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合金彈簧鋼生產主要問題及解決措施
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來源:互聯網 添加人:admin 添加時間:2010-11-30 11:00:00

摘要:本文分析了非金屬夾雜物、表面缺陷和脫碳等因素對彈簧鋼產品質量的影響,論述了彈簧鋼冶金質量提高、化學成分和工藝優化、多元合金化和稀土處理以及新鋼種開發等措施對提高合金彈簧鋼性能的作用,探討了提高合金彈簧鋼的綜合性能的新途徑。
 
      彈簧鋼是工業生產中廣泛使用的鋼種,按化學成分可分為3類,即碳素彈簧鋼、特殊用途高合金彈簧鋼和通用合金彈簧鋼。其中通用合金彈簧鋼(以下簡稱合金彈簧鋼)具有性能優良、適應性強、價格低廉等優點,因此用途廣、用量大,是最常用和最重要的彈簧材料。但是由于合金彈簧鋼自身合金元素的特性,給實際生產和使用帶來了諸多問題。
 
1. 合金彈簧鋼存在的主要問題
       合金彈簧鋼中的非金屬夾雜物、表面缺陷和脫碳層是影響彈簧使用壽命的主要因素。資料表明,閥門彈簧因表層下非金屬夾雜物引起的失效占40%;表面缺陷和脫碳層引起的失效占30%。某特鋼廠近兩年共接到用戶投訴64起,按鋼種及直接投訴的內容分布見表1[1]
表1 用戶投訴的鋼種及內容分布
鋼種
投訴起數
投訴內容
投訴起數
60Si2Mn
43
斷裂及開裂
39
60Si2Cr
8
表面裂紋
9
50CrV
4
表面脫碳
5
65Mn
7
拆迭耳子
6
55Si2MoV
1
定尺及橢圓度
2
55SiMnVB
1
碳偏析
1
 
 
劃傷及翹皮
2
 
1.1 非金屬夾雜物
      鋼中非金屬夾雜物主要是在冶煉過程中產生的Al2O3和TiN夾雜物。它們對疲勞性能的影響一方面取決于夾雜物的類型、數量、尺寸、形狀和分布;另一方面受鋼基體組織和性質制約,與基體結合力弱的尺寸大的脆性夾雜物和球狀不變形夾雜物的危害最大。而且,鋼的強度水平愈高,夾雜物對疲勞極限的有害影響也愈顯著[2]
1.2 表面缺陷
       表面質量問題主要分三類:一是明顯的軋制缺陷、折迭和耳子缺陷以及部分劃傷翹皮,主要由于軋鋼設備陳舊、精整設施落后和孔型設計調整不到位引起的。另外坯料表面磨修不當,產生尖角棱子及凹坑劃傷,經軋制后也形成折迭缺陷;二是表面裂紋,它在鋼材表面呈縱向連續或斷續分布,主要是由于坯料殘存的裂紋和皮下缺陷引起的,軋制應力及冷卻不當也會產生表面裂紋;三是表面劃傷及翹皮,這與工裝條件及操作不當有關,在打包、運輸過程中也會產生擦傷。它們的存在必然是材料產生失效的起源點,易直接導致材料斷裂。但對于局部較小的凹坑、劃傷、疤皮、麻點等缺陷,人們一般不太重視,它們的存在有的雖是標準允許的,不會成為失效的主因,但它們存在的區域肯定是材料的薄弱部位,在材料整體塑性不好時它們也會成為開裂的突破口。由于在失效時小缺陷已受到破壞或取樣時未檢驗到具體部位,所以失效分析中往往忽略了這一因素。在某特鋼廠64起投訴中表面質量問題占到總數的31%[1]
1.3脫碳層
      脫碳是彈簧鋼材常見的表面缺陷,對彈簧的使用性能有顯著影響。所謂脫碳是指彈簧鋼在加熱過程中或熱處理時,鋼材表面在爐內氣氛作用下全部或部分脫碳,造成鋼材表面的碳含量比內部減少的現象。彈簧鋼材表面脫碳0.1mm就會使其疲勞極限顯著下降[3]。而且,隨著鋼材表面脫碳層深度增加,疲勞壽命顯著下降。特別是鋼材表面脫碳層出現鐵素體可降低疲勞極限50%。由于脫碳,彈簧的表面硬度下降,在交變應力作用下容易產生裂紋,使彈簧過早疲勞失效。另外,表面層不同部位淬火時膨脹系數不同,引起應力集中,致使部件全脫碳層與部分脫碳層之間的過渡區產生微裂紋,這些可見的或不可見的微裂紋成為應力集中區,并作為裂紋繼續發展的起源,引起彈簧的失效或斷裂。
 
