合成渣处理对弹簧钢脱氧及夹杂物控制的影响

1、合成渣处理对弹簧钢脱氧及夹杂物控制的影响

    李正邦，薛正良[6]等人在实验室条件下研究了酸性和碱性合成渣处理弹簧钢时钢中酸溶铝、钙和氧含量的变化规律

    通常的炼钢脱氧过程是先用Si2Mn 预脱氧,然后加铝终脱氧,作为脱氧产物的硅酸锰和钢水中溶解的铝之间反应生成富含Al2O3 的夹杂物。在铝加入钢液的过程中,由于脱氧反应速度远大于铝在钢液中熔化和扩散的速度,故易产生局部

    富铝而析出较大的夹杂物颗粒。而用合成渣精炼脱氧时,钢液中不会产生局部富铝,因而析出的夹杂物成分均匀而细小。

    以工业纯铁为原料,用中频感应炉熔炼的SUP7(成分%为:0. 60C、2. 00Si 、0.85Mn、0.0045S、0.011P、0. 006 7Alsol ) 浇铸成25 kg钢锭。钢锭锻成Φ20 mm 钢棒,然后用氧化镁坩埚(Φ58mm×83mm) 在碳管炉内进行二次精炼。每次试验称取钢样800g ,在指定温度恒温后加入预熔精炼渣40g,反应时间40min。1 823 K时钢水经酸性渣处理后的酸溶铝变化与精炼渣组成的关系见图1和图2 

    钢样原始酸溶铝含量为0.0067%。

    实验结果表明应选择含应选择含Al2O3和MgO较低的酸性渣精炼钢液。此外,从图3 钢中全氧含量随精炼渣碱度的变化趋势来看,精炼渣碱度不宜低于1. 0。精炼反应的温度对渣钢反应也产生较大的影响,见图4。

    碱性渣精炼钢液实验结果见图5，表明高碱度渣精炼时,渣中Al2O3和CaO不断被钢液中的Si还原,使钢中酸溶铝和全钙含量随反应时间延长不断增加。

图1 　精炼渣碱度对钢中酸溶铝的影响

图2 　精炼渣中Al2O3 和MgO 含量对钢中酸溶铝的影响

图3 　精炼渣碱度对钢中全氧含量的影响

图4 　反应温度对钢中酸溶铝的影响

图5　高碱度渣对钢中酸溶铝和全钙的影响

2、结论

(1) 超低氧钢用铝终脱氧,并不能排除钢中存在危及材料疲劳性能的大颗粒夹杂物;若将钢中酸溶铝含量控制在较低或很低的范围,就可以避免可能析出的Al2O3 对材料疲劳性能产生的危害。

(2) 用酸性渣处理钢液时,渣的碱度、Al2O3 和MgO 含量对钢中酸溶铝的控制都存在较大的影响。降低Al2O3 含量一方面降低了渣中Al2O3 的活度,另一方面可减少温度波动对钢液增铝的影响。在实验室条件下碱性渣处理钢液使钢水有较大幅度的增铝和增钙。

3、夹杂物

3.1 钢中脆性夹杂物相是弹簧疲劳破损最主要的原因之一

    夹杂物形态控制技术是现代洁净钢冶炼的主要内容之一, 不同的钢种对夹杂物相的性质、成分、数量、粒度和分布有不同的要求。对承受拉、弯、压、扭、冲击等载荷的周期性交变应力作用的弹簧来说,疲劳断裂是其主要的破坏形式。而因皮下脆性夹杂物 (如刚玉、尖晶石等)和点状不变形夹杂物 (如硫化钙、铝酸钙等) 作为疲劳裂纹源引发的疲劳裂纹的扩展, 最终导致弹簧断裂所造成的弹簧失效已成为弹簧破损最主要的原因之一。弹簧钢的疲劳极限与材料硬度之间的关系 (图1 ) 受钢中夹杂物的影响, 特别是在高应力条件下使用的弹簧钢, 疲劳极限与硬度之间不再成线性关系, 当材料硬度超过HV400 以后, 原来不成问题的显微夹杂物也将成为疲劳裂纹源, 使材料的疲劳极限下降, 而汽车悬挂弹簧通常在HV430～ 535 范围内使用。此外, 为满足车辆轻型化和节能的要求, 需要提高悬挂弹簧的设计应力, 以降低弹簧自身重量, 见图2 。

