專利名稱：具有優(yōu)異酸洗性能的彈簧鋼線材的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有優(yōu)異酸洗性能的彈簧鋼線材，更具體而言，涉及用于一種改善富含Si并且還含有Cr、Cu和Ni的彈簧鋼線材的酸洗性能的技術(shù)。根據(jù)本發(fā)明的彈簧鋼線材有利地用于汽車等的發(fā)動機(jī)用的閥彈簧；離合器彈簧；制動器彈簧；懸簧，比如穩(wěn)定器彈簧或扭桿彈簧；以及其它應(yīng)用。
背景技術(shù)：
用于閥彈簧、懸簧等的彈簧鋼的化學(xué)組成例如在JIS G3565到JISG4801中有規(guī)定，并且根據(jù)彈簧設(shè)計的種類采用合適的鋼種類。在最近幾年，由于彈簧的尺寸和重量在隨著廢氣和燃料消耗的降低而減小，因此，彈簧的設(shè)計應(yīng)力增加，并且希望提供例如能夠彈簧材料線材(淬火并回火的材料)的拉伸強(qiáng)度為約1,600MPa或更高的高強(qiáng)度的彈簧鋼線材。此外，為了改善彈簧的重要特性之一，即在空氣中的耐久性，還需要改善屈服應(yīng)力，因此趨向于使用富含Si和Cr的鋼線材，其中Si和Cr是作為能夠通過固溶體硬化來改善屈服應(yīng)力的合金化元素。此外，為了改善彈簧的另一種重要特性，即耐腐蝕疲勞性，嘗試加入Cu和Ni來改善耐腐蝕性。
彈簧通常是通過下面的方法制備的加熱鋼坯；必要時熱軋線材(軋制線材)進(jìn)行通過將潤滑劑涂敷到表面上的成膜處理(表面涂布處理)；隨后，將該線材牽拉到規(guī)定的直徑；以及進(jìn)行成形(熱成形或冷成形)。加熱通常在氧化氣氛中進(jìn)行，因此在軋制線材的表面上形成包含被稱作“軋制鱗皮”或“鐵鱗”的Fe氧化物的氧化層。當(dāng)采用具有這種鐵鱗的軋制線材制備彈簧時，會出現(xiàn)表面缺陷等，因而質(zhì)量退化，并且因此為了除去鐵鱗，在牽拉處理之前要進(jìn)行酸洗處理。
圖1所示為在鋼表面上具有鐵鱗的軋制線材的橫截面照片，其中所述鋼富含Si并且還含有Cr、Cu及Ni，所述照片是用Fe-SEM拍攝的。該情形相應(yīng)于在下面描述的實施例中編號E-1的情形。如圖1所示，以從表面?zhèn)乳_始的順序，鐵鱗包含赤鐵礦(Fe2O3)、磁鐵礦(Fe3O4)、方鐵礦(FeO)和鐵橄欖石(2FeO·SiO2)。在鋼(基體鋼(base steel))和鐵鱗之間，還形成Si和Cr縮合的內(nèi)部氧化物。
其中，鐵橄欖石是使用富含Si的鋼時所觀察到的低熔點氧化物，并且是難于通過普通酸洗處理進(jìn)行剝離的材料。例如，當(dāng)將含有Si和Cr的鋼加熱到超過鐵橄欖石和方鐵礦的共晶溫度(約1,170℃)的溫度時，形成了其中那些氧化物雜亂地彼此相互纏繞的致密熔融相，然后，當(dāng)將其進(jìn)一步加熱到1,200℃或更高的溫度時，Cr侵入上述的熔融相中，并且鐵橄欖石在與基體鋼的界面上縮合且形成了致密層(細(xì)節(jié)將在下面描述)。Cr一旦被縮合，就非常難于通過隨后的工藝除去，因此使酸洗性能退化。當(dāng)酸洗性能退化時，酸洗之后，殘留有鐵鱗，因此，與涂敷在表面上的潤滑劑(用于表面的涂布處理)的粘附性降低，并且在牽拉過程中會出現(xiàn)不希望的鋼絲斷裂。即使沒有出現(xiàn)鋼絲斷裂，在牽拉過程中也會出現(xiàn)裂紋(裂縫)，并且在彈簧形成(冷卷取)過程中也會出現(xiàn)破裂。這些問題例如通過延長酸洗處理時間和徹底除去鐵鱗而得到減輕。然而，在這種情況下，由于在酸洗溶液中浸漬的時間增加，因此酸對基體鋼的侵蝕加強(qiáng)，表面粗糙度降低，最后即使在空氣中的耐久性也退化。此外，由于酸對鋼的侵蝕過程中產(chǎn)生的部分氫迅速擴(kuò)散到鋼中，且被吸收在其中，儲存氫的量增加，導(dǎo)致鋼材的脆化(氫脆性)增加，并且在某些情況下牽拉過程中會出現(xiàn)鋼絲斷裂。
此外，在鋼(基體鋼)和鐵鱗之間還形成了其中富集有Cu和Ni的層，但是該層并沒有在圖1中示出。富集層在鋼含有Cu和Ni時看得見。已知的是比鐵惰性的金屬如Cu和Ni不因加熱而氧化；因此，這些金屬富集在鐵鱗或基體鋼之間的界面上或在鐵橄欖石內(nèi)；并且出現(xiàn)由紅脆性帶來的表面裂紋。例如，Cu的熔點為約1,080℃，并且在熱軋之前，鋼材通常被加熱到比Cu的熔點高的溫度(例如，約1,100℃到1,250℃)，因此據(jù)估計在鐵鱗和基體鋼之間的界面上形成熔融狀態(tài)(液相)的Cu；Cu侵入基體鋼的晶界內(nèi)并且富集；熱軋過程中，鋼材不再能忍耐剪切應(yīng)力或拉伸應(yīng)力；并且出現(xiàn)因紅脆性帶來的表面裂紋。這種現(xiàn)象被稱作液體金屬熔融脆化，并且據(jù)認(rèn)為該現(xiàn)象最終使酸洗性能退化。
人們?yōu)榱朔乐笴u在基體鋼界面上的富集以及出現(xiàn)因紅脆性所致的表面裂紋，而提出了各種方法。
