一种减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺的制作方法

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺。

背景技术：

钢在较高温度下，钢内层碳因温度的升高，失去平衡，脱离原来的位置，发生跃迁，即扩散到钢表层和氧气、氢气、二氧化碳等发生反应，失去了全部或部分碳，使得钢表层碳的含量较心部的碳含量少，这种钢碳含量降低的现象被称为脱碳。弹簧钢是一种机械设备的基础材料，广泛应用于工程机械、汽车、铁路等诸多领域，弹簧是在周期性交变应力下工作，工作环境恶劣。表面脱碳会影响弹簧钢的疲劳强度，从而影响寿命，脱碳越深，弹簧寿命越低。

脱碳层可分为全脱碳层和部分脱碳层，在受载荷时，在全脱碳层和部分脱碳层之间容易形成裂纹源，使其出现断裂破坏，影响使用寿命，因此，弹簧钢的全脱碳层要尽量避免，高端弹簧钢不允许全脱碳层的存在。

现有技术中，主要对弹簧钢的一次脱碳的研究较多，即对钢材在加热过程中的脱碳研究较多，但对二次脱碳的研究较少，即在加热后的生产及冷却过程的脱碳研究及控制没有系统的研究。通过对二次脱碳的研究发现，二次脱碳的比例占到的总脱碳比例的24～68%，且弹簧钢是脱碳敏感性钢种，钢材的终轧温度＞900℃，处于较易脱碳的温度段，易造成钢材表面二次脱碳，因此，行业内需要开发一种工艺控制钢材的二次脱碳。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺，所述工艺包括轧制工序、穿水冷却工序；所述穿水冷却工序在钢材终轧后进行，穿水冷却后钢材的温度为680～740℃，穿水冷却速度≥200℃/s。

本发明所述穿水冷却前钢材的温度为960～1000℃。

本发明所述轧制工序，开轧温度为950～990℃，终轧温度为960～1000℃。

本发明所述轧制工序，开轧前，钢坯加热过程中，740～950℃温度段的升温速度≥0.5℃/s。

本发明所述穿水冷却水压10～12bar，水量500～1000m³/h，所述穿水冷却冷却介质为直接循环水。

本发明所述工艺脱碳层深度控制在≤0.5%d，所述d为棒材产品直径。

本发明适用的弹簧钢钢种包括60si2mn、60si2mna、60si2cra、60si2crva和55crsi等。

本发明设计思路：

减少弹簧钢轧后二次脱碳的关键是使钢材的温度快速降低到脱碳临界温度以下，从而降低脱碳动力。当钢材的头部轧入成品轧机时，水冷箱获得连锁信号打开水冷阀门，当钢材进入水冷箱时，高压、高速冷却水会均匀的喷射到钢材表面，使钢材表面温度快速降低至脱碳临界温度下；同时钢材内部的温度相对较高，不影响钢材碳元素由内部向外部的扩散，最终达到减少弹簧钢表面脱碳层深度的目的。经研究，弹簧钢钢材脱碳临界温度为740-760℃。

本实施例减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺脱碳层深度检测方法参考《gb/t224-2008钢的脱碳层深度测定法》。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1、本发明可以大大减少或避免钢材在轧后的二次脱碳，较轧后自然冷却脱碳层深度减少20～50%，钢材表面脱碳层深度控制在≤0.5%d。2、本发明水冷阀的开启为程序自动控制，水压、水量稳定，冷速均匀，工艺重现稳定。

附图说明

图1为实施例1采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺钢材脱碳金相图；

图2为实施例1采用自然冷却的钢材脱碳金相图；

图3为实施例2采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺钢材脱碳金相图；

图4为实施例2采用自然冷却的钢材脱碳金相图；

图5为实施例3采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺钢材脱碳金相图；

图6为实施例3采用自然冷却的钢材脱碳金相图；

图7为实施例4采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺钢材脱碳金相图；

图8为实施例4采用自然冷却的钢材脱碳金相图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例使用150mm×150mm断面坯料，钢种为60si2mn，轧制成φ18mm圆钢，轧制加热过程中740～950℃温度段的升温速度0.8℃/s，开轧温度955℃、终轧温度976℃；取两根同规格圆钢，一根采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺，另一根采用自然冷却。

采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺，工艺步骤如下所述：

终轧后进行穿水冷却，穿水冷却前温度976℃、穿水冷却速度340℃/s、水压12bar、水量500m³/h，钢材的运行速度为17m/s，钢材穿水冷却后温度为736℃，冷却时间为0.70s；钢材穿水冷却后再自然冷却，钢材脱碳层深度为90.06μm，钢材脱碳金相图见图1。

