（钢铁冶金专业论文）汽车弹簧用钢氧化脱碳机理研究.pdf

摘要 弹簧是汽车底盘悬架系统关键的减震零件。在弯曲和扭转时，弹簧截面外部 受到的载苟最大，因此要求弹簧表面有较高的硬度和强度。而当弹簧表面氧化脱 碳以后，表层的硬度和强度降低，容易产生裂纹，甚至发生断裂。大多数弹簧表 面的氧化脱碳主要发生在钢的热加工过程中，因此研究加工过程中弹簧钢表面的 氧化脱碳对生产高质量的弹簧显得尤为重要。 6 0 s i 2 m n 弹簧钢是我国常用的弹簧钢种，由于硅含量较高，增加了钢材的脱 碳倾向，使钢在加热时产生的脱碳层较深，从而使钢材的疲劳强度大大降低。因此 如何减少高硅弹簧钢的脱碳，一直为工业界所关注。针对我国弹簧钢生产现状， 要防止弹簧钢在加热过程中的氧化脱碳，在加热过程中只注意时间、温度和炉内 气氛是远远不够的，还应该把这些因素综合起来加以考虑。通过模拟实际生产过 程中步进式加热炉内的工艺条件，利用二氧化碳和碳反应生成一氧化碳的办法来 获得实验需要的炉内气氛，而在模拟轧制过程的实验是将试样直接在空气气氛下 进行。 研究过程中将二氧化碳和木炭反应生成的混合气体采用气相质谱仪分析之 后通入高温炉中，与炉中的弹簧钢试样反应，高温炉内的温度设定为9 0 0 1 2 0 0 ，在空气中加热时，是将空气以恒定流量通入高温炉中，炉内的温度为7 0 0 1 0 0 0 ，加热时间都为3 0 9 0 m i n ，这样使实验环境接近实际生产条件。加热后 的试样采用两种不同方法冷却( 空冷和炉冷) 后，做成金相试样。在显微镜下观 察脱碳层深度，并将典型的脱碳层组织拍成照片。分别从热力学角度和动力学角 度分析了加热气氛、加热温度、加热时间及冷却方式对弹簧钢脱碳层深度的影响， 并运用菲克第二定律分析讨论脱碳层深度与加热温度和加热时间的定量关系。 由此得出了以下主要结论： 1 弹簧钢在轧制过程中，表面同时发生氧化和脱碳现象。钢表面的氧化膜 厚度和脱碳层深度与温度和时间存在一定的函数关系。 2 弹簧钢脱碳组织中出现全脱碳层和半脱碳层两种形式。这两种脱碳层组 织的深度受到加热温度、炉内气氛、钢的含碳量及冷却方式的共同影响。 3 弹簧钢的脱碳主要发生在轧前加热的过程中，脱碳层深度与加热温度和 时间可采用一定的函数形式来表示。弹簧钢总的脱碳层深度与加热时间的平方根 成正比，而且在1 1 5 0 、2 左右将会出现峰值。 4 实验中所采取的冷却方式对弹簧钢脱碳层深度有很大的影响。 通过对弹簧钢在以上两个过程中发生的氧化脱碳现象的研究，为实际生产过 程中如何防止弹簧钢发生氧化脱碳，提高弹簧成品的质量提供了技术依据。 关键词：弹簧钢氧化脱碳机理 i i a b s 打a c t s p r i n g i st h ek e yv i b r a t i o nd a m p e rp a r ti ns u s p e n s i o ns y s t e mo fa u t o m o b i l e c h a s s i s t h ee d g eo fc r o s s s e c t i o nw i l lb e a rt h el a r g e s tm a g n i t u d eo f l o a d s oh i g h d e g r e eo fh a m e s sa n ds t r e n g t h a r e e x p e c t e d i n s p r i n gs u r f a c e b u th a r n e s sa n d s t r e n g t hi nt h es u r f a c e w i l lr e d u c ew h e ns p r i n ga r eo x i d i z e da n dd e c a r b u r i z e d m o s t d e c a r b u r i z a t i o no fs p r i n go c c u r sw h e ns t e e l sa r ei nh o tw o r k i n g i ti si m p o r t a n tt o s t u d yo x i d a t i o n a n dd e c a r b u r i z a t i o no fs p r i n gs t e e l f o ri m p r o v i n gt h e q u a l i t y o f s p r i n g s 6 0 s i 2 m ni s t h em a j o rs t e e l g r a d ei n o u rc o u n t r y s i l i c o ni nt h es t e e lc a n a c c e l e r a t et h ei n c r e a s i n go f d e c a r b u r i z a t i o nd e p t h ，s ot h ep r a c t i c a ld e c a r b u r i z e dd e p t h i nm a r t i n e ls t e e li st h i c k e rb e c a u s es i l i c o nc o n t e n ti sh i g