发达国家弹簧钢的现状和发展趋势（二）
2002-03-13 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
3 国外优质弹簧钢的冶炼和加工技术
弹簧钢材的质量，尤其是性能，在很大程度上决定于锭坯的质量。最主要的是钢的化学成分及其均匀性(偏析程度)、钢的洁净度(夹杂物的含量、形态和分布)和锭坯的宏观结构及其表面状况。
3.1 降低夹杂物的含量
随着弹簧的高应力化和使用条件的苛刻，非金属夹杂物将成为弹簧破坏的主要原因，因此应严格限制非金属夹杂物含量.
过去弹簧钢主要在电炉或平炉中冶炼。为了提高弹簧钢的质量，降低钢中非金属夹杂物的含量，主要采用电炉加电渣重熔或真空重熔法生产。由于生产成本高，限制了推广使用，只能用于高级阀门弹簧、赛车等特种汽车的悬架弹簧。最近，二次冶金技术的发展日臻完善，为大批量廉价生产低夹杂物含量的优质钢提供了可能。如钢包吹氩、LF、ASEA--SKF、RH等，可以大大降低气体和各种非金属夹杂物含量。其中应用比较广泛，经济性较好的有LF、RH等。一般使用RH脱气技术，钢中氧含量可降低到21--33ppm，如进一步采用超低氧(ULO)处理，即RH脱气处理、并使用高级耐火材料、改变浇铸技术等，可使氧含量大幅度下降，达到10?11ppm。
降低氧含量对弹簧钢有重要意义。研究表明当钢中氧含量小于15ppm时即可保证2000MPa的高强度，而且塑性、韧性不降低，因此可显著提高疲劳寿命，更充分地发挥材料的潜力。
采用DH或RH真空脱气工艺生产弹簧钢，在保证生产良好疲劳性能的纯净弹簧钢的同时，还具有成本低、产量大的优点。在RH基础上，日本钢公司的RH---SCS法，大通特殊钢的ULO(超低氧)钢处理工艺可更有效地降低钢中夹杂物数量。
RH的缺点是精炼过程中不能对钢水再加热，只得让钢水出炉温度提高到1750℃以上，以补偿精炼过程中热量的损失。为此，国外钢厂一般都采用带有钢水再加热的精炼生产线，即LF+RH流程。使用这种流程生产纯净弹簧钢的厂家以日本居多，有大同特殊钢、爱知钢公司等，德国Krupp在1988年也新建了一条此类生产线。
采用脱气法(主要设备为RH、LF-RH、ASEA-SKF和VAD)生产超纯净钢的主要着眼点在于严格限制钢中氧含量，降低钢中夹杂物的尺寸和数量。3.2 改善夹杂物形态和分布
现在，越来越多的钢厂改变过去将ASEA-SKF、VAD主要用来减少非金属夹杂物的做法，而利用ASEA-SKF或VAD的精炼合成渣控制夹杂物的组分、形态和分布，消除不变形和有害夹杂物。神户制钢的ASEA-SKF超纯净化技术是这种方法的代表，图3转炉冶炼→钢包→去渣（加入新渣料）→钢水搅拌（脱气）→钢水搅拌（电弧加热）→连续铸造
这种工艺用电弧使钢水保持适当温度，同时采用电磁搅拌去除夹杂物，控制夹杂物。另外，为了消除混入铝的不良影响，控制钢水加热及搅拌时钢包顶部渣子的组分，调整渣子碱度，将钢中氧含量控制在最适宜值。这样，铝的夹杂物由高溶点的AL2O3、CaO-AL203、MgO-AL2O3转变成低熔点的CaO-AL203-Si02-MgO复合夹杂物。塑性夹杂物增多，AL203等脆性夹杂物减少。从而提高了弹簧钢(如9254V)的疲劳寿命，同时还提高了抗弹减性和耐热性。
由于RH-SCS法使用了合成渣，也可有效地控制非金属夹杂物的组分，减少其有害作用而不须明显降低钢中氧含量。
在弹簧钢中加入钙和稀土可脱氧和脱硫，但更重要的是改变夹杂物的组分和形态，将有害夹杂物变为无害，甚至有利夹杂物。最近大同特殊钢：在ULO处理或ULO+UL?TiN处理的基础上，添加钙将夹杂物转变为含有CaO组分，并且在钢材热轧时容易变形和破碎的夹杂物。
