60Si2MnA彈簧鋼的生產技術要點與產品檢驗論文

時間：2021-06-29 17:04:59 論文范文我要投稿

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　　武鋼條材總廠根據自身工藝特點，自2011年5月首次采用BOF-LF-RH-CC-軋制的工藝路線生產60Si2MnA鋼以來，已具備批量生產的能力，生產的60Si2MnA彈簧鋼滿足了GB/T1222-2007標準要求。下面由學術堂為大家整理出一篇題目為“60Si2MnA彈簧鋼的生產技術要點與產品檢驗”的冶金工程論文，供大家參考。

60Si2MnA彈簧鋼的生產技術要點與產品檢驗論文

　　原標題：120tBOF-LF-RH-CC工藝生產60Si2MnA彈簧鋼的實踐

　　摘要：武鋼條材總廠采用轉爐-LF精煉-RH-連鑄-連軋工藝流程生產60Si2MnA彈簧鋼，通過控制鐵水中w（S）及w（Ti）、控制轉爐終點w（C）、出鋼過程無鋁脫氧、LF全程吹氬攪拌、RH“軟吹氬”、控制中間包鋼水過熱度15~30℃、全程保護澆注、低溫軋制等措施，使得鋼材夾雜物級別不大于1.5,布氏硬度值小于315,完全滿足用戶的技術要求。

　　關鍵詞：60Si2MnA彈簧鋼；連鑄；夾雜物；脫碳層

　　彈簧是非常重要的機械零件，與螺栓、齒輪構成機械的三大基礎零件。彈簧的作用極為重要，在各種機械中彈簧起著緩沖、減震、貯能、連接、支撐、密封、傳力等作用。彈簧是在周期性的彎曲、扭轉等交變應力下工作，經受拉、壓、扭、沖擊、疲勞、腐蝕等多種作用，有時還需承受極高的短時突加載荷。由于工作條件惡劣，對彈簧鋼的性能要求十分嚴格，不僅要有高的淬透性，保證整個彈簧截面獲得均勻的顯微組織、良好的力學性能（包括疲勞性能）,而且要求優(yōu)良的表面質量，組織均勻細密等。武鋼條材總廠根據自身工藝特點，自2011年5月首次采用BOF-LF-RH-CC-軋制的工藝路線生產60Si2MnA鋼以來，已具備批量生產的能力，生產的60Si2MnA彈簧鋼滿足了GB/T1222-2007標準要求。

　　160Si2MnA彈簧鋼主要技術要求

　　1.1化學成分

　　60Si2MnA彈簧鋼的熔煉成分要求為：w（C）為0.56%~0.64%,w（Si）為1.60%~2.00%,w（Mn）為0.70%~1.00%,w（P）≤0.025%,w（S）≤0.025%,w（Ni）≤0.35%,w（Cu）≤0.25%,w（Cr）≤0.35%.

　　1.2低倍組織

　　鋼材的橫截面經酸浸后，低倍組織試片上無目視可見的縮孔、裂紋、氣泡、夾雜、翻皮、白點及晶間裂紋，均按GB/T226-2001和GB/T1979-2001標準檢驗和評級；非金屬夾雜物按GB/T10561-2005標準中A法評定。非金屬夾雜物級別見表1.

　　鋼材的總脫碳層（全脫碳加部分脫碳）深度按GB/T224-2008標準檢驗。當直徑在Φ16~30mm時，應符合不大于直徑乘2.0%的規(guī)定；當直徑大于Φ30mm時，應符合不大于直徑乘1.5%的規(guī)定。

　　1.3力學性能

　　在熱軋鋼材縱向上取直徑為11.5mm毛坯試樣，經（870±20）℃淬火以及（440±50）℃回火后，再精加工制成直徑為10mm的標準樣。力學性能應滿足ReL≥1375MPa,Rm≥1570MPa,A11.3≥5%,Z≥20%.

