一种钢材料、热轧扁钢、钢板弹簧的制备方法及所制备的钢板弹簧和车辆

摘要

本发明公开了一种钢材料、热轧扁钢、钢板弹簧的制备方法及所制备的钢板弹簧和车辆，所述钢材料含有合金元素和余量的铁以及不可避免的杂质，其特征在于，以该钢材料的总重量为基准，所述合金元素包括0.45-0.60重量％的碳、0-0.6重量％的硅、0.65-1.20重量％的锰、0-0.45重量％的铬、0.0005-0.0035重量％的硼、0-0.3重量％的钼和0.02-0.04重量％的铌。本发明提供的钢材料及包括本发明钢材料的钢板弹簧内应力小，强度、韧性和疲劳寿命高。

说明书

技术领域

本发明涉及材料领域，具体地，涉及一种钢材料、热轧扁钢、钢板弹簧的制备方法及所制备的钢板弹簧和车辆。

背景技术

汽车钢板弹簧是汽车底盘的一个重要的零部件，随着汽车轻量化技术工作的不断推进，汽车钢板弹簧已从过去的多片结构演变为少片结构，这种变化趋势对钢板弹簧的材料及性能提出了更高的要求。

目前，国内诸多板簧厂生产的板簧在进行可靠性试验过程中，总会出现板簧的寿命低于设计的16万次的要求的状况，这种状况严重影响了整车的安全性和可靠性，因此需要重视高寿命的钢板弹簧材料及其制备工艺。

现有的钢板弹簧材料的牌号多为55CrMnA、60Si2Mn和50CrVA等，些材料在淬火过程中由于强化元素的添加，在使用时材料均存在较大的内应力，容易出现脱碳和上贝氏体等组织缺陷，这些组织缺陷的存在严重影响了钢板弹簧材料的疲劳寿命。

现有钢板弹簧材料出现的问题，理论上主要在于材料的强度、内应力和韧性三者之间的矛盾，而在实际的材料及其制备工艺中，材料经热处理后虽保证了强度，但韧性较低，内应力较大；但如果调整热处理工艺来保证材料的内应力及韧性，却很难保证材料的强度。

发明内容

本发明的目的是提供一种钢材料、热轧扁钢、钢板弹簧的制备方法及所制备的钢板弹簧和车辆，本发明提供的钢材料及包括本发明钢材料的钢板弹簧内应力小，强度、韧性和疲劳寿命高。

为了实现上述目的，本发明提供一种钢材料，该钢材料含有合金元素和余量的铁以及不可避免的杂质，其中，以该钢材料的总重量为基准，所述合金元素包括0.45-0.60重量％的碳、0-0.6重量％的硅、0.65-1.20重量％的锰、0-0.45重量％的铬、0.0005-0.0035重量％的硼、0-0.3重量％的钼和0.02-0.04重量％的铌。

优选地，以该钢材料的总重量为基准，所述合金元素包括0.47-0.56重量％的碳、0-0.4重量％的硅、0.8-1.10重量％的锰、0-0.3重量％的铬、0.0005-0.0035重量％的硼、0.15-0.25重量％的钼和0.02-0.04重量％的铌。

