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CN114207168B - 用于高强度弹簧的线材和钢丝及其制造方法 - Google Patents

用于高强度弹簧的线材和钢丝及其制造方法 Download PDF

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CN114207168B CN202080053112.7A CN202080053112A CN114207168B CN 114207168 B CN114207168 B CN 114207168B CN 202080053112 A CN202080053112 A CN 202080053112A CN 114207168 B CN114207168 B CN 114207168B
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Abstract

公开了用于摩托车的高应力悬架弹簧的线材和钢丝及其制造方法，其中当线材和钢丝冷却时容易地抑制脱碳和低温组织产生。根据本公开内容的用于高强度弹簧的钢丝按重量百分比(重量％)计包含0.55％至0.65％的C、0.5％至0.9％的Si、0.3％至0.8％的Mn、0.3％至0.6％的Cr、0.015％或更少的P、0.01％或更少的S、0.01％或更少的Al、0.005％或更少的N，以及剩余部分的Fe和不可避免的杂质，满足下式(1)，并且包含90％或更多的回火马氏体组织。在式(1)中，C、Mn、Cr、和Si分别表示相应元素的含量(重量％)。(1)0.77≤C+(1/6)Mn+(1/5)Cr+(1/24)Si≤0.83。

Description

用于高强度弹簧的线材和钢丝及其制造方法
技术领域
本公开内容涉及用于具有1800MPa超高强度的弹簧的线材和钢丝及其制造方法，更特别地，涉及用于摩托车的高应力悬架弹簧的线材和钢丝及其制造方法，其中在线材和钢丝冷却时容易地抑制脱碳和低温组织产生。
背景技术
与汽车材料市场类似，摩托车材料市场一直在进行轻量化材料的开发或结构修改，并且由于常规摩托车中使用的双型悬架已经被单型悬架替代，因此近来对用于高强度弹簧的钢的需求增加。
常规用于摩托车悬架的弹簧的拉拔线材由于强度和抗疲劳性不足而不适用于单型悬架。因此，考虑应用用于汽车的具有回火马氏体组织的线材。然而，由于汽车悬架弹簧的品质标准严格，此外制造悬架弹簧困难且昂贵，因此难以将用于汽车的悬架弹簧应用于摩托车。特别地，用于汽车的悬架弹簧具有比用于摩托车的悬架弹簧相对更大的直径，因此难以控制低温组织。因此，需要开发适用于摩托车的高强度悬架弹簧。
发明内容
技术问题
本公开内容提供用于摩托车的高强度弹簧的线材和钢丝及其制造方法，所述线材和钢丝能够通过降低碳当量(Ceq)、使用最少的合金元素、并优化钢丝制造期间的热处理而容易地抑制脱碳和低温组织产生。
技术方案
本公开内容的一个方面提供了用于高强度弹簧的线材，所述线材按重量百分比(重量％)计包含：0.55％至0.65％的碳(C)、0.5％至0.9％的硅(Si)、0.3％至0.8％的锰(Mn)、0.3％至0.6％的铬(Cr)、0.015％或更少的磷(P)、0.01％或更少的硫(S)、0.01％或更少的铝(Al)、0.005％或更少的氮(N)，以及剩余部分的铁(Fe)和不可避免的杂质，并满足下式(1)。
(1)0.77≤C+(1/6)Mn+(1/5)Cr+(1/24)Si≤0.83
在式1中，C、Mn、Cr、和Si分别表示所述元素的含量(重量％)。
此外，根据本公开内容的一个实施方案，线材的表面铁素体脱碳层的厚度可以为1μm或更小。
此外，根据本公开内容的一个实施方案，线材的硬度为430Hv或更大的低温组织在截面区域中的面积分数可以为5％或更小。
此外，根据本公开内容的一个实施方案，线材的抗拉强度可以为1200MPa或更小。
本公开内容的另一个方面提供了用于高强度弹簧的钢丝，所述钢丝按重量百分比(重量％)计包含：0.55％至0.65％的碳(C)、0.5％至0.9％的硅(Si)、0.3％至0.8％的锰(Mn)、0.3％至0.6％的铬(Cr)、0.015％或更少的磷(P)、0.01％或更少的硫(S)、0.01％或更少的铝(Al)、0.005％或更少的氮(N)，以及剩余部分的铁(Fe)和不可避免的杂质，并满足下式(1)，其中钢丝包含90％或更多的回火马氏体组织。
