CN116145016A - 具有优异卷绕和耐腐蚀性的超高强度弹簧钢丝及生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有优异卷绕和耐腐蚀性的超高强度弹簧钢丝制备方法，在感应加热热处理工艺中，对钢丝感应加热至950～980℃，然后通过过饱和蒸汽对钢丝表面进行氧化层镀膜，镀膜后进入恒温循环水冷系统完成一级淬火，然后钢丝快速升温进行二次奥氏体化，之后钢丝进入恒温循环水冷系统进行二级淬火，二级淬火后钢丝进行回火，之后钢丝进入材料表层回火区进行表层材料高温回火，表层回火后采用水冷至室温。本发明制得的弹簧钢丝，其抗拉强度在2150～2250MPa或更高强度范围，断面收缩率40％以上，钢丝基体奥氏体晶粒尺寸具有9μm或更小的平均粒径。另外，钢丝材料表层10～30μm深度具有致密的防腐蚀氧化层以及表层0.8mm深度范围内低强度区域过渡层，具有增强的卷绕性和耐腐蚀性。可用于制作汽车悬架或制动弹簧用钢丝，提升了超高强度弹簧钢丝材料的应用稳定性及相应弹簧的设计应力。
Description
技术领域
本发明涉及弹簧钢丝材料技术领域，具体为一种抗拉强度在2150～2250MPa或更高强度范围内卷绕性和耐腐蚀性被增强的淬火回火弹簧钢丝。
背景技术
汽车悬架弹簧或制动弹簧是汽车重要的安全性承载部件，其制作材料主要为淬火回火钢丝。随着汽车轻量化和高性能化的推进，以及弹簧设计应力的不断提升都需要高强度的淬火回火钢丝材料来满足其性能需求。淬火回火钢丝强度的提高可从原材料合金成分设计以及感应热处理工艺上进行开发，目前，主要汽车弹簧钢系为Si-Mn系、Cr-Mn系、Cr-V系和Si-Cr系，国内采用工业化感应热处理线可以批量生产的弹簧钢丝抗拉强度基本在1800～2000MPa之间，大多为Si-Cr系，且已公开的发明中在55SiCr弹簧钢的基础上添加微合金化元素V和Nb结合目前感应热处理生产线已可将钢丝强度提升到2100MPa。但随着弹簧设计应力提升到1300MPa以上，则需要更高强度的钢丝材料来满足，而继续通过添加材料合金元素来提升材料强度将带来昂贵的材料成本。如何在感应热处理工艺上进一步实现细化晶粒尺寸来提升材料强韧性的目的，从节约成本的角度出发是开发者需要解决的问题。
随着工业化上大批量应用强度高于2050MPa的钢丝材料，材料强度越高对材料表面的要求越高，高强度钢丝材料面临着在盘卷状态以及卷簧过程中容易发生断裂的风险增大。淬火回火钢丝生产属于感应加热——淬火——感应回火连线生产，从生产效率出发，回火时间不可能很长，通常无法通过回火将残留内应力彻底消除，钢丝生产完成后，材料进入收线阶段，必须将原来直线状态的钢丝卷成盘状后包装，材料在盘卷后其外圈将处于拉应力状态，热处理过程中残留内应力和盘状储存产生的拉应力相叠加，使得材料储存过程一直处在较高残余应力状态，在材料表面如有微小缺陷或发生腐蚀情况，则在应力作用下易发生断裂，材料强度越高越敏感，断裂风险越大。同样，高强度或超高强度钢丝在弹簧卷制变形时如表面有瑕疵或腐蚀其断裂风险亦较高。因此，超高强度钢丝材料在工业化大批量应用中如何避免或降低这些风险同样是开发者面临的技术问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述背景技术中存在的问题，提供一种具有优异卷绕和耐腐蚀性的超高强度弹簧钢丝。该钢丝的抗拉强度在2150-2250MPa或更高强度范围，钢丝基体奥氏体晶粒尺寸具有9μm或更小的平均粒径。另外，钢丝材料表层10～30μm深度具有致密的防腐蚀氧化层以及表层0.8mm深度范围内低强度区域过渡层，具有增强的卷绕性和耐腐蚀性。
