2100MPa级弹簧钢丝及其生产方法

技术领域

本发明属于钢材生产技术领域，涉及一种2000MPa级弹簧钢丝的生产方法，还涉及一种2100MPa级弹簧钢丝。

背景技术

弹簧作为安全性承载部件，被广泛应用于汽车、机械、铁路等领域，其在服役过程中常常承担高周交变载荷。在节能减排、绿色发展的大背景下，新能源汽车进入快速发展阶段，电动汽车的市场占有率不断提高；与传统燃油车相比，电动汽车的重量大幅提高，因而对悬架系统的承载能力提出了更高要求，因此需要开发具有更高强度、塑性更好的弹簧，以满足其在电动汽车悬架系统中的服役要求。

目前国内的汽车悬架弹簧的主流产品是抗拉强度为1900 MPa 和 2000MPa 级弹簧，无法满足重量更大的电动汽车的悬架系统的服役要求。然而，现有的生产技术在提高弹簧的抗拉强度同时会导致其塑性下降，无法满足大载荷下的服役要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种2100MPa级弹簧钢丝及其生产方法，还涉及一种2100MPa级弹簧钢丝。

为实现上述发明目的，一实施方式提供了一种2100MPa级弹簧钢丝的生产方法，其特征在于，所述弹簧钢丝的化学成分以质量百分比计为：C 0.53~0.57%，Si 1.61~1.81%，Mn0.7~0.8%，Cr 0.81~0.91%，V 0.11~0.19%，Nb 0.02~0.04%，Ni 0.01~0.09%，Mo 0.01~0.10%，O≤0.002%，N≤0.003%，Al≤0.002%，Ti≤0.001%，Sn≤0.005%，S≤0.01%，P≤0.01%，H≤0.0002%，余量为Fe及不可避免的杂质，其中，{[V]+[Nb]}/{[C]+[N]}=0.23~0.4；所述生产方法包括依次进行的铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、真空精炼、大方坯连铸、开坯、修磨、高线轧制、控制冷却、酸洗、拉拔和热处理工序；其中：

所述LF精炼工序中，精炼渣碱度为1.3~1.6；

所述大方坯连铸工序中，采用电磁末端搅拌和连铸大压下，总压下量为13~19mm；

所述修磨工序中，对开坯工序所得的小方坯表面进行修磨，修磨后的小方坯的表面粗糙度Ra≤0.1μm；

所述高线轧制工序中，将小方坯轧制成盘条，开轧温度为950~1050℃，吐丝温度为850~900℃；

所述控制冷却工序中，珠光体相变前的冷速为2.1~3.0℃/s，珠光体相变开始温度为650~750℃，珠光体相变阶段的冷速≤1℃/s，控制珠光体片层间距≤170nm；

所述热处理工序中，在配置有在线感应加热的生产线上对拉拔工序所得钢丝先后进行淬火和回火，淬火温度为Ar3+20℃~Ar3+50℃，其中，Ar3为所述钢丝的奥氏体化温度，回火温度为395~415℃。

优选地，所述铁水预脱硫工序中，铁水进行脱硫至铁水中S≤0.002%；

所述转炉冶炼工序中，将由废钢和预脱硫后的铁水组成的冶炼原料在转炉中进行冶炼，铁水占所述冶炼原料的重量百分比≥85％；

所述LF精炼工序中，采用低铝低钛合金对钢液进行合金化处理；

所述真空精炼工序中，在精炼炉进行真空处理后，对钢液进行软搅拌，软搅拌的时间≥30min。

优选地，所述开坯工序中，将连铸坯在加热炉中加热后进行9道次连轧，开坯成截面为150mm×150mm的小方坯，加热温度为1150~1200℃，在炉时间≤240min。