　　1.4生產工藝

　　轉爐生產60Si2MnA彈簧鋼的工藝流程為：鐵水脫硫-120tBOF（轉爐）-BAR（氬站）-LF（精煉）-RH（真空）-CC（200mm×200mm×7000mm）。軋鋼工藝流程為：鋼坯加熱-軋制-尺寸、外形及表面檢查-取樣檢驗-精整-包裝-入庫。

　　2生產技術要點

　　2.1轉爐冶煉

　　精確控制轉爐吹煉終點，避免鋼水過氧化，實現低w（O）鋼冶煉是大規(guī)模、高效率、廉價生產潔凈鋼的技術關鍵。鐵水脫硫后w（S）≤0.005%,同時控制w（Ti）≤0.001%,防止TiN脆性夾雜的產生；采用高拉碳工藝，終點w（C）控制在0.08%~0.30%,大渣量高堿度去P,保持出鋼過程連續(xù)吹氬，強化冶煉末期底吹攪拌，防止鋼水過氧化，促進鋼、渣平衡；采用擋渣球擋渣出鋼，鋼包渣層厚度控制在100mm以下；采用爐外脫氧和合金化，出鋼1/4左右時加入合金材料和增碳劑，同時大包造新渣，加入活性石灰和螢石，由于60Si2MnA的鋼水流動性差，易造成中間包水口結瘤，應盡量減少易形成高熔點氧化物的鋁的加入量，所以未加入Al塊進行爐后脫氧。

　　2.2吹氬工藝

　　鋼包吹氬作為均勻鋼水成分、溫度，減少鋼中夾雜物，提高鋼的內在質量的重要手段之一，已成為煉鋼工藝流程中不可缺少的組成部分[1].到站吹氬3min后測溫、取樣，作成分分析，然后吊至LF爐。

　　2.3LF爐精煉工藝

　　鋼水入坑后開始吹氬、加熱；溫度T≥1560℃時，取第1個樣進行全分析，并視渣子情況適當加入活性石灰、螢石調整渣況和渣的成分，渣堿度控制在0.7~2.0.同時化渣過程中加入適量Si粉、SiC等進行渣面脫氧，形成白渣后再進行成分調整，且白渣保持時間不低于15min.按內控成分調好后，嚴禁大氬量攪拌使鋼水裸露。

　　2.4RH真空處理

　　進行RH真空處理是為了降低鋼中氧、氮等氣體元素，從而能夠有效地降低鋼中夾雜物數量而采取的手段。工藝設定真空度不大于100Pa時，處理時間為15~35min.真空處理結束，測溫、取鋼樣，進行軟吹氬操作，軟吹氬時間為10~30min.

　　2.5連鑄工藝

　　溫度控制制度是保證中間包連澆及連鑄坯內部質量的關鍵環(huán)節(jié)，是獲得良好的鑄坯質量的基礎，尤其是對60Si2MnA等高碳鋼。由于高碳鋼在凝固過程中體積收縮較大，易偏析[2-3],如果鋼水過熱度太高，則鑄坯內部柱狀晶發(fā)達，在熱反應力綜合作用下，極易產生中心疏松、縮孔和內部裂紋，同時還會伴有嚴重的偏析，因此實現低過熱度澆注和做好保護澆注非常重要。

　　連鑄過程嚴格控制中包鋼水溫度，鋼水溫度控制目標在液相線15~30℃，中包保護渣先加堿性鎂質渣后再加碳化糠殼，結晶器保護渣采用高碳鋼渣，拉速控制在1.10~1.30m/min,二冷配水采用3號水表配比。采用浸入式水口進行澆鑄，水口插入深度100~150mm,結晶器液面采用自動控制，開啟結晶器電磁攪拌和輕壓下（壓下量目標值3mm）。同時采用長水口氬封保護澆鑄，確保密封效果，防止鋼水二次氧化。

