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摘要：本文分析了非金屬夾雜物、表面缺陷和脫碳等因素對(duì)彈簧鋼產(chǎn)品質(zhì)量的影響，論述了彈簧鋼冶金質(zhì)量提高、化學(xué)成分和工藝優(yōu)化、多元合金化和稀土處理以及新鋼種開(kāi)發(fā)等措施對(duì)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(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的鋼種，按化學(xué)成分可分為3類(lèi)，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(jiǎn)稱(chēng)合金彈簧鋼）具有性能優(yōu)良、適應(yīng)性強(qiáng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)際生產(chǎn)和使用帶來(lái)了諸多問(wèn)題。
1. 合金彈簧鋼存在的主要問(wèn)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(mén)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(chǎng)近兩年共接到用戶(hù)投訴64起，按鋼種及直接投訴的內(nèi)容分布見(jiàn)表1[1]
表1 用戶(hù)投訴的鋼種及內(nèi)容分布
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鋼種
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投訴起數(shù)
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投訴內(nèi)容
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投訴起數(shù)
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60Si2Mn
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43
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斷裂及開(kāi)裂
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39
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60Si2Cr
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8
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表面裂紋
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9
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50CrV
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4
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表面脫碳
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5
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65Mn
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7
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拆迭耳子
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6
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55Si2MoV
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1
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定尺及橢圓度
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2
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55SiMnVB
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1
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碳偏析
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1
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劃傷及翹皮
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2
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1.1 非金屬夾雜物
鋼中非金屬夾雜物主要是在冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的Al2O3和TiN夾雜物。它們對(duì)疲勞性能的影響一方面取決于夾雜物的類(lèi)型、數(shù)量、尺寸、形狀和分布；另一方面受鋼基體組織和性質(zhì)制約，與基體結(jié)合力弱的尺寸大的脆性?shī)A雜物和球狀不變形夾雜物的危害最大。而且，鋼的強(qiáng)度水平愈高，夾雜物對(duì)疲勞極限的有害影響也愈顯著[2]。
1.2 表面缺陷
表面質(zhì)量問(wèn)題主要分三類(lèi)：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(shè)備陳舊、精整設(shè)施落后和孔型設(shè)計(jì)調(diào)整不到位引起的。另外坯料表面磨修不當(dāng)，產(chǎn)生尖角棱子及凹坑劃傷，經(jīng)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(xù)或斷續(xù)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(yīng)力及冷卻不當(dāng)也會(huì)產(chǎn)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(dāng)有關(guān)，在打包、運(yùn)輸過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生擦傷。它們的存在必然是材料產(chǎn)生失效的起源點(diǎn)，易直接導(dǎo)致材料斷裂。但對(duì)于局部較小的凹坑、劃傷、疤皮、麻點(diǎn)等缺陷，人們一般不太重視，它們的存在有的雖是標(biāo)準(zhǔn)允許的，不會(huì)成為失效的主因，但它們存在的區(qū)域肯定是材料的薄弱部位，在材料整體塑性不好時(shí)它們也會(huì)成為開(kāi)裂的突破口。由于在失效時(shí)小缺陷已受到破壞或取樣時(shí)未檢驗(yàn)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(chǎng)64起投訴中表面質(zhì)量問(wèn)題占到總數(shù)的31%[1]。
1.3脫碳層
