汽車安全帶卷簧用62Si2MnA 鋼帶工藝開(kāi)發(fā)

馬兆紅

（南京鋼鐵股份有限公司特鋼事業(yè)部技術(shù)研發(fā)處，江蘇 南京 210000）

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外彈簧鋼的研究開(kāi)發(fā)工作，大部分是針對(duì)汽車用彈簧鋼。這是由于汽車制造業(yè)是彈簧鋼用量最大的行業(yè)，約消費(fèi)彈簧鋼產(chǎn)量的60%。2000 年以來(lái)，中國(guó)的汽車制造業(yè)發(fā)展迅猛，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018 年國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)量達(dá)到2796.8 萬(wàn)輛，其中乘用車產(chǎn)量為2309 萬(wàn)輛。一輛轎車整車用鋼量約850kg～900kg，其中一個(gè)保險(xiǎn)帶卷簧17g～58g，占用鋼總量的0.006%左右。彈簧鋼的總供求量也將達(dá)到200 多萬(wàn)噸。

我國(guó)中、低檔彈簧鋼的產(chǎn)能與需求基本平衡，但轎車用高品質(zhì)彈簧鋼、鐵道用彈簧圓鋼、油泵閥門彈簧鋼絲等產(chǎn)品仍不能滿足需求，主要依賴于國(guó)外進(jìn)口。雖然保險(xiǎn)帶卷簧只占相當(dāng)小部分比重，但卻在一定程度上代表了卷簧制造加工產(chǎn)業(yè)鏈在冶煉、軋制、熱處理、機(jī)械加工方面的整體技術(shù)水平。汽車保險(xiǎn)帶用卷簧，其質(zhì)量好壞對(duì)駕乘人員安全性起著至關(guān)重要的作用[1]。因此，制備汽車保險(xiǎn)帶卷簧的鋼材必須具有優(yōu)越的組織性能、良好的抗疲勞性能和抗彈性減退。

南京鋼鐵股份有限公司通過(guò)對(duì)冶煉、連鑄、軋制等工藝參數(shù)的嚴(yán)格控制，成功開(kāi)發(fā)了汽車安全帶卷簧用合金彈簧鋼，產(chǎn)品組織性能良好，滿足使用要求[1]。

1 技術(shù)要求

影響汽車安全帶卷簧用鋼的兩個(gè)最主要因素是抗疲勞和抗彈性減退，這兩個(gè)因素除了跟鋼種本身的成分以及熱處理工藝等有關(guān)外，還與熱軋?jiān)系姆墙饘賷A雜物、表面脫碳層深度及組織的均勻性有關(guān)。熱軋鋼帶化學(xué)成分及非金屬夾雜物要求見(jiàn)表1、表2。厚度規(guī)格≤3.2mm，要求單面總脫碳層≤0.08 mm；厚度規(guī)格＞3.2mm，單面總脫碳層小于實(shí)際厚度的2.5%。

表1 卷簧用鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

表2 卷簧用鋼非金屬夾雜物

2 生產(chǎn)工藝

2.1 生產(chǎn)工藝流程

原輔料準(zhǔn)備→100t 偏心爐底超高功率電弧爐冶煉→LF 精煉→VD 爐真空處理→連鑄→坯料驗(yàn)收→加熱→除鱗→軋制→平板運(yùn)輸→成品檢驗(yàn)→卷取→包裝、稱重→入庫(kù)→交付。

2.2 冶煉工藝

（1）電爐冶煉。入爐原料使用優(yōu)質(zhì)廢鋼，采用鐵水在線喂入，配有爐壁氧槍集束射流技術(shù)、自動(dòng)測(cè)溫、取樣系統(tǒng)，冶煉彈簧鋼時(shí)鐵水配加量60 噸以上，得到殘余元素含量低的鋼水，冶煉過(guò)程中通過(guò)換渣操作加強(qiáng)脫P(yáng)；出鋼終點(diǎn)C ≥0.10%，P ≤0.012%，出鋼溫度1600℃～1680℃；冶煉終點(diǎn)加300kg 脫氧護(hù)爐劑，靜置1min 脫氧，采用偏心爐底出鋼。為防止因鋼包耐材受鋼水沖刷及侵蝕造成鋼中夾雜物增鋁進(jìn)一步引起夾雜物成分偏離低熔點(diǎn)區(qū)，采用鎂碳質(zhì)專用鋼包，并在投用前采用不含鋁、鈦鋼水進(jìn)行洗包。出鋼采用留鋼留渣操作，留鋼留渣量控制在5～10 噸左右，避免出鋼過(guò)程下渣。

