彈簧鋼的技術(shù)發(fā)展及生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀

1、第35卷 第3期金 屬 制 品2009年6月 V o l 135 N o 13M eta l P roduc ts June 2009do:i 10. 3969/.j issn . 1003-4226. 2009. 03. 007彈簧鋼的技術(shù)發(fā)展及生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀申 勇, 申 斌, 吳 靜, 唐武峰(安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)公司, 河南 安陽(yáng) 455004摘 要 影響彈簧鋼設(shè)計(jì)應(yīng)力的兩個(gè)主要因素抗疲勞和抗彈性減退已成為國(guó)內(nèi)外彈簧鋼研究開發(fā)的主題。技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀:彈簧鋼冶煉過(guò)程中采用鋁預(yù)脫氧、鋇合金終脫氧及夾雜物變性脫氧工藝, 通過(guò)控制非金屬夾雜物形態(tài)、降低硫和磷含量來(lái)提高鋼的純凈度; 精煉過(guò)程中控制精煉時(shí)間,

2、控白渣及吹A(chǔ) r 攪拌等操作來(lái)防止鋼水二次氧化; 以連鑄代替模鑄, 采用全保護(hù)澆注, 鋼水控溫, 加雙層覆蓋劑, 穩(wěn)定拉速, 二次冷卻水制度等來(lái)提高鑄坯表面質(zhì)量; 軋制過(guò)程中使用氣氛和壓力可調(diào)的步進(jìn)式加熱爐, 先進(jìn)的高速無(wú)扭軋機(jī), 在線修整和檢測(cè)技術(shù), 嚴(yán)格控制加熱溫度和均熱時(shí)間。介紹彈簧鋼的化學(xué)成分控制及其合金化特點(diǎn)。對(duì)國(guó)內(nèi)外部分企業(yè)彈簧鋼的生產(chǎn)工藝、冶煉特點(diǎn)及生產(chǎn)中的控制環(huán)節(jié)進(jìn)行闡述。關(guān)鍵詞 彈簧鋼; 抗彈性減退; 抗疲勞; 冶煉; 連鑄; 軋制中圖分類號(hào) T F762. 5Technology develop m ent and production process situation

3、of spring steelSHEN Yong , SHEN B i n , WU J i n g , TANG W u -feng(A nyang I ron and S teel G roup Co. , A nyan g 455004, Ch i naAbstrac t A nt-i fati gue and ant-i e l asticity -letdown factors a ffecti ng spring desi gn stress have becom e sub j ect o f spr i ng stee l research and deve l op m en

4、 t a t ho m e and abroad i n recent years . T he techno l ogy deve l op m en t presen t sit uation i s :adopti ng a -l um inu m t o pre -deoxygenate , usi ng bariu m all oy to deoxygenate i n the end and i nc l usion dena t ura lization to deoxygena te process , t o decrease content o f phosphorus a

5、nd sulf ur and to i ncrease stee l pur ity by contro lli ng i nc l usi on for m i n the course o f spri ng stee l s m e lti ng ; to con tro l refi n i ng ti m e and ca rbide slag, b l ow A r t o stir i n refi n i ng to prevent mo lten stee l reox ida -ti on ; substitute conti nuous cast for m o l d

6、cast , adopt co m plete protection m ouldi ng , mo lten stee l te mperature con tro lli ng , add i ng covering agent , stabilize pu lli ng ra te , doub l e coo li ng to i m prove the surface qua lity o f casti ng slab ; i n t he course o f ro lli ng to use w alki ng bea m furnace w ith ad j ustable

7、at m osphere and pressure , advanced hi gh speed no -torsi on ro lling m il, l fi n i sh i ng and check and m easure on line , to contro l heati ng temperature and soak i ng ti m e strictl y . T he che m ica l co m po s-i ti on contro l and a ll oy i ng character i stic o f spr i ng stee l are i ntr

