CN115074604B - 弹簧钢线材及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种弹簧钢线材及其生产方法，生产方法包括工序：铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、大方坯连铸、开坯及修磨、高线轧制和风冷。本生产方法通过对所使用原料成分的把控以及对工序步骤的设计，所生产得到的线材盘条洁净度高、均匀性好且表面质量优良，线材的高周疲劳寿命≥100万次，能够满足螺旋弹簧疲劳试验国标中悬架弹簧疲劳循环作用次数范围的上限。

Description

弹簧钢线材及其生产方法

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地涉及一种弹簧钢线材及其生产方法。

背景技术

弹簧是重要的基础件，广泛应用于汽车、机械、铁路等领域，其中，悬架弹簧在汽车中主要起支撑和减震作用，对汽车安全性有显著影响。因悬架系统导致的安全事故较为常见，这也是汽车召回的主要原因之一。悬架弹簧失效是导致悬架问题的重要原因，作为安全性承载部件，悬架弹簧在服役过程中要承担复杂的高周交变载荷，其失效方式主要是疲劳断裂。因此，提高弹簧疲劳寿命对汽车的安全性有重要意义。悬架弹簧的技术发展趋势总体上是向着轻量化、高应力、高可靠度发展，悬架弹簧设计应力已达到1200MPa，对应的抗拉强度为2000Mpa，高档汽车使用的悬架弹簧设计应力可达1300MPa（抗拉强度达2100Mpa以上）。随着强度的提高，对表面缺陷和夹杂物的敏感性也随之提高。

但现有的弹簧钢中夹杂物尺寸依然较大，如专利CN105121680A规定复合夹杂物的最大直径为40μm以下，专利CN110760748A中单颗粒夹杂物最大宽度小于30μm，且现有弹簧钢表面质量没有有效控制，综合结果导致现有弹簧钢疲劳寿命难以满足高强度悬架弹簧的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种弹簧钢线材及其生产方法。

本发明提供一种弹簧钢线材生产方法，包括以下工序：

铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、大方坯连铸、开坯及修磨、高线轧制和风冷；

其中，所述转炉冶炼工序具体包括：

使用铁水和废钢为原料进行转炉冶炼得到钢水，所述铁水在所述原料中质量比≥90%，并且，在所述铁水成分中，以质量百分比计，Si含量为0.25~0.65%，S含量≤0.04%，Ti含量≤0.06%，在所述废钢成分中，S含量≤0.02%、P含量≤0.04%、Sn含量≤0.04%；

所述转炉冶炼和所述LF精炼工序具体包括：

在对所述钢水冶炼和精炼过程中，分别使用Al含量≤0.010%且Ti含量≤0.008%的硅铁合金对所述钢水进行脱氧处理；

所述修磨工序具体包括：

将所述钢水在所述大方坯连铸工序中浇铸成连铸坯后，采用连轧开坯获得轧坯，对所述轧坯全表面进行修磨，修磨深度控制在≥1mm，并在修磨后的所述轧坯全表面涂覆防脱碳涂料。

作为本发明的进一步改进，所述铁水预脱硫工序具体包括：

对铁水进行KR脱硫，并将所述铁水中S含量控制在≤0.0015%，铁水温度控制在≥1350℃，在扒除脱硫渣后将铁水兑入转炉进行转炉冶炼。

作为本发明的进一步改进，所述转炉冶炼出钢过程还包括：

转炉出钢30%~50%时，在所述钢水中依次加入硅铁合金、金属锰和碳粉进行脱氧合金化；

然后在钢水中加入石灰2.0~4.0kg/t造渣，在出钢过程中使用滑板挡渣，留钢量控制在1~3t，下渣量控制在≤150kg，出钢结束向渣面加入碳化硅1.5~2.5kg/t，对炉渣进行脱氧。

作为本发明的进一步改进，所述LF精炼工序具体包括：

将所述钢水精炼至渣层厚度为50~80mm，在精炼过程控制钢水、炉渣成分以及钢水温度至将LF精炼渣二元碱度控制在1.5~2.0、并将渣中FeO含量控制在≤1.0%。

作为本发明的进一步改进，所述RH真空处理工序具体包括：

将精炼后的所述钢水抽真空进行循环脱气处理，其中，真空度在2mbar以下处理时间控制在≥15min，破空后将所述钢水静置10~20min。

作为本发明的进一步改进，所述大方坯连铸工序具体包括：

在连铸得到连铸坯过程中，压下区间内总压下率控制在5~8%；

压下区间按所述连铸坯凝固中心固相率fs大小分为三段，当0.3≤fs＜0.5时，压下率占比为20%；当0.5≤fs＜0.8时；压下率占比为50%；当0.8≤fs＜1时，压下率占比为30%。

作为本发明的进一步改进，所述大方坯连铸工序还包括：

对钢水进行中间包加热后进行连铸，并且，在换包过程和连铸全程过热度控制在15±5℃。

作为本发明的进一步改进，所述开坯及修磨工序具体包括：

在控制炉内气氛情况下，将所述连铸坯在开坯加热炉中加热及均热保温，在炉时间控制在190~220分钟，并控制所述开坯加热炉内所述连铸坯的温度≤1050℃，其中，在所述炉内气氛成分中，以体积百分比计，H₂O含量≤1%、O₂含量≤0.5%；

