夹杂物控制技术在阀门弹簧钢生产中的应用
弹簧钢丝生产工艺技术
弹簧钢丝生产工艺技术quotquotquotquot第十三篇弹簧钢丝生产工艺技术第一章国内外重要用途弹簧钢丝发展状况弹簧是一种常用的弹性工作元件，也是各种机械设备和仪器仪表上的基础零件。
它在周期性弯曲、扭转交变应力下工作，能产生较大的弹性变形，因而能把机械能或动能转变成变形能，或把变形能转变为动能、机械能。
它适用于缓冲或减震、机械的储能以及控制运动方向(如气门、离合器、制动器、调节器)。
弹簧在各种工业领域及人们日常生活中具有无法取代的作用。
各种机械、电器、仪器、仪表离不开弹簧，一辆轿车上弹簧的种类就有上百种。
家庭中的弹簧更是不计其数，只要用电池就要用弹簧。
从尺寸和重量上看，小弹簧只有米粒大小，而大弹簧的重量有几十公斤;价值上，别针只值几分钱，而航天飞行器上的专用弹簧价值几万元。
制造弹簧的主要原料是弹簧钢丝。
在线材制品生产中，弹簧钢丝无论在产品数量上还是品种上都占有很重要的地位。
数量上占优质钢丝产量的一半以上，品种上按不同的生产工艺、化学成分和用途可分为quot余种。
按生产工艺可分为冷拉、退火、油回火;按化学成分可分为碳素、合金、不锈钢;按用途可分为非机械弹簧、机械弹簧、气门弹簧。
既能制造普通弹簧，也能制造高级重要弹簧。
在使用上能适应低温、中温和高温工作环境，还能用于静载荷或动载荷。
其产量之高、品种之多、用途之广，是其他钢丝品种无可比拟的。
使用中对弹簧的要求是尺寸精度高，抗松弛性能好，疲劳强度高，能够在应力负荷下不产生松弛，并且在规定的疲劳周期内不会出现早期失效。
这就对弹簧钢丝的力学性能，主要是弹性和韧性，提出了相应的要求。
??quot??第一章国内外重要用途弹簧钢丝发展状况第一节弹簧钢丝的力学性能弹簧钢丝的力学性能本质上是由加工工艺决定的，其次是由材料中的碳和锰含量以及材料规格决定的。
弹簧钢丝的应用多半需要卷成螺旋弹簧，延展性是至关重要的。
抗拉强度本身并不重要，但它是弹性极限的可靠度量，是弹簧应用中的一个控制因素。
炼钢过程中气体和夹杂物的冶金控制
1.降低钢的塑性 一般来说，钢的塑性随其含氢量的增加而降 低，但降低的程度一方面取决于钢的成分和 结构，另一方面则与加荷速度、试验温度等试 验条件有关。 2，使钢产生氢脆 氢脆属于应变时效型脆性，亦称滞后破坏， 表现为数情况下 沿晶界断裂。
一般来讲，（H）（N）在钢中的溶解度随 温度下降而变小，在转变温度和熔点处跳跃式 地变化。图4-1是一个大气压下，两种气体在 钢中的溶解度随温度变化的曲线。
二、钢中氢的行为及去除 (一)钢中氢的来源 钢中的氢主要来源于炼钢原料、耐火材料和 炉气中的水分。当高温钢液与含有大量水蒸气 的炉气相接触时，水蒸气在高温作用下分解并 被钢液吸收，使钢液中氢、氧含量同时增加， 其分解反应如下式所示 H2O(g)=2〔H〕+〔O〕 根据上式，可得出 ω(H)=√KH2PH2O/ωO
(二)氢对钢质量的影响 氢的原子半径小(0.053nm)，进入钢中后， 相当容易移动。由于氢在铁中移动的激活能 只为碳在铁中移动激活能的1/10，以致钢中的 氢容易在应力(主要指外加应力、残余应力、原 子之间相互作用力等)作用下，向钢中一些危险 区域扩散，以不同形式危害钢的性能。 钢中氢的危害主要表现在以下几个方面:
Triano在1955年提出的应变时效型氢脆的 解释，目前已为较多的人所接受，其概念如 下:含氢试样受载后，在其缺口尖端处产生应力 集中。氢原子在应力作用下向这里扩散聚集， 使缺口尖端处的位错周围形成柯氏气团，对位 错产生钉扎作用，导致位错难以运动，表现为 缺口尖端处被局部硬化。在外加应力作用下， 如果试样缺口尖端处的基体不能通过位错运动 产生局部塑性变形而使应力集中松弛的话，此 处就会萌生裂纹并由此扩展长大。
