專利名稱：懸掛彈簧鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于汽車懸掛螺旋彈簧及類似產(chǎn)品的懸掛彈簧鋼，特別是一種高碳合金彈簧鋼。
隨著汽車輕量化，對減輕懸掛彈簧重量的要求不斷提高。為了滿足這種要求，設(shè)計(jì)高應(yīng)力彈簧并在高應(yīng)力狀態(tài)下使用可以說是減輕重量的一個(gè)有效途徑。迄今為止，55SiCr鋼(相當(dāng)于美國的SAE9254、日本的SUP12鋼)已經(jīng)普遍使用于汽車懸掛彈簧上，這些彈簧的設(shè)計(jì)應(yīng)力水平為980Mpa(100kgf/mm2)，但是最近幾年發(fā)展目標(biāo)要求117Mpa(120kgf/mm2)以上的應(yīng)力。現(xiàn)有彈簧在這種高應(yīng)力下會出現(xiàn)疲勞壽命降低和彈性減退兩個(gè)問題。此外，現(xiàn)有彈簧中高Si含量鋼的表面質(zhì)量不佳，增加了脫碳傾向，降低了彈簧的疲勞使用壽命。
在1992年11月24日申請的、專利號為US5310251、名稱為“懸掛彈簧鋼的組成”的美國專利中提供一種彈簧鋼，其成份為C0.50～0.64wt％，Si0.80～1.35wt％，Mn0.60～0.90wt％，Cr0.05～0.60wt％，V0.08～0.13wt％，N0.012～0.02wt％，Mo0.005～0.02wt％，Nb0.001～0.005wt％，Ni0.005～0.05wt％，余量為Fe。該專利主要通過加入適量的V、Nb、Ni和足夠的N，彈簧鋼的抗彈減性和抗疲勞性能有所提高。但該鋼的成份復(fù)雜、成本較高、淬透性不夠，對于大型汽車或其它類似設(shè)備使用的粗螺旋彈簧，在熱處理時(shí)很難將芯部淬硬，芯部組織趨向形成硬度低于馬氏體的貝氏體或鐵素體+珠光體，因而大大減弱了加入V、Ni或Mo改善抗彈減性的效果。
本發(fā)明的目的在于提供一種淬透性、抗彈減性和疲勞壽命良好的低成本的高應(yīng)力懸掛彈簧鋼。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案本發(fā)明是一種高碳合金彈簧鋼，特點(diǎn)在于通過加入適量的W和稀土元素，來提高本彈簧鋼的淬透性，抗彈減性和疲勞壽命。按重量百分比計(jì)，其成分配比如下C0.50～0.7wt％，Si0.80～1.70wt％，Mn0.50～1.00wt％，Cr0.50～0.80wt％，W0.01～0.5wt％，稀土元素0.005～0.25wt％，余量為Fe。其中稀土元素可以是稀土類元素中的任一元素或任幾種元素的混合。如稀土元素為La、Y和Ce中的任一種，或者任兩種或三種的混合。上述的W，最佳含量應(yīng)為0.01～0.20wt％，而稀土元素的最佳含量應(yīng)為0.005～0.10wt％。
下面對本發(fā)明彈簧鋼成分配比設(shè)計(jì)作詳細(xì)的機(jī)理說明本發(fā)明彈簧鋼加入稀土元素改善了鋼材的抗彈減性、抗疲勞性和淬透性。由于稀土元素加入后細(xì)化了原始奧氏體的晶粒尺寸，提高了鋼材的綜合力學(xué)性能；它凈化了基體，改善了夾雜物數(shù)量和尺寸，從而提高了抗疲勞性能；另外，稀土元素加入后改善了表面質(zhì)量，抗脫碳性能提高。把稀土元素控制在0.25wt％以下的原因是由于超過這一數(shù)值后很可能產(chǎn)生晶粒粗化。
W是一種強(qiáng)烈的高淬透性和提高永久變形抗力的元素，而且還可以防止脫碳，從而改善鋼材的淬透性、抗彈減性和抗疲勞性。將W含量控制在0.01～0.5wt％的原因是如果含量低于0.01wt％，效果不明顯；而當(dāng)含量超過0.5wt％時(shí)，將會使鋼的韌性變差并易產(chǎn)生粗大的碳化物，從而降低疲勞強(qiáng)度。
C是保證鋼絲室溫強(qiáng)度所必須的成分，但當(dāng)減輕汽車重量要求高應(yīng)力時(shí)，應(yīng)限制碳含量。碳含量低于0.5wt％，鋼絲強(qiáng)度不夠；高于0.7wt％則韌性變壞。因此宜采用碳含量為0.5～0.7wt％。
Si是一種廉價(jià)元素，可改善淬火及回火處理螺旋彈簧的永久變形抗力。低于1wt％含量使其效果下降；當(dāng)含量超過1.6wt％，淬火及回火鋼材的韌性下降，熱軋鋼材也同樣如此。Si提高了碳的活度，促進(jìn)鋼材加熱、軋制及熱處理過程的脫碳。另外，Si在煉鋼過程中易形成非金屬夾雜物，降低懸掛彈簧鋼性能的可靠性。因此，宜采用Si含量為1.0～1.6wt％。
當(dāng)鋼中加入Cr后，降低鋼材的抗彈減性。但是，Cr含量小于0.8wt％時(shí)，對彈減性能無影響。另外，Cr明顯降低淬火及回火鋼材的韌性，但含量低于0.8wt％時(shí)無太大影響；另一方面，Cr有利于熱軋鋼的沖擊韌性，保證了拉絲工藝的穩(wěn)定可靠性。但Cr含量小于0.5wt％，這方面的作用就不明顯；與此同時(shí)，Cr降低了碳的活度，可以防止加熱、軋制和熱處理過程中的脫碳行為，因此增加了質(zhì)量可靠性。當(dāng)Cr含量小于0.5wt％時(shí)，這種效應(yīng)就不明顯。因此宜采用Cr含量為0.5～0.8wt％。
