鈮鉬錳對(duì)彈簧扁鋼表面脫碳影響的研究

楊敏超

（河鋼集團(tuán)石鋼公司技術(shù)中心， 河北 石家莊 050031）

彈簧鋼表面脫碳會(huì)顯著降低彈簧的疲勞壽命。這是因?yàn)閺椈射撛诖慊鸷?，表面脫碳層的屈服?qiáng)度和硬度達(dá)不到使用要求，在交變應(yīng)力作用下易產(chǎn)生表面裂紋。因此，在生產(chǎn)過(guò)程中要盡量減少?gòu)椈射摰谋砻婷撎肌?/p>

彈簧鋼在軋制加熱、軋后冷卻及熱處理過(guò)程中都會(huì)發(fā)生表面脫碳現(xiàn)象，尤其是Si 含量較高的彈簧鋼脫碳傾向更加嚴(yán)重。彈簧鋼的脫碳由多種因素造成，關(guān)于加熱速度、加熱溫度、加熱爐氣氛、冷卻速度以及合金成分Si 和Cr 對(duì)彈簧鋼表面脫碳的影響已有較多的研究和報(bào)道，當(dāng)加熱溫度、加熱爐氣氛、冷卻速度、化學(xué)成分相同時(shí)脫碳比例隨加熱時(shí)間延長(zhǎng)呈正比增加。而鋼中合金元素Nb、Mo、Mn 對(duì)彈簧鋼表面脫碳的影響研究較少。本文主要研究了Nb、Mo、Mn 對(duì)彈簧鋼表面脫碳的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選取的是河鋼集團(tuán)石鋼公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)我公司）生產(chǎn)的三個(gè)牌號(hào)彈簧扁鋼分別是1 號(hào)鋼LPD55-2、2 號(hào)鋼 LPD51-2、3 號(hào)鋼 51CrV4，成分如表 1 所示。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分 %

通過(guò)由表1 成分對(duì)比發(fā)現(xiàn)LPD51-2 與LPD55-2 相比添加了少量的Nb 和Mo, 其他成分差別不大。LPD55-2 與 51CrV4 相比 Mn 含量低 0.24%，其他成分差別不大。

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)生產(chǎn)的三個(gè)牌號(hào)254 爐彈簧鋼進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中 1 號(hào)鋼 93 爐、2 號(hào)鋼 96 爐、3 號(hào)鋼 65 爐。三個(gè)牌號(hào)彈簧鋼的生產(chǎn)工藝參數(shù)如表2 所示（三個(gè)牌號(hào)的彈簧鋼加熱軋制工藝相同），工藝流程為推鋼式加熱爐→1 架530 軋機(jī)→3 架400 軋機(jī)→6架連軋機(jī)→精整→下線堆冷，按GB/T 224—2008 取樣、制樣、檢測(cè)。

表2 試驗(yàn)鋼的軋制加熱工藝

由于生產(chǎn)設(shè)備比較老舊故障率比較高，經(jīng)常需要停車(chē)修整。使用推鋼式加熱爐，一旦鋼坯進(jìn)入加熱爐后無(wú)法再進(jìn)行退坯操作。所以一旦遇到設(shè)備故障便無(wú)法保證加熱時(shí)間在工藝范圍內(nèi)，但從整體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看三個(gè)鋼種的整體超時(shí)比例和超時(shí)時(shí)間可近似看做相等，開(kāi)軋溫度可以穩(wěn)定控制在1 030～1 050 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

三個(gè)鋼的脫碳檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)一致：0.008×厚度+0.10 mm。LPD51-2 脫碳超標(biāo)10 爐占比10.75%，LPD55-2 超標(biāo) 29 爐占比 30.2%，51CrV4 脫碳超標(biāo)29.23%。按不同加熱時(shí)間段對(duì)三個(gè)鋼的脫碳超標(biāo)比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)鋼的脫碳超標(biāo)比例與加熱時(shí)間關(guān)系

LPD51-2 與LPD55-2 相比脫碳超標(biāo)比例低19.45%，LPD55-2 與51CrV4 相比差別不大。且三個(gè)鋼的脫碳超標(biāo)比例與加熱時(shí)間的關(guān)系具有明顯差異。LPD55-2、51CrV4 隨加熱時(shí)間延長(zhǎng)脫碳超標(biāo)比例呈正比提高，而LPD51-2 隨加熱時(shí)間延長(zhǎng)脫碳超標(biāo)比例沒(méi)有呈比提高。

LPD51-2 與51CrV4 脫碳超標(biāo)比例差別很小，說(shuō)明0.24%的Mn 對(duì)脫碳敏感性影響很小。LPD51-2與LPD55-2 脫碳超標(biāo)的巨大差異說(shuō)明添加少量的Mo 和Nb 顯著降低了LPD51-2 的脫碳敏感性，最終導(dǎo)致了LPD51-2 比 LPD55-2 脫碳超標(biāo)比例低19.45%。