开坯后得到轧坯；

在控制炉内气氛情况下，将所述轧坯在轧钢加热炉中加热及均热保温，在炉时间控制在80~110分钟，并控制所述轧钢加热炉内所述轧坯温度≤1050℃，其中，在所述炉内气氛成分中，以体积百分比计，H₂O含量≤1%、O₂含量≤0.5%。

作为本发明的进一步改进，所述开坯及修磨工序还包括：

对所述轧坯全表面进行砂轮全修磨，其中，所述轧坯边部修磨量控制在≥1.0mm，所述轧坯角部修磨量控制在≥1.2mm。

作为本发明的进一步改进，所述风冷工序具体包括：

将在高线轧制工序中得到的所述线材进行控温风冷冷却，风冷线吐丝温度控制在840~860℃。

作为本发明的进一步改进，还包括：

采用打包带对所述线材进行打包，并将打包压力控制在30~32吨。

本发明还提供一种弹簧钢线材，其采用上述的弹簧钢线材生产方法制造得到，所述线材的高周疲劳寿命≥100万次。

作为本发明的进一步改进，所述线材中最大夹杂物尺寸≤15μm，在GB/T10561标准下的A、B、C、D类夹杂物评级均≤1.0级，且A、B、C、D类夹杂物评级之和≤2.0级，Ds类夹杂物评级≤0.5级。

作为本发明的进一步改进，所述线材横截面上尺寸大于10μm的夹杂物面密度≤0.03个/mm²，在所述夹杂物的成分中，以质量百分比计，Al₂O₃含量为10~25%，SiO₂含量为45~65%，CaO含量为15~30%。

作为本发明的进一步改进，在所述线材成分中，以质量百分比计，酸溶铝Als≤0.0010%、O≤0.0015%、N≤0.0030%、Ti≤0.0008%、S≤15ppm。

作为本发明的进一步改进，在所述线材金相组织中，包括索氏体和珠光体，以体积百分比计，马氏体含量≤5%，铁素体含量≤5%。

作为本发明的进一步改进，所述线材横截面上偏析最严重区域与其他基体区域，以质量百分比计，碳含量比值≤1.10、Cr含量比值≤1.2、Mn含量比值≤1.2，且硬度差≤30HV。

作为本发明的进一步改进，所述线材表面无折叠，表面裂纹最大深度≤40μm，所述线材直径为D，其表面脱碳层最大深度≤0.003*D，且其表面无全脱碳层。

本发明还提供一种弹簧钢线材，所述线材的高周疲劳寿命≥100万次；

所述线材中最大夹杂物尺寸≤15μm，在GB/T10561标准下的A、B、C、D类夹杂物评级均≤1.0级，且A、B、C、D类夹杂物评级之和≤2.0级，Ds类夹杂物评级≤0.5级；

所述线材横截面上偏析最严重区域与其他基体区域的碳含量比值≤1.10；

所述线材表面无折叠，表面裂纹最大深度≤40μm，所述线材直径为D，其表面脱碳层最大深度≤0.003*D，且其表面无全脱碳层。

作为本发明的进一步改进，在所述线材成分中，以质量百分比计，酸溶铝Als≤0.0010%、O≤0.0015%、N≤0.0030%、Ti≤0.0008%、S≤15ppm。

作为本发明的进一步改进，所述线材横截面上尺寸大于10μm的夹杂物面密度≤0.03个/mm²，在所述夹杂物的成分中，以质量百分比计，Al₂O₃含量为10~25%，SiO₂含量为45~65%，CaO含量为15~30%。

作为本发明的进一步改进，在所述线材金相组织中，包括索氏体和珠光体，以体积百分比计，马氏体含量≤5%，铁素体含量≤5%。

作为本发明的进一步改进，所述线材横截面上偏析最严重区域与其他基体区域的硬度差≤30HV，以质量百分比计，所述线材横截面上偏析最严重区域与其他基体区域的的Cr含量比值≤1.2，Mn含量比值≤1.2。

本发明的有益效果是：本发明所提供的弹簧钢线材生产方法，在钢材洁净度控制方面，第一，从原料端对铁水、废钢以及脱氧所使用的铁硅合金的成分含量进行限定，并对铁水在原料中的含量占比进行限定来确保钢材生产原料的洁净度。第二，在转炉冶炼和LF精炼工序中对炉渣量、精炼渣二元碱度、FeO含量等参数进行控制，以确保脱氧、脱硫彻底，同时炉渣对夹杂物有优秀吸附能力，且能够避免炉渣对钢液质量造成影响。第三，在RH真空工序和连铸工序中通过中间包钢水加热，进一步使钢液中的夹杂物上浮，最终获得高洁净度的钢材。

在钢材均匀性方面，在大方坯连铸工序中，控制总压下量，依据连铸坯凝固中心固相率fs进行三段式轻压，从而提高心部钢水的流动和均匀性，能够有效地减少因凝固时枝晶搭接所产生的偏析和疏松，并避免压下率过大导致中心裂纹等缺陷。

