八鋼60Si2MnA 彈簧扁鋼的生產實踐

馮躍平

(新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部)

隨著我國經濟從高速發展轉向高質量發展,國家大力推動工業質量變革、效率變革、動力變革,加快制造強國建設,特殊鋼作為工業的糧食,需求量將不斷增加, 而且對質量的要求也越來越苛刻。 彈簧鋼是制造各類彈簧和彈性元件的主要材料,服役環境惡劣,且需要承受大的交變載荷和應力。 因此,國內鐵路、高鐵動車、汽車等行業對彈簧鋼的綜合性能要求十分嚴格。 抗疲勞破壞是彈簧鋼性能的主要指標,而彈簧鋼本身的潔凈度、組織的均勻性以及脫碳層與其疲勞性能密切相關。 為了提高彈簧鋼的質量水平,需要研究冶煉過程夾雜物的來源,鋼坯的偏析以及軋制過程控制材料表面的脫碳層厚度,進一步提高彈簧鋼的潔凈度,從而改善其疲勞性能。 本文以60Si2MnA 彈簧扁鋼為例,研究鋼中夾雜物的來源及彈簧扁鋼表面脫碳層厚度的控制方法。

1 彈簧鋼的生產流程及成分設計

1.1 彈簧鋼的生產流程

生產彈簧扁鋼60Si2MnA 的工藝流程為150 噸轉爐采用碳、錳、V 強化的成分設計方案,為提高材質淬透性、淬硬性添加一定量的鉻。 生產工藝路徑為、轉爐冶煉、LF 精煉處理、鋼坯連鑄、型材軋制。

1.2 成分設計及各元素的作用

表1 60Si2MnA 化學成分要求 %

(1)碳是主要主要的強化元素,對淬火回火彈簧鋼的強度、硬度以及彈性起著主要作用,太高的碳含量影響鋼的韌性,因此設定碳的目標值為0.60%;

(2)鋼中的硅含量直接影響鋼材的彈性、強度以及回火穩定性,能抑制回火過程中滲碳體形核和長大。 因此硅含量目標值設定為1.75%;

(3)錳可提高鋼材的淬透性,但鋼中高的錳含量大于1.0%時,可使鑄坯的中心偏析級別顯著提高,軋后鋼材的組織均勻性降低。 因此,設計的鋼中錳含量為0.8%～0.9%;

(4)鉻可提高鋼材的淬透性和淬硬性,但對鋼材的強化效果并不顯著,鉻可阻止硅鉻鋼球化退火時的石墨化傾向,設計的鋼中鉻含量為0. 15%～0.25%;

2 生產過程各元素控制

(1)生產過程鋼水中硫含量的控制鐵水硫含量≤0.045%,碳含量約為4. 3%,磷含量為0. 08%～0.09%。 轉爐出鋼硫含量不大于0.040%,經LF 精煉還原處理,熔煉成品硫含量不大于0.006%。

(2)生產過程鋼水中磷含量的去除及控制,由于磷元素對高碳鋼的危害極大,主要表現在該鋼碳含量高,再有高的磷含量,在碳、磷的雙重影響使連鑄坯的中心偏析加重,鋼坯的中心偏析引起軋后鋼材帶狀組織加重。 因此,要求轉爐出鋼磷含量不大于0.015%,成品磷含量不大于0.018%。

(3)生產過程鋼水中增碳及控制,由于該鋼的磷含量控制要求為不大于0. 015%,考慮到轉爐出鋼合金等因素造成鋼水在LF 還原過程增磷。 因此確定轉爐出鋼磷含量較低,這樣給轉爐出鋼留碳增加了難度,轉爐出鋼碳含量0.08%～0.13%,必須在轉爐出鋼過程中大量增碳,根據吹氬站鋼包鋼水碳含量再進一步加入增碳劑調整,在增碳過程中鋼包底吹氬強攪拌,氬氣壓力不小于1.5MPa,LF 初煉時鋼水碳含量控制在0.51%～0.55%,為LF 精煉過程電極增碳留有空間。 生產過程鋼中的碳含量變化趨勢見圖1。 生產過程鋼水氮含量的控制精準,最高值為0.0055%,是連鑄開澆爐,LF 終點溫度控制在1545～1560℃LF,終點溫度的精確控制為連鑄恒拉速生產創造了有利條件。