例如，JP-A 297026/1994描述了通過如下過程防止表面裂紋的方法將Si加入鋼中；在熱軋前的加熱過程中，使Si存在于鐵鱗中；形成SiO2-FeO體系的低熔點氧化物液態(tài)鐵鱗；由此使Cu熔融液體進(jìn)入鐵鱗中。
JP-A 223523/2004描述了一種涉及加熱含Cu鋼材的方法的技術(shù)，該技術(shù)是由提出JP-A 297026/1994的相同申請人提出的。該專利申請描述了作為在不存在如JP-A 297026/1994中所描述的這種鋼組成被改變的情況下，能夠防止因Cu富集所致表面裂紋的方法用于控制加熱氣氛的溫度以及在關(guān)于熱軋之前的加熱條件的氣氛中的氧濃度的方法。
如上所述，盡管為了改善屈服應(yīng)力和耐腐蝕疲勞性，主要采用富含Si以及Cr、Cu和Ni的彈簧鋼線材，但是存在這樣的關(guān)注，在這種彈簧鋼線材的情況下，Cu富集在鐵鱗(尤其是鐵橄欖石)和基體鋼之間的界面上，因而使酸洗性能退化。
然而，還沒有公開用于充分改善這種彈簧鋼線材的酸洗性能的方法。上述的JP-A 223523/2004描述了一種在沒有大量加入Si的情況下用于防止因Cu富集所帶來的表面裂紋，并且由該技術(shù)，并不能獲得通過加入Si對屈服應(yīng)力的改善。同時，如后來提出的上述JP-A 223523/2004的“現(xiàn)有技術(shù)”部分中指出的那樣，上述JP-A 297026/1994存在的問題在于加入Si的鋼材，其鐵鱗的可分離性差；即使在軋制之前進(jìn)行高壓水除鱗，鐵鱗也難于被剝離和除去；表面性質(zhì)退化，例如鐵鱗殘留并且鋼材表面變紅；并且，當(dāng)在隨后進(jìn)行酸洗工藝時，鐵鱗在該酸洗工藝中幾乎不溶解，因此，酸洗工藝的成本增加，且生產(chǎn)率降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述情形建立的，并且其一個目的是提供一種在富含Si并且還含有Cr、Cu和Ni的彈簧鋼線材情況下酸洗性能得到改善的彈簧鋼線材。
能夠解決上述問題的根據(jù)本發(fā)明的彈簧鋼線材是這樣的彈簧鋼線材，其中所述彈簧鋼線材包含C0.35％到0.7％(按質(zhì)量計，除非另有規(guī)定，下面也按質(zhì)量計)，Si1.5％到2.50％、Mn0.05％到1.0％、Cr0.05％到1.9％、Cu0.05％到0.7％、Ni0.15％到0.8％、P0.02％或更小(不包括0％)和S0.02％或更低(不包括0％)，其中Si與Cu的比率(Si/Cu)在4.0或更大的范圍內(nèi)；并且Cu在表面層中的濃度與Cu在鋼中的濃度之差為0.50％或更低，以及Ni在表面層中的濃度與Ni在鋼中的濃度之差為1.00％或更低。
在一個優(yōu)選實施方案中，根據(jù)本發(fā)明的彈簧鋼線材還包括選自含有下列元素的組中的至少一種元素V0.07％到0.4％、Ti0.01％到0.1％和Nb0.01％到0.1％。
能夠解決上述問題的根據(jù)本發(fā)明的彈簧是由上述規(guī)定的任一種彈簧鋼線材制備的彈簧。
根據(jù)本發(fā)明的彈簧鋼線材具有優(yōu)異的酸洗性能，因為Cr和Ni在其表面層的富集被顯著抑制并且鐵鱗的厚度非常薄。當(dāng)彈簧由根據(jù)本發(fā)明的彈簧鋼線材制備時，由于鐵鱗易于通過酸洗工藝除去，因此可以提供具有優(yōu)異表面性質(zhì)的彈簧。


圖1是顯示帶有鐵鱗的軋制線材的橫截面的Fe-SEM照片。
圖2是顯示Cu濃度(％)與離表面的距離之間關(guān)系的曲線圖。
圖3是顯示Ni濃度(％)與離表面的距離之間關(guān)系的曲線圖。
具體實施例方式
為了改善富含Si并且還含有Cr、Cu和Ni的彈簧鋼線材的酸洗性能，本發(fā)明人進(jìn)行了認(rèn)真的研究。結(jié)果，如下面描述的那樣，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過適當(dāng)控制尤其是(i)熱軋之前的除鱗工藝和(ii)熱軋工藝，Cu和Ni在線材表面上的濃度(尤其是Cu和Ni在鐵橄欖石中的濃度)得到抑制；Cu在表面層中的濃度與Cu在鋼中的濃度之差(下文中可以簡稱為“ΔCu”)以及Ni在表面層中的濃度與Ni在鋼中的濃度之差(下文中可以簡稱為“ΔNi”)得到相當(dāng)大降低；由此酸洗性能得到顯著改善。因此，本發(fā)明人完成了本發(fā)明。
具體地，(i)在熱軋之前的除鱗工藝中采用預(yù)定高壓的水淋浴。通過這樣，使侵入鐵橄欖石的Cu被剝離，并且在表面層的富集Cu的量可以得到降低。此外，(ii)在熱軋工藝中采用預(yù)定高壓的水淋浴。通過這樣，使在熱軋過程中形成的鐵橄欖石內(nèi)的Cu濃度可以得到顯著抑制。
