专利名称：：一种新型高强度耐疲劳无脱碳合金弹簧钢及其钢丝制备方法
技术领域：
：本发明涉及一种合金弹簧钢，具体地为一种高强度耐疲劳无脱碳合金弹簧钢及其钢丝，以及它们的制备方法。所述合金弹簧钢主要用于制造高端汽车用油淬火-回火气门弹簧钢丝或悬架弹簧钢丝等，属于金属制品新材料领域。
背景技术：
：近年来，我国汽车工业飞速发展，2009年汽车产销量均已突破1360万辆大关，超过美国，排名全球第一，每年汽车用油淬火回火合金弹簧钢超过15万吨，所选用的钢号基本是60Si2MnA、55SiCrA、50CrVA、67CrVA等牌号。但是，由于我国用于制造油淬火回火弹簧钢丝的弹簧钢化学成分设计不尽合理及其纯净度较差，有较大的颗粒夹杂物的存在，钢中经常出现大于15iim的B类和D类不变形硬质夹杂，因此弹簧疲劳寿命大大降低，满足不了高端汽车疲劳寿命要求，所以国产高端汽车用油淬火回火弹簧钢丝是基本采用从瑞典、日本进口弹簧钢丝，而国产弹簧钢丝基本用于制造中低档国产汽车弹簧上。
发明内容为了解决上述技术问题，本发明设计了一种新型高强度耐疲劳无脱碳合金弹簧钢，并从冶炼工艺、盘条生产、钢丝制造等方面进行了创新，从而达到高端汽车弹簧用钢丝技术条件，以满足用户要求，代替进口，实现汽车配件国产化要求。本发明的目的是提供一种高强度耐疲劳无脱碳合金弹簧钢，其包括如下质量百分比的化学成分C0.56%0.64%、Si0.80%1.10%、Mn0.80%1.20%、P《0.035%、S《0.03%、Cr0.80%1.20%、MoO.60%1.00%、V0.20%0.30%、Nb0.05%0.12%、N0.01%0.06%、RE0.02%0.07%，余量为Fe，还可能含有少量不可避免的杂质。所述合金弹簧钢的钢号为60SiCrMoVNbNRE。优选地，所述合金弹簧钢包括如下质量百分比的化学成分CO.58%0.62%、Si0.90%1.10%、Mn0.90%1.10%、P《0.020%、S《0.020%、Cr0.90%1.20%、Mo0.80%1.00%、V0.20%0.26%、Nb0.06%0.11%、N0.02%0.05%、RE0.03%0.06%，余量为Fe。其中，[Nb+V]/[N]的质量比为810;[RE]/[S]的质量比为34。本发明的再一个目的是提供所述高强度耐疲劳无脱碳合金弹簧钢的制备方法，其包括如下步骤铁水预处理——转炉——炉外精炼——连铸——火焰清理——探伤——扒皮——加热——连轧控冷小5.520mm盘条——收线。其中，低端汽车弹簧钢的生产工艺流程中不包括探伤和扒皮的步骤。高端汽车弹簧钢的生产工艺流程的具体步骤如下1)采用常规方法进行铁水预处理，以达到脱磷、脱硅、脱硫的目的，然后进入转炉炼钢；2)转炉炼钢采用铁水、废钢和造渣剂，所述造渣剂优选氧化钙或萤石，转炉炼钢的作用主要是除碳及调整钢水温度，当钢水中碳的含量达到1.001.10%、温度达到1550°C157(TC时，转入精炼炉，优选以VAD进行精炼；3)采用铁皮分别包裹各种铁合金粉末，在炉外精炼氧化期加入Mo-Fe合金进行合金化；在炉外精炼还原期，当钢水温度达到1550°C159(TC时，先采用Mn-Si铁合金进行预脱氧，再采用Si-Ca粉进行终脱氧，然后加入铬铁合金、钒铁合金和铌铁合金，在还原期向钢中吹氮气以增加N量，使V、Nb、N达到所述合金弹簧钢的化学成分组成要求，同时控制[Nb+V]/[N]之比为810;最后向钢中加入RE合金进行合金化，RE的加入量视钢中[S]含量而定，控制[RE]/[S]之比为34，使最终钢的[RE]含量达到O.02%0.07%;当钢中各种化学成分达到规定值时，钢水温度达1590°C160(TC出钢入钢包；4)连铸，优选连铸为大方坯，例如300mmX400mm方坯，然后进行火焰清理表面；并进行探伤及扒皮，清除表面缺陷；5)初轧钢坯加热温度为1230127(TC，连轧控冷温度为980102(TC，终轧温度为940960°C;6)盘条生产总延伸系数为IO，道次延伸系数为1.11.15，最后轧成小5.5mm20mm盘条。