本发明涉及一种金属材料及其制备方法，尤其涉及一种具有高疲劳寿命的弹簧钢及其制造方法。
背景技术：
1、作为重要的减震和功能部件，弹簧被广泛应用于交通运输、机械制造、电子电器、汽车工业和日常生活。当在弹性范围内使用弹簧时，弹簧在负荷卸载后应回复到原来位置。期望弹簧的塑性变形尽可能地小，因此弹簧钢应具有高的屈服强度、抗拉强度和弹性极限。屈强比越高，弹性极限就越接近抗拉强度，因此越能提高强度利用率，弹簧的弹力越强。弹簧依靠弹性变形来吸收冲击能量，因此不要求弹簧钢具有很高的塑性，只要能满足弹簧成型要求即可。此外，还需要弹簧钢具有能承受冲击能量的足够韧性。
2、在弹簧钢用量最大的汽车制造行业中，弹簧主要用作加工底盘减震弹簧、发动机气门弹簧、离合器弹簧、扭杆弹簧、稳定杆等部件。例如，气门弹簧是内燃机配气机构中气门组件的重要组成部分。气门弹簧在气门关闭时确保气门与气门座的闭合密封，并在气门开启时确保气门准确地随凸轮运动。气门弹簧在工作时承受周期性交变载荷，工作环境恶劣、所受应力大。一旦气门弹簧发生断裂，会导致气门不能回位、活塞与进排气门干涉、气门杆顶弯曲、活塞受损等，甚至引起严重后果：轻则发动机无法启动，重则会破坏整个发动机。气门弹簧在高温、交变载荷和高频振动的环境中工作，因此要求钢材具有高强度、高韧性、高屈强比、高抗疲劳性能、良好的抗应力松弛性能和良好的表面质量等。随着发动机升功率不断提高，发动机转速也相应地不断提高，这对气门弹簧在高震动频率下的疲劳寿命提出了更高要求。再例如，离合器弹簧主要用于“回位”：踩下离合器踏板时，两个摩擦片是分开的；放松离合器踏板时，摩擦片依靠弹簧的力回位合拢，由此飞轮旋转的动力通过离合器片传递到变速器一轴。离合器弹簧是汽车的关键动力传递零件，同样对疲劳寿命和可靠性有着极高要求。开发用于发动机气门簧、离合器弹簧等的高疲劳高可靠性弹簧钢一直是国际上各大钢铁企业、整车厂和科研院所的研究重点。
3、为了获得综合性能优异的弹簧钢，现有技术中做出了诸多尝试。
4、cn101787493b公开了一种弹簧钢，其包含以质量％计的如下化学成分：0.56-0.64％c、0.8-1.10％si、0.8-1.20％mn、p≤0.035％、s≤0.03％、0.8-1.20％cr、0.6-1.0％mo、0.2-0.30％v、0.05-0.12％nb、0.01-0.060％n、0.02-0.07％re，余量为fe。该弹簧钢中mn、cr、mo合金元素添加较多，其中mo主要用于提高钢的回火稳定性、耐持久蠕变性、耐热性等。但是，添加过高的合金元素会导致钢的成本升高，同时会影响析出尺寸、进而导致钢的抗疲劳性能降低。此外，过低的si含量将导致钢的弹性极限降低、抗弹减性变差。
5、cn100455691c公开了一种弹簧钢，其包含以质量％计的如下化学成分：0.4-0.6％c、1.7-2.5％si、0.1-0.4％mn、0.5-2.0％cr、0.015％以下p、0.015％以下s、0.006％以下n、0.021-0.07％al，余量为fe和不可避免的杂质。该公开内容采用高碳、高硅、低锰的合金设计，其主要通过控制残余奥氏体量和尺寸形状来增强钢的耐氢脆性。然而，该申请对钢的淬火回火过程要求高；同时钢中的高al含量会增加冶炼过程中夹杂物控制难度，硬脆的氧化铝极易导致弹簧疲劳寿命降低。此外，过高的si含量会导致钢的塑性变差、增大脱碳控制难度和影响弹簧疲劳寿命。
6、cn1279204c公开了一种弹簧钢，其包含以质量％计的如下化学成分：0.30-0.50％c、0.80-2.0％si、0.50-1.0％mn、0.40-1.0％cr、0.01-0.5％w、0.08-0.30％v、0.005-0.25％稀土元素、0.001-0.10％b，余量为fe。该申请主要采用低碳设计，提高元素si含量以提升强度，同时添加较多元素w以提高钢的淬透性、提高变形抗力和防止脱碳。但是，w及稀土元素的冶炼、热处理控制均难度较高。
