢(相当于美国的SAE9254、日本的SUP12钢)已经普遍使用于汽车悬挂弹簧上，这些弹簧的设计应力水平为980Mpa(100kgf/mm²)，但是最近几年发展目标要求117Mpa(120kgf/mm²)以上的应力。现有弹簧在这种高应力下会出现疲劳寿命降低和弹性减退两个问题。此外，现有弹簧中高Si含量钢的表面质量不佳，增加了脱碳倾向，降低了弹簧的疲劳使用寿命。

在1992年11月24日申请的、专利号为US5310251、名称为“悬挂弹簧钢的组成”的美国专利中提供一种弹簧钢，其成份为：C0.50～0.64wt％，Si0.80～1.35wt％，Mn0.60～0.90wt％，Cr0.05～0.60wt％，V0.08～0.13wt％，N0.012～0.02wt％，Mo0.005～0.02wt％，Nb0.001～0.005wt％，Ni0.005～0.05wt％，余量为Fe。该专利主要通过加入适量的V、Nb、Ni和足够的N，弹簧钢的抗弹减性和抗疲劳性能有所提高。但该钢的成份复杂、成本较高、淬透性不够，对于大型汽车或其它类似设备使用的粗螺旋弹簧，在热处理时很难将芯部淬硬，芯部组织趋向形成硬度低于马氏体的贝氏体或铁素体+珠光体，因而大大减弱了加入V、Ni或Mo改善抗弹减性的效果。

本发明的目的在于提供一种淬透性、抗弹减性和疲劳寿命良好的低成本的高应力悬挂弹簧钢。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：本发明是一种高碳合金弹簧钢，特点在于通过加入适量的W和稀土元素，来提高本弹簧钢的淬透性，抗弹减性和疲劳寿命。按重量百分比计，其成分配比如下：C0.50～0.7wt％，Si0.80～1.70wt％，Mn0.50～1.00wt％，Cr0.50～0.80wt％，W0.01～0.5wt％，稀土元素0.005～0.25wt％，余量为Fe。其中稀土元素可以是稀土类元素中的任一元素或任几种元素的混合。如稀土元素为La、Y和Ce中的任一种，或者任两种或三种的混合。上述的W，最佳含量应为0.01～0.20wt％，而稀土元素的最佳含量应为0.005～0.10wt％。

下面对本发明弹簧钢成分配比设计作详细的机理说明：

本发明弹簧钢加入稀土元素改善了钢材的抗弹减性、抗疲劳性和淬透性。由于稀土元素加入后细化了原始奥氏体的晶粒尺寸，提高了钢材的综合力学性能；它净化了基体，改善了夹杂物数量和尺寸，从而提高了抗疲劳性能；另外，稀土元素加入后改善了表面质量，抗脱碳性能提高。把稀土元素控制在0.25wt％以下的原因是由于超过这一数值后很可能产生晶粒粗化。

W是一种强烈的高淬透性和提高永久变形抗力的元素，而且还可以防止脱碳，从而改善钢材的淬透性、抗弹减性和抗疲劳性。将W含量控制在0.01～0.5wt％的原因是：如果含量低于0.01wt％，效果不明显；而当含量超过0.5wt％时，将会使钢的韧性变差并易产生粗大的碳化物，从而降低疲劳强度。

C是保证钢丝室温强度所必须的成分，但当减轻汽车重量要求高应力时，应限制碳含量。碳含量低于0.5wt％，钢丝强度不够；高于0.7wt％则韧性变坏。因此宜采用碳含量为0.5～0.7wt％。

Si是一种廉价元素，可改善淬火及回火处理螺旋弹簧的永久变形抗力。低于1wt％含量使其效果下降；当含量超过1.6wt％，淬火及回火钢材的韧性下降，热轧钢材也同样如此。Si提高了碳的活度，促进钢材加热、轧制及热处理过程的脱碳。另外，Si在炼钢过程中易形成非金属夹杂物，降低悬挂弹簧钢性能的可靠性。因此，宜采用Si含量为1.0～1.6wt％。

当钢中加入Cr后，降低钢材的抗弹减性。但是，Cr含量小于0.8wt％时，对弹减性能无影响。另外，Cr明显降低淬火及回火钢材的韧性，但含量低于0.8wt％时无太大影响；另一方面，Cr有利于热轧钢的冲击韧性，保证了拉丝工艺的稳定可靠性。但Cr含量小于0.5wt％，这方面的作用就不明显；与此同时，Cr降低了碳的活度，可以防止加热、轧制和热处理过程中的脱碳行为，因此增加了质量可靠性。当Cr含量小于0.5wt％时，这种效应就不明显。因此宜采用Cr含量为0.5～0.8wt％。