CN110508771A - 一种消除合金弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析的连铸方法 - Google Patents

一种消除合金弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析的连铸方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种消除合金弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析的连铸方法，所述方法包括连铸中间包钢水过热度控制、连铸坯拉速控制、结晶器电磁搅拌控制、结晶器进水流量控制及振动参数控制工序；通过中间包电磁感应加热设备控制中间包钢水过热度在15～25℃；结晶器电磁搅拌安装在结晶器中部偏下位置，电磁搅拌电流强度为150～300A，频率1.5～2.5Hz；采用液压振动，振幅2.3～2.7mm，振频100～130cpm，液面波动控制在±2mm。本发明连铸方法生产的φ5.5～20mm合金弹簧钢盘条经枝晶腐蚀检测无近表层枝晶带状偏析，热处理后表层金相组织均匀一致，有效防止了因枝晶带状偏析导致的弹簧早期疲劳断裂。

Description

一种消除合金弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析的连铸方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种消除合金弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析的连铸方法。
背景技术
合金弹簧钢热轧盘条主要用于制造汽车悬架簧、离合器簧、气门簧以及模具弹簧等，主要包括55SiCr、55SiCrV、60Si2Mn等牌号。弹簧钢热轧盘条至少要经过拉拔、热处理、卷簧等加工过程才能成为最终使用的弹簧，若盘条存在一定程度的宏观偏析缺陷，可能会导致钢丝拉拔断裂，热处理后钢丝力学性能不均，卷出的弹簧尺寸不稳甚至弹簧早期疲劳断裂等问题。
弹簧钢的盘条枝晶带状偏析指的是盘条横截面经抛光，用苦味酸腐蚀后再轻抛处理，在金相显微镜下观测到的黑色条带状组织，距离盘条表面一般在200～700μm，缺陷长度可达1000μm以上，宽度约10～20μm。盘条枝晶带状偏析遗传自连铸坯近表层的凝固枝晶间偏析，严重的枝晶带状偏析一般对应铸坯角部皮下枝晶间裂纹。由于枝晶间溶质元素的富集，盘条枝晶带状偏析上P、S含量显著高于正常组织处，增加了材料的断裂敏感性。枝晶带状偏析也是一种宏观偏析，与锭型偏析和中心偏析相比，其在盘条上的分布位置在近表层，如图1所示。该缺陷的产生与结晶器电磁搅拌强度等连铸参数密切相关，且难以在后续的热处理过程中改善消除。螺旋弹簧工作中弹簧表层受力最大，故对表面与近表层的各种缺陷控制最为关注。对于高工作应力大振幅的悬架簧、模具弹簧而言，其疲劳断裂主要受控于疲劳裂纹的扩展。若在盘条中存在近表层的枝晶带状偏析，则在该位置容易产生疲劳裂纹源，或导致疲劳裂纹在此扩展加速，最终导致弹簧早期疲劳断裂。
专利CN 106399654 B公开了一种改善弹簧钢锭型偏析的方法，连铸中包过热度控制在25～35℃，连铸断面320mm×420mm，拉速0.3～0.5m/min，结晶器电磁搅拌电流强度300～450A，频率2Hz；开坯成185mm*185mm方坯工艺，然后轧制线材。该方法主要是用于解决因锭型偏析导致的产品改判问题，没有考虑解决盘条中存在近表层的枝晶带状偏析缺陷问题。
专利CN 108672666 A公开了一种改善圆坯弹簧钢60Si2CrVAT中心偏析的连铸方法，对圆坯连铸过程的中间包温度、结晶器水量、二冷区水量以及电磁搅拌参数、末端电磁搅拌位置等进行控制，以降低连铸坯中心偏析，减少了因中心偏析造成的塑性不合问题，同样也没有考虑解决盘条中存在近表层的枝晶带状偏析缺陷问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种消除合金弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析的连铸方法。该发明有效地消除合金弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析，从而保证了弹簧近表层金相组织的均匀性，进而改善了弹簧的疲劳性能。