7、cn1039725c公开了一种弹簧钢，其包含以质量％计的如下化学成分：0.5-0.7％c、1.0-3.5％si、0.3-1.5％mn、0.3-1.0％cr、0.05-0.5％v和/或nb、少于0.02％p、少于0.02％s、0.5-5.0％ni，余量为fe和不可避免的杂质。此种钢中添加了较多元素c和si，其为解决脱碳问题和改善韧性而添加较多元素ni，因此合金成本高。
8、cn114107841a公开了一种弹簧钢，其包含以质量％计的如下化学成分：0.35-0.50％c、2.10-2.30％si、0.60-0.80％mn、p≤0.010％、s≤0.0030％、0.70-0.80％cr、0.30-0.45％ni、0.05-0.08％nb、0.020-0.030％re，余量为fe和不可避免的杂质。该申请通过添加ni、稀土元素来细化晶粒，以提升弹簧钢强度和塑性、改善耐蚀性能。但是，添加过高的ni和稀土元素会导致钢的成本升高，同时还会影响析出尺寸、进而导致钢的抗疲劳性能降低。此外，过高的si含量会导致钢的塑性变差、增大脱碳控制难度和影响弹簧疲劳寿命。
9、由此可知，现有技术主要通过添加ni、nb、v、稀土等元素来提高钢的强度和改善塑韧性。然而，过高合金元素添加会导致弹簧钢的制造成本升高，同时影响析出物的尺寸和数量，导致弹簧钢疲劳性能降低。
技术实现思路
1、因此，本发明的主要目的是提供一种弹簧钢及其制造方法，所述弹簧钢具有优异的抗拉强度、塑韧性和疲劳寿命(特别是高疲劳寿命)，同时生产成本非常低。本发明的弹簧钢适合在高温、高频、高应力的苛刻环境中使用，例如用作汽车发动机气门弹簧、离合器弹簧等部件。
2、在一方面，本技术提供了一种弹簧钢，其除包含90％以上的fe和不可避免的杂质之外，还包含以质量百分比计的如下化学元素：
3、c：0.52-0.58％；
4、si：1.40-1.60％；
5、mn：0.45-0.85％；
6、cr：0.40-0.80％；
7、al：0.001-0.003％；
8、o：0.0015-0.0035％；
9、ca：≤0.0005％；
10、n：≤0.0055％；
11、ti：≤0.0005％；
12、p：≤0.012％；
13、s：≤0.008％。
14、优选地，所述弹簧钢包含以质量百分比计的如下化学元素：
15、c：0.52-0.58％；
16、si：1.40-1.60％；
17、mn：0.45-0.85％；
18、cr：0.40-0.80％；
19、al：0.001-0.003％；
20、o：0.0015-0.0035％；
21、ca：≤0.0005％；
22、n：≤0.0055％；
23、ti：≤0.0005％；
24、p：≤0.012％；
25、s：≤0.008％；
26、余量为fe和不可避免的杂质。
27、优选地，所述弹簧钢不含ni、nb、v、cu、w、b、mo和稀土元素。本发明可在降低生产成本的同时获得性能优异的弹簧钢。
28、通过进行广泛研究，本发明人意外地发现，通过将弹簧钢的组成按如上进行设计，可获得显示出优异综合性能的弹簧钢。具体而言，上述各化学元素的设计原理如下。在本文中，除非另外明确地说明，否则元素含量以质量百分比计。
29、c：元素c是保证弹簧钢的室温强度和淬透性所必需的成分，也是确保弹簧钢达到高弹性极限和良好抗弹减性的元素。当c含量低于0.52％时，无法保证弹簧钢的抗拉强度达到1900mpa以上，同时也不利于碳氮化物析出，导致调质热处理后的钢材弹性极限降低；当c含量高于0.58％时，会导致回火过程中碳化物尺寸过大，钢材塑性恶化，弹簧在高温和长期交变应力服役条件下易产生蠕变和局部萌生微裂纹，导致疲劳寿命降低。基于这些考虑，元素c的含量被控制为0.52-0.58％。