尔后，当裂纹尖端扩展到贫氢区后，由于贫 氢区的位错在应力作用下易于运动，所以裂纹 尖端的基体可以通过塑性变形使应力集中有所 松弛，此时裂纹停止长大。一旦氢原子在应力 作用下又扩散聚集到裂纹尖端时，此处位错又 被钉扎，应力集中加剧，以致裂纹又开始扩展 长大……如此循环下去，裂纹不断扩展，到一 定程度后试样突然脆断。
帘线钢中氧化物夹杂控制技术在生产中的应用
222007年炉外精炼年会论文集帘线钢中氧化物夹杂控制技术在生产中的应用郭大勇1) 马 成2) 张晓军2) 耿继双1) 宁 东2) 曹亚丹1)1)鞍钢股份技术中心，辽宁省鞍山114001 2)鞍钢股份一炼钢，辽宁省鞍山114001摘 要 在帘线钢冶炼过程中，通过采用炉后弱脱氧、防止钢液污染，以及控制精炼顶渣碱度指数和Al 2O 3含量指数等措施，使钢中夹杂物向低熔点区域转变，促进钢中夹杂物上浮、排出钢液。
同时也使钢中残留氧化物夹杂具有良好的变形性能。
实践表明，通过采用上述工艺措施，使帘线钢中夹杂物成分、尺寸和变形性得到了有效控制。
关键字 帘线钢；夹杂物；精炼用于生产钢帘线的帘线钢对钢的纯净度和钢中的非金属夹杂物要求非常严格，除对夹杂物数量和尺寸有严格要求以外，对夹杂物的性能也有严格要求，即要求钢中的夹杂物尽可能是在热轧过程中能够变形的塑性夹杂物[1]。
对于高碳硅锰脱氧钢，一般认为钢中主要存在两类非金属硅酸盐夹杂物，MnO 2-SiO 2-Al 2O 3系夹杂物和CaO-SiO 2-Al 2O 3系夹杂物。
实际帘线钢中，主要存在的是CaO-SiO 2-Al 2O 3系夹杂物[2]。
在CaO-SiO 2-Al 2O 3三元系夹杂物中，钙斜长石(CaO·Al 2O 3·2SiO 2)与假硅灰石(CaO·SiO 2)相邻的周边低熔点区有良好的变形能力[2]。
在这个区间内夹杂物中w (CaO)/w (SiO 2)在0.2-1.0之间，Al 2O 3含量在15%-25%之间。
1 氧化物夹杂控制技术理论基础帘线钢中氧化物夹杂控制技术的原理是，在帘线钢冶炼过程中，采取工艺措施使钢中夹杂物向图1中的目标夹杂物类型转化[3-4]。
处于这个区域内的夹杂物熔点低，约1300℃，且具有良好的变形性。
在钢液中这种复合夹杂物容易积聚上浮，留在钢中的夹杂物在轧制中变形成条状，线状。
最理想的是夹杂物Al 2O 3含量在20%左右，具有这个成分的夹杂物的不变形指数最低，见图2，变形性最好[5]。
弹簧钢生产中的夹杂物控制
Ｋ Ｙ Ｒ Ｓ ｒ ｇ ｅ， ｕｉ ｃｎｒｌ ｆ ｉ ｅ ｐｒ ， ｎａｙ ｉｎ Ｅ ＷＯ Ｄ ｓ ｉ ｓ ｌｉ ｌ ｏ ｏｔ ， ｇ ｐ ｅｔ ｓ ｏｄｒ ｒ ｎ ｇ ｐ ｎ ｔ ｎ ｓ ｎ ｏ ａ ｕ ｒ ｙ ｅ ｅ ｃ ｔ ｏ ｃ ｅ ｉ ｆ
２Ａ ＋ ［ 〕 Ｉ 〔 ］ ３０ ＝Ａ：。 ［Ｉ ０．
△ｎ １ ０ ０ Ｇ ＝一 ２２００十 ３６３ ］ Ｊｍ ｌ ７ ８ Ｔ》 ／ ｏ （ ）
１２ Ｋ时按反应（） ９析出的夹杂物组成 ８３ ７一（） 与 钢液中 钙和铝浓度或活度的关系见图２
２３ 合余化后钢中的残钥含量Ｌ ． ， ］
△Ｏ ＝一 ５７ ０一 ３ Ｇ ０ ４８了 ’
区 域析出 单体顺粒比 较大的Ａ２： １ ０ 夹杂物是不可避 免的。 根据数模预测川， 有效去除５ 户 为了 。 ｍ以下的 Ａ：， Ｉ 夹杂， ０ 最佳的吹氢气泡尺寸应分布在 。５ ．￣２ ｍ ｍ之间。 前的Ｌ 精炼条件下， 在目 Ｆ 透气砖底吹氢 产生的气泡尺寸在 １￣２ ｍ 。因此， ０ ０ ｍ 在钢包精炼 过程中 大量地去除粒径小于５ 尸 。 ｍ的Ａ刃， Ｉ 夹杂是 十分困难的【 Ｊ 川。 本研究工作旨 在使夹杂物无害化， 即使夹杂物 细化和软化。 具体措施是通过合金化控制和二次精 炼控制， 使钢中强脱氧元素的含量控制在适宜范围，
