一种具有高性能的弹簧扁钢及生产方法与流程

本发明涉及冶金材料，尤其涉及一种具有高强度、高韧性、耐腐蚀以及高抗氧化性的弹簧扁钢及生产方法。

背景技术：

1、随着环境保护和节能减排要求的日益提高，汽车轻量化成为汽车发展的必然趋势。钢板弹簧，又称板簧，是汽车悬架系统中的重要组成部分，其主要作用是连接车桥与车架、减轻车辆在行驶过程中受到的冲击。板簧占汽车总重量的7-9％，实现板簧的轻量化对于汽车轻量化意义重大。结构优化、工艺优化和采用更高强度级别的材料是实现汽车轻量化的三种主要途径。在保证汽车安全性的前提下，采用更高强度级别的材料是上述三种途径的首选。

2、相关资料表明，板簧的重量与其设计应力的平方成反比，设计应力越高，板簧的重量就越轻。而板簧的设计应力与其原材料-弹簧扁钢的抗拉强度密切相关，抗拉强度越大，设计应力就越高。也就是说，提高弹簧扁钢的抗拉强度是实现板簧减重的重要途径。目前，已经开发了一系列高强度弹簧扁钢。例如公布号为cn115537660a，名称为“一种低密度高强度热轧弹簧扁钢及其生产方法”专利中，通过添加0.8-1.5％si、15.0-20.0％mn、12.0-17.0％al、2.0-7.0％mg和0.002-0.005％b及控制热轧工艺，可以获得屈服强度≥1800mpa，抗拉强度≥1950mpa的低密度弹簧扁钢。公布号为cn113930680a，名称为“一种耐低温高强度弹簧扁钢及其生产方法”专利中，通过添加适量c、si、mn、cr、ni、nb、b、zr和ce以及控制mn/c比，结合控制冶炼工艺、连铸工艺、轧制工艺和热处理工艺的方法，可以获得屈服强度≥1750mpa，抗拉强度≥1950mpa，伸长率≥10％，断面收缩率≥35％的弹簧扁钢。公布号为cn106978571a，名称为“一种微合金化的第三代汽车用弹簧扁钢及制备方法”专利中，通过添加适量的c、si、mn、cr、nb、b并控制cu、ni、ti含量，进一步通过控制冶炼、连铸、热轧和缓冷工艺，可获得屈服强度≥1350mpa，抗拉强度≥1550mpa，伸长率≥7％，断面收缩率≥30％的弹簧扁钢。

3、但应该指出的是，在弹簧扁钢的实际应用过程中，疲劳寿命才是其最重要的评价指标。高疲劳寿命是板簧生产厂家和用户一直追求的目标，板簧的疲劳寿命不仅与其抗拉强度相关，还与其韧性和生产工艺有关。合适的生产工艺，可以获得良好的韧性、脱碳层深度也小，即抗氧化性高，板簧的疲劳寿命就越高。另一方面，服役环境对汽车弹簧扁钢的使用寿命有重要的影响，尤其是在具有腐蚀性的环境下行驶的汽车，其对耐蚀性有更高的要求。上述专利并没有同时考虑控制弹簧扁钢的高强度、高韧性、耐腐蚀性和高抗氧化性，因此，有可能导致其生产的板簧疲劳寿命偏低，或者服役过程中过早地发生腐蚀疲劳破坏，不能满足汽车主机厂对板簧高疲劳寿命的要求。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明通过成分设计和工艺优化，提供了一种兼具高强度、高韧性、耐腐蚀以及高抗氧化性的弹簧扁钢及生产方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种具有高性能的弹簧扁钢，其化学成分按照重量百分比为：c：0.48～0.54％、si：0.8～1.2％、mn：0.7～1.0％、cr：0.8～1.1％、cu：0.45～0.55％、v：0.08～0.15％、nb：0.02～0.05％、b：0.0010～0.0030％、y：0.05～0.09％、ce：0.005～0.010％、ni≤0.03％、s≤0.01％、p≤0.015％、n≤0.0050％、o≤0.0010％、h≤0.0001％，其余为fe和不可避免的杂质。

3、本发明弹簧扁钢中各化学元素的作用主要基于以下原理：

4、c：c是钢中最廉价且最有效的强化元素，其在钢中以固溶态和各种碳化物的形式存在。钢中的c含量越高，其强度就越高，但高c含量对韧性不利。综合考虑弹簧扁钢强度和韧性要求，将c含量控制在0.48～0.54％。

5、si：si是钢中除了c之外最有效的固溶强化元素，可显著提高弹簧钢的屈服强度，对降低弹簧扁钢的重量有利。从提高强度角度考虑，si含量越高越好，但过高的si含量会导致弹簧扁钢的脱碳层深度超标、降低疲劳寿命，综合考虑弹簧扁钢的强度和脱碳层深度指标，将si含量控制在0.8～1.2％。

6、mn：mn是钢中常用的强化元素，且mn可以显著提高钢的淬透性。为了保证弹簧扁钢的淬透性和强度，mn含量应大于等于0.7％，但当mn含量大于1.0％时，钢的冲击韧性恶化且过热敏感性增加，因此将mn含量控制在0.7～1.0％。

