| 专利名称： | 一种高碳热轧汽车膜片弹簧钢及其生产方法 | ||
| 专利名称(英文)： | High-carbon hot-rolled automobile diaphragm spring steel and production method thereof | ||
| 专利号： | CN201410602968.1 | 申请时间： | 20141031 |
| 公开号： | CN104313472A | 公开时间： | 20150128 |
| 申请人： | 武汉钢铁（集团）公司 | ||
| 申请地址： | 430080 湖北省武汉市武昌区友谊大道999号 | ||
| 发明人： | 刘文斌; 李书瑞; 程吉浩; 董中波; 王宪军; 战国峰; 陈颜堂; 邹德辉; 郭斌 | ||
| 分类号： | C22C38/24; C22C33/04 | 主分类号： | C22C38/24 |
| 代理机构： | 湖北武汉永嘉专利代理有限公司 42102 | 代理人： | 段姣姣 |
| 摘要： | 一种高碳热轧汽车膜片弹簧钢，其组分及wt%为：C：0.70~0.90%，Si≤0.10%，Mn：≤0.80%，P≤0.008%，S≤0.003%，Alt：0.010~0.030%，Cr：1.20~1.80%，V：0.10~0.30%，Ca：0.002~0.006%，N≤0.004%；生产步骤：铁水脱硫；转炉冶炼；LF炉精炼；RH真空炉处理；连铸成坯；铸坯经切割后坑式缓冷；铸坯加热；分段热轧；卷取；缓冷；退火；淬火；回火；检验并待用。本发明经淬火及回火后抗拉强度在1600~2200MPa，HRC在47~57，弹性极限高高屈服极限、高抗疲劳极限和较长使用寿命，可用于制造各类大型工程机械车辆离合器总成。 | ||
| 摘要(英文)： | The invention discloses high-carbon hot-rolled automobile diaphragm spring steel. The high-carbon hot-rolled automobile diaphragm spring steel is prepared from the following constituents in percentage by weight : 0.70-0.90% of C, Si smaller than or equal to 0.10%, Mn smaller than or equal to 0.80%, P smaller than or equal to 0.008%, S smaller than or equal to 0.003%, 0.010-0.030% of Alt, 1.20-1.80% of Cr, 0.10-0.30% of V, 0.002-0.006% of Ca, and N smaller than or equal to 0.004%, and is prepared by the following production steps : molten iron desulphurization, smelting in a converter, refining in an LF (Ladle Furnace) furnace, processing in an RH vacuum furnace, continuous casting to form blanks, pit type slow cooling after cutting of cast blanks, cast blank heating, segmented hot rolling, reeling, slow cooling, annealing, quenching, tempering, and inspection for standby. The steel disclosed by the invention is quenched and tempered to achieve tensile strength of 1600-2200 MPa, HRC (Rockwell Hardness) of 47-57, high limit of elasticity, high limit of yielding, high fatigue limit resistance and longer service life, and can be used for manufacturing various vehicle clutch assemblies for large engineering machinery. | ||
