曹樹衛(wèi) 王曉燕 翟林甫

(1.安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司; 2.北京科技大學(xué))

0 前言

汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)和鐵路行業(yè)是彈簧鋼的主要用戶，因此彈簧極其苛刻的工作條件就決定了對(duì)彈簧鋼的要求也十分嚴(yán)格。65Mn是普遍采用的彈簧鋼，具有良好的淬透性、強(qiáng)韌性及脫碳傾向性小的特點(diǎn)，主要用于制作發(fā)條、異型鋼絲、座墊彈簧、扁彈簧及氣門簧等，因此根據(jù)用途要求的不同對(duì)彈簧鋼純凈度等多項(xiàng)性能指標(biāo)要求也迥然不同。

自2010年以來，安鋼不斷加大對(duì)彈簧鋼產(chǎn)品的開發(fā)和工藝研究力度，并陸續(xù)開發(fā)生產(chǎn)了多個(gè)彈簧鋼牌號(hào)，目前這些產(chǎn)品生產(chǎn)工藝成熟、性能穩(wěn)定，數(shù)萬噸彈簧鋼盤條已廣泛應(yīng)用于鐵路行業(yè)、汽車制造、重點(diǎn)工程等多個(gè)領(lǐng)域。筆者針對(duì)65Mn盤條在生產(chǎn)使用過程中出現(xiàn)的開裂問題進(jìn)行了分析，通過采取措施、優(yōu)化生產(chǎn)工藝，問題得到了有效的解決。

1 生產(chǎn)工藝

1.1 工藝流程

65Mn盤條生產(chǎn)工藝流程：高爐鐵水→100 t轉(zhuǎn)爐→LF精煉→150 mm×150 mm方坯連鑄→方坯加熱→高速線材控軋→吐絲機(jī)→斯太爾摩冷卻→集卷→打包→稱重、貼標(biāo)簽→入庫。主要設(shè)備包括：1座100 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐、2座100 t LF精煉爐、1臺(tái)六機(jī)六流方坯連鑄機(jī)、1座步進(jìn)梁式加熱爐、一套帶減定徑機(jī)組的摩根六代軋機(jī)。該流程可生產(chǎn)規(guī)格為Ф5.5 mm ～Ф22 mm 的線材。

1.2 化學(xué)成分

65Mn彈簧鋼盤條具有高碳及低合金鋼的特點(diǎn)，其盤條經(jīng)拉拔后用于制造機(jī)械彈簧，傳統(tǒng)的方法需進(jìn)行鉛淬火以獲得索氏體組織，從而獲得較好的綜合力學(xué)性能［1］。因此希望 65Mn盤條強(qiáng)度在1050 MPa～1150 MPa范圍內(nèi)，使其具有良好的組織性能?；瘜W(xué)成分控制是在GB/T 1222-2007規(guī)定范圍內(nèi)采用了更加嚴(yán)格的安鋼內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。65Mn的化學(xué)成分控制要求見表1。

表1 65Mn的化學(xué)成分控制要求%

1.3 煉鋼連鑄工藝

65Mn轉(zhuǎn)爐冶煉選用低硫、低磷鐵水和自產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)廢鋼;采用“高拉碳”生產(chǎn)工藝，盡量減少點(diǎn)吹次數(shù)，最多不超過2次;轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)P控制在0.015%以下，并使終點(diǎn)C含量進(jìn)限;轉(zhuǎn)爐出鋼過程中采用CaC2預(yù)脫氧，同時(shí)為減輕LF精煉負(fù)擔(dān)，使夾雜物在精煉過程中有充足時(shí)間上浮，在轉(zhuǎn)爐出鋼過程中加預(yù)頂渣。

冶煉65Mn需要高堿度爐渣，但堿度過高影響爐渣的流動(dòng)性，反而對(duì)去磷不利，實(shí)踐表明，爐渣堿度控制在3.0～3.5之間較為合適。活性白灰根據(jù)這個(gè)堿度配加，保證爐內(nèi)的渣量［2］。65Mn精煉中采用石灰和螢石造渣，添加電石造泡沫渣，每爐總渣使用量約350 kg;為保證夾雜物充分上浮和降低鋼中的氧含量，要保證足夠的精煉時(shí)間和白渣保持時(shí)間;在所有成分進(jìn)入控制目標(biāo)范圍內(nèi)時(shí)喂一定量的Fe-Ca線;喂絲后弱攪拌時(shí)間不低于10 min。