在钢材表面质量方面，在开坯工序中，通过对炉内气氛成分含量进行限定，减少钢坯表面的氧化而减少脱碳层。在修磨工序中对钢坯全表面进行修磨，以去除脱碳层和表面裂纹，并涂覆防脱碳涂料来防止后续的氧化和脱碳，从而获得高表面质量的钢材。

所提供的弹簧钢线材，洁净度高、均匀性好、表面质量优良，且疲劳性能优异、成本可控，作为悬架弹簧使用时，有利于提高汽车的安全性和使用寿命。

附图说明

图1是本发明一实施方式中一种弹簧钢线材生产方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施方式及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

本实施方式提供一种弹簧钢线材生产方法以及通过该方法所生产得到的弹簧钢线材，线材特别适用于悬架弹簧，本生产方法通过对所使用原料成分的把控以及对工序步骤的设计，所生产得到的线材盘条洁净度高、均匀性好且表面质量优良，线材的高周疲劳寿命≥100万次，能够满足螺旋弹簧疲劳试验国标中悬架弹簧疲劳循环作用次数范围的上限。

如图1所示，弹簧钢线材生产方法，包括以下工序：

S1：铁水预脱硫、S2：转炉冶炼、S3：LF精炼、S4：RH真空处理、S5：大方坯连铸、S6：开坯及修磨、S7：高线轧制、S8：风冷。

在S1铁水预脱硫工序中，其具体包括：

对铁水进行KR脱硫，并将铁水中S含量控制在≤0.0015%，铁水温度控制在≥1350℃，在扒除脱硫渣后将铁水兑入转炉进行转炉冶炼。

所采用的的铁水原料，以质量百分比计，其Si含量为0.25~0.65%，S含量≤0.04%，Ti含量≤0.06%，通过KR法对其进一步脱硫。KR脱硫即通过搅拌头对铁水包熔池进行旋转搅拌，使加入铁水中的脱硫粉剂与铁水充分接触反应，达到脱硫目的，其动力学条件优越，脱硫效果稳定。

在钢中，S易在晶界偏聚，增加晶间断裂倾向，从而增加脆性，且S通常以FeS的形态存在于钢中，由于FeS的熔点低，含S量大时钢的热脆性高，钢材在进行热压力加工时也会产生热脆性，因此在弹簧用钢中，需要严格控制S的含量。

铁水中的Si在转炉冶炼过程中发生氧化放出大量热量，过少导致转炉炼钢过程热量不足，过多容易造成喷溅。Ti和N会结合形成TiN，Ti和N原子在高温下的扩散速度快，析出粒子长大速度快，因此TiN粒子的尺寸一般较大，以2~10μm的尺寸居多，并且TiN夹杂呈方形，有尖锐的棱角，其硬度高不易变形，会严重损害钢的韧性。

因此在原料铁水中对Si、S和Ti的含量进行限定，并进一步在KR脱硫中通过对脱硫剂、搅拌时间等工艺参数进行组合调整，将预脱硫后的铁水中S含量控制在≤0.0015%。将铁水原料成分含量、及预脱硫后S含量进行控制，以在钢水熔炼之初即对有害元素含量进行控制，提高纯净度，从而便于后续对夹杂物进行精细控制。

在S2转炉冶炼工序中，其具体包括：

使用预脱硫后的铁水和废钢为原料进行转炉冶炼得到钢水，铁水在原料中质量比≥90%，在废钢成分中，S含量≤0.02%、P含量≤0.04%、Sn含量≤0.04%。转炉冶炼即不借助外加能源，靠铁水本身的物理热和吹入氧气与铁水组分间化学反应产生热量而在转炉中进行炼钢。

在钢中，P和Sn也为易偏析元素，其含量过高时，会显著降低钢材的低温韧性，并且会使钢的脆性转变温度升高，进而提高了钢的冷脆性。因此在转炉冶炼中，选择S、P和Sn的含量符合要求的优质废钢作为炼钢原料来对有害元素含量进行控制。

具体的，在转炉出钢量在30%~50%时，在钢水中依次加入硅铁合金、金属锰和碳粉进行脱氧合金化。之后在钢水中加入石灰2.0~4.0kg/t造渣，在出钢过程中使用滑板挡渣，留钢量控制在1~3t，下渣量控制在≤150kg，出钢结束向渣面加入碳化硅1.5~2.5kg/t，对炉渣进行脱氧。

其中，脱氧过程中使用Al含量≤0.010%且Ti含量≤0.008%的硅铁合金对钢水进行脱氧处理。

在钢中，Al会和O结合形成Al₂O₃，其在高温阶段形成，尺寸较大，会增加钢的脆性，而且Al₂O₃还容易在钢液中团聚，进一步增大危害性。Ti在钢中的危害也如前文所述，因此对硅铁合金的Al和Ti的含量进行限定。

