本發明涉及鋼板彈簧，具體是一種微合金化的第三代汽車用彈簧扁鋼及制備方法。

背景技術：

隨著汽車輕量化發展需求推動汽車用彈簧扁鋼強度不斷提高，需要一種高強度彈簧扁鋼取代1500mpa以下級別普通彈簧扁鋼的發展趨勢越來越明顯。此外，彈簧扁鋼材料強度提高后，其韌性惡化導致其易發生斷裂，影響車輛安全。同時淬透性變差，不利于變截面厚規格鋼板彈簧的生產制造，無法滿足重型載重商用車的發展需要。

彈簧作為減震系統最重要的彈性元件，廣泛應用于汽車、鐵路、航空、航海、國防等領域。由于服役環境的特殊性，要求彈簧鋼具有較高的強度、良好韌性和優異的淬透性以及優良彈性減退抗力。隨著科技的進步和制造水平的提高，各行業對彈簧性能提出了更高的要求，推動彈簧鋼材料向著更高的強度不斷發展。汽車制造一直是彈簧鋼用量最大的行業，例如在日本，汽車、摩托車所用彈簧占其國內彈簧鋼生產總量的64.9％，每年需求量超過10萬噸。

懸架彈簧是汽車底盤減振系統中的重要功能性零件，主要作用是吸收振動保證乘員的舒適性。20世紀80年代以來，節能、環保、安全已成為汽車設計的首要考慮因素，推動了汽車制造技術的進步，受此影響，汽車懸架彈簧發展趨勢總體上向輕量化、高應力、高可靠度方向發展。彈簧的設計應力提高20％，其重量可減少約25％，從而降低車輛行駛過程中的油耗，達到節能減排的目的，但同時必須保持高疲勞壽命。

經檢索，在所查公開發表文獻中，有關于高匹配、強韌性、高淬透性第三代汽車用彈簧扁鋼的報道如下：

中國專利申請號cn201510096873.1公開了一種耐候彈簧扁鋼，按重量百分比計，其成分為：si0.30～0.40%、mn0.85～0.95%、c0.54～0.62%、cr0.85～0.95%、b0.001～0.004%、p≤0.025%、s≤0.020%、ni≤0.25%、cu≤0.25%、鋼材中n≤0.0070%，余量為fe；生產該鋼種的熱處理制度如下：淬火溫度/℃830～860，淬火介質：油，回火溫度/℃470～530。該鋼抗回火彈性較差，主要是其含硅量較低；同時，其強度較低，屈服強度均值為1340mpa，抗拉強度均值為1400mpa，不適宜用于中型、重型系列卡車，不適合汽車輕量化發展。

中國專利申請號cn01104026.2公開了一種高強度、高韌性彈簧鋼，所述彈簧鋼含有（重量%）：c0.30～0.50％，si1.80～3.00％，mn0.40～0.80％，cr0.90～1.60％，ni0～2.10％，mo0～0.40％，v0.08～0.40％，cu≤0.25%，p≤0.020%，s≤0.020%，其余是鐵和其他不可避免的雜質。經熱處理后其機械性能可達到屈服強度≥1750mpa，抗拉強度≥1950mpa，a≥9%，z≥30%。該發明鋼含有較高的si成分，雖能保證較強的抗彈減性，但氧化脫碳傾向非常大，且含有較多價格昂貴的v合金元素，成本較高。

中國專利申請號cn201610265672.4公開了一種高強度耐蝕彈簧鋼及其制造方法，其化學元素質量百分比為：c：0.50-0.65％；si：1.35-2.20％；mn：0.55-1.55％；cr：0.60-1.70％；ni：0.20-1.2％；cu：0.20-1.0％；v：0.05-0.20％；nb：0.01-0.15％；al：0.001-0.020％；n：0.002-0.008％；o：0.0007-0.006％；余量為fe和其他不可避免的雜質。相應地，本發明還提供了該高強度耐蝕彈簧鋼的制造方法。本發明所述的高強度耐蝕彈簧鋼的抗拉強度可以達到2000mpa以上，由于該鋼含有的化學成分復雜多樣，增加了冶煉過程中成分命中率和夾雜物控制難度，合格率較低導致成本較高，市場接受度極低。

中國專利申請號cn200510018800.7公開了高強韌性高淬透性彈簧扁鋼，其特征在于：其化學成分為（重量百分比）：c0.48～0.55%、si0.17～0.37%、mn0.70～1.00%、cr0.80～1.10%、b0.001～0.004%、ni≤0.35%、cu≤0.25%、p≤0.03%、s≤0.03%，其余為fe。本發明的目的旨在提出一種強韌性與50crva相當，淬透性與60crmnba相當，且價格經濟的高強韌性高淬透性彈簧鋼材料。該鋼因其含si量較低抗回火彈性較差，同時，該鋼強度級別及淬透性方面均無法滿足高端用戶要求。

