一種新型高強度LPD48彈簧鋼的製作方法
2023-06-02 00:02:06
本發明屬於熱壓力加工用途高強度彈簧鋼及製備工藝領域，具體是指一種新型高強度彈簧材料的化學成分、含量及製備方法。
背景技術：
汽車輕量化是汽車發展的趨勢，其中少片變截面鋼板彈簧（少片簧）這種先進鋼板彈簧技術是卡車輕量化的主要發展方向，其可降低汽車自重的30%以上。目前國內少片簧由於疲勞性能低因而並沒有得到大範圍應用，這主要是材料問題未得到有效解決，因此對彈簧材料提出了高強度、低合金、高塑韌性、低脫碳和低成本的要求，以滿足輕量化少片簧的高應力、高疲勞性能、高工藝性能和高可靠性要求。
目前市場上常用的彈簧材料難以同時滿足少片變截面鋼板彈簧低脫碳、高強度、高塑韌性、低合金和低成本的要求。例如，51crv4彈簧鋼可以滿足低脫碳的要求、但不滿足高強度和高塑韌性的要求。54sicr6具有高強度和高塑韌性，但脫碳嚴重。韓國浦項彈簧鋼（中國專利94191328.7公開)通過加入ni減小全脫碳層(鐵素體層)深度，但是加稀貴合金元素導致材料的成本很高而難以被市場接受。
此外，通過實驗證明，在淬火過程中，如果通過設計工藝縮短蒸汽膜冷卻階段，能夠使整個工件表面得到均勻快速的冷卻，令產品的表面處理質量保持高勻度。而通過延長沸騰冷卻過程，則有利於大尺寸零件的冷卻效果，在保持勻度的同時提高淬透性。上述工藝的優化只通過傳統手段實現，是有局限性的，為了突破這個局限性，申請人創造性的令淬火階段，尤其是在氣膜階段和沸騰階段給彈簧鋼施加高壓脈衝電流，能夠突破傳統手段的局限性，實現工藝優勢的最大化。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種新型高強度lpd48彈簧鋼，具備低脫碳、高強度、高塑韌性、低合金和低成本的優良特性，能夠滿足輕量化少片簧的高應力、高疲勞性能、高工藝性能和高可靠性要求。本發明解決的第二個技術問題是能夠通過在氣膜階段和沸騰階段給彈簧鋼施加高壓脈衝電流，能夠突破傳統手段的局限性，縮短蒸汽膜冷卻階段時長，使整個工件表面得到均勻快速的冷卻，令產品的表面處理質量保持高勻度；通過延長沸騰冷卻過程，則有利於大尺寸彈簧杆的冷卻效果，在保持勻度的同時提高淬透性。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：提供一種新型高強度lpd48彈簧鋼，其特徵在於按照質量百分百比包括如下組分：
c0.47-0.50%、
si0.15-0.26%、
mn0.75-1.0%、
cr0.90-1.50%、
v0.05-0.08%、
nb0.02-0.09%、
mo0.15-0.20%、
cu≤0.25%、
ni≤0.25%、
p≤0.02%、
s≤0.015%，
其餘量為fe及不可避免的雜質。
本發明所述的一種新型高強度lpd48彈簧鋼，其特徵在於熱處理工序包括如下工藝步驟：淬火加熱溫度為840-930℃；回火溫度為360-560℃。
優選的，在淬火過程中對彈簧鋼的兩端通以高壓脈衝電流，通電間隙為1-3秒，斷電間隙為0.1-1.5秒。
優選的，高壓脈衝電流的通電總時長為淬火總時長的1/3，其中長度尺寸為200-2300mm，寬度尺寸為70-120mm，厚度尺寸為6-45mm的彈簧鋼片，其氣膜階段為1-5秒，其沸騰階段為5-10秒。