    弹簧钢冶炼过程中采用传统的铝终脱氧制度是钢中残存高硬度脆性夹杂物刚玉 (A l2O3) 和铝酸钙(mCaO·nA l2O3) 的主要根源。这些脆性夹杂物在钢坯热加工时不能随钢基体一起流变, 因而在夹杂物与钢基体的接触面上产生微裂纹。弹簧在交变应力的作用下微裂纹扩展, 最终导致弹簧疲劳断裂。

图 1　材料硬度对汽车悬挂弹簧疲劳性能的影响 

图 2　汽车悬挂弹簧设计应力与弹簧重量的关系 

    高应力条件下使用的弹簧, 钢中脆性夹杂物是导致弹簧疲劳断裂的主要原因之一。通过脱氧控制和二次精炼操作控制夹杂物的成分和形态是解决这一问题的有效途径。

3.2 非金属夹杂物的控制途径

    在超纯洁弹簧钢生产中, 控制夹杂物是决定钢材性能的关键技术。控制弹簧钢中有害夹杂物,减小其对疲劳性能不利影响的方法有: (1)降低夹杂物含量, 减小夹杂物尺寸; (2)控制夹杂物的组成和形态(变性处理), 使其对疲劳性能的危害很小或没有; (3)上述两种方法的组合, 既降低夹杂物的含量和尺寸, 同时又能进行变性处理以控制夹杂物的组成和形态[8]。

3.2.1降低夹杂物含量

    生产超低氧弹簧钢, 即保证钢材总氧量小于10×10-6, 同时通过增加吹氩透气砖数量、中间包设置陶瓷过滤器和良好的保护浇注技术, 使钢中大颗粒夹杂物有效去除[7]。

    降低有害的富Al2O3、SiO2等氧化物夹杂和TiN系夹杂物的含量和细化其尺寸可显著地提高钢的疲劳性能。近来, 二次冶金技术的大力发展和逐步完善, 为大批量廉价生产低夹杂物含量的优质弹簧钢提供了可能[8]。

    DH 或RH 真空脱气是人们熟悉的处理方法。其主要目的在于严格限制钢中氧含量, 降低夹杂物的含量和减少夹杂物的尺寸。采用脱气工艺生产弹簧钢具有成本低、产量大的优点。

    新日铁室兰厂采用RH 真空脱气的RH2SCS超纯洁钢冶炼工艺, 可以经济地脱气和使夹杂物上浮分离。与其他钢包精炼工艺相比, 采用RH2SCS工艺可以达到极限氧含量 (图3 )。

图 3　各种钢包精炼钢中的氧含量

    巴西的 Ipanema 公司于1989年开发出了以生产超低氧的气门弹簧钢为目的的真空脱氧脱硫VRSO处理工艺。该工艺所获得的纯洁度级别高于在真空脱气(VD)系统使用的传统工艺所取得的水平, 可使钢中的平均总氧含量从传统工艺的13.5×10-6降至8.4×10-6, 显微夹杂物总量降低2/3以上。

    大同特殊钢用图4所示的工艺生产并研究了纯洁度对SUP6、SUP7及SUP12所需性能的影响, 得出下列结论: (1)证实了氧含量小于15×10-6的超低氧(ULO)钢是实现悬挂弹簧达到2000MPa高应力值的一种有效手段; (2)用超低氧加超低氮化钛工艺生产的ULO+UL·TiN 钢的疲劳强度与真空电弧重熔(VAR)钢相同, 因而用这种工艺生产的超纯洁弹簧钢可用来制造高应力气门弹簧。

    RH的缺点是精炼过程中不能对钢水再加热,只能让钢水出炉温度提高到1750℃以上, 以补偿精炼过程中热量损失。为此国外钢厂一般都采用带有钢水再加热的精炼生产线即流程LF+RH流程(图5)。使用这种流程生产超纯洁弹簧钢的厂家有日本大同、爱知和德国克虏伯等。