下面，將詳細(xì)解釋本發(fā)明。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的彈簧鋼線材是這樣的彈簧鋼線材，其中所述彈簧鋼線材包含C0.35％到0.7％、Si1.5％到2.50％、Mn0.05％到1.0％、Cr0.05％到1.9％、Cu0.05％到0.7％、Ni0.15％到0.8％、P0.02％或更低(不包括0％)、S0.02％或更低(不包括0％)，以及由Fe和不可避免雜質(zhì)構(gòu)成的余量；其中Si與Cu的比率(Si/Cu)在4.0或更大的范圍內(nèi)；并且Cu在表面層中的濃度與Cu在鋼中的濃度之差為0.50％或更低，而Ni在表面層中的濃度與Ni在鋼中的濃度之差為1.00％或更低。
在本說明書中，術(shù)語“鋼線材”表示通過將鋼坯加熱且隨后熱軋形成線形狀并且還沒有進(jìn)行酸洗處理的鋼材(軋制材料)。
首先，解釋鋼的組分。
C035％到0.7％C是有助于提高淬火并回火之后的強(qiáng)度(硬度)以及改善在空氣中的耐久性的元素。當(dāng)C含量低于0.35％時，不能有效表現(xiàn)上述作用。另一方面，當(dāng)C含量超過0.7％時，韌性和延性退化，裂紋傾向于蔓延，并且耐久性降低，因此耐腐蝕性也受到不利影響。優(yōu)選的C含量在0.39％到0.54％的范圍內(nèi)。
Si1.5％到2.50％Si是如固溶體硬化元素那樣有助于提高強(qiáng)度而且還可以改善屈服應(yīng)力的元素。當(dāng)Si含量低于1.5％時，基質(zhì)的強(qiáng)度不夠。然而，當(dāng)Si含量超過2.50％時，鐵橄欖石在鐵鱗中的比率增加，且酸洗性能退化。優(yōu)選的Si含量在1.70％到2.1％的范圍內(nèi)。
Mn0.05％到1.0％Mn是提高鋼的可淬性的元素。為了有效表現(xiàn)出這種作用，加入0.05％或更多的Mn。然而，當(dāng)Mn以超過1.0％加入時，可淬性增加，過冷結(jié)構(gòu)易于形成，并且可拉拔性退化。此外，當(dāng)旨在以與下面將描述的“彈簧形成工藝(c)”的相同方式軟化線材而在酸洗處理前的熱軋以后進(jìn)行退火處理時，成本不可避免地提高。優(yōu)選的Mn含量在0.12％到0.8％的范圍內(nèi)。在本發(fā)明中，如下所述那樣，為了防止生成起斷裂起源作用的MnS，采取了比如降低S含量、加入另一種硫化物形成元素如Cu的措施等。
Cr0.05％到1.9％Cr是這樣的元素，其使在腐蝕條件下形成于表面上的鐵銹為無定形且致密，有助于改善耐腐蝕性，并且如Mn那樣有效影響可淬性的提高。為表現(xiàn)出這種作用，加入0.05％或更多的Cr。然而，當(dāng)Cr含量超過1.9％時，在軋制后的冷卻過程中易于形成過冷結(jié)構(gòu)，并且可拉拔性退化。當(dāng)旨在以與下面將描述的“彈簧形成工藝(c)”的相同方式軟化線材而在酸洗處理前的熱軋以后進(jìn)行退火處理時，成本不可避免地提高。優(yōu)選的Cr含量在0.15％到1.75％的范圍內(nèi)。
Cu0.05％到0.7％Cu是在電化學(xué)上比鐵具有更大惰性并且具有改善耐腐蝕性作用的元素。為了有效表現(xiàn)出這種作用，加入0.05％或更多的Cu。然而，當(dāng)Cu含量超過0.7％時，在基體鋼表面層內(nèi)、在基體鋼和軋制鐵鱗之間的界面上以及在鐵橄欖石中富集的Cu量增加，并且酸洗性能退化。優(yōu)選的Cu含量在0.20％到0.5％的范圍內(nèi)。
Ni0.15％到0.8％Ni具有提高淬火并回火之后的韌性、使在腐蝕條件下形成于表面上的鐵銹為無定形且致密以及由此改善耐腐蝕性的作用。此外，Ni還具有抑制在軋制之前及在軋制過程中出現(xiàn)的鐵素體脫碳的作用。為了有效表現(xiàn)出這種作用，加入0.15％或更多的Ni。然而，當(dāng)Ni含量超過0.8％時，可淬性增加，并且在軋制之后易于形成過冷結(jié)構(gòu)。此外，殘留奧氏體的量增加，并且彈簧的硬度降低。優(yōu)選的Ni含量在0.25％到0.55％的范圍內(nèi)。
P002％或更低(不包括0％)P在原始奧氏體晶界上析出，使晶界脆化，并且降低了耐延遲斷裂性。為此原因，P含量應(yīng)當(dāng)盡可能地小。在本發(fā)明中，鑒于工業(yè)生產(chǎn)，P含量的上限被設(shè)定為0.02％。
S0.02％或更低(不包括0％)S在原始奧氏體晶界上析出，使晶界脆化，并且降低了耐延遲斷裂性。為此原因，S含量應(yīng)當(dāng)盡可能地小。在本發(fā)明中，鑒于工業(yè)生產(chǎn)，S含量的上限被設(shè)定為0.02％。
Si與Cu的比率(Si/Cu)4.0或更大在本發(fā)明中，不僅分別調(diào)節(jié)Si和Cu的量，而且調(diào)節(jié)Si/Cu比率的下限。通過調(diào)節(jié)，適當(dāng)控制加入Si而形成的鐵橄欖石以及因加入Cu而富集在基體鋼和鐵鱗之間界面上的Cu的量，因此進(jìn)入鐵橄欖石的Cu濃度得到抑制并且ΔCu降低。結(jié)果，酸洗性能獲得改善(參考下述的實施例)。從上述的Si和Cu的含量設(shè)定Si/Cu比率的上限為50。優(yōu)選的Si/Cu比率在4.5到35范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的彈簧鋼線材包含上述組分，并且其余量由Fe和不可避免的雜質(zhì)組成。