1.一种高碳热轧汽车膜片弹簧钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.70~0.90%，Si≤0.10%，Mn：≤0.80%，P≤0.008%，S≤0.003%，Alt：0.010~0.030%，Cr：1.20~1.80%，V：0.10~0.30%，Ca：0.002~0.006%，N≤0.004%，余量为Fe及不可避免的夹杂；金相组织为回火马氏体。
2.生产一种高碳热轧汽车膜片弹簧钢的方法，其步骤： 1）进行铁水脱硫； 2）进行转炉冶炼； 3）在LF炉中进行精炼； 4）在RH真空炉中进行处理，控制真空处理时间不少于20分钟； 5）连铸成坯：在连铸过程中电磁搅拌始终；并对铸坯在压下率为2%~8%进行压下； 6）铸坯经切割后进行坑式缓冷，并冷却至室温； 7）对切割后的铸坯加热，加热温度控制为1200～1300℃，加热速率控制为8～14分钟/厘米； 8）进行分段热轧：控制粗轧开轧温度在1050～1200℃，控制精轧终轧温度在900～950℃； 9）进行卷取，控制卷取温度在700～800℃； 10）进行缓冷，在冷却速度不超过20℃/小时下冷却至不超过200℃； 11）进行退火，退火温度为750～850℃，退火及保温时间不低于1550min； 12) 进行淬火：控制淬火温度在850～950℃，淬火保温时间不低于30min； 13）进行回火，控制回火温度在600～700℃，回火保温时间不低于50min；经回火后的金相组织为回火马氏体； 14）检验并待用。
1.一种高碳热轧汽车膜片弹簧钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.70~0.90%，Si≤0.10%，Mn：≤0.80%，P≤0.008%，S≤0.003%，Alt：0.010~0.030%，Cr：1.20~1.80%，V：0.10~0.30%，Ca：0.002~0.006%，N≤0.004%，余量为Fe及不可避免的夹杂；金相组织为回火马氏体。
2.生产一种高碳热轧汽车膜片弹簧钢的方法，其步骤： 1）进行铁水脱硫； 2）进行转炉冶炼； 3）在LF炉中进行精炼； 4）在RH真空炉中进行处理，控制真空处理时间不少于20分钟； 5）连铸成坯：在连铸过程中电磁搅拌始终；并对铸坯在压下率为2%~8%进行压下； 6）铸坯经切割后进行坑式缓冷，并冷却至室温； 7）对切割后的铸坯加热，加热温度控制为1200～1300℃，加热速率控制为8～14分钟/厘米； 8）进行分段热轧：控制粗轧开轧温度在1050～1200℃，控制精轧终轧温度在900～950℃； 9）进行卷取，控制卷取温度在700～800℃； 10）进行缓冷，在冷却速度不超过20℃/小时下冷却至不超过200℃； 11）进行退火，退火温度为750～850℃，退火及保温时间不低于1550min； 12) 进行淬火：控制淬火温度在850～950℃，淬火保温时间不低于30min； 13）进行回火，控制回火温度在600～700℃，回火保温时间不低于50min；经回火后的金相组织为回火马氏体； 14）检验并待用。
翻译：技术领域
本发明涉及弹簧用钢，具体地用于汽车热轧膜片弹簧用钢及其生产方法。
背景技术
在汽车离合器总成中，膜片弹簧对汽车离合器总成中的性能和使用寿命有很大影响。目前，受冶金设备能力水平和后期加工水平所限，国内汽车膜片弹簧钢中的碳含量不高，一般在0.65%以内，并多采用“热轧→退火→酸洗→加工→热处理”的工艺路线。主要由于其碳及铬含量低，使产品的力学性能如强度及硬度不高，其不能满足大型工程机械车等车辆膜片弹簧今后发展使用要求。
在本发明提出之前，涉及高碳热轧汽车钢制造领域的同类技术产品不多，特别是针对高碳热轧汽车膜片弹簧钢方面的更少。
经检索：中国专利申请号为CN201210462046.6的专利文献，其公开了“一种汽车用热轧膜片弹簧钢及其生产方法”专利申请号CN201210462046.6，所涉及钢具有下列成分及质量百分比C：0.40%~0.60%，Si：0.15%~0.35%，Mn：0.70%~1.20%，Cr：0.70%~1.20%， V：0.10~0.50%，P≤0.015%，S≤0.008%，其余为Fe和不可避免的杂质。该热轧钢带与本发明相比，在化学成分上添加了一定量的Cr，但C含量偏低，虽然综合力学性能优秀，但热处理后硬度和韧性达不到设计要求。
有三项日本专利JP2507791A、JP3745193A和JPH06228734，均为离合器膜片弹簧钢，这些钢与发明钢相比，化学成分上添加了一定量的Mo，C含量偏低，Si、Mn含量上限偏高，同时添加一定量的V、Nb、Cr等合金。这种钢与发明钢相比，强度偏高，生产时轧制负荷较大，对生产设备要求较高。此外，因为钢中Si含量较高，如生产宽带钢，后期加工剪切断裂风险较大。
