CN115247240A - 过共析弹簧钢盘条及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种过共析弹簧钢盘条及其生产方法，通过高C含量来提升盘条自身强度和成品弹簧钢丝的强度，结合低Si的成分设计，消除了因高Si带来的脱碳层较厚的问题，提高了盘条的表面质量，使得本发明的弹簧钢盘条在实现高强高塑性提升的同时，疲劳寿命得到提升。在采用低Si和低Mn合金成分设计的情况下，通过对生产流程中工艺参数进行控制，从而对偏析程度及夹杂物类型和尺寸进行调控，并通过对洁净度和偏析的控制来提高钢材的强度。
Description
技术领域
本发明涉及合金技术领域，具体地涉及一种过共析弹簧钢盘条及其制造方法。
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。弹簧在服役过程中要承担复杂的载荷，其失效方式主要是疲劳断裂。过共析钢是指碳含量＞0.76%的钢材，其具有强度高、加工硬化率高、拉丝性能好等优点，广泛应用于钢绞线、缆索、钢丝绳、弹簧等领域。在铁碳二元系统中，0.76%的碳含量是热力学共析点，理论上缓慢冷却后得到100%的共析珠光体组织。对碳含量＞0.76%的过共析钢，理论上在缓慢冷却过程中，会在共析转变以上的温度形成先共析渗碳体组织，当先共析渗碳体比较严重时就会在奥氏体晶界上连成网状，这种网状碳化物对高碳钢是一种致命缺陷，破坏了基体的连续性，很容易导致拉拔断丝。
现有技术大部分通过采用高硅或高锰的化学元素设计，并配合冶炼和轧制工艺优化，来提高盘条的各项性能。但是硅的增加容易提高弹簧钢的脱碳倾向，增加脱碳层厚度，降低疲劳性能。而采用高锰的成分设计，对于盘条控轧控冷的难度也会增加，容易出现马氏体等异常组织，导致拉拔断丝以及疲劳断裂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种过共析弹簧钢盘条及其制造方法。
本发明提供一种过共析弹簧钢盘条生产方法，包括步骤：
所述盘条的化学成分以质量百分比计包括：C:0.90~0.94%、Si:0.15~0.25%、Mn:0.30~0.50%、Cr:0.15~0.25%以及余量的铁和杂质，部分有害杂质元素要求为Ti≤0.0008%、Al≤0.002%、S≤0.003%、O≤0.002%、N≤0.004%；
所述生产方法包括步骤：
按照上述化学成分配比，依次通过铁水脱硫、转炉冶炼和LF精炼进行冶炼得到钢液；
将所述钢液通过连铸工序铸造形成连铸坯；
将所述连铸坯通过连轧开坯工序轧制得到中间坯；
将所述中间坯进行高线轧制得到盘条；
在所述LF精炼工序中，采用碱度为0.95~1.05的精炼渣进行造渣处理，使所述盘条内Al2O3类夹杂物尺寸≤10μm，TiN类夹杂物尺寸≤5μm，其余夹杂物类型为CaO-SiO2-MgO-Al2O3-MnO系复合夹杂物，其中，在所述复合夹杂物中SiO2组分含量为50~70%。
作为本发明的进一步改进，在将所述钢液通过连铸工序铸造形成连铸坯之后，还包括：
将所述连铸坯送入保温坑保温，在送入所述保温坑时，将所述连铸坯角部温度控制在600~800℃的范围内，保温时间控制在≥60h。
作为本发明的进一步改进，所述将所述连铸坯通过连轧开坯工序轧制得到中间坯，具体包括：
采用9台机架对所述连铸坯进行连轧处理，所述机架间轧辊进行水冷，水冷水压控制在6~7bar，将开坯后得到的所述中间坯表面温度控制在650~700℃。
作为本发明的进一步改进，在轧制得到所述中间坯后，还包括：
对所述中间坯进行全表面修磨处理，去除所述中间坯表面在连铸和开坯过程中形成的脱碳层和裂纹。
作为本发明的进一步改进，所述对所述中间坯进行全表面修磨处理，具体包括：