連鑄采用全程保護(hù)澆鑄，采用低過熱度和合理的拉速，實(shí)際控制過熱度為20℃ ～30℃，拉速為2.1 m/min～2.3 m/min;為減輕鑄坯中心偏析，除對(duì)過熱度和拉速的嚴(yán)格控制外，還采用結(jié)晶器電磁攪拌和二冷區(qū)弱冷水表，弱的二次冷卻能夠減少中心偏析和改善鑄坯結(jié)晶組織，抑制柱狀晶生長(zhǎng)，增加等軸晶區(qū)［3］。

1.4 控軋控冷工藝

高碳鋼線材產(chǎn)品要求具有較高的抗拉強(qiáng)度，與低碳鋼的強(qiáng)韌化機(jī)理不同，高碳鋼的強(qiáng)化機(jī)理主要是通過獲得索氏體組織來提高產(chǎn)品的強(qiáng)度。因此為了獲得較高的索氏體含量，需要過冷奧氏體相變發(fā)生在溫度較低的區(qū)域。為了達(dá)到此目的，一方面應(yīng)提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性;另一方面應(yīng)提高軋后的冷卻速度，增加過冷度，降低過冷奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變溫度。65Mn熱軋盤條要求組織為索氏體+珠光體+少量鐵素體，不允許馬氏體存在，要求索氏體比例達(dá)到80%以上，平均晶粒度達(dá)到7級(jí)以上。

為減少或避免成品的脫碳傾向，加熱溫度按照中下限控制，加熱段：1000℃ ～1050℃，均熱鍛：1070℃ ～1120℃，保證了開軋溫度960℃ ～1000℃;軋制過程通過對(duì)水箱水量的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)精軋機(jī)入口溫度、減定徑入口溫度和吐絲溫度的精確控制，并使吐絲溫度控制在900℃以下。

對(duì)不同規(guī)格控冷工藝也有所不同，這里以Ф6.5 mm典型規(guī)格為例介紹采用控軋控冷工藝所得的的產(chǎn)品組織性能情況。

盤條吐絲后散落在斯太爾摩冷卻輥道上，調(diào)節(jié)佳靈裝置和風(fēng)機(jī)風(fēng)量改善盤條在輥道上的冷卻差別;選用較快的輥道速度以增大環(huán)間距;選用先快速冷卻后緩慢冷卻的生產(chǎn)工藝，即吐絲后先快速冷卻，待到完成相變后關(guān)閉風(fēng)機(jī)和加蓋保溫罩;生產(chǎn)中測(cè)得相變冷卻速度為12.5℃/s。

2 產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量

65Mn屬于高碳鋼，同時(shí)Mn含量又高于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，因此產(chǎn)品實(shí)物的組織性能控制難度相對(duì)要大一些，既要保證盤條具有較高的強(qiáng)度及均勻性，也不能使組織中出現(xiàn)異常組織，并且盡可能縮短自然時(shí)效周期。

2.1 力學(xué)性能

在正常工業(yè)化生產(chǎn)Ф6.5 mm規(guī)格65Mn熱軋盤條過程中，切除頭尾10圈后隨機(jī)抽取了5個(gè)搭接點(diǎn)試樣和5個(gè)非搭接點(diǎn)試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，65Mn熱軋態(tài)同圈性能見表2。

表2 65Mn熱軋態(tài)通圈性能

由表2可以看出，Φ6.5 mm規(guī)格65Mn熱軋態(tài)同圈性能波動(dòng)較小，搭接處與非搭接處的強(qiáng)度值差別甚小，在40 MPa以內(nèi)，斷面收縮率均在50%以上，且在搭接點(diǎn)與非搭接點(diǎn)不同位置沒有明顯的差別。

2.2 金相組織

從軋制成品的Φ6.5 mm盤條切除未穿水段后進(jìn)行取樣分析，橫剖后各部位的組織情況如圖1所示。

圖1 橫剖后各部位的組織

由圖1可以看出，65Mn組織為索氏體+珠光體+少量鐵素體，無異常組織，索氏體含量在80% ～85%，在邊部沒有發(fā)現(xiàn)明顯的脫碳現(xiàn)象，各部位組織結(jié)構(gòu)相對(duì)均勻，盤條中心偏析也不明顯。盤條組織性能各項(xiàng)指標(biāo)能夠滿足用戶要求。

3 質(zhì)量分析

3.1 質(zhì)量問題提出

安鋼65Mn自開發(fā)生產(chǎn)以來得到了下游用戶的使用認(rèn)可，質(zhì)量性能相對(duì)穩(wěn)定，使用效果良好。但用戶也反映出了一些質(zhì)量問題，就是生產(chǎn)異型彈簧鋼絲時(shí)偶爾會(huì)出現(xiàn)開裂情況。開裂類型主要分為以下兩種：一是邊部橫裂紋;二是心部向邊部開裂(如圖2、圖3 所示)。

