一种新型高强度LPD52弹簧钢

摘要

本发明公开了一种新型高强度LPD52弹簧钢，属于热压力加工用途高强度弹簧钢及制备工艺领域。其特征在于按照质量百分百比包括如下组分：C 0.49‑0.53%、Si 0.26‑0.35%、Mn 0.85‑1.10%、Cr 0.99‑1.20%、V 0.06‑0.10%、Nb 0.03‑0.10%、Mo 0.20‑0.25%、Cu≤0.12%、Ni≤0.05%、P≤0.012%、S≤0.003%，其余量为Fe及不可避免的杂质。本发明具备低脱碳、高强度、高塑韧性、低合金和低成本的优良特性，能够满足轻量化少片簧的高应力、高疲劳性能、高工艺性能和高可靠性要求。

说明书

技术领域

本发明属于热压力加工用途高强度弹簧钢及制备工艺领域，具体是指一种新型高强度弹簧材料的化学成分、含量及制备方法。

背景技术

汽车轻量化是汽车发展的趋势，其中少片变截面钢板弹簧（少片簧）这种先进钢板弹簧技术是卡车轻量化的主要发展方向，其可降低汽车自重的30%以上。目前国内少片簧由于疲劳性能低因而并没有得到大范围应用，这主要是材料问题未得到有效解决，因此对弹簧材料提出了高强度、低合金、高塑韧性、低脱碳和低成本的要求，以满足轻量化少片簧的高应力、高疲劳性能、高工艺性能和高可靠性要求。

目前市场上常用的弹簧材料难以同时满足少片变截面钢板弹簧低脱碳、高强度、高塑韧性、低合金和低成本的要求。例如，51CrV4弹簧钢可以满足低脱碳的要求、但不满足高强度和高塑韧性的要求。54SiCr6具有高强度和高塑韧性，但脱碳严重。韩国浦项弹簧钢（中国专利94191328.7公开)通过加入Ni减小全脱碳层(铁素体层)深度，但是加稀贵合金元素导致材料的成本很高而难以被市场接受。

此外，通过实验证明，在淬火过程中，如果通过设计工艺缩短蒸汽膜冷却阶段，能够使整个工件表面得到均匀快速的冷却，令产品的表面处理质量保持高匀度。而通过延长沸腾冷却过程，则有利于大尺寸零件的冷却效果，在保持匀度的同时提高淬透性。上述工艺的优化只通过传统手段实现，是有局限性的，为了突破这个局限性，申请人创造性的令淬火阶段，尤其是在气膜阶段和沸腾阶段给弹簧钢施加高压脉冲电流，能够突破传统手段的局限性，实现工艺优势的最大化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型高强度LPD52弹簧钢，具备低脱碳、高强度、高塑韧性、低合金和低成本的优良特性，能够满足轻量化少片簧的高应力、高疲劳性能、高工艺性能和高可靠性要求。本发明解决的第二个技术问题是能够通过在气膜阶段和沸腾阶段给弹簧钢施加高压脉冲电流，能够突破传统手段的局限性，缩短蒸汽膜冷却阶段时长，使整个工件表面得到均匀快速的冷却，令产品的表面处理质量保持高匀度；通过延长沸腾冷却过程，则有利于大尺寸弹簧杆的冷却效果，在保持匀度的同时提高淬透性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种新型高强度LPD52弹簧钢，其特征在于按照质量百分百比包括如下组分：

C 0.49-0.53%、

Si0.26-0.35%、

Mn0.85-1.10%、

Cr0.99-1.20%、

V 0.06-0.10%、

Nb0.03-0.10%、

Mo0.20-0.25%、

Cu≤0.12%、

Ni≤0.05%、

P≤0.012%、

S≤0.003%，

其余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明所述的一种新型高强度LPD52弹簧钢，其特征在于热处理工序包括如下工艺步骤：淬火加热温度为840-930℃；回火温度为360-560℃。