优选地，所述杂质包括磷和硫，以该钢材料的总重量为基准，所述钢材料中磷的含量小于0.025重量％，所述硫的含量小于0.025重量％。

本发明还提供一种热轧扁钢，该热轧扁钢包括本发明所述的钢材料。

本发明还提供一种钢板弹簧的制备方法，该制备方法包括：将本发明所提供的热轧扁钢依次进行淬火处理和回火处理。

优选地，先将所述热轧扁钢进行弯曲成型后再进行所述淬火处理。

优选地，所述淬火处理包括：将所述热轧扁钢加热至820-860℃保温1-3小时后，依次在室温的淬火油中冷却至450-550℃和在室温的水中冷却至室温。

优选地，所述回火处理包括：将淬火处理后的热轧扁钢加热至470-510℃后保温1-3小时后空冷至室温。

本发明还提供本发明所述的钢板弹簧的制备方法所制备的钢板弹簧。

优选地，所述钢板弹簧的满载变形为15-45毫米，热处理后的硬度为390-444HB，疲劳寿命为19-40万次。

本发明还提供一种车辆，该车辆包括本发明所述的钢板弹簧的制备方法所制备的钢板弹簧。

与现有技术相比，本发明的钢材料和钢板弹簧中添加了铌、钼和硼等元素，降低了铬的使用，成本低、硬度高、淬透性高和强度高。采用本发明的热处理方法处理得到的钢板弹簧具有较小的材料内应力且不易开裂，避免了脱碳及有害组织的出现，材料具有较高的强度、韧性和疲劳寿命。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的钢板弹簧制备方法的一种具体实施方式的流程示意图(横坐标为时间/小时，纵坐标为温度/℃)。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供一种钢材料，该钢材料含有合金元素和余量的铁以及不可避免的杂质，其中，以该钢材料的总重量为基准，所述合金元素包括0.45-0.60重量％的碳、0-0.6重量％的硅、0.65-1.20重量％的锰、0-0.45重量％的铬、0.0005-0.0035重量％的硼、0-0.3重量％的钼和0.02-0.04重量％的铌，优选包括0.47-0.56重量％的碳、0-0.4重量％的硅、0.8-1.10重量％的锰、0-0.3重量％的铬、0.0005-0.0035重量％的硼、0.15-0.25重量％的钼和0.02-0.04重量％的铌。

根据本发明，钢材料是指可以用于制造零件、构件、机器或其它产品的钢铁物质。

根据本发明，所述钢材料中所含有的碳元素的作用是保证材料在经过热处理后具有较高的强度；所含有的硅元素的作用是提高钢材料的强度和硬度，但是为了降低钢材料的成本，应该控制其中硅元素的含量；所含有的锰元素的作用是使钢材料的过冷奥氏体等温转变曲线(C曲线)向右下移动，并同时能保证与添加的硼元素交互作用增强，在保证高淬透性的前提下，保证较高的强度；所含有的铬元素的作用是提高钢材料的强度和硬度，但是为了降低钢材料的成本，应该控制其中的铬元素的含量；所含有的硼元素的作用是使钢材料的过冷奥氏体等温转变曲线(C曲线)向右下移动，保证钢材料具有高的淬透性；所含有的钼元素在钢材料中主要以碳化物或氮化物存在，能够阻止晶粒的长大，另一方面能够固溶于奥氏体晶粒中，提高钢材料的淬透性，而且还可以抑制第二类回火脆性，降低材料的内应力；所含有的铌元素在钢材料中主要以碳化铌和氮化铌存在，当钢材料进行热处理时，碳化铌和氮化铌可以阻止晶粒的长大，从而获得较细的晶粒，提高材料的硬度。

根据本发明，所述杂质一般包括磷和硫，以该钢材料的总重量为基准，所述钢材料中磷的含量一般小于0.025重量％，所述硫的含量一般小于0.025重量％。钢材料中磷和硫的含量应该控制，防止钢材料中出现大量的非金属夹杂物，影响钢材料的强度和韧性。

本发明还提供一种热轧扁钢，该热轧扁钢包括本发明所述的钢材料。

本发明还提供一种钢板弹簧的制备方法，该制备方法包括：将本发明所提供的热轧扁钢依次进行淬火处理和回火处理。

本领域技术人员所熟知的是，可以先将所述热轧扁钢进行弯曲成型后再进行所述淬火处理，以使制备的钢板弹簧具有曲率。弯曲成型的方法是本领域技术人员所熟知的，可以采用成型夹具进行，本发明不再赘述。

根据本发明，淬火处理和回火处理是本领域技术人员所熟知的，淬火处理的作用是获得具有内应力的马氏体组织，提高钢板弹簧的硬度和强度，回火处理的作用是消除马氏体组织的内应力。淬火处理和回火处理的方法也是本领域技术人员所熟知的，本发明淬火处理和回火处理的一种优选实施方式为：如图1所示，所述淬火处理可以包括：将所述热轧扁钢加热至820-860℃保温1-3小时后，依次在室温的淬火油中冷却至450-550℃和在室温的水中冷却至室温；所述回火处理可以包括：将淬火处理后的热轧扁钢加热至420-510℃，优选加热至470-510℃后保温1-3小时后空冷至室温。所述的淬火油是本领域技术人员所熟知的，本发明不再赘述，所述室温是指室内的温度，一般在25℃左右。

本发明还提供一种本发明提供的制备方法所制备的钢板弹簧，所述钢板弹簧的满载变形可以为15-45毫米，硬度可以为390-444HB，疲劳寿命可以为16-40万次，优选为19-40万次，具有较高的强度、硬度和疲劳寿命。