優選的，所述熱處理工序中使用的淬火液為純油淬火液。
優選的，淬火步驟所用淬火池包括池體，所述池體上部設置柵格網架，所述柵格網架上插裝設置若干個陣列格柵塊，在陣列格柵塊上分別設置正、負電極觸頭；所述正、負電極觸頭分別連接高壓電流發生器和電流通斷控制器；所述高壓電流發生器能夠產生高壓電流並由導線通過電流通斷控制器傳輸給正、負電極觸頭；所述電流通斷控制器能夠間歇控制高壓電流的通斷，形成高壓脈衝電流。
在柵格網架的下部設置精確定位頂出裝置，所述精確定位頂出裝置包括頂出裝置固定架，所述頂出裝置固定架設置在池體的底部。
頂出裝置固定架上設置兩個縱向定位絲槓，所述縱向定位絲槓上分別固定兩個縱向定位杆，縱向定位杆通過螺紋套裝在縱向定位絲槓上，縱向定位杆與縱向定位絲槓相互垂直；各縱向定位絲槓分別連接一個縱向定位電機，所述縱向定位電機正轉或者反轉，能夠帶動縱向定位絲槓旋轉，從而令兩個縱向定位杆相互靠近或者遠離。
頂出裝置固定架上設置若干個橫向定位杆，所述橫向定位杆與縱向定位絲槓相互垂直設置；在橫向定位杆的兩端分別固定升降頂出器和橫向定位裝置；所述升降頂出器包括「口」形頂出塊和頂出動力裝置，所述頂出動力裝置固定在橫向定位杆上並能將頂出塊向上頂出或收回，當頂出塊升降時，能夠將對應的上部陣列柵格塊頂起；所述橫向定位裝置包括「u」形推桿和橫向定位動力裝置，所述推桿的一端連接橫向定位動力裝置，推桿的另一端連接升降頂出器，橫向定位動力裝置能夠通過推桿沿橫向定位杆推動或拉回升降頂出器。
所述縱向定位杆位於橫向定位杆的上部，縱向定位杆的高度與頂出塊的上升上限位齊平。
優選的，還包括總控制器，所述總控制器能夠根據彈簧鋼工件的預設尺寸，控制兩個縱向定位杆之間的間距等於彈簧鋼工件的長度，而後總控制器能夠控制橫向定位杆兩端的頂出塊之間的間距等於彈簧鋼工件的寬度；縱向定位杆完成位置定位後能夠上方的陣列格柵塊頂起形成縱向隔檔；頂出塊由頂出動力裝置帶動升起至上限位，將頂出塊上方的陣列柵格塊頂起形成橫向隔檔；所述縱向隔檔和橫向隔檔中的陣列柵格塊圍成一個方形或長方形的淬火區域，待處理的彈簧杆工件放置到該淬火區域內；與此同時彈簧鋼工件的兩端分別接通未被頂起的淬火區域內陣列格柵上的兩個正、負電極觸頭，實現脈衝高壓電路的通路連接，使得彈簧杆在脈衝高壓電流的作用下完成淬火工藝的氣膜階段和沸騰階段。
優選的，頂出動力裝置包括筒形滑塊，所述筒形滑塊套裝在橫向定位杆上，在筒形滑塊的外部套裝電動滾筒，並在電動滾筒的外部套裝圈形齒輪；在「口」形頂出塊的內孔中設置齒形條，所述圈形齒輪與齒形條相互嚙合；所述筒形滑塊上設置非圓形通孔，所述橫向定位杆的截面形狀與筒形滑塊的非圓形通孔的橫截面形狀相同；所述推桿連接筒形滑塊；所述電動滾筒能夠帶動圈形齒輪轉動，同時驅動齒形條和頂出塊上升或下降。
優選的，還包括密封蓋，所述密封蓋能夠封閉池體的上部，所述密封蓋上設置「h」形的絕緣連接件，所述絕緣連接件的上部通過上吊裝鋼絲連接電動吊裝設備，絕緣連接件的下部通過下吊裝鋼絲連接柵格網架；所述電動吊裝設備能夠通過上、下吊裝鋼絲將放置好彈簧鋼工件的柵格網架放入池體內，並將密封蓋密封蓋緊池體。
