CN107747060A - 高强度高疲劳寿命弹簧钢的生产方法 - Google Patents

Abstract

高强度高疲劳寿命弹簧钢的生产方法，钢的化学组成重量百分比为碳=0.51%~0.59%，硅=1.40%~1.60%，锰=0.50%~0.80%，磷≤0.012%，硫≤0.010%，铌≤0.02%，钛≤0.005%，铝≤0.005%，铬=0.50%~0.80%，其余为Fe和不可避免的杂质；工艺步骤包括：（1）冶炼，（2）连铸，（3）修磨，（4）轧制、控制冷却，生产出以索氏体组织为机体的高强度、高疲劳寿命的线材弹簧钢。其代表钢种X55SiCrA盘条直径为5.5mm，抗拉强度在1000MPa以上，面缩在40%以上，夹杂物级别A、B、C、D均小于1.0级，且无DS类夹杂，能够很好地满足汽车用气门簧的使用需求。

Description

高强度高疲劳寿命弹簧钢的生产方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及一种高强度高疲劳寿命弹簧钢的生产方法。

背景技术

弹簧钢是汽车等很多机械行业用途广泛的重要机械零件，疲劳断裂往往是弹簧最主要的破坏形式。以汽车工业为例，随着轿车行业由普及型逐渐向中高档及家用轿车型方向转变，汽车发动机等设备正向着高速、高负荷、低能耗、低污染及轻量化发展，进而对汽车上的关键零件气门弹簧的要求也越来越高。

目前国际上对弹簧钢使用低碱度精炼渣的研究甚少，大部分论文著作主要研究夹杂物的数量控制及对夹杂物的塑性变形能力受精炼渣高碱度的影响。例如中国主要钢厂生产的55SiCrA气门簧主要是通过高碱度（二元碱度大于2.5）来造渣，通过控制夹杂物的尺寸及数量来提高钢水的纯净度，但存留在钢中未去除的夹杂物塑性变形较差，不能满足超高周疲劳寿命的要求。

发明内容

本发明旨在提供一种高强度高疲劳寿命弹簧钢的生产方法，通过采用高合金化成分设计，LF+VD复合精炼，铸坯探伤及修磨，斯太尔摩控轧及冷却等一系列冶炼和轧制新技术，生产出以索氏体组织为机体的高强度、高疲劳寿命的线材弹簧钢。

本发明的技术方案：

高强度高疲劳寿命弹簧钢的生产方法，钢的化学组成重量百分比为碳=0.51%~0.59%，硅=1.40%~1.60%，锰=0.50%~0.80%，磷≤0.012%，硫≤0.010%，铌≤0.02%，钛≤0.005%，铝≤0.005%，铬=0.50%~0.80%，其余为Fe和不可避免的杂质；工艺步骤包括：

（1）冶炼：转炉出钢[P]≤0.008%，[C]＞0.006%，采用LF+VD精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，先加入400~600kg碱性渣料，调高炉渣碱度促进脱氧和脱硫反应后再加入酸性渣料100~200kg，精炼渣碱度CaO/SiO₂≤1.5；VD真空脱气真空度0.5tor以下，真空保持时间20min以上，出站钢水 [H]≤2ppm，定[O]≤20ppm，铸坯[N]≤45ppm；

（2）连铸：采用全程保护浇铸，中包过热度目标值20~30℃，液面波动控制在±3%以内，铸坯尺寸为150 mm×150mm；

（3）修磨：采用丸粒先抛光铸坯表面，然后磁粉探伤检查出缺陷标示，再经砂轮修磨掉缺陷，修磨深度＞2.5mm；

（4）轧制、控制冷却：铸坯均热温度1090～1150℃，均热时间35~45min；采用控制轧制，终轧温度930~960℃；吐丝温度730~750℃；轧后直接穿水冷却和风机缓冷，冷却速率1.5～2.4℃/s，集卷温度400～420℃，得到原始盘条无对拉拔有害的组织。

本发明化学成分设计对弹簧钢疲劳寿命的重点考虑，在要求高强度和良好韧性的同时应具有低有害元素含量。组织设计则是以索氏体为基体的韧性组织，添加了多种细化晶粒和提高淬透性的元素。

采用高碳中锰中铬高硅的成分设计。碳是钢中的主要强化元素，溶解在钢中形成固溶体起固溶强化作用，它与强碳化物形成元素结合形成碳化物析出时起沉淀强化作用。碳对弹簧钢的强度、硬度、塑性、韧性、脱碳倾向、显微组织都有很大影响，且其影响往往超过其它合金元素。同时碳是对钢的强度贡献最大的元素，也是影响抗弹减性最大的元素。弹簧钢要求较高的强度和疲劳极限，一般在淬火+中温回火的状态下使用，以获得较高的弹性极限。为保证强度，弹簧钢中必须含有足够的碳。但随钢中碳含量的上升，钢的塑性、韧性会下降，因此控制最终碳含量在0.51~0.59%之间。锰是提高钢的淬透性最有效的合金元素，它溶入铁素体中有固溶强化作用，可以降低奥氏体转变温度，细化铁素体晶粒，对提高钢的强度和韧性有益。因此，在成分设计时，锰设计在0.50%~0.80%。铬能显著提高钢的淬透性，与锰共用效果更好。铬可降低钢中碳的活度，又是碳化物形成元素，可提高钢中碳扩散的激活能，减轻钢的脱碳倾向，故铬设计在0.50%～0.80%之间。硅具有固溶强化作用，它不形成碳化物，而基本上以固溶态存在于钢中。在常用合金元素中，硅的固溶强化作用最强。硅能改变回火时析出碳化物的数量、尺寸和形态，提高钢的回火稳定性。随着硅含量增加，碳化物颗粒数目增加，而碳化物颗粒尺寸和间距则缩小。为了确保弹簧的弹性极限，钢水必须具有较高的硅含量，因此，在成分设计时，硅设计在1.40%～1.60%。