以使析出的夹杂物在热轧温度下具有塑性。首先在
Ｊｍ ｌ（） ／ｏ ２
Ｊｍｏ ／ ｌ （） ３
Ｚｎ 。 ５ 〔＋仁１一５ ： ＋２ 〕 ＭＯ， 〕 １‘ ０： ［ 〕 Ｍｎ １２ Ｋ时反应（） ８３ ３的平衡常数犬 湘为： 二ｎ
金属冶炼过程中的非金属夹杂物控制
扫描电镜(SEM)
总结词
扫描电镜是一种高分辨率的显微镜，能够观察金属材料表面和内部的微观结构，适用于非金属夹杂物的检测和表 征。
详细描述
扫描电镜利用电子束扫描金属材料的表面，通过收集和分析反射回来的电子信号，形成高分辨率的图像。该方法 能够观察夹杂物的形貌、大小、分布和成分等信息，具有较高的精度和分辨率。
对金属材料性能的影响
力学性能
非金属夹杂物会降低金属的力学性能，如强度、韧性、疲劳寿命等 。夹杂物的存在会导致应力集中，降低材料的抗拉强度和疲劳极限 。
物理性能
非金属夹杂物对金属的物理性能也有显著影响。例如，夹杂物会降 低金属的导电性、导热性和磁性等。
工艺性能
非金属夹杂物还会影响金属的加工性能，如焊接、热处理、塑性加工 等。夹杂物的存在可能导致焊缝开裂、热处理时组织不均匀等问题。
X射线衍射(XRD)
总结词
X射线衍射是一种用于分析金属材料 晶体结构和相组成的检测方法，可以 用于非金属夹杂物的鉴别和定量分析 。
详细描述
X射线衍射利用X射线照射金属材料， 通过分析衍射图谱来判断材料的晶体 结构和相组成。该方法能够鉴别夹杂 物的矿物组成和含量，具有较高的精 度和可靠性。
04
非金属夹杂物的控制技术与实践
金属冶炼过程中的非金属 夹杂物控制
汇报人：可编辑 2024-01-06
目录
• 非金属夹杂物的基本概述 • 非金属夹杂物的来源与控制策略 • 非金属夹杂物检测与表征技术 • 非金属夹杂物的控制技术与实践 • 非金属夹杂物控制的效果评估与优化建议 • 案例分析：某钢厂非金属夹杂物控制实践
01
非金属夹杂物的基本概述
定期检查熔炼炉内衬，确保其完 好无损，防止剥落物混入金属溶 液。
善控夹杂物 提高钢性能
善控夹杂物提高钢性能（壹佰钢铁网推荐）超低氧特殊钢广泛用于制造业，如作为汽车发动机阀门弹簧与减震弹簧、汽车轴与连杆、列车车轮与车轴等。
这些部件在服役时经受交变应力作用，要求具有良好的抗疲劳性能。
除了要求抗疲劳性能外，汽车轴与连杆等非调质类超低氧钢还要求一定的切削性能，通常加入较高的硫含量。
非金属夹杂物与钢基体在变形性能、热膨胀、硬度等性质方面有很大不同，在钢基体与夹杂物界面处易形成疲劳起裂。
研究表明，尺寸细小、球形、低熔点（可一定程度变形）的夹杂物可有效延长钢的疲劳寿命。
笔者在实验室对超低氧超低硫系列特殊钢、超低氧较高硫含量系列特殊钢中夹杂物控制规律与控制策略进行了系统探索。
特殊钢夹杂物的控制策略了提高抗疲劳性能，目前特殊钢中夹杂物主要有两种控制策略。
第一种策略即夹杂物塑性化：将夹杂物控制在CaO-Al2O3-SiO2系中假硅灰石、钙斜长石和鳞石英所围成的低熔点塑性区，以及SiO2-MnO-Al2O3系中锰铝榴石低熔点塑性区。
该工艺要求采用Si-Mn脱氧与低碱度低Al2O3含量炉渣进行长时间精炼，并将钢中[Al]控制在极低水平（<5ppm），技术难度大且生产成本高，目前仅用于汽车发动机阀门弹簧钢与轮胎子午线等少数高品质特殊钢。
第二种策略是超低氧冶炼：采用Al强脱氧与较高碱度炉渣（CaO/SiO2:3~5，Al2O3:20%~30%）精炼来大幅度减少夹杂物数量。
但是，该工艺条件下绝大多数夹杂物熔点很高，尤其是很难避免大尺寸的高熔点夹杂物。
ASTM E 45-2005标准将此类球状不变形归类为D类夹杂物；当其尺寸大于13μm时，国标GB/T10561-2005中称之为DS类夹杂物。
日本生产轴承钢最著名的山阳特殊钢早在2007年时就报道，轴承钢T[O]降至5ppm时，仍然很难避免生成大尺寸高熔点钙镁铝硅酸盐夹杂物。
