[发明专利]一种超高强度弹簧钢及其制备方法

说明书

本发明提供了一种超高强度弹簧钢，化学成分包括：C 0.45‑0.60%，Si 0.15‑0.35%，Mn 6.0‑12.0%，Al 1.0‑3.0%，Cr 0.30‑0.50%，Mo 0.10‑0.25%，V 0.10‑0.50%，Nb 0.025‑0.04%，N 0.005‑0.015%，Pb≤0.03%，Sn≤0.03%，Zn≤0.03%，Sb≤0.03%，Bi≤0.03%，Osubgt;2/subgt;≤15ppm，Hsubgt;2/subgt;≤15ppm；S≤0.02%，P≤0.02%，Cu≤0.2%，Ni≤0.35%，余量为铁和不可避免的杂质。该弹簧钢机械强度高、延伸率大、断面收缩率高、抗疲劳性能好，适用于减重少片簧的制造生产。

技术领域

本发明属于特种钢生产技术领域，具体涉及一种超高强度(2GPa)弹簧钢及其制备方法。

背景技术

弹簧与螺栓、齿轮构成机械的三大基础零件，其品种繁多，广泛应用于汽车行业、机械装备、轻工业、电力行业、航空航天、轨道交通等行业。弹簧作用极为重要，在各类机械装备中起着缓冲、减震、储能、连接、支撑、传力等各种复杂工作状态的作用，其良好的综合服役性能是机械装备安全运行的基础，弹簧质量水平的提高是保障机械装备主机性能提高的先决条件。弹簧在周期性的弯曲和扭转等交变应力下工作，经受拉、压、扭转、冲击、疲劳和腐蚀等多种作用，有时要在十分恶劣和复杂的工作环境下工作，如高温、低温、腐蚀、静载荷等等。近年来，随着汽车和轨道交通等行业的飞速发展，为节约能源和资源，汽车和轨道交通的轻量化设计等对弹簧减重的需求越来越迫切，超高强度弹簧的需求日益增加。但是，目前国内弹簧钢的强度仅为1350MPa左右，严重制约了新能源汽车的发展以及各类汽车的减重减排，无法满足高性能、高速发动机的发展需求，尤其是航空、航天等领域的发展需求。发展超高强度、高延伸率、高断面收缩率和抗疲劳性能等高性能弹簧钢，将是提高我国高端装备零部件自主配套能力、有效替代进口的必然趋势。

在全球高性能弹簧钢研发及生产领域，日本神户制钢等行业巨头引领全球弹簧钢的发展。我国弹簧产品规模大、门类多，但在高端弹簧产品市场份额少，即我国弹簧行业的产业结构长期以来形成了低档普通弹簧供过于求、高档产品（高强度、高应力、异性件、特种材料）供不应求的被动形势。弹簧产品已经不能完全满足高端装备制造业的发展需要，轿车用悬架簧、气门弹簧、离合器弹簧以及机车、机械、电力、军工等行业用高级弹簧仍需要进口。此外，目前我国弹簧产品的性能与国外同类产品也有一定差距，如弹簧的负荷精度、垂直度精度等方面都存在差距，集中反映在性能不稳定、有些重要质量指标离散性大、使用寿命不稳定，特别是当主机要求弹簧在高速、高应力工况下工作时，矛盾更为突出。

弹簧钢按化学成分，分为非合金弹簧钢（碳素弹簧钢）和合金弹簧钢。目前，各个国家用的弹簧主要为0.3-0.9wt.%含碳量的优质碳素钢以及含Cr-Si、含Cr-Mn、含Si-Mn、含Cr-V等合金成分体系的合金弹簧钢。碳素弹簧钢主要用于制作涡卷弹簧和片弹簧等弹簧，而其他大部分弹簧如悬架弹簧和气门弹簧等都是用的合金弹簧钢。Si-Mn系弹簧钢具有较好的抗弹性减退性能，且生产成本较低，成为我国主要的弹簧钢生产体系。然而，Si-Mn弹簧钢也存在一定的问题，其在热处理时弹簧钢表面容易脱碳，而且淬透性不足等问题限制了其发展。在国外，大多数国家使用的Cr-Mn系和Cr-V系合金钢来制备弹簧钢，其原因就是这两个系的合金弹簧钢在热处理时具有较好的淬透性且弹簧钢表面不容易脱碳。各个国家都在以上体系基础上进一步研发所需要的性能更好弹簧钢，其主要思路还是添加Mo、W、V等合金元素，其主要目的还是提高弹簧钢的淬透性，细化晶粒，减小晶粒尺寸，从而达到改善弹簧钢组织和性能的目的。