30、si：元素si是一种非碳化物形成元素，主要固溶在铁素体相中起到强化作用。当si含量不低于1.40％时，有利于提高钢的弹性极限、抗弹减性和抗高温蠕变性，因而优化弹簧性能。但是，当si含量高于1.60％时，会导致钢的塑性恶化，不利于弹簧成型，对成品弹簧寿命造成影响；同时还会导致钢的生产及热处理过程中脱碳倾向增加，造成加工成本增加。基于这些考虑，元素si的含量被控制为1.40-1.60％。
31、mn：元素mn可有效提高淬透性和强度，并且对钢的塑性影响不大。当mn含量低于0.45％时，不能获得足够的强度和淬透性；当mn含量高于0.85％时，会导致偏析严重，同时会造成晶粒长大。基于这些考虑，元素mn的含量被控制为0.45-0.85％。
32、cr：元素cr可以提高弹簧钢的淬透性，促进在回火过程中析出渗碳体，提高钢材抗拉强度，以及细化组织。当cr含量低于0.40％时，不能充分发挥cr的固溶强化和析出强化作用；当cr含量高于0.80％时，会导致碳化物尺寸长大，钢材脆性增加。基于这些考虑，元素cr的含量被控制为0.40-0.80％。
33、al：元素al极易与元素o结合形成脆性夹杂物，会对弹簧疲劳寿命产生严重影响。特别是，al含量高的夹杂物的棱角尖锐，极易造成尖端应力集中，导致裂纹萌生和扩展。因此，需控制钢中al含量不高于0.003％。此外，钢材中元素al、o和ca含量会综合影响夹杂物组成，提高钢中al含量将有利于降低夹杂物熔点，同时al易与n结合以降低n元素对钢脆性的影响。因此，需控制al含量不低于0.001％。基于这些考虑，元素al的含量被控制为0.001-0.003％。
34、o：当o含量低于0.0015％时，会导致夹杂物变形能力变差，夹杂物熔点升高而不易于去除；当o含量高于0.0035％时，会导致夹杂物的粗化、数量增多，进而导致裂纹易于扩展。基于这些考虑，元素o的含量被控制为0.0015-0.0035％。
35、ca：元素ca是钢中的杂质元素，含量越低越好。当ca含量高于0.0005％时，会导致夹杂物变形能力变差，夹杂物不易于去除。因此，元素ca的含量被控制为0.0005％以下。
36、n和ti：元素n和ti是钢中的杂质元素，含量越低越好。元素n极易与ti元素结合形成tin析出物。tin析出物尖锐且尺寸大，会影响弹簧的疲劳寿命。此外，n固溶在钢中会导致钢材在高强度下的脆性增大、断裂风险增大，特别是当表面存在微缺陷时。基于这些考虑，元素n的含量被控制为0.0055％以下，元素ti的含量被控制为0.0005％以下。
37、p和s：元素p和s是钢中的有害元素，不利于钢质纯净度。为了保证高强度弹簧钢的韧性、防止生产过程中发生热脆和冷脆而导致微缺陷遗传至弹簧，同时为了防止在高温高应变使用条件下元素p和s在微观界面处偏聚，元素p的含量被控制为0.012％以下，元素s的含量被控制为0.008％以下。
38、优选地，元素al和n满足：al/n≥0.25，式中各化学元素表示相应化学元素的质量百分含量的百分号之前的数值。通过控制al/n为0.25以上，可以进一步防止钢中产生微米级的有害析出物。同时，该比值可以使析出物在850℃以下温度范围内以纳米级尺寸充分析出，将晶粒尺寸细化至18-35μm，以降低n元素对钢材脆性影响，提高弹簧疲劳寿命。
39、优选地，所述弹簧钢的平均晶粒尺寸为18-35μm。在本文中，弹簧钢的平均晶粒尺寸根据gb/t 6394-2017“金属平均晶粒度测定方法”进行测定。
40、优选地，所述弹簧钢中夹杂物的长宽比≥3.5，宽度≤12μm，长度≤60μm。在本文中，夹杂物的“长宽比”(也称为“纵横比”)是指穿过夹杂物中心的最长轴与垂直于最长轴的短轴的比值。纵横比越小表示夹杂物形状越接近球状，纵横比越大表示夹杂物越接近长条状。