图 4　大同特殊钢的超纯洁弹簧钢生产工艺

图 5　EAF+LF+RH工艺示意图

3.2.2夹杂物变性处理

    采用脱氧控制与合成渣二次精炼相结合的夹杂物成分及形态控制技术, 避免钢中形成有害夹杂物, 同时能减小氧化物夹杂的粒度。

    用低碱度渣钢包炉精炼使硅脱氧产物转变成CaO-Al2O3-SiO2多元低熔点夹杂物，这是早被人们认识的事实,并在超纯洁弹簧钢生产中得到应用。控制钢中夹杂物组成包括脱氧控制和合成渣精炼两个方面，仅依靠脱氧控制产生的夹杂物组成有较大的波动性，因此随后的合成渣精炼促进夹杂物转变是必不可少的。钢包渣洗法脱硫脱氧工艺是依靠被钢水乳化的合成渣悬浮效应促进渣钢反应和夹杂物去除钢包精炼时吹氢或电磁搅拌，一方面使钢液中夹杂物聚集和上浮去除，另一方面钢水流动时对渣层的冲刷有可能使渣滴卷入钢杂物液。当夹杂物的去除速度大于卷入的渣滴使夹杂物增加的速度时，钢中总氧量是下降的。

    经过二次精炼以后，钢中的夹杂物由3部分构成：脱氧产物、卷入钢中的残渣和变性夹杂物。随精炼时间延长，夹杂物中脱氧产物的比例越来越少，变性夹杂物的比例越来越高。这种夹杂物变性过程只对钢中一次脱氧产物和因钢液温度下降脱氧平稳移动产生的二次脱氧产物有效，它不能改变钢水凝固时产生的三次脱氧产物的成分。控制钢液中最终[Al][Ca]含量使钢液凝固析出的三次脱氧产物为具有塑性组成的CaO-Al2O3-SiO2多元低熔点夹杂物是现代夹杂物形态控制技术的关键[9]。

李正邦，薛正良[6]等人通过工业生产试验比较了两种不同精炼工艺条件下(1:高碱度渣精炼+喂铝丝; 2:酸性渣精炼+VD)钢中酸溶铝和氧含量随工艺过程的变化。　

表1 　两种工艺生产的弹簧钢材化学成分P%

两种不同精炼工艺条件下生产的弹簧钢棒材表层的夹杂物最大厚度分布如图7，表明工艺2生产的弹簧钢的夹杂物尺寸分布明显优于工艺1生产的弹簧钢的夹杂物尺寸分布。

图7 　不同精炼工艺条件下材料表层夹杂物最大厚度分布(a) 工艺1; (b) 工艺2。

    工业试验采用两种不同的二次精炼制度,尽管工艺Ⅰ生产的弹簧钢的T[O]低于用工艺Ⅱ生产的弹簧钢的T[O],但用图象分析仪对这两种工艺生产的棒材中的夹杂物尺寸分布分析表明,工艺2生产的弹簧钢的夹杂物尺寸分布明显优于工艺1生产的弹簧钢的夹杂物尺寸分布。

    目前, 越来越多的钢厂改变过去将ASEA-SKF、VAD主要用来减少夹杂物的做法, 而是利用ASEA-SKF、VAD的精炼合成渣来控制夹杂物的组成、形态和分布(变性处理), 消除不变形和有害夹杂物[8]。

神户制钢的ASEA-SKF处理工艺是夹杂物变性处理方法的代表(图6 )。这种工艺用电弧使钢水保持适当温度控制夹杂物, 同时采用电磁搅伴去除夹杂物。另外, 为了消除不可避免混入的铝产生的不良影响, 控制钢水加热和搅伴时钢包顶部渣子的组成。通过调整渣子碱度, 将钢中氧含量控制在最适宜值, 可使混入的铝产生的夹杂物由高熔点的Al2O3、CaO·Al2O3、MgO·Al2O3等转变成象CaO·Al2O3·SiO2·MnO这样在热轧时易变形的低熔点复合夹杂物。随着大量塑性夹杂物增加,Al2O3等脆性夹杂物大幅度减少。因此, 这种处理方法的关键是控制渣子的碱度以控制钢中的氧含量, 同时控制混入的铝和Al2O3。

