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国内外弹簧钢的生产现状和发展前景

国内外弹簧钢的生产现状和发展前景   弹簧钢广泛用于飞机、铁道车辆、汽车、拖拉机等运输工具和工程机械等各种设备中。弹簧钢应具有优良的综合性能,希望得到更高的力学性能(特别是弹性极限、强度极限、屈强比)、抗弹减性能(即抗弹性减退性能,又称抗松弛性能)、疲劳性能、淬透性、物理化学性能(耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等)。同时从节能和经济性出发,要求减轻弹簧重量,以减轻汽车、摩托车等运输工具的重量,也成为一个重要方面,由此提出了高强度弹簧钢开发的要求。国内外近年来开展了大量的研究工作,以期进一步提高弹簧钢的强度水平和使用寿命。
  
  1  国内外弹簧钢主要钢种
  
  中国的弹簧钢在20世纪50年代曾参照前苏联的弹簧钢牌号,主要为Si-Mn系弹簧钢存在淬透性低的缺点,随着国民经济的快速发展,已不能满足中国工业发展的需要,后经1977年、1984年两次修订,删除了一些无用的牌号,增加了高淬透性Cr-Mn系弹簧钢。目前生产使用并列入GB/T 1222-2007中的弹簧钢有15个钢种。
  
  美国ASTM A 689弹簧用碳素钢及合金钢棒材按化学成分进行钢的分类时,其标准钢号为AISI系列的100、4100、5100、6100、8600和9200,且包括AISI硼钢系列的10B00、15B00、50B00和51B00。规定的钢种见标准ASTM A 322和A 576,并可对AISI钢号的化学成分进行调整,以适合特殊钢材尺寸、弹簧形状和其他特殊需要所要求的洋透性。对按淬透性交货时,应该钢种后面加上大写字母“H”。标准的合金钢号是AISI系列和4100H、5100H、6100H、8600H和9200H,以及包括AISI硼系列的50B00H和51B00H。规定的钢种见标准ASTM A 304。
  
  美国弹簧钢无论是种类还是数量都比较多,但经常使用的钢种是9260、9254、5160和改进型5160等,尤以5160(H)和9260应用最广、产量最大。
  
  日本弹簧钢标准JIS G4801中收入9个钢种。1984年修订的JIS G4801时,由于弹簧钢SUP4没有使用价值而被删除,SUP3也只是作为铁道车辆板弹簧的补充使用。8个合金弹簧钢号中,SUP6、SUP7是Si-Mn钢,高硅的SUP7主要用于高应力的悬挂弹簧;SUP9、SUP9A是Cr-Mn钢;和SUP9相比,1977年修订标准时取自美国钢种SAE5160的SUP9A,有较高的碳、锰、铬含量,淬透性也更好,适合用于较粗的悬挂弹簧;SUP10是Cr-V钢,钢的韧性好,适用于使用条件恶劣的弹簧钢;SUP11A是对SUP9进行硼处理的弹簧钢,具有更好的淬透性,可用于35 mm的粗弹簧;1984年新订的标准中引进了两个新牌号;SUP12(SAE9254)是Si-Cr钢,抗回火性和抗脱碳性好,用于高应力悬挂弹簧;SUP13(SAE4161)是Cr-Mo钢,淬透性非常好,可用于直径超过60 mm的超大型弹簧。
  
  德国弹簧钢标准DIN 17221中共有6个钢种。其中38Si7是Si-Mn钢,54SiCr6、56SiCr7是Si-Mn-Cr钢,55Cr3是Cr-Mn钢,50CrV4是Cr-V钢,51CrMoV4是在50CrV4的基础上添加了一定含量的Mo含量,大大提高了钢的淬透性及回火稳定性,适用于制造在高温环境下工作的超大型弹簧。
  
  2  国内外弹簧钢生产现状
  
  中国弹簧钢生产经过50多年的发展,从无到有,不断发展壮大,取得了很大的进步。上海五钢、太钢、兴澄特钢、东北特钢等企业近年来新建或改造完善了几条先进的弹簧钢生产线,采用“电炉初炼→LF精炼炉→VD真空脱气→连铸→连轧”的工艺生产各种牌号的合金弹簧钢,使弹簧钢的生产技术水平有了较大的进展。另外一些企业也表现出强劲的发展势头,比如江苏沙钢淮钢特钢、莱芜特钢、石钢等。尤其是淮钢特钢公司的铁道压簧、扣件用弹簧钢市场占有率在80%。但也有一些弹簧钢生产企业钢产量逐渐萎缩,竞争力越来越弱。其主要原因有以下几方面:
  
  (1)弹簧钢产品质量和价格缺乏市场竞争力
  
  (2)产品专业化程度低,品种结构不合理。
  
  (3)弹簧钢的生产工艺和技术装备落后。
  
  (4)先进弹簧钢技术的研究和开发力量薄弱
  
  国外弹簧钢生产起步较早,在生产设备、新工艺、新技术研究、产品质量控制等方面均比国内先进,如粗钢供应均采用大电炉或高炉—转炉流程,在用电炉做初炼炉时,对所用废钢进行精选,从而保证粗钢中的参与元素处于较低的水平;对电炉采用喷粉脱磷的无渣出钢技术;转炉钢进行真空除渣,以降低磷含量和防止氧化渣进入精炼炉;在LF精练的基础上采用RH真空脱气工艺;连铸坯断面尺寸普遍大于国内特钢厂,通过大的压缩比来改善或消除由铸造造成的部分缺陷,采用多级电磁搅拌,减少连续性偏析与锻造缺陷;采用轻压下、大直径辊强压下和连续锻压等液相穴压下技术减少偏析;在精整热处理方面,具有完善的精整热处理转杯和质量保证体系。
  