另外本发明还涉及一种具有优异卷绕和耐腐蚀性的超高强度弹簧钢丝的生产方法，采用一级+二级水淬火处理技术，采用感应加热技术，所述方法包括：
所述弹簧钢丝的化学成分中含有V和Nb微合金化元素，以质量百分比计为：C 0.52～0.60％，Si 1.60～2.0％，Mn 0.6～0.8％，Cr 0.6～0.90％，V 0.10～0.20％，Nb 0.02～0.04％，O≤0.002％，N≤0.004％，Al≤0.004％，S≤0.008％，P≤0.008％，H≤0.0002％，余量为Fe及不可避免的杂质。
在感应加热热处理工艺中，对钢丝感应加热至950～980℃，然后通过过饱和蒸汽管道对钢丝表面10～30μm深度进行氧化层镀膜，镀膜后进入恒温循环水冷系统完成一级淬火，淬火后钢丝温度100～150℃，然后钢丝快速升温至890～930℃进行二次奥氏体化，之后钢丝进入恒温循环水冷系统进行二级淬火，淬火后钢丝温度40～80℃，二级淬火后钢丝进入回火段进行回火，回火温度400～450℃，之后钢丝进入材料表层回火区进行表层材料高温回火，表层回火深度0.8mm范围，回火温度430-480℃。表层回火后采用15～25℃的水冷冷至室温，冷速200～300℃·s-1
作为本发明一个较佳实施例，所述生产方法包括如下步骤：
S1盘条制备：将上述合金成分经冶炼、精炼、大方坯连铸、开坯、表面全剥皮处理、高速线材轧机轧制、斯太尔摩控冷线冷却，制成弹簧钢盘条
S2拉拔探伤修磨处理：将制备的盘条通过涡流探伤设备对表面0.07mm以上缺陷进行探伤识别和人工修磨，并拉拔定径。
S3一级感应加热：经过拉拔定径的盘条线材通过在线感应加热热处理生产线的升温段将线材加热至950～980℃完成组织奥氏体化，加热后的线材紧接着行进至表面氧化镀膜工段；
S4镀氧化膜：在镀膜工段中对高温线材进行在线表面氧化处理，使得钢丝线材表面形成一层致密的氧化保护膜层，镀膜后的钢丝行进至一级淬火工段；
S5一级水淬火：在一级淬火工段中对钢丝进行水淬火处理，控制水温为70～80℃，将钢丝整体温度降至100～150℃，经一级淬火处理后的钢丝行进至二级快速感应加热段；
S6二级感应加热：对一级淬火后的钢丝再次进行感应加热快速升温至890～930℃，完成组织奥氏体化。紧接着进入二级淬火工段；
S7二级水淬火：对钢丝进行二级水淬火处理，控制水温为35～45℃，将钢丝整体温度降至40～80℃完成马氏体转变，经二级淬火处理后的钢丝行进至中频感应回火段；
S8中频感应回火：在回火段对淬火后的钢丝进行在线回火，完成回火屈氏体组织转变；
S9超高频感应回火：在感应加热热处理生产线回火段的末端设置1～2节感应加热线圈，所述感应加热线圈采用超高频感应加热，对成品钢丝的近表层组织进行特定处理，感应加热线圈采用30～50万Hz的输入频率，使感应电流透入钢丝的深度控制在表层0.8mm深度范围内，使得该深度内的材料强度相对基体内部强度显著降低；
S10涡流探伤：采用涡流探伤仪对钢丝进行探伤，在线监测材料表面质量；
S11制成成品：对钢丝通过收卷装置进行收线，检验入库后获得具有特殊表面性能的超高强度弹簧钢丝成品。
其中，所述的步骤S2中，盘条材料的表面氧化皮采用环保的抛丸技术进行去除，线材以0.6～1m/s的速率在线通过直通式涡流探伤仪，有效识别线材表面深度0.07mm及以上尺寸的缺陷，并报警停机进行缺陷的人工修磨。