优选的，在淬火过程中对弹簧钢的两端通以高压脉冲电流，通电间隙为1-3秒，断电间隙为0.1-1.5秒。

优选的，高压脉冲电流的通电总时长为淬火总时长的1/3，其中长度尺寸为200-2300mm，宽度尺寸为70-120mm，厚度尺寸为6-45mm的弹簧钢片，其气膜阶段为1-5秒，其沸腾阶段为5-10秒。

优选的，所述热处理工序中使用的淬火液为纯油淬火液。

优选的，淬火步骤所用淬火池包括池体，所述池体上部设置栅格网架，所述栅格网架上插装设置若干个阵列格栅块，在阵列格栅块上分别设置正、负电极触头；所述正、负电极触头分别连接高压电流发生器和电流通断控制器；所述高压电流发生器能够产生高压电流并由导线通过电流通断控制器传输给正、负电极触头；所述电流通断控制器能够间歇控制高压电流的通断，形成高压脉冲电流。

在栅格网架的下部设置精确定位顶出装置，所述精确定位顶出装置包括顶出装置固定架，所述顶出装置固定架设置在池体的底部。

顶出装置固定架上设置两个纵向定位丝杠，所述纵向定位丝杠上分别固定两个纵向定位杆，纵向定位杆通过螺纹套装在纵向定位丝杠上，纵向定位杆与纵向定位丝杠相互垂直；各纵向定位丝杠分别连接一个纵向定位电机，所述纵向定位电机正转或者反转，能够带动纵向定位丝杠旋转，从而令两个纵向定位杆相互靠近或者远离。

顶出装置固定架上设置若干个横向定位杆，所述横向定位杆与纵向定位丝杠相互垂直设置；在横向定位杆的两端分别固定升降顶出器和横向定位装置；所述升降顶出器包括“口”形顶出块和顶出动力装置，所述顶出动力装置固定在横向定位杆上并能将顶出块向上顶出或收回，当顶出块升降时，能够将对应的上部阵列栅格块顶起；所述横向定位装置包括“U”形推杆和横向定位动力装置，所述推杆的一端连接横向定位动力装置，推杆的另一端连接升降顶出器，横向定位动力装置能够通过推杆沿横向定位杆推动或拉回升降顶出器。

所述纵向定位杆位于横向定位杆的上部，纵向定位杆的高度与顶出块的上升上限位齐平。

优选的，还包括总控制器，所述总控制器能够根据弹簧钢工件的预设尺寸，控制两个纵向定位杆之间的间距等于弹簧钢工件的长度，而后总控制器能够控制横向定位杆两端的顶出块之间的间距等于弹簧钢工件的宽度；纵向定位杆完成位置定位后能够上方的阵列格栅块顶起形成纵向隔档；顶出块由顶出动力装置带动升起至上限位，将顶出块上方的阵列栅格块顶起形成横向隔档；所述纵向隔档和横向隔档中的阵列栅格块围成一个方形或长方形的淬火区域，待处理的弹簧杆工件放置到该淬火区域内；与此同时弹簧钢工件的两端分别接通未被顶起的淬火区域内阵列格栅上的两个正、负电极触头，实现脉冲高压电路的通路连接，使得弹簧杆在脉冲高压电流的作用下完成淬火工艺的气膜阶段和沸腾阶段。

优选的，顶出动力装置包括筒形滑块，所述筒形滑块套装在横向定位杆上，在筒形滑块的外部套装电动滚筒，并在电动滚筒的外部套装圈形齿轮；在“口”形顶出块的内孔中设置齿形条，所述圈形齿轮与齿形条相互啮合；所述筒形滑块上设置非圆形通孔，所述横向定位杆的截面形状与筒形滑块的非圆形通孔的横截面形状相同；所述推杆连接筒形滑块；所述电动滚筒能够带动圈形齿轮转动，同时驱动齿形条和顶出块上升或下降。

