弹簧钢的技术发展及生产工艺现状

.3969/.jissn.1003-4226.2009.03.007 do:i10

金 属 制 品

MetalProducts2009年6月June2009

弹簧钢的技术发展及生产工艺现状

申 勇, 申 斌, 吴 静, 唐武峰

(安阳钢铁集团公司, 河南 安阳 455004)

摘 要 影响弹簧钢设计应力的两个主要因素抗疲劳和抗弹性减退已成为国内外弹簧钢研究开发的主题。技术发展现状:弹簧钢冶炼过程中采用铝预脱氧、钡合金终脱氧及夹杂物变性脱氧工艺,通过控制非金属夹杂物形态、降低硫和磷含量来提高钢的纯净度;精炼过程中控制精炼时间,控白渣及吹Ar搅拌等操作来防止钢水二次氧化;以连铸代替模铸,采用全保护浇注,钢水控温,加双层覆盖剂,稳定拉速,二次冷却水制度等来提高铸坯表面质量;轧制过程中使用气氛和压力可调的步进式加热炉,先进的高速无扭轧机,在线修整和检测技术,严格控制加热温度和均热时间。介绍弹簧钢的化学成分控制及其合金化特点。对国内外部分企业弹簧钢的生产工艺、冶炼特点及生产中的控制环节进行阐述。

关键词 弹簧钢;抗弹性减退;抗疲劳;冶炼;连铸;轧制中图分类号 TF762.5

Technologydevelopmentandproductionprocesssituationofspringsteel

SHENYong,SHENBin,WUJing,TANGWu-feng

(AnyangIronandSteelGroupCo.,Anyang455004,China)

Abstract Ant-ifatigueandant-ielasticity-letdownfactorsaffectingspringdesignstresshavebecomesubjectofspringsteelresearchanddevelopmentathomeandabroadinrecentyears.Thetechnologydevelopmentpresentsituationis:adoptinga-luminumtopre-deoxygenate,usingbariumalloytodeoxygenateintheendandinclusiondenaturalizationtodeoxygenateprocess,todecreasecontentofphosphorusandsulfurandtoincreasesteelpuritybycontrollinginclusionforminthecourseofspringsteelsmelting;tocontrolrefiningtimeandcarbideslag,blowArtostirinrefiningtopreventmoltensteelreoxida-tion;substitutecontinuouscastformoldcast,adoptcompleteprotectionmoulding,moltensteeltemperaturecontrolling,addingcoveringagent,stabilizepullingrate,doublecoolingtoimprovethesurfacequalityofcastingslab;inthecourseofrollingtousewalkingbeamfurnacewithadjustableatmosphereandpressure,advancedhighspeedno-torsionrollingmil,lfinishingandcheckandmeasureonline,tocontrolheatingtemperatureandsoakingtimestrictly.Thechemicalcompos-itioncontrolandalloyingcharacteristicofspringsteelareintroduced.Theprocess,smeltingcharacteristicandcontrollinkinproductionofsomedomesticandforeignspringsteelenterprisesareexpounded.Keywords

springstee;lant-ielasticity-letdown;ant-ifatigue;smelt;continuouscast;rolling

弹簧钢是一种重要的机械设备基础零件制造材料,主要用于航空航天、汽车、铁路车辆、轨道扣件、拖拉机、农用车等诸多领域。弹簧钢品种繁多,常见的有十几个牌号。国内弹簧钢的冶炼已有较长的时

间,主要是Si-Mn系钢,其产量约占弹簧钢总量的70%,弹簧钢其他钢种的开发,如50CrVA,55SiCr等直到近几年才有了长足的发展。1 弹簧钢的技术发展

随着汽车的轻量化和铁路的不断提速,弹簧的

设计应力也在不断提高。从节能和经济性出发,要求进一步减轻弹簧的质量,减轻弹簧质量最有效的方法是提高弹簧的设计应力,但为了提高弹簧的设计应力,则需提高弹簧的强度(硬度),也就是提高