在本發(fā)明中，為了進(jìn)一步提高耐氫脆性，優(yōu)選進(jìn)一步包含選自含有下列元素的組中的至少一種元素V0.07％到0.4％、Ti0.01％到0.1％、和Nb0.01％到0.1％。下面，詳細(xì)解釋這些元素。
V0.07％到0.4％V是形成細(xì)小碳化物和氮化物并且有助于改善耐氫脆性的元素。而且，V提高耐疲勞性。此外，V通過晶粒分級作用(crystal grainfractionizing effect)改善韌性和屈服應(yīng)力，并且還有助于改善耐腐蝕性和耐疲勞永久變形性(resistance to permanent set in fatigue)。為了有效表現(xiàn)出這種作用，優(yōu)選加入0.07％或更多的V。然而，當(dāng)V以超過0.4％加入時，在用于硬化的加熱過程中，沒有溶解在奧氏體中的碳化物的量增加，不能獲得充足的強(qiáng)度和硬度，殘余奧氏體的量也增加，并且彈簧的硬度降低。更優(yōu)選V含量在0.1％到0.2％的范圍內(nèi)。
Ti0.01％到0.1％Ti是使淬火并回火之后的原始奧氏體晶粒分級并且有利于改善耐氫脆性的元素。此外，Ti具有提高在空氣中的耐久性的作用。為了有效表現(xiàn)出這種作用，優(yōu)選加入0.01％或更多的Ti。然而，當(dāng)Ti過量加入時，粗氮化物易于析出，并且在空氣中的耐久性降低。為此原因，優(yōu)選設(shè)定Ti含量的上限為0.1％。更優(yōu)選的Ti含量在0.04％到0.09％的范圍內(nèi)。
Nb0.01％到0.1％Nb是形成包含碳化物、氮化物、硫化物以及這些的復(fù)合化合物在內(nèi)的細(xì)小析出物并且由此而有助于改善耐氫脆性的元素。此外，改善和屈服應(yīng)力通過晶粒分級作用也得到改善。為了有效表現(xiàn)出這種作用，優(yōu)選加入0.01％或更多的Nb。然而，當(dāng)加入超過0.1％的Nb時，沒有溶解在奧氏體中的碳化物的量在用于硬化的加熱過程中增加，并且不能獲得擬要的拉伸強(qiáng)度。更優(yōu)選的Nb含量在0.02％到0.05％的范圍內(nèi)。
上面已經(jīng)對在根據(jù)本發(fā)明的鋼中的組分進(jìn)行了解釋。
在表面層中的Cu濃度和在鋼中的Cu濃度之差(ΔCu)0.50％或更低在本發(fā)明中，Cu被控制在0.50％或更低的低水平。如上所述，如上所述，盡管大部分通過加熱形成的鐵鱗(初次氧化皮)可以通過在熱軋之前采用的普通除鱗處理而除去，但是在熱軋過程中以及在熱軋后的冷卻過程中形成的鐵鱗(二次氧化皮)、尤其是在如本發(fā)明的鋼那樣大量含有Si和Cu的這種鋼的情況下，不容易通過普通除鱗處理被除去，F(xiàn)e擴(kuò)散在鐵鱗中，因而Cu析出在鐵鱗(鐵橄欖石)與基體鋼之間的界面上或在鐵橄欖石內(nèi)。因此，酸洗性能退化。在本發(fā)明中，如下面將詳細(xì)解釋的那樣，由于不僅熱軋之前的除鱗工藝而且精軋工藝都被合適控制，因此ΔCu可以被控制在低水平。ΔCu值越低越好。例如，ΔCu值優(yōu)選為0.45％或更低，更優(yōu)選為0.40％或更低。
此處，參考圖2，解釋用于測量“表面層中的Cu濃度”的方法。圖2包括通過采用下面所述制備的樣品并且在下面所述條件下由EPMA定量線性分析從表面到內(nèi)部中心的Cu含量獲得曲線圖；并且示出了Cu濃度(％)和離表面的距離之間的關(guān)系。此處，對于Fe，當(dāng)以上述相同的方式進(jìn)行EPMA定量線性分析時X-射線的Fe強(qiáng)度(cps)達(dá)到最大的點被定義為基體鋼界面(鐵鱗與基體鋼之間的界面)。在表面和基體鋼界面之間的區(qū)域被定義為“表面層”，并且在該表面層中的Cu含量的最大值被定義為“在表面層中的Cu濃度”。雖然，這種表面層的狀態(tài)還根據(jù)鋼的組分、線材的制備條件等在改變，但是該表面層至少包含鐵橄欖石。
EPMA測量儀器采用JEOL Ltd.制備的X-射線微量分析儀“JXA-8800RL”。
樣品將帶有鐵鱗的鋼材埋入樹脂中，用研磨劑對與軋制方向垂直的橫截面進(jìn)行鏡面拋光，隨后為了保持導(dǎo)電性進(jìn)行鋨的氣相沉積，從而制備出樣品，加速電壓15kV，輻射電流0.3μA，以及定量線性分析在分布間隔為1μm的總計300個點上測量。
在表面層中的Ni濃度和在鋼中的Ni濃度之差(ΔNi)1.00％或更低在本發(fā)明中，還將Ni控制在1.00％或更低的低水平上。Ni是如上述Cu那樣有助于改善耐腐蝕性的元素，并且也與Cu那樣，在加熱過程以及熱軋過程中Ni析出在鐵鱗(鐵橄欖石)和基體鋼之間的界面上或在鐵橄欖石內(nèi)。結(jié)果，酸洗性能退化。因此，在本發(fā)明中，需要以與Cu所用方式相同的方式抑制Ni的濃度。ΔNi值越低越好。例如，ΔNi值優(yōu)選為0.90％或更低，更優(yōu)選為0.85％或更低。
