一种疲劳性能优良的直接冷拉拔弹簧钢线材的制造方法

摘要

本发明公开了一种疲劳性能优良的直接冷拉拔弹簧钢线材的制造方法，该方法采用两火成材和三段式控冷工艺得到弹簧钢线材，采用EAF电弧炉、LF精炼炉、VD处理，得到大方连铸坯，经过热送、加热、950轧机开坯，再加热、控轧、吐丝，采用三段式控冷工艺：线材从吐丝至进入连续退火生产线温度段以4-6℃/s的平均冷速快却、线材从进入连续退火生产线至离开连续退火生产线温度段以0.3-1.0℃/s的平均冷速缓冷、线材离开连续退火生产线后利用空气作为冷却介质自然冷却至室温，得到弹簧钢线材成品。弹簧钢线材在高塑韧性、高强度、疲劳性能优良的同时具有优异冷拉拔性能。

说明书

技术领域

本发明属于合金钢及其制造工艺领域，涉及一种疲劳性能优良且具有优异直接冷拉拔性能的硅铬弹簧钢线材的制造方法。

背景技术

近年来，随着中国汽车工业的迅猛发展，市场对弹簧钢的需求量越来越大，据统计预测，2010年国内对弹簧钢供求量将在150万吨以上。汽车发动机的重要零部件气门簧、减震系统悬架弹簧和离合器弹簧等都需在作为原料的热轧弹簧钢线材上直接进行冷拉拔加工，因此，具有超塑性、高强度、优异冷拉拔性能的热轧线材对提高拉丝速率、减少拉丝道次、降低能耗、提高生产效率具有显著作用。

传统工艺生产弹簧钢热轧线材时，由于轧制和冷却工艺都不加控制，导致轧后线材抗拉强度低于900MPa，断面收缩率仅有10%-20%，显微组织一般为粗大珠光体和大块铁素体。上述热轧弹簧钢线材塑性极差，一般不能直接进行冷拉拔加工，必须经过退火才能达到冷加工所需性能要求，因此，传统工艺生产的弹簧钢线材冷拉拔时工艺成本高，效率低，环境污染严重。

现阶段，由于高速轧机线材生产线设备水平的不断提高，几乎所有的热轧弹簧钢线材生产都采用控制轧制和控制冷却工艺，这不仅可以提高线材产品的质量，还可以降低能耗和污染，极大的提高了生产效率。大量的研究报道，控制钢中总氧含量及非金属夹杂物的类型和数量、抑制过冷的贝氏体和马氏体组织的形成、降低自由铁素体的相对含量及珠光体球团尺寸和平均片层间距的良好匹配等都可以提高热轧弹簧钢线材的直接冷拉拔性能。中国专利ZL200410085340.3报道了弹簧钢55CrSi的制备方法，采用电炉冶炼、LF精炼、VD脱气、连铸、高线轧制的一火成才工艺制备，对于高线控冷没有特殊的要求。中国专利200810174566.0采用精炼过程加入Li化合物的方法，改善夹杂物的塑性行为，从而改善弹簧钢的疲劳性能。余国松等采用100t超高功率直流电弧炉-100t LF精炼炉-100t VD脱气炉-六机六流R9米小方坯合金钢连铸机．150 mm×150 mm连铸坯修磨-轧制≤中20 mm盘条-火成材工艺，成功开发了轿车悬架弹簧用55CrSiA（特殊钢，2010,31(3)）。王晓峰、陈伟庆等报道了55SiCr弹簧钢的CCT曲线（冷却速率对弹簧钢55SiCr的相变组织和显微硬度的影响，上海金属，2010，No. 6, 13~15），认为控冷过程的冷却速率可以控制3~5°C/s。肖金福、刘雅政等对55SiCr脱碳行为进行了研究（肖金福，刘雅政，张朝磊，姜超，金属热处理，2010，No.12，94~97），发现升温过程中750~850°C脱碳严重，但未给出具体的控制措施。曹安然等人的研究结果与肖金福刘雅政等的研究结果一致（曹安然、李玉芳、王剑、韩茂栋，弹簧钢55SiCr氧化与脱碳特性研究，金属热处理，2010，No.9，51~55）。总的来讲，弹簧钢55SiCr的冶炼与轧制技术已经进行了一定的研究，但在疲劳性能优良的直接冷拉拔弹簧钢55SiCr线材的生产制备仍然存在一定差距。

