本發(fā)明涉及一種具有顯著改善的強度和耐腐蝕性的鋼組合物。因此，該鋼組合物適用于具有改善的抗拉強度和疲勞壽命的車輛懸掛系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

彈簧鋼已廣泛用于制造彈簧，在車輛和工業(yè)懸架應(yīng)用上尤為突出。對于在汽車懸掛系統(tǒng)中的使用，彈簧鋼需要表現(xiàn)出高的疲勞強度。

近年來，車輛要求減輕重量和高功率，以達(dá)到減少廢氣排放和提高燃料效率的目的。因此，對發(fā)動機或汽車懸掛系統(tǒng)有用的螺旋彈簧進(jìn)行設(shè)計，改善抗應(yīng)力性。

特別地，由于這些部件連續(xù)地承受載荷，用于汽車懸掛系統(tǒng)的螺旋彈簧需要具有優(yōu)異的強度。而且，由于它們暴露于外部環(huán)境，應(yīng)該充分考慮耐腐蝕性。

這種汽車懸掛系統(tǒng)用的螺旋彈簧通常由主要包含碳(c)、硅(si)、錳(mn)和鉻(cr)并具有約1900mpa的抗拉強度的彈簧鋼制成。此外，已經(jīng)對雜質(zhì)控制技術(shù)進(jìn)行了研究，其中，通過控制合金元素的種類和含量來改善疲勞壽命。

上述內(nèi)容僅意在幫助理解本發(fā)明的背景，并不意在表示本發(fā)明落入本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的范圍內(nèi)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在優(yōu)選的方面，本發(fā)明提供一種高強度彈簧鋼，其通過優(yōu)化鉬(mo)、鎳(ni)、釩(v)、鈮(nb)、鈦(ti)、硼(b)和鎢(w)的含量來改善抗拉強度，并且通過控制其中雜質(zhì)的形成來改善在腐蝕環(huán)境下的疲勞強度。

在本發(fā)明的一個方面，提供一種彈簧鋼或其鋼組合物，其適用于車輛部件，比如車輛懸掛系統(tǒng)中的螺旋彈簧鋼。除非在下文中另有說明，所述的鋼或鋼組合物用作可以用于車輛的具有顯著改善的強度的彈簧鋼。

該鋼組合物包含：按重量計含量約0.4～0.9％的碳(c)；按重量計含量約1.3～2.3％的硅(si)；按重量計含量約0.5～1.2％的錳(mn)；按重量計含量約0.6～1.2％的鉻(cr)；按重量計含量約0.1～0.5％的鉬(mo)；按重量計含量約0.05～0.8％的鎳(ni)；按重量計含量約0.05～0.5％的釩(v)；按重量計含量約0.05～0.5％的鈮(nb)；按重量計含量約0.05～0.3％的鈦(ti)；按重量計含量約0.001～0.01％的硼(b)；按重量計含量約0.01～0.52％的鎢(w)；按重量計含量約0.3％或更少但大于0％的銅(cu)；按重量計含量約0.3％或更少但大于0％的鋁(al)；按重量計含量約0.03％或更少但大于0％的氮(n)；按重量計含量約0.003％或更少但大于0％的氧(o)；構(gòu)成鋼組合物的剩余余量的鐵(fe)。除非本文另有說明，所有按重量計％基于鋼組合物的總重量。

還提供一種鋼組合物，其基本上由本文所述的成分組成或由本文所述的成分組成。例如，該鋼組合物基本上由以下成分組成或由以下成分組成：按重量計含量約0.4～0.9％的碳(c)；按重量計含量約1.3～2.3％的硅(si)；按重量計含量約0.5～1.2％的錳(mn)；按重量計含量約0.6～1.2％的鉻(cr)；按重量計含量約0.1～0.5％的鉬(mo)；按重量計含量約0.05～0.8％的鎳(ni)；按重量計含量約0.05～0.5％的釩(v)；按重量計含量約0.05～0.5％的鈮(nb)；按重量計含量約0.05～0.3％的鈦(ti)；按重量計含量約0.001～0.01％的硼(b)；按重量計含量約0.01～0.52％的鎢(w)；按重量計含量約0.3％或更少但大于0％的銅(cu)；按重量計含量約0.3％或更少但大于0％的鋁(al)；按重量計含量約0.03％或更少但大于0％的氮(n)；按重量計含量約0.003％或更少但大于0％的氧(o)；構(gòu)成鋼組合物的剩余余量的鐵(fe)。

