Study on inclusions and microstructure of 55SiCrA spring steel wire rod
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摘要: 利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM-EDS)以及Factsage热力学软件对国内外弹簧用线材夹杂物与组织进行了研究。结果表明：国内外3家钢厂弹簧钢线材在显微组织、中心偏析、脱碳层厚度、晶粒度等方面相差不大；国内Y厂弹簧钢线材中发现有1级D类夹杂物以及1.5级Ds类夹杂，而国外H厂和国内B厂相对较好，均未出现Ds类夹杂物。国外H厂弹簧钢夹杂物数量最少，尺寸最小，最大尺寸仅3.4 μm且可变形比例近100%；然而国内弹簧钢线材夹杂物数量多、尺寸大且不可变形。国内Y厂线材夹杂物平均Al2O3、MgO含量较高，国内B厂发现有纯Al2O3夹杂物。此外，国内钢厂需进一步合理控制钢水、精炼渣成分以及提高耐材质量并合理选用耐火材料，来强化夹杂物的改性和脱除。Abstract: Inclusions and microstructure of 55SiCrA spring steel wire rod were studied by means of OM, SEM-EDS and Factsage software. The results show that the microstructure, central segregation, thickness of decarburized layer and grain size of spring steel wire rod in the three plants at home and abroad are almost the same. Moreover, the level 1 D-type inclusions and the level 1.5 Ds-type inclusions are found in domestic steel Y (DSY), however, no Ds-type inclusions are found in foreign steel H (FSH) and domestic steel B (DSB). The number of inclusions in spring steel of FSH is the least and their size is the smallest, the maximum size is only 3.4 μm, and the deformable ratio is nearly 100%; however, the inclusions in spring steel wire rod of DSY and DSB are large in number and size, and are not deformable. The average contents of Al2O3 and MgO are higher in inclusions of DSY, and pure Al2O3 inclusions are found in the wire rod of DSB. In addition, for domestic steel mills it is necessary to further control the composition of molten steel and refined slag, improve the quality of refractory materials and select refractory materials reasonably to enhance the modification and removal of inclusions.
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Key words:
- spring steel /
- wire rod /
- microstructure /
- inclusion
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0. 引言
弹簧钢在汽车、航空航天以及工程机械等领域发挥着不可替代的作用 [1-2]，作为装备制造业的关键零部件，在服役过程中需要承受复杂的交变应力，因此对其性能要求十分严苛。疲劳破坏是导致弹簧零部件失效的主要原因 [3-5]。国外对气门簧的疲劳寿命要求达5×107次，实际失效率小于百万分之一，而我国二汽要求国产气门簧的疲劳寿命为2.5×107次，但实际失效率却高达百万分之二十三 [6-7]。
与国外弹簧钢线材相比，国产弹簧钢线材的质量还存在一定差距，国内汽车用户所使用的高档弹簧钢线材主要依赖进口 [7]，为此急需提高国产弹簧钢线材质量。为明晰国产弹簧钢线材与国外的质量差异，笔者选取了国产及国外共3家钢厂生产的55SiCrA线材进行夹杂物与组织研究，为提高国产55SiCrA线材质量提供一定的参考。
1. 试验材料与方法
试验用55SiCrA弹簧钢线材成品由国内外不同钢厂提供，分别为国外H厂(FSH)，规格为ϕ7 mm，国内Y厂(DSY)，规格ϕ12 mm，国内B厂(DSB)，规格为ϕ15 mm。利用光学显微镜(OM)、配有能谱的扫描电子显微镜(SEM-EDS)，对各厂线材的显微组织、中心偏析、脱碳层的厚度、夹杂物的级别、数量、形貌以及成分等方面进行了详细的检测，另外，借助Factsage软件计算了国内、外线材夹杂物在相图中的分布情况。