本发明的另一个目的是提供所述高强度耐疲劳无脱碳合金弹簧钢的钢丝的制备方法，以小5.5mm盘条制备小2.Omm钢丝为例，包括如下步骤小5.5mm盘条放线——机械剥壳——扒皮——收放线——热处理——收放线——拉拔成小2.Omm——收放线——气体保护加热——油淬火——回火——探伤——收线。其中，低端汽车弹簧钢丝的生产中不包括扒皮和探伤的步骤。高端汽车弹簧钢丝生产的具体步骤如下1)小5.5mm盘条放线后进行机械剥壳和扒皮，其工艺过程为盘条放线——矫直——弯曲剥壳——进入扒皮模——切削——倒立式收线；2)所述扒皮是采用扒皮模对所述盘条刮削的方式进行，深度为O.100.15mm，钢丝运动速度为140200m/min，一般为140160m/min，最高可达到200m/min，同时刮下来的钢削采用旋转刀切断回收；扒皮的目的是将盘条近表面有害缺陷如裂纹、划伤、麻点、脱碳层和夹杂物等去掉，使其表面光滑无缺陷，制造出无脱碳和无表面缺陷弹簧钢丝；3)盘条扒皮后一定要经过气体保护铅淬火或退火热处理后才能进行拉拔，因为盘条在扒皮过程中表面有硬化层，容易形成马氏体组织，必须通过热处理的步骤消除，否则不能进行后续的拉拔钢丝等步骤，这是本发明关键技术之一；所述热处理是指退火或铅淬火处理；热处理温度为870930°C，DV值2030(D指钢丝直径，V指运行速度m/min)，热处理炉长为12m;淬火介质为铅，铅温为550640°C;4)热处理后钢丝在小600直进式拉丝机拉拔8道次，总减面率为85.2%，道次减面率为1520%，拉拔成小2.Omm钢丝；5)小2.0mm钢丝放线，通过管式炉加热钢丝至87093(TC，管内有气体保护，以避免钢丝表面脱碳，保护气体为氮气和/或惰性气体，其中惰性气体优选氩气；然后进行油淬火，采用淬火机油，温度为4080°C;6)采用铅液进行钢丝回火，铅温为440460°C，然后进行无损探伤，收线。上述过程中，收放线的速度可采用本领域常用的速度，DV值一般为2030。本发明的另一个目的是提供所述合金弹簧钢在制造高端汽车弹簧钢丝或悬架弹簧钢丝中的应用，优选用于制造高端汽车用油淬火_回火气门弹簧钢丝。本发明高强度耐疲劳无脱碳合金弹簧钢的主要技术指标如下钢丝直径d=0.55.5mm，抗拉强度21502500MPa，工作应力>1050MPa，疲劳寿命>1.0X1()8次。根据下列经验公式(适合中碳合金结构钢)作为理论依据，设计钢种化学成分Rm=44.9+2.63Hv+375CHv=235(C+0.167Si+0.223Mn+0.068Ni+0.25Cr+l.8V+3.16N)-431ogD_3.46GSN+99.4式中Rm-抗拉强度Hv-维氏硬度D-试样直径GSN-奥氏体晶度本发明高强度耐疲劳无脱碳合金弹簧钢的化学成分设计理念如下l)C含量的规定从上述公式可见，随着钢中C含量的增加，钢丝抗拉强度和硬度大幅度提高，C是合金结构钢中提高抗拉强度最有效合金元素。但是，实践经验证明，钢丝强度在提高的同时，钢的塑性、韧性、耐腐蚀等性能会明显降低，而且钢的脱碳倾向将大大增加。因此与67CrVA相比，发明人将C的含量降低0.07%左右，用添加V、Nb、N等合金元素的方式来弥补由于C减少而引起的强度损失，这是一种科学合理的选择，确定C含量为0.56%0.64%。2)Si含量的规定55SiCrA牌号中Si含量比较高，目的是提高钢丝的弹性和耐热性能，其对钢强度影响不大。但是，在Si含量较高时，尤其当Si含量^1.20%时，会促使铁素体晶粒长大，容易造成脱碳。为了解决上述技术问题，本发明加入了Mo等合金元素，完全可以代替Si元素在钢中的有利作用，同时避免造成脱碳，因此将Si含量确定为0.90%1.10%是合理的。