8、oduced . T he process , s m e lti ng character i stic and contro l li nk in produc ti on o f som e do m estic and foreign spr i ng steel enterpr i ses are expounded . K eywordsspri ng stee; l an t-i e l asticity -letdown ; ant-i fati gue ; s m elt ; conti nuous cast ; ro lling彈簧鋼是一種重要的機(jī)械設(shè)備基礎(chǔ)零件制造材料,

9、主要用于航空航天、汽車、鐵路車輛、軌道扣件、拖拉機(jī)、農(nóng)用車等諸多領(lǐng)域。彈簧鋼品種繁多, 常見的有十幾個(gè)牌號(hào)。國(guó)內(nèi)彈簧鋼的冶煉已有較長(zhǎng)的時(shí)間, 主要是S i-M n 系鋼, 其產(chǎn)量約占彈簧鋼總量的70%, 彈簧鋼其他鋼種的開發(fā), 如50C r V A, 55Si C r 等直到近幾年才有了長(zhǎng)足的發(fā)展。1 彈簧鋼的技術(shù)發(fā)展隨著汽車的輕量化和鐵路的不斷提速, 彈簧的設(shè)計(jì)應(yīng)力也在不斷提高。從節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性出發(fā), 要求進(jìn)一步減輕彈簧的質(zhì)量, 減輕彈簧質(zhì)量最有效的方法是提高彈簧的設(shè)計(jì)應(yīng)力, 但為了提高彈簧的設(shè)計(jì)應(yīng)力, 則需提高彈簧的強(qiáng)度(硬度, 也就是提高彈簧鋼的屈服極限, 因?yàn)榍O限隨著彈簧鋼硬度的增加

10、而線性增加。而影響彈簧鋼設(shè)計(jì)應(yīng)力的最主要因素是抗疲勞和抗彈性減退, 這兩個(gè)因素已成為國(guó)內(nèi)、外彈簧鋼研究開發(fā)的主題。彈簧鋼的質(zhì)量, 尤其是性能, 在很大程度上決定于冶煉過(guò)程中凝固坯的化學(xué)成分、鋼水潔凈度(氣第3期申 勇, 等:彈簧鋼的技術(shù)發(fā)展及生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀體、有害元素、夾雜物 、鑄坯質(zhì)量(成分偏析、宏觀結(jié)構(gòu)及表面狀況 和軋制等4個(gè)方面。1. 1 彈簧鋼的冶煉彈簧鋼比較難于連鑄, 由于碳含量高, 鋼中碳和雜質(zhì)元素磷、硫的宏觀偏析比較嚴(yán)重, 鑄坯的凝固收縮率高, 因而造成很大的中心縮孔。此外, 鋼中的A l 很容易與氧反應(yīng)生成A l 2O 3, 沉積在水口壁堵塞水口, 在澆鑄時(shí)堵塞水口現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

11、國(guó)內(nèi)、外鋼廠冶煉彈簧鋼通過(guò)控制非金屬夾雜物形態(tài)、降低磷和硫含量, 提高鋼的純凈度, 得到高質(zhì)量的終點(diǎn)鋼水。精煉過(guò)程中應(yīng)控制精煉時(shí)間, 采取控白渣及吹A(chǔ) r 攪拌等操作防止鋼水二次氧化。隨著彈簧的高應(yīng)力化和使用條件的苛刻, 非金屬夾雜物將成為破壞彈簧的主要原因, 因此彈簧鋼對(duì)鋼液潔凈度的要求與日俱增。二次冶煉技術(shù)發(fā)展的日臻完善, 為大批量廉價(jià)生產(chǎn)低夾雜物含量的優(yōu)質(zhì)鋼提供了可能。如鋼包吹氬、LF 、RH 等, 可以大大降低氣體和各種非金屬夾雜物含量。其中應(yīng)用比較廣泛、經(jīng)濟(jì)性較好的有LF 、RH 等。一般使用RH 脫氣技術(shù), 鋼中氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)可降低到2110-63310-6, 如進(jìn)一步采用超低氧(UL

