CN109161632B - 控制弹簧钢盘条中大尺寸硬质夹杂物的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制弹簧钢盘条中大尺寸硬质夹杂物的生产方法，其包括转炉冶炼、LF精炼、连铸和加热开坯工序；所述转炉冶炼工序：转炉出钢脱氧合金化过程中，采取先碳脱氧后锰硅复合脱氧，锰硅复合脱氧时加入的合金中Mn含量与Si含量的重量比≥5.0；所述LF精炼工序：采用预熔精炼合成渣造渣，目标碱度w(CaO)/w(SiO₂)为0.8～1.2，渣中w(Al₂O₃)≤3%、w(MnO)+w(MgO)≤10%，其余占比≤5%。采用本方法生产的弹簧钢热轧盘条，盘条横截面上氧化物夹杂直径得到有效减小；盘条经拉拔、热处理、喷丸后，弹簧钢丝的旋转弯曲疲劳寿命达到1×10⁷次以上，加工成的高强度汽车悬架簧疲劳寿命达到1×10⁶以上。

Description

控制弹簧钢盘条中大尺寸硬质夹杂物的生产方法

技术领域

本发明涉及一种钢盘条的生产方法，尤其是一种控制弹簧钢盘条中大尺寸硬质夹杂物的生产方法。

背景技术

金属材料强度越高，夹杂物对其疲劳性能的影响就愈显著。非金属夹杂物在钢中与基体构成镶嵌结构，在钢加热或冷却过程中，由于膨胀系数的不同，夹杂物周围会产生嵌镶应力，如夹杂物数量多、直径大，嵌镶应力场会叠加，工件服役过程所受应力与嵌镶应力叠加，使夹杂物周围的应力超过钢的屈服极限，导致裂纹产生，形成疲劳源。随着弹簧用钢的高强度发展，以钢中大尺寸硬质夹杂物为疲劳源的疲劳断裂成为弹簧工作失效的主要原因之一。为了提高高强度弹簧疲劳寿命和使用可靠性，如何较经济地降低弹簧钢中非金属夹杂物含量以及实现非金属夹杂物尺寸、成分的无害化控制越来越受到弹簧钢生产企业的关注。

公开号CN103510020A公开了一种弹簧钢盘条及其夹杂物控制方法，其通过转炉高碳出钢和炉后硅锰合金进行脱氧，精炼终点钢中氧含量控制在20～40ppm来保证钢中夹杂物宽度尺寸不大于10μm，夹杂物长宽比大于3。其缺点是钢中具有较高（20～40ppm）的氧含量，易造成弹簧钢中非金属夹杂物增多。

公开号CN105907919A公开了一种用于弹簧钢夹杂物控制的冶炼工艺，其在无铝脱氧的基础上采用LF变渣操作，并采用VD真空脱气。其缺点是生产成本较高，且不能保证夹杂物的稳定变性处理。

公开号CN106222362A公开了一种弹簧钢的精炼方法，其在LF精炼过程中采用了较高碱度的精炼渣系，并选择了RH真空脱气。其缺点是易导致钢中Als过高控制，产生大尺寸硬质Al₂O₃或MgO-Al₂O₃夹杂物残留钢中，最终恶化弹簧的疲劳性能。

公开号CN106191652A公开了一种降低弹簧钢夹杂物的冶炼方法，其高拉碳工艺进行冶炼时采用无铝脱氧，LF炉精炼时采用低碱度渣工艺。公开号CN107747060A公开了高强度高疲劳寿命弹簧钢的生产方法。以上两个专利申请都没有关注氧化物夹杂的成分合理控制，不能保证轧制过程中夹杂物发生塑性变形，高强度弹簧的疲劳寿命要求就无法保证。

