CN104056871A - 一种用于控制夹杂物的弹簧钢线材生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制夹杂物的弹簧钢线材生产工艺，主要通过采用Si/Mn脱氧冶炼工艺，尽量控制钢中的Al、Ca含量，增加夹杂物中MgO含量，获得低熔点CaO·SiO₂·Al₂O₃系夹杂物；在冶炼过程中，通过脱氧控制、二次精炼工艺，得到夹杂物的目标控制范围为SiO₂：40-70%，Al₂O₃：10-25%，CaO：20-50%；CaO与SiO₂含量的比值为0.2～1.0，此时夹杂物的尺寸大部分可控制在5μm以下。这种夹杂物的塑性化控制可以提高弹簧钢的拉拔性能、增加弹簧的疲劳极限。

Description

一种用于控制夹杂物的弹簧钢线材生产工艺

技术领域

本发明涉及一种用于控制夹杂物的弹簧钢线材生产工艺，属于冶金技术领域。

背景技术

车辆的轻型化和节能，对车用弹簧自身重量提出要求；铁路客货车的高速与重载，大大增加弹簧的工作负荷，这些对弹簧的设计应力提出了更高要求。在高应力条件下，显微夹杂物成为疲劳裂纹源，使材料的疲劳极限下降，最终导致弹簧断裂。钢中夹杂物的影响已成为目前弹簧失效最主要的原因之一。

提高弹簧的疲劳性能必须控制钢中的非金属夹杂物。钢中存在的脆性和不变形非金属夹杂物是弹簧疲劳断裂的重要原因，所以必须控制钢中析出夹杂物的形态。传统的铝脱氧工艺有效地将钢的总氧量降到10×10^-6以下，但易在局部富铝区域形成颗粒较大的脱氧产物，而该工艺下去除颗粒尺寸小于20～30μm的脱氧产物仍十分困难。钢中残存的高硬度脆性夹杂物刚玉(A1₂O₃)和铝酸钙(mCaO·n A1₂O₃)在钢坯热加工时不能随钢基体一起流变，在夹杂物与钢基体的接触面上产生微裂纹，弹簧在交变应力的作用下微裂纹扩展，对其疲劳性能影响很大。

为避免钢液中析出较大颗粒的A1₂O₃夹杂物，可采取夹杂物变性生产工艺，控制夹杂物成分和形态，避免钢中形成有害夹杂物。国外关于弹簧钢中夹杂物形态控制的研究起步较早较深入，而国内的研究起步较晚，过去的研究表明，目前国内钢铁企业虽有一些研究，但仍处于模仿阶段，尚未完全掌握夹杂物变性生产工艺。因此，关于弹簧钢的夹杂物形态控制技术急需进一步系统深入研究。

