鈮鉬錳對彈簧扁鋼表面脫碳影響的研究

楊敏超

（河鋼集團石鋼公司技術中心， 河北 石家莊 050031）

彈簧鋼表面脫碳會顯著降低彈簧的疲勞壽命。這是因為彈簧鋼在淬火后，表面脫碳層的屈服強度和硬度達不到使用要求，在交變應力作用下易產生表面裂紋。因此，在生產過程中要盡量減少彈簧鋼的表面脫碳。

彈簧鋼在軋制加熱、軋后冷卻及熱處理過程中都會發生表面脫碳現象，尤其是Si 含量較高的彈簧鋼脫碳傾向更加嚴重。彈簧鋼的脫碳由多種因素造成，關于加熱速度、加熱溫度、加熱爐氣氛、冷卻速度以及合金成分Si 和Cr 對彈簧鋼表面脫碳的影響已有較多的研究和報道，當加熱溫度、加熱爐氣氛、冷卻速度、化學成分相同時脫碳比例隨加熱時間延長呈正比增加。而鋼中合金元素Nb、Mo、Mn 對彈簧鋼表面脫碳的影響研究較少。本文主要研究了Nb、Mo、Mn 對彈簧鋼表面脫碳的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗選取的是河鋼集團石鋼公司（以下簡稱我公司）生產的三個牌號彈簧扁鋼分別是1 號鋼LPD55-2、2 號鋼 LPD51-2、3 號鋼 51CrV4，成分如表 1 所示。

表1 試驗鋼的化學成分 %

通過由表1 成分對比發現LPD51-2 與LPD55-2 相比添加了少量的Nb 和Mo, 其他成分差別不大。LPD55-2 與 51CrV4 相比 Mn 含量低 0.24%，其他成分差別不大。

1.2 試驗方法

對生產的三個牌號254 爐彈簧鋼進行統計分析，其中 1 號鋼 93 爐、2 號鋼 96 爐、3 號鋼 65 爐。三個牌號彈簧鋼的生產工藝參數如表2 所示（三個牌號的彈簧鋼加熱軋制工藝相同），工藝流程為推鋼式加熱爐→1 架530 軋機→3 架400 軋機→6架連軋機→精整→下線堆冷，按GB/T 224—2008 取樣、制樣、檢測。

表2 試驗鋼的軋制加熱工藝

由于生產設備比較老舊故障率比較高，經常需要停車修整。使用推鋼式加熱爐，一旦鋼坯進入加熱爐后無法再進行退坯操作。所以一旦遇到設備故障便無法保證加熱時間在工藝范圍內，但從整體統計數據看三個鋼種的整體超時比例和超時時間可近似看做相等，開軋溫度可以穩定控制在1 030～1 050 ℃。

2 結果與討論

2.1 試驗結果

三個鋼的脫碳檢測標準一致：0.008×厚度+0.10 mm。LPD51-2 脫碳超標10 爐占比10.75%，LPD55-2 超標 29 爐占比 30.2%，51CrV4 脫碳超標29.23%。按不同加熱時間段對三個鋼的脫碳超標比例進行統計如圖1 所示。

圖1 試驗鋼的脫碳超標比例與加熱時間關系

LPD51-2 與LPD55-2 相比脫碳超標比例低19.45%，LPD55-2 與51CrV4 相比差別不大。且三個鋼的脫碳超標比例與加熱時間的關系具有明顯差異。LPD55-2、51CrV4 隨加熱時間延長脫碳超標比例呈正比提高，而LPD51-2 隨加熱時間延長脫碳超標比例沒有呈比提高。

LPD51-2 與51CrV4 脫碳超標比例差別很小，說明0.24%的Mn 對脫碳敏感性影響很小。LPD51-2與LPD55-2 脫碳超標的巨大差異說明添加少量的Mo 和Nb 顯著降低了LPD51-2 的脫碳敏感性，最終導致了LPD51-2 比 LPD55-2 脫碳超標比例低19.45%。

2.2 結果討論

彈簧鋼表面脫碳包括碳原子從鋼內部向表面擴散和碳原子與爐氣中的氧發生氧化脫去兩個過程。碳在鋼中的擴散過程可用Fick 第二定律來描述：

式中：C 為碳的質量分數；t 為時間；x 為擴散長度；D為擴散系數。

式中：D0為碳在奧氏體中的擴散系數，m2/s；T 為絕對溫度；R 為氣體常數8.314 J/（K·mol）；Q 為擴散激活能。

鋼的脫碳可以看作是碳在內部濃度恒定的半無限大體中的擴散，則式（1）的誤差函數解為：

式中：C 為給定時間，給定距離的擴散物質濃度；C0為擴散物質初始濃度；Cs為鋼表面與爐氣平衡時的碳濃度；t 為時間；D 為擴散系數。

根據文獻［1］取 D0=2.0×10-5m2/s，Q=1.4×105 J/mol，計算得出試驗鋼在淬火溫度860 ℃下碳的擴散系數 D 為 1.67×10-12m2/s。由（3）式可知，當 D 和 t 恒定時碳含量越高脫碳層深度越大。本次試驗所涉及的三個鋼種碳含量相差0.01%帶入（3）式結果可忽略不計。由（2）式可知當鋼化學成分相同，加熱溫度一定時，D 為一常數。根據（3）式可知加熱時間越長脫碳層深度越大，脫碳超標比例越高。這與LPD55-2和51CrV4 的脫碳規律一致。理論上LPD51-2 加熱時間與脫碳超標比例是一條較LPD55-2 與51CrV4平緩的上升曲線，出現圖1 的曲線可能與各爐次Nb和Mo 的含量不同有關。

非碳化物形成元素會增加碳在奧氏體中的活度，例如Si、Ni 等元素。碳化物形成能力強的合金元素會降低奧氏體中碳的活度，例如Cr、V、Nb、Mo,從而降低鋼的脫碳傾向。由Fick 第一定律知，單位時間的擴散通量取決于擴散系數和濃度梯度。碳化物形成能力強的合金元素能降低鋼中固溶碳的濃度，使碳的濃度梯度減小，從而減小脫碳層深度。兩個試驗鋼的Cr、V 含量相同，加入的Nb、Mo 顯著降低了LPD51-2 中碳的活度，使LPD51-2 脫碳超標比例顯著降低，最終表現出圖1 所示的隨加熱時間延長脫碳超標比例沒有成比例提高。

影響擴散系數的因素有外部因素和內部因素。內部因素是對擴散激活能Q 和頻率因子D0的影響對擴散系數（公式2）起作用。另外加入能在鋼中形成合金碳化物的元素，形成的合金碳化物可釘扎在晶界處，使碳的遷移困難，增加碳的擴散激活能Q，從而使擴散系數減小。晶界處的碳化物同時削弱了晶界作為擴散通道的作用，降低了晶界處原子的活動能力，有利于降低脫碳層深度[2]。所以添加了Nb和Mo 元素的LPD51-2 整體脫碳超標比例小，對加熱時間敏感性低。

3 結論

1）我公司生產的彈簧扁鋼脫碳超標的直接原因是加熱時間超長，如果按工藝加熱時間進行生產可基本避免脫碳超標情況發生。

2）鋼中添加少量的Nb、Mo 可改善彈簧鋼的脫碳敏感性。

3）少量的Mn 對脫碳敏感性影響很小。