弹簧钢的屈服极限,因为屈服极限随着弹簧钢硬度的增加而线性增加。而影响弹簧钢设计应力的最主要因素是抗疲劳和抗弹性减退,这两个因素已成为国内、外弹簧钢研究开发的主题。

弹簧钢的质量,尤其是性能,在很大程度上决定于冶炼过程中凝固坯的化学成分、钢水洁净度(气

第3期申 勇,等:弹簧钢的技术发展及生产工艺现状

#23#

体、有害元素、夹杂物)、铸坯质量(成分偏析、宏观结构及表面状况)和轧制等4个方面。1.1 弹簧钢的冶炼

弹簧钢比较难于连铸,由于碳含量高,钢中碳和杂质元素磷、硫的宏观偏析比较严重,铸坯的凝固收缩率高,因而造成很大的中心缩孔。此外,钢中的Al很容易与氧反应生成Al2O3,沉积在水口壁堵塞水口,在浇铸时堵塞水口现象比较严重。国内、外钢厂冶炼弹簧钢通过控制非金属夹杂物形态、降低磷和硫含量,提高钢的纯净度,得到高质量的终点钢水。精炼过程中应控制精炼时间,采取控白渣及吹Ar搅拌等操作防止钢水二次氧化。

随着弹簧的高应力化和使用条件的苛刻,非金属夹杂物将成为破坏弹簧的主要原因,因此弹簧钢对钢液洁净度的要求与日俱增。二次冶炼技术发展的日臻完善,为大批量廉价生产低夹杂物含量的优质钢提供了可能。如钢包吹氩、LF、RH等,可以大大降低气体和各种非金属夹杂物含量。其中应用比较广泛、经济性较好的有LF、RH等。一般使用RH脱气技术,钢中氧质量分数可降低到21@10~

-6

33@10,如进一步采用超低氧(ULO)处理,即RH脱气处理,并使用高级耐火材料、改变浇铸技术等,可使氧质量分数大幅度下降,达到10@10~11@-6

10。如瑞典SKF公司要求钢中氧质量分数低于15@10,D类夹杂物低于B类夹杂物,且已有相关试验证明采用铝预脱氧、钡合金终脱氧及夹杂物变性脱氧工艺可以使弹簧钢的氧质量分数降低到15@-6

10以下。氧化物夹杂中Al2O3的比例小于40%,使得弹簧钢冶炼登上一个新台阶。弹簧钢

[2]

对钢液洁净度的要求见表1。

表1 弹簧钢对钢液洁净度的要求Table1 Therequirementofspringsteel

tosteelliquidpurity

O[15

N[60

H[3

S[10000

w/10-6

P[10000

[1]

-6

-6

-6

过程中通过电磁搅拌、低温铸造等,大大减少钢的成

分偏析,提高钢质均匀性,减少钢液的二次氧化,改善钢的表面脱碳,连铸钢的组织和性能均匀、稳定,明显优于模铸钢而且金属收得率高,生产效率高,此外连铸与炉外精炼技术相配合,可以很容易地以低的成本将氧质量分数降到比较低的水平,并有效地控制碳及合金元素的含量。

弹簧钢的技术发展是弹簧钢设计应力等性能不断提升的过程。国内产品在质量上与日本、韩国同类产品相比还有差距,但因价格相对较低,已为相关企业提供制造微型汽车悬架弹簧、面包车悬架弹簧、摩托车减震弹簧等线材。国内主要合金弹簧线材的生产企业为宝钢、首钢特钢、大连钢厂、上海五钢等企业,宝钢高线厂弹簧钢线材有55SiCr,50CrV,60Si2MnA等,其中55SiCr已经在国内知名轿车上使用。1.2 弹簧钢的轧制

