CN102943214A - 一种汽车用冷轧膜片弹簧钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种汽车用冷轧膜片弹簧钢及生产方法，其组分及重量百分比含量为：C：0.40~0.65，Si：0.15~0.35，Mn：0.60~1.00，P≤0.010，S≤0.007，Alt≤0.040，Ni：0.20~0.50，Cr：0.80~1.20，V：0.27~0.55，N≤0.005；控制金相组织为回火索氏体；工艺步骤：脱硫、冶炼、精炼、真空处理、连铸成坯并按温度分段保温、铸坯加热、轧制、卷取、缓冷、切割、第一次退火、第一次冷轧、第二次退火、第二次冷轧、成型、淬火、回火、待用。本发明具有优良的综合力学性能；利用退火工艺降低了剪切和冷轧难度，并通过淬火+回火热处理得到回马氏体组织，利用钢中Cr、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。
Description
技术领域
本发明涉及弹簧用钢，具体属于汽车膜片弹簧用冷轧钢及其生产方法。
背景技术
在本发明提出之前，涉及合金结构钢制造领域的同类技术产品较多，但针对汽车膜片弹簧钢，特别是冷轧汽车膜片弹簧钢方面的较少。经初步检索，如中国专利“汽车保险带弹簧片用钢带及其生产方法”专利申请号CN200510110463.4的专利文献，所涉及钢具有下列成分及质量百分比C≤0.15%，Si≤1.00%，Mn≤2.00%，Cr：16.00~17.00%， Ni：6.00~8.00%，P≤0.045%，S≤0.030%，其余为Fe和不可避免的杂质。该冷轧钢带与本发明相比，在化学成分上添加了较多的Cr和Ni，Si、Mn含量较高，C含量偏低，属于不锈钢类型钢种。虽然该钢有比较好的冷轧加工、综合力学性能和耐蚀性，但生产成本过高，不合适大批量生产使用。
澳大利亚专利文献AU19910078373“一种机动车离合器膜片弹簧用低合金冷轧钢”，该文献存在的不足是：轧制时轧机负荷较大，同时采用板坯→热处理→冷轧，属于单张轧制生产，保证了钢板压下率和综合力学性能，但板形控制难度增加，且生产效率低。日本专利文献JP19880302173“高强度热处理弹簧钢带及其生产方法”，存在的不足是：在化学成分上C、Si上限值较高，加入了Ni、Cr、Mo、V和Nb合金中的一种以上，同时还需要进行渗碳提高强度，生产成本偏高，且对生产设备要求较高，后期加工难度也较大。
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均采用“热轧→退火→加工→热处理”的工艺路线，通过退火处理降低钢的强度后再进行加工和热处理，但其产品综合力学性能和使用寿命达不到高档汽车离合器用钢的要求。因此，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，并减少钢板性能波动，可对钢卷进行冷轧后再进行加工生产。该系列工序对钢卷性能要求高，工艺繁琐，国内已有钢种不能完全满足设计要求，为此提出本发明。
发明内容
本发明针的目的在于解决在热轧中易出现的轧制断裂、铸坯内部易产生裂纹，影响产品质量的问题，从而提供一种所生产的膜片弹簧弹性极限高、屈服极限高、抗疲劳极限性能高和使用寿命较长的汽车用冷轧膜片弹簧钢及其生产方法。
实现上述目的的措施：
一种汽车用冷轧膜片弹簧钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.40~0.65，Si：0.15~0.35，Mn：0.60~1.00，P≤0.010，S≤0.007，Alt≤0.040，Ni：0.20~0.50，Cr：0.80~1.20，V：0.27~0.55，N≤0.005，余量为Fe及不可避免的夹杂；控制金相组织为回火索氏体。
生产一种汽车用冷轧膜片弹簧钢的方法，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18分钟；
5）连铸成坯：在连铸过程中进行电磁搅拌；
6）在保温罩内对铸坯进行温度分段保温：大于650℃时冷却速度不大于50℃/小时，在250～650℃范围内冷却速度范围200~300℃/小时，低于250℃时打开保温罩进行空冷；
7）铸坯加热，加热温度控制为1200～1300℃，加热速率控制为6～12分钟/厘米；
8）进行分段轧制：控制粗轧开轧温度在1080～1180℃，控制精轧终轧温度在800～900℃；
9）进行卷取，控制卷取温度在650～750℃；
10）进行缓冷，冷却速度控制在不超过40℃/小时下冷却至不超过200℃；
11）进行切割；
12）进行第一次退火，退火温度为700～840℃，退火时间：（6+0.5Q）×50分钟/吨钢,
式中，Q表示装入的钢板总重量，单位为吨；
13）进行第一次冷轧，其压下率控制在15～25%；
14）进行第二次退火，退火温度为500～600℃，退火时间：（6+0.5Q）×15分钟/吨钢,
式中，Q表示装入的钢板总重量，单位为吨；
15）进行第二次冷轧，其压下率控制在10～20%；
16）加工成型；
