汽車安全帶卷簧用62Si2MnA 鋼帶工藝開發

馬兆紅

（南京鋼鐵股份有限公司特鋼事業部技術研發處，江蘇 南京 210000）

近年來國內外彈簧鋼的研究開發工作，大部分是針對汽車用彈簧鋼。這是由于汽車制造業是彈簧鋼用量最大的行業，約消費彈簧鋼產量的60%。2000 年以來，中國的汽車制造業發展迅猛，據統計，2018 年國內汽車產量達到2796.8 萬輛，其中乘用車產量為2309 萬輛。一輛轎車整車用鋼量約850kg～900kg，其中一個保險帶卷簧17g～58g，占用鋼總量的0.006%左右。彈簧鋼的總供求量也將達到200 多萬噸。

我國中、低檔彈簧鋼的產能與需求基本平衡，但轎車用高品質彈簧鋼、鐵道用彈簧圓鋼、油泵閥門彈簧鋼絲等產品仍不能滿足需求，主要依賴于國外進口。雖然保險帶卷簧只占相當小部分比重，但卻在一定程度上代表了卷簧制造加工產業鏈在冶煉、軋制、熱處理、機械加工方面的整體技術水平。汽車保險帶用卷簧，其質量好壞對駕乘人員安全性起著至關重要的作用[1]。因此，制備汽車保險帶卷簧的鋼材必須具有優越的組織性能、良好的抗疲勞性能和抗彈性減退。

南京鋼鐵股份有限公司通過對冶煉、連鑄、軋制等工藝參數的嚴格控制，成功開發了汽車安全帶卷簧用合金彈簧鋼，產品組織性能良好，滿足使用要求[1]。

1 技術要求

影響汽車安全帶卷簧用鋼的兩個最主要因素是抗疲勞和抗彈性減退，這兩個因素除了跟鋼種本身的成分以及熱處理工藝等有關外，還與熱軋原料的非金屬夾雜物、表面脫碳層深度及組織的均勻性有關。熱軋鋼帶化學成分及非金屬夾雜物要求見表1、表2。厚度規格≤3.2mm，要求單面總脫碳層≤0.08 mm；厚度規格＞3.2mm，單面總脫碳層小于實際厚度的2.5%。

表1 卷簧用鋼化學成分（質量分數%）

表2 卷簧用鋼非金屬夾雜物

2 生產工藝

2.1 生產工藝流程

原輔料準備→100t 偏心爐底超高功率電弧爐冶煉→LF 精煉→VD 爐真空處理→連鑄→坯料驗收→加熱→除鱗→軋制→平板運輸→成品檢驗→卷取→包裝、稱重→入庫→交付。

2.2 冶煉工藝

（1）電爐冶煉。入爐原料使用優質廢鋼，采用鐵水在線喂入，配有爐壁氧槍集束射流技術、自動測溫、取樣系統，冶煉彈簧鋼時鐵水配加量60 噸以上，得到殘余元素含量低的鋼水，冶煉過程中通過換渣操作加強脫P；出鋼終點C ≥0.10%，P ≤0.012%，出鋼溫度1600℃～1680℃；冶煉終點加300kg 脫氧護爐劑，靜置1min 脫氧，采用偏心爐底出鋼。為防止因鋼包耐材受鋼水沖刷及侵蝕造成鋼中夾雜物增鋁進一步引起夾雜物成分偏離低熔點區，采用鎂碳質專用鋼包，并在投用前采用不含鋁、鈦鋼水進行洗包。出鋼采用留鋼留渣操作，留鋼留渣量控制在5～10 噸左右，避免出鋼過程下渣。

（2）LF 精煉。出鋼過程中采用低鋁低鈦硅鐵、鉻鐵等合金，按成分下限調整成分。向鋼包中加入活性石灰700kg，螢石150kg。到LF 后向渣面少量多批次加入高純碳化硅等進行擴散脫氧，堿性爐渣精煉，控制爐渣中Al2o3含量小于6%，減少鋼中脆性夾雜物含量，精煉時間40min～70min，白渣保持時間30min～50min，以降低鋼液中的氧含量及夾雜物。

采用低鋁低鈦硅鐵、硅錳合金沉淀脫氧和碳化硅擴散脫氧相結合的方式。為穩定精煉渣組成，精煉過程根據渣況適量加入活性石灰和螢石，隨著脫氧反應進行，終渣堿度基本穩定在1.5～2.5 之間。

（3）VD 真空處理。氫元素主要通過VD 真空精煉去除，VD真空度≤1 毫巴，真空保持時間12 分鐘以上，真空處理后軟吹氬時間大于30 分鐘，使大尺寸夾雜物充分上浮，進一步降低鋼中氧含量，軟吹氬時渣面微動不見光，經過真空精煉后氫含量在1.0PPm 以下。