此處，術(shù)語“在表面層中的Ni濃度”表示通過如下獲得的最大Ni含量采用與在上述“在表面層中的Cu濃度”的測量中所使用方法相同的方法制備的樣品并且在與上述相同的條件下通過EPMA定量線性分析測量從表面到內(nèi)部中心為0.3mm的范圍內(nèi)的Ni含量。圖3示出了Ni濃度(％)和離表面的距離之間的關(guān)系。
上面已經(jīng)解釋了表征本發(fā)明的ΔCu和ΔNi。
在根據(jù)本發(fā)明的彈簧鋼線材中，優(yōu)選以下面所述的適當(dāng)方式控制鐵鱗的厚度和組成，并且通過這樣，以使酸洗性能得到進(jìn)一步的改善。
(鐵鱗厚度)鐵鱗的優(yōu)選厚度為40μm或更低。如下面詳細(xì)解釋的那樣，考慮到因鋼中所形成的裂縫(裂紋)所引起的鐵鱗剝離，優(yōu)選鐵鱗厚度基本上在5到35μm范圍內(nèi)。
有時候會偶然出現(xiàn)例如在軋制并處理軋制線材之后的冷卻期間在鐵鱗中形成微米級的裂縫。隨著裂縫的增加，鐵鱗將傾向于更易于從基體鋼的表面上剝離，因此估計酸洗性能得到改善。通常，當(dāng)鐵鱗的厚度減小時，鐵鱗的強(qiáng)度降低，并且易于形成裂縫。然而，如果鐵鱗的厚度過分降低，則鐵鱗自身的延性得到改善，內(nèi)應(yīng)力降低，因此裂縫降低。由于這些原因，優(yōu)選鐵鱗的厚度在上述范圍內(nèi)。
(鐵鱗的組成)優(yōu)選鐵鱗的組成基本上滿足下面的的范圍按體積百分比計，2％到10％(更優(yōu)選3％到7％)的鐵橄欖石、2％到20％(更優(yōu)選10％到18％)的方鐵礦、35％到70％(更優(yōu)選37％到50％)的磁鐵礦以及20％到60％(更優(yōu)選30％到55％)的赤鐵礦。如上所述，在本發(fā)明中，控制鐵鱗的組成以可以降低難于剝離的鐵橄欖石的百分比，并且可以增加具有優(yōu)異的可脫離性的方鐵礦和磁鐵礦的百分比，從而使酸洗性能得到進(jìn)一步的改善。
上面已經(jīng)解釋了根據(jù)本發(fā)明的彈簧鋼線材。
下面解釋用于制備上述的這種彈簧鋼線材的方法。
制備彈簧鋼線材的方法包括(i)加熱工藝，(ii)勻熱工藝，(iii)熱軋工藝之前的除鱗工藝以及(iv)熱軋工藝。具體地，在本發(fā)明中，例如，為了快速除去含有鐵橄欖石的鐵鱗，在熱軋工藝之前的(iii)除鱗工藝中采用規(guī)定的高壓水淋浴，并且為了防止Cu富集在熱軋過程中形成的鐵橄欖石內(nèi)，在(iv)熱軋工藝中采用了規(guī)定的冷卻水淋浴，從而可以將ΔCu和ΔNi抑制在相當(dāng)?shù)偷乃缴?。如下面所述的實施例所示，通過本發(fā)明，即使采用富含Si以及含有Cr、Cu和Ni的鋼，在表面層的Cu和Ni的濃度也得到顯著抑制，鐵鱗的厚度得到降低，因此能夠提供具有約1,600MPa或更大的拉伸強(qiáng)度即優(yōu)異的表面性質(zhì)的彈簧。
下面詳細(xì)解釋每一個工藝。
(i)加熱工藝加熱條件沒有特殊的限制，但是基本上以10℃/min或更高的加熱速率將鋼坯加熱到在700℃到1,000℃(750℃到900℃)范圍內(nèi)的溫度。當(dāng)加熱速率低于10℃/min時，不能有效防止進(jìn)入表面層的Cr濃度。理想的是具有更高的加熱速率，并且優(yōu)選的加熱速率為15℃/min或更高。此外，當(dāng)加熱溫度超過上述范圍時，提高了Cu和Ni的濃度，并且增加了在表面層中的Cu和Ni的量。相反，當(dāng)加熱溫度低于上述范圍時，加熱不充分，因此不能進(jìn)行粗軋。
(ii)勻熱工藝在本工藝中，基本上優(yōu)選將鋼坯在1,050℃到1,250℃(更優(yōu)選1,100℃到1,200℃)勻熱20到60分鐘(更優(yōu)選30到50分鐘)。確定勻熱條件，以防止Cu和Ni在表面層中富集，并且抑制了晶界氧化的進(jìn)行。例如，當(dāng)勻熱溫度或勻熱時間超過上述范圍時，Cu和Ni的濃度傾向于增加，相反，當(dāng)勻熱溫度或勻熱時間低于上述范圍時，進(jìn)入奧氏體晶粒間界的Cu的濃度增加。
在本發(fā)明中，在加熱工藝中的加熱溫度和在勻熱工藝中的勻熱溫度不一定相同。例如，在下面要描述的實施例中，勻熱溫度比加熱溫度高約200℃到300℃，原因是勻熱時的溫度會在勻熱前、加熱之后的停留時間期間升高。
(iii)熱軋工藝之前的除鱗工藝在本工藝中，為了快速除去含有鐵橄欖石的鐵鱗，優(yōu)選采用水壓在約80kgf/mm2(接近785MPa)到160kgf/mm2(接近1,569MPa)、更優(yōu)選約100kgf/mm2(接近981MPa)到120kgf/mm2(接近1,176MPa)的范圍的高壓水淋浴進(jìn)行約1到10秒(更優(yōu)選3到7秒)。因而，能夠立即進(jìn)行隨后的熱軋工藝。當(dāng)淋浴的水壓低于80kgf/mm2時，鐵鱗的厚度增加，并且會令人討厭地導(dǎo)致因熱軋過程中腐蝕所致表面缺陷的出現(xiàn)，并且在表面層中的Cu濃度增加。另一方面，當(dāng)淋浴的水壓超過160kgf/mm2時，熱軋前鋼坯的溫度降低，因而軋制難于進(jìn)行。
