一种工程机械用弹簧钢及其制备方法与应用与流程

本发明功能材料，涉及一种弹簧钢，尤其涉及一种工程机械用弹簧钢及其制备方法与应用。

背景技术：

1、弹簧是重要的基础件，广泛应用于汽车、机械、铁路等领域。作为安全性承载部件，弹簧在服役过程中要承担高周交变载荷，其失效方式主要是疲劳断裂。大量研究表明，对于高强度、高周疲劳弹簧，杂质元素、大尺寸脆性夹杂物、偏析、表面质量等是引起疲劳失效的主要原因。

2、高强汽车悬架弹簧对杂质元素含量、夹杂物、偏析、组织、脱碳、表面质量等均有非常高的技术要求，直接影响到弹簧的疲劳寿命，进而影响汽车的整体寿命和使用安全性。为了得到高强度、高性能的弹簧钢，需要提高其生产过程中的杂质元素、夹杂物控制水平；解决连铸过程中铸坯成分不均匀及内部和表面质量问题；控制轧钢过程中脱碳、组织均匀性及表面质量等问题，综合提高高强汽车悬架弹簧质量及疲劳寿命。

3、cn 115074604a公开了一种弹簧钢线材及其生产方法，该工艺通过治炼过程及部分辅料控制钢水中的p、s、a1、ti等杂质元素及气体含量，通过连铸大压下控制铸坯偏析，结合加热度采用缩短保温时间、低温加热的方式以及控制炉内气氛、全修磨控制表层脱碳，实现弹簧钢整体质量的控制。该工艺虽然通过kr和转炉控制回硫，精炼和真空过程采用高碱度渣系脱硫，但是高碱度渣系会导致钢水中夹杂物a12o3、cao组分大幅增加，对夹杂物类型控制不利。此外，由于是硅锰脱氧钢，酸性夹杂物对耐材有一定的侵蚀作用，同时高碳钢在真空下c对耐材氧化物的还原侵蚀也较为严重，该专利提供的方法未对真空、连铸等耐材提供控制技术方法，不利于外来大尺寸夹杂物的控制；同时，连铸压下按照凝固中心简单分为三段来压，单段压下量过大，可能会导致铸坯内部裂纹等问题；而加热炉中采用低保温时间及低加热温度加热铸坯，不利于元素扩散和偏析的减弱消除：此外，采用线材作为打包带，易造成弹簧盘条表面勒痕和划伤。

4、cn 105907919a公开了一种用于弹簧钢夹杂物控制的冶炼工艺，所述冶炼工艺包括：1)电炉初炼；2)吹氩；3)lf炉精炼；4)vd炉精炼；5)连铸；电炉初炼出钢过程中采用si/mn无铝脱氧工艺进行预脱氧，并同时采用活性石灰、复合剂和精炼渣。能很好地控制钢中脆性夹杂物，但精炼后期的炉渣碱度控制在0.7～1.4，酸性炉渣对钢包、连铸中间包耐材侵蚀严重，易造成外来夹杂物超标。

5、高级别、重要用途弹簧对夹杂物、成分及组织均匀性、表面质量等均具有严格的要求。因此，控制夹杂物、成分组织均匀性、表面质量等一直是弹簧钢研发领域的重点。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种工程机械用弹簧钢及其制备方法。本发明通过碳、硅、锰、铬成分的调节，同时优化工艺参数，制得的工程机械用弹簧钢具备优异的物理性能，同时降低了弹簧钢中气体及夹杂物含量，提高了弹簧钢的纯度，进一步延长了所述弹簧钢的使用寿命。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种工程机械用弹簧钢，所述工程机械用弹簧钢的化学成分按质量百分数计包括：c 0.56～0.64％，si 1.50～2.00％，mn0.70～1.00％，p≤0.025％，s≤0.020％，cr≤0.35％，ni≤0.35％，cu≤0.25％，余量为铁以及不可避免的杂质。

4、本发明中，通过碳、硅、锰、铬成分的调节，可提高淬透性，通过窄成分控制，减少成分偏析，进一步优化了钢材性能。

5、本发明中，所述工程机械用弹簧钢中c的质量百分含量为0.56～0.64％，例如可以是0.56％、0.58％、0.60％、0.62％或0.64％，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用；

6、si的质量百分含量为1.50～2.00％，例如可以是1.50％、1.60％、1.70％、1.80％、1.90％或2.00％，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用；