17）进行淬火，控制淬火温度在820～900℃，淬火时间为板厚（毫米）另外加30分钟；
18）进行回火，控制回火温度在450～600℃，回火时间为板厚（毫米）另外加50分钟；
19）待用。
其特征在于：当压下率大于25%时进行二次冷轧；当压下率不超过25%时进行一次冷轧。
本发明中各元素及主要工艺参数的作用及机理：
C：其是提高钢材强度最有效的元素，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，结合现有的同类型钢种，本发明钢的C含量应控制在0.40%~0.65%以内，保证钢板有高强度、高淬硬性、高耐磨性等。
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。本发明钢的Si含量控制在0.15%~0.35%范围内可满足要求。
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约可为抗拉强度贡献100MPa。考虑到本发明钢的强度范围，因此将Mn控制在0.60%~1.00%。
Al：其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0.040%以内。
Cr：其能提高钢的淬透性并有二次硬化的作用，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。能够提高钢材抗氢脆能力和回火稳定性。同时，Cr还能提高钢卷表面质量，便于后期冷轧加工。考虑到上述分析结果，将Cr含量控制在0.80%~1.20%。
Ni：其是扩大γ相、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，它能在钢中强化铁素体并细化珠光体，提高退火后的珠光体球化比率，降低剪切应力，提高冷轧加工性能。同时，添加Ni后可明显提高钢卷的韧性，提高了钢的冲击性能。但加入Ni含量过多会使得钢卷加热时易产生致密氧化层，在冷轧过程中会压入钢卷，影响表面质量。同时，过多的Ni含量会提高钢的强度，造成塑性降低。因此，综合考虑将Ni含量控制在0.20%~0.50%。
V：其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。汽车离合器弹簧钢热处理时要进行回火，V在中温回火时发生弥散状态分布，产生二次硬化，降低材料的塑性，使用时容易发生断裂。因此，设计时要将V控制在0.27%~0.55%。
杂质元素P、S尽管在钢中含量甚少，但对钢的冷加工性能有很大影响。因此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0.010%以内，S控制在0.007%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0.005%以内。
本发明将炼钢工艺中的真空处理时间限定不少于18min，其目的是通过增加真空处理时间可较好的降低钢中杂质、气体含量。
还有规定在连铸时必须进行电磁搅拌，是因为钢含碳量、合金元素含量较高，以降低元素偏析。
还要求对铸坯按照温度段不同采取不同的缓冷速度，目的就是避开高温脆化区域，防止断坯，减少铸坯裂纹，提高铸坯质量。
关于轧钢工艺方面：
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℃，加热速率为6~12min/cm，确保铸坯受热温度均匀。粗轧和精轧时，设定温度要比常规低合金钢高，以减小轧机设备负荷。同时，要考虑钢的临界点温度，避免出现混晶现象。因此，钢的粗轧开轧温度控制为1080~1180℃，精轧终轧温度控制为800~900℃，卷取温度控制为650~750℃。
卷取后对钢卷进行缓冷工艺，是为了降低卷取应力并使得钢卷不同部位力学性能均匀。
关于热处理工艺方面：
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：钢卷→退火→切割→冷轧→（退火→冷轧，根据实际要求确定冷轧次数）加工→淬火→回火→检验发货。之所以采用直接退火后再进行切割，是为了减小钢卷直接切割时发生边部裂纹甚至断带。退火后钢卷为球化珠光体，强度较低，便于剪切加工。而采用多次退火及冷轧，则是为了降低冷轧难度，减小单道次压下量，避免在冷轧过程中断带。经大量实验发现，第一次退火温度设计为700~840℃是为了大幅下降钢卷强度，并使得钢的珠光体组织球化，易于剪切加工。第二次退火温度设计为500~600℃主要是为了消除冷轧后的应力，降低强度，易于进一步的冷轧工序。
淬火温度设计为820~900℃，回火温度设计为450~600℃，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。
本发明与现有技术相比，在成分设计上采用中碳，并添加一定量的Mn、Cr、Ni、V，同时严格控制P、S含量，使得本发明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→切割→加工→淬火→回火的工艺路线，利用退火工艺降低了剪切和冷轧难度，并通过淬火+回火热处理得到回马氏体组织，利用钢中Cr、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。
