硅脱氧弹簧钢中夹杂物在轧制过程中的演变行为_李永超.pdf

第 卷 第期 年月钢铁 ，：硅脱氧弹簧钢中夹杂物在轧制过程中的演变行为李永超，杨玉丹，卢彩玲，黎才庆，王维，（河南济源钢铁（集团）有限公司技术中心，河南 济源 ；河南省特殊钢材料研究院有限公司，河南 济源 ）摘要：不变形大尺寸氧化物夹杂是造成弹簧疲劳失效的主要原因，可通过获得具有良好变形性能的低熔点塑性夹杂物，减少轧制后氧化物夹杂的尺寸，以减轻夹杂物的不利影响。为了研究工业化生产的硅脱氧弹簧钢中氧化物夹杂在轧制过程中的演变行为，采用 分析连铸坯、中间坯到成品线材各阶段中氧化物夹杂的形貌、成分、尺寸和密度变化。结果表明，连铸坯中主要为 和 两类呈球状的夹杂物，基本处于低熔点区，中间坯中 和 类夹杂物呈长条状，同时发现了蝌蚪状的 类夹杂物，线材中存在类夹杂物，其中类呈长条状的夹杂物，除了 和 类夹杂物外，还包括 、含量较高的 和 类夹杂物。从铸坯到中间坯，宽度不超过的夹杂物密度由 个增加至 个，占比由 增加至，成品材中宽度不超过 的夹杂物几乎达到 。各阶段中宽度不超过的小尺寸夹杂物主要由 、组成。轧制过程中，、类夹杂物的长宽比不断增加，并且其变形指数高于其他类型的夹杂物，同时，由于压缩比的原因，中间坯中所有夹杂物的变形指数明显高于线材中夹杂物的变形指数。依据夹杂物的形貌及成分演变，结合夹杂物在加热过程中结晶行为，推测连铸坯中夹杂物在高温加热时析出了结晶相，该结晶相在后续轧制过程中分离，形成了 类夹杂物和高 、含量的复合夹杂物。关键词：弹簧钢；硅脱氧；氧化物夹杂；轧制；变形；结晶文献标志码：文章编号：（），（，；，）基金项目：河南省重点研发专项资助项目（）作者简介：李永超（），男，硕士，工程师；：；收稿日期：，、，钢铁第 卷 ，：；弹簧钢广泛应用于制造汽车发动机气门簧和悬挂弹簧，汽车弹簧工作服役时承受高频动态载荷和高交变应力，为保证汽车的行驶安全可靠，汽车弹簧需具有极高的疲劳寿命。钢中不变形大尺寸氧化物夹杂是造成弹簧疲劳失效断裂的主要原因，如何提高非金属夹杂物的塑性变形能力，减少夹杂物的数量，降低夹杂物的尺寸成为弹簧钢生产研发过程中的重要课题。为了获得具有良好变形性能的低熔点塑性夹杂物，许多学者从钢液成分、精炼造渣、软吹工艺、耐火材料、夹杂物改性等方面进行了研究，明确了将硅脱氧弹簧钢中氧化物夹杂控制在低熔点区可达到其塑性无害化的处理目的，并且全面分析了冶炼过程中非金属夹杂物的演变规律，但鲜有提及后续的轧制加工过程对夹杂物的影响。近几年，部分学者对硅脱氧帘线钢夹杂物在轧制过程中的演变展开了深入研究。杨文等通过分析不同精炼渣碱度条件下帘线钢中氧化物夹杂在轧制过程中的演变，得出低碱度精炼条件下主要的氧化物类型没有改变，并且随着累积压下量的增大，夹杂物的变形指数降低。王昆鹏等发现帘线钢中的 类夹杂物是由于 夹杂物在冷却过程中析出 ，在随后的轧制过程中分离而形成的。牛凯军等研究了帘线钢夹杂物中 含量对其变形的影响，认为质量分数为 的 最有利于夹杂物变形。然而与帘线钢相比，弹簧钢硅含量高且炼钢过程中大量合金的加入增加了钢水残余铝含量的控制难度，故弹簧钢夹杂物成分与帘线钢存在较大差异，而目前鲜有对硅脱氧弹簧钢中氧化物夹杂在轧制过程中演变行为的研究报道。本文通 过 研 究 工 业 化 生 产 的 硅 脱 氧 弹 簧 钢 在轧制过程中钢中夹杂物形貌、成分、尺寸和密度的变化，深入分析各类型氧化物夹杂的变形行为，揭示硅脱氧弹簧钢中夹杂物在轧制过程中的演变行为。试验材料及方法 生产与取样试验钢种主要化学成分见表。从冶炼到轧制的生产工艺流程为：铁水预处理 大方坯连铸加热开 中间坯钢坯精整加热轧制线材。冶炼过程使用低铝合金、低铝镁碳耐火材料、低碱度精炼渣，精炼渣主要成分见表。连铸坯开坯加热时在 保温 ，中间坯在 加热保温 ，线材轧制规格为汽车悬架簧常用的，线材终轧温度为（）。连铸坯和中间坯均从半径处取样，线材从沿直径方向的纵截面取样，样品观察面均为与轧制方向平行的纵截面。