7、mn的质量百分含量为0.70～1.00％，例如可以是0.70％、0.80％、0.90％或1.00％，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用；

8、p的质量百分含量≤0.025％，例如可以是0.025％、0.023％、0.021％、0.018或0.015％，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用；

9、s的质量百分含量≤0.020％，例如可以是0.020％、0.018％、0.016％、0.014％或0.012％，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用；

10、cr的质量百分含量≤0.35％，例如可以是0.35％、0.33％、0.31％、0.29％、0.27％或0.25％，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用；

11、ni的质量百分含量为0.35％，例如可以是0.35％、0.33％、0.31％、0.29％、0.27％或0.25％，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用；

12、cu的质量百分含量≤0.25％，例如可以是0.25％、0.23％、0.21％、0.19％、0.17％或0.15％，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

13、作为本发明的一个优选技术方案，所述工程机械用弹簧钢的化学成分按质量百分数计包括：c 0.59～0.61％，si 1.77～1.81％，mn 0.83～0.87％，p≤0.020％，s≤0.010％，cr 0.22～0.26％，ni≤0.35％，cu≤0.25％，al≤0.018％，余量为铁以及不可避免的杂质。

14、优选地，所述工程机械用弹簧钢的化学成分按质量百分数计包括：c 0.60％，si1.79％，mn 0.85％，p≤0.018％，s≤0.008％，cr 0.24％，ni≤0.03％，cu≤0.03％，al≤0.015％，余量为铁以及不可避免的杂质。

15、作为本发明的一个优选技术方案，所述工程机械用弹簧钢的屈服强度≥1500mpa，例如可以是1500mpa、1520mpa、1540mpa、1560mpa、1580mpa或1600mpa，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

16、优选地，所述工程机械用弹簧钢的抗拉强度≥1650mpa，例如可以是1650mpa、1670mpa、1690mpa、1710mpa、1730mpa或1750mpa，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

17、优选地，所述工程机械用弹簧钢的断后伸长率≥5％，例如可以是5％、6％、7％、8％、9％或10％，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

18、优选地，所述工程机械用弹簧钢的断面收缩率≥20％，例如可以是20％、22％、24％、26％、28％或30％，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

19、第二方面，本发明提供了一种第一方面提供的工程机械用弹簧钢的制备方法，所述制备方法包括：对铁水依次进行转炉冶炼、脱氧合金化处理、lf精炼、vd真空脱气、连铸、加热处理、轧制以及缓冷，得到所述工程机械用弹簧钢。

20、本发明通过优化制备工艺并结合全程保护浇注工艺，降低了所述弹簧钢中气体及夹杂物含量，提高了弹簧钢的纯净度。其中，氧含量≤0.0015％，氢含量≤0.0002％；a类细系≤2.0级，a类粗系≤1.5级，b类细系≤2.0级，b类粗系≤1.0级，c类细系≤0.5级，c类粗系≤0.5级，d类细系≤1.0级，d类粗系≤1.0级，ds≤2.0级。

21、更具体地，本发明所述全程保护浇注工艺包括：采用大包长水口采用氩封，中包盖板烘烤孔全部进行密封，开浇前中包充氩压力0.25-0.35mpa，且充氩时间≥4min，大包长水口碗口积渣逐炉清理，要求不能破坏水口碗部形状；且中包采用整体水口。

22、作为本发明的一个优选技术方案，所述转炉冶炼的出钢温度≥1620℃，例如可以是1620℃、1640℃、1660℃、1680℃或1700℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

23、优选地，所述转炉冶炼的终点为：p≤0.013wt％，例如可以是0.013wt％、0.011wt％、0.009wt％、0.007wt％或0.005wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

24、优选地，所述脱氧合金化处理包括向铁水中补充铝锭和合金。

25、优选地，在所述转炉冶炼的出钢30s时补充铝锭。

26、优选地，所述铝锭的添加量为0～0.3kg/t钢，例如可以是0.05kg/t钢、0.1kg/t钢、0.15kg/t钢、0.2kg/t钢、0.25kg/t钢或0.3kg/t钢，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

27、优选地，在所述转炉冶炼的出钢50s时补充锰硅合金和硅铁合金。

28、作为本发明的一个优选技术方案，所述lf精炼中精炼渣的三元渣系组分以质量百分量计包括：cao为53～57％，sio2为7～9％，al2o3为38～42％。

29、示例性的，所述三元渣系组分中cao的质量百分含量为53～57％，例如可以是53％、54％、55％、56％或57％，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用；