2.2 結(jié)果討論

彈簧鋼表面脫碳包括碳原子從鋼內(nèi)部向表面擴(kuò)散和碳原子與爐氣中的氧發(fā)生氧化脫去兩個(gè)過(guò)程。碳在鋼中的擴(kuò)散過(guò)程可用Fick 第二定律來(lái)描述：

式中：C 為碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；t 為時(shí)間；x 為擴(kuò)散長(zhǎng)度；D為擴(kuò)散系數(shù)。

式中：D0為碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；T 為絕對(duì)溫度；R 為氣體常數(shù)8.314 J/（K·mol）；Q 為擴(kuò)散激活能。

鋼的脫碳可以看作是碳在內(nèi)部濃度恒定的半無(wú)限大體中的擴(kuò)散，則式（1）的誤差函數(shù)解為：

式中：C 為給定時(shí)間，給定距離的擴(kuò)散物質(zhì)濃度；C0為擴(kuò)散物質(zhì)初始濃度；Cs為鋼表面與爐氣平衡時(shí)的碳濃度；t 為時(shí)間；D 為擴(kuò)散系數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)［1］取 D0=2.0×10-5m2/s，Q=1.4×105 J/mol，計(jì)算得出試驗(yàn)鋼在淬火溫度860 ℃下碳的擴(kuò)散系數(shù) D 為 1.67×10-12m2/s。由（3）式可知，當(dāng) D 和 t 恒定時(shí)碳含量越高脫碳層深度越大。本次試驗(yàn)所涉及的三個(gè)鋼種碳含量相差0.01%帶入（3）式結(jié)果可忽略不計(jì)。由（2）式可知當(dāng)鋼化學(xué)成分相同，加熱溫度一定時(shí)，D 為一常數(shù)。根據(jù)（3）式可知加熱時(shí)間越長(zhǎng)脫碳層深度越大，脫碳超標(biāo)比例越高。這與LPD55-2和51CrV4 的脫碳規(guī)律一致。理論上LPD51-2 加熱時(shí)間與脫碳超標(biāo)比例是一條較LPD55-2 與51CrV4平緩的上升曲線，出現(xiàn)圖1 的曲線可能與各爐次Nb和Mo 的含量不同有關(guān)。

非碳化物形成元素會(huì)增加碳在奧氏體中的活度，例如Si、Ni 等元素。碳化物形成能力強(qiáng)的合金元素會(huì)降低奧氏體中碳的活度，例如Cr、V、Nb、Mo,從而降低鋼的脫碳傾向。由Fick 第一定律知，單位時(shí)間的擴(kuò)散通量取決于擴(kuò)散系數(shù)和濃度梯度。碳化物形成能力強(qiáng)的合金元素能降低鋼中固溶碳的濃度，使碳的濃度梯度減小，從而減小脫碳層深度。兩個(gè)試驗(yàn)鋼的Cr、V 含量相同，加入的Nb、Mo 顯著降低了LPD51-2 中碳的活度，使LPD51-2 脫碳超標(biāo)比例顯著降低，最終表現(xiàn)出圖1 所示的隨加熱時(shí)間延長(zhǎng)脫碳超標(biāo)比例沒(méi)有成比例提高。

影響擴(kuò)散系數(shù)的因素有外部因素和內(nèi)部因素。內(nèi)部因素是對(duì)擴(kuò)散激活能Q 和頻率因子D0的影響對(duì)擴(kuò)散系數(shù)（公式2）起作用。另外加入能在鋼中形成合金碳化物的元素，形成的合金碳化物可釘扎在晶界處，使碳的遷移困難，增加碳的擴(kuò)散激活能Q，從而使擴(kuò)散系數(shù)減小。晶界處的碳化物同時(shí)削弱了晶界作為擴(kuò)散通道的作用，降低了晶界處原子的活動(dòng)能力，有利于降低脫碳層深度[2]。所以添加了Nb和Mo 元素的LPD51-2 整體脫碳超標(biāo)比例小，對(duì)加熱時(shí)間敏感性低。

3 結(jié)論

1）我公司生產(chǎn)的彈簧扁鋼脫碳超標(biāo)的直接原因是加熱時(shí)間超長(zhǎng)，如果按工藝加熱時(shí)間進(jìn)行生產(chǎn)可基本避免脫碳超標(biāo)情況發(fā)生。

2）鋼中添加少量的Nb、Mo 可改善彈簧鋼的脫碳敏感性。

3）少量的Mn 對(duì)脫碳敏感性影響很小。