对所述中间坯进行全表面修磨处理，其中，所述中间坯面部修磨深度不小于1mm，所述中间坯角部修磨深度不小于1.3mm。
作为本发明的进一步改进，还包括：
将所述连铸坯经开坯轧制工序和高线轧制工序轧制得到盘条的总压缩比控制为不小于2000倍。
一种过共析弹簧钢盘条，采用上述的过共析弹簧钢盘条生产方法制造得到。
作为本发明的进一步改进，在所述盘条横截面上，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，所述盘条横截面偏析最严重区域与所述盘条基体区域的碳含量比值≤1.08。
作为本发明的进一步改进，所述盘条表面无折叠，表面裂纹深度≤30μm，表面脱碳层深度≤线材直径×0.003，表面无全脱碳层。
作为本发明的进一步改进，所述盘条直径为5~8mm，抗拉强度为1180~1320MPa，断面收缩率为35~45%，断后伸长率为12~16%，屈强比为1.20~1.60。
本发明的有益效果是：本发明通过高C含量来提升盘条自身强度和成品弹簧钢丝的强度，结合低Si的成分设计，消除了因高Si带来的脱碳层较厚的问题，提高了盘条的表面质量，使得本发明的弹簧钢盘条在实现高强高塑性提升的同时，疲劳寿命得到提升。在采用低Si和低Mn合金成分设计的情况下，通过对生产流程中工艺参数进行控制，从而对偏析程度及夹杂物类型和尺寸进行调控，并通过对洁净度和偏析的控制来提高钢材的强度。
附图说明
图1是本发明一实施方式中过共析弹簧钢盘条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。
下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本实施方式提供一种过共析弹簧钢盘条及其生产方法，所提供的过共析弹簧钢盘条相比于现有弹簧钢盘条，采用高C、低Si、低Mn的合金体系，避免了添加过多Si可能带来的脱碳问题，及添加过多Mn导致的控轧控冷难度增加等问题。在Si和Mn添加量较少的情况下，在钢液精炼过程中采用中低碱度的精炼渣，减少了最终钢材中Al2O3类夹杂物的含量，将夹杂物类型控制为低熔点夹杂体系，以提高其在开坯轧制和高线轧制过程中的变形能力，使其在轧制时能够随钢材基体一起延伸并与基体保持良好的结合，从而显著降低夹杂物的危害作用，提高盘条强度。
本实施方式提供的盘条的化学成分以质量百分比计包括：C:0.90~0.94%、Si:0.15~0.25%、Mn:0.30~0.50%、Cr:0.15~0.25%以及余量的铁和杂质，部分有害杂质元素要求为Ti≤0.0008%、Al≤0.002%、S≤0.003%、O≤0.002%、N≤0.004%。
具体地，盘条的化学成分的设计原理说明如下：
C：作为钢材中重要的强化元素，提高C含量有助于增加钢材的强度，同时C也是最经济的强化元素，但是C的增加容易导致形成晶界渗碳体的产生，对组织均匀性造成破坏，因此必须严格控制连铸坯的偏析指数。在本发明中，形成高C含量的过共析钢，C含量以质量百分比计为0.90~0.94%。
Cr：Cr作为碳化物形成元素，在钢种中主要以合金渗碳体的形式存在。Cr可以提高钢材的淬透性，在同样的控冷条件下可以细化珠光体片层间距。并且Cr可以有效提高钢材的淬透性，扩展回火的工艺窗口，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能。另外，Cr在渗碳钢中还可以形成含Cr的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性。此外，Cr在钢中会形成碳化物，能够降低高温下碳的活度，有利于抑制脱碳。但当Cr含量过高时，会使钢材具有回火脆性，在焊接时易产生裂纹，降低焊接热影响区的韧性，因此，控制Cr含量以质量百分比计为0.15~0.25%。