本發明所研製的新型高強度lpd48彈簧鋼，通過高溫自然氧化法解決了熱壓力加工用途高強度彈簧材料全脫碳層的問題。其中高溫自然氧化法是指通過材料的組分與配比選擇降低材料的抗氧化性，使材料在高溫狀態下易被氧化並形成氧化皮（包括工藝過程中脫碳所產生的全脫碳層同時被氧化為氧化皮），氧化皮是與材料附著力很低的易碎疏鬆物質，有阻止進一步脫碳並起保護作用。由此自然地去除了脫碳所產生的全脫碳層，獲得無全脫碳層的顯著技術效果。
本發明所研製的新型高強度lpd48彈簧鋼,通過中碳、複合合金化和稀貴合金元素微合金化的技術思路解決彈簧材料的高強度、高塑性和低合金同時又解決全脫碳層問題。這樣充分發揮和加強了合金元素的有益效果，減小合金元素所產生的危害，在獲得明顯技術效果的前提下降低合金元素含量，不僅降低材料成本而且有利於保護資源。
複合合金化(包括複合微合金化)是本發明的關鍵和技術特點，合金元素所具有的性能和行為是各組元(包括微量元素)協同作用的結果，而不是某一合金元素簡單的、定性的作用或影響，尤其是在材料的強度不斷提高但要求高塑性的情況下。
本發明所研製的新型高強度lpd48彈簧鋼，在以si為強化元素的情況下，通過v與nb的微合金複合合金化降低材料的抗氧化性，並利用工藝過程中的高溫氧化作用獲得無全脫碳層的低脫碳效果，而且，同時具有提高材料強度和細化晶粒等重要作用。本發明所研製的新型高強度lpd48彈簧鋼,在高溫自然氧化中所消耗的表面材料很少，不影響彈簧的尺寸精度要求。氧化皮的附著力很低，淬火後自然脫落。
對本發明技術方案的進一步說明如下：
本發明技術方案的c含量為0.47~0.53%。淬火組織為中碳馬氏體組織，中溫回火後為高強度和高塑性的回火屈氏體組織，且無全脫碳層。
為了提高強度和降低抗氧化性及脫碳傾向性，si含量為0.15~0.35%。
cr、mn的作用和相互間複合作用是提高強度、高塑韌性和淬透性。因此，cr含量為0.90~1.20%、mn含量為0.75~1.10%。
v、mo、ni、cu和nb必須同時加入，這種複合合金化所產生的效果是單一元素難以達到的。在本發明中，各合金元素不可互相代替，採用微合金的量同時加入，發明了複合微合金彈簧材料，其作用和意義是：1）降低抗氧化性、提高淬火加熱溫度2）ni與v碳化物細小彌散均勻分布，具有明顯的晶粒細化效果，提高晶粒粗化溫度，3）提高強度和塑韌性，4)54sicrv6彈簧鋼僅含有v一種強碳化物元素，v含量至少在0.10%以上,而本發明由於v與nb的同時加入使v含量可少到0.05%水平，僅為51crv4或54sicrv6鋼的二十分之一，這是v與nb複合微合金化的顯著技術效果。本發明採用的v與nb的複合合金化取得了大幅降低稀貴合金元素含量的微合金化效果。值得注意的是，在考慮合金元素配比時，不僅考慮有益的效果更要考慮危害作用。綜合考慮，本發明的v0.05~0.10%、nb0.02~0.10%、mo0.15~0.25%、cu≤0.25%、ni≤0.25%。
s、p都是有害元素，降低材料的塑韌性。按通常量控制，p≤0.02%、s≤0.015%。
本發明採用的是新型高強度lpd48彈簧鋼冶金生產工藝，只是涉及高溫熱處理步驟和條件是與本發明的彈簧材料的配方及獲得的目標物的性能相匹配的。本發明材料的製備方法步驟和條件如下：配料、電爐冶煉、爐外鋼包精煉與除氣處理、鑄錠或連鑄、開坯、酸洗、修磨、探傷、軋制；其特徵在於,熱處理工藝為：淬火加熱溫度850±10-920±10℃油淬火；回火溫度370±10-550±10℃。當然，也可以選用其它冶金工藝，如電渣重熔.