优选地，所述修磨工序中，采用砂轮机对小方坯的表面先后进行粗磨和细磨，单边修磨深度≥1mm。

优选地，所述高线连轧工序中，将修磨工序后的小方坯轧制成直径为5.5~17mm的盘条；

所述控制冷却工序中，采用斯太尔摩风冷线对盘条进行控制冷却，辊道速度恒定为0.2m/s~1.0m/s。

优选地，所述控制冷却工序后的盘条的抗拉强度为950~1200MPa，断面收缩率≥50%，断后延伸率≥15%。

优选地，所述控制冷却工序后的盘条的金相组织为珠光体和铁素体的两相组织，其中珠光体的体积分数≥95%。

优选地，所述控制冷却工序后的盘条的脱碳层的最大深度≤20μm，涡流探伤的表面缺陷点数≤10个/吨。

优选地，所述热处理工序中，淬火过程包括升温段、保温段和降温段，升温段的温度在10s内自室温升至所述淬火温度，保温段的保温时间为1~10s，降温段的冷速>50℃/s；回火过程包括加热段、均温段和冷却段，加热段的温度在10s内自室温升至所述回火温度，均温段的保温时间为1~10s，冷却段的冷速为5~10℃/s。

为实现上述发明目的，本发明一实施方式还提供了一种2100MPa级弹簧钢丝，采用如上所述的2100MPa级弹簧钢丝的生产方法制备而成，所述弹簧钢丝的直径为3.5~15mm，抗拉强度≥2100MPa，断面收缩率≥48%。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：基于本发明的化学组分设计，以及生产工艺的全流程控制，可以实现2100MPa级弹簧钢丝的制备，使最终制备得到的弹簧钢丝的抗拉强度≥2100MPa，断面收缩率≥48%，可以满足大载荷的电动汽车悬架系统对服役的弹簧钢丝的强度和韧性同时提出的高要求，克服了现有生产技术在提高弹簧的抗拉强度同时会导致其韧性下降的技术难题。

具体实施方式

下面结合具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的介绍，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。

本实施方式提供了一种2100MPa级弹簧钢丝的生产方法，以及采用所述生产方法制备而成的2100MPa级弹簧钢丝。

具体地，所述弹簧钢丝的化学成分以质量百分比计为：C 0.53~0.57%，Si 1.61~1.81%，Mn 0.7~0.8%，Cr 0.81~0.91%，V 0.11~0.19%，Nb 0.02~0.04%，Ni 0.01~0.09%，Mo0.01~0.10%，O≤0.002%，N≤0.003%，Al≤0.002%，Ti≤0.001%，Sn≤0.005%，S≤0.01%，P≤0.01%，H≤0.0002%，余量为Fe及不可避免的杂质，其中，{[V]+[Nb]}/{[C]+[N]}=0.23~0.4。

具体地，各化学成分的设计原理说明如下。

C：是提升钢材强度的有效元素，且通过调质处理可以显著提升弹簧钢的强度，但过量的C会降低钢材的塑性，影响疲劳性能，本发明的化学成分设计中，C含量为0.53~0.57%。

Si：是固溶强化元素，同时还可以用于降低钢中氧含量，减少夹杂物，另外，Si元素在弹簧中还能阻碍弹性减退；但是，Si含量过高会降低钢材的塑性，加剧钢坯脱碳倾向，促使渗碳体石墨化，影响抗疲劳性能；本发明的化学成分设计中，Si含量为1.61~1.81%。

Mn：是固溶强化元素，可以提高盘条的强度，同时还可以与有害元素S结合以降低盘条的热脆性；但Mn含量过高时，淬透性增强，容易形成过冷组织，会降低材料的塑韧性；本发明的化学成分设计中，Mn含量为0.7~0.8%。

Cr：是碳化物生成元素，可提升钢材强度，它在钢中主要存在于渗碳体片层中，通过置换作用形成合金渗碳体；Cr含量高时会提高耐磨性，改善钢材的表面性能，但是会提高淬透性，降低材料的塑韧性；本发明的化学成分设计中，Cr含量为0.81~0.91%。