Mn是有利于消除S的有害作用，又有利于脫氧。但發(fā)現(xiàn)當(dāng)Mn含量小于0.5wt％時(shí)作用較小。當(dāng)Mn含量超過1wt％時(shí)，淬透性提高很大，在熱軋時(shí)韌性變壞，以致影響鋼絲的生產(chǎn)。因此宜采用Mn含量為0.5～1.0wt％。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明彈簧鋼中，由于加入了稀土元素和鎢，細(xì)化了原始奧氏體的晶粒尺寸，增加了鋼的淬透性，提高了鋼材的綜合力學(xué)性能。此外，稀土元素加入后改善了表面質(zhì)量，抗脫碳性能提高。由于稀土元素的凈化作用以及晶粒細(xì)化作用，有害的Al2O3夾雜物的數(shù)量和尺寸有所減少，總的夾雜物也由于O、N、Al、S等有害元素的含量下降而降低，保證了彈簧鋼的抗疲勞性能。所有這些效果，使鋼材的抗彈減性、抗疲勞性能以及設(shè)計(jì)應(yīng)力的提高幅度達(dá)20％以上。本發(fā)明加入微量的稀土元素和鎢后，可以極大地提高淬透性，取代大量的合金元素，不但降低鋼材成本，而且可用于制造大型彈簧。
附圖的圖面說明如下

圖1是本發(fā)明四個(gè)實(shí)施例A1、A3、A5、A6與兩個(gè)對照鋼B1、B2的鋼材淬透性曲線圖。
圖2是本發(fā)明兩個(gè)實(shí)施例A1、A6與兩個(gè)對照鋼B1、B2的鋼材850～1100℃奧氏體化溫度加熱后的奧氏體晶粒度變化曲線圖。
現(xiàn)以表列出本發(fā)明的六個(gè)實(shí)施例A1、A1、A3、A4、A5、A6和兩個(gè)對照鋼B1、B2的化學(xué)成份、力學(xué)性能、抗彈減性、夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果和疲勞性能。對照鋼B1是美國鋼號SAE9254相當(dāng)于中國牌號55SiCr鋼、B2是美國鋼號為SAE9259+V鋼。
表1 本發(fā)明鋼、常規(guī)鋼和比較鋼的化學(xué)成分，wt％
表1表示試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分，其中A1～A6為本發(fā)明鋼，B1、B2為對照鋼。從表可以看出，對照鋼中沒有稀土元素和鎢。
表4 試驗(yàn)鋼的夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果
表4給出表1中各試驗(yàn)鋼的夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果。按下述方法進(jìn)行試驗(yàn)。上述各種試驗(yàn)鋼加工成55×27.5mm的板狀試樣，制成夏比沖擊試驗(yàn)用GB2106-80V型缺口試樣。然后淬火回火處理，試樣最終硬度為55HRC。表4可以看出，本發(fā)明鋼A1～A6在HRC55硬度時(shí)的沖擊值高于對照鋼(B1，B2)。
表5 本發(fā)明鋼和對照鋼的疲勞性能
對試驗(yàn)鋼制成的彈簧(淬火及回火硬度為55HRC)反復(fù)施加載荷使平均應(yīng)力和應(yīng)力載荷分別為833Mpa和441Mpa進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表5所示。從表可知，本發(fā)明鋼即使在HRC55硬度下，耐久性仍明顯優(yōu)于對照鋼。反復(fù)加載200000次，任何一支彈簧均未出現(xiàn)斷裂。
上列的實(shí)施例A1、A3、A5、A6、和對照鋼B1、B2的淬透性曲線見圖1，可看見本發(fā)明彈簧鋼的淬透性明顯優(yōu)于對照鋼的淬透性。上列實(shí)施例A1、A6和對照鋼B1、B2奧氏體晶粒度變化曲線見圖2。
權(quán)利要求
1.一種懸掛彈簧鋼，它是一種高碳合金彈簧鋼，其特征在于按重量百分比計(jì)，其成分配比為C0.50～0.70wt％，Si0.80～1.70wt％，Mn0.50～1.00wt％，Cr0.50～0.80wt％，W0.01～0.50wt％.稀土元素0.005～0.25wt％，余量為Fe。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸掛彈簧鋼，其特征在于稀土元素是稀土類元素中的任一元素或任幾種元素的混合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的懸掛彈簧鋼，其特征在于稀土元素為La、Y和Ce中的任一種、或者任兩種或三種的混合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、或2、或3所述的懸掛彈簧鋼，其特征在于W的含量為0.01～0.20wt％，稀土元素的含量為0.005～0.10wt％。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于汽車懸掛螺旋彈簧及類似產(chǎn)品的懸掛彈簧鋼。它是一種高碳合金彈簧鋼,按重量百分比計(jì),其成分配比為:C0.1～0.70wt%,Si0.80～1.70wt%,Mn0.50～1.0wt%,Cr0.50～0.80wt%,W0.01～0.5%,稀土元素0.005～0.25wt%。本發(fā)明的關(guān)鍵在于通過加入微量的稀土元素和W,使彈簧鋼的抗彈減性、抗脫碳性、疲勞性能以及彈簧的設(shè)計(jì)應(yīng)力大為提高。
文檔編號C22C38/22GK1256213SQ9912701
公開日2000年6月14日 申請日期1999年12月29日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月29日
發(fā)明者張忠鏵, 張馳, 唐致忠 申請人:上海寶鋼集團(tuán)公司