12、O 處理, 即RH 脫氣處理, 并使用高級(jí)耐火材料、改變澆鑄技術(shù)等, 可使氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅度下降, 達(dá)到1010-61110-6。如瑞典SKF 公司要求鋼中氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1510-6, D 類夾雜物低于B 類夾雜物, 且已有相關(guān)試驗(yàn)證明采用鋁預(yù)脫氧、鋇合金終脫氧及夾雜物變性脫氧工藝可以使彈簧鋼的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到1510-6以下。氧化物夾雜中A l 2O 3的比例小于40%1, 使得彈簧鋼冶煉登上一個(gè)新臺(tái)階。彈簧鋼對(duì)鋼液潔凈度的要求見表12。表1 彈簧鋼對(duì)鋼液潔凈度的要求Tab l e 1 The requ iremen t o f s p ring stee lto st ee l liqu i

13、 d p urit yw /10-6O N H S P 156031000010000注:殘余夾雜以細(xì)小、均勻、彌散的塑性?shī)A雜為主。為實(shí)現(xiàn)彈簧鋼的連鑄, 在連鑄過(guò)程中有必要深入研究鋼水過(guò)熱度、拉坯速度和F 段電磁攪拌強(qiáng)度等工藝參數(shù)的合理配合, 以減輕或基本上消除中心偏析, 采用全保護(hù)澆注、鋼水控溫、加雙層覆蓋劑、穩(wěn)定拉速、二次冷卻水制度、中間包涂料控制等措施, 以獲得高質(zhì)量的彈簧鋼鋼坯。彈簧鋼的連鑄具有一系列優(yōu)點(diǎn), 以連鑄代替模過(guò)程中通過(guò)電磁攪拌、低溫鑄造等, 大大減少鋼的成分偏析, 提高鋼質(zhì)均勻性, 減少鋼液的二次氧化, 改善鋼的表面脫碳, 連鑄鋼的組織和性能均勻、穩(wěn)定, 明顯優(yōu)于模鑄鋼而且

14、金屬收得率高, 生產(chǎn)效率高, 此外連鑄與爐外精煉技術(shù)相配合, 可以很容易地以低的成本將氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)降到比較低的水平, 并有效地控制碳及合金元素的含量。彈簧鋼的技術(shù)發(fā)展是彈簧鋼設(shè)計(jì)應(yīng)力等性能不斷提升的過(guò)程。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在質(zhì)量上與日本、韓國(guó)同類產(chǎn)品相比還有差距, 但因價(jià)格相對(duì)較低, 已為相關(guān)企業(yè)提供制造微型汽車懸架彈簧、面包車懸架彈簧、摩托車減震彈簧等線材。國(guó)內(nèi)主要合金彈簧線材的生產(chǎn)企業(yè)為寶鋼、首鋼特鋼、大連鋼廠、上海五鋼等企業(yè), 寶鋼高線廠彈簧鋼線材有55Si C r , 50Cr V , 60Si2MnA 等, 其中55Si C r 已經(jīng)在國(guó)內(nèi)知名轎車上使用。1. 2 彈簧鋼的軋制亞共析彈簧鋼軋制分

15、為高溫軋制、常規(guī)軋制和熱機(jī)械變形軋制(即控制軋制 。彈簧鋼的軋制大都采用控制軋制, 軋制時(shí)使用氣氛和壓力可調(diào)的步進(jìn)式加熱爐, 嚴(yán)格控制加熱溫度和均熱時(shí)間, 以減少加熱對(duì)總脫碳厚度的影響; 采用先進(jìn)的高速無(wú)扭軋機(jī)進(jìn)行軋制, 盡可能設(shè)計(jì)孔型輥縫最小, 并讓自由表面最小; 采用軋輥孔型設(shè)計(jì), 軋輥研磨的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造技術(shù), 以及閉環(huán)張力控制保證軋件的尺寸公差和斷面形狀; 采用在線修整和檢測(cè)技術(shù), 以保證表面質(zhì)量, 避免出現(xiàn)表面缺陷。例如, 瑞典SKF 公司通過(guò)雜散磁通技術(shù)在線檢查鋼坯, 使用一種專門添加劑研磨技術(shù)局部修磨鋼錠表面, 在嚴(yán)格控制的加熱氣氛下加熱圓形斷面鋼坯, 優(yōu)化軋機(jī)技術(shù)及軋輥孔