h e r a sar e s u l t ，f a t i g u e e n d u r a n c ei sc o n t i n u o u s l yr e d u c e d h o wt or e d u c et h ep r a c t i c a ld e c a r b u r i z e dd e p t h o ft h es p r i n gs t e e li sc a r e di nt h ei n d u s t r yf i e l d h e a t i n gt e m p e r a t u r e ，t i m ea n d a t m o s p h e r em u s tb ec o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r e dt o w a r d ss p r i n gs t e e lm a n u f a c t u r e e x i s t i n gc o n d i t i o n t e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n si nh e a t i n gf u m a c ew e r ea n a l o g i z e du s i n gc h a r c o a la n d c a r b o nd i o x i d er e a c t i o ni nh i 曲t e m p e r a t u r es ot h a tc a r b o nm o n o x i d ew a s g e n e r a t e d ： r o l l i n gp r o c e s sw a sa n a l o g i z e di n a i ra t m o s p h c r e a f t e ra n a l y z e d ，t h i sg a s e o u s m i x t u r ei n l e ti n t oh i g h t e m p e r a t u r e f u r n a c ea n dr e a c t e dw i t ht e s ts a m p l e s t h e s et e s t s w e r ea t9 0 0 - 1 2 0 0 c o t h e r w i s e ，a i rw o u l dr e a c tw i t ht e s t s a m p l e sa t 7 0 0 1 0 0 0 a l lt e s t sw e r ep u to nd u r i n g3 0 9 0 m i n a sar e s u l t e x p e r i m e n tc o n d i t i o n s a p p r o a c h e d t ot h ep r a c t i c e h e a t e ds a m p l e sw e r ec o o l e di nt h ea i ro ri nt h ef u r n a c e f u l lo fn 2a t m o s p h e r ea n dm a d ei n t o m e t a l l o g r a p h i cs p e c i m e n t h ep r a c t i c a l d e c a r b u r i z e d d e p t h w e r eo b s e r v e d t h r o u g h a m i c r o s c o p e a n ds o m e t y p i c a l m e t a l l o g r a p ho f t h es a m p l e sw e r e g o t t e n t h er e s u l t so fa n a l y z i n gh e a t i n gc o n d i t i o n s o nt h ed e c a r b u r i z a t i o no f s p r i n gs t e e l6 0 s i 2 m n i nt h e r m o d y n a m i c sa n dd y n a m i c sa r e a sf o l l o w s ： 1 o x i d a t i o na n dd e c a r b u r i z a t i o no c c u r r e do ns p r i n gs t e e l d u r i n gr o l l i n g t h e t h i c k n e s so fo x i d el a y e ra n dp r a c t i c a ld e c a r b u r i z e dd e ：p t hd e p e n d e do nh e a t i n g t e m p e r a t u r ea n d t i m e 2 t h e r ew e r et w od e c a r b u r i z e dl a y e rf o r m si n c l u d i n ge n t