異型鋼絲用65Mn熱軋盤條的生產實踐

曹樹衛 王曉燕 翟林甫

(1.安陽鋼鐵集團有限責任公司; 2.北京科技大學)

0 前言

汽車、發動機制造業和鐵路行業是彈簧鋼的主要用戶，因此彈簧極其苛刻的工作條件就決定了對彈簧鋼的要求也十分嚴格。65Mn是普遍采用的彈簧鋼，具有良好的淬透性、強韌性及脫碳傾向性小的特點，主要用于制作發條、異型鋼絲、座墊彈簧、扁彈簧及氣門簧等，因此根據用途要求的不同對彈簧鋼純凈度等多項性能指標要求也迥然不同。

自2010年以來，安鋼不斷加大對彈簧鋼產品的開發和工藝研究力度，并陸續開發生產了多個彈簧鋼牌號，目前這些產品生產工藝成熟、性能穩定，數萬噸彈簧鋼盤條已廣泛應用于鐵路行業、汽車制造、重點工程等多個領域。筆者針對65Mn盤條在生產使用過程中出現的開裂問題進行了分析，通過采取措施、優化生產工藝，問題得到了有效的解決。

1 生產工藝

1.1 工藝流程

65Mn盤條生產工藝流程：高爐鐵水→100 t轉爐→LF精煉→150 mm×150 mm方坯連鑄→方坯加熱→高速線材控軋→吐絲機→斯太爾摩冷卻→集卷→打包→稱重、貼標簽→入庫。主要設備包括：1座100 t頂底復吹轉爐、2座100 t LF精煉爐、1臺六機六流方坯連鑄機、1座步進梁式加熱爐、一套帶減定徑機組的摩根六代軋機。該流程可生產規格為Ф5.5 mm ～Ф22 mm 的線材。

1.2 化學成分

65Mn彈簧鋼盤條具有高碳及低合金鋼的特點，其盤條經拉拔后用于制造機械彈簧，傳統的方法需進行鉛淬火以獲得索氏體組織，從而獲得較好的綜合力學性能［1］。因此希望 65Mn盤條強度在1050 MPa～1150 MPa范圍內，使其具有良好的組織性能。化學成分控制是在GB/T 1222-2007規定范圍內采用了更加嚴格的安鋼內控標準。65Mn的化學成分控制要求見表1。

表1 65Mn的化學成分控制要求%

1.3 煉鋼連鑄工藝

65Mn轉爐冶煉選用低硫、低磷鐵水和自產的優質廢鋼;采用“高拉碳”生產工藝，盡量減少點吹次數，最多不超過2次;轉爐終點P控制在0.015%以下，并使終點C含量進限;轉爐出鋼過程中采用CaC2預脫氧，同時為減輕LF精煉負擔，使夾雜物在精煉過程中有充足時間上浮，在轉爐出鋼過程中加預頂渣。

冶煉65Mn需要高堿度爐渣，但堿度過高影響爐渣的流動性，反而對去磷不利，實踐表明，爐渣堿度控制在3.0～3.5之間較為合適。活性白灰根據這個堿度配加，保證爐內的渣量［2］。65Mn精煉中采用石灰和螢石造渣，添加電石造泡沫渣，每爐總渣使用量約350 kg;為保證夾雜物充分上浮和降低鋼中的氧含量，要保證足夠的精煉時間和白渣保持時間;在所有成分進入控制目標范圍內時喂一定量的Fe-Ca線;喂絲后弱攪拌時間不低于10 min。

連鑄采用全程保護澆鑄，采用低過熱度和合理的拉速，實際控制過熱度為20℃ ～30℃，拉速為2.1 m/min～2.3 m/min;為減輕鑄坯中心偏析，除對過熱度和拉速的嚴格控制外，還采用結晶器電磁攪拌和二冷區弱冷水表，弱的二次冷卻能夠減少中心偏析和改善鑄坯結晶組織，抑制柱狀晶生長，增加等軸晶區［3］。

1.4 控軋控冷工藝

高碳鋼線材產品要求具有較高的抗拉強度，與低碳鋼的強韌化機理不同，高碳鋼的強化機理主要是通過獲得索氏體組織來提高產品的強度。因此為了獲得較高的索氏體含量，需要過冷奧氏體相變發生在溫度較低的區域。為了達到此目的，一方面應提高過冷奧氏體的穩定性;另一方面應提高軋后的冷卻速度，增加過冷度，降低過冷奧氏體向珠光體轉變溫度。65Mn熱軋盤條要求組織為索氏體+珠光體+少量鐵素體，不允許馬氏體存在，要求索氏體比例達到80%以上，平均晶粒度達到7級以上。

為減少或避免成品的脫碳傾向，加熱溫度按照中下限控制，加熱段：1000℃ ～1050℃，均熱鍛：1070℃ ～1120℃，保證了開軋溫度960℃ ～1000℃;軋制過程通過對水箱水量的控制實現對精軋機入口溫度、減定徑入口溫度和吐絲溫度的精確控制，并使吐絲溫度控制在900℃以下。

對不同規格控冷工藝也有所不同，這里以Ф6.5 mm典型規格為例介紹采用控軋控冷工藝所得的的產品組織性能情況。

盤條吐絲后散落在斯太爾摩冷卻輥道上，調節佳靈裝置和風機風量改善盤條在輥道上的冷卻差別;選用較快的輥道速度以增大環間距;選用先快速冷卻后緩慢冷卻的生產工藝，即吐絲后先快速冷卻，待到完成相變后關閉風機和加蓋保溫罩;生產中測得相變冷卻速度為12.5℃/s。

