硅錳脫氧55SiCr彈簧鋼中鎂鋁尖晶石的形成及演變
曾溢彬1，包燕平1，趙家七1,2，王敏1
(1. 北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點實驗室， 北京 100083；2. 江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院煉鋼連鑄研究室， 江蘇 張家港 215625)
摘要：某鋼廠生產(chǎn)的55SiCr彈簧鋼采用硅錳脫氧工藝，但在其冶煉過程中存在大量尖晶石類夾雜物，對最終產(chǎn)品的性能十分不利。尖晶石等硬、脆性夾雜物是彈簧在服役過程中疲勞斷裂的主要因素之一，因此為明確彈簧鋼中該類夾雜物的來源，進(jìn)而控制并去除鋼中非金屬夾雜物，通過夾雜物自動分析、掃描電鏡和能譜分析等手段，結(jié)合FactSage熱力學(xué)計算分析了55SiCr彈簧鋼冶煉過程夾雜物的演變及主要夾雜物的形成機理。分析結(jié)果表明，LF精煉后鋼中夾雜物數(shù)量大幅上升，且其平均成分偏向SiO2-Al2O3-CaO三元相圖中高熔點區(qū)域；夾雜物主要以SiO2·Al2O3·CaO·MgO為主，多表現(xiàn)為鈣鋁酸鹽包裹或半包裹尖晶石的復(fù)合夾雜物類形態(tài)，此外還有少量單獨的尖晶石夾雜物存在于鋼中。對于上述夾雜物的形成及演變進(jìn)行熱力學(xué)計算，結(jié)果表明，鋼液中Mg、Al含量上升將導(dǎo)致鋼中析出大量尖晶石夾雜物，并與液態(tài)夾雜結(jié)合形成含鎂復(fù)相夾雜物；同時，鋼液成分的變化也會導(dǎo)致精煉過程生成的SiO2·Al2O3·CaO·MgO類夾雜物中MgO、Al2O3含量大幅增加，在復(fù)合夾雜物內(nèi)部析出尖晶石相。因此，為減少硅錳脫氧彈簧鋼中尖晶石類硬脆性夾雜物的生成，需要嚴(yán)格控制鋼中Mg、Al含量，盡可能降低夾雜物中MgO、Al2O3含量，以實現(xiàn)對彈簧鋼中非金屬夾雜物的塑性化控制。
關(guān)鍵詞：硅錳脫氧； 彈簧鋼； 非金屬夾雜物； 夾雜物演變； 塑性化
1 引言
彈簧鋼是裝備制造業(yè)的重要基礎(chǔ)材料，廣泛應(yīng)用于汽車、電器、工程器械、軍工等領(lǐng)域。汽車工業(yè)對彈簧鋼的需求量最大，占總消耗量的60%左右，其中板簧、懸架彈簧和氣門彈簧等因其嚴(yán)苛的服役條件，對鋼材的潔凈度提出較高要求。疲勞斷裂是彈簧鋼的主要失效形式，而大顆粒脆、硬性夾雜物的存在是導(dǎo)致疲勞失效的主要因素，決定著彈簧鋼的服役壽命。
國內(nèi)外鋼廠的彈簧鋼生產(chǎn)流程主要有以下環(huán)節(jié)，即造渣精煉、脫氧、真空處理及凈化攪拌，根據(jù)實際需求的不同，對各冶煉環(huán)節(jié)進(jìn)行合理的運用及銜接是提高鋼液潔凈度的前提。寶鋼、武鋼、韶鋼等采用控制鋁含量的Si-Mn合金脫氧工藝，通過調(diào)整精煉渣成分將夾雜物控制在低熔點塑性區(qū)域。興澄特鋼、川投長城特鋼以及淮鋼特鋼均采用鋁預(yù)脫氧，在終氧控制上則不再添加鋁，而是依靠低堿度精煉渣來控制夾雜物類型。