我国弹簧钢丝生产现状及发展策略赵发忠(中国钢铁工贸集团公司　北京　100031)关键词　弹簧钢丝;生产工艺;产品质量;现状;发展中图分类号　TG 356.4+5 随着我国汽车工业的快速发展,对弹簧钢等金属材料的要求越来越高,目前高质量的弹簧钢部分从国外进口。

弹簧钢是制造弹簧的材料,从冶炼化学成分上分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢;从轧制加工的几何形状和热处理状况分热轧圆钢、热轧扁钢、冷拔材和弹簧钢丝,其中要求较高的有高级阀门弹簧、赛车等特种汽车的悬挂弹簧。

气门簧是汽车发动机上的一个非常重要的零部件,如果发动机气门簧在运行过程中发生疲劳断裂,将造成打缸、损坏发动机,因此,对气门簧可靠性和疲劳寿命要求极高,如轿车高应力气门簧失效率不能超过百万分之三,疲劳寿命必须大于2.5×107次。

油淬火—回火弹簧钢丝主要用于卷制气门簧和离合器簧,也广泛用于各种机械用拉簧、扭簧和减震簧。

本文着重介绍弹簧钢丝的工艺技术、产品质量现状和发展趋势。

1　高质量弹簧钢丝的生产1.1　高质量弹簧钢丝的原料1.1.1　纯洁弹簧钢的冶炼技术近年来,在炼钢方面广泛应用二次冶金、真空脱气、连续铸造等技术生产弹簧钢,使钢中氧的质量分数小于15×10-6,减少影响疲劳性能的非金属夹杂物含量,改变夹杂物形态和粒度,提高弹簧的疲劳极限。

弹簧钢主要用电炉冶炼。

利用二次冶金技术,低成本生产大批量低夹杂物含量的优质弹簧钢。

采用LF -VD ,RH ,LF -RH ,ASE A -SK F 和VAD 脱气法生产纯洁弹簧钢,严格限制钢中氧含量,降低钢中夹杂物的尺寸和数量[1]。

初炼炉使用氧化法冶炼,EPT 无渣出钢,炉后造渣,初炼炉外合金化,出钢随钢流加入Al 块沉淀脱氧。

LF/VD 精炼,采用“LF 喂Al 线预脱氧,VD 真空前喂Al 线终脱氧,并进行真空处理”的脱氧制度。

在LF 炉将各合金成分调整至目标值;VD 真空后,在一定温度条件下搅拌、吹氩,为连铸做好准备[2]。

为提高弹簧钢的质量,降低钢中非金属夹杂物的含量,主要采用电炉加电渣重熔或真空重熔法生产。

由于该工艺生产成本高,限制了推广使用,只能用于高级阀门弹簧、赛车等特种汽车的悬挂弹簧。

1.1.2　纯洁弹簧钢的连铸工艺采用精炼技术可以生产出非金属夹杂物含量少的高纯洁钢水,采用现代化连铸技术生产汽车所需高纯洁弹簧钢钢坯。

在弹簧钢连铸中,首先要预防钢水的二次氧化和钢水被渣及耐火材料污染。

钢水二次氧化主要发生在钢包到中间包,或中间包到结晶器的铸流中,一般采用惰性气体保护或采用耐火材料密封管将铸流和空气隔开。

结晶器和结晶末段装有电磁搅拌装置[3]。

1.1.3　优质弹簧钢线材为了满足市场要求,盘条轧制应实现小规格、大盘重、控制冷却。

采用先进技术改造或新建现代化特殊钢材轧制生产线。

高速、无扭、无张力轧制、斯太尔摩控冷生产线组合是现代化棒线材生产模式。

它是获得高尺寸精度、高表面质量和优质性能轧材的必要条件。

轧钢系采用如下结构。

(1)钢坯检查和修整。

采用喷丸法去除表面鳞皮,采用磁粉和超声波探伤仪进行表面和内部检查,采用轴向和表面流磁力探伤法全面检查表面缺陷,如结疤、发纹和裂纹,并在专用磨床上修整钢坯。

(2)加热。

加热炉为三段步进梁式加热炉,加热炉到粗轧机组之间安有高压水去鳞装置,可改善表面状态,并使热量损失最低。

在加热炉上的气氛和压力控制系统可保证钢坯脱碳及氧化烧损较轻。

(3)轧制。

用水平-垂直多机架连续粗轧机组,采用菱-方孔型将大方坯轧成80mm ×80mm 左右的小方坯。

第1中间机组由六架水平-垂直串列布置的机架组成;第2中间机组有4对单独设置的水平-垂直机架,采用椭圆/圆孔型无扭轧制钢材;精　第30卷 第2期金 属 制 品2004年4月　V ol 130 N o 12S teel Wire Products April 2004轧机组采用新型摩根、高速、无扭、V型精轧机组,生产 7mm线材速度为100m/s,精轧 5.5mm线材速度为110m/s。