41、通过使弹簧钢的平均晶粒尺寸和夹杂物尺寸在上述范围内，可以进一步降低应力集中，以进一步提升成品弹簧钢的疲劳寿命和可靠性。
42、优选地，所述弹簧钢的抗拉强度≥1900mpa，断面收缩率≥45％，疲劳寿命≥2000×104次。在本文中，“断面收缩率”是指在拉伸试验中断面的截面积减少量与原始截面积的百分比。拉伸试验根据gb/t 228.1-2010“金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法”来进行。在本文中，“疲劳寿命”是指弹簧发生断裂时的试验次数。疲劳试验根据gb/t 16947-2009“螺旋弹簧疲劳试验规范”来进行。
43、在另一方面，本技术提供了由上述弹簧钢制造的弹簧。
44、在又一方面，本技术提供了制造上述弹簧钢的方法，所述方法包括如下步骤：
45、1)对钢水进行冶炼、精炼和连铸，制得铸坯；
46、2)对铸坯进行粗轧；
47、3)加热；
48、4)高速线材轧制(即精轧)，制得盘条；
49、5)对盘条进行剥皮和拉拔，制得拉拔钢丝；
50、6)对拉拔钢丝进行淬火和回火，制得弹簧钢。
51、优选地，在步骤1)中，采用电炉或转炉对钢水进行冶炼，精炼采用lf和vd或rh真空脱气工艺，vd或rh真空脱气时间为8-16min。
52、在电炉或转炉出钢时，防止炉渣进入钢包中。在lf精炼过程中，调整合成渣组成和碱度，控制钢中p、s元素含量分别为0.012％以下和0.008％以下、严格控制ti和ca含量，以及调整al含量至0.001-0.003％。在氩气下进行搅拌以使精炼渣与钢水中夹杂物充分反应，实现夹杂物变性和去除。将vd或rh真空脱气时间控制在8-16min，可以确保去除n元素，以使n含量≤0.0055％。同时，控制钢中氧含量为0.0015-0.0035％。
53、优选地，在步骤1)中，精炼结束后，钢包镇静时间大于25min，这有利于大颗粒夹杂物上浮，使得所得钢水中夹杂物尺寸为18-35μm。
54、优选地，在步骤1)中，连铸过程中拉坯速度为0.60-0.75m/min。通过调整连铸过程中拉坯速度、冷却速度及末端轻压下参数，可以控制坯料心部的碳偏析，同时可以采用氩气保护来防止钢水浇铸过程中的二次氧化。
55、优选地，在步骤1)中，铸坯尺寸为320-500mm。
56、优选地，在步骤2)中，在1050-1250℃温度下对铸坯进行粗轧。例如，采用二火成材工艺在1050-1250℃温度下将铸坯粗轧开坯为120-160mm方坯。
57、优选地，在步骤3)中，加热温度为920-1050℃，保温时间为1.0-2.0h。
58、优选地，在步骤4)中，高速线材轧制的开轧温度为915-1000℃，终轧温度为750-830℃。通过使高速线材轧制的开轧温度和终轧温度在上述范围内，可以细化盘条晶粒、使夹杂物发生变形，以使夹杂物长宽比≥3.5，进而降低应力集中。
59、优选地，在步骤5)中，拉拔速度不高于3.0m/min。优选地，对盘条进行全自动剥皮。
60、优选地，在步骤6)中，拉拔钢丝的加热温度为880-980℃，淬火温度为15-40℃，回火温度为420-580℃。淬火介质可以为油或水。
61、在一些实施方式中，除上述步骤之外，弹簧钢的制备方法还可以包括在高速线材轧制和盘条拉拔之间进行斯太尔摩控冷。
62、相比于现有技术，本发明通过采用合理的化学成分设计(例如对元素ti、al、ca、o、n含量进行优化、控制al/n比率)并配合优化制造工艺，使得本发明的弹簧钢具有高强度(抗拉强度≥1900mpa)、良好的塑韧性(断面收缩率≥45％)和高疲劳寿命(疲劳寿命≥2000×104次)。由本技术弹簧钢制成的弹簧适合在高温、高应力、高频率的苛刻环境下使用(例如用作汽车的发动机气门弹簧、离合器弹簧等)，同时具有良好的经济效益。