汽车用弹簧钢及其生产技术的发展

发表于 讨论求助 2020-10-08 08:00:00

随着我国汽车工业的快速发展,汽车用弹簧钢需求大幅增加。随着汽车轻量化要求日益提高,使得汽车用弹簧钢向着高强度、高应力方向发展。本文介绍了最新弹簧钢钢种以及国内外先进企业弹簧钢冶炼工艺和夹杂物控制技术。此外,还分析了不同热处理条件下,弹簧钢力学性能的变化情况以及对脱碳层的影响。

近年来,我国汽车工业发展迅猛,产量从2009年的1360多万辆增加到2016年2811万辆,已超过美国成为全球第一汽车生产大国。相关数据显示,未来几年,汽车行业每年至少仍有5%左右的增长。汽车用弹簧需求将持续增长,弹簧钢需求也将同步增长。根据德国弹簧工业协会(VDFI)的统计数字,除供应商之外,其弹簧钢行业62%的买家来自汽车行业。在日本,汽车、摩托车所用弹簧占弹簧钢生产总量的65%左右。汽车工业的强劲发展,必然带动我国弹簧钢线材产业的大力发展。

1 国内外汽车用弹簧钢线材钢种及其应用现状

依据在汽车上最终使用效果和产品性价比,低合金弹簧钢线材所涉及的钢种较多,主要有Cr-V系、Cr-Mn系、Si-Mn系、Si-Cr系、Si-Cr-V系,以及在Si-Cr系基础上添加少量合金元素V、Ni、Co、Mo、W等形成的更复杂系列。

Cr-V系代表钢种有50CrVA和67CrVA;Cr-Mn系代表钢种有55CrMnA;Si-Mn系代表钢种有60Si2MnA(相当于日本的SUP6);Si-Cr系代表钢种有55SiCrA(相当于日本的SUP12,美国的SAE 9254)、60Si 2Cr A、OTEVA 70SC、SWOSC-V和SWOSCVH;Si-Cr-V系代表钢种有55Si Cr VA、60Si 2Cr VA、OTEVA 75 SC、SWOSC-VHV、SWOSC-VHS和SRS60;复杂系列代表钢种有OTEVA 76SC、OTEVA 9 0 S C、S W O S C - V H R、UHS1900、UHS1900M和UHS2000等。各钢种具体成分见表1-表3。

Cr-V系韧性较好,但因强度不高,无法满足弹簧轻量化和小型化的要求,现已基本不用。Cr-Mn系中的55CrMnA也仅用于制造汽车实心稳定杆。

Si-Mn系中60Si2MnA除用于制造设计应力880MPa以下的低档乘用车螺旋悬架弹簧和质量要求相对不高的离合器弹簧及汽车实心稳定杆外,还广泛用于制造中档摩托车的减震簧和一般用途的机械簧;SUP7主要用于制造设计应力980MPa以下的中低档乘用车螺旋悬架弹簧,但由于其硅含量较高,表面脱碳倾向大,不易控制,现趋于淘汰。

Si-Cr系中的55SiCrA、SAE 9254除了用于制造设计应力980MPa以下的中档乘用车螺旋悬架弹簧和质量要求相对较高的离合器弹簧、刹车制动器弹簧、实心稳定杆和扭杆之外,还广泛用于制造中低档摩托车的气门簧、高档摩托车的减震簧和重要用途的机械簧;SAE 9254V主要用于制造设计应力900MPa以下的气门弹簧以及质量很高的离合器弹簧和扭杆。

Si-Cr-V系中的SRS60用于制造设计应力1110MPa的乘用车螺旋悬架弹簧。复杂系列中的UHS1900、UHS1900M用于制造设计应力1200MPa的乘用车螺旋悬架弹簧;UHS2000用于制造设计应力1300MPa的乘用车螺旋悬架弹簧;OTEVA 76SC和OTEVA90SC制造的气门弹簧设计应力可达1000MPa,OTEVA 90SC渗氮之后制造的气门弹簧设计应力大于1100MPa。

已经工业化批量生产并用于汽车制造领域的国产弹簧钢线材品种主要有60Si 2MnA、55Si Cr A、55Cr MnA和50CrVA。 此外,还有处于研发、试生产中 的55SiCrVA、60Si2CrA、60Si2CrVA等。其中50CrVA韧性虽然较好,但因强度不高,无法满足弹簧轻量化和小型化的要求,现已基本不生产;60Si2MnA和55SiCrA产量最大,年产量预计超过10万吨。值得注意的是,我国除55SiCr钢种之外,对更高应力的汽车悬架弹黃盘条还没有生产实例。