i r ed e c a r b u r i z a t i o na n d p a r t i a l d e c a r b u r i z a t i o n t h ed e p t h so ft h e mw e r er e l a t e dt oh e a t i n gt e m p e r a t u r e ， c a r b o nc o n t e n to f s t e e l ，a t m o s p h e r e a n d c o o l i n g d o w n m e t h o d 3 t h ec h i e fd e c a r b u r i z a t i o no f s p r i n gs t e e l so c c u r r e di nt h eh e a t i n g - f u r n a c e t h e d e c a r b u r i z e d d e p t h w a sa f f e c t e d b yh e a t i n gt e m p e r a t u r e a n dt i m e t h et o t a l d e c a r b u r i z e dd e p t h 、v a st h em a x i m u ma t11 5 0 c 4 t h ed e c a r b u r i z e dd e p t ho fs p r i n gs t e e l sw a sa l s or e l a t e dt o c o o l i n g d o w n m e t h o d s t h er e g u l a r i t ya n dp r i n c i p l eo fo x i d a t i o na n dd e c a r b u r i z a t i o no ns p r i n gs t e e l w e r ed e f i n e db ym e a n so f r e s e a r c h i n g t h e i rp h e n o m e n o n t h e t h e o r yw o u l d b e c o m e r e f e r e n c ef o ra m e n d m e n to f h e a t i n gs y s t e ma n dp r o v i d et e c h n o l o g yd a t at oi m p r o v e t h e q u a l i t yo f s p r i n g k e yw o r d s ：s p r i n gs t e e l ；o x i d a t i o n ；d e c a r b u r i z a t i o n ；p r i n c i p l e 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是在导师指导下进行的研究工作。除了 文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰 写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所作的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：翅触日期蛰生：1 2 ：! l 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：弛醴导师签名： 汽车弹簧用钢氧化脱碳机理研究 上海大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章前言 1 1 1 弹簧在汽车上的应用 我国加入世贸组织后，汽车及其零件的生产质量要求逐步与国际水平接轨， 其中轻量化是汽车工业发展的主流，也是节约材料和能源的主要方法【”。汽车生 产厂家主要通过减轻汽车本身的重量来节约材料、降低能源消耗以及减少污染。 作为汽车底盘悬架系统关键的减震零件，弹簧重量约占汽车总量的1 0 2 1 。悬架 弹簧的质量优劣直接关系到汽车在行驶时的安全性和稳定性，汽车的轻量化使弹 簧的设计也趋向于轻量化。由于在实际的设计计算过程中，弹簧的重量与设计应 力的平方成反比【3 】，因此要减轻弹簧的重量，必须提高弹簧的设计应力。而抗疲 劳陛能和抗弹性减退能力是影响弹簧设计应力的主要因素，这就对汽车弹簧材料 提出了新的要求。 本世纪以来，我国的汽车工业获得了很大的发展，对于汽车用弹簧的性能要 求也越来越高。现代汽车制造企业都在关注如何提高汽车弹簧的疲劳强度和使用 寿命，工业界开发新的汽车弹簧材料以及发挥现有材料潜力等方面都取得了长足 的进步。 为了提高乘座的舒适性，国外汽车弹簧已经将叠板弹簧改为螺旋弹簧。从上 世纪六十年代起开始生产的变截面弹簧即锥形弹簧可以节约用钢3 0 以上【m ，在 很大程度上减轻了弹簧的重量，增加了乘座舒适度。但是这种弹簧中间的厚度大， 在制造时必须采用淬透性高的钢种。 日本从1 9 9 7 年4 月起实施的超级钢研究计划中就有研制许用应力达 1 5 0 0 m p a 的高强度弹簧钢。