采用自然冷却的钢材脱碳层深度为123.59μm，钢材脱碳金相图见图2。

由实施例1的两种工艺脱碳层深度检测对比来看，轧后穿水冷却工艺较自然冷却工艺脱碳层深度减少27.1%，脱碳层深度为0.50%d。

实施例2

使用150mm×150mm断面坯料，钢种为60si2mn，轧制成φ20mm圆钢，轧制加热过程中740～950℃温度段的升温速度0.6℃/s，开轧温度957℃、终轧温度979℃；取两根同规格圆钢，一根采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺，另一根采用自然冷却。

采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺，工艺步骤如下所述：

终轧后进行穿水冷却，穿水冷却前温度979℃、穿水冷却速度284℃/s、水压10bar、水量500m³/h，钢材的运行速度为12m/s，钢材穿水冷却后温度为695℃，冷却时间为1.0s；钢材穿水冷却后再自然冷却，钢材脱碳层深度为58.76μm，钢材脱碳金相图见图3。

采用自然冷却的钢材脱碳层深度为114.72μm，钢材脱碳金相图见图4。

由实施例2的两种工艺脱碳层深度检测对比来看，轧后穿水冷却工艺较自然冷却工艺脱碳层深度减少48.8%，脱碳层深度为0.29%d。

实施例3

使用150mm×150mm断面坯料，钢种为60si2mn，轧制成φ25mm圆钢，轧制加热过程中740～950℃温度段的升温速度1.0℃/s，开轧温度975℃、终轧温度983℃；取两根同规格圆钢，一根采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺，另一根采用自然冷却。

采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺，工艺步骤如下所述：

终轧后进行穿水冷却，穿水冷却前温度983℃、穿水冷却速度240℃/s、水压10bar、水量500m³/h，钢材的运行速度为11m/s，钢材穿水冷却后温度为716℃，冷却时间为1.11s；钢材穿水冷却后再自然冷却，钢材脱碳层深度为77.60μm，钢材脱碳金相图见图5。

采用自然冷却的钢材脱碳层深度为113.36μm，钢材脱碳金相图见图6。

由实施例3的两种工艺脱碳层深度检测对比来看，轧后穿水冷却工艺较自然冷却工艺脱碳层深度减少31.5%，脱碳层深度为0.31%d。

实施例4

使用150mm×150mm断面坯料，钢种为60si2mn，轧制成φ22mm圆钢，轧制加热过程中740～950℃温度段的升温速度0.5℃/s，开轧温度984℃、终轧温度993℃；取两根同规格圆钢，一根采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺，另一根采用自然冷却。

采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺，工艺步骤如下所述：

终轧后进行穿水冷却，穿水冷却前温度993℃、穿水冷却速度227℃/s、水压12bar、水量1000m³/h，钢材的运行速度为16m/s，钢材穿水冷却后温度为680℃，冷却时间为1.5s；钢材穿水冷却后再自然冷却，钢材的脱碳层深度为67.35μm，钢材脱碳金相图见图7。

采用自然冷却的钢材脱碳层深度为126.84μm，钢材脱碳金相图见图8。

由实施例4的两种工艺脱碳层深度检测对比来看，轧后穿水冷却工艺较自然冷却工艺脱碳层深度减少46.9%，脱碳层深度为0.26d%。

实施例5

使用150mm×150mm断面坯料，钢种为60si2mn，轧制成φ21mm圆钢，轧制加热过程中740～950℃温度段的升温速度0.7℃/s，开轧温度950℃、终轧温度960℃；取两根同规格圆钢，一根采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺，另一根采用自然冷却。

采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺，工艺步骤如下所述：

终轧后进行穿水冷却，穿水冷却前温度960℃、穿水冷却速度200℃/s、水压10.5bar、水量600m³/h，钢材的运行速度为13m/s，钢材穿水冷却后温度为700℃，冷却时间为1.2s；钢材穿水冷却后再自然冷却，钢材的脱碳层深度为58.34μm，钢材脱碳金相图与图1类似，故省略。

采用自然冷却的钢材脱碳层深度为116.68μm，钢材脱碳金相图与图2类似，故省略。

由实施例5的两种工艺脱碳层深度检测对比来看，轧后穿水冷却工艺较自然冷却工艺脱碳层深度减少50%，脱碳层深度为0.28d%。

实施例6

使用150mm×150mm断面坯料，钢种为60si2mn，轧制成φ24mm圆钢，轧制加热过程中740～950℃温度段的升温速度0.9℃/s，开轧温度990℃、终轧温度1000℃；取两根同规格圆钢，一根采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺，另一根采用自然冷却。