(1)0.77≤C+(1/6)Mn+(1/5)Cr+(1/24)Si≤0.83
此外，根据本公开内容的一个实施方案，钢丝的原奥氏体的平均晶粒尺寸可以为25μm或更小。
此外，根据本公开内容的一个实施方案，钢丝的抗拉强度可以为1,700MPa或更大，并且断面收缩率(RA)可以为35％或更大。
本公开内容的另一个方面提供了制造用于高强度弹簧的钢丝的方法，该方法包括：通过对线材进行拉拔来制备直径为15mm或更小的钢丝，所述线材按重量百分比(重量％)计包含0.55％至0.65％的碳(C)、0.5％至0.9％的硅(Si)、0.3％至0.8％的锰(Mn)、0.3％至0.6％的铬(Cr)、0.015％或更少的磷(P)、0.01％或更少的硫(S)、0.01％或更少的铝(Al)、0.005％或更少的氮(N)以及剩余部分的铁(Fe)和不可避免的杂质并满足下式1；将所述钢丝在10秒内加热至900℃至1000℃的温度范围并保持该温度持续5秒至30秒；对经加热的钢丝在高压下进行水淬；通过将所述钢丝在10秒内加热至400℃至500℃的温度范围并在30秒内保持该温度来对经水淬的钢丝进行回火；以及对经回火的钢丝进行水淬。
(1)0.77≤C+(1/6)Mn+(1/5)Cr+(1/24)Si≤0.83
此外，根据本公开内容的一个实施方案，线材的显微组织可以包含80％或更多的珠光体以及剩余部分的铁素体。
此外，根据本公开内容的一个实施方案，在线材表面上的铁素体脱碳层的厚度可以为1μm或更小。
此外，根据本公开内容的一个实施方案，线材可以包括在截面区域中的面积分数为5％或更小的具有430Hv或更大的硬度的低温组织。
此外，根据本公开内容的一个实施方案，经回火的经水淬的钢丝可以包含90％或更多的回火马氏体组织。
此外，根据本公开内容的一个实施方案，经加热的钢丝的奥氏体的平均晶粒尺寸可以为25μm或更小。
有益效果
根据本公开内容，即使以包括低含量合金元素同时最少地使用昂贵的合金元素例如Mo和V的低成本组成，也可以通过优化碳当量(Ceq)来容易地控制低温组织，以及通过降低Si含量可以使线材表面上的脱碳最小化。
此外，通过优化合金元素以及优化钢丝制造期间的热处理，可以提供其中容易控制脱碳和低温组织产生的用于具有高强度和高延性的弹簧的钢丝。
具体实施方式
根据本公开内容的一个实施方案的用于高强度弹簧的线材按重量百分比(重量％)计包含0.55％至0.65％的碳(C)、0.5％至0.9％的硅(Si)、0.3％至0.8％的锰(Mn)、0.3％至0.6％的铬(Cr)、0.015％或更少的磷(P)、0.01％或更少的硫(S)、0.01％或更少的铝(Al)、0.005％或更少的氮(N)，以及剩余部分的铁(Fe)和不可避免的杂质，并且满足下式(1)，其中显微组织包含80％或更多的珠光体以及剩余部分的铁素体。
(1)0.77≤C+(1/6)Mn+(1/5)Cr+(1/24)Si≤0.83
在式(1)中，C、Mn、Cr、和Si分别表示所述元素的含量(重量％)。
发明实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本公开内容的实施方案。提供以下实施方案以向本公开内容所属领域的普通技术人员充分传达本公开内容的精神。本公开内容不限于本文示出的实施方案，而是可以以其他形式实施。在附图中，为了清楚地描述本公开内容，省略了与描述无关的部分，并且为了清楚起见，可能扩大了元件的尺寸。
在整个说明书中，除非另有说明，否则术语“包括/包含”一个要素并不排除其他要素而是可以进一步包括另一个要素。
如本文所用，除非上下文另有明确指示，否则单数形式也旨在包括复数形式。
如本文所用，术语“低温组织”意指贝氏体或马氏体，其统指通过对钢进行淬火形成的硬形式的钢晶体组织，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。