2 0 0 0 年5 月美国l o t u s 公司通过和许多生产技术先 进的钢铁公司合作，设计了多种汽车后悬架系统，重量降低幅度达到3 4 ，弹簧 材料许用应力达1 3 0 0 m p a 。这表明，进入本世纪后对弹簧用钢的许用应力要求 变得越来越高。 1 1 2 弹簧的质量要求以及失效分析 壅兰塑墨旦塑墨些些堡垫里堑塞 圭塑盔堂堕主兰! 望笙墨 ( 1 ) 弹簧的质量和性能要求 由于弹簧是在周期性的弯曲和扭转等交变应力下工作的，在减震时有时会承 受短时的突加载荷，弹簧的工作条件比较恶劣，所以对弹簧的质量和性能也就有 十分严格的要求。弹簧在工作时，在同一截面上各点的应力不同，表面的应力远 大于中心的应力，弹簧截面沿径向分布的应力示于图1 1 。 圈1 1 弹簧截面沿径向的应力分布i q 从图1 1 可以看出，弹簧截面上的应力是沿径向从中心至表面逐渐增加的， 因此在弹簧工作的过程中，表面所承受的应力最大，弹簧的表面质量比内部质量 的要求更高。因此弹簧表面不允许存在可见的缺陷如裂纹、夹杂、结疤以及气泡 等。它们在很大程度上影响了弹簧的使用寿命，是弹簧产生疲劳破坏的根本原因。 ( 2 ) 影响弹簧失效因素分析 从生产实践可以知道，造成弹簧失效的主要原因问有以下几种： 1 ) 单向弯曲疲劳。单向弯曲疲劳是造成弹簧早期失效的主要原因。 2 ) 表面脱碳。汽车前悬架系统弹簧失效是由表面小坑及表面脱碳引起的。 3 ) 卷耳处的脱碳。这是造成汽车后簧断裂的主要因素。 4 ) 受力过大。在工作时受力过大会加速弹簧的早期失效。 5 ) 表层非金属夹杂物。弹簧表层的非金属夹杂物是造成其疲劳破坏的因素。 汽车弹簧用铡氧化脱碳机理研究 上簿大学硕士学位论文 在以上造成弹簧失效的原因中，由表面脱碳造成的弹簧失效占相当大的比 例。大多数弹簧表面的脱碳主要发生在弹簧钢的热加工过程中，因此研究加工过 程中弹簧钢表面的脱碳对生产高质量的弹簧显得尤为重要。 1 2 课题介绍 本课题作为上海汽车工业科技发展基金项目“高强度汽车悬架弹簧用钢及其 热处理技术研究”中的组成内容，其研究对象是弹簧钢在轧制之前加热和轧制过 程中发生的氧化脱碳现象。研究中通过实验模拟实际生产过程中弹簧钢在加热炉 中加热和在轧制过程中的工艺条件，通过金相方法检测样品的脱碳情况来了解实 际生产中弹簧钢发生的氧化脱碳程度，希望在此基础上找出防止弹簧钢在此过程 中发生氧化脱碳的方法，为弹簧钢的实际生产提供完善的加热制度和轧制工艺。 影响弹簧钢发生氧化脱碳的因素是多种多样的，如加热时间、加热温度、加 热气氛等。在生产中只考虑某一因素的影响是远远不够的。本课题从加热气氛、 加热时间和加热温度等几个方面进行实验。实验环境接近于实际生产过程中的条 件，因此本实验的结果和结论对指导生产现场工艺参数的制定具有一定的实用价 值。 1 3 论文研究的内容和意义 论文首先介绍了国内外弹簧钢生产的现状和发展以及在生产过程中出现的 问题。从各个角度出发，阐述了弹簧钢发生氧化脱碳的原理和条件，然后介绍了 国内外文献中对弹簧钢发生氧化脱碳及防止的研究成果，比较了各种防止措施的 优缺点，提出了自己的实验方案。在实验的过程中，主要集中于两部分的工作， 第一部分主要研究在轧制之前加热炉中弹簧钢的氧化脱碳规律，第二部分则针对 于弹簧钢在轧制过程中所发生的氧化脱碳现象。 弹簧钢在加热和轧制的过程中会发生氧化和脱碳现象，氧化的结果是在弹簧 钢坯表面生成一层氧化皮，而发生脱碳后则使钢坯表面的含碳量降低，在脱碳较 严重时钢坯表面的金相组织中只有铁素体而没有珠光体。在一般的生产条件下， 钢坯表面形成的氧化层在加热完成后进行冷却时都会从钢坯表面脱落，与内部组 织剥离，因此不会影响后续加工和成品的质量。但弹簧钢坯表面的脱碳层则不一 汽车弹簧用钢氧化脱碳机理研究 上海大学硕士学位论文 样，它的出现将影响弹簧钢的轧制和成型弹簧的质量。因此在实验过程中主要研 究弹簧钢的脱碳行为，对氧化现象只作简单的了解。 在研究加热炉中弹簧钢的氧化脱碳现象时，通过模拟实际生产过程中步进式 加热炉内的工艺条件。利用二氧化碳和碳反应生成一氧化碳的办法来获得实验需 要的炉内气氛，而在模拟* l n 过程的实验是将试样直接在空气气氛下加热。由于 在实际生产过程中，步进式加热炉内温度较高，因此在实验时高温炉内的温度设 定在9 0 01 2 0 0 。钢坯出炉后进行- 车l n 时温度逐渐降低，因此模拟实验的温度 是在7 0 0 1 0 0 0 c ，加热时间为3 0 9 0 m i n ，这样才能使实验环境接近实际生产的 工艺条件。进行实验时，将弹簧钢样品置于高温炉中，并且通入不同的气体，使 样品在不同温度和时间下加热后，观察试样的脱碳层深度，探讨了不同加热气氛、 加热温度和加热时间等条件对弹簧钢发生氧化脱碳的影响程度。 通过对弹簧钢在以上两个过程中发生的氧化脱碳现象的研究，明确了在此过 程中发生氧化脱碳的规律，并且探讨了弹簧钢发生氧化脱碳的基本原理，提出了 防止氧化脱碳反应的措施。这对于在弹簧钢生产中建立完善的加热制度和轧制制 度具有一定的参考意义，从而为实际生产过程中如何防止弹簧钢发生氧化脱碳、 提高弹簧成品的质量奠定了理论基础。 汽车弹簧用钢氧化脱碳机理研究 上海大学硕十学位论文 第二章汽车弹簧用钢的发展现状 在工业生产的许多行业中如汽车、机械、仪表、轻工等都会应用到弹簧钢， 其中汽车工业是使用大户。