优选的，还包括密封盖，所述密封盖能够封闭池体的上部，所述密封盖上设置“H”形的绝缘连接件，所述绝缘连接件的上部通过上吊装钢丝连接电动吊装设备，绝缘连接件的下部通过下吊装钢丝连接栅格网架；所述电动吊装设备能够通过上、下吊装钢丝将放置好弹簧钢工件的栅格网架放入池体内，并将密封盖密封盖紧池体。

本发明所研制的新型高强度LPD 52弹簧钢，通过高温自然氧化法解决了热压力加工用途高强度弹簧材料全脱碳层的问题。其中高温自然氧化法是指通过材料的组分与配比选择降低材料的抗氧化性，使材料在高温状态下易被氧化并形成氧化皮（包括工艺过程中脱碳所产生的全脱碳层同时被氧化为氧化皮），氧化皮是与材料附着力很低的易碎疏松物质，有阻止进一步脱碳并起保护作用。由此自然地去除了脱碳所产生的全脱碳层，获得无全脱碳层的显著技术效果。

本发明所研制的新型高强度LPD52弹簧钢, 通过中碳、复合合金化和稀贵合金元素微合金化的技术思路解决弹簧材料的高强度、高塑性和低合金同时又解决全脱碳层问题。这样充分发挥和加强了合金元素的有益效果，减小合金元素所产生的危害，在获得明显技术效果的前提下降低合金元素含量，不仅降低材料成本而且有利于保护资源。

复合合金化(包括复合微合金化)是本发明的关键和技术特点，合金元素所具有的性能和行为是各组元(包括微量元素)协同作用的结果，而不是某一合金元素简单的、定性的作用或影响，尤其是在材料的强度不断提高但要求高塑性的情况下。

本发明所研制的新型高强度LPD52弹簧钢，在以Si为强化元素的情况下，通过V与Nb的微合金复合合金化降低材料的抗氧化性，并利用工艺过程中的高温氧化作用获得无全脱碳层的低脱碳效果，而且，同时具有提高材料强度和细化晶粒等重要作用。本发明所研制的新型高强度LPD52弹簧钢,在高温自然氧化中所消耗的表面材料很少，不影响弹簧的尺寸精度要求。氧化皮的附着力很低，淬火后自然脱落。

对本发明技术方案的进一步说明如下：

本发明技术方案的C含量为0.47~0.53%。淬火组织为中碳马氏体组织，中温回火后为高强度和高塑性的回火屈氏体组织，且无全脱碳层。

为了提高强度和降低抗氧化性及脱碳倾向性，Si含量为0.15~0.35%。

Cr、Mn的作用和相互间复合作用是提高强度、高塑韧性和淬透性。因此，Cr含量为0.90~1.20%、Mn含量为0.75~1.10%。

V、Mo、Ni、Cu和Nb必须同时加入，这种复合合金化所产生的效果是单一元素难以达到的。在本发明中，各合金元素不可互相代替，采用微合金的量同时加入，发明了复合微合金弹簧材料，其作用和意义是：1）降低抗氧化性、提高淬火加热温度2）Ni与V碳化物细小弥散均匀分布，具有明显的晶粒细化效果，提高晶粒粗化温度，3）提高强度和塑韧性，4)54SiCrV6弹簧钢仅含有V一种强碳化物元素，V含量至少在0.10%以上,而本发明由于V与Nb的同时加入使V含量可少到0.05%水平，仅为51CrV4或54SiCrV6钢的二十分之一，这是V与Nb复合微合金化的显著技术效果。本发明采用的V与Nb的复合合金化取得了大幅降低稀贵合金元素含量的微合金化效果。值得注意的是，在考虑合金元素配比时，不仅考虑有益的效果更要考虑危害作用。综合考虑，本发明的V 0.05_~0.10%、Nb>~0.10%、Mo>~0.25%、Cu≤0.25%、Ni≤0.25%。