在一些實施方式中，鋼組合物適當(dāng)?shù)鼐哂屑s2100mpa或更大的抗拉強度。

在一些實施方式中，鋼組合物適當(dāng)?shù)鼐哂屑s700hv的硬度。

在一些實施方式中，鋼組合物適當(dāng)?shù)鼐哂屑s20μm或更小的腐蝕坑深度。

在一些實施方式中，鋼組合物適當(dāng)?shù)鼐哂型ㄟ^彎曲疲勞試驗測得的約280000循環(huán)或更大的疲勞壽命。

在一些實施方式中，鋼組合物適當(dāng)?shù)鼐哂型ㄟ^單腐蝕疲勞壽命試驗測得的約25000循環(huán)或更大的疲勞壽命。

在一些實施方案中，鋼組合物適當(dāng)?shù)鼐哂型ㄟ^復(fù)合腐蝕疲勞試驗測得的約300000循環(huán)或更大的疲勞壽命。

在另一方面，本發(fā)明提供一種包含本文所述鋼組合物的車輛部件。示例性車輛部件包括在車輛中的懸掛系統(tǒng)中使用的彈簧鋼。

本發(fā)明的其它方面在下文中公開。

附圖說明

通過下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，將更清楚地理解本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)勢，其中：

圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的基于溫度變化的示例性鋼組合物的相變的圖；和

圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的示例性鋼組合物的針對溫度的相變?yōu)闈B碳體的圖。

具體實施方式

本文使用的術(shù)語僅用于說明具體的示例性實施方式，而不是意在限制本發(fā)明。如本文所使用的，單數(shù)形式“一”、“一個”和“該”也意在包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文中有清楚地相反表示。還將理解的是，在說明書中使用的術(shù)語“包括”和/或“包含”是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、要素和/或部件，但是不排除存在或添加一個或多個其它特征、整數(shù)、步驟、操作、要素、部件和/或它們的組合。如本文所使用的，術(shù)語“和/或”包括一個或多個相關(guān)所列項目的任何和所有組合。

除非具體說明或從上下文清晰得出，本文中所用的術(shù)語“約”應(yīng)理解為在本領(lǐng)域的正常公差范圍內(nèi)，例如在均值的2個標(biāo)準(zhǔn)差內(nèi)?！凹s”可以理解為在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％內(nèi)。除非另外從上下文清晰得出，本文提供的所有數(shù)值都由術(shù)語“約”所修飾。

應(yīng)理解，本文使用的術(shù)語“車輛”或“車輛的”或其它類似術(shù)語包括通常的機動車輛，例如，包括運動型多功能車(suv)、公共汽車、卡車、各種商務(wù)車的乘用車，包括各種船只和船舶的水運工具，飛行器等等，以及包括混合動力車、電動車、插電式混合電動車、氫動力車和其它代用燃料車(例如，來源于石油以外的資源的燃料)。如本文所提到的，混合動力車是具有兩種或多種動力源的車輛，例如，具有汽油動力和電動力的車輛。

為了說明的目的，參考各種示例性實施方式來描述本發(fā)明的原理。盡管本文中具體描述了本發(fā)明的某些實施方式，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易認(rèn)識到，相同的原理同樣適用于其它系統(tǒng)和方法，并且可以在其它系統(tǒng)和方法使用。在詳細(xì)解釋本發(fā)明公開的實施方式之前，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明在其應(yīng)用上不限于所示的任何具體實施方式的細(xì)節(jié)。