弹簧钢盘条主要用于加工制造各种螺旋弹簧，螺旋弹簧在服役中主要承受交变扭转和交变剪切载荷，非金属夹杂物在横截面上尺寸表现较小时，其对弹簧的疲劳性能影响就不显著。弹簧钢非金属夹杂物无害化目的是将钢中氧化物成分控制在MnO-SiO₂-Al₂O₃系中锰铝榴石区或CaO-SiO₂-Al₂O₃系中假硅灰石和钙长石共熔区，使得夹杂物在后续轧制及拉拔过程中发生塑性变形而细化，从而降低夹杂物对最终弹簧疲劳性能的危害。而SiO₂、Al₂O₃、MgO-Al₂O₃夹杂的熔点及杨氏模量较高，很难在轧制及拉拔过程中得到尺寸减小，所以如何在实际生产中防止高熔点富含SiO₂或Al₂O₃硬质夹杂在钢液中产生与残留就很关键。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种效果好的控制弹簧钢盘条中大尺寸硬质夹杂物的生产方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：其包括转炉冶炼、LF精炼、连铸和加热开坯工序；

所述转炉冶炼工序：转炉出钢脱氧合金化过程中，采取先碳脱氧后锰硅复合脱氧，锰硅复合脱氧时加入的合金中Mn含量与 Si含量的重量比≥5.0；

所述LF精炼工序：采用预熔精炼合成渣造渣，目标碱度w(CaO)/w(SiO₂)为0.8～1.2，渣中w(Al₂O₃)≤3%、w(MnO)+w(MgO)≤10%，其余占比≤5%；

本发明所述转炉冶炼工序，所述锰硅复合脱氧时加入的合金为锰铁、硅铁和铬铁，且各合金中Al≤0.02wt%；钢包顶渣的加入在转炉出钢合金化完毕后进行。

本发明所述LF精炼工序，在LF整个处理过程钢包进行底吹氩气搅拌，LF总处理时间≥75min，其中软吹氩时间≥40min；LF软吹氩完毕后，控制钢水中酸熔铝Als≤15ppm，溶解氧[O]为10～20ppm。

本发明所述连铸工序，连铸大包长水口、中间包塞棒、浸入式水口采用非Al₂O₃-C质耐材；在钢水浇注过程中，大包采取剩钢操作，大包剩钢量≥3.0吨，中间包液面深度控制在900mm及以上，结晶器液面波动控制在±3mm以内。

本发明所述加热开坯工序，大方坯开坯均热段炉温控制在1250±30℃。所述加热开坯工序，总加热时间为6～6.5h。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过控制转炉脱氧合金成分及合金加入顺序，减少初始脱氧产生的高熔点SiO₂或Al₂O₃硬质夹杂物；通过LF精炼渣系组分和底吹Ar控制，合理控制钢液酸溶铝Als和溶解[O]含量，防止精炼及连铸过程钢水中产生高熔点的Al₂O₃或富含Al₂O₃硬质夹杂物；通过连铸与钢水接触的耐材无铝化控制，并避免各环节发生卷渣，减少大尺寸高熔点Al₂O₃或MgO-Al₂O₃等硬质夹杂物潜在来源；通过合理控制开坯温度与时间，保证氧化物夹杂在开坯轧制过程中发生塑性变形。

本发明通过减少并防止弹簧钢在转炉出钢脱氧过程中产生高熔点硬质SiO₂或Al₂O₃夹杂，即改变一次脱氧产物的性质；避免在LF精炼及连铸过程中钢液中产生高熔点富含SiO₂或Al₂O₃的硬质夹杂，精确控制钢水中酸熔铝Als≤15ppm，溶解氧[O]在10～20ppm，完成对钢液二次、三次脱氧产物的成分合理控制，同时防止外来夹杂物的卷入对钢水洁净度造成影响；最后，控制大方坯开坯工艺，保证在开坯过程中铸坯中的氧化物夹杂可以发生塑性变形，降低夹杂物尺寸。

