55SiCr悬臂用弹簧钢夹杂物控制

工程科学学报，第38卷，增刊1：96-100,2016年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,Suppl.1:96-100,June 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.s1.017:http://journals.ustb.edu.cn 55SiCr悬臂用弹簧钢夹杂物控制 蒋晨旭12)四，岳峰12》，辛彩萍12》 1)北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京1000832)北京科技大学工程技术研究院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:jiang.chenxu(@gg.com 摘要采用热场发射扫描电镜和能谱仪对比研究了武钢、宝钢和新日铁55SiC悬臂用弹簧钢夹杂物的控制水平.结果表 明新日铁弹簧钢采用铝脱氧工艺治炼获得了较高的洁净度，武钢和宝钢弹簧钢均采用控铝脱氧工艺，但夹杂物塑性化控制水 平仍有待提高.对武钢55SC:悬臂用弹簧钢的治炼过程系统取样，分析了夹杂物成分的演变规律：根据热力学计算的结果， 提出了55SiCr弹簧钢夹杂物塑性化控制的建议，应将[0]控制在0.0009%-0.0020%，A]控制在0.0002%-0.0008%. 关键词弹簧钢：夹杂物：55SiCr;塑性变形能力 分类号TF114 Inclusions control of 55SiCr cantilever spring steel JIANG Chen-u,YUE Feng,XIN Cai-ping 1)Collaborative Innovation Center of Steel Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Institute of Engineering Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:jiang.chenxu@qq.com ABSTRACT Scanning electron microscope and energy dispersive spectroscopy methods were used to investigate the inclusions of 55SiCr spring steel produced by WISCO,Baosteel and Nippon Steel.The result shows that aluminum deoxidization smelting process is used to obtain high level of cleanliness for Nippon Steel's spring steel.For Baosteel and WISCO's spring steel,non-aluminum deoxi- dization smelting process is used,but the control of the inclusion's plastic deformation capacity still needs to be improved.And then, the 55SiCr spring steel samples of smelting process were analyzed to study the evolution of inclusions'composition.Based on the re- sults of thermodynamic calculation,a suggestion for the 55SiCr spring steel inclusion's plasticization was proposed,the [should be controlled from 0.0009%to 0.0020%,and the [Al]controlled from 0.0002%to 0.0008%. KEY WORDS spring steel:inclusion:55SiCr:plastic deformation capacity 悬臂弹簧是汽车的关键零配件，其质量的优劣对杂物塑性化控制技术，特别是对控铝钢的夹杂物塑性 汽车的安全性、平稳性、寿命起着关键作用.当今环 化控制技术，使弹簧钢质量满足高性能的要求：(2)超 境、能源危机、汽车的轻量化和低能耗发展方向，要求 细夹杂物和超低氧钢的系统控制技术，特别是对含铝 悬臂弹簧具有更轻的质量和更好的疲劳强度和弹减抗 钢的铝系夹杂物的强化去除技术和含铝钢钢液内夹杂 力弹簧钢中的夹杂物是危害弹簧钢质量的主要因 物超细小化控制技术.为此，本文主要对国内外不同 素，特别是夹杂物的数量和类型是影响弹簧钢寿命的 工艺措施生产的悬臂弹簧钢的夹杂物的控制水平进行 关键习.目前，全世界能够生产高纯净悬臂弹簧钢线 研究，为提高弹簧钢的质量提供一定的理论方向和借 材的厂商主要是日本神户制钢、新日铁、德国撒斯特和 鉴意义 韩国浦项等，其中以日本的产量占主导地位.对于国 内钢厂而言，高品质弹簧钢的关键治炼生产技术和国 1研究内容与方法 外还有一定差距.在夹杂物控制上，主要包括：(1)夹 取武钢、宝钢和新日铁的悬臂弹簧钢的线材试样， 收稿日期：201601一10