Si：Si作为铁素体强化元素，能够通过固溶强化提高盘条自身强度，从而提高钢材的弹性性能。同时Si也是促进脱碳的元素，能够促进渗碳体石墨化，降低盘条塑性，Si含量越高，钢材的脱碳倾向越大，增加脱碳层厚度，会降低钢材疲劳性能。因此，综合弹簧钢的特点，本发明采用低硅的设计思路，控制Si含量以质量百分比计为0.15~0.25%。
Mn：Mn为固溶强化元素，可以提高盘条的淬透性，从而提高其强度，且不对盘条的低温韧性造成影响。并且Mn还可以提高奥氏体稳定性，降低相变温度，从而提高钢材强度。同时Mn也是良好的脱氧剂和脱硫剂，其可以与有害元素S结合以降低盘条的热脆性。但Mn含量的提高对于盘条控轧控冷的难度也会增加，且在钢材中容易形成马氏体等异常组织，导致拉拔断丝以及疲劳断裂等问题。因此，控制本发明Mn含量以质量百分比计在0.30～0.50%。
在采用低Si和低Mn合金成分设计的情况下，本发明通过对夹杂物类型和尺寸进行调控、及通过对洁净度和偏析的控制来提高钢材的强度。
如图1所示，过共析弹簧钢盘条生产方法包括步骤：
S1：按照上述化学成分配比，依次通过铁水脱硫、转炉冶炼和LF精炼进行冶炼得到钢液，在LF精炼工序中，采用碱度为0.95~1.05的精炼渣进行造渣处理。
S2：将钢液通过大方坯连铸工序铸造形成连铸坯，将连铸坯送入保温坑保温。
S3：将连铸坯通过连轧开坯工序轧制得到中间坯，并对中间坯进行全表面修磨处理。
S4：将中间坯进行高线轧制得到盘条，盘条内Al2O3类夹杂物尺寸≤10μm，TiN类夹杂物尺寸≤5μm，其余夹杂物类型为CaO-SiO2-MgO-Al2O3-MnO系复合夹杂物，其中，在复合夹杂物中SiO2组分含量为50~70%。
在步骤S1中，铁水脱硫、转炉冶炼和LF精炼工序分别包括：
在铁水脱硫工序中，采用KR脱硫技术，在铁水包中加入石灰进行脱硫处理，经扒渣处理后控制铁水中S含量在0.002%以下。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。
通过预脱硫将铁水中的硫含量降至较低的水平，可以避免后续精炼工序中因大量脱硫而产生卷渣或强烈的渣金反应，从而减少了钢液中大尺寸夹杂物的产生，可以有效控制夹杂物的类型、降低夹杂物的尺寸。
在转炉冶炼中，将经脱硫的铁水移入转炉，加入优质废钢，进行吹氧冶炼，出钢1/4时，加入脱氧合金，底吹氩气流量控制为800~1200Nm3/h，避免出钢下渣，其中，所述优质废钢满足：S≤0.02％，P≤0.02％。
通过脱氧合金化处理，一方面，可以降低钢液中的O含量，大幅降低脱氧过程形成的氧化物含量，并减少脱氧合金化过程引起钢液中N含量的增加，从而有效避免氧化钛、氧化铝、氮化钛等脆性夹杂物的产生，提高盘条的洁净度。
在LF精炼工序中，加入合金料，微调化学成分接近目标成分，通电将钢水温度升高至1560℃以上，加入碱度范围为0.95~1.05的合成渣进行造渣处理，通过添加石灰，精炼处理完毕，进行软搅拌处理，软搅拌时间为20分钟以上。
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和N结合所形成的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。
将精炼渣碱度控制在0.95~1.05，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。通常在实际生产过程中，由于钢包受到侵蚀，夹杂物中会含有一定量的MgO，因此在本实施方式中，除Al2O3和TiN外，主要夹杂物类型为CaO-SiO2-MgO-Al2O3-MnO系复合夹杂物。