在熱軋工藝之前的除鱗工藝中，除鱗方式并不限制于上述的這種高壓水淋浴，例如可以采用諸如噴丸清理的機(jī)械除鱗。
(iv)熱軋工藝在本工藝中，為了防止Cu富集在熱軋過程中形成的鐵橄欖石內(nèi)以及進(jìn)一步適當(dāng)控制鐵鱗的組成，采用規(guī)定的冷卻水淋浴。
具體地，在粗軋進(jìn)行之后的精軋過程中進(jìn)行采用淋浴的冷卻。通常，淋浴水的流速優(yōu)選在100到200t/hr、更優(yōu)選120到180t/hr的范圍內(nèi)。當(dāng)淋浴水的流速小于100t/hr時，不能有效表現(xiàn)出除去鐵鱗(鐵橄欖石)及降低ΔCu和ΔNi的這些擬要功能。另一方面，當(dāng)淋浴水的流速超過200t/hr時，鋼材被過分地冷卻，并且析出不希望具有的過冷結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選的精軋溫度基本上主要在800℃到1,000℃(更優(yōu)選900℃到950℃)的范圍內(nèi)，以便適當(dāng)?shù)乜刂畦F鱗的厚度和組成。
此外，從上述相同的觀點考慮，優(yōu)選在精軋完成之后的溫度到約700℃的溫度范圍內(nèi)將冷卻速率控制在例如4℃/sec到20℃/sec(更優(yōu)選6℃/sec到15℃/sec)。當(dāng)在上述溫度范圍內(nèi)冷卻速率低于4℃/sec時，鐵鱗的厚度等增加，并且酸洗性能退化。另一方面，當(dāng)在上述溫度范圍內(nèi)冷卻速率超過20℃/sec時，在該溫度范圍內(nèi)的停留時間降低，在該溫度范圍內(nèi)形成的方鐵礦的百分比降低，因而酸洗性能退化。
在本發(fā)明中，除了如上所述的這種彈簧鋼線材之外，還包括由這種鋼線材制備的彈簧。通過本發(fā)明，根本沒有出現(xiàn)被稱作紅色鐵鱗(red scale)的鐵鱗裂痕，因此能夠制備出具有非常優(yōu)異的表面性質(zhì)并且具有進(jìn)一步得到改善的耐疲勞性的彈簧。
對用于制備彈簧的方法沒有特別的限制，可以以適當(dāng)方式采用通常使用的方法。作為典型實例，彈簧可以通過下面彈簧形成工藝(a)到(c)中的任一種工藝進(jìn)行制備(a)酸洗→表面涂布處理→牽拉→淬火并回火(油回火)，(b)鉛淬火(LP)→酸洗→表面涂布處理→牽拉→油回火，以及(c)退火→酸洗→表面涂布處理→表面修整(SV)→LP→酸洗→表面涂布處理→牽拉→油回火。
如下面要描述的實施例所示，通過本發(fā)明，可以獲得具有低ΔCu和ΔNi值的軋制線材，因此，可以通過在上述彈簧形成工藝(a)到(c)中所述的任一種方法獲得具有非常優(yōu)異的表面性質(zhì)的彈簧。
對在上述彈簧形成工藝(a)到(c)中描述的處理方法都沒有特殊限制，可以以適當(dāng)?shù)姆绞讲捎闷胀ㄊ褂玫姆椒?。作為典型實例，酸洗處理可以通過將鋼材浸漬在60℃到90℃溫度范圍內(nèi)的5％到25％H2SO4溶液中或者在20℃到50℃溫度范圍的5％到15％HCl溶液中進(jìn)行。
實施例下面，根據(jù)實施例詳細(xì)解釋本發(fā)明。但是，下面的實施例并沒有限制本發(fā)明，并且在沒有偏離本發(fā)明的前述和后述要旨的范圍內(nèi)所有任意的改變都包含在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。
通過在小型真空熔爐中熔融并精煉，制備出150kg的表1所示的各種鋼(鋼種類A到K，余量由Fe和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成)中的每一種。將這些鋼中的每一種都進(jìn)行熱鍛，并且制備出155cm見方的鋼坯。隨后，在下面所示的線材形成工藝1到6中所描述的加熱、勻熱和熱軋條件下，制備出直徑為13.5mm的鋼線材。在線材形成工藝1到6中，線材形成工藝1和2滿足在本發(fā)明中規(guī)定的所有制備條件并且代表本發(fā)明的實施例，而線材形成工藝3到6不滿足在本發(fā)明中規(guī)定的任一制備條件并且代表比較例。
(線材形成工藝1)以15℃/min的加熱速率將鋼坯加熱到約900℃；隨后，在約1,150℃下勻熱50分鐘，并且通過在100kgf/mm2(接近981MPa)的水壓下進(jìn)行高壓水淋浴約5秒，進(jìn)行除鱗。隨后，將該鋼坯進(jìn)行粗軋，之后在采用150t/hr的淋浴冷卻的同時進(jìn)行精軋(精軋溫度為920℃)，并且在精軋完成之后，在高達(dá)約700℃的溫度范圍內(nèi)以7℃/sec的冷卻速率冷卻。卷取溫度為875℃。