表试验用弹簧钢化学成分（质量分数）表硅脱氧弹簧钢精炼渣主要成分（质量分数）（）（）（）（）（）（）碱度 分析与检测采用 对样品中的夹杂物进行检测，因为大颗粒氧化物夹杂是造成弹簧疲劳失效断裂的主要原因，所以本文分析时只针对氧化物夹杂。考虑到尺寸很小的夹杂物对钢材性能影响不大，且分析困难，同时为表征夹杂物变形的特点，故检测钢坯样时选择宽度为以上的夹杂物分析其尺寸、形貌、成分等信息。面扫描检测到的夹杂物第期李永超，等：硅脱氧弹簧钢中夹杂物在轧制过程中的演变行为经过人工定位，再次确认成分，以排除磨样划痕、灰尘、抛光剂等对结果的影响。基于复合非金属夹杂物中各相的成分，本文将氧化物夹杂物分为类，即 、，具体分类原则见表。表不同类型夹杂物的分类原则 夹杂物类型夹杂物成分（质量分数）试验结果与分析 夹杂物的形貌及成分演变图所示为各阶段典型的非金属夹杂物背散射形貌。从 图可 以 看 出，铸 坯 中 主 要 是 、两类夹杂物，均呈球形，这表明其在熔炼温度下为液态。经过轧制，中间坯中主要有类夹杂物，与铸坯中同类型的 、类夹杂物经轧制后被拉伸呈长条状，还出现了蝌蚪状的 类夹杂物，能谱分析尾部细长部分的成分为 类夹杂物。图全流程中不同夹杂物的形貌 随着压缩比的进一步增大，成品线材中夹杂物成 分 继 续 变 化，夹 杂 物 类 型 增 多，除 、类夹杂物外，出现了 、含 量 较 高 的 和 类夹杂物，并且 类夹杂物呈明显的单颗粒状。关于纯 类夹杂物的来源，等 研究硅脱氧帘线钢时指出，在凝固冷却过程中会析出 类夹杂物，在随后的轧制过程中 相不易变形，最终形成鱼眼状夹杂物。本文铸坯中 、类夹杂物的面扫描如图所示，结合背散射形貌可以看出，铸坯中两类复合夹杂物的成分分布均匀，未观察到明显的析出相。各阶段非金属夹杂物的成分如图所示。铸坯中夹杂物成分比较集中，类夹杂物钢铁第 卷位于 低熔点区，类夹杂物位于低熔点区的上沿。当夹杂物成分位于相图低熔点区时，在高温轧制下夹杂物黏度低，具备良好的轧制变形能力。（）；（）。图连铸坯中典型夹杂物的面扫描形貌 ；。（）铸坯；（）中间坯；（）线材。图全流程中典型夹杂物的成分 中 间坯中 类 夹 杂 物仍 位于低熔点区，类夹杂物成分向三元相图的 端移 动，并 且 出 现 了 部 分 高 熔 点 的 类夹杂物。成品线材中 夹 杂物 成 分 在 三 元 相 图中呈 现 明 显 的 离 散 现 象，、和 类 夹 杂 物 成分基本位于低熔点区，高熔点的 类夹杂物继续增多。为更直观地对比，不同类型夹杂物中各相的平均质量分数见表。各阶段中 夹杂物的成分变化不大，线材中的 类夹杂 物 中 含 量 略 有 提 升，而 线 材 中 的第期李永超，等：硅脱氧弹簧钢中夹杂物在轧制过程中的演变行为 和 类夹杂物中 、含量显著升高。表全流程中不同类型夹杂物中各组分的平均质量分数 阶段类型样本数 铸坯 中间坯 线材 孟耀青等 的研究中夹杂物成分位于三元相图的假硅灰石区，加热后结晶析出相为透辉石（）；等 的研究中夹杂物成分位于三元相图的钙黄长石和钙长石交界处，加热后结晶析出相为 和 ；等 的研究中夹杂物成分位于三元相图的钙黄长石区，加热后结晶析出相为 。前面提到，连铸坯中夹杂物成分分布均匀，但随着轧制的进行，出现了 类夹杂物和 、含量高的夹杂物。依据夹杂物结晶相的研究及图中夹杂物的分离形貌特征，推测该类夹杂物来自于连铸坯和中间坯加热过程，高温加热时夹杂物发生了结晶现象，在后续 的 轧 制 过 程 中 结 晶 相 分 离，导 致 形 成 了 类夹杂物和 、含量高的夹杂物。从图（）的三元相图可以看出，铸坯中的 类夹杂物成分位于磷石英和方石英区，高温加热后，可以析出 类结晶相，在轧制过程中高熔点的 与基体分离，形成蝌蚪状或鱼眼状的夹杂物，这也与图中呈现的 类夹杂物的形貌及拉长部分电镜成分吻合。铸坯中 类夹杂物成分位于钙长石区，高温加热后，可以析出 类结晶相，在轧制过程中高熔点的 、造 成 夹 杂 物 断 裂 分 离，形 成 、含量高的复合夹杂物。