亚共析弹簧钢轧制分为高温轧制、常规轧制和热机械变形轧制(即控制轧制)。弹簧钢的轧制大都采用控制轧制,轧制时使用气氛和压力可调的步进式加热炉,严格控制加热温度和均热时间,以减少加热对总脱碳厚度的影响;采用先进的高速无扭轧机进行轧制,尽可能设计孔型辊缝最小,并让自由表面最小;采用轧辊孔型设计,轧辊研磨的计算机辅助设计和制造技术,以及闭环张力控制保证轧件的尺寸公差和断面形状;采用在线修整和检测技术,以保证表面质量,避免出现表面缺陷。例如,瑞典SKF公司通过杂散磁通技术在线检查钢坯,使用一种专门添加剂研磨技术局部修磨钢锭表面,在严格控制的加热气氛下加热圆形断面钢坯,优化轧机技术及轧辊孔型设计,开发出新的轧辊孔型设计,在后续道次中为卵形配合,从而达到最佳的表面质量。

开发变截面钢板弹簧和锥形棒材弹簧。生产变截面钢板的方法有切削、锻造和轧制等方法。从生产效率和成本等方面考虑,轧制法生产变截面钢板较好。变截面钢板弹簧的应用可使弹簧质量减轻40%~50%。使用锥形油淬火棒材可解决后悬架负荷变化率大的问题。1.3 弹簧钢化学成分作用机制及其合金化特点

弹簧钢的主要性能要求是高强度、高屈服极限和高抗疲劳极限,所以弹簧钢材大都有较高的含碳量,具有较好的淬透性。使用截面较大的弹簧时,为获得更好的淬透性,需要加入合金元素,合金钢中的主要合金元素是硅和锰,为了提高弹簧钢的耐疲劳、耐高温性,钒、铬和钼等微合金元素逐步被采用,合 注:残余夹杂以细小、均匀、弥散的塑性夹杂为主。

为实现弹簧钢的连铸,在连铸过程中有必要深入研究钢水过热度、拉坯速度和F段电磁搅拌强度

等工艺参数的合理配合,以减轻或基本上消除中心偏析,采用全保护浇注、钢水控温、加双层覆盖剂、稳定拉速、二次冷却水制度、中间包涂料控制等措施,以获得高质量的弹簧钢钢坯。

弹簧钢的连铸具有一系列优点,以连铸代替模铸是弹簧钢的又一发展趋势。其优点是弹簧钢连铸#24#

金 属 制 品第35卷

金元素的增加使得弹簧钢的屈、强性能突显,应用能力不断提高。弹簧钢化学成分作用机制见表2。

表2 弹簧钢化学成分作用机制

Table2 Functionmechanismofspringsteelchemicalcomposition

元素CSiMnCrMoVBNi

作用

弹簧钢主要强化元素,碳质量分数绝大部分在0.45%~0.65%

[3]

弹簧钢主要合金元素,对弹减抗力影响最大的合金元素,一般钢材中质量分数1.8%~2.2%提高淬透性最有效的合金元素,它溶入铁素体中有固溶强化作用显著提高钢的淬透性,阻止Si-Cr钢球化退火时的石墨化倾向,减少脱碳提高钢的淬透性,防止回火脆性,改善疲劳性能,质量分数一般在0.4%以下强碳化物形成元素,固态下析出的细小弥散MC型碳化物具有很强的沉淀强化效果

强烈提高淬透性的元素,质量分数0.001%~0.003%的硼分别相当于质量分数0.6%的Mn、0.7%的Cr、0.15%的Mo、1.5%的Ni

弹簧钢中应用较少。除保证钢在超高强度下的韧性和提高钢的淬透性外,另一个重要作用是抑制腐蚀环境下蚀坑的萌生和扩展[4]

炉y精炼炉(LF、RH)y连铸y钢坯加热y棒型材

2 国内、外相关企业生产工艺现状2.1 日本神户钢铁公司

日本神户钢铁公司采用阀门用弹簧钢丝的表面改质技术,氮化处理和表面喷丸清理技术,提高了阀门弹簧的疲劳强度,其生产工艺流程如下:方坯y热轧y去毛刺y铅浴淬火y拉拔y油淬火y回火y涡流探伤y冷卷y应力消除y卷端研磨y氮化处理y快速喷丸处理y应力时效y入库。国内外知名高档品牌汽车使用的悬架簧和阀门弹簧大多由日本神户钢铁公司的盘条或者棒材圆钢生产。2.2 宝钢