发明内容

针对目前55SiCr弹簧钢线材存在的问题，本发明目的是提供一种疲劳性能优良的直接冷拉拔弹簧钢线材的制造方法，该方法得到的弹簧钢线材在高塑韧性、高强度、疲劳性能优良的同时具有优异冷拉拔性能。

本发明目的是通过以下技术方案来实现的：

一种疲劳性能优良的直接冷拉拔弹簧钢线材的制造方法，其特征在于：该方法采用两火成材和三段式控冷工艺得到弹簧钢线材，具体要求如下：

1）采用EAF电弧炉、LF精炼炉、VD处理，得到大方连铸坯，其中连铸坯以重量百分比计，含有C：0.51-0.59%；Si：1.20-1.60%；Mn：0.50-0.80%；Cr：0.50-0.80%；P：0.025%以下且大于0%；S：0.025%以下且大于0%；O：0.0012%以下且大于0%；Als：0.01%以下且大于0%，所述Als为酸溶铝，余量由铁及不可避免的杂质；

2）将得到的大方连铸坯经过热送、加热、950轧机开坯，得到开坯料；将开坯料经过再加热、控轧、吐丝，得到线材；其中，开坯料再加热前可经过抛丸、磁粉探伤、坯料修磨处理；

3）将得到的线材采用三段式控冷工艺：

（1）线材从吐丝至进入连续退火生产线温度段以4-6℃/s的平均冷速快却，进入连续退火生产线温度范围为690-710℃；

（2）线材从进入连续退火生产线至离开连续退火生产线温度段以0.3-1.0℃/s的平均冷速缓冷，离开连续退火生产线温度范围为610-590℃；

（3）线材离开连续退火生产线后利用空气作为冷却介质自然冷却至室温，得到弹簧钢线材成品。该弹簧钢线材成品具有超塑性、高强度、优异直接冷拉拔性能。

本发明的工艺流程为：EAF电弧炉→LF精炼炉→VD处理→大方坯连铸→热送→加热→950轧机开坯→抛丸→磁粉探伤→坯料修磨→加热→控轧→摩根减定径轧制→吐丝→控冷（三段式）→检验→集卷→剪头尾→打包→计量→挂牌→卸卷→包装入库。

本发明中采用两火成材能保证足够的压缩比。线材的热轧工序采用控轧控冷工艺，根据热轧线材尺寸不同控制连续退火生产线运输机的辊道速度在0.15-0.45m/s；线材从吐丝至进入连续退火生产线温度段以4-6℃/s的平均冷速快却，优选的进入连续退火生产线温度范围为690-710℃；线材从进入连续退火生产线至离开连续退火生产线温度段以0.3-1.0℃/s的平均冷速缓冷，优选的离开连续退火生产线温度范围为610-590℃；线材离开连续退火生产线后利用空气作为冷却介质自然冷却至室温。

具体说明如下：

两火成材工艺的主要目的是利用大的压缩比促进晶粒细化和夹杂物变形，反复的热变形与再结晶过程可以细化奥氏体晶粒。细化晶粒的目的是减小由于连铸坯加热过程造成的原始奥氏体晶粒粗化，从而为终轧后奥氏体相变时得到细片层状珠光体和少量铁素体组织奠定基础。

控制冷却执行三阶段冷却制度，即：吐丝后至珠光体相变开始前以适当冷速快冷，目的是避免热轧线材表面进一步脱碳，同时抑制铁素体大量生成，增加相变过冷度，为珠光体相变做准备；珠光体转变区选择合适的缓冷速度，保证在连续退火生产线上实现索氏体转变；第三阶段是线材离开连续退火生产线后，利用空气作为冷却介质的自然冷却阶段。

本发明采用两火成材、控轧控冷工艺生产，热轧线材晶粒充分细化，轧后控制冷却获得大量细片层状、均匀分布的索氏体和极少量自由铁素体组织，热轧线材抗拉强度（Rm）1000MPa-1150MPa、断面收缩率（Z）50% - 58%。塑韧性充分提高，热轧线材可不经过退火直接冷拉拔，显著的提高了生产效率，同时延长了拉拔模具的使用寿命。而两火成材工艺通过大的压缩比细化组织、促进夹杂物变形，从而改善弹簧钢的疲劳性能。