其中，所述的步骤S4中，感应加热后温度在950～980℃的钢丝通过耐高温管道，并在所述管道中通入温度在450～500℃的过饱和蒸汽，使钢丝表面生成一层致密的Fe3O4氧化层，该反应的化学方程式为：3Fe+4H2O(过饱和)＝Fe3O4+4H2，该氧化层致密度高可有效提升材料表面的耐腐蚀性。
其中，所述的步骤S5中，一级冷却系统由3段长度为1.2m的圆形管道串联而成，每段管道两边装有4根喷头向管内注入带有压力的循环恒温冷却水，对通过管道的钢丝进行淬火冷却，控制水温为70～80℃，将一级淬火后钢丝整体温度降至100～200℃。
其中，所述的步骤S6中，采用200KW/250KHZ的高频电源将一级淬火后的钢丝采用2节感应加热线圈(每节长度0.8-1m)迅速由100～150℃温度升至890～930℃奥氏体区间，升温速率150～200℃/s。二次奥氏体化(二级感应加热)最高加热温度比所述S3步骤中一次奥氏体化(一级感应加热)最高加热温度低20～30℃。感应加热线圈采用外套箱体作为保温和防护措施。钢丝材料二级感应加热快速升温可以获得更细小的奥氏体晶粒尺寸，表现在一方面由于快速加热时间短阻碍了组织中碳化物的分解，未溶解的碳化物通过抑制晶界的移动从而抑制奥氏体晶粒尺寸的长大。另一方面，加热速度快使得再结晶温度推向更高的温度从而导致奥氏体晶粒尺寸细化。奥氏体尺寸的细化直接关系到在随后的淬火过程中获得更加细小的马氏体块或马氏体束晶粒尺寸。从而实现材料的细晶强化作用，从工艺上进一步提升钢丝的强度和韧性。
由于奥氏体晶粒尺寸与最高加热温度有关，最高加热温度越高，奥氏体晶粒尺寸长大趋势越大，二次感应加热最高温度比一次感应加热最高温度低20—30℃是为了避免相对一次感应加热发生奥氏体晶粒长大的倾向。
二次快速感应加热在一次感应加热晶粒细化基础上发生再结晶，晶粒尺寸进一步得到细化，控制二次感应加热温度低于一次感应加热温度避免细化的奥氏体晶粒尺寸发生长大倾向。
其中，所述的步骤S7中，二级冷却系统由1个旋转喷头和3段长度为1.2m的圆形管道串联而成，每段管道两边装有4根喷头向管内注入带有压力的循环恒温冷却水，冷却水中加入淬火剂提升冷却速度，对通过管道的钢丝进行淬火冷却，控制水温为35～40℃，将二级淬火后钢丝整体温度降至40～80℃。通过二级淬火快速冷却转变，抑制晶粒尺寸长大速度，获得具有9μm或更小的平均粒径奥氏体组织。同时，增大了奥氏体转变为马氏体的量，降低残留奥氏体量。通过二级淬火工艺，可使钢丝中的马氏体转变量增大且获得更加细小的马氏体组织，通过下文中的试验对比可为钢丝提供约100MPa左右的强度增量。
其中，所述的步骤S9中，采用350KW/500KHZ的高频电源，感应线圈输入30～50万Hz的频率，根据感应加热技术的集肤效应原理，使感应电流透入钢丝的深度控制在表层0.8mm深度范围内，对材料表层进行相对较高的二次回火，降低材料表层硬度，可有效防止表层硬度过高对表面缺陷及应力腐蚀发生断裂的敏感性。此外，由于材料表层金属的硬度降低，在超高强度钢丝卷绕成弹簧过程中减少了材料表层和绕制导轨及刀具之间的摩擦效应，显著降低了刀具和材料表层产生摩擦淬硬层而产生断裂的风险，使得超高强度弹簧钢丝材料具有优异的卷绕性。
为实现上述发明目的，本发明还提供了一种具有优异卷绕和耐腐蚀性的超高强度弹簧钢丝，采用如上所述的生产步骤制备而来。所述弹簧钢丝的直径为8～20mm，抗拉强度≥2150MPa，断面收缩率≥40％，基体组织奥氏体晶粒尺寸具有9μm或更小的平均粒径，并具有表面抗腐蚀性和表面软化特性。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明在现有弹簧钢感应热处理线上增加二级淬火工艺技术，从工艺上实现了弹簧钢感应热处理材料组织晶粒尺寸的进一步细化。相比一级淬火工艺，二级淬火工艺显著提升了弹簧钢丝的抗拉强度，其强度增量约100Mpa左右，实施例结果测试证明，本发明制得的55SiCrVNb弹簧钢，其抗拉强度达到了2200MPa以上，断面收缩率40％以上。