30、sio2的质量百分含量为7～9％，例如可以是7％、7.4％、7.8％、8.2％、8.6％或9％，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用；

31、al2o3的质量百分含量为38～42％，例如可以是38％、39％、40％、41％或42％，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

32、优选地，所述lf精炼的时间≥48min，例如可以是48min、49min、50min、51min、52min、53min、54min或55min，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

33、优选地，所述lf精炼中白渣的保持时间≥15min，例如可以是15min、16min、17min、18min、19min或20min，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

34、本发明中，所述白渣中feo+mno的含量＜1％。

35、优选地，所述lf精炼的出钢温度为1566～1586℃，例如可以是1566℃、1570℃、1574℃、1578℃、1582℃或1586℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

36、优选地，所述lf精炼的终点为：c 0.56～0.64％，si 1.50～2.00％，mn0.70～1.00％，p≤0.025％，s≤0.008％，cr≤0.35％，al≤0.018％。

37、作为本发明的一个优选技术方案，所述vd真空脱气的时间≥15min，例如可以是15min、16min、17min、18min、19min或20min，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

38、优选地，所述vd真空脱气的真空度≤67pa，例如可以是67mpa、65mpa、63mpa、61mpa、59mpa、57mpa或55mpa，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

39、优选地，所述连铸中的钢水温度为1480～1506℃，例如可以是1480℃、1484℃、1488℃、1492℃、1496℃、1500℃、1504℃或1506℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

40、作为本发明的一个优选技术方案，所述加热处理在步进式加热炉中进行。

41、优选地，所述加热处理包括依次进行的加热段和均热段。

42、优选地，所述加热段的温度为1160～1230℃，例如可以是1160℃、1180℃、1200℃、1220℃或1230℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

43、优选地，所述均热段的温度为1180～1250℃，例如可以是1180℃、1190℃、1200℃、1210℃、1220℃、1230℃、1240℃或1250℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

44、本发明中，所述均热段温度高于加热段温度。

45、优选地，所述加热处理的时间为160～240min，例如可以是160min、180min、200min、220min或240min，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

46、优选地，所述加热处理中所述步进式加热炉中内的氧含量≤3％，例如可以是3％、2.8％、2.6％、2.4％、2.2％或2％，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

47、本发明通过限定步进式加热炉中加热过程中的氧含量≤3％，使得钢坯的含氧量较低，能够保证钢坯具有较浅的脱碳层(＜1％d)，同时表面无麻面，即表明钢坯具有更优的力学性能，不会因脱碳导致表面硬度等不足。

48、作为本发明的一个优选技术方案，所述轧制前包括高压水除磷过程。

49、优选地，所述高压水除磷的压力≥25mpa，例如可以是25mpa、27mpa、29mpa、31mpa、33mpa或35mpa，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

50、本发明通过高压水除磷实现对钢坯表面氧化铁皮的去除

51、优选地，所述轧制的开轧温度为1080～1150℃，例如可以是1080℃、1090℃、1110℃、1120℃、1130℃、1140℃或1150℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

52、值得说明的是，本发明对轧制过程中的道次和压力不做具体限定，根据钢坯规格的不同做出相应调整。

53、优选地，所述缓冷的入箱温度≥420℃，例如可以是420℃、422℃、424℃、426℃、428℃或430℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

54、优选地，所述缓冷的时间≥24h，例如可以是24h、25h、26h、27h、28h、29h或30h，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

55、作为本发明的优选技术方案，本发明第二方面提供的工程机械用弹簧钢的制备方法包括：对铁水依次进行转炉冶炼、脱氧合金化处理、lf精炼、vd真空脱气、连铸、加热处理、高压水除磷过程、轧制以及缓冷，得到所述工程机械用弹簧钢；

56、其中，所述转炉冶炼的出钢温度≥1620℃，终点为：p≤0.013wt％；

57、在所述转炉冶炼的出钢30s时补充0～0.3kg/t钢的铝锭，出钢50s时补充锰硅合金和硅铁合金进行脱氧合金化处理；

58、所述lf精炼中精炼渣的三元渣系组分以质量百分量计包括：cao为53～57％，sio2为7～9％，al2o3为38～42％；白渣的保持时间≥15min；所述lf精炼的时间≥48min，出钢温度为1566～1586℃，终点为：c 0.56～0.64％，si1.50～2.00％，mn 0.70～1.00％，p≤0.025％，s≤0.008％，cr≤0.35％，al≤0.018％；