汽车上的很多零件是采用弹簧钢制造的，特别是汽车 上的弹簧如悬挂弹簧、叠板弹簧、离合器摩片弹簧等制造时所采用的材料都是弹 簧钢，这些零件所用的弹簧钢材重量占整车总重的十分之一左右旺”。因此弹簧 钢生产发展水平及其质量性能研究在上述工业行业中具有十分重要的意义。 近几年来，世界各国的弹簧钢生产都取得了很大的进展。无论是钢材种类还 是生产工艺都有进步。其中日本是世界上弹簧钢产量较大的国家，而且它的弹簧 钢产量在总钢产量中所占的比例也较大。这是由于日本的汽车工业比较发达，它 拥有先进的生产技术。2 0 0 3 年日本弹簧钢产量约7 5 万吨，接近特殊钢总产量的 3 7 【8 】。我国2 0 0 3 年生产合金弹簧钢约3 0 万吨，弹簧钢材约2 l 万吨，占特殊 钢材总产量的0 9 5 左右1 9 。我国弹簧钢已有一半以上用于汽车行业，所用的弹 簧钢以扁钢为主，另外还有圆钢和线材等。 2 1 弹簧钢的应用 2 1 i 弹簧钢的种类及应用 弹簧钢按加工方式可分为热轧弹簧钢和冷轧弹簧钢。热轧弹簧钢主要用来制 造大型弹簧，如钢板弹簧、扭转弹簧以及较大的螺旋弹簧。从产量上来讲，我国 热轧弹簧钢产量约占弹簧钢总产量的9 5 左右；采用冷加工成形的弹簧钢虽然 种类很多，但总的产量不多，仅占弹簧钢总产量的5 左右。另外按化学成分来 区分，弹簧钢有碳素弹簧钢和合金弹簧钢两个不同的种类，其中合金弹簧钢按元 素含量情况又有硅一锰、铬一锰、铬硅、铬钒等多种不同系列【7 1 。 世界各国所采用的弹簧用钢钢种主要是优质高碳碳素弹簧钢、硅一锰系、硅一 铬系和铬一钒系合金钢，目前大部分弹簧都采用合金弹簧钢制造。铬一锰系和铬一 钒系合金弹簧钢具有较好的淬透性，而且表面脱碳倾向小，在国外制造弹簧时被 广泛采用。在我国由于铬资源不足，一般采用硅一锰系列的合金弹簧钢。硅一锰系 合金钢抗弹减性较好，但脱碳倾向性大，淬透性较差。目前我国用量最大、用途 最广的钢种是6 0 s i 2 m n 弹簧钢。在许多弹簧钢生产企业里，6 0 s i 2 m n 钢的产量几 汽车弹簧用钢氧化脱碳机理研究 上海大学硕士学位论文 乎占弹簧钢总产量的8 0 ，随着各行各业的发展需求，也相继引进了国外的部 分钢号【1 饥。 2 1 2 弹簧钢的质量和性能要求 弹簧工作条件的特性决定了制造材料即弹簧钢必须满足以下优良性能： 表面具有超高强度和高硬度。由于弹簧在工作的过程中，表面所受到的应力 最大，这就要求弹簧表面具有较高的抗拉强度及硬度。因此在进行弹簧设计时， 必须使弹簧钢的许用应力不低于1 9 6 0 m p a , 硬度不低于5 4 h r c ； 具有良好的力学性能。因为弹簧是在交变应力、振动、冲击等动载荷的条件 下使用的，因此除了抗拉强度及硬度之外，弹簧钢必须具有良好的弹性极限、比 例极限、塑性和韧性等力学性能，以保证弹簧在使用中能满足对各类性能的基本 要求； 良好的抗疲劳和弹性减退能力。由于疲劳和弹性减退是弹簧最主要的两种破 坏形式，为了延长弹簧的使用寿命，在提高弹簧的设计应力时，应保证弹簧钢具 有优良的抗疲劳性能和抗弹性减退能力； 各种物理化学性能和工艺性能优良。理化性能主要包括耐热性、耐低温性、 抗氧化性和抗腐蚀性能等；工艺性能是指钢的淬透性、回火稳定性、抗脱碳和石 墨化倾向以及加工成形性能等。由于弹簧的工作环境比较差，所以应使弹簧钢具 有良好的物理化学性能。弹簧在加工成形之后，其淬透性应该保证弹簧在热处理 后达到所需的硬度及显微组织。而脱碳则使弹簧的抗疲劳性能及抗减弹性能降 低，因此，要保证弹簧钢良好的抗脱碳性能。 另外，在生产过程中还应考虑弹簧钢的经济性，尽量降低其生产成本，以便 推广应用。 为了保证弹簧钢具有上述的优良性能，弹簧钢的质量必须符合表面质量好、 外形控制和尺寸精度高、冶金性能优良等要求。 弹簧钢表面的质量要求较高。由于弹簧在承受各种载荷时，表面的应力最大， 很容易发生各种破坏- 所以弹簧钢钢坯的表面质量对于生产的弹簧影响很大，因 汽车弹簧用钢氧化脱碳机理研究 上二海大学硕士学位论文 此在加工中应该认真清理表面缺陷，特别要注意弹簧钢的表面脱碳。 在进行弹簧设计时，弹簧截面惯性距的大小与钢丝直径的三次方成正比，而 刚度则与钢丝直径的四次方成正比，因此钢丝直径的微小变化都会给其强度和刚 度带来很大的影响。只有规整的外形和严格的尺寸精度，才能保证弹簧的工作特 性稳定和应力变形均匀。 另外，弹簧钢在进行冶炼时，要保证化学成分均匀稳定、减少成分偏析和高 的纯洁度，这些因素是保证弹簧钢在后续加工中具有良好性能盼前提条件。 2 2 国内外弹簧用钢的发展现状 2 2 1 国外弹簧钢的生产现状 世界上能源供应的现状要求汽车在使用过程中尽量节油，而节油的一个重要 途径就是汽车的轻量化。汽车的轻量化促使弹簧在设计时减轻重量，这就对汽车 用弹簧提出了更高的要求，因为减轻弹簧重量的主要方法是提高其设计应力。另 外，世界汽车的发展越来越趋向于舒适化，因此，国外汽车悬架弹簧已由叠板形 式改成螺旋形式，这样既可提高乘座舒适性，又可实现轻量化。所以世界各国的 汽车生产厂家在弹簧钢种类和生产工艺方面都有了新的进展。 ( 1 ) 弹簧钢种及钢丝的发展现状 目前所采用的弹簧钢钢种的种类很多，各个国家生产弹簧采用的种类也不尽 相同。