本發(fā)明屬于鋼鐵冶金生產領域，具體涉及一種彈簧鋼及其表面脫碳工藝。

背景技術：

彈簧是十分重要的機械零件，廣泛應用于汽車、鐵路、航空、航海、國防等領域。由于服役環(huán)境的特殊性，要求彈簧鋼具有較高的彈性極限、優(yōu)良的彈性減退抗力以及較高的屈強比，為防止材料在高頻次的交變應力下發(fā)生疲勞斷裂，要求彈簧具有較高的疲勞強度和足夠的塑韌性。60si2mn是國內目前使用最為廣泛的彈簧鋼品種之一，其用量占彈簧鋼總量的50～60％。在目前的工業(yè)生產條件下，對絕大部分彈簧鋼而言，其表面脫碳問題不可避免。60si2mn由于有較高的c、si含量，表面脫碳傾向更為明顯。當鋼中出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象時會嚴重影響彈簧鋼的疲勞極限和彈性，嚴重影響彈簧鋼的正常服役。表面如果存在脫碳組織會嚴重降低彈簧的疲勞強度和使用壽命。彈簧表面存在0.1mm的脫碳層時就會明顯影響疲勞性能，如果表面出現(xiàn)全脫碳層，會影響疲勞壽命50％。因此，改善彈簧鋼尤其是si-mn系彈簧鋼脫碳敏感性尤為重要。本發(fā)明所要解決的技術問題是，克服現(xiàn)有技術的不足，提出一種新型彈簧鋼表面脫碳的控制工藝，可以使60si2mn彈簧鋼表面不產生全脫碳層，且半脫碳層深度不超過1.5％h(h為彈簧扁鋼厚度)或1.5％d(d為彈簧線棒材直徑)。

中國專利申請?zhí)朿n201010102577.5公開了一種新型高強度耐疲勞無脫碳合金彈簧鋼及其鋼絲制備方法，所述鋼的化學成分為：c：0.56～0.64％，si：0.80～1.10％，mn：0.80～1.20％，cr：0.80～1.20％，mo：0.60～1.00％，v：0.20～0.30％，nb：0.05～0.12％，n：0.01～0.06％，p≤0.035％，s≤0.03％，re0.02％～0.07％，余量是fe。與67crva彈簧鋼相比，該發(fā)明合金彈簧鋼抗拉強度提高400mpa、疲勞壽命提高了幾千萬次，且鋼絲表面無脫碳等優(yōu)良性能，但合金元素數量多且含量高，導致生產成本大幅提高。

中國專利申請?zhí)朿n201210003859.9公開了一種高強度及高淬透性的彈簧鋼材料，按重量百分比計，其成分為：0.50％～0.55％的c，0.90％～1.20％的mn，0.80％～1.10％的si，0.10％～0.20％的v，0.90％～1.10％的cr，0.010％～0.040％的nb，≤0.03％的p，≤0.03％的s，其余為fe。本發(fā)明是一種淬透性、屈服強度較彈簧鋼52crmnba高，淬火開裂傾向較彈簧鋼60crmnba小，且價格經濟的彈簧鋼材料。該發(fā)明鋼具有高淬透性、高強韌性、低淬火性，但采用常規(guī)生產鋼板彈簧的工藝生產其表面脫碳的控制情況一般，確切的說，相比本發(fā)明中鑄坯表面噴丸、修磨處理、天然氣加熱、高溫快燒等工藝方法生產的彈簧鋼表面脫碳控制更優(yōu)良。

中國專利申請?zhí)朿n201210039991.5公開了一種彈簧鋼線材表面脫碳的控制方法，生產工藝為：150mm×150mm連鑄方坯，加熱爐一段爐溫控制在900～960℃，二段爐溫控制在990～1050℃，均熱段爐溫控制在1050～1100℃，在爐時間90～150min，均熱段空燃比控制在0.8左右，吐絲溫度控制在820℃左右，吐絲后以10℃/s冷速快速冷卻到660℃左右。因采用150mm2小方坯軋制生產鋼材，相比于200mm²較大方坯軋制的鋼材，無論是鋼材組織均勻性與性能穩(wěn)定性，還是生產效率方面，前者均不及后者，且實施范圍限于產品規(guī)格為ф8～18mm。