  日本大同特殊钢用图1所示的生产工艺生产ULO的SUP6、SUP7及SUP120。ULO处理(超低氧处理Ultral Low Oxygen)的具体步骤如下:在一台超过功率碱性电弧炉中熔化钢水吹氩后,向钢水中加入Fe-Si或Al进行预脱氧处理,得到高碱度还原渣。然后将钢水倒入钢包中,并将RH循环脱气设备两腿插入钢液中,汲取钢水进入脱气设备的真空室中。借助大容量喷射泵,保持真空度小于13.3 Pa,并将小流量氩气引入钢水中,钢水发泡进入真空室,钢水中碳脱氧反应快速进行,进行钢水脱氧。当碳氧反应达到平衡时,加入Al脱氧剂。为了促进脱氧产物的上浮分离和去除,以及保持脱氧状态的稳定,继续进行脱氧操作,最后调整加Al量。RH循环脱气后,氧含量下降到15 mg/L左右。为例保持氧含量不大于15 mg/L,应在刚随浇注及凝固时保持钢水无氧化浇铸,以免污染,并促进脱氧产物去除。
  
  
  
  德国Thyssen公司在1993年经过努力,在Si-Cr气门弹簧钢的夹杂物控制方面取得初步成功,虽然钢中仍含有10~15 μm的夹杂物,但没有超出弹簧生产厂家要求的最大尺寸15 μm的要求。
  
  巴西的Ipanema公司于1989年开发处理用于生产超低氧气门弹簧钢的真空脱氧脱硫VRSO处理工艺。该工艺所获得的纯洁度级别高于在真空脱气(VD)系统使用的传统工艺所获得水平,可使钢中的平均总氧含量从传统工艺的13.5 mg/L降至8.4mg/L,显微夹杂物总量降低2/3以上。
  
  3  国内外弹簧钢发展趋势
  
  3.1  弹簧钢向高强度方向发展
  
  提高弹簧设计应力、减轻弹簧重量是弹簧的发展方向。影响弹簧钢设计应力的两个主要因素是抗疲劳性能和抗弹减性能,新一代超高强度弹簧钢具有以下特征:①超高强度;②超高疲劳强度和耐腐蚀疲劳性能;③优良的抗弹减性能;④良好的经济性。
  
  为实现此目标,主要采用以下两个途径:
  
  (1)新型钢种的研制开发。一方面通过优化现有弹簧钢的合金元素含量并添加为合金化元素;另一方面借鉴航空用超高强度钢的经验,降低含碳量并添加V和Vb等。
  
  (2)新型热加工和热处理工艺的研究开发。在现有钢种基本不变的情况下,通过形变热处理、感应热处理及在线热处理等工艺的研究开发,实现超高强度化。目前国外形变热处理和感应热处理工艺已开始用于实际生产,在线热处理工艺正在研究开发。
  
  3.2  弹簧钢向高弹减抗力防线发展
  
  由于决定弹簧许用应力的主要因素是弹减抗力,因此提高弹减抗力一直式高强度弹簧钢研究开发的重点。
  
  弹簧材料的弹减抗力是材料抵抗塑性变形或承载能力下降的能力。如果仅从材料本身来看吗,为例提高弹减抗力应从选择合适的化学成分入手,再配合恰当的热加工和热处理,以获得理想的微观组织、晶粒度、第二相质点和硬度等。
  
  Si是合金元素中提高弹减抗力最有效的元素之一,其作用仅次于C。这是由于Si得固溶强化效应显著且能改变回火时析出碳化物的数量、尺寸和形态等,提高钢的回火稳定性。因此,早期弹减抗力优良的弹簧钢(设计应力1 000~1 100MPa)一般硅含量均较高,如SUP7、SUP12。但是,SUP7、SAE9260这类钢的含Si量已达最高值,再靠提高硅含量来提高谈减抗力很困难。要想开发谈减抗力更好,而且综合性能优良的新材料,必须寻找新的途径。其中一个重要途径便是利用析出强化和晶粒细化强化技术,如加入微合金元素V和Nb。
  
  3.3  弹簧钢向高纯净度方向发展
  
  国内外钢厂和汽车厂对弹簧钢氧含量提出了很好的要求,如瑞典SKF标准要求弹簧钢氧含量低于15 μm。弹簧钢生产企业应从冶炼工艺及连铸工艺两方面入手,通过采取加强原料管理、合理配料、精料入炉,强化冶炼操作、优化冶炼工艺,改进脱氧、造渣制度、强化炉解精炼等措施,生产高纯净度弹簧钢。
  
  4  结束语
  
  弹簧钢向高强度、高弹减抗力、高纯净度发展是当前弹簧钢生产和应用发展方向。
  
  图1  大同特钢的超纯洁弹簧钢生产工艺
  
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