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合金弹簧钢生产主要问题及解决措施
  摘要:本文分析了非金属夹杂物、表面缺陷和脱碳等因素对弹簧钢产品质量的影响,论述了弹簧钢冶金质量提高、化学成分和工艺优化、多元合金化和稀土处理以及新钢种开发等措施对提高合金弹簧钢性能的作用,探讨了提高合金弹簧钢的综合性能的新途径。
  
  弹簧钢是工业生产中广泛使用的钢种,按化学成分可分为3类,即碳素弹簧钢、特殊用途高合金弹簧钢和通用合金弹簧钢。其中通用合金弹簧钢(以下简称合金弹簧钢)具有性能优良、适应性强、价格低廉等优点,因此用途广、用量大,是最常用和最重要的弹簧材料。但是由于合金弹簧钢自身合金元素的特性,给实际生产和使用带来了诸多问题。
  
  1. 合金弹簧钢存在的主要问题
  
  合金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。资料表明,阀门弹簧因表层下非金属夹杂物引起的失效占40%;表面缺陷和脱碳层引起的失效占30%。某特钢厂近两年共接到用户投诉64起,按钢种及直接投诉的内容分布见表1[1]
  
  表1 用户投诉的钢种及内容分布
  
  钢种 投诉起数 投诉内容 投诉起数
  
  60Si2Mn 43 断裂及开裂 39
  
  60Si2Cr 8 表面裂纹 9
  
  50CrV  4 表面脱碳 5
  
  65Mn 7 拆迭耳子 6
  
  55Si2MoV 1 定尺及椭圆度 2
  
  55SiMnVB 1 碳偏析 1
  
  划伤及翘皮 2
  
  1.1 非金属夹杂物
  
  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[2]。
  
  1.2 表面缺陷
  
  表面质量问题主要分三类:一是明显的轧制缺陷、折迭和耳子缺陷以及部分划伤翘皮,主要由于轧钢设备陈旧、精整设施落后和孔型设计调整不到位引起的。另外坯料表面磨修不当,产生尖角棱子及凹坑划伤,经轧制后也形成折迭缺陷;二是表面裂纹,它在钢材表面呈纵向连续或断续分布,主要是由于坯料残存的裂纹和皮下缺陷引起的,轧制应力及冷却不当也会产生表面裂纹;三是表面划伤及翘皮,这与工装条件及操作不当有关,在打包、运输过程中也会产生擦伤。它们的存在必然是材料产生失效的起源点,易直接导致材料断裂。但对于局部较小的凹坑、划伤、疤皮、麻点等缺陷,人们一般不太重视,它们的存在有的虽是标准允许的,不会成为失效的主因,但它们存在的区域肯定是材料的薄弱部位,在材料整体塑性不好时它们也会成为开裂的突破口。由于在失效时小缺陷已受到破坏或取样时未检验到具体部位,所以失效分析中往往忽略了这一因素。在某特钢厂64起投诉中表面质量问题占到总数的31%[1]。
  
  1.3脱碳层
  
  脱碳是弹簧钢材常见的表面缺陷,对弹簧的使用性能有显著影响。所谓脱碳是指弹簧钢在加热过程中或热处理时,钢材表面在炉内气氛作用下全部或部分脱碳,造成钢材表面的碳含量比内部减少的现象。弹簧钢材表面脱碳0.1mm就会使其疲劳极限显著下降[3]。而且,随着钢材表面脱碳层深度增加,疲劳寿命显著下降。特别是钢材表面脱碳层出现铁素体可降低疲劳极限50%。由于脱碳,弹簧的表面硬度下降,在交变应力作用下容易产生裂纹,使弹簧过早疲劳失效。另外,表面层不同部位淬火时膨胀系数不同,引起应力集中,致使部件全脱碳层与部分脱碳层之间的过渡区产生微裂纹,这些可见的或不可见的微裂纹成为应力集中区,并作为裂纹继续发展的起源,引起弹簧的失效或断裂。
    
  2. 改善措施
  
  合金弹簧钢的质量好坏在很大程度上决定于冶炼工艺,包括钢的化学成分,钢水洁净度(气体、有害元素、夹杂物)和铸坯质量(成分偏析、脱碳及其表面状况),这几个方面正是冶炼操作的关键控制点。另外,弹簧钢还要求有足够的淬透性以保证整个弹簧截面获得均匀的微观组织和力学性能。
  
  2.1非金属夹杂物的改善
  
  产生疲劳裂纹的主要原因在于钢中氧化物夹杂,且D类夹杂物对疲劳寿命的危害大于B类夹杂物。因此,国外钢厂和汽车厂对弹簧钢中的氧化物夹杂提出了更高的要求,如瑞典SKF标准要求钢中氧含量低于15×10-6,D类夹杂物低于B类夹杂物。尤其是Al2O3和TiN夹杂物对弹簧疲劳寿命的危害最大。为生产高质量弹簧钢,以往通常采用电炉—电渣重熔或真空电弧重熔等特种冶炼方法。
  
