弹簧钢中非金属夹杂物控制关键技术
弹簧钢广泛用于飞机、铁道车辆、汽车、拖拉机等运输工具和工程机械等各种设备中,是制造各种螺旋簧、扭簧、板簧及其类似作用的其它形状弹簧的钢种。弹簧工作在周期的弯曲、扭转等交变力条件下,经受拉、压、冲击、扭、疲劳腐蚀等多种作用,有时还要承受极高的短时突加载荷。除表面脱碳、表面缺陷外,造成弹簧的疲劳断裂破坏的主要因素是钢中非金属夹杂物。非金属夹杂物对疲劳性能的影响一方面取决于夹杂物的类型、数量、尺寸、形状和分布;另一方面,由于钢基体组织和性质制约,与基体结合力弱的尺寸大的脆性夹杂物和球状不变形夹杂物的危害最大。钢的强度水平愈高,夹杂物对疲劳极限的有害影响也愈显著。因此,提高弹簧的疲劳寿命,关键要提高弹簧钢的洁净度,因此就要降低氧含量,减少非金属夹杂物的含量并改善夹杂物形态分布及尺寸。(1)不锈钢冶炼脱氧及夹杂物预测热力学。通过热力学计算预测了弹簧钢中 Al-O、Si-O、Mg-O、Ca-O 脱氧平衡曲线,以及多元符合脱氧情况下 Al-Si-O、Al-Mg-O、Al-Mg-Ca-O 和 Al-Si-Ca-O 等夹杂物生成相图。 通过热力学计算预测了渣钢反应过程中不同精炼渣成分对于钢中[Al]s 和[O]含量的影响,研究表明高碱度有利于氧含量的降低,低碱度有利于钢中铝含量的去除。通过建立了钢液凝固和冷却过程弹簧钢中夹杂物变化热力学计算模型,可以预测钢液凝固和冷过过程中 MnS、TiN 和氧化物夹杂的变化和析出规律。(2)铁合金洁净度对弹簧钢中夹杂物的影响。通过正常合金炉次和合金优化卢比全流程夹杂物演变规律的对比,可以看出,合金的选择对于夹杂物的性质会有较大的影响。在 LF 合金调整后夹杂物成分相差较大,优化合金可以有效的控制夹杂物中 Al2O3 含量,而对于 MgO 含量影响不大,提升夹杂物塑性化比例。(3)弹簧钢精炼渣成分改性夹杂物。目前脱氧工艺主要有两种:一种是降低钢中总氧,获得高的洁净度,即采用强脱氧剂 Al 脱氧,将钢中绝大部分溶解氧转化为 Al 2 O 3 ,然后通过炉渣吸收,吹氩或电磁搅拌以及利用真空处理等手段促进夹杂物上浮,达到降低 T.O. 的目的。另一种脱氧路线是采用控制夹杂物种类、形貌、大小、分布的方法,采用 Si 脱氧,严格控制钢中 Al 含量,避免Al 2 O 3 的析出,这种工艺生产的弹簧钢虽然 T.O. 高于 Al 脱氧钢,但是夹杂物低熔点的、具有良好变形能力的 CaO-Al 2 O 3 -SiO 2 系夹杂物,疲劳极限优于 Al 脱氧弹簧钢。
北京科技大学
2021-04-13