高強度與高韌性彈簧扁鋼的產品開發

王建新，張春輝

（新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部，新疆烏魯木齊 830022）

引言

彈簧是機動車的重要零件之一，用來承受車輛上部的重量或起緩沖作用。彈簧扁鋼使用環境惡劣，在使用過程中，其質量的好壞，直接關系到機動車的性能和行車安全。所以對彈簧扁鋼的強度、疲勞極限及沖擊韌性要求較高。

目前采用較多的生產工藝是：轉爐冶煉—LF 精煉—連鑄—連軋生產工藝，彈簧扁鋼的產量也在逐步得到提高，生產彈簧扁鋼的鋼種主要有60Si2Mn、50CrVA、SUP9、SUP9A、51CrV4、52CrMnA等。隨著機械工業的不斷發展，彈簧鋼被廣泛用于飛機、鐵道車輛、汽車、拖拉機等運輸工具和工程機械等各種設備。因此，這對彈簧鋼的綜合性能提出了更高的要求。例如，需要研究和生產出既能滿足高強度又要保證高韌性的彈簧扁鋼，見表1。

表1 機械性能要求

在國標GB/T 1222-2016 彈簧鋼所列出的鋼種牌號中，只有牌號為40SiMnVBE 的彈簧鋼能滿足以上全部要求，并已經獲得專利授權。除此之外，抗拉強度、屈服強度能達到表1 要求的牌號有60Si2Mn、60Si2Cr、56Si2MnCr、55SiCrV、60Si2CrV、60Si2Mn-CrV，但其斷后伸縮率或斷面伸縮率不能滿足要求；而斷后伸縮率（%）滿足要求的牌號，其抗拉強度、屈服強度卻達不到要求。因此，要滿足表1 的需求，須開發一個新的彈簧鋼牌號。

1 高強度與高韌性彈簧扁鋼化學元素分析與成分設計

1.1 鋼的化學元素分析

成分設計是產品開發的前提和基礎，在查閱相關資料后［1］，對鋼中主要化學元素的作用進行了分析。合金彈簧鋼的化學成分有以下特點：（1）為保證高的彈性極限和疲勞極限，彈簧鋼的含碳量應比調質鋼高。碳是主要的強化元素，碳溶解在鋼中形成間隙固溶體，起固溶強化的作用。在與強碳化物形成元素作用析出碳化物時，起沉淀強化作用，一般含量為0.45%～0.70%。含碳量過高，彈簧鋼的塑性、韌性降低，易發生脆斷，疲勞抗力也會有所下降；（2）加入以Si、Mn 為提高淬透性的主元素，同時也提高屈強比，強化鐵素體基體和提高回火穩定性；（3）加入Cr、W、V 為輔加合金元素，克服Si、Mn 鋼的不足（過熱、石墨化傾向）。此外，彈簧鋼的凈化對疲勞強度有很大的影響，所以彈簧鋼均為優質鋼或高級優質鋼；（4）釩、鈮、鈦強烈阻礙奧氏體晶粒長大，起細化晶粒的作用。一方面它們能夠細化晶粒，提高鋼的屈服強度。另一方面它們能夠在固溶基體金屬中提高抗拉強度。但由于鈦比較活躍，易于氧化，暫不考慮鈦元素；（5）磷、硫等有害元素，含量越低越好；殘余元素銅、鎳在鋼中的含量均不得大于0.20%。

綜合以上分析，可以通過選擇添加常見的合金元素在鋼中來提高彈簧扁鋼的強度和韌性。

1.2 彈簧扁鋼的化學成分設計

高強度、高韌性彈簧扁鋼的技術方案為：選擇合適的碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）、鉻（Cr）、鉬（Mo）、釩（V）、鈮（Nb）等元素的含量，同時降低硫（S）、磷（P）等有害元素的含量。通過轉爐冶煉—LF 精煉—連鑄—連軋生產工藝來生產高強度、高韌性彈簧扁鋼。彈簧扁鋼的化學成分設計見表2。

表2 彈簧扁鋼的化學成分要求

2 生產試驗要求

八鋼煉鋼廠優鋼生產設備有一座150 t 轉爐，一座KR 脫硫站，一座在線吹氬喂絲站，一座150 tLF 精煉爐，一臺R10 弧10 機10 流合金鋼小方坯連鑄機，生產150 mm2方坯。采用工藝路線：鐵水預處理—150 t 轉爐—150 tLF 精煉—方坯連鑄（結晶器電磁攪拌+末端電磁攪拌）—軋鋼軋制。