2汽车用弹簧钢冶炼技术

节能、环保、安全已成为汽车设计的首要考虑因素,汽车用弹簧钢正在向轻量化、高应力、高可靠度方向发展,因此,对弹簧钢的性能要求也越来越高。汽车用弹簧钢尤以悬架弹簧和气门弹簧为典型代表,其冶炼工艺也有所区别。

2.1悬架弹簧冶炼工艺

弹簧钢冶炼过程中采用RH工艺,与VD工艺相比,处理夹杂物效率要更好,更有利于生产。日本在弹簧钢生产技术方面一直走在世界前列,如新日铁住金公司,其悬架弹簧线材生产工艺流程:270 t转炉冶炼→RH-SCS处理→350 mm×560 mm大方坯连铸(中间包等离子加热+结晶器电磁搅拌+二冷区电磁搅拌+凸台辊轻压下)→连轧开坯→钢坯清理→线材轧制。该生产技术生产的悬架弹簧强度高、抗弹减性能好、疲劳性能优越,广泛运用于世界各种高档汽车。

除新日铁住金外,其他先进企业如日本大同特殊钢知多钢厂、爱知钢厂、德国克虏伯等均采用LF+RH冶炼技术生产汽车悬架弹簧钢。

国内生产弹簧钢技术日趋成熟,生产企业借鉴工业发达国家的经验,逐渐采用RH真空处理冶炼工艺替代VD,生产出来的弹簧钢也开始广泛应用于国内汽车等行业中。

近几年,兴澄特钢生产弹簧钢的原料采用澳大利亚进口优质矿石,含铁量高,有害杂质少,从源头上控制产品的质量。整个生产工艺流程:铁水KR→BOF→LF→RH→CC大方坯→开坯→表面处理(内部检验)→线材加热→控轧控冷→在线探伤→盘条成品。良好的生产工艺使弹簧钢强度、韧性等性能得到了很好的提升,其弹簧钢质量在国内被用户广泛认可。

宝钢弹簧钢盘条根据市场要求,质量不断提高。生产的弹簧钢盘条牌号:65Mn、60 Si 2 Mn A、6 0 Si 2 Cr A、50 Cr VA、60 Si 2 Cr VAT、B55SiCr和B55SiCr V等7类,盘条规格涵盖国内用户所需品种。高级弹簧钢盘条所占比例逐年提高。

宝钢弹簧钢盘条现有2条生产工艺路线:

1) 脱硫铁水→300t转炉→精炼(LF+RH)→模铸→均热炉加热→初轧机开坯→6VH连轧机轧成142 mm×142 mm钢坯→钢坯表面全剥皮处理→加热炉钢坯加热→高速线材轧机轧制→斯太尔摩控冷线冷却→成品检验→包装入库

2) 废钢+铁水→150t电炉→精炼(LF+VD)→连铸160 mm×160 mm→钢坯表面全剥皮处理→加热炉钢坯加热→高速线材轧机轧制→斯太尔摩控冷线冷却→成品检验→包装入库。

2.2 气门弹簧冶炼工艺

气门弹簧的性能要求比悬架弹簧高得多,生产难度也相对较大。气门弹簧“无寿命”,直到汽车使用报废,弹簧仍然不失效。与工业发达国家不断推出新工艺和新钢种相比,我国气门弹簧钢的生产、研发水平还比较落后。

目前,国内发动机气门弹簧几乎全靠进口,无法合格稳定生产。世界上生产气门弹簧钢最好的企业是日本神户制钢,其生产的气门弹簧份额约占全世界的50%。

神户制钢气门弹簧用线材生产工艺流程:转炉冶炼→钢包除渣→ASEA-SKF→300mm×430mm大方坯连铸(中间包电磁感应加热+结晶器电磁搅拌+重压下)→钢坯清理→初轧→轧制。转炉出钢采用硅铁脱氧,以避免产生富含Al2O3的夹杂物,SKF炉中加入低碱度造渣料,并依靠电磁搅拌和真空脱气促使夹杂物变性处理和上浮去除。用此工艺冶炼的SAE9254氧的质量分数在20×10-6左右,而采用铝脱氧方式氧含量一般小于10×10-6,由此可以看出,神户制钢气门弹簧采用了夹杂物塑性化冶炼工艺。