(4)多用途斯太尔摩生产线。

将从无扭、V型精轧机出来的线材在水池中冷却到要求的温度,放在斯太尔摩系统的辊式运输机上。

通过精确调整轧辊,整盘尺寸公差可达到±0.10mm,小于生产钢丝用盘条的尺寸公差(J IS G 3502为±0.4mm,J IS G3506为±0.5mm)。

使用斯太尔摩线的缓冷技术处理的线材,可省掉弹簧钢丝拉拔前的热处理。

1.2　优质弹簧钢丝生产技术冷拔弹簧钢丝具有光洁度高、尺寸公差小、力学性能高的优点,因此在汽车弹簧上广泛使用。

冷拔弹簧钢棒材、钢丝的生产工艺如下。

(1)表面处理。

对于线材表面存在的铁锈,采用酸洗法和喷丸法去除铁锈。

酸洗法一般使用盐酸,也有使用盐酸和硫酸混合液,为了防止氢脆和过度点状腐蚀,常加入抑制剂。

喷丸法是将钢球或线制钢球高速喷射到钢丝上除去表面铁锈的方法。

(2)冷拔。

国外采用单机生产冷拔钢丝的方式已基本被淘汰,现在多使用连续拉丝机组,其拉丝机型式多是滑轮式、活套式、积线式和双卷筒式。

连续拉丝机组将预矫、拉丝、矫直、定尺剪切、抛光等工序集于一体,形成连续生产线,解决了无夹痕拉拔的问题。

不仅提高了生产率,而且提高了产品质量,效益十分显著。

冷连拔机组要求以盘条作坯料,在不能生产盘条,只生产棒材直条的钢厂,也可使用棒—棒连续生产线生产冷拉产品。

在国外,主要钢厂直接向弹簧厂提供油淬火—回火状态的悬挂弹簧钢丝,弹簧厂可直接生产弹簧,不须再进行弹簧的淬火—回火处理,有利于提高社会效益,十分合理。

油淬火钢丝一般是将冷拔钢丝通过辐射炉加热,再油淬火,然后用铅浴加热回火。

日本采用感应加热技术成功开发出一种新型高强度Si2Cr钢油淬火钢丝,这种钢丝的优点是显微组织细化,表面质量好、无脱碳,冷加工性能良好。

用这种钢丝加工出的螺旋弹簧的疲劳性能优良,耐弹减性高,可减轻重量10%～20%[3]。

油淬火悬挂弹簧钢丝的另一个变化是推出锥形油淬火棒材,用这种锥形棒材加工的螺旋弹簧的弹簧常数、弹减性能、疲劳寿命都不逊色于常规切削法制成的锥形弹簧,生产率也高于切削法。

2　弹簧钢丝的品种与性能2.1　弹簧钢丝品种美国弹簧钢丝标准(AST M标准)包括碳素与合金两大类,有冷拉与油淬火两部分,主要有10个标准。

合金弹簧钢丝可为退火和冷拔状态,或为油淬火状态,其中以油淬火部分为主,规定明确、严格,而对冷拉部分要求较松,表明了在合金弹簧钢丝方面以油淬火状态供货为主的趋势。

日本J IS标准中钢丝分为冷加工钢丝及热处理钢丝。

冷加工钢丝分为琴钢丝、硬钢丝和不锈钢丝,其中琴钢丝及硬钢丝经过铅浴淬火处理得到细珠光体组织,冷加工成形达到弹簧所需的强度和韧性。

热处理钢丝分为弹簧用碳素油淬火钢丝、阀簧用碳素油淬火钢丝、阀簧用Cr2V油淬火钢丝、阀簧用Si2 Cr油淬火钢丝、弹簧用Si2Mn油淬火钢丝、弹簧用Si2Cr油淬火钢丝。

油淬火弹簧钢丝是在钢丝生产的最后阶段作连续淬火回火处理,获得规定的力学性能[3]。

我国弹簧钢丝分类为冷加工钢丝、热处理钢丝,以Cr2V系、Si2Mn系为主。

2.2　弹簧钢丝性能弹簧在周期性的弯曲、扭转等交变应力下工作,经受拉、压、扭、冲击、疲劳、腐蚀等多种作用,有时还要承受极高的短时突加载荷。

由于工作条件恶劣,对弹簧钢丝的性能、质量要求也就十分严格,不仅要有高的淬透性,以保证整个弹簧截面获得均匀的显微组织、良好的力学性能,而且要求优良的表面质量(据有关资料介绍,表面夹杂物引起弹簧破损的比率为40%,表面缺陷和脱碳引起破损的比率为30%),组织均匀细密等。