16、型設(shè)計(jì), 開發(fā)出新的軋輥孔型設(shè)計(jì), 在后續(xù)道次中為卵形配合, 從而達(dá)到最佳的表面質(zhì)量。開發(fā)變截面鋼板彈簧和錐形棒材彈簧。生產(chǎn)變截面鋼板的方法有切削、鍛造和軋制等方法。從生產(chǎn)效率和成本等方面考慮, 軋制法生產(chǎn)變截面鋼板較好。變截面鋼板彈簧的應(yīng)用可使彈簧質(zhì)量減輕40%50%。使用錐形油淬火棒材可解決后懸架負(fù)荷變化率大的問(wèn)題。1. 3 彈簧鋼化學(xué)成分作用機(jī)制及其合金化特點(diǎn)彈簧鋼的主要性能要求是高強(qiáng)度、高屈服極限和高抗疲勞極限, 所以彈簧鋼材大都有較高的含碳量, 具有較好的淬透性。使用截面較大的彈簧時(shí), 為獲得更好的淬透性, 需要加入合金元素, 合金鋼中的主要合金元素是硅和錳, 為了提高彈簧鋼的耐疲勞

17、、#23#金 屬 制 品第35卷金元素的增加使得彈簧鋼的屈、強(qiáng)性能突顯, 應(yīng)用能力不斷提高。彈簧鋼化學(xué)成分作用機(jī)制見表2。表2 彈簧鋼化學(xué)成分作用機(jī)制Tab l e 2 Function m echan is m o f sp ring st ee l chem i c a l composition元素作用C 彈簧鋼主要強(qiáng)化元素, 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)絕大部分在0. 45%0. 65%3S i 彈簧鋼主要合金元素, 對(duì)彈減抗力影響最大的合金元素, 一般鋼材中質(zhì)量分?jǐn)?shù)1. 8%2. 2%M n 提高淬透性最有效的合金元素, 它溶入鐵素體中有固溶強(qiáng)化作用Cr 顯著提高鋼的淬透性, 阻止S i-C r 鋼球

18、化退火時(shí)的石墨化傾向, 減少脫碳M o 提高鋼的淬透性, 防止回火脆性, 改善疲勞性能, 質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在0. 4%以下V 強(qiáng)碳化物形成元素, 固態(tài)下析出的細(xì)小彌散M C 型碳化物具有很強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化效果B 強(qiáng)烈提高淬透性的元素, 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0. 001%0. 003%的硼分別相當(dāng)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)0. 6%的M n 、0. 7%的C r 、0. 15%的M o 、1. 5%的N iN i彈簧鋼中應(yīng)用較少。除保證鋼在超高強(qiáng)度下的韌性和提高鋼的淬透性外, 另一個(gè)重要作用是抑制腐蝕環(huán)境下蝕坑的萌生和擴(kuò)展42 國(guó)內(nèi)、外相關(guān)企業(yè)生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀2. 1 日本神戶鋼鐵公司日本神戶鋼鐵公司采用閥門用彈簧鋼絲的表面改質(zhì)技術(shù),