本发明钢通过轧制和热处理后，具有高强度、高弹性、高屈服极限、高抗疲劳极限和较长使用寿命，可用于制造各类车辆特别是高档轿车离合器总成。
附图说明
附图为本发明的冷轧态组织图。
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组分取值列表；
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检验结果情况列表；
本发明各实施例按照以下步骤生产：
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18分钟；
5）连铸成坯：在连铸过程中，进行电磁搅拌；
6）在保温罩内对铸坯进行温度分段保温：大于650℃时冷却速度不大于50℃/小时，在250～650℃范围内冷却速度范围200~300℃/小时，低于250℃时打开保温罩进行空冷；
7）多铸坯加热，加热温度控制为1200～1300℃，加热速率控制为6～12分钟/厘米；
8）进行分段轧制：控制粗轧开轧温度在1080～1180℃，控制精轧终轧温度在800～900℃；
9）进行卷取，控制卷取温度在650～750℃；
10）进行缓冷，冷却速度控制在不超过40℃/小时下冷却至不超过200℃；
11）进行切割；
12）进行第一次退火，退火温度为700～840℃，退火时间：（6+0.5Q）×50分钟/吨钢,
式中，Q表示装入的钢板总重量，单位为吨；
13）进行第一次冷轧，其压下率控制在15～25%；
14）进行第二次退火，退火温度为500～600℃，退火时间：（6+0.5Q）×15分钟/吨钢,
式中，Q表示装入的钢板总重量，单位为吨；
15）进行第二次冷轧，其压下率控制在10～20%；
16）加工成型；
17）进行淬火，控制淬火温度在820～900℃，淬火时间为板厚（毫米）另外加30分钟；
18）进行回火，控制回火温度在450～600℃，回火时间为板厚（毫米）另外加50分钟；
19）待用。
表1 本发明各实施例与对比钢种化学成分（wt％）
表2 本发明各实施例与对比钢种的主要工艺过程（一）
表2 本发明各实施例与对比钢种的主要工艺过程（二）
表3 本发明实施例与对比钢种的力学检验结果
从表3可以看出，本发明钢种有良好的冷热加工性能，并具有高强度（Rm：1600~2000MPa）、高弹性、高屈服极限和高抗疲劳极限，可用于制造各类车辆离合器总成，特别是高档轿车。
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。
Claims (3)
1.一种汽车用冷轧膜片弹簧钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.40~0.65%，Si：0.15~0.35%，Mn：0.60~1.00%，P≤0.010%，S≤0.007%，Alt≤0.040%，Ni：0.20~0.50%，Cr：0.80~1.20%，V：0.27~0.55%，N≤0.005%，余量为Fe及不可避免的夹杂；控制金相组织为回火索氏体。
2.生产如权利要求1所述的一种汽车用冷轧膜片弹簧钢的方法，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18分钟；
5）连铸成坯：在连铸过程中进行电磁搅拌；
6）在保温罩内对铸坯进行温度分段保温：大于650℃时冷却速度不大于50℃/小时，在250～650℃范围内冷却速度范围200~300℃/小时，低于250℃时打开保温罩进行空冷；
7）铸坯加热，加热温度控制为1200～1300℃，加热速率控制为6～12分钟/厘米；
8）进行分段轧制：控制粗轧开轧温度在1080～1180℃，控制精轧终轧温度在800～900℃；
9）进行卷取，控制卷取温度在650～750℃；
10）进行缓冷，冷却速度控制在不超过40℃/小时下冷却至不超过200℃；
11）进行切割；
12）进行第一次退火，退火温度为700～840℃，退火时间：（6+0.5Q）×50分钟/吨钢,
式中，Q表示装入的钢板总重量，单位为吨；
13）进行第一次冷轧，其压下率控制在15～25%；
14）进行第二次退火，退火温度为500～600℃，退火时间：（6+0.5Q）×15分钟/吨钢,
式中，Q表示装入的钢板总重量，单位为吨；
15）进行第二次冷轧，其压下率控制在10～20%；
16）加工成型；
17）进行淬火，控制淬火温度在820～900℃，淬火时间为板厚（毫米）另外加30分钟；
18）进行回火，控制回火温度在450～600℃，回火时间为板厚（毫米）另外加50分钟；
19）待用。
3.如权利要求2所述的生产一种汽车用冷轧膜片弹簧钢的方法，其特征在于：当压下率大于25%时进行二次冷轧；当压下率不超过25%时进行一次冷轧。
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