为了进一步提高汽车膜片弹簧弹力、冷热加工性能、使用寿命，减少钢板性能波动，满足发展的大型工程机械车辆膜片弹簧要求，本申请人研发本发明申请。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种经淬火及回火后抗拉强度在1600~2200MPa，HRC在47~57，弹性极限高的用于汽车热轧膜片弹簧用钢及其生产方法。
实现上述目的的措施：
一种高碳热轧汽车膜片弹簧钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.70~0.90%，Si≤0.10%，Mn：≤0.80%，P≤0.008%，S≤0.003%，Alt：0.010~0.030%，Cr：1.20~1.80%，V：0.10~0.30%，Ca：0.002~0.006%，N≤0.004%，余量为Fe及不可避免的夹杂；金相组织为回火马氏体。
生产一种高碳热轧汽车膜片弹簧钢的方法，其步骤：
1）进行铁水脱硫；
2）进行转炉冶炼；
3）在LF炉中进行精炼；
4）在RH真空炉中进行处理，控制真空处理时间不少于20分钟；
5）连铸成坯：在连铸过程中电磁搅拌始终；并对铸坯在压下率为2%~8%进行压下；
6）铸坯经切割后进行坑式缓冷，并冷却至室温；
7）对切割后的铸坯加热，加热温度控制为1200～1300℃，加热速率控制为8～14分钟/厘米；
8）进行分段热轧：控制粗轧开轧温度在1050～1200℃，控制精轧终轧温度在900～950℃；
9）进行卷取，控制卷取温度在700～800℃；
10）进行缓冷，在冷却速度不超过20℃/小时下冷却至不超过200℃；
11）进行退火，退火温度为750～850℃，退火及保温时间不低于1550min；
12) 进行淬火：控制淬火温度在850～950℃，淬火保温时间不低于30min；
13）进行回火，控制回火温度在600～700℃，回火保温时间不低于50min；经回火后的金相组织为回火马氏体；
14）检验并待用。
本发明中各元素及主要工艺参数的作用及机理：
考虑该钢主要是要保证高强度、高弹性、高屈服极限、高抗疲劳极限和较长使用寿命，同时还得具备良好的剪切和冷轧加工性能。因此，炼钢时要严格控制钢水的纯净度，防止P、S含量对钢脆性的影响。C、Si、Mn、Cr、V的设计成分保证了钢的强度、弹性、疲劳极限等范围符合汽车膜片弹簧钢的要求。总的说来，采用Cr、V及其他元素的复合微合金化上，要充分发挥各元素的特点。
合金元素对汽车膜片弹簧钢性能的影响
C：其是提高强度最有效的元素，随着C含量的增加，钢中Fe3C增加，淬硬性也增加，钢的抗拉强度和屈服强度提高。但是，随着C含量增加，钢材的延伸率、冲击韧性和冷加工性能下降。因此，为保证钢板有高强度、高淬硬性、高耐磨性，本发明将C含量控制在0.70%~0.90%以内。如果C含量过低，其强度、硬度和耐磨性将下降，达不到大型工程机械车辆膜片弹簧设计要求。
Si：其与碳的亲和力很弱，在钢中不与碳化合，但能溶入铁素体，产生固溶强化作用，使得铁素体的强度和硬度提高，但塑性和韧性却有所下降。可见，Si对强度有一定帮助，但含量不可过高，以免降低钢的塑韧性。考虑本发明钢要进行冷轧加工，故Si含量控制在≤0.10%范围内。
Mn：其与碳的亲和力较强，是扩大奥氏体相区、细化晶粒、球化碳化物和保证综合性能以及提高淬透性的有效元素，且它并不恶化钢的变形能力，1.00%的Mn约可抗拉强度贡献100MPa的强度。Mn含量偏高会在钢中形成偏析带，造成局部硬度强度偏高，不利于后期冷轧加工。因此将Mn控制在≤0.80%。
Al是钢中的主要脱氧元素，在奥氏体中的最大溶解度大约0.6%，它溶入奥氏体后仅微弱地增大淬透性。但是当Al含量偏高时，易导致钢中夹杂增多，对钢的韧性不利，同时会降低钢的淬硬性和韧性，减少弹簧钢的使用寿命。因此将钢中Alt含量控制在0.030%以内。
Cr能提高钢的淬透性，是有效提高钢材强度特别是高温强度的元素，还能提高钢中渗碳体稳定性及硬度，对提高钢的弹性、耐磨性和极限强度有重要作用。材抗氢脆能力，提高钢材回火稳定性。考虑到上述分析结果，将Cr含量控制在1.20%~1.80%。为何要提高铬的含量？能解决现有技术存在的什么问题？
V是有效提高钢板强度的碳化物形成元素之一，在钢中的效果仅次于Nb、Ti。钢中加入V后将形成VC，提高了渗碳体的熔点、硬度和耐磨性。但V的含量不能过高，V在中温回火时发生弥散状态分布，产生二次硬化，不利于钢的加工检验。因此，本发明设计V的含量时将V控制在0.10%~0.30%。
（2）杂质元素和气体对汽车膜片弹簧钢性能的影响