不同类型夹杂物加热过程中各自的结晶行为还需进一步深入研究。夹杂物的密度及尺寸演变各阶段非金属夹杂物的尺寸分布及占比如图所示。可以看出，铸坯中除个别 夹杂物尺寸大于，大部分夹杂物尺寸为 以内，宽度不超过的夹杂物密度为 个，占比为 ，不同尺寸范围内均主要为 类夹杂物。中间坯中宽度不超过的夹杂物密度增加至 个 ，同时所占比例增至 ，仍主要为 类夹杂物，还包括少量的 类夹杂物。这说明轧制过程中上述两类复合氧化物夹杂具有良好的变形能力，被拉伸呈长条状。成品线材中宽度不超过的夹杂物密度为 个 ，占比几乎达到 ，这来自于大压缩比和夹杂物变形的共同作用。小尺寸 类夹杂物的密度较中间坯有所增加，原因在于压缩比的增大造成了结晶的 类夹杂物不断从基体分离或者 类夹杂物破碎。新出 现 的 和 类夹杂物尺寸较小，占比也很少。夹杂物的变形行为长宽比是表征夹杂物形状的重要参数，定义见式（），长宽比较大说明夹杂物在轧制方向被拉伸呈长条状，长宽比较小则说明夹杂物不易变形，本文采用长宽比大于表征夹杂物发生了塑性变形。为了更好 地 理 解 不 同 类 型 夹 杂 物 的 变 形 行 为，采 用 和 提出的夹杂物变形指数来表征，见式（）。（）（）钢铁第 卷（）铸坯，扫描面积 ；（）中间坯，扫描面积 ；（）线材，扫描面积。图不同类型夹杂物的密度变化及占比 式中：为夹杂物的长宽比；、分别为纵截面夹杂物的长轴和短轴；为夹杂物的变形指数，、分别为夹杂物和钢基体的真实应变；、分别为初始截面积和变形后的截面积。轧制过程中不同类型夹杂物的变形情况如图所示。由图（）可知，铸坯中 、类夹杂物因呈球形，长宽比接近于。中间 坯 中 、类 夹 杂 物因其塑性良好，轧制过程中被拉长，平均长宽比达到 以上，蝌蚪状的 仍具有一定的变形能力，平 均 长 宽 比 为。成 品 线 材 中 、类夹杂物被进一步拉 长，长 宽比超过，也与前面提到的成品材中夹杂物小尺寸占比较高相吻合。由图（）可知，中间坯中各类夹 杂 物 的 变 形 指 数 均 较 大，当 变 形 指 数 为 时，热加工时在钢基体与夹杂物的界面间很少产生裂纹，其中 类夹杂物的变形指数最大。随着轧制的进行，钢基体的变形远大于夹杂物的变形，各类夹杂物的变形指数降低，其中 、类 夹 杂 物 仍 具有较高的变形指数，、和 类夹杂物的变形指数均较低，这也与图中此类夹杂物轧制后呈不同程度的鱼眼状相对应。（）长宽比；（）变形指数。图轧制过程中不同类型夹杂物的变形情况 轧制过程夹杂物的演变机理基于上述分析，提出硅脱氧弹簧钢中夹杂物在轧制过程中的演变机理，如图所示。（）铸坯中主要有 和 两类夹杂物，熔炼温度下为液态，呈球形。（）铸坯长时间高温加热过程中，类夹杂物结晶析出 相，类夹杂物结晶析出 相，而中间坯因加热时间短、温度低，结晶现象会较弱。（）随着压缩比的不断增大，轧制过程中低熔点区夹杂物黏度较低，易发生塑性变形而不断被拉长，而 中高熔点 因其变形能力差逐渐与夹杂物基体分离，最终形成鱼眼状的 类夹杂物，中 因 结 晶 析 出 的 高 熔 点 的 、会造成夹杂物断裂分离，形成 、含量高的多相复合夹杂物。第期李永超，等：硅脱氧弹簧钢中夹杂物在轧制过程中的演变行为（）；（）。图硅脱氧弹簧钢中夹杂物在轧制过程中的演变行为 结论（）轧制过程中夹杂物的成分及形貌均发生了一定变 化。连 铸 坯 夹 杂 物 主 要 以 和 类 球 状 夹 杂 物 为 主，中 间 坯 中 和 类 夹 杂 物 呈 长 条状，出现了蝌蚪状 类夹杂物，而线材中复合夹杂物 类 型 最 多，包 括 、含 量 较 高 的 和 类 夹 杂物，且均呈长条状。（）轧制过程中小尺寸夹杂物的密度及占比不断增加。从铸坯到中间坯，宽度不超过 的夹杂物密度由 个增加至 个，占比由 增加至，成品材中宽度不超过的夹杂物几乎达到 。宽度不超过的小尺寸 夹 杂 物 主 要 由 、组成。（）、类夹杂物的长宽比随着轧制过程不断增加，并且其变形指数高于其他类型的夹杂物；同时所有夹杂物