圖2 邊部橫裂紋

圖3 心部向邊部開裂

據(jù)文獻(xiàn)研究［4］，原材料的成分偏析是一個(gè)原因，主要表現(xiàn)為C、Mn等元素和S、P等雜質(zhì)元素在線材中心區(qū)域的偏聚，這種成分偏析在后續(xù)的鉛浴淬火過程中雖能得到部分改善，但不能徹底消除。

3.2 質(zhì)量問題分析

針對(duì)出現(xiàn)的兩種開裂問題，在樣品的開裂部位進(jìn)行了光鏡和掃描電鏡觀察，從金相組織和斷裂形貌的異常特征來分析問題產(chǎn)生的原因。邊部橫裂紋的分析照片如圖4所示;心部向邊部開裂的分析照片圖5所示，圖5(a)為其對(duì)應(yīng)的原始盤條芯部組織結(jié)構(gòu)。

圖4 邊部橫裂紋分析照片

圖5 心部向邊部開裂的分析照片

對(duì)于邊部橫裂紋問題，在邊部橫裂紋部位觀察到106 μm的異常組織區(qū)域，經(jīng)掃描電鏡分析為萊氏體組織，說明在裂紋附近的碳含量較高。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)的異常組織是連鑄坯表面局部增碳造成的，是由于連鑄過程中人為操作不當(dāng)造成卷渣，導(dǎo)致保護(hù)渣隨鋼液進(jìn)入結(jié)晶器;對(duì)于心部向邊部開裂問題，芯部組織中發(fā)現(xiàn)較多10 μm～15 μm的島狀馬氏體，由于馬氏體屬于硬相，具有高硬度且不易變形的特性，因此會(huì)在后續(xù)的拉拔、軋制成型過程中產(chǎn)生裂紋缺陷。

3.3 整改措施

上述兩種情況的開裂問題均屬于生產(chǎn)存在波動(dòng)或異常情況下引起的。邊部橫裂紋的增碳是由于連鑄過程人為操作不當(dāng)引起的，因此連鑄過程應(yīng)穩(wěn)定澆鑄，嚴(yán)格執(zhí)行塞棒自動(dòng)控制，出現(xiàn)生產(chǎn)波動(dòng)的鑄坯及時(shí)徹底剔廢;對(duì)于第二種類型出現(xiàn)的開裂情況，芯部組織出現(xiàn)的島狀馬氏體與連鑄坯偏析有關(guān)，因此生產(chǎn)過程中應(yīng)保持拉速的穩(wěn)定，選用合理的二冷配水配比，選用適合的結(jié)晶器電磁攪拌電流和頻率。此外還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鑄坯和成品的生產(chǎn)檢驗(yàn)，避免不合格產(chǎn)品流入下游。

4 結(jié)論

1)在生產(chǎn)中通過嚴(yán)控化學(xué)成分，采取合理的煉鋼、軋鋼工藝參數(shù)，使產(chǎn)品強(qiáng)度控制在1075 MPa～1115 MPa，且性能波動(dòng)在40 MPa以內(nèi)，組織為索氏體+珠光體+少量鐵素體，無異常組織，索氏體比例達(dá)到80%以上。

2)針對(duì)下游用戶提出的兩類開裂問題，通過光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡分析，開裂問題分別是由于鑄坯局部增碳和盤條芯部組織異常引起的，這屬于生產(chǎn)中的不正常情況，通過采取措施可以有效的制止。

［1］ 莊娜，胡澤明，范眾維.Φ6.5 mm 65Mn彈簧鋼盤條的研發(fā)［J］.金屬制品，2010，36(6)：39-40.

［2］ 趙志剛，簡(jiǎn)龍，郭猛，等.100 t轉(zhuǎn)爐冶煉65Mn鋼實(shí)踐［J］.鞍鋼技術(shù)，2012，(5)：34-35.

［3］ 陳文滿，文敏，廖明，等.80 t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐 -LF-CC流程生產(chǎn)65Mn 彈簧鋼的工藝實(shí)踐［J］.特殊鋼，2009，30(1)：52-53.

［4］ 武懷強(qiáng).高強(qiáng)度異型彈簧鋼絲生產(chǎn)工藝及常見問題探討［J］.金屬制品，2012，38(4)：20-21.