59、所述vd真空脱气的时间≥15min，真空度≤67pa；

60、所述连铸中的钢水温度为1480～1506℃；

61、在步进式加热炉中进行160～240min的加热处理；所述加热处理包括依次进行的温度为1160～1230℃的加热段和温度为1180～1250℃的均热段；所述加热处理中所述步进式加热炉中内的氧含量≤3％；

62、所述高压水除磷的压力≥25mpa；

63、所述轧制的开轧温度为1080～1150℃；

64、所述缓冷的入箱温度≥420℃，时间≥24h。

65、第三方面，本发明提供了一种采用第一方面提供的工程机械用弹簧钢制备得到的弹簧；

66、优选地，所述弹簧的弹性变形≤5mm，例如可以是5mm、4mm、3mm、2mm或1mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未被列举的数值同样适用。

67、本发明所述工程机械用弹簧钢主要应用于工程机械用圆簧，牌号为60si2mn。

68、本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

69、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

70、(1)本发明通过碳、硅、锰、铬成分的调节，可提高淬透性，通过窄成分控制，减少成分偏析，进一步优化了钢材性能；

71、(2)本发明通过优化制备工艺并结合全程保护浇注工艺，降低了所述弹簧钢中气体及夹杂物含量，提高了弹簧钢的纯净度；

72、(3)采用本发明提供的弹簧钢可以制作得到弹性及综合性能良好的弹簧。

技术特征：

1.一种工程机械用弹簧钢，其特征在于，所述工程机械用弹簧钢的化学成分按质量百分数计包括：c 0.56～0.64％，si 1.50～2.00％，mn 0.70～1.00％，p≤0.025％，s≤0.020％，cr≤0.35％，ni≤0.35％，cu≤0.25％，余量为铁以及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的工程机械用弹簧钢，其特征在于，所述工程机械用弹簧钢的化学成分按质量百分数计包括：c 0.59～0.61％，si 1.77～1.81％，mn0.83～0.87％，p≤0.020％，s≤0.010％，cr 0.22～0.26％，ni≤0.35％，cu≤0.25％，al≤0.018％，余量为铁以及不可避免的杂质；

3.根据权利要求1或2所述的工程机械用弹簧钢，其特征在于，所述工程机械用弹簧钢的屈服强度≥1500mpa；

4.一种如权利要求1-3任一项所述工程机械用弹簧钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：对铁水依次进行转炉冶炼、脱氧合金化处理、lf精炼、vd真空脱气、连铸、加热处理、轧制以及入箱缓冷，得到所述工程机械用弹簧钢。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述转炉冶炼的出钢温度≥1620℃；

6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述lf精炼中精炼渣的三元渣系组分以质量百分量计包括：cao为53～57％，sio2为7～9％，al2o3为38～42％；

7.根据权利要求4-6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述vd真空脱气的时间≥15min；

8.根据权利要求4-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述加热处理在步进式加热炉中进行；

9.根据权利要求4-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述轧制前包括高压水除磷过程；

10.根据权利要求4-9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：对铁水依次进行转炉冶炼、脱氧合金化处理、lf精炼、vd真空脱气、连铸、加热处理、高压水除磷过程、轧制以及入箱缓冷，得到所述工程机械用弹簧钢；

技术总结
本发明提供了一种工程机械用弹簧钢及其制备方法。所述制备方法包括：对铁水依次进行转炉冶炼、脱氧合金化处理、LF精炼、VD真空脱气、连铸、加热处理、轧制以及入箱缓冷。所述工程机械用弹簧钢的化学成分按质量百分数计包括：C 0.56～0.64％，Si 1.50～2.00％，Mn 0.70～1.00％，P≤0.025％，S≤0.020％，Cr≤0.35％，Ni≤0.35％，Cu≤0.25％，余量为铁以及不可避免的杂质。本发明通过碳、硅、锰、铬成分的调节，同时优化工艺参数，制得的工程机械用弹簧钢具备优异的物理性能，同时降低了弹簧钢中气体及夹杂物含量，提高了弹簧钢的纯度，进一步延长了所述弹簧钢的使用寿命。

技术研发人员：周攀,尹修刚,李诗斌,王志利,姜彩艳,商艳涛
受保护的技术使用者：承德建龙特殊钢有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23