專利名稱：變截面板簧用35SiMnVB彈簧鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于合金彈簧鋼領(lǐng)域。主要用于制造汽車的變截面板簧。
汽車中采用少片變截面板簧的主要優(yōu)點是使板簧總成重量明顯減輕，約減輕20～30%，因而有效地減少汽車耗鋼量，使汽車自重減少而載重量增加，并使汽車的消耗功率減少，因此具有十分顯著的經(jīng)濟效益。
目前國外廣泛采用的變截面板簧用鋼主要為5160、51B60、即SUP9、SUP10、SUP11，相當(dāng)于我國鋼號60CrMn、60CrMnB，德國、奧地利采用50CV4，相當(dāng)于我國鋼號50CrV，英國為CrMn系和CrMnMo系，美國為CrMn系和CrMnB系，日本為CrMnnV和CrMnB系。即鋼中都含有Cr，這些鋼中的C含量均較高，即系中高碳彈簧鋼，而我國Cr資源較少，需要開發(fā)不含Cr的新型彈簧鋼，以滿足制造變截面板簧的需要。
重慶汽車研究所與本發(fā)明人合作研制生產(chǎn)出中低碳彈簧鋼35SiMnB，如CN85100662A的專利申請，該鋼種用之替代60Si2Mn和55SiMnVB鋼使用已取得良好效果，其力學(xué)性能明顯高于GB1222-84對60Si2Mn和55SiMnVB鋼的要求，且由于韌塑性富余量較大，因而實際上也高于GB1222-84對50CrMn及50CrVA鋼的性能要求。此外，由于碳含量的降低，因而其成形性和脫碳敏感性也將優(yōu)于或相當(dāng)于50CrMn。雖然該鋼的淬透性比60Si2Mn有一定提高，接近于55SiMnVB，但仍低于50CrVA或50CrMn，由于變截面板簧用鋼要求高的淬透性，這就限制了該鋼種在較大尺寸的變截面板簧上的應(yīng)用。如在35SiMnB鋼的基礎(chǔ)上添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪?，保?5SiMnB鋼的優(yōu)點而進一步提高其淬透性，降低其脫碳敏感性，細化晶粒，便有可能研制出新型的中低碳變截面板簧用鋼，從而形成系列產(chǎn)品，適應(yīng)汽車板簧用鋼的發(fā)展趨勢，為我國彈簧鋼的發(fā)展開辟一條新路。
本發(fā)明的目的是研制一種新的適合于變截面板簧的中低碳彈簧鋼35SiMnVB。
本發(fā)明目的是通過在35SiMnB鋼的基礎(chǔ)上添加適量的V元素而實現(xiàn)，其成分為(重量%)C 0.30～0.40;Si 0.80～1.4;Mn 1.0～1.60;V 0.08～0.13;B 0.0005～0.005;P≤0.035;S≤0.035，余為Fe。
根據(jù)微合金鋼的有關(guān)理論，若能在鋼材熱處理淬火加熱溫度下使V進入固溶態(tài)，則加V也能有效提高鋼材的淬透性。而且，在回火過程中使V(VN)沉淀析出，將還能明顯提高鋼的強度。
固溶度積方程和V含量的確定VN在奧氏體中的固溶度積公式為Lg([V]·[N])＝3.63-8700/T或Lg([V]·[N])＝3.46-8330/T
電爐鋼的氮含量通常為0.007%，但35SiMnVB鋼由于需先插Ti定N以提高B的回收率，有效N很少，故可不考慮形成VN的可能。
VC在奧氏體中的固溶度積公式為Lg([V]·[C])＝6.7-9500/T135SiMnVB高限C含量若定為0.38%，V含量高限若定0.10%，則由上式可計算出VC的全固溶溫度約為894℃，只要淬火加熱溫度接近或略高于894℃，則可使全部V進入固溶態(tài)。而固溶態(tài)的V將可提高鋼材的淬透性，0.10%固溶V大致的淬透性因子為1.58，35SiMnB鋼的淬透直徑(油淬)約為15mm，因而35SiMnVB的淬透直徑(油淬)將可達23.7mm，基本上與50CrMn及50CrV鋼相當(dāng)，可適用于大多數(shù)變截面板簧。相對來說，55SiMnVB鋼860℃淬火加熱時僅有約0.037%V進入固態(tài)，大部分V仍以VC形式存在，因而，其所含的V并不能提高鋼材的淬透性。
根據(jù)35SiMnVB的成分和以上的關(guān)于微合金理論的計算結(jié)果，確定了本發(fā)明的上述的成分。