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1: 96--100，2016 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，Suppl． 1: 96--100，June 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． s1． 017; http: / /journals． ustb． edu． cn 55SiCr 悬臂用弹簧钢夹杂物控制 蒋晨旭1，2) ，岳 峰1，2) ，辛彩萍1，2) 1) 北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京 100083 2) 北京科技大学工程技术研究院，北京 100083  通信作者，E-mail: jiang． chenxu@ qq． com 摘 要 采用热场发射扫描电镜和能谱仪对比研究了武钢、宝钢和新日铁 55SiCr 悬臂用弹簧钢夹杂物的控制水平． 结果表 明新日铁弹簧钢采用铝脱氧工艺冶炼获得了较高的洁净度，武钢和宝钢弹簧钢均采用控铝脱氧工艺，但夹杂物塑性化控制水 平仍有待提高． 对武钢 55SiCr 悬臂用弹簧钢的冶炼过程系统取样，分析了夹杂物成分的演变规律; 根据热力学计算的结果， 提出了 55SiCr 弹簧钢夹杂物塑性化控制的建议，应将［O］控制在 0. 0009% ～ 0. 0020%，［Al］控制在 0. 0002% ～ 0. 0008% ． 关键词 弹簧钢; 夹杂物; 55SiCr; 塑性变形能力 分类号 TF114 Inclusions control of 55SiCr cantilever spring steel JIANG Chen-xu1，2)  ，YUE Feng1，2) ，XIN Cai-ping1，2) 1) Collaborative Innovation Center of Steel Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Institute of Engineering Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: jiang． chenxu@ qq． com ABSTＲACT Scanning electron microscope and energy dispersive spectroscopy methods were used to investigate the inclusions of 55SiCr spring steel produced by WISCO，Baosteel and Nippon Steel． The result shows that aluminum deoxidization smelting process is used to obtain high level of cleanliness for Nippon Steel’s spring steel． For Baosteel and WISCO’s spring steel，non-aluminum deoxi￾dization smelting process is used，but the control of the inclusion’s plastic deformation capacity still needs to be improved． And then， the 55SiCr spring steel samples of smelting process were analyzed to study the evolution of inclusions’composition． Based on the re￾sults of thermodynamic calculation，a suggestion for the 55SiCr spring steel inclusion’s plasticization was proposed，the［O］should be controlled from 0. 0009% to 0. 0020% ，and the ［Al］controlled from 0. 0002% to 0. 0008% ． KEY WOＲDS spring steel; inclusion; 55SiCr; plastic deformation capacity 收稿日期: 2016--01--10 悬臂弹簧是汽车的关键零配件，其质量的优劣对 汽车的安全性、平稳性、寿命起着关键作用． 当今环 境、能源危机、汽车的轻量化和低能耗发展方向，要求 悬臂弹簧具有更轻的质量和更好的疲劳强度和弹减抗 力． 弹簧钢中的夹杂物是危害弹簧钢质量的主要因 素，特别是夹杂物的数量和类型是影响弹簧钢寿命的 关键［1--3］． 目前，全世界能够生产高纯净悬臂弹簧钢线 材的厂商主要是日本神户制钢、新日铁、德国撒斯特和 韩国浦项等，其中以日本的产量占主导地位． 对于国 内钢厂而言，高品质弹簧钢的关键冶炼生产技术和国 外还有一定差距． 在夹杂物控制上，主要包括: ( 1) 夹 杂物塑性化控制技术，特别是对控铝钢的夹杂物塑性 化控制技术，使弹簧钢质量满足高性能的要求; ( 2) 超 细夹杂物和超低氧钢的系统控制技术，特别是对含铝 钢的铝系夹杂物的强化去除技术和含铝钢钢液内夹杂 物超细小化控制技术． 为此，本文主要对国内外不同 工艺措施生产的悬臂弹簧钢的夹杂物的控制水平进行 研究，为提高弹簧钢的质量提供一定的理论方向和借 鉴意义． 1 研究内容与方法 取武钢、宝钢和新日铁的悬臂弹簧钢的线材试样