  随着炉外精炼技术的发展,采用炉外精炼工艺可显著减少钢中的夹杂物,如日本采用RH真空脱气实现超低氧钢(ULO)或超纯钢(UCS)的生产。采用硅脱氧的镇静钢,精炼时使用碱度严格控制的精炼合成渣对不变形的富Al2O3的有害夹杂物进行变性处理,同时搅拌钢水,使夹杂物上浮并去除,降低夹杂物的含量并使残余的夹杂物无害化等,从而获得超纯洁弹簧钢。检验证实氧含量低于15×10-6的低氧钢(LO)可满足200MPa高应力弹簧的使用要求。用超低氧加超低氮化钛工艺生产的ULO+ULTiN钢的疲劳极限与真空电弧重熔钢相同,钢可用于制造高强度阀门弹簧[4]。西宁特殊钢厂和江苏淮阴钢厂(超)高功率电弧炉初炼+LF精炼+合金钢大方坯或小方坯连铸生产弹簧钢,分别在60 t和80 t LF中进行了钡合金脱氧和夹杂物变性试验研究,使钢中氧含量降低到15×10-6以下,残余铝含量控制在0.020 %~0.025 %,并使氧化物夹杂中Al2O3的比例小于40 %,残余夹杂物以细小、均匀、弥散的塑性夹杂物分布[5]。青岛钢铁有限公司采用拉碳法冶炼,钢包底吹氩、喂丝,连铸采用保护浇铸、合理控制过热度、拉速及结晶器参数,二冷水用气水雾化冷却方式等工艺措施,可以生产出符合GB1222-84要求的60Si2Mn弹簧钢,有效解决生产过程中出现的质量问题,并降低了钢中的氧含量及夹杂物级别[6]。
  
  2.2表面缺陷及脱碳层的改善
  
  零件表面强度是影响疲劳强度的重要因素。表面热处理和表面冷塑性形变加工对提高疲劳强度十分有效,如表面淬火、渗碳、碳氮共渗、氮化、喷丸和滚压。提高零件表面强度可降低零件表面承受的有效拉应力和局部不均匀形变,减少疲劳裂纹形成。
  
  Yamata等[7]研究了不同表面加工和表面处理方法对弹簧钢SUP10疲劳性能的影响。表2为试验测得的表面粗糙度、表面残余应力和疲劳极限。
  
  表2  SUP10钢疲劳试样表面粗糙度、残余应力和疲劳极限
  
  试样 表面粗糙度
  
  Rrmax /μm 表面残余应力
  
  σw/MPa 疲劳极限
  
  σw/MPa 疲劳极限的增值
  
  Δσw/%
  
  HT 4.7 -5 420 0
  
  HT+BF 2.3 -324 470 11.9
  
  HT+SP 5.7 -470 620 47.6
  
  HT+RG 4.3 -156 630 50.0
  
  HT+FG 1.1 -139 675 60.7
  
  HT+RG+SP 3.8 -628 675 60.7
  
  HT+FG+SP 1.8 -623 700 67.7
  
  FG+HT 2.2 -03 490 16.7
  
  FG+HT+SP 4.1 -591 640 52.4
  
  注:①负号表示压应力;②HT表示热处理,BF表示滚磨,SP表示喷丸,RG表示粗磨,FG表示精磨。
  
  由此可知:(l)磨去热处理产生的表面脱碳层可显著提高疲劳极限;(2)不除去热处理后产生的表面脱碳层直接喷丸较除去脱碳后再喷丸提高被劳极限的幅度大,前者为30%-50%,后者仅为3%-6%。
  
  为减小表面脱碳影响,热轧弹簧圆钢表面剥光、要避免表面脱碳应当消除或降低两者间存在的碳化学位梯度。采取保护气氛加热是避免或减轻表面脱碳的有效措施。缩短加热时间减小脱碳深度,快速感应加热应当采用。由于不同合金元素对碳的活度和扩散影响不同,相同条件下不同成分的弹簧钢会表现出不同的脱碳行为。例如Si可以提高弹性极限、强度、回火稳定性和弹性减退抗力,但是对Si增加奥氏体中碳的活度和化学位梯度导致的表面严重脱碳也必须给予重视。石钢公司试制的低碳弹簧钢28MnSiB,降低了钢中碳硅的含量,有效的降低了表面脱碳倾向,检查结果表明实际碳含量为0.10%-0.16%,平均为0.12%,达到了标准所规定的碳的含量小于0.23%的要求[8]。
      