圖1 煉鋼生產過程中碳含量控制圖

(4)鋼坯連鑄采用10 流150×150(mm)方連鑄機生產,連鑄過程采用鋼包長水口保護連鑄,鋼包采用定徑水口連鑄,有效控制了鋼水的二次氧化。為控制鋼坯皮下針孔,采用合金在高溫鋼包預烘烤的方式生產。 彈簧鋼的熔煉成品成分為:碳含量0.58%～0.61%,硅含量1.73%～1. 78%,錳含量為0.83%～0.87%,磷含量為0.009%～0.015%,硫含量為0.002%～0.006%,鉻含量為0.11%～0.15%,氮含量為0. 0041%～0. 0055%。 成分控制在窄范圍內。

3 軋制過程溫度控制

軋制厚度15 ～18mm、寬度為90 ～120mm 的彈簧扁鋼,軋制過程主要控制材料的脫碳層厚度,由于在高溫狀態下,鋼坯表面的碳原子與加熱爐的氧反應生成一氧化碳。 采取的措施是減少鋼坯在加熱爐內的時間,降低鋼坯從加熱爐內出爐溫度和開軋溫度,鋼坯在加熱爐爐內的時間100 ～120min,鋼坯均熱溫度1090～1120℃,開軋溫度1035 ～1050℃,軋后彈簧扁鋼的上床溫度860～930℃。 材料的脫碳層厚度控制在0.92%～1.3%。

4 純凈度分析

鋼水純凈度的控制,由于60Si2MnA 鋼中的硅含量高,脫氧和進化過程中需要配加大量的硅鐵,而硅鐵中含有鋁,導致鋼水中氧與鋁反應,生成大量的Al2O3夾雜,導致連鑄過程堵塞水口,造成水口結瘤。 因此,為了控制轉爐結瘤,轉爐采用高拉碳方式組織生產,控制60Si2MnA 鋼中的鋁含量是解決連鑄過程水口結瘤的最有效辦法,采用電石復合渣進行預脫氧,鋁含量不大于0.3%的低鋁硅鐵合金化,鋼中鋁含量不大于0.012%,連鑄水口結瘤難題得到解決。

鋼中的大顆粒夾雜嚴重影響材料的韌性和疲勞壽命。 60Si2MnA 鋼生產過程中,轉爐首先保證充分脫磷的前提下,轉爐實現高拉碳出鋼,要求出鋼碳含量控制在0.20%～0.35%,轉爐出鋼加入電石進行預脫氧,并使用低鋁硅鐵降低鋼中的鋁含量以及鋁的脫氧產物,減少Al2O3夾雜的生成量,出鋼結束向鋼包中加入Al2O3、活性石灰以及少量的鋁組成的鋼包頂渣改質劑,Al 含量10%～15%,對鋼包頂渣脫氧改質,經LF、RH 精煉處理后,連鑄進行保護澆鑄,連鑄過程鋁損不大于0.003%。

熱軋態彈簧鋼板的組織為珠光體+鐵素體+少量的索氏體,如圖2 所示,鋼材非金屬夾雜物取樣檢測見圖3,B 類細系不大于1 級,D 細系大于1 級。

圖2 鋼材組織

圖3 鋼材夾雜物

5 結語

通過轉爐出鋼高拉碳操作,LF 成分、終點溫度的精確控制,為連鑄的恒拉速生產創造了條件。 通過降低硫、磷等元素含量,恒拉速有效降低了鋼坯的中心偏析,偏析最大值控制在1.5 級。 在鋼坯堆放緩冷后軋制,為鋼坯熱裝軋制創造了條件,軋后彈簧扁鋼的表面、內部質量以及各項性能滿足標準及用戶使用要求,實現批量生產。