蒋晨旭等：55SiCr悬臂用弹簧钢夹杂物控制 ·97· 分别分析其化学元素L,、TO]、N含量，并采用场发 钢均采用了控制铝含量的Si一Mn合金脱氧工艺.不同 射扫描电镜和能谱仪方法，研究弹簧钢中的典型夹杂 的脱氧工艺制度代表不同的夹杂物控制思路，新日铁 物的成分和形貌.对国内外不同工艺生产的悬臂弹簧 的脱氧工艺希望通过强脱氧剂铝，使弹簧达到高纯 钢的夹杂物的控制水平进行对比. 净度，从而控制夹杂物的数量，因此，新日铁T[O]质 针对武钢RH工艺生产汽车用高品质悬臂弹簧 量分数控制的最低只有0.0007%，达到了较高的纯净 钢，对治炼过程中氩站AR、精炼LF、真空RH、连铸CC 度水平.国内钢厂的控制铝含量的Si-Mn合金脱氧工 不同位置进行系统取样.采用扫描电镜EDS自动扫描 艺代表了夹杂物塑性化控制思路，通过调整精炼渣成 (feature功能)方法：随机选取100个视场，每个视场的 分将夹杂物控制低熔点塑性区域，有利于夹杂物在轧 大小为3.84×102mm2.扫描识别视场内当量直径为 制过程中随着钢基体形变.对比国内弹簧钢经H和 0.8m以上的所有夹杂物.对夹杂物的成分进行分 VD工艺，RH工艺T[O]控制的更低 析，针对不同工序中氧化物的成分不同，将不同类型氧 22国内外不同钢厂弹簧钢线材夹杂物控制水平对比 化物分为三大类：Al,0,-Si0,-Mn0系夹杂物、Al0,- 对武钢VD工艺、武钢RH工艺、宝钢VD工艺、新 Si02Ca0-Mg0系夹杂物、Al,0,Si02Ca0-Mg0-Mn0 日铁四种悬臂用弹簧钢线材典型夹杂物成分进行分 系夹杂物.研究治炼过程中这三类氧化物夹杂物成分 析，选取部分典型夹杂物照片及成分如图1所示 的演变规律 对武钢经VD工艺、武钢经RH工艺、宝钢经VD 针对55SiCr悬臂用弹簧钢成分特点，通过Facl- 工艺生产的悬臂用弹簧钢线材典型夹杂物成分分布见 sage进行热力学计算其夹杂物控制的低熔点区域，为 图2. 控制夹杂物塑性化提供理论支持 由图1和2可知，新日铁弹簧钢典型氧化物夹杂 2实验结果与分析 物均为Mg0-AL,0,二元系夹杂物，文献4幻的研究指 出MgO一AL,O,二元系夹杂物的生成是由于铝脱氧钢中 2.1国内外不同钢厂弹簧钢线材AL,、T[O]、N含量 的[A山和钢包耐火材料的相互反应生成的.武钢VD 控制对比 工艺弹簧钢中夹杂物成分分布集中在两个不同区域， 实验共取有武钢VD工艺、武钢RH工艺、宝钢 一个是Si02质量分数较高(80%~90%)的区域：另外 VD工艺、新日铁四种悬臂用弹簧钢线材，其AL,、T[O] 一个是Ca0+Mg0+Mn0质量分数40%左右，Al,0,质 和N元素控制水平见下表1. 量分数10%~20%，Si0,质量分数40%~50%的区 表1不同钢厂弹簧钢线材样痕量化学元素含量（质量分数） 域.武钢RH工艺弹簧钢中夹杂物主要是CaO-MgO- Table 1 Content of trace elements in different spring steels% Al,0,Si0,系四元复合夹杂物，夹杂物成分控制集中 样品来源 Al。 T[o] N 在Ca0+Mg0质量分数50%左右，Al203质量分数 武钢VD 0.0027 0.0021 0.0040 10%~20%,Si02质量分数30%~40%的区域.宝钢 武钢RH 0.0014 0.0011 0.0030 弹簧钢中夹杂物主要是Al,0,-Si0,Ca0系三元复合 宝钢VD 0.0010 0.0021 0.0052 夹杂物，夹杂物成分控制集中在Ca0质量分数20%左 新日铁 0.0230 0.0007 0.0032 右，A山，03质量分数30%左右，Si02在35%左右的区域. 武钢经VD工艺、武钢经RH工艺、宝钢经VD工艺弹 由表1可得，武钢弹簧钢经VD和RH工艺Al质 簧钢夹杂物以复合氧化物为主，但成分有所区别. 量分数分别控制在0.0027%和0.0014%，宝钢经VD 综上分析可知，武钢经VD工艺、武钢经H工 工艺弹簧钢的AL,质量分数为0.0010%，新日铁弹簧 艺、宝钢经VD工艺弹簧钢典型氧化物夹杂物控制均 钢A1质量分数为0.0230%，明显高于其他钢厂.武钢 未达到Al,0,SiO2Ca0三元系最优的低熔点区域.武 经VD和H工艺T[O]质量分数分别控制在 钢VD工艺夹杂物控制问题在于控制不稳定，夹杂物 0.0021%和0.0011%，宝钢经VD工艺弹簧钢T[0]质 成分分布较分散.武钢RH工艺夹杂物控制问题在于 量分数控制在0.0021%，新日铁T[0]质量分数最低 夹杂物平均碱度在1.3左右偏高，偏离了低熔点区域. 控制在0.0007%.武钢经VD和RH工艺N质量分数 宝钢夹杂物控制问题在于A山，0，含量偏高.此外，发现 分别控制在0.0040%和0.0030%，宝钢经VD工艺弹 武钢弹簧钢夹杂物成分普遍含有Mg0,而且质量分数 簧钢N质量分数控制在0.0052%，新日铁N质量分数 不稳定，在7%~23%内波动，而宝钢弹簧钢夹杂物 控制在0.0032% Mg0质量分数均小于1%，这说明两个钢厂所采用的 综上分析可知，新日铁弹簧钢A1含量明显高出国 耐火材料和炉渣系有所不同.宝钢弹簧钢夹杂物具有 内钢厂一个量级，采用的是A1脱氧工艺治炼，宝钢、武 更低的熔点和更好的塑性变形能力.因此，为进一步

蒋晨旭等: 55SiCr 悬臂用弹簧钢夹杂物控制 分别分析其化学元素 Als、T［O］、N 含量，并采用场发 射扫描电镜和能谱仪方法，研究弹簧钢中的典型夹杂 物的成分和形貌． 对国内外不同工艺生产的悬臂弹簧 钢的夹杂物的控制水平进行对比． 针对武钢 ＲH 工艺生产汽车用高品质悬臂弹簧 钢，对冶炼过程中氩站 AＲ、精炼 LF、真空 ＲH、连铸 CC 不同位置进行系统取样． 采用扫描电镜 EDS 自动扫描 ( feature 功能) 方法: 随机选取 100 个视场，每个视场的 大小为 3. 84 × 10 － 2 mm2 ． 扫描识别视场内当量直径为 0. 8 μm 以上的所有夹杂物． 对夹杂物的成分进行分 析，针对不同工序中氧化物的成分不同，将不同类型氧 化物分为三大类: Al2 O3 --SiO2 --MnO 系夹杂物、Al2 O3 -- SiO2 --CaO--MgO 系夹杂物、Al2O3 --SiO2 --CaO--MgO--MnO 系夹杂物． 研究冶炼过程中这三类氧化物夹杂物成分 的演变规律． 针对 55SiCr 悬臂用弹簧钢成分特点，通过 Fact￾sage 进行热力学计算其夹杂物控制的低熔点区域，为 控制夹杂物塑性化提供理论支持． 2 实验结果与分析 2. 1 国内外不同钢厂弹簧钢线材 Als、T［O］、N 含量 控制对比 实验共取 有 武 钢 VD 工 艺、武 钢 ＲH 工 艺、宝 钢 VD 工艺、新日铁四种悬臂用弹簧钢线材，其 Als、T［O］ 和 N 元素控制水平见下表 1． 表 1 不同钢厂弹簧钢线材样痕量化学元素含量( 质量分数) Table 1 Content of trace elements in different spring steels % 样品来源 Als T［O］ N 武钢 VD 0. 