本發(fā)明的35SiMnVB彈簧鋼的冶煉和軋制工藝如下35SiMnVB采用電爐冶煉，亦可采用頂吹轉(zhuǎn)爐冶煉，冶煉時對冶煉工藝并無特殊要求，但由于鋼中含有B，而加B時，B極易和鋼中氧、氮化合，生成化合硼，使B失去提高淬透性的作用，因此冶煉時一定要注意脫氧、定氮操作和加B的方法，保證鋼中的酸溶硼含量。目前申請人已掌握了煉鋼工藝和加硼方法，并且B的回收已相當(dāng)穩(wěn)定，從而保證了B鋼的冶煉質(zhì)量。鋼錠經(jīng)軋機開坯，鋼錠入爐溫度應(yīng)小于800℃，加熱溫度為1100～1050℃。對已生產(chǎn)的30多爐檢驗結(jié)果表明一般疏松為0.5～1.0級，中心疏松為0.5～1.0級，偏析0～1.0級，即鋼的低倍組織級別較低，比較理想。鋼坯裝爐溫度不大于800℃，加熱溫度為1100～1180℃，開軋溫度為1050～1150℃，終軋溫度大于850℃根據(jù)上述成分和工藝生產(chǎn)的板簧的力學(xué)性能為σ0.2MPaσbMPaδ10% ψ% akJ>1450 >1550 >9 >40 >50本發(fā)明的35SiMnVB彈簧鋼的處理工藝，力學(xué)性能、組織特征、斷口形貌的實驗研究及其和其它工業(yè)上用的50CrMn、50CrVA彈簧鋼有關(guān)性能對比如下1、熱處理工藝和力學(xué)性能為全面對比35SiMnVB與工業(yè)用的彈簧鋼35SiMnB、50CrMn、50CrVA的性能，對35SiMnVB的熱處理工藝，包括臨界區(qū)加熱溫度，不同淬火溫度，不同回火溫度進行了系統(tǒng)研究。在860～920℃范圍內(nèi)淬火時，淬火溫度對35SiMnVB性能無明顯影響，35SiMnVB鋼也有較寬的回火范圍，即400～460℃，能夠滿足彈簧鋼熱處理后的硬度要求HRC40～47。35SiMnVB鋼在不同工藝處理后，及其它彈簧鋼35SiMnB、50CrMn、50CrVA的常溫力學(xué)性能對比列于表1和2。
2、本發(fā)明的35SiMnVB的淬透性和其它各彈簧鋼的對比本發(fā)明的35SiMnVB(4爐工業(yè)生產(chǎn)鋼實測值)和35SiMnVB、50CrMn、50CrVA鋼的淬透性對比見表3。四種鋼的99%、95%和50%馬氏體(中限成分)距水冷端的距離列于表3。從表3所列各數(shù)據(jù)可以看出35SiMnVB其淬透性比50CrMn、50CrVA和35SiMnB要高，為使油淬后心部獲得95%以上的馬氏體，所允許的板簧厚度為50CrMn＜18mm，35SiMnVB＜28mm，50CrVA＜11mm?？紤]到冶金質(zhì)量和成分的波動，我們通常將35SiMnVB的應(yīng)用板簧厚度限制在＜20～24mm的范圍。如采用水溶性介質(zhì)使其冷速介于水油之間，那么35SiMnVB45mm的扁鋼淬火后心部也可獲得%的馬氏體。
表3 35SiMnVB、35SiMnB、50CrMn、50CrVA的淬透性比較 3、脫碳敏感性試驗脫碳對彈簧鋼的疲勞壽命有重要影響，人們總希望彈簧鋼的脫碳層深度越低越好。本項研究中用等溫處理和等時處理研究了一些彈簧鋼的脫碳敏感性，并用擴散方程計算了各種條件下的脫碳層深度，計算了鋼中碳活度和脫碳層深度的關(guān)系。根據(jù)金相觀察的結(jié)果，用晶界擴散效應(yīng)解釋了個別鋼種脫碳層深度與理論預(yù)測不一致的原因。一系列的研究結(jié)果表明35SiMnVB的脫碳敏感性優(yōu)于35SiMnB、50CrMn而與50CrVA相當(dāng)。這與該鋼的C、Si含量較低，鋼中碳活度較低，B又有效地降低晶界擴散效應(yīng)等因素有關(guān)，本發(fā)明的35SiMnVB鋼具有低的脫碳敏感性，給冶金、軋制生產(chǎn)和板簧疲勞壽命的提高都提供了有利條件。
4、韌性特性的研究本次研究首次系統(tǒng)地研究了各彈簧鋼的韌性特性，包括沖擊韌性，低溫沖擊韌性，動載斷裂韌性和斷裂韌性;并對斷口進行了系統(tǒng)分析。這對于正確認識和評價彈簧鋼的韌性特性提供了依據(jù)。所得結(jié)果表明低碳彈簧鋼較中、高碳彈簧鋼具有較高的韌性儲備，尤其是低溫沖擊韌性;低碳彈簧鋼具有更高的韌性儲備，這為在寒帶使用時，保證板簧的使用壽命提供了重要依據(jù)。需要說明，對比試驗的彈簧鋼35SiMnVB、50CrMn和50CrVA是韌性較優(yōu)良的彈簧鋼。