总的来说，美国弹簧钢生产技术较先进，从重量和数量上都是比较多的， 其中钢号为5 1 6 0 h ( 0 5 8 c ，0 8 4 m n ，o 2 4 s i ，0 7 4 c r ，0 0 5 n i ，o 0 6 m o ) 的 钢种被称为“弹簧钢之王”，它的产量在美国弹簧钢产量中占首位【3 】。这是由于 在5 1 6 0 h 钢中铬和锰的含量较高，钢的淬透性好而且脱碳倾向小，因此这种钢 获得了广泛的应用。日本的弹簧钢标准中共有9 个钢号，其中主要是合金弹簧钢。 在这些钢号中，s u p 6 和s u p 7 为硅锰钢，主要用于生产高应力悬挂弹簧，而s u p 9 和s u p 9 a 为铬锰钢，因为铬锰钢的淬透性较好，主要用于制作较粗的弹簧。近 年来，日本在设计新的弹簧钢种上取得了很大的进展。j o n o 等在s u p 9 a 基础 上加入硅元素进行材料的各项试验。结果表明，从抗弹减性和抗脱碳性能两个方 面来讲，含硅量为1 5 的s a e 9 2 5 4 钢是最好的高应力弹簧钢钢种。德国的技术 7 汽车弹簧用钢氧化脱碳机理研究上海大学硕士学位论文 标准中弹簧钢号较少，但各种钢号的综合性能较好，完全可以满足生产汽车弹簧 的需求。其它国家生产的弹簧钢，同样也有很多钢种，在这里就不一一介绍。 对于弹簧钢丝生产来说，美国的合金弹簧钢丝有退火、冷拔状态和油淬火状 态等几种出厂标准，其中以油淬火状态的弹簧钢丝生产较多。日本悬挂弹簧的加 工逐渐由热成形改为冷成形，所用的钢种主要为硅锰钢s u p 7 及硅铬钢s u p l 2 ， 这两种钢中都含有较高的硅元素，可用于生产高应力的悬挂弹簧，其中钢丝的强 度极限达1 7 6 4 1 9 6 0 m p a 。神户制钢的研究者【1 2 1 3 , 1 4 l 同时考虑到弹簧钢的淬透 性、脱碳敏感性等方面的要求，对硅一铬、硅一铬一钼、硅一铬一钒等系列弹簧 钢的全面性能进行对比研究后发现，硅一铬一钒系的抗弹减性最高。最后开发了 一种新型弹簧钢s r s 6 0 ，其主要成分为0 6 0 c ，1 5 s i ，0 5 m n ，0 5 c r , o 2 v 。 实践证明，这种钢的抗脱碳性能也较好。 从上述情况看，国外弹簧钢种的发展趋势主要是提高淬透性和硬度。为了适 应高应力的要求，国外所采用的弹簧用钢，主要从以下几个方面来考虑：淬透性、 脱碳敏感性、抗弹减性以及其它各种力学性能。其中淬透性影响所制造弹簧的尺 寸，而脱碳敏感性则影响弹簧的疲劳寿命和抗弹减性以及其它各种力学性能。因 此，国外许多弹簧钢生产厂家特别注意弹簧钢在加工过程中的脱碳问题。 ( 2 ) 弹簧钢的生产工艺 在冶炼工艺上，传统的生产主要是在电炉或平炉中冶炼，电炉冶炼的弹簧钢 可以再通过电渣重熔或真空重熔以降低钢中非金属夹杂物的数量，从而提高弹簧 钢质量。但工艺复杂，生产成本较高，所以很难获得广泛的应用。随着冶炼技术 的发展，弹簧钢普遍采用成本较低的转炉+ 二次精炼方法生产，可以大批量生产 夹杂物含量低的优质钢。另外，工业先进的国家采用炉内初炼加炉外精练的技术 来获得超纯洁的弹簧钢。弹簧钢精炼所用的设备主要有r h 、a s e a 、s k f 、v a d 、 l f 钢包炉等。日本钢公司在r h 真空脱气法的基础上开发了r h s c s 法 1 5 , 1 6 】， 不仅可以有效地降低钢中氧含量及夹杂物数量，还可以控制夹杂物的组成、形状 和分布，利用较低成本生产出高质量的弹簧钢。 采用精炼技术，可以降低钢水中的非金属夹杂物含量，同时采用先进的连铸 技术来生产高纯洁弹簧钢钢坯，以满足汽车工业发展的需要。日本神户特钢将 汽车弹簧用钢氧化脱碳机理研究 上海大学硕士学位论文 a s e a s k f 装置处理后的阀门弹簧用钢水分别采用下注法生产7 吨钢锭和连铸 成尺寸3 0 0 4 0 0 r a m 的铸坯。结果表明，安装有结晶器电磁搅拌装置的连铸坯轧 制钢材的表面层中夹杂物大幅度下降 3 1 。 在轧前加热及热处理的过程中，国外钢厂所采用步进式加热炉的气氛是可调 的，并且制定出合理的加热制度，严格控制加热温度和保温时间，从而减少弹簧 在加工过程中产生脱碳反应。另外，采用感应加热处理等快速加热的方法可以提 高弹簧钢的质量及性能。日本采用高频感应加热技术开发出一种高铬硅钢油淬火 钢丝【1 7 】，具有组织细化、表面无脱碳、抗拉强度高等优点。 在加工工艺上，瑞典等国家的钢厂主要采用连续活套式轧机来加工弹簧，这 种先进的轧机布置灵活，适于多品种、小批量生产。而欧美各国主要采用纵列全 连续式轧机，但这种轧机和前者一样都存在轧制速度较慢的缺点。在现代弹簧钢 加工过程中，提高轧制速度、增大盘重及增加钢坯断面已经成为发展的趋势，所 以各国相继推出了高速无扭线材精轧机组，其设计轧速高达1 2 0 m s 。然而随着 盘重的提高、盘卷圈数和卷高的增加，盘卷内外圈的冷却速度很难趋于一致，因 此同一盘卷的线材力学性能和工艺性能将会有很大差别，这就要求控轧技术进一 步的发展。日本大同特殊钢【惦l 采用了多用途斯太尔摩控冷线，采用这条冷却线可 以实现控制冷却、自然冷却、缓慢冷却及延时冷却等几种冷却方式。弹簧钢丝生 产采用这种技术可以省去拉丝前的热处理工序。奥钢联【19 】设计了一种冷却输送 机，既可保证高的冷却速度又可使轧后冷却在较高的温度下保持较长的时间。