技術實現要素：

本發明提供一種微合金化的第三代汽車用彈簧扁鋼汽車用彈簧扁鋼及其制備方法，旨在得到低成本、微合金化、綜合機械性能匹配合理的高淬透性的彈簧扁鋼材料，可滿足汽車行業發展要求。

為此本發明的技術方案為，一種微合金化的第三代汽車用彈簧扁鋼，其組分按重量百分比含量為：c0.48~0.60%，si0.4~0.8%，mn0.60~1.00%，cr0.80％～1.20％，nb0.01％～0.05％，b0.0005％～0.003％，p≤0.025%，s≤0.025%，cu≤0.25%，ni≤0.35%，ti≤0.02%，其余為fe。

一種微合金化的第三代汽車用彈簧扁鋼的制備方法，工藝流程包括高爐鐵水，其特征在于：高爐鐵水→鐵水脫硫→轉爐冶煉→lf精煉→rh真空處理→方坯保護澆注→方坯加熱→軋制→冷床緩冷→定尺剪切；

其詳細步驟為：

首先采用噴鎂粉脫硫工藝，因為會造成回s的狀況，所以控制出站鐵水硫含量s≤0.005%；

其次為：轉爐采用頂-底復合吹煉，終點采用高拉補吹工藝，補吹次數≤2次，終渣堿度≥2.5，轉爐終點c控制目標≥0.06～0.35%；轉爐初煉時鋼水溫度1620～1690℃，初煉時間20～60℃；

第三：lf精煉，精煉溫度1520～1600℃，精煉時間≥25min，精煉過程全程吹氬；

第四：rh真空處理，真空度≤100pa，處理時間不低于15min；

第五：方坯保護澆注，保護連鑄，采用結晶器浸入式水口保護澆注，中包保護渣采用堿性保護渣；鑄坯拉速應與鋼水溫度匹配，拉速控制不小于1.0m/min；

最后：連鑄鋼坯采用常規熱連軋或半連軋生產線軋制成彈簧扁鋼，彈簧扁鋼材料經800～910℃油液淬火，保溫25～60分鐘，然后400～450℃回火，保溫25～50分鐘。

有益效果：

本發明采用鈮、硼微合金化，及更適宜彈簧鋼高彈性極低脫碳趨勢的硅含量，結合適當的潔凈鋼冶煉工藝、軋制工藝及緩冷控制技術，開發出組織均勻、良好淬透性、匹配合理的綜合機械性，良好淬透性的高端汽車彈簧扁鋼。

本發明得到的彈簧鋼扁鋼強度指標屈服強度rel≥1350mpa，抗拉強度rm≥1550mpa,而韌性指標又達到斷后伸長率a≥7%，斷面收縮率z≥30％的綜合機械性能較高；同時該材料還具備良好的淬透性及淬硬性，其端淬指標達。

該生產工藝較為簡單，在現有的生產條件下，不必對生產設備和工藝流程進行較大改動即可進行工藝生產。相比現有高強高韌性彈簧扁鋼，只是添加了少量的nb、b（總含量＜0.05%）微合金元素及適當的si含量來提高強韌性和淬透性，實現相對低成本、微合金化、綜合機械性能匹配合理的第三代彈簧扁鋼。

具體實施方式

本發明一種微合金化的第三代汽車用彈簧扁鋼，其組分按重量百分比含量為：c0.48~0.60%，si0.4~0.8%，mn0.60~1.00%，cr0.80％～1.20％，nb0.01％～0.05％，b0.0005％～0.003％，p≤0.025%，s≤0.025%，cu≤0.25%，ni≤0.35%，ti≤0.02%，其余為fe。

按照以下步驟生產：高爐鐵水→鐵水脫硫→轉爐冶煉→lf精煉→rh真空處理→方坯保護澆注→方坯加熱→軋制→冷床緩冷→定尺剪切。

（1）、鐵水脫硫；

（2）、轉爐冶煉；

（3）、lf精煉；

（4）、rh真空處理；

（5）、方坯保護澆注；

（6）、方坯加熱；

（7）、軋制；

（8）、冷床緩冷；

（9）、定尺剪切；

（10）、熱處理：800～910℃油液淬火，保溫25～60分鐘，然后400～450℃回火，保溫25～50分鐘。

經上述生產過程處理后，該材料的性能指標為：屈服強度rel≥1350mpa，抗拉強度rm≥1550mpa,而韌性指標又達到斷后伸長率a≥7%，斷面收縮率z≥30％，材料的端淬指標過。