2. 改善措施
      合金彈簧鋼的質量好壞在很大程度上決定于冶煉工藝,包括鋼的化學成分,鋼水潔凈度(氣體、有害元素、夾雜物)和鑄坯質量(成分偏析、脫碳及其表面狀況),這幾個方面正是冶煉操作的關鍵控制點。另外,彈簧鋼還要求有足夠的淬透性以保證整個彈簧截面獲得均勻的微觀組織和力學性能。
2.1非金屬夾雜物的改善
      產生疲勞裂紋的主要原因在于鋼中氧化物夾雜,且D類夾雜物對疲勞壽命的危害大于B類夾雜物。因此,國外鋼廠和汽車廠對彈簧鋼中的氧化物夾雜提出了更高的要求,如瑞典SKF標準要求鋼中氧含量低于15×10-6,D類夾雜物低于B類夾雜物。尤其是Al2O3和TiN夾雜物對彈簧疲勞壽命的危害最大。為生產高質量彈簧鋼,以往通常采用電爐—電渣重熔或真空電弧重熔等特種冶煉方法。
隨著爐外精煉技術的發展,采用爐外精煉工藝可顯著減少鋼中的夾雜物,如日本采用RH真空脫氣實現超低氧鋼(ULO)或超純鋼(UCS)的生產。采用硅脫氧的鎮靜鋼,精煉時使用堿度嚴格控制的精煉合成渣對不變形的富Al2O3的有害夾雜物進行變性處理,同時攪拌鋼水,使夾雜物上浮并去除,降低夾雜物的含量并使殘余的夾雜物無害化等,從而獲得超純潔彈簧鋼。檢驗證實氧含量低于15×10-6的低氧鋼(LO)可滿足200MPa高應力彈簧的使用要求。用超低氧加超低氮化鈦工藝生產的ULO+ULTiN鋼的疲勞極限與真空電弧重熔鋼相同,鋼可用于制造高強度閥門彈簧[4]。西寧特殊鋼廠和江蘇淮陰鋼廠(超)高功率電弧爐初煉+LF精煉+合金鋼大方坯或小方坯連鑄生產彈簧鋼,分別在60 t和80 t LF中進行了鋇合金脫氧和夾雜物變性試驗研究,使鋼中氧含量降低到15×10-6以下,殘余鋁含量控制在0.020 %~0.025 %,并使氧化物夾雜中Al2O3的比例小于40 %,殘余夾雜物以細小、均勻、彌散的塑性夾雜物分布[5]。青島鋼鐵有限公司采用拉碳法冶煉,鋼包底吹氬、喂絲,連鑄采用保護澆鑄、合理控制過熱度、拉速及結晶器參數,二冷水用氣水霧化冷卻方式等工藝措施,可以生產出符合GB1222-84要求的60Si2Mn彈簧鋼,有效解決生產過程中出現的質量問題,并降低了鋼中的氧含量及夾雜物級別[6]
2.2表面缺陷及脫碳層的改善