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种消除合金弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析的连铸方法，所述方法包括连铸中间包钢水过热度控制、连铸坯拉速控制、结晶器电磁搅拌控制、结晶器进水流量控制及结晶器振动参数控制工序；所述连铸中间包钢水过热度控制工序，通过中间包电磁感应加热设备控制中间包钢水过热度在15～25℃；所述结晶器电磁搅拌控制工序，结晶器电磁搅拌安装在结晶器中部偏下位置，电磁搅拌电流强度为150～300A，频率1.5～2.5Hz；所述结晶器振动参数控制工序，结晶器采用液压振动，振幅2.3～2.7mm，振频100～130cpm，结晶器液面波动控制在±2mm。
本发明所述连铸坯拉速控制工序，连铸坯拉速控制在0.65～0.75m/min。
本发明所述结晶器进水流量控制工序，结晶器进水流量控制在2600～2800L/min。
本发明所述连铸方法结晶器断面尺寸为280mm×325mm。
本发明所述连铸方法生产的φ5.5～20mm合金弹簧钢盘条经枝晶腐蚀检测无近表层枝晶带状偏析，热处理后表层金相组织均匀一致，有效防止了因枝晶带状偏析导致的弹簧早期疲劳断裂。
本发明合金弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析的检测方法：首先对盘条试样进行切割加工，并对试样进行抛光，在抛光如镜面后，置于苦味酸腐蚀液中常温侵蚀3～5min，最后再对浸蚀后的试样表面轻抛处理（仅抛掉试样表面的黑色侵蚀沉积物即可），便可以在金相显微镜下观察近表层枝晶带状偏析。
弹簧作为一种非标准件，对其疲劳性能的测试方法五花八门，用户一般是结合弹簧设计许用应力做疲劳测试的参数设定，如压缩行程和最大应力，且对疲劳寿命的要求也不尽相同，一般悬架簧的疲劳寿命要求≥50万次，气门簧的疲劳寿命要求≥2000万次，模具弹簧的疲劳寿命要求≥30万次。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1、本发明通过控制结晶器电磁搅拌强度，防止结晶器电磁搅拌强度过大引起结晶器内钢水过度冲刷坯壳凝固前沿，产生较严重的铸坯表层负偏析，遗传至盘条形成枝晶带状偏析。2、本发明通过控制钢水过热度、拉速、结晶器水流量及振动参数，有效防止铸坯角部形成枝晶间裂纹缺陷，消除了铸坯角部的严重枝晶带状偏析。3、本发明连铸方法生产的φ5.5～20mm合金弹簧钢盘条经枝晶腐蚀检测无近表层枝晶带状偏析，热处理后表层金相组织均匀一致，进而改善了弹簧的疲劳性能。
附图说明
图1为弹簧横截面偏析缺陷分布位置示意图；
其中，1-表层枝晶带状偏析；2-锭型偏析；3-中心负偏析；4-中心正偏析；
图2为实施例1弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析，对应大方坯角部；
图3为实施例1弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析，对应大方坯边部；
图4为对比例1弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析，对应大方坯角部；
图5为对比例1弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析，对应大方坯边部。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细地说明。
实施例1
本实施例合金弹簧钢盘条钢种牌号55SiCrV，消除合金弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析的连铸方法包括连铸中间包钢水过热度控制、连铸坯拉速控制、结晶器电磁搅拌控制、结晶器进水流量控制及结晶器振动参数控制工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）连铸中间包钢水过热度控制：通过中间包电磁感应加热设备控制中间包钢水过热度在15～18℃；
（2）连铸坯拉速控制：结晶器断面尺寸为280mm×325mm，连铸坯拉速控制在0.65m/min；
（3）结晶器电磁搅拌控制：结晶器电磁搅拌安装在结晶器中部偏下位置，电磁搅拌电流强度为150A，频率2.5Hz；