除神户制钢外,新日铁住金气门弹簧也广泛用于各种汽车,其线材生产工艺流程:270t转炉冶炼→LF精炼→350 mm×560 mm大方坯连铸→连轧开坯→钢坯清理→线材轧制。可以看出,新日铁住金气门弹簧生产工艺同神户制钢有相同之处,即均采用了夹杂物塑性化工艺。

3悬架弹簧钢夹杂物控制

弹簧钢失效的一个重要形式为疲劳断裂,而引起疲劳断裂的原因往往是钢中的非金属夹杂物。非金属夹杂物周围的应力集中,容易导致裂纹产生。因此,弹簧钢生产过程中对夹杂物的控制有着严格的要求。

夹杂物控制在弹簧钢生产的过程中,因不同的脱氧方式,对夹杂物控制的方向大致分为两种。一种为夹杂物塑性化工艺,采用硅或硅锰脱氧配合低碱度精炼渣,将夹杂物控制在CaO-SiO2-Al2O3系中的钙斜长石、磷石英和假硅灰石附近,即低熔点塑性区A,使夹杂物有着良好的塑性变形能力,如图1所示;另一种为超低氧工艺,采用铝脱氧配合高碱度精炼渣,减少夹杂物数量的同时尽量控制夹杂物在CaOSiO2-Al2O3系中的铝酸三钙、钙黄长石、铝酸钙附近,即低熔点塑性区B中。

3.1悬架弹簧夹杂物塑性化工艺

汽车用悬架弹簧钢多采用低碱度精炼渣配合硅脱氧的夹杂物塑性化工艺,将钢液中酸溶铝含量控制在一个较低的水平,并通过低碱度合成渣精炼工艺将夹杂物成分控制在低熔点塑性变形区域A。

研究人员用低碱度精炼渣配合硅脱氧冶炼55SiCr悬架弹簧钢时发现,夹杂物中脆性夹杂Al2O3含量较低,SiO2含量较高,其成分趋近于Al2O3-SiO2-CaO系统中低熔点塑性化区间,但相对于高碱度精炼工艺来说,成分更加分散,更不利于大颗粒夹杂物的控制与消除。周俐等人采用硅锰脱氧加低碱度精炼渣(R=1.2)亦成功将夹杂物控制在低熔点区域A中,夹杂物形貌多为球形,且尺寸可达到5μm左右。

研究人员利用Factsage软件对Si-Mn系弹簧钢精炼渣成分进行计算并结合生产试验发现,渣中加入MgO后,低熔点塑性区域会明显扩大。当碱度为1.0-1.19,ω(CaO)/ω(Al2O3)>9时( 图2),生成的夹杂物主要有MnS、CaO-Si O2-Al2O3-MgO、CaO-SiO2-Al2O3-MgO-MnS三种类型。CaO-SiO2-Al2O3-MgO系夹杂物在轧制的时候被压缩拉长,如图3所示,此范围的精炼渣可有效地控制夹杂物的可塑性。

由此可见,将夹杂物控制在CaO-SiO2-Al2O3系中的钙斜长石、磷石英和假硅灰石附近低熔点区并不难实现,这也是国内很多企业选择塑性化工艺的一个重要原因。

3.2悬架弹簧钢超低氧工艺

悬架弹簧钢除了利用塑性化工艺,将夹杂物控制钙斜长石、磷石英和假硅灰石附近低熔点区外,也可以通过铝脱氧等方式减少钢中氧含量,从而减少夹杂物数量,实现超低氧工艺,来满足弹簧钢对夹杂物的要求。研究人员采用铝脱氧加高碱度精炼渣冶炼弹簧钢60Si2MnA,使最终铸坯氧含量达10×10-6,大大减少了夹杂物数量。但在采用超低氧工艺时,试图将夹杂物控制在夹杂物塑性区B中,如图4所示,有一部分落在了塑性区外,塑性化控制效果并不是很好。

研究人员对武钢、宝钢和新日铁住金55SiCr弹簧钢进行了化学分析(表4)。新日铁住金Al s含量为0.023%,明显高于武钢和宝钢,T.O也仅有7×10-6,远低于武钢和宝钢。新日铁住金生产的55SiCr弹簧钢明显采用了铝脱氧。另此,对新日铁住金夹杂物进行分析发现,夹杂物并不是塑形夹杂,而是直径细小的脆硬性夹杂。