将用于汽车的具有回火马氏体组织的钢材料应用于用于摩托车的单型悬架以获得高强度会导致成本问题和在控制低温组织产生方面的问题。因为过去在热处理炉中进行热处理后使用油淬以获得足够的淬透性，同时形成回火马氏体组织，因此应包含大于一定量的Mn和Cr。但是随着感应热处理技术的发展，可以通过使用水淬获得足够的冷却能力。此外，用于摩托车的弹簧的钢材料具有比用于汽车的弹簧的钢材料相对较小的直径，因此使用低Ceq合金成分的可能性增加。因此，在与用于汽车的弹簧的钢材料相比降低了合金元素的含量的同时，可以获得目标强度。
在低Ceq的情况下，对于控制小直径材料中的脱碳和低温组织产生，可以稳定材料的价格，并且可以通过减少合金元素来降低产品的价格。
根据本公开内容的用于高强度弹簧的线材和钢丝按重量百分比(重量％)计包含0.55％至0.65％的碳(C)、0.5％至0.9％的硅(Si)、0.3％至0.8％的锰(Mn)、0.3％至0.6％的铬(Cr)、0.015％或更少的磷(P)、0.01％或更少的硫(S)、0.01％或更少的铝(Al)、0.005％或更少的氮(N)，以及剩余部分的铁(Fe)和不可避免的杂质，并满足下式(1)。
在下文中，将描述对在本公开内容的实施方案中的合金元素的含量进行数值限定的理由。在下文中，除非另有说明，否则单位为重量％。
C的含量为0.55％至0.65％。
C是为了获得产品的强度而添加的元素。当C含量小于0.55％时，不能确保碳当量(Ceq)，因此冷却期间马氏体组织不完全地形成，使得难以获得强度。即使在形成马氏体组织时，也可能难以获得目标强度。当C含量超过0.65％时，抗冲击性可能劣化并且在水淬期间可能出现裂纹，因此对C含量进行限制。
Si的含量为0.5％至0.9％。
Si用于钢的脱氧并且还有效地用于通过固溶强化来提高强度。然而，过量的Si可能导致表面上的脱碳并且难以加工材料。因此，根据目标强度和加工材料的程度将Si含量控制在0.5％至0.9％的范围内。
Mn的含量为0.3％至0.8％。
Mn是作为用于形成高强度回火马氏体组织的必要元素中的一者的提高淬透性的元素。然而，在具有回火马氏体组织的钢中，随着Mn含量增加，韧性降低，因此将Mn含量控制在0.3％至0.8％的范围内。
Cr的含量为0.3％至0.6％。
Cr与Mn一起有效地用于提高淬透性并且提高钢的耐腐蚀性。因此，可以将Cr含量调节至一定水平。然而，由于Cr与Si和Mn相比是相对昂贵的元素并且增加了碳当量(Ceq)，因此将Cr含量控制在0.3％至0.6％的范围内。
P的含量为0.015％或更小。
因为P是在晶界偏析而使韧性劣化并使氢延迟断裂抗性劣化的元素，因此期望尽可能地从钢材料中去除P。因此，将其上限设定为0.015％。
S的含量为0.01％或更小。
与P一样，S在晶界偏析而使韧性劣化，并形成MnS以使氢延迟断裂抗性劣化。因此，将S含量调节至0.01％或更小。
Al的含量为0.01％或更小。
Al作为最具功效的脱氧元素，可以通过从钢中去除氧来提高纯度。然而，由于通过Al可能形成Al2O3夹杂物，并且过量的Al可能使抗疲劳性劣化。因此，将Al含量调节至0.01％或更小。
N的含量为0.005％或更小。
N与杂质、Al、或V结合而在热处理期间形成不熔的粗AlN或VN析出物。因此，N含量应控制为0.005％或更小。
上述组成的剩余组分是铁(Fe)并且该组成包括不可避免地并入的杂质。在本公开内容中，不排除除了上述合金组分之外添加其他合金元素。
在本公开内容中，合金组成中的C、Si、Mn、和Cr的含量需要满足下式(1)，这不仅是为了在线材冷却期间应用高冷却速率以防止表面脱碳，而且是为了抑制低温组织例如马氏体或贝氏体的产生。
(1)0.77≤C+(1/6)*Mn+(1/5)*Cr+(1/24)*Si≤0.83
当式(1)的值小于0.77时，可能难以在高冷却速率下获得足够量的马氏体组织或足够强度的马氏体组织。相反，当式(1)的值超过0.83时，形成低温组织，使得可拉拔性劣化，并且需要另外的热处理，使得难以获得足够的表面硬度。
当保持0.5％至0.9％范围内的低Si含量并且控制C、Si、Mn、和Cr的含量以满足式(1)时，在制造过程中可以在冷却期间抑制表面脱碳，使得可以将表面上的铁素体脱碳层的厚度控制为1μm或更小，并且可以不在截面区域中形成具有430Hv或更大的硬度的低温组织。在本公开内容中，截面区域表示垂直于长度方向的截面区域。