通过滑板在出钢过程中进行挡渣，并对留钢量和下渣量进行限定，以控制转炉渣进入钢液中的量，避免炉渣过多而对钢液质量造成影响。

在本发明的其他实施方式中，也可添加其他合金元素以对钢材性能作进一步调控，本发明对此不作具体限制。

在S3LF精炼工序中，其具体包括：

在对钢水精炼过程中使用Al含量≤0.010%且Ti含量≤0.008%的硅铁合金对钢水进行脱氧处理；

将钢水精炼至渣层厚度为50~80mm，在精炼过程控制钢水、炉渣成分以及钢水温度至将LF精炼渣二元碱度控制在1.5~2.0、并将渣中FeO含量控制在≤1.0%。

如前文所述，对精炼过程中进行脱氧所使用的硅铁合金的Al和Ti的含量进行限定。

钢中的夹杂物一旦上浮至渣钢界面就应被炉渣牢牢吸附并快速溶解，如果炉渣对夹杂物的吸附能力不够则夹杂物有可能被钢流重新带回到钢液内部，从去除夹杂物的角度出发，炉渣应该既要保持与夹杂物的良好润湿性又要具备快速溶解夹杂物的能力。因此在本实施方式中，控制渣层厚度为50~80mm、并将精炼渣二元碱度控制在1.5~2.0，此时对Al₂O₃的吸附能力较优，且同时拥有良好的脱氧、脱硫能力，从而进一步对钢水中有害元素含量进行控制，最终减少钢中的夹杂物。

FeO会带入Fe²⁺和O^2-，当O^2-含量较高时，会加剧钢水中的回硫，因此对渣中的FeO含量控制在≤1.0%，以避免降低脱硫效果。

在S4RH真空处理工序中，其具体包括：

将精炼后钢水抽真空进行循环脱气处理，其中，真空度在2mbar以下处理时间控制在≥15min，破空后将钢水静置10~20min。

在RH真空处理过程中，在真空度2mbar以下保持至少15min，可以降低钢水中N的含量，并静置10~20min，来促进夹杂物进一步上浮。

在S5大方坯连铸工序中，其具体包括：

对钢水进行中间包加热后进行连铸；

在连铸得到连铸坯过程中，压下区间内总压下率控制在5~8%。压下区间按连铸坯凝固中心固相率fs大小分为三段，当0.3≤fs＜0.5时，压下率占比为20%；当0.5≤fs＜0.8时；压下率占比为50%；当0.8≤fs＜1时，压下率占比为30%。并且，在换包过程和连铸全程过热度控制在15±5℃。

这里利用中间包对钢水进行加热，中间包钢水加热基于电磁感应原理，在中间包钢水中产生感应电流使钢水加热，由于电磁搅拌的作用，能够使钢水中的夹杂物进一步上浮，从而提高钢水纯净度。

中心偏析及疏松是连铸凝固过程产生的典型缺陷之一，连铸坯中心偏析的形成原因为凝固末端两相区内钢水的凝固收缩导致液相体积的减小，从而形成局部压降，该压降将会导致中心附近枝晶间的富集偏析元素钢液流动、汇集并最终凝固，从而形成中心偏析，体积补偿不充分就形成了中心疏松。在弹簧钢中，如果偏析比较严重，线材盘条中很容易形成马氏体等异常组织，在后续加工过程中引起微裂纹，影响弹簧的疲劳寿命。

连铸坯轻压下技术是改善连铸坯凝固过程中心偏析和疏松、提高内部质量的有效手段，特别是动态压下技术，能够有效补偿钢液凝固时富集偏析元素的体积收缩。在本实施方式中，将总压下率控制在5~8%，并依据连铸坯凝固中心固相率fs进行三段式轻压，从而提高心部钢水的流动和均匀性，能够有效地减少因凝固时枝晶搭接所产生的偏析和疏松，并避免压下率过大导致中心裂纹等缺陷。

在S6开坯及修磨工序中，其具体包括：

在控制炉内气氛情况下，将连铸坯在开坯加热炉中加热及均热保温，在炉时间控制在190~220分钟，并控制开坯加热炉内连铸坯的温度≤1050℃，其中，所述炉内气氛成分中，以体积百分比计，H₂O含量≤1%、O₂含量≤0.5%。

开坯后得到轧坯，对轧坯全表面进行修磨，修磨深度控制在≥1mm。

在控制炉内气氛情况下，将轧坯在轧钢加热炉中加热及均热保温，在炉时间控制在80~110分钟，并控制轧钢加热炉内轧坯温度≤1050℃，其中，所述炉内气氛成分中，以体积百分比计，H₂O含量≤1%、O₂含量≤0.5%。

在开坯和热轧前对钢坯的加热及均热保温过程时间较长，在此过程中，钢坯表面的碳会被加热炉中的O₂和H₂O氧化，造成表面碳含量降低，形成脱碳，之后近表面的碳会扩散到表面，使脱碳层逐渐变厚。另外，在之前的连铸工序中，由于连铸过程温度高、时间长，钢坯与空气和水直接接触，也很容易造成表面脱碳。大部分弹簧钢都是高碳高硅成分，脱碳倾向更大，会严重影响弹簧的疲劳寿命。

