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60Si2MnA彈簧鋼的生產(chǎn)技術(shù)要點(diǎn)與產(chǎn)品檢驗(yàn)論文
武鋼條材總廠根據(jù)自身工藝特點(diǎn)，自2011年5月首次采用BOF-LF-RH-CC-軋制的工藝路線生產(chǎn)60Si2MnA鋼以來，已具備批量生產(chǎn)的能力，生產(chǎn)的60Si2MnA彈簧鋼滿足了GB/T1222-2007標(biāo)準(zhǔn)要求。下面由學(xué)術(shù)堂為大家整理出一篇題目為“60Si2MnA彈簧鋼的生產(chǎn)技術(shù)要點(diǎn)與產(chǎn)品檢驗(yàn)”的冶金工程論文，供大家參考。
原標(biāo)題：120tBOF-LF-RH-CC工藝生產(chǎn)60Si2MnA彈簧鋼的實(shí)踐
摘要：武鋼條材總廠采用轉(zhuǎn)爐-LF精煉-RH-連鑄-連軋工藝流程生產(chǎn)60Si2MnA彈簧鋼，通過控制鐵水中w（S）及w（Ti）、控制轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)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(hù)澆注、低溫軋制等措施，使得鋼材夾雜物級(jí)別不大于1.5,布氏硬度值小于315,完全滿足用戶的技術(shù)要求。
關(guān)鍵詞：60Si2MnA彈簧鋼；連鑄；夾雜物；脫碳層
彈簧是非常重要的機(jī)械零件，與螺栓、齒輪構(gòu)成機(jī)械的三大基礎(chǔ)零件。彈簧的作用極為重要，在各種機(jī)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(zhuǎn)等交變應(yīng)力下工作，經(jīng)受拉、壓、扭、沖擊、疲勞、腐蝕等多種作用，有時(shí)還需承受極高的短時(shí)突加載荷。由于工作條件惡劣，對(duì)彈簧鋼的性能要求十分嚴(yán)格，不僅要有高的淬透性，保證整個(gè)彈簧截面獲得均勻的顯微組織、良好的力學(xué)性能（包括疲勞性能）,而且要求優(yōu)良的表面質(zhì)量，組織均勻細(xì)密等。武鋼條材總廠根據(jù)自身工藝特點(diǎn)，自2011年5月首次采用BOF-LF-RH-CC-軋制的工藝路線生產(chǎn)60Si2MnA鋼以來，已具備批量生產(chǎn)的能力，生產(chǎn)的60Si2MnA彈簧鋼滿足了GB/T1222-2007標(biāo)準(zhǔn)要求。
160Si2MnA彈簧鋼主要技術(shù)要求
1.1化學(xué)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(jīng)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(diǎn)及晶間裂紋，均按GB/T226-2001和GB/T1979-2001標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)和評(píng)級(jí)；非金屬夾雜物按GB/T10561-2005標(biāo)準(zhǔn)中A法評(píng)定。非金屬夾雜物級(jí)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(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)。當(dāng)直徑在Φ16~30mm時(shí)，應(yīng)符合不大于直徑乘2.0%的規(guī)定；當(dāng)直徑大于Φ30mm時(shí)，應(yīng)符合不大于直徑乘1.5%的規(guī)定。
1.3力學(xué)性能
在熱軋鋼材縱向上取直徑為11.5mm毛坯試樣，經(jīng)（870±20）℃淬火以及（440±50）℃回火后，再精加工制成直徑為10mm的標(biāo)準(zhǔn)樣。力學(xué)性能應(yīng)滿足ReL≥1375MPa,Rm≥1570MPa,A11.3≥5%,Z≥20%.