本發明的有益效果和顯著的技術進步效果如下：
1、研製一種新型高強度彈簧鋼lpd48（低脫碳、高強度、高塑韌性、低合金和低成本），以滿足輕量化少片簧的高應力、高疲勞性能、高工藝性能和高可靠性要求。
2、本發明新型高強度彈簧鋼lpd48材料的技術性能為：全脫碳層深度=0mm，抗拉強度1650~1900mpa，斷面收縮率44~48%，合金含量低於51crv4或54sicrv6彈簧鋼，特別是稀貴合金元素。51crv4和54sicrv6是國際上技術先進的熱壓力加工用途彈簧材料。表1是本發明提供的彈簧材料與51crv4和54sicrv6彈簧鋼的技術性能對比，可看出本發明所取得的實質性顯著技術效果和先進的技術水平。
3、本發明提供的彈簧材料，是一種熱壓力加工用途的高強度與高塑性彈簧材料。在成分及配比上有獨特技術特徵，詳見表2。在普通合金元素上，本發明與51crv4或54sicrv6鋼相當，但稀貴合金元素明顯低於51crv4或54sicrv6鋼。稀貴合金複合與微合金化是本發明的顯著特點,對於現有彈簧材料技術來說是顯著的技術進步。
4、本發明提供的彈簧材料，解決了熱壓力加工用途高強度彈簧鋼全脫碳層問題。該彈簧材料適於高溫自然氧化法，解決了高脫碳傾向彈簧材料的全脫碳層問題。通常認為高溫氧化是有害的，但本發明提供的彈簧材料，正是利用工藝過程中的這種氧化作用解決了業界長期以來難以解決的全脫碳層問題。
表1本發明材料與現有彈簧材料強度、塑性與脫碳對比
表2化學成份對比(wt%)
為了保證彈簧的高強度和高塑韌性，要求彈簧材料具有一定的淬透性。表3是本發明提供的彈簧材料與en10089鋼號54sicrv6、51crv4和52crmov4彈簧鋼的淬透性技術數據對比，由表可見本發明材料具有較的高淬透性，油淬火直徑可達50mm。
表3
本發明提供的彈簧材料，用於製造中重型汽車的懸架彈簧，還可用於轎車懸架螺旋彈簧、汽車扭杆彈簧、穩定杆、中厚度的少片板簧等，並且本發明提供的大絲徑懸架螺旋彈簧材料，是高強度彈簧鋼絲和油淬火回火彈簧鋼絲的優良材料，具有廣泛的用途。
5、本發明優化設計熱處理工藝，採用純油催化液，以防著火或被擊穿和電解；此外本工藝通過在淬火的前兩個階段對材料施加脈衝高壓電流，通過焦耳熱效應維持前階段材料的降溫曲線不至過陡，快速令表面氣膜成形後蒸發，並通過適當維持高熱，延長沸騰階段的時長。由此，本工藝能夠突破傳統手段的局限性，通過縮短蒸汽膜冷卻階段時長，使整個工件表面得到均勻快速的冷卻，令產品的表面處理質量保持高勻度；通過延長沸騰冷卻過程，則有利於大尺寸彈簧杆的冷卻效果，在保持勻度的同時提高淬透性。
6、本發明所述的淬火池在使用時，所述縱向隔檔和橫向隔檔中的陣列柵格塊圍成一個方形或長方形的淬火區域，待處理的彈簧杆工件放置到該淬火區域內，避免了彈簧鋼在完成淬火的過程中儘量避免發生尺寸上的形變，維持工件的加工精確尺寸。與此同時，彈簧鋼工件的兩端分別接通未被頂起的淬火區域內陣列格柵上的兩個正、負電極觸頭，實現脈衝高壓電路的通路連接，使得彈簧杆在脈衝高壓電流的作用下完成淬火工藝的氣膜階段和沸騰階段。
附圖說明