为了提高汽车的乘座舒适性和轻量化,国外轿车悬挂弹簧已由叠板弹簧变为螺旋弹簧。

螺旋弹簧使用的材料多为经修磨或扒皮后冷拔的弹簧钢丝,和热轧材相比,具有尺寸精度高、表面质量好、无脱碳的优点。

去掉了用轧材直接制造螺旋弹簧,对钢材的尺寸精度、表面裂纹、脱碳等提出了更高要求。

目前汽车悬挂螺旋弹簧有由热成形改为冷成形的趋势。

冷成形弹簧所用的油淬火钢丝采用高频感应加热淬火及回火工艺。

与原来的工艺处理的弹簧钢丝相比,采用高频感应加热淬火及回火工艺处理的弹簧钢丝,在强度相同时,塑、韧性更高,抗弹减性能得到了改善。

为了改善汽车的乘座舒适性,要求使用非线性弹簧,因此,要开发油淬火锥形棒材。

・2・金 属 制 品第30卷3　差距及对策3.1弹簧钢丝品种开发我国钢铁企业由于技术设备相对落后,难以生产高质量的气门簧用钢丝。

中国弹簧厂等企业直接从国外引进了最先进的气门簧生产线和制造工艺技术,所需气门簧用油淬火—回火弹簧钢丝仍依赖进口。

就气门簧用钢丝的情况来看,由于其技术含量很高,也仅有少数国家的几家企业可以提供高质量的产品。

目前国内外的弹簧厂在生产气门簧时,普遍采用瑞典嘉菲腾公司生产的油淬火—回火弹簧钢丝,其产品质量稳定性好,性能优异,其次是日本铃木公司生产的气门簧用钢丝。

目前国内弹簧钢种、品种满足不了要求,有待进一步完善系列化工作。

在积极开发高性能弹簧钢的同时,充分发挥现有弹簧钢及新型弹簧钢潜力,如改进生产工艺,采用新技术,对成分进行调整等,进一步提高其性能,扩大应用范围,如轿车悬挂螺旋弹簧设计逐渐由热成型改为冷成型。

为了改善弹减抗力,应开发以Si 2Mn 为基础,添加钒、铌元素,用晶粒细化和以碳、氮化物沉淀硬化的新钢种,甚至更高的新型高性能弹簧钢,并且使之实用化。

在新钢种开发中,除了应重视耐疲劳性能,抗弹减性能和淬透性外,还应重视耐蚀性能[4]。

弹簧表面会出现腐蚀坑及裂纹,在应力作用下会导致腐蚀疲劳破坏。

应重视悬挂弹簧的表面腐蚀问题,特别是提高弹簧钢的耐腐蚀疲劳性能。

3.2　完善弹簧钢丝生产工艺技术目前弹簧钢丝生产的原材料烧损、脱碳严重,表面质量差,难以满足高性能的弹簧钢丝的生产要求,因此原料生产应采用气氛和压力可调的步进式加热炉,严格控制加热温度和加热时间,以减小脱碳,并使用高效的无扭精轧机。

为确保重要用途弹簧的表面质量,应采用无表面缺陷的线材生产弹簧钢丝。

对线材或半成品采用了车削、磨削等去皮技术,以消除表面缺陷和脱碳层,获得无任何缺陷的高光洁度表面,采用在线涡流连续探伤及金相法检验表面缺陷和脱碳,采用连续冷拔机组或棒—棒连续生产线等先进的工艺装备生产钢丝。

4　结语开发生产弹簧钢丝要从原料抓起,首先要不断改进生产工艺,挖掘原有钢种的潜力;其次是开发新钢种、新工艺,以适应对高性能弹簧钢丝不断增长的质量需求。

提高钢的纯洁度,控制钢的化学成分,以保证均匀的淬透性;提高表面质量和尺寸精度以保证弹簧的性能和使用寿命;开发应用钢丝油淬火—回火技术,以适应弹簧生产工艺发展的要求。

参考文献1　董翰.汽车用钢的现状与发展趋势[J ].特殊钢,1995(6):92　李德胜,叶婷,黄小萍等.高性能弹簧扁钢38S iMnVB 的试制及应用[J ].特殊钢,2003(2):50～513　朱应波.国外特殊钢生产技术.北京[M]:冶金工业出版社,1996.218,226～235,2404　赵发忠.中国特殊钢的现状及发展[J ].特殊钢,1995(6):5(收稿日期:2004-03-19)作者简介赵发忠　1963年12月生,高级工程师,中国钢铁工贸集团公司科技处处长。