影响夹杂物塑性的主要因素是其熔点，夹杂物的熔点和热膨胀性与夹杂物自身的成分密切相关，因此，可以通过控制夹杂物成分以达到控制夹杂物塑性化。在精炼过程中，本实施方式通过将精炼渣碱度控制在0.95~1.05，来将复合夹杂物中SiO2组分含量控制在50~70%，通过采用低碱度的精炼渣形成低熔点塑性夹杂物。另外，随着渣中SiO2含量的升高，与精炼渣平衡的钢液中O含量也随之升高，为保证弹簧钢盘条的疲劳寿命，需要避免过高的O含量，同时为保证夹杂物落在低熔点区域，因此，将SiO2组分含量控制在50~70%。
将夹杂物类型控制为低熔点夹杂体系，可以提高其在开坯轧制和高线轧制过程中的变形能力，使其在轧制时能够随钢材基体一起延伸并与基体保持良好的结合，从而显著降低夹杂物的危害作用。
通过软搅拌可以很好地去除夹杂物，通过控制底吹氩气的流量，一方面使夹杂物充分上浮，另一方面避免卷入精炼渣。
在步骤S2中，其具体包括：
采用5机5流大方坯连铸机，断面尺寸为300mm×390mm，控制过热度15~25℃进行浇铸，拉速为0.65m/min，并开启结晶器电磁搅拌，电流控制为750A，频率为1.5Hz，连铸总压下量控制为26mm。
在连铸过程中采用25mm以上的大压下量，可以起到焊合内部缩孔的作用，从而降低偏析。
基于电磁感应原理通过中间包对钢水进行加热，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上浮，从而进一步提高钢水纯净度。
在连铸后，将连铸坯角部温度控制在600~800℃的范围内送入保温坑进行保温，保温时间控制在≥60h。保温坑在炼钢连铸与轧钢加热炉之间起着生产的缓冲和协调作用，将连铸坯放置于其内可以减缓连铸坯的冷却速度，减少热量损失。
在步骤S3中，其具体包括：
采用9台机架对连铸坯进行连轧处理，机架间轧辊进行水冷，水冷水压控制在6~7bar，将开坯后得到的中间坯表面温度控制在650~700℃。
开坯轧制得到中间坯后，对中间坯进行全表面修磨处理，其中，中间坯面部修磨深度不小于1mm，中间坯角部修磨深度不小于1.3mm。对中间坯全表面进行修磨，以去除中间坯表面在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，在步骤S3和步骤S4中，将连铸坯经开坯轧制工序和高线轧制工序轧制得到盘条的总压缩比控制为不小于2000倍。
本实施方式还提供一种过共析弹簧钢盘条，其采用上述的过共析弹簧钢盘条生产方法制造得到。盘条直径为5~8mm，抗拉强度为1180~1320MPa，断面收缩率为35~45%，断后伸长率为12~16%，屈强比为1.20~1.60。
在盘条横截面上，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。
盘条横截面偏析最严重区域与盘条基体区域的碳含量比值≤1.08。
盘条表面无折叠，表面裂纹深度≤30μm，表面脱碳层深度≤线材直径×0.003，表面无全脱碳层。
将盘条制造成直径≤1.0mm的弹簧钢丝，弹簧钢丝的抗拉强度≥2800MPa，疲劳寿命达到100万次以上。
综上所述，本实施方法通过高C含量来提升盘条自身强度和成品弹簧钢丝的强度，结合低Si的成分设计，消除了因高Si带来的脱碳层较厚的问题，提高了盘条的表面质量，使得本发明的弹簧钢盘条在实现高强高塑性提升的同时，疲劳寿命得到提升。在采用低Si和低Mn合金成分设计的情况下，通过对生产流程中工艺参数进行控制，从而对偏析程度及夹杂物类型和尺寸进行调控，并通过对洁净度和偏析的控制来提高钢材的强度。
以下通过2个实施例进一步对本发明的具体实施方式予以介绍。
实施例1和2均提供了一种共析弹簧钢盘条，化学成分以质量百分比计如表1所示。