(線材形成工藝2)以20℃/min的加熱速率將鋼坯加熱到約800℃；隨后，在約1,100℃下勻熱30分鐘，并且通過在150kgf/mm2(接近1,471MPa)的水壓下進(jìn)行高壓水淋浴約7秒，以進(jìn)行除鱗。隨后，將該鋼坯進(jìn)行粗軋，之后在采用130t/hr的淋浴冷卻的同時進(jìn)行精軋(精軋溫度為950℃)，并且在精軋完成之后，在高達(dá)約700℃的溫度范圍內(nèi)以6℃/sec的冷卻速率冷卻。卷取溫度為925℃。
(線材形成工藝3)以15℃/min的加熱速率將鋼坯加熱到約1050℃；隨后，在約1,280℃下勻熱60分鐘，并且通過在50kgf/mm2(接近490MPa)的水壓下進(jìn)行高壓水淋浴約10秒，以進(jìn)行除鱗。隨后，將該鋼坯進(jìn)行粗軋，之后在采用50t/hr的淋浴冷卻的同時進(jìn)行精軋(精軋溫度為1,000℃)，并且在精軋完成之后，在高達(dá)約700℃的溫度范圍內(nèi)以2℃/sec的冷卻速率冷卻。卷取溫度為980℃。
線材形成工藝3代表沒有滿足在本發(fā)明中規(guī)定的制備條件并且包括如下工藝的所有工藝都偏離了本發(fā)明中規(guī)定條件的比較例加熱工藝(加熱溫度太高)；勻熱工藝(勻熱溫度太高)；熱軋工藝之前的除鱗工藝(水壓太低)；以及熱軋工藝(精軋溫度太高，淋浴水的流速太低，并且在精軋溫度到700℃的溫度范圍內(nèi)的冷卻速率太低)。
(線材形成工藝4)將鋼坯以與上述線材形成工藝3相同的方式進(jìn)行加熱、勻熱和軋制前的除鱗。隨后，將該鋼坯以與上述線材形成工藝2相同的方式進(jìn)行精軋、冷卻和卷取。
線材形成工藝4和下面提到的線材形成工藝6代表沒有滿足在本發(fā)明中規(guī)定的制備條件并且如下的工藝都偏離了本發(fā)明中規(guī)定的條件的比較例加熱工藝(加熱溫度太高)；勻熱工藝(勻熱溫度太高)；以及熱軋工藝之前的除鱗工藝(水壓太低)。
(線材形成工藝5)將鋼坯以與上述線材形成工藝1相同的方式進(jìn)行加熱、勻熱和軋制前的除鱗。隨后，將該鋼坯以與上述線材形成工藝3相同的方式進(jìn)行精軋、冷卻和卷取。
線材形成工藝5代表沒有滿足在本發(fā)明中規(guī)定的制備條件并且熱軋工藝(精軋溫度太高，淋浴水的流速太低，并且在精軋溫度到700℃的溫度范圍內(nèi)的冷卻速率太低)偏離了本發(fā)明中規(guī)定的條件的比較例。
(線材形成工藝6)將鋼坯以與上述線材形成工藝3相同的方式進(jìn)行加熱、勻熱和軋制前的除鱗。隨后，將該鋼坯以與上述線材形成工藝2相同的方式進(jìn)行精軋、冷卻和卷取。
通過前面所述的方法測量ΔCu和ΔNi值以及以下列方式測量酸洗性能和鐵鱗厚度，以評價如此制備的每一種鋼線材。
(酸洗性能的評價)將制備出的鋼線材切割成各自長度為100mm的試驗片，并且將試驗片進(jìn)行下列酸洗試驗(燒杯試驗)，并且每一次試驗的樣品數(shù)為三個。此處的試驗是在與工業(yè)生產(chǎn)中采用的酸洗處理相同的條件下進(jìn)行的。
酸溶液15％的硫酸溶液，含有0.5％的防止基體鋼被溶解的抑制劑(陽離子胺衍生物)以及20g/L作為鐵組分的二價鐵。
浸漬條件在60℃進(jìn)行10分鐘。
然后，按如下所述測量鐵鱗的剝離比率。在本發(fā)明實施例中，將術(shù)語“酸洗后的鐵鱗剝離比率”定義為酸洗時剝離的鐵鱗的比率(B)與原始存在鐵鱗的比率(A，將在下面描述)的百分比(B/A×100(％))(1)A(％)＝[(W0-W1)/W0]×100，其中A是原始存在鐵鱗的比率(鐵鱗與鋼線材的比率)，W0表示浸漬之前的鋼線材(軋制狀態(tài)，帶有鐵鱗)的重量(g)，并且W1表示在60℃的上述酸溶液中浸漬直到存在的鐵鱗被完全剝離為止之后的鋼線材的重量(g)；并且(2)B(％)＝[(W01-W2)/W01]×100，其中B是在上述條件下酸洗之后被剝離的鐵鱗的比率，W01表示浸漬之前的鋼線材(軋制狀態(tài))的重量(g)，并且W2表示在上述浸漬條件下，在上述酸溶液中浸漬之后的鋼線材的重量(g)。
在上述的表達(dá)式(1)和(2)中，盡管W0和W01都表示軋制狀態(tài)鋼線材的重量，但是為了說明它們是在相同條件下制備的不同試驗片(軋制狀態(tài)鋼線材)的重量，采用了不同的標(biāo)記符號。原因是A和B不能采用相同的試驗片進(jìn)行測量。
在本發(fā)明中，當(dāng)如上所述測得的鐵鱗剝離比率為100％時，該鋼線材被判斷為具有優(yōu)異的酸洗性能(作為可接受的○)。
(鐵鱗的厚度)在使用Fe-SEM(Hitachi，Ltd.制備的場發(fā)射型掃描電子顯微鏡S-4500)拍攝的照片(3,000放大倍數(shù))的基礎(chǔ)上，測量在制備的鋼線材每種上的鐵鱗厚度(最大厚度)。
在本發(fā)明中，當(dāng)如上所述測得的鐵鱗厚度為40μm或更低時，該鋼線材被判斷為可接受的。
(彈簧鋼絲的制備)接著，在下列條件(相應(yīng)于上述的彈簧形成工藝(a))下，由上述鋼線材中的每一種制備出直徑為4.0mm的彈簧鋼絲(油回火鋼絲)；表面涂布處理→牽拉(干鋼絲牽拉)→油回火(加熱溫度930℃，淬火油溫70℃，回火溫度450℃，回火之后的冷卻水冷卻。
