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薛正良博论-弹簧钢氧化物夹杂成分及形态控制技术研究
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摘 要 一 皿 肠 润
弹簧是机械和车辆上最常用的重要零件之一,它在工作中承受拉、弯、扭、冲击等周期
性交变应力,疲劳断裂是其主要的破坏形式,以钢中大颗粒脆性夹杂物和点状不变形夹杂物
为疲劳源诱发的疲劳裂纹的扩展,最终导致弹簧断裂是弹簧失效的主要原因之一。为了消除
或减轻钢中大颗粒脆性脱氧产物对材料疲劳性能的危害,目前在炼钢工艺中采取的主要措施
是强化脱氧,降低钢的TO含量。这一方法可以减少钢中氧化物夹杂总量,但不能从根本上
消除钢中的大颗粒脱氧产物,即使将钢中T.。含量降低到6.5ppm,疲劳试样断口上仍然发
现20-25um的刚玉和铝酸钙夹杂。
钢中析出的氧化物夹杂主要来自三部分:一是合金化和铝终脱氧时析出的脱氧产物,称
为一次脱氧产物:二是钢液从精炼温度冷却至液相线温度过程中析出的脱氧产物,称为二次
脱氧产物;三是从液相线温度冷却至固相线温度时析出的脱氧产物,称为三次脱氧产物。一
次脱氧产物的性质是不能控制的 (它们是SiO2和A1203),但一次脱氧产物的数量是可以控
制的,它决定于钢液中的铝含量,当弹簧钢60Si2MnA钢液中的溶解铝含量从0.015%降低
到IOppm时,一次脱氧产物量从占总脱氧量的90%减少到42%。一次脱氧以后钢中残余氧
的一部分通过二次精炼过程中钢包吹氢时氢气泡壁上的C一 反应去除,在目前的工业生产
条件下可去除70%--80%的溶解氧,另一部分仍然残留在钢中的溶解氧以二次和三次脱氧产
物析出。二次和三次脱氧产物的成分可以通过控制钢液中强脱氧元素铝和钙的含量来控制,
使它们具有良好的热加工变形能力。通过这一方法可达到既减少氧化物夹杂总量,又减小氧
化物夹杂尺寸的目的。这就是氧化物夹杂成分和形态控制的基本技术思想。
论文首先详细计算了二次脱氧产物成分与钢液成分之间的关系,确定了为使二次脱氧产
物具有良好的变形能力应具备的钢液条件。对 60Si2MnA 钢中的铝应该控制在
14ppm-16ppm以下,ac.:应控制在1X10x0-5X10-x0以下。为实现这一目标,要求严格控制
合金化用硅铁中的铝含量小于0.1%:其次通过热力学计算和实验室试验,研究了精炼渣组
成 (AI203.MgO.CaO/SiO2)和反应温度对钢液铝、钙含量的影响。第三,研究了钢液流
动现象对一次脱氧产物去除的影响,指出:(1)钢液的循环流动速度大于夹杂物自由上浮速
度,钢液环流阻碍了夹杂物的上浮;(2)钢包吹氢去夹杂物的效率决定于吹入钢包的氢气泡
的数量和氮气泡的尺寸,而并不决定于吹氛流量。第四,在工业生产条件下进行了一系列试
验,最后确定了以低铝硅铁合金化一刁氏碱度、低A1203渣二次精炼一弱清洗吹氢搅拌钢液一
低过热度浇铸为特色的弹簧钢生产新工艺。
在工业生产条件下,采用新工艺和常规工艺冶炼弹簧钢60Si2MnA,两者进行比较可以
发现:
(1)采用常规工艺冶炼时,钢中的酸溶铝含量随合金化用硅铁含铝量不同主要变化在
0.0100/-0.020%之间,TO主要分布在15X10-25X1r之间,TO与酸溶铝之间不存在相
关关系.无论是否用铝终脱氧,钢中氧化物夹杂的主体是铝硅酸盐,用铝终脱氧时钢中存在
线径达601lm-80Im的A1203颗粒。采用模铸法生产时,钥中夹杂物尺寸主要分布在1011
m-90Ilm之间,最大顺粒的不变形夹杂尺寸达450um左右,100um以上的夹杂物颗粒占
8.58%}4011m以上的夹杂物颗粒占59.36%,夹杂物平均尺寸为55.1311m.采用连铸法生
产时。钢中夹杂物尺寸主要分布在1011m-6011m之间,最大颗粒的不变形夹杂尺寸在105
ABSTRACT
Thenon-metallicinclusionsthatdeleteriouslyaffectthefatiguelifetimeof
springarethoselargenondeformableinclusionssituatedatpartssurfaceor
subsurface.Theseinclusionscantelongatedwiththematrixduringhotworking.In
ordertodispelorreducethedetrim
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