2.1 轉爐冶煉

（1）終點控制目標：［C］≥0.10 %，［P］≤0.010 %，［S］≤0.020%；（2）擋渣出鋼，嚴格控制下渣量，渣層厚度≤100 mm；（3）爐后脫氧劑選擇電石、鋁鐵、硅鈣鋇，根據現場實際可進行微調；（4）合金選擇：硅錳合金、硅鐵、鋁鐵、釩鐵、鉻鐵、鉬鐵、鈮鐵等進行合金化。

2.2 LF精煉

LF 精煉時間不小于40 min，白渣精煉時間不小于15 min，調整軟吹氬氣流量以鋼液面微小波動為準，必須保證軟吹時間≥10 min，鎮靜5 min以上。

2.3 連鑄澆注

（1）連鑄應做好全程保護澆注。大包長水口及中包浸入式水口均采用密封墊+氬封保護，嚴禁敞開澆注；（2）新鋼包、小修鋼包不得用于連澆的第一爐；（3）采用兩段電磁攪拌，結晶器電磁攪拌+末端電磁攪拌；（4）中包過熱度控制目標：第一爐≤80 ℃、連澆爐次10～35 ℃；（5）連鑄的最高拉速：不大于2.4 m/min；（6）每爐的澆注中期，取兩塊連鑄坯低倍樣，檢驗連鑄坯的低倍組織。

2.4 小型軋制

（1）扁鋼截面尺寸的允許偏差應符合表3 的規定。

表3 扁鋼截面尺寸的允許偏差材

（2）扁鋼每米長度的彎曲應符合表4 的規定。

表4 扁鋼每米長度的彎曲

3 產品結果分析

按照本技術方案生產的規格為28×90、31×90彈簧扁鋼的力學性能檢測結果見表5。抗拉強度、屈服強度、伸長率、斷面收縮率等力學性能全部滿足要求。彈簧扁鋼表面無裂紋、折疊、結疤、夾雜等缺陷。

表5 彈簧扁鋼的力學性能

3.1 化學成分

生產4 批鋼，批號分別是18C01599、18C03459、18C03460、18C03461，化學成分全部達到設計范圍內，而且波動范圍窄，控制效果較好。

3.2 力學性能

力學性能檢測結果見表5。

尺寸及表面質量、低倍、夾雜物、奧氏體晶粒度和脫碳層等檢測指標全部達到GB/T 1222-2016 彈簧鋼國家標準。

彈簧扁鋼低倍組織一般疏松0～0.5 級、中心疏松0.5～1.0 級、無偏析，全部符合GB/T 1222-2016 彈簧鋼國家標準的要求。

彈簧扁鋼非金屬夾雜物：為細類非金屬夾雜物，A 類夾雜物1～1.5 級、C 類夾雜物0.5～1.0 級、D 類夾雜物0.5～1.0級，全部符合要求。

彈簧扁鋼奧氏體晶粒度為7.5～8 級、表面硬度292～304 HBW、脫碳層深度0.84～1.1，全部符合要求。

3.3 疲勞試驗

疲勞壽命是彈簧扁鋼承受交變工作應力能力的重要參數。GB/T1222國標沒有對彈簧扁鋼提出具體疲勞壽命的要求,但國內用戶最低要求疲勞壽命不小于8 萬次；個別廠先期提出了疲勞壽命10 萬次以上的目標。對此次新開發的彈簧扁鋼進行疲勞壽命試驗,規格31×90 的彈簧扁鋼采用應力拋丸處理，疲勞在13～15萬次。

4 結論

（1）工藝過程控制：煉鋼、連鑄、軋制過程中的各項工藝參數都能夠按照要求嚴格執行，為產品質量穩定提供了重要保證；（2）化學成分設計：通過對彈扁化學元素作用的分析，設計的煉鋼內控化學成分合理，產品的各項性能穩定；（3）表面質量檢測：彈扁的表面質量良好，彈扁低倍、夾雜物、奧氏體晶粒度和脫碳層等檢測指標全部達到GB/T 1222-2016 彈簧鋼國家標準，內在質量符合國標要求；（4）機械性能測試：抗拉強度、屈服強度、延伸率、斷面收縮率等機械性能指標符合國家標準要求；（5）疲勞壽命試驗：疲勞試驗結果表明，新開發的彈簧扁鋼的疲勞壽命13～15 萬次，完全能夠滿足用戶需求。從以上所有檢測結果可以看出，通過鐵水預處理—150 t 轉爐—150 tLF精煉—方坯連鑄開發的彈簧扁鋼能夠滿足高強度、高韌性的性能要求。