（4）结晶器进水流量控制：结晶器进水流量控制在2800L/min；
（5）结晶器振动参数控制：结晶器采用液压振动，振幅2.7mm，振频110cpm，结晶器液面波动控制在±2mm。
本实施例连铸方法生产的φ5.5mm合金弹簧钢盘条经枝晶腐蚀检测无近表层枝晶带状偏析，对应大方坯角部检测图见图2（实施例2-8连铸方法生产的弹簧钢盘条枝晶腐蚀检测近表层枝晶带状偏析对应大方坯角部图与图2类似，故省略）；对应大方坯边部检测图见图3（实施例2-8连铸方法生产的弹簧钢盘条枝晶腐蚀检测近表层枝晶带状偏析对应大方坯边部图与图3类似，故省略）；由图2和图3可知合金弹簧钢盘条经枝晶腐蚀检测无近表层枝晶带状偏析，热处理后表层金相组织均匀一致。
本实施例合金弹簧钢盘条生产的悬架簧在疲劳测试中未发生早期疲劳断裂，疲劳寿命要求≥50万次，实际53.2万次。
实施例2
本实施例合金弹簧钢盘条钢种牌号55SiCr，消除合金弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析的连铸方法包括连铸中间包钢水过热度控制、连铸坯拉速控制、结晶器电磁搅拌控制、结晶器进水流量控制及结晶器振动参数控制工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）连铸中间包钢水过热度控制：通过中间包电磁感应加热设备控制中间包钢水过热度在22～25℃；
（2）连铸坯拉速控制：结晶器断面尺寸为280mm×325mm，连铸坯拉速控制在0.65m/min；
（3）结晶器电磁搅拌控制：结晶器电磁搅拌安装在结晶器中部偏下位置，电磁搅拌电流强度为250A，频率2.5Hz；
（4）结晶器进水流量控制：结晶器进水流量控制在2600L/min；
（5）结晶器振动参数控制：结晶器采用液压振动，振幅2.7mm，振频120cpm，结晶器液面波动控制在±2mm。
本实施例连铸方法生产的φ20mm合金弹簧钢盘条经枝晶腐蚀检测无近表层枝晶带状偏析，热处理后表层金相组织均匀一致。
本实施例合金弹簧钢盘条生产的气门簧在疲劳测试中未发生早期疲劳断裂，疲劳寿命要求≥2000万次，实际2152万次。
实施例3
本实施例合金弹簧钢盘条钢种牌号60Si2Mn，消除合金弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析的连铸方法包括连铸中间包钢水过热度控制、连铸坯拉速控制、结晶器电磁搅拌控制、结晶器进水流量控制及结晶器振动参数控制工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）连铸中间包钢水过热度控制：通过中间包电磁感应加热设备控制中间包钢水过热度在19～22℃；
（2）连铸坯拉速控制：结晶器断面尺寸为280mm×325mm，连铸坯拉速控制在0.65m/min；
（3）结晶器电磁搅拌控制：结晶器电磁搅拌安装在结晶器中部偏下位置，电磁搅拌电流强度为300A，频率1.5Hz；
（4）结晶器进水流量控制：结晶器进水流量控制在2700L/min；
（5）结晶器振动参数控制：结晶器采用液压振动，振幅2.4mm，振频110cpm，结晶器液面波动控制在±2mm。
本实施例连铸方法生产的φ13mm合金弹簧钢盘条经枝晶腐蚀检测无近表层枝晶带状偏析，热处理后表层金相组织均匀一致。
本实施例合金弹簧钢盘条生产的模具弹簧在疲劳测试中未发生早期疲劳断裂，疲劳寿命要求≥30万次，实际32.1万次。
实施例4
本实施例合金弹簧钢盘条钢种牌号55SiCr，消除合金弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析的连铸方法包括连铸中间包钢水过热度控制、连铸坯拉速控制、结晶器电磁搅拌控制、结晶器进水流量控制及结晶器振动参数控制工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）连铸中间包钢水过热度控制：通过中间包电磁感应加热设备控制中间包钢水过热度在17～20℃；
（2）连铸坯拉速控制：结晶器断面尺寸为280mm×325mm，连铸坯拉速控制在0.70m/min；
（3）结晶器电磁搅拌控制：结晶器电磁搅拌安装在结晶器中部偏下位置，电磁搅拌电流强度为180A，频率1.8Hz；
（4）结晶器进水流量控制：结晶器进水流量控制在2650L/min；
（5）结晶器振动参数控制：结晶器采用液压振动，振幅2.5mm，振频105cpm，结晶器液面波动控制在±2mm。