在示例性實施方式中，提供一種彈簧鋼或其鋼組合物，其適合在車輛發(fā)動機中用作螺旋彈簧鋼。特別地，該鋼組合物由于優(yōu)化成分及其含量而具有改進(jìn)的性能，比如抗拉強度和疲勞強度。

根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的鋼組合物包含：按重量計含量約0.4～0.9％的碳(c)；按重量計含量約1.3～2.3％的硅(si)；按重量計含量約0.5～1.2％的錳(mn)；按重量計含量約0.6～1.2％的鉻(cr)；按重量計含量約0.1～0.5％的鉬(mo)；按重量計含量約0.05～0.8％的鎳(ni)；按重量計含量約0.05～0.5％的釩(v)；按重量計含量約0.05～0.5％的鈮(nb)；按重量計含量約0.05～0.3％的鈦(ti)；按重量計含量約0.001～0.01％的硼(b)；按重量計含量約0.01～0.52％的鎢(w)；按重量計含量約0.3％或更少但大于0％的銅(cu)；按重量計含量約0.3％或更少但大于0％的鋁(al)；按重量計含量約0.03％或更少但大于0％的氮(n)；按重量計含量約0.003％或更少但大于0％的氧(o)；構(gòu)成鋼組合物的剩余余量的鐵(fe)。以下，將描述根據(jù)本發(fā)明的組合物中成分的數(shù)值限制的原因。除非另有說明，在下面的描述中給出的單位按重量計的％基于鋼組合物的總重量得到。

本文使用的碳(c)按重量計含量為約0.4～0.9％。鋼的強度可隨碳含量的增加而增加。當(dāng)碳含量按重量計小于約0.4％時，由于在熱處理時淬火性不足，鋼組合物可能僅具有略微增加的強度。另一方面，當(dāng)碳含量按重量計大于約0.9％時，可能在淬火時誘發(fā)馬氏體相的形成，從而導(dǎo)致疲勞強度和韌性降低。優(yōu)選地，在上述范圍內(nèi)，鋼組合物被賦予顯著改善的強度和延展性。

本文使用的硅(si)按重量計含量為約1.3～2.3％。當(dāng)在具有鐵的鐵氧體中形成固溶體時，硅可提高強度和抗回火軟化性。當(dāng)硅含量按重量計小于約1.3％時，鋼組合物可能具有降低的抗回火軟化性。另一方面，當(dāng)硅含量按重量計大于約2.3％時，在熱處理時可能發(fā)生脫碳。

本文使用的錳(mn)按重量計含量為約0.5～1.2％。當(dāng)在基質(zhì)中形成固溶體時，錳可改善彎曲疲勞強度和淬火性能。當(dāng)錳含量按重量計小于約0.5％時，錳可能不具有足夠的淬火性能。當(dāng)錳含量按重量計大于約1.2％時，韌性可能劣化。

本文使用的鉻(cr)按重量計含量為約0.6～1.2％。鉻可誘導(dǎo)碳化物沉積的形成，通過回火改善韌性，改善可淬性，并通過抑制軟化來提高強度。此外，鉻可通過微結(jié)構(gòu)的精修(microstructuralrefinement)改善鋼組合物的韌性。當(dāng)鉻含量按重量計為約0.6％或更大時，鉻可改善回火軟化、脫碳、淬火和耐腐蝕性。當(dāng)鉻含量按重量計大于約1.2％時，可能過度形成大晶界碳化物，從而使強度劣化并使脆性增加。

本文使用的鉬(mo)按重量計含量為約0.1～0.5％。與鉻一樣，鉬可形成微結(jié)構(gòu)碳化物沉積以改善強度和斷裂韌性。特別地，1～5nm的碳化鈦鉬(timoc)的均勻形成可改善耐回火性并確保耐熱性和高強度。當(dāng)其含量按重量計小于約0.1％時，鉬可能不形成碳化物，從而不能獲得足夠的強度。另一方面，當(dāng)鉬含量按重量計大于約0.5％時，由于碳化物沉積和強度改善效果已經(jīng)飽和，制造成本可能沒有效率。