圖1為淬火池的結構示意圖；
圖2是柵格網架及陣列格柵塊的安裝結構示意圖；
圖3是圖1的a-a向結構示意圖；
圖4是精確定位頂出裝置的俯視圖；
其中：1、彈簧鋼工件；2、陣列格柵塊；3、正、負電極觸頭；4、上吊裝鋼絲；5、絕緣連接件；6、下吊裝鋼絲；7、柵格網架；8、池體；9、頂出塊；10、頂出動力裝置；11、橫向定位杆；12、縱向定位杆；13、縱向定位絲槓；14、推桿；15、橫向定位動力裝置；16、縱向定位電機；17、密封蓋。
具體實施方式
本發明所述一種新型高強度lpd48彈簧鋼，按照質量百分百比包括如下組分：
c0.47-0.50%、
si0.15-0.26%、
mn0.75-1.0%、
cr0.90-1.50%、
v0.05-0.08%、
nb0.02-0.09%、
mo0.15-0.20%、
cu≤0.25%、
ni≤0.25%、
p≤0.02%、
s≤0.015%，
其餘量為fe及不可避免的雜質。
本發明所述的一種新型高強度lpd48彈簧鋼，熱處理工序包括如下工藝步驟：淬火加熱溫度為840-930℃；回火溫度為360-560℃。
在淬火過程中對彈簧鋼的兩端通以高壓脈衝電流，通電間隙為1-3秒，斷電間隙為0.1-1.5秒。
高壓脈衝電流的通電總時長為淬火總時長的1/3，其中長度尺寸為200-2300mm，寬度尺寸為70-120mm，厚度尺寸為6-45mm的彈簧鋼片，其氣膜階段為1-5秒，其沸騰階段為5-10秒。
所述熱處理工序中使用的淬火液為純油淬火液。
如圖1所示，淬火步驟所用淬火池包括池體，所述池體上部設置柵格網架，所述柵格網架上插裝設置若干個陣列格柵塊。
如圖1-3所示，在陣列格柵塊上分別設置正、負電極觸頭；所述正、負電極觸頭分別連接高壓電流發生器和電流通斷控制器；所述高壓電流發生器能夠產生高壓電流並由導線通過電流通斷控制器傳輸給正、負電極觸頭；所述電流通斷控制器能夠間歇控制高壓電流的通斷，形成高壓脈衝電流。
在柵格網架的下部設置精確定位頂出裝置，所述精確定位頂出裝置包括頂出裝置固定架，所述頂出裝置固定架設置在池體的底部。
頂出裝置固定架上設置兩個縱向定位絲槓，所述縱向定位絲槓上分別固定兩個縱向定位杆，縱向定位杆通過螺紋套裝在縱向定位絲槓上，縱向定位杆與縱向定位絲槓相互垂直；各縱向定位絲槓分別連接一個縱向定位電機，所述縱向定位電機正轉或者反轉，能夠帶動縱向定位絲槓旋轉，從而令兩個縱向定位杆相互靠近或者遠離。
頂出裝置固定架上設置若干個橫向定位杆，所述橫向定位杆與縱向定位絲槓相互垂直設置；在橫向定位杆的兩端分別固定升降頂出器和橫向定位裝置；所述升降頂出器包括「口」形頂出塊和頂出動力裝置，所述頂出動力裝置固定在橫向定位杆上並能將頂出塊向上頂出或收回，當頂出塊升降時，能夠將對應的上部陣列柵格塊頂起；所述橫向定位裝置包括「u」形推桿和橫向定位動力裝置，所述推桿的一端連接橫向定位動力裝置，推桿的另一端連接升降頂出器，橫向定位動力裝置能夠通過推桿沿橫向定位杆推動或拉回升降頂出器。
所述縱向定位杆位於橫向定位杆的上部，縱向定位杆的高度與頂出塊的上升上限位齊平。
