降低彈簧鋼脫碳的工藝改進及生產實踐

郭曉輝 韓懷賓1, 王 維 萬長杰 虞學慶 李永超

(1.東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室; 2.河南濟源鋼鐵(集團)有限公司)

0 前言

近幾年來，隨著汽車輕量化及高性能化，對汽車用彈簧鋼盤條的質量要求越來越高。由于彈簧的受力和工作特點，表面脫碳會明顯降低彈簧的疲勞壽命，當表面出現鐵素體全脫碳時，彈簧的疲勞極限會降低50%[1]。目前已發表的彈簧鋼脫碳研究多在實驗室完成[2-4]，加熱時間及加熱氣氛與工業生產之間存在差異，如何在工業生產中避免彈簧鋼全脫碳，減少彈簧鋼總脫碳成為迫切需要解決的一個難題,為此，結合生產實踐，對鋼坯扒皮制度、加熱制度、控冷制度進行了系列研究，意在降低彈簧鋼表面脫碳深度，提升濟源鋼鐵(以下簡稱濟鋼)高端二火材彈簧鋼質量，滿足高端用戶需求。

1 彈簧鋼生產工藝及脫碳質量要求

濟鋼彈簧鋼二火材主要用于汽車懸架簧生產，牌號包括60Si2MnA-K、55SiCrA-K，主要化學成分見表1。

表1 彈簧鋼二火材化學成分

濟鋼彈簧鋼二火材的生產工藝路線為：高爐鐵水→KR鐵水預處理→轉爐冶煉→LF精煉→RH精煉→大方坯連鑄→開坯→緩冷→全扒皮→探傷→高線加熱→軋制→檢驗→包裝→合格品入庫。

高端用戶要求彈簧鋼盤條無全脫碳，總脫碳層深度小于盤條公稱直徑(D)的0.8%，目前濟鋼彈簧鋼二火材脫碳存在0.015 mm深的全脫碳層，總脫碳層深度達到1%D，脫碳形貌如圖1所示。為了完全滿足用戶需求，需對主要生產過程參數進行優化。

2 彈簧鋼脫碳產生的原因及改進措施

成品脫碳來自兩方面即鋼坯的原始脫碳和在后續加熱、軋制過程中產生的二次脫碳。從擴散方式上分析，出現部分脫碳主要是由于晶界擴散引起，出現全脫碳主要是由于體積擴散引起。因此，控制成品全脫碳首先要去除掉鋼坯的原始脫碳及貧碳區，以防止鋼坯的原始脫碳在后續加熱過程中繼續拓展形成全脫碳，其次在加熱和后續冷卻過程中應避免長時間在鐵素體和奧氏體兩相區及略高于Ac3的溫度范圍內停留。通過以上理論分析及結合現場實踐，對扒皮制度、加熱制度、控冷制度進行了一系列的改進。

圖1 ф14 mm規格彈簧鋼二火材脫碳形貌

2.1 扒皮制度對成品脫碳的影響及改進措施

扒皮首先要消除的是開坯后的表面脫碳問題，同時避免影響成品材表面質量的凹坑、尖角等缺陷。因此，制定合理的扒皮制度是保證脫碳合格的前提。

目前工藝執行單邊扒皮深度1.5 mm，切取扒皮后鋼坯角部及邊部試樣，觀察脫碳形貌，如圖2所示。鋼坯邊部未發現網狀鐵素體，只有扒皮后的硬化層，而角部還存在0.4 mm深的網狀鐵素體。這部分鐵素體會在加熱時繼續擴散，最終形成全脫碳或較深的總脫碳，取相對應的成品樣觀察脫碳情況，如圖3所示，可以看到四處對稱的深脫碳層。因此，對扒皮制度進行了改進：(1)表面扒皮深度仍執行1.5 mm，角部扒皮深度從1.5 mm增加到2.0 mm；(2)為防止出現尖角，角部扒皮道次由兩道改為三道；(3)穩定扒皮機壓下量，防止表面扒皮過度出現凹坑。