本发明提供的具有优异卷绕和耐腐蚀性的超高强度弹簧钢丝，钢丝奥氏体平均晶粒尺寸具有9μm或更小，钢丝表层深度10-30μm具有致密的耐腐蚀氧化层及深度0.8mm范围内低硬度区域过渡层，显著地降低了超高强度弹簧钢丝对表面质量的高要求所带来的断裂风险，减少了其绕制中的表面摩擦效应，提升了超高强度材料的应用稳定性。
附图说明
图1为本发明的感应加热二级淬火改进型热处理工艺曲线。
图2为现行的感应加热热处理工艺曲线。
图3为实施例与对比例制得的弹簧钢丝应力应变曲线。
图4为实施例与对比例制得的钢丝组织奥氏体晶粒尺寸对比图。
图5为本实施例中制得的钢弹簧钢丝表面氧化层厚度和成分分析图。
图6为本实施例中制得的弹簧钢丝表层硬度过渡层分布曲线图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，以下结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例
本实施例提供一种具有优异卷绕和耐腐蚀性的超高强度弹簧钢丝的制备方法，该弹簧钢丝的化学成分中含有V和Nb微合金化元素，以质量百分比计为：C 0.55％，Si1.82％，Mn 0.65％，Cr 0.71％，V 0.14％，Nb 0.026％，O≤0.0015％，N 0.0032％，Al0.0023％，S 0.003％，P 0.003％，H 0.00015％，余量为Fe及不可避免的杂质。制备过程如下：
S1冶炼→精炼→大方坯连铸→开坯→表面全剥皮处理→高速线材轧机轧制→斯太尔摩控冷线冷却→φ16mm弹簧钢盘条。
S2拉拔探伤修磨
S2.0将弹簧钢盘条抽出，以0.7m/s的速度经过矫直轮进行矫直处理后通过抛丸机对其表面进行去除氧化皮处理；
S2.1表面经过喷丸处理后，在线进入直通式涡流探伤仪对其表面深度0.07mm以上的缺陷进行有效识别和报警，报警停机后进行人工修磨缺陷处理，消除表面缺陷对钢丝质量的影响。
S2.2表面在线探伤过的弹簧盘条线材在线进入φ14.3规格的拉拔模具进行拉拔定径处理，盘条定径后的尺寸为最后卷制成品弹簧的直径尺寸。
S3一级感应加热：经过拉拔定径的盘条线材在感应热处理生产线上进行放线，钢丝送线速度18m/min，通过在线感应加热热处理生产线的升温段将线材加热至960℃±5℃完成组织奥氏体化，加热后的线材紧接着行进至表面氧化镀膜工段；
S4镀氧化膜：在镀膜工段中对高温线材进行在线表面氧化处理，过饱和蒸汽设定温度480℃，过饱和蒸汽流量15L/min，过饱和蒸汽与高温钢丝表面反应形成一层致密的氧化保护膜层，镀膜后的钢丝行进至一级淬火工段；
S5一级水淬火：在一级淬火工段中对钢丝进行水淬火处理，控制水温为75℃，将钢丝整体温度降至110℃，经一级淬火处理后的钢丝行进至二级快速感应加热段；
S6二级感应加热：对一级淬火后的钢丝再次进行感应加热快速升温至930℃±5℃，完成组织奥氏体化。紧接着进入二级淬火工段；
S7二级水淬火：对钢丝进行二级水淬火处理，控制水温为36℃，将钢丝整体温度降至45℃完成马氏体转变，经二级淬火处理后的钢丝行进至中频感应回火段；