V：是重要的碳化物和氮化物形成元素，在钢材中起细晶强化和析出强化作用，还能降低钢的过热敏感性，增加回火稳定性，优化调质钢的强度和塑性；但V的强化作用程度与N的含量相关，本发明的化学成分设计中，V含量为0.11~0.19%。

Nb：是固溶强化元素，可以细化奥氏体晶粒和珠光体片层间距，并细化淬火组织，增加回火稳定性，提高韧性；但过多的Nb在钢中无法溶解，提高连铸坯质量控制的难度，增加成本；本发明的化学成分设计中，Nb含量为0.02~0.04%。

Ni：有助于提高材料的强度、低温韧性和淬透性，但Ni元素的成本昂贵；本发明的化学成分设计中，Ni含量为0.01~0.09%。

Mo：添加微量Mo可以提升钢的淬透性，有助于提高回火抗力，但过多的Mo会形成大量的碳化物，降低淬透性，并导致成本增加；本发明的化学成分设计中，Mo含量为0.01~0.1%。

O：在钢中主要以夹杂物形式存在，对弹簧的疲劳性能影响较大，其含量控制在0.002%以内。

N：与V、Nb形成氮化物析出，起强化作用，但N含量过高会导致钢材的塑性下降，其含量控制在0.003%以内。

Al：是脱氧元素，容易形成氧化铝夹杂，影响弹簧钢的疲劳性能，其含量控制在0.002%以内。

Ti：为析出强化元素，但容易形成氧化钛，影响钢坯的连铸和耐疲劳性，其含量控制在0.001%以内。

Sn：有利于提高强度，降低塑性，但是会降低晶界结合力，不利于钢材的表面质量，容易形成网状裂纹，其含量控制在0.005%以内。

S：除了容易引起中心偏析外，还会形成长条形的MnS夹杂物，降低疲劳性能，其含量控制在0.01%以内。

P：具有强烈偏析倾向，对产品性能和组织均匀性有很大的影响，其含量控制在0.01%以内。

H：容易引起氢脆，对钢的力学性能和耐疲劳性能不利，其含量控制在0.0002%以内。

另外，{[V]+[Nb]}/{[C]+[N]}=0.23~0.4，其中，[V]表示V的质量百分比，[Nb]表示Nb的质量百分比，[C]表示C的质量百分比，[N]表示N的质量百分比。V、Nb在钢中起细晶强化和析出强化作用，通过生成碳化物、氮化物析出，可以抑制奥氏体晶粒长大、细化珠光体片层间距，推迟淬火马氏体的分解和残余奥氏体的转变，有利于优化调质钢的强度和塑性，但其强化作用受钢中C、N的含量影响，而C、N对钢的强度有利、对塑性不利；本发明的化学成分设计中，控制{[V]+[Nb]}/{[C]+[N]｝为0.23~0.4，以使V、Nb的元素强化作用充分发挥，使钢兼具优异的强度和塑性。

下面对所述2100MPa级弹簧钢丝的生产方法中的各个工序进行具体介绍。

（1）铁水预脱硫工序

铁水进行脱硫至铁水中S≤0.002%。

优选地，采用高炉铁水在KR脱硫装置进行脱硫，所述铁水预脱硫工序中采用的脱硫剂的化学成分以质量百分比计包括：CaO 70~85%，CaF

优选地，脱硫的扒渣率≥97%，脱硫后铁水的温度≥1330℃。

（2）转炉冶炼工序

将由废钢和预脱硫后的铁水组成的冶炼原料在转炉中进行冶炼，铁水占所述冶炼原料的重量百分比≥85％。

具体地，将预脱硫后的铁水与废钢混合成钢液进行脱硅、脱磷、吹氧脱碳，之后挡渣出钢，出钢过程中通过向钢包中加入增碳剂、硅铁、以及金属锰对钢液进行脱氧合金化处理。

（3）LF精炼工序

将转炉冶炼后的钢液送入LF炉中进行冶炼，并向钢包中加入精炼渣和合金以进行化学成分调整和夹杂物调控，至钢液成分、炉渣成分以及钢液温度全部达标后出钢。其中，精炼渣碱度为1.3~1.6，可有效控制夹杂物的种类和含量，提高钢液的纯净度，提高弹簧钢的耐疲劳性能。

