不同生产工艺对高强度弹簧钢夹杂物尺寸分布及疲劳性能的影响

不同生产工艺对高强度弹簧钢夹杂物尺寸

分布及疲劳性能的影响

薛正良

李正邦

张家雯

(钢铁研究总院)

摘

要

采用两种不同的生产工艺生产弹簧钢以控制氧化物夹杂的性质和尺寸分布0研究发现 钢中酸溶铝

含量的高低并不影响弹簧钢的奥氏体晶粒度 但明显影响钢材中的非金属夹杂物尺寸分布 从而影响高强度弹簧钢的疲劳性能0关键词

高强度弹簧钢

夹杂物尺寸分布

夹杂物控制

疲劳性能D

EFFECTOFDIFFERENTPROCESSESONINCLUSIONSIZEDISTRIBUTIONANDFATIGUEPROPERTY

OFHIGHSTRENGTHSPRINGSTEEL

XUEZhengliang

LIZhengbang

ZHANGJiawen

(CentralIronandSteelResearchInstitute)

ABSTRACT

Inordertocontrolthepropertyandsizedistributionofoxideinclusions two

differentprocessestoproducespringsteelwereused.Itwasfoundthattheacid-solublealu-minumcontentinthespringsteeldoesnotexertinfluenceontheaustenitegrainsize butitobviouslyexertsinfluenceonthesizedistributionofnon-metallicinclusionsandfatigueprop-ertyofhotrolledspringsteelrods.KEYWORDStigueproperty

1

前言

金属材料的疲劳特性主要决定于材料本身的强度(Gb)或维氏硬度(HV)和材料内部的缺陷(夹杂物~白点~偏析等) 对于没有内部缺陷的理想材料 疲劳极限(G-1)约为材料维氏硬度(HV)的1.6倍或材料强度(Gb)的O.5倍[1]0现代钢铁材料生产过程中钢水脱氧析出的氧化物夹杂不可避免地会保留到成品材料中 它们对Gb大于12OOMpa或HV大于AOO的材料的疲劳性能会产生不同程度的影响0材料强度越高 夹杂物对材料疲劳性能的影响就愈显著[2]0因此 对高强度弹簧钢通过适当的脱氧和精炼工艺减少大颗粒夹杂物的数量 减小大颗粒夹杂物的尺寸就尤其重要0本文的研究工作主要针对

国家自然科学基金资助项目(5987AO23)

联系人:薛正良 高级工程师 北京(1OOO81)钢铁研究总院冶金工艺研究所

highstrengthspringsteel inclusionsizedistribution inclusioncontrol fa-

6OSi2MnA弹簧钢进行0

2弹簧钢生产工艺

用两种工艺生产弹簧钢 工艺I采用电弧炉 LF/VD精炼 IC 钢锭精整酸洗 热轧(Z29mm棒材);工艺I采用超高功率电弧炉 LF精炼 CC(15Omm>15Omm) 修磨 热轧(Z25mm棒材)0采用两种工艺生产的弹簧钢化学成分见表1 棒材定量金相检验结果见表20表2表明 工艺I生产的弹簧钢中氧化物夹杂主要是B类夹杂;工艺I生产的弹簧钢中氧化物夹杂主要是C类夹杂03弹簧钢力学性能和奥氏体晶粒度3.1弹簧钢力学性能