中國專利申請?zhí)朿n201110151239.5涉及彈簧鋼盤條用連鑄坯脫碳的控制方法。其步驟：1)冶煉、連鑄成坯；2)對連鑄坯進行分段加熱，并在還原氣氛下進行；3)軋制，控制開軋溫度在960～1010℃；4)冷卻至室溫，控制在奧氏體及鐵素體兩相區(qū)內的冷卻速度至少為15℃/分鐘。由于采用“焦爐煤氣+高爐煤氣”等混合煤氣，其熱值穩(wěn)定性差波動大，加熱爐內鋼坯加熱質量無法完全保證，常常會因連鑄坯受熱不均導致鋼材局部全脫碳或半脫碳現(xiàn)象。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對目前生產彈簧鋼制備方法存在的生產工藝復雜、合金成本高、生產效率低，以及制造的彈簧鋼表面脫碳層達不到用戶要求(合標不合用)和鋼材組織均勻性及性能穩(wěn)定性差等問題，提供一種高強韌性的彈簧鋼及其脫碳控制工藝，涉及的冶煉成分簡單，控制穩(wěn)定，煉、軋成本較低；所得鋼材組織均勻、性能穩(wěn)定、強度高、塑性好，尤其能夠控制鋼材表面無全脫碳層，局部脫碳層厚度不超過1.5％h(h為彈簧扁鋼厚度)或1.5％d(d為彈簧線棒材直徑)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種彈簧鋼，其組分及重量百分比含量為：c0.56～0.64％，si1.5～2.0％，mn0.70～1.00％，p≤0.035％，s≤0.035％，cr0.10～0.35％，nb0.01～0.04％，其余為fe和雜質元素。

上述一種彈簧鋼的脫碳控制工藝，包括鐵水脫硫、冶煉、連鑄、鑄坯處理、軋制工藝，其生產步驟如下：

1)鐵水脫硫：采用噴鎂粉脫硫工藝，控制出站鐵水硫含量[s]≤0.005wt％；

2)冶煉：采用50～150噸電爐或轉爐吹氧冶煉，出鋼1/4～5/12時開始加入合金材料和增碳劑，鋼中c、mn、si控制在內控范圍下限，鋼水出至2/3～4/5時合金、增碳劑必須全部加入；所得鋼包鋼水到達氬站吹氬不低于3min，測溫、取樣，然后采用lf爐進行精煉，加入活性石灰、螢石調整渣堿度，精煉過程吹氬攪拌鋼水，確保鋼水溫度均勻和c、si、mn、cr、nb等元素均勻分布，lf精煉時間控制在15～45min；精煉后進行rh真空處理，真空度≤100pa，處理時間大于25min，保證鋼水氫含量小于2.0ppm，避免出現(xiàn)白點缺陷導致過早疲勞斷裂；

3)連鑄：連鑄方坯時，采用結晶器液面自動控制和結晶器電磁攪拌，采用大罐長水口和結晶器浸入式水口保護澆鑄，中包保護渣采用堿性保護渣，連鑄溫度為1495～1520℃，拉速控制不小于1.2m/min；為使彈簧鋼晶粒細小，降低表面脫碳層深度，鑄坯軋制時要保證有足夠的壓縮比，因此，鑄坯截面尺寸應大于等于160*160mm；

4)鑄坯處理：為消除鑄坯表面質量缺陷，對鑄坯拋丸處理；

5)鑄坯加熱：相對于現(xiàn)有工藝加熱爐采用“焦爐煤氣+高爐煤氣”等混合煤氣，本步驟采用天然氣加熱，其熱值穩(wěn)定波動小，鋼坯加熱質量更高；該鋼ac3相變點為730℃左右，鋼坯加熱預熱段溫度不大于730℃，可以避免加熱前鑄坯表面形成鐵素體脫碳傾向，加熱段弱氧化性氣氛，均熱段還原性氣氛，有助于降低鑄坯表面脫碳；一加熱段爐溫1100～1150℃，空氣系數為1.00～1.30；二加熱段爐溫1150～1200℃，空氣系數為1.00～1.20；均熱段爐溫1120～1180℃，空氣系數為0.70～1.00；本發(fā)明采用“高溫快燒”的方法，加熱段和均熱鍛的累計加熱時間為1～1.4小時，鑄坯在爐內停留總時間1.5～2h，鑄坯出爐溫度1100～1150℃。

