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文 | 文渊
编辑 |文渊
<—前言—>弹簧钢在机械应用中扮演着重要角色，特别是在各类仪器和仪表中，它担负着缓冲、减震、支撑以及传力等诸多功能。在汽车行业中，弹簧钢的主要应用领域涵盖了汽车悬架弹簧和汽车发动机气门弹簧。
悬架弹簧被视为高级别的弹簧钢，以55SiCr型号为代表。由于悬架弹簧长期承受交变、冲击和突变等多样化的负载，容易出现疲劳断裂现象。
从这里可以看出悬架弹簧必须具备高强度、长寿命和卓越的减震性能。而气门弹簧则在内燃机中扮演着关键角色，用于控制发动机的进气和排气，是引擎正常运转的核心组件。因此气门弹簧要求具备长寿命和低失效率的特性。
<—弹簧钢的生产工艺—>目前，弹簧钢的冶炼工艺主要有两种方式：
1.超低氧弹簧钢（洁净钢）工艺：该工艺采用铝脱氧和高碱度精炼渣（碱度R=4-5）进行生产，将钢液中的全氧含量降低至（9-10）ｘ10-6。同时，在LF炉中增加吹氩透气砖的数量，并采用中间包内较好的保护浇注技术和陶瓷过滤器等措施，以减少夹杂物的数量，特别是大颗粒夹杂物的上浮和去除。
采用洁净钢工艺的不足之处在于钢中不可变形的B类夹杂物含量较高，会影响弹簧钢的疲劳寿命。
2.夹杂物塑性化工艺：该工艺结合了脱氧工艺和合成渣二次精炼技术，以控制夹杂物的成分和形态。该工艺主要采用硅锰脱氧和低碱度精炼渣（碱度R小于等于1.2），将钢中的铝含量控制在小于20ｘ10-6。夹杂物塑性化工艺的优点是可以将夹杂物的成分组成控制在低熔点区域，减少高硬度脆性夹杂物如刚玉和铝酸钙对钢材性能的危害。
该工艺的不足之处在于钢水的洁净度偏低，夹杂物的平均尺寸较大，需要足够长的精炼时间来提高钢液的洁净度。
这些工艺都旨在生产高质量的弹簧钢，以满足对弹簧钢高性能要求的应用领域。
以下为国内外一些弹簧钢生产厂家的工艺现状及质量控制效果：
韶钢在2015年4月进行了转炉生产高品质弹簧钢55SiCr的工艺试验研究。其生产工艺流程包括KR铁水脱硫、130t BOF转炉、LF精炼、RH真空处理、320mmx425mm连铸坯等。具体要求如下：
1.转炉采用双渣冶炼，脱磷率要求达到94%以上，使用不含铝的钢包出钢。出钢到1/3时加入乳化铁合金等脱氧合金，后续加入4-5kg的石灰进行渣洗。炉内保留钢量为8-15t，使用滑板挡渣，避免钢水下渣引起二次氧化。
2.LF精炼阶段使用高纯锰铁、碳化铝进行扩散脱氧，加入低碱度渣作为精炼剂。精炼后期加入200m的硅钡丝进行终脱氧。
3.RH真空度要求小于等于66.7Pa，纯脱气时间不少于18min。处理结束后，使用碳化稻壳进行保温，并进行软吹氩气搅拌不少于20min，以进一步除去钢中的非金属夹杂。在软吹的过程中，底吹氩气流量要适当，并要求严禁钢水暴露。
4.采用低拉速、低过热度浇注。使用长水口氩封保护，中间包采用整体式水口浇注，大包浇铸后迅速加入中包覆盖剂和碳化稻壳进行保温。控制钢水过热度不超过30°C。大包保留钢水不少于5t，中间包保留钢水不少于10t停止浇铸。
武钢生产55SiCr弹簧钢的工艺流程包括铁水脱硫预处理、120t顶底复吹转炉、LF炉一次精炼、RH钢水循环脱气、LF炉二次精炼4200mmx200mm方坯连铸。该工艺要求主要包括：
1. LF炉初次精炼采用高纯度Si-Fe脱氧及合金化，控制钢中的[Al]s含量，降低B类A12O3系夹杂物数量。
2. 在两次LF炉精炼之间进行约20min的RH真空循环脱气处理，降低钢液中的氢和氧含量，提高钢水的洁净度。
3. LF炉二次精炼时采用两种不同的合成渣系，一种是高碱度渣系（R=1.5-2.5），另一种是低碱度渣系（R=0.5-1.2）。
4. 在LF炉二次精炼过程中，两种渣系均保证30min以上的氩气软吹时间，使夹杂物有充分时间上浮，以便从钢液中排除。
杭州钢铁集团采用1OOt EAF-LF-VD-CC工艺生产弹簧钢。该工艺的主要操作要点包括：
1.出钢时，在钢包内加入低硫含量的铁合金和猛铁合金，并同时加入合成渣进行渣洗操作。
2.LF精炼阶段：首先加入SiC、CaC2合金以及活性石灰，在电极加热约10分钟后加入精炼渣。待精炼渣熔化后，再次加入SiC、CaC2合金进行扩散脱氧，精炼持续40分钟后进入VD站。
