一种低密度耐腐蚀弹簧扁钢及其生产方法与流程

1.本发明属于钢材及其制备技术领域，具体涉及一种低密度耐腐蚀弹簧扁钢及其生产方法。


背景技术：

2.汽车轻量化必然要求汽车零部件的轻量化。重型汽车采用高强度弹簧扁钢可减少钢板弹簧总成自身质量的30～50％，通过提高扁钢每片厚度和减少装配总片数来减轻钢板弹簧的总重量，以此达到汽车零部件的轻量化目的。目前，采用的轻量化技术路径主要为：多片簧
→
少片簧
→
单片簧。
3.通常，弹簧扁钢必须经过淬火 回火热处理加工后使用，随着钢材厚度的增加对钢淬透性要求越来越高，否则钢材一旦无法淬透，导致金相组织不合以及强度的下降，无法满足钢板弹簧的减震用途。但受制于加工工艺的限制和生产极致成本的控制，通过提升钢的淬透性，增加钢材厚度减少使用片数以此达到汽车板簧减重的目的，当前遇到了瓶颈。此外，为了防止钢板弹簧在大气环境或特定环境下的锈蚀，加工中必须要对弹簧扁钢刷漆或镀镍等表面处理，以防止生锈。
4.专利cn112410680a公开了一种超低密度高强度钢，但该方案所得超低密度钢的强度不够高，无法满足钢板弹簧高强度及轻量化的要求。专利cn112030077a公开了一种含锰高强低密度钢，在特定的元素配比共同作用下，降低了合金钢的密度，同时保证并提高了合金钢的强度；但该钢材的碳含量较高，不利于热轧过程表面脱碳层的控制，另外硅含量较低，抗回火弹性较差，这两方面对弹簧疲劳寿命带来极大不利影响。专利cn105568131a公开了一种耐腐蚀弹簧钢及热处理工艺，采用nb-b-mo-re-ta元素改性的基础上，结合采取双介质淬火的热处理工艺，保证工件具有较好的机械性能；该钢所含有的re具有脱氧脱硫和对非金属夹杂物变形处理的作用，含量超过0.10％时，容易导致夹杂物量增加进而恶化钢的韧性和抗疲劳性能等问题。专利cn106048424a公开了一种高强度耐腐蚀弹簧钢，通过合理调节各元素的比例，改善了弹簧的加工性能，使弹簧的强度提高了10～12％、寿命提高了12倍；但其钢成分复杂多样，生产控制难度大，且含有较多贵重的合金元素，成本不会低。上述方案中，均存在无法有效兼顾轻质、高强、耐腐蚀等性能的问题。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于针对现有弹簧扁钢轻量化、耐腐蚀改性工艺存在的问题和不足，提供一种兼具低密度、高强和优异耐腐蚀性能的弹簧扁钢，且涉及的生产工艺较为简单，生产成本低廉，无需对现有生产设备和工艺流程进行较大改动，适合推广应用。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种低密度耐腐蚀弹簧扁钢，其化学成分按重量百分比计为：c 0.35～0.58％，si0.40～0.90％，mn 15.0～20.0％，al 12.0～17.0％，v 0.10～0.55％，nb 0.03～0.08％，cu 0.12～0.50％，p 0.050～0.120％，s≤0.020％，其余为fe及不可避免的杂质；
同时控制1≤(v nb)/c≤3。
8.上述方案中，所述低密度耐腐蚀弹簧扁钢中的c含量优选为0.40～0.50％。
9.上述方案中，所述低密度耐腐蚀弹簧扁钢中的si含量优选为0.45～0.80％。
10.上述方案中，所述低密度耐腐蚀弹簧扁钢中的mn含量优选为16.0～18.0％。
11.上述方案中，所述低密度耐腐蚀弹簧扁钢中的al含量优选为15.0～17.0％。
12.上述方案中，所述低密度耐腐蚀弹簧扁钢中的v含量优选为0.25～0.45％。
13.上述方案中，所述低密度耐腐蚀弹簧扁钢中的nb含量优选为0.04～0.07％。
14.上述方案中，所述低密度耐腐蚀弹簧扁钢中的cu含量优选为0.15～0.40％。
15.上述方案中，所述低密度耐腐蚀弹簧扁钢中的p含量优选为0.080～0.120％。
16.上述一种低密度耐腐蚀弹簧扁钢的制备方法，依次包括铁水kr脱硫、转炉冶炼、lf精炼、rh真空处理、连铸、铸坯缓冷、铸坯加热、粗轧、精轧、冷床缓冷步骤；其中钢在冷床缓冷速度为0.3～0.8℃/s。