本文使用的鎳(ni)按重量計含量為約0.05～0.8％。鎳可改善鋼的耐腐蝕性，并改善耐熱性、冷脆性、可淬性、尺寸穩(wěn)定性和熱定形性。當(dāng)鎳含量按重量計小于約0.05％時，鋼組合物可能在耐腐蝕性和高溫穩(wěn)定性方面劣化。另一方面，當(dāng)鎳含量按重量計大于約0.8％時，鋼組合物可能出現(xiàn)熱脆性。

本文使用的釩(v)按重量計含量為約0.05～0.5％。釩可改善微結(jié)構(gòu)的精修、耐回火性、尺寸穩(wěn)定性和熱定形性，并產(chǎn)生耐熱性和高強度。此外，釩可形成微結(jié)構(gòu)的沉積物碳化釩(vc)以增加斷裂韌性。特別地，微結(jié)構(gòu)的沉積物vc可保持晶界的遷移。v可在奧氏體化時溶解以形成固溶體，并且可在回火時沉積，從而引起二次硬化。當(dāng)釩含量按重量計小于約0.05％時，可能不能防止斷裂韌性降低。當(dāng)釩含量按重量計大于約0.5％時，鋼組合物可能含有粗沉積物并在淬火后強度降低。

本文使用的鈮(nb)按重量計含量為約0.05～0.5％。鈮可包括微結(jié)構(gòu)的精修，通過氮化來使鋼表面硬化，并且改善尺寸穩(wěn)定性和熱定形性。碳化鈮(nbc)的形成可提高鋼的強度并控制其它碳化物(例如crc、vc、tic、moc)的形成速率。當(dāng)鈮含量按重量計小于約0.05％時，鋼組合物的強度可能降低，并且可能具有碳化物的不均勻分布。當(dāng)鈮含量按重量計大于0.5％時，可能抑制其它碳化物的形成。

本文使用的鈦(ti)按重量計含量為約0.05～0.3％。與nb和al一樣，鈦可防止或抑制晶粒再結(jié)晶和生長。此外，鈦可形成納米碳化物比如碳化鈦(tic)、碳化鈦鉬(timoc)等，并且可與氮反應(yīng)形成氮化鈦(tin)，這可抑制晶粒生長。還可形成硼化鈦(tib2)，其可干擾b和n之間的結(jié)合，結(jié)果使bn引起的淬火性能降低最小化。當(dāng)鈦含量按重量計小于約0.05％時，可能形成其它雜質(zhì)如al2o3，從而降低耐疲勞性。當(dāng)鈦含量按重量計大于約0.3％時，其它合金元素可能受到干擾并且成本可能增加。

本文使用的硼(b)按重量計含量為約0.001～0.01％。硼可改善抗拉強度和伸長率，防止腐蝕，并且增加耐腐蝕性和耐沖擊性。當(dāng)硼含量按重量計小于約0.001％時，鋼組合物可能具有降低的強度。另一方面，當(dāng)硼含量按重量計大于約0.01％時，韌性可能降低，從而降低鋼組合物的耐受性。

本文使用的鎢(w)按重量計含量為約0.01～0.52％。鎢可形成碳化物沉積，從而改善高溫耐磨性和韌性，抑制結(jié)構(gòu)生長，并且降低耐氧化性。當(dāng)鎢的含量按重量計小于約0.01％時，可能不能保持期望程度的高溫耐磨性，同時降低碳化物的形成。當(dāng)鎢的含量按重量計大于約0.52％時，可能形成過量的碳化鎢(wc)，從而使韌性劣化。