因此，如何在实现超低氧含量的同时得到低熔点夹杂物，是超低氧特殊钢夹杂物控制技术中的难题。
科技成果——弹簧钢中非金属夹杂物控制关键技术
科技成果——弹簧钢中非金属夹杂物控制关键技术技术开发单位北京科技大学所属领域钢铁冶金成果简介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，是制造各种螺旋簧、扭簧、板簧及其类似作用的其它形状弹簧的钢种。
弹簧工作在周期的弯曲、扭转等交变力条件下，经受拉、压、冲击、扭、疲劳腐蚀等多种作用，有时还要承受极高的短时突加载荷。
除表面脱碳、表面缺陷外，造成弹簧的疲劳断裂破坏的主要因素是钢中非金属夹杂物。
非金属夹杂物对疲劳性能的影响一方面取决于夹杂物的类型、数量、尺寸、形状和分布；另一方面，由于钢基体组织和性质制约，与基体结合力弱的尺寸大的脆性夹杂物和球状不变形夹杂物的危害最大。
钢的强度水平愈高，夹杂物对疲劳极限的有害影响也愈显著。
因此，提高弹簧的疲劳寿命，关键要提高弹簧钢的洁净度，因此就要降低氧含量，减少非金属夹杂物的含量并改善夹杂物形态分布及尺寸。
（1）不锈钢冶炼脱氧及夹杂物预测热力学。
通过热力学计算预测了弹簧钢中Al-O、Si-O、Mg-O、Ca-O脱氧平衡曲线，以及多元符合脱氧情况下Al-Si-O、Al-Mg-O、Al-Mg-Ca-O和Al-Si-Ca-O等夹杂物生成相图。
通过热力学计算预测了渣钢反应过程中不同精炼渣成分对于钢中[Al]s和[O]含量的影响，研究表明高碱度有利于氧含量的降低，低碱度有利于钢中铝含量的去除。
通过建立了钢液凝固和冷却过程弹簧钢中夹杂物变化热力学计算模型，可以预测钢液凝固和冷过过程中MnS、TiN和氧化物夹杂的变化和析出规律。
图1 弹簧钢中Al-Si-Ca-O系夹杂物热力学稳定相图（2）铁合金洁净度对弹簧钢中夹杂物的影响。
通过正常合金炉次和合金优化卢比全流程夹杂物演变规律的对比，可以看出，合金的选择对于夹杂物的性质会有较大的影响。
在LF合金调整后夹杂物成分相差较大，优化合金可以有效的控制夹杂物中Al2O3含量，而对于MgO含量影响不大，提升夹杂物塑性化比例。
钢中非金属夹杂物的起源和控制
钢中非金属夹杂物的起源和控制摘要：非金属夹杂物对钢的许多性能起着极为重要的作用，影响钢铁产品的加工和使用，在本文中，展示最新的非金属夹杂的起源和分类，概述近几十年来对此研究做的大量工作。
本文包括夹杂形成的动力学条件和目前冶炼条件对夹杂的成分、数量和尺寸分布变化的影响，夹杂物变性的研究钢种包括子午线钢丝、弹簧钢和轴承钢等，得到所希望的夹杂物尺寸和形态，也要同时防止连铸水口絮流堵塞。
随着显微电镜发展已经能够将夹杂分布特征给充分展现出来了，在夹杂物工程中也讨论了具有应用前景的“氧化物冶金”这个领域，最后简要阐明了夹杂的特性改进和定量分析的难度。
在过去几十年来，钢中夹杂物的控制发展进步明显，这是由于在热力学、钢水的渣成分，以及炼钢的工艺过程之间相互作用的理解加深所导致的，使得能够控制夹杂和工艺过程来优化钢的特性，尽管这样，仍然有一些重要问题必须要解决，要不断改善夹杂控制和优化过程。
1 介绍直到五十年前人们开始普遍重视研究非金属夹杂物（NMIs），认为钢中的夹杂来源于耐材的侵蚀和各种保护渣和顶渣的卷入。
虽然在那个时代夹杂物研究已经是一个重要的课题，但是对钢中夹杂作用还没有像今天这样普及。
由于夹杂在钢的基体中是非金属相，很多物理冶金学家关注的焦点不在这里，大多数研究重点在于理解金属的行为和相变过程。
当钢要求具有挑战性的性能时和更加恶劣条件服役时，钢基体中的非金属夹杂物的类型、尺寸和分布就与性能构成明确的相关关系，了解夹杂的这些特性行为就变的极为重要，导致了钢铁产品的冶炼和加工过程中深入地开展研究夹杂的起源、特性和行为。