3.3 连铸工艺
由于连铸具有一系列优点，以连铸代替模铸是国外弹簧钢的又一发展趋势，目前应用已相当广泛。其优点是：
1. 通过电磁搅拌、低温铸造等，大大减少钢的成分偏析，提高钢质均匀性；
2. 减少二次氧化，改善钢的表面脱碳；
3. 组织、性能均匀、稳定，明显优于模铸钢；
4. 金属收得率高，生产效率高；
5. 与炉外精炼技术相配合，可以很容易地以低的成本将氧含量降到比较低的水平，以及有效地控制碳及合金元素的含量范围。
用连铸法生产钢坯的非金属夹杂物总量和性能的均匀性都优于铸锭法的质量。
合金弹簧钢由于碳含量较高，一般在0．45?0．75％范围内，并含有较多的Si、Mn、Cr、V等合金元素，属于较难连铸的钢种之一，具体体现在以下几点：
6. 铸坯质量：在弹簧钢连铸生产过程中出现的铸坯质量问题主要是中心偏析，其次是中心疏松、缩孔和内部裂纹等。中心偏析化学成分分析表明主要是C、S、P元素含量升高(正偏析)。中心偏析一般是由于注温偏高、拉速过快、电磁搅拌强度不合适等原因形成的。因此有必要深入研究钢水过热度、拉坯速度和F段电磁搅拌强度等工艺参数之间的合理配合，以减轻或基本上消除中心偏析的程度。
7. 脱氧：钢中的AL很容易与氧反应生成AL203，沉积在水口壁堵塞水口。因此，要探讨合适的脱氧方式，以避免水口结瘤和堵塞。
8. 化学成分：弹簧钢连铸对钢液的准备，有及严格的要求，钢液本质的好坏以及能否满足连铸工艺的要求，是连铸顺利实施的前提条件或先决条件。要严格控制杂质和残余元素含量：(1)S和P应分别低于0．030％，S+P应小于0．055％，特别是S应尽可能低，以避免出现裂纹；(2)一般情况下，Cu不得超过0．25％，因为Cu增加钢的脆性；(3)在任何情况下，Sn、As、Sb相应含量不得超过0．050％，Sn+As+Sb的总量小于0．1％；(4)要求Mn／S≥25，并且尽可能地高，以使钢水获得良好的流动性，保证连铸顺利浇钢，并使钢材获得较好的综合性能。
9. 钢水温度：有研究表明，采用低温浇铸有利于扩大等轴晶区，改善中心疏松和偏析。但采用低的过热度在工艺上有一定困难，易造成钢包结瘤、中间灌水口堵塞和夹杂物上浮困难等问题。因此，要探讨弹簧钢连铸的最佳过热度。
10. 保护浇注：弹簧钢连铸必须采用合适的保护浇注，避免从钢包到中间罐和中间罐到结晶器浇注过程中的二次氧化，以保证铸坯质量。
11. 二次冷却水制度：冷却制度控制合适，可以减少铸坯裂纹和脱方。某些元素的存在会增加钢的裂纹敏感性，如高C(＞0.5% )、Cr（＞0.5）。对弹簧钢要选择合适的二次冷却制度，以保证铸坯质量。
12. 其它：Mn含量高于0，9％的弹簧钢在连铸时会与耐火材料中的硅酸盐发生反应；弹簧钢特别是含Si、Mn的弹簧钢连铸坯，脱碳倾向比较严重。
由上述可以看出，弹簧钢对连铸工艺的要求是相当高的。要求从原材料、冶炼、炉外精炼、连铸(钢水温度、保护浇铸、电磁搅拌、拉坯速度、二次冷却制度)等各个环节进行系统的研究和严格控制，才能生产出合格的弹簧钢连铸坯。
LF-RH、ASEA-SKF和VAD精炼技术是冶炼高纯净弹簧钢的重要手段，与连铸相匹配，可生产大批量和廉价的高质量弹簧钢。
弹簧钢材的质量，尤其是性能，在很大程度上决定于锭坯的质量。最主要的是钢的化学成分及其均匀性(偏析程度)、钢的洁净度(夹杂物的含量、形态和分布)和锭坯的宏观结构及其表面状况。
3.1 降低夹杂物的含量
随着弹簧的高应力化和使用条件的苛刻，非金属夹杂物将成为弹簧破坏的主要原因，因此应严格限制非金属夹杂物含量.