2. 试验结果
2.1 夹杂物评级与显微组织
对所选3个厂弹簧钢线材组织、夹杂物级别等方面进行了分析，结果如图1和表1所示，可以看出，3家钢厂线材显微组织均为索氏体（S）+珠光体（P）+铁素体（F）。3家钢厂55SiCrA线材中心偏析均为0级，在晶粒度以及脱碳层厚度方面，3家钢厂线材差别不大。另外，根据标准GB/T 10561—2005对试验用弹簧钢线材夹杂物进行了评级，发现国外H厂未出现Ds类夹杂物，除C类夹杂物为1级外，其余均为0.5级；国内Y厂线材Ds类为1.5级，D类为1级，其余为0.5级；国内B厂未发现Ds类夹杂物，其余则为0.5级。
图 1 弹簧钢的显微组织及脱碳层Figure 1. Microstructure and decarbonization of the tested spring steel2.2 夹杂物的数量、尺寸及长宽比
利用SEM-EDS对3家弹簧钢线材夹杂物的数量、尺寸以及可变形性进行了分析，结果如图2所示．由图2可见，国内、外3家钢厂弹簧钢线材中夹杂物在数量、尺寸方面均存在较大差异，国外H厂、国内B厂夹杂物数量最少，为3个/mm2；国外H厂夹杂物的最大尺寸为3.4 μm，3 μm以上的夹杂物占比最少，为2.9%，长宽比≥3的夹杂物(可变形夹杂物)占比近100%；国内Y厂夹杂物数量为3.9个/mm2，夹杂物的最大尺寸为9.1 μm，3 μm以上的夹杂物占比23.7%，长宽比≥3的夹杂物占比为0；国内B厂夹杂物的最大尺寸为4.1 μm，3 μm以上的夹杂物占比12.5%，长宽比≥3的夹杂物占比为0。另外，国外H厂夹杂物平均尺寸最小为1.3 μm，国内B厂夹杂物平均尺寸为1.9 μm，而国内Y厂夹杂物的平均尺寸最大，为2.7 μm。
表 1 弹簧钢的夹杂物级别与显微组织Table 1. Inclusion grading and microstructure of the tested spring steel厂家 显微组织 中心偏析 脱碳层厚度/μm 晶粒度级别 夹杂物级别 全脱碳层 总脱碳层 国外H厂 S+P+F 0 0 38 7 A0.5，B0.5，C1，D0.5 国内Y厂 S+P+F 0 0 56 8 A0.5，B0.5，C0.5，D1，DS1.5 国内B厂 S+P+F 0 0 44 8 A0.5，B0.5，C0.5，D0.5e 2.3 夹杂物的成分、形貌及类型
对国内、外3家弹簧钢线材中夹杂物的成分、形貌以及类型进行分析，结果见表2、图3，可以看出，国外H厂夹杂物类型主要为MnO-SiO2-Al2O3系夹杂物，部分夹杂物含少量MgO；国内Y厂夹杂物类型主要为CaO-SiO2-Al2O3-MgO系夹杂物；国内B厂夹杂物类型主要为Al2O3-SiO2-CaO系夹杂物，其中部分夹杂物含有微量MgO。另外，国外H厂弹簧钢线材夹杂物中平均Al2O3含量最低，与其线材中酸溶铝含量最低相对应。
表 2 弹簧钢线材夹杂物成分、尺寸、类型及盘条酸溶铝含量Table 2. Inclusion composition, size, type and acid soluble aluminum content of the tested spring steel编号 夹杂物成分/% 平均Al2O3
含量/%平均MgO
含量/%夹杂物尺寸
(长×宽)/μm夹杂物
类型盘条Als
含量×106Al2O3 MgO SiO2 MnO CaO 国外H厂 20.93 16.96 52.55 9.56 11.8 0.5 23.3×2.5 MnO-SiO2-Al2O3 (-MgO) 3 国内Y厂 50.9 22.5 14.04 12.56 23.6 24.5 4.7×4.7 CaO-SiO2-Al2O3-MgO 23 国内B厂 92.17 1.84 3.18 2.81 89.6 4.4 4.1×3.1 Al2O3-SiO2-CaO (-MgO) 10 利用Factsage热力学软件，对3家钢厂供应的弹簧钢线材夹杂物进行了计算，分析其在相图中的分布，在三元相图计算时，固定了其他氧化物成分，以使计算结果更加接近夹杂物的实际成分，具体如图4所示。结果表明，国外H厂夹杂物主要处于SiO2初晶面，甚至存在SiO2含量在90%以上的高SiO2夹杂物，国内Y厂夹杂物中Al2O3、MgO含量较高，国内B厂夹杂物中Al2O3含量较高，甚至出现纯Al2O3夹杂物，另外，3个厂线材夹杂物处于1400 ℃低熔点区的比例几乎均为0。
3. 分析与讨论
根据上述国内、外3家钢厂弹簧钢线材质量的对比结果，分析认为国内外弹簧钢线材在质量控制上的主要差异及原因为：
1)在显微组织、中心偏析、脱碳层厚度、晶粒度等方面，国内外弹簧钢相差不大；在夹杂物级别方面，国外H厂和国内B厂相对较好，均未出现Ds类夹杂物；而国内Y厂弹簧钢线材中发现有1级D类夹杂物以及1.5级Ds类夹杂，另外，根据国内Y厂夹杂物能谱结果可知，其夹杂物中Al2O3、MgO含量较高，推测可能与国内Y厂采用碱性精炼渣、镁质耐材侵蚀较严重以及直通式浸入式水口不利于大尺寸夹杂物的上浮有关。
2)国产弹簧钢线材中夹杂物在数量、尺寸以及可变形性方面与国外相比存在一定差距，国内Y厂夹杂物数量最多，尺寸（宽度）最大，最大尺寸达9.1 μm；尽管国内B厂夹杂物数量与国外H厂相同，然而其夹杂物尺寸较大，3 μm以上夹杂物占比较大，且夹杂物中Al2O3含量较高，甚至出现纯Al2O3夹杂物，如图5所示，推测可能与含铝耐材和渣中较高Al2O3含量有关；国外H厂夹杂物最大尺寸为3.4 μm，3 μm以上夹杂物占比仅为2.9%且可变形比例最大，约100%，夹杂物控制最好。