采用本发明生产的弹簧钢热轧盘条，盘条横截面上氧化物夹杂直径得到有效减小；盘条经拉拔、热处理、喷丸后，弹簧钢丝的旋转弯曲疲劳寿命达到1×10⁷次以上，加工成的高强度汽车悬架簧疲劳寿命达到1×10⁶以上。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明盘条中夹杂在CaO-SiO₂-Al₂O₃相图上的分布图；

图2是本发明实施例1所得盘条的典型夹杂物形貌图；

图3是本发明实施例2所得盘条的典型夹杂物形貌图；

图4是本发明实施例3所得盘条的典型夹杂物形貌图；

图5是本发明实施例4所得盘条的典型夹杂物形貌图；

图6是本发明实施例5所得盘条的典型夹杂物形貌图；

图7是本发明实施例6所得盘条的典型夹杂物形貌图。

具体实施方式

本控制弹簧钢盘条中大尺寸硬质夹杂物的生产方法的工艺路径为：转炉冶炼→LF精炼→连铸→加热开坯→铸坯修磨→盘条轧制；各工序的方法工艺如下所述：

（1）转炉冶炼工序：转炉出钢过程中，依次加入合金增碳剂、锰铁、少量硅铁、铬铁，在出钢完毕后加入为配置钢液成分达到目标硅含量的剩余硅铁和预熔精炼合成渣（钢包顶渣）。其中脱氧合金化过程中先加入增碳剂，进行碳脱氧，有效减少初始夹杂物的数量；加入的合金中Mn含量与 Si含量的重量比≥5.0，目的是促进生成低熔点液态MnO-SiO₂系夹杂，避免先加入硅铁生成大尺寸SiO₂硬质夹杂物；锰铁、硅铁、铬铁均要求合金中Al≤0.02%(wt)，避免生成大尺寸高Al₂O₃夹杂物；预熔精炼合成渣加入选择在出钢合金化完毕后进行，防止精炼渣乳化进入钢液形成大尺寸夹杂物。

（2）LF精炼工序：采用步骤（1）出钢过程中加入的预熔精炼合成渣进行造渣，目标碱度w(CaO)/w(SiO₂)为0.8～1.2，渣中w(Al₂O₃)≤3%、w(MnO)+w(MgO)≤10%，其余氧化物占比≤5%，所述其余氧化物为w(FeO)、w(TiO₂)、w(Cr₂O₃)、w(P₂O₅)等。在LF整个处理过程钢包进行底吹氩气搅拌，LF总处理时间≥75min，其中软吹氩时间≥40min。LF软吹氩完毕后，控制钢水中酸熔铝Als≤15ppm，溶解氧[O]在10～20ppm，控制钢液酸溶铝Als和溶解[O]含量保证氧化物夹杂组成的落入CaO-SiO₂-Al₂O₃系低熔点玻璃化稳定区。

（3）连铸工序：连铸大包长水口，中间包塞棒、浸入式水口采用非Al₂O₃-C质耐材，有效减少耐材侵蚀剥落产生的大尺寸Al₂O₃及MgO-Al₂O₃夹杂。在钢水浇注过程中，大包采取剩钢操作，大包剩钢量≥3.0吨，目的是防止大包下渣；中间包液面深度控制在900mm及以上，防止中间包渣的卷入；结晶器液面波动控制在±3mm以内，防止结晶器保护渣的卷入。

（4）加热开坯工序：大方坯开坯均热段炉温要求控制在1250±30℃，加热时间6～6.5h。开坯温度接近于钢中氧化物夹杂的完全熔化温度，轧制过程中夹杂物更易发生塑性变形而细化；加热时间过长容易引起低熔点非晶态夹杂物发生相分离结晶出高熔点夹杂物，加热时间过短起不到高温扩散效果，故在炉内的总加热时间控制在6～6.5h。