对非金属夹杂物的控制和定量分析进行大量地改进工作，同时对夹杂物对金属材料性能的影响也进行大量的调研工作。
控制夹杂从上世纪80年代开始进行，以此来改善钢的性能，已经成为冶炼中最重要的一环，夹杂物冶金控制工程由文献[1]描述。
夹杂物控制工程开始做所希望的夹杂特性，然后，通过热力学和适当的工艺设计和生产的钢材达到所希望的夹杂占其主导地位。
钢中夹杂物控制技术研究
王立峰 王万军 王新华
（ 北京科技大学）
摘 要 脆性夹杂物是影响轮胎子午线钢、弹簧钢和轴承钢等特殊钢种疲劳强度的一个重 要原因，塑性央杂物的控制成为提高超级洁净钢质量的一个关键问题。通过详细总结和对 比不同的夹杂物控制技术可知，渣控夹杂物技术具有较为明显的优势，为一些特殊钢种冶 炼过程中的夹杂物控制提供了一条有效的途径。 关键词 夹杂物 夹杂物控制 钙处理 渣
Ａｂ Ｏ，
＂ Ｉ ， ｔ ， ｒ Ｏ Ａ
・ 人６ ， 月 ０ ・ Ａ ０ ” ｈ ，
０ ． ￣ ５ Ｉ － ０ ２ ． ７
反应为铝脱氧、锰脱硫，钙不能有效控
制夹杂物的形态及组成； ａＳＯ２ 当Ｃ／＝． －
０５时，钙处理能使氧化铝夹杂变为铝 ． 酸钙夹杂， 但对硫化锰夹杂无明显影响：
Ａ２３ １ 和Ｍｎ 夹杂的形成；ａＳ ０ Ｓ Ｃ／ 再大时， 钙除了继续变性Ａ２３ 还全部取代锰 １ 外， ０ 形成硫化钙。 ３３ 通过调整渣的成分控制夹杂物的成 ．
间的平衡热力学来预测， 当钢渣间达到热 力学平衡时， 夹杂物的成分与钢渣的成分 相同。 在冶金生产过程中， 绝对的钢液与 夹杂物之间的平衡是少见的， 但可达到局 部的钢与夹杂物、渣与钢、炉衬与钢渣、 炉衬与钢液的准平衡状态。 夹杂物的成分 在很大程度上受顶渣成分和炉衬材料的 影响。 硅和锰脱氧平衡如式３ 和式４ 所示， 铝硅平衡用式 ５ 来表示：
不 ａ
为球形的高熔点的 Ｃ Ｓ 提高管线钢的 ａ，以 抗裂纹性能。钙对夹杂物变性的反应式如
下：
３ 夹杂物的变性处理
３Ｃ ＋Ａ２ ） ＝ ［Ｉ （ Ｏ ； １ ］（ Ｉ ３｝２Ａ］３ ａ ） （ ［ａ ０； ． ＋Ｃ ． ） ｝
根据钢坯中硫化物的形态及分布的
钢中夹杂物得去除与控制
钢中夹杂物去除与控制刘金刚 刘浏（钢铁研究总院冶金工艺研究所，北京100081）摘要：通过对钢包—中间包—结晶器中不同环节中的去除夹杂物的不同手段进行综合分析，得到各环节中间包均应保护浇注和防止卷渣卷气，中间包应具有合理的结构（上下挡墙、湍流抑制器、旋涡抑制器）以得到合理的流场；利用钢包注流的剪切破碎作用在中间包中生成的小气泡、中间包气幕挡墙和电磁搅拌离心流动可以有效去除钢水中夹杂物；电磁制动技术日趋成熟但其能耗较大，因此可以发展低能耗的中间包真空浇注对结晶器液面波动进行抑制。
电磁搅拌和电磁连铸有利于改善铸坯的内部质量和防止振痕的产生。
关键词：中间包夹杂物去除控制Inclusions Removal and Control in the Steel MeltLiu Jingang Liu Liu(CISRI, Beijing 100081)Abstract: Through synthetic analysis of various methods to remove inclusions during ladle-tundish-mold processes, it was found that using protective casting, avoiding gas and slag wrapping are important measures for clean steel production. The structure of the tundish should be