(a) 邊部

(b) 角部

2.2 加熱制度對成品脫碳的影響及改進措施

由Fe-C相圖可知，在727 ℃～912 ℃為鐵素體+奧氏體兩相區。當加熱溫度處于此兩相區時，會析出鐵素體，鋼坯表面因碳原子擴散損失而產生的低碳含量的鐵素體就可以沿著這些已析出的鐵素體表面生長，從而形成圓周方向上的鐵素體全脫碳層。在兩相區停留的時間越長，全脫碳層越深。綜合考慮各種實際因素，提出工藝改進措施：(1)改進加熱制度，加熱制度改進前后工藝對比見表2；(2)調整步進梁式加熱爐前進步距，由原來的248 mm提高至288 mm，加熱時間可由120 min降至100 min；(3)為提高升溫速度，將加熱段殘氧值提高至5%[5]；(4)進行黑匣子試驗，跟蹤改進后鋼坯在爐內的升溫過程，各階段的溫度情況及殘氧控制曲線，如圖4所示。

圖3 邊部和角部扒皮1.5 mm后對應的成品各部位脫碳形貌

表2 加熱制度改進前后工藝對比

圖4改進后鋼坯各時間段的溫度及殘氧曲線

2.3 控冷制度對成品脫碳的影響及改進措施

鋼在冷卻過程中，是從高溫到低溫的過程，軋后冷卻速度越小，鋼在高溫階段停留的時間就越長，增加了鋼中碳原子的擴散時間，由脫碳層深度與擴散的關系可知，脫碳層深度隨冷卻速度的增加而減少?？乩渲贫雀倪M前后的對比見表3。

表3 控冷制度改進前后對比

3 改進效果

改進扒皮制度后，鋼坯 表面質量良好，角部圓滑，減少了尖角在加熱過程中升溫過快形成全脫碳的風險。改進后的加熱制度，采用低溫透燒、兩相區快速加熱、低溫軋制的方法，減少了彈簧鋼兩相區的停留時間，降低了總加熱時間?？乩渲贫仍谟绊憦椈射摿W性能的前提下，提高了冷卻速度，降低了鋼中碳原子的擴散時間。通過以上生產工藝的改進，總脫碳深度小于0.7%D的合格比例由原來的70%提高到98%，無全脫碳的合格比例由原來的60%提高到96%。改進后ф14mm規格彈簧鋼二火材脫碳形貌如圖5所示。

4 結論

通過改進扒皮制度，嚴格控制扒皮深度及扒皮表面粗糙度；改進加熱制度，控制各段溫度，減少加熱時間，改進控冷制度；降低吐絲溫度及入罩溫度，避免了彈簧鋼二火材全脫碳的產生，降低了彈簧鋼二火材的總脫碳層深度，從而解決了高端二火材彈簧鋼脫碳層不穩定的問題，使濟鋼的高端兩火材滿足了高端客戶需求。

[1] 趙中英. 高速線材生產的彈簧鋼盤卷的表面脫碳分析[J].寶鋼技術，2003(3)：55-58.

[2] 魯修宇，吳超，羅德信，等.55SiCr彈簧鋼脫碳與氧化行為研究[J].熱處理技術及裝備，2016，37(2)：63-66.

(a) 60Si2MnA-K

(b) 55SiCrA-K圖5 改進后ф14 mm規格彈簧鋼二火材脫碳形貌

[3] 曹安然，李玉芳，王劍，等.彈簧鋼55SiCr氧化與脫碳特性的研究[J].金屬熱處理，2010，35(9)：51-55.

[4] 陳銀莉，左茂芳，羅兆良，等.60Si2Mn彈簧鋼表面脫碳理論及試驗研究[J].材料熱處理學報，2015，36(1)：192-198.

[5] 柳洋波，張瑋，佟倩，等.爐氣含量對彈簧鋼55SiCr脫碳的影響[J].金屬熱處理，2013，38(9)：37-41.