6)軋制時：將步驟5)所得鑄坯冷裝入步進梁加熱爐，入爐溫度在730℃以下，加熱溫度為1050～1180℃，斷面溫差≤40℃；鑄坯在加熱爐內總加熱時間為120～180min，開軋溫度控制為1000～1100℃，粗軋結束后在950～1080℃下進行精軋，精軋過程累計形變量10～60％，軋后以5～20℃/s冷卻速率冷卻到450～650℃之間保溫30～60min，然后空冷至室溫。

上述方案中，步驟1)中所述合金材料為硅鐵、硅錳、高碳鉻鐵和鈮鐵；增碳劑為碳粉。

上述方案中，步驟1)中所述渣堿度cao/sio2控制在1.0～4.5。

優(yōu)選的，步驟2)中所述鑄坯截面尺寸為200*200mm。

上述方案中，步驟4)中必要時進行局部修磨或全修磨，以確保彈簧鋼鑄坯表面基本無缺陷，修磨處理深度為1.5～4.0mm。

以下對本發(fā)明鋼中各元素作用及其生產方法進行分析說明：

c：c是鋼中最主要元素之一，對彈簧鋼的強韌性有著最顯著影響，隨著c含量增加，彈簧鋼的強度、硬度不斷提高，而韌性、塑性不斷降低。彈簧鋼需要承受較高的交變載荷和彈性形變，因此對強韌性匹配有嚴格要求。本申請所述c含量控制在0.56～0.64％；優(yōu)選為0.57～0.62％。

si：si是保證彈簧鋼彈性的最主要貢獻元素，具有明顯的抗彈減性作用，可提高鋼的強度，也是煉鋼的脫氧元素，但含量過高會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c含量控制在1.5～2.0％；優(yōu)選為1.6～1.8％。

mn：mn是平衡狀態(tài)圖中奧氏體區(qū)擴大的元素，能有效抑制鐵素體脫碳?？筛纳其摰募庸ば阅芎吞岣邚椈射摰拇阃感?。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0.7～1.0％；優(yōu)選為0.75～0.95％。

s、p：s、p是在本彈簧鋼中屬于有害元素，多余的s與mn結合生成mns夾雜物，對彈簧鋼的疲勞壽命有極大不利影響，且s是強烈的裂紋敏感性元素，p是易偏析元素，多余的p會導致彈簧鋼成分與組織的不均勻，降低鋼的塑性同時增加冷脆性，一般是其含量越低越好，考慮到煉鋼實際控制情況，故s、p控制在≤0.035％。

cr：cr能顯著提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性,細化珠光體片間距，從而細化組織晶粒度，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。故控制在0.10～0.35％；優(yōu)選為0.15～0.30％。

nb：nb能細化晶粒，提高鋼的硬度、強度，改善韌性及回火穩(wěn)定性，產生二次硬化效應。并且nb元素可抑制碳原子沿晶界擴散使得脫碳現(xiàn)象明顯減輕。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0.01～0.04％；優(yōu)選為0.01～0.30％。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明創(chuàng)新性地通過降c提si和nb微合金化，并匹配適宜的加熱、軋制、緩冷工藝，在解決強韌性難題的同時，可保證鋼材較小的脫碳層；此外，結合適當的潔凈鋼冶煉工藝、連鑄坯表面缺陷控制技術、加熱爐燃料及其爐內氣氛優(yōu)化技術，可開發(fā)出晶粒細小、組織均勻、性能穩(wěn)定、強度高、塑性好，尤其能夠控制得到表面脫碳層性能優(yōu)越的高端彈簧鋼；涉及的生產工藝較為簡單，不必對生產設備和工藝流程進行較大改動，在現(xiàn)有彈簧鋼生產工藝的基礎上，進行簡單工藝優(yōu)化，即可生產得到表面脫碳控制良好的彈簧鋼。