本实施例连铸方法生产的φ10mm合金弹簧钢盘条经枝晶腐蚀检测无近表层枝晶带状偏析，热处理后表层金相组织均匀一致。
本实施例合金弹簧钢盘条生产的悬架簧在疲劳测试中未发生早期疲劳断裂，疲劳寿命要求≥50万次，实际55.7万次。
实施例5
本实施例合金弹簧钢盘条钢种牌号55SiCrV，消除合金弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析的连铸方法包括连铸中间包钢水过热度控制、连铸坯拉速控制、结晶器电磁搅拌控制、结晶器进水流量控制及结晶器振动参数控制工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）连铸中间包钢水过热度控制：通过中间包电磁感应加热设备控制中间包钢水过热度在20～23℃；
（2）连铸坯拉速控制：结晶器断面尺寸为280mm×325mm，连铸坯拉速控制在0.72m/min；
（3）结晶器电磁搅拌控制：结晶器电磁搅拌安装在结晶器中部偏下位置，电磁搅拌电流强度为210A，频率2.1Hz；
（4）结晶器进水流量控制：结晶器进水流量控制在2720L/min；
（5）结晶器振动参数控制：结晶器采用液压振动，振幅2.6mm，振频115cpm，结晶器液面波动控制在±2mm。
本实施例连铸方法生产的φ15mm合金弹簧钢盘条经枝晶腐蚀检测无近表层枝晶带状偏析，热处理后表层金相组织均匀一致。
本实施例合金弹簧钢盘条生产的模具弹簧在疲劳测试中未发生早期疲劳断裂，疲劳寿命要求≥30万次，实际31.8万次。
实施例6
本实施例合金弹簧钢盘条钢种牌号60Si2Mn，消除合金弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析的连铸方法包括连铸中间包钢水过热度控制、连铸坯拉速控制、结晶器电磁搅拌控制、结晶器进水流量控制及结晶器振动参数控制工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）连铸中间包钢水过热度控制：通过中间包电磁感应加热设备控制中间包钢水过热度在21～24℃；
（2）连铸坯拉速控制：结晶器断面尺寸为280mm×325mm，连铸坯拉速控制在0.67m/min；
（3）结晶器电磁搅拌控制：结晶器电磁搅拌安装在结晶器中部偏下位置，电磁搅拌电流强度为260A，频率2.3Hz；
（4）结晶器进水流量控制：结晶器进水流量控制在2780L/min；
（5）结晶器振动参数控制：结晶器采用液压振动，振幅2.4mm，振频125cpm，结晶器液面波动控制在±2mm。
本实施例连铸方法生产的φ7mm合金弹簧钢盘条经枝晶腐蚀检测无近表层枝晶带状偏析，热处理后表层金相组织均匀一致。
本实施例合金弹簧钢盘条生产的气门簧在疲劳测试中未发生早期疲劳断裂，疲劳寿命要求≥2000万次，实际2083万次。
实施例7
本实施例合金弹簧钢盘条钢种牌号55SiCrV，消除合金弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析的连铸方法包括连铸中间包钢水过热度控制、连铸坯拉速控制、结晶器电磁搅拌控制、结晶器进水流量控制及结晶器振动参数控制工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）连铸中间包钢水过热度控制：通过中间包电磁感应加热设备控制中间包钢水过热度在15～17℃；
（2）连铸坯拉速控制：结晶器断面尺寸为280mm×325mm，连铸坯拉速控制在0.65m/min；
（3）结晶器电磁搅拌控制：结晶器电磁搅拌安装在结晶器中部偏下位置，电磁搅拌电流强度为160A，频率1.7Hz；
（4）结晶器进水流量控制：结晶器进水流量控制在2610L/min；
（5）结晶器振动参数控制：结晶器采用液压振动，振幅2.3mm，振频130cpm，结晶器液面波动控制在±2mm。
本实施例连铸方法生产的φ20mm合金弹簧钢盘条经枝晶腐蚀检测无近表层枝晶带状偏析，热处理后表层金相组织均匀一致。
本实施例合金弹簧钢盘条生产的模具弹簧在疲劳测试中未发生早期疲劳断裂，疲劳寿命要求≥30万次，实际34.6万次。
实施例8
本实施例合金弹簧钢盘条钢种牌号55SiCr，消除合金弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析的连铸方法包括连铸中间包钢水过热度控制、连铸坯拉速控制、结晶器电磁搅拌控制、结晶器进水流量控制及结晶器振动参数控制工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）连铸中间包钢水过热度控制：通过中间包电磁感应加热设备控制中间包钢水过热度在22～25℃；