根据本公开内容的用于高强度弹簧的线材可以通过用于制造弹簧用的线材的普通方法来制造。例如，可以通过对具有上述合金组成且满足式(1)的钢坯进行加热，并对所得物进行热轧、卷取和冷却来制造线材。
制备的线材具有包含80％或更多的珠光体和剩余部分的铁素体的显微组织，并且表面铁素体脱碳层的厚度可以为1μm或更小。此外，线材的抗拉强度可以为1200MPa或更小。
在下文中，将描述使用上述高强度线材制造用于弹簧的钢丝的方法。
根据本公开内容的一个实施方案的制造用于高强度弹簧的钢丝的方法包括：通过对线材进行拉拔来制备直径为15mm的钢丝，所述线材按重量百分比(重量％)计包含0.55％至0.65％的碳(C)、0.5％至0.9％的硅(Si)、0.3％至0.8％的锰(Mn)、0.3％至0.6％的铬(Cr)、0.015％或更少的磷(P)、0.01％或更少的硫(S)、0.01％或更少的铝(Al)、0.005％或更少的氮(N)以及剩余部分的铁(Fe)和不可避免的杂质并满足下式1；将所述钢丝在10秒内加热至900℃至1000℃的温度范围并保持该温度持续5秒至30秒；对经加热的钢丝在高压下进行水淬；通过将所述钢丝在10秒内加热至400℃至500℃的温度范围并在30秒内保持该温度来对经水淬的钢丝进行回火；以及对经回火的钢丝进行水淬。
制造用于弹簧的钢丝的常规方法包括通过对线材进行拉拔来制备钢丝以及对钢丝进行热机械处理。热机械处理包括加热钢丝，然后对所得物进行奥氏体化、水淬、和回火。
根据本公开内容的用于高强度弹簧的钢丝通过将满足上述合金组成和式(1)的线材拉拔至直径为15mm或更小的用于摩托车的悬架弹簧的丝而制造。
然后，对于淬火和回火(QT)热处理，将经拉拔的钢丝在10秒内加热至900℃至1,000℃的温度范围并保持5秒至30秒用于奥氏体化。在奥氏体化中到达目标温度的加热时间超过10秒时，晶粒生长使得难以获得期望的物理特性。此外，当保持时间小于5秒时，珠光体组织可能无法转变为奥氏体，以及当保持时间超过30秒时，可能形成粗晶粒。因此，可以将保持时间控制在5秒至30秒的范围内。
将经奥氏体化的钢丝在足以去除沸腾膜(boiling film)的高压下进行水淬。当进行油淬而不是水淬时，由于低碳当量(Ceq)而不能获得期望的强度。此外，除非在水淬期间使用足以去除沸腾膜的高水压，否则淬火裂纹出现的概率增加，因此在淬火期间，应通过在尽可能高的压力下从各个方向喷洒水来进行冷却。
通过将经水淬的钢丝在10秒内加热至400℃至500℃的温度范围并在30秒内保持该温度来进行回火。当回火温度低于400℃时，不能确保韧性，使得可加工性劣化以及产品破裂的风险增加，当回火温度超过500℃时，强度可能劣化。因此，将回火温度控制在上述范围内。此外，在回火期间未在10秒内进行加热至目标温度时，形成粗的碳化物，从而使韧性劣化。因此，加热应在10秒内进行。
然后，对经回火的钢丝进行水淬至室温。
在根据本公开内容的制造条件下制造的用于弹簧的钢丝在热处理后包含90％或更多的回火马氏体组织。此外，由于原奥氏体的平均晶粒尺寸为25μm或更小，以及抗拉强度为1700MPa或更大，因此钢丝可以具有用于摩托车的悬架弹簧所要求的高强度。此外，可以获得35％或更大的高断面收缩率(RA)，从而具有高延性。
在下文中，将参考以下实施例更详细地描述本公开内容。
实施例
通过铸锭制备包括表1中所示的合金组成的钢材料，通过在1,200℃下的热处理进行均质化，热轧至14mm的最终厚度，同时将温度从980℃降至820℃，并以2.5℃/秒的速率冷却。表2示出了根据上述制造过程制备的各线材的关于截面区域的低温组织面积分数、硬度、抗拉强度、和脱碳层的厚度的测量结果。在表2中，低温组织面积分数(％)意指线材的低温组织在截面区域上的面积分数。
表1
表2
将比较例1至3以及实施例1和2的线材拉拔成直径为12mm的钢丝，并在下表3中所示的条件下进行热处理。在奥氏体化后进行高压水淬，在回火后进行一般水淬。
表3
参照表1至3，确认了在满足本公开内容的合金组成式(1)和制造条件的实施例1和2中获得了1700MPa或更大的强度并且在冷却期间未形成低温组织。