优选地，等待冶炼期间，钢包底吹氩气的流量为40~80NL/min，以使渣面波动；加精炼渣和合金时，钢包底吹氩气的流量为200~600NL/min；此外，在加入合金后加热，以使加入合金后温度下降的钢液温度回升，加热期间钢包底吹氩气的流量为200~400 NL/min。

优选地，精炼渣的化学成分以质量百分比计包括：CaO 35~50%，SiO

优选地，采用低铝低钛合金对钢液进行合金化处理。

（4）真空精炼工序

在精炼炉进行真空处理后，对钢液进行软搅拌，软搅拌的时间≥30min，软搅拌期间钢包的底吹氩气流量为40~150NL/min，以控制渣面轻微波动，避免钢液裸露。

（5）大方坯连铸工序

采用大方坯连铸将钢液浇铸成连铸坯，采用电磁末端搅拌和连铸大压下，总压下量为13~19mm，可利于夹杂物上浮，减轻中心偏析，同时通过大方坯连铸工序与LF精炼工序的整体结合，共同实现连铸坯的纯净度的大幅提升。

具体地，使钢液在连铸平台静置15min以上，然后开浇，连铸采用大包长水口、整体式水口、镁质中包覆盖剂、中碳保护渣进行全保护浇注，结晶器的液面高度为设备高度的80~90%，连铸拉速为0.5~0.63m/min，控制连铸过程的增氮量≤0.0002%。其中，连铸坯的截面尺寸为300mm×390mm。

（6）开坯工序

将连铸坯在加热炉中加热后进行9道次连轧，开坯成截面为150mm×150mm的小方坯，加热温度为1150~1200℃，在炉时间≤240min。

（7）修磨工序

对开坯工序所得的小方坯表面进行修磨，修磨后的小方坯的表面粗糙度Ra≤0.1μm。

优选地，采用砂轮机对小方坯的表面先后进行粗磨和细磨，单边修磨深度≥1mm。

通过修磨以及对小方坯的表面粗糙度的控制，可以基本消除小方坯的表面缺陷以及由于开坯工序的高温加热而形成的脱碳层，有利于后续高线轧制工序中对表面质量的控制实施。

（8）高线轧制工序

将小方坯在加热炉中进行加热，之后送至无扭轧机轧制成直径为5.5~17mm的盘条，开轧温度为950~1050℃，吐丝温度为850~900℃。

（9）控制冷却工序

珠光体相变前的冷速为2.1~3.0℃/s，珠光体相变开始温度为650~750℃，珠光体相变阶段的冷速≤1℃/s，控制珠光体片层间距≤170nm。

优选地，采用斯太尔摩风冷线对盘条进行控制冷却，辊道速度恒定为0.2m/s~1.0m/s。通过恒定的辊道速度，可有效降低辊道摩擦造成的表面缺陷。

综上，在本发明的化学组分设计的基础上，结合对前述生产工艺流程的整体管控，不仅可以实现盘条的力学性能均匀性和纯净度，提高其表面质量，使控制冷却工序后的盘条的脱碳层的最大深度≤20μm，涡流探伤的表面缺陷点数≤10个/吨，抗拉强度为950~1200MPa，断面收缩率≥50%，断后延伸率≥15%，可以有效降低其进一步拉拔制备弹簧钢丝时的断丝率；而且可以使控制冷却工序后的盘条的金相组织为珠光体和铁素体的两相组织，其中珠光体的体积分数≥95%，从而盘条进一步拉拔而成的弹簧钢丝在后续热处理工序中形成细小晶粒，以使弹簧钢丝同时具备较高的强度和优异的塑性，综合性能得到大幅提升，进而可以制备出2100MPa级的弹簧钢丝，以用于汽车悬架系统中。