0027 0. 0021 0. 0040 武钢 ＲH 0. 0014 0. 0011 0. 0030 宝钢 VD 0. 0010 0. 0021 0. 0052 新日铁 0. 0230 0. 0007 0. 0032 由表 1 可得，武钢弹簧钢经 VD 和 ＲH 工艺 Als质 量分数分别控制在 0. 0027% 和 0. 0014% ，宝钢经 VD 工艺弹簧钢的 Als质量分数为 0. 0010% ，新日铁弹簧 钢 Als质量分数为 0. 0230% ，明显高于其他钢厂． 武钢 经 VD 和 ＲH 工 艺 T［O］质 量 分 数 分 别 控 制 在 0. 0021% 和 0. 0011% ，宝钢经 VD 工艺弹簧钢 T［O］质 量分数控制在 0. 0021% ，新日铁 T［O］质量分数最低 控制在 0. 0007% ． 武钢经 VD 和 ＲH 工艺 N 质量分数 分别控制在 0. 0040% 和 0. 0030% ，宝钢经 VD 工艺弹 簧钢 N 质量分数控制在 0. 0052% ，新日铁 N 质量分数 控制在 0. 0032% ． 综上分析可知，新日铁弹簧钢 Als含量明显高出国 内钢厂一个量级，采用的是 Al 脱氧工艺冶炼，宝钢、武 钢均采用了控制铝含量的 Si--Mn 合金脱氧工艺． 不同 的脱氧工艺制度代表不同的夹杂物控制思路，新日铁 的 Al 脱氧工艺希望通过强脱氧剂铝，使弹簧达到高纯 净度，从而控制夹杂物的数量，因此，新日铁 T［O］质 量分数控制的最低只有 0. 0007% ，达到了较高的纯净 度水平． 国内钢厂的控制铝含量的 Si--Mn 合金脱氧工 艺代表了夹杂物塑性化控制思路，通过调整精炼渣成 分将夹杂物控制低熔点塑性区域，有利于夹杂物在轧 制过程中随着钢基体形变． 对比国内弹簧钢经 ＲH 和 VD 工艺，ＲH 工艺 T［O］控制的更低． 2. 2 国内外不同钢厂弹簧钢线材夹杂物控制水平对比 对武钢 VD 工艺、武钢 ＲH 工艺、宝钢 VD 工艺、新 日铁四种悬臂用弹簧钢线材典型夹杂物成分进行分 析，选取部分典型夹杂物照片及成分如图 1 所示． 对武钢经 VD 工艺、武钢经 ＲH 工艺、宝钢经 VD 工艺生产的悬臂用弹簧钢线材典型夹杂物成分分布见 图 2． 由图 1 和 2 可知，新日铁弹簧钢典型氧化物夹杂 物均为 MgO--Al2O3二元系夹杂物，文献［4］的研究指 出 MgO--Al2O3二元系夹杂物的生成是由于铝脱氧钢中 的［Al］和钢包耐火材料的相互反应生成的． 武钢 VD 工艺弹簧钢中夹杂物成分分布集中在两个不同区域， 一个是 SiO2质量分数较高( 80% ～ 90% ) 的区域; 另外 一个是 CaO + MgO + MnO 质量分数 40% 左右，Al2O3质 量分数 10% ～ 20% ，SiO2 质量分数 40% ～ 50% 的 区 域． 武钢 ＲH 工艺弹簧钢中夹杂物主要是 CaO--MgO-- Al2O3 --SiO2系四元复合夹杂物，夹杂物成分控制集中 在 CaO + MgO 质 量 分 数 50% 左 右，Al2 O3 质 量 分 数 10% ～ 20% ，SiO2 质量分数 30% ～ 40% 的区域． 宝钢 弹簧钢中夹杂物主要是 Al2O3 --SiO2 --CaO 系三元复合 夹杂物，夹杂物成分控制集中在 CaO 质量分数 20% 左 右，Al2O3质量分数 30% 左右，SiO2在 35% 左右的区域． 武钢经 VD 工艺、武钢经 ＲH 工艺、宝钢经 VD 工艺弹 簧钢夹杂物以复合氧化物为主，但成分有所区别． 综上分析 可 知，武 钢 经 VD 工 艺、武 钢 经 ＲH 工 艺、宝钢经 VD 工艺弹簧钢典型氧化物夹杂物控制均 未达到 Al2O3 --SiO2 --CaO 三元系最优的低熔点区域． 武 钢 VD 工艺夹杂物控制问题在于控制不稳定，夹杂物 成分分布较分散． 武钢 ＲH 工艺夹杂物控制问题在于 夹杂物平均碱度在 1. 3 左右偏高，偏离了低熔点区域． 宝钢夹杂物控制问题在于 Al2O3含量偏高． 此外，发现 武钢弹簧钢夹杂物成分普遍含有 MgO，而且质量分数 不稳定，在 7% ～ 23% 内波动，而宝钢弹簧钢夹杂物 MgO 质量分数均小于 1% ，这说明两个钢厂所采用的 耐火材料和炉渣系有所不同． 宝钢弹簧钢夹杂物具有 更低的熔点和更好的塑性变形能力． 因此，为进一步 · 79 ·

·98· 工程科学学报，第38卷，增刊1 成分 质量分数% 成分 质量分数% Mgo 7.1 Mgo 7.6 A,0 19.5 A1,0 19.7 42.6 Sio. 33.8 28.3 Ca0 38.9 MnO 2.5 50 um 有 成分 质量分数/% 成分 质量分数% MgO 0.8 Mgo 25.1 10 33.4 A,03 74.9 5i0. 46.8 Cao 189 e d 图1各弹簧钢典型夹杂物形貌及成分.(a)武钢VD工艺：(b)武钢RH工艺：(c)宝钢VD工艺：(d)新日铁 Fig.1 Typical inclusions morphology and composition in different spring steels:(a)WISCO VD process:(b)WISCO RH process:(e)Baosteel VD process:(d)Nippon Steel 01.00 序治炼过程中这三类氧化物夹杂物成分的演变规律详 1一武钢WD 2一武钢RH 见图3 3一宝钢 由图3可知，武钢RH工艺治炼过程中，氩站AR 0.25 0.75 夹杂物主要集中在Si02附近（见图3(a)),有少量 (Ca0+Mg0+MnO) Al,0,类夹杂物，说明由于在氩站主要采用Si-Mn合金 050 脱氧，脱氧产物SiO2为主要的夹杂物类型：LF试样中， 0.75 nae SiO2类夹杂物已经基本消失（见图3(d)和3(0），说明 在LF精炼过程中，由于渣钢反应，钢液中的夹杂物成 0.25 分发生变化，转变为A山，0，类夹杂物和多元复合型氧 化物：经过RH精炼后，夹杂物成分分布变得更加分散 1.00 (见图3(g)和图3())，但大部分夹杂物尺寸都在5 025 0.50 0.75 1.0 um以下；在连铸CC夹杂物中A山0，的含量有所上升， (A,0) 出现一部分A山，0，含量较高的细小夹杂物（见图3 图2不同钢厂夹杂物成分在A山20，SiO2-Ca0-MgO-Mn0系伪 (),但并未发现10μm以上大颗粒AL,0,夹杂物，这 三元相图中分布 部分夹杂物推测为钢液中的[]在凝固过程中反应 Fig.2 Distribution of inclusions composition in the Al2 O:-SiO,- 生成的内生夹杂物，对钢质危害不大可 CaO-Mgo-MnO pseudo three phase diagram of different spring steels 2.455SiCr夹杂物控制热力学计算 提高武钢的悬臂弹簧的质量，建议采用H工艺并将 (1)所要计算钢种，55SiCr的化学成分如表2. 精炼渣碱度(Ca0+MgO)1SiO,控制在1以下 表255SiCr的化学成分（质量分数） 2.3武钢H工艺弹簧钢冶炼过程夹杂物演变规律 Table 2 Chemical composition of 55SiCr Spring steel% 对武钢RH工艺生产弹簧钢治炼过程中经过氩站 组元 Si Mn Cr AR、精炼LF、真空RH和连铸CC的4个不同工序取 55s0051-1.20-0.50-050- ≤0.025≤0.025 样，试样进行EDS(feature功能)扫描.EDS扫描随机 0.591.600.800.80 选取100个视场，每个视场的大小为3.84×10-2mm2. 目标成分0.551.450.650.650.0120.012 扫描识别视场内当量直径为0.8m以上的所有夹杂 (2)55SiCr与Ca0-Al,0,SiO2三元系夹杂物平衡 物.每个工序的氧化物夹杂物被分为三大类：A山0，一 时的钢液氧活度ao计算. Si02-Mn0系夹杂物、Al,0,-Si02一Ca0-Mg0系夹杂物 钢液中[O]与钢液中S]的反应式为： 和A山，0，Si02Ca0-Mg0-Mn0系夹杂物.四个不同工 [Si]+2[0]=Si02

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 图 1 各弹簧钢典型夹杂物形貌及成分． ( a) 武钢 VD 工艺; ( b) 武钢 ＲH 工艺; ( c) 宝钢 VD 工艺; ( d) 新日铁 Fig． 1 Typical inclusions morphology and composition in different spring steels: ( a) WISCO VD process; ( b) WISCO ＲH process; ( c) Baosteel VD process; ( d) Nippon Steel 图 2 不同钢厂夹杂物成分在 Al2O3--SiO2--CaO--MgO--MnO 系伪 三元相图中分布 Fig． 2 Distribution of inclusions composition in the Al2 O3--SiO2-- CaO--MgO--MnO pseudo three phase diagram of different spring steels 提高武钢的悬臂弹簧的质量，建议采用 ＲH 工艺并将 精炼渣碱度( CaO + MgO) / SiO2控制在 1 以下． 2. 3 武钢 ＲH 工艺弹簧钢冶炼过程夹杂物演变规律 对武钢 ＲH 工艺生产弹簧钢冶炼过程中经过氩站 AＲ、精炼 LF、真空 ＲH 和连铸 CC 的 4 个不同工序取 样，试样进行 EDS( feature 功能) 扫描． EDS 扫描随机 选取 100 个视场，每个视场的大小为 3. 84 × 10 － 2 mm2 ． 扫描识别视场内当量直径为 0. 8 μm 以上的所有夹杂 物． 每个工序的氧化物夹杂物被分为三大类: Al2 O3 -- SiO2 --MnO 系夹杂物、Al2O3 --SiO2 --CaO--MgO 系夹杂物 和 Al2O3 --SiO2 --CaO--MgO--MnO 系夹杂物． 四个不同工 序冶炼过程中这三类氧化物夹杂物成分的演变规律详 见图 3． 由图 3 可知，武钢 ＲH 工艺冶炼过程中，氩站 AＲ 夹杂物 主 要 集 中 在 SiO2 附近( 见 图 3 ( a) ) ，有少 量 Al2O3类夹杂物，说明由于在氩站主要采用 Si--Mn 合金 脱氧，脱氧产物 SiO2为主要的夹杂物类型; LF 试样中， SiO2类夹杂物已经基本消失( 见图3( d) 和3( f) ) ，说明 在 LF 精炼过程中，由于渣钢反应，钢液中的夹杂物成 分发生变化，转变为 Al2 O3 类夹杂物和多元复合型氧 化物; 经过 ＲH 精炼后，夹杂物成分分布变得更加分散 ( 见图 3( g) 和图 3( i) ) ，但大部分夹杂物尺寸都在 5 μm 以下; 在连铸 CC 夹杂物中 Al2O3的含量有所上升， 出现一部 分 Al2 O3 含量 较 高 的 细 小 夹 杂 物 ( 见 图 3 ( j) ) ，但并未发现 10 μm 以上大颗粒 Al2O3夹杂物，这 部分夹杂物推测为钢液中的［Al］在凝固过程中反应 生成的内生夹杂物，对钢质危害不大［5］． 2. 4 55SiCr 夹杂物控制热力学计算 ( 1) 所要计算钢种，55SiCr 的化学成分如表 2． 表 2 55SiCr 的化学成分( 质量分数) Table 2 Chemical composition of 55SiCr Spring steel % 组元 C Si Mn Cr P S 55SiCr 0. 51 ～ 0. 59 1. 20 ～ 1. 60 0. 50 ～ 0. 80 0. 50 ～ 0. 80 ≤0. 025 ≤0. 025 目标成分 0. 55 1. 45 0. 65 0. 65 0. 012 0. 012 ( 2) 55SiCr 与 CaO--Al2O3 --SiO2三元系夹杂物平衡 时的钢液氧活度 a［O］计算． 钢液中［O］与钢液中［Si］的反应式［6］为: ［Si］ + 2［O］= SiO2， · 89 ·