3)Mn含量的规定Mn元素对钢的强度贡献虽然不大，但是增加Mn含量可以提高钢的冲击韧性和塑性，尤其是Mn对降低钢的脆性贡献最大。而且Mn合金是我国富有资源，价格也便宜。但是当Mn含量大于1.50X时，促使钢的晶粒长大，对钢性能不利，因此将Mn的含量规定为0.80%1.20%。4)Cr含量的规定Cr元素对钢的强度贡献不大，但是对于提高钢的耐腐蚀性、淬透性等性能，Cr元素是不可缺少的合金元素。考虑到Cr合金价格较高，应该控制使用，将Cr含量规定为0.80%1.20%是必要的。5)Mo含量的规定Mo合金元素在钢中的作用不是以提高钢的强度为主要目的，而是为了提高钢的回火稳定性、耐持久蠕变性、耐热性等性能，但是Mo合金元素价格比较贵，应合理使用，将Mo含量规定在0.60%1.00%是比较合适的。6)V、Nb与N含量的规定从上述公式可见，当钢种加入V、Nb与N合金元素后，对提高钢的强度贡献比较大。原因是在一定的热力学条件下，V、Nb与N形成氮化物，在回火时弥散析出在基体结晶的缺陷处，使钢的晶粒度细化，在提高钢的强度同时，又不会显著降低钢的韧塑性，可使钢的耐持久蠕变性能、疲劳强度大大提高。再者，V+Nb与N要有一个合理配比，经过多次实践证明[V+Nb]/[N]之比要达到810，即用8倍至10倍的V+Nb含量才能保证完全使N元素形成(VN与NbN)化合物，否则N元素容易游离存在钢中，使钢的表面产生气泡表面缺陷，造成钢的质量严重下降，这是本发明解决上述技术问题的核心创新点之一。实践证明微量Nb元素对钢的晶粒细化作用更大，当V与Nb同时加入钢中，比单独加入V元素效果更显著。因此将V含量确定为0.20%0.30^、Nb含量确定为0.05%0.12X、N含量确定为0.01%0.06%是科学且合理的。7)稀土金属RE含量的规定—系列研究和实践证明，稀土金属RE在钢中主要有以下几个功能①在钢中加入RE可使钢的锈层致密，而且与基体的结合力变强，从而提高钢的耐大气腐蚀能力；②稀土金属具有很强的脱氧、脱硫、吸氢的能力，减少了钢中的有害杂质；③稀土金属具有使夹杂物球化变性的作用，但是只有钢中RE含量大于0.02%时作用显著，主要形成RE202S化合物；④RE原子半径小，具有固溶强化和细化晶粒作用等。将RE的含量确定为0.02%0.07%，原因是RE含量小于0.02%时在钢中的作用不明显，当RE含量大于0.07%时，会使钢中稀土夹杂物大大增多，恶化钢的纯净度。本发明主要创新点除了上述科学合理设计钢的化学成分外，在冶轧工艺、钢丝制备方法等方面采取一系列效果显著的技术措施与步骤，包括各种铁合金的加入方法、先后次序、[V与Nb]和[RE]与[S]之间的配比，以及弹簧钢盘条扒皮及其气体保护热处理工艺等。与目前弹簧钢牌号67CrVA比，本发明的合金弹簧钢的抗拉强度提高子400MPa，工作应力提高了270MPa、疲劳寿命提高了几千万次，更主要的是钢丝表面无脱碳、裂纹等缺陷。具体实施例方式以下合金弹簧钢的制备方法是进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制，在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明制备方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属本发明的范围。若未特别指明，实施中所用的技术手段或工艺流程为本领域技术人员所熟知的常规手段。实施例1高强度耐疲劳无脱碳合金弹簧钢的制备方法1、生产流程铁水预处理——转炉——炉外精炼——连铸300X400mm方坯——火焰清理——初轧开坯160mm方坯——探伤——扒皮——加热——连轧控冷小5.5mm盘条——收线——检查——包装。2、制备步骤1)采用常规方法进行铁水预处理，然后进入转炉炼钢；2)转炉炼钢的造渣剂采用氧化钙及萤石，当钢水中碳的含量达到1.00%1.10%、温度达到1550°C1570。