（10）酸洗工序

采用20%的盐酸水溶液在20~30℃下对盘条酸洗15~25min，之后用清水清洗后放入磷化液中进行磷化处理，磷化膜的单位面积膜层质量为10g/m

（11）拉拔工序

将酸洗后的盘条采用不同直径的模具冷拉拔成直径为3.5~15mm的钢丝，拉拔时的道次减面率>10%。

（12）热处理工序

在配置有在线感应加热的生产线上对拉拔工序所得钢丝先后进行淬火和回火，淬火温度为Ar3+20℃~Ar3+50℃，其中，Ar3为所述盘条的奥氏体化温度，在本实施例中，淬火温度为925~965℃，回火温度为395~415℃，可以降低能源消耗和碳排放。

优选地，淬火过程包括升温段、保温段和降温段，升温段的温度在10s内自室温升至所述淬火温度，保温段的保温时间为1~10s，降温段的冷速>50℃/s；回火过程包括加热段、均温段和冷却段，加热段的温度在10s内自室温升至所述回火温度，均温段的保温时间为1~10s，冷却段的冷速为5~10℃/s。

基于本发明的化学组分设计，以及生产工艺的全流程控制，可以实现2100MPa级弹簧钢丝的制备，使最终制备得到的弹簧钢丝的抗拉强度≥2100MPa，断面收缩率≥48%，可以满足大载荷的电动汽车悬架系统对服役的弹簧钢丝的强度和韧性同时提出的高要求，克服了现有生产技术在提高弹簧的抗拉强度同时会导致其韧性下降的技术难题。

以下通过9个实施例，进一步对本发明的具体实施方式予以介绍。当然，这9个实施例仅为本实施方式所含众多变化实施例中的一部分，而非全部。

具体地，9个实施例均提供了一种弹簧钢丝，其化学成分如表1所示。

[表1]

本发明的所述生产方法，是依照大量的试验研究而得到的，以下结合具体的9个实施例对所述生产方法中的各个工序作进一步说明。

（1）铁水预脱硫工序

采用高炉铁水在KR脱硫装置进行脱硫，采用的脱硫剂的化学成分以质量百分比计包括：CaO 70~85%，CaF

（2）转炉冶炼工序

将预脱硫后的铁水与废钢混合组成的冶炼原料在转炉中进行脱硅、脱磷、吹氧脱碳，其中，铁水占所述冶炼原料的重量百分比≥85％；之后挡渣出钢，出钢过程中通过向钢包中加入增碳剂、硅铁、以及金属锰对钢液进行脱氧合金化处理。

（3）LF精炼工序

将转炉冶炼后的钢液送入LF炉中进行冶炼，并向钢包中加入精炼渣和合金以进行化学成分调整和夹杂物调控，至钢液成分、炉渣成分以及钢液温度全部达标后出钢。等待冶炼期间，钢包底吹氩气的流量为40~80NL/min；加精炼渣和合金时，钢包底吹氩气的流量为200~600 NL/min；此外，在加入合金后加热，以使加入合金后温度下降的钢液温度回升，加热期间钢包底吹氩气的流量为200~400 NL/min。

具体地，采用低铝低钛合金对钢液进行合金化处理，精炼渣的化学成分以质量百分比计包括：CaO 35~50%，SiO

（4）真空精炼工序

在精炼炉进行真空处理后，对钢液进行软搅拌，软搅拌的时间≥30min，软搅拌期间钢包的底吹氩气流量为40~150NL/min。

（5）大方坯连铸工序

采用大方坯连铸将钢液浇铸成截面尺寸为300mm×390mm的连铸坯，具体地，使钢液在连铸平台静置15min以上，然后开浇，连铸采用大包长水口、整体式水口、镁质中包覆盖剂、中碳保护渣进行全保护浇注，结晶器的液面高度为设备高度的80~90%，采用电磁末端搅拌和连铸大压下，总压下量如表2所示，连铸拉速为0.5~0.63m/min，控制连铸过程的增氮量≤0.0002%。

