一种弹簧钢及其表面脱碳控制工艺的制作方法

本发明属于钢铁冶金生产领域，具体涉及一种弹簧钢及其表面脱碳工艺。

背景技术：

弹簧是十分重要的机械零件，广泛应用于汽车、铁路、航空、航海、国防等领域。由于服役环境的特殊性，要求弹簧钢具有较高的弹性极限、优良的弹性减退抗力以及较高的屈强比，为防止材料在高频次的交变应力下发生疲劳断裂，要求弹簧具有较高的疲劳强度和足够的塑韧性。60si2mn是国内目前使用最为广泛的弹簧钢品种之一，其用量占弹簧钢总量的50～60％。在目前的工业生产条件下，对绝大部分弹簧钢而言，其表面脱碳问题不可避免。60si2mn由于有较高的c、si含量，表面脱碳倾向更为明显。当钢中出现脱碳现象时会严重影响弹簧钢的疲劳极限和弹性，严重影响弹簧钢的正常服役。表面如果存在脱碳组织会严重降低弹簧的疲劳强度和使用寿命。弹簧表面存在0.1mm的脱碳层时就会明显影响疲劳性能，如果表面出现全脱碳层，会影响疲劳寿命50％。因此，改善弹簧钢尤其是si-mn系弹簧钢脱碳敏感性尤为重要。本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提出一种新型弹簧钢表面脱碳的控制工艺，可以使60si2mn弹簧钢表面不产生全脱碳层，且半脱碳层深度不超过1.5％h(h为弹簧扁钢厚度)或1.5％d(d为弹簧线棒材直径)。

中国专利申请号cn201010102577.5公开了一种新型高强度耐疲劳无脱碳合金弹簧钢及其钢丝制备方法，所述钢的化学成分为：c：0.56～0.64％，si：0.80～1.10％，mn：0.80～1.20％，cr：0.80～1.20％，mo：0.60～1.00％，v：0.20～0.30％，nb：0.05～0.12％，n：0.01～0.06％，p≤0.035％，s≤0.03％，re0.02％～0.07％，余量是fe。与67crva弹簧钢相比，该发明合金弹簧钢抗拉强度提高400mpa、疲劳寿命提高了几千万次，且钢丝表面无脱碳等优良性能，但合金元素数量多且含量高，导致生产成本大幅提高。

中国专利申请号cn201210003859.9公开了一种高强度及高淬透性的弹簧钢材料，按重量百分比计，其成分为：0.50％～0.55％的c，0.90％～1.20％的mn，0.80％～1.10％的si，0.10％～0.20％的v，0.90％～1.10％的cr，0.010％～0.040％的nb，≤0.03％的p，≤0.03％的s，其余为fe。本发明是一种淬透性、屈服强度较弹簧钢52crmnba高，淬火开裂倾向较弹簧钢60crmnba小，且价格经济的弹簧钢材料。该发明钢具有高淬透性、高强韧性、低淬火性，但采用常规生产钢板弹簧的工艺生产其表面脱碳的控制情况一般，确切的说，相比本发明中铸坯表面喷丸、修磨处理、天然气加热、高温快烧等工艺方法生产的弹簧钢表面脱碳控制更优良。

中国专利申请号cn201210039991.5公开了一种弹簧钢线材表面脱碳的控制方法，生产工艺为：150mm×150mm连铸方坯，加热炉一段炉温控制在900～960℃，二段炉温控制在990～1050℃，均热段炉温控制在1050～1100℃，在炉时间90～150min，均热段空燃比控制在0.8左右，吐丝温度控制在820℃左右，吐丝后以10℃/s冷速快速冷却到660℃左右。因采用150mm2小方坯轧制生产钢材，相比于200mm²较大方坯轧制的钢材，无论是钢材组织均匀性与性能稳定性，还是生产效率方面，前者均不及后者，且实施范围限于产品规格为ф8～18mm。