两种工艺生产的弹簧钢热轧棒材的力学性能见

D

第1期薛正良等,不同生产工艺对高强度弹簧钢夹杂物尺寸分布及疲劳性能的影响

-23-

表3,从表3可见,采用工艺I生产的弹簧钢热轧棒材的os和ob比采用工艺I生产的弹簧钢热轧棒材分别高出45Mpa和35Mpa,其原因一方面前者碳

表1

Table1

生产工艺工艺I工艺I

C0.620.58

Si1.681.78

Mn0.750.75

含量比后者高0.04%,更主要的是前者锻压比(73.1)远高于后者(45.8),3.2

奥氏体晶粒度

%

Als0.01810.0014

N0.00830.0059

T[0]0.00190.0015

弹簧钢化学成分

Chemicalcompositionofspringsteel

Cr

p0.0190.016

S0.00940.0100

表2

Table2

生产工艺工艺I工艺I

弹簧钢夹杂物评级

4

C

D

细03.0

粗00

细0.50.5

弹簧钢非金属夹杂物尺寸分布

采用两种方法检测钢材中的非金属夹杂物尺寸

Non-metallicinclusionratinginspringsteel

非金属夹杂物沾污度/%0.180.09

A粗10

细1.52.0

粗10B细1.50

粗00

T[0]0.00190.0015

分布,一种是将热轧棒材沿纵截面切割开加工成金相试样,然后用IAS 4型图象分析仪测定试样抛光面上紧靠棒材表面厚度约3mm内的夹杂物厚度分布,结果见图2;另一种是先将非金属夹杂物用四甲基氯化铵溶液从棒材钢样中无损伤地电解萃取出来,然后将它们单层地放置在抛光的铜片上,再用IAS 4型图象分析仪对夹杂物尺寸进行检测和统计,测定结果见图3,

从图2可以发现,按工艺I生产的弹簧钢热轧棒材具有较小的夹杂物平均尺寸和最大夹杂物颗粒尺寸,尽管其锻压比低于按工艺I生产的弹簧钢热轧棒材,图2还表明,在金相试样上检测不到厚度大于20pm的夹杂物,但从图3所示的电解萃取的夹杂物尺寸分布中,厚度大于20pm的夹杂物颗粒占50%以上,金相试样的某个切面遇到随机分布于钢中的大颗粒夹杂物的几率很小,即使遇到也不一定刚好切在夹杂物颗粒的最大截面上,因此,用第一种方法评价钢中非金属夹杂物尺寸分布并不能反映钢中非金属夹杂物尺寸分布的真实状况,从图3中还可以发现,工艺I生产的弹簧钢存在少量尺寸达200pm以上的大型夹杂物(占1.47%),其中尺寸>100pm的夹杂物占8.58%,尺寸>40pm的夹杂占59.36%,尺寸在20*80pm的夹杂占80%,

表3

Table3

生产工艺工艺I工艺I

弹簧钢力学性能

Mechanicalbehaviourofspringsteel

os/Mpa

ob/Mpa1685/16851640/1660

6/%6/66/6

D/%40/4033/26

1545/15651520/1500

奥氏体晶粒度是指热轧棒材的奥氏体实际晶粒度,当钢液用铝脱氧时,溶解在钢中的氮和铝在1100C以下以AlN粒子沿晶界弥散析出起到阻碍晶界迁移~细化晶粒的作用,根据YB5148 93用化学腐蚀法检测了按上述两种工艺生产的弹簧钢的奥氏体晶粒度,用工艺I

生产的弹簧钢(Als=

0.0181%),奥氏体晶粒度为8级;用工艺I生产的弹簧钢(Als=0.0014%),奥氏体晶粒度为7.5级,后者经870C油淬-440C回火后,钢样的奥氏体晶粒度达到8级,见图1,图1表明,对弹簧钢60Si2MnA而言,钢中Als含量的高低对奥氏体晶粒不产生明显影响,因而不会影响材料的力学性能,

图1

Fig.1

弹簧钢奥氏体晶粒度

热处理前

热处理后

AustenitegrainsizeinhotrolledspringsteelrodproducedbyprocessI

24

钢铁

第37卷

图2

Fig.2

棒材纵截面金相试样上测定的夹杂物尺寸分布

(a)工艺I;(b)工艺

I

Inclusionsizedistributiondeterminedfromlongitudinalmetallographicspecimenofspringsteelrod

图3

Fig.3

电解萃取出的非金属夹杂物尺寸分布

(a)工艺I;(b)工艺I

Sizedistributionofinclusionelectrolyticallyextractedfromspringsteelrod

夹杂物平均尺寸55.13Hm,采用工艺I生产时 弹簧钢中夹杂物最大尺寸为62.4Hm 尺寸>4OHm的的夹杂物占7.39% 尺寸分布在O~3OHm的夹杂物占SO% 夹杂物平均尺寸1S.SHm,s

材料疲劳性能

弹簧材料的疲劳性能参照GB4337 S4进行测定 试样热处理条件为S7OC油淬+44OC回火,旋转弯曲疲劳试验机型号pC1 6 转速n=3OOO

-17

min 应力循环特征R=-1,以疲劳寿命达到1O次时的中值疲劳强度作为条件疲劳极限,两种工艺生产的弹簧钢棒材的疲劳试验结果见图4,

图4表明 尽管按工艺I生产的弹簧钢棒材的Ob比采用工艺I生产的弹簧钢棒材的Ob高35Mpa 但前者的疲劳极限仍比后者低12Mpa,O-1/Ob值前者为O.451 后者为O.46S,如能通过增加锻压比等措施使按工艺I生产的弹簧钢的Ob值达到按工艺I生产的弹簧钢的Ob值 那么后者的疲劳极限将比前者高2S.4Mpa,6讨论