　　2.6軋制工藝

　　采用推鋼式加熱爐，考慮到60Si2MnA鋼比其他鋼易產生脫碳，并且脫碳層是該鋼種的1個很重要的質量指標，因此，制定鋼坯加熱制度時，均熱段溫度比其它鋼種要低，在1100~1150℃，鋼坯加熱制度嚴格按表2執(zhí)行，盡量做到上下表面溫度一致，加熱均勻。采用高壓水除鱗有效去除氧化鐵皮，避免劃傷或者裂紋，開軋溫度控制在960~1080℃，終軋溫度控制在850℃以下，軋后上冷床空冷。

　　3產品檢驗與分析

　　3.1化學成分

　　對試驗鋼5爐的.成品化學成分進行了統(tǒng)計分析，從表3中可以看出，所有元素均滿足GB/T1222-2007標準要求，并且100%達到了內控成分要求。C和Si元素含量在標準中限控制，Mn元素按下限目標控制，w（Cr）在0.18%左右控制，w（P）≤0.017%,w（S）在0.010%以下，殘余元素Ni及Cu含量嚴格按要求控制。

　　3.2鋼坯及鋼材低倍檢驗

　　對60Si2MnA試驗鋼鑄坯進行了熱酸浸橫向低倍檢查，從連鑄坯熱酸浸低倍組織看，等軸晶比較高，無內部裂紋，一般疏松、中心疏松均小于1級，縮孔小于等于0.5級，鋼坯低倍組織相當好，達到了鑄坯質量要求，見圖1.

　　對60Si2MnA鋼熱軋材進行熱酸浸橫向低倍檢驗，見圖2.可以看出，低倍組織中無明顯的縮孔、氣泡白點、裂紋，中心疏松和偏析均不大于1級，滿足標準要求。

　　3.3脫碳層和顯微組織

　　脫碳使鋼的表面硬度下降，影響彈簧的疲勞壽命和彈性減退抗力等，所以希望彈簧鋼脫碳敏感性愈小愈好。彈減抗力好的高硅含量的Si-Mn彈簧鋼脫碳敏感性較大，這主要是由于硅提高鋼的碳活度，增加了鋼的脫碳傾向，而鉻、釩、鈮、鉬除可降低鋼中碳的活度外，還能形成碳化物，提高了鋼中碳擴散的激活能，減輕了鋼的脫碳傾向。并且一些研究結果表明：彈簧鋼壽命與硅引起的脫碳成反比，增加合金元素鉻可以降低硅對脫碳的不良作用[4].因此在60Si2MnA鋼成分設計中加入適量的鉻（w（Cr）≤0.35%）。標準中要求總脫碳層深度不大于直徑乘2.0%（mm）,對Φ18~32mm規(guī)格直徑的圓鋼按照GB/T224-2008進行脫碳層深度檢驗評定，從檢驗的結果來看，總脫碳層深度在0.08~0.34mm,均滿足標準要求。

　　對60Si2MnA鋼熱軋材進行了顯微組織檢驗，熱軋態(tài)顯微組織為珠光體加鐵素體，如圖3所示，組織正常。

　　3.4力學性能和硬度

　　按照GB/T1222-2007標準要求，對試驗鋼進行熱處理，由于標準中范圍較寬，在生產檢驗中發(fā)現，力學性能影響波動大，因此根據工業(yè)性試制中各合金元素成分按中下限控制實際情況，優(yōu)化出符合生產的較佳熱處理工藝，即880℃淬火溫度下保溫45min油冷，490℃回火并保溫90min后水冷。采取以上措施后，60Si2MnA鋼試樣調質態(tài)力學性能檢驗結果完全滿足標準要求，合格率100%.同時對60Si2MnA鋼熱軋態(tài)表面進行了硬度檢驗，其布氏硬度值均小于315,滿足標準布氏硬度要求，結果如表4所示。

