汽车悬架弹簧钢非金属夹杂物塑性化控制研究

1、汽车悬架弹簧钢非金属夹杂物塑性化控制研究汽车工业领域对弹簧钢的需求量较大 , 占弹簧钢总消耗量的 60% 左右。近年来 , 随着我国汽车工业的飞速发展 , 对高品质、高性能的汽车用弹簧钢需求量日益增加。 轻量化和高强度化将成为未来汽车用弹簧钢的发展方向。因此 , 对弹簧钢的品种、性能及质量将提出更加严格的要求和挑战。疲劳断裂是弹簧钢的主要失效形式 , 钢中硬质的不变形非金属夹杂物是引起疲劳断裂的主要原因。因此 , 如何提高非金属夹杂物的塑性变形性能 , 减少夹杂物的数量 , 降低夹杂物的尺寸成为弹簧钢生产过程中的重要技术难题。基于此 , 本文以 54SiCr6 汽车悬架弹簧钢为研究对象 , 围

2、绕夹杂物塑性化的主题 , 对全流程中的非金属氧化物夹杂生成、 演变及控制机理进行了系统的研究。 通过分析国内外不同厂家生产的汽车用弹簧钢轧材中的夹杂物控制水平 , 得到了夹杂物塑性化控制较好的德国撒斯特 54SiCr6 轧材中钢液成分及夹杂物成分控制范围 , 找到了国内厂家生产的轧材在夹杂物塑性化技术上存在差异和不足。 在实验室 Si-Mo 电阻炉内实施了钢渣反应实验 , 主要研究了不同的钢渣碱度 R(CaO/SiO2)及渣中 Al2O3 含量的变化对钢中夹杂物成分的影响。研究表明 , 钢渣碱度及渣中 Al2O3 含量的增加均可导致钢中 Als 含量的增加 , 但相对于碱度的增加来说 (R1.

3、5 范围内 ), 渣中 Al2O3 含量的增加更容易增加 Als 的含量。氧化物夹杂中 Al2O3 含量随着渣中 Al2O3 含量以及渣碱度的增加而增加 , 实验室条件下可以通过调整炉渣成分来实现钢中夹杂物的低熔点化控制 , 要求渣中 Al2O3 含量控制在 3%以下 , 碱度控制在 1.5 。在实验室研究的基础上开展了两次工业试验, 对比发现 : 工业试验中将 LF 精炼过程炉渣碱度控制在0.8 1 的范围内 , 渣中 Al2O3 含量小于 3%,Als小于 0.0005%时, 可将夹杂物成分控制在 1400液相线区域内。当碱度增加到 1.25, 且Als 增加到 0.0010%时, 夹杂物

4、成分将偏离低熔点区域。此外 ,LF 精炼过程所加合金中的残铝为钢中 Als 升高的主要来源。根据本试验结果发现向 100t 钢中加入 1770kg 低钛硅铁以及1000kg 低钛高碳铬铁时 , 分别可使钢液增铝 0.0019%、0.0006%,因此必须严格控制合金中的铝含量。 RH真空精炼结束后 , 钢中的 T.O 及N含量显著降低 , 且夹杂物的数量密度达到整个流程中的最低值 , 肯定了 RH去除夹杂物及脱气的冶金效果。但是 ,RH 精炼过程为 Als 增加、总钙降低的主要工艺环节 , 且真空保持时间越久 , 钢中 Als 增加越明显 ,T.Ca 降低越明显 , 夹杂物成分在三元相图中的偏离

5、程度越大 , 因此 RH真空处理不应过长 , 以 13min 最优。中间包浇注过程存在不同程度的 T.O 及N 含量增加现象 , 且夹杂物的数量密度增加 , 表明钢水浇注过程 , 在二次氧化、炉渣及耐火材料的影响下发生污染。同时 , 必须做好中间包浇注过程中的保护浇注工作 , 避免出现钢水再污染 , 使得 RH去除夹杂物的效果得以保持。 利用 FactSage 热力学计算软件对夹杂物成分控制进行了优化 , 对于 Si02-A12O3-CaO系, 控制夹杂物中 w(CaO)/(Si02) 的比值位于 0.50 1.00 范围内 1400液相线以下所对应的 A1203含量变化范围为 5.6%26%

6、时较合适。CaO-Si02-A1203-Mg0系中 MgO含量控制在 15%时最有利于夹杂物低熔点化 , 此时 w(CaO)/(SiO2) 比值控制在 0.2 0.7 的范围内 ,1400 液相线以下所对应的A12O3含量控制范围 026.2%时较合适。CaO-SiO2-Al2O3-MnO系中 MnO含量控制在 30%最有利于夹杂物低熔点化 , 此时 w(CaO)/(SiO2) 的比值控制在 0.1 1.22 范围 ,1400 液相线以下所对应的 Al2O3 含量控制范围 030.6%时较合适。通过比较南钢、撒斯特以及兴澄夹杂物成分分布结果可知 , 钢中的 A12O3含量过高是导致南钢夹杂物成

7、分偏离 1400液相区的主要原因。最后 , 对弹簧钢生产过程中的钙铝硅酸盐夹杂物演变机理进行了研究 , 热力学计算表明 , 在目前的钢液条件下 , 复合氧化物夹杂可以直接通过钢液内部的化学反应来生成 , 且保证夹杂物中 Al2O3 含量小于 20%时, 对应的钢中 Als 含量需小于 0.0005%,这与工业试验结果相一致。此外 , 由于出钢过程强烈的钢流束搅拌 , 加入钢包的合成渣很容易进入钢液成为钢中外来夹杂物 , 与钢液发生化学反应 , 同时也会与钢中存在的夹杂物发生碰撞及聚合反应 , 钢中检测到的类渣型夹杂物证明了这一点。随着凝固的进行 , 氧化物逐渐增大 , 夹杂物的平均尺寸由大包浇注时的 3.74 m增加到铸坯中的 5.14 m,钢中夹杂物 A1203含量由 29.87%上升到 35.21%, 先存夹杂物在凝固过程中的长大和新析出的夹杂物与先存夹杂物碰撞结合共同作用改变了钢中已存氧化物夹杂的成分。 轧材沿轧制方向检测到的夹杂物按照形貌主要分为三类 :(1) 单