附圖說明

圖1為實施例1所述彈簧鋼的生產工藝流程圖。

圖2為實施例1所得彈簧鋼的金相組織圖。

圖3為實施例5所得彈簧鋼的奧氏體晶粒度圖。

圖4為實施例10所得彈簧鋼的奧氏體晶粒度圖。

圖5為對比例1所得彈簧鋼的奧氏體晶粒度圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

實施例1～10

實施例1～10中所述彈簧剛的制備方法(表面脫碳控制工藝)包括以下步驟：

1)鐵水脫硫：采用噴鎂粉脫硫工藝，控制出站鐵水硫含量[s]≤0.005wt％；

2)轉爐吹氧冶煉：采用120噸轉爐吹氧冶煉，出鋼時保證達到碳溫協(xié)調，出鋼1/3時加入硅錳合金、硅鐵、高碳鉻鐵、鈮鐵和碳粉，鋼水出至2/3時合金、增碳劑(碳粉)必須全部加完；

3)吹氬：所得鋼包鋼水在氬站進行吹氬，吹氬時間不低于3分鐘；

4)爐外精煉：在lf爐中進行精煉，加入活性石灰、螢石調整渣堿度在1.5～4.0；吹氬氣攪拌，lf精煉時間在15～45min；

5)rh真空處理：真空度≤100pa，處理時間30～40min，確保鋼水氫含量[h]≤1.2ppm。

6)進行連鑄：采用結晶器液面自動控制和結晶器電磁攪拌，采用大罐長水口和結晶器浸入式水口保護澆鑄，中包保護渣采用堿性保護渣，連鑄溫度為1495～1520℃，二冷水采用弱冷，比水量≤1.0l/min，并控制拉坯速度為1.2～3.5m/min，鑄坯截面尺寸大于等于200*200mm；

7)步驟5)所得鑄坯堆垛緩冷或入坑緩冷48小時后，進行噴丸處理，對表面質量要求較高的用戶還需將鋼坯轉入方坯修磨線進行在線修磨處理，每面修磨深度1.5～4.0mm；

8)鑄坯加熱：加熱爐采用天然氣燃料，入爐溫度在730℃以下，一段加熱段爐溫1100～1150℃，空氣系數為1.0～1.30；二段加熱段爐溫1150～1200℃，空氣系數為1.0～1.20；均熱段爐溫1120～1180℃，空氣系數為0.70～1.00；采取“高溫快燒”的方式，加熱段和均熱鍛的累計加熱時間為1.0～1.4小時，鑄坯在爐內停留總時間1.5～2小時，鑄坯出爐溫度1100～1150℃；

9)進行粗軋，將步驟5)所得鑄坯冷裝入步進梁加熱爐中，入爐溫度在730℃以下，加熱溫度為1050～1180℃，斷面溫差≤40℃；鑄坯在加熱爐內總加熱時間為120～180min，控制其開軋溫度在1000～1100℃；

10)進行精軋，控制其精軋溫度950～1080℃，累計變形量在10～60％；

11)進行控冷，通過冷床保溫罩傾斜角度與開啟不同長度調整冷卻速度5～25℃/秒冷卻至450～650℃保溫30～60min，然后空冷至室溫，即得所述彈簧鋼。

本發(fā)明實施例1-10與普通工藝生產的對比例1-3的組分取值及主要工藝參數分別見表1和表2；力學性能和脫碳層指標情況見表3。

表1實施例1～10和對比例1～3所述彈簧鋼的組分取值列表(wt％)

表2實施例1～10和對比例1～3所述彈簧鋼的主要工藝參數列表

表3實施例1～10和對比例1～3所得彈簧鋼的性能測試結果列表

本發(fā)明實施例5、10和對比例1所得彈簧鋼的奧氏體晶粒度圖分別見圖3～5，其晶粒度分別為9.0級、8.5級和6.5級，本發(fā)明所得彈簧鋼呈組織晶粒細小的特點，有利于提升其機械性能。

上述結果表明，本發(fā)明所述彈簧鋼具有強度高、塑性好，組織晶粒細小等特點，且能夠控制鋼材表面無全脫碳層，局部脫碳層厚度不超過1.5％h(h為彈簧扁鋼厚度)或1.5％d(d為彈簧線棒材直徑)，能夠控制得到表面脫碳層性能優(yōu)越的高性能彈簧鋼。

以上實施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本領域技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原料前提下，所作出的若干改進，也應視為本發(fā)明的保護范圍。