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60Si2Mn弹簧钢表面脱碳的研究
蔡海燕 张忠铧 张
弛
(宝山钢铁股份有限公司
201900)
摘
要：研究加热条件、冷却速度对60Si2Mn弹簧钢线材表面脱碳的影响。结果表明，弹簧钢轧前加热和轧后冷却过程均会导致表面脱碳。降低加热温度和炉内残氧量、缩短在炉时间、提高轧后两相区冷却速度可明显降低钢的表面脱碳。
关键词：60Si2Mn；弹簧钢；加热条件；冷却速度；脱碳
弹簧钢表面出现脱碳会明显降低弹簧的疲劳极限，特别是表面出现铁素体全脱碳层时，可使弹簧的疲劳极限降低50%，因此，在生产过程中必须严格控制线材表面的脱碳层。Si-Mn，Si-Cr系弹簧钢由于C，Si含量高，尤其是高Si含量会明显加剧钢的表面脱碳，表面脱碳层的控制是弹簧钢轧制过程中的主要技术难点。结合弹簧钢生产的实际情况，在实验室研究60Si2Mn热轧方坯的加热条件、冷却工艺对表面脱碳层的影响。
1
试验方案
根据弹簧钢的脱碳机理，表面脱碳包括碳原子从金属内部向表面扩散及其在金属表面与炉气中的氧发生氧化两个过程。要控制弹簧钢的表面脱碳应减缓碳在加热和冷却过程的扩散系数和扩散时间，尽量降低加热炉内氧的浓度以减少其氧化程度。根据Fick扩散第二定律以及文献，特定成分钢种的脱碳层深度是加热温度、时间及加热气氛的函数。线材轧制过程中的二次冷却即A3～A1点之间(γ′+α两相温度区)缓冷可形成铁素体全脱碳。鉴于在实验室热处理加热炉无法控制加热炉气氛，试验主要从加热温度、加热时间、冷却3方面进行研究。实验室研究60Si2Mn在不同加热温度(960，980，1000，1020，1040，1060，1080，1100℃)、在炉时间(1，2，3，4h)对钢表面脱碳的影响；模拟线材吐丝后不同冷却速度(2～20℃/min)对60Si2Mn表面全脱碳的影响；研究水冷、空冷和风冷等不同冷却介质对弹簧钢表面脱碳的影响。
2
研究结果
2.1
加热条件对表面烧损和脱碳层的影响
弹簧钢在轧制加热或热处理加热过程中，暴露在氧化气氛中的钢材表面同时经历着脱碳和氧化反应，从而产生烧损和脱碳现象。其中烧损所产生的铁磷可在轧制前用高压水去除，而剩余的脱碳层是影响弹簧钢疲劳性能的重要因素。
2.1.1
烧损量与加热条件的关系
烧损量与加热条件的关系如图1所示。随着温度的上升，加热时间的延长，钢材表面烧损量逐步增加，尤其是在加热温度超过1100℃后，烧损量明显增加。
2.1.2
加热条件对表面脱碳层的影响
图1
烧损量和加热条件的关系
图2
加热条件与表面总脱碳深度的关系
图3 加热条件与表面全脱碳深度的关系
钢在不同加热温度和保温时间下的表面脱碳层测试结果如图2、图3所示。
随着加热温度的提高和保温时间的延长，钢表面铁素体全脱碳和总脱碳程度相应加剧，但是在温度低于980℃时，基本没有发生脱碳。图4是1000℃下不同加热时间和冷却条件的表面脱碳层。
图4
不同加热时间和冷却条件的表面脱碳层
2.2
冷却速度对表面脱碳层的影响
为了单一研究两相区(α+γ)冷却速度对弹簧钢表面脱碳，尤其是全脱碳的影响，试验研究过程中加热炉为真空和非真空两种状态，结果如图5所示。从图5可知，真空加热即加热过程不产生脱碳的前提条件下，随冷却速度的增加，钢的脱碳层尤其是全脱碳层深度明显减小，当冷速超过15℃/min后没有出现全脱碳层。而在相同冷速条件下，非真空加热后的脱碳层深度比真空加热要严重，这说明钢在常规加热炉中也产生脱碳，但其全脱碳的程度比冷却过程形成的要轻。
图6、图7表示相同加热条件下，空冷、风冷和水冷后钢表面的脱碳尤其是铁素体全脱碳的差别，说明冷却速度明显影响钢的表面脱碳。
图5
冷却速度对表面铁素体脱碳的影响
图6
冷却介质对表面铁素体全脱碳的影响 图7
冷却介质对表面总脱碳的影响
3
结果分析
从试验结果可知，弹簧钢轧前加热和轧后冷却过程均会导致表面脱碳。在相同冷却条件和冷速情况下，随着加热温度的升高和加热时间的延长，钢表面脱碳相应增加。不同冷却速度和冷却介质试验结果表明，60Si2Mn钢的α+γ两相区转变温度为800～650℃，在此温度区间随冷却速度的增加，钢的脱碳层尤其是铁素体脱碳减小，且冷速达到15℃/min时，表面没有产生铁素体全脱碳，这说明钢的脱碳不仅发生在轧前加热过程，在两相区冷却过程中也会产生，这是由于钢的脱碳与其在高温段停留的时间有关。钢从终轧到相变完成这段时间的脱碳是由冷却速度决定的，冷速低时，两相区停留时间长，此时碳原子有更多时间向表层扩散，与氧结合形成CO2后离开表层。此外，试验结果表明，氧是引起弹簧钢表面脱碳的主要原因，因此，加热过程必须尽可能降低炉内氧化性气氛，使钢坯表面碳与氧发生作用而造成脱碳的机会减少。
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结论
(1)
弹簧钢脱碳与钢坯加热温度、保温时间以及加热气氛有关，降低加热炉加热温度、缩短在炉时间及降低炉内残氧量可明显降低钢的表面脱碳层深度，轧后冷却过程会导致表面铁素体脱碳的形成。
(2)
将钢坯加热温度控制在980℃以下、在炉时间小于2h，可防止60Si2Mn在加热过程中铁素体全脱碳的产生。
(3)
提高轧后两相区冷却速度可明显减少表面铁素体全脱碳，当两相区冷速超过15℃/min时可避免冷却过程形成的铁素体脱碳。
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