（2）连铸坯拉速控制：结晶器断面尺寸为280mm×325mm，连铸坯拉速控制在0.75m/min；
（3）结晶器电磁搅拌控制：结晶器电磁搅拌安装在结晶器中部偏下位置，电磁搅拌电流强度为280A，频率2.3Hz；
（4）结晶器进水流量控制：结晶器进水流量控制在2790L/min；
（5）结晶器振动参数控制：结晶器采用液压振动，振幅2.5mm，振频100cpm，结晶器液面波动控制在±2mm。
本实施例连铸方法生产的φ16mm合金弹簧钢盘条经枝晶腐蚀检测无近表层枝晶带状偏析，热处理后表层金相组织均匀一致。
本实施例合金弹簧钢盘条生产的悬架簧在疲劳测试中未发生早期疲劳断裂，疲劳寿命要求≥50万次，实际52.4万次。
对比例1
本对比例合金弹簧钢盘条钢种牌号55SiCr，合金弹簧钢盘条的连铸方法包括连铸中间包钢水过热度控制、连铸坯拉速控制、结晶器电磁搅拌控制、结晶器进水流量控制及结晶器振动参数控制工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）连铸中间包钢水过热度控制：通过中间包电磁感应加热设备控制中间包钢水过热度在26～30℃；
（2）连铸坯拉速控制：结晶器断面尺寸为280mm×325mm，连铸坯拉速控制在0.70m/min；
（3）结晶器电磁搅拌控制：结晶器电磁搅拌安装在结晶器中部偏下位置，电磁搅拌电流强度为450A，频率1.5Hz；
（4）结晶器进水流量控制：结晶器进水流量控制在2500L/min；
（5）结晶器振动参数控制：结晶器采用液压振动，振幅2.7mm，振频90cpm，结晶器液面波动控制在±3mm。
本对比例连铸方法生产的φ16mm合金弹簧钢盘条经枝晶腐蚀检测存在近表层枝晶带状偏析，近表层枝晶带状偏析对应大方坯角部见图4，近表层枝晶带状偏析对应大方坯边部见图5。
本对比例合金弹簧钢盘条生产的悬架簧在疲劳测试中发生了早期疲劳断裂，疲劳寿命要求≥50万次，实际19.2万次，断裂源位于近表层枝晶带状偏析处。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种消除合金弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析的连铸方法，其特征在于，所述方法包括连铸中间包钢水过热度控制、连铸坯拉速控制、结晶器电磁搅拌控制、结晶器进水流量控制及结晶器振动参数控制工序；所述连铸中间包钢水过热度控制工序，通过中间包电磁感应加热设备控制中间包钢水过热度在15～25℃；所述结晶器电磁搅拌控制工序，结晶器电磁搅拌安装在结晶器中部偏下位置，电磁搅拌电流强度为150～300A，频率1.5～2.5Hz；所述结晶器振动参数控制工序，结晶器采用液压振动，振幅2.3～2.7mm，振频100～130cpm，结晶器液面波动控制在±2mm。
2.根据权利要求1所述的一种消除合金弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析的连铸方法，其特征在于，所述连铸坯拉速控制工序，连铸坯拉速控制在0.65～0.75m/min。
3.根据权利要求1所述的一种消除合金弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析的连铸方法，其特征在于，所述结晶器进水流量控制工序，结晶器进水流量控制在2600～2800L/min。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种消除合金弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析的连铸方法，其特征在于，所述连铸方法结晶器断面尺寸为280mm×325mm。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的一种消除合金弹簧钢盘条近表层枝晶带状偏析的连铸方法，其特征在于，所述连铸方法生产的φ5.5～20mm合金弹簧钢盘条经枝晶腐蚀检测无近表层枝晶带状偏析，热处理后表层金相组织均匀一致。
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