reasonable, (dam, weir; turbulence inhibitor; vertex inhibitor) in order to get a preferred flow pattern. It could also utilize the shear flow from ladle to tundish to form small gas bubbles, utilize gas bubble curtain and electromagnetic stirring caused centrifugal flow to remove inclusions from steel melt. Electromagnetic braking technology is gradually raped but it was very energy consumed, thus it could develop low energy consumption vacuum tundish casting technology to control the fluctuation of melt surface in mold. Electromagnetic stirring is good for improving inner quality of slab and preventing the oscillation marks formation.Keywords: tundish, inclusion, remove, control二○○三年我国钢产量已达到2.7亿吨，但由于质量问题一些高品质钢材仍需进口，这已经成为我国钢铁工业发展的障碍，影响我国钢铁产品走向世界。
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夹杂物控制技术在阀门弹簧钢生产中的应用
薛正良李正邦张家雯
摘要介绍了国外为适应阀门弹簧的高疲劳寿命对氧化物夹杂的苛刻要求，采用夹杂物形态控制理论使夹杂物无害化的生产技术，这种技术生产的超清洁阀门弹簧钢，细化和软化了氧化物夹杂，从而消除了氧化物夹杂对材料疲劳性能的危害，提高了阀门弹簧疲劳极限和寿命。
关键词夹杂物形态阀门弹簧钢疲劳寿命
APPLICATION OF INCLUSION CONTROL TECHNIQUE IN VALVE SPRING STEEL MANUFACTURE
Xue Zhengliang Li Zhengbang Zhang Jiawen
Metallurgical Technology Institute of CISRI
Synopsis In order to meet the stringent requirements of high fatigue life of the valve spring for oxide inclusions, a technique of harmless inclusions has been developed abroad according to the theory of inclusion morphology control. The ultra clean valve spring steel manufactured using this technique gets rid of the deleterious effect of oxide on material fatigue properties through thinning and softening oxide inclusion, thus raising the fatigue limit and life of the valve spring.