相反，在比较例1中，由于Si含量过多，在冷却期间形成了铁素体脱碳层。在比较例2中，由于式(1)的值小于0.77因此不能获得1700MPa或更大的目标强度。在比较例3中，尽管式(1)的值大于0.77且小于0.83，但由于Cr含量超过本公开内容限定的范围，因此不能获得1700MPa或更大的目标强度，并且断面收缩率(RA)小于35％。
尽管已经参照示例性实施方案特别地描述了本公开内容，但是本领域技术人员应理解，在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，可以对形式和细节进行各种改变。
工业适用性
根据本公开内容的用于高强度弹簧的线材可以应用于汽车、摩托车、和各种运输车辆的悬架弹簧，或者用作各种工业领域中使用的弹簧。

Claims (9)

1.一种用于高强度弹簧的线材，按重量百分比(重量％)计包含：0.55％至0.65％的C、0.5％至0.9％的Si、0.3％至0.8％的Mn、0.3％至0.6％的Cr、0.015％或更少的P、0.01％或更少的S、0.01％或更少的Al、0.005％或更少的N，以及剩余部分的Fe和不可避免的杂质，以及
满足下式(1)，
其中显微组织包含80％或更多的珠光体以及剩余部分的铁素体，
其中表面铁素体脱碳层的厚度为1μm或更小，
其中硬度为430Hv或更大的低温组织在截面区域中的面积分数为5％或更小，
(1)0.77≤C+(1/6)*Mn+(1/5)*Cr+(1/24)*Si≤0.83
其中C、Mn、Cr、和Si分别表示所述元素的含量(重量％)。
2.根据权利要求1所述的线材，其中抗拉强度为1200MPa或更小。
3.一种用于高强度弹簧的钢丝，按重量百分比(重量％)计包含：0.55％至0.65％的C、0.5％至0.9％的Si、0.3％至0.8％的Mn、0.3％至0.6％的Cr、0.015％或更少的P、0.01％或更少的S、0.01％或更少的Al、0.005％或更少的N，以及剩余部分的Fe和不可避免的杂质，以及
满足下式(1)，
其中所述钢丝包含90％或更多的回火马氏体组织，
其中抗拉强度为1700MPa更大：
(1)0.77≤C+(1/6)*Mn+(1/5)*Cr+(1/24)*Si≤0.83
其中C、Mn、Cr、和Si分别表示所述元素的含量(重量％)。
4.根据权利要求3所述的钢丝，其中原奥氏体的平均晶粒尺寸为25μm或更小。
5.根据权利要求3所述的钢丝，其中断面收缩率(RA)为35％或更大。
6.一种制造用于高强度弹簧的钢丝的方法，所述方法包括：
通过对线材进行拉拔来制备直径为15mm或更小的钢丝，所述线材按重量百分比(重量％)计包含：0.55％至0.65％的C、0.5％至0.9％的Si、0.3％至0.8％的Mn、0.3％至O.6％的Cr、0.015％或更少的P、0.01％或更少的S、0.01％或更少的Al、0.005％或更少的N，以及剩余部分的Fe和不可避免的杂质，以及所述线材满足下式1；
以小于10秒的时间将所述钢丝加热至900℃至1000℃的温度范围并保持该温度持续5秒至30秒；
在高压下对经加热的钢丝进行水淬；
通过将所述钢丝在10秒内加热至400℃至500℃的温度范围并在30秒内保持该温度来对经水淬的钢丝进行回火；以及
对经回火的钢丝进行水淬，
其中所述线材的表面上的铁素体脱碳层的厚度为1μm或更小，
其中经回火的经水淬的钢丝包含90％或更多的回火马氏体组织：
(1)0.77≤C+(1/6)*Mn+(1/5)*Cr+(1/24)*Si≤0.83
其中C、Mn、Cr、和Si分别表示所述元素的含量(重量％)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述线材的显微组织包含80％或更多的珠光体以及剩余部分的铁素体。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述线材包括在截面区域中面积分数为5％或更小的具有430Hv或更大的硬度的低温组织。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述经加热的钢丝的奥氏体的平均晶粒尺寸为25μm或更小。
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