S8中频感应回火：在回火段对淬火后的钢丝进行在线回火，回火温度设定410℃，完成回火屈氏体组织转变；
S9超高频感应回火：末端的2节感应加热线圈，采用45万Hz的输入频率，使感应电流透入钢丝的深度控制在表层0.8mm深度范围内，表层回火温度450℃使得该深度内的材料强度相对基体内部强度显著降低；
S10涡流探伤：采用涡流探伤仪对钢丝进行探伤，在线监测材料表面质量；
S11制成成品：对钢丝通过收卷装置进行收线，检验入库后获得具有特殊表面性能的超高强度弹簧钢丝成品。
对比例
对比例弹簧钢的合金成分与实施例相同，但对比例采用现行的感应加热一级淬火回火工艺，取消二级感应加热和二级淬火步骤，其它制备过程及条件与实施例相同。
实施例和对比例感应热处理后的力学性能见表1，二者的应力应变曲线见图3以及二者的奥氏体晶粒尺寸比对见图4。
表1实施例与对比例的感应热处理工艺及钢丝力学性能
注:表1中，σs-屈服强度,σb-抗拉强度,εt–延伸率，Z–断面收缩率
由表1实施例和对比例的力学性能和图3中实施例和对比例的应力应变曲线以及图4中实施例和对比例的奥氏体晶粒尺寸可知：
实施例中弹簧钢丝经过改进型感应加热二级淬火工艺热处理，其抗拉强度较对比例经过现行的感应加热淬火回火热处理增加了108MPa左右，屈服强度同样增加103MPa左右，断面收缩率由43％变化到45％，延伸率由9.1％增大到9.8％，其弹簧钢丝的强度和塑性具有明显提升。其钢丝强韧性得到提升的本质原因在于改进型感应热处理工艺上的细晶强化作用。图4中，对比例的奥氏体平均粒径在18.4μm，实施例的奥氏体平均粒径在9.2μm，可知奥氏体晶粒明显细化，奥氏体晶粒的细化有利于在淬火后马氏体转变得到更细小的马氏体板条或马氏体束，为弹簧钢丝的强韧性提升带来增量。
由图5实施例的表面耐腐蚀层厚度和成分以及图实施例的表面硬度过渡层分布可知：
实施例中超高强度弹簧钢丝在表层深度17μm左右具有一层致密的氧化膜，氧化膜成分主要为四氧化三铁，该膜层可以有效阻止腐蚀环境下腐蚀介质向材料基体内部的腐蚀，显著提升了高强度或超高强度弹簧材料表面抗应力腐蚀断裂风险。此外，在材料表面深度0.8mm内，表层硬度为600HV左右低于材料基体硬度660HV左右，在弹簧材料卷绕中显著降低了材料表面与卷制刀具及导轨的摩擦效应，有效降低了由于摩擦产生淬硬层而导致的断裂风险，以上超高强度弹簧钢丝表面的特殊性能显著提升了其大批量应用稳定性。
Claims (8)
1.一种具有优异卷绕和耐腐蚀性的超高强度弹簧钢丝的生产方法，其特征在于，所述弹簧钢丝的化学成分中含有V和Nb微合金化元素，以质量百分比计为：C 0.52～0.60％，Si1.60～2.0％，Mn 0.6～0.8％，Cr 0.6～0.90％，V 0.10～0.20％，Nb 0.02～0.04％，O≤0.002％，N≤0.004％，Al≤0.004％，S≤0.008％，P≤0.008％，H≤0.0002％，余量为Fe及不可避免的杂质；
在感应加热热处理中，先对钢丝表面一定深度层进行在线镀氧化膜层，然后进行一级和二级水淬火工艺处理，最后在对钢丝表层进行高温回火处理；
所述方法具体包括如下步骤：
S1盘条制备：将上述合金成分经冶炼、精炼、大方坯连铸、开坯、表面全剥皮处理、高速线材轧机轧制、斯太尔摩控冷线冷却，制成弹簧钢盘条；
S2拉拔探伤修磨处理：将制备的盘条通过涡流探伤设备对表面缺陷进行探伤识别和人工修磨，并拉拔定径；
S3一级感应加热：经过拉拔定径的盘条线材通过在线感应加热热处理生产线的升温段将线材加热至950～980℃完成组织奥氏体化，加热后的线材紧接着行进至表面氧化镀膜工段；