因此，对加热炉气氛中H₂O和O₂的含量进行控制，以避免气体中的O、N元素对钢坯的影响，防止钢坯氧化，减少夹杂物产生。

具体的，轧坯边部修磨量控制在≥1.0mm，轧坯角部修磨量控制在≥1.2mm。

对轧坯全表面进行修磨，以去除轧坯表面在大方坯连铸和开坯过程中形成的脱碳层，并可同时修磨掉轧坯表面的裂纹，提高钢材的表面质量。

进一步的，在修磨后还包括步骤：

在轧坯全表面涂覆防脱碳涂料。

通过在轧坯表面涂覆防脱碳涂料以进一步对轧坯表面起到保护作用，防止修磨后的轧坯表面在后续过程中再次出现脱碳和氧化。

在高线轧制工序中，将轧制坯轧制为线材盘条，对各道次压下量进行控制以保证在线材表面不产生折叠、耳子和裂纹。

在S8风冷工序中，其具体包括：

将在高线轧制工序中得到的轧后线材进行控温风冷冷却，风冷线吐丝温度控制在840~860℃，当温度在650℃以上时采用快冷，之后采用缓冷。

在风冷工序中，避免冷却速率过快，而导致相变时间不足形成马氏体组织，同时减小内应力，优化组织性能，进而增强盘条的力学性能。

最后还包括打包工序，其具体包括：

采用打包带对所述线材进行打包，并将打包压力控制在30~32吨。

控制打包压力，以避免对线材造成擦伤而影响疲劳寿命。

综上所述，本实施方式所提供的弹簧钢线材生产方法，在钢材洁净度控制方面，第一，从原料端对铁水、废钢以及脱氧所使用的铁硅合金的成分含量进行限定，并对铁水在原料中的含量占比进行限定来确保钢材生产原料的洁净度。第二，在转炉冶炼和LF精炼工序中对炉渣量、精炼渣二元碱度、FeO含量等参数进行控制，以确保脱氧、脱硫彻底，同时炉渣对夹杂物有优秀吸附能力，且能够避免炉渣对钢液质量造成影响。第三，在RH真空工序和连铸工序中通过中间包钢水加热，进一步使钢液中的夹杂物上浮，最终获得高洁净度的钢材。

在钢材均匀性方面，在大方坯连铸工序中，控制总压下量，依据连铸坯凝固中心固相率fs进行三段式轻压，从而提高心部钢水的流动和均匀性，能够有效地减少因凝固时枝晶搭接所产生的偏析和疏松，并避免压下率过大导致中心裂纹等缺陷。

在钢材表面质量方面，在开坯工序中，通过对炉内气氛成分含量进行限定，减少钢坯表面的氧化和脱碳。在修磨工序中对钢坯全表面进行修磨，以去除脱碳层和表面裂纹，并涂覆防脱碳涂料来防止后续的氧化和脱碳，从而获得高表面质量的钢材。

本实施方式还提供一种弹簧钢线材，线材盘条的洁净度高、均匀性好且表面质量优良，其可通过上述生产方法生产得到，线材的高周疲劳寿命≥100万次，能够满足螺旋弹簧疲劳试验国标中悬架弹簧疲劳循环作用次数范围的上限。

下面就洁净度、均匀性和表面质量三个方面对该弹簧钢线材特点进行阐述。

1.洁净度

线材中最大夹杂物尺寸≤15μm。

最大夹杂物尺寸≤15μm是当前普通钢铁冶炼流程对夹杂物控制的最高要求，特别是将本实施方式所提供的线材用于悬架弹簧时，相对于悬架弹簧10~15mm左右的直径，尺寸在15μm以下的夹杂物在线材的截面上基本可以忽略，进而将夹杂物对线材疲劳寿命的影响控制到最小。

进一步的，线材横截面上尺寸大于10μm的夹杂物面密度≤0.03个/mm²，尺寸在10μm以上的夹杂物的成分中，以质量百分比计，Al₂O₃含量为10~25%，SiO₂含量为45~65%，CaO含量为15~30%。

考虑到夹杂物检测存在随机性，本实施方式进一步对线材横截面上的夹杂物面密度进行限定，以进一步降低夹杂物对疲劳寿命的影响。并且，尺寸在10μm以上的夹杂物为低熔点易变形复合夹杂物，其在后续加工和使用过程中不易产生微裂纹，有利于提高弹簧疲劳寿命。

进一步的，线材在GB/T10561标准下的A、B、C、D类夹杂物评级均≤1.0级，且A、B、C、D类夹杂物评级之和≤2.0级，Ds类夹杂物评级≤0.5级。A、B、C、D类夹杂物的评级为常规钢材夹杂物检测中的较高要求，且进一步要求Ds类夹杂物评级≤0.5级，Ds类夹杂物是粒径在13μm以上的点状夹杂物，其对弹簧钢疲劳寿命的影响较大，因此对其评级进行限定。

如前文所述，在弹簧钢中，Al、O、N、Ti是典型的有害元素，须严格控制其含量，在本实施方式所提供的线材成分中，以质量百分比计，酸溶铝Als≤0.0010%、O≤0.0015%、N≤0.0030%、Ti≤0.0008%、S≤15ppm。

2.均匀性

以质量百分比计，线材横截面上偏析最严重区域与其他基体区域碳含量比值≤1.10、Cr含量比值≤1.2、Mn含量比值≤1.2。

在弹簧钢中，当偏析比较严重时，线材盘条中很容易形成马氏体等异常组织，而在后续加工过程中产生微裂纹，导致影响弹簧的疲劳寿命。C是最需要关注的易偏析元素，Cr和Mn是弹簧钢中的重要合金元素，且容易产生偏析。因此将线材横截面上偏析最严重区域的C、Cr和Mn的含量与其他基体区域对比进行限定，从而确保线材具有优良的均匀性。