中国专利申请号cn201110151239.5涉及弹簧钢盘条用连铸坯脱碳的控制方法。其步骤：1)冶炼、连铸成坯；2)对连铸坯进行分段加热，并在还原气氛下进行；3)轧制，控制开轧温度在960～1010℃；4)冷却至室温，控制在奥氏体及铁素体两相区内的冷却速度至少为15℃/分钟。由于采用“焦炉煤气+高炉煤气”等混合煤气，其热值稳定性差波动大，加热炉内钢坯加热质量无法完全保证，常常会因连铸坯受热不均导致钢材局部全脱碳或半脱碳现象。

技术实现要素：

本发明的目的是针对目前生产弹簧钢制备方法存在的生产工艺复杂、合金成本高、生产效率低，以及制造的弹簧钢表面脱碳层达不到用户要求(合标不合用)和钢材组织均匀性及性能稳定性差等问题，提供一种高强韧性的弹簧钢及其脱碳控制工艺，涉及的冶炼成分简单，控制稳定，炼、轧成本较低；所得钢材组织均匀、性能稳定、强度高、塑性好，尤其能够控制钢材表面无全脱碳层，局部脱碳层厚度不超过1.5％h(h为弹簧扁钢厚度)或1.5％d(d为弹簧线棒材直径)。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种弹簧钢，其组分及重量百分比含量为：c0.56～0.64％，si1.5～2.0％，mn0.70～1.00％，p≤0.035％，s≤0.035％，cr0.10～0.35％，nb0.01～0.04％，其余为fe和杂质元素。

上述一种弹簧钢的脱碳控制工艺，包括铁水脱硫、冶炼、连铸、铸坯处理、轧制工艺，其生产步骤如下：

1)铁水脱硫：采用喷镁粉脱硫工艺，控制出站铁水硫含量[s]≤0.005wt％；

2)冶炼：采用50～150吨电炉或转炉吹氧冶炼，出钢1/4～5/12时开始加入合金材料和增碳剂，钢中c、mn、si控制在内控范围下限，钢水出至2/3～4/5时合金、增碳剂必须全部加入；所得钢包钢水到达氩站吹氩不低于3min，测温、取样，然后采用lf炉进行精炼，加入活性石灰、萤石调整渣碱度，精炼过程吹氩搅拌钢水，确保钢水温度均匀和c、si、mn、cr、nb等元素均匀分布，lf精炼时间控制在15～45min；精炼后进行rh真空处理，真空度≤100pa，处理时间大于25min，保证钢水氢含量小于2.0ppm，避免出现白点缺陷导致过早疲劳断裂；

3)连铸：连铸方坯时，采用结晶器液面自动控制和结晶器电磁搅拌，采用大罐长水口和结晶器浸入式水口保护浇铸，中包保护渣采用碱性保护渣，连铸温度为1495～1520℃，拉速控制不小于1.2m/min；为使弹簧钢晶粒细小，降低表面脱碳层深度，铸坯轧制时要保证有足够的压缩比，因此，铸坯截面尺寸应大于等于160*160mm；

4)铸坯处理：为消除铸坯表面质量缺陷，对铸坯抛丸处理；

5)铸坯加热：相对于现有工艺加热炉采用“焦炉煤气+高炉煤气”等混合煤气，本步骤采用天然气加热，其热值稳定波动小，钢坯加热质量更高；该钢ac3相变点为730℃左右，钢坯加热预热段温度不大于730℃，可以避免加热前铸坯表面形成铁素体脱碳倾向，加热段弱氧化性气氛，均热段还原性气氛，有助于降低铸坯表面脱碳；一加热段炉温1100～1150℃，空气系数为1.00～1.30；二加热段炉温1150～1200℃，空气系数为1.00～1.20；均热段炉温1120～1180℃，空气系数为0.70～1.00；本发明采用“高温快烧”的方法，加热段和均热锻的累计加热时间为1～1.4小时，铸坯在炉内停留总时间1.5～2h，铸坯出炉温度1100～1150℃。