在所查公开发表文献中，有关于弹簧钢用线材夹杂物的报道，相关中文文献5篇，外文文献6篇，罗列如下：1、《LF炉低碱度渣精炼工艺》(申请号:CN201110266757.1)中主要针对70、60Si2Mn的LF炉精炼工艺进行研究，并未涉及其它工艺方法。2、《一种免铁水预处理冶炼低氧低硫纯净钢的精炼工艺》（申请号:CN201110385828.X）中主要研究了为能够免铁水预处理，采用双LF的冶炼工艺生产弹簧钢和帘线钢，与本发明的弹簧钢工艺路线（转炉—氩站—LF—真空）及专用的冶炼方法不同。3、《转炉模注生产汽车用弹簧钢的夹杂物控制》介绍了转炉模注生产汽车弹簧钢的工艺实践，主要是设计相适应的专用酸洗精炼合成渣系，并未涉及具体的工艺。4、《弹簧钢非金属夹杂物在冶炼过程中形成规律与控制方案》介绍弹簧钢50CrVA的电炉生产，主要从原材料方面采取措施：控制废钢质量、采用优质生铁，并将生产配比提高到35%，其次在LF炉工艺中增加复合精炼渣使用量、改进炉渣成分。工艺方法上仅对软吹工艺进行了研究，没有涉及其它工艺方法。5、《60Si2Mn弹簧钢盘条的开发》主要介绍了LF精炼工艺中采用高碱度渣系工艺，与本发明的塑性化低碱度工艺完全不同。6、《MAEDE HIROFUMI.PRODUCTION OF SPRING STEEL WIRE ROD》（申请号:JP05012148）公开了一种有优异疲劳特性的弹簧钢线棒材的生产方法，主要针对氧化物类型的夹杂物成分进行了分析，没有涉及具体生产工艺。文献7、8、9、10、11《Si-KILLED STEEL WIRE ROD AND SPRING SUPERIOR IN FATIGUE CHARACTERISTIC》（申请号:JP2006356308、JP2006356309、JP2006356310、JP2006356312、JP2006356313）公开了一种耐疲劳特性优异的弹簧用硅镇静钢，和由这种线材得到的优异耐疲劳特性的弹簧。仅对特殊成分及线材中的氧化物系夹杂物的成分含量控制范围进行了确定，并未涉及生产工艺方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种用于控制夹杂物的弹簧钢线材生产工艺，通过控制脱氧条件、钢中夹杂物的析出，保证了弹簧钢55SiCr钢中生成具有良好变形能力的低熔点系夹杂物所需要的钢液成分。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种用于控制夹杂物的弹簧钢线材生产工艺，包括如下步骤：1）按无铝脱氧工艺进行冶炼，2）转炉顶底复合吹炼，3）Ar站吹氩处理，4）LF钢包吹氩精炼，5）真空处理，6）浇注成方坯；

所述步骤1）中，采用Si/Mn冶炼弹簧钢55SiCr的无铝脱氧工艺，在冶炼过程中避免采用铝，减少炉渣、包衬、合金等带入的Al及Al₂O₃，控制钢液中的W_[Al]＜47×10^-6、a_[Ca]＜1.5×10^-9；

所述步骤2）中，采用专用硅铁，钢中控制Als＜0.0020%；加入轻烧镁球，每吨钢的加入量为0.5-2kg；出钢碳控制目标0.06～0.20wt%；终渣碱度控制目标R≥2.5；

所述步骤3）中，采用全程底吹氩处理，氩气压力0.4～0.8MPa，氩气流量6.0～12.0Nm³/min，避免二次氧化和吸收气体；

所述步骤4）中，全程吹氩，吹氩过程按照加合金微调、加热提温、软吹除杂3个不同阶段，将氩气流量控制在30～280L/min，精炼时间30-60min，软吹氩时间≥25min，SiO₂35-55wt%，Al₂O₃3-10wt%，CaO25-50wt%，MgO5-20wt%，FeO+MnO≤5wt%，其碱度控制在0.7～2.0；

所述步骤5）中，真空处理时选择吹氩，氩气量为170-325L/min，真空度低于67Pa，保持时间为15～30min，处理后钢中T[O]在15×10^－6以下，钢水中非金属夹杂大多在5μm以下，且数量明显减少；

所述步骤6）中，全程保护浇注，采用电磁搅拌、轻压下技术，中包钢水过热度目标ΔT=18-28℃；目标拉速0.3～0.9m/min，连铸成方坯，经高线轧制工艺成线材。

上述方案中，所述步骤4）中4）吹氩过程按照加合金微调、加热提温、软吹除杂3个不同阶段，将氩气流量分别控制在240～280、170～210、30～60L/min三个范围。

本发明所述弹簧用线材夹杂物控制方法的作用机理如下：该弹簧用线材的化学成份按重量百分数计为C：0.51～0.59、Si：1.20～1.60、Mn：0.60～0.80、P≤0.020、S≤0.015、Cr：0.60～0.80、Cu≤0.12、Ni≤0.10，余量为Fe及不可避免的夹杂物。