实施例1和2均按照上述的共析弹簧钢盘条制造方法进行制造，对实施例1和2的盘条的组织和力学性能分别进行检测，结果如表2~4。
对实施例1和2中的盘条进行拉拔和绕簧，并进行淬回火处理，最终拉拔形成直径为0.9mm的弹簧钢丝，弹簧钢丝抗拉强度分别达到了2860MPa和3020MPa，经疲劳性能检测，疲劳寿命分别为120万次和108万次。
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 (11)
1.一种过共析弹簧钢盘条生产方法，其特征在于，包括步骤：
所述盘条的化学成分以质量百分比计包括：C:0.90~0.94%、Si:0.15~0.25%、Mn:0.30~0.50%、Cr:0.15~0.25%以及余量的铁和杂质，部分有害杂质元素要求为Ti≤0.0008%、Al≤0.002%、S≤0.003%、O≤0.002%、N≤0.004%；
所述生产方法包括步骤：
按照上述化学成分配比，依次通过铁水脱硫、转炉冶炼和LF精炼进行冶炼得到钢液；
将所述钢液通过连铸工序铸造形成连铸坯；
将所述连铸坯通过连轧开坯工序轧制得到中间坯；
将所述中间坯进行高线轧制得到盘条；
在所述LF精炼工序中，采用碱度为0.95~1.05的精炼渣进行造渣处理，使所述盘条内Al2O3类夹杂物尺寸≤10μm，TiN类夹杂物尺寸≤5μm，其余夹杂物类型为CaO-SiO2-MgO-Al2O3-MnO系复合夹杂物，其中，在所述复合夹杂物中SiO2组分含量为50~70%。
2.根据权利要求1所述的过共析弹簧钢盘条生产方法，其特征在于，在将所述钢液通过连铸工序铸造形成连铸坯之后，还包括：
将所述连铸坯送入保温坑保温，在送入所述保温坑时，将所述连铸坯角部温度控制在600~800℃的范围内，保温时间控制在≥60h。
3.根据权利要求1所述的过共析弹簧钢盘条生产方法，其特征在于，所述将所述连铸坯通过连轧开坯工序轧制得到中间坯，具体包括：
采用9台机架对所述连铸坯进行连轧处理，所述机架间轧辊进行水冷，水冷水压控制在6~7bar，将开坯后得到的所述中间坯表面温度控制在650~700℃。
4.根据权利要求3所述的过共析弹簧钢盘条生产方法，其特征在于，在轧制得到所述中间坯后，还包括：
对所述中间坯进行全表面修磨处理，去除所述中间坯表面在连铸和开坯过程中形成的脱碳层和裂纹。
5.根据权利要求4所述的过共析弹簧钢盘条生产方法，其特征在于，所述对所述中间坯进行全表面修磨处理，具体包括：
对所述中间坯进行全表面修磨处理，其中，所述中间坯面部修磨深度不小于1mm，所述中间坯角部修磨深度不小于1.3mm。
6.根据权利要求1所述的过共析弹簧钢盘条生产方法，其特征在于，还包括：
将所述连铸坯经开坯轧制工序和高线轧制工序轧制得到盘条的总压缩比控制为不小于2000倍。
7.一种过共析弹簧钢盘条，其特征在于，采用权利要求1~6中任一项所述的过共析弹簧钢盘条生产方法制造得到。
8.根据权利要求7所述的过共析弹簧钢盘条，其特征在于，在所述盘条横截面上，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。
9.根据权利要求7所述的过共析弹簧钢盘条，其特征在于，所述盘条横截面偏析最严重区域与所述盘条基体区域的碳含量比值≤1.08。
10.根据权利要求7所述的过共析弹簧钢盘条，其特征在于，所述盘条表面无折叠，表面裂纹深度≤30μm，表面脱碳层深度≤线材直径×0.003，表面无全脱碳层。
11.根据权利要求7所述的过共析弹簧钢盘条，其特征在于，所述盘条直径为5~8mm，抗拉强度为1180~1320MPa，断面收缩率为35~45%，断后伸长率为12~16%，屈强比为1.20~1.60。
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