铌钼锰对弹簧扁钢表面脱碳影响的研究

杨敏超

（河钢集团石钢公司技术中心， 河北 石家庄 050031）

弹簧钢表面脱碳会显著降低弹簧的疲劳寿命。这是因为弹簧钢在淬火后，表面脱碳层的屈服强度和硬度达不到使用要求，在交变应力作用下易产生表面裂纹。因此，在生产过程中要尽量减少弹簧钢的表面脱碳。

弹簧钢在轧制加热、轧后冷却及热处理过程中都会发生表面脱碳现象，尤其是Si 含量较高的弹簧钢脱碳倾向更加严重。弹簧钢的脱碳由多种因素造成，关于加热速度、加热温度、加热炉气氛、冷却速度以及合金成分Si 和Cr 对弹簧钢表面脱碳的影响已有较多的研究和报道，当加热温度、加热炉气氛、冷却速度、化学成分相同时脱碳比例随加热时间延长呈正比增加。而钢中合金元素Nb、Mo、Mn 对弹簧钢表面脱碳的影响研究较少。本文主要研究了Nb、Mo、Mn 对弹簧钢表面脱碳的影响。

1 试验

1.1 试验材料

试验选取的是河钢集团石钢公司（以下简称我公司）生产的三个牌号弹簧扁钢分别是1 号钢LPD55-2、2 号钢 LPD51-2、3 号钢 51CrV4，成分如表 1 所示。

表1 试验钢的化学成分 %

通过由表1 成分对比发现LPD51-2 与LPD55-2 相比添加了少量的Nb 和Mo, 其他成分差别不大。LPD55-2 与 51CrV4 相比 Mn 含量低 0.24%，其他成分差别不大。

1.2 试验方法

对生产的三个牌号254 炉弹簧钢进行统计分析，其中 1 号钢 93 炉、2 号钢 96 炉、3 号钢 65 炉。三个牌号弹簧钢的生产工艺参数如表2 所示（三个牌号的弹簧钢加热轧制工艺相同），工艺流程为推钢式加热炉→1 架530 轧机→3 架400 轧机→6架连轧机→精整→下线堆冷，按GB/T 224—2008 取样、制样、检测。

表2 试验钢的轧制加热工艺

由于生产设备比较老旧故障率比较高，经常需要停车修整。使用推钢式加热炉，一旦钢坯进入加热炉后无法再进行退坯操作。所以一旦遇到设备故障便无法保证加热时间在工艺范围内，但从整体统计数据看三个钢种的整体超时比例和超时时间可近似看做相等，开轧温度可以稳定控制在1 030～1 050 ℃。

2 结果与讨论

2.1 试验结果

三个钢的脱碳检测标准一致：0.008×厚度+0.10 mm。LPD51-2 脱碳超标10 炉占比10.75%，LPD55-2 超标 29 炉占比 30.2%，51CrV4 脱碳超标29.23%。按不同加热时间段对三个钢的脱碳超标比例进行统计如图1 所示。

图1 试验钢的脱碳超标比例与加热时间关系

LPD51-2 与LPD55-2 相比脱碳超标比例低19.45%，LPD55-2 与51CrV4 相比差别不大。且三个钢的脱碳超标比例与加热时间的关系具有明显差异。LPD55-2、51CrV4 随加热时间延长脱碳超标比例呈正比提高，而LPD51-2 随加热时间延长脱碳超标比例没有呈比提高。

LPD51-2 与51CrV4 脱碳超标比例差别很小，说明0.24%的Mn 对脱碳敏感性影响很小。LPD51-2与LPD55-2 脱碳超标的巨大差异说明添加少量的Mo 和Nb 显著降低了LPD51-2 的脱碳敏感性，最终导致了LPD51-2 比 LPD55-2 脱碳超标比例低19.45%。

2.2 结果讨论

弹簧钢表面脱碳包括碳原子从钢内部向表面扩散和碳原子与炉气中的氧发生氧化脱去两个过程。碳在钢中的扩散过程可用Fick 第二定律来描述：

式中：C 为碳的质量分数；t 为时间；x 为扩散长度；D为扩散系数。

式中：D0为碳在奥氏体中的扩散系数，m2/s；T 为绝对温度；R 为气体常数8.314 J/（K·mol）；Q 为扩散激活能。

钢的脱碳可以看作是碳在内部浓度恒定的半无限大体中的扩散，则式（1）的误差函数解为：

式中：C 为给定时间，给定距离的扩散物质浓度；C0为扩散物质初始浓度；Cs为钢表面与炉气平衡时的碳浓度；t 为时间；D 为扩散系数。

根据文献［1］取 D0=2.0×10-5m2/s，Q=1.4×105 J/mol，计算得出试验钢在淬火温度860 ℃下碳的扩散系数 D 为 1.67×10-12m2/s。由（3）式可知，当 D 和 t 恒定时碳含量越高脱碳层深度越大。本次试验所涉及的三个钢种碳含量相差0.01%带入（3）式结果可忽略不计。由（2）式可知当钢化学成分相同，加热温度一定时，D 为一常数。根据（3）式可知加热时间越长脱碳层深度越大，脱碳超标比例越高。这与LPD55-2和51CrV4 的脱碳规律一致。理论上LPD51-2 加热时间与脱碳超标比例是一条较LPD55-2 与51CrV4平缓的上升曲线，出现图1 的曲线可能与各炉次Nb和Mo 的含量不同有关。

非碳化物形成元素会增加碳在奥氏体中的活度，例如Si、Ni 等元素。碳化物形成能力强的合金元素会降低奥氏体中碳的活度，例如Cr、V、Nb、Mo,从而降低钢的脱碳倾向。由Fick 第一定律知，单位时间的扩散通量取决于扩散系数和浓度梯度。碳化物形成能力强的合金元素能降低钢中固溶碳的浓度，使碳的浓度梯度减小，从而减小脱碳层深度。两个试验钢的Cr、V 含量相同，加入的Nb、Mo 显著降低了LPD51-2 中碳的活度，使LPD51-2 脱碳超标比例显著降低，最终表现出图1 所示的随加热时间延长脱碳超标比例没有成比例提高。

影响扩散系数的因素有外部因素和内部因素。内部因素是对扩散激活能Q 和频率因子D0的影响对扩散系数（公式2）起作用。另外加入能在钢中形成合金碳化物的元素，形成的合金碳化物可钉扎在晶界处，使碳的迁移困难，增加碳的扩散激活能Q，从而使扩散系数减小。晶界处的碳化物同时削弱了晶界作为扩散通道的作用，降低了晶界处原子的活动能力，有利于降低脱碳层深度[2]。所以添加了Nb和Mo 元素的LPD51-2 整体脱碳超标比例小，对加热时间敏感性低。

3 结论

1）我公司生产的弹簧扁钢脱碳超标的直接原因是加热时间超长，如果按工艺加热时间进行生产可基本避免脱碳超标情况发生。

2）钢中添加少量的Nb、Mo 可改善弹簧钢的脱碳敏感性。

3）少量的Mn 对脱碳敏感性影响很小。