夹杂物形态控制技术的关键是控制钢液的脱氧条件，使钢液脱氧产物组成分布在多元塑性夹杂物区域。对于该弹簧钢来说，采用Si-Mn等无铝复合脱氧工艺，要获得CaO·Al₂O₃·2SiO₂系夹杂物，需严格控制钢中铝、钙含量，控制其浓度恰好能生成低熔点的液态复合氧化物。对该钢铝、钙残余含量的研究发现，当钢中残余钙和铝参与脱氧反应时，铝、钙控制在W_[Al]＜47×10^-6、a_[Ca]＜1.5×10^-9时，可析出CaO·Al₂O₃·2SiO₂，获得目标组成范围的塑性夹杂物（见附图1）。

夹杂物的熔点影响其变形能力，在一定轧制温度下，随着夹杂物熔点的降低，其变形性能越好。因此，从控制夹杂物塑性化的角度出发，低熔点区域越大越有利于夹杂物的塑性化控制。试验研究表明，MgO的加入可增加CaO·SiO₂·Al₂O₃系夹杂物的低熔点区域，即增大析出塑性化脱氧产物的可控范围。该发明找出达到最佳塑性化区域时，夹杂物中MgO含量的控制范围13-17％（见附图2）。

本发明所述弹簧钢用线材夹杂物控制方法，主要通过采用Si/Mn脱氧冶炼工艺，尽量控制钢中的Al、Ca含量，增加夹杂物中MgO含量，获得低熔点CaO·SiO₂·Al₂O₃系夹杂物；在冶炼过程中，通过脱氧控制、二次精炼工艺，得到夹杂物的目标控制范围为SiO₂：40-70%，Al₂O₃：10-25%，CaO：20-50%；CaO与SiO₂含量的比值为0.2～1.0，此时夹杂物的尺寸大部分可控制在5μm以下。这种夹杂物的塑性化控制可以提高弹簧钢的拉拔性能、增加弹簧的疲劳极限。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

第一，基于不同钢种对夹杂物相的性质、成分、数量和分布有不同的要求，本发明针对弹簧钢55SiCr特殊的高Si、高Mn特点，在深入研究弹簧钢在冶炼过程中夹杂物物析出的热力学基础上，通过控制脱氧条件、钢中夹杂物的析出，最终得到了弹簧用线材夹杂物控制方法，找出弹簧钢55SiCr钢中强脱氧元素残余含量与钢中析出夹杂物组成之间的关系，确定弹簧钢55SiCr钢中生成具有良好变形能力的低熔点系夹杂物所需要的钢液成分，为高级别弹簧钢的冶炼提供理论依据；

第二，本发明所述控制方法避免了弹簧钢线材中形成硬性有害夹杂物，严格控制弹簧钢中夹杂物的大小、数量和分布等，使夹杂物呈细小、弥散状态分布，夹杂物的尺寸大部分可控制在5μm以下，夹杂物形态有利于弹簧钢线材后续加工中的拉拔、绕簧等，在用户的应用过程中，气门簧用小规格线材通过多道次连续拉拔至以下不断丝，悬架簧用大规格线材经扭转试验1000000次完好，满足高级别弹簧的疲劳寿命要求。

附图说明

图1为钢中残余钙和铝含量对析出物组成的影响曲线。

图2（a）中阴影部分为未加入MgO时的夹杂物塑性区域；（b）中阴影部分为加入MgO时的夹杂物塑性区域。

图3为夹杂物1的形貌和成分，（1）为夹杂物1的电镜图，（2）为夹杂物的X射线光电子能谱。

图4为夹杂物2的形貌和成分，（1）为夹杂物1的电镜图，（2）为夹杂物的X射线光电子能谱。

图5为夹杂物3的形貌和成分，（1）为夹杂物1的电镜图，（2）为夹杂物的X射线光电子能谱。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种用于控制夹杂物的弹簧钢线材生产工艺，包括如下步骤：

