彈簧鋼55SiCr 的夾雜物研究

白月香，張勇明

（江西交通職業技術學院，江西330013）

0 引言

由于服役環境的特殊限制，彈簧鋼要求具有較高的抗疲勞性能，以適應連續長周期的交互式變力載荷。高疲勞性對材料的組織具有相當嚴苛的要求，除了傳統的金相組織類型外，夾雜物也是彈簧鋼的關鍵特殊特性之一[1]。有研究表明[2]：彈簧鋼的夾雜物形貌、尺寸、抗變形能力及分布狀態都對材料的疲勞性能具有重要的影響，彈簧鋼組織中的夾雜物在循環應力的作用下會與鋼基體發生脫落，形成微裂紋，隨著應力的繼續循環，彈簧鋼發生疲勞斷裂的風險顯著加大[3]。

目前國內外各大鋼廠已形成共識，需要對彈簧鋼的夾雜物進行嚴格控制[4]，當今主流的冶煉控制手段有兩種：潔凈鋼工藝和塑性化工藝。潔凈化工藝是通過高堿度精煉渣加鋁脫氧工藝使鋼水達到潔凈化的效果；塑性化工藝是通過低堿度精煉渣加硅脫氧工藝使得其中的夾雜物達到塑性化的效果。潔凈化可以減少夾雜物的整體數量和尺寸，但其中的夾雜物抗變形能力較強，更易形成微裂紋；而塑性化剛好相反，無法控制夾雜物的總數量和尺寸。

彈簧鋼的主要成材工藝分為兩類：“一火成材”和“二火成材”。其區別在于“一火成材”工藝中,鋼液經LF 精煉、RH 真空處理后上機直接澆鑄成可以軋制的小方坯，而“二火成材”則連鑄成大方坯，需經再次加熱開坯后形成可以軋制的小方坯。

本文通過在實際大生產中進行取樣，利用電子探針和氧氮分析儀研究了不同的成材工藝及冶煉工藝對鋼中夾雜物的影響規律，并結合盤條組織中的夾雜物研究了小方坯的夾雜物對成品盤條的遺傳性規律。

1 試驗材料及方法

對大生產過程中的“一火成材”和“二火成材”工藝生產55SiCr 小方坯進行取樣，55SiCr 的基本成分見表1。每個成材工藝均采用“潔凈化”與“塑性化”兩種冶煉工藝，具體實驗參數見表2。

為了比較不同的成材工藝及冶煉工藝對夾雜物控制的影響規律，采用電子探針對小方坯試樣進行夾雜物形貌、成分、尺寸分析，采用氧氮分析儀對過程樣中全氧含量進行定量分析。為了研究小方坯的夾雜物對成品盤條的遺傳性規律，本文選擇了對不同精煉渣堿度的成品盤條組織中的夾雜物進行研究。

表1 試驗材料化學成分 /%

表2 具體試驗工藝

2 試驗結果分析及討論

2.1 一火鋼坯55SiCr 的夾雜物分析

取“一火成材”工藝生產的小方坯試樣進行分析，其中包括“潔凈化”與“塑性化”兩種冶金路線的試樣，分別標記為1#和2#。利用電子探針對鋼中夾雜物進行形貌、成分、尺寸分析，結果顯示所有的夾雜物均為硅鋁酸鈣系，成分以 Al2O3、CaO、MgO、SiO2為主，少量夾雜物中含有一定量的MnO。

鋼中測定的單顆粒夾雜物成分與尺寸見表3、表4，典型夾雜物圖片及成分在三元相圖中的位置如圖1、圖2 所示。

表3 1#試樣中夾雜物成分與尺寸

圖1 1#試樣中典型夾雜物形貌與成分

表4 2#試樣夾雜物成分與尺

圖2 2#試樣中典型夾雜物形貌與成分

通過對表 3、表 4 和圖 1、圖 2 統計分析，可以得到如下結果：

（1）兩種工藝下的“一火材”中夾雜物均呈球狀，兩種冶煉工藝對夾雜物的成分有不同的影響，其中塑性化工藝（2#）主要夾雜物中Al2O3含量偏低，SiO2含量偏高；潔凈鋼工藝（1#）主要夾雜物中Al2O3含量偏高，SiO2含量偏低，兩種工藝夾雜物中CaO+MgO 的含量基本相同。

（2）兩種冶煉工藝對其夾雜物尺寸具有顯著影響，對1#和2#試樣的夾雜物尺寸進行橫向對比，塑性化工藝下夾雜物尺寸明顯偏大，2#試樣中測定的最大夾雜物尺寸達到22 μm，該類大顆粒夾雜物的產生對彈簧鋼疲勞性能是十分不利的。