6)轧制时：将步骤5)所得铸坯冷装入步进梁加热炉，入炉温度在730℃以下，加热温度为1050～1180℃，断面温差≤40℃；铸坯在加热炉内总加热时间为120～180min，开轧温度控制为1000～1100℃，粗轧结束后在950～1080℃下进行精轧，精轧过程累计形变量10～60％，轧后以5～20℃/s冷却速率冷却到450～650℃之间保温30～60min，然后空冷至室温。

上述方案中，步骤1)中所述合金材料为硅铁、硅锰、高碳铬铁和铌铁；增碳剂为碳粉。

上述方案中，步骤1)中所述渣碱度cao/sio2控制在1.0～4.5。

优选的，步骤2)中所述铸坯截面尺寸为200*200mm。

上述方案中，步骤4)中必要时进行局部修磨或全修磨，以确保弹簧钢铸坯表面基本无缺陷，修磨处理深度为1.5～4.0mm。

以下对本发明钢中各元素作用及其生产方法进行分析说明：

c：c是钢中最主要元素之一，对弹簧钢的强韧性有着最显著影响，随着c含量增加，弹簧钢的强度、硬度不断提高，而韧性、塑性不断降低。弹簧钢需要承受较高的交变载荷和弹性形变，因此对强韧性匹配有严格要求。本申请所述c含量控制在0.56～0.64％；优选为0.57～0.62％。

si：si是保证弹簧钢弹性的最主要贡献元素，具有明显的抗弹减性作用，可提高钢的强度，也是炼钢的脱氧元素，但含量过高会降低钢的韧性和塑性，并导致碳的活性增加，从而增加钢的脱碳和石墨化倾向，并易形成c类硅酸盐夹杂物而恶化钢的疲劳性能。故c含量控制在1.5～2.0％；优选为1.6～1.8％。

mn：mn是平衡状态图中奥氏体区扩大的元素，能有效抑制铁素体脱碳。可改善钢的加工性能和提高弹簧钢的淬透性。但含量不宜过高，以免使得钢的晶粒粗大，导致韧性明显下降。故控制在0.7～1.0％；优选为0.75～0.95％。

s、p：s、p是在本弹簧钢中属于有害元素，多余的s与mn结合生成mns夹杂物，对弹簧钢的疲劳寿命有极大不利影响，且s是强烈的裂纹敏感性元素，p是易偏析元素，多余的p会导致弹簧钢成分与组织的不均匀，降低钢的塑性同时增加冷脆性，一般是其含量越低越好，考虑到炼钢实际控制情况，故s、p控制在≤0.035％。

cr：cr能显著提高钢的淬透性和回火稳定性,细化珠光体片间距，从而细化组织晶粒度，提高强度。cr还可以提高碳扩散的激活能即降低碳的活度，减轻钢的脱碳和石墨化倾向，提高韧性和耐磨性，但含量过高时，易形成大量铬的碳化物，恶化钢的抗弹减性和韧性。故控制在0.10～0.35％；优选为0.15～0.30％。

nb：nb能细化晶粒，提高钢的硬度、强度，改善韧性及回火稳定性，产生二次硬化效应。并且nb元素可抑制碳原子沿晶界扩散使得脱碳现象明显减轻。但当nb含量过多时，析出的第二相粒子明显变粗，上述作用反而会减弱，故含量控制在0.01～0.04％；优选为0.01～0.30％。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明创新性地通过降c提si和nb微合金化，并匹配适宜的加热、轧制、缓冷工艺，在解决强韧性难题的同时，可保证钢材较小的脱碳层；此外，结合适当的洁净钢冶炼工艺、连铸坯表面缺陷控制技术、加热炉燃料及其炉内气氛优化技术，可开发出晶粒细小、组织均匀、性能稳定、强度高、塑性好，尤其能够控制得到表面脱碳层性能优越的高端弹簧钢；涉及的生产工艺较为简单，不必对生产设备和工艺流程进行较大改动，在现有弹簧钢生产工艺的基础上，进行简单工艺优化，即可生产得到表面脱碳控制良好的弹簧钢。