蒋晨旭等：55SiCr悬臂用弹簧钢夹杂物控制 ·99* 0x1.0 AR-AISiMn 0a1.00 AR-AISiCaMg AR-AISiCaMgMn ) (el 0x1.00 0.253 0.75 0.75 0.25 0.75 0.50y 075 0.25 0.75, 025 0.75 0.25 1.00 0.250.500,75108 1.00 0250s00.7508 1.00 0 00250.500.751.08 (ALO) (AL,O.) (,O d 0x1.00 LF-AISiMn 01.00 LF-AISiCaMg (f) 0x1.00 LF-AISiCaMgMn 0.25 0.75 0.75 0.75 0.50 0.50 0.75, 0.25 0.75 0.25 0.75/ 0.25 1.0 0.250500.751.08 1.0 1.0 0 00250.500.75 18 0 0.250.50.751.08 r(A1,0) rr(ALO. (ALO.) (g) 0x1.00 RH-AISiMn 01.00 RH-AISiCaMg 01.00 RH-AISiCaMgMn 0.25 0.75 0.75 0.25 0.75 c(Mn0) 0.50 0.50 0.50 0.75 0.25 0.75 0.25 0.25 1.00 1.00 1.00 00.250.50 0.75108 0 0.250.500.75 18 0 0250.500.751.08 r(A10. A1,O, 1,0, CC-AlSiMn CC-AISiCaMg CC-AJSiCa MgMn D 0x1.00 0.1.00 0,1.00 0.25 0.75 0.75 0.75 n(Mn0) 0.50 0.50 0s50 0.50 050 0.75 50.25 0.75 0.25 0.25 L.00 1.00∠ 0 0.250.500.75108 0 0.250.500.75 1.00 0 0.250500.751.08 (L,D) (A.O) c(AL,O3 图3武钢RH工艺治炼过程夹杂物成分变化.(a)AR工序-AlSiMn系：(b)AR工序-Als iCaMg系：(c)AR工序-AlSiCaMgMn系：(d) LF工序-AlSiMn系：(e)LF工序-AlSiCaMg系：()LF工序-AlSiCaMgMn系：(g)RH工序-AlSiMn系：(h)RH工序-AlSiCaMg系；(i) RH工序-AlSiCaMgMn系；(Gj)CC工序-AlSiMn系：(k)CC工序-AlSiCaMg系：(I)CC工序-AlSiCaMgMn系 Fig.3 Changes of inclusions composition of spring steels melted by WISCO's RH process:(a)AR process Al2O-Si02-MnO:(b)AR process Al20-5i02-Ca0-Mgo:(c)AR process Al2 03-Si02-Ca0-MgO-MnO:(d)LF process Al2 0-Si02-Mn0:(e)LF process Al203-Si02-CaO- Mgo:(f)LF process Al2Oa-iO2-CaO-MgO-MnO:(g)RH process Al2 O-SiO2-MnO:(h)RH process Al2 O3-SiO2-CaO-MgO:(i)RH process Al2O-iOz-CaO-MgO-MnO:(j)CC process Al2O-SiO2-MnO:(k)CC process Al2O3-SiOz-CaO-Mgo:(I)CC process Al2O-iO2- Ca0-Mg0-MnO △G=-581900+221.8T: △G°=658200-107.1T: K1ss=4.392×10: K1s3=1.729×10-B: K1s7m=as0./(a间×am2); a0=l.33×10-3×a×a as=fm×Si]=1.81×1.45=2.6245: 运用Factsage软件的Phase Diagram模块分别画出 am=2.95×10-5×a6 它们的液相线：再运用FactSage软件的Equilib模块， (3)55SiCr与Ca0-Al,0,-Si02三元系夹杂物平衡 以及相应的平衡反应方程分别计算出各种复合夹杂物 时的a· 中每个组元的活度以及a▣和a·计算结果见下图 钢液中[S]与夹杂物中AL,0,的反应式为： 4和5. 2AL03(S)+3Si]=3Si0,(S)+4[A1], 由图4和5可以看出，要使Ca0-10,-Si02系夹

蒋晨旭等: 55SiCr 悬臂用弹簧钢夹杂物控制 图 3 武钢 ＲH 工艺冶炼过程夹杂物成分变化． ( a) AＲ 工序--AlSiMn 系; ( b) AＲ 工序--AlS iCaMg 系; ( c) AＲ 工序--AlSiCaMgMn 系; ( d) LF 工序--AlSiMn 系; ( e) LF 工序--AlSiCaMg 系; ( f) LF 工序--AlSiCaMgMn 系; ( g) ＲH 工序--AlSiMn 系; ( h) ＲH 工序--AlSiCaMg 系; ( i) ＲH 工序--AlSiCaMgMn 系; ( j) CC 工序--AlSiMn 系; ( k) CC 工序--AlSiCaMg 系; ( l) CC 工序--AlSiCaMgMn 系 Fig． 