弹簧在服役过程中承受最大应力的区域是弹簧

图4

Fig.4

弹簧钢S N曲线

S-Ncurvefromrotatingbendingfatigue

testforspringsteelrod

表面 因此那些位于材料表面或皮下的大颗粒不变形夹杂对材料的疲劳性能最有害,研究表明 疲劳断口上成为疲劳源的夹杂物尺寸大多在25~3OHm之间,由于大颗粒夹杂物在材料内部的分布是随机的 因此在同一级应力水平下 不同试样间断裂时的疲劳寿命是不同的,特别是在外加疲劳应力接近O-1时 试验数据点的分散程度可反映出钢中大颗粒

第1期薛正良等,不同生产工艺对高强度弹簧钢夹杂物尺寸分布及疲劳性能的影响

-25-

夹杂物的危害状况O在采用工艺I生产的弹簧钢中,尺寸>40pm的夹杂占59.36%(图3),造成S N曲线上o-1附近的试验点极其分散;相反,采用工艺I生产的弹簧钢,因不存在大型夹杂,o-1附近的数据点很集中O

关于疲劳极限与夹杂物数量之间的关系,Mu-rakami

[3]

的危害程度,但迄今为止还无法计算某一强度的材临界尺寸值O因此,通过改料应具有多大的夹杂物

进炼钢脱氧和精炼工艺来控制钢中大颗粒夹杂物的尺寸和数量对改进高强度弹簧钢的疲劳特性具有实际意义O7

结论

(1)将钢中的酸溶铝含量控制在很低的水平可以改变弹簧钢中氧化物夹杂的性质和尺寸分布,但不影响弹簧钢的奥氏体晶粒度O

(2)用不同工艺生产的弹簧钢尽管都能获得较低的氧含量,但具有绝然不同的夹杂物尺寸分布,因而明显影响弹簧钢的疲劳性能O

(3)用工艺I生产的弹簧钢的ob比用工艺I生产的弹簧钢的ob高35MPa,但由于前者含有大量大颗粒夹杂物,影响弹簧钢的疲劳性能,其疲劳极限反而比后者低12MPaO

总结的关系式很有代表性,

(1)

o-1=1.56(~V+120)/(

1/6

式中,

直于材料最大拉伸应力平面上夹

杂物投影面积的平方根,pmOMurakami等用极值统

计法求

并用式(1)计算o-1得到满意的结果O但笔者认为,式(1)仍然只能作为定性关系式,因为从金相试样上测到的

粒夹杂物的数量和分布状态OKiessling提出的夹杂物 临界尺寸的概念[4]有助于理解不同尺寸夹杂物

参

1234

考文献

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(上接第21页)

域O采用新的二冷工艺对减少铸坯表面纵裂纹起了重要的作用,同时由于二冷减弱的幅度有限,并没有引发铸坯的内部偏析和内裂等缺陷O2.5

铸坯纵裂纹缺陷大幅度降低

通过采用增加结晶器上部铜板镀层厚度 降低结晶器热流和改用新的二冷工艺等措施,宝钢浇铸集装箱钢铸坯表面的纵裂纹缺陷发生率大幅度减少,目前已降低到1%以下O3结论

(1)对铸坯表面纵裂纹开裂面不同位置处保护

参

1

渣所含成分的分析结果表明,集装箱钢铸坯表面纵裂纹是在结晶器内生成,在二冷区扩展成裂纹缺陷的O

(2)钢的高温延塑性测试结果表明,在775~825 之间,集装箱钢处于脆性严重的状态,连铸过程铸坯表面温度应避免进入这一温度区间O(3)通过采用增加结晶器铜板上部镀层厚度降低热流和改用新的二冷工艺等措施,宝钢浇铸集装箱钢铸坯表面的纵裂纹缺陷发生率大幅度减少O

考文献

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不同生产工艺对高强度弹簧钢夹杂物尺寸分布及疲劳性能的影响

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

薛正良， 李正邦， 张家雯钢铁研究总院,北京,100081钢铁

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