2 產品實物質量

65Mn屬于高碳鋼，同時Mn含量又高于優質碳素結構鋼，因此產品實物的組織性能控制難度相對要大一些，既要保證盤條具有較高的強度及均勻性，也不能使組織中出現異常組織，并且盡可能縮短自然時效周期。

2.1 力學性能

在正常工業化生產Ф6.5 mm規格65Mn熱軋盤條過程中，切除頭尾10圈后隨機抽取了5個搭接點試樣和5個非搭接點試樣進行力學性能檢測，65Mn熱軋態同圈性能見表2。

表2 65Mn熱軋態通圈性能

由表2可以看出，Φ6.5 mm規格65Mn熱軋態同圈性能波動較小，搭接處與非搭接處的強度值差別甚小，在40 MPa以內，斷面收縮率均在50%以上，且在搭接點與非搭接點不同位置沒有明顯的差別。

2.2 金相組織

從軋制成品的Φ6.5 mm盤條切除未穿水段后進行取樣分析，橫剖后各部位的組織情況如圖1所示。

圖1 橫剖后各部位的組織

由圖1可以看出，65Mn組織為索氏體+珠光體+少量鐵素體，無異常組織，索氏體含量在80% ～85%，在邊部沒有發現明顯的脫碳現象，各部位組織結構相對均勻，盤條中心偏析也不明顯。盤條組織性能各項指標能夠滿足用戶要求。

3 質量分析

3.1 質量問題提出

安鋼65Mn自開發生產以來得到了下游用戶的使用認可，質量性能相對穩定，使用效果良好。但用戶也反映出了一些質量問題，就是生產異型彈簧鋼絲時偶爾會出現開裂情況。開裂類型主要分為以下兩種：一是邊部橫裂紋;二是心部向邊部開裂(如圖2、圖3 所示)。

圖2 邊部橫裂紋

圖3 心部向邊部開裂

據文獻研究［4］，原材料的成分偏析是一個原因，主要表現為C、Mn等元素和S、P等雜質元素在線材中心區域的偏聚，這種成分偏析在后續的鉛浴淬火過程中雖能得到部分改善，但不能徹底消除。

3.2 質量問題分析

針對出現的兩種開裂問題，在樣品的開裂部位進行了光鏡和掃描電鏡觀察，從金相組織和斷裂形貌的異常特征來分析問題產生的原因。邊部橫裂紋的分析照片如圖4所示;心部向邊部開裂的分析照片圖5所示，圖5(a)為其對應的原始盤條芯部組織結構。

圖4 邊部橫裂紋分析照片

圖5 心部向邊部開裂的分析照片

對于邊部橫裂紋問題，在邊部橫裂紋部位觀察到106 μm的異常組織區域，經掃描電鏡分析為萊氏體組織，說明在裂紋附近的碳含量較高。經分析發現的異常組織是連鑄坯表面局部增碳造成的，是由于連鑄過程中人為操作不當造成卷渣，導致保護渣隨鋼液進入結晶器;對于心部向邊部開裂問題，芯部組織中發現較多10 μm～15 μm的島狀馬氏體，由于馬氏體屬于硬相，具有高硬度且不易變形的特性，因此會在后續的拉拔、軋制成型過程中產生裂紋缺陷。

3.3 整改措施

上述兩種情況的開裂問題均屬于生產存在波動或異常情況下引起的。邊部橫裂紋的增碳是由于連鑄過程人為操作不當引起的，因此連鑄過程應穩定澆鑄，嚴格執行塞棒自動控制，出現生產波動的鑄坯及時徹底剔廢;對于第二種類型出現的開裂情況，芯部組織出現的島狀馬氏體與連鑄坯偏析有關，因此生產過程中應保持拉速的穩定，選用合理的二冷配水配比，選用適合的結晶器電磁攪拌電流和頻率。此外還應加強對鑄坯和成品的生產檢驗，避免不合格產品流入下游。

4 結論

1)在生產中通過嚴控化學成分，采取合理的煉鋼、軋鋼工藝參數，使產品強度控制在1075 MPa～1115 MPa，且性能波動在40 MPa以內，組織為索氏體+珠光體+少量鐵素體，無異常組織，索氏體比例達到80%以上。

2)針對下游用戶提出的兩類開裂問題，通過光學顯微鏡和掃描電鏡分析，開裂問題分別是由于鑄坯局部增碳和盤條芯部組織異常引起的，這屬于生產中的不正常情況，通過采取措施可以有效的制止。

［1］ 莊娜，胡澤明，范眾維.Φ6.5 mm 65Mn彈簧鋼盤條的研發［J］.金屬制品，2010，36(6)：39-40.

［2］ 趙志剛，簡龍，郭猛，等.100 t轉爐冶煉65Mn鋼實踐［J］.鞍鋼技術，2012，(5)：34-35.

［3］ 陳文滿，文敏，廖明，等.80 t復吹轉爐 -LF-CC流程生產65Mn 彈簧鋼的工藝實踐［J］.特殊鋼，2009，30(1)：52-53.

［4］ 武懷強.高強度異型彈簧鋼絲生產工藝及常見問題探討［J］.金屬制品，2012，38(4)：20-21.