S、P都是有害元素，降低材料的塑韧性。按通常量控制，P≤0.02%、S≤0.015%。

本发明采用的是新型高强度LPD52弹簧钢冶金生产工艺，只是涉及高温热处理步骤和条件是与本发明的弹簧材料的配方及获得的目标物的性能相匹配的。本发明材料的制备方法步骤和条件如下：配料、电炉冶炼、炉外钢包精炼与除气处理、铸锭或连铸、开坯、酸洗、修磨、探伤、轧制；其特征在于,热处理工艺为：淬火加热温度850±10-920±10℃ 油淬火；回火温度370±10-550±10℃。当然，也可以选用其它冶金工艺，如电渣重熔.

本发明的有益效果和显著的技术进步效果如下：

1、研制一种新型高强度弹簧钢LPD 52（低脱碳、高强度、高塑韧性、低合金和低成本），以满足轻量化少片簧的高应力、高疲劳性能、高工艺性能和高可靠性要求。

2、本发明新型高强度弹簧钢LPD 52材料的技术性能为：全脱碳层深度=0mm，抗拉强度1650~1900MPa，断面收缩率44~48%，合金含量低于51CrV4或54SiCrV6弹簧钢，特别是稀贵合金元素。51CrV4和54SiCrV6是国际上技术先进的热压力加工用途弹簧材料。表1是本发明提供的弹簧材料与51CrV4和54SiCrV6弹簧钢的技术性能对比，可看出本发明所取得的实质性显著技术效果和先进的技术水平。

3、本发明提供的弹簧材料，是一种热压力加工用途的高强度与高塑性弹簧材料。在成分及配比上有独特技术特征，详见表2。在普通合金元素上，本发明与51CrV4或54SiCrV6钢相当，但稀贵合金元素明显低于51CrV4或54SiCrV6钢。稀贵合金复合与微合金化是本发明的显著特点,对于现有弹簧材料技术来说是显著的技术进步。

4、本发明提供的弹簧材料，解决了热压力加工用途高强度弹簧钢全脱碳层问题。该弹簧材料适于高温自然氧化法，解决了高脱碳倾向弹簧材料的全脱碳层问题。通常认为高温氧化是有害的，但本发明提供的弹簧材料，正是利用工艺过程中的这种氧化作用解决了业界长期以来难以解决的全脱碳层问题。

表1 本发明材料与现有弹簧材料强度、塑性与脱碳对比

表2 化学成份对比(Wt%)

为了保证弹簧的高强度和高塑韧性，要求弹簧材料具有一定的淬透性。表3是本发明提供的弹簧材料与EN10089钢号54SiCrV6、51CrV4和52CrMoV4弹簧钢的淬透性技术数据对比，由表可见本发明材料具有较的高淬透性，油淬火直径可达50mm。

表3

本发明提供的弹簧材料，用于制造中重型汽车的悬架弹簧，还可用于轿车悬架螺旋弹簧、汽车扭杆弹簧、稳定杆、中厚度的少片板簧等，并且本发明提供的大丝径悬架螺旋弹簧材料，是高强度弹簧钢丝和油淬火回火弹簧钢丝的优良材料，具有广泛的用途。

5、本发明优化设计热处理工艺，采用纯油催化液，以防着火或被击穿和电解；此外本工艺通过在淬火的前两个阶段对材料施加脉冲高压电流，通过焦耳热效应维持前阶段材料的降温曲线不至过陡，快速令表面气膜成形后蒸发，并通过适当维持高热，延长沸腾阶段的时长。由此，本工艺能够突破传统手段的局限性，通过缩短蒸汽膜冷却阶段时长，使整个工件表面得到均匀快速的冷却，令产品的表面处理质量保持高匀度；通过延长沸腾冷却过程，则有利于大尺寸弹簧杆的冷却效果，在保持匀度的同时提高淬透性。