过去弹簧钢主要在电炉或平炉中冶炼。为了提高弹簧钢的质量，降低钢中非金属夹杂物的含量，主要采用电炉加电渣重熔或真空重熔法生产。由于生产成本高，限制了推广使用，只能用于高级阀门弹簧、赛车等特种汽车的悬架弹簧。最近，二次冶金技术的发展日臻完善，为大批量廉价生产低夹杂物含量的优质钢提供了可能。如钢包吹氩、LF、ASEA--SKF、RH等，可以大大降低气体和各种非金属夹杂物含量。其中应用比较广泛，经济性较好的有LF、RH等。一般使用RH脱气技术，钢中氧含量可降低到21--33ppm，如进一步采用超低氧(ULO)处理，即RH脱气处理、并使用高级耐火材料、改变浇铸技术等，可使氧含量大幅度下降，达到10?11ppm。
降低氧含量对弹簧钢有重要意义。研究表明当钢中氧含量小于15ppm时即可保证2000MPa的高强度，而且塑性、韧性不降低，因此可显著提高疲劳寿命，更充分地发挥材料的潜力。
采用DH或RH真空脱气工艺生产弹簧钢，在保证生产良好疲劳性能的纯净弹簧钢的同时，还具有成本低、产量大的优点。在RH基础上，日本钢公司的RH---SCS法，大通特殊钢的ULO(超低氧)钢处理工艺可更有效地降低钢中夹杂物数量。
RH的缺点是精炼过程中不能对钢水再加热，只得让钢水出炉温度提高到1750℃以上，以补偿精炼过程中热量的损失。为此，国外钢厂一般都采用带有钢水再加热的精炼生产线，即LF+RH流程。使用这种流程生产纯净弹簧钢的厂家以日本居多，有大同特殊钢、爱知钢公司等，德国Krupp在1988年也新建了一条此类生产线。
采用脱气法(主要设备为RH、LF-RH、ASEA-SKF和VAD)生产超纯净钢的主要着眼点在于严格限制钢中氧含量，降低钢中夹杂物的尺寸和数量。3.2 改善夹杂物形态和分布
现在，越来越多的钢厂改变过去将ASEA-SKF、VAD主要用来减少非金属夹杂物的做法，而利用ASEA-SKF或VAD的精炼合成渣控制夹杂物的组分、形态和分布，消除不变形和有害夹杂物。神户制钢的ASEA-SKF超纯净化技术是这种方法的代表，图3转炉冶炼→钢包→去渣（加入新渣料）→钢水搅拌（脱气）→钢水搅拌（电弧加热）→连续铸造
这种工艺用电弧使钢水保持适当温度，同时采用电磁搅拌去除夹杂物，控制夹杂物。另外，为了消除混入铝的不良影响，控制钢水加热及搅拌时钢包顶部渣子的组分，调整渣子碱度，将钢中氧含量控制在最适宜值。这样，铝的夹杂物由高溶点的AL2O3、CaO-AL203、MgO-AL2O3转变成低熔点的CaO-AL203-Si02-MgO复合夹杂物。塑性夹杂物增多，AL203等脆性夹杂物减少。从而提高了弹簧钢(如9254V)的疲劳寿命，同时还提高了抗弹减性和耐热性。
由于RH-SCS法使用了合成渣，也可有效地控制非金属夹杂物的组分，减少其有害作用而不须明显降低钢中氧含量。
在弹簧钢中加入钙和稀土可脱氧和脱硫，但更重要的是改变夹杂物的组分和形态，将有害夹杂物变为无害，甚至有利夹杂物。最近大同特殊钢：在ULO处理或ULO+UL?TiN处理的基础上，添加钙将夹杂物转变为含有CaO组分，并且在钢材热轧时容易变形和破碎的夹杂物。
3.3 连铸工艺