    住友金属小仓钢厂最近开发了一种新的超纯洁气门弹簧钢的生产工艺 。其工艺特点如下: (1)用硅代替Si2Al脱氧, 以减少富Al2O3夹杂物; (2)改变钢包耐火材料的成分, 以减少Al2O3夹杂物; (3)使用碱度严格控制的专用合成渣, 以控制夹杂物的化学组成; (4)连铸法可细化夹杂物, 特别是细化线材表面层的夹杂物。生产结果表明, 有害不变形Al2O3夹杂含量明显降低, 而且剩余夹杂物组成是低熔点和易变形的CaO·SiO2·Al2O3复合夹杂,表层和中心的夹杂物尺寸明显减小, 夹杂物总量下降。

    住友电气工业公司(SEI)还成功地开发出一种没有加热装置的小容量钢包精炼工艺。其主要特点是渣子快速精炼。钢包炉中进行快速精炼的技术关键是要有高的搅拌能力及合适的精炼渣。低碱度渣可将高碱度渣的极限Al2O3量降低约一半, 明显降低线材中大型夹杂物的数量, 比高碱度渣的低1/10; 盘条中的夹杂物最大尺寸一般小于15 m, 消除了大夹杂物对疲劳性能的影响。试验表明, 采用此工艺, 气门弹簧钢丝的疲劳寿命要比以往工艺提高10倍。

4、微金属

    随着汽车等工业的发展,对弹簧钢提出了愈来愈高的要求,为此弹簧钢就要不断提高质和各种性能、延长寿命、降低成本。这一方面要依靠对原有弹簧钢加以不断地改进,另一方面还要研制性能优良、价格便宜的新钢种。

　合金元素在弹簧钢中的主要作用如提高力学性能(强度、硬度、弹性、塑性、韧性、疲劳性能等)、理化性能(耐高温、低温, 耐蚀、防锈等)、工艺性能(淬透性、脱碳性、回火脆性、抗回火稳定性等), 对此过去已经有相当的了解。但是随着弹簧尺寸不断增大(或减小)、工作条件不断恶化和寿命要求不断提高, 特别是要满足一些新的性能要求, 必须对合金元素的作用有更深入和全面的了解[11]。

4.1 碳

    碳是钢中的主要强化元素 ,溶解在钢中形成固溶体,起固溶强化作用,它与强碳化物形成元素结合形成碳化物析出时 ,起沉淀强化作用。碳对弹簧钢的强度、硬度、塑性、韧性、脱碳倾向、显微组织都有很大影响。其影响往往超过其它合金元素。同时碳是对钢的强度贡献最大的元素 ,也是影响抗弹减性最大的元素。

图 1　碳及合金元素强化效果的比较

在Si-N i-Cr-Mo-V 弹簧钢中的碳含量超过0. 5 %时, 不仅塑性和韧性急剧下降, 屈强比(弹减抗力)也大幅度降低(见图 2)。因此在这种高强度弹簧钢中, 碳含量应降至0. 40 %左右。

图2　碳对塑性、韧性和屈强比的影响 

4.2 硅

    很多弹簧钢以硅为主要合金元素 ,硅具有固溶强化作用 ,不形成碳化物 ,基本上以固溶态存在于钢中 ,在常用合金元素中硅的固溶强化作用最强。硅能改变回火时析出碳化物的数量、尺寸和形态 ,提高钢的回火稳定性。随着硅含量增加 ,碳化物颗粒数目增加 ,而碳化物颗粒尺寸和间距则缩小。

    硅有一个非常重要的特殊作用，即硅具有异常强烈的冷加工变形硬化特性，能使含硅的弹簧钢在工作过程中（或因偶然过载，或因长期工作发生疲劳等）一旦超过弹性极限就发生微量塑性变形时，可能立即发生相应的微量硬化；当第二次重复前一过程时，就需比第一次更大的载荷，才能使材料发生塑性变形；而当微量塑性变形再次发生时，又一次硬化也随之发生；如此循环累积可以推迟、抑制弹性减退！