在本实施方式中，通过如下检测方法进行偏析测定，采用区域内的平均成分进行分析，以保证偏析测量尽可能准确，其包括步骤：

Sa1：将线材加工为金相样品并对其横截面进行腐蚀处理。

Sa2：对腐蚀后线材横截面进行面扫描分析，在区域内选择偏析最严重的偏析斑，沿所述偏析斑外轮廓向内缩进20μm获得第一分析区域A1。

Sa3：对第一分析区域A1进行面扫描成分分析，得到第一分析区域A1的平均成分M1。

Sa4：在同一横截面内，选择除第一分析区域A1外的4个对比分析区域A01、A02、A03和A04，分别对4个对比分析区域进行分析，得到分析区域的成分M01、M02、M03、M04，计算M01~M04的平均成分，记为M0。

Sa5：计算M1与M0的比值，即代表偏析最严重区域内元素M的偏析比。

进一步的，线材横截面上偏析最严重区域与其他基体区域的硬度差≤30HV，通过硬度检测来进一步对均匀性进行表征，当硬度差过大时，线材在拉拔过程中易变形不均匀，而产生微裂纹，因此本发明将硬度差限定为≤30HV。

在本实施方式中，通过如下检测方法进行硬度差测定，以保证硬度差测量尽可能准确，其包括步骤：

取盘条横截面，沿两条十字交叉的直径测试硬度值，测试点之间间距为1.5mm，且测试点距离线材边缘不小于1mm，测试的硬度最大值与最小值之差为盘条的硬度差。

进一步的，在线材金相组织中，包括索氏体和珠光体，以体积百分比计，马氏体含量≤5%，铁素体含量≤5%。

存在马氏体时，拉拔过程易出现微裂纹，影响疲劳寿命。铁素体含量过多时，在感应加热过程中，铁素体不能完全奥氏体化，淬火后不能形成马氏体，组织中存在软点，降低弹簧的疲劳性能。因此限定马氏体和铁素体含量≤5%。

3.表面质量

线材表面无折叠，表面裂纹最大深度≤40μm。

折叠缺陷根部尖锐，在交变载荷作用下很容易发生扩展，对弹簧钢疲劳寿命影响很大，需严格避免。表面裂纹是钢材最常见的表面缺陷之一，裂纹尖端容易造成应力集中，在交变载荷作用下特别容易扩展，导致弹簧疲劳断裂。国标GB/T28300~2012《热轧棒材和盘条表面质量等级交货技术条件》中，明确规定的最严要求是D级，即要求小规格盘条表面裂纹最大深度≤0.15mm。热轧弹簧钢盘条不可能完全避免表面裂纹，大量实际应用表明，40μm以下深度的表面裂纹对悬架弹簧性能影响很小，这也几乎是目前技术中热轧盘条表面裂纹深度的控制极限。因此，本实施方式提供的线材盘条表面裂纹最大深度≤40μm。

为保证裂纹检测的可靠性高，每一炉钢至少要取10个不同盘卷的样品，制成横截面金相样用于表面裂纹分析，所有样品中均不出现40μm以上深度的表面裂纹。

进一步的，线材直径为D，其表面脱碳层最大深度≤0.003*D，且其表面无全脱碳层。

脱碳是钢材另一种常见的表面缺陷，大部分弹簧钢都是高碳高硅成分，脱碳倾向更大，当不对脱碳采取有效措施时，钢坯表面脱碳层深度可达1.5mm，热轧后弹簧钢盘条的表面脱碳层深度可超过150μm，会严重影响弹簧钢的疲劳寿命。因此本实施方式对线材表面的脱碳层深度进行限定，以满足高疲劳寿命弹簧钢的要求。

综上所述，本实施方式所提供的弹簧钢线材，洁净度高、均匀性好、表面质量优良，且疲劳性能优异、成本可控，作为悬架弹簧使用时，有利于提高汽车的安全性和使用寿命。

以下通过6个实施例和4个对比例，进一步对本发明的具体实施方式予以介绍。

实施例1~6以及对比例1~4均提供了一种弹簧钢线材。

实施例1~6采用如下步骤生产。

采用转炉冶炼，转炉中兑入废钢、铁水冶炼。出钢过程采用滑板挡渣，留钢量1~3t，控制下渣量≤150kg，转炉出钢30%~50%时，按顺序加入硅铁合金、金属锰、碳粉脱氧合金化，然后再加入石灰2.0~4.0kg/t造渣，出钢结束向渣面加入碳化硅1.5~2.5kg/t，对炉渣进行脱氧，出钢结束将钢水运至精炼进行处理。

其中所用铁水质量比≥90%，铁水中Si含量为0.25~0.65%、S含量为≤0.04%、Ti含量为≤0.06%，KR脱硫后铁水S含量控制在≤0.0015%，铁水温度控制在≥1350℃。所用废钢中S含量≤0.02%、P含量≤0.02%、Sn含量≤0.03。所用硅铁合金中Al含量≤0.010%、Ti含量≤0.008%。