本文使用的銅(cu)按重量計含量為約0.3％或更少但大于0％。銅可提高回火后的淬火性能和強度，并且與ni一樣可改善鋼組合物的耐腐蝕性。由于過量的銅使生產(chǎn)成本增加，銅含量可有利地限定于約0.3％或更少。

本文使用的鋁(al)按重量計含量為約0.3％或更少但大于0％。鋁可與氮形成氮化鋁(aln)以誘導(dǎo)奧氏體的精修并且改善強度和沖擊韌性。特別地，與nb、ti和mo一起向鋼組合物中添加鋁可減少昂貴元素的量，包括微結(jié)構(gòu)的精修用的釩和韌性改善用的鎳。然而，由于過量的鋁可能使鋼組合物劣化，鋁的含量按重量計可限定于約0.3％或更少。

本文使用的氮(n)按重量計含量為約0.03％或更少但大于0％。氮可分別與al和ti形成氮化鋁(aln)和氮化鈦(tin)，從而提供微結(jié)構(gòu)的精修。特別地，tin可改善硼的淬火性能。然而，由于過量的氮與硼反應(yīng)，結(jié)果淬火性能降低，氮含量按重量計可有利地限定于約0.03％或更少，因為。

本文使用的氧(o)按重量計含量為0.003％或更少但大于0％。氧可結(jié)合si或al以形成非金屬的氧化物基雜質(zhì)，從而引起疲勞壽命性能降低。因此，更少量的氧可提供更好的效果。在本發(fā)明中，氧含量按重量計可限定于0.003％。

除了上述成分之外，彈簧鋼包含構(gòu)成鋼組合物的剩余余量的鐵(fe)。

實施例

以下，將參考實施例和比較例進(jìn)行詳細(xì)描述。

實施例和比較例的彈簧鋼在適合于市售彈簧鋼生產(chǎn)的條件下制備。如下表1所示的鋼組合物所示，其中成分以各種含量使用的鋼水的線材通過等溫處理、拉絲、淬火-回火和焊接淬火的連續(xù)工序制備成鋼絲。簡言之，將線材在940～960℃的溫度中保持3～5分鐘，冷卻至640～660℃的溫度，并在該溫度保持2～4分鐘，然后冷卻至18～22℃的溫度保持0.5～1.5分鐘。該等溫處理適于促進(jìn)隨后的拉絲過程。通過熱處理，在線材中形成珠光體。

在等溫處理之后，對線材進(jìn)行各種拉絲步驟以獲得目標(biāo)鋼絲直徑。在本發(fā)明中，拉制了具有4mm直徑的線材。

將拉制得到的線材加熱并在940～960℃的溫度中保持3～5分鐘，在45～55℃的溫度進(jìn)行淬火，接著回火0.5～1.5分鐘。然后，再次將線材加熱至440～460℃，保持2～4分鐘，之后進(jìn)行焊接淬火。通過淬火和回火形成馬氏體，賦予線材強度，通過焊接淬火形成回火馬氏體，賦予強度和韌性。

在試驗例中，對實施例和比較例的彈簧鋼的物理性能進(jìn)行了檢測。

對實施例和比較例的彈簧鋼進(jìn)行抗拉強度、硬度、線材的疲勞壽命、腐蝕坑深度、單腐蝕疲勞壽命、復(fù)合腐蝕疲勞壽命以及碳分?jǐn)?shù)和碳活性的改善的檢測，并在下述表2中給出結(jié)果。

在這方面，根據(jù)ksb0802，使用20噸試驗機在直徑為4mm的試樣上測量抗拉強度，并且根據(jù)ksb0811，使用微型vickers硬度計在300gf下測量硬度。

根據(jù)ksbiso1143，通過對直徑為4mm的試樣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗來測量疲勞壽命。稱為“基本額定壽命”的l10壽命被定義為在常規(guī)條件下操作時具有90％可靠性的壽命，用旋轉(zhuǎn)數(shù)的一百萬次單位表示。10％壽命約為l50平均壽命或故障之間的平均時間的七分之一。腐蝕疲勞壽命使用鹽水噴霧試驗(ksd9502、iso3768/7263)測量。