本发明还提供一种车辆，该车辆包括本发明所述的钢板弹簧的制备方法所制备的钢板弹簧。

下面将通过实施例来进一步说明本发明，但是本发明并不因此而受到任何限制。

本发明根据《GB/T19844-2005中华人民共和国国家标准钢板弹簧》测定实施例和对比例所得钢板弹簧的硬度和疲劳寿命。

实施例1

按照表1所示的钢材料的配方将合金元素和铁混合后熔融在1050℃进行热轧得到热轧扁钢1，如图1所示，将所得热轧扁钢1进行弯曲成型后加热至820℃保温2小时后，依次在室温的淬火油(20#机油)中冷却至450℃和在室温的水中冷却至室温，将淬火处理后的热轧扁钢加热至420℃后保温2小时后空冷至室温，得到钢板弹簧S1，钢板弹簧S1的性质如表2所示。

实施例2

按照表1所示的钢材料的配方将合金元素和铁混合后熔融在1050℃进行热轧得到热轧扁钢2，如图1所示，将所得热轧扁钢2进行弯曲成型后加热至840℃保温2小时后，依次在室温的淬火油(20#号机油)中冷却至500℃和在室温的水中冷却至室温，将淬火处理后的热轧扁钢2加热至450℃后保温3小时后空冷至室温，得到钢板弹簧S2，钢板弹簧S2的性质如表2所示。

实施例3

按照表1所示的钢材料的配方将合金元素和铁混合后熔融在1050℃进行热轧得到热轧扁钢3，如图1所示，将所得热轧扁钢3进行弯曲成型后加热至860℃保温2.5小时后，依次在室温的淬火油(20#号机油)中冷却至550℃和在室温的水中冷却至室温，将淬火处理后的热轧扁钢3加热至480℃后保温2.5小时后空冷至室温，得到钢板弹簧S3，钢板弹簧S3的性质如表2所示。

实施例4

实施例4的钢板弹簧制备方法与实施例2相同，唯一不同之处在钢材料不同，具体配方见表1，得到钢板弹簧S4，钢板弹簧S4的性质如表2所示。

实施例5

实施例5的钢板弹簧制备方法与实施例2相同，唯一不同之处在钢材料不同，具体配方见表1，得到钢板弹簧S5，钢板弹簧S5的性质如表2所示。

实施例6

按照表1所示的钢材料的配方将合金元素和铁混合熔融后加热至1050℃，进行热轧，终轧温度为850℃，空气中冷却得到热轧弹簧扁钢，将所得到的热轧扁钢加热至840℃，然后在20#机油中冷却至350℃，之后在水中迅速冷却至室温，然后在加热炉中将弹簧扁钢加热至400℃，保温2小时，然后在空气中冷却，得到钢板弹簧S6，钢板弹簧S6的性质如表2所示。

对比例1

对比例1的钢板弹簧制备方法与实施例2相同，唯一不同之处在钢材料不同(铌的含量低于本发明配方的范围)，具体配方见表1，得到钢板弹簧D1，钢板弹簧D1的性质如表2所示。

对比例2

对比例2的钢板弹簧制备方法与实施例2相同，唯一不同之处在钢材料不同(铌的含量高于本发明配方的范围)，具体配方见表1，得到钢板弹簧D2，钢板弹簧D2的性质如表2所示。

对比例3

对比例3的钢板弹簧制备方法与实施例2相同，唯一不同之处在钢材料不同(钼的含量高于本发明配方的范围)，具体配方见表1，得到钢板弹簧D3，钢板弹簧D3的性质如表2所示。

对比例4

对比例4的钢板弹簧制备方法与实施例2相同，唯一不同之处在钢材料不同(符合牌号60Si2Mn的组成)，具体配方见表1，得到钢板弹簧D4，钢板弹簧D4的性质如表2所示。

对比例5

对比例5的钢板弹簧制备方法与实施例2相同，唯一不同之处在钢材料不同(符合牌号50CrVA的组成)，具体配方见表1，得到钢板弹簧D5，钢板弹簧D5的性质如表2所示。

对比例6

对比例6的钢板弹簧制备方法与实施例2相同，唯一不同之处在钢材料不同(符合牌号55CrMnA的组成)，具体配方见表1，得到钢板弹簧D6，钢板弹簧D6的性质如表2所示。

表1为本发明实施例和对比例的钢材料配方

表2为本发明实施例和对比例所制备的钢板弹簧的性质

钢板弹簧性质满载变形，毫米硬度，HB疲劳寿命，万次实施例13742024.2实施例23841620.7实施例34040619.3实施例43941927.2实施例54141720.4实施例63744019.3对比例13741618.1对比例24240216.7对比例33841119.2对比例43541614.7对比例53841018.0对比例63640816.5

从实施例1-6和对比例1-6的数据可以看出，采用本发明钢材料和热处理工艺制备的钢板弹簧不仅满载变形和硬度好，而且疲劳寿命非常高，说明本发明的钢板弹簧具有较高的强度、韧性和疲劳寿命。