附图说明

图1为实施例1所述弹簧钢的生产工艺流程图。

图2为实施例1所得弹簧钢的金相组织图。

图3为实施例5所得弹簧钢的奥氏体晶粒度图。

图4为实施例10所得弹簧钢的奥氏体晶粒度图。

图5为对比例1所得弹簧钢的奥氏体晶粒度图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1～10

实施例1～10中所述弹簧刚的制备方法(表面脱碳控制工艺)包括以下步骤：

1)铁水脱硫：采用喷镁粉脱硫工艺，控制出站铁水硫含量[s]≤0.005wt％；

2)转炉吹氧冶炼：采用120吨转炉吹氧冶炼，出钢时保证达到碳温协调，出钢1/3时加入硅锰合金、硅铁、高碳铬铁、铌铁和碳粉，钢水出至2/3时合金、增碳剂(碳粉)必须全部加完；

3)吹氩：所得钢包钢水在氩站进行吹氩，吹氩时间不低于3分钟；

4)炉外精炼：在lf炉中进行精炼，加入活性石灰、萤石调整渣碱度在1.5～4.0；吹氩气搅拌，lf精炼时间在15～45min；

5)rh真空处理：真空度≤100pa，处理时间30～40min，确保钢水氢含量[h]≤1.2ppm。

6)进行连铸：采用结晶器液面自动控制和结晶器电磁搅拌，采用大罐长水口和结晶器浸入式水口保护浇铸，中包保护渣采用碱性保护渣，连铸温度为1495～1520℃，二冷水采用弱冷，比水量≤1.0l/min，并控制拉坯速度为1.2～3.5m/min，铸坯截面尺寸大于等于200*200mm；

7)步骤5)所得铸坯堆垛缓冷或入坑缓冷48小时后，进行喷丸处理，对表面质量要求较高的用户还需将钢坯转入方坯修磨线进行在线修磨处理，每面修磨深度1.5～4.0mm；

8)铸坯加热：加热炉采用天然气燃料，入炉温度在730℃以下，一段加热段炉温1100～1150℃，空气系数为1.0～1.30；二段加热段炉温1150～1200℃，空气系数为1.0～1.20；均热段炉温1120～1180℃，空气系数为0.70～1.00；采取“高温快烧”的方式，加热段和均热锻的累计加热时间为1.0～1.4小时，铸坯在炉内停留总时间1.5～2小时，铸坯出炉温度1100～1150℃；

9)进行粗轧，将步骤5)所得铸坯冷装入步进梁加热炉中，入炉温度在730℃以下，加热温度为1050～1180℃，断面温差≤40℃；铸坯在加热炉内总加热时间为120～180min，控制其开轧温度在1000～1100℃；

10)进行精轧，控制其精轧温度950～1080℃，累计变形量在10～60％；

11)进行控冷，通过冷床保温罩倾斜角度与开启不同长度调整冷却速度5～25℃/秒冷却至450～650℃保温30～60min，然后空冷至室温，即得所述弹簧钢。

本发明实施例1-10与普通工艺生产的对比例1-3的组分取值及主要工艺参数分别见表1和表2；力学性能和脱碳层指标情况见表3。

表1实施例1～10和对比例1～3所述弹簧钢的组分取值列表(wt％)

表2实施例1～10和对比例1～3所述弹簧钢的主要工艺参数列表

表3实施例1～10和对比例1～3所得弹簧钢的性能测试结果列表

本发明实施例5、10和对比例1所得弹簧钢的奥氏体晶粒度图分别见图3～5，其晶粒度分别为9.0级、8.5级和6.5级，本发明所得弹簧钢呈组织晶粒细小的特点，有利于提升其机械性能。

上述结果表明，本发明所述弹簧钢具有强度高、塑性好，组织晶粒细小等特点，且能够控制钢材表面无全脱碳层，局部脱碳层厚度不超过1.5％h(h为弹簧扁钢厚度)或1.5％d(d为弹簧线棒材直径)，能够控制得到表面脱碳层性能优越的高性能弹簧钢。

以上实施例仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原料前提下，所作出的若干改进，也应视为本发明的保护范围。