使用thermocalc參考熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫計算碳分?jǐn)?shù)和碳活性的改善。特別地，通過在sem-edx元素圖上計數(shù)來測量碳分?jǐn)?shù)。

如從表2的數(shù)據(jù)看出，不含mo、ni、v、nb、ti、b和w的常規(guī)鋼不滿足本發(fā)明的抗拉強度、硬度、線材的疲勞壽命、腐蝕坑深度、單腐蝕疲勞壽命、復(fù)合腐蝕疲勞壽命、以及碳分?jǐn)?shù)和碳活性的改善的任何要求。

比較例1～14的鋼與根據(jù)本發(fā)明的鋼的成分含量不同，雖然在抗拉強度、硬度、線材的疲勞壽命、腐蝕坑深度、單腐蝕疲勞壽命、復(fù)合腐蝕疲勞壽命、以及碳分?jǐn)?shù)和碳活性的改善等方面略有改善，但不能滿足本發(fā)明的任何要求。

不能獲得足夠的抗拉強度，特別是包含更少量mo的比較例1的鋼不能確保足夠的抗拉強度，并且與常規(guī)鋼相比，線材的疲勞壽命劣化并且腐蝕坑深度加深。

在比較例3和11中，ni和b的含量均小于本發(fā)明中的預(yù)定量。與常規(guī)鋼相比，該鋼的單腐蝕疲勞壽命反而減少。

在比較例9中，ti含量小于本發(fā)明中預(yù)定量。由于其形成了其它雜質(zhì)比如al2o3而降低耐疲勞性，該鋼的線材的疲勞壽命反而減少。

另一方面，在本發(fā)明中所有滿足規(guī)定范圍的實施例1～3的鋼示出了2100mpa或更大的抗拉強度和700hv或更大的硬度。此外，在鋼中測得深度為20μm或更小的腐蝕坑。發(fā)現(xiàn)它們具有通過彎曲疲勞試驗測得的超過280000循環(huán)、通過單腐蝕疲勞試驗測得的25000循環(huán)、以及通過復(fù)合腐蝕疲勞試驗測得的300000循環(huán)的疲勞壽命。此外，與常規(guī)鋼相比，碳分?jǐn)?shù)改善7％或更大，碳活性改善3％或更大。

圖1是表示根根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的示例性彈簧鋼相對于溫度的相變的圖，圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式的示例性彈簧鋼相對于溫度的相變成滲碳體的圖。

在圖1中，表示具有fe-1.5si-0.7mn-0.8cr-0.3ni-0.3mo-0.3v-0.1nb-0.15ti-0.003b-0.1w-0.55c的合金組合物的鋼相對于溫度的相變。如圖1所示，給定本發(fā)明的合金組合物，鋼具有各種微量雜質(zhì)，比如femowc、cr3b2和tib2，因此預(yù)期改善強度和疲勞壽命。

在圖2中，表示滲碳體中具有fe-1.5si-0.7mn-0.8cr-0.3ni-0.3mo-0.3v-0.1nb-0.15ti-0.005b-0.1w-0.55c的合金組合物的鋼相對于溫度的相變。如圖2所示，可以看出，滲碳體中發(fā)生九元系元素(nonaryelements)的復(fù)雜行為，從而預(yù)測微碳化物的均勻分布。

如上所述，本發(fā)明的鋼組合物通過優(yōu)化主要合金成分的含量提供21000mpa或更大的抗拉強度，并通過雜質(zhì)精煉而使耐腐蝕性和復(fù)合腐蝕疲勞壽命改善40％或更大。

雖然為了說明的目的公開了本發(fā)明的各種示例性實施方式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不脫離如所附權(quán)利要求中公開的本發(fā)明的范圍和精神的情況下，能夠進(jìn)行各種修改、添加和替換。