S4镀氧化膜：在镀膜工段中，高温钢丝与过饱和蒸汽在线进行反应，使得钢丝线材表面形成一层致密的氧化膜层，镀膜后的钢丝行进至一级淬火工段；
S5一级水淬火：在一级淬火工段中对钢丝进行水淬火处理，控制水温为70℃～80℃，将钢丝整体温度降至100～150℃，经一级淬火处理后的钢丝行进至二级快速感应加热段；
S6二级感应加热：对一级淬火后的钢丝再次进行感应加热快速升温至890～930℃，升温速度200～300℃/s完成组织奥氏体化，保温2～4s后紧接着进入二级淬火工段；
S7二级水淬火：对钢丝进行二级水淬火处理，控制水温为35～45℃，将钢丝整体温度降至40～80℃完成马氏体转变，经二级淬火处理后的钢丝行进至中频感应回火段；
S8中频感应回火：在回火段对淬火后的钢丝进行在线回火，回火温度400～460℃完成回火屈氏体组织转变；
S9超高频感应回火：在中频感应回火段末端设置1～2节超高频感应加热线圈，采用30～50万Hz的输入频率，使得表面0.8mm深度范围内的材料强度相对基体内部强度显著降低；
S10涡流探伤：采用涡流探伤仪对钢丝进行探伤，在线监测材料表面质量；
S11制成成品：对钢丝通过收卷装置进行收线，检验入库后获得具有特殊表面性能的超高强度弹簧钢丝成品；
制备完成具有优异卷绕和耐腐蚀性的超高强度弹簧钢丝，该钢丝的抗拉强度在2150-2250MPa或更高强度范围，钢丝基体奥氏体晶粒尺寸具有9μm或更小的平均粒径；另外，钢丝材料表层10～30μm深度具有致密的防腐蚀氧化层以及表层0.8mm深度范围内低强度区域过渡层，具有增强的卷绕性和耐腐蚀性。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，采用抛丸对其材料表面去除氧化皮，并设置探伤参数对深度0.07mm及以上缺陷有效识别报警并人工打磨修复。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，高温钢丝在950～980℃，在耐高温管道内通入400～500℃或更高的过饱和蒸汽与通过的钢丝表面反应生产致密氧化层。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S5中，所述钢丝的行进速度为10～30m/min经过冷却系统，一级淬火的冷却介质为30～45℃的恒温软水或加有淬火剂的水，淬火后钢丝材料的温度在100～150℃，冷却速率200～350℃/s。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S6中，钢丝二次感应快速升温到890～930℃奥氏体化，升温速率200～300℃/s，钢丝二次感应加热最高加热温度低于S3步骤中一级感应加热最高加热温度20～30℃，保温2～4s。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S7中，钢丝进行二次水冷淬火工艺，控制冷却水温为35～40℃，将二级淬火后钢丝整体温度降至40～80℃。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S9中，钢丝进行表层超高频感应加热回火，电流透入深度0.8mm范围内，表层高温回火温度440～480℃。
8.一种具有优异卷绕和耐腐蚀性的超高强度弹簧钢丝，其特征在于，采用如权利要求1～6任一项所述的生产方法制备而成。
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