（2）LF 精煉。出鋼過(guò)程中采用低鋁低鈦硅鐵、鉻鐵等合金，按成分下限調(diào)整成分。向鋼包中加入活性石灰700kg，螢石150kg。到LF 后向渣面少量多批次加入高純碳化硅等進(jìn)行擴(kuò)散脫氧，堿性爐渣精煉，控制爐渣中Al2o3含量小于6%，減少鋼中脆性?shī)A雜物含量，精煉時(shí)間40min～70min，白渣保持時(shí)間30min～50min，以降低鋼液中的氧含量及夾雜物。

采用低鋁低鈦硅鐵、硅錳合金沉淀脫氧和碳化硅擴(kuò)散脫氧相結(jié)合的方式。為穩(wěn)定精煉渣組成，精煉過(guò)程根據(jù)渣況適量加入活性石灰和螢石，隨著脫氧反應(yīng)進(jìn)行，終渣堿度基本穩(wěn)定在1.5～2.5 之間。

（3）VD 真空處理。氫元素主要通過(guò)VD 真空精煉去除，VD真空度≤1 毫巴，真空保持時(shí)間12 分鐘以上，真空處理后軟吹氬時(shí)間大于30 分鐘，使大尺寸夾雜物充分上浮，進(jìn)一步降低鋼中氧含量，軟吹氬時(shí)渣面微動(dòng)不見(jiàn)光，經(jīng)過(guò)真空精煉后氫含量在1.0PPm 以下。

（4）弱攪拌處理。在鋼水進(jìn)行澆注以前，一個(gè)重要的工藝操作就是對(duì)鋼水進(jìn)行弱攪拌處理。鋼水在VD 處理過(guò)程中的鋼渣充分混合，破真空后鋼水中夾雜物含量高。因此，在VD 處理結(jié)束以后進(jìn)行吹氬弱攪拌以保證夾雜物的最終上浮是非常必要的。弱攪拌處理是小流量的吹氬方式，氬氣攪拌的強(qiáng)度很低，僅使渣面微動(dòng)，不裸露鋼水。有研究表明小流量吹氬時(shí)，鋼中氬氣泡呈均勻細(xì)小分散的穩(wěn)定氣泡流，這種小氣泡要比大氣泡俘獲夾雜物的概率高。因此，以小流量吹氬并且適當(dāng)延長(zhǎng)處理時(shí)間（根據(jù)鋼水的降溫情況）也是去除夾雜、降低鋼水全氧含量的有效手段之一。由于長(zhǎng)時(shí)間靜置會(huì)造成鋼液溫降過(guò)大、產(chǎn)生溫度梯度、鋼包侵蝕加大、鋼包周轉(zhuǎn)等問(wèn)題突顯，因此，一般處理將靜攪時(shí)間控制在60min 以內(nèi)。南鋼第三煉鋼廠目前靜攪時(shí)間要求為不小于20min。

鋼水中夾雜物的去除主要依賴吹氬條件下鋼包內(nèi)鋼流的循環(huán)運(yùn)行、氬氣泡對(duì)固相夾雜物的浮選以及爐渣對(duì)夾雜物的吸附。去除10μm～50μm 寬度的夾雜物，最理想的氣泡直徑為0.5mm～2mm。而一般用透氣磚吹氬所產(chǎn)生的氣泡直徑為10mm～20mm，吹氬強(qiáng)度過(guò)高，會(huì)使氣泡粗化，達(dá)不到有效去除夾雜物的目的。因此，靜攪氬氣流量宜調(diào)整到剛好看到渣面蠕動(dòng)較為理想。如過(guò)大不能有效去除夾雜物，還會(huì)由于鋼液環(huán)流引起卷渣，過(guò)小無(wú)法確認(rèn)底吹氬是否正常工作。