C时，转入VAD精炼炉；3)采用铁皮分别包裹各种铁合金粉末，在炉外精炼氧化期加入Mo-Fe合金进行合金化；在炉外精炼还原期，当钢水温度达到1550°C157(TC时，先采用Mn-Si铁合金进行预脱氧，再采用Si-Ca粉进行终脱氧，然后加入铬铁合金、钒铁合金和铌铁合金，在整个还原期向钢中吹氮气以增加N量，控制[Nb+V]/[N]之比为8.75;最后向钢中加入RE合金进行合金化，RE的加入量视钢中[S]含量而定，控制[RE]/[S]之比为34，使最终钢的[RE]含量达到0.04%;当钢中各种化学成分达到规定值时，钢水温度达1590°C160(TC出钢入钢包；4)连铸成300mmX400mm方坯，然后进行火焰清理表面；并进行探伤及扒皮，清除表面缺陷；5)初轧钢坯加热温度为1230°C125(TC，连轧控冷温度为980°CIOO(TC，终轧温度为940°C950°C;6)盘条生产总延伸系数为IO，道次延伸系数为1.l，最后轧成小5.5mm盘条。钢号为67CrVA的弹簧钢与实施例1的合金弹簧钢中各化学成分的含量见表1:[OO75]表1化学成分(质量百分比％)牌号化学成分％CSiMnPSCrVNbNMoREFe67CrVA0.650.250.750.0250.0100.550.20—画---余量60SiCrMoVNbNRE0.601.001.100.0260.011U00.250.100.040.90.04余量钢号为67CrVA的弹簧钢与实施例1合金弹簧钢的力学性能见表2:表2力学性能(直径2.Omm)牌号抗拉强度/MPa工作应力/MPa断面收縮率/%疲劳寿命/次数67CrVA1850830452.3X10760SiCrMoVNbNRE24501100501.0X108实施例2高强度耐疲劳无脱碳合金弹簧钢的制备方法1、生产流程铁水预处理——转炉——炉外精炼——连铸300X400mm方坯——火焰清理-7初轧开坯160mm方坯——探伤——扒皮——加热——连轧控冷小5.5mm盘条——收线——检查——包装。2、制备步骤1)采用常规方法进行铁水预处理，然后进入转炉炼钢；2)转炉炼钢的造渣剂采用萤石及氧化钙，当钢水中碳的含量达到1.001.10%、温度达到157(TC时，转入VAD精炼炉；3)采用铁皮分别包裹各种铁合金粉末，在炉外精炼氧化期加入Mo-Fe合金进行合金化；在炉外精炼还原期，当钢水温度达到159(TC时，先采用Mn-Si铁合金进行预脱氧，再采用Si-Ca粉进行终脱氧，然后加入铬铁合金、钒铁合金和铌铁合金，在整个还原期向钢中吹氮气以增加N量，控制[Nb+V]/[N]之比为9;最后向钢中加入RE合金进行合金化，RE的加入量视钢中[S]含量而定，控制[RE]/[S]之比为34，使最终钢的[RE]含量达到0.02%;当钢中各种化学成分达到规定值时，钢水温度达160(TC出钢入钢包；4)连铸成300mmX400mm方坯，然后进行火焰清理表面；并进行探伤及扒皮，清除表面缺陷；5)钢坯加热温度为127(TC，连轧控冷温度为1000°C102(TC，终轧温度为950°C960°C;6)盘条生产总延伸系数为10，道次延伸系数为1.15，最后轧成小5.5mm盘条。钢号为67CrVA的弹簧钢与实施例2的合金弹簧钢中各化学成分的含量见表3:表3化学成分(质量百分比％)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>钢号为67CrVA的弹簧钢与实施例2合金弹簧钢的力学性能见表4:表4力学性能(直径2.Omm)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>实施例3高强度耐疲劳无脱碳合金弹簧钢丝的制备方法按照与实施例1基本相同的方法制备高强度耐疲劳无脱碳合金弹簧钢，其不同之处仅在于控制[Nb+V]/[N]之比为8.4;根据钢中[S]的含量控制[RE]/[S]之比为3.5，使最终钢的[RE]含量达到0.07%。