实施例1－8：本控制弹簧钢盘条中大尺寸硬质夹杂物的生产方法具体如下所述。

（1）生产工艺：采用上述工艺过程进行生产，各实施例工艺的具体参数见表1，LF精炼工序的炉渣成分见表2。

表1：各实施例的工艺参数

表2：LF工序的炉渣成分（wt.%）

（2）产品成分：各实施例所得弹簧钢盘条的主要化学成分见表3，余量为Fe和不可避免的杂质。

表3：各实施例盘条的主要化学成分（wt%）

（3）检测分析：对本方法所得热轧盘条取样，对盘条纵截面夹杂物进行SEM-EDS检测分析，盘条氧化物夹杂在CaO-SiO₂-Al₂O₃相图上的成分分布如图1所示，落入玻璃化稳定区。各实施例所得盘条的典型夹杂物形貌如图2－图7所示，夹杂物的厚度较小。金相检测过程中未发现厚度超过15μm的夹杂，即在盘条横截面上，夹杂物的直径得到的有效减小。

（4）将φ15mm盘条进行拉拔→φ12.8mm→感应热处理→1960-1980MPa油淬火回火钢丝→卷簧。在油淬火钢丝Nakamura旋转弯曲和弹簧疲劳测试前，材料表面做喷丸强化处理，防止因表面缺陷导致早期疲劳断裂。油淬火钢丝试样规格：φ12.8mm×1000mm，施加弯矩180N•m，疲劳测试转速3500r/min，指定1×10⁷周次为疲劳寿命合格，试样个数：20；弹簧疲劳试验施加载荷837±381MPa，试验频率3.2Hz，指定1×10⁶周次为疲劳寿命极限，试样个数：12。

经测试旋转弯曲疲劳寿命测试合格率为95%，且在旋转弯曲疲劳断口上未发现25μm以上夹杂物；弹簧疲劳测试合格率为100%。

Claims (3)

1.一种控制弹簧钢盘条中大尺寸硬质夹杂物的生产方法，其特征在于：其包括转炉冶炼、LF精炼、连铸和加热开坯工序；

所述转炉冶炼工序：转炉出钢脱氧合金化过程中，采取先碳脱氧后锰硅复合脱氧，锰硅复合脱氧时加入的合金中Mn含量与 Si含量的重量比≥5.0；

所述LF精炼工序：转炉冶炼出钢过程中加入的预熔精炼合成渣进行造渣，目标碱度w(CaO)/w(SiO₂)为0.8～1.2，渣中w(Al₂O₃)≤3%、w(MnO)+w(MgO)≤10%，其余氧化物占比≤5%；

所述连铸工序，连铸大包长水口、中间包塞棒、浸入式水口采用非Al₂O₃-C质耐材；在钢水浇注过程中，大包采取剩钢操作，大包剩钢量≥3.0吨，中间包液面深度控制在900mm及以上，结晶器液面波动控制在±3mm以内；

所述加热开坯工序，大方坯开坯均热段炉温控制在1250±30℃，总加热时间为6～6.5h；

所得盘条经拉拔、热处理、喷丸后，弹簧钢丝的旋转弯曲疲劳寿命达到1×10⁷次以上，加工成的高强度汽车悬架簧疲劳寿命达到1×10⁶以上。

2.根据权利要求1所述的控制弹簧钢盘条中大尺寸硬质夹杂物的生产方法，其特征在于：所述转炉冶炼工序，所述锰硅复合脱氧时加入的合金为锰铁、硅铁和铬铁，且各合金中Al≤0.02wt%；钢包顶渣的加入在转炉出钢合金化完毕后进行。

3.根据权利要求1或2所述的控制弹簧钢盘条中大尺寸硬质夹杂物的生产方法，其特征在于：所述LF精炼工序，在LF整个处理过程钢包进行底吹氩气搅拌，LF总处理时间≥75min，其中软吹氩时间≥40min；LF软吹氩完毕后，控制钢水中酸熔铝Als≤15ppm，溶解氧[O]为10～20ppm。

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