为确保弹簧的疲劳寿命，钢中的P、S为有害杂质元素，通过控制转炉出钢时[P]≤0.008%，并通过LF+VD复合精炼工艺，白渣保持时间≥20min，精炼渣二元碱度CaO/SiO2＜1.5，VD炉保真空时间20～25min等手段控制，使钢中磷含量≤0.012%，硫含量≤0.010%，并降低钢水中其他杂质和有害气体含量。

为了提高夹杂物的塑性变形能力从而提高弹簧的疲劳寿命，在冶炼阶段通过控制精炼渣的碱度来控制夹杂物的转变，通过软吹来去除钢中的夹杂物。通过控制钢中的Al含量来控制大颗粒脆性夹杂，故重点控制钢中Al含量在0.005%以下，达到塑性变形的目的。

本发明通过采用高合金化成分设计，LF+VD复合精炼，铸坯探伤及修磨，斯太尔摩控轧及冷却等一系列冶炼和轧制新技术，生产出以索氏体组织为机体的高强度、高疲劳寿命的线材弹簧钢。其代表钢种X55SiCrA盘条直径为5.5mm，抗拉强度在1000MPa以上，面缩在40%以上，夹杂物级别：A、B、C、D均小于1.0级，且无DS类夹杂，能够很好地满足汽车用气门簧的使用需求。

本发明的突出特点和显著效果主要体现在：

1.本发明自创高碳中锰中铬高硅高合金化成分设计体系，LF+VD复合精炼技术，严格控制P、S含量和钢水的纯净度并采用斯太尔摩控轧及控冷等一系列轧制新技术，成功开发了以索氏体组织为基体的高强度、高疲劳寿命的钢材，为气门簧的生产奠定了基础。

2.本发明突破高线控冷工艺极限，充分发挥设备优势，生产抗拉强度在1000Mpa以上的弹簧钢，在保证产品质量的同时，降低合金含量和生产成本，推进了节约型、环保钢材新品种的研发进程。

3.本发明利用一般钢厂现有设备和工艺条件，既不增加投资和生产成本，又提高了生产效率，节能减耗。

附图说明

图1为本发明实施例1的盘条的金相图。

图2为本发明实施例1的盘条的夹杂物图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实例1：

高强度高疲劳寿命弹簧钢的生产方法，钢的化学成分组成重量百分比为：碳=0.56%，硅=1.45%，锰=0.62 %，磷=0.009%，硫=0.010%，铝=0.004%，铬=0.68%，钛=0.0033%，铌=0.013%，其余为Fe和不可避免的杂质。

冶炼：转炉出钢[P]=0.006%，[C]=0.10%，采用LF+VD精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，先加入500kg碱性渣料，后加入酸性渣料160kg，精炼渣碱度CaO/SiO₂=1.2；VD真空脱气处理，在真空度0.5tor以下，真空保持时间21min，出站钢水 [H]=1.7ppm，定[O]=15ppm；

连铸：采用全程保护浇铸，中包过热度28℃，液面波动控制在±2.5%，铸坯尺寸150*150mm；铸坯[N]=35ppm。

采用丸粒先抛光铸坯表面，然后磁粉探伤检查出缺陷标示，再经砂轮修磨掉缺陷，修磨深度为2.6mm。

铸坯均热温度1100～1120℃，均热时间36min；采用控制轧制，终轧温度950℃；吐丝温度745℃；轧后直接穿水冷却和风机强冷，冷却速率1.8℃/s，集卷温度412℃。钢的力学性能及金相夹杂见表1所示。

实例2：

高强度高疲劳寿命弹簧钢的生产方法，钢的化学成分组成重量百分比为：碳=0.56%，硅=1.42%，锰=0.65 %，磷=0.008%，硫=0.011%，铝=0.0041%，铬=0.69%，钛=0.0044%，铌=0.005%，其余为Fe和不可避免的杂质。

冶炼：转炉出钢[P]0.007%，[C]0.11%，采用LF+VD精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，先加入520Kg碱性渣料，后加入酸性渣料165kg，精炼渣碱度CaO/SiO₂=1.1；VD真空脱气处理，在真空度0.5tor以下，真空保持时间20min，出站钢水 [H]1.6ppm，[O]11ppm；连铸采用全程保护浇铸，中包过热度27℃，液面波动控制在±2.8%，铸坯尺寸150mm×150mm。铸坯[N]=34ppm。