（4）弱攪拌處理。在鋼水進行澆注以前，一個重要的工藝操作就是對鋼水進行弱攪拌處理。鋼水在VD 處理過程中的鋼渣充分混合，破真空后鋼水中夾雜物含量高。因此，在VD 處理結束以后進行吹氬弱攪拌以保證夾雜物的最終上浮是非常必要的。弱攪拌處理是小流量的吹氬方式，氬氣攪拌的強度很低，僅使渣面微動，不裸露鋼水。有研究表明小流量吹氬時，鋼中氬氣泡呈均勻細小分散的穩定氣泡流，這種小氣泡要比大氣泡俘獲夾雜物的概率高。因此，以小流量吹氬并且適當延長處理時間（根據鋼水的降溫情況）也是去除夾雜、降低鋼水全氧含量的有效手段之一。由于長時間靜置會造成鋼液溫降過大、產生溫度梯度、鋼包侵蝕加大、鋼包周轉等問題突顯，因此，一般處理將靜攪時間控制在60min 以內。南鋼第三煉鋼廠目前靜攪時間要求為不小于20min。

鋼水中夾雜物的去除主要依賴吹氬條件下鋼包內鋼流的循環運行、氬氣泡對固相夾雜物的浮選以及爐渣對夾雜物的吸附。去除10μm～50μm 寬度的夾雜物，最理想的氣泡直徑為0.5mm～2mm。而一般用透氣磚吹氬所產生的氣泡直徑為10mm～20mm，吹氬強度過高，會使氣泡粗化，達不到有效去除夾雜物的目的。因此，靜攪氬氣流量宜調整到剛好看到渣面蠕動較為理想。如過大不能有效去除夾雜物，還會由于鋼液環流引起卷渣，過小無法確認底吹氬是否正常工作。

（5）連鑄過程。連鑄控制過熱度、采用恒拉速、弱冷工藝澆鑄，采用結晶器和末端電磁攪拌技術，增加等軸晶寬度，減輕或消除鑄坯中心偏析和縮孔；做好全保護澆注，使用高碳鋼保護渣，中間包液面≥700mm，結晶器液面波動≤±6mm，液相線溫度1 465℃，中包首爐過熱度15℃～40℃控制，其他爐次中包過熱度按15℃～30℃控制。

（6）連鑄坯質量分析。彈簧鋼62Si2MnA 冶煉4 爐的化學成分如表3 所示，由3 可知，彈簧鋼62Si2MnA 冶煉化學成分控制波動小、有害元素含量低，有利于提高軋材加工卷簧的性能穩定性。

表3 彈簧鋼62Si2MnA 冶煉化學成分/wt.%

彈簧鋼62Si2MnA 連鑄坯低倍檢測情況如表4 所示，低倍圖片見圖1-圖4。由表4 可知62Si2MnA 無縮孔、內裂紋等缺陷。

表4 連鑄坯低倍檢測結果

圖1 爐號9640 低倍照片（150×220mm）

圖2 爐號9641 低倍照片（150×220mm）

圖3 爐號9642 低倍照片（150×220mm）

圖4 爐號9643 低倍照片（150×220mm）

2.3 帶鋼熱軋工藝

（1）鋼坯加熱。加熱爐內的氣氛按弱還原性控制，煙氣殘氧量控制在3%以內；加熱爐加熱段控制在1060℃～1160℃，均熱段控制在1060℃～1120℃,保證鋼坯斷面溫差小于30℃。

（2）軋制過程。安全帶卷簧用鋼62Si2MnA 變形抗力大，粗軋階段充分考慮高溫和塑性的有利條件，實現較大壓下，減輕精軋機組的負荷；粗軋、精軋過程軋輥用切水板擋水，實行避水軋制；終軋溫度控制890 ℃～960 ℃；卷取溫度控制630℃～710℃。將開軋溫度、中軋入口溫度、終軋出口溫度和卷取溫度分別設定為1030 ℃～1110 ℃、930 ℃～1110 ℃、800℃～870℃和670℃以下，軋機的軋制速度為6m/s。

3 軋材檢測

62Si2MnA 非金屬夾雜物檢測數據見表5，從檢測結果可以看出，非金屬夾雜物D 類細系0.5 級和D 類粗系0.5 級；未發現A 類硫化物類、B 類氧化鋁類、C 類硅酸鹽類和DS 類單顆粒類夾雜物全部合格。

表5 非金屬夾雜物檢測數據

彈簧鋼62Si2MnA 成品材脫碳層深度檢測數據如表6 所示，全部合格，符合標準要求。

表6 脫碳層深度檢測

彈簧鋼62Si2MnA-R 成品材氣體含量檢測結果見表7，[H]全部控制很好，4 爐的[H]含量都小于1.0ppm。

表7 氣體含量檢測

4 結語

（1）冶煉過程采用潔凈鋼冶煉技術，有效地控制了鋼中夾雜物含量及形態分布，降低了夾雜物對產品性能的影響；（2）熱軋過程嚴格控制軋制工藝，鋼帶的組織及表面脫碳情況良好，完全滿足用戶的使用要求；（3）通過對冶煉、連鑄及軋制工藝的合理控制，實現了熱軋汽車安全帶卷簧用鋼帶62Si2MnA的批量生產。