铝脱氧生产悬架弹簧钢,由于铝酸三钙、钙黄长石、铝酸钙附近的低熔点区面积较小,因此,将夹杂物控制在低熔点区内生成塑性夹杂的难度较大。但是,采用该工艺可大大减少夹杂物的数量,缩小夹杂物的尺寸,即使生成的夹杂物为Al2O3或MgO·Al2O3这样的脆性夹杂,只要尺寸足够小,对弹簧的使用性能也没有太大的影响。

4 气门弹簧夹杂物控制

气门弹簧直径较小,对脆硬性夹杂物较为敏感,在减少夹杂物的同时需要尽可能将高熔点夹杂转变成轧制过程中易变形的低熔点复合夹杂。

世界上生产超纯净气门弹簧钢线材最好的企业是日本的神户制钢,神户制钢在气门弹簧用钢的生产中,在世界上首次开发出一种超纯净钢生产技术,不仅可降低非金属夹杂物的数量,而且还可降低夹杂物的危害,即夹杂物塑性化和超纯净化生产技术。

神户制钢夹杂物塑性化超纯净气门簧用钢在钢水精炼过程中采用低碱度渣使硅锰脱氧产物转变成MnO-SiO2-Al2O3系中锰铝榴石区或CaOSiO2-Al2O3系中假硅灰石和钙长石共熔区,很好地实现了夹杂物塑性化。

国内企业气门弹簧钢夹杂物控制方面与国外先进企业有着明显的差距。对国产55SiCrA、浦项SAE9254V及新日铁住金65Si2CrV气门弹簧钢进行对比分析发现,国产55SiCrA钢中夹杂物中平均ω(Al2O3)高达42 %,夹杂物基本均偏离低熔点区,夹杂物长宽比均小于3,宽度尺寸大,多呈块状。而国外弹簧钢中夹杂物基本都在低熔点区,夹杂物中平均ω(Al2O3)均低于15%,夹杂物变形性好,宽度尺寸小,多呈长条状;且国产55SiCrA钢中电解出的大型夹杂物数量、尺寸均比国外弹簧钢中的大,并含有对弹簧钢质量造成危害的高MgO类及高Al2O3类大型夹杂物。

尽管研究指出,夹杂物的熔点越低塑性越好,但仍不能完全保证弹簧钢在轧制过程中具备良好的变形能力。据有关报道,轧制过程中夹杂物变形能力和其成分也有密切关系,当夹杂物偏离低熔点区,成分落在SiO2粗晶区时,其塑性变形能力甚至优于处在低熔点塑性区的夹杂物。也有研究指出,夹杂物在后续加热处理过程中结晶并变得脆而硬,夹杂物的晶体结构是其变形能力的一个重要影响因素。因此,为了保证钢在高温及低温变形加工过程中可变形,氧化物夹杂必须是非晶态的。故在气门弹簧的生产过程中,除了关注夹杂物是否处于低熔点区外,还应该关注夹杂物是否为非晶态。

塑性夹杂物对弹簧钢性能影响较小,可并非所有塑性好、轧制过程中易变形的夹杂物都好。可变形氧化物类夹杂物对弹簧钢疲劳强度影响不明显,但可变形夹杂物MnS却会因形成大而长的鱼眼裂纹,对弹簧钢疲劳性能产生极其不利,轧制后横向的疲劳强度几乎只有一半。

另外,TiN夹杂物尺寸很小,但TiN夹杂物因在钢中呈方块形而导致高应力集中,更容易成为疲劳裂纹源,与同尺寸的氧化物夹杂相比,对气门弹簧的疲劳性能危害更大。因此,要严格控制TiN类夹杂物生成与带入。

5 结论

1) 汽车用弹簧钢目前以Si-Cr系和Si-Mn系为主,国内外都是通过添加和改变微量合金元素V、Ni、Co、Mo、W、Nb等来达到新品种的开发以及高强度要求。

2) 汽车悬架弹簧在冶炼过程中,RH真空处理较VD处理在夹杂物去除方面有优势,国内外先进的生产企业普遍选择RH真空处理,VD较少;气门弹簧生产过程中必须采用塑性化冶炼。

3) 悬架弹簧钢可根据两种夹杂物控制途径进行生产,即采用硅或硅锰脱氧的塑性化工艺和铝脱氧的超低氧工艺,两者对夹杂物控制方向不同,但都能满足实际使用要求;而气门弹簧则既要求夹杂物纯净化,又要求夹杂物塑性化,生产难度更大。

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【内容来源】世界金属导报

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【美编】侯思璇


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