采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺，工艺步骤如下所述：

终轧后进行穿水冷却，穿水冷却前温度1000℃、穿水冷却速度245℃/s、水压11bar、水量800m³/h，钢材的运行速度为14m/s，钢材穿水冷却后温度为740℃，冷却时间为1.2s；钢材穿水冷却后再自然冷却，钢材的脱碳层深度为85.47μm，钢材脱碳金相图与图5类似，故省略。

采用自然冷却的钢材脱碳层深度为106.84μm，钢材脱碳金相图与图6类似，故省略。

由实施例6的两种工艺脱碳层深度检测对比来看，轧后穿水冷却工艺较自然冷却工艺脱碳层深度减少20%，脱碳层深度为0.36d%。

实施例7

使用150mm×150mm断面坯料，钢种为60si2mna，轧制成φ25mm圆钢，轧制加热过程中740～950℃温度段的升温速度1.1℃/s，开轧温度980℃、终轧温度995℃；取两根同规格圆钢，一根采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺，另一根采用自然冷却。

采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺，工艺步骤如下所述：

终轧后进行穿水冷却，穿水冷却前温度995℃、穿水冷却速度230℃/s、水压11bar、水量650m³/h，钢材的运行速度为11m/s，钢材穿水冷却后温度为683℃，冷却时间为2.2s；钢材穿水冷却后再自然冷却，钢材的脱碳层深度为82.19μm，钢材脱碳金相图与图5类似，故省略。

采用自然冷却的钢材脱碳层深度为141.73μm，钢材脱碳金相图与图6类似，故省略。

由实施例7的两种工艺脱碳层深度检测对比来看，轧后穿水冷却工艺较自然冷却工艺脱碳层深度减少42%，脱碳层深度为0.33d%。

实施例8

使用150mm×150mm断面坯料，钢种为60si2cra，轧制成φ21mm圆钢，轧制加热过程中740～950℃温度段的升温速度1.2℃/s，开轧温度965℃、终轧温度990℃；取两根同规格圆钢，一根采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺，另一根采用自然冷却。

采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺，工艺步骤如下所述：

终轧后进行穿水冷却，穿水冷却前温度990℃、穿水冷却速度235℃/s、水压11.5bar、水量850m³/h，钢材的运行速度为13m/s，钢材穿水冷却后温度为692℃，冷却时间为1.7s；钢材穿水冷却后再自然冷却，钢材的脱碳层深度为81.74μm，钢材脱碳金相图与图5类似，故省略。

采用自然冷却的钢材脱碳层深度为113.46μm，钢材脱碳金相图与图6类似，故省略。

由实施例8的两种工艺脱碳层深度检测对比来看，轧后穿水冷却工艺较自然冷却工艺脱碳层深度减少28%，脱碳层深度为0.39d%。

实施例9

使用150mm×150mm断面坯料，钢种为60si2crva，轧制成φ23mm圆钢，轧制加热过程中740～950℃温度段的升温速度1.3℃/s，开轧温度970℃、终轧温度985℃；取两根同规格圆钢，一根采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺，另一根采用自然冷却。

采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺，工艺步骤如下所述：

终轧后进行穿水冷却，穿水冷却前温度985℃、穿水冷却速度250℃/s、水压10bar、水量550m³/h，钢材的运行速度为14m/s，钢材穿水冷却后温度为706℃，冷却时间为1s；钢材穿水冷却后再自然冷却，钢材的脱碳层深度为86.51μm，钢材脱碳金相图与图5类似，故省略。

采用自然冷却的钢材脱碳层深度为128.96μm，钢材脱碳金相图与图6类似，故省略。

由实施例9的两种工艺脱碳层深度检测对比来看，轧后穿水冷却工艺较自然冷却工艺脱碳层深度减少33%，脱碳层深度为0.38d%。

实施例10

使用150mm×150mm断面坯料，钢种为55crsi，轧制成φ26mm圆钢，轧制加热过程中740～950℃温度段的升温速度1.5℃/s，开轧温度960℃、终轧温度978℃；取两根同规格圆钢，一根采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺，另一根采用自然冷却。

采用减少弹簧钢表面脱碳深度的工艺，工艺步骤如下所述：

终轧后进行穿水冷却，穿水冷却前温度978℃、穿水冷却速度260℃/s、水压10.8bar、水量580m³/h，钢材的运行速度为10m/s，钢材穿水冷却后温度为720℃，冷却时间为1.5s；钢材穿水冷却后再自然冷却，钢材的脱碳层深度为83.57μm，钢材脱碳金相图与图5类似，故省略。

采用自然冷却的钢材脱碳层深度为142.17μm，钢材脱碳金相图与图6类似，故省略。

由实施例10的两种工艺脱碳层深度检测对比来看，轧后穿水冷却工艺较自然冷却工艺脱碳层深度减少41%，脱碳层深度为0.32d%。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。