神戶制鋼氣門簧用線材生產(chǎn)采用硅脫氧以避免產(chǎn)生B類夾雜物，SKF爐精煉加入低堿度造渣料，并依靠電磁攪拌和真空脫氣促使夾雜物變性處理和上浮去除，而對于懸架簧用鋼采用鋁脫氧+高堿度精煉渣+真空處理的超低氧的冶煉工藝即可滿足其對夾雜物的要求。日本大同特鋼采用ULO (超低氧處理) 生產(chǎn)工藝，加入Fe-Si或Al進(jìn)行預(yù)脫氧處理，并用鋁進(jìn)行終脫氧可將氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制到0.001 1%。
目前，彈簧鋼的脫氧方式主要有兩種，一種為鋁脫氧工藝，采用高堿度精煉渣進(jìn)行冶煉，該工藝可使全氧降至極低水平，但鋼中殘留的Al2O3、尖晶石等硬質(zhì)夾雜物對彈簧鋼疲勞壽命影響較大，需要對其進(jìn)行改性以降低其不利影響；另一種為硅錳脫氧工藝，采用低堿度精煉渣進(jìn)行冶煉，可將鋼中夾雜物成分控制在低熔點區(qū)域，實現(xiàn)夾雜物的塑性化控制以降低硬脆性夾雜物的危害，但采用該脫氧方式最終全氧較高，且需要對夾雜物成分進(jìn)行精準(zhǔn)控制。相關(guān)研究表明，采用硅錳脫氧的鋼材疲勞性能更加優(yōu)越。夾雜物的塑性化控制是硅錳脫氧工藝的關(guān)鍵所在，在軋制溫度下夾雜物塑性隨其熔點降低而提高，而夾雜物熔點則與其成分緊密相關(guān)；精煉渣成分、堿度、鋼液成分等均會對夾雜物成分產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響夾雜物熔點及其塑性化變形能力。因此，明確彈簧鋼中各類夾雜物尤其是高熔點夾雜物的來源、演變和形成機理，對彈簧鋼夾雜物塑性化控制至關(guān)重要。
本文以國內(nèi)某鋼廠55SiCr彈簧鋼為研究對象，研究硅錳弱脫氧工藝過程典型夾雜物尤其高危害的尖晶石夾雜物的形成、來源和演變機理，為進(jìn)一步改善硅錳脫氧鋼夾雜物控制提供理論依據(jù)及參考。
2 精選圖表
3 結(jié)論
(1)某鋼廠55SiCr彈簧鋼采用硅錳脫氧工藝及低堿度渣精煉，精煉過程脫氧效果顯著。但在軟吹和澆注過程存在較明顯的二次氧化現(xiàn)象，需要對相關(guān)工藝進(jìn)行優(yōu)化。
(2)鋼中夾雜物在LF精煉后其數(shù)量大幅上升，主要以SiO2·Al2O3·CaO·MgO類夾雜物為主，且其平均成分偏向SiO2-Al2O3-CaO三元相圖中高熔點區(qū)域，并出現(xiàn)少量尖晶石夾雜物，其中SiO2·Al2O3·CaO·MgO類夾雜物在鋼液中主要以鈣鋁酸鹽包裹或半包裹尖晶石這種復(fù)合夾雜物形態(tài)存在。
(3)計算結(jié)果表明，復(fù)合夾雜物中包裹的尖晶石主要來源于SiO2·Al2O3·CaO·MgO夾雜物在溫降過程中自身的析出，析出量及析出溫度與夾雜物中Al2O3和MgO含量有關(guān)。此外，過高的Al、Mg含量將導(dǎo)致尖晶石在鋼液中直接析出，并且由于界面張力的差異，部分單獨存在的尖晶石同樣會與鈣鋁酸鹽結(jié)合形成上述復(fù)合夾雜物。
(4)為減少尖晶石類硬質(zhì)夾雜物的生成，需要嚴(yán)格控制鋼中Al、Mg元素含量，盡可能降低夾雜物中Al2O3和MgO含量，將其成分精準(zhǔn)控制在低熔點塑性化區(qū)域。