图 5 国内B厂弹簧钢中纯Al2O3夹杂物形貌Figure 5. Morphologies of pure Al2O3 inclusions in the tested spring steel of DSB3)根据Factsage热力学计算结果可知，3家钢厂弹簧钢夹杂物处于低熔点区比例均为0。国内两个厂因线材中Als含量以及夹杂物中Al2O3、MgO含量较高，偏离低熔点区，与其形貌相对应；国外H厂弹簧钢线材夹杂物，主要分布在高SiO2含量区，偏离其低熔点区，但这些高SiO2含量的夹杂物，如图4(a)所示，在轧钢过程中仍能继续发生塑性变形，并且沿着轧制方向呈长条状，如图6所示，推测可能与其玻璃态结构有关[8]。因而导致了国外H厂弹簧钢可变形夹杂物比例与其处于低熔点区夹杂物比例不一致这一现象。
另外，夹杂物中的Al2O3、MgO含量能够显著影响其性能。研究表明[9-13]，钢中Als质量分数控制在4×10−6时，热力学平衡时夹杂物中Al2O3含量为20%，此时夹杂物变形性能最佳；而精炼渣中相同Al2O3含量的条件下，钢液中Als含量随着碱度增加而升高，同碱度下，钢液中Als含量随渣中的Al2O3含量增加而升高；另外，CaO-SiO2-Al2O3夹杂物中含少量MgO时，有利于扩大低熔点区，然而当MgO含量超过20%时，低熔点区将显著减小。
图 6 国外H厂弹簧钢中高SiO2含量夹杂物沿轧制方向的形态Figure 6. Morphologies of the high SiO2 content inclusions along rolling direction in the tested spring steel of FSH综合上述分析，表明国产弹簧钢线材质量要达到国外的水平，在生产过程中需要进一步强化夹杂物的脱除和改性，合理控制钢水、精炼渣成分以及提高耐材质量并合理选用耐火材料。
4. 结论
1) 3家钢厂弹簧钢在显微组织、中心偏析、脱碳层厚度、晶粒度等方面相差不大，国内Y厂弹簧钢线材中发现有1级D类夹杂物以及1.5级Ds类夹杂，而国外H厂和国内B厂相对较好，均未出现Ds类夹杂物。
2)国外H厂弹簧钢夹杂物尺寸最小且数量最少，最大尺寸为3.4 μm且可变形夹杂物占比近100%；然而国内两厂线材中夹杂物数量、尺寸相对较大且均不可变形。国内Y厂线材夹杂物平均Al2O3、MgO含量较高，国内B厂发现纯Al2O3夹杂物。
3)国内钢厂需进一步合理控制钢水、精炼渣成分以及提高耐材质量并合理选用耐火材料，来强化夹杂物的改性和脱除。
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图 1 弹簧钢的显微组织及脱碳层
Figure 1. Microstructure and decarbonization of the tested spring steel
图 5 国内B厂弹簧钢中纯Al2O3夹杂物形貌
Figure 5. Morphologies of pure Al2O3 inclusions in the tested spring steel of DSB
图 6 国外H厂弹簧钢中高SiO2含量夹杂物沿轧制方向的形态
Figure 6. Morphologies of the high SiO2 content inclusions along rolling direction in the tested spring steel of FSH
表 1 弹簧钢的夹杂物级别与显微组织
Table 1. Inclusion grading and microstructure of the tested spring steel
厂家 显微组织 中心偏析 脱碳层厚度/μm 晶粒度级别 夹杂物级别 全脱碳层 总脱碳层 国外H厂 S+P+F 0 0 38 7 A0.5，B0.5，C1，D0.5 国内Y厂 S+P+F 0 0 56 8 A0.5，B0.5，C0.5，D1，DS1.5 国内B厂 S+P+F 0 0 44 8 A0.5，B0.5，C0.5，D0.5e 
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表 2 弹簧钢线材夹杂物成分、尺寸、类型及盘条酸溶铝含量
Table 2. Inclusion composition, size, type and acid soluble aluminum content of the tested spring steel
编号 夹杂物成分/% 平均Al2O3
含量/%平均MgO
含量/%夹杂物尺寸
(长×宽)/μm夹杂物
类型盘条Als
含量×106Al2O3 MgO SiO2 MnO CaO 国外H厂 20.93 16.96 52.55 9.56 11.8 0.5 23.3×2.5 MnO-SiO2-Al2O3 (-MgO) 3 国内Y厂 50.9 22.5 14.04 12.56 23.6 24.5 4.7×4.7 CaO-SiO2-Al2O3-MgO 23 国内B厂 92.17 1.84 3.18 2.81 89.6 4.4 4.1×3.1 Al2O3-SiO2-CaO (-MgO) 10
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