6、本发明所述的淬火池在使用时，所述纵向隔档和横向隔档中的阵列栅格块围成一个方形或长方形的淬火区域，待处理的弹簧杆工件放置到该淬火区域内，避免了弹簧钢在完成淬火的过程中尽量避免发生尺寸上的形变，维持工件的加工精确尺寸。与此同时，弹簧钢工件的两端分别接通未被顶起的淬火区域内阵列格栅上的两个正、负电极触头，实现脉冲高压电路的通路连接，使得弹簧杆在脉冲高压电流的作用下完成淬火工艺的气膜阶段和沸腾阶段。

附图说明

图1为淬火池的结构示意图；

图2是栅格网架及阵列格栅块的安装结构示意图；

图3是图1的A-A向结构示意图；

图4是精确定位顶出装置的俯视图；

其中：1、弹簧钢工件；2、阵列格栅块；3、正、负电极触头；4、上吊装钢丝；5、绝缘连接件；6、下吊装钢丝；7、栅格网架；8、池体；9、顶出块；10、顶出动力装置；11、横向定位杆；12、纵向定位杆；13、纵向定位丝杠；14、推杆；15、横向定位动力装置；16、纵向定位电机；17、密封盖。

具体实施方式

本发明所述一种新型高强度LPD52弹簧钢，按照质量百分百比包括如下组分：

C 0.49-0.53%、

Si0.26-0.35%、

Mn0.85-1.10%、

Cr0.99-1.20%、

V 0.06-0.10%、

Nb0.03-0.10%、

Mo0.20-0.25%、

Cu≤0.12%、

Ni≤0.05%、

P≤0.012%、

S≤0.003%，

其余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明所述的一种新型高强度LPD52弹簧钢，热处理工序包括如下工艺步骤：淬火加热温度为840-930℃；回火温度为360-560℃。

在淬火过程中对弹簧钢的两端通以高压脉冲电流，通电间隙为1-3秒，断电间隙为0.1-1.5秒。

高压脉冲电流的通电总时长为淬火总时长的1/3，其中长度尺寸为200-2300mm，宽度尺寸为70-120mm，厚度尺寸为6-45mm的弹簧钢片，其气膜阶段为1-5秒，其沸腾阶段为5-10秒。

所述热处理工序中使用的淬火液为纯油淬火液。

如图1所示，淬火步骤所用淬火池包括池体，所述池体上部设置栅格网架，所述栅格网架上插装设置若干个阵列格栅块。

如图1-3所示，在阵列格栅块上分别设置正、负电极触头；所述正、负电极触头分别连接高压电流发生器和电流通断控制器；所述高压电流发生器能够产生高压电流并由导线通过电流通断控制器传输给正、负电极触头；所述电流通断控制器能够间歇控制高压电流的通断，形成高压脉冲电流。

在栅格网架的下部设置精确定位顶出装置，所述精确定位顶出装置包括顶出装置固定架，所述顶出装置固定架设置在池体的底部。

顶出装置固定架上设置两个纵向定位丝杠，所述纵向定位丝杠上分别固定两个纵向定位杆，纵向定位杆通过螺纹套装在纵向定位丝杠上，纵向定位杆与纵向定位丝杠相互垂直；各纵向定位丝杠分别连接一个纵向定位电机，所述纵向定位电机正转或者反转，能够带动纵向定位丝杠旋转，从而令两个纵向定位杆相互靠近或者远离。

顶出装置固定架上设置若干个横向定位杆，所述横向定位杆与纵向定位丝杠相互垂直设置；在横向定位杆的两端分别固定升降顶出器和横向定位装置；所述升降顶出器包括“口”形顶出块和顶出动力装置，所述顶出动力装置固定在横向定位杆上并能将顶出块向上顶出或收回，当顶出块升降时，能够将对应的上部阵列栅格块顶起；所述横向定位装置包括“U”形推杆和横向定位动力装置，所述推杆的一端连接横向定位动力装置，推杆的另一端连接升降顶出器，横向定位动力装置能够通过推杆沿横向定位杆推动或拉回升降顶出器。