1）采用Si/Mn冶炼弹簧钢55SiCr的无铝脱氧工艺，在冶炼过程中避免采用铝，减少炉渣、包衬、合金等带入的Al及Al₂O₃，控制钢液中的W_[Al]＜40×10^-6、a_[Ca]＜1.3×10^-9；

2）转炉顶底复合吹炼：采用专用硅铁，钢中控制Als＜0.0020%；轻烧镁球按吨钢0.8kg加入；出钢碳控制在0.08wt%；终渣碱度控制在R=2.5；

3）Ar站吹氩处理：采用全程底吹氩处理，氩气压力控制：0.4MPa，氩气流量：7.0Nm³/min，避免二次氧化和吸收气体；

4）LF钢包吹氩精炼：精炼时间45min，精炼过程全程吹氩，吹氩过程按照加合金微调、加热提温、软吹除杂3个不同阶段，将氩气流量分别控制在260～280、185～205、45～55L/min范围；软吹氩时间25min，顶渣成分为：SiO₂51%，Al₂O₃4%，CaO28%，MgO11％，FeO+MnO≤5％，其碱度控制在0.7；

5）真空处理：真空处理时选择吹Ar量为175L/min，真空度低于67Pa，保持时间为30min；处理后钢中T[O]在8×10^－6以下，钢水中非金属夹杂大多数在5μm以下，且数量明显减少；

6）浇注成方坯：全程保护浇注，采用电磁搅拌、轻压下技术，中包钢水过热度目标：ΔT=18℃；目标拉速：0.9m/min，连铸成方坯，经高线轧制工艺成线材。

分别选取线材中不同区域的三种夹杂物作形貌和成分分析，图3为夹杂物1的形貌和成分，（1）为夹杂物1的电镜图，（2）为夹杂物1的X射线光电子能谱，表1为根据图3（2）所计算出的具体成分组成。

表1

图4为夹杂物3的形貌和成分，（1）为夹杂物2的电镜图，（2）为夹杂物2的X射线光电子能谱，表1为根据图4（2）所计算出的具体成分组成。

表2

图5为夹杂物3的形貌和成分，（1）为夹杂物3的探针图，（2）为夹杂物3的X射线能谱，表1为根据图5（2）所计算出的具体成分组成。

表3

实施例2

一种用于控制夹杂物的弹簧钢线材生产工艺，包括如下步骤：

1）采用Si/Mn冶炼弹簧钢55SiCr的无铝脱氧工艺，在冶炼过程中避免采用铝，减少炉渣、包衬、合金等带入的Al及Al₂O₃，控制钢液中的W_[Al]＜35×10^-6、a_[Ca]＜1.1×10^-9；

2）转炉顶底复合吹炼：采用专用硅铁，钢中控制Als＜0.0020%；轻烧镁球按吨钢1.1kg加入；出钢碳控制在0.14%；终渣碱度控制在R=4.4；

3）Ar站吹氩处理：氩气压力控制：0.5MPa，氩气流量：8.0Nm³/min，避免二次氧化和吸收气体；

4）LF钢包吹氩精炼：精炼时间45min，精炼过程全程吹氩，吹氩过程按照加合金微调、加热提温、软吹除杂3个不同阶段，将氩气流量分别控制在255～275、180～200、50～60L/min的同范围，软吹氩时间28min，顶渣成分为：SiO₂43wt%，Al₂O₃6wt%，CaO36wt%，MgO8wt%，FeO+MnO≤5wt%，其碱度控制在0.9；

5）真空处理：真空处理时选择吹Ar量为180L/min，真空度≤67Pa，保持时间为25min，处理后钢中T[O]为8×10^－6以下，钢水中非金属夹杂大多数在5μm以下，且数量明显减少；