      零件表面強度是影響疲勞強度的重要因素。表面熱處理和表面冷塑性形變加工對提高疲勞強度十分有效,如表面淬火、滲碳、碳氮共滲、氮化、噴丸和滾壓。提高零件表面強度可降低零件表面承受的有效拉應力和局部不均勻形變,減少疲勞裂紋形成。
Yamata等[7]研究了不同表面加工和表面處理方法對彈簧鋼SUP10疲勞性能的影響。表2為試驗測得的表面粗糙度、表面殘余應力和疲勞極限。
表2  SUP10鋼疲勞試樣表面粗糙度、殘余應力和疲勞極限
試樣
表面粗糙度
Rrmax /μm
表面殘余應力
σw/MPa
疲勞極限
σw/MPa
疲勞極限的增值
Δσw/%
HT
4.7
-5
420
0
HT+BF
2.3
-324
470
11.9
HT+SP
5.7
-470
620
47.6
HT+RG
4.3
-156
630
50.0
HT+FG
1.1
-139
675
60.7
HT+RG+SP
3.8
-628
675
60.7
HT+FG+SP
1.8
-623
700
67.7
FG+HT
2.2
-03
490
16.7
FG+HT+SP
4.1
-591
640
52.4
注:①負號表示壓應力;②HT表示熱處理,BF表示滾磨,SP表示噴丸,RG表示粗磨,FG表示精磨。
      由此可知:(l)磨去熱處理產生的表面脫碳層可顯著提高疲勞極限;(2)不除去熱處理后產生的表面脫碳層直接噴丸較除去脫碳后再噴丸提高被勞極限的幅度大,前者為30%-50%,后者僅為3%-6%。
      為減小表面脫碳影響,熱軋彈簧圓鋼表面剝光、要避免表面脫碳應當消除或降低兩者間存在的碳化學位梯度。采取保護氣氛加熱是避免或減輕表面脫碳的有效措施。縮短加熱時間減小脫碳深度,快速感應加熱應當采用。由于不同合金元素對碳的活度和擴散影響不同,相同條件下不同成分的彈簧鋼會表現出不同的脫碳行為。例如Si可以提高彈性極限、強度、回火穩定性和彈性減退抗力,但是對Si增加奧氏體中碳的活度和化學位梯度導致的表面嚴重脫碳也必須給予重視。石鋼公司試制的低碳彈簧鋼28MnSiB,降低了鋼中碳硅的含量,有效的降低了表面脫碳傾向,檢查結果表明實際碳含量為0.10%-0.16%,平均為0.12%,達到了標準所規定的碳的含量小于0.23%的要求[8]
 