17.上述方案中，所述铁水kr脱硫，在铁水包中搅拌铁水，形成漩涡，先后两次加入脱硫剂和镁粉，降低铁水s含量，控制出站铁水硫含量[s]≤0.015％。
[0018]
上述方案中，脱硫剂为石灰和铝灰的混合物，其中cao含量92～96wt％。
[0019]
上述方案中，所述转炉冶炼步骤中终点c控制为0.06～0.40％；出钢温度≥1660℃。
[0020]
上述方案中，所述lf精炼步骤采用铝合金脱氧；精炼时间≥25min，精炼过程全程吹氩。
[0021]
上述方案中，rh真空处理采用的真空度≤80pa，保持真空时间为25～40min。
[0022]
上述方案中，所述连铸步骤中铸坯的断面尺寸为(160～200)mm
×
(160～200)mm，拉坯速度稳定控制在1.60～2.15m/min。
[0023]
上述方案中，所述铸坯缓冷步骤中，堆垛缓冷或入坑缓冷36～72h。
[0024]
上述方案中，所述铸坯加热步骤中，均热温度为1180～1220℃，在炉时间90～120min。
[0025]
上述方案中，所述粗轧开轧温度为1060～1150℃。
[0026]
上述方案中，所述精轧终轧温度为1020～1080℃，累计变形量在10～50％。
[0027]
上述方案中，所述终轧速度11-33m/s，总轧制道次7-12道。
[0028]
优选的，所述总轧制道次为7～10道。
[0029]
上述方案中，所述精轧后的钢板厚度为33～46mm，宽度为90～110mm。
[0030]
根据上述方案制备的低密度耐腐蚀弹簧扁钢，其密度≤6.5g/cm3，r
el
≥1630mpa，rm≥1830mpa，a≥8％，z≥37％，相对腐蚀率低于70％。
[0031]
本发明采用的原理为：
[0032]
一、成分设计
[0033]
c；c是钢中极其重要的元素，对弹簧扁钢强度和淬透性有积极作用，但含量过高对韧性具有不利的影响，且影响加工性能；本发明将c含量控制为0.35～0.58％；
[0034]
si；si是保证弹簧扁钢抗弹减性最主要贡献元素，同时具有明显的固溶强化作用，它不形成碳化物，以固溶态存在于钢中，能提高钢的强度，但含量过高，增加钢的脱碳和石墨化倾向；本发明将si含量控制为0.40～0.90％；
[0035]
mn；mn对奥氏体的稳定性具有极大的影响，可以扩大奥氏体相区，起固溶强化作用；但是过高的mn含量会造成成分偏析，形成带状组织以及降低钢材韧性；本发明将mn含量控制为15.0～20.0％；
[0036]
al；al是fe-mn-al-c系低密度钢中重要的轻质元素，结合rh真空处理调控手段和精确控制冷床缓冷速度等手段，能够明显降低材料密度和改善材料热轧组织；al含量过低时，不会出现k系碳化物出现，k系碳化物是钢在淬火或者热处理后奥氏体基体和晶界上均匀分布的纳米级碳化物，能够有效提高钢的强度；但是过高的al含量将恶化钢的微观组织，促进铁素体相的形成；因此，本发明将al含量控制为12.0～17.0％；
[0037]
v nb；复合微合金化元素v nb的质量分数应满足1≤(v nb)/c≤3，既可保证沉淀析出强化又能保证固溶强化，对钢的合金强化提供充足的调整空间。此外，vc、nbc在轧制变形冷却阶段和淬回火冷却阶段析出细小弥散的10-59纳米第二相，能够细化晶粒，提高钢的强度，改善韧性及回火稳定性。(v nb)/c不足1时，上述强化效果减弱，(v nb)/c超过3时，效果增加不明显且成本明显增加。因此，本发明将控制范围1≤(v nb)/c≤3；
[0038]
v：v是亲c合金元素，可以形成稳定的vc纳米析出物，既可细化晶粒提高钢的强韧性，还可提高钢的热稳定性，尤其在弹簧扁钢热处理过程中，大幅提高回火稳定性，含量过高增益效果不明显，本发明将v含量控制为0.10～0.55％。
[0039]
