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摘要：对影响弹簧钢质量的诸要素，如钢中酸溶铝（ALs）、脱氧工艺、钢中夹杂物和热处理脱碳层的形成及控制要素等进行了分析，得出以下结论：钢中酸溶铝量值是控制钢水质量的基础数据；通过钢水精炼前到铸坯，夹杂物中AL２O３的质量分数降低了７０％左右，微观夹杂物的数量减少４３％；弹簧钢设计中加入Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ等合金元素，可与Ｃ形成稳定的碳化物，减少脱碳层深度；尽量降低热加工或者热处理时间及温度，能够降低脱碳层深度。
关键词：弹簧钢；质量；夹杂物；脱碳层
前 言：弹簧钢是重要的基础零件材料之一，作为结构材料，在机械、航空、汽车、铁路车辆、轨道扣件、拖拉机等方面广泛使用。弹簧钢品种繁多，常用的有十几个牌号，目前国内以６０Ｓｉ２ＭｎＡ、５１６０Ｈ（美国钢号）、５０ＣｒＶＡ、５５ＳｉＭｎＶＢ、６０ＣｒＭｎ等为主要钢种。汽车和铁路２大行业需求的弹簧钢材占总量的９０％以上。弹簧钢向高性能化方向发展，如近几年汽车轻量化和铁路的不断提速，悬挂弹簧的设计应力不断提高，这要求弹簧具有疲劳和抗弹减的优良性能。弹簧在使用中需要承受多种形式的应力，包括突然的过载，对弹簧钢的力学性能、疲劳性能等有非常严格的要求。为此影响弹簧钢质量的要素分析显得十分重要。
1 影响弹簧钢质量的要素
1.1 钢中酸溶铝（ALs）
较高比例的钢种均采用铝或含铝的复合脱氧剂脱氧，产生AL2O3或含有AL2O3的各种夹杂物，一部分铝则溶入金属母液中。随着温度的变化（冷却），一部分溶入金属母液中的铝和氮结合生成ＡｌＮ，成弥散型，保留在固溶体（奥氏体、铁素体）中。钢中酸溶铝ALs即是固溶体中的铝和ＡｌＮ。在弹簧钢生产工艺流程中：ＢＯＦ或ＥＡＦ—ＬＦ—ＶＤ（或ＲＨ）—ＣＣ，由于每个工艺位置生产工艺条件不同，钢中酸溶铝ALs量值不同，钢中全氧不同，两者体现出钢中夹杂物的化学构成、形态和数量不同，为此，在工艺过程中，酸溶铝ALs量值是控制钢水质量的基础数据，是钢水洁净程度的一个重要指标[1]。
1.2 钢里的非金属夹杂物
1.2.1脱氧工艺分析
钢里氧的含量比较高，使得钢中夹杂物变多，弹簧钢性能变差。减少氧的量与控制钢中夹杂物的成分与形态以及分布成为高质量弹簧钢制造的核心。钢中非金属夹杂物关键来源是内生夹杂，是钢水一次与二次脱氧产物。许多研究资料体现了，弹簧钢的疲劳破坏以及抗弹性减退与钢中的夹杂密切相关，特别是AL２O３或与其它氧化物组成的大型脆性夹杂与点状不变形夹杂物，是破坏钢使用性能的主要因素。
1.2.2夹杂物的控制
弹簧钢中夹杂物组成主要为：Ｄ类夹杂物（点状氧化物），基本都为粗系夹杂物，粒径一般为１５～４０μｍ，有一部分粒径为５０～８０μｍ的大型夹杂物；Ｂ类夹杂物（铝酸盐、钙铝酸盐），粒径为１５～３０μｍ，一部分大型夹杂物粒径和Ｄ类相似；Ａ类夹杂物（硫化物），粒径为５～３０μｍ。控制夹杂物的作用是，采用合适的脱氧工艺减少夹杂的出现（前文所述）。利用精炼工艺对Ａ类、脱氧产物－Ｄ类和Ｂ类脆性夹杂物（钢在轧制变形出现裂纹，降低疲劳强度以及耐磨耐腐性能）进行变性处理转变成塑性夹杂物，或控制脱氧产物是塑性夹杂物。脱氧和精炼以及连铸工艺不一样，钢中每种夹杂物的形态和大小以及数量不一样。并而针对不一样同类型的弹簧钢种，对夹杂物的成分与数量以及粒度存在不同的要求。国内某厂对６０Ｓｉ２ＭｎＡ钢采取了工业生产试验，工艺路线为ＬＤ—ＬＦ—ＶＤ—ＣＣ，精炼过程夹杂物的含量不断降低，尺寸不断减小，形状逐渐改变成球形或者类球形。ＬＦ完成夹杂物从AL２O３到复合夹杂的转变。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆夹杂物中AL２O３的质量分数越来越少，从精炼前的１００％到铸坯中的３０％左右，原因是钢水通过ＶＤ精炼，含有AL２O３的大、中颗粒复合夹杂上浮除掉有点多。针对有些高类型的钢种，如承受拉、弯、压、扭、冲击等载荷的周期性交变应力作用的弹簧，采用ＬＦ加ＶＤ双精炼工艺是必要的，由于皮下脆性夹杂物（Ｄ类夹杂物）和点状不变形夹杂物（Ｂ类夹杂物）变成了疲劳裂纹源，导致疲劳裂纹的扩大，致使弹簧断裂导致弹簧失效。夹杂物影响到了弹簧钢疲劳性能，其一来自于夹杂物的类型、数量、尺寸。如钢中AL２O３夹杂物，在轧制钢材中呈串链状存在，又如含约２０％ＣａＯ之上的钙铝酸盐，在轧材中维持铸态球状。其二是和钢基体结合力弱的尺寸大的脆性夹杂物以及球状不变形夹杂物的危害最大，并且钢的强度越高，夹杂物给疲劳极限所造成的有害影响也越明显。可见，夹杂物的形态控制与其去除程度，是提高弹簧钢力学性能的主要手段。
