八钢60Si2MnA,弹簧扁钢的生产实践

冯跃平

(新疆八一钢铁股份有限公司制造管理部)

随着我国经济从高速发展转向高质量发展,国家大力推动工业质量变革、效率变革、动力变革,加快制造强国建设,特殊钢作为工业的粮食,需求量将不断增加, 而且对质量的要求也越来越苛刻。

弹簧钢是制造各类弹簧和弹性元件的主要材料,服役环境恶劣,且需要承受大的交变载荷和应力。

因此,国内铁路、高铁动车、汽车等行业对弹簧钢的综合性能要求十分严格。

抗疲劳破坏是弹簧钢性能的主要指标,而弹簧钢本身的洁净度、组织的均匀性以及脱碳层与其疲劳性能密切相关。

为了提高弹簧钢的质量水平,需要研究冶炼过程夹杂物的来源,钢坯的偏析以及轧制过程控制材料表面的脱碳层厚度,进一步提高弹簧钢的洁净度,从而改善其疲劳性能。

本文以60Si2MnA 弹簧扁钢为例,研究钢中夹杂物的来源及弹簧扁钢表面脱碳层厚度的控制方法。

1.1 弹簧钢的生产流程

生产弹簧扁钢60Si2MnA 的工艺流程为150 吨转炉采用碳、锰、V 强化的成分设计方案,为提高材质淬透性、淬硬性添加一定量的铬。

生产工艺路径为、转炉冶炼、LF 精炼处理、钢坯连铸、型材轧制。

1.2 成分设计及各元素的作用

表1 60Si2MnA 化学成分要求 %

(1)碳是主要主要的强化元素,对淬火回火弹簧钢的强度、硬度以及弹性起着主要作用,太高的碳含量影响钢的韧性,因此设定碳的目标值为0.60%;

(2)钢中的硅含量直接影响钢材的弹性、强度以及回火稳定性,能抑制回火过程中渗碳体形核和长大。

因此硅含量目标值设定为1.75%;

(3)锰可提高钢材的淬透性,但钢中高的锰含量大于1.0%时,可使铸坯的中心偏析级别显著提高,轧后钢材的组织均匀性降低。

因此,设计的钢中锰含量为0.8%～0.9%;

(4)铬可提高钢材的淬透性和淬硬性,但对钢材的强化效果并不显著,铬可阻止硅铬钢球化退火时的石墨化倾向,设计的钢中铬含量为0. 15%～0.25%;

(1)生产过程钢水中硫含量的控制铁水硫含量≤0.045%,碳含量约为4. 3%,磷含量为0. 08%～0.09%。

转炉出钢硫含量不大于0.040%,经LF 精炼还原处理,熔炼成品硫含量不大于0.006%。

(2)生产过程钢水中磷含量的去除及控制,由于磷元素对高碳钢的危害极大,主要表现在该钢碳含量高,再有高的磷含量,在碳、磷的双重影响使连铸坯的中心偏析加重,钢坯的中心偏析引起轧后钢材带状组织加重。

因此,要求转炉出钢磷含量不大于0.015%,成品磷含量不大于0.018%。

(3)生产过程钢水中增碳及控制,由于该钢的磷含量控制要求为不大于0. 015%,考虑到转炉出钢合金等因素造成钢水在LF 还原过程增磷。

因此确定转炉出钢磷含量较低,这样给转炉出钢留碳增加了难度,转炉出钢碳含量0.08%～0.13%,必须在转炉出钢过程中大量增碳,根据吹氩站钢包钢水碳含量再进一步加入增碳剂调整,在增碳过程中钢包底吹氩强搅拌,氩气压力不小于1.5MPa,LF 初炼时钢水碳含量控制在0.51%～0.55%,为LF 精炼过程电极增碳留有空间。

生产过程钢中的碳含量变化趋势见图1。

生产过程钢水氮含量的控制精准,最高值为0.0055%,是连铸开浇炉,LF 终点温度控制在1545～1560℃LF,终点温度的精确控制为连铸恒拉速生产创造了有利条件。

图1 炼钢生产过程中碳含量控制图

(4)钢坯连铸采用10 流150×150(mm)方连铸机生产,连铸过程采用钢包长水口保护连铸,钢包采用定径水口连铸,有效控制了钢水的二次氧化。为控制钢坯皮下针孔,采用合金在高温钢包预烘烤的方式生产。

弹簧钢的熔炼成品成分为:碳含量0.58%～0.61%,硅含量1.73%～1. 78%,锰含量为0.83%～0.87%,磷含量为0.009%～0.015%,硫含量为0.002%～0.006%,铬含量为0.11%～0.15%,氮含量为0. 0041%～0. 0055%。

成分控制在窄范围内。

轧制厚度15 ～18mm、宽度为90 ～120mm 的弹簧扁钢,轧制过程主要控制材料的脱碳层厚度,由于在高温状态下,钢坯表面的碳原子与加热炉的氧反应生成一氧化碳。

采取的措施是减少钢坯在加热炉内的时间,降低钢坯从加热炉内出炉温度和开轧温度,钢坯在加热炉炉内的时间100 ～120min,钢坯均热温度1090～1120℃,开轧温度1035 ～1050℃,轧后弹簧扁钢的上床温度860～930℃。

材料的脱碳层厚度控制在0.92%～1.3%。

钢水纯净度的控制,由于60Si2MnA 钢中的硅含量高,脱氧和进化过程中需要配加大量的硅铁,而硅铁中含有铝,导致钢水中氧与铝反应,生成大量的Al2O3夹杂,导致连铸过程堵塞水口,造成水口结瘤。

因此,为了控制转炉结瘤,转炉采用高拉碳方式组织生产,控制60Si2MnA 钢中的铝含量是解决连铸过程水口结瘤的最有效办法,采用电石复合渣进行预脱氧,铝含量不大于0.3%的低铝硅铁合金化,钢中铝含量不大于0.012%,连铸水口结瘤难题得到解决。

钢中的大颗粒夹杂严重影响材料的韧性和疲劳寿命。

60Si2MnA 钢生产过程中,转炉首先保证充分脱磷的前提下,转炉实现高拉碳出钢,要求出钢碳含量控制在0.20%～0.35%,转炉出钢加入电石进行预脱氧,并使用低铝硅铁降低钢中的铝含量以及铝的脱氧产物,减少Al2O3夹杂的生成量,出钢结束向钢包中加入Al2O3、活性石灰以及少量的铝组成的钢包顶渣改质剂,Al 含量10%～15%,对钢包顶渣脱氧改质,经LF、RH 精炼处理后,连铸进行保护浇铸,连铸过程铝损不大于0.003%。

热轧态弹簧钢板的组织为珠光体+铁素体+少量的索氏体,如图2 所示,钢材非金属夹杂物取样检测见图3,B 类细系不大于1 级,D 细系大于1 级。

图2 钢材组织

图3 钢材夹杂物

通过转炉出钢高拉碳操作,LF 成分、终点温度的精确控制,为连铸的恒拉速生产创造了条件。

通过降低硫、磷等元素含量,恒拉速有效降低了钢坯的中心偏析,偏析最大值控制在1.5 级。

在钢坯堆放缓冷后轧制,为钢坯热装轧制创造了条件,轧后弹簧扁钢的表面、内部质量以及各项性能满足标准及用户使用要求,实现批量生产。

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