3 Changes of inclusions composition of spring steels melted by WISCO’s ＲH process: ( a) AＲ process Al2 O3--SiO2--MnO; ( b) AＲ process Al2O3--SiO2--CaO--MgO; ( c) AＲ process Al2O3--SiO2--CaO--MgO--MnO; ( d) LF process Al2O3--SiO2--MnO; ( e) LF process Al2 O3--SiO2--CaO-- MgO; ( f) LF process Al2O3--SiO2--CaO--MgO--MnO; ( g) ＲH process Al2 O3--SiO2--MnO; ( h) ＲH process Al2 O3--SiO2--CaO--MgO; ( i) ＲH process Al2O3--SiO2--CaO--MgO--MnO; ( j) CC process Al2O3--SiO2--MnO; ( k) CC process Al2O3--SiO2--CaO--MgO; ( l) CC process Al2O3--SiO2-- CaO--MgO--MnO ΔG0 = － 581900 + 221. 8T; K1873 = 4. 392 × 104 ; K1873 = aSiO2 /( a［Si］ × a［O］ 2 ) ; a［Si］ = f ［Si］ ×［Si］= 1. 81 × 1. 45 = 2. 6245; a［O］ = 2. 95 × 10 － 5 × a1 /2 SiO2 ． ( 3) 55SiCr 与 CaO--Al2O3 --SiO2三元系夹杂物平衡 时的 a［Al］． 钢液中［Si］与夹杂物中 Al2O3的反应式［6］为: 2Al2O3 ( S) + 3［Si］= 3SiO2 ( S) + 4［Al］， ΔG0 = 658200 － 107. 1T; K1873 = 1. 729 × 10 － 13 ; a［Al］ = 1. 33 × 10 － 3 × a － 3 /4 SiO2 × a1 /2 Al2O3 ． 运用 Factsage 软件的 Phase Diagram 模块分别画出 它们的液相线; 再运用 FactSage 软件的 Equilib 模块， 以及相应的平衡反应方程分别计算出各种复合夹杂物 中每个组元的活度以及 a［O］和 a［Al］． 计算结果见下图 4 和 5． 由图 4 和 5 可以看出，要使 CaO--Al2O3 --SiO2系夹 · 99 ·

·100 工程科学学报，第38卷，增刊1 2400 经RH工艺弹簧钢虽在夹杂物成分控制稳定性上优于 01 2200 0.8 VD工艺，但碱度偏高，建议通过调整精炼渣系将精炼 02 07 03 2000 渣碱度(Ca0+MgO)1SiO2控制在1以下. 0.6 0.4 1800 e(CaO) (2)武钢经RH工艺生产55SiCr弹簧钢治炼过程 0s 05 1600 演变规律：在治炼初期氩站工序夹杂物成分主要为脱 04 0.6 1400 氧产物SiO2,随着LF精炼的钢渣反应，转变为含 03 0.7 1200 A山，03的复合夹杂物，RH精炼后夹杂物成分分布更加 02 0.8 T7℃ 分散，但大部分夹杂物尺寸较小在5μm以下，连铸工 0.1 40100.9 序夹杂物中AL,0,的含量有所上升，出现一部分A山，03 0.90.80.70.6050.4030.20.1 含量较高的细小夹杂物，推测这些细小夹杂物为内生 ne(ALO.) 夹杂物，对钢质影响不大 图41873K时55SiCr与Ca0一A20,Si02三元夹杂物平衡时的 (3)热力学研究表明，要使55SiCr弹簧钢中Ca0- a[g线 AL,0,Si0,系夹杂物控制在小于1400℃的低熔点区 Fig.4 ato line when 55SiCr and Ca0-Al2 O3-Si02 inclusions are 域，应将[0]控制在0.0009%~0.0020%，[]控制在 equilibrium at 1873 K 0.0002%-0.0008% 2400 0.9 0.1 2200 部 考文献 0.8 02 0.3 2000 0.7k 01 0] Zhao F Z.Current situation and development strategy of spring 0.6 04 1800 steel wire in China.Steel Wire Products,2004,30 (2):1 e(Cao) 0.5 1600 (赵发忠.我国弹簧钢丝生产现状及发展策略.金属制品， 2004,30(2):1) 0.4 0.6 1400 2] Xu D X,Yin Z D.The tendency to high strength of spring steels 0.3 0.7 1200 and the effect of alloying elements.Iron and Steel,2004,39 (1): 0.24 08 T℃ 61 0.1 aAlT 0.9 (徐德祥，尹钟大.高强度弹簧钢的发展现状和趋势，钢铁， 0.9 2004,39(1):67) 0.8 0.70.60.50.4 0.3 0.20.1 w(AL.O) B] Yu C M,Liao X D,Shi C M,et al.Study on the inclusion behav- 图51873K时55SiCr与Ca0-A山203Si02三元夹杂物平衡时的 ior of spinel in bearing steel.J Unie Sci Technol Beijing,2005,27 (Suppl):37 a[g线 (于春梅，缪新德，石超民，等.轴承钢中镁铝尖品石夹杂物行 Fig.5 line when 55SiCr and Ca0-Al2O-SiO2 inclusions are 为的研究.北京科技大学学报，2005,27（增刊）：37) equilibrium at 1873 K 4] Chen X C.Current production situation and development of wires 杂物成分控制在熔点小于1400℃的低熔点区域，即图 for pendulum spring and valve spring of cars.Heat Treatment, 2002,17(4):8 4和5中四条直线围成的四边形方框区域内，应将[O] (陈锡昌.