3 彈簧鋼生產新工藝
      為使合金彈簧鋼的綜合性能和使用壽命有顯著的提高,僅靠提高冶煉工藝是不夠的,還必須不斷尋求有益合金元素,研發新的生產工藝和新的鋼種來滿足不斷提升的要求。
3.1彈簧鋼的多元合金化
      標準合金彈簧鋼使用的合金元素不夠廣泛,合金系列比較簡單,未能充分利用多元合金化的效應。彈簧鋼合金化的最新發展趨勢是充分利用合金元素的復合合金化效果,擴大合金元素的使用范圍,特別是使用以前未曾用過的微量合金元素,采用多元(甚至七元或更多)合金系列以提高彈簧鋼的淬透性,降低脫碳傾向,提高彈簧鋼的綜合性能。
      對于脫碳敏感的鋼種,在鋼種加人少量鉻、釩、鈮、鉬能夠改善鋼的脫碳敏感性,降低彈簧鋼脫碳,加人微量硼、釩、鉬、鎳、鉻能夠提高彈簧鋼的抗彈減性。
      印度Ved.Parkash研究表明:硅錳彈簧鋼中加人鉻能提高彈簧鋼的淬透性、屈服強度(加人0.5%Cr提高15%),且脫碳層明顯減少。南昌鋼鐵廠在冶煉60Si2Mn彈簧鋼時,將鋼中殘余鉻的含量提高到0.35%一0.85%,結果發現其生產的扁鋼的機械性能達到55SiMnVB的水平。微量硼能夠延長彈簧鋼的相變孕育期,降低臨界淬火速度,從而提高鋼的淬透性,其最適宜含量為0.0005%一0.003%。據有關文獻報告:鋼中含0.0015 %一0.003%B,可代替1.0%一1.25%Ni、0.1%一0.25%Mo、0.30%一0.35%Cr、0.2%一0.7%Mn、0.1%V、1.6%Si,0.00l%B可相當于1.33%Ni+0.31% Cr +0.04 %Mo[9]。釩、鈮能夠細化晶粒,改善鋼的質量;鉬、鎳能夠提高鋼的塑性和表面光潔度[4]
3.2彈簧鋼的稀土處理
      由于含硫量較低的電爐鋼的主要夾雜是Al2O3和鋁硅酸鹽,如果鋼中加人稀土后,可以降低鋼中夾雜物的數量,減少疲勞裂紋的形成作用,稀土還能對鋼起微合金化的作用,從而提高彈簧鋼的疲勞壽命。
3.3新鋼種開發
      各國對彈簧鋼的鋼種開發都進行了大量的研究,國外著重從提高彈簧鋼的設計應力方面進行了研究,相應提出了一些應力較高的鋼種。如:由于Si-Mn系合金彈簧鋼具有較高的抗彈減性,德國1988年修訂彈簧鋼標準時增加了一個Si-Cr系合金鋼54SiCr6鋼;又如日本的SUP12也是Si-Cr系合金鋼。美國因鉻資源不足,開發了無鉻彈簧鋼。英國Tinsley Bridge公司采用“優擇冶金”技術開發了低合金彈簧鋼0.4C一Mn(Cr)一B以下稱“試驗鋼”,與常規彈簧鋼525H60生產的板簧進行了對比,試驗鋼的確表現出優良的表面核心疲勞裂紋擴張的能力,且彈性強度和抗拉強度比常規彈簧鋼高[10]。美國專利5009843也介紹了一種抗疲勞性能和抗彈減性有優良的低碳彈簧鋼:C 0.35%一0.55%、Si 1.80%一3.00%、Mn 0.50%一1.50%、Ni 0.50%一3. 00 %、Cr 0.10%一1.50%、 Al 0.01%一0.05%、N 0.010%一0.025%[4]
      我國彈簧鋼開發應從以下幾個方面著手進行研究:①基于60Si2Mn鋼,研究60Si2MnB鋼、60Si2Mn撇鋼和60Si2MnCr鋼的最佳成分組合及應用;②國外部分先進鋼號的引進;③由于低碳馬氏體彈簧鋼易于轉爐冶煉,且成本低、脫碳傾向性小、熱加工性能好等,應著力研究開發應用。近幾年,我國低碳馬氏體彈簧鋼基于28MnSiB鋼,通過提高鋼中硅、碳的含量又先后開發了33MnSiB鋼、33MnSiB鋼和35MnSiB鋼,以提高彈簧鋼的強度和抗彈減性。
 
4. 結語
      1)優化冶煉工藝和對Al2O3等有害夾雜物進行變性處理可以大大降低有害夾雜物的含量。可通過表面淬火、滲碳、碳氮共滲、氮化和噴丸等措施提高零件表面強度。
      2)避免表面脫碳應當消除或降低兩者間存在的碳化學位梯度,采取保護氣氛加熱和縮短加熱時間等措施十分有效。
      3)擴大合金元素的使用范圍,特別是使用微量合金元素和稀土處理,充分利用合金元素的復合合金化效果,可提高合金彈簧鋼的綜合性能和使用壽命。
      4)新工藝和新鋼種的開發,可以提高彈簧鋼的淬透性,降低脫碳傾向,提高彈簧鋼的綜合性能。
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