還包括總控制器，所述總控制器能夠根據彈簧鋼工件的預設尺寸，控制兩個縱向定位杆之間的間距等於彈簧鋼工件的長度，而後總控制器能夠控制橫向定位杆兩端的頂出塊之間的間距等於彈簧鋼工件的寬度；縱向定位杆完成位置定位後能夠上方的陣列格柵塊頂起形成縱向隔檔；頂出塊由頂出動力裝置帶動升起至上限位，將頂出塊上方的陣列柵格塊頂起形成橫向隔檔；所述縱向隔檔和橫向隔檔中的陣列柵格塊圍成一個方形或長方形的淬火區域，待處理的彈簧杆工件放置到該淬火區域內；與此同時彈簧鋼工件的兩端分別接通未被頂起的淬火區域內陣列格柵上的兩個正、負電極觸頭，實現脈衝高壓電路的通路連接，使得彈簧杆在脈衝高壓電流的作用下完成淬火工藝的氣膜階段和沸騰階段。
頂出動力裝置包括筒形滑塊，所述筒形滑塊套裝在橫向定位杆上，在筒形滑塊的外部套裝電動滾筒，並在電動滾筒的外部套裝圈形齒輪；在「口」形頂出塊的內孔中設置齒形條，所述圈形齒輪與齒形條相互嚙合；所述筒形滑塊上設置非圓形通孔，所述橫向定位杆的截面形狀與筒形滑塊的非圓形通孔的橫截面形狀相同；所述推桿連接筒形滑塊；所述電動滾筒能夠帶動圈形齒輪轉動，同時驅動齒形條和頂出塊上升或下降。
如圖1所示，還包括密封蓋，所述密封蓋能夠封閉池體的上部，所述密封蓋上設置「h」形的絕緣連接件，所述絕緣連接件的上部通過上吊裝鋼絲連接電動吊裝設備，絕緣連接件的下部通過下吊裝鋼絲連接柵格網架；所述電動吊裝設備能夠通過上、下吊裝鋼絲將放置好彈簧鋼工件的柵格網架放入池體內，並將密封蓋密封蓋緊池體。
本發明所述的淬火池在使用時，所述縱向隔檔和橫向隔檔中的陣列柵格塊圍成一個方形或長方形的淬火區域，待處理的彈簧杆工件放置到該淬火區域內，避免了彈簧鋼在完成淬火的過程中儘量避免發生尺寸上的形變，維持工件的加工精確尺寸。與此同時，彈簧鋼工件的兩端分別接通未被頂起的淬火區域內陣列格柵上的兩個正、負電極觸頭，實現脈衝高壓電路的通路連接，使得彈簧杆在脈衝高壓電流的作用下完成淬火工藝的氣膜階段和沸騰階段。
實施例1
1)實施例1材料的化學成份配比（wt%)見表4，其餘量為fe及不可避免的雜質。
表4
2）實施例1材料的冶金生產工藝是：按如上1）的材料成份(wt%)配料，工業生產電爐冶煉、爐外鋼包精煉和除氣處理、模鑄、開坯、酸洗、修磨、軋制。熱軋材：33x89mm扁鋼。
3)實施例1材料的全脫碳層深度、晶粒度和非金屬夾雜（金相法檢驗）：
全脫碳層深度=0mm，晶粒度7級。900℃保溫(空氣狀態下)，全脫碳層深度=0mm，晶粒度7級。
非金屬夾雜如下表5。
表5
4）實施例1材料的淬透性
末端淬透性試驗(奧氏體化溫度900℃)，試驗數據如下表6：
表6
33mm厚度試樣，900℃油淬火，次表面硬度58hrc，1/2r處硬度hrc56.5，心部硬度hrc56。
5）實施例1材料的機械性能。
直徑10mm，5倍比例標準試樣，按國家標準試驗。熱處理工藝和機械性能如下(表7)：
表7
需要指出的是，上述實施方式僅是本發明優選的實施例，對於本技術領域的普通技術人員來說，在符合本發明工作原理的前提下，任何等同或相似的替換均落入本發明的保護範圍內。