由 于线材的冷却速度会影响内部组织形态，而且会严重关联到钢材的脱碳程度，新 日铁【”1 采用专门的鼓风冷却系统控制盘卷的冷却速度，从而减少弹簧钢的脱碳。 2 2 2 国内弹簧钢的生产发展 随着汽车工业的发展，对弹簧钢需求量越来越大。目前我国弹簧钢的生产已 经形成一定的规模，但与国外先进的生产技术相比，国内生产的弹簧钢在质量、 种类和数量等方面还不能很好地满足用户的要求。 ( 1 ) 弹簧钢种 国内汽车工业生产弹簧所用的钢材分两种情况：国产弹簧钢和进口弹簧钢， 9 汽车弹簧用钢氧化脱碳机理研究上海大学珂i 士学位论文 国产弹簧钢主要有两个系列：硅一锰系弹簧钢和硅一铬系弹簧钢，而进口弹簧钢大 都是硅一铬系列弹簧钢。从弹簧在实际生产应用中可以看到，弹簧钢中的非金属 夹杂物、表面缺陷和表面脱碳是影响弹簧使用寿命的主要因素。其中，由表面缺 陷和表面脱碳引起的弹簧失效占3 0 ，而且表面质量对疲劳强度的影响比内在 质量的影响更大。悬架弹簧用钢是高水平的弹簧钢，对钢质纯净度、尺寸精度、 表面质量有很严格的要求。由于装备条件的限制，国内很多企业尚不具备生产条 件，所以国内悬挂弹簧用钢仍主要依靠进口1 2 0 1 ，因此这类弹簧的生产成本很高。 在实际生产过程中，硅锰弹簧钢在我国汽车弹簧用钢中占有很大的比例，但 硅锰弹簧钢存在表面质量差、表面脱碳较严重等问题。国内许多科研人员对弹簧 钢进行了大量的研究，取得了较大的进展。祖荣祥f 2 l l 研究了碳及合金元素对弹簧 钢性能的影响，发现了含碳量为0 3 5 钢的综合性能好，脱碳倾向小。他将三种 含碳量较低的弹簧钢与6 0 s i 2 m n a 钢种进行对比试验发现低碳弹簧钢具有塑性韧 性好、疲劳强度高和加工成形性能优良等特点，而且通过一定的热处理工艺可以 达到与常用6 0 s i 2 m n a 钢种相同的性能。上个世纪九十年代，北京钢铁总院和国 内一些特殊钢厂开发了一系列低碳弹簧钢如2 8 s i m n b t 2 2 1 、3 5 s i m n b 2 3 1 、 2 6 s i 2 m n g r v t 2 4 1 等并获得中国专利，所制造的产品在一些中型汽车上得到应用。 ( 2 ) 弹簧钢的生产工艺 在弹簧钢冶炼的过程中，减少夹杂物的数量、改善夹杂物形态和分布已经成 为比较重要的问题。在我国，许多钢厂采用向钢中添加钙及稀土元素等变性剂来 控制夹杂物的形态，有益于提高弹簧钢的疲劳寿命。钢铁工作者在这方面的研究 也取得了一定的成绩。首钢在6 0 s i 2 m n 中添加了o 0 5 1 o 稀土元素，可以 使顶吹转炉冶炼的钢中硫含量降低到0 0 2 以下，而且钢中的夹杂物成分也有很 大的变化。 从上个世纪八十年代起，我国开始生产变截面弹簧，现在已经取得了较好的 效果，但在汽车生产中的使用量还是较少。对于钢丝的生产，目前很多企业仍采 用单机操作方式，沿用间隙式工艺，中间道次多，生产效率较低。我国1 9 9 9 年 油淬火钢丝产量大约为一千多吨，占弹簧钢材的2 左右【2 6 1 。总体来看，我国弹 簧钢生产与国外先进水平相比，主要差距表现如下： l o 汽车弹簧用钢氧化脱碳机理研究 上海大学硕士学位论文 钢材质量差、弹簧使用寿命短。由于生产设备比较落后，又缺少在线检测及 修整等手段，因此弹簧钢的脱碳比较严重，强度水平较低。我国生产的弹簧钢在 冶金质量和加工质量上都远远达不到国际先进水平。因此弹簧在使用寿命和使用 性能以及表面质量等方面都存在很多问题。 品种规格不全，产量低，供不应求。对于目前所需要的汽车悬挂前簧用钢， 在很大程度上需要依靠进口供应。后簧用钢和弹簧钢带也同样无法满足需要，而 且生产的弹簧钢丝盘圆直径和盘重小。在钢种的选择上，我国采用的弹簧钢种主 要是硅锰钢，高强度的钢种比较少。 生产设备和工艺技术较落后。对于轿车悬挂用钢，有的生产厂家采用了精炼、 冷拉、剥皮等生产工艺，也因设备能力不足。特别是缺少在线检测手段，生产的 钢材质量与用户的要求有一定的差距，在数量上也不能满足轿车零件国产化的需 求。 最近几年，上海宝钢集团公司在弹簧钢生产上采用了较先进的技术，特别是 防止弹簧钢在加工过程中出现的表面脱碳问题提出了许多改进的措施，取得了较 好的效果。 2 3 高质量弹簧钢生产面临的问题 在弹簧钢冶炼上最主要的是控制成分范围、提高纯净度和控制钢中央杂物的 组成、分布及大小。现在钢厂普遍采用二次精炼手段，如上海宝钢股份公司用转 炉冶炼钢水后再进行精炼处理，比较容易控制成分范围和降低杂质元素含量。在 连铸中使用防止二次氧化、控制非金属夹杂物的上浮和分离、防止成分偏析等技 术，可以生产出高质量的钢坯。 在加工方面，提高s l n 速度、增大盘重以及加大钢坯断面是弹簧钢线材和棒 材的发展趋势。按照目前的加工工艺，钢坯在轧制之前加热以及在轧制的过程中， 不可避免地要发生氧化脱碳。而制作弹簧时对弹簧钢丝表面部分脱碳层深度有严 格的要求，否则将会影响弹簧的使用寿命，因此必须控制盘条的脱碳层深度。加 热炉内的气氛决定了加热时钢坯氧化脱碳的程度，而这种气氛的调整则受到燃烧 效率和生产设备的限制，因此在弹簧钢加工过程中，必须采取特殊钢坯表面处理 汽车弹簧用钢氧化脱碳机理研究上海大学硕i ：学位论文 手段及合理的加热制度及轧制工艺。 在生产冷卷弹簧棒料时国外已经采用感应热处理技术。