Keywords morphology of inclusion valve spring steel fatigue life
1 前言
阀门弹簧对钢的疲劳特性和可靠性的要求极苛刻。
各国对汽车发动机阀门弹簧的疲劳寿命有严格要求，如日本规定行车10万km弹簧不得断裂；瑞典规定疲劳寿命必须达到5×107次以上，实际使用失效率不到百万分之一；我国
GB2785—88阀门弹簧技术条件规定疲劳寿命为1×107次，第二汽车制造厂内控标准要求达到2.5×107次，但实际弹簧断裂失效率达到百万分之二十三［1］。
瑞典SKF统计分析某牌号汽车在规定工作时间内所有失效阀门弹簧的破损原因(被检弹簧来自不同生产厂家，材质不尽相同)，因皮下显微夹杂引起的破损比较最高，占40%；其次为弹簧表面缺陷(折叠、发纹、划伤和脱碳)引起的破损占30%；因弹簧制造过程中几何形状误差等缺陷引起的破损占15%；弹簧装配不当造成的直接破损占5%；其余10%因断面过度损坏不能分辨其原因［2］。
由此可见，阀门弹簧失效的主要原因是皮下夹杂和表面缺陷，但后者通过钢丝剥皮、滚光、弹簧抛丸等机械处理尚有挽救余地。
一般炼钢是用强脱氧元素铝终脱氧，当钢中酸溶铝含量达到0.03%～0.05%
时，钢中的氧形成Al
2O
3。
因此，钢液脱氧后不免出现钢中氧化物夹杂的去除问
题。
现代二次精炼工艺可将总氧量降到10×10-6以下，也不能消除这种危及材料疲劳寿命的大颗粒脆性夹杂物。
因此商品阀门弹簧的断裂仍难避免。
为解决这一问题，国外阀门弹簧钢的生产有2种方法：一种是瑞典SKF公司的SKF—MR精炼
法生产的超低氧阀门弹簧钢［2］；另一种是日本许多钢厂采用的控制夹杂物组成和形态的方法，他们改变了原来追求超低氧降、低氧化物夹杂数量的思路，代之以使夹杂物无害化的理念，成功地解决了脆性夹杂物引起的疲劳断裂问题。
2 夹杂物无害化概念
氧化物夹杂对材料的疲劳性能是有害的，危害程度各不相同，主要取决于夹杂物性质和颗粒大小。
零件表面的大颗粒脆性夹杂物对材料的疲劳寿命最有害。
随夹杂物颗粒减小，对疲劳寿命的危害降低，见图1［2］。
当夹杂物在材料热加工温度下能与基体材料一起发生塑性变形时，便延伸成条带状。
因弹簧疲劳断裂面垂直于线材的轴向，故与线材轴向垂直的横断面上夹杂物的断面尺寸可用来表征夹杂物的特征尺寸。
塑性夹杂物随材料锻压比增加，则断面尺寸变小，因而对弹簧的疲劳寿命影响也变小；且根据Kiessling-Nordberg的观点［4、5］，在材料热加工过程中夹杂物与基体间变形能力的差异将在界面上产生微观裂纹，这种微观裂纹将成为疲劳裂纹的发源地，热加工温度下有变形能力的夹杂物在材料发生塑性变形时与基体总保持紧密接触，因而变形后的夹杂物与基体仍然保持良好的结合，从而避免夹杂物与基体之间产生显微裂纹。
根据Brooksbank和Andrews提出的嵌镶应力理论［6～9］，夹杂物界面上产生的应力集中是决定于夹杂物的热膨胀
系数α
i 和夹杂物的杨氏模量E
6
的:
(1)
图1 夹杂物尺寸对Nakamura旋转弯曲疲劳寿命的影响［3］
低熔点的塑性夹杂物具有较小的杨氏模量和较高的热膨胀系数，在材料中产生的应力集中较小，见图2［3］。
因此，夹杂物无害化就是要避免钢中析出热轧温度下无变形能力的脆性夹杂物和球状不变形的夹杂，而代之以析出具有良好热变形能力的塑性夹杂物。
根据Rudnik的研究［10］，为避免热加工时夹杂物与基体界
面上产生微观裂纹，按Malkiewicz和Rudnik［11］定义的夹杂物变形指数应不低于0.5。