宝钢弹簧钢线材生产工艺流程:¹高炉炼铁y铁水预处理y转炉炼钢y二次精炼(RH真空脱气装置、KIP喷粉装置、CAS-OB装置、LF炉)y模铸(钢锭质量9.2t)y开坯y坯料精整y线材轧制(高速线材厂全线采用无扭轧制,最高轧制速度可达110m/s)y成品检验y线材出厂;º废钢+铁水y150t电炉y精炼y连铸160mm@160mm方坯y钢坯表面全剥皮处理y加热炉钢坯加热y高速线材轧机轧制y斯太尔摩控冷线冷却y成品检验y线材出厂。

工艺流程特点:强化精炼操作,采用结晶器电磁搅拌,改进脱氧工艺,合理控制连铸坯拉速和中间包钢水过热度、控制轧制。

宝钢生产的弹簧钢线材具有钢质纯净、偏析量小、脱碳层浅,表面质量优良的特点,主要用于制造悬架簧、气门簧,钢种有60Si2MnA,55SiCr,50CrV,60Si2Cr等

[5]

连轧生产线。

该工艺流程特点:采用结晶器电磁搅拌,强化二次精炼操作,改进脱氧工艺和调整连铸坯拉速,在保证钢液纯净度的前提下不断降低中间包钢水过热度,连铸坯质量得到大幅度提高

[6]

。

目前生产的弹簧钢种有弹簧圆钢和弹簧扁钢,钢号为65Mn,60Si2Mn(A),60Si2CrA,60Si2CrVA和55SMinVB。2.4 山东青岛钢铁有限公司(简称青钢)

青钢弹簧钢线材生产工艺流程:转炉y钢包底吹氩、喂丝y方坯连铸y钢坯加热y型材轧机。该工艺流程特点:采用拉碳法冶炼,钢包底吹氩、喂丝,连铸采用保护浇铸、合理控制过热度、拉速及结晶器参数,二冷水用汽水雾化冷却方式等工艺措施,可以有效解决生产过程中出现的质量问题,并降低钢中的氧含量及夹杂物级别

[7]

。

青钢至今共生产6个系列20种规格的扁钢2.5万,t钢材的各项性能均达到国标规定要求。2.5 江苏南京钢铁联合有限公司

该公司弹簧钢线材生产工艺流程:100tUHP电炉yLFyVD真空炉y五机五流连铸y冷却y加热炉y轧制y冷却y定尺剪y打包y入库。

该工艺流程特点:在冶炼过程中采用电炉大配碳量、低铝洁净钢工艺、高碱度渣、真空脱气及保护浇铸等技术,可降低钢中气体含量。用钙合金进行夹杂物变性处理,消除不变形夹杂物Al2O3的危害,非金属夹杂物控制在0.5级左右。采用低过热度、弱冷及低拉速浇铸工艺,优化中包和结晶器保护渣,自动控制中包液面,使用结晶器电磁搅拌,可保证良。

2.3 江苏淮钢集团有限公司

淮钢弹簧钢线材生产工艺流程:电炉/100t转 第3期申 勇,等:弹簧钢的技术发展及生产工艺现状

钢铁研究学报,2003,15(2):1-3.

#25#

好的铸坯质量。在轧制过程中严格控制加热温度和

均热时间,缓慢加热,控制均热温度与均热时间,防止脱碳,确保钢材表面质量和力学性能,确保成品性能合格。在线做顶锻试验,防止表面缺陷。

目前生产钢种主要有60Si2MnA棒材,以及50CrVA,60Si2CrVA,60Si2Cr,55SMinVB(铸坯外销)等其他品种。3 结语

国内弹簧钢的生产发展日新月异,纯净钢冶炼、合金化和微合金化、控轧控冷等技术为弹簧钢的进一步发展提供了强有力的支持,但与日本相比,在大方坯技术、夹杂物无害化处理、材料的均匀性等方面仍有一定的差距,国内的弹簧钢产品对弹簧疲劳寿命影响较大的表面缺陷、脱碳这两项指标难以达到国外同类产品水平,需要国内钢铁厂不断加强研究。同时弹簧钢的发展趋势不仅向高性能化方向发展,而且向经济性方向发展,只有在提高钢的力学性能和应用性能的同时兼顾到其经济性,才能被广大用户所接受。

参考文献

[1] 王忠英,于桂玲.60Si2Mn(A)弹簧钢的脱氧工艺[J].