1.4生產(chǎn)工藝
轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)60Si2MnA彈簧鋼的工藝流程為：鐵水脫硫-120tBOF（轉(zhuǎn)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(yàn)-精整-包裝-入庫。
2生產(chǎn)技術(shù)要點(diǎn)
2.1轉(zhuǎn)爐冶煉
精確控制轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)，避免鋼水過氧化，實(shí)現(xiàn)低w（O）鋼冶煉是大規(guī)模、高效率、廉價(jià)生產(chǎn)潔凈鋼的技術(shù)關(guān)鍵。鐵水脫硫后w（S）≤0.005%,同時(shí)控制w（Ti）≤0.001%,防止TiN脆性夾雜的產(chǎn)生；采用高拉碳工藝，終點(diǎn)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(qiáng)化冶煉末期底吹攪拌，防止鋼水過氧化，促進(jìn)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(shí)加入合金材料和增碳劑，同時(shí)大包造新渣，加入活性石灰和螢石，由于60Si2MnA的鋼水流動(dòng)性差，易造成中間包水口結(jié)瘤，應(yīng)盡量減少易形成高熔點(diǎn)氧化物的鋁的加入量，所以未加入Al塊進(jìn)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(nèi)在質(zhì)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(shí)，取第1個(gè)樣進(jìn)行全分析，并視渣子情況適當(dāng)加入活性石灰、螢石調(diào)整渣況和渣的成分，渣堿度控制在0.7~2.0.同時(shí)化渣過程中加入適量Si粉、SiC等進(jìn)行渣面脫氧，形成白渣后再進(jìn)行成分調(diào)整，且白渣保持時(shí)間不低于15min.按內(nèi)控成分調(diào)好后，嚴(yán)禁大氬量攪拌使鋼水裸露。
2.4RH真空處理
進(jìn)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(shù)量而采取的手段。工藝設(shè)定真空度不大于100Pa時(shí)，處理時(shí)間為15~35min.真空處理結(jié)束，測溫、取鋼樣，進(jìn)行軟吹氬操作，軟吹氬時(shí)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(nèi)部質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是獲得良好的鑄坯質(zhì)量的基礎(chǔ)，尤其是對(duì)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(nèi)部柱狀晶發(fā)達(dá)，在熱反應(yīng)力綜合作用下，極易產(chǎn)生中心疏松、縮孔和內(nèi)部裂紋，同時(shí)還會(huì)伴有嚴(yán)重的偏析，因此實(shí)現(xiàn)低過熱度澆注和做好保護(hù)澆注非常重要。
連鑄過程嚴(yán)格控制中包鋼水溫度，鋼水溫度控制目標(biāo)在液相線15~30℃，中包保護(hù)渣先加堿性鎂質(zhì)渣后再加碳化糠殼，結(jié)晶器保護(hù)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(hào)水表配比。采用浸入式水口進(jìn)行澆鑄，水口插入深度100~150mm,結(jié)晶器液面采用自動(dòng)控制，開啟結(jié)晶器電磁攪拌和輕壓下（壓下量目標(biāo)值3mm）。同時(shí)采用長水口氬封保護(hù)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(chǎn)生脫碳，并且脫碳層是該鋼種的1個(gè)很重要的質(zhì)量指標(biāo)，因此，制定鋼坯加熱制度時(shí)，均熱段溫度比其它鋼種要低，在1100~1150℃，鋼坯加熱制度嚴(yán)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(chǎn)品檢驗(yàn)與分析
3.1化學(xué)成分
對(duì)試驗(yàn)鋼5爐的成品化學(xué)成分進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，從表3中可以看出，所有元素均滿足GB/T1222-2007標(biāo)準(zhǔn)要求，并且100%達(dá)到了內(nèi)控成分要求。C和Si元素含量在標(biāo)準(zhǔn)中限控制，Mn元素按下限目標(biāo)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(yán)格按要求控制。
3.2鋼坯及鋼材低倍檢驗(yàn)
對(duì)60Si2MnA試驗(yàn)鋼鑄坯進(jìn)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(nèi)部裂紋，一般疏松、中心疏松均小于1級(jí)，縮孔小于等于0.5級(jí)，鋼坯低倍組織相當(dāng)好，達(dá)到了鑄坯質(zhì)量要求，見圖1.