7、cr：cr也可以起到一定的固溶强化作用，增加弹簧扁钢的强度和硬度。此外，cr还会在弹簧扁钢表面生成cr2o3，对提高弹簧扁钢的耐腐蚀性能、降低脱碳层深度有利，但过高的cr会导致生产成本偏高、硬度波动较大，因此将cr含量控制在0.8～1.1％。

8、cu：cu可以提高弹簧扁钢的耐蚀性。此外，在中温回火过程中，cu还可以以单质的形式析出，增加弹簧扁钢的强度。本发明将cu含量控制在0.45～0.55％。

9、v：v是钢中的强碳氮化物形成元素，可在钢中形成大量纳米尺寸的vc，既可以细化晶粒又可以提高钢的强度和韧性，本发明将v含量控制在0.08～0.15％。

10、nb：nb也是钢中的强碳氮化物形成元素，纳米尺寸的nb(c,n)在钢中起到析出强化的作用，而固溶nb则有利于控制轧制时的细化晶粒。但应指出的是，当nb含量超过0.05％时，nb(c,n)易发生偏聚长大，从而对强度不利，本发明将nb含量控制在0.02～0.05％。

11、b：微量b即可显著提高钢的淬透性、增加其强度，为了达到提高淬透性的目的，b含量应大于0.0010％，但当其含量大于0.0030％时，会形成fe3b导致沿晶断裂脆性倾向增加，因此本发明将b含量控制在0.0010～0.0030％。

12、y：y可促进夹杂物改性和回火过程中碳化物的球化，从而提高冲击韧性。从提高冲击韧性和控制生产成本考虑，将y含量控制在0.05～0.09％。

13、ce：ce会在钢的表面生产氧化物，从而提高弹簧扁钢的耐蚀性能和抗氧化性。当ce含量小于0.005％时，不会增加钢的耐蚀性和抗氧化性；当ce含量大于0.010％时，其对钢的耐蚀性和抗氧化性的影响趋缓。因此将ce含量控制在0.005～0.010％。

14、想要获得高强度、高韧性、耐腐蚀以及高抗氧化性的良好配合，不仅与弹簧扁钢的成分设计有关，还与弹簧扁钢的生产工艺有关。只有通过精准的成分控制和严格的生产工艺，才能获得预期的组织，从而同时实现弹簧扁钢的高强度、高韧性、耐腐蚀以及高抗氧化性。

15、本发明还提供了一种高性能的弹簧扁钢的生产方法，所述方法依次包括如下步骤：

16、(1)冶炼包括铁水预处理、转炉炼钢和精炼，所述铁水预处理后使铁水中的s≤0.01％，以保证最终得到的弹簧扁钢中的s≤0.01％；所述转炉炼钢采用顶底复吹工艺，转炉终点c≥0.12％，出钢温度≥1630℃；所述精炼采用rh炉进行，纯脱气时间大于10min，之后进行氩气软吹、合金化并同时添加高纯度稀土y和ce，实现弹簧扁钢成分的精准控制；

17、(2)连铸：拉坯速率为0.7～0.9m/min，二冷水比水量0.15-0.25l/kg，结晶器冷却水量135±10m3/h，结晶器电磁搅拌300a±10a/3±1hz，末端电磁搅拌450a±10a/6±1hz，并采用轻压下工艺，连铸后对铸坯进行缓冷，保证冷却速率小于0.05℃/s，本发明的连铸工艺可保证连铸坯表面质量良好、无裂纹和缺陷。

18、(3)热轧：热轧采用二阶段控轧控冷工艺，加热炉的温度为1000～1050℃，控制加热炉内残氧含量≤1％，保温2h后出炉进行轧制，轧制分为两阶段，一阶段为再结晶区轧制，另一阶段为非再结晶区轧制，再结晶区轧制的开轧温度为980～1030℃，终轧温度为860～880℃；非再结晶区控制轧制的开轧温度为830～850℃，终轧温度为800～820℃，终轧后将板坯空冷至室温，这样可以确保弹簧扁钢的原始奥氏体晶粒细小且均匀，还可以保证弹簧扁钢的脱碳层深度较小，对提高弹簧扁钢的强度和韧性有利。

19、(4)热处理：对热轧后的板坯进行淬火+中温回火处理，淬火时的加热温度为900～920℃；中温回火时的温度为420～440℃，可保证弹簧扁钢同时具有高强度和高韧性。

20、优选的，所述铁水预处理采用kr脱硫技术。

21、优选的，所述步骤(4)中淬火加热后需将板坯保温40min后油冷至室温。

22、优选的，所述步骤(4)中中温回火后需将板坯保温120min后空冷至室温。

23、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于，

24、本发明通过合理的成分设计和严格的工艺控制，可以使弹簧扁钢同时具有高强度、高韧性、耐腐蚀和高抗氧化性，可为开发具有高疲劳寿命的板簧提供优质原材料。