降低彈簧鋼脫碳的工藝改進(jìn)及生產(chǎn)實踐

郭曉輝 韓懷賓1, 王 維 萬長杰 虞學(xué)慶 李永超

(1.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室; 2.河南濟(jì)源鋼鐵(集團(tuán))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(zhì)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(dāng)表面出現(xiàn)鐵素體全脫碳時，彈簧的疲勞極限會降低50%[1]。目前已發(fā)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(yè)生產(chǎn)之間存在差異，如何在工業(yè)生產(chǎn)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(jié)合生產(chǎn)實踐，對鋼坯扒皮制度、加熱制度、控冷制度進(jìn)行了系列研究，意在降低彈簧鋼表面脫碳深度，提升濟(jì)源鋼鐵(以下簡稱濟(jì)鋼)高端二火材彈簧鋼質(zhì)量，滿足高端用戶需求。

1 彈簧鋼生產(chǎn)工藝及脫碳質(zhì)量要求

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

表1 彈簧鋼二火材化學(xué)成分

濟(jì)鋼彈簧鋼二火材的生產(chǎn)工藝路線為：高爐鐵水→KR鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)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(jì)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(dá)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(chǎn)過程參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2 彈簧鋼脫碳產(chǎn)生的原因及改進(jìn)措施

成品脫碳來自兩方面即鋼坯的原始脫碳和在后續(xù)加熱、軋制過程中產(chǎn)生的二次脫碳。從擴(kuò)散方式上分析，出現(xiàn)部分脫碳主要是由于晶界擴(kuò)散引起，出現(xiàn)全脫碳主要是由于體積擴(kuò)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(qū)，以防止鋼坯的原始脫碳在后續(xù)加熱過程中繼續(xù)拓展形成全脫碳，其次在加熱和后續(xù)冷卻過程中應(yīng)避免長時間在鐵素體和奧氏體兩相區(qū)及略高于Ac3的溫度范圍內(nèi)停留。通過以上理論分析及結(jié)合現(xiàn)場實踐，對扒皮制度、加熱制度、控冷制度進(jìn)行了一系列的改進(jìn)。

圖1 ф14 mm規(guī)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(jìn)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(zhì)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(zhí)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(fā)現(xiàn)網(wǎng)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(wǎng)狀鐵素體。這部分鐵素體會在加熱時繼續(xù)擴(kuò)散，最終形成全脫碳或較深的總脫碳，取相對應(yīng)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(jìn)行了改進(jìn)：(1)表面扒皮深度仍執(zhí)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(xiàn)尖角，角部扒皮道次由兩道改為三道；(3)穩(wěn)定扒皮機(jī)壓下量，防止表面扒皮過度出現(xiàn)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(jìn)措施

由Fe-C相圖可知，在727 ℃～912 ℃為鐵素體+奧氏體兩相區(qū)。當(dāng)加熱溫度處于此兩相區(qū)時，會析出鐵素體，鋼坯表面因碳原子擴(kuò)散損失而產(chǎn)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(qū)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(jìn)措施：(1)改進(jìn)加熱制度，加熱制度改進(jìn)前后工藝對比見表2；(2)調(diào)整步進(jìn)梁式加熱爐前進(jìn)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(jìn)行黑匣子試驗，跟蹤改進(jìn)后鋼坯在爐內(nèi)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(yīng)的成品各部位脫碳形貌

表2 加熱制度改進(jìn)前后工藝對比

圖4改進(jìn)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(jìn)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(kuò)散時間，由脫碳層深度與擴(kuò)散的關(guān)系可知，脫碳層深度隨冷卻速度的增加而減少。控冷制度改進(jìn)前后的對比見表3。

表3 控冷制度改進(jìn)前后對比

3 改進(jìn)效果

改進(jìn)扒皮制度后，鋼坯 表面質(zhì)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(fēng)險。改進(jìn)后的加熱制度，采用低溫透燒、兩相區(qū)快速加熱、低溫軋制的方法，減少了彈簧鋼兩相區(qū)的停留時間，降低了總加熱時間?？乩渲贫仍谟绊憦椈射摿W(xué)性能的前提下，提高了冷卻速度，降低了鋼中碳原子的擴(kuò)散時間。通過以上生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，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(jìn)后ф14mm規(guī)格彈簧鋼二火材脫碳形貌如圖5所示。

4 結(jié)論

通過改進(jìn)扒皮制度，嚴(yán)格控制扒皮深度及扒皮表面粗糙度；改進(jìn)加熱制度，控制各段溫度，減少加熱時間，改進(jìn)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(chǎn)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(wěn)定的問題，使?jié)摰母叨藘苫鸩臐M足了高端客戶需求。

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(a) 60Si2MnA-K

(b) 55SiCrA-K圖5 改進(jìn)后ф14 mm規(guī)格彈簧鋼二火材脫碳形貌

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