图2 夹杂物周围应力分布［3］
3 多元塑性氧化物夹杂的成分范围
对广泛使用的Cr-Si阀门弹簧用钢SAE9254，钢中可能形成的塑性夹杂物为
CaO-Al
2O
3
-SiO
2
三元夹杂。
图3为G.Bernard等［12］提供的资料，图3右为各区域
组成的夹杂物在铸态和热加工后的形态变化。
图4［13］为夹杂物中Al
2O
3
含量对夹
杂物变形能力的影响，具有最好变形能力的夹杂物的Al
2O
3
含量(20%左右)正好落
在图3中假硅灰石与钙斜长石的共晶线附近。
图3 CaO-Al
2O
3
-SiO
2
三元氧化物夹杂组成及其热加工前后的形态变化［12］
图4 夹杂物中Al
2O
3
含量对夹杂物变形能力的影响［13］
4 为获得具有变形能力的夹杂物组成所需的钢液脱氧条件
当钢液与夹杂物之间建立热力学平衡时，夹杂物的成分可作为钢水成分和温度的函数进行热力学估算。
钢液与夹杂物之间的化学反应方程如下：
(2)［14］
(3)［14、15］
根据文献［16］提供的1550℃ CaO-Al
2O
3
-SiO
2
三元活度和有关热力学资料［14、
18、19］，计算1550℃时SAE9254中强脱氧元素［Al］、［Ca］含量与平衡夹杂物组成之间的关系，计算结果见图5。
由此可见，为使钢液析出具有良好变形能力的塑性夹杂物，钢液中铝和钙含量必须分别控制在10×10-6和1×10-6以下。
为控制钢中的铝含量，除必须用低铝硅铁合金化外，还必须用专门的合成渣进行二次精炼，以便通过渣钢之间建立局部反应平衡来控制钢液残余铝含量［20］。
图5 与CaO-Al
2O
3
-SiO
2
夹杂物平衡时SAE9254钢液等铝、钙线
5 精炼工艺及夹杂物实际控制效果
按生产工艺，炼钢多数是BOF，而后用连铸法浇注成钢坯。
精炼炉则各不相同，神户制钢用ASEA—SKF炉精炼［21］，住友金属用VAD炉精炼［22］，大同特钢用LF—RH处理［23］，新日铁Muroran厂则采用加盖钢包吹氩处理［3］。
精炼用的合成渣均为专用中性渣，这是吸收夹杂物和控制钢水残铝含量的必需手段。
只有这样，钢水凝固时才会析出多元组成的塑性夹杂物。
图6［21］则为光学显微镜测定的SAE9254线材表层和芯部夹杂物最大厚度的分布。
图6(a)为钢中不加铝脱氧，也不用合成渣精炼，而只用DH真空脱气，钢中残铝量为20×10-6；图6(b)则为钢中不加铝脱氧，但用专用合成渣精炼，钢中残铝量为10×10-6。
图6 光学显微镜测定SAE9254线材中夹杂物最大厚度分布［21］
图6的结果表明，通过这种严格控制的脱氧和合成渣精炼措施始能获得变形能力良好的多元塑性夹杂物，这种超洁净钢的夹杂物即使是尺寸大于5μm也大为改善。
材料的疲劳极限可提高到30～60MPa［3、21］。
6 结论
对弹簧疲劳寿命产生危害的主要是大颗粒不变形夹杂物Al
2O
3
、MgO、Al
2
O
3
等。
采用超低氧精炼技术将全氧含量降到10×10-6以下仍不能避免因夹杂物所引起的弹簧断裂。
而夹杂物无害化的概念不追求超低氧低夹杂含量，却可在热轧状态下具有良好变形能力的塑性夹杂物便能减轻和避免夹杂物的危害。
现代夹杂物成分及形态控制技术得益于前人有关夹杂物性质和其对材料机械力学、疲劳性能的研究成果以及渣—钢、夹杂物—钢之间反应热力学资料的不断完善，通过准确的热力学预测可指导生产实践而获得良好效果。
联系人:薛正良，博士生，副教授，北京市(100081)冶金部钢铁研究总院冶金工艺研究所
作者单位:冶金部钢铁研究总院。