所述纵向定位杆位于横向定位杆的上部，纵向定位杆的高度与顶出块的上升上限位齐平。

还包括总控制器，所述总控制器能够根据弹簧钢工件的预设尺寸，控制两个纵向定位杆之间的间距等于弹簧钢工件的长度，而后总控制器能够控制横向定位杆两端的顶出块之间的间距等于弹簧钢工件的宽度；纵向定位杆完成位置定位后能够上方的阵列格栅块顶起形成纵向隔档；顶出块由顶出动力装置带动升起至上限位，将顶出块上方的阵列栅格块顶起形成横向隔档；所述纵向隔档和横向隔档中的阵列栅格块围成一个方形或长方形的淬火区域，待处理的弹簧杆工件放置到该淬火区域内；与此同时弹簧钢工件的两端分别接通未被顶起的淬火区域内阵列格栅上的两个正、负电极触头，实现脉冲高压电路的通路连接，使得弹簧杆在脉冲高压电流的作用下完成淬火工艺的气膜阶段和沸腾阶段。

顶出动力装置包括筒形滑块，所述筒形滑块套装在横向定位杆上，在筒形滑块的外部套装电动滚筒，并在电动滚筒的外部套装圈形齿轮；在“口”形顶出块的内孔中设置齿形条，所述圈形齿轮与齿形条相互啮合；所述筒形滑块上设置非圆形通孔，所述横向定位杆的截面形状与筒形滑块的非圆形通孔的横截面形状相同；所述推杆连接筒形滑块；所述电动滚筒能够带动圈形齿轮转动，同时驱动齿形条和顶出块上升或下降。

如图1所示，还包括密封盖，所述密封盖能够封闭池体的上部，所述密封盖上设置“H”形的绝缘连接件，所述绝缘连接件的上部通过上吊装钢丝连接电动吊装设备，绝缘连接件的下部通过下吊装钢丝连接栅格网架；所述电动吊装设备能够通过上、下吊装钢丝将放置好弹簧钢工件的栅格网架放入池体内，并将密封盖密封盖紧池体。

本发明所述的淬火池在使用时，所述纵向隔档和横向隔档中的阵列栅格块围成一个方形或长方形的淬火区域，待处理的弹簧杆工件放置到该淬火区域内，避免了弹簧钢在完成淬火的过程中尽量避免发生尺寸上的形变，维持工件的加工精确尺寸。与此同时，弹簧钢工件的两端分别接通未被顶起的淬火区域内阵列格栅上的两个正、负电极触头，实现脉冲高压电路的通路连接，使得弹簧杆在脉冲高压电流的作用下完成淬火工艺的气膜阶段和沸腾阶段。

实施例 1

1)实施例1材料的化学成份配比（Wt%)见表4，其余量为Fe及不可避免的杂质。

表4

2）实施例1材料的冶金生产工艺是：按如上1）的材料成份(Wt%)配料，工业生产电炉冶炼、炉外钢包精炼和除气处理、模铸、开坯、酸洗、修磨、轧制。热轧材：33x89mm扁钢。

3)实施例1材料的全脱碳层深度、晶粒度和非金属夹杂（金相法检验）：

全脱碳层深度=0mm，晶粒度7级。900℃保温(空气状态下)，全脱碳层深度=0mm，晶粒度7级。

非金属夹杂如下表5。

表5

4）实施例1材料的淬透性

末端淬透性试验(奥氏体化温度900℃)，试验数据如下表6：

表6

33mm厚度试样，900℃油淬火，次表面硬度58HRC，1/2R处硬度HRC56.5，心部硬度HRC56。

5）实施例1材料的机械性能。

直径10mm，5倍比例标准试样，按国家标准试验。热处理工艺和机械性能如下(表7)：

表7

需要指出的是，上述实施方式仅是本发明优选的实施例，对于本技术领域的普通技术人员来说，在符合本发明工作原理的前提下，任何等同或相似的替换均落入本发明的保护范围内。