5、應(yīng)變疲勞特性的研究本項研究亦首次系統(tǒng)地研究了彈簧鋼50CrMn、35SiMnVB、35SiMnB、50CrVA應(yīng)變疲勞特性，不同硬度的低碳彈簧鋼的應(yīng)變疲勞特性，所得的結(jié)果為分析、選擇彈簧鋼的過載性能，尤其是高負荷，高應(yīng)力彈簧鋼的選用提供了重要參考數(shù)據(jù)，在應(yīng)變疲勞的特性研究中，測量了各鋼的應(yīng)變疲勞曲線、循環(huán)應(yīng)力一應(yīng)變曲線，并據(jù)測量結(jié)果進行了回歸分析，將回歸分析所得各參量應(yīng)用已有的關(guān)系進行計算，并比較了計算值和實測值，同時觀察了疲勞斷口，測量了斷口中的疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)大小，觀察了形貌，得出如下結(jié)果(1)在硬度相同的情況下，當(dāng)循環(huán)次數(shù)大于103即應(yīng)變幅△ε/2＜10-2時，不同彈簧鋼的應(yīng)變疲勞曲線相近，但在高應(yīng)變區(qū)，延性較高的彈簧鋼，尤其是低碳彈簧鋼35SiMnVB具有略高的疲勞壽命，或者說延性較高的彈簧鋼具有較高的過載抗力;(2)同樣硬度下，隨循環(huán)應(yīng)變變量的增加，疲勞區(qū)變小，瞬斷區(qū)變大;(3)同一鋼種，同一應(yīng)變量下，尤其是在較高的應(yīng)變動幅下，隨著硬度增加，疲勞區(qū)變小，瞬斷區(qū)變大;(4)瞬斷區(qū)的斷口形貌隨硬度增加，而脆性特征增加;(5)所有彈簧鋼都表現(xiàn)出循環(huán)軟化，但低碳彈簧鋼35SiMnVB循環(huán)軟化量低于中、高碳彈簧鋼。
本次研究，我們進一步以循環(huán)形變和循環(huán)應(yīng)力松馳實驗方法對35SiMnVB、50CrMn及50CrVA的松馳抗力進行進一步的研究，前者是控制規(guī)定應(yīng)力，測量循環(huán)蠕變(或變形量)，后者則是控制循環(huán)應(yīng)變，測量應(yīng)力松弛情況對循環(huán)變形的研究結(jié)果表明循環(huán)變形可用方程△ε＝εN°來描述;在對比的三個鋼中，以50CrVA的循環(huán)變形量最小，50CrMn鋼的循環(huán)變形量較大，35SiMnVB鋼居中;循環(huán)變形量和循環(huán)次數(shù)有關(guān)，和材料有關(guān)，并和循環(huán)應(yīng)力幅有關(guān)，而循環(huán)應(yīng)力松弛則可用方程△σ＝KLg△ε來描述，而循環(huán)應(yīng)力松馳量的大小比較表明中、低碳彈簧鋼和老的中、高碳彈簧鋼相當(dāng)。這再次表明，35SiMnVB，在循環(huán)應(yīng)力條件下，其抗松弛穩(wěn)定性也是令人滿意的。
7、彈簧鋼內(nèi)耗的測定為了探討彈簧鋼的松弛抗力、平順性與彈簧鋼的內(nèi)秉參量內(nèi)耗之間的關(guān)系，以期證明新型彈簧鋼的松弛抗力和平順性是可以和老彈簧鋼相比的，測定了同樣硬度下的幾種彈簧鋼的大內(nèi)耗，結(jié)果表明，新彈簧鋼與60Si2Mn，55SiMnVB，50CrMn基本類同，這再次表明受這一參量影響的板簧的其它性能也是類同的。
實施例本發(fā)明的35SiMnVB的生產(chǎn)實施例如下表 表中的成分均為重量%，其余為Fe。
其冶煉工藝如前述。
軋態(tài)扁試樣經(jīng)880℃油淬，370℃回火處理后，機械性能如下表
備注每爐兩個試樣


權(quán)利要求
1.一種變截面板簧用35SiMnVB彈簧鋼，其特征在于其成分為(重量%)C 0.30～0.40，Si 0.80～1.40，Mn 1.0～1.60，V 0.08～0.13，B 0.0005～0.005，P≤0.035，S≤0.035，其余為鐵。
全文摘要
本發(fā)明為一種變截面板簧用35SiMnVB彈簧鋼，屬于合金彈簧鋼領(lǐng)域，主要用于制造汽車的變截面板簧。本發(fā)明的35SiMnVB彈簧鋼的成分(重量％)為C0.30～0.40，Si0.80～1.40，Mn1.0～1.60，V0.08～0.13，B0.0005～0.005，P≤0.035，S≤0.035，其余為鐵。本發(fā)明的35SiMnVB能滿足彈簧鋼熱處理后的硬度要求，其淬透性比50CrMn，50CrVA和35SiMnB要高。
文檔編號C22C38/12GK1098145SQ9311978
公開日1995年2月1日 申請日期1993年11月11日 優(yōu)先權(quán)日1993年11月11日
發(fā)明者齊顯新, 馬鳴圖, 史美倫, 韓建中, 姚忠卯, 張錫斌 申請人:河南省安陽鋼鐵公司