nb：nb是强碳化物形成元素，与c元素有很强的亲和力，当它们生成细小弥散的nbc时可产生强烈的沉淀强化效果，并能细化晶粒，提高钢的硬度、强度，改善韧性及回火稳定性，但当nb含量过多时，析出的第二相粒子明显变粗，上述作用反而会减弱；本发明将nb含量控制为0.03～0.08％；
[0040]
cu：cu在电化学上离子化倾向高于铁的金属元素，具有提高钢的耐腐蚀性的作用；而且cu会使在腐蚀中产生的锈的无定形组成增大，具有抑制作为腐蚀原因之一的cl在腐蚀坑底部凝缩的作用；但cu过量会提高热轧开裂的几率；本发明将cu含量控制为0.12～0.50％；
[0041]
p：本发明将p作为微量合金元素加入钢中，能提高强度和耐腐蚀性能，且p含量控制为0.050～0.120％；优选p范围为0.080～0.120％；
[0042]
s：s是本钢中的有害元素，是强烈的裂纹敏感性元素，考虑到炼钢实际控制情况，故s控制在≤0.020％。
[0043]
二、工艺改进
[0044]
本发明在上述成分设计的基础上，针对大规格弹簧扁钢生产改变常用的二火成材为一火成材，同时结合提高加热温度，提高轧制速度，减少轧制道次，降低冷床冷却速度等改进手段，可进一步促进减少钢材表面氧化并控制未再结晶区轧制，有效降低所得钢材的密度，并同时兼顾良好的力学性能和耐腐蚀性能。
[0045]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0046]
1)本发明结合组成设计和工艺改进手段，在有效降低钢材密度的同时，可兼顾良好的力学性能和耐腐蚀性能，可有效拓宽所得弹簧扁钢的应用领域，为高性能弹簧扁钢的制备提供一条新思路；
[0047]
2)本发明涉及的生产工艺较为简单，生产成本低廉，在现有的生产条件下，不必对生产设备和工艺流程进行较大改动即可进行工艺生产，适合推广应用。
具体实施方式
[0048]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0049]
实施例1～10
[0050]
实施例1～10所述低密度耐腐蚀弹簧扁钢的制备方法包括如下步骤：
[0051]
1)kr脱硫，在铁水包中搅拌铁水(铁水罐内铁水重量65吨)，形成漩涡，先后两次加入脱硫剂(石灰铝灰混合物，cao含量为92～96％)、镁粉，降低铁水s含量，控制出站铁水硫含量[s]≤0.015％；
[0052]
2)转炉冶炼(转炉内钢水120吨)，终点c控制≥0.06％；出钢温度≥1660℃；
[0053]
3)lf精炼，采用铝合金脱氧；精炼时间≥25min，精炼过程全程吹氩；
[0054]
4)rh真空处理，真空度≤80pa，保持真空时间为25～40min；
[0055]
5)连铸坯断面尺寸为200mm
×
200mm，拉坯速度稳定控制在1.60～2.15m/min；
[0056]
6)铸坯缓冷，堆垛缓冷或入坑缓冷36～72h；
[0057]
7)铸坯加热，均热温度1180～1220℃，在炉时间90～120min；
[0058]
8)粗轧，控制开轧温度：1060～1150℃；
[0059]
9)精轧，控制终轧温度1020～1080℃，累计变形量在10～50％；终轧速度11-33m/s，总轧制道次9-15道，轧制成厚度33～46mm、宽度90～110mm弹簧扁钢；
[0060]
10)冷床缓冷，速度为0.3～0.8℃/s，下线待用；
[0061]
其中，涉及的钢材化学成分、冶炼工艺参数和轧制工艺参数分别见表1、表2和表3；所得弹簧扁钢的主要性能测试结果见表4。
[0062]
表1实施例1～10和对比例1～5所述弹簧扁钢的主要化学成分％
[0063][0064]
表2实施例1～10和对比例1～5所述弹簧扁钢的冶炼工艺参数
[0065][0066]
表3实施例1～10和对比例1～5所述弹簧扁钢的轧制工艺参数
[0067][0068]
表4实施例1～10和对比例1～5所得弹簧扁钢的主要性能检测结果
[0069][0070]
上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。