本发明采用两火成材和控制冷却工艺，可以有效的控制热轧弹簧钢线材的夹杂物宽度、显微组织和表层脱碳，制造出具有高塑韧性、疲劳性能优异的直接冷拉拔性能的弹簧钢线材，线材的抗拉强度大多在1000MPa以上，断面收缩率均在50%以上，微观组织为少量的自由铁素体和85%以上的索氏体组织。

本发明得到的弹簧钢线材在高塑韧性、高强度、疲劳性能优良的同时具有优异冷拉拔性能；热轧线材不经过退火可直接冷拉拔，减少了中间退火过程，投资小、能耗低，经济效益显著提高。

本发明得到的弹簧钢线材特别适用于制造汽车减震系统悬架弹簧、发动机气门弹簧和离合器弹簧等。

附图说明

图1 为实施例1表面脱碳层金相照片（×100）图。

图2 为实施例1金相组织照片（×500）图。

图3 为实施例1微观组织低倍SEM形貌（×5000）图。

图4 为实施例1微观组织高倍SEM形貌（×20000）图。

具体实施方式

一种疲劳性能优良的直接冷拉拔弹簧钢线材的制造方法， 按照本发明中涉及的化学成分和控制轧制和控制冷却工艺生产了两种不同尺寸规格的硅铬弹簧钢线材。具体要求如下：

实施例1：

Φ5.5mm规格热轧弹簧钢线材，其化学成分，以重量百分比计，含有C：0.54%；Si：1.46%；Mn：0.69%；Cr：0.69%；P：0.007%；S：0.008%；O：0.001%；Als：0.005%；余量由铁及不可避免的杂质组成。

其冶炼与轧制工艺：

转炉/电炉冶炼出钢温度≥1600℃，P≤0.015%，C≥0.15%，出钢加入硅锰和硅铁脱氧；LF精炼加入硅锰、硅铁、高碳铬铁进行合金化；VD真空处理在高真空0.5乇下保持15分钟以上；初轧开轧温度1008℃，预精轧温度950℃，精轧温度900℃，吐丝温度837℃；进入连续退火生产线温度701℃，快冷段平均冷速5.2℃/s，离开连续退火生产线温度605℃，缓冷段平均冷速0.42℃/s。

检验结果：

抗拉强度（Rm）1020-1110MPa，断后延伸率（A）14%-17%，断面收缩率（Z）56.7%。

拉拔试验：

热轧线材经过酸洗，黄化，干燥后直接在拉丝机上拉丝，拉拔过程为：

Φ5.5→Φ4.7→Φ4.3→Φ3.8→Φ3.4（mm）

直接冷拉拔五道次，每道次减面率20%左右，总减面率62%，拉拔过程无断线。

疲劳试验

在旋转弯曲疲劳试验机上进行，疲劳寿命可达100万次。

图1 为实施例1表面脱碳层金相照片（×100）图。图2 为实施例1金相组织照片（×500）图。图3 为实施例1微观组织低倍SEM形貌（×5000）图。图4 为实施例1微观组织高倍SEM形貌（×20000）图。

实施例2

Φ13.0mm规格热轧弹簧钢线材，其化学成分，以重量百分比计，含有C：0.55%；Si：1.44%；Mn：0.70%；Cr：0.68%；P：0.009%；S：0.007%；O：0.001%；Als：0.006%；余量由铁及不可避免的杂质组成。

其冶炼与轧制工艺：

转炉/电炉冶炼出钢温度≥1600℃，P≤0.015%，C≥0.15%，出钢加入硅锰和硅铁脱氧；LF精炼加入硅锰、硅铁、高碳铬铁进行合金化；VD真空处理在高真空0.5乇下保持15分钟以上；初轧开轧温度1018℃，预精轧温度955℃，精轧温度910℃，吐丝温度846℃；进入连续退火生产线温度710℃，快冷段平均冷速4.5℃/s，离开连续退火生产线温度592℃，缓冷段平均冷速0.68℃/s。

拉伸检验：

抗拉强度(Rm)1036-1150MPa，断后延伸率14%-16%，断面收缩率46-50%。

拉拔试验：

热轧线材经过酸洗，黄化，干燥后直接在拉丝机上拉丝，拉拔过程为：

Φ13.0→Φ11.5→Φ10.3→Φ9.3→Φ8.5（mm）

    直接冷拉拔四道次，每道次减面率16%左右，总减面率57%，拉拔过程无断线。

疲劳试验

在旋转弯曲疲劳试验机上进行，疲劳寿命可达105万次。