（5）連鑄過(guò)程。連鑄控制過(guò)熱度、采用恒拉速、弱冷工藝澆鑄，采用結(jié)晶器和末端電磁攪拌技術(shù)，增加等軸晶寬度，減輕或消除鑄坯中心偏析和縮孔；做好全保護(hù)澆注，使用高碳鋼保護(hù)渣，中間包液面≥700mm，結(jié)晶器液面波動(dòng)≤±6mm，液相線溫度1 465℃，中包首爐過(guò)熱度15℃～40℃控制，其他爐次中包過(guò)熱度按15℃～30℃控制。

（6）連鑄坯質(zhì)量分析。彈簧鋼62Si2MnA 冶煉4 爐的化學(xué)成分如表3 所示，由3 可知，彈簧鋼62Si2MnA 冶煉化學(xué)成分控制波動(dòng)小、有害元素含量低，有利于提高軋材加工卷簧的性能穩(wěn)定性。

表3 彈簧鋼62Si2MnA 冶煉化學(xué)成分/wt.%

彈簧鋼62Si2MnA 連鑄坯低倍檢測(cè)情況如表4 所示，低倍圖片見(jiàn)圖1-圖4。由表4 可知62Si2MnA 無(wú)縮孔、內(nèi)裂紋等缺陷。

表4 連鑄坯低倍檢測(cè)結(jié)果

圖1 爐號(hào)9640 低倍照片（150×220mm）

圖2 爐號(hào)9641 低倍照片（150×220mm）

圖3 爐號(hào)9642 低倍照片（150×220mm）

圖4 爐號(hào)9643 低倍照片（150×220mm）

2.3 帶鋼熱軋工藝

（1）鋼坯加熱。加熱爐內(nèi)的氣氛按弱還原性控制，煙氣殘氧量控制在3%以內(nèi)；加熱爐加熱段控制在1060℃～1160℃，均熱段控制在1060℃～1120℃,保證鋼坯斷面溫差小于30℃。

（2）軋制過(guò)程。安全帶卷簧用鋼62Si2MnA 變形抗力大，粗軋階段充分考慮高溫和塑性的有利條件，實(shí)現(xiàn)較大壓下，減輕精軋機(jī)組的負(fù)荷；粗軋、精軋過(guò)程軋輥用切水板擋水，實(shí)行避水軋制；終軋溫度控制890 ℃～960 ℃；卷取溫度控制630℃～710℃。將開(kāi)軋溫度、中軋入口溫度、終軋出口溫度和卷取溫度分別設(shè)定為1030 ℃～1110 ℃、930 ℃～1110 ℃、800℃～870℃和670℃以下，軋機(jī)的軋制速度為6m/s。

3 軋材檢測(cè)

62Si2MnA 非金屬夾雜物檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，從檢測(cè)結(jié)果可以看出，非金屬夾雜物D 類細(xì)系0.5 級(jí)和D 類粗系0.5 級(jí)；未發(fā)現(xiàn)A 類硫化物類、B 類氧化鋁類、C 類硅酸鹽類和DS 類單顆粒類夾雜物全部合格。

表5 非金屬夾雜物檢測(cè)數(shù)據(jù)

彈簧鋼62Si2MnA 成品材脫碳層深度檢測(cè)數(shù)據(jù)如表6 所示，全部合格，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 脫碳層深度檢測(cè)

彈簧鋼62Si2MnA-R 成品材氣體含量檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7，[H]全部控制很好，4 爐的[H]含量都小于1.0ppm。

表7 氣體含量檢測(cè)

4 結(jié)語(yǔ)

（1）冶煉過(guò)程采用潔凈鋼冶煉技術(shù)，有效地控制了鋼中夾雜物含量及形態(tài)分布，降低了夾雜物對(duì)產(chǎn)品性能的影響；（2）熱軋過(guò)程嚴(yán)格控制軋制工藝，鋼帶的組織及表面脫碳情況良好，完全滿足用戶的使用要求；（3）通過(guò)對(duì)冶煉、連鑄及軋制工藝的合理控制，實(shí)現(xiàn)了熱軋汽車安全帶卷簧用鋼帶62Si2MnA的批量生產(chǎn)。