19、 氮化處理和表面噴丸清理技術(shù), 提高了閥門彈簧的疲勞強(qiáng)度, 其生產(chǎn)工藝流程如下:方坯y 熱軋y 去毛刺y 鉛浴淬火y 拉拔y 油淬火y 回火y 渦流探傷y 冷卷y 應(yīng)力消除y 卷端研磨y 氮化處理y 快速噴丸處理y 應(yīng)力時(shí)效y 入庫(kù)。國(guó)內(nèi)外知名高檔品牌汽車使用的懸架簧和閥門彈簧大多由日本神戶鋼鐵公司的盤條或者棒材圓鋼生產(chǎn)。2. 2 寶鋼寶鋼彈簧鋼線材生產(chǎn)工藝流程:¹高爐煉鐵y 鐵水預(yù)處理y 轉(zhuǎn)爐煉鋼y 二次精煉(RH 真空脫氣裝置、KIP 噴粉裝置、CAS-OB 裝置、LF 爐 y 模鑄(鋼錠質(zhì)量9. 2t y 開坯y 坯料精整y 線材軋制(高速線材廠全線采用無(wú)扭軋制, 最高軋制速度

20、可達(dá)110m /sy 成品檢驗(yàn)y 線材出廠; º廢鋼+鐵水y 150t 電爐y 精煉y 連鑄160mm 160mm 方坯y 鋼坯表面全剝皮處理y 加熱爐鋼坯加熱y 高速線材軋機(jī)軋制y 斯太爾摩控冷線冷卻y 成品檢驗(yàn)y 線材出廠。工藝流程特點(diǎn):強(qiáng)化精煉操作, 采用結(jié)晶器電磁攪拌, 改進(jìn)脫氧工藝, 合理控制連鑄坯拉速和中間包鋼水過(guò)熱度、控制軋制。寶鋼生產(chǎn)的彈簧鋼線材具有鋼質(zhì)純凈、偏析量小、脫碳層淺, 表面質(zhì)量?jī)?yōu)良的特點(diǎn), 主要用于制造懸架簧、氣門簧, 鋼種有60S i2M nA, 55Si C r , 50C r V, 60Si2Cr 等5。2. 3 江蘇淮鋼集團(tuán)有限公司t 爐y 精煉爐

21、(LF 、RH y 連鑄y 鋼坯加熱y 棒型材連軋生產(chǎn)線。該工藝流程特點(diǎn):采用結(jié)晶器電磁攪拌, 強(qiáng)化二次精煉操作, 改進(jìn)脫氧工藝和調(diào)整連鑄坯拉速, 在保證鋼液純凈度的前提下不斷降低中間包鋼水過(guò)熱度, 連鑄坯質(zhì)量得到大幅度提高6。目前生產(chǎn)的彈簧鋼種有彈簧圓鋼和彈簧扁鋼, 鋼號(hào)為65M n, 60S i 2M n(A , 60S i 2C r A , 60Si2Cr VA 和55SM i nVB 。2. 4 山東青島鋼鐵有限公司(簡(jiǎn)稱青鋼青鋼彈簧鋼線材生產(chǎn)工藝流程:轉(zhuǎn)爐y 鋼包底吹氬、喂絲y 方坯連鑄y 鋼坯加熱y 型材軋機(jī)。該工藝流程特點(diǎn):采用拉碳法冶煉, 鋼包底吹氬、喂絲, 連鑄采用保護(hù)澆鑄、

22、合理控制過(guò)熱度、拉速及結(jié)晶器參數(shù), 二冷水用汽水霧化冷卻方式等工藝措施, 可以有效解決生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題, 并降低鋼中的氧含量及夾雜物級(jí)別7。青鋼至今共生產(chǎn)6個(gè)系列20種規(guī)格的扁鋼2. 5萬(wàn), t 鋼材的各項(xiàng)性能均達(dá)到國(guó)標(biāo)規(guī)定要求。2. 5 江蘇南京鋼鐵聯(lián)合有限公司該公司彈簧鋼線材生產(chǎn)工藝流程:100tUH P 電爐y LF y VD 真空爐y 五機(jī)五流連鑄y 冷卻y 加熱爐y 軋制y 冷卻y 定尺剪y 打包y 入庫(kù)。該工藝流程特點(diǎn):在冶煉過(guò)程中采用電爐大配碳量、低鋁潔凈鋼工藝、高堿度渣、真空脫氣及保護(hù)澆鑄等技術(shù), 可降低鋼中氣體含量。用鈣合金進(jìn)行夾雜物變性處理, 消除不變形夾雜物A l