取所得的合金弹簧钢，按照下述方法制备钢丝1、生产流程小5.5mm盘条放线——机械剥壳——扒皮——收放线——退火——收放线——拉拔成小2.0mm——收放线——气体保护加热——油淬火——回火——探伤——收线——检查——包装。2、制备歩骤1)4)5.5mm盘条放线后进行机械剥壳和扒皮，其工艺过程为盘条放线——矫直——弯曲剥壳——进入扒皮模——切削——倒立式收线；2)采用扒皮模对所述盘条刮削的方式进行扒皮，深度为0.15mm，钢丝运动速度为140m/min，同时刮下来的钢削采用旋转刀切断回收；3)扒皮后的退火温度为920930°C;4)退火后盘条在(J)600直进式拉丝机拉拔8道次，总减面率为85.2%，拉拔成4>2.Omm钢丝；5)小2.0mm钢丝放线，在油淬火前，通过管式炉加热钢丝至92093(TC，管内有气体保护，保护气体为氮气；油淬火时，采用淬火油，温度为80°C;6)采用铅液进行钢丝回火，铅温为445t:，然后进行无损探伤，最后收线，成品检查，包装入库。钢号为67CrVA的弹簧钢丝与实施例3的合金弹簧钢丝中各化学成分的含量见表5:表5化学成分(质量百分比％)牌号化学成分％CSiMnPSCrVNbNMoREFe67CrVA0.720.300.900.0250.020,600.25-—一-余量60SiCrMoVNbNRE0.64UO1.200.0250.021.200.300.120.051.000.07余量钢号为67CrVA的弹簧钢丝与实施例3合金弹簧钢丝的力学性能见表6:表6力学性能(直径2.Omm)牌号抗拉强度/MPa工作应力/MPa断面收縮率/%疲劳寿命/次数67CrVA1900855442.3X10760SiCrMoVNbNRE25001125491.2X108实施例4按照与实施例1基本相同的方法制备高强度耐疲劳无脱碳合金弹簧钢，其不同之处仅在于控制[Nb+V]/[N]之比为10;根据钢中[S]的含量控制[RE]/[S]之比为4，使最终钢的[RE]含量达到0.06%。取所得的合金弹簧钢，按照下述方法制备钢丝1、生产流程9小5.5mm盘条放线——机械剥壳——扒皮——收放线——退火——收放线——拉拔成小2.0mm——收放线——气体保护加热——油淬火——回火——探伤——收线——检查——包装。2、制备步骤1)小5.5mm盘条放线后进行机械剥壳和扒皮，其工艺过程为盘条放线——矫直——弯曲剥壳——进入扒皮模——切削——倒立式收线；2)采用扒皮模对所述盘条刮削的方式进行扒皮，深度为0.lOmm，钢丝运动速度为200m/min，同时刮下来的钢削采用旋转刀切断回收；3)扒皮后的退火温度为870880°C;4)退火后盘条在小600直进式拉丝机拉拔8道次，总减面率为85.7%，拉拔成(j)2.Omm钢丝；5)小2.0mm钢丝放线，在油淬火前，通过管式炉加热钢丝至87088(TC，管内有气体保护，保护气体为氩气；油淬火时，采用淬火油，温度为40°C;6)采用铅液进行钢丝回火，铅温为445t:，然后进行无损探伤，最后收线，成品检查，包装入库。钢号为67CrVA的弹簧钢丝与实施例4的合金弹簧钢丝中各化学成分的含量见表7:表7化学成分(质量百分比％)牌号化学成分％CSiMnPSCrVNbNMoREFe67CWA0.620.150.500.0250.0150.400.15----余量60SiCrMo働NRE0.560.800.800.0250.0150.800.200.050.0250.600.06余量钢号为67CrVA的弹簧钢丝与实施例4合金弹簧钢丝的力学性能见表8:表8力学性能(直径2.Omm)牌号抗拉强度/MPa工作应力/MPa断面收縮率/%疲劳寿命/次数67CrVA1750788482.3X10760SiCrMoVNbNRE23501050551.0X10810权利要求一种高强度耐疲劳无脱碳合金弹簧钢，其特征