轿车用悬挂弹簧及气门弹簧钢丝生产现状和发展 控制在0.0009%~0.0020%，[A]控制在0.0002%~ 热处理，2002,17(4)：8) 0.0008% [5] Brable V.Mechanism of reaction between refractory materials and aluminum deoxidized molten steel.IS/J Int,1996,36(Suppl): 3 结论 s109 6 (1)新日铁弹簧钢采用铝脱氧工艺获得了较高的 Sun L Y.Removal Behavior of Non-metallic Inclusions at the Inter- face of Slag and Steel [Dissertation].Beijing:University of Sci- 纯净度，主要夹杂物为Mg0一Al,O,:宝钢经VD工艺弹 ence and Technology Beijing,2013 簧钢夹杂物塑性变形能力较好，但A山，0，含量偏高.武 (孙丽媛.非金属夹杂物在钢渣界面的去除行为研究[学位论 钢经VD工艺弹簧钢夹杂物成分控制不太稳定，武钢 文].北京：北京科技大学，2013)

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 图 4 1873 K 时 55SiCr 与 CaO--Al2O3--SiO2三元夹杂物平衡时的 a［O］线 Fig． 4 a［O］ line when 55SiCr and CaO--Al2 O3--SiO2 inclusions are equilibrium at 1873 K 图 5 1873 K 时 55SiCr 与 CaO--Al2O3--SiO2三元夹杂物平衡时的 a［Al］线 Fig． 5 a［Al］ line when 55SiCr and CaO--Al2 O3--SiO2 inclusions are equilibrium at 1873 K 杂物成分控制在熔点小于 1400 ℃ 的低熔点区域，即图 4 和 5 中四条直线围成的四边形方框区域内，应将［O］ 控制在 0. 0009% ～ 0. 0020%，［Al］控制在 0. 0002% ～ 0. 0008% ． 3 结论 ( 1) 新日铁弹簧钢采用铝脱氧工艺获得了较高的 纯净度，主要夹杂物为 MgO--Al2O3 ． 宝钢经 VD 工艺弹 簧钢夹杂物塑性变形能力较好，但 Al2O3含量偏高． 武 钢经 VD 工艺弹簧钢夹杂物成分控制不太稳定，武钢 经 ＲH 工艺弹簧钢虽在夹杂物成分控制稳定性上优于 VD 工艺，但碱度偏高，建议通过调整精炼渣系将精炼 渣碱度( CaO + MgO) / SiO2控制在 1 以下． ( 2) 武钢经 ＲH 工艺生产 55SiCr 弹簧钢冶炼过程 演变规律: 在冶炼初期氩站工序夹杂物成分主要为脱 氧产 物 SiO2，随 着 LF 精 炼 的 钢 渣 反 应，转 变 为 含 Al2O3的复合夹杂物，ＲH 精炼后夹杂物成分分布更加 分散，但大部分夹杂物尺寸较小在 5 μm 以下，连铸工 序夹杂物中 Al2O3的含量有所上升，出现一部分 Al2O3 含量较高的细小夹杂物，推测这些细小夹杂物为内生 夹杂物，对钢质影响不大． ( 3) 热力学研究表明，要使 55SiCr 弹簧钢中 CaO-- Al2O3 --SiO2系夹杂物控制在小于 1400 ℃ 的低熔点区 域，应将［O］控制在 0. 0009% ～ 0. 0020%，［Al］控制在 0. 0002% ～ 0. 0008% ． 参 考 文 献 ［1］ Zhao F Z． Current situation and development strategy of spring steel wire in China． Steel Wire Products，2004，30( 2) : 1 ( 赵发忠． 我国弹簧钢丝生产现状及发展策略． 金 属 制 品， 2004，30( 2) : 1) ［2］ Xu D X，Yin Z D． The tendency to high strength of spring steels and the effect of alloying elements． Iron and Steel，2004，39( 1) : 67 ( 徐德祥，尹钟大． 高强度弹簧钢的发展现状和趋势，钢铁， 2004，39( 1) : 67) ［3］ Yu C M，Liao X D，Shi C M，et al． Study on the inclusion behav￾ior of spinel in bearing steel． J Univ Sci Technol Beijing，2005，27 ( Suppl) : 37 ( 于春梅，缪新德，石超民，等． 轴承钢中镁铝尖晶石夹杂物行 为的研究． 北京科技大学学报，2005，27( 增刊) : 37) ［4］ Chen X C． Current production situation and development of wires for pendulum spring and valve spring of cars． Heat Treatment， 2002，17( 4) : 8 ( 陈锡昌． 轿车用悬挂弹簧及气门弹簧钢丝生产现状和发展． 热处理，2002，17( 4) : 8) ［5］ Brable V． Mechanism of reaction between refractory materials and aluminum deoxidized molten steel． ISIJ Int，1996，36 ( Suppl) : s109 ［6］ Sun L Y． Ｒemoval Behavior of Non-metallic Inclusions at the Inter￾face of Slag and Steel ［Dissertation］． Beijing: University of Sci￾ence and Technology Beijing，2013 ( 孙丽媛． 非金属夹杂物在钢渣界面的去除行为研究［学位论 文］． 北京: 北京科技大学，2013) · 001 ·