6）浇注成方坯：全程保护浇注，采用电磁搅拌、轻压下技术，中包钢水过热度目标：ΔT=23℃；目标拉速：0.8m/min，连铸成方坯，经高线轧制工艺成线材。

实施例3

一种用于控制夹杂物的弹簧钢线材生产工艺，包括如下步骤：

1）采用Si/Mn冶炼弹簧钢55SiCr的无铝脱氧工艺，在冶炼过程中避免采用铝，减少炉渣、包衬、合金等带入的Al及Al₂O₃，控制钢液中的W_[Al]＜47×10^-6、a_[Ca]＜1.5×10^-9；

2）转炉顶底复合吹炼：采用专用硅铁，钢中控制Als＜0.0020%；轻烧镁球按吨钢1.2kg加入；出钢碳控制目标0.08%；终渣碱度控制目标R=3.0；

3）Ar站吹氩处理：氩气压力控制：0.6MPa，氩气流量：9.0Nm³/min，避免二次氧化和吸收气体；

4）LF钢包吹氩精炼：精炼时间30min，精炼过程全程吹氩，吹氩过程按照加合金微调、加热提温、软吹除杂3个不同阶段，将氩气流量分别控制在250～270、170～190、40～50L/min不同范围，软吹氩时间35min，顶渣成分为：SiO₂35wt%，Al₂O₃5wt%，CaO49wt%，MgO7wt%，FeO+MnO≤5wt%，其碱度控制在1.4；

5）真空处理：真空处理时选择吹Ar量为200L/min，真空度≤67Pa，保持时间为28min，处理后钢中T[O]在8×10^－6以下，钢水中非金属夹杂大多数在5μm以下，且数量明显减少；

6）浇注成方坯：全程保护浇注，采用电磁搅拌、轻压下技术，中包钢水过热度目标：ΔT=25℃；目标拉速：0.6m/min，连铸成方坯，经高线轧制工艺成线材。

实施例4

一种用于控制夹杂物的弹簧钢线材生产工艺，包括如下步骤：

1）采用Si/Mn冶炼弹簧钢55SiCr的无铝脱氧工艺，在冶炼过程中避免采用铝，减少炉渣、包衬、合金等带入的Al及Al₂O₃，控制钢液中的W_[Al]＜30×10^-6、a_[Ca]＜1.4×10^-9；

2）转炉顶底复合吹炼：采用专用硅铁，钢中控制Alsol＜0.0020%；轻烧镁球按吨钢1.0kg加入；出钢碳控制在0.06%；终渣碱度控制在R=3.0；

3）Ar站吹氩处理：氩气压力控制：0.7MPa，氩气流量：10.0Nm³/min，避免二次氧化和吸收气体；

4）LF钢包吹氩精炼：精炼时间40min，精炼过程全程吹氩，吹氩过程按照加合金微调、加热提温、软吹除杂3个不同阶段，将氩气流量分别控制在245～265、190～210、35～45L/min不同范围，软吹氩时间28min，顶渣成分为：SiO₂42wt%，Al₂O₃8wt%，CaO45wt%，MgO12wt%，FeO+MnO≤5wt%，其碱度控制在1.3；

5）真空处理：真空处理时选择吹Ar量为225L/min，真空度≤67Pa，保持时间为20min，处理后钢中T[O]在8×10^－6以下，钢水中非金属夹杂大多数在5μm以下，且数量明显减少；

6）浇注成方坯：全程保护浇注，采用电磁搅拌、轻压下技术，中包钢水过热度目标：ΔT=27℃；目标拉速：0.4m/min，连铸成方坯，经高线轧制工艺成线材。

实施例5

一种用于控制夹杂物的弹簧钢线材生产工艺，包括如下步骤：

1）采用Si/Mn冶炼弹簧钢55SiCr的无铝脱氧工艺，在冶炼过程中避免采用铝，减少炉渣、包衬、合金等带入的Al及Al₂O₃，控制钢液中的W_[Al]＜20×10^-6、a_[Ca]＜1.2×10^-9；