其中的技术难点在于 感应加热、淬火、回火过程中工艺参数的控制。由于感应热处理的加热速度快， 因此冷卷弹簧表面的氧化脱碳少，而且晶粒容易得到细化，所以生产的弹簧性能 优良。同本、美国等国际上的汽车生产大国已纷纷采用冷卷弹簧加工工艺，而我 国贝0 冈0 冈0 起步。 因此，面对汽车工业竞争激烈的时代，如何使弹簧钢生产工艺日益完善，生 产出具有高质量的弹簧钢，满足汽车国产化的需求，已经成为当前一个必要的课 题。 汽车弹簧用钢氧化脱碳帆理研究 上海大学硕士学位论文 第三章弹簧钢氧化脱碳的原理 从弹簧钢的生产现状来看，要想保证弹簧的质量，首要的问题是解决弹簧钢 在生产过程中产生的氧化脱碳问题。因为弹簧在工作时，表面所受的载荷最大， 故强度要求最高。但弹簧表面出现脱碳层时，表面的强度就会下降，容易产生裂 纹并导致失效。生产实验证明 4 , 2 7 “2 9 】，弹簧表面产生脱碳之后，疲劳寿命会明显 下降，而且随着表面脱碳层深度的增加，弹簧的弹性减退逐渐增加，从而影响到 弹簧的使用寿命。因此，应限制制作弹簧用钢材的总脱碳层深度，特别是全脱碳 层深度。从已发表的弹簧钢氧化脱碳的研究文献口3 2 】可知，氧化脱碳主要发生 在钢坯加热和轧制这两个过程中。为了防止氧化脱碳的发生，首先要了解弹簧钢 氧化脱碳的基本原理。 在钢坯进行加热的过程中，加热炉内的气体对钢坯的氧化脱碳产生很大的影 响。不同的炉内气氛将使弹簧钢坯在加热时表面产生不同的变化。有的气体成分 如氧气、二氧化碳、水蒸气等使钢表面氧化而产生松脆的氧化皮，这些气体被称 为氧化性气体；有的气体如氢气、一氧化碳等可阻止钢件表面发生氧化，称为还 原性气体。同样炉内有些气体如氧气、二氧化碳、水蒸气、氢气等能使钢坯表面 脱碳，称为脱碳性气体；有的气体如一氧化碳、甲烷等能阻止铜的脱碳反应，甚 至还可以使钢坯表面含碳量增加，这些称之为增碳性气体；有的气体如氮气等与 钢坯表面不发生任何反应可看成是中性气体。 3 ，1 钢的氧化 钢的氧化是指钢中金属元素与氧化性气体发生反应形成金属氧化物。在常温 下，钢的表面通常会生成一层红色的氧化物，这就是平常所看到的铁锈。在干燥 的环境下，钢发生的氧化反应十分缓慢。当温度升高到2 0 0 3 0 0 。c 时，钢的表 面会生成一层氧化膜，随着温度继续升高，氧化速度不断加快。在不同的温度下， 钢表面所产生的氧化反应有所不n t 3 3 】。当温度低于5 7 0 c 1 j 寸，主要发生以下反应： 3 f e + 2 0 2 叶如d 4 3 f e + 4 马o 斗如d 4 + 4 h 2 ( 3 一1 ) ( 3 2 ) 汽车弹簧用钢氧化脱碳机理研究上海大学硕士学位论文 3 f e + 4 c q 斗如0 4 + 4 c o 当温度高于5 7 0 时，则发生以下反应： 2 f e + 0 2 - - - ) 2 f e o f e + h p 畸f e o + h l n + c d 2 - + f e o + c o 其中，反应式( 3 4 ) 是钢在空气中发生氧化的情况，平衡常数k 3 _ 4 应为 乜2 羞 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 式( 3 - - 7 ) 中，af e o 、nf e 分别为氧化亚铁及铁的活度。在般情况下，两者的 值均取1 。则有 坞， 1 n ( 3 8 ) 其中吃为( 3 4 ) 式达到平衡时的氧分压。如当铁在温度为6 0 0 条件下，反应的 平衡氧分压为1 6 2 x 1 0 _ 2 6 m p a ，而空气中氧的分压值为o 0 2 1 m p a , 远大于反应的 平衡值，因此钢在空气介质中很容易发生氧化。对于式( 3 5 ) 及( 3 6 ) ，反 应的平衡常数可以分别表示为： ，晶： 5 2 葛 f 一 “3 。6 一i ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 一一 只p 这两个反应是否发生取决于茸体中专及卺的大小归根钴底是受气体中氧 势的影响。当气体中的氧势大于反应平衡值时，钢在此介质中就会发生氧化反应， 反之钢就不会氧化。 钢中金属元素在加热时与氧化性气体发生反应形成金属氧化膜的过程比较 4 汽车弹簧用钢氧化脱碳机理研究 上海人学顾j ：学位论文 复杂。钢的表面一旦形成氧化膜后，就将氧化性气体和金属基体分隔开来，金属 基体进一步氧化是氧必须通过这个氧化物层向内扩散。因此氧化过程是由金属、 金属氧化物和氧化性气体之间相互作用构成的，其中氧化过程受到氧的扩散速度 的控制。图3 1 给出了金属表面与氧化介质间的作用示意图【3 4 。 ( 0 电辱) 图3 1 金属表面与氯化介质问的作用 根据图3 1 所示的氧化过程，钢的氧化机理可以从离子和电子在界面上的迁 移来说明： 1 首先，钢基体中的铁与氧化气体反应生成氧化物，在钢的表面形成氧化层。 这个氧化层主要包括三种氧化物，由内到外依次为氧化亚铁、四氧化三铁、三氧 化二铁，其分布体现了氧的浓度梯度。接着，钢中的二价铁离子和电子就会向氧 化层扩散，因此钢的基体逐步被氧化。 2 在氧化亚铁和四氧化三铁的界面上，氧化亚铁层中的二价铁离子与四氧化 三铁层中的氧离子形成氧化亚铁晶格，同时另外一部分二价铁离子向四氧