23、 2O 3的危害, 非金屬夾雜物控制在0. 5級(jí)左右。采用低過(guò)熱度、弱冷及低拉速澆鑄工藝, 優(yōu)化中包和結(jié)晶器保護(hù)渣, #24#第3期申 勇, 等:彈簧鋼的技術(shù)發(fā)展及生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀好的鑄坯質(zhì)量。在軋制過(guò)程中嚴(yán)格控制加熱溫度和均熱時(shí)間, 緩慢加熱, 控制均熱溫度與均熱時(shí)間, 防止脫碳, 確保鋼材表面質(zhì)量和力學(xué)性能, 確保成品性能合格。在線做頂鍛試驗(yàn), 防止表面缺陷2。目前生產(chǎn)鋼種主要有60S i 2M nA 棒材, 以及50C r V A, 60S i 2Cr VA, 60S i 2C r , 55SM i nVB(鑄坯外銷 等其他品種。3 結(jié)語(yǔ)國(guó)內(nèi)彈簧鋼的生產(chǎn)發(fā)展日新月異, 純凈鋼冶煉、合金化和微

24、合金化、控軋控冷等技術(shù)為彈簧鋼的進(jìn)一步發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支持, 但與日本相比, 在大方坯技術(shù)、夾雜物無(wú)害化處理、材料的均勻性等方面仍有一定的差距, 國(guó)內(nèi)的彈簧鋼產(chǎn)品對(duì)彈簧疲勞壽命影響較大的表面缺陷、脫碳這兩項(xiàng)指標(biāo)難以達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平, 需要國(guó)內(nèi)鋼鐵廠不斷加強(qiáng)研究。同時(shí)彈簧鋼的發(fā)展趨勢(shì)不僅向高性能化方向發(fā)展, 而且向經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展, 只有在提高鋼的力學(xué)性能和應(yīng)用性能的同時(shí)兼顧到其經(jīng)濟(jì)性, 才能被廣大用戶所接受。參考文獻(xiàn)1 王忠英, 于桂玲. 60S i 2M n(A 彈簧鋼的脫氧工藝J.鋼鐵研究學(xué)報(bào), 2003, 15(2:1-3.2 劉麗華, 肖同友, 霍松波, 等. 用UH P -LF

25、/VD-CC 工藝流程生產(chǎn)彈簧鋼的質(zhì)量控制J.煉鋼, 2003, 19(6:10-12.3 江陰興澄特種鋼鐵有限公司. G B /T1222 2007彈簧鋼S.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2007.4 徐德祥, 尹鐘大. 高強(qiáng)度彈簧鋼的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)J.鋼鐵, 2004, 39(1:69-70.5 陸志新, 唐勁松. 寶鋼線材的實(shí)物質(zhì)量與改進(jìn)方向J.金屬制品, 2003, 29(4:36-39.6 楊武, 薛正良, 李正邦, 等. 淮鋼彈簧鋼連鑄小方坯質(zhì)量的提高J.鋼鐵, 2002, 37(4:21-23.7 黃肇信, 嚴(yán)進(jìn)寶, 譚瑞林, 等. 轉(zhuǎn)爐冶煉60S i 2M n 彈簧鋼的實(shí)踐J.煉鋼, 2003, 19(2:17-20.(收稿日期:2008-12-02作者簡(jiǎn)介申 勇 1975年生, 安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)公司技術(shù)中心技術(shù)管理科工程師。申 斌 1978年生, 安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)公司第二煉軋廠技術(shù)科工程師。吳 靜 1985年生, 安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)公司技術(shù)中心技術(shù)管理科助理工程師。唐武峰 1977年生,