　　3.5夾雜物檢驗

　　通過吹氬攪拌、造渣精煉、真空處理等手段，可以控制60Si2MnA鋼中夾雜物尺寸和數量[5],從表5中可以看出，A類硫化物夾雜一般在0~1.5級；B類氧化鋁類夾雜基本都是0級，只有2個批次中檢驗為0.5級，主要是鐵合金中含鋁；C類為0級，D類球狀氧化物類0~1級。同時采用電子探針對60Si2MnA鋼夾雜物成分組成和類型進行了分析。試驗結果表明，鋼中夾雜物多以硅鋁酸鈣、硫化鈦錳和硫化錳為主，還有很少量的氮化鈦，尺寸大小不一，見圖4、圖5.在Leica圖像儀上對夾雜物進行定量分析，結果表明每平方毫米面積上的夾雜物有66個，最大直徑約32μm,尺寸主要集中在2~6μm,比例達到70%;小于10μm夾雜物的比例達到90%,而小于10μm夾雜物的去除難度較大。

　　4批量生產效果

　　對107爐鋼化學成分的C,Si,Mn,P,S,Cu,Ni,Cr等元素進行了統(tǒng)計，如圖6至圖11,可以看出，所有元素均滿足標準要求，并且100%達到了內控成分要求，其過程能力指數Cpk都大于1.30,說明過程處于統(tǒng)計受控狀態(tài)，過程能力充足。

　　對28批60Si2MnA鋼熱軋材的低倍質量進行統(tǒng)計分析，結果顯示60Si2MnA熱軋材中心疏松和一般疏松級別均在0.5~1.0級，符合GB/T3077-1999標準中的不大于2.0級要求，其中鋼材中心疏松0.5級的占89%,1.0級的占11%;鋼材中一般疏松0.5級的占81.7%,1.0級的占18.3%.

　　對78批次Φ18~32mm規(guī)格的60Si2MnA鋼軋態(tài)硬度進行了檢驗，檢驗結果為180~320HB,同時對熱處理后性能進行了統(tǒng)計，屈服強度Rel值在1391~1609MPa,平均值1477MPa;抗拉強度Rm值在1589~1703MPa,平均值1658MPa;斷面伸長率A值在8%~15%,平均值9.4%;斷面收縮率Z值在25%~39%,平均值29%.

　　對78批次鋼材進行了金相檢驗，組織均為珠光體加鐵素體，無異常組織，脫碳深度在0.03~0.35mm;鋼中非金屬夾雜物A類控制在1.5級以下，其中0.5級以下的占69%,B和C類控制在0.5級以下，其中0級的占75%,D類控制在1級以下，其中0.5級以下的87%.

　　檢驗結果表明，大批量生產的60Si2MnA鋼各項指標均滿足標準要求，性能合格率100%,質量完全滿足用戶要求。

　　5結語

　　1）采用轉爐-LF精煉-RH-連鑄-連軋工藝流程生產的60Si2MnA鋼化學成分均勻、有害元素含量低、鋼質潔凈度高，各類夾雜物的級別低，分布均勻。鋼中夾雜物以硅鋁酸鈣、硫化鈦錳和硫化錳為主，還含有很少量的氮化鈦，夾雜物尺寸主要集中在2~6μm,去除難度大。

　　2）轉爐-LF精煉-RH-連鑄-連軋工藝流程生產的60Si2MnA鋼熱軋材表面質量良好，脫碳層厚度薄，低倍組織、顯微組織正常，力學性能優(yōu)良，完全滿足技術標準要求。

　　參考文獻：

　　[1]伍先昭。鋼包底吹氬試驗[J].湖南冶金，1999（4）:4-7.

　　[2]黃鐵山，董北平，張艷陽，等。轉爐-精煉-連鑄60Si2Mn彈簧鋼的研制[J].煉鋼，2000,16（4）:49

　　[3]李作賢，侯志全。汽車懸掛彈簧鋼60Si2CrA的生產與研制[J].特鋼技術，1998（1/2）:23.

　　[4]付成輝，馬鳳杰。脫碳深度對60Si2CrVAT彈簧鋼疲勞性能的影響[J].重慶科技學院學報：自然科學版，2011,13（6）:124-126.

　　[5]李正邦，薛正良，張家雯。彈簧鋼夾雜物形態(tài)控制[J].鋼鐵，1999,34（4）:20.

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