（6）开坯工序

将连铸坯在加热炉中加热后进行9道次连轧，开坯成截面为150mm×150mm的小方坯，加热温度为1150~1200℃，在炉时间≤240min。

（7）修磨工序

采用砂轮机对开坯工序所得的小方坯表面先后进行粗磨和细磨，对小方坯的表面单边修磨深度、以及修磨后的小方坯的表面粗糙度Ra如表2所示。

（8）高线轧制工序

将小方坯在加热炉中进行加热，之后送至无扭轧机轧制成盘条，开轧温度和吐丝温度如表2所示，盘条的直径如表3所示。

（9）控制冷却工序

采用斯太尔摩风冷线对盘条进行控制冷却，珠光体相变前的冷速、珠光体相变开始温度、珠光体相变阶段的冷速、辊道速度分别如表2所示。

[表2]

对控制冷却工序后的盘条进行金相组织检测，测得9个实施例的盘条的金相组织均为珠光体和铁素体的两相组织，珠光体的体积分数如表3所示。

分别从控制冷却工序后的盘条头部、中部、尾部各取10个样品，共计30个样品，制成金相样品，经机械磨抛、硝酸酒精侵蚀后，放入扫描电镜下，放大10000倍，进行单个样品的珠光体片层间距测定，计算30个样品的珠光体片层间距的平均值作为每个实施例的盘条的珠光体片层间距，9个实施例的盘条的珠光体片层间距如表3所示。

测得9个实施例的盘条的脱碳层的最大深度以及表面缺陷点数如表3所示。

进一步对9个实施例的盘条分别进行力学性能检测，测得9个实施例的盘条的抗拉强度、断面收缩率、断后延伸率分别如表3所示。

（10）酸洗工序

采用20%的盐酸水溶液在20~30℃下对盘条酸洗15~25min，之后用清水清洗后放入磷化液中进行磷化处理，磷化膜的单位面积膜层质量为10g/m

（11）拉拔工序

将酸洗后的盘条采用不同直径的模具冷拉拔成直径为3.5~15mm的钢丝，拉拔时的道次减面率>10%。

（12）热处理工序

在配置有在线感应加热的生产线上对拉拔工序所得钢丝先后进行淬火和回火，9个实施例的淬火温度、回火温度分别如表3所示。

其中，淬火过程包括升温段、保温段和降温段，升温段的温度在10s内自室温升至所述淬火温度，保温段的保温时间为1~10s，降温段的冷速>50℃/s；回火过程包括加热段、均温段和冷却段，加热段的温度在10s内自室温升至所述回火温度，均温段的保温时间为1~10s，冷却段的冷速为5~10℃/s。

进一步对热处理工序后的钢丝分别进行力学性能检测，测得9个实施例的钢丝的抗拉强度、断面收缩率分别如表3所示。

[表3]

从表3中可以看出，按照本实施方式予以生产的实施例1~9中的冷却工序后的盘条的脱碳层的最大深度≤20μm，涡流探伤的表面缺陷点数≤10个/吨，抗拉强度为950~1200MPa，断面收缩率≥50%，断后延伸率≥15%；按照本实施方式予以生产的实施例1~9中的钢丝，抗拉强度≥2100MPa，断面收缩率≥48%，也就是说，按照本实施方式生产的钢丝的抗拉强度达到2100MPa级，实现了从2000MPa级向2100MPa级的级别难度跨越，而且其用于弹簧钢丝时还具有优良的韧性，可以满足大载荷的电动汽车悬架系统对服役的弹簧钢丝的强度和韧性同时提出的高要求，克服了现有生产技术在提高弹簧的抗拉强度同时会导致其韧性下降的技术难题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围之内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。