（3）潔凈鋼工藝下夾雜物成分更加穩定，在三元系統相圖中成分點位置更加集中，見圖1。相比之下，塑性化工藝夾雜物成分點顯得分散，見圖2。

2.2 二火鋼坯55SiCr 的夾雜物分析

對“二火成材”的不同冶金路線的試樣進行分析，其中3#為“潔凈化”、4#為“塑性化”冶金路線。采用相同的試驗方法對試樣中的單顆粒夾雜物形貌、成分與尺寸進行統計觀察，結果見表5、表6，典型夾雜物圖片及成分在三元相圖中的位置如圖3、圖4。

通過對表 5、表 6 和圖 3、圖 4 統計分析，可以得到如下結果：

表5 3#試樣夾雜物成分與尺寸

圖3 3#試樣中典型夾雜物形貌與成分

表6 4#試樣夾雜物成分與尺寸

（1）“二火成材”彈簧鋼中夾雜物成分及尺寸分布情況與“一火成材”基本相同。各試樣的夾雜物成分主要為硅鋁酸鈣系，以 Al2O3、CaO、MgO、SiO2為主，少量夾雜物中含有一定量的MnO、K2O、Cr2O3。4#塑性化工藝試樣中夾雜物的Al2O3含量平均值為16.83%，低于潔凈鋼工藝的19.42%。

（2）通過統計發現，塑性化工藝（4#）夾雜物尺寸仍大于潔凈鋼工藝（3#），4#試樣的夾雜物尺寸平均值為3.47，大于3#試樣的3.09。塑性化工藝中出現了最大尺寸為11.2 μm 的大顆粒夾雜物，會對彈簧鋼質量產生不利影響。從整體趨勢來看，3#試樣（潔凈鋼工藝）的夾雜物的尺寸控制更加穩定集中。

（3）通過對比不同成材工藝對夾雜物的影響，“二火成材”能夠顯著降低方坯中夾雜物的尺寸，而且能夠提高夾雜物的集中性。

2.3 55SiCr 盤條夾雜物分析

對一段時間內大生產過程中生產的Φ12 mm55SiCr 進行統計，分析盤條組織中的夾雜物分布情況，結果見圖5。

圖5A 中試樣的夾雜物成分點比較分散，但大部分夾雜物集中在不可變形區域內，這對彈簧鋼疲勞性能十分不利。當精煉渣堿度控制在1.0～1.1 時，盤條的夾雜物均在塑性區；而精煉渣堿度控制在1.1～1.3 時，夾雜物均在塑性區，其區別為塑性化工藝生產的鋼中夾雜物在塑性區上部，潔凈化工藝生產的鋼中夾雜物在塑性區下部，如圖5B 和5C。

當精煉渣堿度控制在1.3～1.6 時，夾雜物生成區域會逐漸向塑性區右邊移動，可能會有莫來石（3Al2O3·2SiO2）生成，表明盤條中的鋁含量較高。當精煉渣堿度在1.6～1.8 時，夾雜物生成區域會逐漸向塑性區下方移動，此時盤條中鋁和鈣含量均較高，可能會生成鈣鋁黃長石（2CaO·Al2O3·SiO2），如圖5D。通過綜合圖5 可知，精煉渣堿度對彈簧鋼中的夾雜物影響較大。

3 結論

圖5 55SiCr 盤條夾雜物統計

為了對比不同的冶煉工藝及成材工藝對55SiCr方坯和盤條夾雜物的影響，分別對“潔凈化”與“塑性化”兩種精煉工藝生產的55SiCr，按照“一火成材”和“二火成材”的形式進行分組取樣。通過電子探針對小方坯試樣進行夾雜物形貌、成分、尺寸分析，并采用氧氮分析儀對過程樣中全氧含量進行定量分析，同時對不同精煉渣堿度生產的盤條組織中的夾雜物組分和形態進行研究。研究結果表明：

（1）55SiCr 試樣中的夾雜物成分主要為硅鋁酸鈣系，以 Al2O3、CaO、MgO、SiO2為主，少量夾雜物中含有一定量的MnO、K2O、Cr2O3，其成分不受成材工藝的影響。

（2）“一火材”55SiCr 中的夾雜物均呈球狀；塑性化工藝的主要夾雜物中SiO2含量偏高，夾雜物尺寸明顯偏大；而潔凈鋼工藝中夾雜物Al2O3含量偏高，但夾雜物尺寸相對偏小。

（3）“二火成材”工藝能夠顯著降低方坯中夾雜物的尺寸，而且能夠提高夾雜物的集中性。

（4）精煉渣堿度對彈簧鋼盤條中的夾雜物組分和形態影響較大。

（5）“潔凈鋼”＋“二火成材”工藝是比較可行的彈簧鋼55SiCr 生產路線。