1.3 热处理脱碳层
1.3.1脱碳层产生原因
脱碳是弹簧钢经常看见的面表缺陷。脱碳层出现的原因为：弹簧钢热处理加热时间越长、加热温度越高、碳化学位梯度的形成（碳的扩散），另外日本学者大谷采取实验验证钢在冷却时的相变也出现了脱碳，但是脱碳程度极小。碳素类弹簧钢碳质量百分数是０．６％～０．９％，合金类弹簧钢碳质量百分数为０．４５％～０．７０％。弹簧钢经常热轧成材或热轧后冷拔成材。大型圆柱弹簧的主要制作工艺为：热绕（９１０℃）—淬火（８３０～８６０℃）—中温回火—喷丸。板弹簧的关键生产工艺是：加热压弯—淬火—中温回火—喷丸。一般情况下热轧与热绕以及淬火加热是在空气炉中进行，金属表面和炉气间存在的化学位梯度是脱碳的动力，流动的炉内气氛和弹簧钢表面间必然导致表面脱碳，淬火很难将表面淬火成马氏体组织，回火后表面强度将明显低于芯部。如弹簧钢６０Ｓｉ２Ｍｎ脱碳层的显微硬度沿层深分布，在脱碳层小于０．１５ｍｍ之内，其硬度在急剧变化。有资料显示，弹簧钢材表面脱碳０．１ｍｍ就会使其疲劳极限显著下降[2]。
1.3.2减小脱碳层厚度
对弹簧钢表面脱碳层的控制，是弹簧钢质量控制即抗疲劳破坏提高、抗弹性减退和抗硬度减退的主要控制的一种手段。合金元素Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂ和Ｃｓ改变弹簧钢的脱碳层厚度。对弹簧钢采取合金设计，加入合金元素能够降低脱碳层厚度。实践证明，弹簧钢中增加比如Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｂ、Ｎｂ和Ｃｓ１种或几种合金元素，因为和碳的亲和力十分强，极易和碳构成非常稳定的碳化物。Ｂ元素形成的碳化物偏聚在晶界上，让晶界的空穴变少，晶界处的原子活动能力降低，从而降低了晶界是扩散道路的意义。此类元素在奥氏体中降低Ｃ的活度，降低脱碳敏感性，让Ｃ的活度系数比１小；相比较非碳化物形成元素Ｓｉ、Ｎｉ和Ｃｏ，提高奥氏体中碳的活动量，活度系数比１大，而碳扩散的驱动力是金属表面与炉气之间具有的碳化学位梯度，在其作用下由化学位高处向化学位低处扩散。为此在弹簧钢中加入碳化物形成元素，抑制Ｃ的活度，使弹簧钢在热处理时减少Ｃ氧化程度，减小脱碳层厚度。
结语
首先，生产高质量弹簧钢的重要条件之一，是控制钢中酸溶铝及钢中ｗ（Ｏ）数值，它是钢中夹杂物控制的基础，在生产工艺中针对冶炼弹簧钢钢种，要协调处理３者关系。使用Ｓｉ／Ｍｎ合金脱氧或Ａｌ预脱氧、Ｂａ合金终脱氧的工艺，可以得到理想的钢中酸溶铝及ｗ（Ｏ）数值，精炼渣加入一定量的ＭｇＯ，当ｗ（ＭｇＯ）为１５％时，形成ＣａＯ－Ｓｉ０２－AL２O３－ＭｇＯ系夹杂存在于低熔点区域最大，约为１９％，可实现塑性化控制。其次，钢水精炼工艺和优化的连铸工艺对钢中夹杂物的组成控制和上浮去除至关重要，从钢水精炼前到铸坯，夹杂物中AL２O３的质量分数减少７０％左右，微观夹杂物的数量减少４３％。
参考文献
[1]杨帆，许璐，孙建军.双金属锯条激光焊焊接质量影响因素的研究[J].焊接技术，2014（11）：66-69.
[2]周英豪，王翔.贵阳特钢60Si2MnA弹簧钢炼钢生产工艺优化[J].建材与装饰，2013（31）：80-81.
论文作者:吴勇仁
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/19
标签：弹簧钢论文; 脱碳论文; 钢水论文; 精炼论文; 弹簧论文; 合金论文; 质量论文; 《建筑学研究前沿》2017年第33期论文;