2）转炉顶底复合吹炼：采用专用硅铁，钢中控制Als＜0.0020%；轻烧镁球按吨钢1.6kg加入；出钢碳控制在0.18%；终渣碱度控制在R=2.8；

3）Ar站吹氩处理：氩气压力控制：0.8MPa，氩气流量：11.0Nm³/min，避免二次氧化和吸收气体；

4）LF钢包吹氩精炼：精炼时间35min。精炼过程全程吹氩，吹氩过程按照加合金微调、加热提温、软吹除杂3个不同阶段，将氩气流量分别控制在240～260、175～195、30～40L/min不同范围，软吹氩时间35min，顶渣成分为：SiO₂36wt%，Al₂O₃3wt%，CaO50wt%，MgO16wt%，FeO+MnO≤5wt%，其碱度控制在1.7；

5）真空处理：真空处理时选择吹Ar量为290L/min，真空度≤67Pa，保持时间为15min，处理后钢中T[O]在8×10^－6以下，钢水中非金属夹杂大多数在5μm以下，且数量明显减少；

6）浇注成方坯：全程保护浇注，采用电磁搅拌、轻压下技术，中包钢水过热度目标：ΔT=28℃；目标拉速：0.3m/min，连铸成方坯，经高线轧制工艺成线材。

Claims (7)

1.一种用于控制夹杂物的弹簧钢线材生产工艺，其特征在于：包括如下步骤：1)按无铝脱氧工艺进行冶炼，2)转炉顶底复合吹炼，3)Ar站吹氩处理，4)LF钢包吹氩精炼，5)真空处理，6)浇注成方坯，经高线轧制工艺成线材；

所述步骤1)中，采用Si/Mn冶炼弹簧钢55SiCr的无铝脱氧工艺，控制钢液中的W_[Al]＜47×10^-6、a_[Ca]＜1.5×10^-9；所述步骤2)中采用专用硅铁，钢中控制Als＜0.0020％；加入轻烧镁球，每吨钢的加入量为0.5-2kg；出钢碳控制目标0.06～0.20wt％；终渣碱度控制目标R≥2.5。

2.根据权利要求1所述的一种用于控制夹杂物的弹簧钢线材生产工艺，其特征在于：所述步骤3)中，采用全程底吹氩处理，氩气压力0.4～0.8MPa，氩气流量6.0～12.0Nm³/min。

3.根据权利要求1所述的一种用于控制夹杂物的弹簧钢线材生产工艺，其特征在于：所述步骤4)中，全程吹氩，吹氩过程按照加合金微调、加热提温、软吹氩除杂3个不同阶段，将氩气流量控制在30～280L/min，精炼时间30-60min，软吹氩时间≥25min，顶渣成分为：SiO₂35-55wt％，Al₂O₃3-10wt％，CaO25-50wt％，MgO5-20wt％，FeO+MnO≤5wt％，其碱度控制在0.7～2.0。

4.根据权利要求1所述的一种用于控制夹杂物的弹簧钢线材生产工艺，其特征在于：所述步骤5)中，真空处理时选择吹氩气流量为170-325L/min，真空度低于67Pa，保持时间为15～30min。

5.根据权利要求1所述的一种用于控制夹杂物的弹簧钢线材生产工艺，其特征在于：所述步骤6)中，全程保护浇注，采用电磁搅拌、轻压下工艺，中包钢水过热度目标ΔT＝18-28℃；目标拉速0.3～0.9m/min，连铸成方坯。

6.权利要求1-5所述生产工艺所得到的弹簧钢线材。

7.根据权利要求6所述的弹簧钢线材，其特征在于：所述弹簧钢线材中夹杂物的控制范围为SiO₂40-70wt％，Al₂O₃10-25wt％，CaO20-50wt％；CaO与SiO₂含量的比值为0.2～1.0，夹杂物的尺寸在5μm以下。