精炼到渣层厚度控制在50~80mm，精炼过程将钢水、炉渣成分以及钢水温度调整达到目标，LF精炼渣二元碱度控制在1.5~2.0，渣中FeO含量控制在≤1.0%。

运至RH处理位，开始抽真空进行循环脱气处理，真空度在2mbar以下处理时间≥15min，然后破空，再静置10~20min，运至连铸平台浇注。

连铸过热度控制在15±5℃。连铸过程采用大压下，压下区间内总压下率5~8%，压下区间按连铸坯凝固中心固相率fs大小分为三段，0.3≤fs＜0.5时，压下率占比为20%，0.5≤fs＜0.8时，压下率占比为50%，0.8≤fs＜1时，压下率占比为30%。

开坯加热炉在炉时间190~220分钟，炉内连铸坯温度≤1050℃；对开坯后的轧坯进行砂轮全修磨，边部修磨量≥1.0mm，角部修磨量≥1.2mm；在坯料表面涂覆防脱碳涂料后进入轧钢加热炉，轧钢加热炉在炉时间80~110分钟，炉内连铸坯温度≤1050℃。开坯加热炉和热轧加热炉炉内气氛控制要求为：体积百分比H₂O≤1%、O₂≤0.5%。风冷线吐丝温度840~860℃，风冷线辊道速率0.4m/s，风量设定满足650℃以上快冷，之后缓冷。

打包带对线材进行打包，打包压力30~32吨。对比例1~4 打包带对线材进行打包，打包压力34~36吨。

对比例1~4采用如下步骤生产。

采用转炉冶炼，转炉中兑入废钢、铁水冶炼。出钢过程采用挡渣塞挡渣，留钢量0.5~2t，控制下渣量≤200kg，转炉出钢30%~50%时，按顺序加入硅铁合金、金属锰、碳粉脱氧合金化，然后再加入石灰2.0~4.0kg/t造渣，出钢结束向渣面加入碳化硅1.5~2.5kg/t，对炉渣进行脱氧，出钢结束将钢水运至精炼进行处理。其中所用铁水质量比：70~85%，铁水中Si含量0.4~0.7%、S含量≤0.04%、Ti含量≤0.06%，KR脱硫后铁水S≤0.0030%，铁水温度≥1350℃。所用废钢中S含量≤0.03%、P含量≤0.05%、Sn含量≤0.03%。所用硅铁合金中Al含量≤0.020%、Ti含量≤0.015%。

精炼到渣层厚度控制在80~100mm，精炼过程将钢水、炉渣成分以及钢水温度调整达到目标，LF精炼渣二元碱度控制在≥2.5，渣中FeO含量控制在≤1.5%，然后运至RH进行处理。

对比例1和2采用VD处理，处理时间≥15min，破空后静置10min运至连铸平台。

对比例3和4不进行RH或者VD处理，软搅拌25min后运至连铸平台。

连铸过热度控制在25±5℃。连铸过程采用大压下，压下区间内总压下率4~5%，压下区间按连铸坯凝固中心固相率fs大小分为三段，当0.3≤fs＜0.5时，压下率占比为30%，当0.5≤fs＜0.8时，压下率占比为40%，当0.8≤fs＜1时，压下率占比为30%。

开坯加热炉在炉时间220~250分钟，炉内连铸坯温度≥1100℃；对开坯后的轧坯进行砂轮全修磨，边部修磨量≥0.9mm，角部修磨量≥1.0mm；轧钢加热炉在炉时间80~110分钟，炉内连铸坯温度1050~1150℃。开坯加热炉和热轧加热炉炉内气氛控制要求为：体积百分比H₂O≤2%、O₂≤1.0%。风冷线吐丝温度840~860℃，风冷线辊道速率0.4m/s，风量设定满足750℃以上快冷，之后缓冷。

打包带对线材进行打包，打包压力34~36吨。

按照实施例1~6和对比例1~4生产方法所生产的线材盘条各项检测数据如表1所示，其中，偏析指数为线材横截面上偏析最严重区域与其他基体区域元素含量比值，疲劳次数为将实施例1~6与对比例1~4按照相同的工艺制成相同型号的悬架弹簧，并根据GB/T16947-2009螺旋弹簧疲劳试验规范所进行的疲劳试验得到。由表1可知，实施例1~6的夹杂物尺寸、数量都明显小于对比例1~4，且实施例1~6的偏析情况也明显优于对比例1~4。实施例1~6的疲劳寿命优于对比例1~4，疲劳次数也都在100万次以上。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种弹簧钢线材生产方法，其特征在于，包括以下工序：

铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、大方坯连铸、开坯及修磨、高线轧制和风冷；

其中，所述转炉冶炼工序具体包括：

使用铁水和废钢为原料进行转炉冶炼得到钢水，所述铁水在所述原料中质量比≥90%，并且，在所述铁水成分中，以质量百分比计，Si含量为0.25~0.65%，S含量≤0.04%，Ti含量≤0.06%，在所述废钢成分中，S含量≤0.02%、P含量≤0.04%、Sn含量≤0.04%；