以下對本發明鋼中各元素作用及其生產方法進行分析說明：

c：c是決定鋼強度的主要元素，隨著c含量的增加鋼的強度、硬度增加而塑性和韌性下降，c含量若低于0.50%，則很難保證彈簧鋼的強度，另一方面c含量若高于0.64%，鑄坯加熱過程中脫碳嚴重，還會惡化鋼的焊接性能和韌性。因此，將c含量控制在0.48~0.60%。所述c含量優選為0.50~0.55%。

si：si是保證彈簧鋼彈性的最主要貢獻元素，具有明顯的固溶強化作用，它不形成碳化物，基本上以固溶狀態存在于鋼中，在常用合金元素中硅的固溶強化作用最強。能提高鋼的強度，也是煉鋼的脫氧元素，但含量不宜過高，以免降低鋼的韌性和塑性，并導致碳的活性增加，從而增加鋼的脫碳和石墨化傾向，并易形成c類硅酸鹽夾雜物而惡化鋼的疲勞性能。故控制在0.4~0.8%。所述si含量優選為0.5~0.7%。

mn：mn是平衡狀態圖中奧氏體區擴大的元素，能有效抑制鐵素體脫碳。也是良好的脫氧劑和脫硫劑，主要溶于鐵素體中提高鋼的強度，可改善鋼的加工性能和提高彈簧鋼的淬透性。但含量不宜過高，以免使得鋼的晶粒粗大，導致韌性明顯下降。故控制在0.6~1.0%。所述mn含量優選為0.8~1.0%。

s：s是鋼中有害元素，是強烈的裂紋敏感性元素，對焊接性能和耐腐蝕性能均有不利影響，一般是其含量越低越好，考慮到煉鋼實際控制情況，會造成回s的狀況，故s控制在≤0.015%。

cr：cr能顯著提高鋼的淬透性和回火阻抗性,可以細化珠光體片間距，從而細化組織，提高強度。cr還可以提高碳擴散的激活能即降低碳的活度，減輕鋼的脫碳和石墨化傾向，提高韌性和耐磨性，但含量過高時，易形成大量鉻的碳化物，惡化鋼的抗彈減性和韌性，同時會降低腐蝕坑底部的ph值使得腐蝕坑的深寬比增加（坑形狀變銳利）而導致腐蝕耐久性降低。故控制在0.8~1.20%。所述cr含量優選為0.90~1.1%。

nb：nb是強碳化物形成元素，與c元素有很強的親和力，當它們生成細小彌散的nbc時可產生強烈的沉淀強化效果，并能細化晶粒，提高鋼的硬度、強度，改善韌性及回火穩定性，產生二次硬化效應。并且nb元素可以抑制彈簧鋼氧化脫碳，改善其脫碳敏感性。但當nb含量過多時，析出的第二相粒子明顯變粗，上述作用反而會減弱，故含量控制在0.01~0.05%。所述nb含量優選為0.012~0.025%。

b：b作為表面活性元素，吸附在奧氏體晶界上，延緩γ→α轉變的作用，從而提升鋼材的淬透性，當b含量低于0.0005%時提升鋼材淬透性的作用甚小，高于0.003則會使鋼中產生的硼相（fe3（cb）、fe3（cb）6、fe2b）沿奧氏體晶界析出，產生熱脆現象，故控制在0.0005％～0.003％，所述b含量優選為0.001~0.003%。

cu：cu在電化學上離子化傾向高于鐵的金屬元素，具有提高鋼的耐腐蝕性的作用。而且cu會使在腐蝕中產生的銹的無定形組成增大，具有抑制作為腐蝕原因之一的ci在腐蝕坑底部凝縮的作用。但是，cu過量則會提高熱軋開裂的幾率，故含量控制在0.12~0.05%。所述cu含量優選為0.15~0.04%。

p：p一般認為是有害元素，主要是因其在鋼液凝固時形成微觀偏析，隨后在奧氏體化溫度加熱時偏聚在晶界，使得鋼的韌性降低而脆性增加，熱處理時增加回火脆性，致使鋼在冷加工時容易脆裂也即所謂“冷脆”現象。但是，作為微量合金元素加入低合金鋼中，能提高強度和耐腐蝕性能，所以控制p含量控制在0.005~0.009%。所述p含量優選為0.006~0.008%。

s：鋼中不可避免的存在ｓ，ｓ與mn形成mns夾雜并且在晶界存在一定的偏聚，這樣會惡化鋼的韌性和抗疲勞性，因此一般認為s是有害元素，應當盡量降低鋼中的s含量。另外一方面，鋼液在凝固過程中析出的二次氧化物大多為低熔點的相cao-al2o3-sio2，而鋼液中始終存在有純態的al2o3雜質，這種純態的al2o3雜質也影響彈簧鋼的疲勞性能。但是由于mns為塑性夾雜，對這種純態的al2o3有一定的包裹作用，從而減少脆性夾雜對彈簧鋼體的破壞，所以可以通過適當地提高鋼中的s含量從而較好地提高彈簧鋼的抗疲勞性能。因此，對s的控制是本發明的關鍵因素之一。

ni：ni是提高沖擊韌性的非常重要的元素，能提高硬化能，使大型材料的熱處理變得更容易，防止低溫脆性，改善耐腐蝕性。添加少量時，能大幅度提高鋼的韌性，但大量添加時不但成本過高，而且容易形成殘余奧氏體，引起脆化。