脫碳是彈簧鋼材常見(jiàn)的表面缺陷，對(duì)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(guò)程中或熱處理時(shí)，鋼材表面在爐內(nèi)氣氛作用下全部或部分脫碳，造成鋼材表面的碳含量比內(nèi)部減少的現(xiàn)象。彈簧鋼材表面脫碳0.1mm就會(huì)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(xiàn)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(yīng)力作用下容易產(chǎn)生裂紋，使彈簧過(guò)早疲勞失效。另外，表面層不同部位淬火時(shí)膨脹系數(shù)不同，引起應(yīng)力集中，致使部件全脫碳層與部分脫碳層之間的過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生微裂紋，這些可見(jiàn)的或不可見(jiàn)的微裂紋成為應(yīng)力集中區(qū)，并作為裂紋繼續(xù)發(fā)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(zhì)量好壞在很大程度上決定于冶煉工藝，包括鋼的化學(xué)成分，鋼水潔凈度(氣體、有害元素、夾雜物)和鑄坯質(zhì)量(成分偏析、脫碳及其表面狀況)，這幾個(gè)方面正是冶煉操作的關(guān)鍵控制點(diǎn)。另外，彈簧鋼還要求有足夠的淬透性以保證整個(gè)彈簧截面獲得均勻的微觀組織和力學(xué)性能。
2.1非金屬夾雜物的改善
產(chǎn)生疲勞裂紋的主要原因在于鋼中氧化物夾雜，且D類(lèi)夾雜物對(duì)疲勞壽命的危害大于B類(lèi)夾雜物。因此，國(guó)外鋼廠(chǎng)和汽車(chē)廠(chǎng)對(duì)彈簧鋼中的氧化物夾雜提出了更高的要求，如瑞典SKF標(biāo)準(zhǔn)要求鋼中氧含量低于15×10-6，D類(lèi)夾雜物低于B類(lèi)夾雜物。尤其是Al2O3和TiN夾雜物對(duì)彈簧疲勞壽命的危害最大。為生產(chǎn)高質(zhì)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(shù)的發(fā)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(shí)現(xiàn)超低氧鋼(ULO)或超純鋼(UCS)的生產(chǎn)。采用硅脫氧的鎮(zhèn)靜鋼，精煉時(shí)使用堿度嚴(yán)格控制的精煉合成渣對(duì)不變形的富Al2O3的有害夾雜物進(jìn)行變性處理，同時(shí)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(wú)害化等，從而獲得超純潔彈簧鋼。檢驗(yàn)證實(shí)氧含量低于15×10-6的低氧鋼(LO)可滿(mǎn)足200MPa高應(yīng)力彈簧的使用要求。用超低氧加超低氮化鈦工藝生產(chǎn)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(qiáng)度閥門(mén)彈簧[4]。西寧特殊鋼廠(chǎng)和江蘇淮陰鋼廠(chǎng)(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(chǎn)彈簧鋼，分別在60 t和80 t LF中進(jìn)行了鋇合金脫氧和夾雜物變性試驗(yàn)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(xì)小、均勻、彌散的塑性?shī)A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(hù)澆鑄、合理控制過(guò)熱度、拉速及結(jié)晶器參數(shù)，二冷水用氣水霧化冷卻方式等工藝措施，可以生產(chǎn)出符合GB1222-84要求的60Si2Mn彈簧鋼，有效解決生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，并降低了鋼中的氧含量及夾雜物級(jí)別[6]。
2.2表面缺陷及脫碳層的改善
零件表面強(qiáng)度是影響疲勞強(qiáng)度的重要因素。表面熱處理和表面冷塑性形變加工對(duì)提高疲勞強(qiáng)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(qiáng)度可降低零件表面承受的有效拉應(yīng)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(duì)彈簧鋼SUP10疲勞性能的影響。表2為試驗(yàn)測(cè)得的表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力和疲勞極限。
表2 SUP10鋼疲勞試樣表面粗糙度、殘余應(yīng)力和疲勞極限
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試樣
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表面粗糙度
Rrmax /μm
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表面殘余應(yīng)力
σw/MPa
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疲勞極限
σw/MPa
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疲勞極限的增值
Δσw/%
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HT
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4.7
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-5
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420
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0
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HT+BF
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2.3
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-324
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470
|
11.9
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HT+SP
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5.7
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-470
|
620
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47.6
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HT+RG
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4.3
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-156
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630
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50.0
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HT+FG
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1.1
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-139
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675
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60.7
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HT+RG+SP
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3.8
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-628
|
675
|
60.7
|
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HT+FG+SP
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1.8