3. 确保VD脱气时间不少于15分钟，脱气压力小于300Pa的脱气时间至少10分钟。VD处理结束后，进行软吹氩气，时间为30分钟，确保从LF到软吹的钢渣反应时间达到80分钟。
贵阳特钢生产60Si2MnA弹簧钢的冶炼工艺流程为原料-60t Consteel EAF-出钢过程合金化-LF-VD-合金钢连铸机-轧材。该工艺的一些要点包括：
1. LF采用具有良好流动性的低碱度还原渣。根据氧化铝（a[O]）含量情况，适当加入A1线进行脱氧，以确保a[O]小于0.6。
2. VD工位的真空度要求为负7Pa，并进行25分钟的氩气保压。破真空后，控制氩气搅拌压力在0.15MPa以下，软吹时间至少10分钟以上。
川投长城特殊钢采用铝脱氧的方式，并采用合理的搅拌功率以确保充足的夹杂物上浮时间。淮阴钢厂在LF精炼中进行了不同脱氧工艺的试验。在铝预脱氧、钡合金终脱氧以及夹杂物变性处理时，钢中的氧含量为13x10^-6。
铝脱氧后，钢液中的夹杂物主要以Al2O3形式存在，加入钡合金进行终脱氧后，首先生成钡含量较少的大颗粒球状硅酸盐（BaOSiO2）和硅铝酸盐（BaO.CaO.Al2O2SiO2）夹杂，随着大颗粒夹杂的上浮排出，很难发现含钡的大颗粒夹杂，残留在钢中的主要是一些细小的球状夹杂，呈弥散状态分布。
目前，宝钢在弹簧钢的生产工艺中有长流程和短流程两条线路，其中关键是强化精炼操作，并采用了结晶器电磁搅拌和改进的脱氧工艺。
根据产品的质量要求可以选择不同的精炼工艺，各种精炼设备功能不同，例如RH具有脱气、脱碳、调节温度和成分等功能；KIP可以进行脱碳、微调成分、温度和变性夹杂物等功能；CAS-OB可以调节钢水成分和温度，并减少夹杂物；LF具有升温、去夹杂和合金化等功能。
宝钢的RH精炼相对于VD处理来说，在相同的氧含量条件下，钢中夹杂物的数量较少且尺寸较小，特别是大尺寸夹杂物明显少于VD处理的钢材，所以宝钢生产的弹簧钢能够显著提高钢材的疲劳性能，并具有良好的疲劳寿命稳定性。
宝钢生产的弹簧钢具有高纯净度、小偏析量、浅脱碳层和良好的表面质量的特点，主要用于制造悬架簧、气门簧等，钢种包括60Si2MnA、55SiCr、50CrV、60Si2Cr等。
<—非金属夹杂物对弹簧钢疲劳性能的影响—>洁净钢的生产理念旨在充分去除钢材中的夹杂物，以减少夹杂物对钢材性能的负面影响。在弹簧钢的应用中，疲劳断裂是主要的失效形式。弹簧在工作状态下承受复杂的交变应力，而钢材中的夹杂物会破坏钢基体的均匀连续性，导致应力集中。
在钢基体与夹杂物接触部位，容易产生微裂纹，而这些微裂纹在周期性应力作用下会不断扩展，从而加速了疲劳破坏的过程，最终导致弹簧发生疲劳断裂。
非金属夹杂物的种类繁多，可以总体上分为脆性夹杂物、塑性夹杂物和点状不变形夹杂物三类。
大量的研究表明，夹杂物的形貌、成分、尺寸、数量和分布以及其自身的变形能力是影响弹簧钢疲劳寿命的主要因素。夹杂物的变形能力可以通过其塑性变形程度来表征，而其塑性变形受其熔点的影响，熔点与夹杂物成分密切相关。所有这些因素与夹杂物周围的应力集中和应力分布密切相关。
由于受钢材基体组织和性能的制约，非金属夹杂物与基体材质不同，而且其结合力较弱且尺寸较大的脆性夹杂物和球状不变形夹杂物可能带来致命的危害。
在高强钢中，疲劳断裂的形貌往往呈现鱼眼状。疲劳裂纹的起源可以是夹杂物与钢基体的交界处，也可以是夹杂物本身存在裂纹，随后裂纹会向钢基体方向扩展。
在高周疲劳体系下，夹杂物作为裂纹源引起疲劳断裂需要满足两个条件：一是临界尺寸，这个尺寸与夹杂物距离钢材表面的距离有关；二是夹杂物的变形能力。单相的Al2O3和钙铝酸盐对疲劳性能的危害最大，而MnS夹杂物的危害较小。
夹杂物对疲劳性能的影响主要是作为疲劳断裂的裂纹源，同时也对疲劳裂纹的扩展有一定的影响。在高周疲劳范围（大于10^5次循环以上），几乎所有的裂纹都起源于夹杂物。
<—结语—>高强度钢的疲劳源通常位于次表面而不是最表层，这表明高强度钢对微小缺陷和非金属夹杂物非常敏感。统计数据显示，汽车的气门弹簧约40%的失效是由于非金属夹杂物引起的，而约30%的失效是由于表面缺陷引起的。
汽车用弹簧钢的硬度范围通常在HV415-530之间。随着汽车用弹簧钢向更高强度水平的发展，它将不可避免地应用于更高硬度水平的部件中。因此，弹簧钢的表面状态以及非金属夹杂物对其疲劳性能的影响将变得更为突出。
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