所述铁水预脱硫工序具体包括：

对铁水进行KR脱硫，并将所述铁水中S含量控制在≤0.0015%，铁水温度控制在≥1350℃，在扒除脱硫渣后将铁水兑入转炉进行冶炼；

所述转炉冶炼和所述LF精炼工序具体包括：

在对所述钢水冶炼和精炼过程中，分别使用Al含量≤0.010%且Ti含量≤0.008%的硅铁合金对所述钢水进行脱氧处理；

将所述钢水精炼至渣层厚度为50~80mm，在精炼过程控制钢水、炉渣成分以及钢水温度至满足目标，并将LF精炼渣二元碱度控制在1.6~2.00、将渣中FeO含量控制在≤1.0%；

所述开坯及修磨工序具体包括：

在控制炉内气氛情况下，将所述连铸坯在开坯加热炉中加热及均热保温，在炉时间控制在190~220分钟，并控制所述开坯加热炉内所述连铸坯的温度≤1050℃，其中，在所述炉内气氛成分中，以体积百分比计，H₂O含量≤1%、O₂含量≤0.5%；

开坯后得到轧坯；

在控制炉内气氛情况下，将所述轧坯在轧钢加热炉中加热及均热保温，在炉时间控制在80~110分钟，并控制所述轧钢加热炉内所述轧坯温度≤1050℃，其中，在所述炉内气氛成分中，以体积百分比计，H₂O含量≤1%、O₂含量≤0.5%；

所述修磨工序具体包括：

对所述轧坯全表面进行修磨，修磨深度控制在≥1mm，并在修磨后的所述轧坯全表面涂覆防脱碳涂料；

所述线材横截面上尺寸大于10μm的夹杂物面密度≤0.03个/mm²，在所述夹杂物的成分中，以质量百分比计，Al₂O₃含量为10~25%，SiO₂含量为45~65%，CaO含量为15~30%；在所述线材成分中，以质量百分比计，酸溶铝Als≤0.0010%、O≤0.0015%、N≤0.0030%、Ti≤0.0008%、S≤15ppm。

2.根据权利要求1 所述的弹簧钢线材生产方法，其特征在于，所述转炉冶炼出钢过程还包括：

转炉出钢30%~50%时，在所述钢水中依次加入硅铁合金、金属锰和碳粉进行脱氧合金化；

然后在钢水中加入石灰2.0~4.0kg/t造渣，在出钢过程中使用滑板挡渣，留钢量控制在1~3t，下渣量控制在≤150kg，出钢结束向渣面加入碳化硅1.5~2.5kg/t，对炉渣进行脱氧。

3.根据权利要求1所述的弹簧钢线材生产方法，其特征在于，所述RH真空处理工序具体包括：

将精炼后的所述钢水抽真空进行循环脱气处理，其中，真空度在2mbar以下处理时间控制在≥15min，破空后将所述钢水静置10~20min。

4.根据权利要求1所述的弹簧钢线材生产方法，其特征在于，所述大方坯连铸工序具体包括：

在连铸得到连铸坯过程中，压下区间内总压下率控制在5~8%；

压下区间按所述连铸坯凝固中心固相率fs大小分为三段，当0.3≤fs＜0.5时，压下率占比为20%；当0.5≤fs＜0.8时；压下率占比为50%；当0.8≤fs＜1时，压下率占比为30%。

5.根据权利要求1所述的弹簧钢线材生产方法，其特征在于，所述大方坯连铸工序还包括：

对钢水进行中间包加热后进行连铸，并且，在换包过程和连铸全程过热度控制在15±5℃。

6.根据权利要求1所述的弹簧钢线材生产方法，其特征在于，所述开坯及修磨工序还包括：

对所述轧坯全表面进行砂轮全修磨，其中，所述轧坯边部修磨量控制在≥1.0mm，所述轧坯角部修磨量控制在≥1.2mm。

7.根据权利要求1所述的弹簧钢线材生产方法，其特征在于，所述风冷工序具体包括：

将在高线轧制工序中得到的所述线材进行控温风冷冷却，风冷线吐丝温度控制在840~860℃。

8.根据权利要求1所述的弹簧钢线材生产方法，其特征在于，还包括：

采用打包带对所述线材进行打包，并将打包压力控制在30~32吨。

9.一种弹簧钢线材，其特征在于，其采用权利要求1~8中任一项所述的弹簧钢线材生产方法制造得到，所述线材的高周疲劳寿命≥100万次。

10.根据权利要求9所述的弹簧钢线材，其特征在于，所述线材中最大夹杂物尺寸≤15μm，在GB/T10561标准下的A、B、C、D类夹杂物评级均≤1.0级，且A、B、C、D类夹杂物评级之和≤2.0级，Ds类夹杂物评级≤0.5级。

11.根据权利要求9所述的弹簧钢线材，其特征在于，在所述线材金相组织中，包括索氏体和珠光体，以体积百分比计，马氏体含量≤5%，铁素体含量≤5%。

12.根据权利要求9所述的弹簧钢线材，其特征在于，所述线材横截面上偏析最严重区域与其他基体区域，以质量百分比计，碳含量比值≤1.10、Cr含量比值≤1.2、Mn含量比值≤1.2，且硬度差≤30HV。

13.根据权利要求10所述的弹簧钢线材，其特征在于，所述线材表面无折叠，表面裂纹最大深度≤40μm，所述线材直径为D，其表面脱碳层最大深度≤0.003*D，且其表面无全脱碳层。

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