采用丸粒先抛光铸坯表面，然后磁粉探伤检查出缺陷标示，再经砂轮修磨掉缺陷，修磨深度为2.9mm。

铸坯均热温度1110～1130℃，均热时间37min；采用控制轧制，终轧温度955℃；吐丝温度748℃；轧后直接穿水冷却和风机强冷，冷却速率1.9℃/ s，集卷温度418℃。钢的力学性能及金相夹杂见表1所示。

实例3：

高强度高疲劳寿命弹簧钢的生产方法，钢的化学成分组成重量百分比为：碳=0.58%，硅=1.47%，锰=0.63 %，磷=0.0010%，硫=0.008%，铝=0.0047%，铬=0.69%，钛=0.0046%，铌=0.007%，其余为Fe和不可避免的杂质。

冶炼：转炉出钢[P]=0.009%，[C]=0.08%，采用LF+VD精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，先加入480kg碱性渣料，后加入酸性渣料180kg，精炼渣碱度CaO/SiO₂=1.0；VD真空脱气处理，在真空度0.5tor以下，真空保持时间20min，出站钢水 [H]=1.1ppm，[O]=11ppm；连铸采用全程保护浇铸，中包过热度27℃，液面波动控制在±2.9%，铸坯尺寸150mm×150mm，铸坯[N]=31ppm。

采用丸粒先抛光铸坯表面，然后磁粉探伤检查出缺陷标示，再经砂轮修磨掉缺陷，修磨深度为2.8mm。

铸坯均热温度1112～1132℃，均热时间38min；采用控制轧制，终轧温度959℃；吐丝温度739℃；轧后直接穿水冷却和风机强冷，冷却速率2.2℃/s，集卷温度409℃。钢的力学性能及金相夹杂见表1所示。

实例4：

超高周疲劳寿命的弹簧钢的生产方法，钢的化学成分组成重量百分比为：碳=0.56%，硅=1.44%，锰=0.65 %，磷=0.008%，硫=0.012%，铝=0.0044%，铬=0.64%，钛=0.0048%，铌=0.009%，其余为Fe和不可避免的杂质。

冶炼：转炉出钢[P]0.007%，[C]0.09%，采用LF+VD精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，先加入510kg碱性渣料，后加入酸性渣料155kg，精炼渣碱度CaO/SiO₂=1.1；VD真空脱气处理，在真空度0.5tor以下，真空保持时间22min，出站钢水 [H]=1.2ppm，[O]=16ppm；连铸采用全程保护浇铸，中包过热度28℃，液面波动控制在±2.5%，铸坯尺寸150mm×150mm，铸坯[N]32ppm。

采用丸粒先抛光铸坯表面，然后磁粉探伤检查出缺陷标示，再经砂轮修磨掉缺陷，修磨深度为3.0mm。

铸坯均热温度1118～1148℃，均热时间39min；采用控制轧制，终轧温度956℃；吐丝温度741℃；轧后直接穿水冷却和风机强冷，冷却速率2.1℃/s，集卷温度408℃。钢的力学性能及金相夹杂见表1所示。

表1 实施例钢的力学性能及金相夹杂

从表1测试结果可见，采用本发明的方法生产的5.5mm盘条，抗拉强度达到1000Mpa以上，索氏体含量均在80%以上，夹杂物检测A、B、C、D均不超过1.0级，无Ds类夹杂。采用显微镜对金相组织及夹杂物进行检验，如图1、图2所示，能够很好的满足气门簧超高疲劳寿命的使用需求。

Claims (1)

1.高强度高疲劳寿命弹簧钢的生产方法，其特征在于：钢的化学组成重量百分比为碳=0.51%~0.59%，硅=1.40%~1.60%，锰=0.50%~0.80%，磷≤0.012%，硫≤0.010%，铌≤0.02%，钛≤0.005%，铝≤0.005%，铬=0.50%~0.80%，其余为Fe和不可避免的杂质；工艺步骤包括：

（1）冶炼：转炉出钢[P]≤0.008%，[C]＞0.006%，采用LF+VD精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，先加入400~600kg碱性渣料，调高炉渣碱度促进脱氧和脱硫反应后再加入酸性渣料100~200kg，精炼渣碱度CaO/SiO₂≤1.5；VD真空脱气真空度0.5tor以下，真空保持时间20min以上，出站钢水 [H]≤2ppm，定[O]≤20ppm，铸坯[N]≤45ppm；

（2）连铸：采用全程保护浇铸，中包过热度目标值20~30℃，液面波动控制在±3%以内，铸坯尺寸为150 mm×150mm；

（3）修磨：采用丸粒先抛光铸坯表面，然后磁粉探伤检查出缺陷标示，再经砂轮修磨掉缺陷，修磨深度＞2.5mm；

（4）轧制、控制冷却：铸坯均热温度1090～1150℃，均热时间35~45min；采用控制轧制，终轧温度930~960℃；吐丝温度730~750℃；轧后直接穿水冷却和风机缓冷，冷却速率1.5～2.4℃/s，集卷温度400～420℃，得到原始盘条无对拉拔有害的组织。