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-623
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700
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67.7
|
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FG+HT
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2.2
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-03
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490
|
16.7
|
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FG+HT+SP
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4.1
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-591
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640
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52.4
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注:①負(fù)號(hào)表示壓應(yīng)力;②HT表示熱處理，BF表示滾磨，SP表示噴丸，RG表示粗磨，F(xiàn)G表示精磨。
由此可知：(l)磨去熱處理產(chǎn)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(chǎn)生的表面脫碳層直接噴丸較除去脫碳后再?lài)娡杼岣弑粍跇O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(yīng)當(dāng)消除或降低兩者間存在的碳化學(xué)位梯度。采取保護(hù)氣氛加熱是避免或減輕表面脫碳的有效措施�？s短加熱時(shí)間減小脫碳深度，快速感應(yīng)加熱應(yīng)當(dāng)采用。由于不同合金元素對(duì)碳的活度和擴(kuò)散影響不同，相同條件下不同成分的彈簧鋼會(huì)表現(xiàn)出不同的脫碳行為。例如Si可以提高彈性極限、強(qiáng)度、回火穩(wěn)定性和彈性減退抗力，但是對(duì)Si增加奧氏體中碳的活度和化學(xué)位梯度導(dǎo)致的表面嚴(yán)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(jié)果表明實(shí)際碳含量為0.10%-0.16%，平均為0.12%，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的碳的含量小于0.23%的要求[8]。
3 彈簧鋼生產(chǎn)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(fā)新的生產(chǎn)工藝和新的鋼種來(lái)滿(mǎn)足不斷提升的要求。
3.1彈簧鋼的多元合金化
標(biāo)準(zhǔn)合金彈簧鋼使用的合金元素不夠廣泛，合金系列比較簡(jiǎn)單，未能充分利用多元合金化的效應(yīng)。彈簧鋼合金化的最新發(fā)展趨勢(shì)是充分利用合金元素的復(fù)合合金化效果，擴(kuò)大合金元素的使用范圍，特別是使用以前未曾用過(guò)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(duì)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(qiáng)度(加人0.5%Cr提高15%)，且脫碳層明顯減少。南昌鋼鐵廠(chǎng)在冶煉60Si2Mn彈簧鋼時(shí)，將鋼中殘余鉻的含量提高到0.35%一0.85%，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其生產(chǎn)的扁鋼的機(jī)械性能達(dá)到55SiMnVB的水平。微量硼能夠延長(zhǎng)彈簧鋼的相變?cè)杏�，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(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)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(dāng)于1.33%Ni+0.31% Cr +0.04 %Mo[9]。釩、鈮能夠細(xì)化晶粒，改善鋼的質(zhì)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(shù)量，減少疲勞裂紋的形成作用，稀土還能對(duì)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(kāi)發(fā)
各國(guó)對(duì)彈簧鋼的鋼種開(kāi)發(fā)都進(jìn)行了大量的研究，國(guó)外著重從提高彈簧鋼的設(shè)計(jì)應(yīng)力方面進(jìn)行了研究，相應(yīng)提出了一些應(yīng)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(guó)1988年修訂彈簧鋼標(biāo)準(zhǔn)時(shí)增加了一個(gè)Si-Cr系合金鋼54SiCr6鋼；又如日本的SUP12也是Si-Cr系合金鋼。美國(guó)因鉻資源不足，開(kāi)發(fā)了無(wú)鉻彈簧鋼。英國(guó)Tinsley Bridge公司采用“優(yōu)擇冶金”技術(shù)開(kāi)發(fā)了低合金彈簧鋼0.4C一Mn(Cr)一B以下稱(chēng)“試驗(yàn)鋼”，與常規(guī)彈簧鋼525H60生產(chǎn)的板簧進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)鋼的確表現(xiàn)出優(yōu)良的表面核心疲勞裂紋擴(kuò)張的能力，且彈性強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比常規(guī)彈簧鋼高[10]。美國(guó)專(zhuān)利5009843也介紹了一種抗疲勞性能和抗彈減性有優(yōu)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(guó)彈簧鋼開(kāi)發(fā)應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手進(jìn)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(yīng)用；②國(guó)外部分先進(jìn)鋼號(hào)的引進(jìn)；③由于低碳馬氏體彈簧鋼易于轉(zhuǎn)爐冶煉，且成本低、脫碳傾向性小、熱加工性能好等，應(yīng)著力研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用。近幾年，我國(guó)低碳馬氏體彈簧鋼基于28MnSiB鋼，通過(guò)提高鋼中硅、碳的含量又先后開(kāi)發(fā)了33MnSiB鋼、33MnSiB鋼和35MnSiB鋼，以提高彈簧鋼的強(qiáng)度和抗彈減性。
4. 結(jié)語(yǔ)
1）優(yōu)化冶煉工藝和對(duì)Al2O3等有害夾雜物進(jìn)行變性處理可以大大降低有害夾雜物的含量。可通過(guò)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(qiáng)度。
2）避免表面脫碳應(yīng)當(dāng)消除或降低兩者間存在的碳化學(xué)位梯度，采取保護(hù)氣氛加熱和縮短加熱時(shí)間等措施十分有效。
3）擴(kuò)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(fù)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(kāi)發(fā)，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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