在于，包括如下质量百分比的化学成分C0.56％～0.64％、Si0.80％～1.10％、Mn0.80％～1.20％、P≤0.035％、S≤0.03％、Cr0.80％～1.20％、Mo0.60％～1.00％、V0.20％～0.30％、Nb0.05％～0.12％、N0.01％～0.06％、RE0.02％～0.07％，余量为Fe；优选地，所述合金弹簧钢包括如下质量百分比的化学成分C0.58％～0.62％、Si0.90％～1.10％、Mn0.90％～1.10％、P≤0.020％、S≤0.020％、Cr0.90％～1.20％、Mo0.80％～1.00％、V0.20％～0.26％、Nb0.06％～0.11％、N0.02％～0.05％、RE0.03％～0.06％，余量为Fe。2.根据权利要求l所述的高强度耐疲劳无脱碳合金弹簧钢，其特征在于，[Nb+V]/[N]的质量比为810。3.根据权利要求l所述的高强度耐疲劳无脱碳合金弹簧钢，其特征在于，[RE]/[S]的质量比为34。4.一种如权利要求1所述的高强度耐疲劳无脱碳合金弹簧钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤铁水预处理——转炉——炉外精炼——连铸——火焰清理——探伤——扒皮——加热——连轧控冷小5.520mm盘条——收线。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述炉外精炼的步骤如下1)采用铁皮分别包裹各种铁合金粉末，在炉外精炼氧化期加入Mo-Fe合金；在炉外精炼还原期，当钢水温度在1550159(TC时，先加入Si-Mn、Si-Ca铁合金进行脱氧，然后加入Cr-Fe、V-Fe和Nb-Fe合金，在所述还原期向钢中吹氮气，控制[Nb+V]/[N]之比为810;2)最后向钢中加入RE合金，控制[RE]/[S]之比为34。6.—种如权利要求1所述的高强度耐疲劳无脱碳合金弹簧钢的钢丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤盘条放线——机械剥壳——扒皮——收放线——热处理一一收放线——拉拔——收放线——气体保护加热——油淬火——回火——探伤——收线。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述扒皮是采用扒皮模对所述盘条刮削的方式进行，深度为0.100.15mm，钢丝运动速度为140200m/min。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述热处理的温度为870930°C。9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述气体保护加热是通过管式炉加热钢丝至87093(TC，其中管内的保护气体为氮气和/或惰性气体。10.权利要求1所述高强度耐疲劳无脱碳合金弹簧钢在制造高端汽车气门弹簧钢丝或悬架弹簧钢丝中的应用。全文摘要本发明涉及一种新型高强度耐疲劳无脱碳合金弹簧钢，其包括如下质量百分比的化学成分C0.56％～0.64％、Si0.80％～1.10％、Mn0.80％～1.20％、P≤0.035％、S≤0.03％、Cr0.80％～1.20％、Mo0.60％～1.00％、V0.20％～0.30％、Nb0.05％～0.12％、N0.01％～0.06％、RE0.02％～0.07％，余量为Fe。本发明还涉及所述合金弹簧钢及其钢丝的制备方法。本发明的合金弹簧钢表面无脱碳、裂纹等缺陷，其抗拉强度和疲劳寿命等性能与现有技术相比均有显著提高。文档编号C22C38/26GK101787493SQ20101010257公开日2010年7月28日申请日期2010年1月25日优先权日2010年1月25日发明者邢献强,陶善龙申请人:广州市奥赛钢线科技有限公司