  3 弹簧钢生产新工艺
  
  为使合金弹簧钢的综合性能和使用寿命有显著的提高,仅靠提高冶炼工艺是不够的,还必须不断寻求有益合金元素,研发新的生产工艺和新的钢种来满足不断提升的要求。
  
  3.1弹簧钢的多元合金化
  
  标准合金弹簧钢使用的合金元素不够广泛,合金系列比较简单,未能充分利用多元合金化的效应。弹簧钢合金化的最新发展趋势是充分利用合金元素的复合合金化效果,扩大合金元素的使用范围,特别是使用以前未曾用过的微量合金元素,采用多元(甚至七元或更多)合金系列以提高弹簧钢的淬透性,降低脱碳倾向,提高弹簧钢的综合性能。
  
  对于脱碳敏感的钢种,在钢种加人少量铬、钒、铌、钼能够改善钢的脱碳敏感性,降低弹簧钢脱碳,加人微量硼、钒、钼、镍、铬能够提高弹簧钢的抗弹减性。
  
  印度Ved.Parkash研究表明:硅锰弹簧钢中加人铬能提高弹簧钢的淬透性、屈服强度(加人0.5%Cr提高15%),且脱碳层明显减少。南昌钢铁厂在冶炼60Si2Mn弹簧钢时,将钢中残余铬的含量提高到0.35%一0.85%,结果发现其生产的扁钢的机械性能达到55SiMnVB的水平。微量硼能够延长弹簧钢的相变孕育期,降低临界淬火速度,从而提高钢的淬透性,其最适宜含量为0.0005%一0.003%。据有关文献报告:钢中含0.0015 %一0.003%B,可代替1.0%一1.25%Ni、0.1%一0.25%Mo、0.30%一0.35%Cr、0.2%一0.7%Mn、0.1%V、1.6%Si,0.00l%B可相当于1.33%Ni+0.31% Cr +0.04 %Mo[9]。钒、铌能够细化晶粒,改善钢的质量;钼、镍能够提高钢的塑性和表面光洁度[4]。
  
  3.2弹簧钢的稀土处理
  
  由于含硫量较低的电炉钢的主要夹杂是Al2O3和铝硅酸盐,如果钢中加人稀土后,可以降低钢中夹杂物的数量,减少疲劳裂纹的形成作用,稀土还能对钢起微合金化的作用,从而提高弹簧钢的疲劳寿命。
  
  3.3新钢种开发
  
  各国对弹簧钢的钢种开发都进行了大量的研究,国外着重从提高弹簧钢的设计应力方面进行了研究,相应提出了一些应力较高的钢种。如:由于Si-Mn系合金弹簧钢具有较高的抗弹减性,德国1988年修订弹簧钢标准时增加了一个Si-Cr系合金钢54SiCr6钢;又如日本的SUP12也是Si-Cr系合金钢。美国因铬资源不足,开发了无铬弹簧钢。英国Tinsley Bridge公司采用“优择冶金”技术开发了低合金弹簧钢0.4C一Mn(Cr)一B以下称“试验钢”,与常规弹簧钢525H60生产的板簧进行了对比,试验钢的确表现出优良的表面核心疲劳裂纹扩张的能力,且弹性强度和抗拉强度比常规弹簧钢高[10]。美国专利5009843也介绍了一种抗疲劳性能和抗弹减性有优良的低碳弹簧钢:C 0.35%一0.55%、Si 1.80%一3.00%、Mn 0.50%一1.50%、Ni 0.50%一3. 00 %、Cr 0.10%一1.50%、 Al 0.01%一0.05%、N 0.010%一0.025%[4]。
  
  我国弹簧钢开发应从以下几个方面着手进行研究:①基于60Si2Mn钢,研究60Si2MnB钢、60Si2Mn撇钢和60Si2MnCr钢的最佳成分组合及应用;②国外部分先进钢号的引进;③由于低碳马氏体弹簧钢易于转炉冶炼,且成本低、脱碳倾向性小、热加工性能好等,应着力研究开发应用。近几年,我国低碳马氏体弹簧钢基于28MnSiB钢,通过提高钢中硅、碳的含量又先后开发了33MnSiB钢、33MnSiB钢和35MnSiB钢,以提高弹簧钢的强度和抗弹减性。
      
  4. 结语
  
  1)优化冶炼工艺和对Al2O3等有害夹杂物进行变性处理可以大大降低有害夹杂物的含量。可通过表面淬火、渗碳、碳氮共渗、氮化和喷丸等措施提高零件表面强度。
  
  2)避免表面脱碳应当消除或降低两者间存在的碳化学位梯度,采取保护气氛加热和缩短加热时间等措施十分有效。
  
  3)扩大合金元素的使用范围,特别是使用微量合金元素和稀土处理,充分利用合金元素的复合合金化效果,可提高合金弹簧钢的综合性能和使用寿命。
  
  4)新工艺和新钢种的开发,可以提高弹簧钢的淬透性,降低脱碳倾向,提高弹簧钢的综合性能。
  

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