图1 　抗拉强度随回火温度及硅含量的变化

图2 　冲击韧度随回火温度及硅含量的变化

4.3 锰

    锰是提高淬透性最有效的合金元素 ,它溶入铁素体中有固溶强化作用，从而提高钢的强度和硬度。在弹簧钢中，加入锰以后，可形成稳定性较Fe3C为高的（Fe、Mn）3C，有利于阻碍硅钢的石墨化。锰是一种有利于消除硫的有害作用 ,又有利于脱氧的元素 ,但其含量 <0.1 %时作用很小 ,当含量超过1%时由于淬透性增强 ,热轧后钢的组织很可能转变为贝氏体或马氏体使钢的韧性变坏 ,以致使钢丝不易生产且稳定性变差。

4.4 铬

    铬能显著提高钢的淬透性 ,与锰共用效果更好。铬可降低钢中碳的活度 ,又是碳化物形成元素 ,提高钢中碳扩散的激活能 ,减轻钢的脱碳倾向。以铬为主要强化元素的弹簧钢50CrV4 在世界各国都有较广泛的应用。美国用量最大的弹簧钢5160属于Mn2Cr 系钢 ,通过详细研究铬对Si2Mn系弹簧钢性能的影响 ,发现当铬含量在0.30%～0.56%的范围内时 ,降低含1%Si钢的鲍申格效应。这就说明铬降低钢的抗弹减性。向9260钢中加入铬对抗弹减性的影响 ,如图3 。其中92602Nb1含0151 %Cr , 9260 Nb2含1.02 %Cr ,其余所含Cr均为残余量由图3可以看出加0.51%Cr对9260钢的抗弹减性没有明显影响 ,但加入1.02 %Cr的钢残余剪应变大 ,明显对抗弹减性不利。

图3 　Cr 对SAE9260钢残余剪应变的影响

4.5 镍

    镍能与γ-Fe生成无限互溶的固溶体 ,具有扩大γ相区的作用 ,不形成碳化物。镍能稳定奥氏体 ,增强钢的淬透性。

图4 　冲击韧度随回火温度和镍含量的变化

4.6 钼

    钼可以提高钢的淬透性 ,防止回火脆性 ,改善疲劳性能。现有标准中加钼的弹簧钢不多 ,加入量一般在0.4 %以下。

图5 　Mo元素对钢抗回火软化能力的影响

4.7 钒和铌

    钒和铌都是强碳化物形成元素固态下所析出的细小弥散的MC型碳化物具有很强的沉淀强化效果。它们除提高钢的强度和硬度外，还可提高钢的抗弹减性 。

4.8 硼

    钢中加入微量的B，对提高钢的淬透性有强烈作用，特别是对碳量小于0.5%的低合金钢，将非常显著提高其淬透性，所以对低碳弹簧钢，通常都加入B

4.9 稀土金属

    稀土金属具有很高的化学活性和较大的原子半径。众多研究文献表明，将其作为微量合金元素即微处理添加剂，添加于钢中有净化钢液、细化晶粒、夹杂变质、改善浇注和结晶过程、微合金化等作用，提高钢材力学性能。汽车弹簧产生断裂的主要原因是疲劳所致，稀土元素能提高汽车弹簧钢的疲劳极限。当稀土加入合适量时，使钢中夹杂物颗粒变小，夹杂物数量降低，从而使汽车弹簧旋转弯曲疲劳极限值提高，使用寿命大大延长。

5、质量问题

    弹簧钢中的非金属夹杂物表面缺陷和脱碳层是影响弹簧使用寿命的主要因素。

    钢中非金属夹杂物主要是在冶炼过程中产生的Al2O3和TiN夹杂物，它们对疲劳性能的影响一方面取决于夹杂物的类型、数量、尺寸、形状和分布；另一方面受钢基体组织和性质制约与基体结合力弱的尺寸大的脆性夹杂物和球状不变形夹杂物的危害最大，而且钢的强度水平愈高，夹杂物对疲劳极限的有害影响也愈显著。