冷轧汽车膜片弹簧钢需确保钢的冷轧加工性能，而钢中的杂质元素对钢的冷加工性能有很大影响。P、S尽管在钢中含量甚少，但对冷加工性能影响较大，严格控制其含量能明显减少加工过程中的断裂现象。在冷轧钢卷发生的脆断往往由裂纹源的扩展造成的，裂纹源则大多出现在P的偏析处，而含S的夹杂物的偏聚也易造成分层撕裂等。因此，对于该钢应将P控制在0.008%以内，S控制在0.003%以内。
另外，该钢在连铸和缓冷过程要求较高，应尽量减少钢中气体含量，减小钢的偏析。同时，为了减少钢的时效影响，将N的含量控制在0.004%以内。
生产工艺设定的理由
（1）炼钢工艺
该钢冶炼时真空处理时间不低于20min，可较好的降低钢中杂质、气体含量。钢含碳量、合金元素含量较高，连铸前必须进行电磁搅拌和动态轻压下处理，降低元素偏析。铸坯切割后必须缓冷，避开高温脆化区域，防止断坯。
（2）轧钢工艺
由于该钢强度高，要按高强钢工艺进行轧制和卷取。轧制前铸坯加热温度为1200~1300℃，确保铸坯温度均匀。粗轧和精轧时，设定温度要比常规低合金钢高，减小轧机设备负荷。同时，要考虑钢的临界点温度，避免出现混晶现象。因此，钢的粗轧开轧温度为1050~1200℃，精轧终轧温度为900~950℃，卷取温度为700~800℃。卷取后对钢卷进行缓冷工艺，是为了降低卷取内应力并使得钢卷不同部位力学性能均匀。
（3）热处理工艺
由于产品最终需要加工成汽车离合器圆片，且对产品质量要求较高，所以针对该钢的特点设计加工工艺路线：切割→退火→酸洗→冷轧→淬火→回火→检验发货。退火温度设计为750~850℃是为了大幅下降钢卷强度，并使得钢的珠光体组织球化且均匀，易于剪切加工。淬火温度设计为850~950℃，回火温度设计为600~700℃，是为了让钢完全奥氏体化，淬火+回火后得到均匀稳定的回火马氏体，获得高强度、高弹性、高屈服极限、高抗疲劳极限和较长使用寿命。
本发明钢具有如下优点：
在成分设计上采用高碳，并添加一定量的Mn、Cr、V，同时严格控制P、S含量，使得该钢具有优良的综合力学性能。利用合理的轧制和卷取制度，在轧机轧制能力范围内提高钢卷性能。后期加工中设计了热轧卷→退火→酸洗→切割→加工→淬火→回火的工艺路线，利用退火工艺降低了剪切难度，并通过淬火+回火热处理得到回马氏体组织，利用钢中Mn、Ni、V等微合金的复合强化作用保证了钢材获得足够的强度和耐磨性。
本发明钢经淬火及回火后抗拉强度在1600~2200MPa，HRC在47~57，弹性极限高高屈服极限、高抗疲劳极限和较长使用寿命，可用于制造各类大型工程机械车辆离合器总成。
附图说明
图1为本发明的热轧态金相组织图；
图2为本发明的退火态组织金相组织图；
图3为本发明的淬火+回火态金相组织图。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述：
表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；
表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；
表3为本发明各实施例及对比例力学性能检验结果列表。
本发明各实施例按照以下步骤生产：
1）进行铁水脱硫；
2）进行转炉冶炼；
3）在LF炉中进行精炼；
4）在RH真空炉中进行处理，控制真空处理时间不少于20分钟；
5）连铸成坯：在连铸过程中电磁搅拌始终；并对铸坯在压下率为2%~8%进行压下；
6）铸坯经切割后进行坑式缓冷，并冷却至室温；
7）对切割后的铸坯加热，加热温度控制为1200～1300℃，加热速率控制为8～14分钟/厘米；
8）进行分段热轧：控制粗轧开轧温度在1050～1200℃，控制精轧终轧温度在900～950℃；
9）进行卷取，控制卷取温度在700～800℃；
10）进行缓冷，在冷却速度不超过20℃/小时下冷却至不超过200℃；
11）进行退火，退火温度为750～850℃，退火及保温时间不低于1550min；
12) 进行淬火：控制淬火温度在850～950℃，淬火保温时间不低于30min；
13）进行回火，控制回火温度在600～700℃，回火保温时间不低于50min；经回火后的金相组织为回火马氏体；
14）检验并待用。
表1 本发明各实施例与对比钢化学成分（wt％）
表2 本发明实施例与对比例的主要工艺过程
表3 本发明实施例与对比钢种的热处理工艺过程
注：表1至表3的各实施例取值并非一一对应关系。
表4 本发明实施例与对比例的力学检验结果
从表4可以看出，本发明钢种具有高强度（Rm：1600~2200MPa）、高弹性、高屈服极限和高抗疲劳极限，有良好的冷轧加工性能，可用于制造各类车辆离合器总成，特别是重型载重汽车。
上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。