[2]

[2] 刘丽华,肖同友,霍松波,等.用UHP-LF/VD-CC工

艺流程生产弹簧钢的质量控制[J].炼钢,2003,19(6):10-12.

[3] 江阴兴澄特种钢铁有限公司.GB/T1222)2007弹簧

钢[S].北京:中国标准出版社,2007.

[4] 徐德祥,尹钟大.高强度弹簧钢的发展现状和趋势

[J].钢铁,2004,39(1):69-70.

[5] 陆志新,唐劲松.宝钢线材的实物质量与改进方向

[J].金属制品,2003,29(4):36-39.

[6] 杨武,薛正良,李正邦,等.淮钢弹簧钢连铸小方坯质

量的提高[J].钢铁,2002,37(4):21-23.

[7] 黄肇信,严进宝,谭瑞林,等.转炉冶炼60Si2Mn弹簧

钢的实践[J].炼钢,2003,19(2):17-20.

(收稿日期:2008-12-02)

作者简介

申 勇 1975年生,安阳钢铁集团公司技术中心技术管理

科工程师。

申 斌 1978年生,安阳钢铁集团公司第二炼轧厂技术科

工程师。

吴 静 1985年生,安阳钢铁集团公司技术中心技术管理

科助理工程师。

唐武峰 1977年生,安阳钢铁集团公司技术中心技术管理

科工程师。

(上接第21页)减少了废液排放,改善了作业环境。3.2 经济效益分析

(1)一条进口高速镀锌钢丝生产线,报价在

3500多万元,而武钢集团钢丝绳厂采用引进关键的抹拭技术,其余设备由国内厂家设计制造,投资仅为进口生产线的1/3,节约投资2000多万元,而且效果相当。

(2)新建高速镀锌生产线生产过程中有效锌耗达到54kg/,t而原镀锌生产线为59.5kg/,t按年生产2万t镀锌钢丝,锌价为1.3万元/t计算,节锌费用143万元/a。

(3)新生产线人员配置为4个班,每班9人;原生产线人员配置为4个班,每班7人。年生产2万t镀锌钢丝,需3条原生产线才能完成,减少人员48名,按人均工资1.6万元/a测算,节约工资76.8万元。4 结语

(1)新建的高速热镀锌钢丝生产线调试生产后,Dv值达到120mm#m/min,采用1条高速热镀锌钢丝生产线走24根钢丝相当于3条原生产线的产量。(2)采用立式双卷筒工字轮收放线机,实现了大盘重(盘重1.3t)连续生产,减轻了员工劳动强度。(3)表面处理线的改进,使高速运行中的钢丝

得到了良好的清洗效果,减少了废酸、废碱、废水的排放,工作环境得到有效的改善。

(4)采用进口电磁抹拭系统能有效控制在高速生产条件下的钢丝锌层面质量,生产出来的钢丝锌层均匀、可控,表面平整、光洁,镀锌工序的能力指数优于原生产线。

参考文献

[1] 张洪云.高效大盘重厚镀层热镀锌钢丝生产线[J].金

属制品,2008(5):45-46.

[2] 徐民奎.钢丝镀层与防腐[M].湘潭:湘潭钢铁公司职

工大学,1988:74.

[3] 张建强,曹德润.热镀锌钢丝生产线的改造[J].金属

制品:2008(1):6.

[4] 马林,罗国英.全面质量管理基本知识[M].北京:中

国经济出版社,2004.

(收稿日期:2009-05-07)

作者简介

张光新 1963年生,工程师,武钢集团江北公司钢丝绳厂镀

锌车间主任。