由于连铸具有一系列优点，以连铸代替模铸是国外弹簧钢的又一发展趋势，目前应用已相当广泛。其优点是：
1. 通过电磁搅拌、低温铸造等，大大减少钢的成分偏析，提高钢质均匀性；
2. 减少二次氧化，改善钢的表面脱碳；
3. 组织、性能均匀、稳定，明显优于模铸钢；
4. 金属收得率高，生产效率高；
5. 与炉外精炼技术相配合，可以很容易地以低的成本将氧含量降到比较低的水平，以及有效地控制碳及合金元素的含量范围。
用连铸法生产钢坯的非金属夹杂物总量和性能的均匀性都优于铸锭法的质量。
合金弹簧钢由于碳含量较高，一般在0．45?0．75％范围内，并含有较多的Si、Mn、Cr、V等合金元素，属于较难连铸的钢种之一，具体体现在以下几点：
6. 铸坯质量：在弹簧钢连铸生产过程中出现的铸坯质量问题主要是中心偏析，其次是中心疏松、缩孔和内部裂纹等。中心偏析化学成分分析表明主要是C、S、P元素含量升高(正偏析)。中心偏析一般是由于注温偏高、拉速过快、电磁搅拌强度不合适等原因形成的。因此有必要深入研究钢水过热度、拉坯速度和F段电磁搅拌强度等工艺参数之间的合理配合，以减轻或基本上消除中心偏析的程度。
7. 脱氧：钢中的AL很容易与氧反应生成AL203，沉积在水口壁堵塞水口。因此，要探讨合适的脱氧方式，以避免水口结瘤和堵塞。
8. 化学成分：弹簧钢连铸对钢液的准备，有及严格的要求，钢液本质的好坏以及能否满足连铸工艺的要求，是连铸顺利实施的前提条件或先决条件。要严格控制杂质和残余元素含量：(1)S和P应分别低于0．030％，S+P应小于0．055％，特别是S应尽可能低，以避免出现裂纹；(2)一般情况下，Cu不得超过0．25％，因为Cu增加钢的脆性；(3)在任何情况下，Sn、As、Sb相应含量不得超过0．050％，Sn+As+Sb的总量小于0．1％；(4)要求Mn／S≥25，并且尽可能地高，以使钢水获得良好的流动性，保证连铸顺利浇钢，并使钢材获得较好的综合性能。
9. 钢水温度：有研究表明，采用低温浇铸有利于扩大等轴晶区，改善中心疏松和偏析。但采用低的过热度在工艺上有一定困难，易造成钢包结瘤、中间灌水口堵塞和夹杂物上浮困难等问题。因此，要探讨弹簧钢连铸的最佳过热度。
10. 保护浇注：弹簧钢连铸必须采用合适的保护浇注，避免从钢包到中间罐和中间罐到结晶器浇注过程中的二次氧化，以保证铸坯质量。
11. 二次冷却水制度：冷却制度控制合适，可以减少铸坯裂纹和脱方。某些元素的存在会增加钢的裂纹敏感性，如高C(＞0.5% )、Cr（＞0.5）。对弹簧钢要选择合适的二次冷却制度，以保证铸坯质量。
12. 其它：Mn含量高于0，9％的弹簧钢在连铸时会与耐火材料中的硅酸盐发生反应；弹簧钢特别是含Si、Mn的弹簧钢连铸坯，脱碳倾向比较严重。
由上述可以看出，弹簧钢对连铸工艺的要求是相当高的。要求从原材料、冶炼、炉外精炼、连铸(钢水温度、保护浇铸、电磁搅拌、拉坯速度、二次冷却制度)等各个环节进行系统的研究和严格控制，才能生产出合格的弹簧钢连铸坯。
LF-RH、ASEA-SKF和VAD精炼技术是冶炼高纯净弹簧钢的重要手段，与连铸相匹配，可生产大批量和廉价的高质量弹簧钢。