(表面粗糙度)接著，為了評價上述制備的彈簧的表面性質(zhì)，根據(jù)JIS B0601 1994測量表面粗糙度(Ry，最大粗粗度)。
在本發(fā)明中，當(dāng)上述測得的表面粗糙度(Ry)為18.0μm或更低時，該彈簧被判斷為“具有優(yōu)異的表面性質(zhì)(可接受的○)。”這些結(jié)果在表2和3中示出。




在表1所示的鋼種類A到K中，鋼種類A到H是滿足本發(fā)明規(guī)定的鋼組成的實施例，鋼種類I和J是其中比率(Si/Cu)低于本發(fā)明規(guī)定的范圍的比較例，而鋼種類K是其中Si含量超過本發(fā)明規(guī)定范圍的比較例。
在表2和3中，例如，代號“A-1”表示采用表1所示的鋼種類A并且采用線材形成工藝1作為制備方法的情形，而代號“A-2”表示采用表1所示的鋼種類A并且采用線材形成工藝2作為制備方法的情形。同樣的情形也適用于其它代號。
在表2和3中所示的結(jié)果導(dǎo)致以下考慮。
首先，編號1、4、7、8、11、12、15、18、19、22、23和26的情況是發(fā)明實施例，其中在本發(fā)明中規(guī)定的ΔCu和ΔNi值滿足本發(fā)明中規(guī)定的范圍，并且在任一種情況下，鐵鱗剝離比率為100％，而且酸洗性能非常優(yōu)異。此外，作為通過X-射線衍射法檢測線材的鐵鱗組成的結(jié)果，證實，在任一種情況下的組成都被控制在適宜的范圍內(nèi)(在表中未示出)。而且，由上述線材制備的油回火鋼絲的表面性質(zhì)良好。此外，油回火鋼絲的拉伸強(qiáng)度根據(jù)JIS Z2241測量，結(jié)果證實了任一種油回火鋼絲具有約1,900到2,100MPa或更大的高強(qiáng)度(在表中未示出)。
相反，編號2、3、5、6、9、10、13、14、16、17、20、21、24、25、27和28的情形是比較例，其中采用偏離本發(fā)明規(guī)定的制備條件的線材形成工藝3到6中的任一種工藝制備彈簧，ΔCu或ΔNi值偏離本發(fā)明規(guī)定的范圍，因此鐵鱗剝離比率低，并且不能得到想要的酸洗性能。此外，由這種線材準(zhǔn)備的油回火鋼絲的表面性質(zhì)也退化。
此外，編號29到32的情況是比較例，其中鋼組成偏離本發(fā)明要求，因此ΔCu或ΔNi值偏離本發(fā)明規(guī)定的范圍，因而鐵鱗剝離比率低，并且不能得到想要的酸洗性能。此外，由這種線材準(zhǔn)備的油回火鋼絲的表面性質(zhì)也退化。
此處，在本發(fā)明實施例中，彈簧鋼線材是通過上述彈簧形成工藝(a)制備的。然而，彈簧形成工藝并沒有限制于彈簧形成工藝(a)，并且實驗證實了即使當(dāng)例如采用上述彈簧形成工藝(b)或(c)時，也能獲得具有優(yōu)異表面性質(zhì)的彈簧鋼線材。
權(quán)利要求
1.一種彈簧鋼線材，其包括C0.35％到0.7％(按質(zhì)量計，除非另有規(guī)定，下面也按質(zhì)量計)；Si1.5％到2.50％；Mn0.05％到1.0％；Cr0.05％到1.9％；Cu0.05％到0.7％；Ni0.15％到0.8％；P0.02％或更低(不包括0％)；以及S0.02％或更低(不包括0％)，其中Si與Cu的比率(Si/Cu)在4.0或更大的范圍內(nèi)；并且Cu在表面層中的濃度與Cu在鋼中的濃度之差為0.50％或更低，并且Ni在表面層中的濃度與Ni在鋼中的濃度之差為1.00％或更低。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的彈簧鋼線材，其中所述彈簧鋼線材還包含選自含有下列元素的組中的至少一種元素V0.07％到0.4％；Ti0.01％到0.1％；以及Nb0.01％到0.1％。
3.一種彈簧，其由根據(jù)權(quán)利要求1的彈簧鋼線材制備。
全文摘要
本發(fā)明的彈簧鋼線材是這樣的彈簧鋼線材，其中所述彈簧鋼線材包含C0.35％到0.7％(按質(zhì)量計，下面也按質(zhì)量計)、Si1.5％到2.50％、Mn0.05％到1.0％、Cr0.05％到1.9％、Cu0.05％到0.7％、Ni0.15％到0.8％、P0.02％或更低(不包括0％)、S0.02％或更低(不包括0％)；并且余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)，其中Si與Cu的比率(Si/Cu)在4.0或更大的范圍內(nèi)；并且Cu在表面層中的濃度與Cu在鋼中的濃度之差為0.50％或更低，以及Ni在表面層中的濃度與Ni在鋼中的濃度之差為1.00％或更低。本發(fā)明能夠改善富含Si并且還含有Cr、Cu和Ni的彈簧鋼線材的酸洗性能。
文檔編號C22C38/50GK1982494SQ200610148580
公開日2007年6月20日 申請日期2006年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月18日
發(fā)明者吉原直, 小泉富士雄 申請人:株式會社神戶制鋼所