對(duì)60Si2MnA鋼熱軋材進(jìn)行熱酸浸橫向低倍檢驗(yàn)，見圖2.可以看出，低倍組織中無明顯的縮孔、氣泡白點(diǎn)、裂紋，中心疏松和偏析均不大于1級(jí)，滿足標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)散的激活能，減輕了鋼的脫碳傾向。并且一些研究結(jié)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(duì)脫碳的不良作用[4].因此在60Si2MnA鋼成分設(shè)計(jì)中加入適量的鉻（w（Cr）≤0.35%）。標(biāo)準(zhǔn)中要求總脫碳層深度不大于直徑乘2.0%（mm）,對(duì)Φ18~32mm規(guī)格直徑的圓鋼按照GB/T224-2008進(jìn)行脫碳層深度檢驗(yàn)評(píng)定，從檢驗(yàn)的結(jié)果來看，總脫碳層深度在0.08~0.34mm,均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
對(duì)60Si2MnA鋼熱軋材進(jìn)行了顯微組織檢驗(yàn)，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(xué)性能和硬度
按照GB/T1222-2007標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行熱處理，由于標(biāo)準(zhǔn)中范圍較寬，在生產(chǎn)檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，力學(xué)性能影響波動(dòng)大，因此根據(jù)工業(yè)性試制中各合金元素成分按中下限控制實(shí)際情況，優(yōu)化出符合生產(chǎn)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(diào)質(zhì)態(tài)力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，合格率100%.同時(shí)對(duì)60Si2MnA鋼熱軋態(tài)表面進(jìn)行了硬度檢驗(yàn)，其布氏硬度值均小于315,滿足標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度要求，結(jié)果如表4所示。
3.5夾雜物檢驗(yàn)
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(shù)量[5],從表5中可以看出，A類硫化物夾雜一般在0~1.5級(jí)；B類氧化鋁類夾雜基本都是0級(jí)，只有2個(gè)批次中檢驗(yàn)為0.5級(jí)，主要是鐵合金中含鋁；C類為0級(jí)，D類球狀氧化物類0~1級(jí)。同時(shí)采用電子探針對(duì)60Si2MnA鋼夾雜物成分組成和類型進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)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(duì)夾雜物進(jìn)行定量分析，結(jié)果表明每平方毫米面積上的夾雜物有66個(gè)，最大直徑約32μm,尺寸主要集中在2~6μm,比例達(dá)到70%;小于10μm夾雜物的比例達(dá)到90%,而小于10μm夾雜物的去除難度較大。
4批量生產(chǎn)效果
對(duì)107爐鋼化學(xué)成分的C,Si,Mn,P,S,Cu,Ni,Cr等元素進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖6至圖11,可以看出，所有元素均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并且100%達(dá)到了內(nèi)控成分要求，其過程能力指數(shù)Cpk都大于1.30,說明過程處于統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)，過程能力充足。
對(duì)28批60Si2MnA鋼熱軋材的低倍質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示60Si2MnA熱軋材中心疏松和一般疏松級(jí)別均在0.5~1.0級(jí)，符合GB/T3077-1999標(biāo)準(zhǔn)中的不大于2.0級(jí)要求，其中鋼材中心疏松0.5級(jí)的占89%,1.0級(jí)的占11%;鋼材中一般疏松0.5級(jí)的占81.7%,1.0級(jí)的占18.3%.
對(duì)78批次Φ18~32mm規(guī)格的60Si2MnA鋼軋態(tài)硬度進(jìn)行了檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果為180~320HB,同時(shí)對(duì)熱處理后性能進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，屈服強(qiáng)度Rel值在1391~1609MPa,平均值1477MPa;抗拉強(qiáng)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(duì)78批次鋼材進(jìn)行了金相檢驗(yàn)，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(jí)以下，其中0.5級(jí)以下的占69%,B和C類控制在0.5級(jí)以下，其中0級(jí)的占75%,D類控制在1級(jí)以下，其中0.5級(jí)以下的87%.
檢驗(yàn)結(jié)果表明，大批量生產(chǎn)的60Si2MnA鋼各項(xiàng)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，性能合格率100%,質(zhì)量完全滿足用戶要求。
5結(jié)語
1）采用轉(zhuǎn)爐-LF精煉-RH-連鑄-連軋工藝流程生產(chǎn)的60Si2MnA鋼化學(xué)成分均勻、有害元素含量低、鋼質(zhì)潔凈度高，各類夾雜物的級(jí)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(zhuǎn)爐-LF精煉-RH-連鑄-連軋工藝流程生產(chǎn)的60Si2MnA鋼熱軋材表面質(zhì)量良好，脫碳層厚度薄，低倍組織、顯微組織正常，力學(xué)性能優(yōu)良，完全滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。
參考文獻(xiàn)：
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